基于著生藻類生物完整性指數的章江健康狀態評價

DOI：10.15928/j.1674-3075.202208310356

收稿日期：2022-08-31""""" 修回日期：2024-01-23

基金項目：國家自然科學基金（42107097）；江西省自然科學基金（20224ACB214013）。

作者簡介：馮穎縈，1997年生，女，碩士研究生，研究方向為水生態環境保護與修復。E-mail：fyying2e@163.com

通信作者：丁惠君，1983年生，女，博士，高級工程師，主要從事水生態環境保護與修復研究。E-mail：dingdinghuijun@163.com

摘要：基于河流著生藻類與水質監測數據，采用著生藻類生物完整性指數法（P-IBI）開展章江健康狀態評價，為河流生態系統恢復與水生態修復提供科學依據。通過對28個候選生物參數的分布范圍、判別能力和Pearson相關性分析，篩選出由藍藻屬總數、藍藻分類單元相對多度、可運動硅藻百分比3個核心指數組成的章江P-IBI指標體系，并根據其參照點的25%分位數值，確定章江流域河流健康評價標準。結果表明，章江流域P-IBI平均得分為1.91，河流健康狀態為一般狀態。9個采樣點中，2個處于健康狀態，2個良好狀態，2個一般狀態，3個較差狀態；相關性分析表明，P-IBI與高錳酸鉀指數（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）、總磷（TP）、氨氮（NH4+）、氧化還原電位（ORP）等水環境指標呈現顯著負相關。從空間尺度看，河流健康狀態從上游區到下游區呈現逐漸變差的趨勢，這與河流沿線城市和產業發展狀況密切相關。著生藻類生物完整性指數的河流健康評價結果與實際狀況基本吻合，說明采用P-IBI法可以較好地反映河流健康狀況。

關鍵詞：著生藻類；生物完整性指數；河流健康；章江

中圖分類號：X826""""""" 文獻標志碼：A""""""" 文章編號：1674-3075（2024）04-0165-10

河流與眾多生物通過食物鏈、物質循環、能量流動及水文循環交織在一起，構成相互耦合的生命支撐系統，發揮著巨大的生態效益和社會效益。隨著人類對水能資源的過度開發以及沿河活動的干擾增加，嚴重威脅到河流生態系統結構的完整性與功能穩定性。如何科學合理評估河流生態系統的自然特征、社會特征及其健康狀況，已成為水利科學、環境科學、生態學領域的熱點之一（王國勝等，2006；Bash amp; Ryan，2002；Bunn et al，2010；van Oosterhout amp; van der Velde，2014）。

生物完整性指數（index of biotic integrity，IBI）是評價河流生態系統健康狀況應用最廣泛的生態指標，由美國學者Karr（1981）最早提出。大量研究證明，生物完整性概念適用于河流生態系統健康評價（張方方等，2011）。IBI強調以水生生物為河流生態系統的主體（Dolédec amp; Statzner，2010），整合了一組可定量描述生態系統各種結構及功能的敏感性生物參數，通過比較參照點與受損點差異，定量描述人類或自然干擾和生物特性（組成成分與結構）之間的關系（何建波等，2018；王瑜等，2019；左新宇等，2019；Raburu amp; Masese，2012；Zhao et al，2019）。Karr（1981）構建了基于魚類的生物完整指數（F-IBI），并根據魚類群落結構與功能，從物種組成和生態因素方面選取了12個指標，評價美國中西部河流健康程度。經過40多年的發展，IBI的概念和方法拓展到底棲生物、著生藻類等不同生物類別。但著生藻類物種數量龐大，物種鑒定及分類對技術要求較高，短時間內發展和普及有一定難度；隨著藻類研究的深入，有學者指出著生藻類的豐富度及分布情況可以反映長期的水生態變化過程（李金秋，2020；桑翀，2020；Griffith et al，2005）。因此，著生藻類是極佳的河流生態系統健康狀況指示物種，相關的河流健康評價研究也日益引起重視。

著生藻類是河流生態系統的主要生產者，其位于河流生態系統食物鏈底端，擔負著能量傳遞的重要任務（吳述園，2013；譚香和張全發，2018）；其生長位置較為固定，不同的著生藻類對不同水環境的耐受性和喜好性差異明顯，且著生藻類的生命周期較短，更新速度較快，能夠快速對水環境中氮、磷等元素導致的無機鹽富營養化污染和有機物污染等做出響應（文航等，2011；Winte amp; Duthie，2000）。研究表明，著生藻類比大型底棲無脊椎動物和魚類對有機污染物更敏感，且監測結果更具準確性和預見性（Stevenson，1996）。因此，相對于其他指示物種，著生藻類在河流生態評價中更具優勢（Sabater，2000；Mihali? et al，2008）。本研究選擇鄱陽湖流域的章江構建P-IBI生物完整性指標體系與標準，對章江水生態健康狀況予以定量評價，以期為章江河流生態系統恢復與水生態修復提供科學依據，也為基于著生藻類的河流健康評價研究和應用提供參考。

1"" 材料與方法

1.1"" 流域概況

章江（113°48′～115°05′E，25°20′～26°15′N）是江西省鄱陽湖流域贛江上游左岸一級支流，河流總長215.5 km，位于江西、廣東、湖南交界處（栗圓圓和邱熠晨，2014；邊曉輝，2020）；發源于大庾嶺北麓的崇義縣，自西南向東北流經大余縣和南康市，最終與上猶江匯流于南康市湖頭圩三江口，至章貢區八境臺下匯入贛江。其中，章江河源至大余縣城為上游段，河道彎曲狹窄，多為峽谷地帶；大余縣城至南康市區為中游段，沿岸為帶狀河谷平原，河床多為沙卵石，少數為礁石；南康市區至河口為下游段，地勢較開闊，河道較寬淺，河床主要由細沙組成。章江不僅是贛州市大余縣、南康區、章貢區等多地灌溉發電、飲水用水的重要水功能體系，還是贛江最重要的生態屏障（邊曉輝等，2020；羅登明，2011），其健康狀況代表贛江源頭的河流健康狀況。

1.2"" 樣品采集與分析

本次研究范圍為章江主流的大余縣境至河口段，總長163.4 km。根據《河流水生態環境質量監測與評價技術指南》中監測斷面設置的連續性、一致性、代表性及可行性原則，結合章江地貌特征及分區、水文特征、水質狀況、水生物特征及流域經濟狀況、社會發展差異性，綜合考慮樣點布設均勻性及代表性，將章江流域河流健康評價河段劃分為9段，評價河段設置能夠較好地代表章江的總體情況。在各評價河段設置1個監測點位，其中章江上、中、下段各布設3個樣點（圖1，表1），共布設9個監測斷面，以監測點位為中心，以上下游各50 m（監測河段總長100 m）范圍為采樣區域進行樣品采集。采樣時間為2021年9月和11月。

依據河流生境情況，著生藻類分別定量采集浸沒于水中的鵝卵石或礫石（采樣面積58.9 cm2），將所選基質上的藻類用蒸餾水沖刷至廣口瓶中，魯哥氏液固定，貼好標簽帶回實驗室。每個監測斷面采集3個平行樣，沉淀24 h，棄去上清液，將剩余的液體攪動，轉移并定容至100 mL樣品瓶中，將樣品充分搖勻后，用移液槍吸取0.1～0.2 mL的懸濁液，滴在蓋玻片上涂勻并注入Naphrax膠，待冷卻干燥后置于10×100倍顯微鏡下觀察，參考相關文獻（胡鴻鈞等，1980；胡鴻鈞等，2006）進行物種鑒定和數量計算。

水樣采集在河流斷面設置左、中、右3個采樣點，使用便攜式多參數水質分析儀（YSI-Pro Plus）現場測定溶解氧（DO）、pH、電導率（EC）等水質參數，同時在河中央上覆水層用干凈不銹鋼桶采集水樣裝入1 L聚乙烯采水袋中，水樣用酸調至 pHlt;2，在0～4℃低溫箱中于48 h內運回實驗室，按照國家環境保護總局（2002）推薦的《水和廢水監測分析方法》測定水體高錳酸鉀指數（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）、總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮（NH4+）等理化指標。

1.3"" 確定參照點位

確定參照點是開展生物完整性評價的前提（張宇航等，2020）。本文通過綜合各點位水體理化因子，找出人類干擾相對較小的參照點位（殷旭旺等，2012）。對章江所有點位的水環境理化因子進行主成分分析（principal component analysis，PCA），篩選出主要污染因子；對篩選出的環境因子進行偏相關分析（partial correlation test，PCT），顯著相關（Plt;0.05）的2個水體理化因子保留其一，確定章江流域起主要影響作用的水環境因子；其中，進行PCA和 PCT分析時，水體理化數據均進行lg（x+1）標準化轉換。對篩選出的環境因子進行聚類分析（cluster analysis，CA），根據聚類結果，結合生境特點，確定參照點位。

1.4"" 構建P-IBI指標體系

1.4.1"" 確定候選參數"" 基于著生藻類的群落結構特征，參考廖靜秋和黃藝（2013），選擇對生境變化響應較為敏感的指標作為著生藻類生物完整性指數候選參數，包括物種豐富度、敏感類群、群落多樣性、相對豐度、生態型以及生物量和密度共6類28個參數（表2）。

1.4.2"" 生物參數篩選"" 根據候選指標的參數得分從分布范圍、判別能力和相關性分析進行篩選。

（1）分布范圍。若某指標在超過95%的樣點得分均為0，則放棄該指標。

（2）判別能力。參考篩選原則和評價方法（Barbour et al，1996;Rawer-Jost et al，2004），比較其余候選指標參照點位和受損點位數值在25%～75%的IQ（Interquartile Ranges）內重疊情況，并分別賦予不同的值。沒有重疊，IQ=3；部分重疊，但各自中位數值都在對方箱體范圍之外，IQ=2；僅1個中位數在對方箱體范圍之內，IQ=1；各自中位數值都在對方箱體范圍之內，IQ=0。只有IQ≥2 的參數才進行下一步相關性分析。

（3）相關性分析。對箱體圖判別篩選出的參數進行兩兩Pearson相關性檢驗，采用Maxted的標準，顯著相關（Plt;0.05）且|r|gt;0.75的2個指標間高度相關，對高度相關的指數，取其中1個包含信息較多的指數進行計算。

1.4.3"" 評價參數分值計算"" 比值法是最常用的生物指數計分方法，各評價參數分值采用比值法確定。對于受干擾越強而值越低的生物指數，以95%分位數為最佳期望值，計算方法為實際值/最佳期望值；對于受干擾越強而值越高的生物指數，以5%分位數為最佳期望值，計算方法為（最大值?實際值）/（最大值?最佳期望值）。各評價參數分值設定為0～1；若大于1，則記為1。

1.4.4"" P-IBI指標體系評價標準"" 將選定的各評價參數的分值進行求和，得到著生藻類生物完整性指數值（P-IBI）。以參照點位 P-IBI 值由高到低排序，取25%分位數作為最佳期望值，P-IBI≥25%的分位數值，賦分100；P-IBIlt;25%的分布范圍通過五等分，采用區間線性插值賦分劃分各級標準，確定為健康、良好、一般、較差、差共5個等級。

2 ""結果與分析

2.1"" 著生藻類種類組成與分布

2021年章江豐水期和枯水期9個采樣點共采集到著生藻類6門100種，分別為硅藻門37種、綠藻門28種、藍藻門22種、裸藻門6種、金藻門4種、隱藻門3種，以硅藻門種類最多，占比最高，綠藻門次之（圖2）。在全河長來看，著生藻類平均生物量為0.224 mg/cm2，各個采樣斷面之間平均生物量變化明顯；其中，DY2平均生物量最高，為0.787 mg/cm2，ZG2的平均生物量最低，只有0.002 mg/cm2。著生藻類密度均值為23.019×104 個/cm2，平均密度最小的點出現在NK1，僅有0.697×104 個/cm2，DY3的平均密度最大，達到了88.266×104 個/cm2。

2.2"" 參照點位篩選

章江各采樣點水體理化因子，溶解氧（DO）、電導率（σ）、高錳酸鉀指數（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）、總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮（NH4+）、氧化還原電位（ORP）采用2次采樣數據的平均值。通過SPSS 22.0數據分析軟件，對章江流域各監測斷面的水環境理化因子進行PCA分析，相關矩陣見表3。求解相關系數矩陣的特征方程，第一、第二主成分累積貢獻率為81.168%（表4）。通過分析主成分載荷，發現與第一主成分密切相關的理化因子是CODMn、NH4+、BOD5、TN和TP，與主成分的相關系數均達到0.80以上。

對篩選出來的5個環境因子進行偏相關性分析（PCT）。結果顯示（表5），NH4+與TN之間呈極顯著相關（P=0.003lt;0.01）。顯著相關的2個水體理化因子保留其一，故選擇NH4+作為主要影響因子。

采用SPSS 22.0對9個評價河段按氨氮的連接進行聚類分析（圖3）。當歐式距離為20時，9個評價河段被分為兩類，DY1、DY2、DY3為一類，NK1、NK2、NK3、ZG1、ZG2和ZG3為一類，結合實際情況，前一類顯然是健康水平較好的一類，故把DY1、DY2、DY3設為參照點，其余設為受損點。

2.3"" P-IBI指數評價體系

2.3.1"" 分布范圍篩選"" 通過檢驗28個著生藻類參數的分布范圍，發現A19絲狀綠藻、A24極細微曲殼藻指標在超過95%的樣點得分均為0，說明隨著干擾強度的增加，參數值基本無法變動，不能有效的反映干擾對河流環境的影響，因此剔除參數A19和A24，選擇余下的26個生物參數進行判別能力分析。

2.3.2 判別能力"" 根據箱型圖進行判別能力的篩選（圖4）。剔除A1著生藻類分類單元數（IQ=0）、A2硅藻總分類單元數（IQ=0）、A3綠藻總分類單元數（IQ=0）、A5著生藻類屬的總數（IQ=0）、A6硅藻屬的總數（IQ=0）、A7綠藻屬的總數（IQ=0）、A9敏感物種相對多度（IQ=1）、A10香農多樣性指數（IQ=1）、A11均勻度指數（IQ=1）、A15曲殼藻百分比（IQ=1）、A16橋彎藻百分比（IQ=0）、A17菱形藻百分比（IQ=1）、A20顫藻百分比（IQ=0）、A21硅藻百分比（IQ=1）、A22綠藻百分比（IQ=0）、A23藍藻百分比（IQ=0）、A26具柄硅藻百分比（IQ=1）及A28單位面積著生藻類密度（IQ=1）共計18個候選指標，余下8個生物參數進行相關性分析。

2.3.3"" 相關性"" 將符合IQ≥2的8個候選指標進行兩兩Pearson相關性檢驗（表6）。結果表明，A8藍藻屬的總數與A4藍藻總分類單元數、A12硅藻分類單元相對多度顯著相關，保留A8；A13藍藻分類單元相對多度與A14綠藻分類單元相對多度、A27著生藻類葉綠素a含量顯著相關，A18舟形藻百分比與A25可運動硅藻百分比顯著相關，保留A13、A25。對所有候選指標進行篩選，確定章江P-IBI指標體系由A8、A13與A25共3個核心指標構成。

2.3.4"" 生物指數分值計算及評價標準"" 根據各參數在參照點位的數值分布，確定計算各參數分值的計算公式（表7），并依次計算各個點位的指數分值。將參照點P-IBI指數值的25%分位數值作為健康評價標準，按照五等分作為比值法各節點的P-IBI指標體系評價標準，將各個采樣點通過比值法計算后的生物指數分值進行加和，結果為各采樣點的P-IBI指數值（表8）。

2.4"" P-IBI評價

章江9個采樣點P-IBI平均得分為1.91，河流健康狀態為一般；其中，處于健康狀態的樣點有2個，良好狀態有2個，一般狀態有2個，較差狀態有3個。從空間尺度上看，章江上游區各采樣點均為良好以上狀態，中游區的采樣點為較差和一般狀態，下游地區采樣點處于較差至良好狀態（表9）。

2.5"" P-IBI評價結果與水體理化參數的相關性

采用Pearson相關性指數分析章江P-IBI評價結果與各點位水體理化指標的關系（圖5）。結果表明，P-IBI值與CODMn、BOD5、TP、ORP、NH4+呈顯著的負相關關系，P-IBI值與σ、TN之間相關性不顯著。

3"" 討論

3.1"" 章江沿途工農業生產影響著生藻類群落結構

水體理化指標分析結果表明，章江從上游至下游，水質從I類過渡到Ⅴ類。上游水質為Ⅰ～Ⅲ類，水質較好；中下游水質均處于Ⅳ～Ⅴ類，水質急劇下降；章江的藻類分布以硅藻、藍藻為主，說明水質營養水平較高。章江上游為山地河流，兩岸植被覆蓋率較高，土地開發強度較小，受人為干擾因素較小，水質在短期內容易恢復到自然狀態；中游的南康區為江西產業基地，以家具和礦產品開發為主（陳琳等，2019），生產過程中會產生廢水、廢氣、固體廢物等污染物，且大部分企業沒有完善的環境保護設施，或者安裝了環保設施但由于成本原因并未按規定使用，致使區域內水質污染嚴重；下游的章貢區地勢平坦開闊，經濟較為發達，河道兩岸為城鎮居民區、生活區以及一些工業生產區，工農業取水量較大，沿途工業污染、農業面源污染及城市生活污水排放量較大，入河量嚴重超過了河流的承載能力，采礦、水環境污染等人類活動引起的河流底部泥沙淤積，使得著生藻類賴以生存的生境遭到破壞，從而導致著生藻類的物種數量與相對多度顯著降低（Mereta et al，2013）。

3.2"" P-IBI指數評價章江流域生態的適用性

P-IBI指數法是一種針對復雜系統生物狀態的有效評價方法，對比分析基于著生藻類生物完整性指數的河流健康評價結果與其實際狀況，二者高度吻合。因此，該評價結果可以較為準確地評價章江河流健康狀況。本研究利用水質為選取標準擇優選取參照點，用箱形圖法分析章江流域參照點與受損點P-IBI指數的分布情況，再分別用Pearson相關性指數分析參照點和受損點的P-IBI結果與各點位水體理化指標的關系，發現構建P-IBI體系的28個核心參數均能很好地反映出參照點位和受損點位狀況，P-IBI評價結果較好地反映了章江流域生境質量特征，表現為上游地區健康狀況較好，中下游地區健康狀況較差。其次，需要指出的是，參照點的狀態直接決定了評價結果的準確性，而目前參照點的選取并沒有統一的方法與標準；除此之外，參照點數量對評價結果的準確性也有較大影響，充足的參照點可以減少因自然條件差異引起的生物群落結構和功能變化對評價標準的影響，提高生物完整性指數的準確性（王備新等，2005；張方方等，2011）。但本研究選擇的參照點仍偏少，在今后的研究中有必要增加點位數量，提升河流健康評價的準確性。

3.3"" 章江流域水生態保護建議

章江流域的生態系統面臨著眾多威脅，中下游的人類活動造成水環境污染嚴重，導致著生藻類生境基本喪失。針對章江流域的水生態健康評價與保護，建議首先優化資源配置，削減入河污染。加快章江流域地區產業結構調整，加大落后產能淘汰力度，關停并取締不符合產業政策的企業，從源頭上減少污染物，實施污染源在線監控；在企業大力推行清潔生產制度，鼓勵發展循環經濟；其次需采取持續而有效的生態修復技術以改善水質，減少引起水體擾動的人類活動，有利于著生藻類集群，進而增加其種類數及生物多樣性。

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（責任編輯"" 萬月華）

River Health Assessment of Zhangjiang River Based

on the Periphyton Integrated Biotic Index

FENG Ying‐ying1，2， DING Hui‐jun1，3， PENG Ning‐yan1， LOU Qian1， LIU Meng‐ting1，

HAN Liu1， HE Tao1， GUI Fa‐liang2

（1. Jiangxi Academy of Water Science and Engineering， Jiangxi Provincial Key Laboratory

of Water Resources and Environment of Poyang Lake， Jiangxi Provincial Eco-hydraulic

Technology Innovation Center of Poyang Lake Basin， Nanchang"" 330029， P. R. China;

2. School of Hydraulic and Ecological Engineering， Nanchang Institute of Technology，

Nanchang"" 330029， P. R. China;

3. School of Resources amp; Environment， Nanchang University， Key Laboratory of Poyang Lake

Environment and Resource Utilization， Ministry of Education， Engineering Research Center

of Watershed Carbon Neutralization， Ministry of Education， Nanchang 330031， P. R. China）

Abstract： In this study， we investigated and analyzed the community structure of periphyton and physicochemical water quality parameters of Zhangjiang River in the Poyang Lake basin. The aquatic ecosystem health of the river was then quantitatively evaluated based on the integrated periphyton biotic index （P-IBI） that was developed as part of the investigation. We aimed to provide scientific evidence for the aquatic ecological restoration of Zhangjiang River， and a reference for river health evaluation based on periphyton. In September and November of 2021， periphyton and water samples were collected at nine transects of the upper， middle and lower Zhangjiang River， with three parallel samples for each transect. Periphyton samples were identified and counted， and the water samples were used for the determination of water environmental factors， including dissolved oxygen （DO）， oxidation-reduction potential （ORP）， pH， electric conductivity （EC）， permanganate chemical oxygen demand （CODMn）， 5-day biological oxygen demand （BOD5）， total nitrogen （TN）， total phosphorus （TP） and ammonia nitrogen （NH4+）. Using analysis of the distribution range， discriminative ability， and Pearson correlation of 28 candidate biological parameters， three core indices （total number of cyanobacteria genera， relative abundance of cyanobacteria taxonomic units， and percentage of motile diatoms） were identified to establish the P-IBI evaluation system for Zhangjiang River. Based on the 25% percentile value of reference sites， the evaluation standard for river health in the Zhangjiang River basin was established. The river health was then assessed according to the P-IBI evaluation system. A total of 100 periphyton species from 6 phyla were collected during the investigation， "including 37 species of Bacillariophyta， 28 species of Chlorophyta， 22 species of Cyanophyta， 6 species of Euglenophyta， 4 species of Chrysophyta， and 3 species of Cryptophyta. The average biomass and density of the periphyton algae were 0.224 mg/cm2 and 23.019×104 ind/cm2， presenting obvious differences among the 9 transects. The average values of the P-IBI scores in Zhangjiang River was 1.91， and its health status was fair．Among the 9 sampling transects， 2 sites were healthy， 2 sites were sub-healthy， 2 sites were fair， and 3 sites were poor. The P-IBI scores presented significant negative correlations with CODMn， BOD5， TP， NH4+ and ORP. Spatially， the health status of the river gradually deteriorated from upstream to downstream and was closely related to the development of cities and industries along the river. River health evaluation using the P-IBI was generally consistent with observed river conditions， indicating that the P-IBI method well reflects river health.

Key words： periphyton algae; index of biotic integrity （IBI）; river health; Zhangjiang River