利用浮游植物生物完整性對河流健康進(jìn)行評價(jià)

李博韜 劉凌 朱燕 陳翔

摘?要：2017年3—12月對江陰市4條河流的13個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查研究，基于浮游植物生物完整性指數(shù)（P-IBI）評價(jià)了河流健康狀況，并分析了P-IBI與環(huán)境因子的相關(guān)性。通過分析人為干擾程度劃分出參照點(diǎn)與受損點(diǎn)，對18個(gè)候選參數(shù)進(jìn)行指標(biāo)篩選和Pearson相關(guān)性分析，最終選取硅藻門分類單元數(shù)、綠藻門百分比、席藻百分比、香農(nóng)多樣性指數(shù)和浮游植物生物量5個(gè)參數(shù)，采用比值法計(jì)算得到各參數(shù)分值，各個(gè)參數(shù)分值相加得到江陰市4條河流的浮游植物生物完整性指數(shù)分值P。結(jié)果表明：調(diào)查河流浮游植物優(yōu)勢種為顫藻、魚腥藻、裸藻等，水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重，整體水質(zhì)較差;P與河流流速、透明度、礦化度和電導(dǎo)率相關(guān)性較高，人類活動引起的水土流失是浮游植物種群結(jié)構(gòu)的主要影響因素;4條河流P與水質(zhì)數(shù)據(jù)基本吻合，水質(zhì)狀況越好，P越高，表明采用浮游植物生物完整性指數(shù)對河流健康狀況進(jìn)行評價(jià)是可行的。

關(guān)鍵詞：浮游植物;群落結(jié)構(gòu);生物完整性指數(shù);河流健康;江陰市

中圖分類號：X824文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.06.015

Assessment of River Health by Using Phytoplanktonic Index of Biotic Integrity

LI Botao， LIU Ling， ZHU Yan， CHEN Xiang

（College of Hydrology and Water Resources， Hohai University， Nanjing 210098， China）

Abstract： From March to December 2017， thirteensampling sites at four rivers in Jiangyin were investigated to construct phytoplanktonic index of biotic integrity （P-IBI）， evaluate river health and analyze the correlation between P-IBI and environmental factors. Through the analysis of the degree of human disturbance， the reference sites and damaged sites were divided. The discriminating power analysis and Pearson correlation analysis were conducted on 18 candidate parameters. Finally， five parameters were selected， namely， the percentage of Bacillariophyta， the percentage of Chlorophyta， the percentage of Phormidium， the Shannon-Wiener index and the biomass of phytoplankton. Ratio method was used to get the score of each parameter and the total score of P was obtained after accumulating. The results show that the investigated dominant species of phytoplankton in the river are Oscillatoria， Anabaena and Euglena， eutrophication of water body is severe and water quality is generally poor. P has a high correlation with the river flow velocity， transparency， salinity and conductivity and soil erosion caused by human activities is the main influencing factor of the structure of phytoplankton population structure. P of four rivers is generally consistent with the water quality data. The better the water quality， the higher the P-IBI score. It is feasible to use P-IBI to evaluate river health.

Key words： phytoplankton;community structure;phytoplanktonic index of biotic integrity;river health; Jiangyin City

近年來，隨著城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市污水和工業(yè)廢水不斷排入河道，使得城市河道黑臭水體頻發(fā)，嚴(yán)重影響人類健康。2015年后，隨著國家大力治理城市黑臭水體，部分河道水質(zhì)狀況明顯改善。關(guān)于治理后河流健康狀況評價(jià)，除了選取水體化學(xué)指標(biāo)[1]，參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）進(jìn)行評價(jià)外，還可以通過水體浮游植物的生物完整性進(jìn)行評定。

生物完整性指數(shù)（Index of Biotic Integrity，IBI）是Karr于1981年提出的[2]，之后Faustini等[3]和Brian等[4]分別開展了可涉河流與不可涉河流的生物完整性評價(jià)研究，并證明了生物完整性評價(jià)方法的科學(xué)性。章宗涉等[5]1983年首次采用基于浮游植物的河流健康評價(jià)方法對圖們江的水污染狀況進(jìn)行了評價(jià)。隨后學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，基于浮游植物生物完整性的河流健康評價(jià)是一種便捷、靈敏和準(zhǔn)確的河流評價(jià)方法。殷旭旺等[6-7]研究發(fā)現(xiàn)，浮游植物生物完整性指數(shù)P-IBI使用“屬”一級分類下的藻類信息時(shí)依然能夠準(zhǔn)確評價(jià)河流的健康狀況;蔡琨等[8]計(jì)算了冬季太湖P-IBI指數(shù)，并將P-IBI評價(jià)結(jié)果與太湖水質(zhì)狀況相比較發(fā)現(xiàn)，P-IBI評價(jià)結(jié)果與太湖水質(zhì)較差的狀況相一致。

目前，國內(nèi)學(xué)者大都僅使用P-IBI進(jìn)行河流健康狀況評價(jià)，對P-IBI評價(jià)結(jié)果與環(huán)境因子之間的相關(guān)關(guān)系研究較少。筆者選取江陰市4條河流，調(diào)查浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征，建立浮游植物生物完整性指數(shù)對河流健康狀況進(jìn)行評價(jià)，分析P-IBI與環(huán)境因子的相關(guān)性，以期為后續(xù)生物完整性研究提供思路。

1?研究方法

1.1?研究區(qū)域及樣品采集

江陰市地處中國東南部，北枕長江，南鄰太湖，西靠常州市，東接張家港，交通便利，作為典型的魚米之鄉(xiāng)，市內(nèi)河流眾多，河網(wǎng)密布。研究選取江陰市西橫河、新夏港河、黃山港河和富貝河4條河流，基于浮游植物生物完整性指數(shù)P-IBI，對河流健康狀況進(jìn)行評價(jià)。2017年3月、7月、9月和12月對4條河流進(jìn)行采樣調(diào)查，根據(jù)河流長度與實(shí)際情況共設(shè)置了13個(gè)采樣點(diǎn)（見圖1），并現(xiàn)場對岸坡植被完整性、岸線利用、岸線與河流整潔情況進(jìn)行勘察，作為判斷人為干擾情況的依據(jù)。浮游植物定性采集使用25號浮游生物網(wǎng)，采得樣品使用4%甲醛溶液固定，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室顯微鏡鑒定時(shí)確定到種。定量采集使用5 L采水器采集上中下層水樣，混合后取1 L，加入20 mL魯哥試劑，靜置48 h后，抽去上清液濃縮至30 mL，鏡檢備用。

電導(dǎo)率（SPCond）、pH值、礦化度（TDS）和溶解氧含量（DO）采用多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀（YSI 6600V2，美國產(chǎn)）現(xiàn)場測定，流速采用便攜式智能流速儀（LGY-Ⅱ型，南京水利科學(xué)研究院研制）現(xiàn)場測定，透明度采用賽氏盤現(xiàn)場測定。使用采水器在水深0.5 m處取1 L水樣，低溫保存帶回實(shí)驗(yàn)室，在48 h內(nèi)測定總磷（TP）、氨氮（NH3-N）和高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）等水質(zhì)指標(biāo)，具體測定方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》。

1.2?浮游植物樣品鑒定

進(jìn)行浮游植物種類鏡檢計(jì)數(shù)前將樣品充分搖勻，用移液槍吸取0.1 mL于浮游植物計(jì)數(shù)框中計(jì)算細(xì)胞數(shù)，計(jì)數(shù)在10×40倍視野下進(jìn)行，并確定到種。每個(gè)樣本重復(fù)計(jì)數(shù)2次，如兩次誤差小于10%則視為有效，若大于10%則進(jìn)行第3次計(jì)數(shù)，取平均值。

1.3?河流健康評價(jià)方法

（1）由于江陰市人口眾多，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，工廠企業(yè)鱗次櫛比，找到完全無人為活動影響的清潔水體作為參照點(diǎn)已無可能，因此根據(jù)現(xiàn)場岸坡植被完整性、岸線利用、岸線與河流整潔情況選取參照點(diǎn)，該點(diǎn)應(yīng)滿足以下條件：植被覆蓋率在50%以上且植被層次性較好;岸線無過度開發(fā)現(xiàn)象，無砂場、碼頭等，岸坡無亂墾亂種情況;岸坡上無垃圾堆放;水面無垃圾漂浮，水體較為清澈;香農(nóng)多樣性指數(shù)（Shannon-Wiener）大于2。

（2）從實(shí)際藻類種數(shù)出發(fā)，結(jié)合國內(nèi)外研究實(shí)例[7，9-12]，選取了對環(huán)境變化較為敏感的5個(gè)類別18個(gè)候選參數(shù)（見表1）進(jìn)行河流健康狀況評價(jià)。

（舟形藻屬細(xì)胞數(shù)+雙菱藻屬細(xì)胞數(shù)+雙壁藻屬細(xì)胞數(shù)+菱形藻屬細(xì)胞數(shù)）/浮游植物總細(xì)胞數(shù)?注：Pi為群落中第i個(gè)物種個(gè)體數(shù)占總個(gè)體數(shù)的百分比;S為樣品中物種個(gè)數(shù);N為所有物種個(gè)數(shù)

（3）利用參照點(diǎn)與受損點(diǎn)的箱型圖IQ（25%～75%分位數(shù)的箱體重疊情況）進(jìn)行指標(biāo)篩選：箱體沒有重疊，IQ=3;兩箱體有重疊，但兩中位線不在對方箱體內(nèi)，IQ=2;任意一方中位線在對方箱體內(nèi)，IQ<2。選擇IQ≥2的參數(shù)進(jìn)行Person相關(guān)性分析，對于相關(guān)系數(shù)大于0.75的兩個(gè)參數(shù)，獨(dú)立性較低，兩者包含的生態(tài)信息相似程度高，刪去其中一個(gè)。

（4）研究采用比值法對參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化賦分，對于隨人為干擾增加而升高的參數(shù)，賦分計(jì)算公式：

賦分=（最大值-參數(shù)值）÷（最大值-最佳值）

式中：最大值為該參數(shù)的最大值;參數(shù)值為欲進(jìn)行賦分的某一參數(shù);最佳值為該參數(shù)5%分位值。

對于隨人為干擾增加而降低的參數(shù)，賦分計(jì)算公式：

賦分=（參數(shù)值-最小值）÷（最佳值-最小值）

式中：最小值為該參數(shù)的最小值;參數(shù)值為欲進(jìn)行賦分的某一參數(shù);最佳值為該參數(shù)95%分位值。

各個(gè)參數(shù)賦分相加得到江陰市4條河流各采樣點(diǎn)的P-IBI指數(shù)總分值P。

2?結(jié)果與討論

2.1?物種組成

4次采樣，在4條河流中共檢測到浮游植物5門42屬87種，細(xì)胞數(shù)為156.8萬個(gè)/L，生物量為1.31 mg/L。檢測到細(xì)胞數(shù)量最多的是藍(lán)藻門，為75.69萬個(gè)/L，其次是綠藻門，為43.35萬個(gè)/L，其余硅藻門、隱藻門、裸藻門細(xì)胞數(shù)量分別為28.37萬個(gè)/L、5.79萬個(gè)/L、3.42萬個(gè)/L。4次采集所得樣品中均未檢測到金藻門、甲藻門和黃藻門。

4條河流中共檢測到浮游植物87種，低于長江流域上中游段[13-14]的160～220種，且這87種藻類以耐污種為主，說明4條河流的水環(huán)境質(zhì)量較差。對每條河流進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，西橫河優(yōu)勢種為魚腥藻、陀螺藻和囊裸藻，這些藻類多見于富營養(yǎng)化的淡水中，表明西橫河水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重?，F(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，西橫河流經(jīng)居民住宅區(qū)，生活污水的排放可能是造成其水體富營養(yǎng)化的主要原因。黃山港河優(yōu)勢種為水華束絲藻和顫藻，均屬藍(lán)藻門，黃山港河水體發(fā)生藍(lán)藻水華風(fēng)險(xiǎn)較大。新夏港河優(yōu)勢種為裸藻、扁裸藻和顫藻，裸藻和扁裸藻為優(yōu)勢種表明水體有機(jī)物含量較高，而采樣點(diǎn)XXG2卵囊藻為優(yōu)勢種，卵囊藻喜生于較清潔的水體，表明XXG2采樣點(diǎn)水質(zhì)略好于其他采樣點(diǎn)的。富貝河優(yōu)勢種為鼓藻和顫藻，鼓藻一般生于中營養(yǎng)水體中，說明富貝河為中營養(yǎng)水體。通過分析4條河流的藻類組成發(fā)現(xiàn)，4條河流水體為中度或重度富營養(yǎng)化水體。

2.2?生物完整性指標(biāo)

采樣點(diǎn)XXG2植被覆蓋度為60%，草本植物包括野蒿、茅草等，喬木以香樟、柳樹、楊樹、構(gòu)樹為主，植被層次性較好，岸線主要為植被緩沖段，無砂場、碼頭及農(nóng)田占用岸線，岸坡無垃圾堆放，水體較為清潔，香農(nóng)多樣性指數(shù)平均值為2.49。富貝河3個(gè)采樣點(diǎn)植被覆蓋度均大于80%，草本植物包括野蒿、狗尾草，灌木包括夾竹桃、龍爪槐，喬木以構(gòu)樹、柳樹、楊樹為主，植被層次性好，岸線無過度開發(fā)現(xiàn)象，無砂場、碼頭等，岸坡無亂墾亂種現(xiàn)象，岸坡上無垃圾堆放，水體較為清潔，香農(nóng)多樣性指數(shù)平均值分別為2.42、2.83和2.56。因此將位于新夏港河上的采樣點(diǎn)XXG2及位于富貝河上的3個(gè)采樣點(diǎn)FB1、FB2、FB3作為參照點(diǎn)，其余點(diǎn)為受損點(diǎn)。

使用箱型圖判斷各參數(shù)參照點(diǎn)與受損點(diǎn)的IQ（見圖2），依據(jù)指標(biāo)篩選標(biāo)準(zhǔn)，挑選IQ≥2的參數(shù)，即M1、M2、M4、M6、M11、M12、M13、M14、M16、M17進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。分析參數(shù)的Pearson相關(guān)性，結(jié)果見表2，保留相關(guān)系數(shù)絕對值小于0.75的參數(shù)。

由表2可以看出，M2、M6和M11與其他參數(shù)的相關(guān)性均較小，因此保留;M12與M13、M14的相關(guān)性較大，其中香農(nóng)多樣性指數(shù)M12作為選取參照點(diǎn)的重要標(biāo)準(zhǔn)，更能反映人為活動對浮游植物的影響，因此刪去M13、M14，保留M12;M16和M17具有較大相關(guān)性，由于M17受損點(diǎn)與參照點(diǎn)箱型圖IQ區(qū)分更加明顯，因此刪去M16，保留M17。刪去相關(guān)性較大參數(shù)后，選用硅藻門分類單元數(shù)M2、綠藻百分比M6、席藻百分比M11、香農(nóng)多樣性指數(shù)M12和浮游植物生物量M17進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化賦分。

2.3?河流健康評價(jià)結(jié)果

M2、M6、M12和M17均是隨人為干擾增加而降低的參數(shù)，因此選擇95%分位值為最佳值;M11為隨人為干擾增加而升高的參數(shù)，因此選擇5%分位值為最佳值，見表3。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化賦分方法計(jì)算各參數(shù)賦分，各參數(shù)賦分相加后得到每條河流各個(gè)采樣點(diǎn)的P-IBI的總分P。將每條河流各個(gè)采樣點(diǎn)P的平均值作為河流的生物完整性指數(shù)值P，P大于75%分位數(shù)時(shí)河流健康狀況為優(yōu)等級，P為50%～75%分位數(shù)時(shí)河流健康狀況為良等級，P為25%～50%分位數(shù)時(shí)河流健康狀況為中等級，P為25%分位數(shù)以下時(shí)河流健康狀況為差等級，結(jié)果見表4。

2.4?生物完整性指數(shù)與環(huán)境因子

將4條河流各月的P值與流速、透明度、pH值、礦化度、電導(dǎo)率（SPCond）、溶解氧（DO）、氨氮（NH3-N）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）和總磷（TP）進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果表5。

P與流速、透明度、pH值和DO成正相關(guān)關(guān)系，與礦化度、電導(dǎo)率、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)和總磷成負(fù)相關(guān)關(guān)系。P與流速和溶解氧（DO）正相關(guān)，一定的流速增大，有利于硅藻繁殖[15]，同時(shí)也會增加水中溶解氧的含量，促進(jìn)浮游植物結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，P得分隨之較高。P與透明度顯著正相關(guān)，原因是，在低光照條件下，藍(lán)藻相較于其他藻類更具競爭優(yōu)勢[16]，藍(lán)藻的過度繁殖會破壞藻類種群結(jié)構(gòu)的多樣性，導(dǎo)致P降低。P與pH值的相關(guān)性較弱，說明調(diào)查河流的酸堿度適宜藻類繁殖，對浮游植物群落結(jié)構(gòu)的影響較小。P與礦化度和電導(dǎo)率負(fù)相關(guān)，礦化度可以反映水體無機(jī)礦物的含量，電導(dǎo)率可以反映水體中無機(jī)酸、堿、鹽的含量[17]，兩者會影響水體的透光率，也在一定程度上反映了河流兩岸的利用情況，兩岸城鎮(zhèn)化建設(shè)會在一定程度上增加河流中離子與懸浮物含量，通過改變河流的透光率影響浮游植物繁殖。透明度與礦化度和電導(dǎo)率負(fù)相關(guān)，說明兩岸生產(chǎn)生活造成了一定的水土流失，水體中無機(jī)鹽和懸浮物增加，透明度降低。P與氨氮、CODMn和總磷負(fù)相關(guān)，說明氨氮與總磷增加可以在一定程度上促進(jìn)浮游植物優(yōu)勢種的繁殖，使浮游植物種群結(jié)構(gòu)中優(yōu)勢種密度增大，P隨之降低。

與P和氮磷營養(yǎng)鹽的相關(guān)關(guān)系相比，P和礦化度、透明度的相關(guān)性更大。殷旭旺等[13]研究表明，與理化因素相比，浮游植物棲息地的變化對藻類群落結(jié)構(gòu)的影響更大。研究區(qū)位于工業(yè)發(fā)達(dá)、人口眾多的東部地區(qū)，水土流失引起懸浮物增多，透光率下降等，浮游植物的棲息地遭到破壞，對浮游植物繁衍影響極大，因此相較于氮磷等營養(yǎng)鹽而言，兩岸人類活動造成的水土流失是影響浮游植物物種多樣性的主要因素。

2.5?生物完整性指數(shù)與河流水質(zhì)狀況

將每條河流各采樣點(diǎn)P的平均值作為河流的P，并與采樣點(diǎn)水質(zhì)對比，見表6。由表6可知，4條河流的P與水質(zhì)狀況基本一致，僅西橫河與黃山港河的P在9月出現(xiàn)了偏差。西橫河9月水質(zhì)狀況較差，P得分卻較高，原因可能是，采樣期間流速較大，為0.324 m/s（3月、7月、12月流速分別為0.066、0.059、0.123 m/s），抑制了優(yōu)勢藻的繁殖，同時(shí)較高的水溫和氮磷營養(yǎng)成分，使得某些競爭力較弱的藻類也得以生長，在水流、溫度與營養(yǎng)鹽的作用下，種間競爭關(guān)系被一定程度上削弱，促使浮游藻群落結(jié)構(gòu)變得相對合理。黃山港河9月水質(zhì)狀況較好，而P較低，原因可能是，其穿越鬧市區(qū)，河流兩側(cè)人為干擾因素較多，且該河流在經(jīng)過市中心某繁華路段時(shí)，由明渠轉(zhuǎn)為地下涵洞過流，因此影響了藻類的繁殖。同時(shí)與其他月份P對比發(fā)現(xiàn)，水質(zhì)變化后P的變化不大，因此推斷人類活動破壞了黃山港河浮游植物的棲息地，制約了浮游植物的繁殖。浮游植物生境變化直接影響浮游植物生物完整性的評價(jià)結(jié)果，說明了浮游植物棲息地對浮游植物種群的重要性，浮游植物生物完整性評價(jià)結(jié)果可以反映水體健康狀況。

3?結(jié)?論

（1）江陰市西橫河、新夏港河、黃山港河和富貝河4條河流共檢測到5門42屬87種浮游植物，浮游植物優(yōu)勢種為顫藻、魚腥藻、裸藻，說明4條河流富營養(yǎng)化程度較高，整體水質(zhì)較差。

（2）P與流速、透明度、pH值和DO正相關(guān)，與礦化度、電導(dǎo)率、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)和總磷負(fù)相關(guān)。P與礦化度、透明度的相關(guān)度較高，人類活動造成的水土流失是影響浮游植物物種多樣性的主要因素。

（3）基于浮游植物生物完整性指數(shù)評價(jià)的河流健康情況與河流的水質(zhì)狀況基本一致，水質(zhì)越好，P得分越高，表明采用浮游植物生物完整性指數(shù)對河流健康狀況進(jìn)行評價(jià)是可行的。

參考文獻(xiàn)：

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