基于浮游植物完整性指數的陽澄湖生態健康狀態評價*

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各要素相互作用的節點[1],具有提供水源、養殖水產、維護生物多樣性等生態功能。隨著人類活動的加劇,水質惡化及水生植被退化導致湖泊生態系統服務價值迅速降低[2]。浮游植物調查有利于富營養化評價和控制,而浮游植物生物完整性指數(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境健康狀況的局限性[3]。

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

陽澄湖系古太湖殘留,以水草為水生植物優勢種,是長江下游地區典型的淺水草型湖泊[8]。近年來,淡水蝦蟹的高密度網圍養殖加速了湖泊富營養化。為探究該湖在中華絨螯蟹養殖為主情況下浮游植物群落結構及生態系統健康狀態,本研究基于2個季節的監測數據構建P-IBI,對陽澄湖的水生態狀況進行評價,以期為陽澄湖富營養化治理及水質提升方面提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 采樣點布設

綜合陽澄湖的地形特征、圍網養殖情況及出入湖河流分布,全湖布設了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。現場采用YSI 6600 V2多參數水質檢測儀測水溫、pH、溶解氧(DO)、電導率(EC)、總溶解固體(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、硝態氮、總氮(TN)和高錳酸鹽指數。浮游植物通過光學顯微鏡鑒定并計數,鑒定種類參考文獻[10]、[11]。

1.3 數據處理及分析

1.3.1 綜合營養狀態指數(TLI)評價

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

1.3.2 數據處理

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

2 結果與分析

2.1 陽澄湖水環境因子特征

由表1可見,陽澄湖夏季水溫、pH、磷酸鹽、TP、Chl.a和高錳酸鹽指數均大于冬季,SD、硝態氮和TN呈現出夏季低、冬季高的特征。空間分布上,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、中營養狀態。

表1 陽澄湖水環境因子季節變化Table 1 Seasonal variation of water environmental factors in Yangcheng Lake

2.2 浮游植物群落結構

2.2.1 浮游植物種類組成及功能群劃分

此次季節性調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%),浮游植物群落結構為綠-硅-裸藻型。根據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為兩季共同出現的功能群,H2、K和S2為夏季豐水期特有。

2.2.2 陽澄湖優勢功能群的季節演替

將至少在1個采樣點相對豐度>5%的功能類群定義為優勢功能群[14],篩選出16組優勢功能群(B、E、F、G、H1、J、Lo、M、MP、N、P、Tc、W1、X1、X2和Y)。優勢功能群在時空分布上的差異主要表現在相對豐度變化上,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%。單因素方差分析結果表明,各湖區優勢功能群總生物量季節性差異不顯著(P>0.05)。從組成上看,呈現出西湖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體系構建及健康評價結果

2.3.1 參照點的設置

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,水質長期處于富營養化水平,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論是成立的，但通過其他常規方法證明又比較困難時，可以采用反證法，即從這個結論的否定面著手，通過一系列推理研究致使該結論是矛盾的，則可以證明此結論成立。

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、密度百分比、生物量及其他對干擾反應敏感的42個候選參數,綜合反映浮游植物物種豐富度、群落結構組成和群落營養結構3類特征。

2.3.3 核心指標篩選

(1) 分布范圍分析：計算各候選參數在參照點的平均值、25%分位數、中位數、75%分位數及標準差,篩除標準差過大、數據較離散的指標(浮游植物總密度);篩除隨干擾強度增強數變化而不靈敏的9個指標(B、C、Lo、P、W2和Y功能群的物種數,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(M1)、Pielou均勻度指數(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),將它們納入相關性分析。

圖2 陽澄湖健康評價結果Fig.2 Health assessment results of Yangcheng Lake

(3) 相關性分析：對不完全符合正態分布的12個候選參數采用Spearman方法分析指標間的信息重疊度,結果見表2。高度相關的指標(相關系數絕對值>0.75)中,M1、M2及M12涵蓋的信息更豐富,優先保留。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)構成。

表2 候選參數的Spearman相關性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。根據候選指標對干擾的脅迫響應,表現為下降的參數分值=實測值/所有采樣點參數值的95%分位數,表現為上升的參數分值=(最大值-實測值)/(最大值-所有采樣點參數值的5%分位數),結果見表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

健康評價結果顯示,陽澄湖處于亞健康狀態,冬季健康狀態優于夏季。夏季P-IBI均值為3.63,處于一般狀態,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,16個采樣點中健康8個、亞健康8個,健康狀況從優至劣依次為西湖(6.26)、中湖(6.18)、東湖(5.59)。

2.4 P-IBI與水環境因子相關性分析

P-IBI與水環境因子相關性見表4。P-IBI與SD、FV、硝態氮、TN呈極顯著正相關,與pH、水溫、磷酸鹽、Chl.a和高錳酸鹽指數呈極顯著負相關,與其他指標相關性不顯著。水環境因子直接或間接驅動了浮游植物群落結構和生物完整性變化。

表4 P-IBI與水環境因子相關性Table 4 Correlation between P-IBI and water environmental factors

3 討 論

根據中國環境監測總站(http：//www.cnemc.cn)發布的《2022年全國地表水水質月報》,2022年7、12月陽澄湖水質屬輕度污染。P-IBI評價顯示陽澄湖夏、冬季的健康狀態分別為一般、健康狀態,夏季評價結果與水質現狀相符,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],喜暖生境的優勢功能群M、Lo和H1所占的生態位被釋放[17],物種增多且群落結構復雜使得P-IBI主要構成參數中功能群B、F、W2、Y和P的優勢性加大,導致評價結果較好。

前期已有的研究表明,pH、SD、Chl.a、硝態氮、TN和高錳酸鹽指數等水環境因子均對陽澄湖浮游植物群落結構造成影響[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);高錳酸鹽指數代表有機物含量,豐富的有機物為浮游植物的繁殖提供優良條件,致使湖水SD銳減,浮游植物結構單一化,導致P-IBI與SD呈極顯著正相關,與pH、Chl.a、高錳酸鹽指數呈極顯著負相關。氮、磷等營養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[20]。陽澄湖浮游植物群落結構隨一定范圍內硝態氮、TN濃度的上升復雜化,與太湖浮游植物群落結構與硝酸鹽的關系一致[21]。

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

4 結 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、硝態氮、TN呈極顯著正相關,與pH、水溫、磷酸鹽、Chl.a和高錳酸鹽指數呈極顯著負相關。水環境因子直接或間接驅動了浮游植物群落結構和生物完整性的變化。

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