应用浮游植物生物完整性指数评价长江上游河流健康

谭 巧，马芊芊，李斌斌，吕红健，付 梅，姚维志

(西南大学动物科技学院，西南大学渔业资源环境研究中心，水产科学重庆市重点实验室，重庆 400716)

应用浮游植物生物完整性指数评价长江上游河流健康

谭 巧，马芊芊，李斌斌，吕红健，付 梅，姚维志

(西南大学动物科技学院，西南大学渔业资源环境研究中心，水产科学重庆市重点实验室，重庆 400716)

2013年11月-2014年6月对长江上游宜宾至江津段五个断面的浮游植物进行了四次调查，共鉴定出浮游植物6门38属95种。对13个备选指标进行分布范围、判别能力及Pearson相关性分析，构建了适合长江上游的浮游植物生物完整性指数(P-IBI)指标体系，即香农多样性指数、Margalef丰富度指数、Pielou均匀度指数、浮游植物密度、硅藻密度百分比等参数指标。采用3分制法、4分制法和比值法分别对生物指标计分，评价结果显示：高庄桥、羊石处于“健康”状态；白沙处于“亚健康”状态；而江安、德感处于“亚健康”向“一般”过渡状态。综合来看，三种评价方法所反映各样点的健康状况基本一致，只是4分制法和比值法在划分评价等级上更细致，评价结果更精确。Pearson相关性分析显示：TN、pH与P-IBI值呈显著负相关(P<0.05)。

长江上游；浮游植物；生物完整性指数；生态系统健康评价

河流健康的概念由美国的《清洁水法》于1972年首次提出，该法案认为物理、化学和生物的完整性是河流健康的标准，其中完整性指维持生态系统的自然结构和功能的状态[1]。近年来，随着人们对河流健康重要性认识的加深，国内外学者在其定义、内涵及研究方法等方面进行了大量的探索[2-9]。Karr[10]认为一个良好的生态系统必定存在一个完整的生物群落，提出用生物完整性指数(Index of Biotic Integrity，IBI)来评价河流健康。IBI最初以鱼类为研究对象，后又应用到其它生物[1-2,11]。目前，在河流健康评价中主要应用着生藻类、底栖无脊椎动物以及鱼类生物完整性指数，浮游生物完整性指数的应用相对较少。蔡琨等[12]应用浮游植物生物完整性指数(P-IBI)评价了冬季太湖水生态健康质量，认为浮游植物生物完整性指数尽管存在局限性，但用其来评价水生态健康是可行的，其研究结果也表明P-IBI是相对科学准确的。沈强等[13]应用浮游生物完整性指数对浙江水源地水质进行了评价。徐玉萍[14]、马亮[15]分别对上海市河道、潭江的浮游植物生物完整性做过研究。虽然针对长江上游浮游生物方面的研究较多[16-19]，但局限于群落结构及多样性评价，未见应用浮游生物完整性指数进行健康评价的报道。本研究将在此方面做出探讨，希望能为今后的研究提供帮助。

1 材料与方法

1.1 采样点设置与采样时间

以长江上游为研究对象，在宜宾至江津段共设置了5个采样断面，采样点从上游到下游依次为高庄桥左岸(金沙江段，距宜宾航道里程5.1 km)、江安右岸(距宜宾航道里程64.4 km)、羊石右岸(距宜宾航道里程213.8 km)、白沙右岸(距宜宾航道里程261.4 km)、德感左岸(距宜宾航道里程299.7 km)。其中高庄桥、羊石位于长江上游珍稀特有鱼

类国家级自然保护区的核心区，江安位于缓冲区，白沙、德感位于实验区。采样时间为2013年11月、2014年1、4、6月，每月采样一次。

1.2 样品采集与处理

采集定量标本，使用有机玻璃采水器在水面下0.5 m处取水样1 L，现场加入15 mL鲁哥氏液固定。另外，用25#浮游生物网在表层至0.5 m深处作“∞”形缓慢拖动2 min左右以捞取定性标本。先对除硅藻门外其他门类的种类进行鉴定，再用酸液消解除去硅藻细胞内含物，以准确鉴定硅藻种类。种类鉴定参照《中国淡水藻类》[21]和《淡水微型生物图谱》[22]。

1.3 数据处理

1.3.1 参考点与污染点的区分

根据香农多样性指数(H)水质划分标准[23]，将 H≥3的采样点定为参考点，H<3的采样点定为污染点。

1.3.2 备选指标的确定与筛选

选取了13个应用广泛且入选率较高的指标作为备选指标(表1)。对这13个备选指标进行分布范围、判别能力以及相关性分析，以筛选出合适的参数指标。

表1 P-IBI备选指标描述及对干扰的反映Tab.1 Description of candidate metrics for P-IBI and their expected direction of response to disturbance

续表1

1.3.3 P-IBI指标的计分及评价标准

(1) 3分制法

对随干扰减小的指标，高于参考点的25%分位数值(对随干扰增大的指标，低于参考点的75%分位数值)，计6分；低于25%分位数值(高于75%分位数值)的分布范围进行二等分，分别计3分和0分。

(2) 4分制法

对随干扰减小的指标，以所有点的95%分位数值为最佳期望值(对随干扰增大的指标，以所有点的5%分位数值为最佳期望值)，低于(高于)此值的分布范围进行三等分，依次计6、4、2、0分。

(3) 比值法

对随干扰减小的指标，各指标的分值等于指标值除以所有点的95%分位数值；对随干扰增大的指标，以所有点的5%分位数值为最佳期望值进行计算，方法为：(最大值-指数值)/(最大值-5%分位数值)。该法规定，经计算后的分值的分布范围为0～1，若大于1，则记为1。

(4) 评价标准

以参考点IBI值的25%分位数作为健康评价的标准，若采样点的IBI值大于25%分位数值，则表示该样点受到的干扰很小，是健康的；对小于25%分位数值的分布范围进行四等分，就可以确定出健康、亚健康、一般、较差、极差五个健康等级。

2 结果

2.1 浮游植物的群落结构特征

本研究共鉴定出浮游植物6门38属95种(变种)，其中硅藻门22属67种，占藻类总种数的71%；绿藻门10属18种，占19%；隐藻门1属4种，占4%；蓝藻门2属2种，占2%；裸藻门1属2种，占2%；甲藻门2属2种，占2%。

2.2 备选指标的筛选

分析各指标值的分布范围，删除分布范围太窄或可预测环境变化值的范围太小的指标，结果备选指标全部适合。用箱线图法进行判别能力分析(图1)，香农多样性指数(M3)、Margalef丰富度指数(M4)、Pielou均匀度指数(M5)、浮游植物密度(M9)、硅藻密度百分比(M11)、前三优势种百分比(M13)等6个参数指标在参考点与污染点间有显著差异，可以进入下一步分析。Pearson相关性检验(SPSS 19.0)(表2)显示，M4、M9、M11与其它指标间的相关性不显著，直接保留；M3、M5分别与M13显著相关，舍弃M13，保留M3、M5。

对所有备选指标进行筛选后，确定长江上游P-IBI指标体系由香农多样性指数(M3)、Margalef丰富度指数(M4)、Pielou均匀度指数(M5)、浮游植物密度(M9)、硅藻密度百分比(M11)构成。

图1 各入选P-IBI指标在参考点和污染点的箱线图Fig.1 Discriminatory power of selected metrics for reference and impaired sites using box & whisker plots表2 备选P-IBI指标的Pearson相关性分析Tab.2 Pearson’s correlating coefficient between six candidate biological metrics

备选指标M3M4M5M9M11M13M31M40.65531M5-0.36680.19901M90.6799-0.0490-0.67991M11-0.3639-0.3199-0.21310.24971M13-0.8298*-0.4124-0.9266*0.58010.30201

注：*表示P<0.05。

2.3 P-IBI指标分值计算及计分标准

将筛选出的指标分别应用3分制法、4分制法、比值法计算了各指标分值(表3、4、5)。

表3 5个P-IBI指标在参照点中的分布及3分制法计分标准Tab.3 Distribution of the five metrics in reference sites and score standards according to three score system

表4 5个P-IBI指标在所有样点中的分布及4分制法计分标准Tab.4 Distribution of the five metrics in all the sampling sites and score standards according to four score system

表5 比值法计算5个P-IBI指标分值的公式Tab.5 Formulas for calculating five metrics scores according to ratio score system

2.4 P-IBI指标体系评价标准及评价结果

2.4.1 3分制法

根据3分制法的计分标准(表3)，将筛选所得指标的分值进行加和，即获得P-IBI值。以参考点的25%分位数为最佳期望值，确定P-IBI指标体系评价标准(表6)，进而得出各采样点浮游植物生物完整性评分及健康评价(表7)。四次采样中高庄桥评价为三个“健康”、一个“亚健康”；江安评价为两个“亚健康”、两个“一般”；羊石评价为三个“健康”、一个“亚健康”；白沙评价为四个“健康”；德感评价为两个“健康”，两个“一般”。

表6 长江上游P-IBI 3分制法评价标准Tab.6 Assessment criteria for biological integrity of phytoplankton in the upper reaches of the Yangtze River according to three score system

表7 上江上游P-IBI 3分制法评价结果Tab.7 P-IBI results for each sampling sites in the upper reaches of the Yangtze River according to three score system

续表7

2.4.2 4分制法

4分制法的评价标准与3分制法相同，据此标准得出各采样点浮游植物生物完整性评分及健康评价(表8)。四次采样中高庄桥评价为四个“健康”；江安评价为两个“健康”、一个“亚健康”、一个“一般”；羊石评价为四个“健康”；白沙评价为三个“健康”、一个“亚健康”；德感评价为两个“健康”，一个“亚健康”、一个“一般”。

表8 长江上游P-IBI 4分制法评价结果Tab.8 P-IBI results for each sampling sites in the upper reaches of the Yangtze River according to four score system

续表8

2.4.3 比值法

确定比值法的P-IBI指标体系评价标准(表9)，进而得出本次试验所有采样点浮游植物生物完整性评分及健康评价(表10)。四次采样中高庄桥评价为三个“健康”、一个“亚健康”；江安评价为一个“健康”、两个“亚健康”、一个“一般”；羊石评价为四个“健康”；白沙评价为三个“健康”、一个“亚健康”；德感评价为两个“健康”，一个“亚健康”、一个“一般”。

表9 长江上游P-IBI比值法评价标准Tab.9 Assessment criteria for biological integrity of phytoplankton in the upper reaches of the Yangtze River according to ratio score system

表10 长江上游P-IBI比值法评价结果Tab.10 P-IBI results for each sampling sites in the upper reaches of the Yangtze River according to ratio score system

续表10

2.5 P-IBI与水质参数的一致性

2.5.1 主要水质参数分析

表11 各采样点主要水质参数Tab.11 Main chemical and physical information of sampling sites

2.5.2 P-IBI与环境因子之间的相关性

表12 P-IBI与环境因子之间的相关性Tab.12 Pearson’s correlating coefficient between P-IBI and environmental factors

注：*表示P<0.05。

3 讨论

3.1 不同评分方法的比较

本研究采用3分制法、4分制法和比值法三种评分方法来计算P-IBI值。比较三种方法评价结果，4分制法与比值法高度相似，仅高庄桥、江安采样点存在一个“健康”与“亚健康”的区别；而3分制法与4分制法、比值法相比，其评价结果主要为“健康”和“一般”，较少出现“亚健康”状态，显得跨度较大。3分制法是根据参考点的指标值分布范围，将其划分为三部分，由高到低分别计6、3、0分；而4分制法是根据所有点的指标值分布范围，将其划分为四部分，分别计6、4、2、0分，因此，评价结果的差别可能体现在对各指标计分时划分的细致程度上。裴雪姣等[24]在应用鱼类完整性评价辽河流域健康中也认为，1、3、5 赋值法 IBI 分值为各参数 1、3、5 记分的累加，分值连续性较小，间断性较大，对最高和最低等级间的区分性比较明显，而比值法的分值则连续性较强，间断性较小。王备新[23]的研究表明：用比值法统一各生物参数量纲后，依据所有样点数据建立的评价标准与依据参照点数据所得标准相比，提高了对参照点的准确率，结果优于3分制法和4分制法。从本研究的结果来看，3分制法所得P-IBI值分别与4分制法、比值法所得P-IBI值呈显著正相关(P<0.05)，而4分制法所得P-IBI值与比值法所得P-IBI值呈极显著正相关(P<0.01)，因此，它们所反映各样点的健康状况基本一致，只是4分制法和比值法在划分评价等级上更细致，评价结果更精确。

3.2 应用P-IBI评价长江上游河流健康状况

长江上游珍稀特有鱼类自然保护区是我国最长的河流型自然保护区，该江段自然生境相对完整，但近年来，受采砂、航运、涉水工程、工业废水、生活污水的影响，长江上游河流健康度逐年下降[25]。高庄桥在宜宾主城上游、羊石镇远离大城市，且周围人口密度不大，工农业活动相对较少，在本研究中评价为“健康”；江安江段位于宜宾市下游，前方有金沙江、岷江汇入，受到城镇生活污水、工业废水、航运等影响，评价结果为“亚健康”向“一般”过渡阶段；白沙江段评价为“亚健康”；德感江段处于城镇，受到人类干扰相对较大，评价为“亚健康”向“一般”过渡状态。表明保护区内高庄桥、羊石江段水质比较清洁，而江安、白沙、德感江段受到一定干扰，这与各采样点主要水质参数分析的结果吻合。因此，应用浮游植物生物完整性指数评价长江上游河流健康状况是可行的。

目前，浮游植物生物完整性指数主要被应用于评价一个相对静止的水体如水库[13, 26]、湖泊[12, 27]，评价江河健康状况的研究比较少。分析原因认为：浮游植物漂流在江河中，样本对采样点的代表性和采样的均一性受到质疑；生活周期短，不能反映采样点长时间的生态健康状况[12]。但是，浮游植物对环境变化反应灵敏，能在短时间内做出响应，可以通过设置合理的采样时间、采样频次来构建浮游植物生物完整性。Sommer等[28]提出的PEG(plankton ecology group)模型认为，浮游植物群落存在冬春季时隐藻和硅藻占优势，夏季绿藻占优势，夏末秋初是蓝藻占优势，而到秋季时硅藻数量再次上升的自然演替规律。针对浮游植物群落的季节性演替规律，本研究设置采样时间为11月、次年1、4、6月，研究结果较好地反映了长江上游宜宾至江津段健康状况。建议以后的研究根据浮游植物群落的季节性演替规律增加采样频次，保证样品的代表性和采样的均一性，构建更加科学合理的浮游植物生物完整性指数。

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(责任编辑：邓 薇)

Ecological health assessment of the upper reaches of the Yangtze River, based on biotic integrity index of phytoplankton

TAN Qiao, MA Qian-qian, LI Bin-bin, LÜ Hong-jian,FU Mei, YAO Wei-zhi

(SchoolofAnimalScienceandTechnology；ResearchCentralofFisheryResourcesandEnvironment；KeyLaboratoryofAquaticScienceofChongqing；SouthwestUniversity,Chongqing, 400716,China)

In the present study, phytoplankton samples were collected from the upper reaches of the Yangtze River during four consecutive seasons, from November 2013 to November 2014.The results showed that there were 95 phytoplankton species belonging to 6 phyla and 38 genera found in the investigating region.And based on the distributing range，discriminatory power and Pearson's correlation analysis of the 13 candidate indexes, five metrics, including Shannon-Wiener index, Margalef index, Pielou index, density of phytoplankton, percentage of bacillariophyta were selected to establish biotic integrity index of phytoplankton (P-IBI) evaluation system.Three score system, four score system and ratio score system were used to get metrics into a uniform score for all the sampling points, and the results showed that Gao Zhuangqiao and Yang Shi were in the state of health, Bai Sha in sub-health, and Jiang An and De Gan in the sub-health to good-fair transitional phase.On the whole, the health state of each sampling sites reflected by the three scoring methods almost the same.However, four score system and ratio score system were more meticulous on the grade classification and evaluation, thus the evaluation results of four score system and ratio score system were more accurate.The Pearson′s correlation analysis showed that the P-IBI was significantly negative correlated with TN and pH (P<0.05).

the upper reaches of the Yangtze River; phytoplankton ; index of biotic integrity；ecosystem health assessment

2016-09-10；

2017-01-05

美国大自然保护协会(TNC)“长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区保护行动实施情况评估研究”；农业部长江流域渔政监督管理办公室“长江上游保护区干流江段栖息地评估与修复研究”；中央高校基本科研业务费专项资金资助(XDJK2015A001)

谭 巧(1991-)，男，硕士研究生，专业方向为渔业资源与环境。E-mail:752043576@qq.com

姚维志。E-mail: yaowz@swu.edu.cn

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1000-6907-(2017)03-0097-08