崇明島河流生態(tài)健康評價(jià)
——基于浮游動植物連續(xù)季節(jié)觀測

李晶晶，史本偉，沈盎綠，楊海飛，丁億凡

（1. 華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200241；2. 上海海洋大學(xué)海洋生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，上海 201306；3. 上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200061）

河流是地球上生物賴以生存的自然生態(tài)系統(tǒng)，具有諸多生態(tài)服務(wù)功能[1]，不僅可以調(diào)節(jié)氣候變化、改善生態(tài)環(huán)境，還可以為陸地生物、水生生物提供食物來源和棲息環(huán)境，在物質(zhì)、能量和信息傳遞環(huán)節(jié)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[2-3]。但是隨著人類活動范圍擴(kuò)大、破壞強(qiáng)度增加及社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水量、水質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)隨之改變，生境發(fā)生變化，河流生物多樣性減少，河流生態(tài)系統(tǒng)功能長期退化，河流健康受到嚴(yán)重威脅，評價(jià)河流健康狀態(tài)成為當(dāng)前國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。

目前，河流生態(tài)健康沒有確切的概念。一般認(rèn)為，河流健康指河流自身生態(tài)系統(tǒng)功能、生物多樣性沒有受到損害，具有相對穩(wěn)定性，且能滿足人類社會需求和可持續(xù)性發(fā)展的狀態(tài)[4]。健康的生態(tài)系統(tǒng)通常具有以下特點(diǎn)：具有恢復(fù)能力和自我維持能力、對周圍的其它生態(tài)系統(tǒng)不產(chǎn)生危害、對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類健康具有支持推動作用。由于對“河流健康”的理解存在差異性和不確定性，導(dǎo)致很難建立一個(gè)完善的河流生態(tài)系統(tǒng)健康指標(biāo)評價(jià)體系[5]。

國外關(guān)于河流健康評價(jià)的研究源于一個(gè)世紀(jì)前進(jìn)行的河流生物監(jiān)測[6]，現(xiàn)今已提出多種評價(jià)方法[7-8]。我國關(guān)于河流健康評價(jià)的研究起步較晚，近些年來，國內(nèi)眾多學(xué)者對河流生態(tài)系統(tǒng)健康展開研究。如：根據(jù)5種不同的生物評價(jià)指數(shù)展開河流生態(tài)健康評價(jià)，并對比不同生物評價(jià)指數(shù)的適用性[9]；選取水生生物、水質(zhì)、棲息地、水文的22個(gè)評價(jià)指標(biāo)對北運(yùn)河生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行健康評價(jià)[10]。河流生態(tài)系統(tǒng)健康的提出不僅為衡量河流生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能提供了基準(zhǔn)，也協(xié)調(diào)了人與河流二者之間可持續(xù)發(fā)展的關(guān)系[11]。

浮游生物是河流生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分，在食物網(wǎng)的物質(zhì)循環(huán)以及能量流動中起到樞紐作用；其攝食、排泄、洄游和擾動等行為改變也會影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生動態(tài)變化；大多數(shù)浮游動植物運(yùn)動能力較弱，活動范圍相對較小，對環(huán)境脅迫具有敏感響應(yīng)，因此其群落組成及多樣性特征通?？梢杂糜谥甘竞恿魃鷳B(tài)系統(tǒng)健康狀況。

崇明島地處長江入?？?，是中國最大的河口沖積島，其占上海陸域面積近五分之一。全島三面環(huán)江，一面臨海，素有“長江門戶，東海瀛洲”之稱。島內(nèi)河網(wǎng)密布，湖泊眾多，水系發(fā)達(dá)。2016年《崇明世界級生態(tài)島發(fā)展“十三五”規(guī)劃》發(fā)布，崇明積極踐行“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”發(fā)展理念，堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展，大力實(shí)施“+生態(tài)”和“生態(tài)+”，推進(jìn)生態(tài)、生產(chǎn)、生活融合發(fā)展，計(jì)劃到2035年，崇明區(qū)將建設(shè)成為具有全球引領(lǐng)示范作用的世界級生態(tài)島[12]。崇明島生態(tài)島建設(shè)符合國內(nèi)外生態(tài)文明建設(shè)的發(fā)展潮流，受到社會各界廣泛關(guān)注，如何協(xié)調(diào)崇明島生態(tài)環(huán)境效益、社會效益及經(jīng)濟(jì)效益三者之間的關(guān)系是一個(gè)重要的科學(xué)問題[13]，崇明島生態(tài)計(jì)劃的實(shí)施對長三角、長江流域以至全國的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)安全具有重要的意義。

本研究以崇明島為例，利用優(yōu)勢度、群落單純度、群落豐富度、群落Shannon-Wiener多樣性、群落均勻度指數(shù)，對崇明島浮游動植物群落組成及其季節(jié)性變化進(jìn)行分析，并基于浮游植物及浮游動物多樣性指數(shù)進(jìn)行水質(zhì)評價(jià)，探究該流域河流生態(tài)系統(tǒng)健康現(xiàn)狀，以期為崇明島河流生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)域和樣品采集

崇明島東臨東海，東西長約78km，南北寬13~18 km，形似臥蠶，總面積約1267 km2。島內(nèi)地勢低而平坦，呈東高西低，北高南低之態(tài)。崇明島內(nèi)河網(wǎng)水系密布，縱橫交錯，水面率較大，島內(nèi)河道擔(dān)負(fù)著全島引水、排澇、城鄉(xiāng)居民生活用水及工農(nóng)業(yè)用水的重任。根據(jù)《崇明城鄉(xiāng)總體規(guī)劃（2015—2040）》，崇明貫徹落實(shí)從“生態(tài)保育”到“生態(tài)+”的核心發(fā)展理念，將崇明建設(shè)成集新型農(nóng)業(yè)、休閑旅游、智慧創(chuàng)新、綠色智造、健康人居于一體的世界級生態(tài)島。

本文于7條河流共布設(shè)8個(gè)監(jiān)測點(diǎn)（其中東風(fēng)南橫河布置2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，即花博園內(nèi)外各設(shè)1個(gè)監(jiān)測點(diǎn)），調(diào)查河流中的浮游動植物。東風(fēng)南橫河2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)調(diào)查3次（2021年春季、夏季和秋季），其余監(jiān)測點(diǎn)調(diào)查2次（2021年夏季、秋季）?，F(xiàn)場監(jiān)測采樣詳見圖1、表1。

圖1 崇明島采樣點(diǎn)位置示意圖Fig. 1 The sampling sites in the Chongming Island

表1 崇明島取樣相關(guān)信息Table 1 The sampling information in the Chongming Island

本次崇明島河流健康評價(jià)研究，是基于浮游動植物展開分析，判別各河流的基本特征和個(gè)體特征，對于建立由共性指標(biāo)和個(gè)性指標(biāo)構(gòu)建的河流健康評價(jià)指標(biāo)體系，并形成由河段至河流整體的評價(jià)方法，具有重要的指導(dǎo)意義。

2 研究方法

2.1 樣品采集與處理

浮游生物調(diào)查方法按《水庫漁業(yè)資源調(diào)查規(guī)范》（SL 167-2014）進(jìn)行。浮游植物定量監(jiān)測使用采水器在水下0.5m處取樣1000ml，加15ml加魯哥試劑，裝入塑料采樣瓶，常溫保存，樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后靜止24h以上濃縮樣品至50ml，取0.1ml于浮游植物計(jì)數(shù)框在顯微鏡鑒定分析；浮游動物定量監(jiān)測使用采水器在水下0.5m處取20L通過25#浮游生物網(wǎng)過濾至100ml塑料瓶，加2ml甲醛固定，常溫保存，樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，取1ml于浮游植物計(jì)數(shù)框在顯微鏡鑒定分析。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

各浮游動植物特征值采用如下計(jì)算公式：

（1）優(yōu)勢度

式中：ni為第i種的豐度，fi是該種在各站位中出現(xiàn)的頻率，N為總豐度。取浮游動物優(yōu)勢度Y≥0.02的種為本文優(yōu)勢種。

（2）群落單純度

（3）群落豐富度

（4）群落Shannon-Wiener多樣性

（5）群落均勻度

（2）~（5）式中，S為種類數(shù)，ni為第i種的豐度，N為總豐度，H'為實(shí)測多樣性指數(shù)，H'MAX= log2S。

2.3 水質(zhì)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

借鑒相關(guān)學(xué)者依據(jù)群落生物多樣性指數(shù)進(jìn)行的水質(zhì)評價(jià)[14-15]，將水質(zhì)狀況分為5個(gè)級別（表2）。

表2 水質(zhì)分級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表Table 2 Water quality classification and evaluation standard

3 研究結(jié)果

3.1 浮游植物種類與豐度

（1）種類組成

2021年三個(gè)季度共鑒定浮游植物6門45屬72種，以藍(lán)藻門、綠藻門和硅藻門種類數(shù)為多，其中5、6、9月分別出現(xiàn)10、30、58種。

5月（春季）只有花博園內(nèi)外兩個(gè)站位（即對應(yīng)后期調(diào)查的6號和7號站位），共鑒定浮游植物4門8屬10種。由圖2(a1/b1/c1)可知，其中硅藻門種類數(shù)量優(yōu)勢明顯，共有7種，占總種數(shù)的70.00%，總豐度為1.89×104個(gè)/L，占總豐度的29.35%。藍(lán)藻門雖然只出現(xiàn)1種，占總種數(shù)的10.00%，但是豐度為4.20×104個(gè)/L，占總豐度的65.22%。此外，隱藻門和甲藻門均只有1種，各占總種數(shù)的10%，總豐度分別為2.80×103個(gè)/L和0.70×103個(gè)/L，各占總平均豐度的4.35%和1.09%。

6月（夏季）共鑒定浮游植物6門25屬30種，由圖2(a2/b2/c2)可知，其中硅藻門和綠藻門種類數(shù)量優(yōu)勢明顯，分別有10和8種，占總種數(shù)的33.33%和26.67%，總豐度分別為1.27×107個(gè)/L和2.53×107個(gè)/L，占總豐度的12.34%和24.50%。藍(lán)藻門出現(xiàn)6種，占總種數(shù)的20.00%，但是總豐度卻達(dá)到6.29×107個(gè)/L，占總豐度的60.93%。裸藻門出現(xiàn)3種，各占總種數(shù)的10.00%，總豐度為8.20×105個(gè)/L，占總豐度的0.79%。此外，甲藻門和隱藻門分別只出現(xiàn)2種和1種，各占總種數(shù)的6.67%和3.33%，總豐度均為7.40×105個(gè)/L，占總豐度的0.71%。

9月（秋季）共鑒定浮游植物6門44屬59種，由圖2(a3/b3/c3)可知，其中藍(lán)藻門種類數(shù)量優(yōu)勢明顯，共鑒定出20種，占總種數(shù)的33.90%，總豐度更是高達(dá)3.43×108個(gè)/L，占總豐度的96.31%。綠藻門出現(xiàn)18種，種類數(shù)量優(yōu)勢明顯，共鑒定出20種，占總種數(shù)的30.51%，但是總豐度卻只有2.40×106個(gè)/L，占總豐度的0.67%。硅藻門出現(xiàn)12種，占總種數(shù)的20.34%，總豐度為8.76×106個(gè)/L，占總豐度的2.46%。此外，裸藻門、隱藻門和甲藻門分別只出現(xiàn)4種、3種和2種，各占總種數(shù)的6.78%、5.08%和3.39%，總豐度均比較低，分別為8.73×105個(gè)/L、1.00×106個(gè)/L和1.00×105個(gè)/L，占總豐度均小于1%（圖2）。

圖2 不同季節(jié)河流浮游植物種群分析Fig.2 The population analysis of the rivers phytoplankton in differential seasons

（2）豐度平面分布

5月調(diào)查浮游植物各站位豐度均值為3.22×104個(gè)/L，幅度0.91×104~5.53×104個(gè)/L。其中世博園內(nèi)站位的浮游植物豐度高于世博園外站位。

6月調(diào)查浮游植物各站位豐度均值為2.65×107個(gè)/L，幅度7.40×105~1.30×108個(gè)/L（圖3—藍(lán)色柱/對數(shù)坐標(biāo)）。其中2號站浮游植物總豐度最高，1號站位最低。整體上北側(cè)水系2號、5號和8號浮游植物豐度偏高，世博園內(nèi)外附近（6號和7號）的兩個(gè)站位浮游植物豐度相差不大。

9月調(diào)查浮游植物各站位豐度均值為4.45×107個(gè)/L，幅度3.45×105~2.71×108個(gè)/L（圖3—橙色柱/對數(shù)坐標(biāo)）。其中6號站（世博園內(nèi)）浮游植物總豐度最高，7號站（世博園外）最低。整體上西側(cè)水系4號和北側(cè)水系5號、6號和8號浮游植物豐度偏高。

圖3 不同季節(jié)浮游植物各站總豐度分布圖Fig.3 The abundance of the phytoplankton at the sampling sites in differential seasons

從不同季節(jié)上看，秋季各站位浮游植物平均豐度最高，夏季次之，春季最低，不同站位浮游植物豐度變化具有很大的隨機(jī)性，可能與環(huán)島水系與長江水系交換有關(guān)。

（3）優(yōu)勢種及其平均豐度

取優(yōu)勢度Y≥0.02的浮游植物為本區(qū)的優(yōu)勢種。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，5月調(diào)查出現(xiàn)優(yōu)勢種6種，分別為長孢藻屬、針桿藻屬、變異直鏈藻、新月菱形藻、洛氏菱形藻和卵形隱藻，其中長孢藻屬的優(yōu)勢度最高，為0.33，平均豐度為2.10×104個(gè)/L。6月調(diào)查出現(xiàn)優(yōu)勢種4種，分別為點(diǎn)形平裂藻、偽魚腥藻屬、小環(huán)藻屬和河生集星藻，其中點(diǎn)形平裂藻的優(yōu)勢度最高，為0.11，平均豐度為4.84×106個(gè)/L。9月調(diào)查出現(xiàn)優(yōu)勢種4種，分別為偽魚腥藻屬、顫藻屬、拉氏擬柱胞藻和長孢藻屬，其中偽魚腥藻屬的優(yōu)勢度最高，為0.27，平均豐度為1.60×107個(gè)/L（表3）。

表3 不同季節(jié)浮游植物優(yōu)勢種優(yōu)勢度及其平均豐度Table 3 The dominance and mean abundance of the dominant species of the phytoplankton in different seasons

3.2 浮游動物種類與豐度

（1）種類組成

2021年三個(gè)季度共鑒定浮游動物3門19屬33種，以輪蟲類和枝角類種類數(shù)為多，其中5、6、9月分別出現(xiàn)8、20、25種。

5月共鑒定浮游動物2門4大類5屬8種（含幼體3種），其中輪蟲類和幼體類種類數(shù)最多，各有3種，各占總種數(shù)的37.50%，總豐度分別為4.45個(gè)/L和7.20個(gè)/L，各占總豐度的12.73%和20.60%。橈足類和枝角類均出現(xiàn)1種，各占總數(shù)的12.50%，總豐度為2.15個(gè)/L和21.50個(gè)/L，占總豐度的6.15%和60.52%?；ú﹫@內(nèi)站位出現(xiàn)的種類數(shù)（4種）顯著低于花博園外站位（8種）。

6月共鑒定浮游動物3門5大類13屬20種（含幼體2種），其中輪蟲類種類數(shù)最多，有13種，各占總種數(shù)的65.00%，總豐度為306.50個(gè)/L，占總豐度的24.56%。橈足類、枝角類和幼體類均出現(xiàn)2種，各占總數(shù)的10.00%，總豐度為187.00個(gè)/L、284.00個(gè)/L和473.50個(gè)/L，占總豐度的14.98%、21.96%和37.94%。此外還出現(xiàn)原生動物1種，各占總種數(shù)的5.00%，總豐度為7.00個(gè)/L，占總豐度的0.56%。

9月共鑒定浮游動物3門5大類17屬25種（含幼體2種），其中輪蟲類種類數(shù)最多，有13種，各占總種數(shù)的52.00%，總豐度為289.00個(gè)/L，占總豐度的14.30%。枝角類出現(xiàn)6種，占總數(shù)的24.00%，總豐度為645.50個(gè)/L，占總豐度的31.94%。幼體類出現(xiàn)3種，占總數(shù)的12.00%，總豐度為916.50個(gè)/L，占總豐度的45.35%。橈足類出現(xiàn)2種，占總數(shù)的8.00%，總豐度為155.00個(gè)/L，占總豐度的7.67%。此外還出現(xiàn)原生動物1種，各占總種數(shù)的4.00%，總豐度為15.00個(gè)/L，占總豐度的0.74%（圖4）。

圖4 不同季節(jié)河流浮游動物種群分析Fig.4 The population analysis of the rivers zooplankton in differential seasons

（2）豐度平面分布

5月調(diào)查浮游動物各站位豐度均值為17.48個(gè)/L，幅度13.75~21.20個(gè)/L。其中花博園內(nèi)站位的浮游動物豐度顯著低于花博園外站位。

6月調(diào)查浮游動物各站位豐度均值為156.00個(gè)/L，幅度31.50~416.00個(gè)/L（圖5—藍(lán)色柱）。其中3號站浮游動物總豐度最高，6號站位最低（花博園內(nèi)）。整體上北側(cè)水系2號、3號、5號和7號浮游動物豐度偏高，花博園內(nèi)（6號）站位浮游動物豐度顯著低于附近站位（2號和7號）。

9月調(diào)查浮游動物各站位豐度均值為252.63個(gè)/L，幅度45.00~564.00個(gè)/L（圖5—橙色柱）。其中5號站浮游動物總豐度最高，4號站位最低。整體上北側(cè)水系2號、5號、7號和8號浮游動物豐度偏高，花博園內(nèi)（6號）站位浮游動物豐度比附近2號和7號站位要低。

圖5 不同季節(jié)浮游動物各站總豐度分布圖Fig.5 The abundance of the zooplankton at the sampling sites in differential seasons

從不同季節(jié)上看，秋季各站位浮游動物平均豐度最高，夏季次之，春季最低，不同站位浮游動物豐度變化具有一定的隨機(jī)性，可能與環(huán)島水系浮游植物豐度、沉水植物分布等有關(guān)。6月份花博園內(nèi)站位（6號）浮游動物豐度最低，9月份浮游動物豐度相比較其他站位也處于較低水平，這也說明花博園內(nèi)水體由于水生植物種植等手段的生態(tài)修復(fù)，水質(zhì)處于較好狀態(tài)，水體透明度也高，從而反應(yīng)到浮游動物豐度較低。

（3）優(yōu)勢種及其平均豐度

取優(yōu)勢度Y≥0.02的浮游動物為本區(qū)的優(yōu)勢種。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，5月調(diào)查出現(xiàn)優(yōu)勢種4種，分別為多刺裸腹溞、無節(jié)幼體、角突臂尾輪蟲和廣布中劍水蚤，其中多刺裸腹溞的優(yōu)勢度最高，為0.61，平均豐度為10.58個(gè)/L。6月調(diào)查出現(xiàn)優(yōu)勢種5種，分別為無節(jié)幼體、廣布中劍水蚤、短尾秀體溞、曲腿龜甲輪蟲和多刺裸腹溞，其中無節(jié)幼體的優(yōu)勢度最高，為0.36，平均豐度為55.94個(gè)/L。9月調(diào)查出現(xiàn)優(yōu)勢種3種，分別為無節(jié)幼體、橈足類幼體、短尾秀體溞、長額象鼻溞、廣布中劍水蚤、萼花臂尾輪蟲和多刺裸腹溞，其中無節(jié)幼體的優(yōu)勢度最高，為0.24，平均豐度為60.44個(gè)/L（表4）。

表4 不同季節(jié)浮游動物優(yōu)勢種優(yōu)勢度及其平均豐度Table 4 The dominance and mean abundance of the dominant species of the zooplankton in different seasons

3.3 浮游植物與浮游動物的多樣性分析

浮游植物與浮游動物的多樣性分析詳見表5。

表5 不同季節(jié)浮游植物和浮游動物生物多樣性指數(shù)Table 5 The diversity index of the phytoplankton and zooplankton in different seasons

3.4 基于生物多樣性指數(shù)的水質(zhì)評價(jià)

基于浮游植物與浮游動物群落生物多樣性指數(shù)的水質(zhì)評價(jià)結(jié)果詳見表6。

表6 基于浮游植物與浮游動物群落多樣性指數(shù)的水質(zhì)狀況評價(jià)Table 6 Water quality classification evaluation based on phytoplankton and zooplankton community diversity index

基于浮游動植物群落生物多樣性指數(shù)的水質(zhì)評價(jià)結(jié)果顯示，崇明河道因水流緩慢及人為活動影響等客觀原因，從單一的群落生物多樣性指數(shù)來評價(jià)，河道整體水質(zhì)狀況不甚理想。而如S4站點(diǎn)因靠近長江進(jìn)水口，水質(zhì)相對較好。另從浮游動物的分析結(jié)果來看，總體上相對于5月和6月，9月份的河道水質(zhì)有向好趨勢。

4 結(jié)語

浮游動植物對環(huán)境變化具有敏感響應(yīng)，本次對崇明島河流浮游動植物群落組成、豐度平面分布、優(yōu)勢種及多樣性的季節(jié)變化研究，對評價(jià)河流生態(tài)系統(tǒng)健康有一定啟示意義。但基于單一浮游植物或是單一浮游動物群落生物多樣性指數(shù)的水質(zhì)評價(jià)結(jié)果存在一定差異，因此，選擇單一群落生物多樣性指數(shù)對整體河道水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)尚不夠全面。未來的河流健康評價(jià)研究，須結(jié)合水質(zhì)營養(yǎng)鹽參數(shù)及其他生物參數(shù)等，建立綜合多指標(biāo)的系統(tǒng)評價(jià)體系。