基于周叢藻類的雅魯藏布江流域水生態系統健康評價

王纖纖 劉樂樂 楊學芬 楊瑞斌* 劉海平

(1.華中農業大學水產學院, 武漢 430070; 2.西藏自治區農牧科學院水產科學研究所, 拉薩 850002; 3.西藏自治區動物疫病預防控制中心(畜牧總站), 拉薩 850000)

周叢藻類(Periphyton), 又名著生藻類、底棲藻類等[1,2], 是水生態系統中主要的生物類群之一, 營自養生活, 其通過光合作用將太陽能轉化為化學能儲存起來[3], 并產生和釋放氧氣, 推動水生態系統中的物質循環、能量流動和信息傳遞, 是水生態系統中食物鏈的開端。周叢藻類擁有較高的初級生產力, 其種類豐富, 附著生長, 生活周期短, 對水環境變化敏感[4,5], 能吸附水體中的污染物, 凈化水質[6],且其種類組成和數量多寡, 又會隨水環境中水質理化因子和污染物的變動和而發生相應的改變, 加之,周叢藻類的附著生活使其易于采集, 所以, 在急流水域周叢藻類是重要的水質監測指示物種, 常用于水生態系統的健康評價中[7—9]。

河流作為生命的搖籃, 是自然生態系統中一種主要的形態, 隨著人類對自然干預力度的增加, 許多河流面臨天然水生態系統發生改變[10]、水文情勢發生變化[11]、河流連通性改變[12]、水環境污染[13]、河道萎縮[14,15]和河道斷流[16,17]等問題, 這些問題直接作用于水環境中的動植物, 使得水體中的魚、蝦、蟹、螺、浮游動植物、底棲動植物等的群落結構、生物多樣性和種群的穩定性受到威脅[18], 降低河流的健康狀態和生態服務功能。故對河流水生態系統的健康狀態進行科學的評估, 逐漸成為了國內外研究者關注的焦點, 但若僅依靠水質理化因子對河流進行健康評價, 局限性較多, 而依據生物完整性指數(Index of Biological Integrity, IBI)體系, 則可從水生態系統結構與功能的角度, 分析河流的健康現狀及其原因[19], 在李喆等[7]對松花江、劉園園等[8]對三峽庫區、張遠等[19]對遼河流域等的研究中, 均運用了生物完整性指數對水域進行健康評價。

雅魯藏布江流域平均海拔高、水溫低、紫外輻射強, 是西藏境內最為主要的自然水生態系統,能調節西藏的氣候特征, 具有眾多低海拔河流所不具有的特殊地貌及生態條件, 其生態環境十分敏感脆弱, 極易受到全球氣候變化和人類活動干擾等事件的影響, 保證其水環境擁有較高的健康狀態, 是守護西藏綠水青山的重要基礎, 研究雅魯藏布江流域水生態系統中有機生命體的組成和無機生活環境的狀態等, 將對整個流域的可持續發展有積極的推動作用。目前, 對雅魯藏布江流域進行健康評價的研究報道較為少見, 故本文將以雅魯藏布江流域的周叢藻類為研究對象, 利用周叢藻類來構建適合于雅魯藏布江流域的生物完整性指數(Periphytic index of biological integrity, P-IBI)綜合評價指標體系[20], 以期對研究區域的水生態系統健康狀況進行科學評價, 這將為西藏土著魚類食性和攝食機制等的研究提供餌料數據基礎, 也能科學評價該區域河流水生態系統的健康狀況, 是保障西藏水生態安全,實現資源可持續發展與環境保護等作用的基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區域和采樣時間

雅魯藏布江流域位于岡底斯-念青唐古拉山脈和喜馬拉雅山脈之間[21], 起源于中國西藏自治區日喀則市仲巴縣境內的杰馬央宗曲, 依據流域地形特征與氣候類型對河道進行分區: 杰馬央宗曲至拉孜為上游, 是水流平緩的高原寬谷地帶, 河流兩岸以新月形沙丘居多, 為高原寒溫帶半干旱氣候,年平均降水量<300 mm, 流域面積2.67×104km2, 長約268 km,總落差1190 m, 占干流總落差的21.9%; 拉孜至派鎮為中游, 河谷寬窄交錯, 河流兩岸以河漫灘與階地居多, 多為高原溫帶半干旱氣候,年平均降水量300—600 mm, 流域面積16.5×104km2, 長約1293 km, 總落差1520 m, 占干流總落差的28.1%; 派鎮至巴昔卡為下游, 河道曲折迂回, 水流湍急, 河谷峽深, 高溫多雨,年平均降水量>4000 mm, 流域面積5.03×104km2, 長約496 km, 總落差2725 m, 占干流總落差的50.0%[22,23]。帕隆藏布江、尼洋河、拉薩河和年楚河是雅魯藏布江流域下游至上游沿岸的一級支流(圖1)。雅魯藏布江流域屬高原季風溫帶半干旱氣候, 有明顯的干濕季, 氣候垂直差異明顯, 其流域常年低溫,年平均最低氣溫為–3℃,年平均最高氣溫為16.2℃, 晝夜氣溫溫差可達14.7—16.5℃, 每年5—9月為集中降雨期, 降水量可達全年的80%[24],是西藏境內最為主要的自然水域。

圖1 研究區域采樣點分布圖Fig.1 Distribution map of sampling points in the study area

本研究在雅魯藏布江流域干支流上設置了26個采樣點, 并先后于2013年10月、2014年4月和2014年7月, 開展了3次采樣工作。每個采樣點均用GPS定位, 采樣前需記錄每個點位的海拔、坐標、河道底質類型及構成比例、河岸植被類型、水電工程等環境數據(表1), 隨后進行周叢藻類樣品的采集。每次采樣的同一采樣點均需進行3次平行采樣, 樣點分布如下:

干流采樣點設置: 上游2個采樣點, 中游6個采樣點(中上游、中下游各設置3個采樣點), 下游3個采樣點;支流采樣點設置:年楚河2個采樣點, 拉薩河4個采樣點、尼洋河4個采樣點、帕隆藏布江5個采樣點(表1)。

1.2 周叢藻類采集及物種鑒定

根據河道底質類型選擇不同的采樣方法, 若底質為黏土, 在采樣點河水中提前半個月放入20 cm×20 cm的玻璃板, 采樣時刷取玻璃板上的周叢藻類,若底質以卵石為主, 各樣點隨機選取3—5塊河流里附有藻類的形狀規整、易于測量表面積的石塊, 用直徑為3.5 cm的塑料蓋蓋在石塊表面, 并用拇指固定石塊和蓋子, 先用硬毛刷和蒸餾水將蓋子以外的周叢藻類清除, 再用新的刷子將選取表面積的周叢藻類刷下。用蒸餾水多次沖洗玻璃板或石塊, 待沖凈, 將周叢藻類刷液全部轉入500 mL采樣瓶中, 立即用甲醛溶液固定, 帶回實驗室避光靜置48h后, 濃縮至50 mL樣品瓶中, 以待后續分析[25]。

周叢藻類種類鑒定與計數。周叢藻類的鑒定主要參照《中國淡水藻類》[26]和《中國西藏硅藻》[27]。取處理好的樣品, 于面積為20 mm×20 mm,容量為0.1 mL的計數板中, 在10×40倍光學顯微鏡下進行觀察和計數, 每片計數要大于300個, 每個樣品進行2次平行計數, 2次計數結果之差應小于15%,否則重新計數, 有效統計數值取平均值, 所得均值即為該片周叢藻類的數量[20]。

1.3 周叢藻類生物完整性指數(P-IBI)評價體系的構建

P-IBI體系的建立: 采樣點數據資料收集-參考點和污染點的確定-備選指標的篩選與確定-備選指標賦分-P-IBI體系健康評價。

(1)采樣點數據資料收集: 對周叢藻類的每一個采集地所屬的河道特征和周邊環境數據進行記錄和拍照留影;

(2)參考點和污染點的確定: 人類對西藏河流水環境的開發和利用, 相比于內地的其他河流程度較低, 依據參考文獻[28, 29]的方法, 并結合西藏實際,采樣區域參考點需滿足如下三個條件: ①采樣點無人為干擾因素; ②采樣點無明顯人類活動干擾的跡象, 其上游無點污染源, 且上、下游5 km之內無村莊, 兩側100 m寬5 km長的范圍內無農田; ③采樣點無明顯工程建設, 或工程建設未對河岸兩側植被、附屬沼澤濕地、河流水質等自然生境產生明顯影響。上述數據主要通過野外實地考察及實驗室數據分析獲得。在本研究的26個樣點中, 結合表1可知, 有21個樣點符合無干擾和干擾極小樣點被用作參照點, 剩余的5個采樣點為污染點(表2)。

表1 研究區域采樣點分布及信息Tab.1 Sampling point distribution and information

表2 采樣點中參考點和污染點的劃分Tab.2 The division of reference points and pollution points in sampling points

(3)備選指標的篩選與確定: 根據已有的文獻[20], 選取12個應用廣泛且入選率較高的指標作為備選指標(表3)。并對這12個備選指標依次進行:指數值分布范圍分析、判別能力分析、Pearson相關性分析, 以此篩選出合適的評價參數指標[29]。①指數值分布范圍分析: 分析各指數值的分布范圍時, 需刪除分布范圍太窄、可預測環境變化值的范圍太小、分布散亂、標準差大、不穩定的指標, 經上述分析, 備選指標全部適合無需剔除指標。②判別能力分析: 將監測期間的26個采樣點, 依據參考點和污染點進行區分, 隨后以參考點和污染點為分組原則, 對12項備選指標繪制箱線圖(Box plots), 并對12個箱線圖中參考點與污染點箱體25%—75%分位數范圍, 即箱體IQ(Interquartile ranges)的重疊部分進行比較分析, 當參考點與污染點的箱體沒有重疊部分, 或有部分重疊, 但參考點與污染點的中位數值都不在對方箱體之內, 則可進入下一步計算分析(圖2), 反之, 則要剔除該項備選指標。③Pearson相關性分析: 對通過判別能力分析的指標進行Pearson相關性分析, 依據相關性系數|r|>0.75, 進行指標選擇, 即: 當幾個指標的相關性>0.75時, 只需選出一個指標代替其余指標。

圖2 符合判別能力篩選條件的2類箱線圖[29]Fig.2 Types of box plots that meet the screening conditions of discriminant ability

表3 P-IBI 備選指標描述及對干擾的反映Tab.3 P-IBI alternative indicator description and its response to interference

(4)備選指標賦分:①三分制法: 對隨干擾減小的指標, 高于參考點的25%分位數值(對隨干擾增大的指標, 低于參考點的 75%分位數值), 計6分; 低于25%分位數值(高于75%分位數值)的分布范圍進行二等分, 分別計3分和0分[30]。②四分制法: 對隨干擾減小的指標, 以所有點的95%分位數值為最佳期望值(對隨干擾增大的指標, 以所有點的5%分位數值為最佳期望值), 低于(高于)此值的分布范圍進行三等分, 依次計6、4、2、0分[20]。③比值法: 對隨干擾增強, 指數值減小的指標, 95%分位數值為最佳期望值, 各指標的分值等于指標值除以所有點的95%分位數值; 對隨干擾增大的指標, 以所有點的5%分位數值為最佳期望值進行計算, 方法為: (最大值–指數值)/(最大值–5%分位數值), 該法規定, 經計算后分值的分布范圍為0—1, 若大于1, 則記為1[29]。

(5)P-IBI體系健康評價: 以參考點P-IBI值分布的25%分位數作為健康評價的標準, 若采樣點的PIBI值大于25%分位數值, 則表示該樣點受到的干擾很小, 水環境是健康的; 對小于25%分位數值的分布范圍進行四等分, 分別確定為健康、亞健康、一般、較差、極差五個健康等級[29]。

1.4 數據分析

采用物種豐富度(Species Richness, SR), 總豐度(Total Abundance, TA), Shannon-Wiener多樣性指數(Shannon-Wiener Index, SH,H′)和Pielou均勻度指數(Pielou index, PI,J)對周叢藻類的群落穩定性和分配均勻度等進行分析。本研究根據各采樣點周叢藻類出現的頻率和相對豐度, 采用Mcnaughton優勢度指數(Y)來判定雅魯藏布江流域周叢藻類優勢種組成。具體如下: (1)物種豐富度(Species Richness, SR): 指某一采樣點或者季節出現的物種個數[31]。(2)總豐度(Total Abundance, TA): 指某一采樣點或者季節單位面積出現的周叢藻類細胞個體數(cells/cm2)[31]。(3)Shannon-Wiener指數H′[32]

式中,H′值0—1為重污, 1—3為中污(1—2為α-中污型, 2—3為β-中污型), >3為輕污或無污;pi為周叢藻類i占全部周叢藻類的比例(N%)。

(4)Pielou均勻度指數J[33]

式中,J值0—0.3為多污型, 0.3—0.4為α-中污型,0.4—0.5為β-中污型, >0.5輕污或清潔;S為周叢藻類種類總數。

(5)出現頻率: 指某一周叢藻類出現的次數占所有調查樣點數的百分比[31]。

(6)本研究采用Mcnaughton優勢度指數(Y)來判定雅魯藏布江流域周叢藻類優勢種組成, 將調查時間內周叢藻類的優勢種根據每個種類的優勢度值(Y)來確定, 即將Y>0.02的種類判定為調查水域的優勢種[34]。公式如下:

Y=(ni/N)×fi

式中,ni為第i種周叢藻類的個體數,N為所有周叢藻類的總個體數,ni/N為第i種周叢藻類的個體數占所有藻類總個體數的比值,fi為第i種周叢藻類出現的頻率。

本研究中的數據用Excel進行統計, 同一采樣點所用周叢藻類數據均為3次采樣平均值。用R 3.6.1計算物種豐富度(Species richness, SR)、總豐度(Total abundance, TA)、Shannon-Wiener多樣性指數(H′)、Pielou均勻度指數(J)和Mcnaughton優勢度指數(Y), 并用Spss22.0對數據進行One-way ANOVA單因素方差分析, 差異顯著水平為P<0.05, 箱線圖的繪制和Pearson相關性的分析也使用Spss22.0。

2 結果

2.1 周叢藻類群落結構特征分析

周叢藻類的種類組成和優勢種分析采樣期間監測結果顯示, 雅魯藏布江干流及其四大支流共鑒定出周叢藻類70屬(種), 分別隸屬于7門10綱23目34科。如表4所示, 包括硅藻門(Bacillariophyta)、綠藻門(Chlorophta)、藍藻門(Cyanophyta)、黃藻門(Xanthophyta)、裸藻門(Euglenophyta)、隱藻門(Cryptophyta)和金藻門(Chrysophyta), 其中硅藻門2綱4目9科25屬, 綠藻門2綱9目13科23屬, 藍藻門2綱5目7科14屬, 黃藻門1綱2目2科2屬, 裸藻門1綱1目1科4屬, 隱藻門和金藻門各1綱1目1科1屬。整個監測期所有采樣點的周叢藻類優勢門類所占比例(圖3), 依次為硅藻門(35.71%)、綠藻門(32.86%)、藍藻門(20.00%)、裸藻門(5.71%)、黃藻門(2.86%)、隱藻門(1.43%)和金藻門(1.43%), 表明周叢藻類的群落結構整體上均屬于硅藻-綠藻-藍藻型水體。

圖3 雅魯藏布江流域周叢藻類的種類組成Fig.3 Species composition of periphyton in the Yarlung Zangbo River

以Mcnaughton優勢度指數Y>0.02確定為優勢種[34], 如表4所示, 整個調查期間, 調查水域周叢藻類的優勢種有8屬, 且均歸屬于硅藻門, 包括脆桿藻科的3屬, 分別為針桿藻屬(0.092)、脆桿藻屬(0.020)和等片藻屬(0.132), 舟形藻科的舟形藻屬(0.072), 橋彎藻科的橋彎藻屬(0.040), 異極藻科的異極藻屬(0.031), 曲殼藻科的曲殼藻屬(0.165), 菱形藻科的菱形藻屬(0.193)。

表4 雅魯藏布江干流及其四大支流周叢藻類組成Tab.4 The periphyton algae composition of the sampling period of the main stream of the Yarlung Zangbo River and its four major tributaries

續表4

周叢藻類群落參數的空間分布對26個采樣點進行監測發現, 周叢藻類物種豐富度(SR)的空間變化如下: 如圖4可知, 從干流到支流(A1—A26)周叢藻類的SR逐漸增大, 帕隆藏布江為雅魯藏布江干流下游的一級支流, 其(A12—A16)周叢藻類的SR明顯大于雅魯藏布江干流中下游(A2—A9)周叢藻類的SR, 尼洋河(A17—A20)、拉薩河(A21—A24)和年楚河(A25—A26)3條中上游支流周叢藻類的SR明顯大于雅魯藏布江干流上游(A10—A11)周叢藻類的SR。如圖5可知, 周叢藻類總豐度(TA)的空間變化如下: 帕隆藏布江(A12—A16)周叢藻類的TA明顯大于雅魯藏布江干流下游(A1—A3)周叢藻類的TA, 尼洋河(A17—A20)和拉薩河(A21—A24)周叢藻類的TA明顯大于雅魯藏布江干流中游(A4—A9)周叢藻類的TA,年楚河(A25—A26)周叢藻類的TA明顯大于雅魯藏布江干流上游(A10—A11)周叢藻類的TA。所以從流域整體來看, 雅魯藏布江流域干流周叢藻類的SR和TA均稍低于其相應支流周叢藻類的SR和TA。

圖4 雅魯藏布江流域周叢藻類物種豐富度(SR)空間變化趨勢Fig.4 The spatial variation trend of periphyton algae species richness in the Yarlung Zangbo River Basin

圖5 雅魯藏布江流域周叢藻類總豐度(TA)空間變化趨勢Fig.5 The spatial variation trend of the total abundance of periphyton algae in the Yarlung Zangbo River Basin

監測期間發現, 26個采樣點周叢藻類的Shannon-Wiener多樣性指數(H′)的變幅為4.84—9.41, 均值為7.38(圖6)。H′值空間變化如下: 除雅魯藏布江流域干流中游(A4—A6、A8)的H′值有極為明顯的向下波動外, 其余水域的H′值波動范圍較平緩, 且雅魯藏布江干流下游墨脫背崩鄉(A1)的H′值最大,為9.41, 雅魯藏布江干流中游桑日縣古雪村(A6)的H′值最小, 為4.84。由圖7可知, Pielou 均勻度指數(J)的變幅為2.41—4.80, 均值為3.30。J值空間變化如下: 雅魯藏布江流域中游干流部分點位(A4—A6、A8)及支流尼洋河(A17—A20)的J值稍低, 但J值均>0.5, 此外, 其余水域均有較高的J值; 且雅魯藏布江干流下游的墨脫縣城上游(A3)的J值最大,為4.80, 尼洋河的巴河尼洋河交匯處(A19)的J值最小, 為2.41。故周叢藻類的Shannon-Wiener多樣性指數(H′)和Pielou 均勻度指數(J)共同表明: 整個雅魯藏布江流域的清潔狀態較好, 但干流中游水域的清潔狀態稍低于其余調查水域。

圖6 雅魯藏布江流域周叢藻類Shannon-Wiener多樣性指數(H′)空間變化趨勢Fig.6 The spatial variation trend of Shannon-Wiener diversity index of periphyton algae in the Yarlung Zangbo River Basin

圖7 雅魯藏布江流域周叢藻類Pielou 均勻度指數(J)空間變化趨勢Fig.7 Spatial variation trend of the Pielou evenness index of periphyton algae in the Yarlung Zangbo River Basin

參考點與污染點周叢藻類群落參數分析如表2所示, 26個采樣點被劃分為21個參考點和5個污染點, 將參考點和污染點周叢藻類的物種豐富度(SR)、總豐度(TA)、Shannon-Wiener多樣性指數(H′)和Pielou均勻度指數(J)進行單因素方差性分析(表5)。結果顯示, 參考點周叢藻類的SR顯著大于污染點周叢藻類的SR(P=0.014<0.05), 參考點周叢藻類的TA小于污染點周叢藻類的TA, 但差異不顯著(P=0.326>0.05), 參考點周叢藻類的H′顯著大于污染點周叢藻類的H′(P=0.005<0.05), 參考點周叢藻類的J大于污染點周叢藻類的J, 且差異不顯著(P=0.730>0.05)。

表5 參考點與污染點周叢藻類的群落參數(平均值±標準差)Tab.5 Periphyton algae community parameters at reference point and pollution point (mean±SD)

2.2 雅魯藏布江流域健康評價

確定備選指標判別能力分析(圖8)結果顯示, 非硅藻屬類單元數(M2)、Shannon-Wiener多樣性指數(M3)、周叢藻類物種種數(M6), 共3個參數指標符合篩選規則, 可進入下一步分析。

圖8 各入選 P-IBI 指標在參考點和污染點的箱線圖Fig.8 Box plot of each selected P-IBI indicator at the reference point and pollution point

對上述步驟篩選出的3項指標進行Pearson相關性檢驗(SPSS 22.0; 表6), 結果顯示, 非硅藻屬類單元數(M2)、Shannon-Wiener多樣性指數(M3)和周叢藻類物種種數(M6)的相關性系數兩兩之間均為|r|<0.75, 符合備選要求。

表6 備選P-IBI指標的Pearson相關性分析Tab.6 Pearson correlation analysis of alternative P-IBI indicators

依據以上篩選方法對12項周叢藻類的生物參數進行選擇, 最終P-IBI指數由非硅藻屬類單元數(M2)、Shannon-Wiener多樣性指數(M3)和周叢藻類物種種數(M6)共3項指數構成。

P-IBI 體系指標分值計算及計分標準將篩選出的指標分別應用3分制法、4分制法、比值法計算各指標分值(表7—9)。

根據 3 分制法的計分標準(表7), 將篩選所得指標的分值進行加和, 即獲得P-IBI值。以參考點的25%分位數為最佳期望值, 確定P-IBI指標體系評價標準(表10), 進而得出各采樣點周叢藻類生物完整性評分即水環境健康狀況評價, 結果如下: 在26個采樣點中, 18個采樣點水環境的健康狀態評價結果為健康, 5個采樣點水環境的健康狀態評價結果為亞健康, 2個采樣點水環境的健康狀態評價結果為一般, 1個采樣點水環境的健康狀態評價結果為較差; 三分制法對污染點的水環境健康狀態評價結果為: 較差-亞健康; 三分制法對參考點的水環境健康狀態評價結果為: 亞健康-健康; 三分制法對26個采樣點整體的水環境健康狀態評價結果為較差-健康(表11)。

表7 三個P-IBI 指標在參照點中的分布及三分制法計分標準Tab.7 The distribution of 3 P-IBI indicators in the reference point and the scoring standard of the 3-point system

表10 三分制法P-IBI體系評價標準Tab.10 3-point method P-IBI system evaluation standard

表11 三分制法P-IBI體系評價結果Tab.11 Evaluation results of the P-IBI system based on the 3-point system

根據四分制法的計分標準(表8), 將篩選所得指標的分值進行加和, 即獲得P-IBI值。以參考點的25%分位數為最佳期望值, 確定P-IBI指標體系評價標準(表12), 進而得出各采樣點周叢藻類生物完整性評分即水環境健康狀況評價, 結果如下: 26個采樣點中, 16個采樣點水環境的健康狀態評價結果為健康, 3個采樣點水環境的健康狀態評價結果為亞健康, 4個采樣點水環境的健康狀態評價結果為一般, 3個采樣點水環境的健康狀態評價結果為較差;四分制法對污染點的水環境健康狀態評價結果為:較差-亞健康; 四分制法對參考點的水環境健康狀態評價結果為: 一般-健康; 四分制法對26個采樣點整體的水環境健康狀態評價結果為: 較差-健康(表13)。

表8 三個P-IBI 指標在所有樣點中的分布及四分制法計分標準Tab.8 The distribution of 3 P-IBI indicators in all samples and the scoring standard of the 4-point system

表12 四分制法P-IBI體系評價標準Tab.12 4-point method P-IBI system evaluation standard

表13 四分制法P-IBI體系評價結果Tab.13 Evaluation results of the P-IBI system based on the 4-point system

根據比值法的計分標準(表9), 將篩選所得指標的分值進行加和, 即獲得P-IBI值。以參考點的25%分位數為最佳期望值, 確定P-IBI指標體系評價標準(表14), 進而得出各采樣點周叢藻類生物完整性評分即水環境健康狀況評價, 結果如下: 在26個采樣點中, 16個采樣點水環境的健康狀態評價結果為健康, 7個采樣點水環境的健康狀態評價結果為亞健康, 3個采樣點水環境的健康狀態評價結果為一般; 比值法對污染點的水環境健康狀態評價結果為一般-亞健康; 比值法對參考點的水環境健康狀態評價結果為亞健康-健康; 比值法對26個采樣點整體的水環境健康狀態評價結果為: 一般-健康(表15)。

表9 比值法計算3個 P-IBI 指標分值的公式Tab.9 The formula for calculating the scores of 3 P-IBI indicators by ratio method

表14 比值法P-IBI體系評價標準Tab.14 Ratio method P-IBI system evaluation standard

表15 比值法P-IBI體系評價結果Tab.15 Evaluation result of P-IBI system by ratio method

采用三分制法、四分制法和比值法對雅魯藏布江流域的21個參考點和5個污染點分別進行評分,并對3類評分方法的參考點和污染點得分, 進行判別能力分析[29](圖9), 結果顯示, 以上3類評分方法的判別能力都很高, 均滿足箱線圖法的最佳規則,即采用任何一種方法均適用于本調查水域的健康評價。

圖9 三類評分法判別能力分析Fig.9 Analysis of discriminant ability of three types of scoring

3 討論

3.1 雅魯藏布江流域周叢藻類的組成特點

本研究水域共鑒定出周叢藻類7門10綱23目34科70屬(種), 周叢藻類的種類數稍多于學者們在尼洋河調查發現的6門30科49屬[31]、謝通門江段的6門67屬[35], 這是因為尼洋河和謝通門江段均為雅魯藏布江流域的部分水面, 其調查區域范圍稍小于本研究。但與內地水域相比本調查區域周叢藻類的種數較少, 這可能與調查水域常年低溫有關, 雅魯藏布江流域年平均氣溫為–3—16.2℃[24], 冬季水溫可低至2.8℃[35], 梁霞[36]指出: 大多數周叢藻類在水溫降到15℃以下, 藻墊和著生基質間便開始發生脫落, 周叢藻類就開始大量凋亡, 只有少數周叢藻類能在低溫水域長期生長繁殖, 此外, 高原環境中超強的紫外輻射會損傷藻類的細胞結構, 也會使水環境中的藻類減少[37]。

調查水域周叢藻類的優勢種包括針桿藻、脆桿藻、等片藻、舟形藻、橋彎藻、異極藻、曲殼藻和菱形藻, 優勢種均隸屬于硅藻門周叢藻類, 這與硅藻喜低溫水環境生活有關[38]。雅魯藏布江流域周叢藻類中的硅藻門、綠藻門和藍藻門為前3個優勢門類, 故該水域屬硅藻-綠藻-藍藻型結構, 是典型的高海拔河流水體類型[39], 這可能與河流主要依靠冰山融雪補給, 使得河流水質清瘦[35], 水體中營養鹽含量較低, 供給周叢藻類的養分較少有關[40]。

3.2 周叢藻類對雅魯藏布江流域的健康評價

藻類物種多樣性的變化和分布特征, 既能直接反映水體中藻類的多樣性、均勻度和群落結構穩定性等的狀態, 還能間接對水環境的健康狀態進行評價[41—43], 所以進行周叢藻類的生物多樣性指數特征性分析, 對水生態系統的發展意義重大。依據Shannon-Wiener多樣性指數和Pielou均勻度指數數值分布規律, 數值越大說明周叢藻類的種類越豐富,周叢藻類分布越均勻, 水質狀態越好[44], 反之, 數值越小說明周叢藻類的種類越稀少, 周叢藻類分布越不均勻, 水質狀態越差[45]。在調查期間, Shannon-Wiener多樣性指數(H′)的變幅為4.84—9.41, 均值為7.38, 最小值>3(輕污或無污型水體)[32], Pielou 均勻度指數(J)的變幅為2.41—4.80, 均值為3.30, 最小值>0.5(輕污或清潔型水體)[33], 說明, 2013—2014年, 雅魯藏布江流域干支流整體上為輕污型-清潔型水體。

本研究基于周叢藻類的群落結構, 利用周叢藻類的群落參數(Shannon-Wiener多樣性指數、Pielou均勻度指數)和P-IBI評價指標體系對雅魯藏布江流域水生態系統進行健康評價研究。結果顯示: 周叢藻類群落的Shannon-Wiener多樣性指數、Pielou均勻度指數和P-IBI評價指標體系對雅魯藏布江流域的評價結果相一致。就周叢藻類群落的Shannon-Wiener多樣性指數和Pielou均勻度指數而言, 污染點的Shannon-Wiener多樣性指數和Pielou均勻度指數均較參考點小, 說明污染點的清潔狀態較參考點的清潔狀態差。在P-IBI評價指標體系中, 污染點未有判定為健康狀態的點位, 這也表明污染點的清潔狀態較參考點的清潔狀態差。由表2可知, 劃定的污染點全部分布于雅魯藏布江流域干流中游, 故從流域整體來看, 雅魯藏布江流域干流上下游及其4大支流水生態系統的健康狀態優于雅魯藏布江流域干流中游的健康狀態。

周叢藻類群落參數和P-IBI評價指標體系的評價結果, 基本反映了雅魯藏布江流域的水環境和生境質量特征。雅魯藏布江流域干流下游水域設置的采樣點周邊無明顯的水利水電工程建設, 無采礦和挖沙等的破壞, 人為干擾較小, 水質潔凈, 健康狀態好。雅魯藏布江流域干流中游水域設置的采樣點的周邊區域人類開發利用較大, 出現了諸多如渡口、采砂廠和水電站等工程建設, 且河流沿岸兩側的生境出現了植被減少, 沙化嚴重的現象, 雖周叢藻類的Shannon-Wiener多樣性指數和Pielou均勻度指數仍符合輕污-清潔型水體標準, 但數值顯著減小, 說明周叢藻類的生境已受采樣點沿岸水利水電作業的影響。雅魯藏布江流域干流上游水域設置的采樣點的周邊區域也建設有水文站, 但采樣點的水質清澈, 生境質量較好, 故沒有將其劃分為污染點。帕隆藏布江周叢藻類Shannon-Wiener多樣性指數和Pielou均勻度指數均在A13號和A16號采樣點較低, 與P-IBI評價指標體系對A13號和A16號采樣點的評價結果出現亞健康狀態相一致, 這與A13號采樣點水流極其湍急, 不利于周叢藻類的附著生長有關, A16號采樣點在比值法賦分的P-IBI評價指標體系中呈亞健康狀態, 在三分法和四分法賦分的P-IBI評價指標體系中呈健康狀態, 這可能與人工自河流引水入湖有關, 且說明該采樣點的人為引水對周叢藻類的生境產生了影響, 但影響不大, 需隨時監測該點的水環境健康狀態。尼洋河沿岸上設置的4個采樣點周邊存在大型施工機器和施工采石車輛, 但采樣點河岸兩側植被覆蓋率高, 自然生境保存較為完整, 拉薩河沿岸上設置的4個采樣點的周邊生境質量較好, 河岸兩側有大量的植被, 沼澤濕地生態較好, 水質清澈, 故尼洋河和拉薩河均不劃分為污染點, 且P-IBI評價指標體系對尼洋河和拉薩河流域的評價結果均為健康狀態, 與采樣點周叢藻類的Shannon-Wiener多樣性指數和Pielou均勻度指數均符合輕污-清潔型水體標準相一致, 但尼洋河和拉薩河采樣點周叢藻類的Shannon-Wiener多樣性指數和Pielou均勻度指數均有向下波動, 這可能與沿岸施工或該區域人口密集有關, 建議加強對尼洋河和拉薩河流域水生態系統的監測。年楚河沿岸設置了2個采樣點, 因A25號采樣點在城鎮周邊, 可能受到城鎮生活用水的影響, 為亞健康狀態,A26號采樣點河畔植被豐富, P-IBI評價指標體系表明其健康狀態較好, 這與該采樣點擁有較高的周叢藻類Shannon-Wiener多樣性指數和Pielou均勻度指數相一致。

文獻[46—48]指出: 人為干擾會影響周叢藻類的群落結構, 從而指示水域不同等級的健康狀態。雅魯藏布江流域是西藏境內最為主要的淡水來源,保證其水環境的健康將成為守護西藏青山綠水的基礎, 研究雅魯藏布江流域水生態系統中有機生命體的組成和無機生活環境的狀態等, 將對整個流域的健康和穩定有積極的作用。

4 結論

(1)2013—2014年, 在雅魯藏布江流域干支流共觀察到周叢藻類7門10綱23目34科70屬(種), 硅藻門(35.71%)、綠藻門(32.86%)和藍藻門(20.00%)為前3個優勢門類, 優勢種以硅藻門周叢藻類為主, 該水域屬硅藻-綠藻-藍藻型水體。(2)整個調查區域中,雅魯藏布江流域干流周叢藻類的物種豐富度(SR)和總豐度(TA)均稍低于支流; Shannon-Wiener多樣性指數的變幅為4.84—9.41, Pielou 均勻度指數的變幅為2.41—4.80, 則調查水域整體為輕污型-清潔型水體。(3)雅魯藏布江流域周叢藻類的生物多樣性特征與P-IBI評價體系共同說明: 雅魯藏布江流域干流上下游及其4大支流水生態系統的健康狀態優于雅魯藏布江流域干流中游的健康狀態。