基于浮游植物生物完整性的橫嶺湖豐水期生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)

余明峰，劉建中，夏 丹，夏 瑋，周 贊，袁 鴻，肖亞琴，陳敦學(xué)，牛艷東，6，唐 軍

（1.湘陰縣林業(yè)局，湖南湘陰 410500； 2.湘陰縣橫嶺湖省級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理委員會(huì)，湖南 湘陰 413100； 3.湖南洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，湖南 岳陽(yáng) 414000； 4.貴州大學(xué)，貴州 貴陽(yáng) 550025； 5.湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004； 6.洞庭湖流域生態(tài)系統(tǒng)管理與水資源可持續(xù)利用國(guó)際科技合作基地，湖南長(zhǎng)沙 410004； 7.江永縣高澤源國(guó)有林場(chǎng)，湖南 江永 425400）

浮游植物是水生生態(tài)系統(tǒng)中的重要生產(chǎn)者，能夠迅速反應(yīng)水體的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，是評(píng)價(jià)水質(zhì)的重要指標(biāo)［1］，在對(duì)水生態(tài)環(huán)境的維持上具有穩(wěn)定性和完整性等方面的重要生物學(xué)意義［2］。2006年，浮游植物完整性指數(shù)（P-IBI：phytoplankton-IBI）由Lacouture等［3］提出，隨著不斷改進(jìn)，成為目前最為普遍的水生態(tài)健康程度評(píng)價(jià)指數(shù)之一［4］，它主要通過(guò)多樣性相關(guān)指數(shù)、生長(zhǎng)特征和群落組成的生物參數(shù)，綜合評(píng)價(jià)湖泊水域中的浮游植物整體狀況［5］。

在國(guó)內(nèi)已有相關(guān)報(bào)道利用浮游植物完整性指數(shù)（P-IBI）對(duì)水生態(tài)健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。肖善勢(shì)等［6］基于P-IBI，評(píng)價(jià)了錢(qián)塘江流域—浙江段水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況；譚巧等［7］基于P-IBI，評(píng)價(jià)了長(zhǎng)江上游流域水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，確定三種評(píng)價(jià)方法中4分制法和比值法在劃分評(píng)價(jià)等級(jí)上更細(xì)致、評(píng)價(jià)結(jié)果更精確。但是，洞庭湖通過(guò)P-IBI評(píng)價(jià)未見(jiàn)報(bào)告，大多數(shù)是對(duì)洞庭湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征的研究。橫嶺湖是洞庭湖的重要組成部分，通過(guò)P-IBI對(duì)橫嶺湖水生態(tài)健康狀況的評(píng)價(jià)，有利于合理規(guī)劃、保護(hù)橫嶺湖生態(tài)環(huán)境，并對(duì)PIBI在洞庭湖上的研究提供參考。

1 研究區(qū)概況

橫嶺湖省級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于湖南省湘陰縣北部，東起湘江與岳陽(yáng)市屈原行政區(qū)隔江相望，南抵湘陰縣洞庭圍鎮(zhèn)和鶴龍湖鎮(zhèn)，西臨益陽(yáng)沅江市，北接?xùn)|洞庭湖磊石山。湖區(qū)年平均氣溫16～17℃，降水主要集中在4～6月，7月溫度能夠達(dá)到29℃，絕對(duì)最高氣溫達(dá)43℃，地理坐標(biāo)介于112°38′—112°57′E與28°30′—29°03′N(xiāo)之間?？偯娣e4.3萬(wàn)hm2，其中永久性陸地2.2萬(wàn)hm2，洲灘0.6萬(wàn)hm2，永久性水面1.5萬(wàn)hm2。保護(hù)區(qū)作為洞庭湖重要組成部分之一，屬濕地類(lèi)型。在生態(tài)上為眾多瀕危、珍稀遷徙水鳥(niǎo)提供棲息地，也是它們重要的繁殖地和中轉(zhuǎn)站［8］。在功能上具有調(diào)節(jié)徑流、控制洪水、改善水質(zhì)和降解污染物等重要作用［9］，為洞庭湖重要水上航道之一。

2 研究方法

2.1 采樣點(diǎn)設(shè)置

在橫嶺湖自然保護(hù)區(qū)設(shè)立10個(gè)采樣點(diǎn)，其中S1、S2、S3、S4采樣點(diǎn)由湘江水注入；S5、S6、S7、S8、S9、S10采樣點(diǎn)由資江水注入；S5、S6、S9、S10 為 主 要 湖 區(qū)；S1、S2 在 航 運(yùn) 線 上（見(jiàn)圖1）。

圖1 采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of sam pling points

2.2 樣品采集與處理

于2021年7月進(jìn)行樣品采集。在各個(gè)采樣點(diǎn)使用水生生物采水器采集水樣1L，裝入帶蓋的采集瓶中，加入10mL魯哥氏試劑和5 mL甲醛固定，做上標(biāo)記并帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行定量分析。定性采集使用25號(hào)浮游生物網(wǎng)，所得樣品現(xiàn)場(chǎng)使用4%甲醛溶液固定，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室顯微鏡鑒定時(shí)確定到種。定量樣需沉淀水樣48 h，濃縮至約30 mL，經(jīng)充分搖勻后，通過(guò)直接計(jì)數(shù)法。對(duì)于浮游植物種類(lèi)鑒定參照《水生生物學(xué)》［10］進(jìn)行鑒定。

水溫（WT）、溶解氧（DO）、pH值和透明度（SD）直接運(yùn)用便攜儀器當(dāng)場(chǎng)測(cè)定，高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、總氮（TN）、總磷（TP）和葉綠素-a的測(cè)定，采集水樣在實(shí)驗(yàn)室參考國(guó)標(biāo)測(cè)定［11］。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

調(diào)查相關(guān)性分析、多樣性指數(shù)、綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)等統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)及圖表在Excel 2019軟件和SPSS 20軟件中完成，部分指數(shù)計(jì)算公式如下。

2.3.1 多樣性指數(shù)

式中：Chl-a的單位為μg·L-1；SD的單位為m；其他指標(biāo)的單位均為mg·L-1。

2.3.3 標(biāo)準(zhǔn)化賦分

在譚巧等［7］研究中發(fā)現(xiàn)在等級(jí)的劃分和評(píng)價(jià)結(jié)果上，4分制法和比值法相對(duì)較細(xì)致和精確。本次橫嶺湖浮游植物完整性評(píng)價(jià)采用比值法對(duì)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化賦分。

（1）對(duì)于隨人為干擾增加而升高的參數(shù)，賦分計(jì)算公式：

式中：最小值為該參數(shù)的最小值；參數(shù)值為欲進(jìn)行賦分的某一參數(shù)；最佳值為該參數(shù)95%分位值。

3 結(jié)果與分析

3.1 水體理化性質(zhì)

本次調(diào)查主要對(duì)水中理化性質(zhì)透明度（SD）、pH值、水溫（WT）、溶解氧（DO）、總氮（TN）、總磷（TP）、高錳酸鹽指數(shù) （CODMn）進(jìn)行測(cè)定，均值分別為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（見(jiàn)表1）。

表1 各采樣點(diǎn)水體理化性質(zhì)Tab.1 Physical and chem ical properties of water bodies at each samp ling point

3.2 種類(lèi)組成

本次研究調(diào)查共鑒定出浮游植物49種，隸屬于6門(mén)35屬。藍(lán)藻門(mén)5屬5種，占總種類(lèi)數(shù)的10.20%；隱藻門(mén)2屬3種，占總種類(lèi)數(shù)的6.12%；甲藻門(mén)1屬1種，占總種類(lèi)數(shù)的2.04%；硅藻門(mén)6屬9種，占總種類(lèi)數(shù)的18.37%；裸藻門(mén)3屬4種，占總種類(lèi)數(shù)的8.16%；綠藻門(mén)18屬27種，占總種類(lèi)數(shù)的55.10% （見(jiàn)表2）。

表2 橫嶺湖自然保護(hù)區(qū)浮游植物物種組成和優(yōu)勢(shì)種Tab.2 Phytoplankton species com position and predom inant species in Hengling Lake Nature Reserve

續(xù)表2 橫嶺湖自然保護(hù)區(qū)浮游植物物種組成和優(yōu)勢(shì)種Continued Tab.2 Phytop lankton species com position and predom inant species in Hengling Lake Nature Reserve

3.3 橫嶺湖P-IBI的建立

3.3.1 參考點(diǎn)與受損點(diǎn)的確定

參考點(diǎn)與受損點(diǎn)是生物完整性評(píng)價(jià)的核心內(nèi)容，它的結(jié)果直接影響P-IBI的評(píng)價(jià)結(jié)果［16］。TSI綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)能夠較為準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)水體實(shí)際營(yíng)養(yǎng)狀況［17］，本研究通過(guò)TSI綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)來(lái)確定參照點(diǎn)和受損點(diǎn)。計(jì)算各采樣點(diǎn)的TSI綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，從小到大排列，選取數(shù)值小于43的作為參考點(diǎn)，其余的為受損點(diǎn)。橫嶺湖共選出4個(gè)受損點(diǎn)為S1、S4、S9和S10，6個(gè)參照點(diǎn)為S2、S3、S5、S6、S7和S8（見(jiàn)表3）。

表3 橫嶺湖綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)Tab.3 Index of integrated nutrition

3.3.2 備選評(píng)價(jià)指標(biāo) 浮游植物生物完整性指數(shù)候選指標(biāo)主要是通過(guò)參考對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)的研究實(shí)例設(shè)置［6-7］。此次研究初選取對(duì)水環(huán)境較為敏感的24類(lèi)指標(biāo)。這些指標(biāo)大體上可以分為群落結(jié)構(gòu)、生物多樣性、物種豐富度和組成3個(gè)大類(lèi) （見(jiàn)表4）。

表4 浮游植物完整性評(píng)價(jià)候選參數(shù)的選擇Tab.4 Selection of candidate parameters for phytoplankton integrity assessment

3.3.3 判別能力分析 通過(guò)對(duì)參照點(diǎn)與受損點(diǎn)制作箱型圖，篩選候選指標(biāo)。根據(jù)箱體重疊情況，IQ值的賦予不同，當(dāng)箱體沒(méi)有重疊，IQ＝3；兩箱部分重疊，但兩中位線不在對(duì)方箱體內(nèi)，IQ＝2；只有一個(gè)中位數(shù)值在對(duì)方箱體范圍之內(nèi)，IQ＝1；各自中位數(shù)值都在對(duì)方箱體范圍之內(nèi)，IQ＝0。由圖2可知：M6、M14、M15、M19、M22、M24共有6個(gè)候選指標(biāo)IQ≥2，將這6個(gè)候選指標(biāo)留作下一步分析。

圖2 浮游植物參照點(diǎn)與受損點(diǎn)候選參數(shù)篩選Fig.2 Screening of candidate parameters for phytoplankton reference point and damaged point

續(xù)圖2 浮游植物參照點(diǎn)與受損點(diǎn)候選參數(shù)篩選Continued Fig.2 Screening of candidate parameters for phytoplankton reference point and damaged point

3.3.4 候選生物指標(biāo)相關(guān)性分析 將候選指標(biāo)箱型圖IQ≥2的參數(shù)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，當(dāng)相關(guān)系數(shù)大于0.75的兩個(gè)參數(shù)，則獨(dú)立性較低，兩者之間包含的生態(tài)信息相似程度較高，可權(quán)衡比較刪去一個(gè)。6個(gè)候選指標(biāo)中Pearson相關(guān)系數(shù)中無(wú)極顯著相關(guān)，M14與M19、M22與M24關(guān)系顯著，6個(gè)候選指標(biāo)均可保留（見(jiàn)表5）。

表5 浮游植物生物完整性指數(shù)參數(shù)的Pearson相關(guān)系數(shù)Tab.5 The Pearson correlation coefficient for the parameters of the biological integrity index of phytoplankton

3.4 健康評(píng)價(jià)結(jié)果

3.4.1 選用參數(shù)特征值 M14、M15和M19三個(gè)參數(shù)與人為干擾成正相關(guān)，因此選擇5%分位值為最佳值；M6、M22和M24三個(gè)參數(shù)與人為干擾成負(fù)相關(guān)，因此選擇95%分位值為最佳值 （見(jiàn)表6）。

表6 選用參數(shù)特征值Tab.6 Selected parameter eigenvalues

3.4.2 標(biāo)準(zhǔn)化賦分健康評(píng)價(jià) 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化賦分，將各參數(shù)賦分相加后的總和得到每個(gè)采樣點(diǎn)PIBI的分值P［18］。將橫嶺湖各采樣點(diǎn)P的平均值作為橫嶺湖的生物完整性指數(shù)P。對(duì)于P值大于75%分位數(shù)時(shí)該采樣點(diǎn)健康狀況評(píng)價(jià)為優(yōu)，P值在50%～75%分位數(shù)間的采樣點(diǎn)健康狀況評(píng)價(jià)為良，P值為25%～50%分位數(shù)間的采樣點(diǎn)健康狀況評(píng)價(jià)為中，P值為25%分位數(shù)以下的采樣點(diǎn)健康狀況評(píng)價(jià)為差（見(jiàn)表7）。

表7 浮游植物生物完整性指數(shù)值P的評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.7 Evaluation results of phytop lankton biological integrity index value P

3.5 P-IBI指數(shù)P與環(huán)境因子的相關(guān)性

將橫嶺湖各個(gè)采樣點(diǎn)的P值與透明度（SD）、pH值、水溫（WT）、溶解氧（DO）、總氮（TN）、總磷（TP）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，其中P值與TN和DO水平相關(guān)性顯著，與其它環(huán)境因子無(wú)相關(guān)性（見(jiàn)表8）。

表8 浮游植物完整性指數(shù)P與環(huán)境因子Pearson相關(guān)系數(shù)Tab.8 Correlation coefficient of phytoplankton integrity index P and environmental factor pearson

4 結(jié)論與討論

（1）對(duì)于橫嶺湖自然保護(hù)區(qū)浮游植物完整性評(píng)價(jià)結(jié)果顯示生態(tài)健康狀態(tài)良好，這與Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)評(píng)價(jià)相似，但相比于夏瑋等［19］對(duì)橫嶺湖貧水期水環(huán)境狀態(tài)評(píng)價(jià)要高。主要因?yàn)樨S水期大量的新水注入，淡化了原有的橫嶺湖水環(huán)境，降低橫嶺湖的污染度，與Bhatt等［20］對(duì)降雨量等因素估算垃圾滲濾液的研究曲線相似。由于各采樣點(diǎn)水源主要來(lái)自湘江和資江，在豐水期江河能給湖區(qū)帶來(lái)較為豐富的營(yíng)養(yǎng)鹽［21-22］，導(dǎo)致橫嶺湖各采樣點(diǎn)整體浮游植物完整性較高。同時(shí)，湘江水注入的采樣點(diǎn)均值P值，要大于資江水注入的采樣點(diǎn)均值P值，浮游植物完整性程度整體上高于資江水注入的采樣點(diǎn)。護(hù)岸類(lèi)型不同，河流攜帶的營(yíng)養(yǎng)鹽含量不同［23］，這是造成湘江與資江水注入的采樣點(diǎn)P值差異的主要原因。

（2）相關(guān)研究表明SD、pH 值、WT、DO、TN、TP、CODMn均能成為影響浮游植物種群變化的主要因子［24-25］。本次橫嶺湖研究結(jié)果顯示，浮游植物完整性指數(shù)P值與環(huán)境因子TP、pH值、WT成正相關(guān)關(guān)系，與CODMn、SD成負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中與TN和DO相關(guān)性顯著并成正相關(guān)關(guān)系，這在一定程度上有利于促進(jìn)浮游植物的繁殖，容易出現(xiàn)單一優(yōu)勢(shì)種突出的現(xiàn)象，P值降低。在李利強(qiáng)等［26］對(duì)洞庭湖浮游植物增長(zhǎng)的限制營(yíng)養(yǎng)元素研究中，表明氮是對(duì)洞庭湖浮游植物增長(zhǎng)的主要限制因子，添加氮能明顯促進(jìn)浮游植物生物量增加，這與橫嶺湖浮游植物完整性指數(shù)P值和TN的相關(guān)性顯著結(jié)果一致。近些年的研究中，未發(fā)現(xiàn)DO是影響洞庭湖浮游植物完整性的主要因素，但在其它流域中，如楊濤等［27］對(duì)渭河流域浮游植物環(huán)境因子調(diào)查研究中，DO是主要的影響因素。這也證實(shí)不同水環(huán)境中，浮游植物完整性與環(huán)境因子的影響差異各有異同。

（3）本研究采用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)值劃分來(lái)確定參考點(diǎn)與受損點(diǎn)，并通過(guò)對(duì)候選指標(biāo)進(jìn)行分布范圍檢驗(yàn)、判別能力分析、指數(shù)間的相關(guān)性分析，得到橫嶺湖P-IBI由硅藻門(mén)密度百分比、藍(lán)藻門(mén)生物量百分比、綠藻門(mén)生物量百分比、水華藻類(lèi)生物量、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)6個(gè)參數(shù)組成。評(píng)價(jià)橫嶺湖水生態(tài)健康狀況分為4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：對(duì)于P值大于75%分位數(shù)的評(píng)價(jià)為優(yōu)；P值在50% ～75%分位數(shù)間的評(píng)價(jià)為良；P值為25%～50%分位數(shù)間的評(píng)價(jià)為中；P值為25%分位數(shù)以下的評(píng)價(jià)為差。

應(yīng)用P-IBI評(píng)價(jià)，得出橫嶺湖自然保護(hù)區(qū)水環(huán)境狀況良好。其中，水環(huán)境因子TN和DO與P-IBI評(píng)價(jià)P值呈顯著正相關(guān)關(guān)系。