鄭燦，段杰仁，石偉，鮑廣強，邱小琮

（1.寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏固原市第七中學，寧夏 固原 756002；3.銀川市水產(chǎn)技術推廣服務中心，寧夏 銀川 750001；4.安徽建工集團投資管理有限公司，安徽 合肥 230031；5.寧夏大學生命科學學院，寧夏 銀川 750021）

浮游植物位于水生態(tài)系統(tǒng)生物鏈的低端，是湖泊生態(tài)系統(tǒng)最重要的基礎部分，其組成和種類的變化直接影響整個水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。水體環(huán)境的變化對浮游植物種類及數(shù)量有著至關重要的影響，浮游植物的變化也可推測水質的狀況[1-4]。

星海湖位于東經(jīng)105°58'～106°59'，北緯38°22'～39°23'，地處寧夏回族自治區(qū)石嘴山市，總面積48.08km2，其中湖泊面積14.7km2，平均水深1.2m，是極具價值的湖泊濕地。作為我國首批濕地保護項目之一，星海湖在承擔著防洪調洪、蓄水補水兩項基本功能的同時，集生態(tài)改善、水產(chǎn)養(yǎng)殖、濕地保護、旅游休閑等功能為一體[5]。在石嘴山市和大武口區(qū)“十三五”規(guī)劃中，水產(chǎn)、水禽、水生種植、水上旅游等“四水產(chǎn)業(yè)”已被列入規(guī)劃[6]。星海湖濕地植物主要有水生植物、耐鹽堿植物[5]，匯集了湖泊、沼澤等多種類型的復雜生態(tài)系統(tǒng)，具有防洪、灌溉、補充地下水、維持區(qū)域水量平衡等功能[7]。目前，星海湖的生態(tài)環(huán)境較為惡劣，污染源主要為灌溉渠（二農(nóng)渠）的補水口；生產(chǎn)、生活和娛樂產(chǎn)生污染和大氣降塵、大氣降水、煤矸石堆淋溶產(chǎn)生的污水以及水土流失等[8,9]。目前，僅對星海湖的水質、富營養(yǎng)化程度、水環(huán)境、水生生物等進行了分析研究，關于星海湖水生植物與水環(huán)境因子間的關系還未進行深入研究。影響浮游植物生存與發(fā)展的主要因素是水體中的環(huán)境因子[10]。

為了深入研究分析星海湖浮游植物變化的主要原因及其變化規(guī)律，減小其富營養(yǎng)化的速度，本研究于2017 年測定了星海湖浮游植物指標及其相關水質指標，運用相關分析、逐步回歸分析、通徑分析和灰關聯(lián)法，分析了星海湖浮游植物與水環(huán)境因子之間的相關關系，并找出影響浮游植物變化的最主要的水環(huán)境因子，以期為星海湖富營養(yǎng)化治理與防護提供基本的數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣時間和采樣點

星海湖呈長窄分布，周邊污染源分布較均勻，其水深變化幅度較??；根據(jù)星海湖以上特性，綜合其水力特征和利用現(xiàn)狀，在星海湖設置4 個采樣點（圖1），分別為S1、S2、S3、S4，于春（2017 年4 月）、夏（2017 年7 月）、秋（2017 年10 月）、冬（2017 年1月）[10]測定星海湖水體中的浮游植物、葉綠素a 含量以及相關水質指標。

1.2 浮游植物數(shù)據(jù)的收集

根據(jù)標準，浮游植物的定性標本與定量標本于晴天上午采集。定量標本取湖水表層的水體，存放于采水器（1L），定用1.5%魯哥氏液現(xiàn)場固，靜置48h濃縮至50mL，最后加入2mL 甲醛進行保存[11,12]。定性標本用25#浮游生物網(wǎng)采集，5%的甲醛現(xiàn)場固定[12]。定性標本一般只用于分析與鑒定，一般鑒定到種，對于少數(shù)難以確定的種類至少鑒定到屬。定量標本使用0.1mL 的計數(shù)框于顯微鏡下計數(shù)浮游生物，確定水體中浮游植物密度及生物量[13]。

表1 水質指標測定方法和標準Tab.1 Method and standard for determination of water quality indicators

1.3 水質指標測定

按照《水質采樣方案設計技術規(guī)定（HJ 495-2009）》、《水質采樣技術指導（HJ 494-2009）》和《水質樣品的保存和管理技術規(guī)定（HJ 493-2009）》中的標準采集水樣，依照《地表水環(huán)境質量標準》（GB3838-2002）中的方法測定水質指標[9]（表1）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1 相關分析

計算水環(huán)境因子與浮游植物指標之間的相關系數(shù)，并進行分析討論。

1.4.2 逐步回歸分析與通徑分析

以浮游植物指標作為逐步回歸分析的因變量，以水環(huán)境因子為自變量，運用逐步回歸分析對自變量進行篩選，最終建立回歸方程[15,16]。在創(chuàng)建回歸方程模型的過程中，求出通徑系數(shù)，進行通徑分析[ 11,17 ]。

1.4.3 灰關聯(lián)分析

各水質指標的類型和量綱都不同，灰關聯(lián)分析前對水質數(shù)據(jù)進行前期處理—無量綱化處理，本文用極差變換法把數(shù)據(jù)歸一化到0-1 之間[18,19]。

灰關聯(lián)分析就是以浮游植物指標為母序列，以水環(huán)境因子為子序列，計算浮游植物指標與水環(huán)境因子的關聯(lián)度，根據(jù)關聯(lián)度確定水環(huán)境因子對浮游植物的作用[20,21]。

1.4.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用DPS 統(tǒng)計軟件處理[22-24]。

2 結果與分析

2.1 浮游植物種類組成與變化分析

由圖2 可知：總體上，星海湖綠藻門的種類占比較大；綠藻門、硅藻門和藍藻門比其他門的占比要大，變化幅度較大。硅藻門逐步增加，而綠藻門和藍藻門的種類數(shù)總體上有略微下降，其他則變化幅度較平穩(wěn)。

表2 不同季節(jié)星海湖中各種藻類所占的比重Tab.2 The proportion of various species algae in Xinghai Lake in different seasons

如表2 所示，四季中，綠藻門占絕對優(yōu)勢。總體上，綠藻門、硅藻門和藍藻門比其他門占比較大。綠藻門所占比重隨季節(jié)變化逐漸降低，但下降程度不大，硅藻門先降低再升高，冬季達最大值，夏季藍藻門達最大值。其他門所占比重都不大，變化也較平穩(wěn)，僅夏、秋兩季金藻急劇減少。

表3 不同季節(jié)星海湖中浮游植物的均勻度指數(shù)、多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)Tab.3 Uniformity index,diversity index and richness index of phytoplankton in Xinghai Lake in different seasons

表4 星海湖水環(huán)境因子與浮游植物指標的相關系數(shù)矩陣Tab.4 Correlation efficients between phytoplankton and water environmental factors in Xinghai Lake

星海湖采樣點的浮游植物密度和生物量變化分別如圖3 和圖4 所示，由于湖區(qū)面積不大，各采樣點的浮游植物密度和生物量隨季節(jié)變化一致，幾乎同步?？傮w上，由于夏季溫度及各方面的影響因素較為適合浮游植物生長，因此在夏季浮游植物密度和生物量達到最大值。

由表3 可知，春、夏、秋、冬四個季節(jié)星海湖浮游植物的均勻度指數(shù)在0.731～0.597 之間，平均值為0.657，春季＞冬季＞秋季＞夏季；Shannon-Wiener多樣性指數(shù)在3.199～2.309 之間，平均值為0.657，冬季＞春季＞夏季＞秋季；Margalef 豐富度指數(shù)在3.129～2.562 之間，平均值為2.848，春季＞冬季＞秋季＞夏季。由此可以看出，均勻度在0.5～0.8 之間，Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)基本介于1～3，Margalef豐富度指數(shù)也基本處于1～3 之間。因此，可以判定星海湖為中污染型。

表5 星海湖浮游植物指標與水環(huán)境因子的逐步回歸方程Tab.5 Stepwise regression equation for phytoplankton and water environmental factors in Xinghai Lake

2.2 浮游植物與水環(huán)境因子的相關分析

水環(huán)境因子與浮游植物指標之間的相關系數(shù)與皮爾遜相關性分析結果見表4。浮游植物密度、葉綠素a 與水溫、CODMn、CODCr、NH3-N、TN、TP 之間呈極顯著正相關；浮游植物生物量與水溫、CODMn、CODCr、NH3-N、TN、TP、BOD5之間呈極顯著正相關。

2.3 浮游植物與水環(huán)境因子的逐步回歸分析

浮游植物生物量的回歸方程入選的因子有TN和BOD5，葉綠素a 的回歸方程入選的因子有WT、pH、CODMn、NH3-N 和TN，浮游植物密度的回歸方程入選的因子有pH、SD、DO、CODCr、TN 和BOD5（表5）。

2.4 浮游植物與水環(huán)境因子的通徑分析

通徑分析計算出通徑系數(shù)，可以分析出各水環(huán)境因子對浮游植物指標的影響。如表6 所示，對浮游植物密度的直接作用由大至小排序為：TN、DO、CODCr、pH、SD、BOD5；對其間接作用大小排序為：DO、SD、BOD5、pH、CODCr、TN。對葉綠素a 的直接作用大小排序為：TP、TN、CODMn、WT、pH，且pH、SD、DO 為負向作用；對其間接作用大小排序為：CODMn、WT、TN，且pH、NH3-N 間接作用系數(shù)太小，因此對其進行剔除，不考慮其間接作用。對浮游植物生物量的直接作用大小排序為：TP、BOD5，對其間接作用大小排序為：BOD5、TP。

表6 星海湖浮游植物與水環(huán)境因子的通徑系數(shù)Tab.6 Path efficients between phytoplankton and water environmental factors in Xinghai Lake

2.5 浮游植物與水環(huán)境因子的灰關聯(lián)分析

灰關聯(lián)分析中，關聯(lián)度越高，表明浮游植物受水環(huán)境因子的影響程度越高，以此來判定其主要影響因子。由表7 可知，影響浮游植物密度的水環(huán)境因子主要有TN、WT、NH3-N、總磷和CODMn等；影響浮游植物生物量的水環(huán)境因子主要有TN、TP 和WT 等；影響葉綠素a 的水環(huán)境因子主要有NH3-N和TN 等。

3 討論

星海湖中綠藻門占主要部分，夏季的溫度與其他因素都比較適合浮游植物生長，因此，夏季大部分浮游植物的種類數(shù)、密度和生物量都逐漸增加。藍藻和綠藻的種類數(shù)和所占比重總體上呈下降狀態(tài)，減少了對硅藻等影響，釋放了大量的空間和營養(yǎng)物質，致使硅藻的種類數(shù)和所占的比重總體上升。星海湖綠藻、硅藻和藍藻所占比重較大，為綠-硅-藍藻污染。均勻度指數(shù)、多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)分析判斷，星海湖水體基本上為中污染型。

相關分析表明，星海湖中浮游植物指標與大多數(shù)水環(huán)境因子之間呈極顯著的正相關。其中水溫與浮游植物指標之間呈極顯著正相關，是影響浮游植物的重要理化因子。水溫的變化影響水體物理化學和生物的活動，也影響水體水層的交換、營養(yǎng)物的循環(huán)和分布[25，26]。CODMn、CODCr、NH3-N、TN、TP 也與浮游植物指標之間呈極顯著正相關，相關系數(shù)在0.6051～0.9926 之間。BOD5僅與浮游植物生物量間呈極顯著正相關，與其他浮游植物指標之間的相關關系不明顯。

葉綠素a 與水溫呈明顯的線性回歸關系，說明水溫對葉綠素a 影響較大。星海湖水體中葉綠素a、浮游植物密度與pH 有線性回歸關系，說明pH 對水體中的浮游植物密度與葉綠素a 有顯著關系。透明度與浮游植物關系密切，不僅能反映水體中懸浮物的數(shù)量，還能粗略估計水體中浮游植物的量。一般在相同的條件下，浮游植物越多，水體透明度越低[27]。多種因素都影響透明度，僅憑與透明度的線性回歸關系不能確定二者間的關系。氮、磷營養(yǎng)元素影響浮游植物的生長，僅在合適濃度范圍內氮、磷對浮游植物的生長有促進作用；超過或低于合適濃度范圍，都會對浮游植物產(chǎn)生一定的消極影響[28-30]。星海湖浮游植物密度、生物量與葉綠素a 和TN 之間都有顯著的線性回歸關系。總體上，浮游植物生物量與TN、BOD5之間有顯著的線性回歸關系，表明TN、BOD5對浮游植物生物量影響較大。葉綠素a 與WT、pH、CODMn、NH3-N 和TN 之間有顯著的線性回歸關系，說明對葉綠素a 影響較大的水環(huán)境因子是WT、pH、CODMn、NH3-N、TN。浮游植物密度與pH、SD、DO、CODCr、TN、BOD5之間有顯著的線性回歸關系，表明pH、SD、DO、CODCr、TN、BOD5對浮游植物密度影響較大。

通徑分析表明，影響浮游植物密度的主要水環(huán)境因子為TN、DO、CODCr、pH 等；影響葉綠素a 的主要水環(huán)境因子為NH3-N、TN、CODMn、WT 等；影響浮游植物數(shù)量的主要水環(huán)境因子為TN、BOD5。其中，TN 與浮游植物密度、生物量的直接通徑系數(shù)分別高達0.87、0.7430；NH3-N 與葉綠素a 的直接通徑系數(shù)高達0.9458。

灰關聯(lián)分析表明，影響浮游植物密度與生物量的最主要水環(huán)境因子是TN，與其關聯(lián)度分別高達0.74381 和0.6518；影響葉綠素a 的最主要水環(huán)境因子是NH3-N，與其關聯(lián)度高達0.67789。

綜合分析，逐步回歸分析、通徑分析和灰關聯(lián)分析結果有很好的一致性，表明星海湖的浮游植物與水環(huán)境因子之間的關系較為穩(wěn)定密切。三者彼此印證表明，主導星海湖水體浮游植物的水環(huán)境因子為TN、NH3-N，因此，控制水體中的氮營養(yǎng)鹽對治理與防治星海湖富營養(yǎng)化至關重要作用。

為有效保護星海湖，需要盡可能控制人為活動對其環(huán)境的影響和破壞，嚴格控制生產(chǎn)、生活活動產(chǎn)生的廢水排放；也可以采取濕地護岸工程，保證濕地-陸地-水體三者之間的物質循環(huán)；加強對星海湖生物的保護，恢復其原有的植被體系，嚴格控制其他外來物種的進入，維持其生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。