基于着生藻类的渭河流域水生态系统健康评价

徐宗学 刘麟菲

摘 要：基于2013年10月（豐水期）和2014年4月（枯水期）渭河流域着生藻类监测数据，根据着生藻类物种丰富度、群落多样性、相对丰度、生态型和密度5类属性，选取了26个候选参数。应用参照点对比法（P-ibi）和累计系数法（P-IBI）分别构建了着生藻类生物完整性水生态系统健康评价指标体系，对渭河流域水生态系统健康状况进行了评价。结果表明，均匀度指数和可运动硅藻百分比为P-ibi和P-IBI在丰水期和枯水期共有的核心参数，说明两个参数的代表性较强，可作为常规监测指标。P-ibi健康评价结果显示，丰水期健康等级在较好水平以上的点位数占43%，而枯水期高达61%，P-IBI较好水平以上的点位数仅占25%，P-ibi评价结果明显高于P-IBI，但两种方法评价结果的空间分布趋势基本一致，即渭河干流上游、泾河源头、北洛河中游水生态健康状况较好，渭河下游、泾河流域大部分区域及北洛河上游水生态健康状况较差;超过70%的点位两种方法评价结果相一致或仅差一个健康等级，且P-IBI在参照点位和受损点位具有极显著性差异，表明累计系数法可以作为一种可靠的评价方法替代参照点对比法进行着生藻类生物完整性指数的构建。

关键词：着生藻类;生物完整性;累计系数法;参照点对比法;渭河

中图分类号：X821;TV882.1 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.09.023

Abstract：On the basis of the periphyton data of the Wei River basin sampled in October 2013 （wet season） and April 2014 （dry season）， 26 candidate metrics were selected from five attributes categories including species richness， diversity index， relative abundance， ecotype and density. The methods of reference point analysis （P-ibi） and cumulative coefficient analysis （P-IBI） were used to develop the biotical integrity index of periphyton to assess the aquatic ecosystem health of the Wei River basin. The results show that the evenness index and percentage of motile diatoms are the core metrics for both P-ibi and P-IBI in both wet and dry seasons， indicating that these two parameters are more representative and can be used as routine monitoring indexes. The results of P-ibi show that more than 43% sampling sites are in good health in wet season， while that is greater than 61% in dry season. However， only 25% sampling sites are healthy or in good condition according to the result of P-IBI. The results of P-ibi are significantly higher than that of P-IBI， however， the spatial distribution of P-ibi is correspond with P-IBI. That is， the upstream of Weihe River， the source of Jinghe River and the middle stream of Beiluo River are in good health， while the downstream of Weihe River， the most areas of Jinghe River and the upstream of Beiluo River are in poor health. More than 70% of the sampling sites show that the evaluation results of the two methods are consistent or only one health level is poor. The boxplot shows that P-IBI has a significant difference between reference and impaired sites. This means that the cumulative coefficient analysis can be used as a reliable assessment method， instead of only reference point analysis to develop the biological integrity index of periphyton.

Key words： periphyton; biological integrity index; cumulative coefficient analysis; reference point analysis; Weihe River

黄河孕育了中华五千年文明，是中华民族永续不绝的血脉[1]。然而，水资源短缺、水污染严重、水沙关系不协调成为黄河流域经济社会可持续发展的主要问题和矛盾[2]。习近平总书记在对黄河进行实地考察时强调，治理黄河，重在保护，要在治理。推动黄河流域生态保护和高质量发展关系着中华民族伟大复兴的千秋大计[3]。渭河是黄河的最大支流，是陕西人民的母亲河[4]。保护渭河流域水生态健康，不仅关乎西北地区经济社会的可持续发展[5]，而且对黄河流域的高质量发展发挥着至关重要的作用。

了解水生态健康现状，是制定水生态保护和修复策略的前提;对水生态系统进行健康评价，是了解水生态系统健康现状的必要手段。生物完整性指数法是水生态系统健康评价的常用方法[6-10]。着生藻类是水生态系统的重要组成生物，它处于食物链底端，是生态系统的初级生产者，在物质循环和能量流动中发挥着重要作用[11-12]。由于着生藻类具有活动能力较弱、对环境变化反应敏感、方便采集等优点，因此基于着生藻类生物完整性指数的水生态健康评价技术在国内外得到了广泛应用。Tan等[13]通过构建底栖硅藻完整性指数，对我国汉江上游进行水生态健康评价，结果表明一半以上的点位水生态健康状况较好，而造成汉江水生态系统退化的主要原因为大面积的农业用地带来的水体富营养化;殷旭旺等[14-15]在太子河和渾河流域分别构建了着生藻类生物完整性指数，结果显示太子河和浑河的上游水生态健康状况较好，下游较差，且着生藻类完整性指数评价结果与栖息地质量指数评价结果相一致。这些研究均以参照点对比法为基础，通过生物参数在参照点与受损点之间的显著差异筛选核心参数，构建生物完整性指数。然而，随着社会的发展，人口数量激增，我国大部分流域很少能找到不受人类活动干扰的参照点。针对这一问题，本研究采取累计系数法，通过计算生物参数与水环境因子的相关系数，筛选出与环境因子相关性较强的生物参数作为核心参数，用来构建生物完整性指数。以渭河流域为研究对象，通过对比分析参照点对比法和累计系数法所构建的着生藻类生物完整性指数评价结果的异同，明确累计系数法的适用性，以期为受人类活动干扰较大的流域水生态健康评价提供一种新的思路。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

渭河流域面积为13.4万km2，干流长度为818 km，是黄河的最大支流。整个流域共跨越3个省（自治区），即甘肃省、陕西省和宁夏回族自治区，其中甘肃省境内流域面积占总面积的44.1%，陕西省境内流域面积占总面积的49.8%。渭河流域南侧为秦岭山脉，森林覆盖率较高，降水量充沛;北部分布着渭河流域两大支流，分别为泾河和北洛河。泾河发源于宁夏回族自治区，流域面积为4.54万km2，马莲河是其最大支流。北洛河发源于陕西省吴起县，流域面积为2.69万km2，最大支流为葫芦河。渭河流域年降水量各月分布不均，7—10月为丰水期，降水量占全年降水量的60%，其余月份特别是1月和12月降水量较小，为枯水期。本研究于2013年10月（丰水期）和2014年4月（枯水期）对渭河流域展开调查，共布设60个采样点，其中渭河干流32个采样点，泾河15个采样点，北洛河13个采样点。采样点分布情况如图1所示，图中采样点编号前W代表渭河干流、J代表泾河、L代表北洛河。

1.2 着生藻类样品采集

在采样点上、中、下游随机选取大小相近的3个石块，将广口瓶盖（面积约为11.34 cm2）扣于石块之上，用牙刷刮掉瓶盖周边所有的着生藻类，用自来水冲洗至白色托盘，倒入广口瓶中，并加入浓度为4%的甲醛，作为着生藻类定性样品。采用同样的方法将瓶盖下方的着生藻类刮取至广口瓶中，作为着生藻类定量样品，3个样品混合至一个广口瓶中，用标签纸记录好采样点编号和采样时间，用胶带密封样品。运回实验室后，静置24 h以上，将样品定量至100 mL，用于着生藻类定量计算。在400倍显微镜下进行种类的鉴定，其中硅藻样品制成硅藻封片在1 000倍显微镜下鉴定，鉴定方法参考文献[16-18]。

1.3 水环境因子测定

本研究共测定水环境因子21个，其中：水文因子2个，分别为流速和流量，采用流速仪（FP111）现场测量;化学因子10个，在每个采样点采集两份2 L的水样，48 h内运回实验室，根据国家地表水环境质量标准，测定pH值、硝酸盐、亚硝酸盐、铵盐、磷酸盐、硫酸盐、总氮、总磷、总硬度和高锰酸盐指数;物理因子9个，电导率、水温、盐度、饱和度、溶解氧、总溶解固体采用YSI85水质分析仪现场测定，水深采用流速仪进行测量，可涉水的河段河宽使用皮尺测量，不可涉水的河段采用测距仪（Leupold RX-IV）测量，悬浮物固体含量在实验室测定。

1.4 核心参数筛选

1.4.1 生物参数

依据相关文献[14， 19]，从着生藻类物种丰富度、群落多样性、相对丰度、生态型和密度5类属性中选取26项着生藻类生物参数作为核心参数的候选指标。其中：物种丰富度8项，群落多样性2项，相对丰度13项，生态型2项，密度1项。具体指标内容见参考文献[20]。

1.4.2 参照点对比法

选取自然状态或受人类活动干扰较小的点位作为参照点，比较参照点位与受损点位生物参数箱体图的差异性，选取箱体差异较大的参数作为核心参数，即两个箱体不重合或两个箱体的中位线在对方箱体外。对筛选出的生物参数进行相关性分析，剔除冗余的生物参数，采用最后保留的核心参数进行生物完整性评价指标体系的构建。依据之前的研究成果[20]，W0、W5、W10、W12、W16、W28、W30、J19、L1、L7和L8点位森林覆盖率较高、水质较好、生境较完整，可作为渭河流域参照点位。

1.4.3 累计系数法

采用Spearman相关性分析法分析生物参数与水环境因子的相关性，计算每个水环境因子与该生物参数的相关系数平方和R2，并计算与水环境因子显著相关的个数百分比CoI，具体计算公式如下：

式中：rs，y为生物参数s与环境因子y之间的相关系数;S为生物参数与环境因子显著相关（P<0.05）的个数;n为环境因子的个数。R2的值域为[0，n]，CoI的值域为[0，1]。

依据R2和CoI较高的数值，筛选出与环境因子相关性较强的参数作为核心参数，构建生物完整性指数，每一个生物功能类群筛选出一個核心参数。

1.5 健康评价指标体系构建

参照点对比法着生藻类生物完整性指数（P-ibi）等于所有核心参数的加和，核心参数的赋分标准见文献[20]，P-ibi的取值范围为0～50。大于参照点25%分位数的点位为健康点位，低于25%分位数的点位进行四等分，分别为较好、一般、较差和极差，并赋予分值1～5分，5分表示健康，1分表示极差。

累计系数法评价指标体系采用比值法对核心参数进行标准化处理，生物完整性指数（P-IBI）等于所有核心参数之和的平均值，P-IBI取值范围为0～1。大于90%分位数的点位为健康点位，75%～90%分位数之间的点位为较好点位，50%～75%分位数之间的点位为一般点位，25%～50%分位数之间的点位为较差点位，小于25%分位数的点位为极差点位，并赋予分值1～5分，5分表示健康，1分表示极差。

2 结果与讨论

2.1 核心参数的筛选

2.1.1 参照点对比法

箱体图判别和相关性检验结果显示，丰水期和枯水期分别筛选出着生藻类核心参数5项，其中硅藻属种数（P6）、均匀度指数（P10）和可运动硅藻百分比（P24）为丰水期和枯水期共有的核心参数。硅藻分类单元相对多度（P11）和单位面积着生藻类密度（P26）为丰水期特有的核心参数（见图2）;菱形藻百分比（P16）和极细曲壳藻百分比（P23）为枯水期特有的核心参数（见图3）。

2.1.2 累计系数法

着生藻类生物参数与环境因子累计系数值见表1，其中：均匀度指数（P10）、可运动硅藻百分比（P24）和单位面积着生藻类密度（P26）在丰水期和枯水期均与环境因子相关性较强，可作为丰水期和枯水期共有核心参数;丰水期蓝藻总分类单元数（P4）和颤藻百分比（P19）与环境因子相关性较强，可作为丰水期特有的核心参数;枯水期绿藻总分类单元数（P3）、曲壳藻百分比（P14）与环境因子相关性较强，可作为枯水期特有的核心参数。

均匀度指数（P10）和可运动硅藻百分比（P24）在两种方法中均被筛选出来作为丰水期和枯水期的核心参数，表明这两个参数在渭河流域具有较好的代表性。2011—2012年，殷旭旺等[11]布设45个采样点对渭河流域展开调查，并构建了着生藻类生物完整性指数。其中，均匀度指数被筛选作为核心参数，这一结果与本研究结果相一致。此外，可运动硅藻百分比作为着生藻类完整性指数的核心参数在太子河流域得到了较好的应用[14]。鉴于此，在水生态监测中，可以考虑将均匀度指数和可运动硅藻百分比作为常规监测指标。

2.2 健康评价结果

基于参照点对比法和累计系数法计算的着生藻类生物完整性指数评价标准见表2。P-ibi评价结果显示，丰水期有健康点位11个，较好点位15个，一般点位26个，较差点位6个，极差点位2个;枯水期有健康点位12个，较好点位25个，一般点位9个，较差点位11个，极差点位3个。P-IBI评价结果显示，丰水期有健康点位7个，较好点位8个，一般点位14个，较差点位16个，极差点位15个;枯水期有健康点位6个，较好点位8个，一般点位16个，较差点位14个，极差点位16个。

从两种评价结果空间分布情况（见图4）可以看出，丰水期P-IBI与P-ibi评价结果空间分布趋势基本一致，即渭河干流上游、泾河源头、北洛河中游着生藻类生物完整程度较高，水生态较好，泾河大部分区域着生藻类生物完整性较低，渭河干流下游和北洛河上游地区健康等级较低，水生态健康状况较差;枯水期P-IBI与P-ibi评价结果空间分布趋势存在一定差异，其中P-ibi评价结果普遍偏高，只有渭河下游出口区域及渭河干流个别点位水生态健康状况较差，其余77%的点位健康程度均在一般以上。而P-IBI评价结果空间分布特征与丰水期评价结果相近，其中渭河干流上游天水市附近枯水期着生藻类生物完整性较低，水生态健康状况比丰水期差，而渭河干流中下游宝鸡市和西安市之间，着生藻类完整性相比丰水期有所升高，水生态健康状况较好。

殷旭旺等[21]基于底栖动物完整性指数在丰水期和枯水期对渭河流域进行了健康评价，结果显示，不同水文期底栖动物完整性指数评价结果一致，即渭河上游、北洛河中上游地区较为健康，渭河下游、泾河全流域以及北洛河下游健康状况较差，这一结果与本研究结果相一致。但枯水期底栖动物物种丰富度、多样性指数以及生物量明显低于丰水期。武玮等[22]基于鱼类完整性指数对渭河流域展开调查，结果显示丰水期35.6%的点位为健康和较好状态，比枯水期多了一倍以上，但评价结果空间分布特征与本研究相一致。P-ibi评价结果在丰水期和枯水期存在较大差异，枯水期P-ibi评价结果呈现两极分化趋势，较好和较差点位数量均高于丰水期。造成这一差异的主要原因可能在于枯水期河流流量较小，水环境质量较高的点位，低流速的生境更适宜着生藻类的附着[23]，而水环境质量较差的点位，河流流速较低，系统内的物质循环较慢，电导率和富营养元素浓度过高，导致着生藻类群落结构的多样性和稳定性降低[24]。

2.3 P-IBI与P-ibi评价结果比较

从P-IBI和P-ibi评价结果点位分布情况（见图5）可以看出，无论是丰水期还是枯水期，P-ibi评价结果均高于P-IBI，P-ibi评价结果为健康、较好和一般等级的点位数量明显多于P-IBI。丰水期P-IBI与P-ibi评价结果完全一致的点位数为18个，相差一个健康等级的点位数为29个，相差2个等级的点位数为11个，相差3个等级的点位数为2个。枯水期P-IBI与P-ibi评价结果完全一致的点位数为14个，相差一个等级的点位数为26个，相差2个等级的点位数为16个，相差3个等级的点位数为4个。P-IBI与P-ibi评价结果没有相差4个健康等级的点位。虽然两种评价方法存在一定差异，但超过70%的点位两种评价结果是一致或仅相差一个健康等级，枯水期两种方法评价结果的差异性要高于丰水期。

评价结果点位分布此外，用P-IBI评价结果在参照点位和受损点位做箱体图（见图6）对比分析，结果显示，无论丰水期还是枯水期，参照点位的箱体与受损点位的箱体完全不重合，表明P-IBI在参照点位和受损点位的数值相差较大。可以看出，参照点位P-IBI均值在0.4以上，根据表2健康分类标准，均在较好等级以上;受损点位P-IBI均值为0.2左右，表明多数点位处于较差水平。对P-IBI在参照点位和受损点位的评价结果进行非参数检验（Mann-Whitney U），统计结果显示，参照点位和受损点位的P-IBI值差异极显著（P<0.01），表明P-IBI可以较好地区分参照点位和受损点位水生态健康状况，与P-ibi评价结果相一致。对于参照点较难选取的流域，可以通过累计系数法构建生物完整性评价指数，对流域的水生态健康状况进行评价。

累计系数法在浮游植物生物完整性构建中应用较为广泛。Wu等[25]基于累计系数法构建浮游植物完整性指数对德国低地河流进行了健康评价，结果显示，点源污染是造成德国低地河流生态健康状况较差的主要原因，并且证实了浮游植物完整性指数可以作为有效的评价方法进行长时间序列的监测;Wu等[26]评价太湖流域水生态健康状况时应用累计系数法构建浮游植物完整性指数，并对比分析了浮游植物完整性指数和水环境质量指数评价结果的异同，结果表明，两个指数具有显著的相关性，浮游植物完整性指数的评价结果要低于水环境质量指数的。浮游植物漂浮于水体之中，与着生藻类相比，受环境因素影响更大，与环境因子的相关性更强，多数浮游植物生物参数的CoI值在0.02以上。着生藻类CoI值虽然普遍较低，但评价结果并没有因此受到很大程度的影响，表明应用累计系数法构建着生藻类完整性指数同样具有较好的适用性。

3 结 论

分别采取参照点对比法和累计系数法构建着生藻类生物完整性指数，对渭河流域水生态健康状况进行评价。结果表明参照点对比法构建的着生藻类生物完整性指数（P-ibi）评价结果普遍高于累计系数法构建的着生藻类生物完整性指数（P-IBI），但两种评价结果空间分布趋势基本一致，即渭河源头水生态健康状况较好，应重点保护;渭河下游、泾河流域以及北洛河上游水生态健康状况较差，应重点治理。非参数检验结果显示，P-IBI在参照点位的健康状况与受损点位具有显著差异，表明对于受人类活动干扰较大的流域，在参照点位选取困难的情况下，可以用累计系数法代替参照点对比法构建完整性指數，进行河流健康评价。

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【責任编辑 张 帅】