布良水库网箱养殖水域浮游生物完整性指数与水质理化因子关联性分析

何绪伟，程光平，张 曼，黄永颖，娄方瑞，崔 亮，阎维杰

（1.广西大学动物科学技术学院，广西 南宁 530005；2.广西高校水生生物健康养殖与营养调控重点实验室，广西 南宁 530005；3.来宾市水产技术推广站，广西 来宾 546100）

利用非饮用水源水库等大水域适度发展网箱养殖，生产水产食物，获取优质蛋白源，对改善城乡居民生活质量和促进社会发展具有重要意义，也是发展“库区经济”的重要途径。由于水库（流域）网箱养鱼便于管理，近年来，网箱养鱼热在一些水库及河流日渐兴起。但是随着“投饲网箱”养殖规模的扩大以及养殖密度的提高，未食残饵以及养殖鱼类排泄物对养殖水体水质的影响越来越突出。如何评价大水域“健康状况”、合理开发和科学利用大水面资源，以及实现水库等大水域养殖与环境友好，已成为水产养殖和水域环境学界关注的重点。浮游生物作为水域生态系统中生产力和生物链的基础，对水域生态系统的结构、能流和物质循环具有重要作用［1］，可以真实直观地反映出水域生态系统结构的改变［2］。水域生态系统的生物完整性指水质健康状况因人为干扰而受到损害后可以较快地恢复其功能结构的能力［3］。Karr［4］最先以鱼类作为生态系统健康状况评价的研究对象，提出鱼类完整性指数评价体系，基于鱼类生物完整性指数建立了漓江上游河流健康评价体系［5］。随着生物完整性指数评价体系的完善，研究对象逐步扩展到大型底栖无脊椎动物［6］、底栖生物［7］、附石藻类［8］和对于水质变化更为敏感的浮游生物［9］。分析生物完整性指数与水质［10］及其他环境因子［11］的关系也是近几年研究的热点。目前，通过生物完整性指数的方法评价大水面网箱养殖水域水质的研究较少，通过灰色关联分析其与网箱养殖水域水质关系更是鲜有报道。布良水库位于广西壮族自治区隆安县境内，属非饮用水源湖泊型水库，始建于1958年，因其岩溶发育防渗困难，坝首曾被洪水冲垮，1970年重建，1973年建成。水库坝长229 m，坝高30.4 m，水库最大蓄水量达1991万m3，正常蓄水量1 432万m3，灌溉农田面积3679.8 hm2。本研究通过监测分析布良水库集约养殖区“近点”及“远点”水体浮游生物的动态变化，以浮游生物完整性指数（P-IBI）评价网箱养殖对养殖区水质的影响，以期为科学规划大水域养殖区和养殖容量及建立大水域环境友好型可持续集约养殖技术模式提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究水域养殖状况

养殖区为布良水库靠近大坝的静水区，水域面积约13 hm2。水质监测期间，投放饲养鱼网箱60个，共1 500 m2。主要养殖对象为罗非鱼，高峰期网箱存鱼量约120 t。监测期内外源饲料输入量约140 t，日饲料输入量最大约1.8 t。

1.2 采样点及采样频次

浮游生物及水化因子采样点为网箱养殖区“近点”（离养鱼网箱约10 m）和“远点”（离养鱼网箱约150 m）；采样期为1个养鱼周期（2015年5月10日至10月31日），先后采集监测水样4次。

1.3 水样采集及测定

浮游生物定性样品采集：用13#浮游植物网和25#浮游动物网，于采样点水深约0.5 m水层按“∞”型分别捞取浮游植物和浮游动物测定水样，每次捞3～5 min。将捞取样品保存于50 mL瓶中，各加入1 mL甲醛和1 mL鲁哥液固定，带回实验室。光学显微镜下鉴定浮游生物种属。

浮游生物定量样品采集：用采水器于采样点水深约0.5 m处分别采集3 L和9 L浮游植物和浮游动物定量水样，前者用13#浮游植物网过滤，后者用25#浮游植物网过滤，共过滤4～6次，将滤液收集到1 L塑料瓶中，各加入7 mL甲醛和7 mL鲁哥液现场固定，并带回实验室。用梨形瓶沉淀浓缩后，在显微镜下计数样品中各种属浮游生物数量。理化因子样品采集及测定参照国家标准，相关测定指标及测定方法如下：气温和水温用温度计测定，pH值用pH计测定，透明度（SD）用黑白盘法测定，溶解氧（DO）和五日生化需氧量（BOD5）用碘量法测定，化学需氧量（COD）用碱性高猛酸钾法测定，氨态氮（NH3-N）用奈氏比色法测定，亚硝酸盐（NO2-N）用萘乙二胺分光光度法测定，总磷（TP）用钼酸铵分光光度法测定。

1.4 浮游生物群落物种多样性、均匀性计算

浮游生物群落物种多样性包括两方面含义：一是浮游生物种的丰富度，即监测水域所含浮游生物全部种数的多寡；二是浮游生物群落的异质性，即监测水域所有浮游生物群落中各物种的相对密度。浮游生物多样性采用Shannon-Wiener多样性指数表示，计算公式为：

式中，H为监测水域浮游生物群落物种多样性指数，H越大，物种多样性越高，反之，物种多样性越小；Pi为浮游生物群落中属于种i的个体占全部个体的比例；N为监测水域全部浮游生物种数。

浮游生物群落均匀性指数指监测水域浮游生物物种数量在各个种间的分布均匀程度，与异质性成正比，计算公式为：

式中，D为监测水域浮游生物均匀度指数，H为监测水域中浮游生物群落的物种多样性指数，S为监测水域浮游生物总种类数。

1.5 浮游生物完整性评价体系构建

1.5.1 参照点确定 目前生物完整性指数评价体系对于参照点的确定尚未有较为统一的标准，国内外研究中通常选择未受到人类活动干扰或者人类活动干扰相对轻微的监测点作为参照点［12］。本研究中因水库地理位置远离生活区，水体污染物主要来源于养殖过程中饲料残饵和水产动物排泄物，故选择网箱远点作为参照点，养殖密度较大、受人类养殖活动干扰较大的网箱近点作为受损点。

1.5.2 浮游生物完整性评价体系建立 构建浮游生物完整性指数评价体系，基于浮游生物物种丰富度、群落结构和营养结构，选取26个对外界干扰较为敏感的浮游生物指标作为评价体系构建的初选指标（表1）。从26个初选指标中筛选出9个浮游生物评价指标，分别为M2、M3、M5、M6、M8、M9、M11、M15和 M17。使用比值法对各筛选后的浮游生物指标记分，对相关浮游生物指标进行量纲化。

表1 浮游生物完整性指数评价体系初选指标

1.5.3 评价标准确立 以参照点监测周期内所有P-IBI指数总分值的25%分位数划分健康评价标准［13］，将25%分位数以上的监测时期的指数数值定义为“健康”，25%分位数以下的分布范围4等分，分别定义为“亚健康”“良”“较差”和“极差。依参考点P-IBI分值的25%分位数划分的评分标准如下：P-IBI指数总分值＞3.98，评价为健康，2.99～3.98，评价为亚健康；1.99～2.99，评价为良；1.00～1.99，评价为较差；0～1.00，评价为极差。

1.6 浮游生物完整性指数值与水质因子灰色关联性分析

1.6.1 P-IBI指数值与各水质指标实测值无量纲化 使用均值法对各监测期P-IBI指数值和水质指标实测值进行无量纲化［14］，公式为：

式中，Xi(K)为i监测期时监测水域 P-IBI指数值和各水质指标实测值无量纲化后值；Xi(0)(K)为i监测期时监测水域P-IBI指数值和各水质指标实测值；Xj(0)(K)为监测周期内P-IBI指数值和各水质指标实测值平均值。

1.6.2 关联系数计算 以P-IBI指数值为参考序列，比较各水质指标值并进行灰色关联分析，确定灰色关联系数，计算公式为：

式中，εj(K)为 P-IBI指数值与各项水质因子的关联系数；ρ为分辨系数，ρ=0.5［15］。

2 结果与分析

2.1 浮游生物的种群结构和生物量

2.1.1 浮游植物的种群结构 各监测点养殖周期内浮游植物种类组成如表2所示。由表2可知，在浮游植物种群结构中，近点为6门27属，优势门为蓝藻门和绿藻门共15属，占总属数的55.56%；远点为7门28属，优势门为蓝藻门和硅藻门门共14属，占总属数的50%。在浮游植物种群数量“门”和“属”水平上，远点比近点分别高16.67%和3.70%，远点浮游植物多样性优于近点。

表2 各监测点浮游植物种类组成

2.1.2 浮游动物的种群结构 各监测点养殖周期内浮游动物种类组成如表3所示。由表3可知，在浮游动物种群结构中，近点为3门15属，优势门为原腔动物门共8属，占总属数的53.33%；远点为3门19属，优势门为节肢动物门共9属，占总属数的47.37%。在浮游动物种群数量上，远点比近点大26.67%，远点浮游动物多样性亦优于近点。

表3 各监测点浮游动物种类组成

2.1.3 浮游生物的密度和生物量 各监测点养殖周期内浮游生物密度和生物量如表4所示。由表4可知，“近点”“远点”的浮游植物密度和生物量分别为9.4×104～42.78×104个/L和0.131～1.348 mg/L、5.2×104～40.7×104个 /L 和0.072～1.006 mg/L。在“密度”水平上，近点比远点高117.12%；在“生物量”水平上，近点比远点高44.26%。表明近点的浮游植物密度和生物量均高于远点。

从表4还可以看出，“近点”“远点”两个监测点的浮游动物密度和生物量分别为24～280个 /L 和 1.812～5.168 mg/L、52～524个/L和1.972～13.46 mg/L。在“密度”水平上，远点比近点高134.43%；在“生物量”水平上，远点比近点高123.58%。表明远点的浮游动物密度和生物量均高于近点。

表4 各监测点浮游生物密度与生物量动态变化

2.2 监测点水质主要理化因子的动态变化

各监测点主要理化因子历次测定值的平均值如表5所示。由表5可知，网箱远点的pH值、透明度、DO均略高于网箱近点，而网箱近点的 BOD5、CODMn、NH3-N、NO2-N、TP测定值均高于网箱远点。说明受养殖活动的影响，网箱近点的主要理化因子均劣于网箱远点。

表5 各监测点水质主要理化因子测定结果

2.3 浮游生物完整性指数动态变化

各监测水域的P-IBI指数及评价结果如表6所示。由表6可知，不同等级健康状况出现的频次为：网箱近点 “健康”2次、“亚健康”3次、“良”3次；网箱远点 “健康”5次、“亚健康”3次；分析表明，总体上远点健康状况优于近点。从表6还可知，网箱远点和近点的P-IBI均呈先升后降趋势，且不同监测期中远点P-IBI均明显高于近点。分析认为，随着养殖活动的进行，水体中残饵及养殖对象排泄物等蓄积量增加、富营养化压力升高、自净能力和浮游生物多样性下降，网箱近点因受“养殖活动”干扰程度较大，导致其健康状况相对低于远点。

表6 各监测点水质基于P-IBI指数的健康状况评价

2.4 P-IBI指数与主要理化因子灰色关联度

网箱近点和网箱远点P-IBI指数与水质指标关联度及排序如表7所示。由表7可知，P-IBI与水质主要理化因子的关联度：网箱近点为pH＞DO＞WT＞SD＞CODMn＞TP＞NO2-N＞NH3-N＞BOD5，pH、DO和WT为关联度最高的前3个影响因子；网箱远点为pH＞SD＞NH3-N＞TP＞DO=NO2-N＞WT＞CODMn＞BOD5，pH、SD和NH3-N为关联度最高的前3个影响因子。

表7 P-IBI指数与水质指标关联度及排序

3 结论与讨论

网箱养殖活动对湖泊型水库养殖区水质健康状况影响明显，其中pH值是与浮游生物完整性指数P-IBI关联度最高的水质因子。

用P-IBI评价大水域养殖网箱近点和远点水质健康状况是一种“灰色”评价。本研究中，在浮游生物多样性水平、P-IBI指数的季节性变化和健康状况总体评价上，远点均优于近点，这与采样点各主要水质参数分析的结果一致，表明用P-IBI评价大水域网箱养殖是可行的［9］。分析认为，网箱近点受养殖活动干扰的强度较大，随着养殖过程饲料输入量的增加，近点水体中残饵及排泄物增加、自净能力下降，导致浮游生物多样性及健康养况下降［16］。从总体上来看，网箱养殖活动对湖泊型水库养殖区水质健康状况影响明显。但在一定的养殖容量范围内，离养殖网箱150 m及以外区域水体的健康状况仍能维持在“亚健康”及以上水平。在采样时间的选择上，本研究并没有参考浮游生物的季节性演替规律［17］，而是以网箱养殖区域养殖周期作为参考，旨在重点分析网箱养殖水域养殖周期内的浮游生物完整性指数的变化。

P-IBI指数与水质理化因子关联度分析显示，在网箱近点与P-IBI指数关联程度排序中，排前3位的水质因子为pH、DO和WT；在网箱远点与P-IBI指数关联程度排序中，排前3位的水质因子为pH和SD和NH3-N。本研究中，pH是与近、远点浮游生物完整性指数关联性最高的指标，与他人的研究结果［10］具有一致性，但关联度排名靠前的其他水质因子有所差异。分析认为，水体中pH与CO2含量相关，各营养级生物呼吸消耗较多的溶氧并释放出CO2使DO和pH下降，而水生植物光合作用消耗CO2并放出O2，使pH上升，水温则影响浮游生物季节变化及群落结构的组成［18］。SD影响水体中光照度和水生植物的光合作用；NH3-N作为水生植物吸收的营养盐物质，含量适宜时促进水生植物的生长繁殖，而营养盐含量过高时则会限制水生植物的生长，从而影响浮游生物群落组成［19］，与浮游生物完整性呈现出显著相关。

本研究仅监测了同一养殖类型的不同水域，且采样点相对较少，有一定的局限性。同时，与P-IBI指数关联度较高的水质因子在生产中调控的难度较大。因此，若要更加全面准确的评价湖泊型水库养殖区水质健康状况，提高养殖区水质健康水平，还有待更加细致的监测分析及更加有效的调控方法。

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