應用生物完整性指數評價錢塘江流域—浙江段水生態系統健康

肖善勢，郝雅賓，劉金殿，張愛菊，王 俊，羅 偉，何海生，周志明

( 浙江省淡水水產研究所，中國水產科學研究院 東海水產研究所浙江研究中心，農業農村部淡水漁業健康養殖重點實驗室，浙江省淡水水產遺傳育種重點實驗室，浙江 湖州 313001 )

錢塘江流域橫跨安徽和浙江兩省，流域面積5.56×104km2。錢塘江是浙江省第一大河流，對沿線城市的供水、漁業、灌溉、旅游等都具有重要的意義，因此其水質及水生態系統健康備受關注[1-4]。生物完整性是指支持和維護一個生物集合群體具有與區域性自然生境相對等的、均衡完整的、穩定的物種組成、多樣性以及功能結構等特征的能力。而生物完整性指數則是基于生物完整性的評估水生態系統健康的一種指數，它可定量描述人類干擾與生物特性之間的關系，間接反映水生態系統健康受到影響的程度[5-6]。Karr[7]首次以魚類為研究對象構建了生物完整性指數，隨著研究發展，底棲動物[8-9]、著生藻類[10-11]、浮游細菌[12]、浮游植物[13-14]也逐步被用來構建生物完整性指數，并在國內外得到廣泛的應用。

浮游植物作為水生態系統的初級生產者，是水生態系統重要的組成部分。其生長迅速且種類多，對水體變化反應敏感，而且不同種類對污染的耐受性不同[15]。因此，浮游植物指示種及其多樣性指數常被用來進行水質評價。近年來利用浮游植物生物完整性指數對水生態系統健康進行評價的研究也逐漸增多，研究水域涉及河流(潭江[16]、長江[14]、大寧河[17]、上海市內河流[18]、八里河[13])、水庫(浙江水庫[19])、湖泊(Lake Erie[20]、太湖[21])以及海灣(Chesapeake Bay[22]、北部灣[23])，但是鮮見基于浮游植物生物完整性指數對錢塘江流域健康評價的報道。因此，筆者基于浮游植物群落結構和水質數據構建錢塘江流域—浙江段浮游植物生物完整性指數，并對其水生態系統健康進行評估，以期為該水域的管理以及水體的修復提供一定基礎數據及理論指導。

1 材料與方法

1.1 斷面設置

在錢塘江流域—浙江段共布設16個采樣斷面，具體采樣斷面分布見圖1。錢塘江干流水域采樣斷面8個：錢江口、聞堰、富陽、桐廬、梅城、蘭溪、衢州和千島湖；支流采樣斷面8個：金華、永康、義烏、分水、諸暨、上虞、嵊州和開化。采樣時間：2018年5月、7月、9月和12月。

圖1 錢塘江流域—浙江段采樣斷面示意Fig.1 Study area and sampling sites in Qiantang River Basin-Zhejiang section

1.2 樣本采集

1.2.1 浮游植物樣品的采集

用采水器采集斷面水深0.5 m處的水樣3次，混合后取水樣1 L，立即加入10～15 mL魯哥氏液固定保存。靜置沉淀24 h后，將水樣濃縮至30 mL，在10×40倍顯微鏡下分類計數。浮游植物的分類參照《中國淡水藻類：系統、分類及生態》《浙江省主要常見淡水藻類圖集：飲用水水源》《上海九段沙濕地自然保護區及其附近水域藻類圖集》《中國內陸水域常見藻類圖譜》[24-27]。

1.2.2 水體理化數據的采集

使用哈希便攜式水質儀(Hach-HQ30D)現場測定水溫、pH和溶解氧，采用透明度盤測定斷面透明度。采集水樣后立即用相應試劑進行固定，4 ℃保存，用于測定化學需氧量、總氮、總磷、氨氮、硝態氮和葉綠素a等指標。樣品的采集、保存和運輸參照HJ 493—2009《水質 樣品的保存和管理技術規定》[28]，檢測方法參照HJ/T 91—2002《地表水和污水監測技術規范》[29]，其中錢江口斷面化學需氧量的測定采用高錳酸鉀法，其他斷面化學需氧量的測定則采用重鉻酸鉀法。

1.3 數據分析

本研究以綜合污染指數(P)為主要依據，并結合野外調查獲取的河道生態環境來選取參照斷面，將P<0.4的采樣斷面初定為參照斷面，其余斷面初步定義為受損斷面。P值按下式[30]計算：

式中，Ai代表第i種水質指標的監測值；Am為第i種水質指標的標準值[31]；n為水質指標種類數。

以浮游植物物種豐度、生物量、多樣性、耐污性、硅藻評價指數等指標為依據構建錢塘江流域—浙江段浮游植物生物完整性指數，選取對水生態環境變化較為敏感的37個參數作為候選參數(表1)。首先，對所有參數進行分布范圍分析，剔除95%以上的斷面值為零的參數[11]；其次，采用Mann-Whitney非參數檢驗法進行判別能力檢驗，當P<0.05時，認為該參數能夠有效區分參照斷面和受損斷面；最后，對通過判別能力分析的參數進行Spearman相關性檢驗，以降低冗余性。若兩個參數顯著相關(|r|>0.75)，原則上保留包含群落信息較多的一項[32-33]。

表1 錢塘江流域—浙江段浮游植物生物完整性指數候選參數Tab.1 The candidate metrics for Phytoplankton Index of Biotic Integrity (P-IBI) in Qiantang River Basin-Zhejiang section

用比值法計算核心參數的分值。若參數數值與干擾強度成負相關，則其參數得分為參數值除以95%分位數；否則其參數得分為：(最大值-參數值)/(最大值-5%分位數)。將所有參數得分相加得到各監測斷面的浮游植物生物完整性指數。以所有斷面浮游植物生物完整性指數分值的95%分位數作為健康標準值[34]，當斷面浮游植物生物完整性指數大于標準值時，代表該斷面處于健康狀態；若斷面浮游植物生物完整性指數值小于標準值，則將標準值做四等分，按值的大小依次劃分為中等、一般、差、極差4個等級。

應用PRIMER 5.0計算浮游植物多樣性指數以及均勻度指數等參數數值；在SPSS 20.0中進行非參數檢驗分析和Spearman相關性分析；采樣斷面分布圖采用ArcGIS 10.0進行繪制。

2 結果與分析

2.1 浮游植物群落結構特征

調查結果顯示，錢塘江流域—浙江段16個監測斷面共有浮游植物196種(屬)，分屬藍藻門、硅藻門、隱藻門、裸藻門、甲藻門、綠藻門和金藻門7個門類。其中，硅藻門為82種(屬)，占總物種數的41.84%；綠藻門為66種(屬)，占總物種數的33.67%；藍藻門為22種(屬)，占總物種數的11.22%；裸藻門為14種(屬)，占總物種數的7.14%；甲藻門為6種(屬)，占總物種數的3.06%；隱藻門為5種(屬)，占總物種數的2.55%；金藻門僅有1種——分歧錐囊藻(Dinobryondivergens)，占總物種數的0.51%，該種僅在嵊州斷面檢出。綜上，錢塘江流域—浙江段浮游植物種類組成表現為硅藻+綠藻型。金華斷面浮游植物種類數最多，為78種(屬)；其次是義烏斷面，為71種(屬)；開化和錢江口斷面物種數最少，僅40種(屬)。錢塘江流域—浙江段16個監測斷面共有優勢種34種，在年際維度上錢塘江流域優勢種主要有顆粒直鏈藻(M.granulata)、顆粒直鏈藻最窄變種(M.granulatavar.angustissima)、普通小球藻(Chlorellavulgaris)、卵形隱藻(Cryptomonsovata)等。

2.2 評價體系

2.2.1 參照斷面的確定

研究結果顯示，開化采樣斷面綜合污染指數<0.4，可作為參照斷面；千島湖采樣斷面處于水產種質資源保護區，受干擾較小，因此將其作為參照斷面；錢江口斷面臨近江海交匯處，河口寬闊受潮水影響較大，淺灘處蘆葦等水生植物覆蓋率較高，故其也設置為參照斷面。

2.2.2 參數的篩選

統計發現，37個參數中僅“顫藻目豐度”及“顫藻目豐度占比”2個參數各7個采樣斷面為0，因此所有參數均進入下一階段篩選。Mann-Whitney非參數檢驗結果(表2)表明，可區分參照斷面和受損斷面的參數有：藻類總物種數、Margalef豐富度指數、甲藻和隱藻豐度、硅藻相對豐度、硅藻商、硅藻和綠藻相對豐度以及橋彎藻屬相對豐度。饒欽止等[35]發現，隨著水體富營養化的加劇，武漢東湖自20世紀50年代至70年代，浮游植物屬的數目急劇下降。然而一定程度的水體富營養化，附石藻類物種數卻有增多的趨勢[36]。除此之外，浮游植物物種數也會受到水溫、透明度以及pH的影響。故將藻類物種數和Margalef豐富度指數兩項參數剔除。對以上參數進行Spearman相關性分析(表3)，發現5個參數之間相關系數|r|均小于0.75，參數之間不存在顯著相關性。故最終構建錢塘江流域—浙江段浮游植物生物完整性指數的參數有：甲藻和隱藻豐度、硅藻相對豐度、硅藻商、硅藻和綠藻相對豐度和橋彎藻屬相對豐度。

表2 Mann-Whitney非參數檢驗結果Tab.2 Result of Mann-Whitney test

表3 各參數的Spearman相關性分析結果Tab.3 The Spearman correlation analysis among metrics

2.3 錢塘江流域—浙江段水生態系統健康評價結果

錢塘江流域—浙江段浮游植物生物完整性指數核心參數的分布范圍描述和計算公式見表4。以所有斷面浮游植物生物完整性指數的95%分位數即4.779作為健康標準值，健康等級劃分見表5。結果表明，在錢塘江流域—浙江段16個采樣斷面中，開化斷面浮游植物生物完整性指數最高，處于健康狀態；永康斷面、千島湖斷面和錢江口斷面處于中等健康狀態；其次，健康評價等級為“一般”的斷面有9個，分別為衢州、義烏、金華、蘭溪、梅城、分水、桐廬、嵊州和上虞斷面；水生態系統健康等級為“差”的斷面有富陽、聞堰和諸暨3個斷面，其中諸暨斷面浮游植物生物完整性指數最低，僅2.019(圖2)。綜上所述，健康等級在一般及以下的斷面有12個，占比為75%。

表4 浮游植物生物完整性指數核心參數的描述及計算Tab.4 Description and calculation of P-IBI metrics

表5 錢塘江流域—浙江段水生態系統健康評價等級Tab.5 Evaluation level of ecosystem health in Qiantang River Basin-Zhejiang section

圖2 錢塘江流域—浙江段各采樣斷面水生態系統健康評價結果Fig.2 Results of aquatic ecosystem health assessment in Qiantang River Basin-Zhejiang section

3 討 論

3.1 錢塘江流域—浙江段水生態系統健康現狀及其浮游植物生物完整性指數的適用性

筆者通過篩選得到5個核心參數，構建了浮游植物生物完整性指數并對錢塘江流域—浙江段水生態健康進行評價。研究結果顯示，錢塘江流域—浙江段上游及江口處生態健康狀態較好，中下游生態健康狀況偏差。16個斷面中僅開化斷面處于健康狀態，千島湖斷面處于中等健康狀態，可能是由于兩處斷面均處于山區，人口密度小，森林覆蓋率高，受人類干擾相對較小。錢江口斷面處于“中等”健康狀態，可能與較高的水生植物覆蓋度及錢塘江潮水有關。受損斷面中也有浮游植物生物完整性指數較高的斷面，如永康斷面被評為中等健康狀態。但是從水質理化指標來看，其總氮、總磷含量高于標準值，分析可能是該斷面的透明度或者水溫等其他水體因子限制了浮游植物的繁殖，使得浮游植物群落結構相對合理，最終浮游植物生物完整性指數較高[37]。富陽、聞堰和諸暨斷面浮游植物生物完整性指數較低，水生態系統健康處于“差”這一等級，浮游植物豐度較高，尤其是諸暨斷面達到了4.2×105個/L。可能由于3處斷面處于城市人口密集江段，航運繁忙，受城市污水及工業污水影響較大，同時河岸均經過人為修整，岸邊水生植物覆蓋度較低，導致其健康狀態較差。其他斷面健康狀態均為“一般”，表明錢塘江流域—浙江段水體受損程度較輕，但受損面較大，應進一步提高工業、農業和生活污水的處理能力，降低江段污染負荷。對于受損程度較大的部分江段還應采取一定的水體修復措施，如在修砌河岸的江段增設生物浮床，在河岸未被破壞的江段增植水生植物進行水體修復，避免其水體進一步惡化。

不同的研究區域篩選得到的構建浮游植物生物完整性指數的參數也有所不同。本研究結果與長江上游河流浮游植物生物完整性指數[14]及太湖浮游植物生物完整性指數[21]相比，核心參數中均包含“硅藻相對豐度”；同大寧河浮游植物生物完整性指數[17]相比僅有“甲藻和隱藻豐度”一項相同的參數；同德國平原河流浮游植物生物完整性指數[38]以及北部灣浮游植物生物完整性指數[23]相比均無相同核心參數。由此可見，河流、湖泊和海灣浮游植物生物完整性指數的核心參數相差甚遠，即便同為中國境內的河流，也因地區生境、土地利用方式、氣候、人口數量等的不同而不同，故浮游植物生物完整性指數的適用范圍較窄。建議針對不同的研究水域構建不同的浮游植物生物完整性指數評價體系。

3.2 參照斷面的選擇

生物完整性指數構建的核心是參照斷面的選擇，基于不同的參照斷面篩選得到生物完整性指數核心參數也會不同，最終可能導致失實的評價結果，影響對水域生態的管理、治理。針對不同的研究區域，采用的篩選方法也有所不同，有以水域周邊土地利用方式、生態環境質量和水體理化因子來篩選參照斷面[33]；有通過環境和生物的歷史數據設定參照斷面[39]；也有利用水質數據和指示生物的群落組成數據，計算綜合污染指數和多樣性指數來區分參照斷面和受損斷面[13,40]；也有結合百分比模式相似性指數與水質綜合標準在Ⅲ類以上兩項指標斷定參照斷面[41]。除此之外，采樣斷面的數量以及其中參照斷面的多寡也會對參數篩選以及評價結果產生直接的影響。但有文獻資料顯示，參照斷面的數量因不同的研究區域以及研究區域面積的大小相差明顯[36,42-46]，采樣斷面和參照斷面的數量并沒有明確標準。在缺乏錢塘江流域—浙江段歷史數據前提下，筆者基于錢塘江流域—浙江段新安江大壩泄洪以及錢塘江口大潮等特殊影響因素，通過綜合污染指數法和斷面周圍生境特性來確定參照斷面。共選取開化、千島湖和錢江口3個參照斷面，有效地對錢塘江流域—浙江段的水生態系統健康進行了評估。但參照斷面的數量相對較少，可能對健康評價標準的準確性有所影響。為了更科學準確地評價水域生態系統健康狀況，采樣斷面的設置應結合點源、面源污染情況，參照斷面的選擇也應盡可能合理。

3.3 浮游植物生物完整性指數的構建

相比于魚類生物完整性指數及底棲動物生物完整性指數，浮游植物生物完整性指數的應用相對較少，候選參數的研究也略顯薄弱。然而參數的篩選對評價體系的建立卻十分重要，直接決定了水生態評價的準確性。在諸多因素的影響下，有時篩選的參數未必能反映采樣斷面的真實情況。本研究中，參照斷面藻類總物種數顯著低于受損斷面物種數。實際上開化和千島湖采樣斷面處于山區，人為干擾較小，藻類生長所需的營養鹽含量少，導致藻類物種數較少[11]。整體上浮游植物種類隨著污染加劇會越來越少，甚至為0[15]，但是在富營養化水平較低時藻類物種數的變化并不能一概而論[35-36]，因此，筆者將藻類物種數排除在外，最終得到5個構建錢塘江浮游植物生物完整性指數的參數。

譚巧等[14]認為，浮游植物隨江水漂流，不同于水庫和湖泊生境，其不能較好地反映江河采樣斷面長期的生態健康狀況。因此在構建浮游植物生物完整性指數時，采樣時間及采樣頻次的設定顯得尤為重要。不同的藻類，生長繁殖的最適水溫不同，而水溫又受季節的影響。據文獻報道，水溫較高的夏季，往往綠藻和藍藻占優勢；水溫較低的冬季適合硅藻、甲藻和隱藻的生長[35,47]。因此，季節更替可間接影響浮游植物群落結構。同時，在河流底棲動物生物完整性指數的研究中，有學者認為將同一采樣斷面不同季節的數據進行平均處理是有益的[48]，采用多次采樣數據、多個季度或者年際間的數據構建生物完整性指數可使評價體系更加科學、合理[10,49-50]。筆者在錢塘江流域—浙江段設置16個采樣斷面，涵蓋整個干流及重要支流，共計4次采樣，以每個斷面的年平均數據構建浮游植物生物完整性指數，降低了因季節變化帶來的浮游植物群落結構改變對水生態系統健康評價體系的影響。

4 結 論

研究共篩選得到5個核心參數：甲藻和隱藻豐度、硅藻相對豐度、硅藻商、硅藻和綠藻相對豐度和橋彎藻屬相對豐度，并以此構建了浮游植物生物完整性指數。結果顯示，富陽、聞堰和諸暨3個斷面受損較重，可能是這3個江段受人為干擾較大，污染較重。整體上，12個斷面健康等級在“一般”及以下，占比為75%，說明錢塘江流域—浙江段水體受損程度較輕，但受損區域面積大。該評價體系能夠區分參照斷面和受損斷面的健康狀態，可以較好地反映錢塘江流域—浙江段水體的健康狀況。同時，對受損江段應采取措施如增植水生植物、增設生物浮床等進行水體修復并加強污水處理能力以及污水排放管理。