石臼湖浮游植物特性指數(shù)與水體營養(yǎng)等級響應(yīng)關(guān)系研究

宋 楊，胡曉東，程增輝，陳 漣，陸寶宏，徐季雄

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210017；3.中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司，天津 300222；4.上海市青浦區(qū)夏陽水務(wù)管理所，上海 201700)

湖泊營養(yǎng)狀態(tài)的評價，是通過與湖泊營養(yǎng)狀態(tài)有關(guān)的一系列指標及指標間的相互關(guān)系，對湖泊的營養(yǎng)狀態(tài)做出準確的判斷[1-2]。而評價水體營養(yǎng)程度的方法主要有營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法、綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法、生物評價法、營養(yǎng)度指數(shù)法、參數(shù)法、數(shù)學(xué)分析法和評分法等[3]。目前，廣泛流行的方法是營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(EI)[4]、綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(Trophic State Index，TSI)[5-7]。有學(xué)者認為針對化學(xué)指標，很難完全反映水體污染和富營養(yǎng)化程度，應(yīng)涉獵水生生物評價[8]；主張通過對浮游植物、浮游動物、底棲生物、魚類種類和數(shù)量變化的測定和分析，更為準確地判定水體的污染和富營養(yǎng)化狀況[9-11]。

浮游植物存在個體小、細胞結(jié)構(gòu)簡單、生命周期短，對水生態(tài)環(huán)境變化極為敏感等特征，因此浮游植物比其他水生生物類群更能及時反映水域生態(tài)環(huán)境狀況[12-14]，其群落多樣性指數(shù)和豐度等指標可為定量評價湖泊營養(yǎng)等級提供理論依據(jù)[15-17]。多樣性指數(shù)也存在差異性，有資料顯示其分辨能力由強到弱依次為：香農(nóng)-威納指數(shù)、皮洛均勻度指數(shù)、瑪格列夫指數(shù)[18]，因此在實際應(yīng)用中要綜合多種指數(shù)，并結(jié)合其他生物和理化指標評價水體營養(yǎng)等級，使得結(jié)果更加可靠[19-20]。

本文選擇石臼湖為研究對象，通過定期定點采樣分析各不同水域水體理化特征和浮游植物特性指數(shù)，利用回歸分析等方法探尋水體營養(yǎng)等級對浮游植物特性指數(shù)的響應(yīng)關(guān)系，驗證所獲得的響應(yīng)關(guān)系模型的可行性；并通過兩組數(shù)據(jù)研究浮游植物特性指數(shù)對評價水體營養(yǎng)狀態(tài)的重要性，以實現(xiàn)運用石臼湖浮游植物特性指數(shù)評價水體營養(yǎng)等級的目的，解決采用單一浮游植物特性指數(shù)評價水體營養(yǎng)等級的差異性問題。

1 基本資料及分析方法

1.1 研究區(qū)域概況

石臼湖又名北湖，位于南京市域西南部，長江右岸、水陽江入江尾閭，歷史上曾為古丹陽湖的一部分，是長江下游唯一的直接通江湖泊。石臼湖湖區(qū)分屬南京市溧水區(qū)、高淳區(qū)和安徽省馬鞍山市當涂縣，其主要出入湖河道有新橋河、天生橋河、石固河、中流河、博望河、姑溪河等。石臼湖屬于構(gòu)造型淡水湖泊，湖盆呈不規(guī)則四邊形，東西向最長約22 km，南北向最寬約14 km，湖泊面積214.7 km2，正常蓄水位5.04 m，相應(yīng)庫容3.4億m3。石臼湖主要功能為防洪調(diào)蓄、水資源供給、維護生態(tài)、漁業(yè)養(yǎng)殖、旅游等。其地理位置、水系結(jié)構(gòu)及本文采樣點布設(shè)如圖1所示。

圖1 石臼湖水系結(jié)構(gòu)與采樣點分布

1.2 樣品采集、處理及鑒定方法

基于石臼湖的水系結(jié)構(gòu)、水文情勢、湖盆形態(tài)、水質(zhì)狀況、污染源分布及區(qū)域氣象特征等因素，分三區(qū)布設(shè)12個采樣點。河口區(qū)(sjh-3、sjh- 6、sjh-7、sjh- 8和sjh-9)；岸邊區(qū)(sjh-1、sjh-2、sjh-10、sjh-11和sjh-12)；湖心區(qū)(sjh- 4和sjh-5)。各采樣點位分布見圖1。分別于2017年3月至2018年4月，每兩月采樣一次，各采樣點采集3份平行樣。水樣和浮游植物樣品同步采集，其中水樣采集采用5 L采水器取水面下0.5 m處水樣，立即注入事先加入2 mL 3+1的硫酸溶液至500 mL玻璃瓶中，加入固定液置于0～4 ℃冷藏箱中避光保存；浮游植物采集是用25號浮游生物網(wǎng)在水中作橫“8”字形劃動20次，采集時做上、下移動，濾去水后裝入500 mL瓶，立即用5 mL魯哥試劑加以固定。

樣品測試分為野外現(xiàn)場監(jiān)測和室內(nèi)實驗分析兩個部分。

野外測試：采用Secchi-disk測定透明度(SD)，采用多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀(YSI6600)測定水溫(WT)、pH值(pH)、溶解氧(DO)、電導(dǎo)率(EC)、總?cè)芙夤腆w(TDS)、濁度(TUB)、葉綠素(Chl-a)等參數(shù)。

室內(nèi)測試：①水體理化指標：采用相關(guān)水質(zhì)國標測定方案，分析各水樣的總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮總量(NH3-N)和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)；②浮游植物特性指數(shù)：依據(jù)DB32—T—3202—2017《湖泊水生態(tài)監(jiān)測規(guī)范》將帶回實驗室的浮游植物樣品于低溫(4℃)避光條件下靜置、沉淀48 h后，吸掉上清液，直至沉淀液約為20 mL，轉(zhuǎn)入50 mL樣本瓶，用上層清液沖洗沉淀分液漏斗3次，定容至50 mL。用顯微鏡觀測、計數(shù)并鑒別其種類，分別計算各種浮游植物的豐度(A)。

2 數(shù)據(jù)處理及分析

2.1 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價

參照SL 395—2007《地表水資源質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)程》[4]，依據(jù)Chl-a、TN、TP、CODMn和SD的測定成果，運用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(EI指數(shù))對石臼湖2018年水體營養(yǎng)狀態(tài)進行分級評價，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算公式為

(1)

式中，EI為營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；En為評價項目賦分值；N為評價項目個數(shù)。

EI指數(shù)將營養(yǎng)狀態(tài)分為5級：貧營養(yǎng)為EI≤20，中營養(yǎng)為20≤EI≤50，輕度富營養(yǎng)為50≤EI≤60，中度富營養(yǎng)為60≤EI≤80，重度富營養(yǎng)為80≤EI≤100。

2.2 浮游植物多樣性指數(shù)

本文采用香農(nóng)-威納指數(shù)(Shannon-Weiner index，SWI)、皮洛均勻度指數(shù)(Pielou evenness index，PIE)、瑪格列夫指數(shù)(Margalef richness index，MRI)、辛普森多樣性指數(shù)(Simpson diversity index，SDI)進行多樣性分析[16，21](見表1)。

表1 多樣性指數(shù)計算方法

2.3 逐步回歸分析

本文中引用此方法主要是為了研究兩種自變量分別對因變量(營養(yǎng)等級指數(shù))的逐步回歸的響應(yīng)度差異，兩種自變量：一是浮游植物特性指數(shù)和溫度；二是浮游植物特性指數(shù)和11項水體理化指標。

逐步回歸作為一種線性回歸模型自變量選擇方法，其基本思想是將偏回歸平方和經(jīng)驗顯著的變量逐一引入；并且每引入一個新變量，對已經(jīng)引入的變量逐個檢驗，將檢驗后不顯著的變量剔除，達到保證所得自變量中每一個變量都是顯著的；反復(fù)此過程，直到不能再引入新變量為止，此時可以達到回歸模型中所有變量對因變量都是顯著的。

3 結(jié)果與分析

3.1 石臼湖水體營養(yǎng)等級年內(nèi)時空變化趨勢

根據(jù)上述營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價方法，通過計算得出石臼湖2017年～2018年湖泊水體營養(yǎng)等級的變化情況(見表2)。

表2 石臼湖水體2017年～2018年營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)平均變化趨勢

結(jié)果表明，石臼湖整體營養(yǎng)狀態(tài)較為穩(wěn)定，為輕度富營養(yǎng)，并隨著時間變化呈現(xiàn)出上、下輕微波動。

為了研究石臼湖不同區(qū)域內(nèi)的營養(yǎng)等級變化規(guī)律，對河口區(qū)、岸邊區(qū)和湖心區(qū)的采樣點位分別計算出相應(yīng)的營養(yǎng)等級，并將成果整理如圖2所示。

從圖2可以看出，3個湖區(qū)的營養(yǎng)等級均呈現(xiàn)出較為一致的變化。這說明石臼湖各區(qū)的營養(yǎng)狀態(tài)雖然存在微小差異，但符合整體的變化規(guī)律。

圖2 石臼湖不同區(qū)域內(nèi)營養(yǎng)等級變化情況

3.2 浮游植物特性指數(shù)與水體營養(yǎng)等級的響應(yīng)關(guān)系

3.2.1 浮游植物特性指數(shù)和水體理化指標

水體營養(yǎng)等級指數(shù)是由TP、TN、CODMn、Chl-a和SD計算得出的。因此，本研究選擇浮游植物特性指數(shù)(SWI、PIE、MRI、SDI、A)和水體理化參數(shù)(WT、pH、NH3-N、TUB、SD、EC)共11項作為自變量，將營養(yǎng)等級作為因變量進行逐步回歸分析(見表3)。

表3 考慮浮游植物特性指數(shù)和水體理化逐步回歸結(jié)果

經(jīng)過逐步因子篩選，11項自變量最終余下WT、NH3-N、TUB、SD、A一共5項顯著相關(guān)的響應(yīng)因子，R2值為0.86，說明最終建立的綜合指標所反應(yīng)營養(yǎng)等級具有86.7%準確性(見圖3)。而且模型通過F檢驗(F=129.187，p=0<0.05)，說明模型有效。以浮游植物特性指數(shù)和水體理化指標為自變量構(gòu)建的營養(yǎng)等級公式為

EI=61.755-0.271×WT+4.421×NH3-N+0.029×TUB-11.438×SD+0.114×A

(2)

另外，針對模型的多重共線性進行檢驗發(fā)現(xiàn)，模型中VIF值全部均小于5，意味著不存在著共線性問題；并且D-W值在1.5～2.5，說明模型不存在自相關(guān)性，樣本數(shù)據(jù)之間并沒有關(guān)聯(lián)，模型較好。具體分析表明：WT的回歸系數(shù)值為-0.271(t=-5.030，p=0<0.01)，意味著WT在一定范圍內(nèi)會對營養(yǎng)等級產(chǎn)生顯著的負向影響關(guān)系；NH3-N的回歸系數(shù)值為4.421(t=5.499，p=0<0.01)，意味著NH3-N會對營養(yǎng)等級產(chǎn)生顯著的正向影響關(guān)系；TUB的回歸系數(shù)值為0.029(t=2.639，p=0.009<0.01)，意味著TUB會對營養(yǎng)等級產(chǎn)生顯著的正向影響關(guān)系；SD的回歸系數(shù)值為-11.438(t=-10.802，p=0<0.01)，意味著SD會對營養(yǎng)等級產(chǎn)生顯著的負向影響關(guān)系；A的回歸系數(shù)值為0.114(t=7.543，p=0<0.01)，意味著A會對營養(yǎng)等級產(chǎn)生顯著的正向影響關(guān)系。

總結(jié)分析可知：NH3-N、TUB、A會對營養(yǎng)等級產(chǎn)生顯著的正向影響關(guān)系，而WT、SD會對營養(yǎng)等級產(chǎn)生顯著的負向影響關(guān)系。

通過查證相關(guān)文獻資料[22-24]，對這一結(jié)果也具有支撐依據(jù)。溫度在一定范圍內(nèi)會對酶活性產(chǎn)生正向影響，進而會影響浮游植物的生長速度和群落演替，導(dǎo)致水體營養(yǎng)等級的升高；透明度與濁度是反向影響作用的因子。透明度高，濁度低，浮游植物對光照強度的利用率增大，更適宜浮游植物的生長，也會使營養(yǎng)等級升高；否則，反之。

3.2.2 浮游植物特性指數(shù)為自變量、溫度為季節(jié)控制因子

為了單獨研究浮游植物特性指數(shù)對營養(yǎng)等級的影響程度，故單獨以浮游植物特性指數(shù)(SWI、PIE、MRI、SDI、A)和季節(jié)控制變量WT，共6項作為自變量，而將營養(yǎng)等級作為因變量進行逐步回歸分析，結(jié)果見表4。

經(jīng)過逐步回歸分析，6項自變量最終余下WT、MRI、A一共4項在模型中，R2值為0.642，意味著WT、MRI、A可以解釋營養(yǎng)等級的64.2%變化原因(見圖4)。而且模型通過F檢驗(F=72.961，p=0<0.05)，說明模型有效。僅以浮游植物特性指數(shù)為自變量的營養(yǎng)等級為

圖4 4項營養(yǎng)等級模擬值與實測值對比

EI=73.080-0.815×WT-1.842×MRI+0.116×A

(3)

WT的回歸系數(shù)值為-0.815(t=-13.524，p=0<0.01)，意味著WT在一定范圍內(nèi)會對營養(yǎng)等級產(chǎn)生顯著的負向影響關(guān)系；MRI的回歸系數(shù)值為-1.842(t=-3.361，p=0<0.01)，意味著MRI會對營養(yǎng)等級產(chǎn)生顯著的負向影響關(guān)系；A的回歸系數(shù)值為0.116(t=0.383，p=0.702>0.05)，意味著A并不會對營養(yǎng)等級產(chǎn)生影響關(guān)系。

總結(jié)分析可知：A會對營養(yǎng)等級產(chǎn)生顯著的正向影響關(guān)系；另外，WT、MRI會對營養(yǎng)等級產(chǎn)生顯著的負向影響關(guān)系。

4 結(jié) 論

依據(jù)SL 395—2007《地表水資源質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)程》評價出2017年～2018年石臼湖營養(yǎng)狀態(tài)為輕度富營養(yǎng)，且隨時間因素呈現(xiàn)輕微地上、下波動。本研究將石臼湖分為河口區(qū)、岸邊區(qū)和湖心區(qū)，分別研究營養(yǎng)等級的變化情況，并與全湖平均進行對比，發(fā)現(xiàn)各湖區(qū)的營養(yǎng)狀態(tài)存在微小差異，但與全湖的變化規(guī)律一致。

結(jié)合逐步回歸分析，對比浮游植物特性指數(shù)和水體理化指標為自變量和浮游植物特性指數(shù)為自變量且溫度為季節(jié)控制因子這兩種情況下的逐步回歸結(jié)果，得出浮游植物特性指數(shù)在水體營養(yǎng)等級的響應(yīng)中占有主導(dǎo)地位，特別是浮游植物的豐度和香農(nóng)-威納指數(shù)。

基于本研究筆者認為，未來可以考慮加入污染生物指數(shù)(BIP)、Gleason豐富度指數(shù)等繼續(xù)分析，在補充浮游植物等評價營養(yǎng)等級指標體系上會有很大幫助。