新鄉(xiāng)定國湖浮游植物群落結構及其水質評價

李杲光 陳艷 范明鋆 侯翠翠 李英臣 馬劍敏

摘 要：為全面了解新鄉(xiāng)定國湖浮游植物群落結構及水質狀況，于2017年7月、2017年10月、2018年1月、2018年4月對定國湖進行了采樣調查，結果表明：定國湖共發(fā)現(xiàn)浮游植物8門67屬109種，其中綠藻門和藍藻門最多，硅藻門次之;浮游植物豐度、相對豐度以及優(yōu)勢種存在明顯季節(jié)變化，秋季浮游植物豐度最高，以藍藻門的大型集胞藻為絕對優(yōu)勢種，冬季浮游植物豐度最低，硅藻門的相對豐度較高且優(yōu)勢種的種類較多;定國湖浮游植物豐度與Chl-a呈極顯著正相關關系，與DO呈顯著負相關關系，與pH值、NH3-N呈極顯著負相關關系;浮游植物多樣性指數(shù)對定國湖水質評價的結果為輕污染水平，水質模糊綜合評價結果顯示定國湖水質符合Ⅳ類水質標準，綜合浮游植物多樣性指數(shù)與水質模糊綜合評價結果來看，定國湖水質處于輕度污染水平。

關鍵詞：浮游植物;水質評價;新鄉(xiāng)市;定國湖

中圖分類號：Q145;X824;TV211.1文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.019

引用格式：李杲光，陳艷，范明鋆，等.新鄉(xiāng)定國湖浮游植物群落結構及其水質評價[J].人民黃河，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

城市湖泊是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對于城市發(fā)展具有重要意義。新鄉(xiāng)市定國湖位于河南省新鄉(xiāng)市中心城區(qū)東部，依托新鄉(xiāng)市趙定河而建，以趙定河為水源，占地41.75 hm2，其中水面面積20.13 hm2，湖區(qū)庫容約50萬m3，最大水深不超過6 m，屬于城市人工淺水湖。該湖修建始于2016年4月，2017年4月已基本竣工并完成蓄水，同期定國湖自建的水處理系統(tǒng)開始運行，但由于水處理設備處在調試階段，因此水處理效果差異較大。作為新修建的集景觀、休閑、娛樂功能于一體的城市人工湖，定國湖受外界干擾因素多，更易受到污染[1]。

浮游植物作為水域生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)者[2]，是水域生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其種類組成和分布對環(huán)境變化具有指示作用，其多樣性是水域生態(tài)系統(tǒng)的重要評價指標[3]。目前，利用浮游生物指標結合水體理化指標對水環(huán)境質量評價的研究較多[4-8]，但對于新建湖泊的研究還鮮見報道，因此對新鄉(xiāng)市新建城市湖泊進行水質監(jiān)測和浮游植物調查，以了解城市人工湖泊的水質動態(tài)和浮游植物群落演替規(guī)律及兩者間的關系，進而評價其水質狀況。

1 材料與方法

1.1 樣點設置與采樣時間

在定國湖設置了4個采樣點（見圖1），其中：1號采樣點（S1）、3號采樣點（S3）在入湖口、出湖口附近，受人為活動干擾較多的2號采樣點（S2）、受人為活動干擾較少的4號采樣點（S4）分別位于湖外側觀景臺、內側觀景臺。采樣時間分別為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 樣品采集與處理

浮游植物定性樣品使用25號浮游生物網(wǎng)，在水面下0.5 m左右作“∞”形緩慢拖動3 min采集，采集后加入4%的甲醛溶液固定保存。定量樣品利用采水器在水下0.5 m處采集1 L后加入15 mL魯哥試液進行現(xiàn)場固定，帶回實驗室經(jīng)沉淀濃縮后保存以備鏡檢。

水體理化指標的監(jiān)測與浮游植物的采樣同步進行，其中：pH值、溶解氧（DO）、水溫（WT）在現(xiàn)場利用HACH便攜式水質分析儀測定，化學需氧量（CODCr）、總氮（TN）、總磷（TP）、銨態(tài)氮（NH3-N）、濁度（TUB）和葉綠素a（Chl-a）利用采水器在水下0.5 m處采集水樣后帶回實驗室測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

運用優(yōu)勢度（Y）[9]表示水體中浮游植物的優(yōu)勢種群，其計算公式為Y=fini/N，其中：ni為第i種浮游植物個體數(shù);N為浮游植物總個體數(shù);fi為第i種浮游植物在各樣點出現(xiàn)的頻率。當Y>0.02時，認為該物種為優(yōu)勢種群。

運用Shannon-Wiener指數(shù)（H）、Pielou均勻度指數(shù)（J）對定國湖水體富營養(yǎng)化進行生物學評價，各指數(shù)的計算公式及評價標準參見文獻[10-12]，其中H值為0～1.0屬重度污染，為1.0～3.0屬中度污染，H>3.0為輕度污染或無污染;J值為0～0.3屬重度污染，為0.3～0.5屬中度污染，為0.5～0.8屬輕度污染。同時，運用SPSS16.0軟件對定國湖浮游植物的豐度和水體理化指標進行相關性分析。

運用模糊綜合評價法對定國湖水體進行富營養(yǎng)化評價，該方法是一種以模糊數(shù)學理論為基礎，將各因子定量化處理后評價水體富營養(yǎng)化狀況的方法[13]。評價模型建立步驟如下：

（1）設立評價因子集。選擇相關測定指標作為評價因子，若有n個指標參與評價，則評價因子集U={u1，u2，…，un}，其中u1、u2、…、un為參與評價的各個因子。

（2）設立評價標準集。設有m個評價等級，則評價標準的集合V={v1，v2，…，vm}，根據(jù)《地表水環(huán)境質量標準》（GB 3838—2002）將地表水水質分成5類，即評價集V={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}。

（3）建立隸屬函數(shù)和模糊評價矩陣。依據(jù)地表水環(huán)境質量標準構建隸屬函數(shù)，通過各評價指標的實測值對于某級評價標準的隸屬度建立模糊評價矩陣。

（4）建立權重集。評價因子的權重指評價因子對于水體整體污染程度貢獻的大小，通過計算各評價因子的權重構建權重向量。

（5）模糊評價。根據(jù)權重向量和模糊評價矩陣，選用扎德算子“·”和“”運算方法得到模糊綜合評價結果向量。為了更加準確反映水質的評價等級，并能夠對多個水質樣本進行比較排序，在得到評價結果向量的基礎上，采用加權評價原則，最終確定水質評價結果。評價結果數(shù)值越大，說明其水質越差。

2 結 果

2.1 浮游植物群落結構

2.1.1 浮游植物種類組成

在定國湖發(fā)現(xiàn)浮游植物共計8門67屬109種。其中：硅藻門18屬28種，占25.7%;藍藻門16屬30種，占27.5%;綠藻門21屬35種，占32.1%;黃藻門3屬3種，占2.8%;甲藻門2屬2種，占1.8%;隱藻門2屬4種，占3.7%;裸藻門3屬5種，占4.6%;金藻門2屬2種，占1.8%。各門類浮游植物種類在不同采樣點的種類數(shù)見表1，整體來看，硅藻、藍藻、綠藻是定國湖浮游植物的主要類群;從浮游植物種類組成的時間特征來看，夏季和春季浮游植物種類較多，秋季和冬季種類較少;從空間特征來看，1號采樣點和2號采樣點浮游植物種類較多，3號采樣點和4號采樣點種類相對較少。

2.1.2 浮游植物豐度

由定國湖浮游植物豐度變化情況（見圖2）可知，定國湖浮游植物各季節(jié)平均豐度表現(xiàn)為秋季最高，冬季最低，春季略高于夏季;從浮游植物豐度的空間特征來看，采樣點S1浮游植物豐度相對較高，采樣點S4豐度較低，采樣點S2、S3豐度居中且差別不大。

由定國湖浮游植物相對豐度變化情況（見圖3）可以看出，定國浮游植物相對豐度季節(jié)變化明顯，2017年夏季和2017年秋季以藍藻門為主，分別占總豐度的70%和85%;2018年冬季以硅藻門和藍藻門為主，分別占總豐度的25%和30%;2018年春季以硅藻門為主，其占比超過了總豐度的70%。從浮游植物相對豐度的空間特征來看，各采樣點浮游植物的相對豐度無明顯空間差異。

2.1.3 浮游植物優(yōu)勢種

浮游植物的優(yōu)勢種由優(yōu)勢度來確定。由表2可以看出，2017年7月至2018年4月定國湖出現(xiàn)的優(yōu)勢種共20種。從時間上看，2017年夏季有11種，其中藍藻門的小席藻的優(yōu)勢度值最大，為0.290;2017年秋季出現(xiàn)了4種，其中藍藻門的大型集胞藻的優(yōu)勢度值最大，為0.763;2018年冬季出現(xiàn)了12種，其中硅藻門的梅尼小環(huán)藻的優(yōu)勢度值最大，為0.112;2018年春季出現(xiàn)了8種，其中硅藻門的尖針桿藻的優(yōu)勢度值最大，為0.384。

2.2 浮游植物多樣性分析

定國湖浮游植物多樣性指數(shù)計算結果見表3，其中Shannon-Wiener指數(shù)H的范圍為1.40～4.31，平均值為3.27，污染等級為輕度污染或無污染;Pielou均勻度指數(shù)J的范圍為0.22～0.88，平均值為0.56，污染等級為輕度污染。整體上看，H值和J值的時空變化趨勢較一致，呈極顯著正相關關系。從多樣性指數(shù)計算結果的時間特征來看，H值和J值在2017年秋季最低，在2018年冬季最高，其中2017年秋季為中度污染，其余時間為輕度污染。從多樣性指數(shù)空間特征來看，各采樣點污染水平無明顯空間差異，平均污染程度均為輕度污染。

2.3 水體理化指標

定國湖水體理化指標的測定結果見表4，可以看出，定國湖pH值為7.93～8.96，呈弱堿性;水溫具有明顯季節(jié)性變化規(guī)律，在夏季最高，冬季最低;對比《地表水環(huán)境質量標準》（GB 3838—2002）發(fā)現(xiàn)，定國湖全年DO屬于Ⅰ類水質;TP、NH3-N含量符合Ⅱ類水質標準;CODCr含量符合Ⅳ、Ⅴ類水質標準;TN含量變化范圍較大，在春夏季節(jié)符合Ⅴ類水質標準，在秋冬季節(jié)符合Ⅲ類水質標準。

2.4 浮游植物豐度與水體理化指標相關性分析

定國湖浮游植物豐度與水體理化指標的相關系數(shù)見表5，浮游植物豐度與Chl-a呈極顯著正相關關系，與DO呈顯著負相關關系，與pH值、NH3-N呈極顯著負相關關系;與水溫、濁度具有一定正相關性，但相關性未達到顯著水平;與CODCr、TN、TP具有一定負相關性，但相關性未達到顯著水平。

2.5 水質模糊綜合評價

根據(jù)定國湖水質監(jiān)測數(shù)據(jù)，選擇CODCr、TN、NH3-N、TP作為評價因子，并計算各因子權重系數(shù)，進而得到水質模糊綜合評價結果。由評價因子權重系數(shù)計算結果（見表6）可以看出，CODCr和TN是影響定國湖水體污染程度的主要因素，其次是TP，NH3-N對水體污染程度影響最小。根據(jù)水質模糊綜合評價結果（見表7），定國湖水質符合Ⅳ類水質標準。從時間上看，定國湖水質在秋冬季節(jié)相對較好，在春夏季節(jié)相對較差。從空間上看，定國湖4個采樣點的水質評價結果為3.725～4.330，波動較小，其中S4水質相對較好，S2水質相對較差。

3 分析與討論

3.1 定國湖浮游植物群落特征

在定國湖共發(fā)現(xiàn)浮游植物8門109種，物種豐富度少于新鄉(xiāng)市另一人工湖牧野湖[14]，而與上海的人工湖滴水湖的浮游植物種類接近[15]，其原因可能與定國湖形成時間短有關。

定國湖浮游植物種類以綠藻、藍藻和硅藻為主，其中夏秋季節(jié)藍藻種類較多、秋冬季節(jié)硅藻種類相對較多，這與浮游植物相對豐度的計算結果一致。從定國湖浮游植物豐度與水環(huán)境因子的相關分析來看，Chl-a含量與浮游植物豐度具有極顯著正相關關系，與DO呈極顯著負相關關系，這與蔡慶華等[16-17]的研究結論一致。水溫對浮游植物豐度的影響很大[18-19]，本次研究中水溫與浮游植物豐度具有一定正相關性，相比其他季節(jié)來說，冬季溫度較低不適宜浮游植物生長，從而導致定國湖冬季浮游植物的豐度遠低于其他季節(jié)的。

浮游植物優(yōu)勢種類數(shù)目及優(yōu)勢度對浮游植物群落結構的穩(wěn)定具有重要作用，優(yōu)勢種類越多且其優(yōu)勢度越小，群落越趨于穩(wěn)定[20]。定國湖秋季以大型集胞藻為絕對優(yōu)勢種的藍藻門類群為主，因此秋季多樣性指數(shù)較低;冬季以硅藻門類群占優(yōu)且優(yōu)勢種數(shù)目較多，因此多樣性指數(shù)較高，這與Ekhator等[21]的研究結論一致。

3.2 定國湖水質評價

根據(jù)定國湖浮游植物多樣性指數(shù)評價結果，從空間特征來看，由于定國湖湖區(qū)面積較小，因此各采樣點污染水平無明顯差異;但從時間上看，秋季污染程度較其他3個季節(jié)相對嚴重，其可能與以大型集胞藻為絕對優(yōu)勢種的藍藻暴發(fā)生長有關。

CODCr和TN在水質模糊綜合評價中占有較高的權重，是影響定國湖水質狀況的主要污染因子;TN含量在全年波動較大，其原因是定國湖自建的水處理設施不夠完善，補給水源處理效果差異較大。從空間上看，定國湖4個采樣點水質差別相對較小，其原因可能是定國湖面積較小，且封閉性較強，湖水在風力擾動下混合較均勻。定國湖與北京什剎海三海、沈陽北陵公園內湖泊、江門東湖等其他存續(xù)時間較長的城市湖泊對比發(fā)現(xiàn)，定國湖內源污染較小，外源營養(yǎng)物質的匯入是影響定國湖水質的主要原因[22-24]。此外，定國湖建成后人為活動的干預也是影響定國湖水質變化的原因。

依據(jù)浮游植物多樣性指數(shù)對水質評價的結果與依據(jù)水體理化指標對水質模糊綜合評價的結果存在一定差異，且多樣性指數(shù)評價結果好于水質模糊綜合評價結果，其原因可能是，定國湖水體中有機物和營養(yǎng)鹽含量相對較高，但湖中放養(yǎng)了大量魚類，有效控制了藻類的生長，這與朱為菊等[15]對滴水湖的研究結果一致。綜合浮游植物多樣性指數(shù)與水質模糊綜合評價結果來看，定國湖水質處于輕度污染水平。

根據(jù)調查結果，為了改善定國湖水質、防止水質惡化，建議定國湖管理部門完善水處理設施，保證水處理效果。建議在夏秋季節(jié)根據(jù)來水趙定河的水質，調整補給定國湖的水量和頻率，增強水體流動性，改善水質。此外，在采樣期間發(fā)現(xiàn)群眾在定國湖湖區(qū)私自放生魚類、燒烤野炊等現(xiàn)象，建議加強對周圍群眾的宣傳教育，強化保護與管理措施。

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【責任編輯 呂艷梅】