基于浮游藻類生物完整性指數(shù)的永安河小流域健康評價

呂立鑫 王繼華 祝亞楠 隋海潮 任氫欣 陳爽 車琦 崔紅

摘要?[目的]根據(jù)2018年夏季對常州市永安河小流域10個樣點進行浮游藻類及環(huán)境因子的監(jiān)測，運用生物完整性的方法和理論，構(gòu)建夏季永安河小流域浮游藻類生物完整性指數(shù)，評價夏季永安河小流域水生態(tài)健康狀態(tài)。[方法]采用文獻調(diào)查法篩選確定參照河流及參照點，對20個候選指標進行分布范圍篩選、判別能力分析、參數(shù)間相關(guān)性分析等。[結(jié)果]獲得了永安河小流域豐水期 P-IBI 指數(shù)的 5 個核心指標：藻類屬的總數(shù)、硅藻屬數(shù)量比例、小環(huán)藻屬密度百分比、細小平裂藻屬細胞密度和藍藻門密度百分比。采用比值法統(tǒng)一各參數(shù)的量綱，累加后得到豐水期太湖 P-IBI 分值，并劃分健康評價標準。[結(jié)論]應(yīng)用 P-IBI 對研究區(qū)域水生態(tài)進行評價，1個樣點評價結(jié)果為健康，7個樣點評價結(jié)果為亞健康，2個樣點評價結(jié)果為一般。

關(guān)鍵詞?浮游藻類;生物完整性指數(shù);永安河小流域;健康評價

中圖分類號?X826?文獻標識碼?A?文章編號?0517-6611（2021）01-0048-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.01.013

Abstract?[Objective]According to the monitoring of planktonic algae and environmental factors of 10 samples in the Yongan River small watershed in Changzhou City in summer 2018， the biological integrity method and theory were used to construct the biological integrity index of planktonic algae in the Yongan River small watershed in summer to evaluate the health status of aquatic ecology in the small watershed of Yongan River. [Method]The literature survey method was adopted to determine the reference rivers and reference points， and the 20 candidate indicators were screened for distribution range， discriminant analysis and correlation analysis. [Result]Five core indicators of the P-IBI index in the Yongan River small watershed during wet season： the total number of algae， the proportion of diatoms， the percentage of density of Cyclotella， the cell density of Schizophyllum， and the percentage of density of Cyanophyta. The ratio method was used to unify the dimensions of each parameter. After accumulation， the P-IBI score of Taihu Lake in wet season was obtained， and the health evaluation criteria were divided. [Conclusion]P-IBI was used to evaluate the aquatic ecology in the study area. One sample evaluation result was healthy， 7 sample evaluation results were sub-healthy， and 2 sample evaluation results were general.

Key words?Planktonic algae;Biological integrity index;Yongan River small watershed;Health assessment

生物完整性指數(shù)（index of biotic integrity，IBI）由Karr在1981年提出，并以魚類作為研究對象成功建立[1]。隨后這一評價體系被廣泛應(yīng)用于大型底棲動物、周叢生物、浮游生物和大型水生植物等水生生物類群中[2-7]。IBI指數(shù)在流水和靜水等不同水體評價中的應(yīng)用效果以及在管理實踐中的作用也得到越來越多學者的認可[8-11]。

浮游藻類是水體生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)者，其群落直接影響上層食物鏈結(jié)構(gòu)及整個生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，利用浮游藻類生物完整性指數(shù)（phytoplanktonic index of biotic integrity，P-IBI）評價水生態(tài)健康的研究已有報道。Li等[12]利用水壩建立前后浮游植物群落調(diào)查結(jié)果，選用豐度、多樣性、生物量和營養(yǎng)狀態(tài)這4個類別共16個候選參數(shù)構(gòu)建P-IBI并對水生態(tài)健康狀況進行評價，結(jié)果表明，水壩建成后，點位P-IBI指數(shù)值銳減，P-IBI可以較好地反映水壩對河流水生態(tài)健康的影響;Johnson等[13]研究表明，其構(gòu)建的P-IBI指數(shù)對樣點的營養(yǎng)和光線差異敏感;Kane等[14]利用1970年和1996年伊利湖浮游生物調(diào)查數(shù)據(jù)，選用13個候選參數(shù)構(gòu)建浮游生物完整性指數(shù)，并依此評價伊利湖水生態(tài)健康狀況演變，評價結(jié)果顯示：伊利湖在1970年時水生態(tài)健康狀況較好，而在1996年進行監(jiān)測時發(fā)現(xiàn)生態(tài)狀況開始逐漸變差，評價結(jié)果與水體營養(yǎng)水平變化一致。但目前國內(nèi)外更多的是利用IBI評價湖泊和溪流等流水水體，對濕地、城市河流等水體研究較少。

該研究基于IBI評價的發(fā)展成果，以2018年夏季永安河小流域為例，從恢復(fù)初期的城市河道入手，以浮游藻類從群落豐富度、群落多樣性和群落結(jié)構(gòu)3個方面選取指標進行篩選，研究在生態(tài)恢復(fù)初期城市河道中P-IBI指數(shù)的構(gòu)建方法，探討其在城市河流評價中的應(yīng)用效果，以期為城市河流水生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)、健康評價和科學管理提供數(shù)據(jù)支持與案例基礎(chǔ)。

1?材料與方法

1.1?研究區(qū)域與樣點布設(shè)

常州屬于季風副熱帶海洋性氣候。全年四季分明，其中春夏溫暖潮濕，雨水充足。永安河位于常州市武進區(qū)境內(nèi)，屬太湖流域武澄錫虞區(qū)骨干調(diào)節(jié)河道，匯水經(jīng)太滆運河入太湖，全長19.8 km。永安河廟橋段位于廟前北路西側(cè)，北起武南河，南至夏城路，在新橋西側(cè)與十字河交匯。十字河是永安河上的一條重要支浜。河道北岸大慶橋至東環(huán)橋段為石駁岸，其他岸坡均為自然駁岸。塘門浜是一條鎮(zhèn)級河道，為永安河上另一重要支浜。河道兩側(cè)駁岸均為石駁岸。

研究于2018年對永安河小流域進行水體理化因子和浮游藻類的監(jiān)測。十字河全長2.1 km，由于存在生活污水和工業(yè)污水排污口，污染源較為密集，因此按河段長度間隔500 m設(shè)置1個采樣點，采樣點編號為1～5，其中3為十字河與永安河交匯處;塘門浜上存在排污口，也屬于斷頭浜，間隔500 m設(shè)置1個采樣點，采樣點編號為6～7;永安河上下游各設(shè)置1個采樣點，考慮供水和出水共布設(shè)3個采樣點，編號8～10。具體點位設(shè)置如圖1所示。

1.2?樣品采集與處理

水樣：現(xiàn)場采集，4 ℃保存，參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》在規(guī)定時間內(nèi)完成溫度、電導(dǎo)率、溶解氧、氨氮、總磷、化學需氧量和葉綠素的測定。

浮游藻類定量樣品：用有機玻璃采水器采集水深0～0.5 m 處水樣 1 L，現(xiàn)場加入15 mL魯哥氏液并搖勻，帶回實驗室靜置沉淀48 h后濃縮并定容至30 mL后鏡檢。

浮游植物：參照《中國淡水藻類》《中國淡水藻類系統(tǒng)、分類及生態(tài)》等[15-18]，保證結(jié)果準確性的前提下鑒定到盡可能低的分類單元。

1.3?P-IBI 指數(shù)構(gòu)建

P-IBI 指數(shù)的構(gòu)建方法包括 4 個步驟：

①構(gòu)建參照系統(tǒng)、設(shè)定參照點;

②獲取采樣點生物、環(huán)境數(shù)據(jù);

③篩選候選生物參數(shù)：采用分布范圍分析、判別能力分析、Pearson相關(guān)性分析得到生物學意義清楚且對干擾反應(yīng)敏感的參數(shù);

④將參數(shù)統(tǒng)一量綱并劃分區(qū)間，得到樣點健康狀況評價標準。

2?結(jié)果與分析

2.1?浮游藻類群落結(jié)構(gòu)特征

對研究區(qū)域10個樣點的浮游藻類組成進行研究。鑒定出浮游藻類441個分類單元，隸屬于7門10綱17目23科74屬。浮游藻類種類組成如圖2所示，其中綠藻門40屬，在種類總數(shù)中占比最高，為54.05%;藍藻門為12屬，在種類種數(shù)中所占比例僅次于綠藻門，為16.22%;硅藻門11屬，在種類總數(shù)中所占比例14.86%;裸藻門為5屬，在種類總數(shù)中所占比例6.76%;隱藻門3屬，在種類總數(shù)中所占比例4.05%;金藻門為2屬，在種類總數(shù)中所占比例2.71%;甲藻門1屬，在種類總數(shù)中所占比例1.35%。綜合浮游藻類種類組成發(fā)現(xiàn)，種類數(shù)最多的是綠藻門，其次為藍藻門，之后為硅藻門，其他浮游藻類種類數(shù)較少。

浮游藻類相對豐度如圖3所示。由圖3可知，1號、3號、4號、7號、9號和10號樣點相對豐度最大的3個屬均為細小平裂藻（Merismopedia minima）、螺旋藻屬（Spirulina）和小顫藻（Oscillatoria tenuis）;2號樣點相對豐度最大的3個屬為螺旋藻屬、巨顫藻（Oscillatoria princes）和細小平裂藻;5號樣點相對豐度最大的3個屬為小顫藻、小環(huán)藻（Cyclotella）和細小平裂藻;6號樣點相對豐度最大的3個屬為小顫藻、偽魚腥藻（Pseudoanabaena sp.）和實球藻（Pandorina morum）;8號采樣點相對豐度最大的3個屬為小顫藻、細小平裂藻和偽魚腥藻。

2.2?參照點的確定

研究區(qū)域處于生態(tài)恢復(fù)初期階段，短時間內(nèi)難以達到良好、穩(wěn)定的健康狀態(tài)，為了評價體系構(gòu)建的客觀性和全面性，選取地理條件較好、氣候條件相似的河流作為參照河流。

通過調(diào)研與實地踏勘，結(jié)合已有研究基礎(chǔ)以及當?shù)丨h(huán)保部門提供的建議，選擇位于常州市連通長蕩湖和滆湖的、水質(zhì)相對較好的北干河作為參照河流（圖4）。北干河作為景觀湖庫區(qū)河道，平均河底寬約10 m，平均水面寬約30 m，是全市主要引排調(diào)蓄河道，具有涵養(yǎng)水源、凈化水質(zhì)的功能，有較高的經(jīng)濟、社會和生態(tài)價值。岸坡栽種鋪植黃菖蒲、陽江狗牙根、贛北假儉草等近20種植物，面積為2 600多m2。岸帶和水體已經(jīng)形成了相對穩(wěn)定的可良性循環(huán)的生態(tài)系統(tǒng)。

2.3?候選指標的篩選

2.3.1?候選指標的分布范圍。

參照國內(nèi)外浮游植物生物完整性指數(shù)研究實例[19-20]，結(jié)合浮游藻類監(jiān)測結(jié)果，對永安河小流域進行指標選擇。由于不同種類個體所含有的細胞數(shù)不同，對整個群落的作用也存在差異，分別計算α-多樣性指數(shù)等數(shù)值，并作為獨立的候選參數(shù)。該研究以浮游藻類為研究對象從群落豐富度、群落功能和群落3個方面進行指標篩選，根據(jù)分布范圍分析確定了20項藻類指標（M1～M9：群落豐富度，M10～M17：群落功能，M18-M20：群落結(jié)構(gòu)）（表1）。

2.3.2?候選指標判別能力分析。

通過分布范圍分析的候選指標需進行判別能力分析，以確定參數(shù)可以很好地區(qū)分出參照點和受損點。判別能力分析方法常用的有箱線圖法和Mann-Whitney非參數(shù)檢驗法[21-22]。該試驗采用箱線圖法比較參照河流和研究區(qū)域20項候選指標（圖5），剔除8項與參照河流相似程度高的指標，保留12項浮游藻類指標：M1、M2、M3、M6、M8、M10、M14、M15、M16、M18、M19和M20，進行下一步篩選。

2.3.3?候選指標Pearson相關(guān)性分析。

通過判別能力分析得到的候選指標需進行Pearson相關(guān)性分析，以檢驗各指數(shù)所反映的信息的獨立性，避免冗余。由表2可知，M1、M2與M3、M6、M14、M15、M16均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，且M1、M2之間呈極顯著關(guān)系，因此剔除M1、M2;M3包含信息量較大，予以保留;M15、M16與M3、M6、M14存在極顯著關(guān)系，且M15、M16之間呈極顯著正相關(guān)，剔除M15、M16;M8與M10、M18、M19、M20呈極顯著關(guān)系，其不具有獨立性，剔除M8;M18與M19呈極顯著負相關(guān)，M19與M20呈極顯著負相關(guān)，因避免指標存在冗余和重復(fù)的情況，保留M19、剔除M18與M20。

根據(jù)篩選結(jié)果，確定M3（藻類屬的總數(shù)）、M6（硅藻屬數(shù)量比例）、M10（小環(huán)藻屬密度百分比）、M14（細小平裂藻屬細胞密度）、M19（藍藻門密度百分比）5項指標構(gòu)建夏季永安河小流域P-IBI指數(shù)。

2.4?分值計算與P-IBI健康標準建立

篩選得到的指標需進行換算統(tǒng)一各參數(shù)的量綱。研究采用比值法，對于干擾越強指標值越低的，以該指標在所有樣本95%分位數(shù)值作為最佳值，該指標分值等于指標值除以最佳值;對于干擾越強指標值越高的，以5%分位數(shù)值作最佳值，指標計算方法：（最大值-指標值）/（最大值-最佳值）。按表3公式計算各參數(shù)分值，將各參數(shù)分值累加，即通過P-IBI=M3+M6+M10+M14+M19計算P-IBI，得到永安河小流域豐水期的P-IBI分值，用于后續(xù)評價體系計算。

選用所有點位P-IBI值的95%分位數(shù)為最佳值，將最大值代入到標準化公式，計算5等分的差值，再在95%分位數(shù)下進行等級的劃分，分別對應(yīng)健康、較好、一般、差和極差5個等級，如表4所示。

2.5?永安河小流域豐水期P-IBI健康評價結(jié)果

評價結(jié)果見表5，10個樣點中1個為健康，7個為亞健康，2個為一般。永安河小流域上游段的評價結(jié)果最好為健康，永安河小流域的中段、十字河下游河段、塘門浜支流較上游次之為亞健康，在支流十字河的評價中，西十字河好于東十字河為亞健康。

2.6?夏季永安河小流域P-IBI指數(shù)與環(huán)境因子相關(guān)性分析

將豐水期永安河小流域P-IBI指數(shù)、核心指標、環(huán)境因子，進行Spearman相關(guān)性分析（表6）。

溶解氧與P-IBI呈顯著負相關(guān)性，同時也與細小平裂藻屬細胞密度呈顯著負相關(guān)。總磷濃度與P-IBI呈顯著正相關(guān)，同細胞密度是隨干擾增強而變大的指標。當水體受到有機或無機物質(zhì)污染時，溶解氧含量會有所降低。研究區(qū)域水體受到干擾，溶解氧含量降低，導(dǎo)致浮游藻類生長繁殖所需的氧含量降低，進而導(dǎo)致浮游藻類種類數(shù)量減少。總磷濃度與細小平裂藻屬細胞密度顯著正相關(guān)，推測其原因可能是在一定條件下總磷含量的上升對浮游藻類的生長起到促進作用，這也與劉珍妮等[23-24]的研究結(jié)果一致。葉綠素a與P-IBI呈極顯著負相關(guān)，同時也與小環(huán)藻屬密度百分比、藍藻門密度百分比呈極顯著負相關(guān)。藍藻門密度百分比是隨著干擾增大而下降的指標，藍藻在水體中過量增殖，往往形成“水華”。城市河道中含有較多的營養(yǎng)物質(zhì)，特別是氮、磷，導(dǎo)致藍藻的大量增殖，使水色藍綠而濃濁;死亡分解時，散發(fā)出腐臭、腥臭氣味，使水質(zhì)變壞。浮游藻類群落隨葉綠素a含量的變化而變化。

3?討論

永安河小流域由于在2018年年初進行換水疏浚等相關(guān)工程，并在河道上面進行與河流治理及恢復(fù)相關(guān)的示范工程，所以城市河道處于受人工干擾后恢復(fù)初期階段，因此藻類、底棲動物、魚類等均出現(xiàn)一個種類數(shù)量少于自然河道的情況，且浮游藻類生長與溫度存在正相關(guān)，由于監(jiān)測時間為2018年8月，屬于夏季，此時為河道中浮游藻類生活繁衍提供了有利的環(huán)境條件。該研究只選用夏季永安河小流域監(jiān)測數(shù)據(jù)，旨在盡可能多地減少外部環(huán)境條件差異，同時避免藻密度權(quán)重如何確定等未有相關(guān)研究成果的因素干擾，盡可能提高P-IBI指數(shù)評價結(jié)果準確性，反映P-IBI指數(shù)在城市河流中的應(yīng)用效果，科學地反映永安河小流域水生態(tài)健康狀態(tài)。

4?結(jié)論

（1）永安河小流域在夏季綠藻門種屬數(shù)最多，共40屬，甲藻門種屬數(shù)最少，僅1屬;10個采樣點中共有7個采樣點相對豐度較大的為小顫藻和細小平裂藻。

（2）在研究區(qū)域內(nèi)永安河小流域上游段的評價結(jié)果最好;永安河小流域的中段及十字河下游河段評價結(jié)果同塘門浜支流評價結(jié)果均較上游次之，健康評價結(jié)果為亞健康;在支流十字河的評價結(jié)果中，西十字河評價結(jié)果好于東十字河，評價結(jié)果為亞健康。

（3）與夏季永安河小流域浮游藻類完整性指數(shù)（P-IBI）呈極顯著負相關(guān)的為葉綠素a，呈負相關(guān)的為溶解氧，呈顯著正相關(guān)的為總磷。

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