基于著生藻類的渭河流域水生態(tài)系統(tǒng)健康評價

徐宗學 劉麟菲

摘 要：基于2013年10月（豐水期）和2014年4月（枯水期）渭河流域著生藻類監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)著生藻類物種豐富度、群落多樣性、相對豐度、生態(tài)型和密度5類屬性，選取了26個候選參數(shù)。應用參照點對比法（P-ibi）和累計系數(shù)法（P-IBI）分別構建了著生藻類生物完整性水生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系，對渭河流域水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進行了評價。結果表明，均勻度指數(shù)和可運動硅藻百分比為P-ibi和P-IBI在豐水期和枯水期共有的核心參數(shù)，說明兩個參數(shù)的代表性較強，可作為常規(guī)監(jiān)測指標。P-ibi健康評價結果顯示，豐水期健康等級在較好水平以上的點位數(shù)占43%，而枯水期高達61%，P-IBI較好水平以上的點位數(shù)僅占25%，P-ibi評價結果明顯高于P-IBI，但兩種方法評價結果的空間分布趨勢基本一致，即渭河干流上游、涇河源頭、北洛河中游水生態(tài)健康狀況較好，渭河下游、涇河流域大部分區(qū)域及北洛河上游水生態(tài)健康狀況較差;超過70%的點位兩種方法評價結果相一致或僅差一個健康等級，且P-IBI在參照點位和受損點位具有極顯著性差異，表明累計系數(shù)法可以作為一種可靠的評價方法替代參照點對比法進行著生藻類生物完整性指數(shù)的構建。

關鍵詞：著生藻類;生物完整性;累計系數(shù)法;參照點對比法;渭河

中圖分類號：X821;TV882.1 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.09.023

Abstract：On the basis of the periphyton data of the Wei River basin sampled in October 2013 （wet season） and April 2014 （dry season）， 26 candidate metrics were selected from five attributes categories including species richness， diversity index， relative abundance， ecotype and density. The methods of reference point analysis （P-ibi） and cumulative coefficient analysis （P-IBI） were used to develop the biotical integrity index of periphyton to assess the aquatic ecosystem health of the Wei River basin. The results show that the evenness index and percentage of motile diatoms are the core metrics for both P-ibi and P-IBI in both wet and dry seasons， indicating that these two parameters are more representative and can be used as routine monitoring indexes. The results of P-ibi show that more than 43% sampling sites are in good health in wet season， while that is greater than 61% in dry season. However， only 25% sampling sites are healthy or in good condition according to the result of P-IBI. The results of P-ibi are significantly higher than that of P-IBI， however， the spatial distribution of P-ibi is correspond with P-IBI. That is， the upstream of Weihe River， the source of Jinghe River and the middle stream of Beiluo River are in good health， while the downstream of Weihe River， the most areas of Jinghe River and the upstream of Beiluo River are in poor health. More than 70% of the sampling sites show that the evaluation results of the two methods are consistent or only one health level is poor. The boxplot shows that P-IBI has a significant difference between reference and impaired sites. This means that the cumulative coefficient analysis can be used as a reliable assessment method， instead of only reference point analysis to develop the biological integrity index of periphyton.

Key words： periphyton; biological integrity index; cumulative coefficient analysis; reference point analysis; Weihe River

黃河孕育了中華五千年文明，是中華民族永續(xù)不絕的血脈[1]。然而，水資源短缺、水污染嚴重、水沙關系不協(xié)調成為黃河流域經濟社會可持續(xù)發(fā)展的主要問題和矛盾[2]。習近平總書記在對黃河進行實地考察時強調，治理黃河，重在保護，要在治理。推動黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展關系著中華民族偉大復興的千秋大計[3]。渭河是黃河的最大支流，是陜西人民的母親河[4]。保護渭河流域水生態(tài)健康，不僅關乎西北地區(qū)經濟社會的可持續(xù)發(fā)展[5]，而且對黃河流域的高質量發(fā)展發(fā)揮著至關重要的作用。

了解水生態(tài)健康現(xiàn)狀，是制定水生態(tài)保護和修復策略的前提;對水生態(tài)系統(tǒng)進行健康評價，是了解水生態(tài)系統(tǒng)健康現(xiàn)狀的必要手段。生物完整性指數(shù)法是水生態(tài)系統(tǒng)健康評價的常用方法[6-10]。著生藻類是水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成生物，它處于食物鏈底端，是生態(tài)系統(tǒng)的初級生產者，在物質循環(huán)和能量流動中發(fā)揮著重要作用[11-12]。由于著生藻類具有活動能力較弱、對環(huán)境變化反應敏感、方便采集等優(yōu)點，因此基于著生藻類生物完整性指數(shù)的水生態(tài)健康評價技術在國內外得到了廣泛應用。Tan等[13]通過構建底棲硅藻完整性指數(shù)，對我國漢江上游進行水生態(tài)健康評價，結果表明一半以上的點位水生態(tài)健康狀況較好，而造成漢江水生態(tài)系統(tǒng)退化的主要原因為大面積的農業(yè)用地帶來的水體富營養(yǎng)化;殷旭旺等[14-15]在太子河和渾河流域分別構建了著生藻類生物完整性指數(shù)，結果顯示太子河和渾河的上游水生態(tài)健康狀況較好，下游較差，且著生藻類完整性指數(shù)評價結果與棲息地質量指數(shù)評價結果相一致。這些研究均以參照點對比法為基礎，通過生物參數(shù)在參照點與受損點之間的顯著差異篩選核心參數(shù)，構建生物完整性指數(shù)。然而，隨著社會的發(fā)展，人口數(shù)量激增，我國大部分流域很少能找到不受人類活動干擾的參照點。針對這一問題，本研究采取累計系數(shù)法，通過計算生物參數(shù)與水環(huán)境因子的相關系數(shù)，篩選出與環(huán)境因子相關性較強的生物參數(shù)作為核心參數(shù)，用來構建生物完整性指數(shù)。以渭河流域為研究對象，通過對比分析參照點對比法和累計系數(shù)法所構建的著生藻類生物完整性指數(shù)評價結果的異同，明確累計系數(shù)法的適用性，以期為受人類活動干擾較大的流域水生態(tài)健康評價提供一種新的思路。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

渭河流域面積為13.4萬km2，干流長度為818 km，是黃河的最大支流。整個流域共跨越3個省（自治區(qū)），即甘肅省、陜西省和寧夏回族自治區(qū)，其中甘肅省境內流域面積占總面積的44.1%，陜西省境內流域面積占總面積的49.8%。渭河流域南側為秦嶺山脈，森林覆蓋率較高，降水量充沛;北部分布著渭河流域兩大支流，分別為涇河和北洛河。涇河發(fā)源于寧夏回族自治區(qū)，流域面積為4.54萬km2，馬蓮河是其最大支流。北洛河發(fā)源于陜西省吳起縣，流域面積為2.69萬km2，最大支流為葫蘆河。渭河流域年降水量各月分布不均，7—10月為豐水期，降水量占全年降水量的60%，其余月份特別是1月和12月降水量較小，為枯水期。本研究于2013年10月（豐水期）和2014年4月（枯水期）對渭河流域展開調查，共布設60個采樣點，其中渭河干流32個采樣點，涇河15個采樣點，北洛河13個采樣點。采樣點分布情況如圖1所示，圖中采樣點編號前W代表渭河干流、J代表涇河、L代表北洛河。

1.2 著生藻類樣品采集

在采樣點上、中、下游隨機選取大小相近的3個石塊，將廣口瓶蓋（面積約為11.34 cm2）扣于石塊之上，用牙刷刮掉瓶蓋周邊所有的著生藻類，用自來水沖洗至白色托盤，倒入廣口瓶中，并加入濃度為4%的甲醛，作為著生藻類定性樣品。采用同樣的方法將瓶蓋下方的著生藻類刮取至廣口瓶中，作為著生藻類定量樣品，3個樣品混合至一個廣口瓶中，用標簽紙記錄好采樣點編號和采樣時間，用膠帶密封樣品。運回實驗室后，靜置24 h以上，將樣品定量至100 mL，用于著生藻類定量計算。在400倍顯微鏡下進行種類的鑒定，其中硅藻樣品制成硅藻封片在1 000倍顯微鏡下鑒定，鑒定方法參考文獻[16-18]。

1.3 水環(huán)境因子測定

本研究共測定水環(huán)境因子21個，其中：水文因子2個，分別為流速和流量，采用流速儀（FP111）現(xiàn)場測量;化學因子10個，在每個采樣點采集兩份2 L的水樣，48 h內運回實驗室，根據(jù)國家地表水環(huán)境質量標準，測定pH值、硝酸鹽、亞硝酸鹽、銨鹽、磷酸鹽、硫酸鹽、總氮、總磷、總硬度和高錳酸鹽指數(shù);物理因子9個，電導率、水溫、鹽度、飽和度、溶解氧、總溶解固體采用YSI85水質分析儀現(xiàn)場測定，水深采用流速儀進行測量，可涉水的河段河寬使用皮尺測量，不可涉水的河段采用測距儀（Leupold RX-IV）測量，懸浮物固體含量在實驗室測定。

1.4 核心參數(shù)篩選

1.4.1 生物參數(shù)

依據(jù)相關文獻[14， 19]，從著生藻類物種豐富度、群落多樣性、相對豐度、生態(tài)型和密度5類屬性中選取26項著生藻類生物參數(shù)作為核心參數(shù)的候選指標。其中：物種豐富度8項，群落多樣性2項，相對豐度13項，生態(tài)型2項，密度1項。具體指標內容見參考文獻[20]。

1.4.2 參照點對比法

選取自然狀態(tài)或受人類活動干擾較小的點位作為參照點，比較參照點位與受損點位生物參數(shù)箱體圖的差異性，選取箱體差異較大的參數(shù)作為核心參數(shù)，即兩個箱體不重合或兩個箱體的中位線在對方箱體外。對篩選出的生物參數(shù)進行相關性分析，剔除冗余的生物參數(shù)，采用最后保留的核心參數(shù)進行生物完整性評價指標體系的構建。依據(jù)之前的研究成果[20]，W0、W5、W10、W12、W16、W28、W30、J19、L1、L7和L8點位森林覆蓋率較高、水質較好、生境較完整，可作為渭河流域參照點位。

1.4.3 累計系數(shù)法

采用Spearman相關性分析法分析生物參數(shù)與水環(huán)境因子的相關性，計算每個水環(huán)境因子與該生物參數(shù)的相關系數(shù)平方和R2，并計算與水環(huán)境因子顯著相關的個數(shù)百分比CoI，具體計算公式如下：

式中：rs，y為生物參數(shù)s與環(huán)境因子y之間的相關系數(shù);S為生物參數(shù)與環(huán)境因子顯著相關（P<0.05）的個數(shù);n為環(huán)境因子的個數(shù)。R2的值域為[0，n]，CoI的值域為[0，1]。

依據(jù)R2和CoI較高的數(shù)值，篩選出與環(huán)境因子相關性較強的參數(shù)作為核心參數(shù)，構建生物完整性指數(shù)，每一個生物功能類群篩選出一個核心參數(shù)。

1.5 健康評價指標體系構建

參照點對比法著生藻類生物完整性指數(shù)（P-ibi）等于所有核心參數(shù)的加和，核心參數(shù)的賦分標準見文獻[20]，P-ibi的取值范圍為0～50。大于參照點25%分位數(shù)的點位為健康點位，低于25%分位數(shù)的點位進行四等分，分別為較好、一般、較差和極差，并賦予分值1～5分，5分表示健康，1分表示極差。

累計系數(shù)法評價指標體系采用比值法對核心參數(shù)進行標準化處理，生物完整性指數(shù)（P-IBI）等于所有核心參數(shù)之和的平均值，P-IBI取值范圍為0～1。大于90%分位數(shù)的點位為健康點位，75%～90%分位數(shù)之間的點位為較好點位，50%～75%分位數(shù)之間的點位為一般點位，25%～50%分位數(shù)之間的點位為較差點位，小于25%分位數(shù)的點位為極差點位，并賦予分值1～5分，5分表示健康，1分表示極差。

2 結果與討論

2.1 核心參數(shù)的篩選

2.1.1 參照點對比法

箱體圖判別和相關性檢驗結果顯示，豐水期和枯水期分別篩選出著生藻類核心參數(shù)5項，其中硅藻屬種數(shù)（P6）、均勻度指數(shù)（P10）和可運動硅藻百分比（P24）為豐水期和枯水期共有的核心參數(shù)。硅藻分類單元相對多度（P11）和單位面積著生藻類密度（P26）為豐水期特有的核心參數(shù)（見圖2）;菱形藻百分比（P16）和極細曲殼藻百分比（P23）為枯水期特有的核心參數(shù)（見圖3）。

2.1.2 累計系數(shù)法

著生藻類生物參數(shù)與環(huán)境因子累計系數(shù)值見表1，其中：均勻度指數(shù)（P10）、可運動硅藻百分比（P24）和單位面積著生藻類密度（P26）在豐水期和枯水期均與環(huán)境因子相關性較強，可作為豐水期和枯水期共有核心參數(shù);豐水期藍藻總分類單元數(shù)（P4）和顫藻百分比（P19）與環(huán)境因子相關性較強，可作為豐水期特有的核心參數(shù);枯水期綠藻總分類單元數(shù)（P3）、曲殼藻百分比（P14）與環(huán)境因子相關性較強，可作為枯水期特有的核心參數(shù)。

均勻度指數(shù)（P10）和可運動硅藻百分比（P24）在兩種方法中均被篩選出來作為豐水期和枯水期的核心參數(shù)，表明這兩個參數(shù)在渭河流域具有較好的代表性。2011—2012年，殷旭旺等[11]布設45個采樣點對渭河流域展開調查，并構建了著生藻類生物完整性指數(shù)。其中，均勻度指數(shù)被篩選作為核心參數(shù)，這一結果與本研究結果相一致。此外，可運動硅藻百分比作為著生藻類完整性指數(shù)的核心參數(shù)在太子河流域得到了較好的應用[14]。鑒于此，在水生態(tài)監(jiān)測中，可以考慮將均勻度指數(shù)和可運動硅藻百分比作為常規(guī)監(jiān)測指標。

2.2 健康評價結果

基于參照點對比法和累計系數(shù)法計算的著生藻類生物完整性指數(shù)評價標準見表2。P-ibi評價結果顯示，豐水期有健康點位11個，較好點位15個，一般點位26個，較差點位6個，極差點位2個;枯水期有健康點位12個，較好點位25個，一般點位9個，較差點位11個，極差點位3個。P-IBI評價結果顯示，豐水期有健康點位7個，較好點位8個，一般點位14個，較差點位16個，極差點位15個;枯水期有健康點位6個，較好點位8個，一般點位16個，較差點位14個，極差點位16個。

從兩種評價結果空間分布情況（見圖4）可以看出，豐水期P-IBI與P-ibi評價結果空間分布趨勢基本一致，即渭河干流上游、涇河源頭、北洛河中游著生藻類生物完整程度較高，水生態(tài)較好，涇河大部分區(qū)域著生藻類生物完整性較低，渭河干流下游和北洛河上游地區(qū)健康等級較低，水生態(tài)健康狀況較差;枯水期P-IBI與P-ibi評價結果空間分布趨勢存在一定差異，其中P-ibi評價結果普遍偏高，只有渭河下游出口區(qū)域及渭河干流個別點位水生態(tài)健康狀況較差，其余77%的點位健康程度均在一般以上。而P-IBI評價結果空間分布特征與豐水期評價結果相近，其中渭河干流上游天水市附近枯水期著生藻類生物完整性較低，水生態(tài)健康狀況比豐水期差，而渭河干流中下游寶雞市和西安市之間，著生藻類完整性相比豐水期有所升高，水生態(tài)健康狀況較好。

殷旭旺等[21]基于底棲動物完整性指數(shù)在豐水期和枯水期對渭河流域進行了健康評價，結果顯示，不同水文期底棲動物完整性指數(shù)評價結果一致，即渭河上游、北洛河中上游地區(qū)較為健康，渭河下游、涇河全流域以及北洛河下游健康狀況較差，這一結果與本研究結果相一致。但枯水期底棲動物物種豐富度、多樣性指數(shù)以及生物量明顯低于豐水期。武瑋等[22]基于魚類完整性指數(shù)對渭河流域展開調查，結果顯示豐水期35.6%的點位為健康和較好狀態(tài)，比枯水期多了一倍以上，但評價結果空間分布特征與本研究相一致。P-ibi評價結果在豐水期和枯水期存在較大差異，枯水期P-ibi評價結果呈現(xiàn)兩極分化趨勢，較好和較差點位數(shù)量均高于豐水期。造成這一差異的主要原因可能在于枯水期河流流量較小，水環(huán)境質量較高的點位，低流速的生境更適宜著生藻類的附著[23]，而水環(huán)境質量較差的點位，河流流速較低，系統(tǒng)內的物質循環(huán)較慢，電導率和富營養(yǎng)元素濃度過高，導致著生藻類群落結構的多樣性和穩(wěn)定性降低[24]。

2.3 P-IBI與P-ibi評價結果比較

從P-IBI和P-ibi評價結果點位分布情況（見圖5）可以看出，無論是豐水期還是枯水期，P-ibi評價結果均高于P-IBI，P-ibi評價結果為健康、較好和一般等級的點位數(shù)量明顯多于P-IBI。豐水期P-IBI與P-ibi評價結果完全一致的點位數(shù)為18個，相差一個健康等級的點位數(shù)為29個，相差2個等級的點位數(shù)為11個，相差3個等級的點位數(shù)為2個。枯水期P-IBI與P-ibi評價結果完全一致的點位數(shù)為14個，相差一個等級的點位數(shù)為26個，相差2個等級的點位數(shù)為16個，相差3個等級的點位數(shù)為4個。P-IBI與P-ibi評價結果沒有相差4個健康等級的點位。雖然兩種評價方法存在一定差異，但超過70%的點位兩種評價結果是一致或僅相差一個健康等級，枯水期兩種方法評價結果的差異性要高于豐水期。

評價結果點位分布此外，用P-IBI評價結果在參照點位和受損點位做箱體圖（見圖6）對比分析，結果顯示，無論豐水期還是枯水期，參照點位的箱體與受損點位的箱體完全不重合，表明P-IBI在參照點位和受損點位的數(shù)值相差較大。可以看出，參照點位P-IBI均值在0.4以上，根據(jù)表2健康分類標準，均在較好等級以上;受損點位P-IBI均值為0.2左右，表明多數(shù)點位處于較差水平。對P-IBI在參照點位和受損點位的評價結果進行非參數(shù)檢驗（Mann-Whitney U），統(tǒng)計結果顯示，參照點位和受損點位的P-IBI值差異極顯著（P<0.01），表明P-IBI可以較好地區(qū)分參照點位和受損點位水生態(tài)健康狀況，與P-ibi評價結果相一致。對于參照點較難選取的流域，可以通過累計系數(shù)法構建生物完整性評價指數(shù)，對流域的水生態(tài)健康狀況進行評價。

累計系數(shù)法在浮游植物生物完整性構建中應用較為廣泛。Wu等[25]基于累計系數(shù)法構建浮游植物完整性指數(shù)對德國低地河流進行了健康評價，結果顯示，點源污染是造成德國低地河流生態(tài)健康狀況較差的主要原因，并且證實了浮游植物完整性指數(shù)可以作為有效的評價方法進行長時間序列的監(jiān)測;Wu等[26]評價太湖流域水生態(tài)健康狀況時應用累計系數(shù)法構建浮游植物完整性指數(shù)，并對比分析了浮游植物完整性指數(shù)和水環(huán)境質量指數(shù)評價結果的異同，結果表明，兩個指數(shù)具有顯著的相關性，浮游植物完整性指數(shù)的評價結果要低于水環(huán)境質量指數(shù)的。浮游植物漂浮于水體之中，與著生藻類相比，受環(huán)境因素影響更大，與環(huán)境因子的相關性更強，多數(shù)浮游植物生物參數(shù)的CoI值在0.02以上。著生藻類CoI值雖然普遍較低，但評價結果并沒有因此受到很大程度的影響，表明應用累計系數(shù)法構建著生藻類完整性指數(shù)同樣具有較好的適用性。

3 結 論

分別采取參照點對比法和累計系數(shù)法構建著生藻類生物完整性指數(shù)，對渭河流域水生態(tài)健康狀況進行評價。結果表明參照點對比法構建的著生藻類生物完整性指數(shù)（P-ibi）評價結果普遍高于累計系數(shù)法構建的著生藻類生物完整性指數(shù)（P-IBI），但兩種評價結果空間分布趨勢基本一致，即渭河源頭水生態(tài)健康狀況較好，應重點保護;渭河下游、涇河流域以及北洛河上游水生態(tài)健康狀況較差，應重點治理。非參數(shù)檢驗結果顯示，P-IBI在參照點位的健康狀況與受損點位具有顯著差異，表明對于受人類活動干擾較大的流域，在參照點位選取困難的情況下，可以用累計系數(shù)法代替參照點對比法構建完整性指數(shù)，進行河流健康評價。

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【責任編輯 張 帥】