呂立鑫 王繼華 祝亞楠 隋海潮 任氫欣 陳爽 車琦 崔紅

摘要?[目的]根據(jù)2018年夏季對(duì)常州市永安河小流域10個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行浮游藻類及環(huán)境因子的監(jiān)測(cè)，運(yùn)用生物完整性的方法和理論，構(gòu)建夏季永安河小流域浮游藻類生物完整性指數(shù)，評(píng)價(jià)夏季永安河小流域水生態(tài)健康狀態(tài)。[方法]采用文獻(xiàn)調(diào)查法篩選確定參照河流及參照點(diǎn)，對(duì)20個(gè)候選指標(biāo)進(jìn)行分布范圍篩選、判別能力分析、參數(shù)間相關(guān)性分析等。[結(jié)果]獲得了永安河小流域豐水期 P-IBI 指數(shù)的 5 個(gè)核心指標(biāo)：藻類屬的總數(shù)、硅藻屬數(shù)量比例、小環(huán)藻屬密度百分比、細(xì)小平裂藻屬細(xì)胞密度和藍(lán)藻門密度百分比。采用比值法統(tǒng)一各參數(shù)的量綱，累加后得到豐水期太湖 P-IBI 分值，并劃分健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。[結(jié)論]應(yīng)用 P-IBI 對(duì)研究區(qū)域水生態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，1個(gè)樣點(diǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果為健康，7個(gè)樣點(diǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果為亞健康，2個(gè)樣點(diǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果為一般。

關(guān)鍵詞?浮游藻類;生物完整性指數(shù);永安河小流域;健康評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)?X826?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼?A?文章編號(hào)?0517-6611（2021）01-0048-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.01.013

Abstract?[Objective]According to the monitoring of planktonic algae and environmental factors of 10 samples in the Yongan River small watershed in Changzhou City in summer 2018， the biological integrity method and theory were used to construct the biological integrity index of planktonic algae in the Yongan River small watershed in summer to evaluate the health status of aquatic ecology in the small watershed of Yongan River. [Method]The literature survey method was adopted to determine the reference rivers and reference points， and the 20 candidate indicators were screened for distribution range， discriminant analysis and correlation analysis. [Result]Five core indicators of the P-IBI index in the Yongan River small watershed during wet season： the total number of algae， the proportion of diatoms， the percentage of density of Cyclotella， the cell density of Schizophyllum， and the percentage of density of Cyanophyta. The ratio method was used to unify the dimensions of each parameter. After accumulation， the P-IBI score of Taihu Lake in wet season was obtained， and the health evaluation criteria were divided. [Conclusion]P-IBI was used to evaluate the aquatic ecology in the study area. One sample evaluation result was healthy， 7 sample evaluation results were sub-healthy， and 2 sample evaluation results were general.

Key words?Planktonic algae;Biological integrity index;Yongan River small watershed;Health assessment

生物完整性指數(shù)（index of biotic integrity，IBI）由Karr在1981年提出，并以魚類作為研究對(duì)象成功建立[1]。隨后這一評(píng)價(jià)體系被廣泛應(yīng)用于大型底棲動(dòng)物、周叢生物、浮游生物和大型水生植物等水生生物類群中[2-7]。IBI指數(shù)在流水和靜水等不同水體評(píng)價(jià)中的應(yīng)用效果以及在管理實(shí)踐中的作用也得到越來越多學(xué)者的認(rèn)可[8-11]。

浮游藻類是水體生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)者，其群落直接影響上層食物鏈結(jié)構(gòu)及整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，利用浮游藻類生物完整性指數(shù)（phytoplanktonic index of biotic integrity，P-IBI）評(píng)價(jià)水生態(tài)健康的研究已有報(bào)道。Li等[12]利用水壩建立前后浮游植物群落調(diào)查結(jié)果，選用豐度、多樣性、生物量和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)這4個(gè)類別共16個(gè)候選參數(shù)構(gòu)建P-IBI并對(duì)水生態(tài)健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，水壩建成后，點(diǎn)位P-IBI指數(shù)值銳減，P-IBI可以較好地反映水壩對(duì)河流水生態(tài)健康的影響;Johnson等[13]研究表明，其構(gòu)建的P-IBI指數(shù)對(duì)樣點(diǎn)的營(yíng)養(yǎng)和光線差異敏感;Kane等[14]利用1970年和1996年伊利湖浮游生物調(diào)查數(shù)據(jù)，選用13個(gè)候選參數(shù)構(gòu)建浮游生物完整性指數(shù)，并依此評(píng)價(jià)伊利湖水生態(tài)健康狀況演變，評(píng)價(jià)結(jié)果顯示：伊利湖在1970年時(shí)水生態(tài)健康狀況較好，而在1996年進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)生態(tài)狀況開始逐漸變差，評(píng)價(jià)結(jié)果與水體營(yíng)養(yǎng)水平變化一致。但目前國內(nèi)外更多的是利用IBI評(píng)價(jià)湖泊和溪流等流水水體，對(duì)濕地、城市河流等水體研究較少。

該研究基于IBI評(píng)價(jià)的發(fā)展成果，以2018年夏季永安河小流域?yàn)槔?，從恢?fù)初期的城市河道入手，以浮游藻類從群落豐富度、群落多樣性和群落結(jié)構(gòu)3個(gè)方面選取指標(biāo)進(jìn)行篩選，研究在生態(tài)恢復(fù)初期城市河道中P-IBI指數(shù)的構(gòu)建方法，探討其在城市河流評(píng)價(jià)中的應(yīng)用效果，以期為城市河流水生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)、健康評(píng)價(jià)和科學(xué)管理提供數(shù)據(jù)支持與案例基礎(chǔ)。

1?材料與方法

1.1?研究區(qū)域與樣點(diǎn)布設(shè)

常州屬于季風(fēng)副熱帶海洋性氣候。全年四季分明，其中春夏溫暖潮濕，雨水充足。永安河位于常州市武進(jìn)區(qū)境內(nèi)，屬太湖流域武澄錫虞區(qū)骨干調(diào)節(jié)河道，匯水經(jīng)太滆運(yùn)河入太湖，全長(zhǎng)19.8 km。永安河廟橋段位于廟前北路西側(cè)，北起武南河，南至夏城路，在新橋西側(cè)與十字河交匯。十字河是永安河上的一條重要支浜。河道北岸大慶橋至東環(huán)橋段為石駁岸，其他岸坡均為自然駁岸。塘門浜是一條鎮(zhèn)級(jí)河道，為永安河上另一重要支浜。河道兩側(cè)駁岸均為石駁岸。

研究于2018年對(duì)永安河小流域進(jìn)行水體理化因子和浮游藻類的監(jiān)測(cè)。十字河全長(zhǎng)2.1 km，由于存在生活污水和工業(yè)污水排污口，污染源較為密集，因此按河段長(zhǎng)度間隔500 m設(shè)置1個(gè)采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)編號(hào)為1～5，其中3為十字河與永安河交匯處;塘門浜上存在排污口，也屬于斷頭浜，間隔500 m設(shè)置1個(gè)采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)編號(hào)為6～7;永安河上下游各設(shè)置1個(gè)采樣點(diǎn)，考慮供水和出水共布設(shè)3個(gè)采樣點(diǎn)，編號(hào)8～10。具體點(diǎn)位設(shè)置如圖1所示。

1.2?樣品采集與處理

水樣：現(xiàn)場(chǎng)采集，4 ℃保存，參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成溫度、電導(dǎo)率、溶解氧、氨氮、總磷、化學(xué)需氧量和葉綠素的測(cè)定。

浮游藻類定量樣品：用有機(jī)玻璃采水器采集水深0～0.5 m 處水樣 1 L，現(xiàn)場(chǎng)加入15 mL魯哥氏液并搖勻，帶回實(shí)驗(yàn)室靜置沉淀48 h后濃縮并定容至30 mL后鏡檢。

浮游植物：參照《中國淡水藻類》《中國淡水藻類系統(tǒng)、分類及生態(tài)》等[15-18]，保證結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下鑒定到盡可能低的分類單元。

1.3?P-IBI 指數(shù)構(gòu)建

P-IBI 指數(shù)的構(gòu)建方法包括 4 個(gè)步驟：

①構(gòu)建參照系統(tǒng)、設(shè)定參照點(diǎn);

②獲取采樣點(diǎn)生物、環(huán)境數(shù)據(jù);

③篩選候選生物參數(shù)：采用分布范圍分析、判別能力分析、Pearson相關(guān)性分析得到生物學(xué)意義清楚且對(duì)干擾反應(yīng)敏感的參數(shù);

④將參數(shù)統(tǒng)一量綱并劃分區(qū)間，得到樣點(diǎn)健康狀況評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2?結(jié)果與分析

2.1?浮游藻類群落結(jié)構(gòu)特征

對(duì)研究區(qū)域10個(gè)樣點(diǎn)的浮游藻類組成進(jìn)行研究。鑒定出浮游藻類441個(gè)分類單元，隸屬于7門10綱17目23科74屬。浮游藻類種類組成如圖2所示，其中綠藻門40屬，在種類總數(shù)中占比最高，為54.05%;藍(lán)藻門為12屬，在種類種數(shù)中所占比例僅次于綠藻門，為16.22%;硅藻門11屬，在種類總數(shù)中所占比例14.86%;裸藻門為5屬，在種類總數(shù)中所占比例6.76%;隱藻門3屬，在種類總數(shù)中所占比例4.05%;金藻門為2屬，在種類總數(shù)中所占比例2.71%;甲藻門1屬，在種類總數(shù)中所占比例1.35%。綜合浮游藻類種類組成發(fā)現(xiàn)，種類數(shù)最多的是綠藻門，其次為藍(lán)藻門，之后為硅藻門，其他浮游藻類種類數(shù)較少。

浮游藻類相對(duì)豐度如圖3所示。由圖3可知，1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、7號(hào)、9號(hào)和10號(hào)樣點(diǎn)相對(duì)豐度最大的3個(gè)屬均為細(xì)小平裂藻（Merismopedia minima）、螺旋藻屬（Spirulina）和小顫藻（Oscillatoria tenuis）;2號(hào)樣點(diǎn)相對(duì)豐度最大的3個(gè)屬為螺旋藻屬、巨顫藻（Oscillatoria princes）和細(xì)小平裂藻;5號(hào)樣點(diǎn)相對(duì)豐度最大的3個(gè)屬為小顫藻、小環(huán)藻（Cyclotella）和細(xì)小平裂藻;6號(hào)樣點(diǎn)相對(duì)豐度最大的3個(gè)屬為小顫藻、偽魚腥藻（Pseudoanabaena sp.）和實(shí)球藻（Pandorina morum）;8號(hào)采樣點(diǎn)相對(duì)豐度最大的3個(gè)屬為小顫藻、細(xì)小平裂藻和偽魚腥藻。

2.2?參照點(diǎn)的確定

研究區(qū)域處于生態(tài)恢復(fù)初期階段，短時(shí)間內(nèi)難以達(dá)到良好、穩(wěn)定的健康狀態(tài)，為了評(píng)價(jià)體系構(gòu)建的客觀性和全面性，選取地理?xiàng)l件較好、氣候條件相似的河流作為參照河流。

通過調(diào)研與實(shí)地踏勘，結(jié)合已有研究基礎(chǔ)以及當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門提供的建議，選擇位于常州市連通長(zhǎng)蕩湖和滆湖的、水質(zhì)相對(duì)較好的北干河作為參照河流（圖4）。北干河作為景觀湖庫區(qū)河道，平均河底寬約10 m，平均水面寬約30 m，是全市主要引排調(diào)蓄河道，具有涵養(yǎng)水源、凈化水質(zhì)的功能，有較高的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)價(jià)值。岸坡栽種鋪植黃菖蒲、陽江狗牙根、贛北假儉草等近20種植物，面積為2 600多m2。岸帶和水體已經(jīng)形成了相對(duì)穩(wěn)定的可良性循環(huán)的生態(tài)系統(tǒng)。

2.3?候選指標(biāo)的篩選

2.3.1?候選指標(biāo)的分布范圍。

參照國內(nèi)外浮游植物生物完整性指數(shù)研究實(shí)例[19-20]，結(jié)合浮游藻類監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)永安河小流域進(jìn)行指標(biāo)選擇。由于不同種類個(gè)體所含有的細(xì)胞數(shù)不同，對(duì)整個(gè)群落的作用也存在差異，分別計(jì)算α-多樣性指數(shù)等數(shù)值，并作為獨(dú)立的候選參數(shù)。該研究以浮游藻類為研究對(duì)象從群落豐富度、群落功能和群落3個(gè)方面進(jìn)行指標(biāo)篩選，根據(jù)分布范圍分析確定了20項(xiàng)藻類指標(biāo)（M1～M9：群落豐富度，M10～M17：群落功能，M18-M20：群落結(jié)構(gòu)）（表1）。

2.3.2?候選指標(biāo)判別能力分析。

通過分布范圍分析的候選指標(biāo)需進(jìn)行判別能力分析，以確定參數(shù)可以很好地區(qū)分出參照點(diǎn)和受損點(diǎn)。判別能力分析方法常用的有箱線圖法和Mann-Whitney非參數(shù)檢驗(yàn)法[21-22]。該試驗(yàn)采用箱線圖法比較參照河流和研究區(qū)域20項(xiàng)候選指標(biāo)（圖5），剔除8項(xiàng)與參照河流相似程度高的指標(biāo)，保留12項(xiàng)浮游藻類指標(biāo)：M1、M2、M3、M6、M8、M10、M14、M15、M16、M18、M19和M20，進(jìn)行下一步篩選。

2.3.3?候選指標(biāo)Pearson相關(guān)性分析。

通過判別能力分析得到的候選指標(biāo)需進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，以檢驗(yàn)各指數(shù)所反映的信息的獨(dú)立性，避免冗余。由表2可知，M1、M2與M3、M6、M14、M15、M16均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，且M1、M2之間呈極顯著關(guān)系，因此剔除M1、M2;M3包含信息量較大，予以保留;M15、M16與M3、M6、M14存在極顯著關(guān)系，且M15、M16之間呈極顯著正相關(guān)，剔除M15、M16;M8與M10、M18、M19、M20呈極顯著關(guān)系，其不具有獨(dú)立性，剔除M8;M18與M19呈極顯著負(fù)相關(guān)，M19與M20呈極顯著負(fù)相關(guān)，因避免指標(biāo)存在冗余和重復(fù)的情況，保留M19、剔除M18與M20。

根據(jù)篩選結(jié)果，確定M3（藻類屬的總數(shù)）、M6（硅藻屬數(shù)量比例）、M10（小環(huán)藻屬密度百分比）、M14（細(xì)小平裂藻屬細(xì)胞密度）、M19（藍(lán)藻門密度百分比）5項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建夏季永安河小流域P-IBI指數(shù)。

2.4?分值計(jì)算與P-IBI健康標(biāo)準(zhǔn)建立

篩選得到的指標(biāo)需進(jìn)行換算統(tǒng)一各參數(shù)的量綱。研究采用比值法，對(duì)于干擾越強(qiáng)指標(biāo)值越低的，以該指標(biāo)在所有樣本95%分位數(shù)值作為最佳值，該指標(biāo)分值等于指標(biāo)值除以最佳值;對(duì)于干擾越強(qiáng)指標(biāo)值越高的，以5%分位數(shù)值作最佳值，指標(biāo)計(jì)算方法：（最大值-指標(biāo)值）/（最大值-最佳值）。按表3公式計(jì)算各參數(shù)分值，將各參數(shù)分值累加，即通過P-IBI=M3+M6+M10+M14+M19計(jì)算P-IBI，得到永安河小流域豐水期的P-IBI分值，用于后續(xù)評(píng)價(jià)體系計(jì)算。

選用所有點(diǎn)位P-IBI值的95%分位數(shù)為最佳值，將最大值代入到標(biāo)準(zhǔn)化公式，計(jì)算5等分的差值，再在95%分位數(shù)下進(jìn)行等級(jí)的劃分，分別對(duì)應(yīng)健康、較好、一般、差和極差5個(gè)等級(jí)，如表4所示。

2.5?永安河小流域豐水期P-IBI健康評(píng)價(jià)結(jié)果

評(píng)價(jià)結(jié)果見表5，10個(gè)樣點(diǎn)中1個(gè)為健康，7個(gè)為亞健康，2個(gè)為一般。永安河小流域上游段的評(píng)價(jià)結(jié)果最好為健康，永安河小流域的中段、十字河下游河段、塘門浜支流較上游次之為亞健康，在支流十字河的評(píng)價(jià)中，西十字河好于東十字河為亞健康。

2.6?夏季永安河小流域P-IBI指數(shù)與環(huán)境因子相關(guān)性分析

將豐水期永安河小流域P-IBI指數(shù)、核心指標(biāo)、環(huán)境因子，進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析（表6）。

溶解氧與P-IBI呈顯著負(fù)相關(guān)性，同時(shí)也與細(xì)小平裂藻屬細(xì)胞密度呈顯著負(fù)相關(guān)?？偭诐舛扰cP-IBI呈顯著正相關(guān)，同細(xì)胞密度是隨干擾增強(qiáng)而變大的指標(biāo)。當(dāng)水體受到有機(jī)或無機(jī)物質(zhì)污染時(shí)，溶解氧含量會(huì)有所降低。研究區(qū)域水體受到干擾，溶解氧含量降低，導(dǎo)致浮游藻類生長(zhǎng)繁殖所需的氧含量降低，進(jìn)而導(dǎo)致浮游藻類種類數(shù)量減少?？偭诐舛扰c細(xì)小平裂藻屬細(xì)胞密度顯著正相關(guān)，推測(cè)其原因可能是在一定條件下總磷含量的上升對(duì)浮游藻類的生長(zhǎng)起到促進(jìn)作用，這也與劉珍妮等[23-24]的研究結(jié)果一致。葉綠素a與P-IBI呈極顯著負(fù)相關(guān)，同時(shí)也與小環(huán)藻屬密度百分比、藍(lán)藻門密度百分比呈極顯著負(fù)相關(guān)。藍(lán)藻門密度百分比是隨著干擾增大而下降的指標(biāo)，藍(lán)藻在水體中過量增殖，往往形成“水華”。城市河道中含有較多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，特別是氮、磷，導(dǎo)致藍(lán)藻的大量增殖，使水色藍(lán)綠而濃濁;死亡分解時(shí)，散發(fā)出腐臭、腥臭氣味，使水質(zhì)變壞。浮游藻類群落隨葉綠素a含量的變化而變化。

3?討論

永安河小流域由于在2018年年初進(jìn)行換水疏浚等相關(guān)工程，并在河道上面進(jìn)行與河流治理及恢復(fù)相關(guān)的示范工程，所以城市河道處于受人工干擾后恢復(fù)初期階段，因此藻類、底棲動(dòng)物、魚類等均出現(xiàn)一個(gè)種類數(shù)量少于自然河道的情況，且浮游藻類生長(zhǎng)與溫度存在正相關(guān)，由于監(jiān)測(cè)時(shí)間為2018年8月，屬于夏季，此時(shí)為河道中浮游藻類生活繁衍提供了有利的環(huán)境條件。該研究只選用夏季永安河小流域監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，旨在盡可能多地減少外部環(huán)境條件差異，同時(shí)避免藻密度權(quán)重如何確定等未有相關(guān)研究成果的因素干擾，盡可能提高P-IBI指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確性，反映P-IBI指數(shù)在城市河流中的應(yīng)用效果，科學(xué)地反映永安河小流域水生態(tài)健康狀態(tài)。

4?結(jié)論

（1）永安河小流域在夏季綠藻門種屬數(shù)最多，共40屬，甲藻門種屬數(shù)最少，僅1屬;10個(gè)采樣點(diǎn)中共有7個(gè)采樣點(diǎn)相對(duì)豐度較大的為小顫藻和細(xì)小平裂藻。

（2）在研究區(qū)域內(nèi)永安河小流域上游段的評(píng)價(jià)結(jié)果最好;永安河小流域的中段及十字河下游河段評(píng)價(jià)結(jié)果同塘門浜支流評(píng)價(jià)結(jié)果均較上游次之，健康評(píng)價(jià)結(jié)果為亞健康;在支流十字河的評(píng)價(jià)結(jié)果中，西十字河評(píng)價(jià)結(jié)果好于東十字河，評(píng)價(jià)結(jié)果為亞健康。

（3）與夏季永安河小流域浮游藻類完整性指數(shù)（P-IBI）呈極顯著負(fù)相關(guān)的為葉綠素a，呈負(fù)相關(guān)的為溶解氧，呈顯著正相關(guān)的為總磷。

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