应用生物完整性指数评价钱塘江流域—浙江段水生态系统健康

肖善势，郝雅宾，刘金殿，张爱菊，王 俊，罗 伟，何海生，周志明

( 浙江省淡水水产研究所，中国水产科学研究院 东海水产研究所浙江研究中心，农业农村部淡水渔业健康养殖重点实验室，浙江省淡水水产遗传育种重点实验室，浙江 湖州 313001 )

钱塘江流域横跨安徽和浙江两省，流域面积5.56×104km2。钱塘江是浙江省第一大河流，对沿线城市的供水、渔业、灌溉、旅游等都具有重要的意义，因此其水质及水生态系统健康备受关注[1-4]。生物完整性是指支持和维护一个生物集合群体具有与区域性自然生境相对等的、均衡完整的、稳定的物种组成、多样性以及功能结构等特征的能力。而生物完整性指数则是基于生物完整性的评估水生态系统健康的一种指数，它可定量描述人类干扰与生物特性之间的关系，间接反映水生态系统健康受到影响的程度[5-6]。Karr[7]首次以鱼类为研究对象构建了生物完整性指数，随着研究发展，底栖动物[8-9]、着生藻类[10-11]、浮游细菌[12]、浮游植物[13-14]也逐步被用来构建生物完整性指数，并在国内外得到广泛的应用。

浮游植物作为水生态系统的初级生产者，是水生态系统重要的组成部分。其生长迅速且种类多，对水体变化反应敏感，而且不同种类对污染的耐受性不同[15]。因此，浮游植物指示种及其多样性指数常被用来进行水质评价。近年来利用浮游植物生物完整性指数对水生态系统健康进行评价的研究也逐渐增多，研究水域涉及河流(潭江[16]、长江[14]、大宁河[17]、上海市内河流[18]、八里河[13])、水库(浙江水库[19])、湖泊(Lake Erie[20]、太湖[21])以及海湾(Chesapeake Bay[22]、北部湾[23])，但是鲜见基于浮游植物生物完整性指数对钱塘江流域健康评价的报道。因此，笔者基于浮游植物群落结构和水质数据构建钱塘江流域—浙江段浮游植物生物完整性指数，并对其水生态系统健康进行评估，以期为该水域的管理以及水体的修复提供一定基础数据及理论指导。

1 材料与方法

1.1 断面设置

在钱塘江流域—浙江段共布设16个采样断面，具体采样断面分布见图1。钱塘江干流水域采样断面8个：钱江口、闻堰、富阳、桐庐、梅城、兰溪、衢州和千岛湖；支流采样断面8个：金华、永康、义乌、分水、诸暨、上虞、嵊州和开化。采样时间：2018年5月、7月、9月和12月。

图1 钱塘江流域—浙江段采样断面示意Fig.1 Study area and sampling sites in Qiantang River Basin-Zhejiang section

1.2 样本采集

1.2.1 浮游植物样品的采集

用采水器采集断面水深0.5 m处的水样3次，混合后取水样1 L，立即加入10～15 mL鲁哥氏液固定保存。静置沉淀24 h后，将水样浓缩至30 mL，在10×40倍显微镜下分类计数。浮游植物的分类参照《中国淡水藻类：系统、分类及生态》《浙江省主要常见淡水藻类图集：饮用水水源》《上海九段沙湿地自然保护区及其附近水域藻类图集》《中国内陆水域常见藻类图谱》[24-27]。

1.2.2 水体理化数据的采集

使用哈希便携式水质仪(Hach-HQ30D)现场测定水温、pH和溶解氧，采用透明度盘测定断面透明度。采集水样后立即用相应试剂进行固定，4 ℃保存，用于测定化学需氧量、总氮、总磷、氨氮、硝态氮和叶绿素a等指标。样品的采集、保存和运输参照HJ 493—2009《水质 样品的保存和管理技术规定》[28]，检测方法参照HJ/T 91—2002《地表水和污水监测技术规范》[29]，其中钱江口断面化学需氧量的测定采用高锰酸钾法，其他断面化学需氧量的测定则采用重铬酸钾法。

1.3 数据分析

本研究以综合污染指数(P)为主要依据，并结合野外调查获取的河道生态环境来选取参照断面，将P<0.4的采样断面初定为参照断面，其余断面初步定义为受损断面。P值按下式[30]计算：

式中，Ai代表第i种水质指标的监测值；Am为第i种水质指标的标准值[31]；n为水质指标种类数。

以浮游植物物种丰度、生物量、多样性、耐污性、硅藻评价指数等指标为依据构建钱塘江流域—浙江段浮游植物生物完整性指数，选取对水生态环境变化较为敏感的37个参数作为候选参数(表1)。首先，对所有参数进行分布范围分析，剔除95%以上的断面值为零的参数[11]；其次，采用Mann-Whitney非参数检验法进行判别能力检验，当P<0.05时，认为该参数能够有效区分参照断面和受损断面；最后，对通过判别能力分析的参数进行Spearman相关性检验，以降低冗余性。若两个参数显著相关(|r|>0.75)，原则上保留包含群落信息较多的一项[32-33]。

表1 钱塘江流域—浙江段浮游植物生物完整性指数候选参数Tab.1 The candidate metrics for Phytoplankton Index of Biotic Integrity (P-IBI) in Qiantang River Basin-Zhejiang section

用比值法计算核心参数的分值。若参数数值与干扰强度成负相关，则其参数得分为参数值除以95%分位数；否则其参数得分为：(最大值-参数值)/(最大值-5%分位数)。将所有参数得分相加得到各监测断面的浮游植物生物完整性指数。以所有断面浮游植物生物完整性指数分值的95%分位数作为健康标准值[34]，当断面浮游植物生物完整性指数大于标准值时，代表该断面处于健康状态；若断面浮游植物生物完整性指数值小于标准值，则将标准值做四等分，按值的大小依次划分为中等、一般、差、极差4个等级。

应用PRIMER 5.0计算浮游植物多样性指数以及均匀度指数等参数数值；在SPSS 20.0中进行非参数检验分析和Spearman相关性分析；采样断面分布图采用ArcGIS 10.0进行绘制。

2 结果与分析

2.1 浮游植物群落结构特征

调查结果显示，钱塘江流域—浙江段16个监测断面共有浮游植物196种(属)，分属蓝藻门、硅藻门、隐藻门、裸藻门、甲藻门、绿藻门和金藻门7个门类。其中，硅藻门为82种(属)，占总物种数的41.84%；绿藻门为66种(属)，占总物种数的33.67%；蓝藻门为22种(属)，占总物种数的11.22%；裸藻门为14种(属)，占总物种数的7.14%；甲藻门为6种(属)，占总物种数的3.06%；隐藻门为5种(属)，占总物种数的2.55%；金藻门仅有1种——分歧锥囊藻(Dinobryondivergens)，占总物种数的0.51%，该种仅在嵊州断面检出。综上，钱塘江流域—浙江段浮游植物种类组成表现为硅藻+绿藻型。金华断面浮游植物种类数最多，为78种(属)；其次是义乌断面，为71种(属)；开化和钱江口断面物种数最少，仅40种(属)。钱塘江流域—浙江段16个监测断面共有优势种34种，在年际维度上钱塘江流域优势种主要有颗粒直链藻(M.granulata)、颗粒直链藻最窄变种(M.granulatavar.angustissima)、普通小球藻(Chlorellavulgaris)、卵形隐藻(Cryptomonsovata)等。

2.2 评价体系

2.2.1 参照断面的确定

研究结果显示，开化采样断面综合污染指数<0.4，可作为参照断面；千岛湖采样断面处于水产种质资源保护区，受干扰较小，因此将其作为参照断面；钱江口断面临近江海交汇处，河口宽阔受潮水影响较大，浅滩处芦苇等水生植物覆盖率较高，故其也设置为参照断面。

2.2.2 参数的筛选

统计发现，37个参数中仅“颤藻目丰度”及“颤藻目丰度占比”2个参数各7个采样断面为0，因此所有参数均进入下一阶段筛选。Mann-Whitney非参数检验结果(表2)表明，可区分参照断面和受损断面的参数有：藻类总物种数、Margalef丰富度指数、甲藻和隐藻丰度、硅藻相对丰度、硅藻商、硅藻和绿藻相对丰度以及桥弯藻属相对丰度。饶钦止等[35]发现，随着水体富营养化的加剧，武汉东湖自20世纪50年代至70年代，浮游植物属的数目急剧下降。然而一定程度的水体富营养化，附石藻类物种数却有增多的趋势[36]。除此之外，浮游植物物种数也会受到水温、透明度以及pH的影响。故将藻类物种数和Margalef丰富度指数两项参数剔除。对以上参数进行Spearman相关性分析(表3)，发现5个参数之间相关系数|r|均小于0.75，参数之间不存在显著相关性。故最终构建钱塘江流域—浙江段浮游植物生物完整性指数的参数有：甲藻和隐藻丰度、硅藻相对丰度、硅藻商、硅藻和绿藻相对丰度和桥弯藻属相对丰度。

表2 Mann-Whitney非参数检验结果Tab.2 Result of Mann-Whitney test

表3 各参数的Spearman相关性分析结果Tab.3 The Spearman correlation analysis among metrics

2.3 钱塘江流域—浙江段水生态系统健康评价结果

钱塘江流域—浙江段浮游植物生物完整性指数核心参数的分布范围描述和计算公式见表4。以所有断面浮游植物生物完整性指数的95%分位数即4.779作为健康标准值，健康等级划分见表5。结果表明，在钱塘江流域—浙江段16个采样断面中，开化断面浮游植物生物完整性指数最高，处于健康状态；永康断面、千岛湖断面和钱江口断面处于中等健康状态；其次，健康评价等级为“一般”的断面有9个，分别为衢州、义乌、金华、兰溪、梅城、分水、桐庐、嵊州和上虞断面；水生态系统健康等级为“差”的断面有富阳、闻堰和诸暨3个断面，其中诸暨断面浮游植物生物完整性指数最低，仅2.019(图2)。综上所述，健康等级在一般及以下的断面有12个，占比为75%。

表4 浮游植物生物完整性指数核心参数的描述及计算Tab.4 Description and calculation of P-IBI metrics

表5 钱塘江流域—浙江段水生态系统健康评价等级Tab.5 Evaluation level of ecosystem health in Qiantang River Basin-Zhejiang section

图2 钱塘江流域—浙江段各采样断面水生态系统健康评价结果Fig.2 Results of aquatic ecosystem health assessment in Qiantang River Basin-Zhejiang section

3 讨 论

3.1 钱塘江流域—浙江段水生态系统健康现状及其浮游植物生物完整性指数的适用性

笔者通过筛选得到5个核心参数，构建了浮游植物生物完整性指数并对钱塘江流域—浙江段水生态健康进行评价。研究结果显示，钱塘江流域—浙江段上游及江口处生态健康状态较好，中下游生态健康状况偏差。16个断面中仅开化断面处于健康状态，千岛湖断面处于中等健康状态，可能是由于两处断面均处于山区，人口密度小，森林覆盖率高，受人类干扰相对较小。钱江口断面处于“中等”健康状态，可能与较高的水生植物覆盖度及钱塘江潮水有关。受损断面中也有浮游植物生物完整性指数较高的断面，如永康断面被评为中等健康状态。但是从水质理化指标来看，其总氮、总磷含量高于标准值，分析可能是该断面的透明度或者水温等其他水体因子限制了浮游植物的繁殖，使得浮游植物群落结构相对合理，最终浮游植物生物完整性指数较高[37]。富阳、闻堰和诸暨断面浮游植物生物完整性指数较低，水生态系统健康处于“差”这一等级，浮游植物丰度较高，尤其是诸暨断面达到了4.2×105个/L。可能由于3处断面处于城市人口密集江段，航运繁忙，受城市污水及工业污水影响较大，同时河岸均经过人为修整，岸边水生植物覆盖度较低，导致其健康状态较差。其他断面健康状态均为“一般”，表明钱塘江流域—浙江段水体受损程度较轻，但受损面较大，应进一步提高工业、农业和生活污水的处理能力，降低江段污染负荷。对于受损程度较大的部分江段还应采取一定的水体修复措施，如在修砌河岸的江段增设生物浮床，在河岸未被破坏的江段增植水生植物进行水体修复，避免其水体进一步恶化。

不同的研究区域筛选得到的构建浮游植物生物完整性指数的参数也有所不同。本研究结果与长江上游河流浮游植物生物完整性指数[14]及太湖浮游植物生物完整性指数[21]相比，核心参数中均包含“硅藻相对丰度”；同大宁河浮游植物生物完整性指数[17]相比仅有“甲藻和隐藻丰度”一项相同的参数；同德国平原河流浮游植物生物完整性指数[38]以及北部湾浮游植物生物完整性指数[23]相比均无相同核心参数。由此可见，河流、湖泊和海湾浮游植物生物完整性指数的核心参数相差甚远，即便同为中国境内的河流，也因地区生境、土地利用方式、气候、人口数量等的不同而不同，故浮游植物生物完整性指数的适用范围较窄。建议针对不同的研究水域构建不同的浮游植物生物完整性指数评价体系。

3.2 参照断面的选择

生物完整性指数构建的核心是参照断面的选择，基于不同的参照断面筛选得到生物完整性指数核心参数也会不同，最终可能导致失实的评价结果，影响对水域生态的管理、治理。针对不同的研究区域，采用的筛选方法也有所不同，有以水域周边土地利用方式、生态环境质量和水体理化因子来筛选参照断面[33]；有通过环境和生物的历史数据设定参照断面[39]；也有利用水质数据和指示生物的群落组成数据，计算综合污染指数和多样性指数来区分参照断面和受损断面[13,40]；也有结合百分比模式相似性指数与水质综合标准在Ⅲ类以上两项指标断定参照断面[41]。除此之外，采样断面的数量以及其中参照断面的多寡也会对参数筛选以及评价结果产生直接的影响。但有文献资料显示，参照断面的数量因不同的研究区域以及研究区域面积的大小相差明显[36,42-46]，采样断面和参照断面的数量并没有明确标准。在缺乏钱塘江流域—浙江段历史数据前提下，笔者基于钱塘江流域—浙江段新安江大坝泄洪以及钱塘江口大潮等特殊影响因素，通过综合污染指数法和断面周围生境特性来确定参照断面。共选取开化、千岛湖和钱江口3个参照断面，有效地对钱塘江流域—浙江段的水生态系统健康进行了评估。但参照断面的数量相对较少，可能对健康评价标准的准确性有所影响。为了更科学准确地评价水域生态系统健康状况，采样断面的设置应结合点源、面源污染情况，参照断面的选择也应尽可能合理。

3.3 浮游植物生物完整性指数的构建

相比于鱼类生物完整性指数及底栖动物生物完整性指数，浮游植物生物完整性指数的应用相对较少，候选参数的研究也略显薄弱。然而参数的筛选对评价体系的建立却十分重要，直接决定了水生态评价的准确性。在诸多因素的影响下，有时筛选的参数未必能反映采样断面的真实情况。本研究中，参照断面藻类总物种数显著低于受损断面物种数。实际上开化和千岛湖采样断面处于山区，人为干扰较小，藻类生长所需的营养盐含量少，导致藻类物种数较少[11]。整体上浮游植物种类随着污染加剧会越来越少，甚至为0[15]，但是在富营养化水平较低时藻类物种数的变化并不能一概而论[35-36]，因此，笔者将藻类物种数排除在外，最终得到5个构建钱塘江浮游植物生物完整性指数的参数。

谭巧等[14]认为，浮游植物随江水漂流，不同于水库和湖泊生境，其不能较好地反映江河采样断面长期的生态健康状况。因此在构建浮游植物生物完整性指数时，采样时间及采样频次的设定显得尤为重要。不同的藻类，生长繁殖的最适水温不同，而水温又受季节的影响。据文献报道，水温较高的夏季，往往绿藻和蓝藻占优势；水温较低的冬季适合硅藻、甲藻和隐藻的生长[35,47]。因此，季节更替可间接影响浮游植物群落结构。同时，在河流底栖动物生物完整性指数的研究中，有学者认为将同一采样断面不同季节的数据进行平均处理是有益的[48]，采用多次采样数据、多个季度或者年际间的数据构建生物完整性指数可使评价体系更加科学、合理[10,49-50]。笔者在钱塘江流域—浙江段设置16个采样断面，涵盖整个干流及重要支流，共计4次采样，以每个断面的年平均数据构建浮游植物生物完整性指数，降低了因季节变化带来的浮游植物群落结构改变对水生态系统健康评价体系的影响。

4 结 论

研究共筛选得到5个核心参数：甲藻和隐藻丰度、硅藻相对丰度、硅藻商、硅藻和绿藻相对丰度和桥弯藻属相对丰度，并以此构建了浮游植物生物完整性指数。结果显示，富阳、闻堰和诸暨3个断面受损较重，可能是这3个江段受人为干扰较大，污染较重。整体上，12个断面健康等级在“一般”及以下，占比为75%，说明钱塘江流域—浙江段水体受损程度较轻，但受损区域面积大。该评价体系能够区分参照断面和受损断面的健康状态，可以较好地反映钱塘江流域—浙江段水体的健康状况。同时，对受损江段应采取措施如增植水生植物、增设生物浮床等进行水体修复并加强污水处理能力以及污水排放管理。