新乡定国湖浮游植物群落结构及其水质评价

2021-03-03李杲光陈艳范明鋆侯翠翠李英臣马剑敏

人民黄河 2021年1期

李杲光陈艳范明鋆侯翠翠李英臣马剑敏

摘要：为全面了解新乡定国湖浮游植物群落结构及水质状况，于2017年7月、2017年10月、2018年1月、2018年4月对定国湖进行了采样调查，结果表明：定国湖共发现浮游植物8门67属109种，其中绿藻门和蓝藻门最多，硅藻门次之;浮游植物丰度、相对丰度以及优势种存在明显季节变化，秋季浮游植物丰度最高，以蓝藻门的大型集胞藻为绝对优势种，冬季浮游植物丰度最低，硅藻门的相对丰度较高且优势种的种类较多;定国湖浮游植物丰度与Chl-a呈极显著正相关关系，与DO呈显著负相关关系，与pH值、NH3-N呈极显著负相关关系;浮游植物多样性指数对定国湖水质评价的结果为轻污染水平，水质模糊综合评价结果显示定国湖水质符合Ⅳ类水质标准，综合浮游植物多样性指数与水质模糊综合评价结果来看，定国湖水质处于轻度污染水平。

关键词：浮游植物;水质评价;新乡市;定国湖

中图分类号：Q145;X824;TV211.1文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.019

引用格式：李杲光，陈艳，范明鋆，等.新乡定国湖浮游植物群落结构及其水质评价[J].人民黄河，2021，43（1）：97-102.

Phytoplankton Community Structureand Water Quality Assessment of Dingguo Lake in Xinxiang City

LI Gaoguang， CHEN Yan， FAN Mingjun， HOU Cuicui， LI Yingchen， MA Jianmin

（College of Life Sciences， Henan Normal University， Xinxiang 453007， China）

Abstract：In order to fully understand the phytoplankton community and water quality in Dingguo Lake of Xinxiang， an investigation had been conducted in July 2017， October 2017， January 2018 and April 2018. The results show that a total of 109 phytoplankton species belonging 8 phyla and 67 genra is recorded in Dingguo Lake， of which， Bacillariophyta is the most abundance taxa， then is followed by Chlorophyta and Cyanophyta. Phytoplankton abundance， relative abundance， and dominant species exhibit significant seasonal variations， the phytoplankton abundance is the highest in autumn with dominant Cyanophyta， and Synechocystis crassa is the absolute dominant species， the phytoplankton abundance is the lowest in winter with high relative abundance of Bacillariophyta and the number of absolute dominant species is great. The correlation analysis indicates that the phytoplankton abundance of Dingguo Lake has highly significant positive correlation with Chl-a and has highly significant negative correlation with pH and NH3-N compared to the significant negative correlations with DO. The results of water quality evaluation of Dingguo Lake by phytoplankton diversity index indicates a light pollution level and the results by fuzzy comprehensive evaluation indicate that the water quality of Dingguo Lake has met class IV water quality standard. Viewing the results from the phytoplankton diversity index and water quality evaluation by fuzzy comprehensive evaluation together， it can be concluded that the water quality of Dingguo Lake is at a light pollution level.

Key words： phytoplankton; water quality assessment; Xinxiang City; Dingguo Lake

城市湖泊是城市生态系统的重要组成部分，对于城市发展具有重要意义。新乡市定国湖位于河南省新乡市中心城区东部，依托新鄉市赵定河而建，以赵定河为水源，占地41.75 hm2，其中水面面积20.13 hm2，湖区库容约50万m3，最大水深不超过6 m，属于城市人工浅水湖。该湖修建始于2016年4月，2017年4月已基本竣工并完成蓄水，同期定国湖自建的水处理系统开始运行，但由于水处理设备处在调试阶段，因此水处理效果差异较大。作为新修建的集景观、休闲、娱乐功能于一体的城市人工湖，定国湖受外界干扰因素多，更易受到污染[1]。

浮游植物作为水域生态系统的初级生产者[2]，是水域生态系统的重要组成部分，其种类组成和分布对环境变化具有指示作用，其多样性是水域生态系统的重要评价指标[3]。目前，利用浮游生物指标结合水体理化指标对水环境质量评价的研究较多[4-8]，但对于新建湖泊的研究还鲜见报道，因此对新乡市新建城市湖泊进行水质监测和浮游植物调查，以了解城市人工湖泊的水质动态和浮游植物群落演替规律及两者间的关系，进而评价其水质状况。

1 材料与方法

1.1 样点设置与采样时间

在定国湖设置了4个采样点（见图1），其中：1号采样点（S1）、3号采样点（S3）在入湖口、出湖口附近，受人为活动干扰较多的2号采样点（S2）、受人为活动干扰较少的4号采样点（S4）分别位于湖外侧观景台、内侧观景台。采样时间分别为2017年7月（夏季）、2017年10月（秋季）、2018年1月（冬季）、2018年4月（春季）。

1.2 样品采集与处理

浮游植物定性样品使用25号浮游生物网，在水面下0.5 m左右作“∞”形缓慢拖动3 min采集，采集后加入4%的甲醛溶液固定保存。定量样品利用采水器在水下0.5 m处采集1 L后加入15 mL鲁哥试液进行现场固定，带回实验室经沉淀浓缩后保存以备镜检。

水体理化指标的监测与浮游植物的采样同步进行，其中：pH值、溶解氧（DO）、水温（WT）在现场利用HACH便携式水质分析仪测定，化学需氧量（CODCr）、总氮（TN）、总磷（TP）、铵态氮（NH3-N）、浊度（TUB）和叶绿素a（Chl-a）利用采水器在水下0.5 m处采集水样后带回实验室测定。

1.3 数据分析

运用优势度（Y）[9]表示水体中浮游植物的优势种群，其计算公式为Y=fini/N，其中：ni为第i种浮游植物个体数;N为浮游植物总个体数;fi为第i种浮游植物在各样点出现的频率。当Y>0.02时，认为该物种为优势种群。

运用Shannon-Wiener指数（H）、Pielou均匀度指数（J）对定国湖水体富营养化进行生物学评价，各指数的计算公式及评价标准参见文献[10-12]，其中H值为0～1.0属重度污染，为1.0～3.0属中度污染，H>3.0为轻度污染或无污染;J值为0～0.3属重度污染，为0.3～0.5属中度污染，为0.5～0.8属轻度污染。同时，运用SPSS16.0软件对定国湖浮游植物的丰度和水体理化指标进行相关性分析。

运用模糊综合评价法对定国湖水体进行富营养化评价，该方法是一种以模糊数学理论为基础，将各因子定量化处理后评价水体富营养化状况的方法[13]。评价模型建立步骤如下：

（1）设立评价因子集。选择相关测定指标作为评价因子，若有n个指标参与评价，则评价因子集U={u1，u2，…，un}，其中u1、u2、…、un为参与评价的各个因子。

（2）设立评价标准集。设有m个评价等级，则评价标准的集合V={v1，v2，…，vm}，根据《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）将地表水水质分成5类，即评价集V={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}。

（3）建立隶属函数和模糊评价矩阵。依据地表水环境质量标准构建隶属函数，通过各评价指标的实测值对于某级评价标准的隶属度建立模糊评价矩阵。

（4）建立权重集。评价因子的权重指评价因子对于水体整体污染程度贡献的大小，通过计算各评价因子的权重构建权重向量。

（5）模糊评价。根据权重向量和模糊评价矩阵，选用扎德算子“·”和“”运算方法得到模糊综合评价结果向量。为了更加准确反映水质的评价等级，并能够对多个水质样本进行比较排序，在得到评价结果向量的基础上，采用加权评价原则，最终确定水质评价结果。评价结果数值越大，说明其水质越差。

2 结果

2.1 浮游植物群落结构

2.1.1 浮游植物种类组成

在定国湖发现浮游植物共计8门67属109种。其中：硅藻门18属28种，占25.7%;蓝藻门16属30种，占27.5%;绿藻门21属35种，占32.1%;黄藻门3属3种，占2.8%;甲藻门2属2种，占1.8%;隐藻门2属4种，占3.7%;裸藻门3属5种，占4.6%;金藻门2属2种，占1.8%。各门类浮游植物种类在不同采样点的种类数见表1，整体来看，硅藻、蓝藻、绿藻是定国湖浮游植物的主要类群;从浮游植物种类组成的时间特征来看，夏季和春季浮游植物种类较多，秋季和冬季种类较少;从空间特征来看，1号采樣点和2号采样点浮游植物种类较多，3号采样点和4号采样点种类相对较少。

2.1.2 浮游植物丰度

由定国湖浮游植物丰度变化情况（见图2）可知，定国湖浮游植物各季节平均丰度表现为秋季最高，冬季最低，春季略高于夏季;从浮游植物丰度的空间特征来看，采样点S1浮游植物丰度相对较高，采样点S4丰度较低，采样点S2、S3丰度居中且差别不大。

由定国湖浮游植物相对丰度变化情况（见图3）可以看出，定国浮游植物相对丰度季节变化明显，2017年夏季和2017年秋季以蓝藻门为主，分别占总丰度的70%和85%;2018年冬季以硅藻门和蓝藻门为主，分别占总丰度的25%和30%;2018年春季以硅藻门为主，其占比超过了总丰度的70%。从浮游植物相对丰度的空间特征来看，各采样点浮游植物的相对丰度无明显空间差异。

2.1.3 浮游植物优势种

浮游植物的优势种由优势度来确定。由表2可以看出，2017年7月至2018年4月定国湖出现的优势种共20种。从时间上看，2017年夏季有11种，其中蓝藻门的小席藻的优势度值最大，为0.290;2017年秋季出现了4种，其中蓝藻门的大型集胞藻的优势度值最大，为0.763;2018年冬季出现了12种，其中硅藻门的梅尼小环藻的优势度值最大，为0.112;2018年春季出现了8种，其中硅藻门的尖针杆藻的优势度值最大，为0.384。

2.2 浮游植物多样性分析

定国湖浮游植物多样性指数计算结果见表3，其中Shannon-Wiener指数H的范围为1.40～4.31，平均值为3.27，污染等级为轻度污染或无污染;Pielou均匀度指数J的范围为0.22～0.88，平均值为0.56，污染等级为轻度污染。整体上看，H值和J值的时空变化趋势较一致，呈极显著正相关关系。从多样性指数计算结果的时间特征来看，H值和J值在2017年秋季最低，在2018年冬季最高，其中2017年秋季为中度污染，其余时间为轻度污染。从多样性指数空间特征来看，各采样点污染水平无明显空间差异，平均污染程度均为轻度污染。

2.3 水体理化指标

定国湖水体理化指标的测定结果见表4，可以看出，定国湖pH值为7.93～8.96，呈弱碱性;水温具有明显季节性变化规律，在夏季最高，冬季最低;对比《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）发现，定国湖全年DO属于Ⅰ类水质;TP、NH3-N含量符合Ⅱ类水质标准;CODCr含量符合Ⅳ、Ⅴ类水质标准;TN含量变化范围较大，在春夏季节符合Ⅴ类水质标准，在秋冬季节符合Ⅲ类水质标准。

2.4 浮游植物丰度与水体理化指标相关性分析

定国湖浮游植物丰度与水体理化指标的相关系数见表5，浮游植物丰度与Chl-a呈极显著正相关关系，与DO呈显著负相关关系，与pH值、NH3-N呈极显著负相关关系;与水温、浊度具有一定正相关性，但相关性未达到显著水平;与CODCr、TN、TP具有一定负相关性，但相关性未达到显著水平。

2.5 水质模糊综合评价

根据定国湖水质监测数据，选择CODCr、TN、NH3-N、TP作为评价因子，并计算各因子权重系数，进而得到水质模糊综合评价结果。由评价因子权重系数计算结果（见表6）可以看出，CODCr和TN是影响定国湖水体污染程度的主要因素，其次是TP，NH3-N对水体污染程度影响最小。根据水质模糊综合评价结果（见表7），定国湖水质符合Ⅳ类水质标准。从时间上看，定国湖水质在秋冬季节相对较好，在春夏季节相对较差。从空间上看，定国湖4个采样点的水质评价结果为3.725～4.330，波动较小，其中S4水质相对较好，S2水质相对较差。

3 分析与讨论

3.1 定国湖浮游植物群落特征

在定国湖共发现浮游植物8门109种，物种丰富度少于新乡市另一人工湖牧野湖[14]，而与上海的人工湖滴水湖的浮游植物种类接近[15]，其原因可能与定国湖形成时间短有关。

定国湖浮游植物种类以绿藻、蓝藻和硅藻为主，其中夏秋季节蓝藻种类较多、秋冬季节硅藻种类相对较多，这与浮游植物相对丰度的计算结果一致。从定国湖浮游植物丰度与水环境因子的相关分析来看，Chl-a含量与浮游植物丰度具有极显著正相关关系，与DO呈极显著负相关关系，这与蔡庆华等[16-17]的研究结论一致。水温对浮游植物丰度的影响很大[18-19]，本次研究中水温与浮游植物丰度具有一定正相关性，相比其他季节来说，冬季温度较低不适宜浮游植物生长，从而导致定国湖冬季浮游植物的丰度远低于其他季节的。

浮游植物优势种类数目及优势度对浮游植物群落结构的稳定具有重要作用，优势种类越多且其优势度越小，群落越趋于稳定[20]。定国湖秋季以大型集胞藻为绝对优势种的蓝藻门类群为主，因此秋季多样性指数较低;冬季以硅藻门类群占优且优势种数目较多，因此多样性指数较高，这与Ekhator等[21]的研究结论一致。

3.2 定国湖水质评价

根据定国湖浮游植物多样性指数评价结果，从空间特征来看，由于定国湖湖区面积较小，因此各采样点污染水平无明显差异;但从时间上看，秋季污染程度较其他3个季节相对严重，其可能与以大型集胞藻为绝对优势种的蓝藻暴发生长有关。

CODCr和TN在水质模糊综合评价中占有较高的权重，是影响定国湖水质状况的主要污染因子;TN含量在全年波动较大，其原因是定国湖自建的水处理设施不够完善，补给水源处理效果差异较大。从空间上看，定国湖4个采样点水质差别相对较小，其原因可能是定国湖面积较小，且封闭性较强，湖水在风力扰动下混合较均匀。定国湖与北京什刹海三海、沈阳北陵公园内湖泊、江门东湖等其他存续时间较长的城市湖泊对比发现，定国湖内源污染较小，外源营养物质的汇入是影响定国湖水质的主要原因[22-24]。此外，定国湖建成后人为活动的干预也是影响定国湖水质变化的原因。

依据浮游植物多样性指数对水质评價的结果与依据水体理化指标对水质模糊综合评价的结果存在一定差异，且多样性指数评价结果好于水质模糊综合评价结果，其原因可能是，定国湖水体中有机物和营养盐含量相对较高，但湖中放养了大量鱼类，有效控制了藻类的生长，这与朱为菊等[15]对滴水湖的研究结果一致。综合浮游植物多样性指数与水质模糊综合评价结果来看，定国湖水质处于轻度污染水平。

根据调查结果，为了改善定国湖水质、防止水质恶化，建议定国湖管理部门完善水处理设施，保证水处理效果。建议在夏秋季节根据来水赵定河的水质，调整补给定国湖的水量和频率，增强水体流动性，改善水质。此外，在采样期间发现群众在定国湖湖区私自放生鱼类、烧烤野炊等现象，建议加强对周围群众的宣传教育，强化保护与管理措施。

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