基于浮游植物生物完整性指數(shù)的金沙江下游河流生態(tài)健康評(píng)價(jià)

摘要：在金沙江下游梯級(jí)電站投產(chǎn)前開展生物完整性評(píng)價(jià)，為梯級(jí)水庫水生態(tài)健康評(píng)價(jià)、預(yù)警管理和生態(tài)修復(fù)評(píng)估提供技術(shù)支持和數(shù)據(jù)支撐。2017—2018年對(duì)金沙江下游干流30個(gè)采樣點(diǎn)（參照點(diǎn)5個(gè)，觀測(cè)點(diǎn)25個(gè)）進(jìn)行4次野外調(diào)查，共鑒定出86種（屬）浮游植物，具備較高的物種多樣性。以硅藻-綠藻-藍(lán)藻型為主，主要優(yōu)勢(shì)類群隸屬硅藻門，保持著天然河流浮游植物組成特征?；诟∮紊锿暾灾笖?shù)（P-IBI），對(duì)4類27個(gè)初選指標(biāo)進(jìn)行分布范圍檢驗(yàn)、判別能力檢測(cè)和相關(guān)性分析，構(gòu)建了總分類單元數(shù)、藍(lán)藻門分類單元數(shù)、硅藻門分類單元占比、硅藻門細(xì)胞密度和綠藻門細(xì)胞密度占比等5個(gè)核心參數(shù)組成的金沙江下游浮游植物生物完整性評(píng)估體系。以參照點(diǎn)參數(shù)25%分位數(shù)法確定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：P-IBIgt;3.81，健康；3.04～3.81，亞健康；2.67～3.03，一般；2.28～2.66，較差；P-IBIlt;2.28，極差。評(píng)估結(jié)果顯示金沙江下游河流生態(tài)整體處于較差水平，豐水季各樣點(diǎn)健康狀態(tài)優(yōu)于枯水期，可較好地反映梯級(jí)電站投產(chǎn)前關(guān)鍵時(shí)期河流健康狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：浮游植物；生物完整性指數(shù)；生態(tài)健康評(píng)價(jià)；梯級(jí)水庫；金沙江下游

中圖分類號(hào)：Q948.8" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " 文章編號(hào)：1674-3075（2025）01-0011-09

生物完整性指數(shù)（index of biological integrity，IBI）主要以生物類群指標(biāo)表征其依存的生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)（Karr，1981），是目前應(yīng)用較廣的水域健康評(píng)價(jià)指數(shù)（Kerans amp; Karr，1994；Christophera et al，2003）。浮游植物IBI（P-IBI）在湖泊（Kane et al，2009）、水庫（Li et al，2013a）、飲用水源地（沈強(qiáng)等，2012）和河流（譚巧等，2017）等水體評(píng)價(jià)中有大量實(shí)踐案例，由于P-IBI評(píng)價(jià)可迅速靈敏地反映水生態(tài)系統(tǒng)變化和初級(jí)生產(chǎn)者狀況等優(yōu)勢(shì)，在指示水污染程度、預(yù)測(cè)水質(zhì)狀況和衡量短期內(nèi)人為干擾等方面具備巨大應(yīng)用價(jià)值。

攀枝花至宜賓768 km的金沙江下游河段，地處四川盆地與云貴高原的過渡地帶，流域面積21.4萬km2（Yang et al，2021）。金沙江下游是我國規(guī)劃最大的水電基地和“西電東送”重要電源基地，兼顧長江上游水源涵養(yǎng)、防風(fēng)固沙和生物多樣性保護(hù)等重要生態(tài)屏障功能，其生態(tài)質(zhì)量直接影響長江流域及全國廣大區(qū)域，逐漸成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)地區(qū)之一。金沙江下游及長江上游開展了浮游生物群落結(jié)構(gòu)、多樣性評(píng)價(jià)等研究（高琦等，2019；魏志兵等，2020），但未見浮游植物完整性指數(shù)相關(guān)報(bào)道。由于各地區(qū)浮游植物群落存在差異，面臨的環(huán)境壓力也有所不同，因此完整性指數(shù)在新區(qū)域應(yīng)用時(shí)需因地制宜設(shè)定體系和標(biāo)準(zhǔn)。在金沙江下游梯級(jí)電站投產(chǎn)前的關(guān)鍵時(shí)期，采用生物完整性指數(shù)評(píng)價(jià)河流生態(tài)健康，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義與科學(xué)價(jià)值，可為梯級(jí)水庫水生態(tài)健康維護(hù)、預(yù)警管理和生態(tài)修復(fù)提供技術(shù)支撐。

1" "材料與方法

1.1" "評(píng)價(jià)河段的選定與設(shè)計(jì)

依據(jù)歐盟水框架指令的采樣設(shè)計(jì)規(guī)范（馬丁·格里菲斯，2008），依次在各水庫上游、庫中和壩前設(shè)點(diǎn)，共計(jì)30個(gè)點(diǎn)位（圖1和表1），其中觀測(cè)點(diǎn)25個(gè)，參照點(diǎn)5個(gè)。研究區(qū)域6—11月為豐水季，12月—翌年5月為枯水季，為保證樣品的代表性和均一性，分別于2017年春夏季（4月28日—5月3日）、秋冬季（10月24日—11月13日）和2018年夏季（5月4日—5月30日）、秋冬季（9月24日—10月13日）開展多次調(diào)查，樣品統(tǒng)計(jì)：30個(gè)樣點(diǎn)×2年×2季×3個(gè)重復(fù)（左、中、右），共360個(gè)。

1.2" "采樣方法

浮游植物定性樣品：以25號(hào)浮游生物網(wǎng)水面下0.5 m處勻速“∞”形拖動(dòng)5～10 min，收集物經(jīng)魯哥氏液固定后在光學(xué)顯微鏡下鑒定。浮游植物定量樣品：采集1.5 L水樣，按1.5%體積比加入魯哥氏液固定（Christophera et al，2003），室內(nèi)靜置沉降16～24 h，虹吸去除上清定容至30 mL，搖勻后取0.1 mL樣品于計(jì)數(shù)框內(nèi)視野法計(jì)數(shù)并鑒定種類。

1.3" "生物完整性評(píng)價(jià)流程

1.3.1" "參照點(diǎn)的選擇" "依據(jù)干擾程度最小系統(tǒng)法（高琦等，2019），并結(jié)合本底調(diào)查結(jié)果，設(shè)定以下條件篩選參照點(diǎn)：（1）個(gè)體Shannon多樣性指數(shù)≥2；（2）藻細(xì)胞密度低于200萬個(gè)/L，且優(yōu)勢(shì)種為非水華藻；（3）樣點(diǎn)水域無航道、養(yǎng)殖和娛樂功能。

1.3.2" "指標(biāo)的確定" "對(duì)比國內(nèi)外浮游植物生物完整性指數(shù)評(píng)價(jià)實(shí)踐（沈強(qiáng)等，2012；Ruaro amp; Gubiani，2013），初選應(yīng)用廣泛且采用頻率高的參數(shù)。考慮流域特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)采樣限制條件，對(duì)難以獲取數(shù)據(jù)、內(nèi)涵不明確和標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的參數(shù)進(jìn)行剔除。

1.3.3" "核心參數(shù)的篩選" "P-IBI核心參數(shù)篩選主要包括3個(gè)步驟：分布范圍檢驗(yàn)、判別能力檢測(cè)和參數(shù)間相關(guān)性分析。其中分布范圍檢驗(yàn)主要是統(tǒng)計(jì)參數(shù)在采樣點(diǎn)中分布頻率，若分布范圍過窄或者存在零值過多（≥95%），則剔除候選參數(shù)；判別能力的篩選是比較各候選指標(biāo)在參照點(diǎn)位和受損點(diǎn)位的數(shù)值在25%～75%分位數(shù)內(nèi)重疊的情況，利用箱體圖進(jìn)行判別（殷旭旺等，2012）；相關(guān)性分析主要檢驗(yàn)候選參數(shù)間的獨(dú)立性，利用Pearson相關(guān)性分析（參數(shù)符合正態(tài)分布），剔除相關(guān)性較高的參數(shù)（|r|gt;0.75）。

1.3.4" "指標(biāo)的計(jì)分及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)" "按比值法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行量綱統(tǒng)一：對(duì)干擾越強(qiáng)、值越低的指標(biāo)，以采樣點(diǎn)95%分位數(shù)為最佳期望值，分值計(jì)算方式見式①；對(duì)于干擾越強(qiáng)、值越高的指標(biāo)，則以采樣點(diǎn)5%分位數(shù)為最佳期望值，計(jì)算方式見式②。P-IBI的分布范圍為0～1，若大于1，則都記為1。核心參數(shù)分值累加得到采樣點(diǎn)的P-IBI總得分。

Vij = Vij，a/Vj，exp" " " " " " " " " " " " " " " " " "①

Vij = （Vj，max－Vij，a）/（Vj，max－Vj，exp）" " " " "②

式中：Vij為第i采樣點(diǎn)第j指標(biāo)的分值，Vij，a為第i采樣點(diǎn)第j指標(biāo)的實(shí)際值，Vj，exp為第j指標(biāo)的最佳期望值，Vj，max為第j指標(biāo)在所有采樣點(diǎn)中的最大值。

以參考點(diǎn)P-IBI值25%分位數(shù)作為健康評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)小于25%分位值的分布范圍進(jìn)行等分，確定出健康、亞健康、一般、較差、極差等5個(gè)健康等級(jí)。

1.4" "數(shù)據(jù)分析與處理

參數(shù)分布范圍檢驗(yàn)和相關(guān)性分析等統(tǒng)計(jì)在SPSS 19.0中進(jìn)行（Arbuckle，2010），判別能力檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)分析與可視化在R 4.0.3軟件上實(shí)現(xiàn)，采樣點(diǎn)分布圖在ArcMap 10.7上完成（Kneissl et al，2011）。

2" "結(jié)果與分析

2.1" "浮游植物的群落結(jié)構(gòu)特征

共鑒定浮游植物86種，種群結(jié)構(gòu)基本為硅藻-綠藻-藍(lán)藻型，其中硅藻門43種，綠藻門18種，藍(lán)藻門7種，甲藻門3種，隱藻門6種，金藻門2種（圖2）。硅藻種類最多，占總種類數(shù)的50%；其次是綠藻，占總種類數(shù)的21%；再次是藍(lán)藻，占總種類數(shù)的8%。多次監(jiān)測(cè)到的種類數(shù)較接近，各采樣點(diǎn)平均種類數(shù)為32種。2017—2018年秋冬季種類均為49種，秋冬季種類相對(duì)春夏季略低。

2.2" "金沙江下游浮游植物完整性評(píng)價(jià)

2.2.1" "候選參數(shù)分布范圍檢驗(yàn)" "根據(jù)IBI理論和框架，初選物種多樣性、物種豐度、均勻性和耐污能力4類27個(gè)候選指標(biāo)（表2）。M6和M16在超過95%的樣點(diǎn)得分均為零，M18、M19、M26等參數(shù)在各評(píng)價(jià)河段間的差異小于10%，均未通過分布范圍檢驗(yàn)。

2.2.2" "鑒別能力檢驗(yàn)" "依據(jù)參照點(diǎn)篩選標(biāo)準(zhǔn)，有S3、S5、S7、S12和S19等5個(gè)樣點(diǎn)符合標(biāo)準(zhǔn)，故設(shè)為參照點(diǎn)，其余25個(gè)樣點(diǎn)為受損點(diǎn)。M4、M7、M8、M10、M14、M15、M22～M25箱體IQlt;2未通過判別能力檢驗(yàn)，其余參數(shù)在參照點(diǎn)與受損點(diǎn)間有顯著差異，可進(jìn)入下一步分析（圖3）。

2.2.3" "參數(shù)間Pearson相關(guān)性分析" "表3顯示，M1與M2、M2與M9、M1與M11、M20與M21等之間相關(guān)性較高，M11、M12、M13、M20和M27等參數(shù)至少與其他2個(gè)以上參數(shù)存在高度相關(guān)性。M1較M2更易操作，故剔除M2。以往IBI評(píng)價(jià)體系研究中，M12較M9、M21較M20采用頻度較高。為保證系統(tǒng)的代表性和適用性，取消M2、M9、M11～13、M20和M27。

2.3" "P-IBI指標(biāo)的計(jì)算及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

最終篩選出5個(gè)核心參數(shù)：總分類單元數(shù)（M1）、藍(lán)藻門分類單元數(shù)（M3）、硅藻門分類單元數(shù)占比（M5）、硅藻門細(xì)胞密度（M17）和綠藻門細(xì)胞密度占比（M21）。利用比值法統(tǒng)一參數(shù)量綱，對(duì)于干擾越強(qiáng)參數(shù)值越低的，以該參數(shù)在所有樣本95%分位數(shù)值作為最佳值，該參數(shù)分值等于參數(shù)值除以最佳值；干擾越強(qiáng)值越高的，以5%分位數(shù)值作為最佳值，參數(shù)計(jì)算方法為：（最大值-參數(shù)值）/（最大值-最佳值）。將各參數(shù)分值累加得到P-IBI，以參考點(diǎn)P-IBI值25%分位數(shù)作為健康評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。若位點(diǎn)的指數(shù)值大于25%分位數(shù)，則表示該位點(diǎn)受到的干擾很小。P-IBI評(píng)價(jià)指標(biāo)分布范圍和賦分標(biāo)準(zhǔn)見表4，評(píng)估等級(jí)見表5。

2.4" "金沙江下游P-IBI健康狀況

豐水季金沙江下游健康樣點(diǎn)1個(gè)（占總樣點(diǎn)數(shù)的3%），亞健康樣點(diǎn)4個(gè)（13%），一般樣點(diǎn)9個(gè)（30%），較差樣點(diǎn)8個(gè)（27%），極差樣點(diǎn)8個(gè)（27%）?？菟緛喗】禈狱c(diǎn)5個(gè)（16%），一般樣點(diǎn)8個(gè)（27%），較差樣點(diǎn)8個(gè)（27%），極差樣點(diǎn)9個(gè)（30%）。綜合各參數(shù)指標(biāo)，金沙江下游整體處于較差等級(jí)，宜賓段處于一般等級(jí)，豐水季各樣點(diǎn)健康狀態(tài)優(yōu)于枯水期（表6）。

3" "討論

3.1" "浮游植物群落特征影響因素

金沙江下游干流共鑒定出86種（屬）浮游植物，相比高琦等（2019）和魏志兵等（2020）調(diào)查的52種和100種，推測(cè)差異源于采樣數(shù)量、次數(shù)、位置及時(shí)間等因素的影響。金沙江下游干流浮游植物多樣性較高，以硅藻-綠藻-藍(lán)藻型為主，硅藻門種類仍是主要優(yōu)勢(shì)類群，與天然河流中以硅藻門為主的理論相符（Devercelli amp; O’Farrell，2013）。本研究調(diào)查期間，烏東德、白鶴灘水電站正處于施工階段，銀江水電站在建中，緊鄰上游金沙水電站已完成首臺(tái)機(jī)組發(fā)電，烏東德、白鶴灘和銀江水電站均尚未投入運(yùn)行（彭才喜等，2020），部分河段處于河流和過渡狀態(tài)，流域整體呈“河流型—過渡型—水庫型”高度混合水體（Zerlin amp; Henry，2014）。高度復(fù)雜的自然環(huán)境，為硅藻門種類提供了足夠的生態(tài)空間，此外水生態(tài)系統(tǒng)具備維持其自身狀態(tài)的潛力，浮游生物群落仍保持著天然河流特性。與歷史資料相比，硅藻門種類占比有所增加，但增幅不及綠藻門、藍(lán)藻門（Yin et al，2012），推測(cè)可能與水利工程開發(fā)前期帶來的水文情勢(shì)變化有關(guān)（Zhang et al，2018），已建的烏江和瀾滄江梯級(jí)電站（龍勝興和陳椽，2009；Li et al，2013b）評(píng)價(jià)的結(jié)果也佐證了這一現(xiàn)象。此外豐水季和枯水季浮游生物組成也存在較大的差別，浮游植物群落季節(jié)演替明顯（Sommer et al，2012）。魏志兵等（2020）對(duì)比了本研究區(qū)春秋季浮游植物，也發(fā)現(xiàn)密度、生物量和種類數(shù)春季均大于同年秋季。相關(guān)研究（高琦等，2019；魏志兵等，2020）表明，浮游植物種群狀態(tài)與河流透明度、含沙量等因素季度變化有關(guān)。

3.2" "參照狀態(tài)的選擇依據(jù)

國際上對(duì)健康河流的內(nèi)涵尚未明確，常強(qiáng)調(diào)在沒有人類干預(yù)情況下的歷史狀態(tài)，因此生物基準(zhǔn)狀態(tài)選定水域曾達(dá)到的水平（Karr，1981）。目前本研究區(qū)浮游生物調(diào)查數(shù)據(jù)年限差異較大且多為片段化的籠統(tǒng)記錄，歷史數(shù)據(jù)無法滿足IBI評(píng)價(jià)基準(zhǔn)制定需求。河流除了保持生態(tài)學(xué)的完整性，還應(yīng)兼顧社會(huì)服務(wù)功能。水電開發(fā)主要生產(chǎn)清潔可再生能源，可在優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)節(jié)能減排等方面發(fā)揮重要的作用，同時(shí)兼顧防洪、供水及航運(yùn)等綜合利用效益（Li et al，2013a）。此類水體參照態(tài)設(shè)定存在諸多爭(zhēng)議，參照點(diǎn)的選取對(duì)于完整性評(píng)估起到導(dǎo)向性和決定性作用，直接關(guān)系到保護(hù)規(guī)劃和流域管理策略。歐美針對(duì)此類符合公眾利益的水體，常選擇降低人造水體（如渠道、水庫）和發(fā)生重大改變水體（如航運(yùn)河流、水壩和防洪設(shè)施）的標(biāo)準(zhǔn)，并提出了降低標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)償規(guī)定（馬丁·格里菲斯，2008）。本研究選取現(xiàn)有最佳狀態(tài)為參照點(diǎn)，遴選本底調(diào)查中多樣性指數(shù)較高，且航道、養(yǎng)殖和娛樂等人為干擾較小的點(diǎn)位，綜合考慮河段周邊土地利用、漁業(yè)養(yǎng)殖、水利工程等因素。陳橋等（2013）認(rèn)為此類參照點(diǎn)選擇方式，對(duì)于制定區(qū)域分階段生態(tài)治理或者生態(tài)恢復(fù)目標(biāo)有一定的參考價(jià)值?？赏ㄟ^設(shè)定不同程度的參考狀態(tài)，來定義不同恢復(fù)目標(biāo)前提下的健康狀況（馬丁·格里菲斯，2008）。目前，金沙江下游以生態(tài)系統(tǒng)健康理論制定了可恢復(fù)的目標(biāo)和彈性指標(biāo)，開展了梯級(jí)聯(lián)合生態(tài)調(diào)度（Wang et al，2015）、棲息地生境修復(fù)（Zhu et al，2020）、人工魚巢和連通性恢復(fù)（Tan et al，2016）等系列生態(tài)修復(fù)實(shí)踐，對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)具有明顯的改善作用。

3.3" "金沙江下游生物完整性狀況整體較差

由于浮游植物具有繁殖速度快、生命周期短等特點(diǎn)，在群落組成、營養(yǎng)結(jié)構(gòu)和功能狀態(tài)等方面可對(duì)環(huán)境變化短時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng)。目前向家壩、溪洛渡已投入運(yùn)行，烏東德、白鶴灘水電站處于施工階段，金沙江下游梯級(jí)水環(huán)境和水生態(tài)等均處于快速變化過程，這也為在電站全面運(yùn)行前以浮游植物完整性指數(shù)評(píng)估河流健康狀況提供了寶貴的窗口期。評(píng)估結(jié)果顯示豐水季各樣點(diǎn)健康狀態(tài)優(yōu)于枯水期，國內(nèi)外湖泊（王霞等，2021）、梯級(jí)水庫（張小林等，2018）及河流（Pomari et al，2018）等P-IBI研究結(jié)果均與本研究結(jié)論一致。推測(cè)主要原因?yàn)樨S水季降雨增多且流量加大，水體交換速率加快，加速了污染物分解（殷旭旺等，2012）。金沙江下游整體處于較差等級(jí)，受人類干擾相對(duì)較大。推測(cè)受水流平緩、透明度較高等運(yùn)行階段水環(huán)境變化有關(guān)，同時(shí)流域內(nèi)畜禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖、梯田等農(nóng)業(yè)面源、采石挖沙活動(dòng)及城鎮(zhèn)生活也是影響流域浮游植物完整性狀況的主要威脅源。干支流營養(yǎng)物質(zhì)累積和淹沒區(qū)營養(yǎng)物質(zhì)的釋放，可導(dǎo)致部分水域營養(yǎng)物質(zhì)含量升高，因此存在浮游植物過度繁殖、水華暴發(fā)的水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)（Pomari et al，2018）。宜賓向家壩段處于一般等級(jí)，推測(cè)向家壩壩下緊鄰長江上游珍稀特有魚類自然保護(hù)區(qū)，又有岷江匯入（譚巧等，2017），自然生境相對(duì)其余河段較為完整，在流域管理中需予以特別注意和重點(diǎn)保護(hù)。

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Ecosystem Health Assessment of Lower Jinsha River Based

on the Phytoplanktonic Index of Biotic Integrity （P-IBI）

Abstract：In this study， we evaluated the aquatic ecosystem health of the cascaded reservoirs in the lower Jinsha River before the cascaded hydropower stations began operating. The evaluation was based on the phytoplanktonic index of biotic integrity （P-IBI） developed as part of this research. The aim of the study was to provide technical and data support for early warning and ecological restoration evaluation of the cascaded reservoirs. The P-IBI evaluation system was based on a phytoplankton investigation carried out at 30 sampling sites in the dry and wet seasons in 2017-2018 （5 reference sites and 25 conservation sites） in the lower Jinsha River. A total of 86 phytoplankton species （genera） were identified， reflecting high species diversity. The phytoplankton community structure belonged to the Bacillariophyta-Chlorophyta-Cyanophyta type， dominated by Bacillariophyta （43 species， 50%）， and retaining the composition characteristics of phytoplankton in natural rivers. Using the distribution range， discriminant analysis， and Pearson correlation， five core indices （total taxonomic units， cyanobacteria taxonomic units， percentage of Bacillariophyta to total taxonomic units， cell density of Bacillariophyta， Chlorophyta cell density as a percentage of total cell density） were selected from 27 candidate metrics to establish the P-IBI evaluation system. Based on the 25% percentile value of reference sites， the evaluation standard for ecosystem health in the lower Jinsha River was established and five P-IBI grades were set： P-IBIgt;3.81， healthy; 3.03-3.81， sub-healthy; 2.67-3.03， fair; 2.28-2.66， poor; P-IBIlt;2.28， very poor. River health was then assessed at each of the 30 sampling sites. During the wet season 1 site was healthy， 4 sites were sub-healthy， 9 sites were fair， 8 sites were poor， and 8 sites were very poor. During the dry season， no sites ranked as healthy， 5 sites were sub-healthy， 8 sites were fair， 8 sites were poor， and 9 sites were very poor. In general， the health status of the lower Jinsha River was poor， and the ecological condition in the wet season was better than that in dry season. River health evaluation using the P-IBI well reflected conditions before the cascaded hydropower stations began operations and will support efforts to manage and improve the ecology of the lower Jinsha River.

Key words：phytoplankton; index of biotic integrity; ecosystem health assessment; cascaded reservoirs;the lower Jinsha River