湖南張家界大鯢國家級自然保護區(qū)河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價

劉 懿，解宜興，鄧智勇，王 丞，袁 鴻，吳小麗，徐佳孌，牛艷東，肖亞琴

(1.湖南張家界大鯢國家級自然保護區(qū)事務中心，湖南 張家界 427400； 2.貴州大學動物科學學院，貴州 貴陽 550000； 3.湖南省林業(yè)科學院，湖南 長沙 410004； 4.湖南洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，湖南 長沙 410004； 5.洞庭湖流域生態(tài)系統(tǒng)管理與水資源可持續(xù)利用國際科技合作基地，湖南 長沙 410004)

浮游植物作為水生生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產(chǎn)者，對物質(zhì)循環(huán)和能量流動起著關(guān)鍵作用[1]。因其具個體微小、結(jié)構(gòu)簡單、生長周期短和繁殖速度快等特點[2]，浮游植物能夠隨水環(huán)境的變化而快速改變其自身的群落結(jié)構(gòu)、物種組成、生物量等，所以具有反映河流生態(tài)系統(tǒng)變化的能力[3]。基于此，蔡琨等[4]通過浮游植物生物完整性指數(shù)(phytoplanktonic index of biotic integrity，P-IBI)評價方法，利用群落組成、生長特征、多樣性相關(guān)指數(shù)等定量評價水生生態(tài)系統(tǒng)浮游植物的綜合狀態(tài)，揭示外環(huán)境的干擾對生態(tài)水環(huán)境影響的現(xiàn)狀。

張家界獨特的地理環(huán)境，使得其境內(nèi)河流眾多，利于水電項目的實施。據(jù)統(tǒng)計，張家界先后共建立了88個水電項目[5]。水庫與電站的建立易改變河流的生態(tài)結(jié)構(gòu)，影響河流水質(zhì)狀況，對大鯢的生存、繁殖產(chǎn)生限制。本研究通過對比電站水庫區(qū)與河流區(qū)浮游植物完整性指數(shù)，了解電站所遺留的水庫區(qū)對河流水環(huán)境的影響狀況，做出浮游植物完整性評價，為湖南張家界大鯢國家級自然保護區(qū)河流治理提供參考。

1 研究區(qū)概況

湖南張家界大鯢國家級自然保護區(qū)位于中國西部高原亞區(qū)與東部丘陵平原亞區(qū)的交界線邊緣，東與常德市相連，南與懷化市相鄰，西與湘西土家族自治州毗鄰，北與湖北省接壤，地理坐標在109°42′56″—111°16′05″E，27°44′28″—30°00′43″N 之間。保護區(qū)境內(nèi)河流縱橫，水系以澧水和沅水為主[6]。澧水干流在桑植縣南岔以上有北、中、南三源。北源為主干，發(fā)源于桑植縣杉木界；中源發(fā)源于八大公山東麓；南源發(fā)源于永順縣荹塔。三源在龍江口匯合后往南經(jīng)保護區(qū)的桑植縣、永定區(qū)、慈利縣、石門縣，最后流入洞庭湖，干流流貫保護區(qū)的長度為313 km，流域面積為8 135 km2。

2 研究方法

2.1 采樣點設(shè)置

2021年6—7月，在湖南張家界大鯢國家級自然保護區(qū)設(shè)置21個采樣點。根據(jù)采樣點所在地的環(huán)境特點，將采樣點分為河流流水區(qū)采樣點和電站水庫區(qū)采樣點。其中Z1、Z2、Z3、Z9、Z10、Z11、Z15、Z16和Z17為河流流水區(qū)采樣點，Z4、Z5、Z6、Z7、Z8、Z12、Z13、Z14、Z18、Z19、Z20和Z21為電站水庫區(qū)采樣點(見圖1)。

圖1 采樣點分布圖Fig.1 Sample point distribution map

2.2 樣品采集、處理與鑒定

(1)使用采水器在水深0.5 m處取1L水樣，加入10～15 mL魯哥氏液固定，獲得定量樣品。

(2)采用25號浮游生物網(wǎng)在水中作“∞”狀緩慢拖曳采集3～5 min，將采集到的浮游植物用采集瓶收集，使用甲醛固定，獲得定性樣品。

(3)將定性樣品帶回實驗室后直接在光學顯微鏡下鑒定浮游植物種類[7]；將定量樣品帶回實驗室后靜置48 h，沉淀濃縮至30～50 mL，吸取0.1 mL樣品注入0.1 mL計數(shù)框中，在10 × 40 倍光學顯微鏡(Leica DM500)下用視野法計數(shù)并鑒定浮游植物種類[8]。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用SPSS 20.0、Excel 2019和Origin 2021軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析。

2.3.1 多樣性指數(shù)

Shannon-Wienwe多樣性指數(shù)[9](H′)=

(1)

式中：H′為種類多樣性指數(shù)；S為樣品中的種類總數(shù)；Pi為第i種的個體數(shù)(ni)與總個體數(shù)(N)的比值(ni/N)。

(2)

式中：M為豐富度；S為樣品種類數(shù)；N為樣品個體總數(shù)。

(3)

式中:J為均勻度;H′為種類多樣性指數(shù);S為樣品中的種類數(shù)。

優(yōu)勢度指數(shù)[12](Y)=Pi×fi

(4)

式中：Y≥0.02的物種為優(yōu)勢種；Pi為第i種浮游植物豐度與樣品中浮游植物總豐度的比值(ni/N)；fi為第i種在各采樣點出現(xiàn)的頻度。

2.3.2 健康評價 在P-IBI等級劃分和評價的3種評價方法中，以4分制法和比值法的劃分評價等級更細致、評價結(jié)果更精確[13]。本研究采用比值法對參數(shù)進行標準化賦分的方法對張家界大鯢國家級自然保護區(qū)河流浮游植物完整性進行評價，其賦分計算公式如下。

對人為干擾增加而升高的參數(shù)賦分=

(5)

式中：最大值為該參數(shù)的最大值；參數(shù)值為欲進行賦分的某一參數(shù)值；最佳值為該參數(shù)5%分位值。

對人為干擾增加而降低的參數(shù)賦分=

(6)

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

各個參數(shù)賦分相加得到張家界大鯢國家級自然保護區(qū)河流21個采樣點的P-IBI指數(shù)總分值P。

3 結(jié)果與分析

3.1 浮游植物種類組成

由表1可知：湖南張家界大鯢國家級自然保護區(qū)河流共有浮游植物6門44種，其中硅藻門的種數(shù)最多，共21種，占總種數(shù)的47.73%；其次是綠藻門的，共11種，占總種數(shù)的25.00%；藍藻門9種，占總種數(shù)的20.46%；隱藻門、甲藻門和裸藻門各1種，各占總種數(shù)的2.27%。

表1 浮游植物名錄Tab.1 List of phytoplankton plants門類種名針尖藍纖維藻(Dactylococcopsis rhaphidioides)水華束絲藻(Aphanizomenon flos aquae)小形色球藻(Chroococcus minor)兩棲顫藻(Oscillataria amphibia)藍藻門(Cyanophyta)小顫藻(Oscillataria tenuis)中華尖頭藻(Raphidiopsis sinensia)優(yōu)美平裂藻(Merismopedia elegans)針晶藍纖維藻鐮刀型(Dactylococcopsis rhaphidioides var. lciformis)銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa)隱藻門(Cryptophyta)具尾藍隱藻(Chroomonas acuta)甲藻門(Pyrrophyta)多甲藻(Peridinium sp.)脆桿藻(Fragilaria sp.)雙生雙楔藻(Didymosphenia geminata)菱形藻(Nitzschia sp.)橢圓波緣藻(Cymatopleura elliptica)胸膈藻 (Mastogloia sp.)星桿藻(Asterionella sp.)硅藻門(Bacillariophyta)舟形藻(Navicula sp.)谷皮菱形藻(Nitzschia palea)橢圓雙璧藻(Diploneis elliptica)羽紋藻(Pinnularia sp.)縊縮異極藻膨脹變種(Gomphonema constrictum var.capitatum)變異直鏈藻(Melosira varians)膨脹橋灣藻(Cymbella tumida)梅尼小環(huán)藻(Cyclctella meneghiniana)近棒形異極藻(Gomphonema subclavatum)尖針桿藻(Synedra acus)顆粒直鏈藻(Melosira granulata)雙菱藻(Surirella bifrons)啄頭舟形藻(Navicula rhynchocephala)微細橋灣藻(Cymbella parva)等片藻(Diatoma sp.)裸藻門(Euglenophyta)尖尾裸藻(Phacus gasterosteus)月牙藻(Selenastrum reinsch)小毛枝藻(Stigeoclonium sp.)微小新月藻(Closterium parvulum)綠藻門(Chlorophyta)線形粘桿藻(Gloeothece linearis)雙棘柵藻(Scenedesmus bicaudatus)線形擬韋氏藻(Westella linearis)著色鼓藻(Cosmarium tinctum ralfs)卵形膠囊藻(Gloeocystis ampla)四角藻(Tetraedron sp.)狹形纖維藻(Ankistrode angustus)二形柵藻(Scenedesmus dimorphus)

3.2 浮游植物密度

表2結(jié)果顯示，不同采樣區(qū)的浮游植物密度差異較大，電站水庫區(qū)各門的浮游植物密度均遠遠大于河流流水區(qū)的，且河流流水區(qū)和電站水庫區(qū)的浮游植物都以硅藻門的占絕對優(yōu)勢，其密度分別為1.620 9×104、4.127 9×104ind·L-1。

表2 不同采樣區(qū)的浮游植物密度Tab.2 Gate density of phytoplankton×104 ind·L-1采樣區(qū)浮游植物平均密度綠藻門硅藻門藍藻門甲藻門隱藻門裸藻門總數(shù)河流流水區(qū)0.056 51.620 90.221 90.090 70.006 3—1.996 2電站水庫區(qū)0.103 54.127 90.303 90.337 20.465 30.001 85.339 5

3.3 張家界大鯢國家級自然保護區(qū)河流P-IBI指標體系的確定

3.3.1 參照點與受損點的確定 據(jù)統(tǒng)計，張家界先后建立的88個水電項目現(xiàn)已關(guān)停了86個[5]，但電站關(guān)停后其基礎(chǔ)設(shè)施對河流水生生物的影響依然劇烈[14]。根據(jù)外因?qū)恿鞯母蓴_狀態(tài)[15]，將位于河流電站區(qū)的采樣點設(shè)為受損點，位于溪河流水區(qū)的采樣點設(shè)為參照點。受損點共12個，分別是Z4、Z5、Z6、Z7、Z8、Z12、Z13、Z14、Z18、Z19、Z20和Z21；參照點共9個，分別是Z1、Z2、Z3、Z9、Z10、Z11、Z15、Z16和Z17。

3.3.2 候選指標選取 結(jié)合國內(nèi)外浮游植物生物完整性指數(shù)研究的實例[16-19]，選取對張家界大鯢國家級自然保護區(qū)河流浮游植物較為敏感的31個指標作為候選指標(見表3)。這些指標可以分為物種豐富度參數(shù)、群落結(jié)構(gòu)組成參數(shù)和群落營養(yǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表3 浮游植物生物完整性指數(shù)候選指標Tab.3 Candidate indicators for the phytoplankton biological integrity index指標代碼參數(shù)類別參數(shù)名稱對干擾的反應單位M1藻類種類數(shù)減小種M2綠藻門種類數(shù)減小種M3藍藻門種類數(shù)減小種M4裸藻門種類數(shù)減小種M5物種豐富度參數(shù)硅藻門種類數(shù)減小種M6隱藻門種類數(shù)減小種M7水華藻類種數(shù)增大種M8Shannon s指數(shù)減小—M9Margalef指數(shù)減小—M10Pielou指數(shù)減小—M11綠藻門相對豐度增大%M12藍藻門相對豐度增大%M13裸藻門相對豐度增大%M14硅藻門相對豐度減小%M15群落結(jié)構(gòu)組成參數(shù)前三名優(yōu)勢種相對豐度增大%M16水華藻相對豐度增大%M17硅藻和綠藻相對豐度減小%M18顫藻目相對豐度減小%M19硅藻和綠藻相對豐度減下%M20甲藻和隱藻相對豐度增大%M21藻類個體密度增大個M22綠藻門個體密度增大個M23群落營養(yǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)藍藻門個體密度增大個M24硅藻門個體密度減小個M25裸藻門個體密度增大個

續(xù)表3 浮游植物生物完整性指數(shù)候選指標Continued Tab.3 Candidate indicators for the phytoplankton biological integrity index指標代碼參數(shù)類別參數(shù)名稱對干擾的反應單位M26隱藻門個體密度增大個M27優(yōu)勢種個體密度增大個M28群落營養(yǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)前三名優(yōu)勢種密度增大個M29水華藻個體密度增大個M30顫藻目個體密度減小個M31甲藻和隱藻個體密度增大個

3.3.3 候選參數(shù)篩選 使用箱型圖判斷參照點與受損點各候選指標的IQ值[20]，根據(jù)箱體重疊情況確定IQ值。當箱體完全沒有重疊時，IQ=3；兩中位線不在對方箱體內(nèi)，箱體部分重疊，IQ=2；只有一條中位線在對方箱體范圍內(nèi)，箱體部分重疊，IQ=1；中位線都在對方箱體范圍之內(nèi)，IQ=0。由圖2可知：M1、M5、M8、M16、M23、M27、M28和M29共8個候選指標的IQ≥2。將IQ≥2的8個候選指標留作下一步分析。

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

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

3.3.4 候選指標的相關(guān)性 將IQ值≥2的候選指標進行Pearson相關(guān)性分析，檢驗各指標之間的獨立性。相關(guān)系數(shù)|r|大于0.750表示兩個指標間信息高度相關(guān)，獨立性較低，可權(quán)衡比較刪去一個指標[21]。圖3結(jié)果顯示：M1與M5、M1與M27的Pearson相關(guān)系數(shù)|r|均大于0.750，刪除M1；M5與M27的Pearson相關(guān)系數(shù)|r|大于0.750，但候選指標中有優(yōu)勢密度的內(nèi)容，刪除M27；M23與M29相關(guān)系數(shù)|r|大于0.750，但候選指標中有水華藻的內(nèi)容，刪除M29。

圖3 浮游植物完整性指數(shù)候選指標的Pearson相關(guān)性Fig. 3 Pearson correlation analysis of the phytoplankton integrity index parameters

通過對所有候選指標進行篩選，最終確定P-IBI指標體系由M5(硅藻門種類數(shù))、M8(Shannon’s指數(shù))、M16(水華藻相對豐度)、M23(藍藻門密度)和M28(前3名優(yōu)勢種密度)等5個指標構(gòu)成。

3.4 健康評價

3.4.1 選用參數(shù)特征值 M5和M8 2個候選指標與人為干擾呈負相關(guān)，因此，選擇95%分位值為最佳值。M16、M23和M28 3個候選指標與人為干擾呈正相關(guān)，因此，選擇5%分位值為最佳值(見表4)。

表4 選用參數(shù)特征值Tab.4 Selected parameter eigenvalues選用參數(shù)最大值最小值95%分位值5%分位值干擾反應M513.004.0012.00—減小M84.472.063.88—減小M160.230.00—0.00增大M230.800.00—0.01增大M289.050.17—0.21增大

3.4.2 健康評價標準 健康評價標準選用所有采樣點P-IBI值的95%分位數(shù)為最佳值，低于該值的劃分4 等份，得到健康、中等、一般、差和極差5個標準[4]。由此得出，張家界大鯢國家級自然保護區(qū)河流生態(tài)系統(tǒng)不同健康程度的標準為：分值P≥4.50為健康；3.83≤分值P<4.50為中等；3.48≤分值P<3.83為一般；3.27≤分值P<3.48為差；分值P<3.27為極差(見表5)。

表5 健康評價標準劃分Tab.5 Division of health evaluation criteria評價標準健康中等一般差極差分值P的區(qū)間≥4.503.83≤～<4.503.48≤～<3.833.27≤～<3.48<3.27

3.4.3 采樣點的健康狀況 采用P-IBI指數(shù)分值P對各采樣點的健康狀況進行評價，其中參照點的評價結(jié)果為健康、中等、一般、差和極差的分別有0、2、3、1和3個；受損點評價結(jié)果為健康、中等、一般、差和極差的分別有3、2、2、3和2個(見表6)。

表6 采樣點浮游植物完整性指數(shù)評價結(jié)果Tab.6 Evaluation of phytoplankton integrity index采樣點類型采樣點編號分值P評價結(jié)果Z13.57一般Z23.99中等Z33.04極差Z93.60一般參照點Z103.03極差Z113.83中等Z153.27差Z163.22極差Z173.79一般Z44.50健康Z53.43差Z64.70健康Z74.36中等Z82.16極差受損點Z123.44差Z134.24中等Z144.76健康Z183.71一般Z193.47差Z201.63極差Z213.48一般

4 結(jié)論與討論

4.1 湖南張家界大鯢國家級自然保護區(qū)河流流水區(qū)與電站水庫區(qū)浮游植物完整性

湖南張家界大鯢國家級自然保護區(qū)河流流水區(qū)和電站水庫區(qū)浮游植物的平均密度分別為1.9962×104、5.3395×104ind·L-1，電站水庫區(qū)的浮游植物平均密度和各門類浮游植物密度均遠遠大于河流流水區(qū)的，且河流流水區(qū)和電站水庫區(qū)的浮游植物均以硅藻門的占絕對優(yōu)勢，這與楊濤等[22]、王岳等[23]對河流浮游植物群落結(jié)構(gòu)研究的結(jié)果相似。浮游植物生物完整性指數(shù)(P-IBI)可描述生物特性和人類干擾之間的相互關(guān)系，是生物指標對一類或多類干擾的敏感反應，從而間接反映浮游植物生物完整性受所在水域生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)的影響。張家界大鯢國家級自然保護區(qū)電站水庫區(qū)多數(shù)采樣點的P-IBI指數(shù)分值P要大于河流流水區(qū)的，電站水庫區(qū)有3個采樣點被評價為“健康”，而河流流水區(qū)有3個采樣點被評價為“極差”。電站水庫區(qū)的水深、絮流弱，浮游植物能夠避免水體急流造成細胞損傷，能較好的生長與繁殖[24-25]，浮游植物完整性指數(shù)相對較高；河流流水區(qū)的水流較急，自身保護能力弱的藍藻、綠藻等都難以生存，擁有保護外套硅膠的硅藻易成為優(yōu)勢種[26]，因此，河流流水區(qū)浮游植物完整性指數(shù)不高。張家界大鯢國家級自然保護區(qū)河流電站水庫區(qū)浮游植物完整性指數(shù)大于河流流水區(qū)的，推測適當?shù)乃畨谓ㄔO(shè)有利于水生態(tài)系統(tǒng)生物的完整性。

4.2 湖南張家界大鯢國家級自然保護區(qū)河流生態(tài)系統(tǒng)的健康評價

與參照點相比，張家界大鯢國家級自然保護區(qū)河流受損點的P-IBI指數(shù)分值P偏高，對其分值P進行健康標準評價，“健康”的采樣點都為受損點，“極差”的采樣點以參照點占多數(shù)，電站水庫區(qū)的水質(zhì)狀況反而優(yōu)于河流流水區(qū)的。電站水庫區(qū)因水電項目對河流的阻斷作用改變了河流的生態(tài)結(jié)構(gòu)，由絮流強的河流轉(zhuǎn)變?yōu)樾趿魅醯乃畮?，水文情勢發(fā)生了變化。水庫區(qū)的水位狀態(tài)變動不定，高低起伏，易形成運流的環(huán)流系統(tǒng)，有機物和生物營養(yǎng)含量增加[27]；河流水流速快，其水體對浮游植物所需的營養(yǎng)鹽的滯留時間短，嚴重影響浮游植物的生長和群落結(jié)構(gòu)[28]，水生態(tài)系統(tǒng)中初級生產(chǎn)者減少，物質(zhì)循環(huán)和能量流動大大降低，水質(zhì)狀況差。張家界大鯢國家級自然保護區(qū)河流浮游植物的平均P-IBI指數(shù)分值P為3.58，生態(tài)系統(tǒng)健康狀況整體評價為“中等”，為良好。

張家界大鯢國家級自然保護區(qū)河流的P-IBI指標體系由硅藻門種類數(shù)、Shannon’s指數(shù)、水華藻相對豐度、藍藻門密度和前3名優(yōu)勢種密度等5個參數(shù)組成，浮游植物完整性指數(shù)健康狀況整體評價為良好。