基于浮游植物的城市湖泊生態(tài)健康評(píng)價(jià)
——以長(zhǎng)江下游銅陵市西湖為例*

王 芳，李永吉，馬廷婷，陳輝輝，王曉龍，李寬意，吳召仕

(1:桂林理工大學(xué)旅游與風(fēng)景園林學(xué)院，桂林 541004) (2:中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008) (3:湖南省岳陽(yáng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院水產(chǎn)研究所， 岳陽(yáng) 414000)

由于自然過(guò)程、人類活動(dòng)等原因，湖泊生態(tài)破壞日益加重，并出現(xiàn)了生態(tài)環(huán)境退化、生物多樣性降低等問(wèn)題，水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況受到嚴(yán)重威脅[1-2]. 因此，國(guó)內(nèi)外均積極開(kāi)展水域生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和健康評(píng)估工作[3-5]，但有關(guān)研究大多基于理化因子(如單因子和富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù))以及水生生物的多樣性指數(shù)等[6-7]. 與化學(xué)或物理指標(biāo)相比，生物群落是對(duì)水體中各種物理、化學(xué)、生物因子的綜合和直接反映，更能體現(xiàn)水生態(tài)健康狀況[8-9]. 浮游植物作為水生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)者，生活周期短且對(duì)水環(huán)境變化反應(yīng)敏感，常被用于指示生態(tài)系統(tǒng)健康狀況[10].

根據(jù)浮游植物生理、形態(tài)和對(duì)環(huán)境響應(yīng)機(jī)制等特征，Reynolds等[11]和Padisák等[12]共劃分出39個(gè)功能群(function group, FG)，各功能群反映特定的生境類型. 基于功能群，Padisák等提出Q指數(shù)來(lái)評(píng)估水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，并得到廣泛應(yīng)用[13-14]. 如高國(guó)敬等[15]指出相較于傳統(tǒng)的卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評(píng)價(jià)，Q指數(shù)可以避免豐水期降雨帶來(lái)的干擾，從而更為準(zhǔn)確地評(píng)估海南省水庫(kù)生態(tài)狀態(tài). 此外，多指標(biāo)體系法也常用于評(píng)估水域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況[16-17]. 其中，生物完整性指數(shù)(IBI)綜合了多項(xiàng)群落結(jié)構(gòu)指標(biāo)，是多指標(biāo)體系法的重要內(nèi)容[18].IBI首先以魚(yú)類作為研究對(duì)象，而后應(yīng)用到大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物[19-20]和附著藻類[21]等. 近年來(lái)，研究者開(kāi)始關(guān)注浮游植物生物完整性指數(shù)(P-IBI)，如蔡琨等[22]運(yùn)用總分類單元數(shù)、硅藻門(mén)分類單元、Simpson指數(shù)等6個(gè)指標(biāo)構(gòu)建P-IBI，對(duì)太湖生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)價(jià).

由于生態(tài)系統(tǒng)的差異性，針對(duì)特定研究區(qū)域建立切實(shí)可行的評(píng)估體系顯得尤為重要. 城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)的自身獨(dú)特性——水流緩慢、水容量小且自凈能力差，使之難以確立未受干擾的參照點(diǎn)[23]，如何構(gòu)建其生態(tài)健康評(píng)估體系仍需進(jìn)一步研究. 銅陵西湖作為城市總體規(guī)劃的基礎(chǔ)，位于銅陵市西湖新區(qū)中央，環(huán)繞西湖規(guī)劃有大型市級(jí)文化、體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館和行政辦公場(chǎng)所[24-26]. 由于受人類活動(dòng)干擾較大，且有關(guān)的水生態(tài)狀況資料極少，不利于銅陵西湖的生態(tài)健康評(píng)估和保護(hù). 因此，本研究在確立銅陵西湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Q指數(shù)和P-IBI對(duì)其進(jìn)行生態(tài)健康狀況評(píng)估，以期為相關(guān)城市湖泊的P-IBI構(gòu)建以及生態(tài)健康評(píng)估、保護(hù)和修復(fù)等提供一定的科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與樣點(diǎn)布設(shè)

銅陵西湖湖區(qū)面積約1.61 km2. 根據(jù)地形等特征，本研究在湖區(qū)共布設(shè)4個(gè)點(diǎn)位(圖1)，于秋(2016年9月和11月)、冬(2017年1月)、春(2017年3月和5月)、夏(2017年7月)四季開(kāi)展6次水環(huán)境和浮游植物調(diào)查.

圖1 銅陵西湖采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of sampling sites in Lake Xihu (Tongling)

1.2 樣品采集與分析

浮游植物定量樣品取混合水樣1 L，加入1%體積的魯哥試劑固定，靜置48 h后，濃縮定容至30 mL，在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行種類鑒定和計(jì)數(shù). 浮游植物種類鑒定參照《中國(guó)淡水藻類：系統(tǒng)、分類及生態(tài)》[29]. 每個(gè)樣品計(jì)數(shù)重復(fù)3次，取其平均值(誤差范圍小于±15%)，生物量(Biomass)測(cè)定采用體積轉(zhuǎn)化法.

1.3 功能群Q指數(shù)

Q指數(shù)計(jì)算公式如下：

(1)

式中，n為浮游植物功能群的數(shù)量，N為總生物量，ni為第i個(gè)功能群的生物量，F(xiàn)i為第i個(gè)功能群的賦值. 依據(jù)Q指數(shù)將水生態(tài)健康狀況劃分為5個(gè)等級(jí)：0～1為“極差”，1～2為“較差”，2～3為“中等”，3～4為“良好”，4～5為“優(yōu)秀”[13,30].

1.4 浮游植物生物完整性指數(shù)

銅陵西湖P-IBI的建立分兩步：構(gòu)建和測(cè)試[31]，本研究將前4次和后2次數(shù)據(jù)分別用于P-IBI構(gòu)建和測(cè)試. 參照國(guó)內(nèi)外P-IBI研究實(shí)例[22,32-35]，選取25個(gè)常用于反映浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征的指標(biāo)作為候選參數(shù). 除Biomass和Chl.a外，其他參數(shù)均基于密度計(jì)算. 基于累計(jì)決定系數(shù)(Cumulative_R2)和相關(guān)指數(shù)(CoI)，確立構(gòu)建P-IBI的核心生物參數(shù)[8,36]. Cumulative_R2和CoI分別如(2)和(3)所示.

(2)

式中，rs,i為候選參數(shù)和環(huán)境因子i之間的Spearman相關(guān)系數(shù)，n為環(huán)境因子的數(shù)量.

(3)

式中，S為P<0.05的rs,i數(shù)量. Cumulative_R2的范圍為0～n，CoI值范圍為0～1，數(shù)值越大，代表候選參數(shù)與環(huán)境因子的相關(guān)性越高.

此外，本文還通過(guò)計(jì)算營(yíng)養(yǎng)硅藻指數(shù)(TDI)[37]、種群質(zhì)量指數(shù)(QGS)[38]、藍(lán)藻指數(shù)(CyI)[39]、運(yùn)動(dòng)性硅藻百分比(PMD)[40]和綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)[41]來(lái)驗(yàn)證所構(gòu)建P-IBI的適用性.P-IBI核心參數(shù)均進(jìn)行1～5的標(biāo)準(zhǔn)化，其均值即為最終的P-IBI得分.P-IBI等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)同Q指數(shù)[42-43].

1.5 數(shù)據(jù)分析

浮游植物群落與環(huán)境因子的冗余分析使用R 4.0.3完成，由程序包vegan實(shí)現(xiàn). 單因素方差分析由SPSS 22.0軟件完成.

2 結(jié)果與分析

2.1 理化因子與浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征

2.1.2 浮游植物種類組成 調(diào)查共發(fā)現(xiàn)浮游植物88種，隸屬于6門(mén)45屬. 綠藻門(mén)種類最多，共有35種(39.77%)；其次是裸藻門(mén)(26.14%)；藍(lán)藻門(mén)和硅藻門(mén)各發(fā)現(xiàn)12種和11種；隱藻門(mén)和甲藻門(mén)種類數(shù)均較少，共占總種類數(shù)的7.95%. 優(yōu)勢(shì)種為銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)、浮游藍(lán)絲藻(Planktothrixsp.)和微囊藻(Microcystissp.)，優(yōu)勢(shì)度分別為0.13、0.044和0.035.

2.1.3 浮游植物密度和生物量時(shí)空變化 時(shí)間上，浮游植物總密度和藍(lán)藻密度均在2017年7月最高，分別為8.63×107和8.51×107cells/L(圖2A)，最低值分別為1.13×106和2.16×105cells/L，且均出現(xiàn)在2016年11月. 此外，藍(lán)藻對(duì)2016年9月和2017年5月的總密度貢獻(xiàn)同樣較大，相對(duì)密度分別為83.51%和63.89%. 隱藻相對(duì)密度在2017年1月超過(guò)80%. 裸藻和甲藻密度均在2017年3月最高. 與密度不同，生物量最高值出現(xiàn)在2017年3月，為19.60 mg/L(圖2B). 裸藻是引起總生物量時(shí)間差異的主要原因，其次是藍(lán)藻和甲藻.

圖2 銅陵西湖浮游植物密度(A)和生物量(B)時(shí)間變化Fig.2 Temporal variations of phytoplankton density (A) and biomass (B) in Lake Xihu (Tongling)

空間上，浮游植物密度最高值出現(xiàn)在1#點(diǎn)位(4.60×107cells/L)，且多個(gè)門(mén)類密度均在該點(diǎn)位最高，最低值出現(xiàn)在4#點(diǎn)位(圖3A). 浮游植物平均生物量為9.11 mg/L，最高值和最低值同樣分別出現(xiàn)在1#點(diǎn)位(12.50 mg/L)和4#點(diǎn)位(7.86 mg/L，圖3B). 密度方面，藍(lán)藻占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，相對(duì)密度為65.58%～79.69%. 裸藻對(duì)生物量的貢獻(xiàn)較大，相對(duì)生物量為37.97%～49.47%.

圖3 銅陵西湖浮游植物密度(A)和生物量(B)空間變化Fig.3 Spatial variations of phytoplankton density (A) and biomass (B) in Lake Xihu (Tongling)

2.1.4 浮游植物功能群組成 銅陵西湖浮游植物可歸納為22組功能群，通過(guò)頻率分析，功能群B、J、LO、M、P、S2、W1、X1、Y的出現(xiàn)頻率均大于50%，為常見(jiàn)功能群；功能群D、G、MP、S1、W2、X2的出現(xiàn)頻率均為20%～50%，僅出現(xiàn)在其適宜的生態(tài)環(huán)境；功能群LM、N、T、TC的出現(xiàn)頻率均小于5%，為罕見(jiàn)功能群.

2.1.5 功能群時(shí)空變化 選擇相對(duì)生物量超過(guò)5%的浮游植物功能群為該時(shí)期的優(yōu)勢(shì)功能群，超過(guò)50%為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)功能群. 優(yōu)勢(shì)功能群隨時(shí)間演替趨勢(shì)為：W1+S2+G(2016年9月)→W1+LO+P+Y(2016年11月)→W1+Y+P+X2(2017年1月)→W1+LO+Y(2017年3月)→W1+S2+J+W2(2017年5月)→M+S2+G(2017年7月)(圖4A). 功能群W1基本占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，且在2017年3月和5月占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，相對(duì)生物量分別達(dá)到59.2%和53.8%.

空間上，W1、S2、M、LO、Y、G和H1為優(yōu)勢(shì)功能群，功能群W1是各點(diǎn)位的主要優(yōu)勢(shì)類群(圖4B)，相對(duì)生物量介于36.8%～46.9%之間，主要代表性藻屬為裸藻屬、鱗孔藻屬和扁裸藻屬.

圖4 浮游植物優(yōu)勢(shì)功能群相對(duì)生物量時(shí)間(A)和空間(B)變化Fig.4 Temporal (A) and spatial (B) variations of relative biomass for phytoplankton dominant functional groups

2.2 浮游植物與環(huán)境因子的關(guān)系

圖5 銅陵西湖浮游植物生物量與環(huán)境因子的RDA分析(Cyan: 藍(lán)藻門(mén); Chlo: 綠藻門(mén); Baci: 硅藻門(mén); Cryp: 隱藻門(mén); Eugl: 裸藻門(mén); Dino: 甲藻門(mén))Fig.5 RDA analysis of phytoplankton biomass and environment factors in Lake Xihu (Tongling)

2.3 水生態(tài)健康狀況評(píng)價(jià)

2.3.1 功能群Q指數(shù) 從Q指數(shù)來(lái)看，銅陵西湖整體處于“中等”狀態(tài). 時(shí)間上，Q指數(shù)平均值變化范圍為1.27～3.18，2017年5月和7月Q指數(shù)較低，為“較差”狀態(tài)；2016年11月Q指數(shù)相對(duì)較高，為“良好”狀態(tài)(圖6A). 空間上，Q指數(shù)介于2.04～2.43之間，最低值出現(xiàn)在1#點(diǎn)位，最高值出現(xiàn)在3#點(diǎn)位(圖6B).

圖6 銅陵西湖P-IBI 和Q指數(shù)的時(shí)間(A)和空間(B)變化Fig.6 Temporal (A) and spatial (B) variations of the P-IBI and Q index in Lake Xihu (Tongling)

2.3.2P-IBI指數(shù) 根據(jù)構(gòu)建階段的數(shù)據(jù)庫(kù)，分析本研究中14個(gè)環(huán)境因子之間的相關(guān)性，結(jié)果表明各因子間無(wú)顯著相關(guān)性，因此均用于CoI和Cumulative_R2計(jì)算中(表1).

表1 浮游植物生物完整性指數(shù)的候選參數(shù)和其它單項(xiàng)參數(shù)的相關(guān)系數(shù)(CoI)與累計(jì)決定系數(shù)(Cumulative_R2)

根據(jù)構(gòu)建階段的CoI值排序，選出前10個(gè)候選參數(shù)，即Biomass、Chl.a、物種豐富度(Species richness)、有效物種數(shù)(Hill N0)、Kothe指數(shù)、密度(Density)、Gleason指數(shù)、Margalef指數(shù)、Fisher指數(shù)和Odum指數(shù). 綜合考慮這10個(gè)候選參數(shù)構(gòu)建與測(cè)試階段的CoI和Cumulative_R2值，選出排名前5的參數(shù)，分別為Biomass、Chl.a、Density、Margalef指數(shù)和Gleason指數(shù). Biomass和Chl.a均代表生物量，但前者的CoI和Cumulative_R2值均高于后者. 此外，雖然Margalef指數(shù)和Gleason指數(shù)的CoI值和Cumulative_R2值一致，但Margalef指數(shù)廣泛用于生態(tài)狀況評(píng)估. 因此，本文最終選用Biomass、Density和Margalef指數(shù)構(gòu)建銅陵西湖P-IBI，其標(biāo)準(zhǔn)化方法參考沈治蕊[44]、況琪軍[10]和詹玉濤[45]的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表2). 與其他單項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)相比，P-IBI的CoI和Cumulative_R2值均遠(yuǎn)大于其它單項(xiàng)指標(biāo).

表2 用于P-IBI計(jì)算的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化方法[10,44-45]

Tab.2 Normalization factors of the indices used in the calculation of the P-IBI[10,44-45]

賦分BiomassDensityMargalef對(duì)環(huán)境的響應(yīng)方式++-分值范圍5<0.1<3×105>540.1～13×105～1064～531～3106～9×1063～423～59×106～4×1072～315～104×107～1081～20>10>108<1

從整體來(lái)看，P-IBI均值為1.38，以“較差”狀態(tài)為主(占所有數(shù)據(jù)的47.83%)，其次是“極差”狀態(tài). 2016年11月P-IBI均值為2.56，水生態(tài)狀態(tài)最佳(“中等”)，其他月份均處于“較差”或“極差”狀態(tài)，特別是2017年7月(均值為0.42，圖6A). 空間上，1#點(diǎn)位P-IBI均值為0.93，處于“極差”狀態(tài)，其他點(diǎn)位均處于“較差”狀態(tài)(圖6B).

P-IBI與Q指數(shù)呈顯著正相關(guān)(r=0.61,P<0.05; 圖7). 時(shí)間上，兩者均指示秋季(2016年11月)水生態(tài)狀況最佳，夏季最差. 空間上，1#點(diǎn)位P-IBI與Q指數(shù)均低于其他點(diǎn)位. 但是，各點(diǎn)位和各月份的Q指數(shù)均值都高于相對(duì)應(yīng)的P-IBI均值.

圖7 銅陵西湖P-IBI與Q指數(shù)的相關(guān)關(guān)系Fig.7 Relationship between the P-IBI and Q index in Lake Xihu (Tongling)

3 討論

3.1 浮游植物群落結(jié)構(gòu)特征及驅(qū)動(dòng)因子分析

浮游植物生長(zhǎng)及群落結(jié)構(gòu)演替主要受光照、溫度、營(yíng)養(yǎng)鹽等影響[46-47]. 浮游植物適宜的生長(zhǎng)溫度因種類而異，一般情況下，藍(lán)藻、綠藻喜高溫，硅藻、隱藻嗜低溫[48]. 銅陵西湖浮游植物密度峰值出現(xiàn)在夏季，水溫較高造成浮游植物(特別是藍(lán)藻)較快生長(zhǎng). 最高生物量出現(xiàn)在春季(2017年3月)，且在秋季(2016年9月)取得另一峰值，這可能是由于該水體春秋季節(jié)適宜個(gè)體較大的裸藻和甲藻生長(zhǎng)，并成為優(yōu)勢(shì)種. 懸浮物通過(guò)降低水下光照條件，阻礙光的傳遞，間接影響浮游植物生長(zhǎng)[49-50]. 本研究中，隱藻和裸藻生物量與SS呈正相關(guān)，可能表明這兩個(gè)門(mén)類對(duì)低光有一定的適應(yīng)能力，且懸浮物可能會(huì)攜帶一定量的有機(jī)質(zhì)，從而促進(jìn)其門(mén)類細(xì)胞的生長(zhǎng)[51]. 此外，營(yíng)養(yǎng)鹽的不足或過(guò)量都會(huì)影響浮游植物的生長(zhǎng)和群落結(jié)構(gòu)[52].

3.2 城市湖泊生態(tài)健康狀況評(píng)價(jià)

湖泊生態(tài)健康評(píng)價(jià)方法主要分為兩類：生物監(jiān)測(cè)法和多指標(biāo)體系評(píng)價(jià)法[16-17,53]. 基于浮游植物，本文選取Q指數(shù)，并構(gòu)建P-IBI評(píng)估體系，通過(guò)這2種指數(shù)評(píng)估銅陵西湖生態(tài)健康狀況. 基于浮游植物功能類群及其對(duì)環(huán)境響應(yīng)機(jī)制特征等，Q指數(shù)能較準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)水生態(tài)狀況[30].P-IBI代表了群落組成與結(jié)構(gòu)，能定量描述人類干擾與生物特性之間的關(guān)系，包含多種對(duì)人類干擾敏感的一組生物指標(biāo)，并將其綜合成一個(gè)數(shù)值[54]. IBI分為先驗(yàn)法和后驗(yàn)法[55]，參照點(diǎn)的選擇是先驗(yàn)法的核心，但由于城市湖泊受人為活動(dòng)影響嚴(yán)重，很難找到原始或未受干擾的區(qū)域作為參照點(diǎn). 后驗(yàn)法通過(guò)對(duì)候選參數(shù)做多變量分析，利用統(tǒng)計(jì)工具克服參照點(diǎn)的不足[32,55-57]，適用于城市湖泊等受人類干擾較大水體的生態(tài)健康狀況評(píng)價(jià).

本研究以銅陵西湖為例，根據(jù)候選參數(shù)與環(huán)境因子的相關(guān)性，選出Biomass、Density和Margalef指數(shù)作為核心參數(shù). Biomass[34,58]、Density[22,32,42]和Margalef指數(shù)[34,42-43]廣泛用于P-IBI評(píng)價(jià)體系構(gòu)建，且常作為單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)生態(tài)狀況.P-IBI評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，銅陵西湖秋季(2016年11月)生態(tài)狀況最佳而夏季最差，這與Q指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果一致. 此外，P-IBI與Q指數(shù)呈顯著正相關(guān)，在一定程度上說(shuō)明浮游植物可以有效用于銅陵西湖生態(tài)健康狀況評(píng)估. 但在時(shí)空尺度上，P-IBI均低于Q指數(shù)，表明其評(píng)價(jià)結(jié)果更為嚴(yán)格. 時(shí)間上，兩者變化趨勢(shì)的差異主要表現(xiàn)在2017年3月，P-IBI和Q指數(shù)均值分別為1.00和2.80，主要由于2017年1-3月總生物量急劇升高，其中，隸屬于賦分較高的功能群LO和W1相對(duì)生物量分別增加了22.93%和16.99%，導(dǎo)致P-IBI降低而Q指數(shù)升高.

當(dāng)前，我國(guó)城市湖泊的健康評(píng)價(jià)多集中于水質(zhì)和水生生物多樣性指標(biāo)[55]. 以TN、TP和CODMn為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，銅陵西湖依次處于劣Ⅴ類、Ⅴ～劣Ⅴ類、Ⅲ～劣Ⅴ類水質(zhì)，與前人研究結(jié)果基本一致[25-26]. 然而，從DO和NH3-N來(lái)看，銅陵西湖水質(zhì)分別處于Ⅰ～Ⅲ類和Ⅲ～劣Ⅴ類，各指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果差異較大. 從3種常見(jiàn)的多樣性指數(shù)來(lái)看，Shannon-Wiener指數(shù)、Margalef指數(shù)和Pielou指數(shù)均值依次為1.59、0.94和0.58，分別表明銅陵西湖處于中污染、重污染和輕污染狀態(tài). 時(shí)間上，單一指數(shù)間的評(píng)估結(jié)果跨度也較大，以11月為例，上述3種指數(shù)依次顯示銅陵西湖處于清潔、中污染、重污染. 由此可見(jiàn)，單一水質(zhì)和多樣性指標(biāo)無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估銅陵西湖的生態(tài)狀況. 此外，李茜等[59]研究表明，單因子評(píng)價(jià)法中各因子互不聯(lián)系，無(wú)法全面反映水體狀況. 顧毓蓉等[55]研究也指出，由于生物多樣性忽略了不同物種對(duì)干擾的耐受性和生態(tài)保守性，無(wú)法真實(shí)反映城市湖泊的生物完整性. 因此對(duì)于城市湖泊，應(yīng)綜合考慮水生生物的多項(xiàng)指標(biāo)，構(gòu)建合理的評(píng)估體系，從而較為準(zhǔn)確地反映其水生態(tài)健康狀況.

4 結(jié)論