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(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222；4.上海市青浦區(qū)夏陽(yáng)水務(wù)管理所，上海 201700)

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

浮游植物存在個(gè)體小、細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生命周期短，對(duì)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(shí)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(biāo)可為定量評(píng)價(jià)湖泊營(yíng)養(yǎng)等級(jí)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(qiáng)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(shí)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(biāo)評(píng)價(jià)水體營(yíng)養(yǎng)等級(jí)，使得結(jié)果更加可靠[19-20]。

本文選擇石臼湖為研究對(duì)象，通過(guò)定期定點(diǎn)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(yíng)養(yǎng)等級(jí)對(duì)浮游植物特性指數(shù)的響應(yīng)關(guān)系，驗(yàn)證所獲得的響應(yīng)關(guān)系模型的可行性；并通過(guò)兩組數(shù)據(jù)研究浮游植物特性指數(shù)對(duì)評(píng)價(jià)水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的重要性，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)用石臼湖浮游植物特性指數(shù)評(píng)價(jià)水體營(yíng)養(yǎng)等級(jí)的目的，解決采用單一浮游植物特性指數(shù)評(píng)價(jià)水體營(yíng)養(yǎng)等級(jí)的差異性問(wèn)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(zhǎng)江右岸、水陽(yáng)江入江尾閭，歷史上曾為古丹陽(yáng)湖的一部分，是長(zhǎng)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(dāng)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(zhǎng)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(kù)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(hù)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(diǎn)布設(shè)如圖1所示。

圖1 石臼湖水系結(jié)構(gòu)與采樣點(diǎn)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(shì)、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(gè)采樣點(diǎn)。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(diǎn)位分布見(jiàn)圖1。分別于2017年3月至2018年4月，每?jī)稍虏蓸右淮?，各采樣點(diǎn)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(hào)浮游生物網(wǎng)在水中作橫“8”字形劃動(dòng)20次，采集時(shí)做上、下移動(dòng)，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(cè)試分為野外現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析兩個(gè)部分。

野外測(cè)試：采用Secchi-disk測(cè)定透明度(SD)，采用多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀(YSI6600)測(cè)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(cè)試：①水體理化指標(biāo)：采用相關(guān)水質(zhì)國(guó)標(biāo)測(cè)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(cè)規(guī)范》將帶回實(shí)驗(yàn)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(cè)、計(jì)數(shù)并鑒別其種類，分別計(jì)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(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評(píng)價(jià)

參照SL 395—2007《地表水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》[4]，依據(jù)Chl-a、TN、TP、CODMn和SD的測(cè)定成果，運(yùn)用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(EI指數(shù))對(duì)石臼湖2018年水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)，綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算公式為

(1)

式中，EI為營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；En為評(píng)價(jià)項(xiàng)目賦分值；N為評(píng)價(jià)項(xiàng)目個(gè)數(shù)。

EI指數(shù)將營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分為5級(jí)：貧營(yíng)養(yǎng)為EI≤20，中營(yíng)養(yǎng)為20≤EI≤50，輕度富營(yíng)養(yǎng)為50≤EI≤60，中度富營(yíng)養(yǎng)為60≤EI≤80，重度富營(yíng)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(jìn)行多樣性分析[16，21](見(jiàn)表1)。

表1 多樣性指數(shù)計(jì)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?jī)煞N自變量分別對(duì)因變量(營(yíng)養(yǎng)等級(jí)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(xiàng)水體理化指標(biāo)。

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(yàn)顯著的變量逐一引入；并且每引入一個(gè)新變量，對(duì)已經(jīng)引入的變量逐個(gè)檢驗(yàn)，將檢驗(yàn)后不顯著的變量剔除，達(dá)到保證所得自變量中每一個(gè)變量都是顯著的；反復(fù)此過(guò)程，直到不能再引入新變量為止，此時(shí)可以達(dá)到回歸模型中所有變量對(duì)因變量都是顯著的。

3 結(jié)果與分析

3.1 石臼湖水體營(yíng)養(yǎng)等級(jí)年內(nèi)時(shí)空變化趨勢(shì)

根據(jù)上述營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評(píng)價(jià)方法，通過(guò)計(jì)算得出石臼湖2017年～2018年湖泊水體營(yíng)養(yǎng)等級(jí)的變化情況(見(jiàn)表2)。

表2 石臼湖水體2017年～2018年?duì)I養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)平均變化趨勢(shì)

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

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

從圖2可以看出，3個(gè)湖區(qū)的營(yíng)養(yǎng)等級(jí)均呈現(xiàn)出較為一致的變化。這說(shuō)明石臼湖各區(qū)的營(yíng)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(yíng)養(yǎng)等級(jí)變化情況

3.2 浮游植物特性指數(shù)與水體營(yíng)養(yǎng)等級(jí)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(biāo)

水體營(yíng)養(yǎng)等級(jí)指數(shù)是由TP、TN、CODMn、Chl-a和SD計(jì)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(xiàng)作為自變量，將營(yíng)養(yǎng)等級(jí)作為因變量進(jìn)行逐步回歸分析(見(jiàn)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(guò)逐步因子篩選，11項(xiàng)自變量最終余下WT、NH3-N、TUB、SD、A一共5項(xiàng)顯著相關(guān)的響應(yīng)因子，R2值為0.86，說(shuō)明最終建立的綜合指標(biāo)所反應(yīng)營(yíng)養(yǎng)等級(jí)具有86.7%準(zhǔn)確性(見(jiàn)圖3)。而且模型通過(guò)F檢驗(yàn)(F=129.187，p=0<0.05)，說(shuō)明模型有效。以浮游植物特性指數(shù)和水體理化指標(biāo)為自變量構(gòu)建的營(yíng)養(yǎng)等級(jí)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(duì)模型的多重共線性進(jìn)行檢驗(yàn)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(wèn)題；并且D-W值在1.5～2.5，說(shuō)明模型不存在自相關(guān)性，樣本數(shù)據(jù)之間并沒(méi)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(huì)對(duì)營(yíng)養(yǎng)等級(jí)產(chǎn)生顯著的負(fù)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(huì)對(duì)營(yíng)養(yǎng)等級(jí)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(huì)對(duì)營(yíng)養(yǎng)等級(jí)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(huì)對(duì)營(yíng)養(yǎng)等級(jí)產(chǎn)生顯著的負(fù)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(huì)對(duì)營(yíng)養(yǎng)等級(jí)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(huì)對(duì)營(yíng)養(yǎng)等級(jí)產(chǎn)生顯著的正向影響關(guān)系，而WT、SD會(huì)對(duì)營(yíng)養(yǎng)等級(jí)產(chǎn)生顯著的負(fù)向影響關(guān)系。

通過(guò)查證相關(guān)文獻(xiàn)資料[22-24]，對(duì)這一結(jié)果也具有支撐依據(jù)。溫度在一定范圍內(nèi)會(huì)對(duì)酶活性產(chǎn)生正向影響，進(jìn)而會(huì)影響浮游植物的生長(zhǎng)速度和群落演替，導(dǎo)致水體營(yíng)養(yǎng)等級(jí)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(duì)光照強(qiáng)度的利用率增大，更適宜浮游植物的生長(zhǎng)，也會(huì)使?fàn)I養(yǎng)等級(jí)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(dú)研究浮游植物特性指數(shù)對(duì)營(yíng)養(yǎng)等級(jí)的影響程度，故單獨(dú)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(xiàng)作為自變量，而將營(yíng)養(yǎng)等級(jí)作為因變量進(jìn)行逐步回歸分析，結(jié)果見(jiàn)表4。

經(jīng)過(guò)逐步回歸分析，6項(xiàng)自變量最終余下WT、MRI、A一共4項(xiàng)在模型中，R2值為0.642，意味著WT、MRI、A可以解釋營(yíng)養(yǎng)等級(jí)的64.2%變化原因(見(jiàn)圖4)。而且模型通過(guò)F檢驗(yàn)(F=72.961，p=0<0.05)，說(shuō)明模型有效。僅以浮游植物特性指數(shù)為自變量的營(yíng)養(yǎng)等級(jí)為

圖4 4項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)等級(jí)模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)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(huì)對(duì)營(yíng)養(yǎng)等級(jí)產(chǎn)生顯著的負(fù)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(huì)對(duì)營(yíng)養(yǎng)等級(jí)產(chǎn)生顯著的負(fù)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(huì)對(duì)營(yíng)養(yǎng)等級(jí)產(chǎn)生影響關(guān)系。

總結(jié)分析可知：A會(huì)對(duì)營(yíng)養(yǎng)等級(jí)產(chǎn)生顯著的正向影響關(guān)系；另外，WT、MRI會(huì)對(duì)營(yíng)養(yǎng)等級(jí)產(chǎn)生顯著的負(fù)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(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》評(píng)價(jià)出2017年～2018年石臼湖營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)為輕度富營(yíng)養(yǎng)，且隨時(shí)間因素呈現(xiàn)輕微地上、下波動(dòng)。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(yíng)養(yǎng)等級(jí)的變化情況，并與全湖平均進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)各湖區(qū)的營(yíng)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(duì)比浮游植物特性指數(shù)和水體理化指標(biāo)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(yíng)養(yǎng)等級(jí)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(rèn)為，未來(lái)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(bǔ)充浮游植物等評(píng)價(jià)營(yíng)養(yǎng)等級(jí)指標(biāo)體系上會(huì)有很大幫助。