崇明岛河流生态健康评价——基于浮游动植物连续季节观测

李晶晶，史本伟，沈盎绿，杨海飞，丁亿凡

（1. 华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200241；2. 上海海洋大学海洋生态与环境学院，上海 201306；3. 上海市水利工程设计研究院有限公司，上海 200061）

河流是地球上生物赖以生存的自然生态系统，具有诸多生态服务功能[1]，不仅可以调节气候变化、改善生态环境，还可以为陆地生物、水生生物提供食物来源和栖息环境，在物质、能量和信息传递环节中发挥着至关重要的作用[2-3]。但是随着人类活动范围扩大、破坏强度增加及社会经济的发展，水量、水质、内部结构随之改变，生境发生变化，河流生物多样性减少，河流生态系统功能长期退化，河流健康受到严重威胁，评价河流健康状态成为当前国内外的研究热点。

目前，河流生态健康没有确切的概念。一般认为，河流健康指河流自身生态系统功能、生物多样性没有受到损害，具有相对稳定性，且能满足人类社会需求和可持续性发展的状态[4]。健康的生态系统通常具有以下特点：具有恢复能力和自我维持能力、对周围的其它生态系统不产生危害、对社会经济发展和人类健康具有支持推动作用。由于对“河流健康”的理解存在差异性和不确定性，导致很难建立一个完善的河流生态系统健康指标评价体系[5]。

国外关于河流健康评价的研究源于一个世纪前进行的河流生物监测[6]，现今已提出多种评价方法[7-8]。我国关于河流健康评价的研究起步较晚，近些年来，国内众多学者对河流生态系统健康展开研究。如：根据5种不同的生物评价指数展开河流生态健康评价，并对比不同生物评价指数的适用性[9]；选取水生生物、水质、栖息地、水文的22个评价指标对北运河生态系统进行健康评价[10]。河流生态系统健康的提出不仅为衡量河流生态系统服务功能提供了基准，也协调了人与河流二者之间可持续发展的关系[11]。

浮游生物是河流生态系统中重要的组成部分，在食物网的物质循环以及能量流动中起到枢纽作用；其摄食、排泄、洄游和扰动等行为改变也会影响区域生态系统发生动态变化；大多数浮游动植物运动能力较弱，活动范围相对较小，对环境胁迫具有敏感响应，因此其群落组成及多样性特征通常可以用于指示河流生态系统健康状况。

崇明岛地处长江入海口，是中国最大的河口冲积岛，其占上海陆域面积近五分之一。全岛三面环江，一面临海，素有“长江门户，东海瀛洲”之称。岛内河网密布，湖泊众多，水系发达。2016年《崇明世界级生态岛发展“十三五”规划》发布，崇明积极践行“创新、协调、绿色、开放、共享”发展理念，坚持生态优先、绿色发展，大力实施“+生态”和“生态+”，推进生态、生产、生活融合发展，计划到2035年，崇明区将建设成为具有全球引领示范作用的世界级生态岛[12]。崇明岛生态岛建设符合国内外生态文明建设的发展潮流，受到社会各界广泛关注，如何协调崇明岛生态环境效益、社会效益及经济效益三者之间的关系是一个重要的科学问题[13]，崇明岛生态计划的实施对长三角、长江流域以至全国的生态环境保护和生态安全具有重要的意义。

本研究以崇明岛为例，利用优势度、群落单纯度、群落丰富度、群落Shannon-Wiener多样性、群落均匀度指数，对崇明岛浮游动植物群落组成及其季节性变化进行分析，并基于浮游植物及浮游动物多样性指数进行水质评价，探究该流域河流生态系统健康现状，以期为崇明岛河流生态系统的可持续发展提供参考。

1 研究区域和样品采集

崇明岛东临东海，东西长约78km，南北宽13~18 km，形似卧蚕，总面积约1267 km2。岛内地势低而平坦，呈东高西低，北高南低之态。崇明岛内河网水系密布，纵横交错，水面率较大，岛内河道担负着全岛引水、排涝、城乡居民生活用水及工农业用水的重任。根据《崇明城乡总体规划（2015—2040）》，崇明贯彻落实从“生态保育”到“生态+”的核心发展理念，将崇明建设成集新型农业、休闲旅游、智慧创新、绿色智造、健康人居于一体的世界级生态岛。

本文于7条河流共布设8个监测点（其中东风南横河布置2个监测点，即花博园内外各设1个监测点），调查河流中的浮游动植物。东风南横河2个监测点调查3次（2021年春季、夏季和秋季），其余监测点调查2次（2021年夏季、秋季）。现场监测采样详见图1、表1。

图1 崇明岛采样点位置示意图Fig. 1 The sampling sites in the Chongming Island

表1 崇明岛取样相关信息Table 1 The sampling information in the Chongming Island

本次崇明岛河流健康评价研究，是基于浮游动植物展开分析，判别各河流的基本特征和个体特征，对于建立由共性指标和个性指标构建的河流健康评价指标体系，并形成由河段至河流整体的评价方法，具有重要的指导意义。

2 研究方法

2.1 样品采集与处理

浮游生物调查方法按《水库渔业资源调查规范》（SL 167-2014）进行。浮游植物定量监测使用采水器在水下0.5m处取样1000ml，加15ml加鲁哥试剂，装入塑料采样瓶，常温保存，样品带回实验室后静止24h以上浓缩样品至50ml，取0.1ml于浮游植物计数框在显微镜鉴定分析；浮游动物定量监测使用采水器在水下0.5m处取20L通过25#浮游生物网过滤至100ml塑料瓶，加2ml甲醛固定，常温保存，样品带回实验室后，取1ml于浮游植物计数框在显微镜鉴定分析。

2.2 数据处理与分析

各浮游动植物特征值采用如下计算公式：

（1）优势度

式中：ni为第i种的丰度，fi是该种在各站位中出现的频率，N为总丰度。取浮游动物优势度Y≥0.02的种为本文优势种。

（2）群落单纯度

（3）群落丰富度

（4）群落Shannon-Wiener多样性

（5）群落均匀度

（2）~（5）式中，S为种类数，ni为第i种的丰度，N为总丰度，H'为实测多样性指数，H'MAX= log2S。

2.3 水质评价标准

借鉴相关学者依据群落生物多样性指数进行的水质评价[14-15]，将水质状况分为5个级别（表2）。

表2 水质分级评价标准表Table 2 Water quality classification and evaluation standard

3 研究结果

3.1 浮游植物种类与丰度

（1）种类组成

2021年三个季度共鉴定浮游植物6门45属72种，以蓝藻门、绿藻门和硅藻门种类数为多，其中5、6、9月分别出现10、30、58种。

5月（春季）只有花博园内外两个站位（即对应后期调查的6号和7号站位），共鉴定浮游植物4门8属10种。由图2(a1/b1/c1)可知，其中硅藻门种类数量优势明显，共有7种，占总种数的70.00%，总丰度为1.89×104个/L，占总丰度的29.35%。蓝藻门虽然只出现1种，占总种数的10.00%，但是丰度为4.20×104个/L，占总丰度的65.22%。此外，隐藻门和甲藻门均只有1种，各占总种数的10%，总丰度分别为2.80×103个/L和0.70×103个/L，各占总平均丰度的4.35%和1.09%。

6月（夏季）共鉴定浮游植物6门25属30种，由图2(a2/b2/c2)可知，其中硅藻门和绿藻门种类数量优势明显，分别有10和8种，占总种数的33.33%和26.67%，总丰度分别为1.27×107个/L和2.53×107个/L，占总丰度的12.34%和24.50%。蓝藻门出现6种，占总种数的20.00%，但是总丰度却达到6.29×107个/L，占总丰度的60.93%。裸藻门出现3种，各占总种数的10.00%，总丰度为8.20×105个/L，占总丰度的0.79%。此外，甲藻门和隐藻门分别只出现2种和1种，各占总种数的6.67%和3.33%，总丰度均为7.40×105个/L，占总丰度的0.71%。

9月（秋季）共鉴定浮游植物6门44属59种，由图2(a3/b3/c3)可知，其中蓝藻门种类数量优势明显，共鉴定出20种，占总种数的33.90%，总丰度更是高达3.43×108个/L，占总丰度的96.31%。绿藻门出现18种，种类数量优势明显，共鉴定出20种，占总种数的30.51%，但是总丰度却只有2.40×106个/L，占总丰度的0.67%。硅藻门出现12种，占总种数的20.34%，总丰度为8.76×106个/L，占总丰度的2.46%。此外，裸藻门、隐藻门和甲藻门分别只出现4种、3种和2种，各占总种数的6.78%、5.08%和3.39%，总丰度均比较低，分别为8.73×105个/L、1.00×106个/L和1.00×105个/L，占总丰度均小于1%（图2）。

图2 不同季节河流浮游植物种群分析Fig.2 The population analysis of the rivers phytoplankton in differential seasons

（2）丰度平面分布

5月调查浮游植物各站位丰度均值为3.22×104个/L，幅度0.91×104~5.53×104个/L。其中世博园内站位的浮游植物丰度高于世博园外站位。

6月调查浮游植物各站位丰度均值为2.65×107个/L，幅度7.40×105~1.30×108个/L（图3—蓝色柱/对数坐标）。其中2号站浮游植物总丰度最高，1号站位最低。整体上北侧水系2号、5号和8号浮游植物丰度偏高，世博园内外附近（6号和7号）的两个站位浮游植物丰度相差不大。

9月调查浮游植物各站位丰度均值为4.45×107个/L，幅度3.45×105~2.71×108个/L（图3—橙色柱/对数坐标）。其中6号站（世博园内）浮游植物总丰度最高，7号站（世博园外）最低。整体上西侧水系4号和北侧水系5号、6号和8号浮游植物丰度偏高。

图3 不同季节浮游植物各站总丰度分布图Fig.3 The abundance of the phytoplankton at the sampling sites in differential seasons

从不同季节上看，秋季各站位浮游植物平均丰度最高，夏季次之，春季最低，不同站位浮游植物丰度变化具有很大的随机性，可能与环岛水系与长江水系交换有关。

（3）优势种及其平均丰度

取优势度Y≥0.02的浮游植物为本区的优势种。经统计，5月调查出现优势种6种，分别为长孢藻属、针杆藻属、变异直链藻、新月菱形藻、洛氏菱形藻和卵形隐藻，其中长孢藻属的优势度最高，为0.33，平均丰度为2.10×104个/L。6月调查出现优势种4种，分别为点形平裂藻、伪鱼腥藻属、小环藻属和河生集星藻，其中点形平裂藻的优势度最高，为0.11，平均丰度为4.84×106个/L。9月调查出现优势种4种，分别为伪鱼腥藻属、颤藻属、拉氏拟柱胞藻和长孢藻属，其中伪鱼腥藻属的优势度最高，为0.27，平均丰度为1.60×107个/L（表3）。

表3 不同季节浮游植物优势种优势度及其平均丰度Table 3 The dominance and mean abundance of the dominant species of the phytoplankton in different seasons

3.2 浮游动物种类与丰度

（1）种类组成

2021年三个季度共鉴定浮游动物3门19属33种，以轮虫类和枝角类种类数为多，其中5、6、9月分别出现8、20、25种。

5月共鉴定浮游动物2门4大类5属8种（含幼体3种），其中轮虫类和幼体类种类数最多，各有3种，各占总种数的37.50%，总丰度分别为4.45个/L和7.20个/L，各占总丰度的12.73%和20.60%。桡足类和枝角类均出现1种，各占总数的12.50%，总丰度为2.15个/L和21.50个/L，占总丰度的6.15%和60.52%。花博园内站位出现的种类数（4种）显著低于花博园外站位（8种）。

6月共鉴定浮游动物3门5大类13属20种（含幼体2种），其中轮虫类种类数最多，有13种，各占总种数的65.00%，总丰度为306.50个/L，占总丰度的24.56%。桡足类、枝角类和幼体类均出现2种，各占总数的10.00%，总丰度为187.00个/L、284.00个/L和473.50个/L，占总丰度的14.98%、21.96%和37.94%。此外还出现原生动物1种，各占总种数的5.00%，总丰度为7.00个/L，占总丰度的0.56%。

9月共鉴定浮游动物3门5大类17属25种（含幼体2种），其中轮虫类种类数最多，有13种，各占总种数的52.00%，总丰度为289.00个/L，占总丰度的14.30%。枝角类出现6种，占总数的24.00%，总丰度为645.50个/L，占总丰度的31.94%。幼体类出现3种，占总数的12.00%，总丰度为916.50个/L，占总丰度的45.35%。桡足类出现2种，占总数的8.00%，总丰度为155.00个/L，占总丰度的7.67%。此外还出现原生动物1种，各占总种数的4.00%，总丰度为15.00个/L，占总丰度的0.74%（图4）。

图4 不同季节河流浮游动物种群分析Fig.4 The population analysis of the rivers zooplankton in differential seasons

（2）丰度平面分布

5月调查浮游动物各站位丰度均值为17.48个/L，幅度13.75~21.20个/L。其中花博园内站位的浮游动物丰度显著低于花博园外站位。

6月调查浮游动物各站位丰度均值为156.00个/L，幅度31.50~416.00个/L（图5—蓝色柱）。其中3号站浮游动物总丰度最高，6号站位最低（花博园内）。整体上北侧水系2号、3号、5号和7号浮游动物丰度偏高，花博园内（6号）站位浮游动物丰度显著低于附近站位（2号和7号）。

9月调查浮游动物各站位丰度均值为252.63个/L，幅度45.00~564.00个/L（图5—橙色柱）。其中5号站浮游动物总丰度最高，4号站位最低。整体上北侧水系2号、5号、7号和8号浮游动物丰度偏高，花博园内（6号）站位浮游动物丰度比附近2号和7号站位要低。

图5 不同季节浮游动物各站总丰度分布图Fig.5 The abundance of the zooplankton at the sampling sites in differential seasons

从不同季节上看，秋季各站位浮游动物平均丰度最高，夏季次之，春季最低，不同站位浮游动物丰度变化具有一定的随机性，可能与环岛水系浮游植物丰度、沉水植物分布等有关。6月份花博园内站位（6号）浮游动物丰度最低，9月份浮游动物丰度相比较其他站位也处于较低水平，这也说明花博园内水体由于水生植物种植等手段的生态修复，水质处于较好状态，水体透明度也高，从而反应到浮游动物丰度较低。

（3）优势种及其平均丰度

取优势度Y≥0.02的浮游动物为本区的优势种。经统计，5月调查出现优势种4种，分别为多刺裸腹溞、无节幼体、角突臂尾轮虫和广布中剑水蚤，其中多刺裸腹溞的优势度最高，为0.61，平均丰度为10.58个/L。6月调查出现优势种5种，分别为无节幼体、广布中剑水蚤、短尾秀体溞、曲腿龟甲轮虫和多刺裸腹溞，其中无节幼体的优势度最高，为0.36，平均丰度为55.94个/L。9月调查出现优势种3种，分别为无节幼体、桡足类幼体、短尾秀体溞、长额象鼻溞、广布中剑水蚤、萼花臂尾轮虫和多刺裸腹溞，其中无节幼体的优势度最高，为0.24，平均丰度为60.44个/L（表4）。

表4 不同季节浮游动物优势种优势度及其平均丰度Table 4 The dominance and mean abundance of the dominant species of the zooplankton in different seasons

3.3 浮游植物与浮游动物的多样性分析

浮游植物与浮游动物的多样性分析详见表5。

表5 不同季节浮游植物和浮游动物生物多样性指数Table 5 The diversity index of the phytoplankton and zooplankton in different seasons

3.4 基于生物多样性指数的水质评价

基于浮游植物与浮游动物群落生物多样性指数的水质评价结果详见表6。

表6 基于浮游植物与浮游动物群落多样性指数的水质状况评价Table 6 Water quality classification evaluation based on phytoplankton and zooplankton community diversity index

基于浮游动植物群落生物多样性指数的水质评价结果显示，崇明河道因水流缓慢及人为活动影响等客观原因，从单一的群落生物多样性指数来评价，河道整体水质状况不甚理想。而如S4站点因靠近长江进水口，水质相对较好。另从浮游动物的分析结果来看，总体上相对于5月和6月，9月份的河道水质有向好趋势。

4 结语

浮游动植物对环境变化具有敏感响应，本次对崇明岛河流浮游动植物群落组成、丰度平面分布、优势种及多样性的季节变化研究，对评价河流生态系统健康有一定启示意义。但基于单一浮游植物或是单一浮游动物群落生物多样性指数的水质评价结果存在一定差异，因此，选择单一群落生物多样性指数对整体河道水质进行评价尚不够全面。未来的河流健康评价研究，须结合水质营养盐参数及其他生物参数等，建立综合多指标的系统评价体系。