馬廷婷，范亞民，李寬意,4，胡忠軍，吳召仕

(1.上海海洋大學(xué)水產(chǎn)科學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心/ 農(nóng)業(yè)部魚(yú)類營(yíng)養(yǎng)與環(huán)境生態(tài)研究中心/ 上海水產(chǎn)養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心，上海 201306；2.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008；3.江蘇省環(huán)境工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210036；4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)中丹學(xué)院，北京 100049)

作為水生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)者，浮游植物對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定與功能發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用[1]，因其種類多，生活周期短，對(duì)水溫、pH值、營(yíng)養(yǎng)鹽等水環(huán)境因子的變化反應(yīng)靈敏[2]，常被應(yīng)用于水域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評(píng)估[2-3]。KRUK等[4]首次提出了浮游植物形態(tài)功能群的概念，將浮游植物分為7個(gè)類群，通過(guò)形態(tài)與功能性特征的聯(lián)系，闡釋其對(duì)生境變化的響應(yīng)。其中Ⅲ組和Ⅶ組浮游植物釋放藻毒素等，造成水環(huán)境污染，能反映水質(zhì)狀況。

生物完整性指數(shù)(index of biotic integrity，IBI)結(jié)合了被研究生境的理化特征，且代表了群落中分類和功能單元。在構(gòu)建過(guò)程中生物完整性指數(shù)包含眾多與群落結(jié)構(gòu)和多樣性等有關(guān)的備選參數(shù)。與單一因素相比，生物完整性指數(shù)可以綜合反映生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)[5]。有研究表明生物完整評(píng)價(jià)方法完全適用于淡水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)領(lǐng)域[6]。生物完整性指數(shù)最初的研究對(duì)象為魚(yú)類[7]，隨后廣泛應(yīng)用于大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物、水生植物、附著藻類等水生生物類群[8-10]。在歐盟水框架指示中，浮游植物完整性指數(shù)是重要參數(shù)之一，被一些學(xué)者用于水域生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估研究。目前，關(guān)于河流健康評(píng)價(jià)的研究主要側(cè)重于底棲無(wú)脊椎動(dòng)物和魚(yú)類生物完整性指數(shù)的構(gòu)建等[11]，對(duì)浮游植物完整性指數(shù)(P-IBI)的關(guān)注較少，且其指數(shù)組成因研究區(qū)域而異[12]。

太湖流域處于經(jīng)濟(jì)高度發(fā)展的長(zhǎng)江三角洲地區(qū)，人口聚集、城市化水平高。河口地理位置優(yōu)越，受到當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響，人類活動(dòng)干擾嚴(yán)重[13]。其次，作為河流和湖泊之間能量流動(dòng)和物質(zhì)交換過(guò)程的過(guò)渡區(qū)域，河口生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱和敏感，受陸域污染源(如人類活動(dòng))沿河不斷匯入以及河流和湖泊的雙重影響。目前，針對(duì)浮游植物，學(xué)者主要利用多樣性指數(shù)(如Shannon-Wiener、Margalef和Pielou指數(shù)等)以及功能類群等對(duì)太湖進(jìn)行水質(zhì)生物學(xué)評(píng)價(jià)[14-16]。如龔蕾婷[17]選用了包括浮游植物Shannon-Wiener指數(shù)等多個(gè)指標(biāo)綜合評(píng)估太湖流域入湖河流健康。此外，蔡琨等[18]以冬太湖為例，基于總分類單元數(shù)、硅藻門分類單元、Simpson指數(shù)、密度、硅藻門密度和綠藻門密度6個(gè)指標(biāo)構(gòu)建太湖浮游植物完整性指數(shù)。在全流域調(diào)查的基礎(chǔ)上，WU等[19]以浮游植物密度、葉綠素 a(Chl-a)和Menhinick指數(shù)構(gòu)建了太湖流域主要河流的P-IBI，且其能有效區(qū)分主要污染因子(總氮、總磷、氨氮和高錳酸鹽指數(shù)等)。有關(guān)太湖流域河口的生態(tài)健康狀況信息較少，其狀況仍有待進(jìn)一步研究。

筆者于2018—2019年對(duì)太湖流域主要河口進(jìn)行4次季度調(diào)查，獲取浮游植物定量數(shù)據(jù)，分析其群落結(jié)構(gòu)特征，采用WU等[19]構(gòu)建的P-IBI評(píng)價(jià)體系和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)主要河口生態(tài)健康狀況進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，并從理化因子和形態(tài)功能類群進(jìn)行驗(yàn)證。該研究明確了太湖主要河口的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況現(xiàn)狀，有利于分析河流生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，可為太湖流域及其他河流的保護(hù)和修復(fù)提供參考。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域與樣點(diǎn)布設(shè)

太湖流域地處長(zhǎng)江三角洲，總面積為36 900 km2，河道縱橫交錯(cuò)，河道總長(zhǎng)約1.2×105km，河道密度達(dá)3.25 km·km-2，被稱為“江南水網(wǎng)”[20]?？v橫交織的河流水網(wǎng)不僅是重要的交通航運(yùn)樞紐，連接城鎮(zhèn)與村落的重要紐帶，而且是水體交換和資源共享的通道[20]。根據(jù)太湖環(huán)湖河道的分布狀況，在主要河口分別布設(shè)18個(gè)采樣點(diǎn)位(圖1)。

1.2 樣品采集與分析

于2018—2019年進(jìn)行4次季度采樣。現(xiàn)場(chǎng)使用YSI-多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水體表層溫度(WT)、pH值、電導(dǎo)率(Cond)、溶解氧(DO)濃度?？偟?TN)、總磷(TP)、氨氮(NH4+-N)、正磷酸鹽磷(PO43--P)、硝態(tài)氮(NO3--N)、亞硝態(tài)氮(NO2--N)濃度和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[21]測(cè)定，Chl-a濃度采用熱乙醇法測(cè)定。

浮游植物定量樣品取用1 L充分搖勻后的混合水樣，加入φ=1%體積的魯戈試劑固定，靜置48 h，定容至30 mL。定量樣品于10×40倍光學(xué)顯微鏡下觀察鑒定計(jì)數(shù)，每個(gè)樣品計(jì)數(shù)重復(fù)3次，取其平均值(誤差范圍±15%)，生物量的測(cè)定采用體積轉(zhuǎn)化法。浮游植物分類參照《中國(guó)淡水藻類系統(tǒng)、分類及生態(tài)》[22]。形態(tài)功能類群的分類參考KRUK等[4]，其將浮游植物種類劃分為7個(gè)類群(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ)，其中Ⅲ組僅包括藍(lán)藻、Ⅶ組由藍(lán)藻和綠藻組成。這2類功能群的浮游植物能夠釋放藻毒素等，并且藍(lán)藻在太湖中大量繁殖，造成水體環(huán)境污染，因此將這2組藻類放在一起研究。

1.3 浮游植物完整性指數(shù)

采用WU等[19]建立P-IBI的方法，由浮游植物總密度、Chl-a和Menhinick指數(shù)構(gòu)建P-IBI(PIBI)指數(shù)，其計(jì)算公式如下：

(1)

式(1)中，Ci為第i種參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化值。各指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化方法見(jiàn)表1。

表1 用于P-IBI計(jì)算的指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化方法Table 1 An exponential normalization method for phytoplankton index of biotic integrity calculations

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010和Origin 8.5軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。采用ArcGIS 10.5軟件進(jìn)行采樣點(diǎn)位圖的繪制。采用SPSS 19.0軟件對(duì)P-IBI與環(huán)境因子、浮游植物形態(tài)功能類群進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水體理化指標(biāo)

太湖流域水質(zhì)總體呈弱堿性，ρ(DO)季節(jié)均值范圍為5.60～9.16 mg·L-1，部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)低于3.0 mg·L-1。ρ(TN)季節(jié)均值范圍為2.90～3.42 mg·L-1，呈現(xiàn)春高夏低的特征。ρ(TP)季節(jié)均值范圍為0.12～0.19 mg·L-1，ρ(PO43--P)季節(jié)均值范圍為0.02～0.08 mg·L-1，TP與PO43--P濃度季節(jié)均值變化趨勢(shì)一致，均在秋季最高，冬季最低。CODMn季節(jié)均值范圍為3.69～7.09 mg·L-1，夏季較高，冬季較低。ρ(Chl-a)季節(jié)均值范圍為12.67～76.57 μg·L-1，與CODMn變化趨勢(shì)一致，夏季最高，冬季最低(表2)。

表2 太湖流域主要河口水體理化特征Table 2 Physicochemical characteristics of water in major estuaries of Lake Taihu

2.2 浮游植物密度和生物量分布

2.2.1浮游植物空間變化

太湖主要河口浮游植物密度平均值為8.91×106L-1，藍(lán)藻為主要優(yōu)勢(shì)門類，平均相對(duì)密度百分比為94.68%。空間上密度最高值出現(xiàn)在18#，為8.55×107L-1，7#和1#次之，分別為2.51×107和1.20×107L-1，其他點(diǎn)位的密度均較小(圖2)。藍(lán)藻在各點(diǎn)位占比變化較大，最大值和最小值分別出現(xiàn)在18#(89.72%)和16#(0.14%)。硅藻在部分點(diǎn)位的密度較高，如4#為8.77×105L-1，且該點(diǎn)位的硅藻相對(duì)密度百分比為87.66%。金藻僅在6#檢出，密度為1.82×105L-1，占該點(diǎn)位總密度的27%。綠藻和隱藻密度均在18#取得最大值，分別為2.47×105和1.64×105L-1。甲藻和裸藻密度均較小，最大值分別為2.0×105和4.45×103L-1。調(diào)查期間，太湖主要河口浮游植物平均生物量為1.46 mg·L-1，最大值同樣出現(xiàn)在18#(9.84 mg·L-1)，其中藍(lán)藻生物量為8.98 mg·L-1，是造成該點(diǎn)位生物量較高的主要原因；7#次之，最低值出現(xiàn)在16#(0.32 mg·L-1)。

2.2.2浮游植物季節(jié)變化

密度上，總密度和藍(lán)藻密度均在夏季取得最大值，分別為2.35×107和2.23×107L-1(圖3)；冬季浮游植物總密度和藍(lán)藻密度最低，分別為3.84×105和1.40×105L-1。硅藻密度在夏季取得最大值(6.21×105L-1)，秋季最低，為6.34×104L-1。自春季至夏季綠藻密度不斷增加，之后不斷下降。金藻僅在秋季出現(xiàn)，其密度為4.05×104L-1。4次調(diào)查過(guò)程中隱藻密度不斷下降，最大值和最小值分別為5.76×104和42.71×103L-1。甲藻和裸藻密度較少，最大值分別出現(xiàn)在夏季(9.43×103L-1)和春季(4.57×103L-1)。春夏秋季藍(lán)藻密度相對(duì)百分比均在90%以上，冬季較低。冬季硅藻對(duì)總密度貢獻(xiàn)較大，其相對(duì)密度百分比為57.87%。

主要河口的浮游植物總生物量與密度存在較為一致的時(shí)間變化趨勢(shì)，最高值出現(xiàn)在夏季(4.06 mg·L-1)，春季次之，冬季最小(0.36 mg·L-1)。藍(lán)藻生物量是引起總生物量季節(jié)變化的重要因素，其次是硅藻。甲藻生物量約占冬季總生物量的50%，隱藻相對(duì)生物量占比在春季取得最大值，為10.72%。春季和秋季綠藻的相對(duì)生物量占比較大，特別是春季(18.71%)。裸藻和金藻對(duì)總生物量的貢獻(xiàn)較小，各季節(jié)均不超過(guò)10%。

2.3 浮游植物形態(tài)功能類群的時(shí)空變化特征

除了Ⅱ組，其他各組生物量均在夏季達(dá)到最大值。Ⅰ、Ⅳ、Ⅶ組生物量最小值均出現(xiàn)在冬季，Ⅲ組最小值出現(xiàn)在春季，Ⅴ、Ⅵ組生物量最小值均出現(xiàn)在秋季，Ⅱ組僅出現(xiàn)在秋季。春季Ⅶ組生物量最高(占總生物量的58.31%)，其次是Ⅴ組。夏季Ⅲ組生物量最高(占總生物量的68.93%)，其次是Ⅶ組。秋季Ⅱ組生物量較高(占總生物量的52.00%)，其次是Ⅲ組。冬季Ⅴ組浮游植物生物量最高(占總生物量的61.36%)，其次是Ⅵ組。Ⅲ組和Ⅶ組的浮游植物生物量之和在夏季最大(占總生物量83.27%)，其次春季和秋季，冬季最小(占總生物量12.32%)。

2.4 基于P-IBI的水生態(tài)健康狀況

如圖4和圖5所示，空間上太湖流域主要入湖河口的P-IBI平均值為42.64，主要狀態(tài)是較差(占所有點(diǎn)位的55.56%)，其次是一般，2個(gè)點(diǎn)位(1#和11#)處于極差狀態(tài)。P-IBI最大值出現(xiàn)在3#，為64.17;最小值出現(xiàn)在11#，為21.67。

季節(jié)上，主要河口的P-IBI表現(xiàn)出明顯的季節(jié)分布特征。夏季僅14#為良好狀態(tài)，冬季所有采樣點(diǎn)的生態(tài)條件比極差狀態(tài)好，其中3#、4#、6#和14#為良好。P-IBI平均值在冬季最大(53.15)，夏季最小(27.59)。春夏秋冬季的水生態(tài)健康等級(jí)依次為較差、較差、一般、一般。秋季有33.33%的水質(zhì)處于良好水平，夏季僅有5.56%的水質(zhì)處于良好水平，冬季的水質(zhì)均在差水平以上(圖6)。

2.5 P-IBI與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

根據(jù)Spearman秩相關(guān)分析結(jié)果，P-IBI與水溫、pH值、CODMn呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.394、-0.504、-0.297；P-IBI值與NO3--N濃度呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)為0.248(表3)。

表3 P-IBI與理化因子間的Spearman相關(guān)性分析Table 3 Spearman correlation analysis of the P-IBI values and Physicochemical factors

2.6 P-IBI與浮游植物形態(tài)功能類群相關(guān)性分析

P-IBI與浮游植物形態(tài)功能類群相關(guān)性分析結(jié)果顯示，P-IBI與Ⅲ組、Ⅶ組和Ⅲ+Ⅶ組生物量均呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.739、-0.550、-0.807(表4)。

表4 P-IBI與浮游植物形態(tài)功能類群(Ⅲ和Ⅶ)的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients among the P-IBI values and phytoplankton morphologically based functional group

3 討論

3.1 P-IBI與其他生物學(xué)評(píng)估結(jié)果對(duì)比

太湖流域主要入湖河口的水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況主要處在較差水平，且存在顯著的時(shí)空差異。評(píng)估結(jié)果上，該研究與以往太湖流域研究存在較好的一致性?；谌饔蛩岛恿鞯恼{(diào)查，WU等[19]構(gòu)建了P-IBI評(píng)價(jià)體系和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)主要河流的生態(tài)健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明太湖流域河道水生態(tài)狀況整體處于較差狀態(tài)。利用大型底棲動(dòng)物相對(duì)重要性指數(shù)(BPI)和Wright指數(shù)，吳召仕等[23]研究發(fā)現(xiàn)太湖流域水系整體為中污染狀態(tài)，且不同水系之間存在差異，其中苕溪水系最好，南河和洮滆次之，沿江最差。杜東[24]構(gòu)建了包括河流水文、河岸帶狀況、河流形態(tài)結(jié)構(gòu)、河流水質(zhì)理化參數(shù)、水生生物指標(biāo)的河流水環(huán)境健康評(píng)價(jià)體系，結(jié)果表明太湖流域主要河流水環(huán)境健康狀況較差，其中太滆運(yùn)河為亞健康水平，梁溪河處于差水平。

筆者研究表明，太湖流域河口的水生態(tài)健康狀況存在明顯的季節(jié)差異，春夏秋冬的水生態(tài)健康依次為較差、較差、一般、一般。夏季主要河口的P-IBI值顯著低于其他季節(jié)，冬季最好，這與筆者前期基于整個(gè)太湖流域的研究結(jié)果一致[19]。利用水質(zhì)綜合指數(shù)(WQI)，劉福興等[13]研究表明太湖貢湖灣主要河口水質(zhì)狀況具有顯著的季節(jié)性差異，夏季的水質(zhì)狀況總體評(píng)價(jià)為中等，冬季總體評(píng)價(jià)為好。

3.2 P-IBI評(píng)價(jià)與水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性

P-IBI與常見(jiàn)水體污染表征因子(如TN，NH4+-N，TP濃度和CODMn)之間的相關(guān)性較弱，僅發(fā)現(xiàn)P-IBI與CODMn之間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系?？偟?、總磷和氨氮濃度的季節(jié)變化主要受流域內(nèi)降雨及春耕等人類活動(dòng)影響[20]。如TN濃度在冬春季較高，夏秋季較低，一方面可能是由于春耕，農(nóng)田大量施肥流入河流，導(dǎo)致水體TN濃度增加；另一方面由于夏秋季降水量較大，營(yíng)養(yǎng)鹽得到稀釋，且夏季溫度較高，促進(jìn)反硝化作用，消耗水體中的TN濃度[24]；WU等[19]研究指出P-IBI評(píng)估結(jié)果能較好區(qū)分主要水體污染因子，但在季節(jié)尺度上，P-IBI與基于水體常規(guī)理化指標(biāo)評(píng)估的結(jié)果存在明顯的季節(jié)差異。此外，河流沖刷作用也在一定程度影響河口浮游植物的生長(zhǎng)[25]，導(dǎo)致浮游植物完整性指數(shù)與水體營(yíng)養(yǎng)鹽等指標(biāo)的關(guān)系不明顯。

在評(píng)價(jià)河流健康工作中，常用的理化指標(biāo)能在一定程度上反映水體的受污染程度。然而，由于水體的流動(dòng)性，理化指標(biāo)僅表示瞬時(shí)狀態(tài)，不能反映污染物對(duì)生物體的聯(lián)合效應(yīng)以及長(zhǎng)期效應(yīng)。浮游植物長(zhǎng)期存在于水體中，匯集了整個(gè)生活時(shí)期的環(huán)境因素，其群落結(jié)構(gòu)變化可對(duì)水質(zhì)健康情況作出最直接的響應(yīng)[20]。

3.3 P-IBI評(píng)價(jià)與浮游植物群落結(jié)構(gòu)的相關(guān)性

冬季和秋季的P-IBI評(píng)價(jià)結(jié)果均為一般，春季和夏季P-IBI評(píng)價(jià)結(jié)果均為較差。浮游植物密度和生物量的定量分析表明，太湖主要河口春夏兩季浮游植物較多，間接說(shuō)明春夏兩季水質(zhì)較差，這與P-IBI評(píng)價(jià)結(jié)果一致。

基于浮游植物形態(tài)功能類群的劃分，Ⅲ組主要是由魚(yú)腥藻、偽魚(yú)腥藻和顫藻等具有氣囊的絲狀體藍(lán)藻組成，能在營(yíng)養(yǎng)鹽高且水體渾濁的環(huán)境中生存，Ⅶ組主要由微囊藻、平裂藻和隱球藻等具有膠被的群體藍(lán)藻細(xì)胞組成。這2類功能群較耐高溫和高光強(qiáng)[1]，適合在氮磷濃度較高的富營(yíng)養(yǎng)水體中生長(zhǎng)[16]，易形成藍(lán)藻水華。值得注意的是，這2類功能群的浮游植物能夠釋放藻毒素，造成水環(huán)境污染，因此將這2組藻類放在一起研究。通過(guò)圖5發(fā)現(xiàn)，Ⅲ組和Ⅶ組生物量所占總生物量比例依次為夏季>春季>秋季>冬季，與P-IBI平均值變化一致。同時(shí)，通過(guò)P-IBI與浮游植物形態(tài)功能類群相關(guān)性分析，進(jìn)一步表明P-IBI評(píng)估結(jié)果較為準(zhǔn)確可靠。P-IBI評(píng)價(jià)體系可以反映太湖流域河口的浮游植物群落結(jié)構(gòu)變化，揭示其水生態(tài)健康狀況及水華風(fēng)險(xiǎn)程度，預(yù)測(cè)水質(zhì)狀態(tài)。

4 結(jié)論

基于浮游植物完整性指數(shù)評(píng)價(jià)體系對(duì)太湖主要河口進(jìn)行了生態(tài)健康評(píng)價(jià)。研究結(jié)果顯示，太湖流域河口目前整體水質(zhì)處于較差狀態(tài)，水生態(tài)健康狀況存在明顯的季節(jié)差異，春夏秋冬依次為較差、較差、一般、一般。

研究表明，3個(gè)指標(biāo)(浮游植物總密度、Chl-a和Menhinick指數(shù))構(gòu)建的P-IBI評(píng)估結(jié)果與以往研究存在較好的一致性，且與2組表征水質(zhì)狀況的形態(tài)功能類群的相關(guān)性較好，可以用于太湖流域河口水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的評(píng)估。