基于浮游藻類個體數的星云湖水質評價研究

李蕓仙 李紅章

摘 要：近年來國內淡水湖泊浮游藻類監測一般以細胞數為計數單位，但現有的基于藻類數據的湖泊水質評價僅適用于藻類個體數。為此，本研究選擇云南省玉溪市星云湖，開展基于藻類個體數監測的湖泊水質評價，檢驗其與基于化學指標的水質評價結果的一致性，比較理化指標監測與藻類個體數監測的優勢和劣勢，探討今后開展藻類個體數監測工作的必要性。認為基于藻類個體數的水質評價方法可反映水生態環境的綜合狀況，有其獨特價值，并且監測工作投入比理化指標監測少，但存在對技術人員的素質要求高、培訓周期長、難以質控等缺點。

關鍵詞：浮游藻類；個體數；多樣性指數；水質評價

中圖分類號：X824文獻標志碼：A文章編號：1673-9655（2024）02-000-05

0 引言

隨著水生態監測工作日益受到重視，淡水湖泊浮游藻類監測在全國范圍內廣泛開展。作為浮游藻類監測的基本方法，顯微分類計數方法可獲得藻類的種類構成和以藻類個體數或細胞數表征的浮游藻類生物量[1]。1990年前，內陸水體營養水平普遍較低，浮游藻類個體常常是由單細胞或少數幾個細胞以規則的方式組成的個體形式存在，藻類顯微計數普遍以個體數為單位[2，3]。隨著20世紀末經濟社會的快速發展，內陸水體普遍遭受富營養威脅，浮游藻類生物量升高，浮游藻類細胞越來越多以球團狀（如微囊藻）和束狀聚集（如束絲藻）形成的不定形簡單多細胞群體形態存在。為準確衡量藻類生物量并通俗易懂地呈現藻類生物量的時空差異，藻類顯微計數逐步變成以細胞數來計數[4]。個體數和細胞數兩種計數方式各有利弊或適用條件，前者符合傳統生態學調查中的種群調查概念，可直接用于計算藻類多樣性指數[5]，并基于計算結果和已有的分級標準[6]評價湖泊水質。后者雖然可通俗易懂地表征藻類生物量，但由于基于藻類細胞數的水質評價標準尚未出臺，致使無法基于藻類細胞數開展湖泊水質評價。隨著《GB 3838—2002地表水環境質量標準》的出臺，近20多年來基于理化指標的水質評價已經普遍被接受，但基于藻類監測工作的水質評價報道鮮見，開展基于藻類個體數的監測與評價是否仍有必要值得商榷。本研究選擇當前已經處于富營養狀態的云南省玉溪市星云湖，開展藻類個體數監測，并基于此開展藻類多樣性指數計算及水質評價，檢驗這一方法與基于化學指標的水質評價結果的一致性，并探討今后繼續開展藻類個體數監測的必要性。

1 材料與方法

1.1 星云湖概況

星云湖是珠江流域南盤江水系源頭湖泊，位于云南省江川盆地東部，屬于古撫仙湖的一部分，地理坐標為24°17'～24°24'N、102°45'～102°49'E，南北長10.5 km，東西平均寬3.8 km，湖岸線36.3 km，湖面面積34.71 km2，最大水深11 m，平均水深7 m，蓄水量約1.84億m2，

水位1722 m。流域面積為389.79 km2。流域地處亞熱帶西南季風氣候區，氣候溫和，四季不分明，多年平均降雨量863.1 mm，年平均氣溫15.6℃。湖水主要靠地表徑流和湖面降水補給，主要入湖河流有大街河、東西大河、螺螄鋪河、漁村河等12條季節性河流，河道總長132 km，多年平均入湖徑流量為6200萬m3。星云湖集旅游、飲用、灌溉、養殖等功能為一體，是江川社會經濟持續發展的命脈，進入20世紀90年代后，隨著星云湖流域的開發，湖體水質迅速下降，2002年5月藍藻大面積暴發，此后每年藍藻水華都會頻繁出現[7]。

1.2 采樣及分析方法

全湖均勻布設7個浮游藻類監測點位，點位空間位置示意圖見圖1。2019年8月—2020年7月每月在上述點位開展一次采樣監測，分析指標涉及浮游藻類個體數（ind./L）、總氮（TN，mg/L）、總磷（TP，mg/L）、氨氮（NH3-N，mg/L）、高錳酸鹽指數（Im，mg/L）等生物和理化指標。采樣監測方法依據《水和廢水監測分析方法》（第四版）?；诟∮卧孱悅€體數計算優勢度、Shannon-Weiner多樣性指數（H′）見公式（1）和公式（2），基于H′的水質評價標準見表1，基于理化指標的水質評價標準依據《GB 3838—2002地表水環境質量標準》。

1.3 計算公式

（1）優勢度（Y）

優勢度計算見公式1。

式中：Y—第i個分類單元的優勢度；mi—第i個分類單元的個體數；M—樣點中所有分類單元的總個體數；fi—出現頻率，指第i個分類單元（通常為屬或種，下同）出現的樣點數占總樣點數的百分比。當Y≥0.02 時，可視第i個分類單元為優勢種類[8]。

（2）Shannon-Weiner指數（H′）

式中：H′—多樣性指數；mi—樣點中第i個分類單元的個體數；M—樣點中所有分類單元的總個體數；s—樣點中的種類數或屬數。

基于Shannon-Weiner指數的水質分級標準見表1，

這一標準取自《HJ 1296—2023水生態監測技術指南湖泊和水庫水生生物監測與評價（試行）》[6]。

分級標準

H′ H′=0 0＜H′≤1 1＜H′≤2 2＜H′≤3 H′＞3

水質 很差 較差 中等 良好 優秀

2 結果與分析

2.1 浮游藻類

2.1.1 種類構成

采樣期間共發現浮游藻類6門43屬。其中，綠藻門（Chlorophyta）數量最多，有20屬；藍藻門（Cyanophyta）其次，有10屬；硅藻門（Bacillariophyta）7屬；甲藻門（Pyrrophyta）、隱藻門（Cryptophyta）、裸藻門（Euglenophyta）各2屬。同一月份采集的不同點位樣品間的種類構成差異較小，但不同月份采集的樣品間的種類構成呈現明顯的季節變化，主要體現在優勢類群的變化方面。

2.1.2 藻類個體數的時空變化

調查期間星云湖7個調查點位浮游藻類個體數年均值達0.958×108 ind./L，顯示藻類生物量已經處于非常高的水平，并且浮游藻類個體數呈現明顯的季節變化和空間差異。

（1）季節變化

圖2為調查期間星云湖各月浮游藻類個體數箱形圖，圖中同一月份的藻類數據來自7個點位的藻類個體數。從圖2可以看出，2019年8月—2020年7月的12個月中，星云湖浮游藻類個體數存在明顯的季節變化，大體呈現初冬季節最高，夏秋季節最低的季節變化節律，全湖平均最高值出現在初冬季節的11月，達3.43×108 ind./L；最低值出現在秋季末的10月，達0.20×108 ind./L。

（2）空間差異

圖3為調查期間星云湖7個調查點位浮游藻類個體數的箱形圖，圖中每個點位的數據來自12個月的藻類個體數。從圖中可以看出，浮游藻類個體數呈現出明顯的空間差異，北半湖高、南半湖低，最高值往往出現在東北端的7號和2號點位，最低值出現在西南部的5號點位。全湖浮游藻類個體數的空間差異與星云湖常年盛行西南風，以易懸浮的微囊藻為優勢類群的藻類更多會向下風向聚集有關。

2.1.3 優勢類群

表2為調查期間星云湖各月浮游藻類優勢類群及優勢度。從表2可以看出，全年12個月共有六個屬成為優勢屬，分別為微囊藻屬、束絲藻屬、魚腥藻屬、小環藻屬、柵藻屬、藍隱藻屬。其中，微囊藻屬在每個月皆為優勢度最高的屬，各月優勢度介于0.846～0.969；束絲藻屬在2020年2月、3月、4月連續三個月成為優勢屬，優勢度介于0.069～0.104；小環藻屬在2019年10月、2020年1月、

2020年7月共三個月成為優勢屬，優勢度介于0.026～0.052；藍隱藻屬在2020年1月、5月和6月三個月成為優勢屬，優勢度分別為0.043、0.038、0.095；柵藻屬2020年7月成為優勢屬，優勢度為0.033；魚腥藻屬2020年2月成為優勢屬，優勢度為0.026。由此可見，調查期間星云湖浮游藻類群落構成比較簡單，微囊藻屬始終為絕對優勢屬，其它類群的優勢度非常低。

微囊藻屬中，以惠氏微囊藻（Microcystis wesenbergii）出現頻率最高，其次為挪氏微囊藻（Microcystis novacekii），兩者是調查期間星云湖浮游藻類的絕對優勢種，其它種類的微囊藻出現頻率遠遠低于前兩者。

2.1.4 多樣性指數及水質評價

表3為調查期間星云湖各點位及全湖Shannon-Weiner多樣性指數（H′）計算結果，表4為基于表3的Shannon-Weiner多樣性指數（H′）計算結果的星云湖水質評價，評價分級標準見表1。從表4可以看出，全年12個月中，僅有1個月為中等，其它11個

月皆為較差。全年12個月7個調查點位共84個評價結果中，僅有9個為中等，占10.7%；其它75個為較差，占89.3%，說明調查期間星云湖污染程度較為嚴重，H′最高（1.08）、水質最好（中等）的月份（10月）與藻類個體數最少的月份重合，H′最低（0.21）、水質最差（較差）的月份（11月）與藻類個體數最多的月份重合。

2.2 理化指標

采樣期間各點位主要理化指標監測及水質評價結果見表5。從表5看出，采樣期間星云湖全湖12個月的水質評價結果中，有1個Ⅳ類、5個Ⅴ類、6個劣Ⅴ類，這與表4中基于浮游藻類Shannon-Weiner多樣性指數（H′）的星云湖全湖12個月的水質評價結果中“僅有1個月為中等、其它11個月皆為較差”差異明顯。

7個調查點位共84個評價結果中，有12個為Ⅳ類，占14.3%；30個為Ⅴ類，占35.7%；42個為劣Ⅴ類，占50.0%。這也與表4中基于浮游藻類Shannon-Weiner多樣性指數（H′）的星云湖全年12個月7個調查點位共84個評價結果中“僅有9個為中等，占10.7%；其它75個為較差，占89.3%”差異明顯。

3 討論與結論

表2中調查期間星云湖各月浮游藻類皆以微囊藻屬為絕對優勢類群，這一浮游藻類的群落特征與星云湖的水質狀況是符合的，星云湖水質具有較高的氮、磷營養水平，加之星云湖地處亞熱帶季風氣候區，降雨多、氣溫高，適合浮游藻類繁殖，并且微囊藻等耐污種類易于成為優勢類群。

對比表4和表5可知，基于藻類個體數Shannon-Weiner多樣性指數的水質評價結果與基于化學指標的水質評價結果存在一定差異。原因可能存在于至少四個方面：其一，本研究監測的理化指標少，僅涉及了TN、TP、NH3-N、Im四個理化指標，未包括《GB 3838—2002地表水環境質量標準》的全部化學指標，這影響了基于化學指標的水質評價結果的可靠性；其二，浮游藻類生存于湖泊水環境中，不僅受《GB 3838—2002地表水環境質量標準》涉及的水質指標影響，可能也受這一標準未涉及的其它化學指標影響，如新污染物；其三，浮游藻類群落構成受到氣象、水文、湖泊中的魚類、浮游動物等物理和生物因素的影響，也與特定藻類的生理生態適應性有關，相應地浮游藻類反映的是湖泊水生態環境的綜合狀況，而不單單是水質；更重要的生物對環境變化的響應可能存在時滯，采樣當天的理化指標監測結果更多反映了湖泊水環境的瞬時狀況，而浮游藻類等生物卻反映的是較長一段時間內湖泊水環境的總體狀況。因此，基于藻類個體數Shannon-Weiner多樣性指數的水質評價結果與基于化學指標的水質評價結果存在差異是正常的。

回顧星云湖水生態環境的演變歷史可以發現，隨著星云湖水環境質量從20世紀80年代的Ⅲ類下降至90年代的Ⅲ類、Ⅳ類，直至2002年后迅速下降至Ⅴ類、劣Ⅴ類[7]，星云湖浮游藻類群落也發生了相應變化。黎尚豪等[2]報道星云湖在1960年

全湖浮游藻類數量不超過84.1×105 ind./L，群落構成以菱形圓盤硅藻（Cyclotella rhomboideo-ellipticaSkuja）為優勢種，飛燕角甲藻的數量比其他云南淺水湖泊多；祁云寬等[9]報道，2006年星云湖浮游藻類數量最高達到1.23×107 ind./L，并以微囊藻屬為絕對優勢類群；王英才2008年

5月對星云湖的調查表明，藻類細胞數全湖最高值為7.16×107 cell/L，且以微囊藻為絕對優勢類群；秦潔等[10]報道，2010—2011年星云湖浮游藻類數量最高達到6.1×109 cell/L，并以微囊藻屬為絕對優勢類群；劉紹俊等[11]2017年開展的年度調查中，星云湖浮游藻類數量在秋季達到最高，為4.4×108 cell/L，并以微囊藻屬為絕對優勢類群；本次調查星云湖浮游藻類個體數年均值為0.958×108 ind./L，全年各月均以微囊藻屬占絕對優勢。上述研究表明，星云湖湖泊水質下降與浮游藻類群落變化是同步的，浮游藻類群落變化可以反映湖泊水質及水生態環境的長期變化和當前綜合狀態。

水質評價的生物學方法與理化指標方法各有優勢和不足。例如：浮游藻類監測的優點是僅需要一人一臺顯微鏡便可開展工作，投入更少，缺點是對技術人員的素質要求高，培訓周期長且難以質控；而理化指標監測的優點是技術成熟、易質控，缺點是需要使用十幾臺設備由多人開展多個項目分析，人員設備投入大。隨著監測人員素質的普遍提高和新技術的開發，藻類個體數監測仍不失為一項投入較少、結果相對可靠的湖泊水生態環境評價方法，有獨特的不可替代的價值。

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