基于浮游生物完整性的汉江中下游生态健康评价

文威 李双双 冯桃辉 彭祺

摘要：在汉江下游开展浮游生物调查，构建浮游生物完整性指数进行健康评估，为中下游流域环境管理提供科学依据。2020年春秋两季在汉江干流雅口-兴隆河段开展了2次浮游植物与浮游动物调查，并采用基于因子分析的生物完整性指数，对调查河段开展浮游生物生态完整性评价。研究结果显示：2次调查共检出浮游植物6门95种（属）。春秋两季调查区水体中干流浮游植物的平均密度分别为616×104 个/L和803×104  个/L，平均生物量分别为1.26 mg/L和1.63 mg/L；2次调查共检出浮游动物37属62种，以原生动物和轮虫为主，浮游动物平均密度为1 036 个/L和1 791 个/L，平均生物量分别为0.91 mg/L和1.40 mg/L。调查河段各采样点之间浮游动植物密度相差不大，但是不同季节浮游动植物生物量则存在明显差异。采用因子分析筛选了4个公因子（累积解释率65%）。进一步辨析4个公因子的生态意义，第一公因子主要反映浮游生物生物总量以及浮游动植物比例关系，其余3个公因子依次反映浮游植物群落多样性、浮游植物群落丰富度、群落生境流态。总因子得分表明调查河段秋季生态状况优于春季，不同公因子得分从不同的角度反映了调查河段不同季节与位置水生态状况的差异，进一步结合汉江流域生态特征，表明该方法能够较好地应用于调查河段。

关键词： 浮游植物，浮游动物，生物完整性，汉江

中图分类号：Q179.1        文献标志码：A        文章编号：1674-3075（2023）04-0085-07

一直以来，水生态评价趋向于从生物角度构建评价体系，其中生物完整性指数（index of biological intyegriby，IBI）是目前使用最为广泛的方法之一。浮游植物和浮游动物是水体最重要的2类水生生物类群。浮游植物作为河流生态系统的主要初级生产者，对生态系统的物质循环和能量流动有着重要影响，浮游动物是初级生产者和更高营养级之间的关键联系，在水域食物网中占据中心位置（Doubek et al，2019；Wang et al，2021），是食物网营养物质转移中必不可少的环节，可以表征河流、水库、湖泊等水体生态状态（Jeppesen et al，2011）。鉴于浮游植物和浮游动物对生态系统的结构和功能具有重要调控作用，近年来其生物落特征及演替规律受到广泛关注，但相对于鱼类而言，基于浮游生物的评价工作较少。国内已开展的工作主要包括太湖流域基于浮游动植物的生态完整性评价（蔡琨等，2016；陈宇飞等，2022），以及对饮用水源地水库开展的浮游生物完整性评价（沈强等，2012；胡俊等，2019）。

汉江中下游河段基本处中低污染状态（马京久等，2020；杜红春等，2021；余业鑫等，2022）。随着“南水北调”中线工程、“引江济汉”工程以及梯级电站的建设，汉江中下游的水文情势逐渐发生了改变，相应地水生态环境也发生了较大变化，并可能引起新的水环境、水生态问题。目前，汉江的研究工作多围绕水环境展开，或结合水生生物与水质对水生态环境进行评价（郑继利 2019；马京久等，2020；杜红春等，2021；余业鑫等，2022）；硅藻水华问题也一直受到广泛关注（殷大聪等，2017； 李建等，2022）。

本研究引入浮游动物，与浮游植物共同作为目标生物，以汉江下游在建的碾盘山枢纽为中点的上下游河段为研究区域，开展浮游植物、浮游动物等水生态调查，并构建浮游生物完整性指数开展健康评估，旨在为汉江下游水质评估、预测和汉江中下游流域环境管理提供依据。

1   研究区域和方法

1.1   调查区域和调查时间

调查河段位于雅口水利水电枢纽工程（2022年建成运行）坝址至兴隆水利水电枢纽工程坝下河段（图1），该河段主要汇入支流为蛮河和俐河，碾盘山水利水电枢纽工程位于该河段中间，是汉江中下游干流梯级规划7级开发方案中的第6级。调查时间为2020年春季 （5月）和秋季（11月）。

1.2   采样方法

定性样品：浮游植物、原生动物和轮虫定性样品采用25号浮游生物网，枝角类和桡足类定性样品采用13号浮游生物网，在表层至水下0.5 m深处以20～30 cm/s的速度作 “∞”形循回缓慢拖动 1～3 min或在水中沿表层拖虑 1.5～5.0 m3水。

定量样品：浮游植物、原生动物和轮虫定量样品采用采水器在不同水深采集1 L混合水样。水样采集之后，立即加固定液固定。对浮游植物、原生动物和轮虫水样，每升加入15 mL左右的鲁哥氏液固定。枝角类和桡足类定量样品采用25号浮游生物网过滤20 L混合水样后定容至100 mL，然后加4～5 mL福尔马林固定液。固定后，样品带回实验室保存。

从野外采集并经固定的1 L水样，带回实验室进一步浓缩定容至30 mL后进行物种鉴定，100 mL的枝角类和桡足类定量样品直接进行物种鉴定。浮游生物所有类群物种均于显微镜下观察鉴定到种或属水平。

浮游植物密度采用视野法计数计算，生物量采用体积换算为生物量（湿重）方法。浮游动物密度采用计数所获得的个体数计算，而生物量采用体积法（原生动物和轮虫）或体长-体重（甲壳动物）回归计算。

1.3   评价方法

鉴于不同生物群落具有较强的属地特征，评价指标主要根据国内有关浮游植物、浮游动物生物完整性研究实例（沈强等，2012；蔡琨等，2016；胡俊等，2019；陈宇飞等，2022）中评价参数进行选取，共选择了36个指标 （表 2） 。将指标分为物种丰富度参数、群落结构组成参数、营养结构参数3大类别（沈强等，2012）。评价方法上，由于9个采样点位于汉江干流，缺少参照系，因而采用基于因子赋分的方式开展生态完整性评价（胡俊等，2019）。

采用主成分分析法提取公因子，并使用最大方差法对因子载荷进行正交旋转，便于公因子意义解析。因子得分采用回归法计算。2次采样数据共同纳入分析，对不同季节和采样点直接进行因子得分比较。

2   结果与分析

2.1   种类组成

2次调查共检出浮游植物6门95种（属），硅藻门种类最多，为50种（属），占比52.63%；其次为绿藻门28种（属），占29.47%；再次为蓝藻门11种（属），占11.58%；甲藻门、隐藻门和裸藻门各2种（属），分别占2.11%（图2）。浮游植物常见种为颗粒直链藻最窄变种（Melosira granulata var.angustissima）、小环藻（Cyclotella sp.）、脆杆藻（Fragilaria sp.）、单角盘星藻（Pediastrum simplex）等。

调查共检出浮游动物37属62种，以原生动物和轮虫为主，原生动物13属 20种、占总种数的 32.26%，轮虫 12属 24种、占总种数的 38.71%，枝角类 7属 13种、占总种数的 20.97%，桡足类 5属 5种，占总种数的 8.06%（图2）。常见种为砂壳虫、游仆虫、钟虫、 月型腔轮虫 、 长额象鼻溞 、汤匙华哲水蚤及英勇剑水蚤。

2.2   密度和生物量

通过调查，春季汉江干流浮游植物的平均密度为616×104 个/L，平均生物量为1.26 mg/L；秋季平均密度为803×104 个/L，平均生物量为1.63 mg/L。汉江干流春季浮游动物的平均密度为1 036 个/L，平均生物量为0.91 mg/L；秋季平均密度为 1 791 个/L，平均生物量为1.40 mg/L。

兴隆坝上采样点浮游植物和浮游动物的密度和生物量均略高于其他河段，但是总体来说，干流各采样点浮游动植物密度和生物量差异不明显。秋季浮游动植物密度高于春季。

2.3   因子分析

2.3.1   公因子选取   综合考虑因子特征值，以及因子数量的易解释性，并根据前期浮游植物候选指标分类方式，共筛选了前4个累积方差解释率为65%的公因子，4个因子所含信息占总信息的65%，各个指标对应因子载荷（factor loadings） 见表 3。

2.3.2   因子的涵义   对4个公因子的意义进行辨析，可以看出F1～F4公因子表征的生态学意义较明显。

公因子1（F1）：F1的方差解释率高达26.77%，远高于其他因子，反映了调查区域最主要的生态系统特征。F1主要与浮游动物的总密度、浮游动物的总生物量、单个浮游藻类的平均体重、浮游藻类的细胞生物量、浮游藻类的细胞密度、浮游动物中轮虫密度、浮游动物中原生动物密度、浮游动物/浮游植物密度比、浮游动物/浮游植物生物量比呈正相关关系。生物量越高则F1得分越高。

公因子2（F2）：方差解释率为10%。该因子主要与浮游藻类的 Shannon-Wiener 指数、Pielou指数呈正相关，两指标因子载荷达到0.9以上。该因子分值越高，表明群落生物多样性也越高。

公因子3（F3）：方差解释率为9.7%。该因子主要是与浮游藻类的总种类数目、Margalef指数成正相关。表明该因子反应了浮游植物群落丰富度的状况。

公因子4（F4）：方差解释率为9%。该因子主要是与硅藻门藻密度百分比成正相关，而与裸藻门藻密度百分比、绿藻门藻密度百分比成负相关。硅藻是典型河流藻类，而绿藻则更多喜见静水水体（Pal et al，2014； Necchi，2016）。表明了水体处于流水状态时，得分较高，而静水状态时得分较低，也反映了浮游生物群落所处的生境状况。

2.3.3   因子得分   各因子得分基于回归法计算并作图，总因子得分（F-total）根据各单因子的汇总计算得出（图 3） 。

2.3.4   由于所有数据因子分析前已经标准化，所以不同季节和采样点的因子得分可以直接比较大小。从图3可以看到，2次调查采样点不同单因子得分各有差异。春季因子得分明显低秋季因子得分。春季总因子得分排序是S1>S5>S8>S6>S7>S2>S9>S3>S4，因子得分范围为-0.01～-0.47，所有因子得分均低于平均水平（<0）；而秋季总因子得分排序则是S1>S8>S7>S2>S5>S3>S6>S4>S9，因子得分范围是0.65～-0.24。

3   讨论

3.1   基于因子评价的水生态状况

通过因子分析，综合了36个IBI指标的信息，并采用4个公因子表示。在辨析各单因子意义后，各因子得分及总因子得分相较于单纯计算水域浮游动物密度、生物量、多样性指数等多个生物指数能够涵盖更多信息，更好地反映水域的生态健康状况。

从时间上看，除了S9以外，秋季所有采样点总因子得分均高于0，即大于平均水平，而春季所有因子得分均小于0。这表明调查河段春秋两季差别很大，秋季生态状况明显优于春季，这也符合浮游植物、浮游动物群落组成具有明显的季节差异规律。此次研究中，调查河段在春秋两季的浮游植物的种类组成以硅藻门和绿藻门为主，与已有的汉江调查结果较为类似（买占等，2020；余业鑫等，2022）。

从空间上来看，F1因子在秋季得分明显高于春季，与直接比较春秋两季浮游生物种类、密度的结果一致，即春季浮游植物/动物的种类、密度明显低于秋节。不过同一时期内，各采样点F1分值差距不大，表明调查区域整体生态状况在同一季节空间差异并不明显。F2因子表征浮游植物群落的多样性，其因子得分在采样S2～S5较低，表征了这些区域较低的生物多样性；尤其是S2和S4因子得为负分，表明其低于整个河段的平均水平。这可能与汇入汉江下游的支流浰河、蛮河有关。浰河和蛮河污染十分严重，水体中含有大量生活污水和工业污水，直接影响了汇入口以下江段的水质状况。F3因子表征了调查江段中浮游植物群落丰富度的程度，可以看到S1、S3、S4得分较高，而S6～S8得分较低，春秋两季得分大部分都低于平均水平，说明该区域浮游植物丰富度明显降低。S8是兴隆坝上最后一个采样点，兴隆枢纽蓄水形成较长的静水区域，导致浮游植物种类趋于单一。F4表明了河段生境状况。S3、S4以及S6～S9较低的分值正好反映了该区大坝阻隔的情况。如S3、S4正处于碾盘上坝施工范围，而兴隆大坝正好处于S8和S9之间，这些区域都水流较缓水域甚至静水区域（兴隆坝前）。

3.2   关键指标的合理性分析

由于汉江硅藻水华引起广泛关注，因此在汉江流域中的健康评价工作中，有关汉江中下游的浮游植物及水质评价工作一直较多，但多集中于浮游植物群落结构及其与水质的关系（杜红春等，2021）。本研究主要以浮游植物和浮游动物为对象，采用因子得分方法直接分析调查河段的整体生态状况。该方法既可通过总因子得分了解调查区域的整体状况，也可通过单独因子得分进行更加精细的分析，从而比较出不同时期和不同站位的差异（胡俊等，2019）。本研究中，4个公因子较为合理地反映了整体的状况。其中，F2因子和F3因子直接反映了生物多样性与物种丰富度，结果直观易理解，而F1因子和F4因子则反映了多样性指数、种类密度等不能反映的信息。

F1因子的解释率最高，一定程度上决定了整个评价结果的合理性。从因子载荷来看，F1与河段中浮游动植物生物量密切相关。研究表明浮游植物生物量过高，往往说明水体正处于富营养化阶段（马健荣等，2013；黄丹等，2014），水体有水华暴发的风险。但是值得注意的是，单个浮游藻类的平均质量和浮游动物/ 浮游植物密度比与F1呈正相关关系，表明它们在公因子F1上的也非常重要。单个浮游藻类的平均质量值越大，F1得分越高，这说明浮游植物中须以大型藻类为主，避免蓝藻等藻类占优势，本研究2次调查时间分别是5月和11月，均不在硅藻水华易暴发时段。而浮游动物/浮游植物密度比越高，F1得分越高，则强调了浮游动物和浮游植物之间平衡的关系，即浮游植物增多时，浮游动物数量也必须相应增多。事实上，水体中优势的浮游动物对生物操纵的成败具有决定性作用，大型浮游动物不仅有较强的藻类滤食率和较广的藻类捕食范围（Lampert et al，1986），还能通过下行作用对浮游植物起到抑制作用（郭匿春 2007），从而防止水华暴发（马健荣等，2013）。

此外，F1与枝角类、桡足类在总浮游动物中的密度比呈负相关关系，尽管载荷系数较低，但反映了水体中浮游动物中枝角类、桡足类密度较低时，因子得分较低的变化趋势。生态学原理显示稳定的生物群落受到外界干扰时，r选择物种在数量和生物量方面成为主导，例如浮游植物在富营养化过程中，主要从体积质量较大的硅藻向体积质量较小的蓝绿藻演变，浮游动物也从甲壳类为主向轮虫和原生动物为主演变（韩德举等，1996；刘静等，2004；王颖等，2014）。

公因子4（F4）表明了水体处于流水状态时，得分较高，而静水状态时得分较低，表征了浮游生物群落所处的生境状况。从表 3也可以看到，F4与枝角类、桡足类和轮虫等浮游动物种类、密度呈负相关。一般情况下，水流较快的水体，水力滞留时间越短，对浮游动物的影响越高，其损失也越高（洪松和陈静生，2002；胡旭仁 ，2017；Doubek et al，2019）。所以，通过进一步分析F1和F4，能够揭示出更多的常规种类密度，甚至多样性指数等指标揭示不了的信息，有助更好地开展评价，辨析生态问题。

3.3   河流中浮游生物完整性评价的应用

国内生物完整性评价中采用浮游动物/植物的工作较少，主要原因与浮游生物的特殊性有关。浮游生物个体生活周期短，种群密度受外部环境影响变化大。这种变化虽然能密切反映与水质、水环境的关系，但这种高度的变化状态给分析带来了不少困难。

目前，在方法报道上有采用参照点开展评价（Lacouture et al，2006；沈强等，2012；蔡琨等，2016；陈宇飞等，2022），也有采用直接评价法开展评价（胡俊等，2019），但评价指标类型都是一致的，也与国外有关研究中采用的指标相同。参照点的选取是开展水质生物评价的基准，其直接影响最终生物完整性指数的核心参数和评价结果，不同地区的参照系统标准是有差异的（Stoddard et al，2006；蔡琨等，2016）。采用因子法无须人为指定参照系，可以比较不同样点之间的完整性差异，但比较的结果只能以研究区域平均水平为水平点。在本项目中，公因子较好地反映了河段的生态状况，除了用公因子直接赋分外，这公因子中的关键指标（高载荷权重指标），也可以简单地作为评价标准，更好地为管理提供支撑。

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（责任编辑   郑金秀）

Ecological Health Assessment of the Middle and Lower

Hanjiang River Based on Plankton Integrity

WEN Wei1，  LI Shuang‐shuang2， FENG Tao‐hui1， PENG Qi3

（1. Central-Southern Safety＆Environment Technology Institute Co.，Ltd.，Wuhan   430079， P.R. China;

2. Wuhan Environment Monitoring Center，Wuhan   430015， P.R. China;

3. Hubei Province Academy of Eco-Environmental Sciences

Environment Engineering Assessment Center>，Wuhan   430072， P.R. China）

Abstract： In this study， a survey of phytoplankton and zooplankton was carried out  in the Yakou-Xinglong section of the main stem of Hanjiang River in May （spring） and November （autumn） 2020 along 9 sampling transects. Biological integrity indices of plankton were then developed and used to evaluate the ecological status of the river section using factor analysis. Our aim was to provide scientific data for predicting water quality and evaluating environmental management in the middle and lower reaches of the Hanjiang River basin. A total of 95 phytoplankton species （genera）  from 6 phyla were identified during the two surveys. The average phytoplankton density and biomass were 616×104 cells/L and 1.26 mg/L in spring， and 803×104 cells/L and 1.63 mg/L in autumn. A total of 62 zooplankton species from 37 genera were identified， with dominance by protozoans and rotifers. The average zooplankton density and biomass were 1 036 ind/L and 0.91 mg/L in spring， and 1 791 ind/L and 1.40 mg/L in fall. There were no significant spatial differences in plankton density among the sampling sites， but there was an obvious seasonal difference in plankton biomass between spring and autumn. Four common factors were selected by factor analysis， with the cumulative explanation rate of 65%. The ecological significance of the four common factors was further analyzed and the results indicate that the first common factor primarily reflected the total plankton biomass and the relationship between the phytoplankton and zooplankton biomass. The other three factors reflected phytoplankton community diversity， phytoplankton richness and the flow pattern of habitat. The total factor scores show that the ecological status of the survey in autumn was better than in spring， and the scores of different common factors reflected differences in the aquatic ecology of different seasons and sites.  In conclusion， factor analysis is a reliable method for predicting ecological conditions in Hanjiang River.

Key words：phytoplankton; zooplankton; biological integrity; Hanjiang River