應用浮游植物生物完整性指數評價長江上游河流健康

譚 巧，馬芊芊，李斌斌，呂紅健，付 梅，姚維志

(西南大學動物科技學院，西南大學漁業資源環境研究中心，水產科學重慶市重點實驗室，重慶 400716)

應用浮游植物生物完整性指數評價長江上游河流健康

譚 巧，馬芊芊，李斌斌，呂紅健，付 梅，姚維志

(西南大學動物科技學院，西南大學漁業資源環境研究中心，水產科學重慶市重點實驗室，重慶 400716)

2013年11月-2014年6月對長江上游宜賓至江津段五個斷面的浮游植物進行了四次調查，共鑒定出浮游植物6門38屬95種。對13個備選指標進行分布范圍、判別能力及Pearson相關性分析，構建了適合長江上游的浮游植物生物完整性指數(P-IBI)指標體系，即香農多樣性指數、Margalef豐富度指數、Pielou均勻度指數、浮游植物密度、硅藻密度百分比等參數指標。采用3分制法、4分制法和比值法分別對生物指標計分，評價結果顯示：高莊橋、羊石處于“健康”狀態；白沙處于“亞健康”狀態；而江安、德感處于“亞健康”向“一般”過渡狀態。綜合來看，三種評價方法所反映各樣點的健康狀況基本一致，只是4分制法和比值法在劃分評價等級上更細致，評價結果更精確。Pearson相關性分析顯示：TN、pH與P-IBI值呈顯著負相關(P<0.05)。

長江上游；浮游植物；生物完整性指數；生態系統健康評價

河流健康的概念由美國的《清潔水法》于1972年首次提出，該法案認為物理、化學和生物的完整性是河流健康的標準，其中完整性指維持生態系統的自然結構和功能的狀態[1]。近年來，隨著人們對河流健康重要性認識的加深，國內外學者在其定義、內涵及研究方法等方面進行了大量的探索[2-9]。Karr[10]認為一個良好的生態系統必定存在一個完整的生物群落，提出用生物完整性指數(Index of Biotic Integrity，IBI)來評價河流健康。IBI最初以魚類為研究對象，后又應用到其它生物[1-2,11]。目前，在河流健康評價中主要應用著生藻類、底棲無脊椎動物以及魚類生物完整性指數，浮游生物完整性指數的應用相對較少。蔡琨等[12]應用浮游植物生物完整性指數(P-IBI)評價了冬季太湖水生態健康質量，認為浮游植物生物完整性指數盡管存在局限性，但用其來評價水生態健康是可行的，其研究結果也表明P-IBI是相對科學準確的。沈強等[13]應用浮游生物完整性指數對浙江水源地水質進行了評價。徐玉萍[14]、馬亮[15]分別對上海市河道、潭江的浮游植物生物完整性做過研究。雖然針對長江上游浮游生物方面的研究較多[16-19]，但局限于群落結構及多樣性評價，未見應用浮游生物完整性指數進行健康評價的報道。本研究將在此方面做出探討，希望能為今后的研究提供幫助。

1 材料與方法

1.1 采樣點設置與采樣時間

以長江上游為研究對象，在宜賓至江津段共設置了5個采樣斷面，采樣點從上游到下游依次為高莊橋左岸(金沙江段，距宜賓航道里程5.1 km)、江安右岸(距宜賓航道里程64.4 km)、羊石右岸(距宜賓航道里程213.8 km)、白沙右岸(距宜賓航道里程261.4 km)、德感左岸(距宜賓航道里程299.7 km)。其中高莊橋、羊石位于長江上游珍稀特有魚

類國家級自然保護區的核心區，江安位于緩沖區，白沙、德感位于實驗區。采樣時間為2013年11月、2014年1、4、6月，每月采樣一次。

1.2 樣品采集與處理

采集定量標本，使用有機玻璃采水器在水面下0.5 m處取水樣1 L，現場加入15 mL魯哥氏液固定。另外，用25#浮游生物網在表層至0.5 m深處作“∞”形緩慢拖動2 min左右以撈取定性標本。先對除硅藻門外其他門類的種類進行鑒定，再用酸液消解除去硅藻細胞內含物，以準確鑒定硅藻種類。種類鑒定參照《中國淡水藻類》[21]和《淡水微型生物圖譜》[22]。

1.3 數據處理

1.3.1 參考點與污染點的區分

根據香農多樣性指數(H)水質劃分標準[23]，將 H≥3的采樣點定為參考點，H<3的采樣點定為污染點。

1.3.2 備選指標的確定與篩選

選取了13個應用廣泛且入選率較高的指標作為備選指標(表1)。對這13個備選指標進行分布范圍、判別能力以及相關性分析，以篩選出合適的參數指標。

表1 P-IBI備選指標描述及對干擾的反映Tab.1 Description of candidate metrics for P-IBI and their expected direction of response to disturbance

續表1

1.3.3 P-IBI指標的計分及評價標準

(1) 3分制法

對隨干擾減小的指標，高于參考點的25%分位數值(對隨干擾增大的指標，低于參考點的75%分位數值)，計6分；低于25%分位數值(高于75%分位數值)的分布范圍進行二等分，分別計3分和0分。

(2) 4分制法

對隨干擾減小的指標，以所有點的95%分位數值為最佳期望值(對隨干擾增大的指標，以所有點的5%分位數值為最佳期望值)，低于(高于)此值的分布范圍進行三等分，依次計6、4、2、0分。

(3) 比值法

對隨干擾減小的指標，各指標的分值等于指標值除以所有點的95%分位數值；對隨干擾增大的指標，以所有點的5%分位數值為最佳期望值進行計算，方法為：(最大值-指數值)/(最大值-5%分位數值)。該法規定，經計算后的分值的分布范圍為0～1，若大于1，則記為1。

(4) 評價標準

以參考點IBI值的25%分位數作為健康評價的標準，若采樣點的IBI值大于25%分位數值，則表示該樣點受到的干擾很小，是健康的；對小于25%分位數值的分布范圍進行四等分，就可以確定出健康、亞健康、一般、較差、極差五個健康等級。

2 結果

2.1 浮游植物的群落結構特征

本研究共鑒定出浮游植物6門38屬95種(變種)，其中硅藻門22屬67種，占藻類總種數的71%；綠藻門10屬18種，占19%；隱藻門1屬4種，占4%；藍藻門2屬2種，占2%；裸藻門1屬2種，占2%；甲藻門2屬2種，占2%。

2.2 備選指標的篩選

分析各指標值的分布范圍，刪除分布范圍太窄或可預測環境變化值的范圍太小的指標，結果備選指標全部適合。用箱線圖法進行判別能力分析(圖1)，香農多樣性指數(M3)、Margalef豐富度指數(M4)、Pielou均勻度指數(M5)、浮游植物密度(M9)、硅藻密度百分比(M11)、前三優勢種百分比(M13)等6個參數指標在參考點與污染點間有顯著差異，可以進入下一步分析。Pearson相關性檢驗(SPSS 19.0)(表2)顯示，M4、M9、M11與其它指標間的相關性不顯著，直接保留；M3、M5分別與M13顯著相關，舍棄M13，保留M3、M5。

對所有備選指標進行篩選后，確定長江上游P-IBI指標體系由香農多樣性指數(M3)、Margalef豐富度指數(M4)、Pielou均勻度指數(M5)、浮游植物密度(M9)、硅藻密度百分比(M11)構成。

圖1 各入選P-IBI指標在參考點和污染點的箱線圖Fig.1 Discriminatory power of selected metrics for reference and impaired sites using box & whisker plots表2 備選P-IBI指標的Pearson相關性分析Tab.2 Pearson’s correlating coefficient between six candidate biological metrics

備選指標M3M4M5M9M11M13M31M40.65531M5-0.36680.19901M90.6799-0.0490-0.67991M11-0.3639-0.3199-0.21310.24971M13-0.8298*-0.4124-0.9266*0.58010.30201

注：*表示P<0.05。

2.3 P-IBI指標分值計算及計分標準

將篩選出的指標分別應用3分制法、4分制法、比值法計算了各指標分值(表3、4、5)。

表3 5個P-IBI指標在參照點中的分布及3分制法計分標準Tab.3 Distribution of the five metrics in reference sites and score standards according to three score system

表4 5個P-IBI指標在所有樣點中的分布及4分制法計分標準Tab.4 Distribution of the five metrics in all the sampling sites and score standards according to four score system

表5 比值法計算5個P-IBI指標分值的公式Tab.5 Formulas for calculating five metrics scores according to ratio score system

2.4 P-IBI指標體系評價標準及評價結果

2.4.1 3分制法

根據3分制法的計分標準(表3)，將篩選所得指標的分值進行加和，即獲得P-IBI值。以參考點的25%分位數為最佳期望值，確定P-IBI指標體系評價標準(表6)，進而得出各采樣點浮游植物生物完整性評分及健康評價(表7)。四次采樣中高莊橋評價為三個“健康”、一個“亞健康”；江安評價為兩個“亞健康”、兩個“一般”；羊石評價為三個“健康”、一個“亞健康”；白沙評價為四個“健康”；德感評價為兩個“健康”，兩個“一般”。

表6 長江上游P-IBI 3分制法評價標準Tab.6 Assessment criteria for biological integrity of phytoplankton in the upper reaches of the Yangtze River according to three score system

表7 上江上游P-IBI 3分制法評價結果Tab.7 P-IBI results for each sampling sites in the upper reaches of the Yangtze River according to three score system

續表7

2.4.2 4分制法

4分制法的評價標準與3分制法相同，據此標準得出各采樣點浮游植物生物完整性評分及健康評價(表8)。四次采樣中高莊橋評價為四個“健康”；江安評價為兩個“健康”、一個“亞健康”、一個“一般”；羊石評價為四個“健康”；白沙評價為三個“健康”、一個“亞健康”；德感評價為兩個“健康”，一個“亞健康”、一個“一般”。

表8 長江上游P-IBI 4分制法評價結果Tab.8 P-IBI results for each sampling sites in the upper reaches of the Yangtze River according to four score system

續表8

2.4.3 比值法

確定比值法的P-IBI指標體系評價標準(表9)，進而得出本次試驗所有采樣點浮游植物生物完整性評分及健康評價(表10)。四次采樣中高莊橋評價為三個“健康”、一個“亞健康”；江安評價為一個“健康”、兩個“亞健康”、一個“一般”；羊石評價為四個“健康”；白沙評價為三個“健康”、一個“亞健康”；德感評價為兩個“健康”，一個“亞健康”、一個“一般”。

表9 長江上游P-IBI比值法評價標準Tab.9 Assessment criteria for biological integrity of phytoplankton in the upper reaches of the Yangtze River according to ratio score system

表10 長江上游P-IBI比值法評價結果Tab.10 P-IBI results for each sampling sites in the upper reaches of the Yangtze River according to ratio score system

續表10

2.5 P-IBI與水質參數的一致性

2.5.1 主要水質參數分析

表11 各采樣點主要水質參數Tab.11 Main chemical and physical information of sampling sites

2.5.2 P-IBI與環境因子之間的相關性

表12 P-IBI與環境因子之間的相關性Tab.12 Pearson’s correlating coefficient between P-IBI and environmental factors

注：*表示P<0.05。

3 討論

3.1 不同評分方法的比較

本研究采用3分制法、4分制法和比值法三種評分方法來計算P-IBI值。比較三種方法評價結果，4分制法與比值法高度相似，僅高莊橋、江安采樣點存在一個“健康”與“亞健康”的區別；而3分制法與4分制法、比值法相比，其評價結果主要為“健康”和“一般”，較少出現“亞健康”狀態，顯得跨度較大。3分制法是根據參考點的指標值分布范圍，將其劃分為三部分，由高到低分別計6、3、0分；而4分制法是根據所有點的指標值分布范圍，將其劃分為四部分，分別計6、4、2、0分，因此，評價結果的差別可能體現在對各指標計分時劃分的細致程度上。裴雪姣等[24]在應用魚類完整性評價遼河流域健康中也認為，1、3、5 賦值法 IBI 分值為各參數 1、3、5 記分的累加，分值連續性較小，間斷性較大，對最高和最低等級間的區分性比較明顯，而比值法的分值則連續性較強，間斷性較小。王備新[23]的研究表明：用比值法統一各生物參數量綱后，依據所有樣點數據建立的評價標準與依據參照點數據所得標準相比，提高了對參照點的準確率，結果優于3分制法和4分制法。從本研究的結果來看，3分制法所得P-IBI值分別與4分制法、比值法所得P-IBI值呈顯著正相關(P<0.05)，而4分制法所得P-IBI值與比值法所得P-IBI值呈極顯著正相關(P<0.01)，因此，它們所反映各樣點的健康狀況基本一致，只是4分制法和比值法在劃分評價等級上更細致，評價結果更精確。

3.2 應用P-IBI評價長江上游河流健康狀況

長江上游珍稀特有魚類自然保護區是我國最長的河流型自然保護區，該江段自然生境相對完整，但近年來，受采砂、航運、涉水工程、工業廢水、生活污水的影響，長江上游河流健康度逐年下降[25]。高莊橋在宜賓主城上游、羊石鎮遠離大城市，且周圍人口密度不大，工農業活動相對較少，在本研究中評價為“健康”；江安江段位于宜賓市下游，前方有金沙江、岷江匯入，受到城鎮生活污水、工業廢水、航運等影響，評價結果為“亞健康”向“一般”過渡階段；白沙江段評價為“亞健康”；德感江段處于城鎮，受到人類干擾相對較大，評價為“亞健康”向“一般”過渡狀態。表明保護區內高莊橋、羊石江段水質比較清潔，而江安、白沙、德感江段受到一定干擾，這與各采樣點主要水質參數分析的結果吻合。因此，應用浮游植物生物完整性指數評價長江上游河流健康狀況是可行的。

目前，浮游植物生物完整性指數主要被應用于評價一個相對靜止的水體如水庫[13, 26]、湖泊[12, 27]，評價江河健康狀況的研究比較少。分析原因認為：浮游植物漂流在江河中，樣本對采樣點的代表性和采樣的均一性受到質疑；生活周期短，不能反映采樣點長時間的生態健康狀況[12]。但是，浮游植物對環境變化反應靈敏，能在短時間內做出響應，可以通過設置合理的采樣時間、采樣頻次來構建浮游植物生物完整性。Sommer等[28]提出的PEG(plankton ecology group)模型認為，浮游植物群落存在冬春季時隱藻和硅藻占優勢，夏季綠藻占優勢，夏末秋初是藍藻占優勢，而到秋季時硅藻數量再次上升的自然演替規律。針對浮游植物群落的季節性演替規律，本研究設置采樣時間為11月、次年1、4、6月，研究結果較好地反映了長江上游宜賓至江津段健康狀況。建議以后的研究根據浮游植物群落的季節性演替規律增加采樣頻次，保證樣品的代表性和采樣的均一性，構建更加科學合理的浮游植物生物完整性指數。

[1] Karr J R.Defining and measuring river health [J].Freshwater Biol, 1999, 41(2):221-234.

[2] An K, Park S S, Shin J Y.An evaluation of a river health using the index of biological integrity along with relations to chemical and habitat conditions [J].Environ Int, 2002, 28 (5):411-420.

[3]Scrimgeour G J, Wicklum D.Aquatic ecosystem health and integrity: Problems and potential solutions [J].J North Am Benthol Soc, 1996, 15(2):254-261.

[4]Meyer J L.Stream health: Incorporating the human dimension to advance stream ecology [J].J North Am Benthol Soc, 1997, 16(2):439-447.

[5]Costanza R, Mageau M.What is a healthy ecosystem? [J].Aquat Ecol, 1999, 33(1):105-115.

[6]Norris R H, Thoms M C.What is river health? [J].Freshwater Biol, 1999, 41(2):197-209.

[7]文伏波, 韓其為, 許炯心, 等.河流健康的定義與內涵[J].水科學進展, 2007,18(1):140.

[8]董哲仁.河流健康的內涵[J].中國水利, 2005,(4):15-18.

[9]劉昌明, 劉曉燕.河流健康理論初探[J].地理學報, 2008,63(7):683-692.

[10]Karr J R.Assessment of biotic integrity using fish communities [J].Fisheries, 1981, 6(6):21-27.

[11]Kerans B L, Karr J R.A benthic index of biotic integrity (B-IBI) for rivers of the Tennessee Valley[J].Ecol Appl, 1994, 4(4):768-785.

[12]蔡 琨, 秦春燕, 李繼影, 等.基于浮游植物生物完整性指數的湖泊生態系統評價——以2012年冬季太湖為例[J].生態學報, 2016, 36(5):1431-1441.

[13]沈 強, 俞建軍, 陳 暉, 等.浮游生物完整性指數在浙江水源地水質評價中的應用[J].水生態學雜志, 2012, 33(2):26-31.

[14] 徐玉萍.上海市河道生物完整性指數評價研究及生態治理效果評價[D].上海：上海海洋大學, 2014.

[15] 馬 亮.潭江浮游植物完整性指數及水質評價[D].河北保定：河北大學, 2012.

[16]陳燕琴, 申志新, 劉玉婷, 等.長江上游曲麻萊至玉樹段春秋季浮游植物群落結構及多樣性評價[J].長江流域資源與環境, 2013, 22(10):1325-1332.

[17]余海英.長江上游珍稀、特有魚類國家級自然保護區浮游植物和浮游動物種類分布和數量研究[D].重慶：西南大學, 2008.

[18]劉曉娟, 李云峰, 茹輝軍, 等.長江上游珍稀、特有魚類國家級自然保護區干流段浮游植物群落結構的年度變化[J].淡水漁業, 2015, 45(1):52-57.

[19]何 滔, 劉建虎, 張春霖, 等.長江上游支流抱龍河浮游生物現狀及多樣性評價[J].淡水漁業, 2014, 44(3):51-55.

[20]胡鴻鈞，李堯英，魏印心，等.中國淡水藻類[M].上海：上海科學技術出版社, 1980.

[21]周鳳霞, 陳劍虹.淡水微型生物圖譜[M].北京：化學工業出版社, 2005.

[22]魏復盛.水和廢水監測分析方法[M].第4版.北京：中國環境科學出版社, 2002.

[23]王備新.大型底棲無脊椎動物水質生物評價研究[D].南京：南京農業大學, 2003.

[24]裴雪姣, 牛翠娟, 高 欣, 等.應用魚類完整性評價體系評價遼河流域健康[J].生態學報, 2010, 30(21):5736-5746.

[25]危起偉，李堯英，魏印心，等.長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護區科學考察報告[M].北京：科學出版社, 2012.

[26]婁方瑞, 劉明濤, 程光平, 等.巖灘水庫水質與浮游生物完整性灰色關聯分析[J].廣東農業科學, 2015, (17):147-152.

[27]賀方兵.東部淺水湖泊水生態系統健康狀態評估研究——以湖北省為例[D].重慶：重慶交通大學, 2015.

[28]Sommer U, Gliwicz Z M, Lampert W, et al.The PEG-model of seasonal succession of planktonic events in fresh waters [J].Arch Hydrobiol, 1986, 106(4):433-471.

(責任編輯：鄧 薇)

Ecological health assessment of the upper reaches of the Yangtze River, based on biotic integrity index of phytoplankton

TAN Qiao, MA Qian-qian, LI Bin-bin, Lü Hong-jian,FU Mei, YAO Wei-zhi

(SchoolofAnimalScienceandTechnology；ResearchCentralofFisheryResourcesandEnvironment；KeyLaboratoryofAquaticScienceofChongqing；SouthwestUniversity,Chongqing, 400716,China)

In the present study, phytoplankton samples were collected from the upper reaches of the Yangtze River during four consecutive seasons, from November 2013 to November 2014.The results showed that there were 95 phytoplankton species belonging to 6 phyla and 38 genera found in the investigating region.And based on the distributing range，discriminatory power and Pearson's correlation analysis of the 13 candidate indexes, five metrics, including Shannon-Wiener index, Margalef index, Pielou index, density of phytoplankton, percentage of bacillariophyta were selected to establish biotic integrity index of phytoplankton (P-IBI) evaluation system.Three score system, four score system and ratio score system were used to get metrics into a uniform score for all the sampling points, and the results showed that Gao Zhuangqiao and Yang Shi were in the state of health, Bai Sha in sub-health, and Jiang An and De Gan in the sub-health to good-fair transitional phase.On the whole, the health state of each sampling sites reflected by the three scoring methods almost the same.However, four score system and ratio score system were more meticulous on the grade classification and evaluation, thus the evaluation results of four score system and ratio score system were more accurate.The Pearson′s correlation analysis showed that the P-IBI was significantly negative correlated with TN and pH (P<0.05).

the upper reaches of the Yangtze River; phytoplankton ; index of biotic integrity；ecosystem health assessment

2016-09-10；

2017-01-05

美國大自然保護協會(TNC)“長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護區保護行動實施情況評估研究”；農業部長江流域漁政監督管理辦公室“長江上游保護區干流江段棲息地評估與修復研究”；中央高校基本科研業務費專項資金資助(XDJK2015A001)

譚 巧(1991-)，男，碩士研究生，專業方向為漁業資源與環境。E-mail:752043576@qq.com

姚維志。E-mail: yaowz@swu.edu.cn

X832

A

1000-6907-(2017)03-0097-08