基于浮游植物完整性指數的太湖主要河口生態健康評價

馬廷婷，范亞民，李寬意,4，胡忠軍，吳召仕

(1.上海海洋大學水產科學國家級實驗教學示范中心/ 農業部魚類營養與環境生態研究中心/ 上海水產養殖工程技術研究中心，上海 201306；2.中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環境國家重點實驗室，江蘇 南京 210008；3.江蘇省環境工程技術有限公司，江蘇 南京 210036；4.中國科學院大學中丹學院，北京 100049)

作為水生態系統的初級生產者，浮游植物對水生態系統穩定與功能發展起到了至關重要的作用[1]，因其種類多，生活周期短，對水溫、pH值、營養鹽等水環境因子的變化反應靈敏[2]，常被應用于水域生態系統健康狀況評估[2-3]。KRUK等[4]首次提出了浮游植物形態功能群的概念，將浮游植物分為7個類群，通過形態與功能性特征的聯系，闡釋其對生境變化的響應。其中Ⅲ組和Ⅶ組浮游植物釋放藻毒素等，造成水環境污染，能反映水質狀況。

生物完整性指數(index of biotic integrity，IBI)結合了被研究生境的理化特征，且代表了群落中分類和功能單元。在構建過程中生物完整性指數包含眾多與群落結構和多樣性等有關的備選參數。與單一因素相比，生物完整性指數可以綜合反映生態系統狀態[5]。有研究表明生物完整評價方法完全適用于淡水生態系統健康評價領域[6]。生物完整性指數最初的研究對象為魚類[7]，隨后廣泛應用于大型底棲無脊椎動物、水生植物、附著藻類等水生生物類群[8-10]。在歐盟水框架指示中，浮游植物完整性指數是重要參數之一，被一些學者用于水域生態系統健康評估研究。目前，關于河流健康評價的研究主要側重于底棲無脊椎動物和魚類生物完整性指數的構建等[11]，對浮游植物完整性指數(P-IBI)的關注較少，且其指數組成因研究區域而異[12]。

太湖流域處于經濟高度發展的長江三角洲地區，人口聚集、城市化水平高。河口地理位置優越，受到當地社會經濟發展的影響，人類活動干擾嚴重[13]。其次，作為河流和湖泊之間能量流動和物質交換過程的過渡區域，河口生態系統較為脆弱和敏感，受陸域污染源(如人類活動)沿河不斷匯入以及河流和湖泊的雙重影響。目前，針對浮游植物，學者主要利用多樣性指數(如Shannon-Wiener、Margalef和Pielou指數等)以及功能類群等對太湖進行水質生物學評價[14-16]。如龔蕾婷[17]選用了包括浮游植物Shannon-Wiener指數等多個指標綜合評估太湖流域入湖河流健康。此外，蔡琨等[18]以冬太湖為例，基于總分類單元數、硅藻門分類單元、Simpson指數、密度、硅藻門密度和綠藻門密度6個指標構建太湖浮游植物完整性指數。在全流域調查的基礎上，WU等[19]以浮游植物密度、葉綠素 a(Chl-a)和Menhinick指數構建了太湖流域主要河流的P-IBI，且其能有效區分主要污染因子(總氮、總磷、氨氮和高錳酸鹽指數等)。有關太湖流域河口的生態健康狀況信息較少，其狀況仍有待進一步研究。

筆者于2018—2019年對太湖流域主要河口進行4次季度調查，獲取浮游植物定量數據，分析其群落結構特征，采用WU等[19]構建的P-IBI評價體系和標準對主要河口生態健康狀況進行定量評價，并從理化因子和形態功能類群進行驗證。該研究明確了太湖主要河口的生態系統健康狀況現狀，有利于分析河流生態環境問題，可為太湖流域及其他河流的保護和修復提供參考。

1 研究區域與方法

1.1 研究區域與樣點布設

太湖流域地處長江三角洲，總面積為36 900 km2，河道縱橫交錯，河道總長約1.2×105km，河道密度達3.25 km·km-2，被稱為“江南水網”[20]。縱橫交織的河流水網不僅是重要的交通航運樞紐，連接城鎮與村落的重要紐帶，而且是水體交換和資源共享的通道[20]。根據太湖環湖河道的分布狀況，在主要河口分別布設18個采樣點位(圖1)。

1.2 樣品采集與分析

于2018—2019年進行4次季度采樣。現場使用YSI-多參數水質監測儀現場測定水體表層溫度(WT)、pH值、電導率(Cond)、溶解氧(DO)濃度。總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH4+-N)、正磷酸鹽磷(PO43--P)、硝態氮(NO3--N)、亞硝態氮(NO2--N)濃度和高錳酸鹽指數(CODMn)參照《水和廢水監測分析方法》[21]測定，Chl-a濃度采用熱乙醇法測定。

浮游植物定量樣品取用1 L充分搖勻后的混合水樣，加入φ=1%體積的魯戈試劑固定，靜置48 h，定容至30 mL。定量樣品于10×40倍光學顯微鏡下觀察鑒定計數，每個樣品計數重復3次，取其平均值(誤差范圍±15%)，生物量的測定采用體積轉化法。浮游植物分類參照《中國淡水藻類系統、分類及生態》[22]。形態功能類群的分類參考KRUK等[4]，其將浮游植物種類劃分為7個類群(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ)，其中Ⅲ組僅包括藍藻、Ⅶ組由藍藻和綠藻組成。這2類功能群的浮游植物能夠釋放藻毒素等，并且藍藻在太湖中大量繁殖，造成水體環境污染，因此將這2組藻類放在一起研究。

1.3 浮游植物完整性指數

采用WU等[19]建立P-IBI的方法，由浮游植物總密度、Chl-a和Menhinick指數構建P-IBI(PIBI)指數，其計算公式如下：

(1)

式(1)中，Ci為第i種參數的標準化值。各指數的標準化方法見表1。

表1 用于P-IBI計算的指數標準化方法Table 1 An exponential normalization method for phytoplankton index of biotic integrity calculations

1.4 數據分析

采用Excel 2010和Origin 8.5軟件對數據進行統計和分析。采用ArcGIS 10.5軟件進行采樣點位圖的繪制。采用SPSS 19.0軟件對P-IBI與環境因子、浮游植物形態功能類群進行Spearman相關性分析。

2 結果與分析

2.1 水體理化指標

太湖流域水質總體呈弱堿性，ρ(DO)季節均值范圍為5.60～9.16 mg·L-1，部分監測點低于3.0 mg·L-1。ρ(TN)季節均值范圍為2.90～3.42 mg·L-1，呈現春高夏低的特征。ρ(TP)季節均值范圍為0.12～0.19 mg·L-1，ρ(PO43--P)季節均值范圍為0.02～0.08 mg·L-1，TP與PO43--P濃度季節均值變化趨勢一致，均在秋季最高，冬季最低。CODMn季節均值范圍為3.69～7.09 mg·L-1，夏季較高，冬季較低。ρ(Chl-a)季節均值范圍為12.67～76.57 μg·L-1，與CODMn變化趨勢一致，夏季最高，冬季最低(表2)。

表2 太湖流域主要河口水體理化特征Table 2 Physicochemical characteristics of water in major estuaries of Lake Taihu

2.2 浮游植物密度和生物量分布

2.2.1浮游植物空間變化

太湖主要河口浮游植物密度平均值為8.91×106L-1，藍藻為主要優勢門類，平均相對密度百分比為94.68%。空間上密度最高值出現在18#，為8.55×107L-1，7#和1#次之，分別為2.51×107和1.20×107L-1，其他點位的密度均較小(圖2)。藍藻在各點位占比變化較大，最大值和最小值分別出現在18#(89.72%)和16#(0.14%)。硅藻在部分點位的密度較高，如4#為8.77×105L-1，且該點位的硅藻相對密度百分比為87.66%。金藻僅在6#檢出，密度為1.82×105L-1，占該點位總密度的27%。綠藻和隱藻密度均在18#取得最大值，分別為2.47×105和1.64×105L-1。甲藻和裸藻密度均較小，最大值分別為2.0×105和4.45×103L-1。調查期間，太湖主要河口浮游植物平均生物量為1.46 mg·L-1，最大值同樣出現在18#(9.84 mg·L-1)，其中藍藻生物量為8.98 mg·L-1，是造成該點位生物量較高的主要原因；7#次之，最低值出現在16#(0.32 mg·L-1)。

2.2.2浮游植物季節變化

密度上，總密度和藍藻密度均在夏季取得最大值，分別為2.35×107和2.23×107L-1(圖3)；冬季浮游植物總密度和藍藻密度最低，分別為3.84×105和1.40×105L-1。硅藻密度在夏季取得最大值(6.21×105L-1)，秋季最低，為6.34×104L-1。自春季至夏季綠藻密度不斷增加，之后不斷下降。金藻僅在秋季出現，其密度為4.05×104L-1。4次調查過程中隱藻密度不斷下降，最大值和最小值分別為5.76×104和42.71×103L-1。甲藻和裸藻密度較少，最大值分別出現在夏季(9.43×103L-1)和春季(4.57×103L-1)。春夏秋季藍藻密度相對百分比均在90%以上，冬季較低。冬季硅藻對總密度貢獻較大，其相對密度百分比為57.87%。

主要河口的浮游植物總生物量與密度存在較為一致的時間變化趨勢，最高值出現在夏季(4.06 mg·L-1)，春季次之，冬季最小(0.36 mg·L-1)。藍藻生物量是引起總生物量季節變化的重要因素，其次是硅藻。甲藻生物量約占冬季總生物量的50%，隱藻相對生物量占比在春季取得最大值，為10.72%。春季和秋季綠藻的相對生物量占比較大，特別是春季(18.71%)。裸藻和金藻對總生物量的貢獻較小，各季節均不超過10%。

2.3 浮游植物形態功能類群的時空變化特征

除了Ⅱ組，其他各組生物量均在夏季達到最大值。Ⅰ、Ⅳ、Ⅶ組生物量最小值均出現在冬季，Ⅲ組最小值出現在春季，Ⅴ、Ⅵ組生物量最小值均出現在秋季，Ⅱ組僅出現在秋季。春季Ⅶ組生物量最高(占總生物量的58.31%)，其次是Ⅴ組。夏季Ⅲ組生物量最高(占總生物量的68.93%)，其次是Ⅶ組。秋季Ⅱ組生物量較高(占總生物量的52.00%)，其次是Ⅲ組。冬季Ⅴ組浮游植物生物量最高(占總生物量的61.36%)，其次是Ⅵ組。Ⅲ組和Ⅶ組的浮游植物生物量之和在夏季最大(占總生物量83.27%)，其次春季和秋季，冬季最小(占總生物量12.32%)。

2.4 基于P-IBI的水生態健康狀況

如圖4和圖5所示，空間上太湖流域主要入湖河口的P-IBI平均值為42.64，主要狀態是較差(占所有點位的55.56%)，其次是一般，2個點位(1#和11#)處于極差狀態。P-IBI最大值出現在3#，為64.17;最小值出現在11#，為21.67。

季節上，主要河口的P-IBI表現出明顯的季節分布特征。夏季僅14#為良好狀態，冬季所有采樣點的生態條件比極差狀態好，其中3#、4#、6#和14#為良好。P-IBI平均值在冬季最大(53.15)，夏季最小(27.59)。春夏秋冬季的水生態健康等級依次為較差、較差、一般、一般。秋季有33.33%的水質處于良好水平，夏季僅有5.56%的水質處于良好水平，冬季的水質均在差水平以上(圖6)。

2.5 P-IBI與環境因子的相關性分析

根據Spearman秩相關分析結果，P-IBI與水溫、pH值、CODMn呈顯著負相關(P<0.05)，相關系數分別為-0.394、-0.504、-0.297；P-IBI值與NO3--N濃度呈顯著正相關(P<0.05)，相關系數為0.248(表3)。

表3 P-IBI與理化因子間的Spearman相關性分析Table 3 Spearman correlation analysis of the P-IBI values and Physicochemical factors

2.6 P-IBI與浮游植物形態功能類群相關性分析

P-IBI與浮游植物形態功能類群相關性分析結果顯示，P-IBI與Ⅲ組、Ⅶ組和Ⅲ+Ⅶ組生物量均呈顯著負相關(P<0.05)，相關系數分別為-0.739、-0.550、-0.807(表4)。

表4 P-IBI與浮游植物形態功能類群(Ⅲ和Ⅶ)的相關系數Table 4 Correlation coefficients among the P-IBI values and phytoplankton morphologically based functional group

3 討論

3.1 P-IBI與其他生物學評估結果對比

太湖流域主要入湖河口的水生態系統健康狀況主要處在較差水平，且存在顯著的時空差異。評估結果上，該研究與以往太湖流域研究存在較好的一致性。基于全太湖流域水系河流的調查，WU等[19]構建了P-IBI評價體系和標準，對主要河流的生態健康狀況進行評價，結果表明太湖流域河道水生態狀況整體處于較差狀態。利用大型底棲動物相對重要性指數(BPI)和Wright指數，吳召仕等[23]研究發現太湖流域水系整體為中污染狀態，且不同水系之間存在差異，其中苕溪水系最好，南河和洮滆次之，沿江最差。杜東[24]構建了包括河流水文、河岸帶狀況、河流形態結構、河流水質理化參數、水生生物指標的河流水環境健康評價體系，結果表明太湖流域主要河流水環境健康狀況較差，其中太滆運河為亞健康水平，梁溪河處于差水平。

筆者研究表明，太湖流域河口的水生態健康狀況存在明顯的季節差異，春夏秋冬的水生態健康依次為較差、較差、一般、一般。夏季主要河口的P-IBI值顯著低于其他季節，冬季最好，這與筆者前期基于整個太湖流域的研究結果一致[19]。利用水質綜合指數(WQI)，劉福興等[13]研究表明太湖貢湖灣主要河口水質狀況具有顯著的季節性差異，夏季的水質狀況總體評價為中等，冬季總體評價為好。

3.2 P-IBI評價與水質指標的相關性

P-IBI與常見水體污染表征因子(如TN，NH4+-N，TP濃度和CODMn)之間的相關性較弱，僅發現P-IBI與CODMn之間存在顯著的負相關關系。總氮、總磷和氨氮濃度的季節變化主要受流域內降雨及春耕等人類活動影響[20]。如TN濃度在冬春季較高，夏秋季較低，一方面可能是由于春耕，農田大量施肥流入河流，導致水體TN濃度增加；另一方面由于夏秋季降水量較大，營養鹽得到稀釋，且夏季溫度較高，促進反硝化作用，消耗水體中的TN濃度[24]；WU等[19]研究指出P-IBI評估結果能較好區分主要水體污染因子，但在季節尺度上，P-IBI與基于水體常規理化指標評估的結果存在明顯的季節差異。此外，河流沖刷作用也在一定程度影響河口浮游植物的生長[25]，導致浮游植物完整性指數與水體營養鹽等指標的關系不明顯。

在評價河流健康工作中，常用的理化指標能在一定程度上反映水體的受污染程度。然而，由于水體的流動性，理化指標僅表示瞬時狀態，不能反映污染物對生物體的聯合效應以及長期效應。浮游植物長期存在于水體中，匯集了整個生活時期的環境因素，其群落結構變化可對水質健康情況作出最直接的響應[20]。

3.3 P-IBI評價與浮游植物群落結構的相關性

冬季和秋季的P-IBI評價結果均為一般，春季和夏季P-IBI評價結果均為較差。浮游植物密度和生物量的定量分析表明，太湖主要河口春夏兩季浮游植物較多，間接說明春夏兩季水質較差，這與P-IBI評價結果一致。

基于浮游植物形態功能類群的劃分，Ⅲ組主要是由魚腥藻、偽魚腥藻和顫藻等具有氣囊的絲狀體藍藻組成，能在營養鹽高且水體渾濁的環境中生存，Ⅶ組主要由微囊藻、平裂藻和隱球藻等具有膠被的群體藍藻細胞組成。這2類功能群較耐高溫和高光強[1]，適合在氮磷濃度較高的富營養水體中生長[16]，易形成藍藻水華。值得注意的是，這2類功能群的浮游植物能夠釋放藻毒素，造成水環境污染，因此將這2組藻類放在一起研究。通過圖5發現，Ⅲ組和Ⅶ組生物量所占總生物量比例依次為夏季>春季>秋季>冬季，與P-IBI平均值變化一致。同時，通過P-IBI與浮游植物形態功能類群相關性分析，進一步表明P-IBI評估結果較為準確可靠。P-IBI評價體系可以反映太湖流域河口的浮游植物群落結構變化，揭示其水生態健康狀況及水華風險程度，預測水質狀態。

4 結論

基于浮游植物完整性指數評價體系對太湖主要河口進行了生態健康評價。研究結果顯示，太湖流域河口目前整體水質處于較差狀態，水生態健康狀況存在明顯的季節差異，春夏秋冬依次為較差、較差、一般、一般。

研究表明，3個指標(浮游植物總密度、Chl-a和Menhinick指數)構建的P-IBI評估結果與以往研究存在較好的一致性，且與2組表征水質狀況的形態功能類群的相關性較好，可以用于太湖流域河口水生態系統健康狀況的評估。