基于浮游植物生物完整性的横岭湖丰水期生态系统健康评价

余明峰，刘建中，夏 丹，夏 玮，周 赞，袁 鸿，肖亚琴，陈敦学，牛艳东，6，唐 军

（1.湘阴县林业局，湖南湘阴 410500； 2.湘阴县横岭湖省级自然保护区管理委员会，湖南 湘阴 413100； 3.湖南洞庭湖湿地生态系统国家定位观测研究站，湖南 岳阳 414000； 4.贵州大学，贵州 贵阳 550025； 5.湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004； 6.洞庭湖流域生态系统管理与水资源可持续利用国际科技合作基地，湖南长沙 410004； 7.江永县高泽源国有林场，湖南 江永 425400）

浮游植物是水生生态系统中的重要生产者，能够迅速反应水体的营养状态，是评价水质的重要指标［1］，在对水生态环境的维持上具有稳定性和完整性等方面的重要生物学意义［2］。2006年，浮游植物完整性指数（P-IBI：phytoplankton-IBI）由Lacouture等［3］提出，随着不断改进，成为目前最为普遍的水生态健康程度评价指数之一［4］，它主要通过多样性相关指数、生长特征和群落组成的生物参数，综合评价湖泊水域中的浮游植物整体状况［5］。

在国内已有相关报道利用浮游植物完整性指数（P-IBI）对水生态健康状况进行评价。肖善势等［6］基于P-IBI，评价了钱塘江流域—浙江段水生态系统健康状况；谭巧等［7］基于P-IBI，评价了长江上游流域水生态系统健康状况，确定三种评价方法中4分制法和比值法在划分评价等级上更细致、评价结果更精确。但是，洞庭湖通过P-IBI评价未见报告，大多数是对洞庭湖浮游植物群落结构特征的研究。横岭湖是洞庭湖的重要组成部分，通过P-IBI对横岭湖水生态健康状况的评价，有利于合理规划、保护横岭湖生态环境，并对PIBI在洞庭湖上的研究提供参考。

1 研究区概况

横岭湖省级自然保护区位于湖南省湘阴县北部，东起湘江与岳阳市屈原行政区隔江相望，南抵湘阴县洞庭围镇和鹤龙湖镇，西临益阳沅江市，北接东洞庭湖磊石山。湖区年平均气温16～17℃，降水主要集中在4～6月，7月温度能够达到29℃，绝对最高气温达43℃，地理坐标介于112°38′—112°57′E与28°30′—29°03′N之间。总面积4.3万hm2，其中永久性陆地2.2万hm2，洲滩0.6万hm2，永久性水面1.5万hm2。保护区作为洞庭湖重要组成部分之一，属湿地类型。在生态上为众多濒危、珍稀迁徙水鸟提供栖息地，也是它们重要的繁殖地和中转站［8］。在功能上具有调节径流、控制洪水、改善水质和降解污染物等重要作用［9］，为洞庭湖重要水上航道之一。

2 研究方法

2.1 采样点设置

在横岭湖自然保护区设立10个采样点，其中S1、S2、S3、S4采样点由湘江水注入；S5、S6、S7、S8、S9、S10采样点由资江水注入；S5、S6、S9、S10 为 主 要 湖 区；S1、S2 在 航 运 线 上（见图1）。

图1 采样点分布图Fig.1 Distribution of sam pling points

2.2 样品采集与处理

于2021年7月进行样品采集。在各个采样点使用水生生物采水器采集水样1L，装入带盖的采集瓶中，加入10mL鲁哥氏试剂和5 mL甲醛固定，做上标记并带回实验室进行定量分析。定性采集使用25号浮游生物网，所得样品现场使用4%甲醛溶液固定，进行实验室显微镜鉴定时确定到种。定量样需沉淀水样48 h，浓缩至约30 mL，经充分摇匀后，通过直接计数法。对于浮游植物种类鉴定参照《水生生物学》［10］进行鉴定。

水温（WT）、溶解氧（DO）、pH值和透明度（SD）直接运用便携仪器当场测定，高锰酸盐指数（CODMn）、总氮（TN）、总磷（TP）和叶绿素-a的测定，采集水样在实验室参考国标测定［11］。

2.3 数据统计与分析

调查相关性分析、多样性指数、综合营养状态指数等统计分析数据及图表在Excel 2019软件和SPSS 20软件中完成，部分指数计算公式如下。

2.3.1 多样性指数

式中：Chl-a的单位为μg·L-1；SD的单位为m；其他指标的单位均为mg·L-1。

2.3.3 标准化赋分

在谭巧等［7］研究中发现在等级的划分和评价结果上，4分制法和比值法相对较细致和精确。本次横岭湖浮游植物完整性评价采用比值法对参数进行标准化赋分。

（1）对于随人为干扰增加而升高的参数，赋分计算公式：

式中：最小值为该参数的最小值；参数值为欲进行赋分的某一参数；最佳值为该参数95%分位值。

3 结果与分析

3.1 水体理化性质

本次调查主要对水中理化性质透明度（SD）、pH值、水温（WT）、溶解氧（DO）、总氮（TN）、总磷（TP）、高锰酸盐指数 （CODMn）进行测定，均值分别为0.24 m、7.56、27.98℃、6.15 mg·L-1、1.98 mg·L-1、0.20 mg·L-1和3.86 mg·L-1（见表1）。

表1 各采样点水体理化性质Tab.1 Physical and chem ical properties of water bodies at each samp ling point

3.2 种类组成

本次研究调查共鉴定出浮游植物49种，隶属于6门35属。蓝藻门5属5种，占总种类数的10.20%；隐藻门2属3种，占总种类数的6.12%；甲藻门1属1种，占总种类数的2.04%；硅藻门6属9种，占总种类数的18.37%；裸藻门3属4种，占总种类数的8.16%；绿藻门18属27种，占总种类数的55.10% （见表2）。

表2 横岭湖自然保护区浮游植物物种组成和优势种Tab.2 Phytoplankton species com position and predom inant species in Hengling Lake Nature Reserve

续表2 横岭湖自然保护区浮游植物物种组成和优势种Continued Tab.2 Phytop lankton species com position and predom inant species in Hengling Lake Nature Reserve

3.3 横岭湖P-IBI的建立

3.3.1 参考点与受损点的确定

参考点与受损点是生物完整性评价的核心内容，它的结果直接影响P-IBI的评价结果［16］。TSI综合营养状态指数能够较为准确地评价水体实际营养状况［17］，本研究通过TSI综合营养状态指数来确定参照点和受损点。计算各采样点的TSI综合营养状态指数，从小到大排列，选取数值小于43的作为参考点，其余的为受损点。横岭湖共选出4个受损点为S1、S4、S9和S10，6个参照点为S2、S3、S5、S6、S7和S8（见表3）。

表3 横岭湖综合营养指数Tab.3 Index of integrated nutrition

3.3.2 备选评价指标 浮游植物生物完整性指数候选指标主要是通过参考对国内外有关的研究实例设置［6-7］。此次研究初选取对水环境较为敏感的24类指标。这些指标大体上可以分为群落结构、生物多样性、物种丰富度和组成3个大类 （见表4）。

表4 浮游植物完整性评价候选参数的选择Tab.4 Selection of candidate parameters for phytoplankton integrity assessment

3.3.3 判别能力分析 通过对参照点与受损点制作箱型图，筛选候选指标。根据箱体重叠情况，IQ值的赋予不同，当箱体没有重叠，IQ＝3；两箱部分重叠，但两中位线不在对方箱体内，IQ＝2；只有一个中位数值在对方箱体范围之内，IQ＝1；各自中位数值都在对方箱体范围之内，IQ＝0。由图2可知：M6、M14、M15、M19、M22、M24共有6个候选指标IQ≥2，将这6个候选指标留作下一步分析。

图2 浮游植物参照点与受损点候选参数筛选Fig.2 Screening of candidate parameters for phytoplankton reference point and damaged point

续图2 浮游植物参照点与受损点候选参数筛选Continued Fig.2 Screening of candidate parameters for phytoplankton reference point and damaged point

3.3.4 候选生物指标相关性分析 将候选指标箱型图IQ≥2的参数进行Pearson相关性分析，当相关系数大于0.75的两个参数，则独立性较低，两者之间包含的生态信息相似程度较高，可权衡比较删去一个。6个候选指标中Pearson相关系数中无极显著相关，M14与M19、M22与M24关系显著，6个候选指标均可保留（见表5）。

表5 浮游植物生物完整性指数参数的Pearson相关系数Tab.5 The Pearson correlation coefficient for the parameters of the biological integrity index of phytoplankton

3.4 健康评价结果

3.4.1 选用参数特征值 M14、M15和M19三个参数与人为干扰成正相关，因此选择5%分位值为最佳值；M6、M22和M24三个参数与人为干扰成负相关，因此选择95%分位值为最佳值 （见表6）。

表6 选用参数特征值Tab.6 Selected parameter eigenvalues

3.4.2 标准化赋分健康评价 通过标准化赋分，将各参数赋分相加后的总和得到每个采样点PIBI的分值P［18］。将横岭湖各采样点P的平均值作为横岭湖的生物完整性指数P。对于P值大于75%分位数时该采样点健康状况评价为优，P值在50%～75%分位数间的采样点健康状况评价为良，P值为25%～50%分位数间的采样点健康状况评价为中，P值为25%分位数以下的采样点健康状况评价为差（见表7）。

表7 浮游植物生物完整性指数值P的评价结果Tab.7 Evaluation results of phytop lankton biological integrity index value P

3.5 P-IBI指数P与环境因子的相关性

将横岭湖各个采样点的P值与透明度（SD）、pH值、水温（WT）、溶解氧（DO）、总氮（TN）、总磷（TP）、高锰酸盐指数（CODMn）进行Pearson相关性分析，其中P值与TN和DO水平相关性显著，与其它环境因子无相关性（见表8）。

表8 浮游植物完整性指数P与环境因子Pearson相关系数Tab.8 Correlation coefficient of phytoplankton integrity index P and environmental factor pearson

4 结论与讨论

（1）对于横岭湖自然保护区浮游植物完整性评价结果显示生态健康状态良好，这与Shannon-Wiener多样性指数、Margalef丰富度指数、Pielou均匀度指数评价相似，但相比于夏玮等［19］对横岭湖贫水期水环境状态评价要高。主要因为丰水期大量的新水注入，淡化了原有的横岭湖水环境，降低横岭湖的污染度，与Bhatt等［20］对降雨量等因素估算垃圾渗滤液的研究曲线相似。由于各采样点水源主要来自湘江和资江，在丰水期江河能给湖区带来较为丰富的营养盐［21-22］，导致横岭湖各采样点整体浮游植物完整性较高。同时，湘江水注入的采样点均值P值，要大于资江水注入的采样点均值P值，浮游植物完整性程度整体上高于资江水注入的采样点。护岸类型不同，河流携带的营养盐含量不同［23］，这是造成湘江与资江水注入的采样点P值差异的主要原因。

（2）相关研究表明SD、pH 值、WT、DO、TN、TP、CODMn均能成为影响浮游植物种群变化的主要因子［24-25］。本次横岭湖研究结果显示，浮游植物完整性指数P值与环境因子TP、pH值、WT成正相关关系，与CODMn、SD成负相关关系，其中与TN和DO相关性显著并成正相关关系，这在一定程度上有利于促进浮游植物的繁殖，容易出现单一优势种突出的现象，P值降低。在李利强等［26］对洞庭湖浮游植物增长的限制营养元素研究中，表明氮是对洞庭湖浮游植物增长的主要限制因子，添加氮能明显促进浮游植物生物量增加，这与横岭湖浮游植物完整性指数P值和TN的相关性显著结果一致。近些年的研究中，未发现DO是影响洞庭湖浮游植物完整性的主要因素，但在其它流域中，如杨涛等［27］对渭河流域浮游植物环境因子调查研究中，DO是主要的影响因素。这也证实不同水环境中，浮游植物完整性与环境因子的影响差异各有异同。

（3）本研究采用综合营养状态指数值划分来确定参考点与受损点，并通过对候选指标进行分布范围检验、判别能力分析、指数间的相关性分析，得到横岭湖P-IBI由硅藻门密度百分比、蓝藻门生物量百分比、绿藻门生物量百分比、水华藻类生物量、Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数6个参数组成。评价横岭湖水生态健康状况分为4个标准：对于P值大于75%分位数的评价为优；P值在50% ～75%分位数间的评价为良；P值为25%～50%分位数间的评价为中；P值为25%分位数以下的评价为差。

应用P-IBI评价，得出横岭湖自然保护区水环境状况良好。其中，水环境因子TN和DO与P-IBI评价P值呈显著正相关关系。