湖南张家界大鲵国家级自然保护区河流生态系统健康评价

刘 懿，解宜兴，邓智勇，王 丞，袁 鸿，吴小丽，徐佳娈，牛艳东，肖亚琴

(1.湖南张家界大鲵国家级自然保护区事务中心，湖南 张家界 427400； 2.贵州大学动物科学学院，贵州 贵阳 550000； 3.湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004； 4.湖南洞庭湖湿地生态系统国家定位观测研究站，湖南 长沙 410004； 5.洞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)

浮游植物作为水生生态系统中的初级生产者，对物质循环和能量流动起着关键作用[1]。因其具个体微小、结构简单、生长周期短和繁殖速度快等特点[2]，浮游植物能够随水环境的变化而快速改变其自身的群落结构、物种组成、生物量等，所以具有反映河流生态系统变化的能力[3]。基于此，蔡琨等[4]通过浮游植物生物完整性指数(phytoplanktonic index of biotic integrity，P-IBI)评价方法，利用群落组成、生长特征、多样性相关指数等定量评价水生生态系统浮游植物的综合状态，揭示外环境的干扰对生态水环境影响的现状。

张家界独特的地理环境，使得其境内河流众多，利于水电项目的实施。据统计，张家界先后共建立了88个水电项目[5]。水库与电站的建立易改变河流的生态结构，影响河流水质状况，对大鲵的生存、繁殖产生限制。本研究通过对比电站水库区与河流区浮游植物完整性指数，了解电站所遗留的水库区对河流水环境的影响状况，做出浮游植物完整性评价，为湖南张家界大鲵国家级自然保护区河流治理提供参考。

1 研究区概况

湖南张家界大鲵国家级自然保护区位于中国西部高原亚区与东部丘陵平原亚区的交界线边缘，东与常德市相连，南与怀化市相邻，西与湘西土家族自治州毗邻，北与湖北省接壤，地理坐标在109°42′56″—111°16′05″E，27°44′28″—30°00′43″N 之间。保护区境内河流纵横，水系以澧水和沅水为主[6]。澧水干流在桑植县南岔以上有北、中、南三源。北源为主干，发源于桑植县杉木界；中源发源于八大公山东麓；南源发源于永顺县荹塔。三源在龙江口汇合后往南经保护区的桑植县、永定区、慈利县、石门县，最后流入洞庭湖，干流流贯保护区的长度为313 km，流域面积为8 135 km2。

2 研究方法

2.1 采样点设置

2021年6—7月，在湖南张家界大鲵国家级自然保护区设置21个采样点。根据采样点所在地的环境特点，将采样点分为河流流水区采样点和电站水库区采样点。其中Z1、Z2、Z3、Z9、Z10、Z11、Z15、Z16和Z17为河流流水区采样点，Z4、Z5、Z6、Z7、Z8、Z12、Z13、Z14、Z18、Z19、Z20和Z21为电站水库区采样点(见图1)。

图1 采样点分布图Fig.1 Sample point distribution map

2.2 样品采集、处理与鉴定

(1)使用采水器在水深0.5 m处取1L水样，加入10～15 mL鲁哥氏液固定，获得定量样品。

(2)采用25号浮游生物网在水中作“∞”状缓慢拖曳采集3～5 min，将采集到的浮游植物用采集瓶收集，使用甲醛固定，获得定性样品。

(3)将定性样品带回实验室后直接在光学显微镜下鉴定浮游植物种类[7]；将定量样品带回实验室后静置48 h，沉淀浓缩至30～50 mL，吸取0.1 mL样品注入0.1 mL计数框中，在10 × 40 倍光学显微镜(Leica DM500)下用视野法计数并鉴定浮游植物种类[8]。

2.3 数据统计与分析

采用SPSS 20.0、Excel 2019和Origin 2021软件进行数据统计与分析。

2.3.1 多样性指数

Shannon-Wienwe多样性指数[9](H′)=

(1)

式中：H′为种类多样性指数；S为样品中的种类总数；Pi为第i种的个体数(ni)与总个体数(N)的比值(ni/N)。

(2)

式中：M为丰富度；S为样品种类数；N为样品个体总数。

(3)

式中:J为均匀度;H′为种类多样性指数;S为样品中的种类数。

优势度指数[12](Y)=Pi×fi

(4)

式中：Y≥0.02的物种为优势种；Pi为第i种浮游植物丰度与样品中浮游植物总丰度的比值(ni/N)；fi为第i种在各采样点出现的频度。

2.3.2 健康评价 在P-IBI等级划分和评价的3种评价方法中，以4分制法和比值法的划分评价等级更细致、评价结果更精确[13]。本研究采用比值法对参数进行标准化赋分的方法对张家界大鲵国家级自然保护区河流浮游植物完整性进行评价，其赋分计算公式如下。

对人为干扰增加而升高的参数赋分=

(5)

式中：最大值为该参数的最大值；参数值为欲进行赋分的某一参数值；最佳值为该参数5%分位值。

对人为干扰增加而降低的参数赋分=

(6)

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值；最佳值为该参数95%分位值。

各个参数赋分相加得到张家界大鲵国家级自然保护区河流21个采样点的P-IBI指数总分值P。

3 结果与分析

3.1 浮游植物种类组成

由表1可知：湖南张家界大鲵国家级自然保护区河流共有浮游植物6门44种，其中硅藻门的种数最多，共21种，占总种数的47.73%；其次是绿藻门的，共11种，占总种数的25.00%；蓝藻门9种，占总种数的20.46%；隐藻门、甲藻门和裸藻门各1种，各占总种数的2.27%。

表1 浮游植物名录Tab.1 List of phytoplankton plants门类种名针尖蓝纤维藻(Dactylococcopsis rhaphidioides)水华束丝藻(Aphanizomenon flos aquae)小形色球藻(Chroococcus minor)两栖颤藻(Oscillataria amphibia)蓝藻门(Cyanophyta)小颤藻(Oscillataria tenuis)中华尖头藻(Raphidiopsis sinensia)优美平裂藻(Merismopedia elegans)针晶蓝纤维藻镰刀型(Dactylococcopsis rhaphidioides var. lciformis)铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)隐藻门(Cryptophyta)具尾蓝隐藻(Chroomonas acuta)甲藻门(Pyrrophyta)多甲藻(Peridinium sp.)脆杆藻(Fragilaria sp.)双生双楔藻(Didymosphenia geminata)菱形藻(Nitzschia sp.)椭圆波缘藻(Cymatopleura elliptica)胸膈藻 (Mastogloia sp.)星杆藻(Asterionella sp.)硅藻门(Bacillariophyta)舟形藻(Navicula sp.)谷皮菱形藻(Nitzschia palea)椭圆双璧藻(Diploneis elliptica)羽纹藻(Pinnularia sp.)缢缩异极藻膨胀变种(Gomphonema constrictum var.capitatum)变异直链藻(Melosira varians)膨胀桥湾藻(Cymbella tumida)梅尼小环藻(Cyclctella meneghiniana)近棒形异极藻(Gomphonema subclavatum)尖针杆藻(Synedra acus)颗粒直链藻(Melosira granulata)双菱藻(Surirella bifrons)啄头舟形藻(Navicula rhynchocephala)微细桥湾藻(Cymbella parva)等片藻(Diatoma sp.)裸藻门(Euglenophyta)尖尾裸藻(Phacus gasterosteus)月牙藻(Selenastrum reinsch)小毛枝藻(Stigeoclonium sp.)微小新月藻(Closterium parvulum)绿藻门(Chlorophyta)线形粘杆藻(Gloeothece linearis)双棘栅藻(Scenedesmus bicaudatus)线形拟韦氏藻(Westella linearis)着色鼓藻(Cosmarium tinctum ralfs)卵形胶囊藻(Gloeocystis ampla)四角藻(Tetraedron sp.)狭形纤维藻(Ankistrode angustus)二形栅藻(Scenedesmus dimorphus)

3.2 浮游植物密度

表2结果显示，不同采样区的浮游植物密度差异较大，电站水库区各门的浮游植物密度均远远大于河流流水区的，且河流流水区和电站水库区的浮游植物都以硅藻门的占绝对优势，其密度分别为1.620 9×104、4.127 9×104ind·L-1。

表2 不同采样区的浮游植物密度Tab.2 Gate density of phytoplankton×104 ind·L-1采样区浮游植物平均密度绿藻门硅藻门蓝藻门甲藻门隐藻门裸藻门总数河流流水区0.056 51.620 90.221 90.090 70.006 3—1.996 2电站水库区0.103 54.127 90.303 90.337 20.465 30.001 85.339 5

3.3 张家界大鲵国家级自然保护区河流P-IBI指标体系的确定

3.3.1 参照点与受损点的确定 据统计，张家界先后建立的88个水电项目现已关停了86个[5]，但电站关停后其基础设施对河流水生生物的影响依然剧烈[14]。根据外因对河流的干扰状态[15]，将位于河流电站区的采样点设为受损点，位于溪河流水区的采样点设为参照点。受损点共12个，分别是Z4、Z5、Z6、Z7、Z8、Z12、Z13、Z14、Z18、Z19、Z20和Z21；参照点共9个，分别是Z1、Z2、Z3、Z9、Z10、Z11、Z15、Z16和Z17。

3.3.2 候选指标选取 结合国内外浮游植物生物完整性指数研究的实例[16-19]，选取对张家界大鲵国家级自然保护区河流浮游植物较为敏感的31个指标作为候选指标(见表3)。这些指标可以分为物种丰富度参数、群落结构组成参数和群落营养结构参数。

表3 浮游植物生物完整性指数候选指标Tab.3 Candidate indicators for the phytoplankton biological integrity index指标代码参数类别参数名称对干扰的反应单位M1藻类种类数减小种M2绿藻门种类数减小种M3蓝藻门种类数减小种M4裸藻门种类数减小种M5物种丰富度参数硅藻门种类数减小种M6隐藻门种类数减小种M7水华藻类种数增大种M8Shannon s指数减小—M9Margalef指数减小—M10Pielou指数减小—M11绿藻门相对丰度增大%M12蓝藻门相对丰度增大%M13裸藻门相对丰度增大%M14硅藻门相对丰度减小%M15群落结构组成参数前三名优势种相对丰度增大%M16水华藻相对丰度增大%M17硅藻和绿藻相对丰度减小%M18颤藻目相对丰度减小%M19硅藻和绿藻相对丰度减下%M20甲藻和隐藻相对丰度增大%M21藻类个体密度增大个M22绿藻门个体密度增大个M23群落营养结构参数蓝藻门个体密度增大个M24硅藻门个体密度减小个M25裸藻门个体密度增大个

续表3 浮游植物生物完整性指数候选指标Continued Tab.3 Candidate indicators for the phytoplankton biological integrity index指标代码参数类别参数名称对干扰的反应单位M26隐藻门个体密度增大个M27优势种个体密度增大个M28群落营养结构参数前三名优势种密度增大个M29水华藻个体密度增大个M30颤藻目个体密度减小个M31甲藻和隐藻个体密度增大个

3.3.3 候选参数筛选 使用箱型图判断参照点与受损点各候选指标的IQ值[20]，根据箱体重叠情况确定IQ值。当箱体完全没有重叠时，IQ=3；两中位线不在对方箱体内，箱体部分重叠，IQ=2；只有一条中位线在对方箱体范围内，箱体部分重叠，IQ=1；中位线都在对方箱体范围之内，IQ=0。由图2可知：M1、M5、M8、M16、M23、M27、M28和M29共8个候选指标的IQ≥2。将IQ≥2的8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 候选指标的相关性 将IQ值≥2的候选指标进行Pearson相关性分析，检验各指标之间的独立性。相关系数|r|大于0.750表示两个指标间信息高度相关，独立性较低，可权衡比较删去一个指标[21]。图3结果显示：M1与M5、M1与M27的Pearson相关系数|r|均大于0.750，删除M1；M5与M27的Pearson相关系数|r|大于0.750，但候选指标中有优势密度的内容，删除M27；M23与M29相关系数|r|大于0.750，但候选指标中有水华藻的内容，删除M29。

图3 浮游植物完整性指数候选指标的Pearson相关性Fig. 3 Pearson correlation analysis of the phytoplankton integrity index parameters

通过对所有候选指标进行筛选，最终确定P-IBI指标体系由M5(硅藻门种类数)、M8(Shannon’s指数)、M16(水华藻相对丰度)、M23(蓝藻门密度)和M28(前3名优势种密度)等5个指标构成。

3.4 健康评价

3.4.1 选用参数特征值 M5和M8 2个候选指标与人为干扰呈负相关，因此，选择95%分位值为最佳值。M16、M23和M28 3个候选指标与人为干扰呈正相关，因此，选择5%分位值为最佳值(见表4)。

表4 选用参数特征值Tab.4 Selected parameter eigenvalues选用参数最大值最小值95%分位值5%分位值干扰反应M513.004.0012.00—减小M84.472.063.88—减小M160.230.00—0.00增大M230.800.00—0.01增大M289.050.17—0.21增大

3.4.2 健康评价标准 健康评价标准选用所有采样点P-IBI值的95%分位数为最佳值，低于该值的划分4 等份，得到健康、中等、一般、差和极差5个标准[4]。由此得出，张家界大鲵国家级自然保护区河流生态系统不同健康程度的标准为：分值P≥4.50为健康；3.83≤分值P<4.50为中等；3.48≤分值P<3.83为一般；3.27≤分值P<3.48为差；分值P<3.27为极差(见表5)。

表5 健康评价标准划分Tab.5 Division of health evaluation criteria评价标准健康中等一般差极差分值P的区间≥4.503.83≤～<4.503.48≤～<3.833.27≤～<3.48<3.27

3.4.3 采样点的健康状况 采用P-IBI指数分值P对各采样点的健康状况进行评价，其中参照点的评价结果为健康、中等、一般、差和极差的分别有0、2、3、1和3个；受损点评价结果为健康、中等、一般、差和极差的分别有3、2、2、3和2个(见表6)。

表6 采样点浮游植物完整性指数评价结果Tab.6 Evaluation of phytoplankton integrity index采样点类型采样点编号分值P评价结果Z13.57一般Z23.99中等Z33.04极差Z93.60一般参照点Z103.03极差Z113.83中等Z153.27差Z163.22极差Z173.79一般Z44.50健康Z53.43差Z64.70健康Z74.36中等Z82.16极差受损点Z123.44差Z134.24中等Z144.76健康Z183.71一般Z193.47差Z201.63极差Z213.48一般

4 结论与讨论

4.1 湖南张家界大鲵国家级自然保护区河流流水区与电站水库区浮游植物完整性

湖南张家界大鲵国家级自然保护区河流流水区和电站水库区浮游植物的平均密度分别为1.9962×104、5.3395×104ind·L-1，电站水库区的浮游植物平均密度和各门类浮游植物密度均远远大于河流流水区的，且河流流水区和电站水库区的浮游植物均以硅藻门的占绝对优势，这与杨涛等[22]、王岳等[23]对河流浮游植物群落结构研究的结果相似。浮游植物生物完整性指数(P-IBI)可描述生物特性和人类干扰之间的相互关系，是生物指标对一类或多类干扰的敏感反应，从而间接反映浮游植物生物完整性受所在水域生态系统健康状态的影响。张家界大鲵国家级自然保护区电站水库区多数采样点的P-IBI指数分值P要大于河流流水区的，电站水库区有3个采样点被评价为“健康”，而河流流水区有3个采样点被评价为“极差”。电站水库区的水深、絮流弱，浮游植物能够避免水体急流造成细胞损伤，能较好的生长与繁殖[24-25]，浮游植物完整性指数相对较高；河流流水区的水流较急，自身保护能力弱的蓝藻、绿藻等都难以生存，拥有保护外套硅胶的硅藻易成为优势种[26]，因此，河流流水区浮游植物完整性指数不高。张家界大鲵国家级自然保护区河流电站水库区浮游植物完整性指数大于河流流水区的，推测适当的水坝建设有利于水生态系统生物的完整性。

4.2 湖南张家界大鲵国家级自然保护区河流生态系统的健康评价

与参照点相比，张家界大鲵国家级自然保护区河流受损点的P-IBI指数分值P偏高，对其分值P进行健康标准评价，“健康”的采样点都为受损点，“极差”的采样点以参照点占多数，电站水库区的水质状况反而优于河流流水区的。电站水库区因水电项目对河流的阻断作用改变了河流的生态结构，由絮流强的河流转变为絮流弱的水库，水文情势发生了变化。水库区的水位状态变动不定，高低起伏，易形成运流的环流系统，有机物和生物营养含量增加[27]；河流水流速快，其水体对浮游植物所需的营养盐的滞留时间短，严重影响浮游植物的生长和群落结构[28]，水生态系统中初级生产者减少，物质循环和能量流动大大降低，水质状况差。张家界大鲵国家级自然保护区河流浮游植物的平均P-IBI指数分值P为3.58，生态系统健康状况整体评价为“中等”，为良好。

张家界大鲵国家级自然保护区河流的P-IBI指标体系由硅藻门种类数、Shannon’s指数、水华藻相对丰度、蓝藻门密度和前3名优势种密度等5个参数组成，浮游植物完整性指数健康状况整体评价为良好。