淀山湖浮游植物生物完整性指数的构建及水生态健康评价

王霞 郭凯娟 李晓旭 庞婉婷 尤庆敏 王全喜

摘  要： 于2019年1月、4月、7月和10月在淀山湖共开展了4次水质及浮游植物调查，构建了淀山湖浮游植物生物完整性指数，来评价淀山湖水生态健康状况. 采用综合营养状态指数（TSI）值法的划分标准来确定参考点与受损点，将19个应用广泛且入选率较高的指标作为侯选生物指标，并对候选指标进行分布范围检验、判别能力分析、指数间的相关性分析，最终获得组成淀山湖浮游植物生物完整性指数（P-IBI）的5個参数：硅藻物种数、浮游植物丰富度指数、绿藻密度百分比、隐藻密度百分比和浮游植物总生物量. 应用P-IBI对淀山湖水生态健康状况进行评价：从整体来看淀山湖处于亚健康状态，其中处于健康、亚健康和良状态的点位分别为1，8和3个;春季和冬季处于亚健康状态，夏季和秋季处于良状态. P-IBI与水体透明度（SD）呈极显著正相关，与叶绿素a（Chl a）和总磷（TP）呈极显著或显著负相关.

关键词： 浮游植物; 浮游植物生物完整性指数（P-IBI）; 淀山湖; 水生态健康

中图分类号：  Q 948.8     文献标志码： A    文章编号： 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

生物完整性指数（IBI）评价法最早由KARR等[1]在1981年对鱼类研究时所建立，经过修正和完善，扩展到大型底栖无脊椎动物[2-4]、藻类[5]等.IBI中每种生物指标都对一类或多类干扰反应敏感，可用于描述生物特性和人类干扰之间的相互关系，从而间接反映水域生态系统健康受到影响的程度.IBI目前已在世界各地得到应用，并被证实适用于多种类型的水体评价.IBI由多种生物指数组成，通过比较参照点和受损点的指数值得出该水生态系统的健康状况.

浮游植物是湖泊生态系统的初级生产者，能够在短时间内对环境变化做出响应，更容易受到环境综合变化的影响[6].应用浮游植物生物完整性指数（P-IBI）评价水生态健康状况的研究已有相关报道.顾毓蓉等[7]基于P-IBI因子分析法评价了生态修复后松雅湖水的生态健康状况，发现其与水质评价结果在时间与空间上总体相似，具有一定的应用价值.ZHANG等[8]分别建立了浮游植物和浮游动物的候选指标来评估梯级水库地区的河流生态健康，结果表明，IBI可以较好地反映大坝对河流水生态健康的影响.蔡琨等[9]基于P-IBI对太湖生态系统进行了评价，并对其与理化因子的相关性进行了分析.国内应用P-IBI对湖泊水体特别是富营养化水体的研究较少.

淀山湖位于黄浦江的上游，西纳太湖来水，东南泄于黄浦江，是上海市最大的天然淡水湖泊，也是非常重要的水源保护地.为了掌握淀山湖当前水生态健康状况，本研究以浮游植物为研究对象，构建淀山湖P-IBI评价体系和标准，评估淀山湖水生态健康状况，以期为淀山湖水生态健康评价、管理、富营养化治理和生态修复评估提供参考.

1  研究区域与方法

1.1 研究区域及样点布设

淀山湖由江水冲击和古泻湖淤积而成，是上海市最大的天然淡水湖泊和非常重要的生态保护区和水源保护地.位于31°04'—21°12' N，120°53'—120°01' E，水域面积62.5 km2，平均水深2.1 m，是典型的浅水湖泊[10-11].淀山湖于1985年首次暴发历时长达15 d之久的大面积的“水华”，此后每年均有不同程度的“水华”出现，经历一系列的治理措施后，水质污染综合指数逐年下降，2016年后由中度污染状态进入轻度污染状态[12].

本研究于2019年1月、4月、7月和10月共开展4次水质及浮游植物调查.根据淀山湖的地形特征，考虑到采样的全面性、均匀性及样点的代表性共布设12个采样点（图1）.

1.2 样品的采集与处理

采用赛氏透明度盘（北京普雷德仪器设备有限公司）测定水体透明度;YSI多参数测量仪（美国YSI公司）测定水温、溶解氧等指标;室内测定的理化指标中总氮（TN）、总磷（TP）和化学需氧量（COD）的测定采用DR/2800型便携式分光光度计（美国哈希公司）;叶绿素a（Chl a）浓度采用丙酮吸收分光光度法进行测定.浮游植物的定性和定量样品的采集及计数均参考《淡水浮游生物研究方法》等相关文献[13-14].利用经典文献[15]对浮游植物进行鉴定.

1.3 数据统计与分析

本研究中多样性指数、相关性分析、综合营养状态指数（TSI）等统计分析数据和图表在Excel 2016和SPSS 25.0中完成.部分指数计算公式如下：

2  结果与分析

2.1 淀山湖浮游植物群落结构现状

本研究共鉴定出浮游藻类7门60属99种，其中绿藻门种类最多，含25属49种，占总种数的49.49%;硅藻门13属19种，占19.19%;蓝藻门9属13种，占13.13%;裸藻门5属8种，占8.08%;金藻门3属3种，占3.03%;隐藻门2属4种，占4.04%;甲藻门3属3种，占3.45%.每个样点浮游植物平均有16种，平均Shannon-Wiener指数、Pielou均匀度指数和Margalef丰富度指数的值分别为1.70，0.57和2.42.浮游植物的丰度平均水平表现为：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 参照点与受损点的确定

参考点与受损点的确定是开展生物完整性评价的基础，其结果将直接影响到IBI的评价结果[16].TSI综合营养状态指数是判断水质的常用指标.本研究根据TSI综合营养状态指数的划分标准[16]来确定参照点和受损点.计算各季节各参考点与受损点的TSI综合营养状态指数的数值，并对其进行排序，选取数值小于56的作为参照点，其余为受损点.淀山湖中共选出7个参照点，41个受损点.

2.2.2 候选指标的确定与筛选

可用于建立P-IBI指标体系的生物指标较多，本研究结合相关文献[16-19]，选取19个应用广泛且入选率较高的指标作为侯选生物指标（表1）.

2.2.3 分布范围与判别能力分析

利用7个参照点的数据计算19个候选生物指标的值，并对它们进行初步分析.其中，M1，M4，M10，M11，M12，M15和M18值的可变动范围相对较窄，不适宜于P-IBI指标体系的构建.比较参照点和受损点的25%分位数至75%分位数范围，即箱体IQ值的重叠情况，并分别赋予不同的值.无重叠，IQ值為3;部分重叠，但各自中位数值都在对方箱体范围之外，IQ值为2;只有一个中位数值在对方箱体范围之内，IQ值为1;各自中位数值都在对方箱体范围之内，IQ值为0.根据IQ值的筛选原则，用箱线图法对12个候选指标进行筛选.由图2可知：M2，M3，M6，M9，M13，M17，M19共7个生物指数的IQ值大于2，可以保留以作下一步分析.

图2 候选生物指标在参照点和受损点的箱线图.（a） 浮游植物物种总数;（b） 非硅藻物种总数;（c） 绿藻物种数;（d） 硅藻物种数;（e） 浮游植物香浓多样性指数;（f） 浮游植物均匀度指数;（g） 浮游植物丰富度指数;（h） 绿藻密度百分比;（i） 硅藻密度百分比;（j） 绿藻+硅藻密度百分比;（k） 隐藻密度百分比;（l） 浮游植物总生物量

2.2.4 指标间相关性分析

对余下的7个生物指标进行Pearson相关分析（表2），来检验各指标所反映信息的独立性.两个指数间的相关系数|r|大于0.750表示两个指数间高度相关，对高度相关的指标，取其中一个即可[2].由表2可知：M2分别与M3，M6和M9极显著高度相关，因此删除M2，保留M3，M6和M9.M3与M9极显著高度相关，M9在水体评价中更常用，因此删除M3，保留M9.

通过对所有候选指标进行筛选，最终确定P-IBI指标体系由M6（硅藻物种数）、M9（浮游植物丰富度指数）、M13（绿藻密度百分比）、M17（隐藻密度百分比）和M19（浮游植物总生物量）共5个指标构成.

2.2.5 分值计算与P-IBI指标体系评价标准

分别应用三分法、四分法和比值法计算参照点和受损点的分值，并对3种记分法进行判别能力分析（图3）.三分法、四分法和比值法的IQ值均为3，均有较高的判别能力，根据相关性分析结果（图4），选择相关线性系数较高（R2=0.921）的四分法和比值法.

根据参照点和所有样点的P-IBI的数据，以参照点P-IBI值分布的25%分位数和所有样点P-IBI值分布的95%分位数作为湖泊健康评价标准（表3），采用上述标准对各样点进行健康评价，由表4可知：四分法的稳定性优于比值法.因此采用四分法建立淀山湖水生态健康评价标准（表5）.

2.3 淀山湖P-IBI指数健康评价结果

根据表5的评价标准，对淀山湖水体健康状况进行初步评价，结果如表6～7所示.从湖泊整体来看，淀山湖总体P-IBI值为16.0，处于亚健康的状态，其中处于健康状态的点位有1个，处于亚健康状态的点位有8个，处于良状态的有3个，分布如图5所示.3号点（金家庄）生态健康状况最佳，这与阮仁良等[20]探究淀山湖水质变化中，金家庄附近为全湖水质最好区域之一的结果一致.按季节来看，淀山湖春季和冬季处于亚健康状态，夏季和秋季处于良的状态.

2.4 P-IBI指数与理化参数相关性分析

2.4.1 淀山湖主要水质参数分析

淀山湖2019年各采样点主要水质参数均值如表8所示，根据《地表水环境质量标准GB 3838—2002》[21]对pH值、溶解氧（DO）、Chl a、氨氮（NH3-N）、TN、TP及COD进行分析，淀山湖pH值变化范围为7.950～8.283;DO均大于7.5 mg?L-1，属于Ⅰ类水，NH3-N除1号点外均小于0.5 mg?L-1，属于Ⅰ～Ⅱ类水.8号、12号点的TN分别为1.900 mg?L-1和1.825 mg?L-1，达到Ⅴ类水标准，其余点位均为劣Ⅴ水;所有点位TP均大于0.2 mg?L-1，属于均为劣Ⅴ水;6号、11号点的COD分别为17.075 mg?L-1和16.200 mg?L-1，达到Ⅲ类水标准，其余点位均为Ⅰ类水.

P-IBI与SD呈极显著正相关，低光照条件下蓝藻与其他藻类相比具有竞争优势，当藍藻过度繁殖时，会破坏浮游植物群落结构的多样性，导致P-IBI降低[22-23].水体中的Chl a含量是水质的重要指标，在富营养化评价中起重要作用[24].Chl a含量与P-IBI呈极显著负相关，也与浮游植物总生物量呈极显著负相关，不同门类的浮游植物对Chl a含量的影响各不相同，硅藻门和绿藻门的影响略高于蓝藻门和隐藻门[25].因此Chl a含量是浮游植物群落结构改变的驱动因子.TP含量与P-IBI呈显著负相关，同时也与绿藻密度百分比和隐藻密度百分比呈显著或者极显著负相关，而绿藻密度百分比和隐藻密度百分比与干扰呈负相关，因此TP含量是浮游植物群落结构变差的驱动因子.

3  讨 论

3.1 P-IBI与其他评价方法的比较

由2.4节可知，以单个环境因子来评价淀山湖的水质情况差别较大，因此单因子评价方法不能很好地反映淀山湖水质现状.淀山湖的Shannon-Wiener指数、Pielou均匀度指数和Margalef丰富度指数的平均值分别为1.70，0.57和2.42，淀山湖处于轻污染～中污染的状态.从季节上来看，春秋冬3个季节处于轻污染～中污染的状态，夏季处于重污染～中污染的状态.以多样性指数评价淀山湖水体，结果存在差异，同一个点位均出现2个不同的水质状况，区分度较差，多样性指数评价法不能很好地评价淀山湖水环境状况.

P-IBI综合了多个生物参数，包括浮游植物种类数、生物量和多样性指数等，可以综合反映生态系统的功能和群落结构状况，从而评价湖泊的生态健康状况.应用P-IBI评价淀山湖水生态健康状况，从评价结果来看，淀山湖各个点位的健康状况有明显区分度，可以较好地评价淀山湖水生态健康状况.

3.2 P-IBI在淀山湖的应用

应用P-IBI进行生物完整性评价的基础是参照点和受损点的确定，其结果将直接影响到构成P-IBI所包括的指标以及评价的结果，原则上，参照点应为未受人类活动干扰或干扰极小的样点，但由于自然地理状况以及人类干扰活动和污染特点的差别，在实际操作中尚无统一标准[2].王备新[2]根据森林覆盖率、有无点源污染、村庄、农田来划分参考点和受损点.ZHANG等[8]以水质、土地利用和土地覆盖来划分参考点和受损点.熊梅君等[6] 和马芊芊[17]根据Shannon多样性指数来划分参考点和受损点.赵文博[18]利用水质和生境数据来划分参考点和受损点.本研究结合水质理化指标来划分参考点和受损点，淀山湖TN，TP等含量较高，尤其是TP含量，达到地表水环境标准的劣Ⅴ水，单因子评价法不能评判各点位水质受污染的相对严重程度，因此选择TSI综合营养状态指数来确定各点位水质受损情况，从而确定参照点和受损点.

指标的选取是构建多参数评价体系的关键，本研究选取广泛应用的生物指标.目前何种指标可以完整反映何种单一或者复合的人类活动胁迫仍然没有定论，对不同指标反映胁迫能力大小的研究也进展缓慢[9].水生态健康状态受到多种因素的影响，如浮游植物的种类组成、群落结构和空间分布、环境因子等，通过不同变量来共同决定，因此在今后的研究中需要根据水体特征的不同，不断完善指标的选取，优化P-IBI评价体系.

应用P-IBI评价淀山湖生态健康状况，补充了淀山湖水质评价方面的资料，为淀山湖生态健康评价、管理、富营养化治理和生态修复评估提供参考.虽然P-IBI是目前水生态系统健康评价中应用最为广泛的指标之一[26]，其准确性和适用性还需要进一步探究.

4  结 论

（1） 本研究采用TSI综合营养状态指数值法的划分标准来确定参考点与受损点，通过对候选指标进行分布范围检验、判别能力分析、指数间的相关性分析，得到淀山湖P-IBI由硅藻物种数、浮游植物丰富度指数等5个参数组成.评价淀山湖水生态健康状况的5级标准是：大于19.2为健康;14.4～19.2为亚健康;9.6～14.4为良;4.8～9.6为较差;小于4.8为极差.

（2） 应用P-IBI评价淀山湖水生态健康的结果表明：从整体来看淀山湖处于亚健康状态，其中处于健康、亚健康和良状态的点位分别为1，8和3个.春季和冬季处于亚健康状态，夏季和秋季处于良的状态.P-IBI与水体透明度呈极显著正相关，与叶绿素a和总磷呈极显著或显著负相关.虽然应用P-IBI可以较好地评价淀山湖水生态健康状况，但水生态健康状态是受到多种因素影响，通过不同变量来共同决定的.因此在今后的研究中需要根据水体特征的不同，不断完善指标的选取，优化P-IBI评价体系.

参考文献：

[1] KARR J M.Assessment of biotic integrity using fish communities [J].Fisheries，1981，6（6）：21-27.

[2] 王备新.大型底栖无脊椎动物水质生物评价研究 [D].南京：南京农业大学，2003：74-100.

WANG B X.Water quality bioassessment using benthic macroinvertebrates [D].Nanjing：Nanjing Agricultural University，2003：74-100.

[3] KERANS B L，KARR J M.A benthic index of biotic integrity （B-IBI） for rivers of the Tennessee Valley [J].Ecological Applications，1994，4（4）：768-785.

[4] GRIFFITH M B，BILL B H，MCCORMICK F H，et al.Comparative application of indices of biotic integrity based on periphyton，macroinvertebrates，and fish to southern Rocky Mountain streams [J].Ecological Indicators，2004，5（2）：117-136.

[5] HILL B H，HERLIHY A T，KAUFMANN P R，et al.Use of periphyton assemblage data as an index of biotic integrity [J].Freshwater Science，2000，19（1）：50-67.

[6] 熊梅君，李秋华，陈倩，等.基于GIS应用P-IBI评价贵州高原百花水库水生态系统健康 [J].生态学杂志，2019，38（10）：3093-3101.

XIONG M J，LI Q H，CHEN Q，et al.Evaluation of water ecosystem health of Baihua Reservoir in Guizhou based on GIS and P-IBI [J].Chinese Journal of Ecology，2019，38（10）：3093-3101.

[7] 顧毓蓉，薛庆举，万翔，等.基于P-IBI因子分析法评价生态修复后松雅湖水生态状况 [J].应用与环境生物学报，2020，26（4）：1-13.

GU Y R，XUE Q J，WAN X，et al.Aquatic ecosystem states evaluation based on P-IBI factor analysis in Songya Lake after ecological restoration [J].Chinese Journal of Applied and Environmental Biology，2020，26（4）：1-13.

[8] ZHANG Y Y，BAN X，LI E H，et al.Evaluating ecological health in the middle-lower reaches of the Hanjiang River with cascade reservoirs using the Planktonic index of biotic integrity （P-IBI） [J].Ecological Indicators，2020，114：106282.

[9] 蔡琨，秦春燕，李继影，等.基于浮游植物生物完整性指数的湖泊生态系统评价：以2012年冬季太湖为例 [J].生态学报，2016，36（5）：1431-1441.

CAI K，QIN C Y，LI J Y，et al.Preliminary study on phytoplanktonic index of biotic integrity （P-IBI） assessment for lake ecosystem health：a case of Taihu Lake in Winter，2012 [J].Acta Ecologica Sinica，2016，36（5）：1431-1441.

[10] 王丽卿，施荣，季高华，等.淀山湖浮游植物群落特征及其演替规律 [J].生物多样性，2011，19（1）：48-56.

WANG L Q，SHI R，JI G H，et al.Phytoplankton community structure and its succession in Dianshan Lake [J].Biodiversity Science，2011，19（1）：48-56.

[11] 宋倩桦.淀山湖浮游植物种群动态及其影响因素 [D].上海：上海师范大学，2016：1-2.

SONG Q H.Population dynamics and environment factors of phytoplankton in Dianshan Lake [D].Shanghai：Shanghai Normal University，2016：1-2.

[12] 康丽娟.淀山湖富营养化进程及水生态效应研究 [J].环境科学与管理，2020，45（6）：171-174.

KANG L J.Study on eutrophication process and water ecological effect of Dianshan Lake [J].Environmental Science and Management，2020，45（6）：171-174.

[13] 章宗涉，黄祥飞.淡水浮游生物研究方法 [M].北京：科学出版社，1991：333-344.

ZHANG Z S，HUANG X F.Research Methods of Freshwater Plankton [M].Beijing：Science Press，1991：333-344.

[14] 趙爱萍，刘福影，吴波，等.上海淀山湖的浮游植物 [J].上海师范大学学报（自然科学版），2005，34（4）：70-76.

ZHAO A P，LIU F Y，WU B，et al.Phytoplankton of Shanghai Dianshan Lake [J].Journal of Shanghai Normal University （Natural Sciences），2005，34（4）：70-76.

[15] 胡鸿钧，魏印心.中国淡水藻类系统、分类及生态 [M].北京：科学出版社，2006：27-915.

HU H J，WEI Y X.The Freshwater Algae of China Systematics Taxonomy and Ecology [M].Beijing：Science Press，2006：27-915.

[16] 何晨凤.基于M-IBI和P-IBI的湖泊生态系统健康和生物完整性机制研究 [D].北京：华北电力大学，2018：22-44.

HE C F.Study on the health and biological integrity mechanism of lake ecosystem based on M-IBI and P-IBI [D].Beijing：North China Electric Power University，2018：22-44.

[17] 马芊芊.以浮游生物完整性指数评价长江上游干流宜宾至江津段河流健康度 [D].重庆：西南大学，2015：31-40.

MA Q Q.Assessment of ecosystem health of Upper Yangtze River in Yibin to Jiangjin using plankton-index of biotic integrity [D].Chongqing：Southwest University，2015：31-40.

[18] 赵文博.韩江（梅州段）和珠江（广州段）浮游生物完整性评价 [D].保定：河北大学，2018：23-34.

ZHAO W B.Assessment of plankton integrity in the Hanjiang River （Meizhou Section） and Pearl River （Guangzhou Section） [D].Baoding：Hebei University，2018：23-34.

[19] 沈强，俞建军，陈晖，等.浮游生物完整性指数在浙江水源地水质评价中的应用 [J].水生态学杂志，2012，33（2）：26-31.

SHEN Q，YU J J，CHEN H，et al.Planktonic index of biotic integrity （P-IBI） for water source assessment [J].Journal of Hydroecology，2012，33（2）：26-31.

[20] 阮仁良，王云.淀山湖水环境质量评价及污染防治研究 [J].湖泊科学，1993，5（2）：153-158.

RUAN R L，WANG Y.Dianshan Lake water environmental quality assessment and pollution prevention research [J].Journal of Lake Sciences，1993，5（2）：153-158.

[21] 国家环境保护总局科技标准司.地表水环境质量标准：GB 3838—2002 [S].北京：中国环境科学出版社，2002.

Department of Science and Technology Standards，State Environmental Protection Administration.Surface Water Environmental Quality Standards：GB 3838—2002 [S].Beijing：China Environmental Press，2002.

[22] 王利利.水动力条件下藻类生长相关影响因素研究 [D].重庆：重庆大学，2006：11-12.

WANG L L.Research on the relevant factors of the algae growth in hydrodynamic condition [D].Chongqing：Chongqing University，2006：11-12.

[23] 李博韬，刘凌，朱燕，等.利用浮游植物生物完整性对河流健康进行评价 [J].人民黄河，2020，42（6）：73-78.

LI B T，LIU L，ZHU Y，et al.Assessment of river health by using phytoplanktonic index of biotic integrity [J].Yellow River，2020，42（6）：73-78.

[24] 王震，邹华，杨桂军，等.太湖叶绿素a的时空分布特征及其与环境因子的相关关系 [J].湖泊科学，2014，26（4）：567-575.

WANG Z，ZOU H，YANG G J，et al.Spatial-temporal characteristics of chlorophyll-a and its relationship with environmental factors in Lake Taihu [J].Journal of Lake Sciences，2014，26（4）：567-575.

[25] 胡雪芹，王强，马明睿，等.淀山湖叶绿素a分布特征及其与浮游植物密度的相关性 [J].华东师范大学学报（自然科学版），2012（4）：149-156，163.

HU X Q，WANG Q，MA M R，et al.Distribution characteristics of chlorophyll a and its relationship with phytoplankton density in Lake Dianshan [J].Journal of East China Normal University （Natural Sciences），2012（4）：149-156，163.

[26] 介百飞.基于浮游生物指数及其敏感理化因子的三种养殖类型大水域生态系统健康评价 [D].南宁：广西大学，2014：9-11.

JIE B F.The ecosystem health assessment of plankton index and sensitive indicator of physicochemical factor in the three kinds of large waters culture model [D].Nanning：Guangxi University，2014：9-11.

（責任编辑：顾浩然）