浮游植物完整性指数与水体富营养化相关性研究——以漳泽水库为例

杨锐婧，冯民权

(西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，西安 710048)

0 引 言

在20世纪之前，关于水环境水生态状况的评价已经进行了大量研究，并在物理、化学指标的基础上研究出了许多指数，这些指数在生物完整性指数被开发前广泛应用于水生态健康程度的评价。最初在1907年Weber利用贫营养—中营养—富营养进行水环境状况的描述，而后逐渐将TN、TP、Chl-a等应用于该指标，至今发展出将总氮、总磷、高锰酸盐指数、叶绿素a、透明度应用于该指标的综合营养状态指数法，并且在水生态系统的评价中发挥了广泛的作用[1]。在研究水环境营养状态的同时，生物多样性指数也被应用于水生态状况分析[2],但是其无法完整反映水生态系统及生物自身生长的健康状况。

生物完整性用以描述多重环境因子作用下生物群落维持稳态的能力，不仅体现了生物自身生存状态，也反映了生物生存环境的质量[3-6]。生物完整性主要通过生物完整性指数(IBI)来表征，IBI的构建最初以鱼类为研究对象，经过多年的发展，评价方式已由单因子转为了多因子。利用不同的指标进行生物完整性评价也被广泛地应用到海洋、河流、湖泊等水源地，其中包括鱼类[7-8]、底栖动物[9-10]、微生物[11-12]、细菌[13-14]以及浮游生物[15-16]等。浮游植物在水环境中承担生产者的角色，对水环境的物质循环与能量流动起着重要作用，且其在水环境中分布广、种类多，生活周期短，对所处环境变化较为敏感，因此，在生物完整性评价中被选用[17-18]。Wu N等[19]、黎明民等[20]、蔡琨等[21]先后在河流、海湾以及湖泊建立了适宜的P-IBI体系。

富营养化评价方法作为传统的评估生态系统方法，早在生态完整性评价体系发展之前就得到广泛的应用，但关于P-IBI与营养状态之间的关系较少被人关注。Kanea D D等[22]建立适合伊利湖的P-IBI体系，表明P-IBI指标可以区分水环境营养状态。沈强等[23]采用浮游生物完整性指数(P-IBI)评价方法对浙江省4座大中型水库水源地的生物完整性进行评价，评价结果能够较好地反映浙江省水源地富营养化等生态健康状况。Lacouture R V等[16]研究认为P-IBI作为一种管理工具，可以评估与水环境营养状态相关的浮游植物群落结构状态。关于浮游植物完整性评价与富营养化之间关系多是简单叙述，并无聚焦于两者之间的定量分析说明。

本研究基于2019年3个月的浮游植物数据调查，建立了适合的P-IBI评价体系，同时基于水质数据进行营养状态评价，而后分析了水库生态健康程度及其与富营养化、环境因子的相关关系，明确P-IBI体系反映水体富营养化程度的能力，以期为生态健康评价体系及水生态的保护管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

漳泽水库位于长治市，是浊漳河南源干流上的一座以工业与城市供水、灌溉、防洪为主，兼顾养殖和旅游等综合利用的大型多年调节水库。水库控制流域面积3 176 km2，总库容4.27×108m3，是一座大(Ⅱ)型水库。浊漳河南源为漳泽水库的主要水源，浊漳河途中流经村镇、农业用地，且被途中的工矿区及乡镇企业严重污染，承担了大量工业、农业、生活废水，形成了以氮、磷为主要污染物及水质限制因子的现状，且浊漳南源为污染物主要集中地。漳泽水库长期接纳浊漳南源带来的污染水源以及自身养殖产生的污染，造成水库水质不断恶化，以浊漳南源入库口的氮磷污染最为严重，呈现了劣Ⅴ类水质；同时浊漳河带来了大量泥沙，造成水库透明度较低。漳泽水库不但水质较差，而且呈现了富营养化现象并处于逐渐加重的趋势，已由2012年的轻度富营养化发展为中度富营养化。由此可见，漳泽水库的水生态状况已经受到了严重威胁，对漳泽水库进行水生态健康评价是具有现实意义的。

1.2 样品采集与分析

本研究于2019年7月17日、10月15日、11月9日沿漳泽水库自坝前至库尾的方向进行水样采集，其中3个月平均水温分别为26.5 ℃、14 ℃、12.4 ℃，7月时开闸放水，10月采样时伴有小雨及风浪。参考漳泽水库废水排放、地形条件等情况，在漳泽水库共布置10个采样点进行浮游植物与水库理化指标的检测，其中S1(坝前)、S2(发电厂排水口)、S3(湖心岛)、S6(绛河入库口)、S10(浊漳南源入库口)，其余点均匀布置，10个采样点的具体位置见图1。10个采样点S1-S10的平均水深分别为8.7、8.3、6.1、3.5、4.3、2.6、2.9、2.5、1.5、0.9 m。

图1 采样点布置

利用采样器在水面下0.5 m处采集水样置于玻璃瓶中，24 h内进行总氮(TN)、总磷(TP)、高锰酸盐指数(CODMn)、叶绿素a(Chl-a)检测，检测方法参考《水和废水检测分析方法》[24]，透明度(SD)为现场测定。关于浮游植物的采集，利用有机玻璃采样器进行。当采样点水深小于5 m时，于水面下0.5 m处采集水样；水深大于5 m、小于10 m时于水面下0.5 m处以及透光层底部进行采样，制成混合水样。将采集的样本放于棕色瓶中运回实验室，取1 L水样用15 mL鲁哥氏液固定48 h，利用显微镜进行观察计数，各种藻类的生物量是通过单个浮游植物的重量与该种藻类对应的细胞密度的乘积得到的，单个浮游植物的重量由中国科学院水生生物研究所提供。

1.3 P-IBI评价标准构建

1.3.1 候选指标的选取

多样性指数、均匀度指数、丰富度指数可以较为直观地反映浮游植物群落结构状况，是生态评价的基础。根据研究实例[21,25]与检测到的浮游植物实际情况进行参数的选择，所选的参数要尽可能地反映浮游植物的群落结构、多样性。本研究初步选择了47个候选参数(表1)，关于水华藻类与长度藻类，样本中仅检测出鱼腥藻一种，关于敏感种、耐污种、不可食藻类无明确的说明，因此M41-M47候选指标不予采用。

表1 47个候选生物参数

1.3.2 参照点与受损点选择

参照点和受损点的选择对评价系统建立至关重要，目前关于参照点与受损点的选择并没有统一的标准。Lacouture R V等[16]表明受损的生境通常表现出了较高的溶解性无机氮(DIN)、PO43-浓度和较小的透明度。漳泽水库库尾部分(S9、S10)水质为劣Ⅴ类水，总氮、总磷严重超标且透明度较低，因此将S9、S10设为受损点，其余8个采样点为参照点。

1.3.3 候选参数筛选

候选参数的筛选主要通过判别能力分析与相关性分析进行。判别能力分析通过箱体图进行，选择参照点与受损点差异性较为显著的指标，即参照点与受损点中位线不位于对方箱体内(IQ>2)。相关性分析是考察参数之间的重叠程度，可剔除相关性较强、重复的指标，计算各参数之间的相关系数，|r|>0.75表示两者之间相关性显著[26]，结合相关系数以及指标类型等进行最终指标的选择。

1.3.4 浮游植物完整性指数的建立

P-IBI分值计算前需要将各指标量纲统一，量纲统一方法包括3分法、4分法、比值法，相比之下比值法的结果更精确[21]，因此本研究采用比值法进行计算。比值法的计算与参数指标随干扰强度的变化情况有关，指标值随干扰减小，计算方法为：以所有采样点参数值的95%分位值为最佳值，参数分值为参数值/最佳值；指标值随干扰增大，以5%分位值为最佳值，参数分值计算方法为(最大值-参数值)/(最大值-最佳值)。按上述方法进行参数分值计算，若分值大于1则记为1，将所有参数分值相加得到各采样点的P-IBI分值。以各采样点P-IBI分值的95%分位值为最佳值，在最佳值范围内进行4分，将4分后的分值范围从大到小依次评价为健康、中等、一般、差和极差。

1.4 数据处理

利用excel 2013进行原始数据的计算，折线图、柱状图、箱体图的绘制在origin 9.0中进行，相关性分析利用R-3.6.1中的corrplot程序包进行，利用R-3.6.1画出的Spearman相关性图可以从图形的颜色以及大小直观、准确地反映相关性强弱。P-IBI分值与综合营养状态指数以及环境因子之间的相关性利用canoco5.0进行。

2 结果与分析

2.1 综合营养状态指数评价结果

2.1.1 漳泽水库水质理化指标

用于漳泽水库富营养化评价的5个理化指标见表2。由表2可见，沿着采样点方向，各理化指标有较大差别。TN、TP、CODMn沿采样点方向大致呈现增加的趋势，分别为0.68～7.17 mg·L-1、0.04～0.31 mg·L-1、3.8～5.7 mg·L-1，浊漳河水质较差，流入水库后库尾部分采样点各值明显高于其它采样点，由均值可见，人为活动的影响及雨水的冲刷导致7月的营养盐水平高于其它两月。Chl-a为48.6～209 mg·m-3，各采样点的大小不断波动，较高的营养盐水平及温度导致7月的藻类生长旺盛，从而叶绿素a含量较高。漳泽水库为浅水型水库，自坝前至库尾水深逐渐变浅，水库透明度(SD)为0.18～0.74 m，坝前采样点(S1、S2)透明度较高，沿着采样点方向有逐渐降低的趋势，库尾部分由于浊漳河带来的泥沙及较高的藻密度导致透明度较低。

表2 漳泽水库水质理化指标

2.1.2 富营养化评价结果

综合营养状态指数评价参考文献[1-2]进行，评价结果见图2，由图2可见，水库的营养状态指数为54.82～74.61，评价结果在轻度、中度以及重度富营养化均有分布。3个月中有63.3%的评价结果为轻度富营养化，中度、重度富营养化的比例分别为26.7%和10%。7月富营养化最为严重，11月富营养化程度最轻。沿着采样点方向，富营养化呈现加重的趋势，在S1～S8采样点综合营养状态指数变化不大，库尾区域营养盐丰富、藻类生长旺盛，因此库尾采样点富营养化程度尤为严重。

图2 各采样点综合营养状态指数评价结果

2.2 浮游植物概况

调查期间，共检测到浮游植物7门57属135种。在3个月中绿藻门占据浮游植物群落的主导地位，检测到78种占比为57.7%；其次为蓝藻门、裸藻门均为20种，占比为14.81%；硅藻门、隐藻门分别检测出8.15%、2.96%；甲藻门、金藻门仅检测到1种且7月无金藻门。各采样点的密度分布为(47.12～8.424)×106个·L-1，7月的浮游植物密度明显高于10、11月，11月略高于10月；7月库尾采样点密度显著高于其它样点，10、11月各采样点密度差距不大，库中部分的密度略高于其它采样点。生物量为9.48～57.36 mg·L-1，裸藻门与硅藻门种类及密度较小，但两者的最大生物量占比达到54.6%、40.6%；蓝藻门的生物量百分比较小，这与裸藻门、硅藻门个体质量大而蓝藻门个体质量小有关。依据FG功能类群分类方法可将浮游植物分为24个功能群，其中有8个优势功能群，其中7月优势功能群最多，可见7月优势种更多。

2.3 P-IBI评价体系建立及评价结果

2.3.1 候选参数判别能力分析

对选定的40个候选参数进行箱线图分析，剔除无法区分参照点与受损点的指标，其中M11、M14、M17、M18、M21、M25、M26、M29、M30、M34、M37符合筛选要求(图3)，其余指标存在箱线图重叠且中位线位于对方箱体内的情况，故而舍弃。利用选定的11个指标进行后续的相关性分析。

图3 11个候选指标箱线图

2.3.2 相关性分析

利用相关性分析剔除信息重复的指标(图4)。由图4可见，M14、M17、M29、M37与其它指标均未呈现强相关关系(|r|>0.75)；M11与M34显著相关，M11为群落多样性中唯一入选的参数，因此保留M11，舍弃M34；M18、M25与M30显著相关且与其它指标不相关，因此舍弃M30,保留M18、M25；M21与M26显著相关，M26与其它已确定指标相关性更低，因此舍弃M21,保留M26。最终选择M11、M14、M17、M18、M25、M26、M29、M37共8个指标进行评价体系构建，并将上述指标在表1中标示。

图4 候选参数Spearman相关性分析

2.3.3 P-IBI分值与健康评价

P-IBI分值为6.795～1.428，夏季分值波动较大且平均分值低于秋季，P-IBI分值整体沿采样点方向逐渐减小，3个月评分最大值出现在S2或S3采样点，最小值均为S10采样点。以各采样点P-IBI评分的95%为最佳值进行的评价标准为：P-IBI≥6.439健康；4.829≤P-IBI<6.439中等；3.220≤P-IBI<4.829一般；1.610≤P-IBI<3.220差；P-IBI<1.610极差。采样点评价结果(图5):6.67%为健康，73.33%为中等，13.33%为一般，差与极差均为3.33%。评价结果基本符合水库受干扰的情况。库尾区域(S9、S10)受浊漳南源来水的干扰较大，评价结果较差，7月评价结果为差与极差，10、11月评价结果为中等或一般。坝前与库中区域距离浊漳南源入库口较远，水质相对较好，7月的评价结果包括健康、中等和一般，10、11月评价结果均为中等。

图5 基于浮游植物的水生态健康评价结果

2.4 P-IBI分值与富营养化程度相关性

P-IBI分值与富营养化指数、环境因子的冗余分析(RDA)见图6，其中轴1解释度为20.54%，轴2为77.91%。由图6可见，环境变量的箭头均较长，这表明环境变量对生态系统的评价具有很大的影响。由P-IBI分值、富营养化指数与环境因子之间的夹角可见：P-IBI分值与透明度呈现正相关关系，与TN、TP、CODMn、Chl-a为负相关关系，其中与CODMn、TP、TN显著相关，同时生物完整性评价与富营养化评价之间呈现显著负相关关系。浮游植物生物量的变化是富营养化的最终体现，P-IBI分值与浮游植物生物量之间的相关性也可作为衡量与富营养化之间关系的标准(图7)。由图7可见，P-IBI分值与生物量之间显著负相关，r2=0.841，P<0.001。

图6 P-IBI分值与富营养化指数的RDA排序图

图7 漳泽水库浮游植物生物量与P-IBI分值相关性

3 讨 论

3.1 漳泽水库水生态健康状况

从P-IBI平均值的角度看，10月的浮游植物完整性最好，7月完整性最差，10月与11月相差不大。秋季时温度较低，温度代替营养盐成为浮游植物生长的主要影响因素，温度较低时会限制某几种优势植物的生长，从而其它适宜生存的浮游植物得以生长，当以温度等外力条件为主要影响因素时，浮游植物种群之间的竞争能力将被削弱[21]。7月水库浮游植物以绿藻门的小球藻属为主要优势种，10、11月以硅藻门的小环藻属为主要优势种，且7月的优势度明显高于10、11月，7月浮游植物种类较少，优势种类较为突出。P-IBI评价结果与SD显著正相关，与CODMn、TN、TP呈显著负相关关系，这与其它研究结果相符[27]。7月水库营养条件较高，同时光照条件较好、透明度高，在此条件下共有6个功能群占优势，且功能群丰度要显著大于其它两月，可见7月优势种生长更加良好。7月水库处于泄水期，泄水期水力扰动的影响也会导致水环境中营养盐、有机质含量较高，更有利于浮游植物的生长；同时泄水期浮游植物丰富度指数及多样性指数较小，演替速率下降，浮游植物群落会达到稳定状态[28]，因此7月的浮游植物群落结构不如其它两月完整。从采样点的方向看，坝前位置浮游植物完整性较好，靠近库尾位置的完整性较差。这主要是由于沿采样点方向水库水深逐渐减小、水质浑浊、靠近库尾的采样点溶解氧含量较低且沿着采样点方向营养盐含量呈增加的趋势，从而库尾采样点以硅藻门、隐藻门占较大优势，其余藻类生长较为一般，导致库尾部分浮游植物完整性指数分值较低。

3.2 P-IBI指数与富营养化的关系

浮游植物的群落结构与环境因子具有很强的相关性[29]。陈红等[30]和骆鑫等[31]的研究都表明营养盐、悬浮物、水温、pH、溶解氧等都为浮游植物群落结构的主要影响因子，同时水环境富营养化程度的判断以营养盐、Chl-a、SD为基础，可见富营养化指数与生物完整性指数之间可能存在相关性。以传统营养化程度判定方法为参考，可判断P-IBI指数区分水质营养化状态的能力。由RDA分析可知，P-IBI指数与建立富营养化评价体系中的透明度(SD)显著正相关，与其余4个指标显著负相关。沿着采样点方向营养盐呈现增加的趋势、透明度沿采样点减小，叶绿素a不断波动，但是接近库尾区域含量明显高于其它样点，较高的营养盐导致浮游植物的大量生长，透明度较低，从而富营养化程度较高，因此富营养化程度与生物完整性指数之间呈显著的负相关关系。浮游植物生物量的增加是富营养化程度增加的最终结果，浮游植物生物量与P-IBI分值呈现显著负相关关系，7月S6～S10采样点生物量明显高于其余采样点，生物完整性评价结果明显较差，两者之间的负相关关系与Kanea D D等[22]的结论相同。在本研究中以S9、S10采样点为受损点，两个采样点均表现出P-IBI分值小于其余采样点，构建的浮游植物完整性评价体系可以区分参照点与受损点；同时受损点的营养状态指数高于其它采样点，可见P-IBI指数与富营养化程度均可区分水库的水环境状况。相对来说，两种评价方式之间在各采样点之间的差异性有所区别，7月各采样点富营养化评价之间差异较小，而10、11月P-IBI评价差异较小，这可能是7月处于泄水期，由于水动力作用导致营养盐等混合较为均匀，从而富营养化评价之间差异较小，10、11月营养盐浓度相对较低，各采样点优势功能群相对丰度差距不大，因此P-IBI评价相对变化较小。虽然两种评价方式各采样点之间的差异有所区别，但整体变化趋势相同，能反映不同月份及不同采样点之间的水生态状况，富营养化程度较高的同时浮游植物完整性较差。

4 结 论

1)水库共检测到浮游植物7门57属135种，且群落结构为7月的绿藻门、蓝藻门向10、11月的绿藻门、蓝藻门、硅藻门转变。水库的营养状态指数为54.82～74.61，其中63.3%的评价结果为轻度富营养化，中度、重度富营养化的比例分别为26.7%、10%，沿着采样点方向，富营养化逐渐加重。

2)水库的P-IBI分值为6.795～1.428，采样点评价结果：6.67%为健康，73.33%为中等，13.33%为一般，差与极差均为3.33%。库尾部分采样点评价结果较差，坝前生态健康程度较好。

3)P-IBI分值与浮游植物生物量、富营养化指数显著负相关，浮游植物完整性越差，富营养化越严重，P-IBI指标可作为反映水环境营养状态的标准。