基于浮游植物完整性指數的三峽庫區小江河流健康評價

程帥 左新宇 李同慶 蘭峰

摘要 ：為評價長江上游支流小江的河流生態健康狀況，根據2016年三峽庫區小江15個典型斷面浮游植物的定量分析數據，計算了小江浮游植物完整性指數（P-IBI）。在此基礎上構建了其河流生態健康評價指標體系和標準，對其進行了健康評價。結果顯示：小江總體處于健康狀態，但局部問題不可忽視。小江上游段呈理想狀態，中游段呈亞健康狀態，下游段呈不健康狀態，局部樣點呈現病態。15個斷面有3個處于不健康狀態，3個處于病態狀態，受損斷面主要集中在中下游河段，存在水華爆發的風險。從調節壩壩下的“普里河匯入口上游”到“礁石子渡口”段是受損最嚴重的河段。這可能是由于局部河段污染負荷大，回水區水體自凈能力弱導致，應重點關注，加強管理，有針對性地進行污染物排放控制和水環境修復治理。

關鍵詞：河流健康評價;浮游植物完整性指數（P-IBI）;小江;三峽庫區

1 研究背景

生物完整性指數是河湖健康評價中使用最普遍的健康度評價指數之一[1-3]。浮游植物作為河流生態系統中的生產者，是較好的指示生物，其生物完整性可較好地反映河流的理化性質及對環境變化的響應[4-7]。近年來，浮游植物完整性指數（P-IBI）在河流、湖泊和水庫的健康度評價研究中也應用得越來越普遍[8-10]。

小江是長江上游段左岸一條較大的一級支流，發源于重慶市開州區白泉鄉，納入南河、普里河等支流后，在云陽縣匯入長江，小江河口距三峽大壩247 km。三峽水庫正常蓄水后，小江回水區延長至60 km左右，上端延伸至開縣渠口鎮境內，是一條有代表性的庫區支流。水華逐漸增多[11]，而這在蓄水之前較為少見。國內關于小江生態環境的研究不少，但對小江大空間尺度的全江段生態研究很少，且近年來小江也出現了一些新的變化。本研究通過對小江全江段進行浮游植物采樣調查和分析，獲取了各個斷面的浮游植物定量數據，經過統計分析和篩選，構建了基于小江浮游植物完整性指數（P-IBI）的河流健康評價體系和標準，對小江各斷面、各河段以及整條河流的生態健康給予評價。小江生態健康狀況評價有利于對其生態環境問題的分析，可為小江和其他三峽庫區支流乃至整個庫區河流的修復和保護提供參考依據，避免庫區河流管理中的盲目性。

2 材料與方法

2.1 監測方法

2.1.1 監測時間與斷面設置

2016年4月，對小江進行了浮游植物采樣調查，從小江源頭的開縣白泉鄉到云陽縣小江河口，在河流上、中、下游典型河段，以及主要支流南河、普里河，選擇有代表性的生境設置采樣斷面，共設置了開縣泉秀村等15個斷面，其斷面位置見圖1。

2.1.2浮游植物采樣及分析

根據水面寬度，在各斷面設1～3條垂線，采集水面下0.5 m處的樣品，制備該斷面各垂線的等比例綜合樣品。

對浮游植物進行定性和定量采集。在采集后一周之內完成樣品分析。采樣及分析鑒定等參考標準SL 733-2016《內陸水域浮游植物監測技術規程》等相關標準和文獻[12-13]。

2.2 浮游植物完整性指數的構建

浮游植物完整性指數的構建主要分為參照點與受損點的確定、候選指標的選擇和篩選、P-IBI指數的計算等幾個步驟[14-17]。

（1）參照點與受損點的確定。參考Barbour等[15]調查村莊、污染源、森林覆蓋率等情況，根據受人類活動干擾程度，選取無干擾樣點或干擾極小樣點作為參考點;而其余的明顯受影響的干擾樣點作為受損點[12]。

（2）候選指標的選擇和篩選。基于對各個斷面的現場勘查和室內定量分析數據，選取浮游植物（種類、個體、生物量等）數量、結構、功能等產生影響的指標作為候選指標，本次主要選擇了種類組成、豐富度、種群營養結構、水華特性、多樣性與均勻度等類型的26個指標（見表1）作為候選指標[9-10]。在對候選指標進行統計后，通過分布范圍分析、判別能力分析、正態分布檢驗和相關性分析等步驟，剔除分布范圍過小或過大，意義相對不明顯、判別能力較差以及信息高度重疊的指標，得到核心指標。

（3）P-IBI指數的計算。采用比值法計算P-IBI值[14]。首先計算各個核心指標在全部樣點中的95%或5%分位數的值，對于隨干擾增大而值減小（-）的指標，以95%分位數的指標值為最佳期望值，樣點指標分值=實測值/最佳期望值;而對于隨干擾增大而值增大（+）的指標，則以5%分位數的指標值為最佳期望值，指標分值=（最大值-實測值） /（最大值-最佳期望值），最后將核心指標分值累加，得出各樣點的P-IBI總分值。

2.3 斷面賦分及健康度評價

得到各樣點的浮游植物完整性指數（P-IBI）值后，選取參照點樣方數據的25 %分位數值作為理想期望值（IBIE），賦分100分，對小于25%分位數值的范圍進行四等分，并以此確定各河段P-IBI指數值的賦分標準。評估樣點或河段完整性指數賦分IBIr采用以下公式計算：

式中：IBIr為評估河段浮游植物完整性指標賦分，IBI為評估河段浮游植物完整性指標值，IBIE為河流所在評估單元浮游植物完整性指標理想期望值。

根據所得的賦分標準，對各斷面生態狀況進行賦分。依據各樣點的P-IBI指數賦分值，將樣點生態狀況等級分為“理想、健康、亞健康、不健康、病態”5個級別。具體的分級標準見表2。最后根據相關代表斷面控制河長在河流和河段中比例，來確定斷面在河流中的權重。計算各個河段以及小江河流整體的健康賦分。

3 結果分析

3.1 浮游植物完整性指數計算

3.1.1 參照點與受損點的確定

通過斷面實地查勘發現，開縣秀泉村、老巖洞、郭家鎮3個斷面生境較好，河流大多為碎石、鵝卵石、大石、細砂等，河岸穩定、有豐富的植被，河水清澈，無異味，河水靜置后基本無沉淀物質，人類干擾較少，符合無干擾或干擾極小樣點的要求，被用作參照點，余下的12個斷面為受損點。

3.1.2 核心指標的確定

（1）分布范圍分析。分析26個候選生物指標在樣點中的分布范圍（見表3），發現M6、M7、M8、M9、M19等指標的極差和樣本標準差過大，數據變化幅度過大，且這幾個均為藻細胞密度數量指標，相對于生物量指標及生物量占比指標，其包含的信息較少（僅有數量信息）。M3、M5、M13、M20、M21、M22等6個指標的相對變化幅度較小或難以反映環境變化對目標生物群體的影響，這些指標不適宜參與構建IBI指標體系，應予以剔除，對余下的15個生物參數進行判別能力分析。

（2）判別能力分析。參與分析的15個生物參數的箱體IQ重疊的具體結果如圖2所示。可見M15、M17、M25、M26等4個指標的參考點和受損點統計量中出現中位數值在對方箱體范圍之內的情況，即箱體有部分重疊的情況，不符合IQ≥2的要求，說明這些指標參考點與受損點差異不明顯，應予以剔除。余下的11個生物參數納入下一步分析。

（3）相關性分析。用SPSS 軟件對剩下的11個指標進行Spearson 相關性分析，其計算結果見表4。由于 |r| >0.85的兩個參數間高度相關，取其中一個即可代表相關參數間所包含的大部份信息，優先保留信息含量大的指標。由此綜合考察后，舍去M1、M2，M11，M14和M16，保留M4、M10、M12、M18、M23、M24這6個指標組成核心評價指標集。

3.1.3 P-IBI指數的計算

計算各個核心指標在全部樣點中的95%或5%分位數的值，并根據指標對干擾增大的響應，得到各指標在本次研究中的最佳期望值。根據比值法，計算出各樣點的P-IBI值，各樣點的P-IBI指數賦分，結果見表5。

3.2 斷面賦分及健康等級評價

根據所得的各斷面P-IBI值結果，得到參照點樣方數據的25%分位數值為4.950，以此作為P-IBI的理想期望值。根據相關公式對各斷面的P-IBI值進行賦分。依據所得賦分，參考健康狀況評價標準，將樣點健康狀況分為“理想、健康、亞健康、不健康、病態”5個級別。并根據相關代表斷面控制河長來確定斷面在河流中的權重。核心指標分位數計算結果見表5，計算各個河段以及小江河流整體的健康賦分結果見圖3及表6。

4討 論

4.1 小江河流健康評價結果

從浮游植物完整性指數評價的結果來看，小江總得分為80.4分，總體上處于健康狀態。這主要得益于上游段健康狀況較好，而且河段長度較長，占比較高。

從各河段來看，沿程上、中、下游河流健康狀況呈現明顯的差異，小江上游段賦分為107.2分，處于理想狀態;中游段為60.8分，處于亞健康狀態;下游段為34.2分，處于不健康狀態。

從干支流方面來看，本次調查評價期間小江支流南河、普里河處于理想和健康的狀態。干流總體上健康，部分河段不健康，局部斷面處于病態狀態。

從各個斷面上看，本次調查評價的15個斷面，處于理想、健康、亞健康、不健康以及病態狀態的斷面均為3個。渠馬鎮、高陽鎮、礁石子渡口為不健康狀態，普里河匯入口上、普里河匯入口下游、高陽平湖3個點為病態狀態。

因此，小江總體上尚處于健康狀態，但中下游段健康狀況較差，局部斷面呈現病態。

4.2 結合浮游植物定量分析結果分析

根據各斷面的藻細胞密度、生物量等定量分析數據，并依據生物量得到該斷面浮游植物的優勢種類，結果列于表7。

由表7可見，從上游到下游沿程各斷面的優勢種總體上呈現出“上游直鏈藻為主，中游角甲藻為主，下游的微囊藻為主”的現象。上游段硅藻門占優，中游甲藻門占優，下游藍藻門占優，說明小江上游段生態狀況較好，而中下游段較差[18]。

小江中下游段的調節壩上游、普里河匯入口上游、普里河匯入口下游、渠馬鎮、高陽鎮、高陽平湖等多個斷面總生物量達到1.0 mg/L以上，優勢種生物量占比在90%以上，藻類多樣性較差，生物量高，說明小江中下游段多個斷面生態狀況較差。礁石子渡口、黃石鎮、高陽鎮、高陽平湖、南河匯入口下游、普里河匯入口上游、普里河匯入口下游、渠馬鎮等多個斷面藻細胞密度達到105 cells/L，甚至106 cells/L以上，可知小江中下游段多個斷面具有一定的水華風險。

因此，浮游植物生物完整性指數評價結果與浮游植物定量分析結果均表明，小江上游段生態健康度較高，而中下游段生態健康度較差。兩者結果基本吻合。

4.3結合流域人口和水文概況分析

結合小江流域的人口和資源分布可以發現：小江上游段，處于山區段，沿岸多為鄉村，人口相對較少;中游段，從南河附近開始，為開縣縣城，人口密集，至普里河入河口附近，均為鄉鎮，再往下至小江河口，為云陽縣縣城。因此，相對于上游段，小江中下游段人口密集、污染負荷大，這可能是小江中下游段受損較為嚴重的根本原因[19]。另外，小江回水段延伸到渠口鎮附近，在普里河以上，接近南河匯入口。回水段水流流速較慢，水體自凈能力受到影響，也是小江中下游河段生態健康受損較為嚴重的重要原因[19]。

5 結 論

基于浮游植物完整性指數評價體系，對小江全江和各局部江段，以及各個調查斷面所代表的具體河段進行了健康狀況評價。

總體而言，小江河流尚處于健康狀態，但局部問題不可忽視，小江上游段為理想狀態，中游段為亞健康狀態，下游段為不健康狀態，局部樣點呈現病態。小江河流受損主要集中在中下游河段，存在水華爆發風險，本次調查期間主要水華藻種為角甲藻和微囊藻。

小江中下游河段，尤其是從調節壩壩下的“普里河匯入口上游”到“礁石子渡口”段，是受損嚴重的河段，應該重點關注，加強管理。中下游地區人口密集，污染負荷大，加上回水區水流緩慢，水體自凈能力弱，可能是導致局部河段受損嚴重的主要原因，應當有針對性地進行污染物排放控制和水環境修復治理。

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（編輯：唐湘茜）