浮游植物完整性指數與水體富營養(yǎng)化相關性研究
——以漳澤水庫為例

楊銳婧，馮民權

(西安理工大學 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，西安 710048)

0 引 言

在20世紀之前，關于水環(huán)境水生態(tài)狀況的評價已經進行了大量研究，并在物理、化學指標的基礎上研究出了許多指數，這些指數在生物完整性指數被開發(fā)前廣泛應用于水生態(tài)健康程度的評價。最初在1907年Weber利用貧營養(yǎng)—中營養(yǎng)—富營養(yǎng)進行水環(huán)境狀況的描述，而后逐漸將TN、TP、Chl-a等應用于該指標，至今發(fā)展出將總氮、總磷、高錳酸鹽指數、葉綠素a、透明度應用于該指標的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數法，并且在水生態(tài)系統(tǒng)的評價中發(fā)揮了廣泛的作用[1]。在研究水環(huán)境營養(yǎng)狀態(tài)的同時，生物多樣性指數也被應用于水生態(tài)狀況分析[2],但是其無法完整反映水生態(tài)系統(tǒng)及生物自身生長的健康狀況。

生物完整性用以描述多重環(huán)境因子作用下生物群落維持穩(wěn)態(tài)的能力，不僅體現(xiàn)了生物自身生存狀態(tài)，也反映了生物生存環(huán)境的質量[3-6]。生物完整性主要通過生物完整性指數(IBI)來表征，IBI的構建最初以魚類為研究對象，經過多年的發(fā)展，評價方式已由單因子轉為了多因子。利用不同的指標進行生物完整性評價也被廣泛地應用到海洋、河流、湖泊等水源地，其中包括魚類[7-8]、底棲動物[9-10]、微生物[11-12]、細菌[13-14]以及浮游生物[15-16]等。浮游植物在水環(huán)境中承擔生產者的角色，對水環(huán)境的物質循環(huán)與能量流動起著重要作用，且其在水環(huán)境中分布廣、種類多，生活周期短，對所處環(huán)境變化較為敏感，因此，在生物完整性評價中被選用[17-18]。Wu N等[19]、黎明民等[20]、蔡琨等[21]先后在河流、海灣以及湖泊建立了適宜的P-IBI體系。

富營養(yǎng)化評價方法作為傳統(tǒng)的評估生態(tài)系統(tǒng)方法，早在生態(tài)完整性評價體系發(fā)展之前就得到廣泛的應用，但關于P-IBI與營養(yǎng)狀態(tài)之間的關系較少被人關注。Kanea D D等[22]建立適合伊利湖的P-IBI體系，表明P-IBI指標可以區(qū)分水環(huán)境營養(yǎng)狀態(tài)。沈強等[23]采用浮游生物完整性指數(P-IBI)評價方法對浙江省4座大中型水庫水源地的生物完整性進行評價，評價結果能夠較好地反映浙江省水源地富營養(yǎng)化等生態(tài)健康狀況。Lacouture R V等[16]研究認為P-IBI作為一種管理工具，可以評估與水環(huán)境營養(yǎng)狀態(tài)相關的浮游植物群落結構狀態(tài)。關于浮游植物完整性評價與富營養(yǎng)化之間關系多是簡單敘述，并無聚焦于兩者之間的定量分析說明。

本研究基于2019年3個月的浮游植物數據調查，建立了適合的P-IBI評價體系，同時基于水質數據進行營養(yǎng)狀態(tài)評價，而后分析了水庫生態(tài)健康程度及其與富營養(yǎng)化、環(huán)境因子的相關關系，明確P-IBI體系反映水體富營養(yǎng)化程度的能力，以期為生態(tài)健康評價體系及水生態(tài)的保護管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

漳澤水庫位于長治市，是濁漳河南源干流上的一座以工業(yè)與城市供水、灌溉、防洪為主，兼顧養(yǎng)殖和旅游等綜合利用的大型多年調節(jié)水庫。水庫控制流域面積3 176 km2，總庫容4.27×108m3，是一座大(Ⅱ)型水庫。濁漳河南源為漳澤水庫的主要水源，濁漳河途中流經村鎮(zhèn)、農業(yè)用地，且被途中的工礦區(qū)及鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)嚴重污染，承擔了大量工業(yè)、農業(yè)、生活廢水，形成了以氮、磷為主要污染物及水質限制因子的現(xiàn)狀，且濁漳南源為污染物主要集中地。漳澤水庫長期接納濁漳南源帶來的污染水源以及自身養(yǎng)殖產生的污染，造成水庫水質不斷惡化，以濁漳南源入庫口的氮磷污染最為嚴重，呈現(xiàn)了劣Ⅴ類水質；同時濁漳河帶來了大量泥沙，造成水庫透明度較低。漳澤水庫不但水質較差，而且呈現(xiàn)了富營養(yǎng)化現(xiàn)象并處于逐漸加重的趨勢，已由2012年的輕度富營養(yǎng)化發(fā)展為中度富營養(yǎng)化。由此可見，漳澤水庫的水生態(tài)狀況已經受到了嚴重威脅，對漳澤水庫進行水生態(tài)健康評價是具有現(xiàn)實意義的。

1.2 樣品采集與分析

本研究于2019年7月17日、10月15日、11月9日沿漳澤水庫自壩前至庫尾的方向進行水樣采集，其中3個月平均水溫分別為26.5 ℃、14 ℃、12.4 ℃，7月時開閘放水，10月采樣時伴有小雨及風浪。參考漳澤水庫廢水排放、地形條件等情況，在漳澤水庫共布置10個采樣點進行浮游植物與水庫理化指標的檢測，其中S1(壩前)、S2(發(fā)電廠排水口)、S3(湖心島)、S6(絳河入庫口)、S10(濁漳南源入庫口)，其余點均勻布置，10個采樣點的具體位置見圖1。10個采樣點S1-S10的平均水深分別為8.7、8.3、6.1、3.5、4.3、2.6、2.9、2.5、1.5、0.9 m。

圖1 采樣點布置

利用采樣器在水面下0.5 m處采集水樣置于玻璃瓶中，24 h內進行總氮(TN)、總磷(TP)、高錳酸鹽指數(CODMn)、葉綠素a(Chl-a)檢測，檢測方法參考《水和廢水檢測分析方法》[24]，透明度(SD)為現(xiàn)場測定。關于浮游植物的采集，利用有機玻璃采樣器進行。當采樣點水深小于5 m時，于水面下0.5 m處采集水樣；水深大于5 m、小于10 m時于水面下0.5 m處以及透光層底部進行采樣，制成混合水樣。將采集的樣本放于棕色瓶中運回實驗室，取1 L水樣用15 mL魯哥氏液固定48 h，利用顯微鏡進行觀察計數，各種藻類的生物量是通過單個浮游植物的重量與該種藻類對應的細胞密度的乘積得到的，單個浮游植物的重量由中國科學院水生生物研究所提供。

1.3 P-IBI評價標準構建

1.3.1 候選指標的選取

多樣性指數、均勻度指數、豐富度指數可以較為直觀地反映浮游植物群落結構狀況，是生態(tài)評價的基礎。根據研究實例[21,25]與檢測到的浮游植物實際情況進行參數的選擇，所選的參數要盡可能地反映浮游植物的群落結構、多樣性。本研究初步選擇了47個候選參數(表1)，關于水華藻類與長度藻類，樣本中僅檢測出魚腥藻一種，關于敏感種、耐污種、不可食藻類無明確的說明，因此M41-M47候選指標不予采用。

表1 47個候選生物參數

1.3.2 參照點與受損點選擇

參照點和受損點的選擇對評價系統(tǒng)建立至關重要，目前關于參照點與受損點的選擇并沒有統(tǒng)一的標準。Lacouture R V等[16]表明受損的生境通常表現(xiàn)出了較高的溶解性無機氮(DIN)、PO43-濃度和較小的透明度。漳澤水庫庫尾部分(S9、S10)水質為劣Ⅴ類水，總氮、總磷嚴重超標且透明度較低，因此將S9、S10設為受損點，其余8個采樣點為參照點。

1.3.3 候選參數篩選

候選參數的篩選主要通過判別能力分析與相關性分析進行。判別能力分析通過箱體圖進行，選擇參照點與受損點差異性較為顯著的指標，即參照點與受損點中位線不位于對方箱體內(IQ>2)。相關性分析是考察參數之間的重疊程度，可剔除相關性較強、重復的指標，計算各參數之間的相關系數，|r|>0.75表示兩者之間相關性顯著[26]，結合相關系數以及指標類型等進行最終指標的選擇。

1.3.4 浮游植物完整性指數的建立

P-IBI分值計算前需要將各指標量綱統(tǒng)一，量綱統(tǒng)一方法包括3分法、4分法、比值法，相比之下比值法的結果更精確[21]，因此本研究采用比值法進行計算。比值法的計算與參數指標隨干擾強度的變化情況有關，指標值隨干擾減小，計算方法為：以所有采樣點參數值的95%分位值為最佳值，參數分值為參數值/最佳值；指標值隨干擾增大，以5%分位值為最佳值，參數分值計算方法為(最大值-參數值)/(最大值-最佳值)。按上述方法進行參數分值計算，若分值大于1則記為1，將所有參數分值相加得到各采樣點的P-IBI分值。以各采樣點P-IBI分值的95%分位值為最佳值，在最佳值范圍內進行4分，將4分后的分值范圍從大到小依次評價為健康、中等、一般、差和極差。

1.4 數據處理

利用excel 2013進行原始數據的計算，折線圖、柱狀圖、箱體圖的繪制在origin 9.0中進行，相關性分析利用R-3.6.1中的corrplot程序包進行，利用R-3.6.1畫出的Spearman相關性圖可以從圖形的顏色以及大小直觀、準確地反映相關性強弱。P-IBI分值與綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數以及環(huán)境因子之間的相關性利用canoco5.0進行。

2 結果與分析

2.1 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數評價結果

2.1.1 漳澤水庫水質理化指標

用于漳澤水庫富營養(yǎng)化評價的5個理化指標見表2。由表2可見，沿著采樣點方向，各理化指標有較大差別。TN、TP、CODMn沿采樣點方向大致呈現(xiàn)增加的趨勢，分別為0.68～7.17 mg·L-1、0.04～0.31 mg·L-1、3.8～5.7 mg·L-1，濁漳河水質較差，流入水庫后庫尾部分采樣點各值明顯高于其它采樣點，由均值可見，人為活動的影響及雨水的沖刷導致7月的營養(yǎng)鹽水平高于其它兩月。Chl-a為48.6～209 mg·m-3，各采樣點的大小不斷波動，較高的營養(yǎng)鹽水平及溫度導致7月的藻類生長旺盛，從而葉綠素a含量較高。漳澤水庫為淺水型水庫，自壩前至庫尾水深逐漸變淺，水庫透明度(SD)為0.18～0.74 m，壩前采樣點(S1、S2)透明度較高，沿著采樣點方向有逐漸降低的趨勢，庫尾部分由于濁漳河帶來的泥沙及較高的藻密度導致透明度較低。

表2 漳澤水庫水質理化指標

2.1.2 富營養(yǎng)化評價結果

綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數評價參考文獻[1-2]進行，評價結果見圖2，由圖2可見，水庫的營養(yǎng)狀態(tài)指數為54.82～74.61，評價結果在輕度、中度以及重度富營養(yǎng)化均有分布。3個月中有63.3%的評價結果為輕度富營養(yǎng)化，中度、重度富營養(yǎng)化的比例分別為26.7%和10%。7月富營養(yǎng)化最為嚴重，11月富營養(yǎng)化程度最輕。沿著采樣點方向，富營養(yǎng)化呈現(xiàn)加重的趨勢，在S1～S8采樣點綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數變化不大，庫尾區(qū)域營養(yǎng)鹽豐富、藻類生長旺盛，因此庫尾采樣點富營養(yǎng)化程度尤為嚴重。

圖2 各采樣點綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數評價結果

2.2 浮游植物概況

調查期間，共檢測到浮游植物7門57屬135種。在3個月中綠藻門占據浮游植物群落的主導地位，檢測到78種占比為57.7%；其次為藍藻門、裸藻門均為20種，占比為14.81%；硅藻門、隱藻門分別檢測出8.15%、2.96%；甲藻門、金藻門僅檢測到1種且7月無金藻門。各采樣點的密度分布為(47.12～8.424)×106個·L-1，7月的浮游植物密度明顯高于10、11月，11月略高于10月；7月庫尾采樣點密度顯著高于其它樣點，10、11月各采樣點密度差距不大，庫中部分的密度略高于其它采樣點。生物量為9.48～57.36 mg·L-1，裸藻門與硅藻門種類及密度較小，但兩者的最大生物量占比達到54.6%、40.6%；藍藻門的生物量百分比較小，這與裸藻門、硅藻門個體質量大而藍藻門個體質量小有關。依據FG功能類群分類方法可將浮游植物分為24個功能群，其中有8個優(yōu)勢功能群，其中7月優(yōu)勢功能群最多，可見7月優(yōu)勢種更多。

2.3 P-IBI評價體系建立及評價結果

2.3.1 候選參數判別能力分析

對選定的40個候選參數進行箱線圖分析，剔除無法區(qū)分參照點與受損點的指標，其中M11、M14、M17、M18、M21、M25、M26、M29、M30、M34、M37符合篩選要求(圖3)，其余指標存在箱線圖重疊且中位線位于對方箱體內的情況，故而舍棄。利用選定的11個指標進行后續(xù)的相關性分析。

圖3 11個候選指標箱線圖

2.3.2 相關性分析

利用相關性分析剔除信息重復的指標(圖4)。由圖4可見，M14、M17、M29、M37與其它指標均未呈現(xiàn)強相關關系(|r|>0.75)；M11與M34顯著相關，M11為群落多樣性中唯一入選的參數，因此保留M11，舍棄M34；M18、M25與M30顯著相關且與其它指標不相關，因此舍棄M30,保留M18、M25；M21與M26顯著相關，M26與其它已確定指標相關性更低，因此舍棄M21,保留M26。最終選擇M11、M14、M17、M18、M25、M26、M29、M37共8個指標進行評價體系構建，并將上述指標在表1中標示。

圖4 候選參數Spearman相關性分析

2.3.3 P-IBI分值與健康評價

P-IBI分值為6.795～1.428，夏季分值波動較大且平均分值低于秋季，P-IBI分值整體沿采樣點方向逐漸減小，3個月評分最大值出現(xiàn)在S2或S3采樣點，最小值均為S10采樣點。以各采樣點P-IBI評分的95%為最佳值進行的評價標準為：P-IBI≥6.439健康；4.829≤P-IBI<6.439中等；3.220≤P-IBI<4.829一般；1.610≤P-IBI<3.220差；P-IBI<1.610極差。采樣點評價結果(圖5):6.67%為健康，73.33%為中等，13.33%為一般，差與極差均為3.33%。評價結果基本符合水庫受干擾的情況。庫尾區(qū)域(S9、S10)受濁漳南源來水的干擾較大，評價結果較差，7月評價結果為差與極差，10、11月評價結果為中等或一般。壩前與庫中區(qū)域距離濁漳南源入庫口較遠，水質相對較好，7月的評價結果包括健康、中等和一般，10、11月評價結果均為中等。

圖5 基于浮游植物的水生態(tài)健康評價結果

2.4 P-IBI分值與富營養(yǎng)化程度相關性

P-IBI分值與富營養(yǎng)化指數、環(huán)境因子的冗余分析(RDA)見圖6，其中軸1解釋度為20.54%，軸2為77.91%。由圖6可見，環(huán)境變量的箭頭均較長，這表明環(huán)境變量對生態(tài)系統(tǒng)的評價具有很大的影響。由P-IBI分值、富營養(yǎng)化指數與環(huán)境因子之間的夾角可見：P-IBI分值與透明度呈現(xiàn)正相關關系，與TN、TP、CODMn、Chl-a為負相關關系，其中與CODMn、TP、TN顯著相關，同時生物完整性評價與富營養(yǎng)化評價之間呈現(xiàn)顯著負相關關系。浮游植物生物量的變化是富營養(yǎng)化的最終體現(xiàn)，P-IBI分值與浮游植物生物量之間的相關性也可作為衡量與富營養(yǎng)化之間關系的標準(圖7)。由圖7可見，P-IBI分值與生物量之間顯著負相關，r2=0.841，P<0.001。

圖6 P-IBI分值與富營養(yǎng)化指數的RDA排序圖

圖7 漳澤水庫浮游植物生物量與P-IBI分值相關性

3 討 論

3.1 漳澤水庫水生態(tài)健康狀況

從P-IBI平均值的角度看，10月的浮游植物完整性最好，7月完整性最差，10月與11月相差不大。秋季時溫度較低，溫度代替營養(yǎng)鹽成為浮游植物生長的主要影響因素，溫度較低時會限制某幾種優(yōu)勢植物的生長，從而其它適宜生存的浮游植物得以生長，當以溫度等外力條件為主要影響因素時，浮游植物種群之間的競爭能力將被削弱[21]。7月水庫浮游植物以綠藻門的小球藻屬為主要優(yōu)勢種，10、11月以硅藻門的小環(huán)藻屬為主要優(yōu)勢種，且7月的優(yōu)勢度明顯高于10、11月，7月浮游植物種類較少，優(yōu)勢種類較為突出。P-IBI評價結果與SD顯著正相關，與CODMn、TN、TP呈顯著負相關關系，這與其它研究結果相符[27]。7月水庫營養(yǎng)條件較高，同時光照條件較好、透明度高，在此條件下共有6個功能群占優(yōu)勢，且功能群豐度要顯著大于其它兩月，可見7月優(yōu)勢種生長更加良好。7月水庫處于泄水期，泄水期水力擾動的影響也會導致水環(huán)境中營養(yǎng)鹽、有機質含量較高，更有利于浮游植物的生長；同時泄水期浮游植物豐富度指數及多樣性指數較小，演替速率下降，浮游植物群落會達到穩(wěn)定狀態(tài)[28]，因此7月的浮游植物群落結構不如其它兩月完整。從采樣點的方向看，壩前位置浮游植物完整性較好，靠近庫尾位置的完整性較差。這主要是由于沿采樣點方向水庫水深逐漸減小、水質渾濁、靠近庫尾的采樣點溶解氧含量較低且沿著采樣點方向營養(yǎng)鹽含量呈增加的趨勢，從而庫尾采樣點以硅藻門、隱藻門占較大優(yōu)勢，其余藻類生長較為一般，導致庫尾部分浮游植物完整性指數分值較低。

3.2 P-IBI指數與富營養(yǎng)化的關系

浮游植物的群落結構與環(huán)境因子具有很強的相關性[29]。陳紅等[30]和駱鑫等[31]的研究都表明營養(yǎng)鹽、懸浮物、水溫、pH、溶解氧等都為浮游植物群落結構的主要影響因子，同時水環(huán)境富營養(yǎng)化程度的判斷以營養(yǎng)鹽、Chl-a、SD為基礎，可見富營養(yǎng)化指數與生物完整性指數之間可能存在相關性。以傳統(tǒng)營養(yǎng)化程度判定方法為參考，可判斷P-IBI指數區(qū)分水質營養(yǎng)化狀態(tài)的能力。由RDA分析可知，P-IBI指數與建立富營養(yǎng)化評價體系中的透明度(SD)顯著正相關，與其余4個指標顯著負相關。沿著采樣點方向營養(yǎng)鹽呈現(xiàn)增加的趨勢、透明度沿采樣點減小，葉綠素a不斷波動，但是接近庫尾區(qū)域含量明顯高于其它樣點，較高的營養(yǎng)鹽導致浮游植物的大量生長，透明度較低，從而富營養(yǎng)化程度較高，因此富營養(yǎng)化程度與生物完整性指數之間呈顯著的負相關關系。浮游植物生物量的增加是富營養(yǎng)化程度增加的最終結果，浮游植物生物量與P-IBI分值呈現(xiàn)顯著負相關關系，7月S6～S10采樣點生物量明顯高于其余采樣點，生物完整性評價結果明顯較差，兩者之間的負相關關系與Kanea D D等[22]的結論相同。在本研究中以S9、S10采樣點為受損點，兩個采樣點均表現(xiàn)出P-IBI分值小于其余采樣點，構建的浮游植物完整性評價體系可以區(qū)分參照點與受損點；同時受損點的營養(yǎng)狀態(tài)指數高于其它采樣點，可見P-IBI指數與富營養(yǎng)化程度均可區(qū)分水庫的水環(huán)境狀況。相對來說，兩種評價方式之間在各采樣點之間的差異性有所區(qū)別，7月各采樣點富營養(yǎng)化評價之間差異較小，而10、11月P-IBI評價差異較小，這可能是7月處于泄水期，由于水動力作用導致營養(yǎng)鹽等混合較為均勻，從而富營養(yǎng)化評價之間差異較小，10、11月營養(yǎng)鹽濃度相對較低，各采樣點優(yōu)勢功能群相對豐度差距不大，因此P-IBI評價相對變化較小。雖然兩種評價方式各采樣點之間的差異有所區(qū)別，但整體變化趨勢相同，能反映不同月份及不同采樣點之間的水生態(tài)狀況，富營養(yǎng)化程度較高的同時浮游植物完整性較差。

4 結 論

1)水庫共檢測到浮游植物7門57屬135種，且群落結構為7月的綠藻門、藍藻門向10、11月的綠藻門、藍藻門、硅藻門轉變。水庫的營養(yǎng)狀態(tài)指數為54.82～74.61，其中63.3%的評價結果為輕度富營養(yǎng)化，中度、重度富營養(yǎng)化的比例分別為26.7%、10%，沿著采樣點方向，富營養(yǎng)化逐漸加重。

2)水庫的P-IBI分值為6.795～1.428，采樣點評價結果：6.67%為健康，73.33%為中等，13.33%為一般，差與極差均為3.33%。庫尾部分采樣點評價結果較差，壩前生態(tài)健康程度較好。

3)P-IBI分值與浮游植物生物量、富營養(yǎng)化指數顯著負相關，浮游植物完整性越差，富營養(yǎng)化越嚴重，P-IBI指標可作為反映水環(huán)境營養(yǎng)狀態(tài)的標準。