基于浮游生物完整性指數(shù)對舞陽河生態(tài)系統(tǒng)的健康評價研究

摘要：通過構(gòu)建浮游生物完整性指數(shù)，對舞陽河進(jìn)行健康評估，提供科學(xué)的河道治理依據(jù)。于2023年豐水期開展舞陽河浮游生物調(diào)查，基于因子得分分析，對調(diào)查斷面開展浮游生物生態(tài)完整性評價。結(jié)果表明：調(diào)查共鑒定出舞陽河浮游植物107種，隸屬8門73屬，其平均豐度與生物量分別為1458 ind/L和28.80 mg/L；浮游動物50種，隸屬4門39屬，其平均豐度與生物量分別為20 ind/L和0.56 mg/L。采用因子得分分析篩選6個公因子（累積解釋率為96.48%），總因子得分以2S得分最高（0.44），1S得分最低（-0.66），反映舞陽河急流處生態(tài)系統(tǒng)生物完整程度較低。從公因子得分角度反映各調(diào)查河段位置水生態(tài)狀況的差異，能夠較為客觀地反映調(diào)查河段生態(tài)健康狀況，采取關(guān)鍵的保護(hù)措施。

關(guān)鍵詞：完整性指數(shù)；浮游生物；舞陽河；因子得分分析；健康評價

中圖分類號：Q179.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008－0457（2025）01－0037－08

國際DOI編碼：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2025.01.006

生物完整性指數(shù)（Index of Biological Integrity， IBI）是從生物角度構(gòu)建評價水生態(tài)系統(tǒng)健康體系的有效方法之一［1-2］。浮游生物作為水生態(tài)系統(tǒng)最為重要的一類水生生物類群（包括浮游動物和浮游植物），具有個體微小、細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡單和繁殖速度快等特點［3］，其群落結(jié)構(gòu)變化與分布能夠反映水環(huán)境狀況。浮游植物作為水域生態(tài)系統(tǒng)的主要初級生產(chǎn)者，對于維持生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動具有至關(guān)重要的作用［4］；浮游動物是初級生產(chǎn)者和更高營養(yǎng)級之間的連接紐帶，在生態(tài)系統(tǒng)中具有承上啟下的作用［5］。生物完整性指數(shù)能夠表征河流、水庫、湖泊等水體生態(tài)健康狀態(tài)。近年來，基于浮游生物的生態(tài)完整性健康評價工作在渭河流域［6］、太湖流域［7］、蘆河流域［8］以及一些飲用水源地水庫［9-10］等地得到了廣泛應(yīng)用。

作為匯入洞庭湖上游的支流水域［11］，舞陽河水文情勢的改變也將影響洞庭湖的水環(huán)境健康。目前，對舞陽河水域生態(tài)系統(tǒng)的研究多圍繞浮游生物群落結(jié)構(gòu)［11-12］，本研究通過調(diào)查舞陽河浮游植物和浮游動物群落結(jié)構(gòu)，將浮游動物與浮游植物相結(jié)合，構(gòu)建了舞陽河浮游生物完整性指數(shù)，為舞陽河水環(huán)境治理與保護(hù)、水域生態(tài)系統(tǒng)的健康評價與管理提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

舞陽河發(fā)源于貴州省甕安縣，流經(jīng)黃平縣、施秉縣、鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣、岑鞏縣和玉屏侗族自治縣，在玉屏侗族自治縣匯入湖南，后稱舞水［11］。舞陽河干流水資源豐富，落差大（490 m），先后建成舞陽湖、觀音巖、賀家灘等中、小型水電站。因氣候?qū)賮啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，溫差變化小，冬暖夏涼，河段風(fēng)景秀麗，現(xiàn)已成為國家重點風(fēng)景名勝區(qū)。

1.2監(jiān)測點設(shè)置

2023年5—6月（豐水期），在舞陽河共設(shè)置8個采樣點，分別為舞陽河水源源頭（1S）、舞陽湖水庫（2S）、黃平縣縣城（3S）、黃平縣龍王閣（4S）、黃平縣黃平村（5S）、施秉縣縣城（6S）、鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣縣城庫區(qū)（7S）和玉屏侗族自治縣縣城（8S），詳見圖1。

1.3樣品采集與處理

1.3.1浮游生物定性

參考耿志遠(yuǎn)等［13］的方法采用25號浮游生物網(wǎng)進(jìn)行采集，并利用魯哥試液和4%的甲醛溶液固定保存?zhèn)洳椤?/p>

1.3.2定量樣品的采集

浮游植物定量樣品采用5 L的采水器采集1 L水樣，加魯哥試劑固定，沉淀48 h后，濃縮至30～50 mL。后續(xù)進(jìn)行鏡檢、分類與計數(shù)，種類鑒定參照《中國淡水藻類——系統(tǒng)、分類及生態(tài)》［14］，計數(shù)通過浮游植物豐度換算，公式［15］如下：

N=niAAc×VsVa（1）

式中：N為原水樣中浮游植物總豐度（ind/L）；A為計數(shù)框面積（mm2）；Ac為計數(shù)視野面積（mm2）；Vs為1 L原水樣沉淀濃縮后的體積（mL）；Va為計數(shù)框的體（mL）；ni為計數(shù)所得浮游植物的數(shù)目。

浮游動物定量樣品采用5 L的采水器共采集50 L水樣，以13號浮游生物網(wǎng)過濾濃縮，再用4% 甲醛溶液固定保存，做好標(biāo)記。后續(xù)進(jìn)行鏡檢、分類與計數(shù)。種類鑒定參照《中國淡水藻類—系統(tǒng)、分類及生態(tài)》［14］，計數(shù)通過浮游動物豐度換算，公式如下［16］。

C=VsV×nVa（2）

式中：C為浮游動物個數(shù)（ind/L），V為采樣體積（L），Vs為沉淀體積（mL），Va為計數(shù)體積（mL），n為計數(shù)所獲得的個體數(shù)。

1.3.3數(shù)據(jù)分析

利用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（H′）、Margalef指數(shù)（D）和Pielou均勻度指數(shù)（J′）計算各采樣點指數(shù)［17-19］。優(yōu)勢種計算，選取Y ≥ 0.02的即為優(yōu)勢種［20］。采用Excel 2010和Origin 2021軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和制圖；利用ArcGI1S0.8軟件繪制采樣點位分布圖；采用SPSS22.0軟件進(jìn)行主成分分析法提取公因子。

1.4評價方法

參考國內(nèi)有關(guān)浮游動物、浮游植物生物完整性研究實例［21-24］，共選取評價參數(shù)指標(biāo)33個（如表1）。將指標(biāo)分為4大類（浮游動物豐富度參數(shù)、浮游植物豐富度參數(shù)、群落結(jié)構(gòu)參數(shù)、營養(yǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)），采樣點位于舞陽河主干，因缺少參照系，所以采用因子賦分的方式開展生態(tài)完整性評價。

2結(jié)果與分析

2.1浮游生物群落結(jié)構(gòu)

2.1.1浮游生物種類組成

本研究共鑒定出浮游植物107種，隸屬于8門73屬，各個采樣點主要以硅藻門、綠藻門和藍(lán)藻門為主，總體種類占比分別為35.51%、28.97%、18.69%（圖2-a）。浮游動物50種，隸屬4門39屬，原生動物門、輪蟲類、枝角類和橈足類各門類總體種類占比分別為26.00%、40.00%、18.00%和16.00%（圖2-b）。

2.1.2浮游生物豐度

各采樣點浮游植物平均豐度為1458 ind/L，其中采樣點2S（1993 ind/L）、3S（2554 ind/L）和8S（2409 ind/L）的浮游植物豐度相對較高，以藍(lán)藻門和硅藻門藻類豐度為主，分別為4317 ind/L和5424 ind/L（圖3-a）。浮游動物平均豐度為20 ind/L，在采樣點2S（43 ind/L）、7S（37 ind/L）和8S（29 ind/L）的浮游動物的豐度相對較高，其中2S浮游動物豐度以橈足類為主，7S和8S以枝角類為主（圖3-b）。

2.1.3浮游生物生物量

各采樣點浮游植物平均生物量為28.80 mg/L，其中采樣點7S（100.67 mg/L）、8S（35.88 mg/L）和1S（35.27 mg/L）的浮游植物生物量相對較高（圖4-a）。浮游動物平均生物量為0.56 mg/L，在采樣點7S（1.45 mg/L）、5S（1.40 mg/L）和8S（0.71 mg/L）的浮游動物的生物量相對較高（圖4-b）。

2.2因子分析

2.2.1公因子選取

采用主成分分析法提取公因子，用最大方差法對因子載荷進(jìn)行正交旋轉(zhuǎn)，便于公因子意義解析。綜合考慮因子特征值以及因子個數(shù)解釋的難易程度，篩選前6個累積方差解釋率為96.48%的公因子，共占96.48%的因子信息，各指標(biāo)對應(yīng)的因子載荷（Factor Loadings）如表2所示。對不同河區(qū)直接進(jìn)行因子得分比較分析。

2.2.2因子的涵義

對6個公因子的意義進(jìn)行辨析解釋，從F1—F6的公因子表征生態(tài)學(xué)意義覆蓋面較廣，其中F1、F2、F3、F4、F5與F6的方差解釋率分別為20.38%、19.31%、17.68%、14.75%、14.15%與10.22%（表3）。

公因子1（F1）：其因子主要與橈足類豐度、甲藻門種類數(shù)、綠藻門占藻類豐度的比例、甲藻門類占藻類豐度的比例和浮游動物中橈足類豐度占比呈正相關(guān)關(guān)系。該因子分值越高，浮游生物偏向豐度越高，對應(yīng)門類豐度越高。該因子主要表征門類浮游生物豐度。

公因子2（F2）：其因子主要與浮游動物種類數(shù)、輪蟲種類數(shù)、枝角類種類數(shù)、橈足類種類數(shù)、浮游動物豐度、輪蟲豐度、枝角類豐度、藍(lán)藻門種類數(shù)、裸藻門種類數(shù)、浮游動物中枝角類豐度占比、浮游動物/浮游植物豐度比呈正相關(guān)關(guān)系。該因子包含主要浮游動物物種豐富度參數(shù)與營養(yǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，參數(shù)值越大F2的得分越高。該因子表征浮游動物群落結(jié)構(gòu)和浮游植物群落之間的互作關(guān)系。

公因子3（F3）：其因子主要與藻類種類數(shù)、硅藻門種類數(shù)、藻類Shannon-Wiener指數(shù)和硅藻門占藻類豐度的比例呈正相關(guān)關(guān)系。該因子表征了物種群落多樣性特征。

公因子4（F4）：其因子主要與原生動物豐度、綠藻門種類數(shù)、黃藻門種類數(shù)、藻類Pielou指數(shù)、藍(lán)藻門類占藻類豐度的比例和裸藻門類占藻類豐度的比例呈正相關(guān)關(guān)系。該因子表征了物種群落均勻度特征。

公因子5（F5）：該因子表征了物種群落均勻度特征。其因子主要與硅藻商呈正相關(guān)關(guān)系。該因子表征了水質(zhì)富營養(yǎng)化特征。

公因子6（F6）：其因子主要與隱藻門種類數(shù)、金藻門種類數(shù)、藻類Margalef指數(shù)和隱藻門類占藻類豐度的比例呈正相關(guān)關(guān)系。該因子表征了物種群落豐富度特征。

2.2.3因子得分

各因子得分基于回歸法計算，在各采樣點中因子得分存在差異，2S與7S在F1—F6的因子得分相對較高。而在F1—F6各因子中，各個采樣點在F1因子的得分較高（圖5-a）。根據(jù)各單因子的匯總計算得出總因子得分，由于在進(jìn)行因子分析之前，所有數(shù)據(jù)都已標(biāo)準(zhǔn)化，可直接對不同采樣點的因子得分進(jìn)行大小比較。舞陽河各采樣點因子總得分2S最高（0.44），1S最低（-0.66），其中2S、3S、4S、7S與8S總得分為正值，1S、5S與6S總得分為負(fù)值（圖5-b）。

3討論與結(jié)論

3.1基于各指數(shù)評價水生態(tài)狀況

通過因子分析，綜合33個IBI指標(biāo)信息，采用6個公因子表示。在對單個因子意義進(jìn)行分析，相比較于單純對水域浮游生物豐度、生物量、多樣性指數(shù)等多個生物指數(shù)計算，各因子得分及總因子得分更能覆蓋水域生態(tài)信息，反映水域的生態(tài)健康狀況［5］。在空間分布上，1S、5S與6S采樣點總因子得分低于0，主要表現(xiàn)在F3、F5與F4單因子得分為負(fù)值，其中F3、F5與F4的因子含義分別為物種群落多樣性特征、水質(zhì)富營養(yǎng)化特征與物種群落均勻度特征，根據(jù)河段的組成特點，分為水源源頭、水庫、縣城和村莊，其中1S屬于水源源頭、5S屬于村莊、6S屬于縣城。水源源頭河谷較窄、比降和流速較大、水量較小，浮游生物生存結(jié)構(gòu)受影響［25］，在生物量上會嚴(yán)重低于水庫、水壩和城鄉(xiāng)區(qū)域。5S村莊相比于6S縣城，5S村莊工業(yè)廢水、生活污水和人為破壞等相對較少，在因子總得分上高于縣城，與陳紅等［26］對城市河段的研究結(jié)果相同。其他采樣點2S、3S、4S、7S與8S因子總得分大于0，主要分布水庫、保護(hù)區(qū)等，人為保護(hù)和治理加強了該河段的健康性。

3.2關(guān)鍵指標(biāo)的合理性分析

劉之威等［27］的研究結(jié)果顯示，舞陽河景區(qū)水質(zhì)總體處于α-中污帶與β-中污帶之間。本研究主要以浮游植物和浮游動物為對象，采用因子得分方法直接分析調(diào)查河段在貴州區(qū)域的整體生態(tài)狀況。該方法既從點上分析河區(qū)狀況，也從面上對河區(qū)整體作出評價，對不同空間站位的采樣點作出比較［5］。選取的6個公因子較為全面地反映了舞陽河貴州流域的整體狀況，F(xiàn)3、F4和F6因子直接反映了生物多樣性、物種均勻度與物種豐富度信息；而F1、F2和F5 側(cè)面反映水環(huán)境情況，通過浮游動植物豐度、浮游動物群落結(jié)構(gòu)和浮游植物群落之間的互作關(guān)系和硅藻商，表明水體富營養(yǎng)狀況。浮游動、植物豐度越高越趨近于水體富營養(yǎng)狀況，呈富營養(yǎng)水體［28-29］。F1得分越高說明浮游生物各門豐度與總浮游生物豐度的比相對穩(wěn)定，比值偏小。當(dāng)比值偏大時，浮游生物趨向于單一門類，F(xiàn)1得分低，水體呈現(xiàn)富營養(yǎng)狀況。浮游動物與浮游植物之間呈互作關(guān)系，浮游動物攝食浮游植物，對浮游植物豐度具有攝食壓力［30］。F2得分越高，則強調(diào)浮游動物和浮游植物之間相互協(xié)調(diào)關(guān)系，浮游動物隨浮游植物的趨勢變動。硅藻商是常用的水質(zhì)生物學(xué)評價指標(biāo)之一，一般認(rèn)為，商值越高，水體富營養(yǎng)化越嚴(yán)重［31］。F5得分越高，硅藻門類的浮游植物分布越均勻，硅藻商越小，水體富營養(yǎng)化程度越低。F1、F2和F5分別通過對浮游生物各門類豐度、浮游動物和浮游植物之間的互作關(guān)系和硅藻門種類分布的描述，間接反映水環(huán)境狀況，揭示常規(guī)種類豐度、多樣性指數(shù)等指標(biāo)揭示不了的信息，更好地開展對舞陽河生態(tài)系統(tǒng)健康評價，辨析生態(tài)問題。

通過對舞陽河不同河區(qū)進(jìn)行因子得分比較分析，其中8個采樣點總因子得分以2S最高，最低得分為1S采樣點。兩采樣點所處地理位置分別在水庫（2S）和急流（1S），水庫水流平緩，浮游生物群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因子F1、F2、F3、F4、F5和F6得分較高。急流水流速較快，許多浮游生物難以附著，群落結(jié)構(gòu)偏向單一，因子F1、F2、F3、F4、F5和F6得分較低?？傮w評價2S完整性程度高于1S，表明舞陽河急流處生態(tài)系統(tǒng)生物完整程度較低。

（責(zé)任編輯：胡吉鳳）

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Assessment of Ecosystem Health in the Wuyang River Based on the Plankton Integrity Index

Wang Xiaodong1， Yuan Hong2， Li Shan1， Wang Jiapin2， Chen Yifang2， Chen Dunxue2*

（1.Animal Husbandry and Fisheries Department， Guizhou Vocational College of Agriculture， Guiyang 551400， Guizhou， China; 2.College of Animal Science， Guizhou University， Guiyang 550025， Guizhou， China）

Abstract：

A plankton integrity index was developed to assess the health of the Wuyang River， offering a scientific basis for river management. The 2023 plankton survey of the Wuyang River was carried out during the period of abundant water， enabling the assessment of plankton ecological integrity through factor analysis in the surveyed sections. In the Wuyang River， 107 species of phytoplankton was identified， categorized into 8 phyla and 73 genera. The average abundance and biomass were recorded at 1，458 ind/L and 28.80 mg/L， respectively. The study identified 50 species of zooplankton， distributed among 4 phyla and 39 genera， with an average abundance and biomass of 20 ind/L and 0.56 mg/L， respectively. Factor analysis， revealed the presence of 6 common factors， accounting for a cumulative interpretation rate of 96.48%. The total factor scores indicated that 2S had the highest scores（0.44）， while 1S had the lowest（-0.66）， indicating the compromised biological integrity of the ecosystem at the Wuyang River rapids. By utilizing common factor scores to represent variations in aquatic ecological conditions across surveyed river sections， a more objective evaluation of the ecological health status of these sections can be attained， thereby informing essential conservation actions.

Keywords：

integrity index; plankton; Wuyang River； factor analysis；health assessment

接收日期：2024-08-13

基金項目：貴州省長江流域水生生物資源監(jiān)測服務(wù)項目（K23-0105-005）

*通訊作者：陳敦學(xué)（1986—），男，博士，副教授，主要從事水產(chǎn)健康養(yǎng)殖與水生生物學(xué)監(jiān)測研究，E-mail：chendunxue@126.com.