基于浮游藻类个体数的星云湖水质评价研究

李芸仙 李红章

摘 要：近年来国内淡水湖泊浮游藻类监测一般以细胞数为计数单位，但现有的基于藻类数据的湖泊水质评价仅适用于藻类个体数。为此，本研究选择云南省玉溪市星云湖，开展基于藻类个体数监测的湖泊水质评价，检验其与基于化学指标的水质评价结果的一致性，比较理化指标监测与藻类个体数监测的优势和劣势，探讨今后开展藻类个体数监测工作的必要性。认为基于藻类个体数的水质评价方法可反映水生态环境的综合状况，有其独特价值，并且监测工作投入比理化指标监测少，但存在对技术人员的素质要求高、培训周期长、难以质控等缺点。

关键词：浮游藻类；个体数；多样性指数；水质评价

中图分类号：X824文献标志码：A文章编号：1673-9655（2024）02-000-05

0 引言

随着水生态监测工作日益受到重视，淡水湖泊浮游藻类监测在全国范围内广泛开展。作为浮游藻类监测的基本方法，显微分类计数方法可获得藻类的种类构成和以藻类个体数或细胞数表征的浮游藻类生物量[1]。1990年前，内陆水体营养水平普遍较低，浮游藻类个体常常是由单细胞或少数几个细胞以规则的方式组成的个体形式存在，藻类显微计数普遍以个体数为单位[2，3]。随着20世纪末经济社会的快速发展，内陆水体普遍遭受富营养威胁，浮游藻类生物量升高，浮游藻类细胞越来越多以球团状（如微囊藻）和束状聚集（如束丝藻）形成的不定形简单多细胞群体形态存在。为准确衡量藻类生物量并通俗易懂地呈现藻类生物量的时空差异，藻类显微计数逐步变成以细胞数来计数[4]。个体数和细胞数两种计数方式各有利弊或适用条件，前者符合传统生态学调查中的种群调查概念，可直接用于计算藻类多样性指数[5]，并基于计算结果和已有的分级标准[6]评价湖泊水质。后者虽然可通俗易懂地表征藻类生物量，但由于基于藻类细胞数的水质评价标准尚未出台，致使无法基于藻类细胞数开展湖泊水质评价。随着《GB 3838—2002地表水环境质量标准》的出台，近20多年来基于理化指标的水质评价已经普遍被接受，但基于藻类监测工作的水质评价报道鲜见，开展基于藻类个体数的监测与评价是否仍有必要值得商榷。本研究选择当前已经处于富营养状态的云南省玉溪市星云湖，开展藻类个体数监测，并基于此开展藻類多样性指数计算及水质评价，检验这一方法与基于化学指标的水质评价结果的一致性，并探讨今后继续开展藻类个体数监测的必要性。

1 材料与方法

1.1 星云湖概况

星云湖是珠江流域南盘江水系源头湖泊，位于云南省江川盆地东部，属于古抚仙湖的一部分，地理坐标为24°17'～24°24'N、102°45'～102°49'E，南北长10.5 km，东西平均宽3.8 km，湖岸线36.3 km，湖面面积34.71 km2，最大水深11 m，平均水深7 m，蓄水量约1.84亿m2，

水位1722 m。流域面积为389.79 km2。流域地处亚热带西南季风气候区，气候温和，四季不分明，多年平均降雨量863.1 mm，年平均气温15.6℃。湖水主要靠地表径流和湖面降水补给，主要入湖河流有大街河、东西大河、螺蛳铺河、渔村河等12条季节性河流，河道总长132 km，多年平均入湖径流量为6200万m3。星云湖集旅游、饮用、灌溉、养殖等功能为一体，是江川社会经济持续发展的命脉，进入20世纪90年代后，随着星云湖流域的开发，湖体水质迅速下降，2002年5月蓝藻大面积暴发，此后每年蓝藻水华都会频繁出现[7]。

1.2 采样及分析方法

全湖均匀布设7个浮游藻类监测点位，点位空间位置示意图见图1。2019年8月—2020年7月每月在上述点位开展一次采样监测，分析指标涉及浮游藻类个体数（ind./L）、总氮（TN，mg/L）、总磷（TP，mg/L）、氨氮（NH3-N，mg/L）、高锰酸盐指数（Im，mg/L）等生物和理化指标。采样监测方法依据《水和废水监测分析方法》（第四版）。基于浮游藻类个体数计算优势度、Shannon-Weiner多样性指数（H′）见公式（1）和公式（2），基于H′的水质评价标准见表1，基于理化指标的水质评价标准依据《GB 3838—2002地表水环境质量标准》。

1.3 计算公式

（1）优势度（Y）

优势度计算见公式1。

式中：Y—第i个分类单元的优势度；mi—第i个分类单元的个体数；M—样点中所有分类单元的总个体数；fi—出现频率，指第i个分类单元（通常为属或种，下同）出现的样点数占总样点数的百分比。当Y≥0.02 时，可视第i个分类单元为优势种类[8]。

（2）Shannon-Weiner指数（H′）

式中：H′—多样性指数；mi—样点中第i个分类单元的个体数；M—样点中所有分类单元的总个体数；s—样点中的种类数或属数。

基于Shannon-Weiner指数的水质分级标准见表1，

这一标准取自《HJ 1296—2023水生态监测技术指南湖泊和水库水生生物监测与评价（试行）》[6]。

分级标准

H′ H′=0 0＜H′≤1 1＜H′≤2 2＜H′≤3 H′＞3

水质 很差 较差 中等 良好 优秀

2 结果与分析

2.1 浮游藻类

2.1.1 种类构成

采样期间共发现浮游藻类6门43属。其中，绿藻门（Chlorophyta）数量最多，有20属；蓝藻门（Cyanophyta）其次，有10属；硅藻门（Bacillariophyta）7属；甲藻门（Pyrrophyta）、隐藻门（Cryptophyta）、裸藻门（Euglenophyta）各2属。同一月份采集的不同点位样品间的种类构成差异较小，但不同月份采集的样品间的种类构成呈现明显的季节变化，主要体现在优势类群的变化方面。

2.1.2 藻类个体数的时空变化

调查期间星云湖7个调查点位浮游藻类个体数年均值达0.958×108 ind./L，显示藻类生物量已经处于非常高的水平，并且浮游藻类个体数呈现明显的季节变化和空间差异。

（1）季节变化

图2为调查期间星云湖各月浮游藻类个体数箱形图，图中同一月份的藻类数据来自7个点位的藻类个体数。从图2可以看出，2019年8月—2020年7月的12个月中，星云湖浮游藻类个体数存在明显的季节变化，大体呈现初冬季节最高，夏秋季节最低的季节变化节律，全湖平均最高值出现在初冬季节的11月，达3.43×108 ind./L；最低值出现在秋季末的10月，达0.20×108 ind./L。

（2）空间差异

图3为调查期间星云湖7个调查点位浮游藻类个体数的箱形图，图中每个点位的数据来自12个月的藻类个体数。从图中可以看出，浮游藻类个体数呈现出明显的空间差异，北半湖高、南半湖低，最高值往往出现在东北端的7号和2号点位，最低值出现在西南部的5号点位。全湖浮游藻类个体数的空间差异与星云湖常年盛行西南风，以易悬浮的微囊藻为优势类群的藻类更多会向下风向聚集有关。

2.1.3 优势类群

表2为调查期间星云湖各月浮游藻类优势类群及优势度。从表2可以看出，全年12个月共有六个属成为优势属，分别为微囊藻属、束丝藻属、鱼腥藻属、小环藻属、栅藻属、蓝隐藻属。其中，微囊藻属在每个月皆为优势度最高的属，各月优势度介于0.846～0.969；束丝藻属在2020年2月、3月、4月连续三个月成为优势属，优势度介于0.069～0.104；小环藻属在2019年10月、2020年1月、

2020年7月共三个月成为优势属，优势度介于0.026～0.052；蓝隐藻属在2020年1月、5月和6月三个月成为优势属，优势度分别为0.043、0.038、0.095；栅藻属2020年7月成为优势属，优势度为0.033；鱼腥藻属2020年2月成为优势属，优势度为0.026。由此可见，调查期间星云湖浮游藻类群落构成比较简单，微囊藻属始终为绝对优势属，其它类群的优势度非常低。

微囊藻屬中，以惠氏微囊藻（Microcystis wesenbergii）出现频率最高，其次为挪氏微囊藻（Microcystis novacekii），两者是调查期间星云湖浮游藻类的绝对优势种，其它种类的微囊藻出现频率远远低于前两者。

2.1.4 多样性指数及水质评价

表3为调查期间星云湖各点位及全湖Shannon-Weiner多样性指数（H′）计算结果，表4为基于表3的Shannon-Weiner多样性指数（H′）计算结果的星云湖水质评价，评价分级标准见表1。从表4可以看出，全年12个月中，仅有1个月为中等，其它11个

月皆为较差。全年12个月7个调查点位共84个评价结果中，仅有9个为中等，占10.7%；其它75个为较差，占89.3%，说明调查期间星云湖污染程度较为严重，H′最高（1.08）、水质最好（中等）的月份（10月）与藻类个体数最少的月份重合，H′最低（0.21）、水质最差（较差）的月份（11月）与藻类个体数最多的月份重合。

2.2 理化指标

采样期间各点位主要理化指标监测及水质评价结果见表5。从表5看出，采样期间星云湖全湖12个月的水质评价结果中，有1个Ⅳ类、5个Ⅴ类、6个劣Ⅴ类，这与表4中基于浮游藻类Shannon-Weiner多样性指数（H′）的星云湖全湖12个月的水质评价结果中“仅有1个月为中等、其它11个月皆为较差”差异明显。

7个调查点位共84个评价结果中，有12个为Ⅳ类，占14.3%；30个为Ⅴ类，占35.7%；42个为劣Ⅴ类，占50.0%。这也与表4中基于浮游藻类Shannon-Weiner多样性指数（H′）的星云湖全年12个月7个调查点位共84个评价结果中“仅有9个为中等，占10.7%；其它75个为较差，占89.3%”差异明显。

3 讨论与结论

表2中调查期间星云湖各月浮游藻类皆以微囊藻属为绝对优势类群，这一浮游藻类的群落特征与星云湖的水质状况是符合的，星云湖水质具有较高的氮、磷营养水平，加之星云湖地处亚热带季风气候区，降雨多、气温高，适合浮游藻类繁殖，并且微囊藻等耐污种类易于成为优势类群。

对比表4和表5可知，基于藻类个体数Shannon-Weiner多样性指数的水质评价结果与基于化学指标的水质评价结果存在一定差异。原因可能存在于至少四个方面：其一，本研究监测的理化指标少，仅涉及了TN、TP、NH3-N、Im四个理化指标，未包括《GB 3838—2002地表水环境质量标准》的全部化学指标，这影响了基于化学指标的水质评价结果的可靠性；其二，浮游藻类生存于湖泊水环境中，不仅受《GB 3838—2002地表水环境质量标准》涉及的水质指标影响，可能也受这一标准未涉及的其它化学指标影响，如新污染物；其三，浮游藻类群落构成受到气象、水文、湖泊中的鱼类、浮游动物等物理和生物因素的影响，也与特定藻类的生理生态适应性有关，相应地浮游藻类反映的是湖泊水生态环境的综合状况，而不单单是水质；更重要的生物对环境变化的响应可能存在时滞，采样当天的理化指标监测结果更多反映了湖泊水环境的瞬时状况，而浮游藻类等生物却反映的是较长一段时间内湖泊水环境的总体状况。因此，基于藻类个体数Shannon-Weiner多样性指数的水质评价结果与基于化学指标的水质评价结果存在差异是正常的。

回顾星云湖水生态环境的演变历史可以发现，随着星云湖水环境质量从20世纪80年代的Ⅲ类下降至90年代的Ⅲ类、Ⅳ类，直至2002年后迅速下降至Ⅴ类、劣Ⅴ类[7]，星云湖浮游藻类群落也发生了相应变化。黎尚豪等[2]报道星云湖在1960年

全湖浮游藻类数量不超过84.1×105 ind./L，群落构成以菱形圆盘硅藻（Cyclotella rhomboideo-ellipticaSkuja）为优势种，飞燕角甲藻的数量比其他云南浅水湖泊多；祁云宽等[9]报道，2006年星云湖浮游藻类数量最高达到1.23×107 ind./L，并以微囊藻属为绝对优势类群；王英才2008年

5月对星云湖的调查表明，藻类细胞数全湖最高值为7.16×107 cell/L，且以微囊藻为绝对优势类群；秦洁等[10]报道，2010—2011年星云湖浮游藻类数量最高达到6.1×109 cell/L，并以微囊藻属为绝对优势类群；刘绍俊等[11]2017年开展的年度调查中，星云湖浮游藻类数量在秋季达到最高，为4.4×108 cell/L，并以微囊藻属为绝对优势类群；本次调查星云湖浮游藻类个体数年均值为0.958×108 ind./L，全年各月均以微囊藻属占绝对优势。上述研究表明，星云湖湖泊水质下降与浮游藻类群落变化是同步的，浮游藻类群落变化可以反映湖泊水质及水生态环境的长期变化和当前综合状态。

水质评价的生物学方法与理化指标方法各有优势和不足。例如：浮游藻类监测的优点是仅需要一人一台显微镜便可开展工作，投入更少，缺点是对技术人员的素质要求高，培训周期长且难以质控；而理化指标监测的优点是技术成熟、易质控，缺点是需要使用十几台设备由多人开展多个项目分析，人员设备投入大。随着监测人员素质的普遍提高和新技术的开发，藻类个体数监测仍不失为一项投入较少、结果相对可靠的湖泊水生态环境评价方法，有独特的不可替代的价值。

参考文献：

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胡鸿钧，魏印心.中国淡水藻类：系统分类及生态[M].北京：科学出版社，2006.

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祁云宽，刘绍俊，刘宇，等.星云湖藻类发展趋势及其资源化利用可行性研究[J].安徽农业科学，2015，43（24）：184-186.

秦洁，吴献花，吴斌，等.星云湖浮游植物和水环境特征研究及相关性分析[J].环境科学与技术，2012，35（6）：46-50.

刘绍俊，施艳峰，翟竟余，等.星云湖微囊藻密度周年变化及其与水质指标的关系[J].环境化学，2021，40（7）：2064-2072.