基于MBFG分类法的长江江苏段浮游植物生物完整性评价

刘 凌，朱 燕，李博韬，陈 翔

(河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098)

生物完整性指数(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处环境条件、对人类干扰反应敏感。IBI最初的研究对象为鱼类[2-3]，后来逐渐应用于底栖动物[4]、浮游生物[5-7]和着生藻类[8-9]等水生生物，其在不同水体健康评价中的应用效果也得到越来越多的认可。近年来，浮游植物生物完整性指数(phytoplankton index of biotic integrity, P-IBI)主要应用于湖泊[5]、水库[6]等相对静止水体的评价，通过合理布设采样时间和采样频次，P-IBI逐渐被改进并应用于河流健康评价。李锐等[10-13]利用P-IBI评价了长江上游、潭江、小清河流域、上海市河道的河流健康状况。

浮游植物分类是开展P-IBI研究的基础，相较于基于系统发生论的林氏分类法，以藻种生理生境特征为基础的功能分组更为简便[14]，也更能体现水温、营养盐、有机质等环境要素对藻类群落的选择机制。形态功能群(morphologically based functional group, MBFG)作为一种目前常用于浮游植物生态学研究的功能群分类法，根据浮游植物的体积大小、伪空泡、鞭毛、硅壁、比表面积等形态特征，将形态相似的藻种划分到同一组，共划分为Ⅰ(高表体比的小型藻)、Ⅱ(带鞭毛、硅质外壁的小型藻)、Ⅲ(带伪空泡的大型丝状藻)、Ⅳ(无特征的中型藻)、Ⅴ(带鞭毛的大中型单细胞藻)、Ⅵ(无鞭毛带硅质外壁的藻)、Ⅶ(黏质的大型团体藻)7个功能群[15]。研究表明，浮游植物形态很大程度上决定了其抵御捕食、营养利用和悬浮等能力，如带伪空泡的藻类浮力较大，鞭毛降低了藻类对营养盐的依赖性[16-18]等。在环境选择下，浮游植物形态若具有能适应环境压力的形态特征，则其竞争力更强。当水质发生变化时，浮游植物优势功能群随之改变，因此通过功能群变化可以推断水质的变化。一些学者使用MBFG分类法研究浮游植物功能群演替指示的水体变化，如Ⅲ类功能群指示水体处于低光低营养状态[17]，Ⅵ类功能群大量繁殖可以指示水体总氮浓度较高[19]。此外，还有学者[20-21]对比了其他方法与MBFG分类法，肯定了MBFG分类法的高度简化和实用性。

本文利用MBFG分类法选取生物参数构建长江江苏段的P-IBI，对研究区河流健康状况进行评估，探讨P-IBI与环境因子的相关关系。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域及采样点

长江江苏段位于长江流域下游，总长约432.5 km，流域面积6.8万km2，绝大部分是平原和湖区。该段河流是长江水量最大的河段，航运发达，水电资源丰富，是沿江地区的防洪安全屏障和最重要的饮用水源地与灌溉水源地，近年来受人类活动影响日益严重[22]。

考虑到长江江苏段的长度及样点均匀性，共设置6个采样点，分别为江宁(JN)、栖霞(QX)、镇江(ZJ)、常州(CZ)、江阴(JY)和南通(NT)，采样点位置分布见图1。采样时间分别为2016年7月(夏季)、10月(秋季)、12月(冬季)和2017年4月(春季)，共进行4次采样调查，采样点记为JN1，QX1，ZJ1，CZ1，JY1，NT1，…，JN4，QX4，ZJ4，CZ4，JY4，NT4，共24个采样点。

图1 采样点示意图

1.2 样品采集和处理

采集浮游植物样品时，使用采水器在水深 0.5 m 处取1 L水样，现场加入15 mL 1.5%的鲁哥试剂摇匀固定，将样品带回实验室静置24 h后浓缩至30 mL并移入样品瓶中。镜检前先将样品摇晃均匀，用移液枪取0.1 mL的样品置于0.1 mL的浮游生物计数框中，在10×40倍的显微镜下进行观察计数。计数方法采用行格法，每个点位至少计数两次后取平均值。

现场采用便携式水质监测仪YSI测定水温(WT)、溶解氧(DO)和pH值，用塞式盘测定透明度，将采取的水样低温保存并带回实验室。在48 h内测定总磷(TP)、氨氮(NH3-N)、高锰酸盐指数(CODMn)和生化需氧量(BOD5)等水质指标值。

1.3 P-IBI构建

基于形态功能群的P-IBI构建过程包括：①依据人类活动对采样点的影响程度，选择无干扰或干扰极小的采样点作参照点。②基于河流浮游植物形态功能群概念，从功能群密度、生物量、相对密度、群落多样性、群落均匀性和物种丰富度6个类别中选取候选参数。③对候选参数分布范围进行分析，要求入选指标在超过90%的采样点不为零。用箱形图法进行判别能力分析，比较各候选参数在参照点与受损点间箱体IQ(interquartile ranges，25%～75%分位数范围)的重叠情况：对于箱体没有重叠的情况，IQ值为3；对于两箱体有重叠，但两中位线不在对方体内的情况，IQ值为2；任意一方中位线在对方箱体内，IQ值小于2。当IQ值大于或等于2时，参数区分能力较强，初步保留在参照点和受损点间箱体IQ重叠程度不小于2的候选参数。为检验参数的独立性，对筛选后的参数进行Pearson相关性分析，当|r|≥0.75时认为两个参数相关性较高，排除其中一个。④采用比值法对核心参数进行标准化。若为正向参数(对干扰响应为上升)，则标准化参数值等于最大值与参数值之差除以最大值与5%分位值之差；若为反向参数(对干扰响应为下降)，则标准化参数值等于参数值除以95%分位值，将标准化后的参数值累加得P-IBI总分。以P-IBI的95%分位值作为最佳期望值，将其分布范围三等分，靠近最佳期望值的一段代表河流健康状况为优，其余两段分别为良、差，确定浮游植物生物完整性的评价标准。

2 结果与分析

2.1 浮游植物种类组成

镜检共发现浮游植物6门37属77种，其中硅藻门种类数最多，共13属34种，占总种数的44.2%；绿藻门10属13种，占总种数的16.9%；裸藻门4属13种，占总种数的16.9%；蓝藻门 6属 11种，占总种数的14.3%；隐藻门2属4种，占总种数的5.2%；甲藻门2属2种，占总种数的2.6%。

表1 长江江苏段浮游植物MBFG功能群组成

(a) 2016年夏

(b) 2016年秋

(c) 2016年冬

(d) 2017年春

2.2 浮游植物功能群组成

由于未检测到Ⅱ类功能群，故将浮游植物按形态特征划入6个功能群，各功能群特征和藻种见表1。将浮游植物密度按功能群分组统计，绘制各点位密度堆积(图2)：夏季和秋季，Ⅲ类功能群占主导地位，Ⅶ类功能群仅夏季在常州点出现，Ⅵ类功能群秋季在江宁点占比远超Ⅲ类；冬季和春季，藻类密度总体较低，Ⅴ和Ⅵ类功能群密度占比显著增大，Ⅲ类功能群在各点的密度占比有所下降，Ⅰ类功能群密度增长不多但其占比有所增大。

2.3 P-IBI评价体系构建及评价结果

2.3.1参照点选择

使用Shannon-Wiener多样性指数(H′)作为参照点选择标准，H′≥2为清洁点位，H′<2为受污染点位，同时结合不同时期各采样点的实际情况，筛选出ZJ1、NT1、JY2、JN3、NT3、CZ4和NT4共7个采样点作为参照点，其余17个采样点为受损点。

2.3.2候选参数筛选

基于功能群概念选取候选参数，进行分布范围分析，排除在各采样点零值数量超过10%的参数。采用箱形图对通过上一步分析的参数进行判别能力分析，保留IQ值大于等于2的参数，得到15个区分能力较强的候选参数(图3)。

(e) Ⅴ类功能群密度百分比P5

(j) 蓝藻门生物量P10

(o) Shannon-Wiener指数P15

Pearson相关性检验发现：P2与P3、P15都高度相关，P3在水生态健康方面具有重要意义，且P15作为唯一入选的群落多样性参数需保留，故删去P2。浮游植物MBFG分类中Ⅲ类功能群已囊括主要的优势蓝藻，故保留P1、P4和P11，删去P7、P10和P13。Ⅵ类功能群已包含所有的硅藻，因此保留P6和P12，删去P8和P14。通过筛选，最终得到9个核心参数来构建基于浮游植物MBFG分类法的河流IBI：P1、P3、P4、P5、P6、P9、P11、P12和P15。

表2 参数数据分析

2.3.3参数量纲统一及P-IBI标准建立

对9个核心参数进行计算分析，P1、P3、P4、P11为对干扰响应上升的参数，P5、P6、P9、P12、P15为对干扰响应下降的参数，得到各参数赋分公式(表2)。累加各参数分值获得P-IBI总分，确定P-IBI分级评价标准，P-IBI不小于4.93为优，在2.47～4.93之间为良，小于2.47为差。

2.3.4P-IBI评价结果

根据P-IBI分级标准，对长江江苏段各样点P-IBI分值进行水生态健康评价(表3)。

空间上，长江江苏段的P-IBI整体上表现为“优”和“良”(图4)。从上游到下游，P-IBI值表现为“N”字形变化趋势，最小值出现在上游的江宁点和中游的常州点，最大值出现在下游的南通点。各点位优评级均达到50%，南通最多达到70%以上，仅江宁、常州和江阴存在差评级。

2.4 P-IBI与环境因子的关系

长江江苏段P-IBI与环境因子的相关分析表明，P-IBI与WT、CODMn显著负相关，与NH3-N正相关，与透明度、DO显著正相关(表4)。

表3 P-IBI评价结果

(a) P-IBI空间变化

(b) 水质等级组成占比

表4 P-IBI与环境因子Spearman相关性检验

3 讨 论

3.1 浮游植物功能群季节演替

长江江苏段浮游植物功能群存在一定的季节分布差异，整体变化趋势为Ⅲ(夏秋季)→Ⅴ+Ⅵ(冬季)→Ⅲ+Ⅴ+Ⅵ(春季)，指示长江江苏段夏秋季水温和有机污染物含量高，水体浑浊，冬春季水温低的特点。夏秋季Ⅲ类功能群占绝对优势，其对有机质、水温较为敏感。Ⅶ类功能群适宜生长在富营养水体中，其在CZ1优势明显，说明CZ1水体富营养化情况较为严重。在冬季，适宜生长于低温低营养盐的Ⅴ、Ⅵ类功能群占比上升，其大量繁殖指示水体温度偏低，Ⅲ类功能群生长受限而释放出一些生态位，因此种群繁殖速度极快的Ⅰ类功能群占比也出现一定上升。春季气温回升，Ⅲ类功能群生长受限减少，Ⅴ、Ⅵ类功能群占比出现一定程度的下降。长江江苏段浮游植物功能群季节演替规律在秋、冬、春季与前人[17,19]的研究具有一致性，但在夏天优势功能群的描述上存在差异，Ⅳ类功能群密度远大于本研究结果。对比后可以发现，Ⅳ类功能群喜欢高光环境，而长江江苏段较为浑浊的水体不适宜Ⅳ类功能群的生长，同时本研究区位于经济发达地区，沿岸工厂较多，水体中有机污染物、氮磷营养盐较多，在夏季高水温的条件下，Ⅲ类功能群更易大量繁殖。

3.2 P-IBI空间变化规律

长江江苏段P-IBI呈现“N”字形变化规律，其中镇江和南通断面得分高于其他断面，这与陈校辉[23]、吴聪等[24]的调查结果相一致。镇江段存在的多处原貌江滩与保护区，较好地保留了自然土质护坡[24]，自然状态下的栖息地有利于浮游植物各物种繁衍，故浮游植物种群结构较为完整。南通市近几年加大生态环境治理力度，搬迁整改大量沿江重污染企业，可能是其P-IBI较高的重要原因。而江宁、栖霞和江阴P-IBI较低，有研究表明南京和江阴的工厂、码头等生产岸线占比较高[25]，污染重、耗能高的企业依然较多，污染物进入长江后破坏浮游植物生物完整性，同时南京较多的硬质护坡严重影响自然的水土交互作用[25]，阻断了水与土壤之间的物质交换和能量流通，水生态系统由此受到影响。除此之外，船舶污染物排放也是影响浮游植物繁衍的重要因素，无锡(江阴)港发展江海河联运，形成了江苏省航运的核心区，南京作为省会城市航运发达、航道内船舶密度大[26]，航行船舶产生的漏油、废气、生活污水等严重破坏了长江水生态环境。

3.3 环境因子对P-IBI的影响

水温对浮游植物的生长繁殖有重要的影响。一方面水温与藻类密度呈显著正相关，水温的升高会使浮游植物密度增加[27]，另一方面不同功能群藻类适宜生长的水温不同，Ⅲ类功能群喜生于30 ℃的水体中，而Ⅴ和Ⅵ类功能群喜生于10～20 ℃的水体中[28]。水温与Ⅴ类功能群密度百分比呈显著负相关，冬季偏低的水温限制了Ⅲ类功能群的大量繁殖，藻类密度下降，但一些竞争能力较弱的物种生态位却得到释放，Ⅴ类功能群密度和种类数增加。张敏[29]认为高水温、强光照的条件下，呼吸作用会强于光合作用，长江江苏段夏季Ⅲ类功能群为优势种，其生长繁殖大量消耗了DO，同时Ⅲ类功能群沉降损失小的特点使其覆盖在水体表面，又限制了沉降速率较大的Ⅴ和Ⅵ类功能群光合作用，阻碍浮游植物群落结构复杂化。

P-IBI与透明度呈显著正相关，这是因为在低光照的条件下，Ⅲ类功能群相较于其他藻类更具有竞争优势[17]，其过度繁殖会破坏藻类种群结构多样性，因此透明度下降会导致P-IBI降低。P-IBI与pH值的相关性极弱，研究表明pH值在6.0～9.0时适宜藻类生长[30]，监测期间长江水体pH值保持在 7.0～9.0之间，适宜藻类生长，对群落结构影响较小。

氮磷营养元素是浮游植物生长的物质基础[31]，本研究中P-IBI与NH3-N正相关，说明一定范围内的NH3-N浓度上升可促使浮游植物群落结构复杂化。有研究证明NH3-N在不超过一定阈值的情况下，会使浮游植物种类增加[32]。P-IBI与TP的相关性较弱，一定TP浓度下的藻类生长较为稳定[32]，对浮游植物种群结构影响较小。CODMn与BOD5均与Ⅲ类功能群有较好的相关性，CODMn与BOD5代表水体中有机污染物的浓度，水中有机污染物增加，Ⅲ类功能群密度随之增加，其更替过程中产生的浮游植物尸体又增加了水体中的有机污染物浓度[33]，Ⅴ和Ⅵ类功能群生态位进一步被压缩，导致P-IBI得分降低。

长江江苏段水体较为混浊，有机污染物浓度较高，适宜Ⅲ类功能群生长繁衍，温度升高后Ⅲ类功能群会占绝对优势。P-IBI得分与Ⅲ类功能群演替有较高的相关性，Ⅲ类功能群一般生于低透明的稳定水体，同时与水体中有机物污染物浓度相关性较高，水温升高、有机污染物增加都会使Ⅲ类功能群大量繁殖，挤占Ⅴ、Ⅵ类功能群的生态位，使浮游植物结构单一化，破坏水生态健康。P-IBI从生物学角度解释了水体环境变化规律，发现Ⅲ类功能群与水质恶化存在较高的相关性，因此监控Ⅲ类功能群生长对长江江苏段水生态系统具有重要意义。

4 结 论

a. 长江江苏段P-IBI评价结果整体上以“优”、“良”为主，空间上呈“N”字形沿程变化，镇江与南通断面浮游植物生物完整性较好，而江宁、栖霞和江阴评价得分相对较低。

b. P-IBI与水温、CODMn显著负相关，与DO显著正相关，表明水温越高、水体受到有机污染程度越重，对长江江苏段浮游植物生物完整性的不利影响越大；P-IBI与NH3-N正相关，这与一定的NH3-N浓度上升会促进浮游植物群落结构复杂化有关；Ⅲ类功能群的生长繁殖对P-IBI有重要影响，其大量繁殖会挤占Ⅴ类和Ⅵ类功能群生态位，造成水生态系统状况恶化。