布良水庫網箱養殖水域浮游生物完整性指數與水質理化因子關聯性分析

何緒偉，程光平，張 曼，黃永穎，婁方瑞，崔 亮，閻維杰

（1.廣西大學動物科學技術學院，廣西 南寧 530005；2.廣西高校水生生物健康養殖與營養調控重點實驗室，廣西 南寧 530005；3.來賓市水產技術推廣站，廣西 來賓 546100）

利用非飲用水源水庫等大水域適度發展網箱養殖，生產水產食物，獲取優質蛋白源，對改善城鄉居民生活質量和促進社會發展具有重要意義，也是發展“庫區經濟”的重要途徑。由于水庫（流域）網箱養魚便于管理，近年來，網箱養魚熱在一些水庫及河流日漸興起。但是隨著“投飼網箱”養殖規模的擴大以及養殖密度的提高，未食殘餌以及養殖魚類排泄物對養殖水體水質的影響越來越突出。如何評價大水域“健康狀況”、合理開發和科學利用大水面資源，以及實現水庫等大水域養殖與環境友好，已成為水產養殖和水域環境學界關注的重點。浮游生物作為水域生態系統中生產力和生物鏈的基礎，對水域生態系統的結構、能流和物質循環具有重要作用［1］，可以真實直觀地反映出水域生態系統結構的改變［2］。水域生態系統的生物完整性指水質健康狀況因人為干擾而受到損害后可以較快地恢復其功能結構的能力［3］。Karr［4］最先以魚類作為生態系統健康狀況評價的研究對象，提出魚類完整性指數評價體系，基于魚類生物完整性指數建立了漓江上游河流健康評價體系［5］。隨著生物完整性指數評價體系的完善，研究對象逐步擴展到大型底棲無脊椎動物［6］、底棲生物［7］、附石藻類［8］和對于水質變化更為敏感的浮游生物［9］。分析生物完整性指數與水質［10］及其他環境因子［11］的關系也是近幾年研究的熱點。目前，通過生物完整性指數的方法評價大水面網箱養殖水域水質的研究較少，通過灰色關聯分析其與網箱養殖水域水質關系更是鮮有報道。布良水庫位于廣西壯族自治區隆安縣境內，屬非飲用水源湖泊型水庫，始建于1958年，因其巖溶發育防滲困難，壩首曾被洪水沖垮，1970年重建，1973年建成。水庫壩長229 m，壩高30.4 m，水庫最大蓄水量達1991萬m3，正常蓄水量1 432萬m3，灌溉農田面積3679.8 hm2。本研究通過監測分析布良水庫集約養殖區“近點”及“遠點”水體浮游生物的動態變化，以浮游生物完整性指數（P-IBI）評價網箱養殖對養殖區水質的影響，以期為科學規劃大水域養殖區和養殖容量及建立大水域環境友好型可持續集約養殖技術模式提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究水域養殖狀況

養殖區為布良水庫靠近大壩的靜水區，水域面積約13 hm2。水質監測期間，投放飼養魚網箱60個，共1 500 m2。主要養殖對象為羅非魚，高峰期網箱存魚量約120 t。監測期內外源飼料輸入量約140 t，日飼料輸入量最大約1.8 t。

1.2 采樣點及采樣頻次

浮游生物及水化因子采樣點為網箱養殖區“近點”（離養魚網箱約10 m）和“遠點”（離養魚網箱約150 m）；采樣期為1個養魚周期（2015年5月10日至10月31日），先后采集監測水樣4次。

1.3 水樣采集及測定

浮游生物定性樣品采集：用13#浮游植物網和25#浮游動物網，于采樣點水深約0.5 m水層按“∞”型分別撈取浮游植物和浮游動物測定水樣，每次撈3～5 min。將撈取樣品保存于50 mL瓶中，各加入1 mL甲醛和1 mL魯哥液固定，帶回實驗室。光學顯微鏡下鑒定浮游生物種屬。

浮游生物定量樣品采集：用采水器于采樣點水深約0.5 m處分別采集3 L和9 L浮游植物和浮游動物定量水樣，前者用13#浮游植物網過濾，后者用25#浮游植物網過濾，共過濾4～6次，將濾液收集到1 L塑料瓶中，各加入7 mL甲醛和7 mL魯哥液現場固定，并帶回實驗室。用梨形瓶沉淀濃縮后，在顯微鏡下計數樣品中各種屬浮游生物數量。理化因子樣品采集及測定參照國家標準，相關測定指標及測定方法如下：氣溫和水溫用溫度計測定，pH值用pH計測定，透明度（SD）用黑白盤法測定，溶解氧（DO）和五日生化需氧量（BOD5）用碘量法測定，化學需氧量（COD）用堿性高猛酸鉀法測定，氨態氮（NH3-N）用奈氏比色法測定，亞硝酸鹽（NO2-N）用萘乙二胺分光光度法測定，總磷（TP）用鉬酸銨分光光度法測定。

1.4 浮游生物群落物種多樣性、均勻性計算

浮游生物群落物種多樣性包括兩方面含義：一是浮游生物種的豐富度，即監測水域所含浮游生物全部種數的多寡；二是浮游生物群落的異質性，即監測水域所有浮游生物群落中各物種的相對密度。浮游生物多樣性采用Shannon-Wiener多樣性指數表示，計算公式為：

式中，H為監測水域浮游生物群落物種多樣性指數，H越大，物種多樣性越高，反之，物種多樣性越小；Pi為浮游生物群落中屬于種i的個體占全部個體的比例；N為監測水域全部浮游生物種數。

浮游生物群落均勻性指數指監測水域浮游生物物種數量在各個種間的分布均勻程度，與異質性成正比，計算公式為：

式中，D為監測水域浮游生物均勻度指數，H為監測水域中浮游生物群落的物種多樣性指數，S為監測水域浮游生物總種類數。

1.5 浮游生物完整性評價體系構建

1.5.1 參照點確定 目前生物完整性指數評價體系對于參照點的確定尚未有較為統一的標準，國內外研究中通常選擇未受到人類活動干擾或者人類活動干擾相對輕微的監測點作為參照點［12］。本研究中因水庫地理位置遠離生活區，水體污染物主要來源于養殖過程中飼料殘餌和水產動物排泄物，故選擇網箱遠點作為參照點，養殖密度較大、受人類養殖活動干擾較大的網箱近點作為受損點。

1.5.2 浮游生物完整性評價體系建立 構建浮游生物完整性指數評價體系，基于浮游生物物種豐富度、群落結構和營養結構，選取26個對外界干擾較為敏感的浮游生物指標作為評價體系構建的初選指標（表1）。從26個初選指標中篩選出9個浮游生物評價指標，分別為M2、M3、M5、M6、M8、M9、M11、M15和 M17。使用比值法對各篩選后的浮游生物指標記分，對相關浮游生物指標進行量綱化。

表1 浮游生物完整性指數評價體系初選指標

1.5.3 評價標準確立 以參照點監測周期內所有P-IBI指數總分值的25%分位數劃分健康評價標準［13］，將25%分位數以上的監測時期的指數數值定義為“健康”，25%分位數以下的分布范圍4等分，分別定義為“亞健康”“良”“較差”和“極差。依參考點P-IBI分值的25%分位數劃分的評分標準如下：P-IBI指數總分值＞3.98，評價為健康，2.99～3.98，評價為亞健康；1.99～2.99，評價為良；1.00～1.99，評價為較差；0～1.00，評價為極差。

1.6 浮游生物完整性指數值與水質因子灰色關聯性分析

1.6.1 P-IBI指數值與各水質指標實測值無量綱化 使用均值法對各監測期P-IBI指數值和水質指標實測值進行無量綱化［14］，公式為：

式中，Xi(K)為i監測期時監測水域 P-IBI指數值和各水質指標實測值無量綱化后值；Xi(0)(K)為i監測期時監測水域P-IBI指數值和各水質指標實測值；Xj(0)(K)為監測周期內P-IBI指數值和各水質指標實測值平均值。

1.6.2 關聯系數計算 以P-IBI指數值為參考序列，比較各水質指標值并進行灰色關聯分析，確定灰色關聯系數，計算公式為：

式中，εj(K)為 P-IBI指數值與各項水質因子的關聯系數；ρ為分辨系數，ρ=0.5［15］。

2 結果與分析

2.1 浮游生物的種群結構和生物量

2.1.1 浮游植物的種群結構 各監測點養殖周期內浮游植物種類組成如表2所示。由表2可知，在浮游植物種群結構中，近點為6門27屬，優勢門為藍藻門和綠藻門共15屬，占總屬數的55.56%；遠點為7門28屬，優勢門為藍藻門和硅藻門門共14屬，占總屬數的50%。在浮游植物種群數量“門”和“屬”水平上，遠點比近點分別高16.67%和3.70%，遠點浮游植物多樣性優于近點。

表2 各監測點浮游植物種類組成

2.1.2 浮游動物的種群結構 各監測點養殖周期內浮游動物種類組成如表3所示。由表3可知，在浮游動物種群結構中，近點為3門15屬，優勢門為原腔動物門共8屬，占總屬數的53.33%；遠點為3門19屬，優勢門為節肢動物門共9屬，占總屬數的47.37%。在浮游動物種群數量上，遠點比近點大26.67%，遠點浮游動物多樣性亦優于近點。

表3 各監測點浮游動物種類組成

2.1.3 浮游生物的密度和生物量 各監測點養殖周期內浮游生物密度和生物量如表4所示。由表4可知，“近點”“遠點”的浮游植物密度和生物量分別為9.4×104～42.78×104個/L和0.131～1.348 mg/L、5.2×104～40.7×104個 /L 和0.072～1.006 mg/L。在“密度”水平上，近點比遠點高117.12%；在“生物量”水平上，近點比遠點高44.26%。表明近點的浮游植物密度和生物量均高于遠點。

從表4還可以看出，“近點”“遠點”兩個監測點的浮游動物密度和生物量分別為24～280個 /L 和 1.812～5.168 mg/L、52～524個/L和1.972～13.46 mg/L。在“密度”水平上，遠點比近點高134.43%；在“生物量”水平上，遠點比近點高123.58%。表明遠點的浮游動物密度和生物量均高于近點。

表4 各監測點浮游生物密度與生物量動態變化

2.2 監測點水質主要理化因子的動態變化

各監測點主要理化因子歷次測定值的平均值如表5所示。由表5可知，網箱遠點的pH值、透明度、DO均略高于網箱近點，而網箱近點的 BOD5、CODMn、NH3-N、NO2-N、TP測定值均高于網箱遠點。說明受養殖活動的影響，網箱近點的主要理化因子均劣于網箱遠點。

表5 各監測點水質主要理化因子測定結果

2.3 浮游生物完整性指數動態變化

各監測水域的P-IBI指數及評價結果如表6所示。由表6可知，不同等級健康狀況出現的頻次為：網箱近點 “健康”2次、“亞健康”3次、“良”3次；網箱遠點 “健康”5次、“亞健康”3次；分析表明，總體上遠點健康狀況優于近點。從表6還可知，網箱遠點和近點的P-IBI均呈先升后降趨勢，且不同監測期中遠點P-IBI均明顯高于近點。分析認為，隨著養殖活動的進行，水體中殘餌及養殖對象排泄物等蓄積量增加、富營養化壓力升高、自凈能力和浮游生物多樣性下降，網箱近點因受“養殖活動”干擾程度較大，導致其健康狀況相對低于遠點。

表6 各監測點水質基于P-IBI指數的健康狀況評價

2.4 P-IBI指數與主要理化因子灰色關聯度

網箱近點和網箱遠點P-IBI指數與水質指標關聯度及排序如表7所示。由表7可知，P-IBI與水質主要理化因子的關聯度：網箱近點為pH＞DO＞WT＞SD＞CODMn＞TP＞NO2-N＞NH3-N＞BOD5，pH、DO和WT為關聯度最高的前3個影響因子；網箱遠點為pH＞SD＞NH3-N＞TP＞DO=NO2-N＞WT＞CODMn＞BOD5，pH、SD和NH3-N為關聯度最高的前3個影響因子。

表7 P-IBI指數與水質指標關聯度及排序

3 結論與討論

網箱養殖活動對湖泊型水庫養殖區水質健康狀況影響明顯，其中pH值是與浮游生物完整性指數P-IBI關聯度最高的水質因子。

用P-IBI評價大水域養殖網箱近點和遠點水質健康狀況是一種“灰色”評價。本研究中，在浮游生物多樣性水平、P-IBI指數的季節性變化和健康狀況總體評價上，遠點均優于近點，這與采樣點各主要水質參數分析的結果一致，表明用P-IBI評價大水域網箱養殖是可行的［9］。分析認為，網箱近點受養殖活動干擾的強度較大，隨著養殖過程飼料輸入量的增加，近點水體中殘餌及排泄物增加、自凈能力下降，導致浮游生物多樣性及健康養況下降［16］。從總體上來看，網箱養殖活動對湖泊型水庫養殖區水質健康狀況影響明顯。但在一定的養殖容量范圍內，離養殖網箱150 m及以外區域水體的健康狀況仍能維持在“亞健康”及以上水平。在采樣時間的選擇上，本研究并沒有參考浮游生物的季節性演替規律［17］，而是以網箱養殖區域養殖周期作為參考，旨在重點分析網箱養殖水域養殖周期內的浮游生物完整性指數的變化。

P-IBI指數與水質理化因子關聯度分析顯示，在網箱近點與P-IBI指數關聯程度排序中，排前3位的水質因子為pH、DO和WT；在網箱遠點與P-IBI指數關聯程度排序中，排前3位的水質因子為pH和SD和NH3-N。本研究中，pH是與近、遠點浮游生物完整性指數關聯性最高的指標，與他人的研究結果［10］具有一致性，但關聯度排名靠前的其他水質因子有所差異。分析認為，水體中pH與CO2含量相關，各營養級生物呼吸消耗較多的溶氧并釋放出CO2使DO和pH下降，而水生植物光合作用消耗CO2并放出O2，使pH上升，水溫則影響浮游生物季節變化及群落結構的組成［18］。SD影響水體中光照度和水生植物的光合作用；NH3-N作為水生植物吸收的營養鹽物質，含量適宜時促進水生植物的生長繁殖，而營養鹽含量過高時則會限制水生植物的生長，從而影響浮游生物群落組成［19］，與浮游生物完整性呈現出顯著相關。

本研究僅監測了同一養殖類型的不同水域，且采樣點相對較少，有一定的局限性。同時，與P-IBI指數關聯度較高的水質因子在生產中調控的難度較大。因此，若要更加全面準確的評價湖泊型水庫養殖區水質健康狀況，提高養殖區水質健康水平，還有待更加細致的監測分析及更加有效的調控方法。

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