王霞 郭凱娟 李曉旭 龐婉婷 尤慶敏 王全喜

摘 ?要： 于2019年1月、4月、7月和10月在淀山湖共開展了4次水質及浮游植物調查，構建了淀山湖浮游植物生物完整性指數(shù)，來評價淀山湖水生態(tài)健康狀況. 采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TSI）值法的劃分標準來確定參考點與受損點，將19個應用廣泛且入選率較高的指標作為侯選生物指標，并對候選指標進行分布范圍檢驗、判別能力分析、指數(shù)間的相關性分析，最終獲得組成淀山湖浮游植物生物完整性指數(shù)（P-IBI）的5個參數(shù)：硅藻物種數(shù)、浮游植物豐富度指數(shù)、綠藻密度百分比、隱藻密度百分比和浮游植物總生物量. 應用P-IBI對淀山湖水生態(tài)健康狀況進行評價：從整體來看淀山湖處于亞健康狀態(tài)，其中處于健康、亞健康和良狀態(tài)的點位分別為1，8和3個;春季和冬季處于亞健康狀態(tài)，夏季和秋季處于良狀態(tài). P-IBI與水體透明度（SD）呈極顯著正相關，與葉綠素a（Chl a）和總磷（TP）呈極顯著或顯著負相關.

關鍵詞： 浮游植物; 浮游植物生物完整性指數(shù)（P-IBI）; 淀山湖; 水生態(tài)健康

中圖分類號： ?Q 948.8 ????文獻標志碼： A ???文章編號： 1000-5137（2021）01-0039-11

Abstract： A total of four time surveys on water quality and its phytoplankton of Dianshan Lake in Shanghai，China were carried out in January，April，July and October 2019. Phytoplanktonic index of biotic integrity （P-IBI） was constructed to assess the water health condition of Dianshan Lake. The comprehensive nutritional status index （TSI） is used to determine the reference sites and the impaired sites，19 biological indexes with widely application and high selection rates were used as candidate biological indexes，and the candidate indexes were tested for the distribution，discriminant analysis，correlation analysis. Finally，five parameters composing the P-IBI of Dianshan Lake were obtained：number of diatom species，phytoplankton richness index，percentage of Chlorophyta density，percentage of Cryptophyta density，and total phytoplankton biomass. P-IBI was used to evaluate the ecosystem health of the lake. On the whole，Dianshan Lake is in the state of sub-healthy. Among them，there are one，eight and three points in the healthy，sub-healthy and good state respectively. It is sub-healthy when in spring and winter，and good when in summer and autumn. P-IBI has a very significant positive correlation with water transparency （SD），and a very significant negative correlation with Chlorophyll a （Chl a） and total phosphorus （TP）.

Key words： phytoplankton; phytoplanktonic index of biotic integrity （P-IBI）; Dianshan Lake; water ecological health

0 ?引言

生物完整性指數(shù)（IBI）評價法最早由KARR等[1]在1981年對魚類研究時所建立，經過修正和完善，擴展到大型底棲無脊椎動物[2-4]、藻類[5]等.IBI中每種生物指標都對一類或多類干擾反應敏感，可用于描述生物特性和人類干擾之間的相互關系，從而間接反映水域生態(tài)系統(tǒng)健康受到影響的程度.IBI目前已在世界各地得到應用，并被證實適用于多種類型的水體評價.IBI由多種生物指數(shù)組成，通過比較參照點和受損點的指數(shù)值得出該水生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況.

浮游植物是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的初級生產者，能夠在短時間內對環(huán)境變化做出響應，更容易受到環(huán)境綜合變化的影響[6].應用浮游植物生物完整性指數(shù)（P-IBI）評價水生態(tài)健康狀況的研究已有相關報道.顧毓蓉等[7]基于P-IBI因子分析法評價了生態(tài)修復后松雅湖水的生態(tài)健康狀況，發(fā)現(xiàn)其與水質評價結果在時間與空間上總體相似，具有一定的應用價值.ZHANG等[8]分別建立了浮游植物和浮游動物的候選指標來評估梯級水庫地區(qū)的河流生態(tài)健康，結果表明，IBI可以較好地反映大壩對河流水生態(tài)健康的影響.蔡琨等[9]基于P-IBI對太湖生態(tài)系統(tǒng)進行了評價，并對其與理化因子的相關性進行了分析.國內應用P-IBI對湖泊水體特別是富營養(yǎng)化水體的研究較少.

淀山湖位于黃浦江的上游，西納太湖來水，東南泄于黃浦江，是上海市最大的天然淡水湖泊，也是非常重要的水源保護地.為了掌握淀山湖當前水生態(tài)健康狀況，本研究以浮游植物為研究對象，構建淀山湖P-IBI評價體系和標準，評估淀山湖水生態(tài)健康狀況，以期為淀山湖水生態(tài)健康評價、管理、富營養(yǎng)化治理和生態(tài)修復評估提供參考.

1 ?研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域及樣點布設

淀山湖由江水沖擊和古瀉湖淤積而成，是上海市最大的天然淡水湖泊和非常重要的生態(tài)保護區(qū)和水源保護地.位于31°04'—21°12' N，120°53'—120°01' E，水域面積62.5 km2，平均水深2.1 m，是典型的淺水湖泊[10-11].淀山湖于1985年首次暴發(fā)歷時長達15 d之久的大面積的“水華”，此后每年均有不同程度的“水華”出現(xiàn)，經歷一系列的治理措施后，水質污染綜合指數(shù)逐年下降，2016年后由中度污染狀態(tài)進入輕度污染狀態(tài)[12].

本研究于2019年1月、4月、7月和10月共開展4次水質及浮游植物調查.根據(jù)淀山湖的地形特征，考慮到采樣的全面性、均勻性及樣點的代表性共布設12個采樣點（圖1）.

1.2 樣品的采集與處理

采用賽氏透明度盤（北京普雷德儀器設備有限公司）測定水體透明度;YSI多參數(shù)測量儀（美國YSI公司）測定水溫、溶解氧等指標;室內測定的理化指標中總氮（TN）、總磷（TP）和化學需氧量（COD）的測定采用DR/2800型便攜式分光光度計（美國哈希公司）;葉綠素a（Chl a）濃度采用丙酮吸收分光光度法進行測定.浮游植物的定性和定量樣品的采集及計數(shù)均參考《淡水浮游生物研究方法》等相關文獻[13-14].利用經典文獻[15]對浮游植物進行鑒定.

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

本研究中多樣性指數(shù)、相關性分析、綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TSI）等統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)和圖表在Excel 2016和SPSS 25.0中完成.部分指數(shù)計算公式如下：

2 ?結果與分析

2.1 淀山湖浮游植物群落結構現(xiàn)狀

本研究共鑒定出浮游藻類7門60屬99種，其中綠藻門種類最多，含25屬49種，占總種數(shù)的49.49%;硅藻門13屬19種，占19.19%;藍藻門9屬13種，占13.13%;裸藻門5屬8種，占8.08%;金藻門3屬3種，占3.03%;隱藻門2屬4種，占4.04%;甲藻門3屬3種，占3.45%.每個樣點浮游植物平均有16種，平均Shannon-Wiener指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)和Margalef豐富度指數(shù)的值分別為1.70，0.57和2.42.浮游植物的豐度平均水平表現(xiàn)為：春季3.592×106 cells ?L-1，夏季44.611×106 cells?L-1，秋季3.463×106 cells?L-1，冬季2.222×106 cells?L-1.

2.2 淀山湖P-IBI的建立

2.2.1 參照點與受損點的確定

參考點與受損點的確定是開展生物完整性評價的基礎，其結果將直接影響到IBI的評價結果[16].TSI綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)是判斷水質的常用指標.本研究根據(jù)TSI綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的劃分標準[16]來確定參照點和受損點.計算各季節(jié)各參考點與受損點的TSI綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的數(shù)值，并對其進行排序，選取數(shù)值小于56的作為參照點，其余為受損點.淀山湖中共選出7個參照點，41個受損點.

2.2.2 候選指標的確定與篩選

可用于建立P-IBI指標體系的生物指標較多，本研究結合相關文獻[16-19]，選取19個應用廣泛且入選率較高的指標作為侯選生物指標（表1）.

2.2.3 分布范圍與判別能力分析

利用7個參照點的數(shù)據(jù)計算19個候選生物指標的值，并對它們進行初步分析.其中，M1，M4，M10，M11，M12，M15和M18值的可變動范圍相對較窄，不適宜于P-IBI指標體系的構建.比較參照點和受損點的25%分位數(shù)至75%分位數(shù)范圍，即箱體IQ值的重疊情況，并分別賦予不同的值.無重疊，IQ值為3;部分重疊，但各自中位數(shù)值都在對方箱體范圍之外，IQ值為2;只有一個中位數(shù)值在對方箱體范圍之內，IQ值為1;各自中位數(shù)值都在對方箱體范圍之內，IQ值為0.根據(jù)IQ值的篩選原則，用箱線圖法對12個候選指標進行篩選.由圖2可知：M2，M3，M6，M9，M13，M17，M19共7個生物指數(shù)的IQ值大于2，可以保留以作下一步分析.

圖2 候選生物指標在參照點和受損點的箱線圖.（a） 浮游植物物種總數(shù);（b） 非硅藻物種總數(shù);（c） 綠藻物種數(shù);（d） 硅藻物種數(shù);（e） 浮游植物香濃多樣性指數(shù);（f） 浮游植物均勻度指數(shù);（g） 浮游植物豐富度指數(shù);（h） 綠藻密度百分比;（i） 硅藻密度百分比;（j） 綠藻+硅藻密度百分比;（k） 隱藻密度百分比;（l） 浮游植物總生物量

2.2.4 指標間相關性分析

對余下的7個生物指標進行Pearson相關分析（表2），來檢驗各指標所反映信息的獨立性.兩個指數(shù)間的相關系數(shù)|r|大于0.750表示兩個指數(shù)間高度相關，對高度相關的指標，取其中一個即可[2].由表2可知：M2分別與M3，M6和M9極顯著高度相關，因此刪除M2，保留M3，M6和M9.M3與M9極顯著高度相關，M9在水體評價中更常用，因此刪除M3，保留M9.

通過對所有候選指標進行篩選，最終確定P-IBI指標體系由M6（硅藻物種數(shù)）、M9（浮游植物豐富度指數(shù)）、M13（綠藻密度百分比）、M17（隱藻密度百分比）和M19（浮游植物總生物量）共5個指標構成.

2.2.5 分值計算與P-IBI指標體系評價標準

分別應用三分法、四分法和比值法計算參照點和受損點的分值，并對3種記分法進行判別能力分析（圖3）.三分法、四分法和比值法的IQ值均為3，均有較高的判別能力，根據(jù)相關性分析結果（圖4），選擇相關線性系數(shù)較高（R2=0.921）的四分法和比值法.

根據(jù)參照點和所有樣點的P-IBI的數(shù)據(jù)，以參照點P-IBI值分布的25%分位數(shù)和所有樣點P-IBI值分布的95%分位數(shù)作為湖泊健康評價標準（表3），采用上述標準對各樣點進行健康評價，由表4可知：四分法的穩(wěn)定性優(yōu)于比值法.因此采用四分法建立淀山湖水生態(tài)健康評價標準（表5）.

2.3 淀山湖P-IBI指數(shù)健康評價結果

根據(jù)表5的評價標準，對淀山湖水體健康狀況進行初步評價，結果如表6～7所示.從湖泊整體來看，淀山湖總體P-IBI值為16.0，處于亞健康的狀態(tài)，其中處于健康狀態(tài)的點位有1個，處于亞健康狀態(tài)的點位有8個，處于良狀態(tài)的有3個，分布如圖5所示.3號點（金家莊）生態(tài)健康狀況最佳，這與阮仁良等[20]探究淀山湖水質變化中，金家莊附近為全湖水質最好區(qū)域之一的結果一致.按季節(jié)來看，淀山湖春季和冬季處于亞健康狀態(tài)，夏季和秋季處于良的狀態(tài).

2.4 P-IBI指數(shù)與理化參數(shù)相關性分析

2.4.1 淀山湖主要水質參數(shù)分析

淀山湖2019年各采樣點主要水質參數(shù)均值如表8所示，根據(jù)《地表水環(huán)境質量標準GB 3838—2002》[21]對pH值、溶解氧（DO）、Chl a、氨氮（NH3-N）、TN、TP及COD進行分析，淀山湖pH值變化范圍為7.950～8.283;DO均大于7.5 mg?L-1，屬于Ⅰ類水，NH3-N除1號點外均小于0.5 mg?L-1，屬于Ⅰ～Ⅱ類水.8號、12號點的TN分別為1.900 mg?L-1和1.825 mg?L-1，達到Ⅴ類水標準，其余點位均為劣Ⅴ水;所有點位TP均大于0.2 mg?L-1，屬于均為劣Ⅴ水;6號、11號點的COD分別為17.075 mg?L-1和16.200 mg?L-1，達到Ⅲ類水標準，其余點位均為Ⅰ類水.

P-IBI與SD呈極顯著正相關，低光照條件下藍藻與其他藻類相比具有競爭優(yōu)勢，當藍藻過度繁殖時，會破壞浮游植物群落結構的多樣性，導致P-IBI降低[22-23].水體中的Chl a含量是水質的重要指標，在富營養(yǎng)化評價中起重要作用[24].Chl a含量與P-IBI呈極顯著負相關，也與浮游植物總生物量呈極顯著負相關，不同門類的浮游植物對Chl a含量的影響各不相同，硅藻門和綠藻門的影響略高于藍藻門和隱藻門[25].因此Chl a含量是浮游植物群落結構改變的驅動因子.TP含量與P-IBI呈顯著負相關，同時也與綠藻密度百分比和隱藻密度百分比呈顯著或者極顯著負相關，而綠藻密度百分比和隱藻密度百分比與干擾呈負相關，因此TP含量是浮游植物群落結構變差的驅動因子.

3 ?討 論

3.1 P-IBI與其他評價方法的比較

由2.4節(jié)可知，以單個環(huán)境因子來評價淀山湖的水質情況差別較大，因此單因子評價方法不能很好地反映淀山湖水質現(xiàn)狀.淀山湖的Shannon-Wiener指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)和Margalef豐富度指數(shù)的平均值分別為1.70，0.57和2.42，淀山湖處于輕污染～中污染的狀態(tài).從季節(jié)上來看，春秋冬3個季節(jié)處于輕污染～中污染的狀態(tài)，夏季處于重污染～中污染的狀態(tài).以多樣性指數(shù)評價淀山湖水體，結果存在差異，同一個點位均出現(xiàn)2個不同的水質狀況，區(qū)分度較差，多樣性指數(shù)評價法不能很好地評價淀山湖水環(huán)境狀況.

P-IBI綜合了多個生物參數(shù)，包括浮游植物種類數(shù)、生物量和多樣性指數(shù)等，可以綜合反映生態(tài)系統(tǒng)的功能和群落結構狀況，從而評價湖泊的生態(tài)健康狀況.應用P-IBI評價淀山湖水生態(tài)健康狀況，從評價結果來看，淀山湖各個點位的健康狀況有明顯區(qū)分度，可以較好地評價淀山湖水生態(tài)健康狀況.

3.2 P-IBI在淀山湖的應用

應用P-IBI進行生物完整性評價的基礎是參照點和受損點的確定，其結果將直接影響到構成P-IBI所包括的指標以及評價的結果，原則上，參照點應為未受人類活動干擾或干擾極小的樣點，但由于自然地理狀況以及人類干擾活動和污染特點的差別，在實際操作中尚無統(tǒng)一標準[2].王備新[2]根據(jù)森林覆蓋率、有無點源污染、村莊、農田來劃分參考點和受損點.ZHANG等[8]以水質、土地利用和土地覆蓋來劃分參考點和受損點.熊梅君等[6] 和馬芊芊[17]根據(jù)Shannon多樣性指數(shù)來劃分參考點和受損點.趙文博[18]利用水質和生境數(shù)據(jù)來劃分參考點和受損點.本研究結合水質理化指標來劃分參考點和受損點，淀山湖TN，TP等含量較高，尤其是TP含量，達到地表水環(huán)境標準的劣Ⅴ水，單因子評價法不能評判各點位水質受污染的相對嚴重程度，因此選擇TSI綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)來確定各點位水質受損情況，從而確定參照點和受損點.

指標的選取是構建多參數(shù)評價體系的關鍵，本研究選取廣泛應用的生物指標.目前何種指標可以完整反映何種單一或者復合的人類活動脅迫仍然沒有定論，對不同指標反映脅迫能力大小的研究也進展緩慢[9].水生態(tài)健康狀態(tài)受到多種因素的影響，如浮游植物的種類組成、群落結構和空間分布、環(huán)境因子等，通過不同變量來共同決定，因此在今后的研究中需要根據(jù)水體特征的不同，不斷完善指標的選取，優(yōu)化P-IBI評價體系.

應用P-IBI評價淀山湖生態(tài)健康狀況，補充了淀山湖水質評價方面的資料，為淀山湖生態(tài)健康評價、管理、富營養(yǎng)化治理和生態(tài)修復評估提供參考.雖然P-IBI是目前水生態(tài)系統(tǒng)健康評價中應用最為廣泛的指標之一[26]，其準確性和適用性還需要進一步探究.

4 ?結 論

（1） 本研究采用TSI綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)值法的劃分標準來確定參考點與受損點，通過對候選指標進行分布范圍檢驗、判別能力分析、指數(shù)間的相關性分析，得到淀山湖P-IBI由硅藻物種數(shù)、浮游植物豐富度指數(shù)等5個參數(shù)組成.評價淀山湖水生態(tài)健康狀況的5級標準是：大于19.2為健康;14.4～19.2為亞健康;9.6～14.4為良;4.8～9.6為較差;小于4.8為極差.

（2） 應用P-IBI評價淀山湖水生態(tài)健康的結果表明：從整體來看淀山湖處于亞健康狀態(tài)，其中處于健康、亞健康和良狀態(tài)的點位分別為1，8和3個.春季和冬季處于亞健康狀態(tài)，夏季和秋季處于良的狀態(tài).P-IBI與水體透明度呈極顯著正相關，與葉綠素a和總磷呈極顯著或顯著負相關.雖然應用P-IBI可以較好地評價淀山湖水生態(tài)健康狀況，但水生態(tài)健康狀態(tài)是受到多種因素影響，通過不同變量來共同決定的.因此在今后的研究中需要根據(jù)水體特征的不同，不斷完善指標的選取，優(yōu)化P-IBI評價體系.

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（責任編輯：顧浩然）