利用浮游植物生物完整性对河流健康进行评价

李博韬 刘凌 朱燕 陈翔

摘 要：2017年3—12月对江阴市4条河流的13个采样点进行调查研究，基于浮游植物生物完整性指数（P-IBI）评价了河流健康状况，并分析了P-IBI与环境因子的相关性。通过分析人为干扰程度划分出参照点与受损点，对18个候选参数进行指标筛选和Pearson相关性分析，最终选取硅藻门分类单元数、绿藻门百分比、席藻百分比、香农多样性指数和浮游植物生物量5个参数，采用比值法计算得到各参数分值，各个参数分值相加得到江阴市4条河流的浮游植物生物完整性指数分值P。结果表明：调查河流浮游植物优势种为颤藻、鱼腥藻、裸藻等，水体富营养化严重，整体水质较差;P与河流流速、透明度、矿化度和电导率相关性较高，人类活动引起的水土流失是浮游植物种群结构的主要影响因素;4条河流P与水质数据基本吻合，水质状况越好，P越高，表明采用浮游植物生物完整性指数对河流健康状况进行评价是可行的。

关键词：浮游植物;群落结构;生物完整性指数;河流健康;江阴市

中图分类号：X824文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.06.015

Assessment of River Health by Using Phytoplanktonic Index of Biotic Integrity

LI Botao， LIU Ling， ZHU Yan， CHEN Xiang

（College of Hydrology and Water Resources， Hohai University， Nanjing 210098， China）

Abstract： From March to December 2017， thirteensampling sites at four rivers in Jiangyin were investigated to construct phytoplanktonic index of biotic integrity （P-IBI）， evaluate river health and analyze the correlation between P-IBI and environmental factors. Through the analysis of the degree of human disturbance， the reference sites and damaged sites were divided. The discriminating power analysis and Pearson correlation analysis were conducted on 18 candidate parameters. Finally， five parameters were selected， namely， the percentage of Bacillariophyta， the percentage of Chlorophyta， the percentage of Phormidium， the Shannon-Wiener index and the biomass of phytoplankton. Ratio method was used to get the score of each parameter and the total score of P was obtained after accumulating. The results show that the investigated dominant species of phytoplankton in the river are Oscillatoria， Anabaena and Euglena， eutrophication of water body is severe and water quality is generally poor. P has a high correlation with the river flow velocity， transparency， salinity and conductivity and soil erosion caused by human activities is the main influencing factor of the structure of phytoplankton population structure. P of four rivers is generally consistent with the water quality data. The better the water quality， the higher the P-IBI score. It is feasible to use P-IBI to evaluate river health.

Key words： phytoplankton;community structure;phytoplanktonic index of biotic integrity;river health; Jiangyin City

近年來，随着城市规模不断扩大，城市污水和工业废水不断排入河道，使得城市河道黑臭水体频发，严重影响人类健康。2015年后，随着国家大力治理城市黑臭水体，部分河道水质状况明显改善。关于治理后河流健康状况评价，除了选取水体化学指标[1]，参照《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）进行评价外，还可以通过水体浮游植物的生物完整性进行评定。

生物完整性指数（Index of Biotic Integrity，IBI）是Karr于1981年提出的[2]，之后Faustini等[3]和Brian等[4]分别开展了可涉河流与不可涉河流的生物完整性评价研究，并证明了生物完整性评价方法的科学性。章宗涉等[5]1983年首次采用基于浮游植物的河流健康评价方法对图们江的水污染状况进行了评价。随后学者研究发现，基于浮游植物生物完整性的河流健康评价是一种便捷、灵敏和准确的河流评价方法。殷旭旺等[6-7]研究发现，浮游植物生物完整性指数P-IBI使用“属”一级分类下的藻类信息时依然能够准确评价河流的健康状况;蔡琨等[8]计算了冬季太湖P-IBI指数，并将P-IBI评价结果与太湖水质状况相比较发现，P-IBI评价结果与太湖水质较差的状况相一致。

目前，国内学者大都仅使用P-IBI进行河流健康状况评价，对P-IBI评价结果与环境因子之间的相关关系研究较少。笔者选取江阴市4条河流，调查浮游植物群落结构特征，建立浮游植物生物完整性指数对河流健康状况进行评价，分析P-IBI与环境因子的相关性，以期为后续生物完整性研究提供思路。

1 研究方法

1.1 研究区域及样品采集

江阴市地处中国东南部，北枕长江，南邻太湖，西靠常州市，东接张家港，交通便利，作为典型的鱼米之乡，市内河流众多，河网密布。研究选取江阴市西横河、新夏港河、黄山港河和富贝河4条河流，基于浮游植物生物完整性指数P-IBI，对河流健康状况进行评价。2017年3月、7月、9月和12月对4条河流进行采样调查，根据河流长度与实际情况共设置了13个采样点（见图1），并现场对岸坡植被完整性、岸线利用、岸线与河流整洁情况进行勘察，作为判断人为干扰情况的依据。浮游植物定性采集使用25号浮游生物网，采得样品使用4%甲醛溶液固定，进行实验室显微镜鉴定时确定到种。定量采集使用5 L采水器采集上中下层水样，混合后取1 L，加入20 mL鲁哥试剂，静置48 h后，抽去上清液浓缩至30 mL，镜检备用。

电导率（SPCond）、pH值、矿化度（TDS）和溶解氧含量（DO）采用多参数水质监测仪（YSI 6600V2，美国产）现场测定，流速采用便携式智能流速仪（LGY-Ⅱ型，南京水利科学研究院研制）现场测定，透明度采用赛氏盘现场测定。使用采水器在水深0.5 m处取1 L水样，低温保存带回实验室，在48 h内测定总磷（TP）、氨氮（NH3-N）和高锰酸盐指数（CODMn）等水质指标，具体测定方法参照《水和废水监测分析方法》。

1.2 浮游植物样品鉴定

进行浮游植物种类镜检计数前将样品充分摇匀，用移液枪吸取0.1 mL于浮游植物计数框中计算细胞数，计数在10×40倍视野下进行，并确定到种。每个样本重复计数2次，如两次误差小于10%则视为有效，若大于10%则进行第3次计数，取平均值。

1.3 河流健康评价方法

（1）由于江阴市人口众多，经济发达，工厂企业鳞次栉比，找到完全无人为活动影响的清洁水体作为参照点已无可能，因此根据现场岸坡植被完整性、岸线利用、岸线与河流整洁情况选取参照点，该点应满足以下条件：植被覆盖率在50%以上且植被层次性较好;岸线无过度开发现象，无砂场、码头等，岸坡无乱垦乱种情况;岸坡上无垃圾堆放;水面无垃圾漂浮，水体较为清澈;香农多样性指数（Shannon-Wiener）大于2。

（2）从实际藻类种数出发，结合国内外研究实例[7，9-12]，选取了对环境变化较为敏感的5个类别18个候选参数（见表1）进行河流健康状况评价。

（舟形藻属细胞数+双菱藻属细胞数+双壁藻属细胞数+菱形藻属细胞数）/浮游植物总细胞数 注：Pi为群落中第i个物种个体数占总个体数的百分比;S为样品中物种个数;N为所有物种个数

（3）利用参照点与受损点的箱型图IQ（25%～75%分位数的箱体重叠情况）进行指标筛选：箱体没有重叠，IQ=3;两箱体有重叠，但两中位线不在对方箱体内，IQ=2;任意一方中位线在对方箱体内，IQ<2。选择IQ≥2的参数进行Person相关性分析，对于相关系数大于0.75的两个参数，独立性较低，两者包含的生态信息相似程度高，删去其中一个。

（4）研究采用比值法对参数进行标准化赋分，对于随人为干扰增加而升高的参数，赋分计算公式：

赋分=（最大值-参数值）÷（最大值-最佳值）

式中：最大值为该参数的最大值;参数值为欲进行赋分的某一参数;最佳值为该参数5%分位值。

对于随人为干扰增加而降低的参数，赋分计算公式：

赋分=（参数值-最小值）÷（最佳值-最小值）

式中：最小值为该参数的最小值;参数值为欲进行赋分的某一参数;最佳值为该参数95%分位值。

各个参数赋分相加得到江阴市4条河流各采样点的P-IBI指数总分值P。

2 结果与讨论

2.1 物种组成

4次采样，在4条河流中共检测到浮游植物5门42属87种，细胞数为156.8万个/L，生物量为1.31 mg/L。检测到细胞数量最多的是蓝藻门，为75.69万个/L，其次是绿藻门，为43.35万个/L，其余硅藻门、隐藻门、裸藻门细胞数量分别为28.37万个/L、5.79万个/L、3.42万个/L。4次采集所得样品中均未检测到金藻门、甲藻门和黄藻门。

4条河流中共检测到浮游植物87种，低于长江流域上中游段[13-14]的160～220种，且这87种藻类以耐污种为主，说明4条河流的水环境质量较差。对每条河流进行分析发现，西横河优势种为鱼腥藻、陀螺藻和囊裸藻，这些藻类多见于富营养化的淡水中，表明西横河水体富营养化严重。现场勘查发现，西橫河流经居民住宅区，生活污水的排放可能是造成其水体富营养化的主要原因。黄山港河优势种为水华束丝藻和颤藻，均属蓝藻门，黄山港河水体发生蓝藻水华风险较大。新夏港河优势种为裸藻、扁裸藻和颤藻，裸藻和扁裸藻为优势种表明水体有机物含量较高，而采样点XXG2卵囊藻为优势种，卵囊藻喜生于较清洁的水体，表明XXG2采样点水质略好于其他采样点的。富贝河优势种为鼓藻和颤藻，鼓藻一般生于中营养水体中，说明富贝河为中营养水体。通过分析4条河流的藻类组成发现，4条河流水体为中度或重度富营养化水体。

2.2 生物完整性指标

采样点XXG2植被覆盖度为60%，草本植物包括野蒿、茅草等，乔木以香樟、柳树、杨树、构树为主，植被层次性较好，岸线主要为植被缓冲段，无砂场、码头及农田占用岸线，岸坡无垃圾堆放，水体较为清洁，香农多样性指数平均值为2.49。富贝河3个采样点植被覆盖度均大于80%，草本植物包括野蒿、狗尾草，灌木包括夹竹桃、龙爪槐，乔木以构树、柳树、杨树为主，植被层次性好，岸线无过度开发现象，无砂场、码头等，岸坡无乱垦乱种现象，岸坡上无垃圾堆放，水体较为清洁，香农多样性指数平均值分别为2.42、2.83和2.56。因此将位于新夏港河上的采样点XXG2及位于富贝河上的3个采样点FB1、FB2、FB3作为参照点，其余点为受损点。

使用箱型图判断各参数参照点与受损点的IQ（见图2），依据指标筛选标准，挑选IQ≥2的参数，即M1、M2、M4、M6、M11、M12、M13、M14、M16、M17进行Pearson相关性分析。分析参数的Pearson相关性，结果见表2，保留相关系数绝对值小于0.75的参数。

由表2可以看出，M2、M6和M11与其他参数的相关性均较小，因此保留;M12与M13、M14的相关性较大，其中香农多样性指数M12作为选取参照点的重要标准，更能反映人为活动对浮游植物的影响，因此删去M13、M14，保留M12;M16和M17具有较大相关性，由于M17受损点与参照点箱型图IQ区分更加明显，因此删去M16，保留M17。删去相关性较大参数后，选用硅藻门分类单元数M2、绿藻百分比M6、席藻百分比M11、香农多样性指数M12和浮游植物生物量M17進行标准化赋分。

2.3 河流健康评价结果

M2、M6、M12和M17均是随人为干扰增加而降低的参数，因此选择95%分位值为最佳值;M11为随人为干扰增加而升高的参数，因此选择5%分位值为最佳值，见表3。

根据标准化赋分方法计算各参数赋分，各参数赋分相加后得到每条河流各个采样点的P-IBI的总分P。将每条河流各个采样点P的平均值作为河流的生物完整性指数值P，P大于75%分位数时河流健康状况为优等级，P为50%～75%分位数时河流健康状况为良等级，P为25%～50%分位数时河流健康状况为中等级，P为25%分位数以下时河流健康状况为差等级，结果见表4。

2.4 生物完整性指数与环境因子

将4条河流各月的P值与流速、透明度、pH值、矿化度、电导率（SPCond）、溶解氧（DO）、氨氮（NH3-N）、高锰酸盐指数（CODMn）和总磷（TP）进行Pearson相关性分析，结果表5。

P与流速、透明度、pH值和DO成正相关关系，与矿化度、电导率、氨氮、高锰酸盐指数和总磷成负相关关系。P与流速和溶解氧（DO）正相关，一定的流速增大，有利于硅藻繁殖[15]，同时也会增加水中溶解氧的含量，促进浮游植物结构复杂化，P得分随之较高。P与透明度显著正相关，原因是，在低光照条件下，蓝藻相较于其他藻类更具竞争优势[16]，蓝藻的过度繁殖会破坏藻类种群结构的多样性，导致P降低。P与pH值的相关性较弱，说明调查河流的酸碱度适宜藻类繁殖，对浮游植物群落结构的影响较小。P与矿化度和电导率负相关，矿化度可以反映水体无机矿物的含量，电导率可以反映水体中无机酸、碱、盐的含量[17]，两者会影响水体的透光率，也在一定程度上反映了河流两岸的利用情况，两岸城镇化建设会在一定程度上增加河流中离子与悬浮物含量，通过改变河流的透光率影响浮游植物繁殖。透明度与矿化度和电导率负相关，说明两岸生产生活造成了一定的水土流失，水体中无机盐和悬浮物增加，透明度降低。P与氨氮、CODMn和总磷负相关，说明氨氮与总磷增加可以在一定程度上促进浮游植物优势种的繁殖，使浮游植物种群结构中优势种密度增大，P随之降低。

与P和氮磷营养盐的相关关系相比，P和矿化度、透明度的相关性更大。殷旭旺等[13]研究表明，与理化因素相比，浮游植物栖息地的变化对藻类群落结构的影响更大。研究区位于工业发达、人口众多的东部地区，水土流失引起悬浮物增多，透光率下降等，浮游植物的栖息地遭到破坏，对浮游植物繁衍影响极大，因此相较于氮磷等营养盐而言，两岸人类活动造成的水土流失是影响浮游植物物种多样性的主要因素。

2.5 生物完整性指数与河流水质状况

将每条河流各采样点P的平均值作为河流的P，并与采样点水质对比，见表6。由表6可知，4条河流的P与水质状况基本一致，仅西横河与黄山港河的P在9月出现了偏差。西横河9月水质状况较差，P得分却较高，原因可能是，采样期间流速较大，为0.324 m/s（3月、7月、12月流速分别为0.066、0.059、0.123 m/s），抑制了优势藻的繁殖，同时较高的水温和氮磷营养成分，使得某些竞争力较弱的藻类也得以生长，在水流、温度与营养盐的作用下，种间竞争关系被一定程度上削弱，促使浮游藻群落结构变得相对合理。黄山港河9月水质状况较好，而P较低，原因可能是，其穿越闹市区，河流两侧人为干扰因素较多，且该河流在经过市中心某繁华路段时，由明渠转为地下涵洞过流，因此影响了藻类的繁殖。同时与其他月份P对比发现，水质变化后P的变化不大，因此推断人类活动破坏了黄山港河浮游植物的栖息地，制约了浮游植物的繁殖。浮游植物生境变化直接影响浮游植物生物完整性的评价结果，说明了浮游植物栖息地对浮游植物种群的重要性，浮游植物生物完整性评价结果可以反映水体健康状况。

3 结 论

（1）江阴市西横河、新夏港河、黄山港河和富贝河4条河流共检测到5门42属87种浮游植物，浮游植物优势种为颤藻、鱼腥藻、裸藻，说明4条河流富营养化程度较高，整体水质较差。

（2）P与流速、透明度、pH值和DO正相关，与矿化度、电导率、氨氮、高锰酸盐指数和总磷负相关。P与矿化度、透明度的相关度较高，人类活动造成的水土流失是影响浮游植物物种多样性的主要因素。

（3）基于浮游植物生物完整性指数评价的河流健康情况与河流的水质状况基本一致，水质越好，P得分越高，表明采用浮游植物生物完整性指数对河流健康状况进行评价是可行的。

参考文献：

[1] 廖岳华，樊娟，陈世雄，等.我国地表水环境质量评价存在的问题与建议[J].安全与环境工程，2010，17（3）：55-58.

[2] KARR J R. Assessment of Biotic Integrity Using Fish Communities[J]. Fisheries， 1981， 6（6）： 21-27.