基于浮游藻类生物完整性指数的永安河小流域健康评价

吕立鑫 王继华 祝亚楠 隋海潮 任氢欣 陈爽 车琦 崔红

摘要 [目的]根据2018年夏季对常州市永安河小流域10个样点进行浮游藻类及环境因子的监测，运用生物完整性的方法和理论，构建夏季永安河小流域浮游藻类生物完整性指数，评价夏季永安河小流域水生态健康状态。[方法]采用文献调查法筛选确定参照河流及参照点，对20个候选指标进行分布范围筛选、判别能力分析、参数间相关性分析等。[结果]获得了永安河小流域丰水期 P-IBI 指数的 5 个核心指标：藻类属的总数、硅藻属数量比例、小环藻属密度百分比、细小平裂藻属细胞密度和蓝藻门密度百分比。采用比值法统一各参数的量纲，累加后得到丰水期太湖 P-IBI 分值，并划分健康评价标准。[结论]应用 P-IBI 对研究区域水生态进行评价，1个样点评价结果为健康，7个样点评价结果为亚健康，2个样点评价结果为一般。

关键词 浮游藻类;生物完整性指数;永安河小流域;健康评价

中图分类号 X826 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2021）01-0048-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.01.013

Abstract [Objective]According to the monitoring of planktonic algae and environmental factors of 10 samples in the Yongan River small watershed in Changzhou City in summer 2018， the biological integrity method and theory were used to construct the biological integrity index of planktonic algae in the Yongan River small watershed in summer to evaluate the health status of aquatic ecology in the small watershed of Yongan River. [Method]The literature survey method was adopted to determine the reference rivers and reference points， and the 20 candidate indicators were screened for distribution range， discriminant analysis and correlation analysis. [Result]Five core indicators of the P-IBI index in the Yongan River small watershed during wet season： the total number of algae， the proportion of diatoms， the percentage of density of Cyclotella， the cell density of Schizophyllum， and the percentage of density of Cyanophyta. The ratio method was used to unify the dimensions of each parameter. After accumulation， the P-IBI score of Taihu Lake in wet season was obtained， and the health evaluation criteria were divided. [Conclusion]P-IBI was used to evaluate the aquatic ecology in the study area. One sample evaluation result was healthy， 7 sample evaluation results were sub-healthy， and 2 sample evaluation results were general.

Key words Planktonic algae;Biological integrity index;Yongan River small watershed;Health assessment

生物完整性指數（index of biotic integrity，IBI）由Karr在1981年提出，并以鱼类作为研究对象成功建立[1]。随后这一评价体系被广泛应用于大型底栖动物、周丛生物、浮游生物和大型水生植物等水生生物类群中[2-7]。IBI指数在流水和静水等不同水体评价中的应用效果以及在管理实践中的作用也得到越来越多学者的认可[8-11]。

浮游藻类是水体生态系统初级生产者，其群落直接影响上层食物链结构及整个生态系统的稳定，利用浮游藻类生物完整性指数（phytoplanktonic index of biotic integrity，P-IBI）评价水生态健康的研究已有报道。Li等[12]利用水坝建立前后浮游植物群落调查结果，选用丰度、多样性、生物量和营养状态这4个类别共16个候选参数构建P-IBI并对水生态健康状况进行评价，结果表明，水坝建成后，点位P-IBI指数值锐减，P-IBI可以较好地反映水坝对河流水生态健康的影响;Johnson等[13]研究表明，其构建的P-IBI指数对样点的营养和光线差异敏感;Kane等[14]利用1970年和1996年伊利湖浮游生物调查数据，选用13个候选参数构建浮游生物完整性指数，并依此评价伊利湖水生态健康状况演变，评价结果显示：伊利湖在1970年时水生态健康状况较好，而在1996年进行监测时发现生态状况开始逐渐变差，评价结果与水体营养水平变化一致。但目前国内外更多的是利用IBI评价湖泊和溪流等流水水体，对湿地、城市河流等水体研究较少。

该研究基于IBI评价的发展成果，以2018年夏季永安河小流域为例，从恢复初期的城市河道入手，以浮游藻类从群落丰富度、群落多样性和群落结构3个方面选取指标进行筛选，研究在生态恢复初期城市河道中P-IBI指数的构建方法，探讨其在城市河流评价中的应用效果，以期为城市河流水生态系统恢复、健康评价和科学管理提供数据支持与案例基础。

1 材料与方法

1.1 研究区域与样点布设

常州属于季风副热带海洋性气候。全年四季分明，其中春夏温暖潮湿，雨水充足。永安河位于常州市武进区境内，属太湖流域武澄锡虞区骨干调节河道，汇水经太滆运河入太湖，全长19.8 km。永安河庙桥段位于庙前北路西侧，北起武南河，南至夏城路，在新桥西侧与十字河交汇。十字河是永安河上的一条重要支浜。河道北岸大庆桥至东环桥段为石驳岸，其他岸坡均为自然驳岸。塘门浜是一条镇级河道，为永安河上另一重要支浜。河道两侧驳岸均为石驳岸。

研究于2018年对永安河小流域进行水体理化因子和浮游藻类的监测。十字河全长2.1 km，由于存在生活污水和工业污水排污口，污染源较为密集，因此按河段长度间隔500 m设置1个采样点，采样点编号为1～5，其中3为十字河与永安河交汇处;塘门浜上存在排污口，也属于断头浜，间隔500 m设置1个采样点，采样点编号为6～7;永安河上下游各设置1个采样点，考虑供水和出水共布设3个采样点，编号8～10。具体点位设置如图1所示。

1.2 样品采集与处理

水样：现场采集，4 ℃保存，参照《水和废水监测分析方法》在规定时间内完成温度、电导率、溶解氧、氨氮、总磷、化学需氧量和叶绿素的测定。

浮游藻類定量样品：用有机玻璃采水器采集水深0～0.5 m 处水样 1 L，现场加入15 mL鲁哥氏液并摇匀，带回实验室静置沉淀48 h后浓缩并定容至30 mL后镜检。

浮游植物：参照《中国淡水藻类》《中国淡水藻类系统、分类及生态》等[15-18]，保证结果准确性的前提下鉴定到尽可能低的分类单元。

1.3 P-IBI 指数构建

P-IBI 指数的构建方法包括 4 个步骤：

①构建参照系统、设定参照点;

②获取采样点生物、环境数据;

③筛选候选生物参数：采用分布范围分析、判别能力分析、Pearson相关性分析得到生物学意义清楚且对干扰反应敏感的参数;

④将参数统一量纲并划分区间，得到样点健康状况评价标准。

2 结果与分析

2.1 浮游藻类群落结构特征

对研究区域10个样点的浮游藻类组成进行研究。鉴定出浮游藻类441个分类单元，隶属于7门10纲17目23科74属。浮游藻类种类组成如图2所示，其中绿藻门40属，在种类总数中占比最高，为54.05%;蓝藻门为12属，在种类种数中所占比例仅次于绿藻门，为16.22%;硅藻门11属，在种类总数中所占比例14.86%;裸藻门为5属，在种类总数中所占比例6.76%;隐藻门3属，在种类总数中所占比例4.05%;金藻门为2属，在种类总数中所占比例2.71%;甲藻门1属，在种类总数中所占比例1.35%。综合浮游藻类种类组成发现，种类数最多的是绿藻门，其次为蓝藻门，之后为硅藻门，其他浮游藻类种类数较少。

浮游藻类相对丰度如图3所示。由图3可知，1号、3号、4号、7号、9号和10号样点相对丰度最大的3个属均为细小平裂藻（Merismopedia minima）、螺旋藻属（Spirulina）和小颤藻（Oscillatoria tenuis）;2号样点相对丰度最大的3个属为螺旋藻属、巨颤藻（Oscillatoria princes）和细小平裂藻;5号样点相对丰度最大的3个属为小颤藻、小环藻（Cyclotella）和细小平裂藻;6号样点相对丰度最大的3个属为小颤藻、伪鱼腥藻（Pseudoanabaena sp.）和实球藻（Pandorina morum）;8号采样点相对丰度最大的3个属为小颤藻、细小平裂藻和伪鱼腥藻。

2.2 参照点的确定

研究区域处于生态恢复初期阶段，短时间内难以达到良好、稳定的健康状态，为了评价体系构建的客观性和全面性，选取地理条件较好、气候条件相似的河流作为参照河流。

通过调研与实地踏勘，结合已有研究基础以及当地环保部门提供的建议，选择位于常州市连通长荡湖和滆湖的、水质相对较好的北干河作为参照河流（图4）。北干河作为景观湖库区河道，平均河底宽约10 m，平均水面宽约30 m，是全市主要引排调蓄河道，具有涵养水源、净化水质的功能，有较高的经济、社会和生态价值。岸坡栽种铺植黄菖蒲、阳江狗牙根、赣北假俭草等近20种植物，面积为2 600多m2。岸带和水体已经形成了相对稳定的可良性循环的生态系统。

2.3 候选指标的筛选

2.3.1 候选指标的分布范围。

参照国内外浮游植物生物完整性指数研究实例[19-20]，结合浮游藻类监测结果，对永安河小流域进行指标选择。由于不同种类个体所含有的细胞数不同，对整个群落的作用也存在差异，分别计算α-多样性指数等数值，并作为独立的候选参数。该研究以浮游藻类为研究对象从群落丰富度、群落功能和群落3个方面进行指标筛选，根据分布范围分析确定了20项藻类指标（M1～M9：群落丰富度，M10～M17：群落功能，M18-M20：群落结构）（表1）。

2.3.2 候选指标判别能力分析。

通过分布范围分析的候选指标需进行判别能力分析，以确定参数可以很好地区分出参照点和受损点。判别能力分析方法常用的有箱线图法和Mann-Whitney非参数检验法[21-22]。该试验采用箱线图法比较参照河流和研究区域20项候选指标（图5），剔除8项与参照河流相似程度高的指标，保留12项浮游藻类指标：M1、M2、M3、M6、M8、M10、M14、M15、M16、M18、M19和M20，进行下一步筛选。

2.3.3 候选指标Pearson相关性分析。

通过判别能力分析得到的候选指标需进行Pearson相关性分析，以检验各指数所反映的信息的独立性，避免冗余。由表2可知，M1、M2与M3、M6、M14、M15、M16均呈现极显著正相关，且M1、M2之间呈极显著关系，因此剔除M1、M2;M3包含信息量较大，予以保留;M15、M16与M3、M6、M14存在极显著关系，且M15、M16之间呈极显著正相关，剔除M15、M16;M8与M10、M18、M19、M20呈极显著关系，其不具有独立性，剔除M8;M18与M19呈极显著负相关，M19与M20呈极显著负相关，因避免指标存在冗余和重复的情况，保留M19、剔除M18与M20。

根据筛选结果，确定M3（藻类属的总数）、M6（硅藻属数量比例）、M10（小环藻属密度百分比）、M14（细小平裂藻属细胞密度）、M19（蓝藻门密度百分比）5项指标构建夏季永安河小流域P-IBI指数。

2.4 分值计算与P-IBI健康标准建立

筛选得到的指标需进行换算统一各参数的量纲。研究采用比值法，对于干扰越强指标值越低的，以该指标在所有样本95%分位数值作为最佳值，该指标分值等于指标值除以最佳值;对于干扰越强指标值越高的，以5%分位数值作最佳值，指标计算方法：（最大值-指标值）/（最大值-最佳值）。按表3公式计算各参数分值，将各参数分值累加，即通过P-IBI=M3+M6+M10+M14+M19计算P-IBI，得到永安河小流域丰水期的P-IBI分值，用于后续评价体系计算。

选用所有点位P-IBI值的95%分位数为最佳值，将最大值代入到标准化公式，计算5等分的差值，再在95%分位数下进行等级的划分，分别对应健康、较好、一般、差和极差5个等级，如表4所示。

2.5 永安河小流域丰水期P-IBI健康评价结果

评价结果见表5，10个样点中1个为健康，7个为亚健康，2个为一般。永安河小流域上游段的评价结果最好为健康，永安河小流域的中段、十字河下游河段、塘门浜支流较上游次之为亚健康，在支流十字河的评价中，西十字河好于东十字河为亚健康。

2.6 夏季永安河小流域P-IBI指数与环境因子相关性分析

将丰水期永安河小流域P-IBI指数、核心指标、环境因子，进行Spearman相关性分析（表6）。

溶解氧与P-IBI呈显著负相关性，同时也与细小平裂藻屬细胞密度呈显著负相关。总磷浓度与P-IBI呈显著正相关，同细胞密度是随干扰增强而变大的指标。当水体受到有机或无机物质污染时，溶解氧含量会有所降低。研究区域水体受到干扰，溶解氧含量降低，导致浮游藻类生长繁殖所需的氧含量降低，进而导致浮游藻类种类数量减少。总磷浓度与细小平裂藻属细胞密度显著正相关，推测其原因可能是在一定条件下总磷含量的上升对浮游藻类的生长起到促进作用，这也与刘珍妮等[23-24]的研究结果一致。叶绿素a与P-IBI呈极显著负相关，同时也与小环藻属密度百分比、蓝藻门密度百分比呈极显著负相关。蓝藻门密度百分比是随着干扰增大而下降的指标，蓝藻在水体中过量增殖，往往形成“水华”。城市河道中含有较多的营养物质，特别是氮、磷，导致蓝藻的大量增殖，使水色蓝绿而浓浊;死亡分解时，散发出腐臭、腥臭气味，使水质变坏。浮游藻类群落随叶绿素a含量的变化而变化。

3 讨论

永安河小流域由于在2018年年初进行换水疏浚等相关工程，并在河道上面进行与河流治理及恢复相关的示范工程，所以城市河道处于受人工干扰后恢复初期阶段，因此藻类、底栖动物、鱼类等均出现一个种类数量少于自然河道的情况，且浮游藻类生长与温度存在正相关，由于监测时间为2018年8月，属于夏季，此时为河道中浮游藻类生活繁衍提供了有利的环境条件。该研究只选用夏季永安河小流域监测数据，旨在尽可能多地减少外部环境条件差异，同时避免藻密度权重如何确定等未有相关研究成果的因素干扰，尽可能提高P-IBI指数评价结果准确性，反映P-IBI指数在城市河流中的应用效果，科学地反映永安河小流域水生态健康状态。

4 结论

（1）永安河小流域在夏季绿藻门种属数最多，共40属，甲藻门种属数最少，仅1属;10个采样点中共有7个采样点相对丰度较大的为小颤藻和细小平裂藻。

（2）在研究区域内永安河小流域上游段的评价结果最好;永安河小流域的中段及十字河下游河段评价结果同塘门浜支流评价结果均较上游次之，健康评价结果为亚健康;在支流十字河的评价结果中，西十字河评价结果好于东十字河，评价结果为亚健康。

（3）与夏季永安河小流域浮游藻类完整性指数（P-IBI）呈极显著负相关的为叶绿素a，呈负相关的为溶解氧，呈显著正相关的为总磷。

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