劉 凌，朱 燕，李博韜，陳 翔

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098)

生物完整性指數(shù)(index of biotic integrity，IBI)是由Karr[1]于1981年最先提出，可以定量描述生物所處環(huán)境條件、對人類干擾反應(yīng)敏感。IBI最初的研究對象為魚類[2-3]，后來逐漸應(yīng)用于底棲動物[4]、浮游生物[5-7]和著生藻類[8-9]等水生生物，其在不同水體健康評價中的應(yīng)用效果也得到越來越多的認(rèn)可。近年來，浮游植物生物完整性指數(shù)(phytoplankton index of biotic integrity, P-IBI)主要應(yīng)用于湖泊[5]、水庫[6]等相對靜止水體的評價，通過合理布設(shè)采樣時間和采樣頻次，P-IBI逐漸被改進(jìn)并應(yīng)用于河流健康評價。李銳等[10-13]利用P-IBI評價了長江上游、潭江、小清河流域、上海市河道的河流健康狀況。

浮游植物分類是開展P-IBI研究的基礎(chǔ)，相較于基于系統(tǒng)發(fā)生論的林氏分類法，以藻種生理生境特征為基礎(chǔ)的功能分組更為簡便[14]，也更能體現(xiàn)水溫、營養(yǎng)鹽、有機(jī)質(zhì)等環(huán)境要素對藻類群落的選擇機(jī)制。形態(tài)功能群(morphologically based functional group, MBFG)作為一種目前常用于浮游植物生態(tài)學(xué)研究的功能群分類法，根據(jù)浮游植物的體積大小、偽空泡、鞭毛、硅壁、比表面積等形態(tài)特征，將形態(tài)相似的藻種劃分到同一組，共劃分為Ⅰ(高表體比的小型藻)、Ⅱ(帶鞭毛、硅質(zhì)外壁的小型藻)、Ⅲ(帶偽空泡的大型絲狀藻)、Ⅳ(無特征的中型藻)、Ⅴ(帶鞭毛的大中型單細(xì)胞藻)、Ⅵ(無鞭毛帶硅質(zhì)外壁的藻)、Ⅶ(黏質(zhì)的大型團(tuán)體藻)7個功能群[15]。研究表明，浮游植物形態(tài)很大程度上決定了其抵御捕食、營養(yǎng)利用和懸浮等能力，如帶偽空泡的藻類浮力較大，鞭毛降低了藻類對營養(yǎng)鹽的依賴性[16-18]等。在環(huán)境選擇下，浮游植物形態(tài)若具有能適應(yīng)環(huán)境壓力的形態(tài)特征，則其競爭力更強(qiáng)。當(dāng)水質(zhì)發(fā)生變化時，浮游植物優(yōu)勢功能群隨之改變，因此通過功能群變化可以推斷水質(zhì)的變化。一些學(xué)者使用MBFG分類法研究浮游植物功能群演替指示的水體變化，如Ⅲ類功能群指示水體處于低光低營養(yǎng)狀態(tài)[17]，Ⅵ類功能群大量繁殖可以指示水體總氮濃度較高[19]。此外，還有學(xué)者[20-21]對比了其他方法與MBFG分類法，肯定了MBFG分類法的高度簡化和實(shí)用性。

本文利用MBFG分類法選取生物參數(shù)構(gòu)建長江江蘇段的P-IBI，對研究區(qū)河流健康狀況進(jìn)行評估，探討P-IBI與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域及采樣點(diǎn)

長江江蘇段位于長江流域下游，總長約432.5 km，流域面積6.8萬km2，絕大部分是平原和湖區(qū)。該段河流是長江水量最大的河段，航運(yùn)發(fā)達(dá)，水電資源豐富，是沿江地區(qū)的防洪安全屏障和最重要的飲用水源地與灌溉水源地，近年來受人類活動影響日益嚴(yán)重[22]。

考慮到長江江蘇段的長度及樣點(diǎn)均勻性，共設(shè)置6個采樣點(diǎn)，分別為江寧(JN)、棲霞(QX)、鎮(zhèn)江(ZJ)、常州(CZ)、江陰(JY)和南通(NT)，采樣點(diǎn)位置分布見圖1。采樣時間分別為2016年7月(夏季)、10月(秋季)、12月(冬季)和2017年4月(春季)，共進(jìn)行4次采樣調(diào)查，采樣點(diǎn)記為JN1，QX1，ZJ1，CZ1，JY1，NT1，…，JN4，QX4，ZJ4，CZ4，JY4，NT4，共24個采樣點(diǎn)。

圖1 采樣點(diǎn)示意圖

1.2 樣品采集和處理

采集浮游植物樣品時，使用采水器在水深 0.5 m 處取1 L水樣，現(xiàn)場加入15 mL 1.5%的魯哥試劑搖勻固定，將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室靜置24 h后濃縮至30 mL并移入樣品瓶中。鏡檢前先將樣品搖晃均勻，用移液槍取0.1 mL的樣品置于0.1 mL的浮游生物計數(shù)框中，在10×40倍的顯微鏡下進(jìn)行觀察計數(shù)。計數(shù)方法采用行格法，每個點(diǎn)位至少計數(shù)兩次后取平均值。

現(xiàn)場采用便攜式水質(zhì)監(jiān)測儀YSI測定水溫(WT)、溶解氧(DO)和pH值，用塞式盤測定透明度，將采取的水樣低溫保存并帶回實(shí)驗(yàn)室。在48 h內(nèi)測定總磷(TP)、氨氮(NH3-N)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)和生化需氧量(BOD5)等水質(zhì)指標(biāo)值。

1.3 P-IBI構(gòu)建

基于形態(tài)功能群的P-IBI構(gòu)建過程包括：①依據(jù)人類活動對采樣點(diǎn)的影響程度，選擇無干擾或干擾極小的采樣點(diǎn)作參照點(diǎn)。②基于河流浮游植物形態(tài)功能群概念，從功能群密度、生物量、相對密度、群落多樣性、群落均勻性和物種豐富度6個類別中選取候選參數(shù)。③對候選參數(shù)分布范圍進(jìn)行分析，要求入選指標(biāo)在超過90%的采樣點(diǎn)不為零。用箱形圖法進(jìn)行判別能力分析，比較各候選參數(shù)在參照點(diǎn)與受損點(diǎn)間箱體IQ(interquartile ranges，25%～75%分位數(shù)范圍)的重疊情況：對于箱體沒有重疊的情況，IQ值為3；對于兩箱體有重疊，但兩中位線不在對方體內(nèi)的情況，IQ值為2；任意一方中位線在對方箱體內(nèi)，IQ值小于2。當(dāng)IQ值大于或等于2時，參數(shù)區(qū)分能力較強(qiáng)，初步保留在參照點(diǎn)和受損點(diǎn)間箱體IQ重疊程度不小于2的候選參數(shù)。為檢驗(yàn)參數(shù)的獨(dú)立性，對篩選后的參數(shù)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，當(dāng)|r|≥0.75時認(rèn)為兩個參數(shù)相關(guān)性較高，排除其中一個。④采用比值法對核心參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。若為正向參數(shù)(對干擾響應(yīng)為上升)，則標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)值等于最大值與參數(shù)值之差除以最大值與5%分位值之差；若為反向參數(shù)(對干擾響應(yīng)為下降)，則標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)值等于參數(shù)值除以95%分位值，將標(biāo)準(zhǔn)化后的參數(shù)值累加得P-IBI總分。以P-IBI的95%分位值作為最佳期望值，將其分布范圍三等分，靠近最佳期望值的一段代表河流健康狀況為優(yōu)，其余兩段分別為良、差，確定浮游植物生物完整性的評價標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 浮游植物種類組成

鏡檢共發(fā)現(xiàn)浮游植物6門37屬77種，其中硅藻門種類數(shù)最多，共13屬34種，占總種數(shù)的44.2%；綠藻門10屬13種，占總種數(shù)的16.9%；裸藻門4屬13種，占總種數(shù)的16.9%；藍(lán)藻門 6屬 11種，占總種數(shù)的14.3%；隱藻門2屬4種，占總種數(shù)的5.2%；甲藻門2屬2種，占總種數(shù)的2.6%。

表1 長江江蘇段浮游植物MBFG功能群組成

(a) 2016年夏

(b) 2016年秋

(c) 2016年冬

(d) 2017年春

2.2 浮游植物功能群組成

由于未檢測到Ⅱ類功能群，故將浮游植物按形態(tài)特征劃入6個功能群，各功能群特征和藻種見表1。將浮游植物密度按功能群分組統(tǒng)計，繪制各點(diǎn)位密度堆積(圖2)：夏季和秋季，Ⅲ類功能群占主導(dǎo)地位，Ⅶ類功能群僅夏季在常州點(diǎn)出現(xiàn)，Ⅵ類功能群秋季在江寧點(diǎn)占比遠(yuǎn)超Ⅲ類；冬季和春季，藻類密度總體較低，Ⅴ和Ⅵ類功能群密度占比顯著增大，Ⅲ類功能群在各點(diǎn)的密度占比有所下降，Ⅰ類功能群密度增長不多但其占比有所增大。

2.3 P-IBI評價體系構(gòu)建及評價結(jié)果

2.3.1參照點(diǎn)選擇

使用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)作為參照點(diǎn)選擇標(biāo)準(zhǔn)，H′≥2為清潔點(diǎn)位，H′<2為受污染點(diǎn)位，同時結(jié)合不同時期各采樣點(diǎn)的實(shí)際情況，篩選出ZJ1、NT1、JY2、JN3、NT3、CZ4和NT4共7個采樣點(diǎn)作為參照點(diǎn)，其余17個采樣點(diǎn)為受損點(diǎn)。

2.3.2候選參數(shù)篩選

基于功能群概念選取候選參數(shù)，進(jìn)行分布范圍分析，排除在各采樣點(diǎn)零值數(shù)量超過10%的參數(shù)。采用箱形圖對通過上一步分析的參數(shù)進(jìn)行判別能力分析，保留IQ值大于等于2的參數(shù)，得到15個區(qū)分能力較強(qiáng)的候選參數(shù)(圖3)。

(e) Ⅴ類功能群密度百分比P5

(j) 藍(lán)藻門生物量P10

(o) Shannon-Wiener指數(shù)P15

Pearson相關(guān)性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：P2與P3、P15都高度相關(guān)，P3在水生態(tài)健康方面具有重要意義，且P15作為唯一入選的群落多樣性參數(shù)需保留，故刪去P2。浮游植物MBFG分類中Ⅲ類功能群已囊括主要的優(yōu)勢藍(lán)藻，故保留P1、P4和P11，刪去P7、P10和P13。Ⅵ類功能群已包含所有的硅藻，因此保留P6和P12，刪去P8和P14。通過篩選，最終得到9個核心參數(shù)來構(gòu)建基于浮游植物MBFG分類法的河流IBI：P1、P3、P4、P5、P6、P9、P11、P12和P15。

表2 參數(shù)數(shù)據(jù)分析

2.3.3參數(shù)量綱統(tǒng)一及P-IBI標(biāo)準(zhǔn)建立

對9個核心參數(shù)進(jìn)行計算分析，P1、P3、P4、P11為對干擾響應(yīng)上升的參數(shù)，P5、P6、P9、P12、P15為對干擾響應(yīng)下降的參數(shù)，得到各參數(shù)賦分公式(表2)。累加各參數(shù)分值獲得P-IBI總分，確定P-IBI分級評價標(biāo)準(zhǔn)，P-IBI不小于4.93為優(yōu)，在2.47～4.93之間為良，小于2.47為差。

2.3.4P-IBI評價結(jié)果

根據(jù)P-IBI分級標(biāo)準(zhǔn)，對長江江蘇段各樣點(diǎn)P-IBI分值進(jìn)行水生態(tài)健康評價(表3)。

空間上，長江江蘇段的P-IBI整體上表現(xiàn)為“優(yōu)”和“良”(圖4)。從上游到下游，P-IBI值表現(xiàn)為“N”字形變化趨勢，最小值出現(xiàn)在上游的江寧點(diǎn)和中游的常州點(diǎn)，最大值出現(xiàn)在下游的南通點(diǎn)。各點(diǎn)位優(yōu)評級均達(dá)到50%，南通最多達(dá)到70%以上，僅江寧、常州和江陰存在差評級。

2.4 P-IBI與環(huán)境因子的關(guān)系

長江江蘇段P-IBI與環(huán)境因子的相關(guān)分析表明，P-IBI與WT、CODMn顯著負(fù)相關(guān)，與NH3-N正相關(guān)，與透明度、DO顯著正相關(guān)(表4)。

表3 P-IBI評價結(jié)果

(a) P-IBI空間變化

(b) 水質(zhì)等級組成占比

表4 P-IBI與環(huán)境因子Spearman相關(guān)性檢驗(yàn)

3 討 論

3.1 浮游植物功能群季節(jié)演替

長江江蘇段浮游植物功能群存在一定的季節(jié)分布差異，整體變化趨勢為Ⅲ(夏秋季)→Ⅴ+Ⅵ(冬季)→Ⅲ+Ⅴ+Ⅵ(春季)，指示長江江蘇段夏秋季水溫和有機(jī)污染物含量高，水體渾濁，冬春季水溫低的特點(diǎn)。夏秋季Ⅲ類功能群占絕對優(yōu)勢，其對有機(jī)質(zhì)、水溫較為敏感。Ⅶ類功能群適宜生長在富營養(yǎng)水體中，其在CZ1優(yōu)勢明顯，說明CZ1水體富營養(yǎng)化情況較為嚴(yán)重。在冬季，適宜生長于低溫低營養(yǎng)鹽的Ⅴ、Ⅵ類功能群占比上升，其大量繁殖指示水體溫度偏低，Ⅲ類功能群生長受限而釋放出一些生態(tài)位，因此種群繁殖速度極快的Ⅰ類功能群占比也出現(xiàn)一定上升。春季氣溫回升，Ⅲ類功能群生長受限減少，Ⅴ、Ⅵ類功能群占比出現(xiàn)一定程度的下降。長江江蘇段浮游植物功能群季節(jié)演替規(guī)律在秋、冬、春季與前人[17,19]的研究具有一致性，但在夏天優(yōu)勢功能群的描述上存在差異，Ⅳ類功能群密度遠(yuǎn)大于本研究結(jié)果。對比后可以發(fā)現(xiàn)，Ⅳ類功能群喜歡高光環(huán)境，而長江江蘇段較為渾濁的水體不適宜Ⅳ類功能群的生長，同時本研究區(qū)位于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，沿岸工廠較多，水體中有機(jī)污染物、氮磷營養(yǎng)鹽較多，在夏季高水溫的條件下，Ⅲ類功能群更易大量繁殖。

3.2 P-IBI空間變化規(guī)律

長江江蘇段P-IBI呈現(xiàn)“N”字形變化規(guī)律，其中鎮(zhèn)江和南通斷面得分高于其他斷面，這與陳校輝[23]、吳聰?shù)萚24]的調(diào)查結(jié)果相一致。鎮(zhèn)江段存在的多處原貌江灘與保護(hù)區(qū)，較好地保留了自然土質(zhì)護(hù)坡[24]，自然狀態(tài)下的棲息地有利于浮游植物各物種繁衍，故浮游植物種群結(jié)構(gòu)較為完整。南通市近幾年加大生態(tài)環(huán)境治理力度，搬遷整改大量沿江重污染企業(yè)，可能是其P-IBI較高的重要原因。而江寧、棲霞和江陰P-IBI較低，有研究表明南京和江陰的工廠、碼頭等生產(chǎn)岸線占比較高[25]，污染重、耗能高的企業(yè)依然較多，污染物進(jìn)入長江后破壞浮游植物生物完整性，同時南京較多的硬質(zhì)護(hù)坡嚴(yán)重影響自然的水土交互作用[25]，阻斷了水與土壤之間的物質(zhì)交換和能量流通，水生態(tài)系統(tǒng)由此受到影響。除此之外，船舶污染物排放也是影響浮游植物繁衍的重要因素，無錫(江陰)港發(fā)展江海河聯(lián)運(yùn)，形成了江蘇省航運(yùn)的核心區(qū)，南京作為省會城市航運(yùn)發(fā)達(dá)、航道內(nèi)船舶密度大[26]，航行船舶產(chǎn)生的漏油、廢氣、生活污水等嚴(yán)重破壞了長江水生態(tài)環(huán)境。

3.3 環(huán)境因子對P-IBI的影響

水溫對浮游植物的生長繁殖有重要的影響。一方面水溫與藻類密度呈顯著正相關(guān)，水溫的升高會使浮游植物密度增加[27]，另一方面不同功能群藻類適宜生長的水溫不同，Ⅲ類功能群喜生于30 ℃的水體中，而Ⅴ和Ⅵ類功能群喜生于10～20 ℃的水體中[28]。水溫與Ⅴ類功能群密度百分比呈顯著負(fù)相關(guān)，冬季偏低的水溫限制了Ⅲ類功能群的大量繁殖，藻類密度下降，但一些競爭能力較弱的物種生態(tài)位卻得到釋放，Ⅴ類功能群密度和種類數(shù)增加。張敏[29]認(rèn)為高水溫、強(qiáng)光照的條件下，呼吸作用會強(qiáng)于光合作用，長江江蘇段夏季Ⅲ類功能群為優(yōu)勢種，其生長繁殖大量消耗了DO，同時Ⅲ類功能群沉降損失小的特點(diǎn)使其覆蓋在水體表面，又限制了沉降速率較大的Ⅴ和Ⅵ類功能群光合作用，阻礙浮游植物群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。

P-IBI與透明度呈顯著正相關(guān)，這是因?yàn)樵诘凸庹盏臈l件下，Ⅲ類功能群相較于其他藻類更具有競爭優(yōu)勢[17]，其過度繁殖會破壞藻類種群結(jié)構(gòu)多樣性，因此透明度下降會導(dǎo)致P-IBI降低。P-IBI與pH值的相關(guān)性極弱，研究表明pH值在6.0～9.0時適宜藻類生長[30]，監(jiān)測期間長江水體pH值保持在 7.0～9.0之間，適宜藻類生長，對群落結(jié)構(gòu)影響較小。

氮磷營養(yǎng)元素是浮游植物生長的物質(zhì)基礎(chǔ)[31]，本研究中P-IBI與NH3-N正相關(guān)，說明一定范圍內(nèi)的NH3-N濃度上升可促使浮游植物群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。有研究證明NH3-N在不超過一定閾值的情況下，會使浮游植物種類增加[32]。P-IBI與TP的相關(guān)性較弱，一定TP濃度下的藻類生長較為穩(wěn)定[32]，對浮游植物種群結(jié)構(gòu)影響較小。CODMn與BOD5均與Ⅲ類功能群有較好的相關(guān)性，CODMn與BOD5代表水體中有機(jī)污染物的濃度，水中有機(jī)污染物增加，Ⅲ類功能群密度隨之增加，其更替過程中產(chǎn)生的浮游植物尸體又增加了水體中的有機(jī)污染物濃度[33]，Ⅴ和Ⅵ類功能群生態(tài)位進(jìn)一步被壓縮，導(dǎo)致P-IBI得分降低。

長江江蘇段水體較為混濁，有機(jī)污染物濃度較高，適宜Ⅲ類功能群生長繁衍，溫度升高后Ⅲ類功能群會占絕對優(yōu)勢。P-IBI得分與Ⅲ類功能群演替有較高的相關(guān)性，Ⅲ類功能群一般生于低透明的穩(wěn)定水體，同時與水體中有機(jī)物污染物濃度相關(guān)性較高，水溫升高、有機(jī)污染物增加都會使Ⅲ類功能群大量繁殖，擠占Ⅴ、Ⅵ類功能群的生態(tài)位，使浮游植物結(jié)構(gòu)單一化，破壞水生態(tài)健康。P-IBI從生物學(xué)角度解釋了水體環(huán)境變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)Ⅲ類功能群與水質(zhì)惡化存在較高的相關(guān)性，因此監(jiān)控Ⅲ類功能群生長對長江江蘇段水生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義。

4 結(jié) 論

a. 長江江蘇段P-IBI評價結(jié)果整體上以“優(yōu)”、“良”為主，空間上呈“N”字形沿程變化，鎮(zhèn)江與南通斷面浮游植物生物完整性較好，而江寧、棲霞和江陰評價得分相對較低。

b. P-IBI與水溫、CODMn顯著負(fù)相關(guān)，與DO顯著正相關(guān)，表明水溫越高、水體受到有機(jī)污染程度越重，對長江江蘇段浮游植物生物完整性的不利影響越大；P-IBI與NH3-N正相關(guān)，這與一定的NH3-N濃度上升會促進(jìn)浮游植物群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜化有關(guān)；Ⅲ類功能群的生長繁殖對P-IBI有重要影響，其大量繁殖會擠占Ⅴ類和Ⅵ類功能群生態(tài)位，造成水生態(tài)系統(tǒng)狀況惡化。