基于浮游植物完整性指數(shù)的三峽庫區(qū)小江河流健康評(píng)價(jià)

程帥 左新宇 李同慶 蘭峰

摘要 ：為評(píng)價(jià)長江上游支流小江的河流生態(tài)健康狀況，根據(jù)2016年三峽庫區(qū)小江15個(gè)典型斷面浮游植物的定量分析數(shù)據(jù)，計(jì)算了小江浮游植物完整性指數(shù)（P-IBI）。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了其河流生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其進(jìn)行了健康評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示：小江總體處于健康狀態(tài)，但局部問題不可忽視。小江上游段呈理想狀態(tài)，中游段呈亞健康狀態(tài)，下游段呈不健康狀態(tài)，局部樣點(diǎn)呈現(xiàn)病態(tài)。15個(gè)斷面有3個(gè)處于不健康狀態(tài)，3個(gè)處于病態(tài)狀態(tài)，受損斷面主要集中在中下游河段，存在水華爆發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。從調(diào)節(jié)壩壩下的“普里河匯入口上游”到“礁石子渡口”段是受損最嚴(yán)重的河段。這可能是由于局部河段污染負(fù)荷大，回水區(qū)水體自凈能力弱導(dǎo)致，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，加強(qiáng)管理，有針對(duì)性地進(jìn)行污染物排放控制和水環(huán)境修復(fù)治理。

關(guān)鍵詞：河流健康評(píng)價(jià);浮游植物完整性指數(shù)（P-IBI）;小江;三峽庫區(qū)

1 研究背景

生物完整性指數(shù)是河湖健康評(píng)價(jià)中使用最普遍的健康度評(píng)價(jià)指數(shù)之一[1-3]。浮游植物作為河流生態(tài)系統(tǒng)中的生產(chǎn)者，是較好的指示生物，其生物完整性可較好地反映河流的理化性質(zhì)及對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)[4-7]。近年來，浮游植物完整性指數(shù)（P-IBI）在河流、湖泊和水庫的健康度評(píng)價(jià)研究中也應(yīng)用得越來越普遍[8-10]。

小江是長江上游段左岸一條較大的一級(jí)支流，發(fā)源于重慶市開州區(qū)白泉鄉(xiāng)，納入南河、普里河等支流后，在云陽縣匯入長江，小江河口距三峽大壩247 km。三峽水庫正常蓄水后，小江回水區(qū)延長至60 km左右，上端延伸至開縣渠口鎮(zhèn)境內(nèi)，是一條有代表性的庫區(qū)支流。水華逐漸增多[11]，而這在蓄水之前較為少見。國內(nèi)關(guān)于小江生態(tài)環(huán)境的研究不少，但對(duì)小江大空間尺度的全江段生態(tài)研究很少，且近年來小江也出現(xiàn)了一些新的變化。本研究通過對(duì)小江全江段進(jìn)行浮游植物采樣調(diào)查和分析，獲取了各個(gè)斷面的浮游植物定量數(shù)據(jù)，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析和篩選，構(gòu)建了基于小江浮游植物完整性指數(shù)（P-IBI）的河流健康評(píng)價(jià)體系和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)小江各斷面、各河段以及整條河流的生態(tài)健康給予評(píng)價(jià)。小江生態(tài)健康狀況評(píng)價(jià)有利于對(duì)其生態(tài)環(huán)境問題的分析，可為小江和其他三峽庫區(qū)支流乃至整個(gè)庫區(qū)河流的修復(fù)和保護(hù)提供參考依據(jù)，避免庫區(qū)河流管理中的盲目性。

2 材料與方法

2.1 監(jiān)測(cè)方法

2.1.1 監(jiān)測(cè)時(shí)間與斷面設(shè)置

2016年4月，對(duì)小江進(jìn)行了浮游植物采樣調(diào)查，從小江源頭的開縣白泉鄉(xiāng)到云陽縣小江河口，在河流上、中、下游典型河段，以及主要支流南河、普里河，選擇有代表性的生境設(shè)置采樣斷面，共設(shè)置了開縣泉秀村等15個(gè)斷面，其斷面位置見圖1。

2.1.2浮游植物采樣及分析

根據(jù)水面寬度，在各斷面設(shè)1～3條垂線，采集水面下0.5 m處的樣品，制備該斷面各垂線的等比例綜合樣品。

對(duì)浮游植物進(jìn)行定性和定量采集。在采集后一周之內(nèi)完成樣品分析。采樣及分析鑒定等參考標(biāo)準(zhǔn)SL 733-2016《內(nèi)陸水域浮游植物監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)[12-13]。

2.2 浮游植物完整性指數(shù)的構(gòu)建

浮游植物完整性指數(shù)的構(gòu)建主要分為參照點(diǎn)與受損點(diǎn)的確定、候選指標(biāo)的選擇和篩選、P-IBI指數(shù)的計(jì)算等幾個(gè)步驟[14-17]。

（1）參照點(diǎn)與受損點(diǎn)的確定。參考Barbour等[15]調(diào)查村莊、污染源、森林覆蓋率等情況，根據(jù)受人類活動(dòng)干擾程度，選取無干擾樣點(diǎn)或干擾極小樣點(diǎn)作為參考點(diǎn);而其余的明顯受影響的干擾樣點(diǎn)作為受損點(diǎn)[12]。

（2）候選指標(biāo)的選擇和篩選。基于對(duì)各個(gè)斷面的現(xiàn)場勘查和室內(nèi)定量分析數(shù)據(jù)，選取浮游植物（種類、個(gè)體、生物量等）數(shù)量、結(jié)構(gòu)、功能等產(chǎn)生影響的指標(biāo)作為候選指標(biāo)，本次主要選擇了種類組成、豐富度、種群營養(yǎng)結(jié)構(gòu)、水華特性、多樣性與均勻度等類型的26個(gè)指標(biāo)（見表1）作為候選指標(biāo)[9-10]。在對(duì)候選指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，通過分布范圍分析、判別能力分析、正態(tài)分布檢驗(yàn)和相關(guān)性分析等步驟，剔除分布范圍過小或過大，意義相對(duì)不明顯、判別能力較差以及信息高度重疊的指標(biāo)，得到核心指標(biāo)。

（3）P-IBI指數(shù)的計(jì)算。采用比值法計(jì)算P-IBI值[14]。首先計(jì)算各個(gè)核心指標(biāo)在全部樣點(diǎn)中的95%或5%分位數(shù)的值，對(duì)于隨干擾增大而值減?。?）的指標(biāo)，以95%分位數(shù)的指標(biāo)值為最佳期望值，樣點(diǎn)指標(biāo)分值=實(shí)測(cè)值/最佳期望值;而對(duì)于隨干擾增大而值增大（+）的指標(biāo)，則以5%分位數(shù)的指標(biāo)值為最佳期望值，指標(biāo)分值=（最大值-實(shí)測(cè)值） /（最大值-最佳期望值），最后將核心指標(biāo)分值累加，得出各樣點(diǎn)的P-IBI總分值。

2.3 斷面賦分及健康度評(píng)價(jià)

得到各樣點(diǎn)的浮游植物完整性指數(shù)（P-IBI）值后，選取參照點(diǎn)樣方數(shù)據(jù)的25 %分位數(shù)值作為理想期望值（IBIE），賦分100分，對(duì)小于25%分位數(shù)值的范圍進(jìn)行四等分，并以此確定各河段P-IBI指數(shù)值的賦分標(biāo)準(zhǔn)。評(píng)估樣點(diǎn)或河段完整性指數(shù)賦分IBIr采用以下公式計(jì)算：

式中：IBIr為評(píng)估河段浮游植物完整性指標(biāo)賦分，IBI為評(píng)估河段浮游植物完整性指標(biāo)值，IBIE為河流所在評(píng)估單元浮游植物完整性指標(biāo)理想期望值。

根據(jù)所得的賦分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各斷面生態(tài)狀況進(jìn)行賦分。依據(jù)各樣點(diǎn)的P-IBI指數(shù)賦分值，將樣點(diǎn)生態(tài)狀況等級(jí)分為“理想、健康、亞健康、不健康、病態(tài)”5個(gè)級(jí)別。具體的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表2。最后根據(jù)相關(guān)代表斷面控制河長在河流和河段中比例，來確定斷面在河流中的權(quán)重。計(jì)算各個(gè)河段以及小江河流整體的健康賦分。

3 結(jié)果分析

3.1 浮游植物完整性指數(shù)計(jì)算

3.1.1 參照點(diǎn)與受損點(diǎn)的確定

通過斷面實(shí)地查勘發(fā)現(xiàn)，開縣秀泉村、老巖洞、郭家鎮(zhèn)3個(gè)斷面生境較好，河流大多為碎石、鵝卵石、大石、細(xì)砂等，河岸穩(wěn)定、有豐富的植被，河水清澈，無異味，河水靜置后基本無沉淀物質(zhì)，人類干擾較少，符合無干擾或干擾極小樣點(diǎn)的要求，被用作參照點(diǎn)，余下的12個(gè)斷面為受損點(diǎn)。

3.1.2 核心指標(biāo)的確定

（1）分布范圍分析。分析26個(gè)候選生物指標(biāo)在樣點(diǎn)中的分布范圍（見表3），發(fā)現(xiàn)M6、M7、M8、M9、M19等指標(biāo)的極差和樣本標(biāo)準(zhǔn)差過大，數(shù)據(jù)變化幅度過大，且這幾個(gè)均為藻細(xì)胞密度數(shù)量指標(biāo)，相對(duì)于生物量指標(biāo)及生物量占比指標(biāo)，其包含的信息較少（僅有數(shù)量信息）。M3、M5、M13、M20、M21、M22等6個(gè)指標(biāo)的相對(duì)變化幅度較小或難以反映環(huán)境變化對(duì)目標(biāo)生物群體的影響，這些指標(biāo)不適宜參與構(gòu)建IBI指標(biāo)體系，應(yīng)予以剔除，對(duì)余下的15個(gè)生物參數(shù)進(jìn)行判別能力分析。

（2）判別能力分析。參與分析的15個(gè)生物參數(shù)的箱體IQ重疊的具體結(jié)果如圖2所示?？梢奙15、M17、M25、M26等4個(gè)指標(biāo)的參考點(diǎn)和受損點(diǎn)統(tǒng)計(jì)量中出現(xiàn)中位數(shù)值在對(duì)方箱體范圍之內(nèi)的情況，即箱體有部分重疊的情況，不符合IQ≥2的要求，說明這些指標(biāo)參考點(diǎn)與受損點(diǎn)差異不明顯，應(yīng)予以剔除。余下的11個(gè)生物參數(shù)納入下一步分析。

（3）相關(guān)性分析。用SPSS 軟件對(duì)剩下的11個(gè)指標(biāo)進(jìn)行Spearson 相關(guān)性分析，其計(jì)算結(jié)果見表4。由于 |r| >0.85的兩個(gè)參數(shù)間高度相關(guān)，取其中一個(gè)即可代表相關(guān)參數(shù)間所包含的大部份信息，優(yōu)先保留信息含量大的指標(biāo)。由此綜合考察后，舍去M1、M2，M11，M14和M16，保留M4、M10、M12、M18、M23、M24這6個(gè)指標(biāo)組成核心評(píng)價(jià)指標(biāo)集。

3.1.3 P-IBI指數(shù)的計(jì)算

計(jì)算各個(gè)核心指標(biāo)在全部樣點(diǎn)中的95%或5%分位數(shù)的值，并根據(jù)指標(biāo)對(duì)干擾增大的響應(yīng)，得到各指標(biāo)在本次研究中的最佳期望值。根據(jù)比值法，計(jì)算出各樣點(diǎn)的P-IBI值，各樣點(diǎn)的P-IBI指數(shù)賦分，結(jié)果見表5。

3.2 斷面賦分及健康等級(jí)評(píng)價(jià)

根據(jù)所得的各斷面P-IBI值結(jié)果，得到參照點(diǎn)樣方數(shù)據(jù)的25%分位數(shù)值為4.950，以此作為P-IBI的理想期望值。根據(jù)相關(guān)公式對(duì)各斷面的P-IBI值進(jìn)行賦分。依據(jù)所得賦分，參考健康狀況評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將樣點(diǎn)健康狀況分為“理想、健康、亞健康、不健康、病態(tài)”5個(gè)級(jí)別。并根據(jù)相關(guān)代表斷面控制河長來確定斷面在河流中的權(quán)重。核心指標(biāo)分位數(shù)計(jì)算結(jié)果見表5，計(jì)算各個(gè)河段以及小江河流整體的健康賦分結(jié)果見圖3及表6。

4討 論

4.1 小江河流健康評(píng)價(jià)結(jié)果

從浮游植物完整性指數(shù)評(píng)價(jià)的結(jié)果來看，小江總得分為80.4分，總體上處于健康狀態(tài)。這主要得益于上游段健康狀況較好，而且河段長度較長，占比較高。

從各河段來看，沿程上、中、下游河流健康狀況呈現(xiàn)明顯的差異，小江上游段賦分為107.2分，處于理想狀態(tài);中游段為60.8分，處于亞健康狀態(tài);下游段為34.2分，處于不健康狀態(tài)。

從干支流方面來看，本次調(diào)查評(píng)價(jià)期間小江支流南河、普里河處于理想和健康的狀態(tài)。干流總體上健康，部分河段不健康，局部斷面處于病態(tài)狀態(tài)。

從各個(gè)斷面上看，本次調(diào)查評(píng)價(jià)的15個(gè)斷面，處于理想、健康、亞健康、不健康以及病態(tài)狀態(tài)的斷面均為3個(gè)。渠馬鎮(zhèn)、高陽鎮(zhèn)、礁石子渡口為不健康狀態(tài)，普里河匯入口上、普里河匯入口下游、高陽平湖3個(gè)點(diǎn)為病態(tài)狀態(tài)。

因此，小江總體上尚處于健康狀態(tài)，但中下游段健康狀況較差，局部斷面呈現(xiàn)病態(tài)。

4.2 結(jié)合浮游植物定量分析結(jié)果分析

根據(jù)各斷面的藻細(xì)胞密度、生物量等定量分析數(shù)據(jù)，并依據(jù)生物量得到該斷面浮游植物的優(yōu)勢(shì)種類，結(jié)果列于表7。

由表7可見，從上游到下游沿程各斷面的優(yōu)勢(shì)種總體上呈現(xiàn)出“上游直鏈藻為主，中游角甲藻為主，下游的微囊藻為主”的現(xiàn)象。上游段硅藻門占優(yōu)，中游甲藻門占優(yōu)，下游藍(lán)藻門占優(yōu)，說明小江上游段生態(tài)狀況較好，而中下游段較差[18]。

小江中下游段的調(diào)節(jié)壩上游、普里河匯入口上游、普里河匯入口下游、渠馬鎮(zhèn)、高陽鎮(zhèn)、高陽平湖等多個(gè)斷面總生物量達(dá)到1.0 mg/L以上，優(yōu)勢(shì)種生物量占比在90%以上，藻類多樣性較差，生物量高，說明小江中下游段多個(gè)斷面生態(tài)狀況較差。礁石子渡口、黃石鎮(zhèn)、高陽鎮(zhèn)、高陽平湖、南河匯入口下游、普里河匯入口上游、普里河匯入口下游、渠馬鎮(zhèn)等多個(gè)斷面藻細(xì)胞密度達(dá)到105 cells/L，甚至106 cells/L以上，可知小江中下游段多個(gè)斷面具有一定的水華風(fēng)險(xiǎn)。

因此，浮游植物生物完整性指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果與浮游植物定量分析結(jié)果均表明，小江上游段生態(tài)健康度較高，而中下游段生態(tài)健康度較差。兩者結(jié)果基本吻合。

4.3結(jié)合流域人口和水文概況分析

結(jié)合小江流域的人口和資源分布可以發(fā)現(xiàn)：小江上游段，處于山區(qū)段，沿岸多為鄉(xiāng)村，人口相對(duì)較少;中游段，從南河附近開始，為開縣縣城，人口密集，至普里河入河口附近，均為鄉(xiāng)鎮(zhèn)，再往下至小江河口，為云陽縣縣城。因此，相對(duì)于上游段，小江中下游段人口密集、污染負(fù)荷大，這可能是小江中下游段受損較為嚴(yán)重的根本原因[19]。另外，小江回水段延伸到渠口鎮(zhèn)附近，在普里河以上，接近南河匯入口?；厮嗡髁魉佥^慢，水體自凈能力受到影響，也是小江中下游河段生態(tài)健康受損較為嚴(yán)重的重要原因[19]。

5 結(jié) 論

基于浮游植物完整性指數(shù)評(píng)價(jià)體系，對(duì)小江全江和各局部江段，以及各個(gè)調(diào)查斷面所代表的具體河段進(jìn)行了健康狀況評(píng)價(jià)。

總體而言，小江河流尚處于健康狀態(tài)，但局部問題不可忽視，小江上游段為理想狀態(tài)，中游段為亞健康狀態(tài)，下游段為不健康狀態(tài)，局部樣點(diǎn)呈現(xiàn)病態(tài)。小江河流受損主要集中在中下游河段，存在水華爆發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，本次調(diào)查期間主要水華藻種為角甲藻和微囊藻。

小江中下游河段，尤其是從調(diào)節(jié)壩壩下的“普里河匯入口上游”到“礁石子渡口”段，是受損嚴(yán)重的河段，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注，加強(qiáng)管理。中下游地區(qū)人口密集，污染負(fù)荷大，加上回水區(qū)水流緩慢，水體自凈能力弱，可能是導(dǎo)致局部河段受損嚴(yán)重的主要原因，應(yīng)當(dāng)有針對(duì)性地進(jìn)行污染物排放控制和水環(huán)境修復(fù)治理。

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（編輯：唐湘茜）