人工湖是一种典型的城市湖泊，作为城市景观的重要组成部分，在改善人居环境、美化景观、发挥生态功能等方面具有非常积极的意义。城市人工湖一般水域面积小，多为浅水型湖泊，物质交换通量低，具有环境容量小、承载能力有限、底泥污染物易释放等生态特征，因此，在应对外界环境胁迫下，湖泊稳态易破坏，生态失衡，其生态服务功能降低^[1]。通常人工湖形成过程中，土壤环境由旱地变淹水，人工湖沉积物中的污染物积累量会随时间增多，沉积物将变成污染物的“源”，也是污染物的“汇”^[2]，有机碳矿化和营养盐的释放会引发水体处于一个“营养上升”期^[3]，与此相对应，浮游植物和蓝藻的生长呈现高峰期，生物量积累，且群落发生显著变化^[4]。湖泊富营养化主要受到湖泊水体中磷元素释放和含量限制、氨氮含量限制及其他多种环境因素影响。在对比控制外源磷和氮研究的基础上，有学者提出优先控制湖泊磷素输入，并强调减控因子对于防止富营养化的重要性^[5]。但对于人工湖泊早期是否存在富营养化风险可以采取其他更直接和简便的监测方法，如对浮游藻类的分析。

作为湖泊生态系统的初级生产者，浮游藻类种类数量、物种组成、分布及其变化可作为湖泊水体环境质量的重要指标^[6]。研究表明，浮游藻类种类组成和演替规律主要受相关物理、化学和生物等环境因子的影响，且与水温、透明度、水体溶解氧、浮游动物密度、水生植物等密切相关^[7-9]。此外，由于浮游藻类生长周期短，对环境变化和污染物敏感，其优势种群会随湖泊水环境现状而变化，其中对湖泊营养物质的变化尤为敏感^[10]。但目前的研究多关注天然湖泊，而对人工湖泊缺乏深入研究，尤其关于浮游藻类对人工湖早期氮磷污染的预警机制尚未清楚。本研究选取南通市中央创新区新建人工湖—紫琅湖(2018年11月建成)为研究对象，对其浮游藻类种类组成及其影响因子进行研究，为预防人工湖富营养化提供科学数据，并为紫琅湖区管理提供参考。

1 研究方法 1.1 研究区域概况

紫琅湖(120 ° 55′56″E，31 ° 57′52″N)位于南通市崇川区东南角，属于北亚热带海洋性季风气候区，其气候特点表现为四季分明、气候温和。年平均气温大约在15 ℃左右，年平均日照时数在1 900~2 100 h，年平均降水量约为1 000~1 200 mm。紫琅湖占地面积约116 hm²，有效库容110万m³，总体特征为北进南排，即由北部通甲河引水进入紫琅湖区，而通过南部几个出水口流出，所有进出水口均有闸门控制，每日进出流量8万m³，水力时间约为14 d。湖区形状接近葫芦形，沿岸带占比30%左右，亚沿岸带占比45%左右，深水带占比25%左右，最大水深约3.5 m，平均水深2.27 m。

1.2 采样点位设置

本研究于2022年10月30日在紫琅湖共设13个采样点位(图 1)。以紫琅湖南北轴为中心，采样点位分布在入水口(S13)，出水口(S08，S09，S10)和湖中关键位点(S01，S02，S03，S04，S05，S06，S07，S11)。

1.3 样品采集和鉴定

水样采集使用5 L容量的采水器，从距离水体表层0.2 m处取得5 L水，充分混匀。取1 L混合水样，现场使用鲁哥氏液进行固定，经过24 h沉淀后，浓缩至30 mL，添加4%甲醛溶液，在充分摇匀后，抽取0.1 mL样品放入0.1 mL容量的计数框中，在光学显微镜(CX33，日本Olympus公司)下进行计数。每个采样点位采集3个重复样本，每个样本观察100个视野，确保藻细胞的总数≥500个。然后取这些计数的平均值，用来计算藻类的细胞密度(cells/L)。浮游藻类的种类鉴定参考《中国淡水藻类—系统、分类及生态》^[11]和《中国淡水藻志》^[12]系列丛书。藻类的生物量计算采用了细胞体积法来估算，而单细胞藻类的生物量主要是根据藻类个体的形状测量而得^[13]。在现场进行了水温(T)、浊度(NTU)、pH值等水质因子的测定，在实验室依照标准方法^[14]对水样氨氮、硝酸盐氮、总氮(TN)、总磷(TP)、速效磷(AP)、叶绿素a(Chl.a)、高锰酸盐指数(I_Mn)等指标进行了测定。

1.4 数据处理和统计分析

生物α多样性是指一个特定地区或生态系统内的物种多样性，包括物种数量和种类。本研究中选取香农-维纳(Shannon-Wiener)多样性指数(H)、辛普森多样性指数(λ)、皮耶罗(Pielou)均匀度指数(J) 和马格列夫(Margalef)物种丰富度指数(D)^[15]，计算公式如下：

$ H=-\sum\limits_{i=1}^S\left(\frac{n_i}{n}\right) \ln \left(\frac{n_i}{n}\right) $

(1)

式中：S——样本或地点中不同物种的数量(物种丰富度)；n_i——第i种物种在总物种中的相对丰度，即该物种在样本中的比例，%。H对应水质状况评价标准如下：>3(轻或无污染)，2~3(β-中污)，1~2(α-中污)，< 1(重污染)^[16]。

$ \lambda=1-\sum\limits_{i=1}^S\left(\frac{n_i}{n}\right)^2 $

(2)

式中：n——藻类总个体数；S——藻类物种类数；n_i——第i种藻类个体数。

$ J=\frac{H}{\ln S} $

(3)

式中：S——样本或地点中不同物种的数量(物种丰富度)。

$ D=\frac{S-1}{\ln N} $

(4)

式中：S——样品中藻类种类总数；N——同一样品中所有种类的总个数。D对应水质状况评价标准如下：5(清洁)，> 4(寡污)，>3(β-中污)，< 3(α-中污)^[17]。

综合营养状态指数(TLI)参照《地表水环境质量评价办法》^[18]进行计算，且透明度(SD)均通过浊度-透明度换算表获得。计算公式如下：

$ {\mathrm{TLI}}(\text { Chl. } a)=10 \times(2.5+1.086 \;{\mathrm{lnChl}} . a) $

(5)

$ {\mathrm{TLI}}({\mathrm{TP}})=10 \times(9.436+1.624\; \ln \;{\mathrm{TP}}) $

(6)

$ {\mathrm{TLI}}({\mathrm{TN}})=10 \times(5.453+1.694 \;\ln \;{\mathrm{TN}}) $

(7)

$ {\mathrm{TLI}}({\mathrm{SD}})=10 \times(5.118-1.94\; \ln \;{\mathrm{SD}}) $

(8)

$ {\mathrm{TLI}}\left(I_{{\mathrm{Mn}}}\right)=10 \times\left(0.109+2.661 \;\ln I_{{\mathrm{Mn}}}\right) $

(9)

式中：Chl.a单位为mg/m³；SD单位为m；其他指标单位均为mg/L。

综合营养状态指数[TLI(Σ)]计算公式如下：

$ {\mathrm{TLI}}(\Sigma)=\sum\limits_{j=1}^m W_j \times {\mathrm{TLI}}(j) $

(10)

式中：m——评价参数的个数；W_j——第j种参数的营养状态指数的相关权重；TLI(j)——代表第j种参数的营养状态指数。

以Chl.a作为基准参数，则第j种参数的归一化的相关权重计算公式如下：

$ W_j=\frac{r_{i j}^2}{\sum\limits_{j=i}^m r_{i j}^2} $

(11)

式中：r_ij——第j种参数与基准参数Chl.a的相关系数；m——评价参数的个数。

中国湖泊(水库) 的Chl.a与其他参数之间的相关关系r_ij及r_ij²及W_j见表 1。

所有数据采用SPSS 25. 0软件处理，采样点之间的差异用邓肯(Duncan)多重比较法进行分析。浮游藻类种群和环境因子之间的关系利用Brodgar软件(v 2.75)进行典范对应分析(CCA)。本研究以藻类种水平的细胞密度来反映藻类种类与环境的关系。在由主轴1和主轴2构成的CCA排序图中，环境因子通过带有箭头的线段来表示，箭头连线的长度代表藻类物种与该环境因子相关性的强度。箭头连线与排序轴夹角的大小反映环境因子与排序轴之间的相关性，夹角愈小表示两者之间的关系愈密切。从藻种与环境因子之间的夹角可以反映其正负相关性。本研究所选取的藻种相对丰度均＞2%。

2 结果与分析 2.1 紫琅湖湖水理化特征的空间分布特征

本研究采样时紫琅湖湖水温度稳定，所有采样点水温均为19.3 ℃。水体基本理化性质没有一个统一的模式，即不同指标的最高或最低值在不同采样点之间变动。不同采样点位水质基本理化性质见表 2。由表 2可见，pH值结果表明水体整体呈碱性，而电导率(EC)值表明紫琅湖水符合天然水体标准(< 500 μs/cm)。根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)，溶解氧(DO)、总氮TN、硝酸盐氮(NO₃ - N)和I_Mn的水平可以达到Ⅰ类和Ⅱ类水质标准；ρ(TP)为0.33~0.84 mg/L，超出Ⅴ类水质标准(0.2 mg/L)，这在一定程度上反映TP是影响紫琅湖水质的关键营养元素。但从速效磷(AP)的数据可以看出，湖水中生物可以直接利用的磷比较低(约为0.01 mg/L)。水体ρ(TOC)的数值范围为4.39~8.43 mg/L，所有采样点数据均低于《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)规定的一级标准(20 mg/L)。水体中叶绿素a(Chl.a)含量通常与藻类丰度高度相关，而藻类生长主要受水体理化性质及营养盐含量的影响，因此，也可以作为评价水体营养状态的重要指标。本研究中，ρ(Chl.a)普遍较低，最高值只有1.43 mg/m³，其中有9个采样点的ρ(Chl.a)均＜0.5 mg/m³。水体浊度以及浊度与叶绿素之间的关系见图 2(a)(b)。由图 2(a)可见，ρ(Chl.a)与水体浊度呈显著负相关关系。虽然我国对天然水的浊度没有明确的标准规定，但浊度可以作为反映水体变化的重要指标，如暴雨、事故性污染排放等影响。根据我国现行《城市污水再生利用工业用水水质》(GB/T 19923—2005)规定，工业用水的浊度极大值均为5 NTU，而由图 2(b)可见，各采样点位的浊度值均显著高于该值，其中S13点位浊度高达30 NTU。

2.2 紫琅湖浮游藻类种群和生物量分布的空间变化特征

紫琅湖水体中不同采样点位浮游藻类种类数及其生物量变化特征见图 3(a)(b)。由图 3可见，本研究共鉴定出浮游藻类8门33科58属，共73种，主要为淡水普生型物种。其中，蓝藻门6科10属10种，硅藻门9科19属25种，绿藻门11科20属26种，隐藻门1科2属5种，裸藻门1科2属2种，甲藻门2科2属2种，金藻门2科2属2种，黄藻门1科1属1种[图 3(a)]。从物种数量和不同物种生物量相对丰度可知，蓝藻门、硅藻门、绿藻门和隐藻门是优势物种，但在不同采样点位之间存在显著差异。其中，S08—S12点位的绿藻门生物量显著高于其他点位，而隐藻门的生物量在除S02和S13样点外，是所有样点中生物量最高的物种，其生物量为0.92~5.52 mg/L；其次为硅藻门，其在不同采样位点的生物量为0.42~1.39 mg/L。虽然蓝藻门在细胞数量上占有一定优势，但是其生物量却很低，最高值仅有0.20 mg/L(S13点位)，而最低值为0.01 mg/L(S10点位)。生物量最小的为金藻门，均＜0.01 mg/L[图 3(b)]。

不同采样点位浮游藻类细胞密度变化特征见图 4(a)(b)。由图 4可见，浮游藻类细胞密度值为4.8×10⁶~1.4×10⁷ cells/L(图中取对数值显示差异)，其中最大平均密度为1.1×10⁷ cells/L(S03点位)，最小平均密度为5.4×10⁶ cells/L(S09点位)，不同采样点位之间细胞密度存在显著差异[图 4(a)]。其中以蓝藻门，隐藻门和绿藻门为优势藻类，其细胞密度分别为7.7×10⁵~6.7×10⁶，1.7×10⁵~3.7×10⁶，0.5×10⁵~3.2×10⁶ cells/L。根据评价标准^[14]，细胞密度＜3.0×10⁵ cells/L，为贫营养；3.0×10⁵~1.0×10⁶ cells/L，为中营养；＞1.0×10⁶ cells/L，为富营养，因此紫琅湖水均存在富营养化的趋势。S08—S12点位的绿藻门生物量相对丰度显著高于其他样点，蓝藻门在S02和S13点位生物量相对丰度均＞70%，隐藻门在S03，S05—S10点位中所占百分数超过30%[图 4(b)]。

紫琅湖浮游藻类的优势种在不同样点存在显著变化(图 5)。由图 5可见，主要优势种为蓝藻门的平裂藻(Merismopedia sp.)和细鞘丝藻(Leptolyng-bya sp.)，硅藻门的直链藻(Melosira sp.)，绿藻门的空星藻(Coelastrum sp.)，隐藻门的尖尾蓝隐藻(Chroomonas acuta)和隐藻(Cryptomonas sp.)。这些种在大部分样品中的相对丰度均＞10%。而蓝藻门的鞘丝藻(Lyngbya sp.)和颤藻(Oscillatoria sp.)在特定样品中检查到高丰度(>10%)。优势种在不同样点的相对丰度存在显著差异，平裂藻(Merismopedia sp.)在S01，S02，S13采样点的平均相对丰度＞20%，在S10—S12点位其平均相对丰度均＜5%；而细鞘丝藻(Leptolyngbya sp.)最高平均相对丰度在S02点位(46.7%)，其次为S12点位(46.1%)，S04点位(41.5%)；高丰度空星藻(Coelastrum sp.)则主要集中在S08—S12点位；隐藻(Cryptomonas sp.)的高丰度点位为S03—S10，其中最高值在S08点位(26.2%)。

2.3 紫琅湖浮游藻类的多样性分析

浮游藻类α多样性指数被用来评估群落均匀度、丰富度、功能和稳定性。这些指数也可用于评估水体营养状态，以调控潜在的有害藻类水华。在浮游藻类α多样性指数的评估中，包括了丰富度、丰度和均匀度的生态信息。紫琅湖水体中不同采样点位浮游藻类多样性指数变化特征见图 6(a)—(d)。由图 6可见，丰富度指数(D)值在不同点位的范围为(1.01±0.12)~(1.75±0.23)，最高值在S01点位，最低值在S05点位，不同采样点之间存在显著差异。均匀度指数(J)值范围为(0.53±0.02)~(0.70±0.06)，最高值在S13点位，最低值在S02点位，J值在不同点位之间有显著差异，但样点之间J值的变化程度要小于丰富度指数值。多样性指数(H)在不同样点之间也存在显著差异，H值范围为(1.62±0.16)~(2.18±0.07)，最高值在S13点位，最低值在S11点位。H值均＞1，表明S01，S06，S07，S08，S09，S13点位水质良，但其他样点存在轻度污染。辛普森指数(λ)与均匀度指数(J)存在类似变化规律，其值范围为(0.68±0.03)~(0.84±0.02)，最高值在S13点位，最低值在S1点位。

2.4 紫琅湖浮游藻类群落与环境因子对应关系的CCA分析

采用CCA分析的浮游藻类物种信息见表 3。紫琅湖水体中不同采样点浮游藻类物种与环境因子的CCA排序图见图 7。藻种主要依据其相对丰度和在不同样点中出现的频率选择30种优势藻类进行CCA分析。由图 7可见，轴1和轴2可以解释浮游藻类与环境因子之间关系的25.8%，其中pH值、TOC、DO和NTU是影响浮游藻类分布的显著环境因子。S13点位的浮游藻类群落与其他采样点存在显著差异。而且衣藻(Chlamydomonas sp.)、隐藻(Cryptomonas sp.)、卵形隐藻(Cryptomonas ovata)、啮蚀隐藻(Cryptomonas erosa)和吻状隐藻(Cryptomonas rostrata)与水体pH值呈正相关关系，鞘丝藻(Lyngbya sp.)和假鱼腥藻(Pseudoanabaena sp.)与TOC呈正相关关系，栅藻(Scenedesmus sp.)和金粒藻(Chrysococcus sp.)与DO呈正相关关系。

3 讨论 3.1 紫琅湖浮游藻类优势种的动态变化

目前，大部分的研究主要关注湖泊浮游藻类在季节上的演替现象^[20]。例如，魏秘等^[21]在研究长沙梅溪湖时发现浮游植物优势种的季节差异较大。其中，春季优势种为硅藻、隐藻和蓝藻，夏季为蓝藻和绿藻，秋季为硅藻、蓝藻和绿藻，冬季为硅藻和隐藻。梅溪湖比紫琅湖面积要大一些，但将不同采样点数据进行合并分析，这也许会掩盖其采样点之间的差异。一项对上海滩涂人工湖的研究显示，蓝藻、绿藻是该水体的优势种^[22]，而这2种类型浮游藻类是否为优势种通常可以当作水体富营养化水平^[23]。本研究样品为秋季样品，优势种从不同角度有所差异，从物种数目来说，硅藻，绿藻，蓝藻和隐藻是优势种，在生物量上，隐藻和硅藻为优势种，而在细胞密度上，蓝藻，绿藻和隐藻为优势种，且其优势会在不同采样点之间发生变化。

3.2 紫琅湖浮游藻类组成与环境因子的关系

氮、磷是水体富营养化的重要指标，通常认为湖泊氮、磷富营养化的ρ(TP)，ρ(TN)水平分别为0.02，0.2 mg/L，适合藻类生长的氮磷比为10~20，高于该值则表示藻类生长受磷浓度制约，反之低于该值则受氮浓度制约^[24]。本研究中，氮磷比值均＜10，紫琅湖藻类生长主要受氮水平的影响。但上海水滴湖藻类丰度、生物量均与TN和TP呈显著正相关^[18]，长沙梅溪湖中藻类主要受TN的影响，而武汉梁子湖藻类主要受TP的影响^[25]。本研究中未获取藻类生长与水体氮磷直接相关的证据，但发现藻类群落分布与水体的浊度、DO、pH值和TOC有显著相关。此外，水体ρ(Chl.a)与浊度呈负相关也进一步说明水体的浑浊度会影响藻类生长^[26]。

3.3 紫琅湖水质的总体评价

对于水体富营养化水平可以直接采用国家环境质量标准对不同理化性质对应等级的划分，也可以利用藻类生物学数据进行指示。本研究中，依据DO、TN和I_Mn参数判断紫琅湖水质为Ⅰ类和Ⅱ类标准，而根据TP数值则判断水质为劣Ⅴ类标准。此外，物种多样性指数也可以作为判断水体营养水平的重要指标^[27]。根据多样性指数(H)为2~3，水质为β-中污，本研究S01、S06、S07、S08、S09和S13点位水质为β-中污，而其余点位H值为1~2，为α-中污；而Margalef丰富度指数(D) 值均＜3，水质为α-中污。利用TLI评价水体的营养水平^[28-29]，所有点位的TLI值均在30~45范围内，属于中营养型。综上，紫琅湖早期存在水体富营养化的潜在风险。

4 结语

紫琅湖建于2018年，早期水样监测数据表明，如果以总磷为评价标准，属Ⅳ类水质，以总氮评价则属Ⅲ—Ⅳ类水质，综合评价为轻度—中度富营养型^[30]。根据本次研究结果表明，紫琅湖水体TN浓度水平有所降低，但TP浓度水平仍然达到富营养水平。其主要原因可能跟早期紫琅湖水源有关，且磷很容易通过食物链滞留在水体中或者物理化学的过程固定在沉积物中，最终变成内源性磷不断地释放出来。此外，由于紫琅湖水与多条水系相通，相互之间存在水体交换，这些也可能会导致养分来源的复杂性。就紫琅湖而言，蓝藻的细胞密度在大部分采样点的相对丰度都显著高于其他藻类，而水体富营养化是引起湖泊蓝藻水华爆发的重要原因，虽然目前水体TP含量属富营养水平，但有效磷浓度水平较低，说明磷元素主要以有机态或形成稳定的形态吸附在水体悬浮颗粒物上；水体TN浓度水平相对较低也可能是维持紫琅湖藻类生长平衡的关键因素。为了精确掌握紫琅湖水质变化的动态过程，仍需要加强日常的水质监测，并对来水水源质量进行控制，并借鉴其他城市的成功经验，增强人工湖泊水体的自净能力。