張順婷 劉 凌 黃艷芬 姜 豐

(河海大學水文水資源學院,江蘇 南京 210098)

湖泊作為陸地表層系統(tǒng)各要素相互作用的節(jié)點[1],具有提供水源、養(yǎng)殖水產(chǎn)、維護生物多樣性等生態(tài)功能。隨著人類活動的加劇,水質(zhì)惡化及水生植被退化導(dǎo)致湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值迅速降低[2]。浮游植物調(diào)查有利于富營養(yǎng)化評價和控制,而浮游植物生物完整性指數(shù)(P-IBI)是評價湖泊健康狀況的重要手段,其有效解決了以往單純利用理化指標表征水環(huán)境健康狀況的局限性[3]。

基于P-IBI的湖泊水生態(tài)健康評價在國內(nèi)已有諸多報道[4-5],但多以林氏分類法作為浮游植物的劃分依據(jù),P-IBI與功能群相結(jié)合的研究鮮有報道。功能群劃分法綜合考慮了浮游植物的形態(tài)、生態(tài)及生理特征,能直觀反映特定環(huán)境下最能適應(yīng)環(huán)境選擇壓力且最具資源競爭優(yōu)勢的種類[6],在識別浮游植物對環(huán)境因子的響應(yīng)上較林氏分類法更具優(yōu)勢[7]。

陽澄湖系古太湖殘留,以水草為水生植物優(yōu)勢種,是長江下游地區(qū)典型的淺水草型湖泊[8]。近年來,淡水蝦蟹的高密度網(wǎng)圍養(yǎng)殖加速了湖泊富營養(yǎng)化。為探究該湖在中華絨螯蟹養(yǎng)殖為主情況下浮游植物群落結(jié)構(gòu)及生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài),本研究基于2個季節(jié)的監(jiān)測數(shù)據(jù)構(gòu)建P-IBI,對陽澄湖的水生態(tài)狀況進行評價,以期為陽澄湖富營養(yǎng)化治理及水質(zhì)提升方面提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣點布設(shè)

綜合陽澄湖的地形特征、圍網(wǎng)養(yǎng)殖情況及出入湖河流分布,全湖布設(shè)了16個采樣點(見圖1),其中西湖5個(Y1～Y5)、中湖5個(Y6～Y10)、東湖6個(Y11～Y16)。

圖1 陽澄湖采樣點布設(shè)Fig.1 Layout of sample sites in the Yangcheng Lake

1.2 樣品采集與測定

于2022年7月(夏季)和12月(冬季)進行2次采樣。現(xiàn)場采用YSI 6600 V2多參數(shù)水質(zhì)檢測儀測水溫、pH、溶解氧(DO)、電導(dǎo)率(EC)、總?cè)芙夤腆w(TDS),LGY-Ⅱ流速儀測流速(FV),塞氏盤測透明度(SD)。采用熱乙醇萃取分光光度法測定葉綠素a(Chl.a)。參照文獻[9]測定總磷(TP)、磷酸鹽、氨氮、硝態(tài)氮、總氮(TN)和高錳酸鹽指數(shù)。浮游植物通過光學顯微鏡鑒定并計數(shù),鑒定種類參考文獻[10]、[11]。

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析

1.3.1 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)評價

以Chl.a濃度作為基準參數(shù),選取TP、TN、SD和高錳酸鹽指數(shù)為附加環(huán)境參數(shù),運用TLI法對陽澄湖水體營養(yǎng)狀況進行評價。TLI根據(jù)5個參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)乘以各自的權(quán)重后求和得出,計算公式詳見文獻[12]。湖泊營養(yǎng)狀態(tài)分級規(guī)定：TLI≤30為貧營養(yǎng);3070為重度富營養(yǎng)。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理

地圖使用ArcMap 10.4繪制;非參數(shù)檢驗、單因素方差分析及Spearman相關(guān)性分析等借助IBM SPSS Statistics 27處理,設(shè)定差異極顯著(P<0.01)、差異顯著(P<0.05);其他圖表利用Excel 2016統(tǒng)計。

2 結(jié)果與分析

2.1 陽澄湖水環(huán)境因子特征

由表1可見,陽澄湖夏季水溫、pH、磷酸鹽、TP、Chl.a和高錳酸鹽指數(shù)均大于冬季,SD、硝態(tài)氮和TN呈現(xiàn)出夏季低、冬季高的特征?？臻g分布上,夏季西湖、東湖水溫差異顯著,DO差異極顯著,中湖、東湖高錳酸鹽指數(shù)差異顯著,TP差異極顯著;冬季西湖、中湖Chl.a差異顯著,西湖、東湖的SD、磷酸鹽、硝態(tài)氮和TN差異顯著,西湖、東湖和西湖、中湖的DO均差異極顯著。陽澄湖夏、冬季TLI均值分別為57.90、49.11,分別處于輕度富營養(yǎng)、中營養(yǎng)狀態(tài)。

表1 陽澄湖水環(huán)境因子季節(jié)變化Table 1 Seasonal variation of water environmental factors in Yangcheng Lake

2.2 浮游植物群落結(jié)構(gòu)

2.2.1 浮游植物種類組成及功能群劃分

此次季節(jié)性調(diào)查共鑒定出浮游植物8門104屬289種,其中綠藻門(Chlorophyta)以41屬114種占絕對優(yōu)勢(占39.4%),其余依次為硅藻門(Bacillariophyta)29屬61種(占21.1%)、裸藻門(Euglenophyta)5屬56種(占19.4%)、藍藻門(Cyanophyta)11屬24種(占8.3%)、金藻門(Chrysophyta)8屬13種(占4.5%)、甲藻門(Pyrrophyta)5屬10種(占3.5%)、隱藻門(Cryptophyta)2屬8種(占2.8%)和黃藻門(Xanthophyceae)3屬3種(占1.0%),浮游植物群落結(jié)構(gòu)為綠-硅-裸藻型。根據(jù)PADISK等[13]提出的功能群劃分方法將陽澄湖浮游植物歸入28組功能群,其中B、C、D、E、F、G、H1、J、LM、Lo、M、MP、N、P、Q、SN、T、Tc、W1、W2、WS、X1、X2、X3和Y為兩季共同出現(xiàn)的功能群,H2、K和S2為夏季豐水期特有。

2.2.2 陽澄湖優(yōu)勢功能群的季節(jié)演替

將至少在1個采樣點相對豐度>5%的功能類群定義為優(yōu)勢功能群[14],篩選出16組優(yōu)勢功能群(B、E、F、G、H1、J、Lo、M、MP、N、P、Tc、W1、X1、X2和Y)。優(yōu)勢功能群在時空分布上的差異主要表現(xiàn)在相對豐度變化上,其總體演替趨勢為M/Lo/H1(夏)→P/MP/X1(冬)。夏季功能群M、Lo和H1分別占25.87%、19.11%和18.63%;冬季功能群P、MP和X1分別占20.82%、19.48%和10.82%。單因素方差分析結(jié)果表明,各湖區(qū)優(yōu)勢功能群總生物量季節(jié)性差異不顯著(P>0.05)。從組成上看,呈現(xiàn)出西湖M/Lo/H1(夏)→X2/MP/Y(冬)、中湖M/Lo/H1(夏)→P/X1/MP(冬)、東湖MP/P/Tc(夏)→MP/P(冬)的演替特征。

2.3 P-IBI體系構(gòu)建及健康評價結(jié)果

2.3.1 參照點的設(shè)置

陽澄湖在人口聚集、湖泊圍墾等因素干擾下接納了大量點源、面源污染物,水質(zhì)長期處于富營養(yǎng)化水平,基本無絕對的清潔參照點。因此,通過TLI判斷采樣點的受干擾程度,選取7個TLI<48.40的采樣點作為參照點,其余25個采樣點組成受損點。

如果要證明命題的的結(jié)論是成立的，但通過其他常規(guī)方法證明又比較困難時，可以采用反證法，即從這個結(jié)論的否定面著手，通過一系列推理研究致使該結(jié)論是矛盾的，則可以證明此結(jié)論成立。

2.3.2 候選指標的選取

篩選出在90%采樣點不為零的12個功能群,包括B、C、D、F、Lo、MP、N、P、W1、W2、X1和Y功能群。選取功能群的物種數(shù)、密度百分比、生物量及其他對干擾反應(yīng)敏感的42個候選參數(shù),綜合反映浮游植物物種豐富度、群落結(jié)構(gòu)組成和群落營養(yǎng)結(jié)構(gòu)3類特征。

2.3.3 核心指標篩選

(1) 分布范圍分析：計算各候選參數(shù)在參照點的平均值、25%分位數(shù)、中位數(shù)、75%分位數(shù)及標準差,篩除標準差過大、數(shù)據(jù)較離散的指標(浮游植物總密度);篩除隨干擾強度增強數(shù)變化而不靈敏的9個指標(B、C、Lo、P、W2和Y功能群的物種數(shù),D、W2和X1功能群的生物量)。

(2) 箱線圖判別能力分析：通過箱線圖25%～75%分位數(shù)的箱體重疊情況(IQ)對余下的32個指標進行比較,保留能反映參照點與受損點間差異(IQ≥2)的指標：W1功能群物種數(shù)(M1)、Pielou均勻度指數(shù)(M2)、B功能群密度百分比(M3)、F功能群密度百分比(M4)、W1功能群密度百分比(M5)、W2功能群密度百分比(M6)、Y功能群密度百分比(M7)、前3優(yōu)勢功能群密度百分比(M8)、Lo功能群生物量(M9)、P功能群生物量(M10)、W1功能群生物量(M11)和浮游植物總生物量(M12),將它們納入相關(guān)性分析。

圖2 陽澄湖健康評價結(jié)果Fig.2 Health assessment results of Yangcheng Lake

(3) 相關(guān)性分析：對不完全符合正態(tài)分布的12個候選參數(shù)采用Spearman方法分析指標間的信息重疊度,結(jié)果見表2。高度相關(guān)的指標(相關(guān)系數(shù)絕對值>0.75)中,M1、M2及M12涵蓋的信息更豐富,優(yōu)先保留。最終確定陽澄湖P-IBI體系由9個核心指標(M1～M4、M6～M8、M10和M12)構(gòu)成。

表2 候選參數(shù)的Spearman相關(guān)性1)Table 2 Spearman correlation of candidate parameters

2.3.4 P-IBI指標分值計算及健康評價標準

以參照點P-IBI的25%分位數(shù)作為健康評價標準,三分法、四分法和比值法對評價參照點的準確率分別為71.4%、84.0%和85.7%,對評價受損點的準確率分別為71.4%、88.0%和92.0%。最終確定采用比值法進行P-IBI指標計算和健康評價標準的建立。根據(jù)候選指標對干擾的脅迫響應(yīng),表現(xiàn)為下降的參數(shù)分值=實測值/所有采樣點參數(shù)值的95%分位數(shù),表現(xiàn)為上升的參數(shù)分值=(最大值-實測值)/(最大值-所有采樣點參數(shù)值的5%分位數(shù)),結(jié)果見表3。計算各分值并累計求和獲得各采樣點的P-IBI。以參照點P-IBI分布的25%分位數(shù)的值(即5.85)作為健康標準的閾值,利用四等分法確定陽澄湖健康評價標準：健康(≥5.85)、亞健康(4.39～<5.85)、一般(2.93～<4.39)、差(1.46～<2.93)、極差(<1.46)。

表3 比值法計算P-IBI指標分值的公式Table 3 Formulas for calculating P-IBI index scores by ratio scoring method

2.3.5 陽澄湖健康評價

健康評價結(jié)果顯示,陽澄湖處于亞健康狀態(tài),冬季健康狀態(tài)優(yōu)于夏季。夏季P-IBI均值為3.63,處于一般狀態(tài),16個采樣點中亞健康2個、一般11個、差3個(見圖2),健康狀況從優(yōu)至劣依次為東湖(3.82)、西湖(3.68)、中湖(3.37);冬季P-IBI均值為5.98,處于健康狀態(tài),16個采樣點中健康8個、亞健康8個,健康狀況從優(yōu)至劣依次為西湖(6.26)、中湖(6.18)、東湖(5.59)。

2.4 P-IBI與水環(huán)境因子相關(guān)性分析

P-IBI與水環(huán)境因子相關(guān)性見表4。P-IBI與SD、FV、硝態(tài)氮、TN呈極顯著正相關(guān),與pH、水溫、磷酸鹽、Chl.a和高錳酸鹽指數(shù)呈極顯著負相關(guān),與其他指標相關(guān)性不顯著。水環(huán)境因子直接或間接驅(qū)動了浮游植物群落結(jié)構(gòu)和生物完整性變化。

表4 P-IBI與水環(huán)境因子相關(guān)性Table 4 Correlation between P-IBI and water environmental factors

3 討 論

根據(jù)中國環(huán)境監(jiān)測總站(http：//www.cnemc.cn)發(fā)布的《2022年全國地表水水質(zhì)月報》,2022年7、12月陽澄湖水質(zhì)屬輕度污染。P-IBI評價顯示陽澄湖夏、冬季的健康狀態(tài)分別為一般、健康狀態(tài),夏季評價結(jié)果與水質(zhì)現(xiàn)狀相符,而冬季存在差異的可能原因是：冬季陽澄湖浮游植物的主要限制因素是水溫[15],耐受低溫的P功能群在微流動的生境中較活躍[16],喜暖生境的優(yōu)勢功能群M、Lo和H1所占的生態(tài)位被釋放[17],物種增多且群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜使得P-IBI主要構(gòu)成參數(shù)中功能群B、F、W2、Y和P的優(yōu)勢性加大,導(dǎo)致評價結(jié)果較好。

前期已有的研究表明,pH、SD、Chl.a、硝態(tài)氮、TN和高錳酸鹽指數(shù)等水環(huán)境因子均對陽澄湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)造成影響[18-19]。陽澄湖夏季浮游植物生長旺盛(Chl.a均值高達43.16 μg/L);高錳酸鹽指數(shù)代表有機物含量,豐富的有機物為浮游植物的繁殖提供優(yōu)良條件,致使湖水SD銳減,浮游植物結(jié)構(gòu)單一化,導(dǎo)致P-IBI與SD呈極顯著正相關(guān),與pH、Chl.a、高錳酸鹽指數(shù)呈極顯著負相關(guān)。氮、磷等營養(yǎng)元素是浮游植物生長和分布的限制因子,浮游植物的增長一般與磷呈正相關(guān)[20]。陽澄湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)隨一定范圍內(nèi)硝態(tài)氮、TN濃度的上升復(fù)雜化,與太湖浮游植物群落結(jié)構(gòu)與硝酸鹽的關(guān)系一致[21]。

P-IBI評價反映了水環(huán)境變化對陽澄湖水生生物的影響,評價結(jié)果能較好反映湖泊水生態(tài)健康狀況在時空上的變化特征,體現(xiàn)出應(yīng)用P-IBI評價陽澄湖水生態(tài)健康狀況具有較好的適用性和可操作性,對于湖泊富營養(yǎng)化治理工作具有一定參考價值。

4 結(jié) 論

(1) 陽澄湖共鑒定出浮游植物8門104屬289種,浮游植物群落呈綠-硅-裸藻型,優(yōu)勢功能群總體演替趨勢為M/Lo/H1(夏)→P/MP/X1(冬)。

(2) P-IBI與SD、FV、硝態(tài)氮、TN呈極顯著正相關(guān),與pH、水溫、磷酸鹽、Chl.a和高錳酸鹽指數(shù)呈極顯著負相關(guān)。水環(huán)境因子直接或間接驅(qū)動了浮游植物群落結(jié)構(gòu)和生物完整性的變化。

(3) P-IBI評價顯示,陽澄湖夏、冬季的健康狀態(tài)分別為一般、健康狀態(tài)。夏季健康狀況從優(yōu)至劣依次為東湖、西湖、中湖,冬季則為西湖、中湖、東湖。