基于著生藻類完整性指數的赤水河水生態健康評價

DOI：10.16232/j. cnki.1001-4179.2025.06.005

0 引言

綜合考慮水生態系統水質特征、物理結構、生物結構和生態服務功能的多指標評價方法用于評估水生態健康已經成為研究的趨勢和方向，并應用于水生態保護和管理[1-2]。國家相關部委已先后出臺了多項河流健康評價指導性文件[3-4]，規范了指標體系構建、評價指標篩選、健康等級劃分等流程，但針對水生生物評價指標的基準值的定量研究仍存在較大空白。

生物完整性指數（IBI）最早由 Karr^[5] 于1981年提出，以魚類為研究對象建立了魚類生物完整性指數（F-IBI）。與過往河流健康評價方法相比，IBI綜合了多類型生物指標評價河流生態環境狀況，兼顧生物自身的生理特征和功能屬性，如群落結構、敏感度、耐污性及多樣性等，突破了單一生物評價指標的局限性，具有全面性、敏感性和準確性等優點，由最初運用于魚類[迅速推廣應用于浮游動植物[7-8]、底棲動物[9-10]等水生生物類群的評價分析，成為當前河流生態環境質量評價的有效工具。著生藻類作為水生態系統中的主要初級生產者，在水生態系統中的多個生態功能中起不可或缺的作用[1]著生藻類具有生境相對固定，對水生態系統的變化非常敏感，物種多樣性高，生長周期短等特點，可快速反映監測斷面水環境的短期變化，因而成為了指示河流生態系統健康狀況的主要水生生物類群之-[12-13] 0

赤水河是長江流域干流未建壩的重要一級支流，水體受污染程度較低，生態系統狀況近乎天然狀態，是河流生態學理論研究的理想實驗場所[14]。開展水生生物基準值的確定既有利于準確評價赤水河河流健康狀況，也可為其他受人類干擾強烈的河流提供參照值。當前針對赤水河著生藻類的研究相對較少，僅見于胡建成等[15]和謝純林等[16]運用著生硅藻多參數指標（D－MMIs）和硅藻指數評價赤水河生態狀況，結果顯示不同時期著生硅藻群落結構存在顯著差異。本研究以赤水河為研究對象，以著生藻類生物完整性為評價指標，開展全流域的水生生物監測，識別參照點和受損點，篩選并推薦計算著生藻類生物完整性的指標，并針對豐、平、枯水期，分別給定可供參考的基準值。

1 材料與方法

1.1 研究區域

赤水河發源于云南省昭通市鎮雄縣赤水源鎮[17]流經滇、黔、川三省共13個縣市，干流全長 436.5km ，流域面積 20 440km² ，是長江上游地區唯一干流沒有修建大型水力發電樞紐的一級支流，也是長江上游保護區的重要組成部分。赤水河生態型復雜多樣，河谷地區環境多樣、異質性高，上游河段河谷深切，山勢陡峭，河谷巖性復雜多樣；中游河段變寬，多險灘；下游河道平緩、河谷寬闊，耕地較多，農業發達[18]。赤水河河谷地區異質性高，并且擁有獨特而完整的生態系統結構和功能，擁有豐富的水生生物資源[19] ○

1.2 著生藻類采集和鑒定

本次研究在赤水河干流設定26個采樣點，如圖1所示，其中上游13個，中游8個，下游5個，分別于2023年4，7，11月進行采樣調查。采樣時在采樣點河段上下游 100m 范圍內，根據河流生境的差異，如流速、水深和透明度，選擇4塊表面積大于 25cm² 的石塊，使用硬毛刷從每塊石塊上刮取面積為 25cm² 的著生藻類樣本，收集到 500mL 的采樣瓶里，添加 15mL 的魯哥試劑以進行染色和保存。著生藻類的種依據相關文獻及《中國內陸水域常見藻圖譜》鑒定[20 -21]。 。

1.3 生物多樣性指數計算

α 多樣性Shannon-Wiener指數 （H^′） ）Pielou均勻度指數 （J^′） Margalef指數 （D_m ）的計算公式如下：

式中： p_i 為該采樣點第 i 種著生藻類在該點的相對密度；S為該采樣點是著生藻類總分單元數； N 為該采樣點的個體數[22]

1.4 環境因子測定

對赤水河流域各采樣點的水體理化性質進行測定時，Temp（水溫）、pH、EC（電導率）、DO（溶解氧）用YSI水質分析儀現場測定；水深和流速用流速儀現場測定；在各樣點采集1.5L水樣用于測定生源要素，根據標準方法[23]（水和廢水監測分析方法）測定以下水化學指標：TC（總碳）、DOC（溶解性有機碳）、DTN（溶解性總氮）、TN（總氮）、氨氮（ NH₃-N; 、硝酸鹽氮（ NO₃-N） 、亞硝酸鹽氮（ NO₂-N） 、總氮（TN）、正磷酸鹽（ PO₄³-P） 、總磷（TP）、Si（溶解性硅）和TSi（全硅），使用主成分分析（PCA）對環境因子進行降維，對降維之后的環境因子進行相關性分析，篩選出主要環境因子。

1.5 生物完整性指數的計算步驟

構建生物完整性指數一般分為5步： ① 根據采樣點受人為干擾大小和生境狀況將采樣點分為參照點和受損點； ② 從物種多樣性、群落多樣性、群落物種豐度、群落均勻性和耐污能力及特性5方面構建候選參數清單； ③ 篩選核心參數，如果某一參數在 95% 的采樣點以上為0，則直接刪除該參數，運用箱線圖法和相關系數法對剩余的參數進行判別，最后保留信息量最大的參數為核心參數； ④ 采用比值法統一核心參數的量綱，并對各參數采樣點的IBI賦分值，以所有點IBI得分的 95% 分位值作為最佳值，對低于該值的分布范圍5等分，靠近 95% 分位數的一等分代表點位狀態為優秀，將其定為赤水河水生態基準； ⑤ 利用參照點位和受損點位IBI值的箱線圖來驗證評價方法是否有效。

1.6 數據分析

廣義加性模型（generalizedadditivemodels，GAM）是由數據驅動而非統計分布模型驅動的非參數回歸模型，可對部分解釋變量進行線性擬合，其表達式為

g（μ（Y））=β₀+f₁（x₁）+…+f_m（x_m） （4）式中： g（ξ） 函數為連接函數； μ（Y） 為 Y 的期望； β₀ 為截距;fi為非參數光滑函數[24]

本研究運用主成分分析（PCA）和相關性分析對環境因子降維，識別主要環境因子，運用GAM模型和冗余分析（RDA）對Pe-IBI核心參數與主要環境因子的關系進行分析。GAM模型使用R語言中的“mgcv”工具包完成，PCA分析和RDA分析在Canoco5.0中完成。

2 研究結果

2.1 著生藻類群落結構特征分析

2.1.1 物種組成及優勢種

2023年赤水河共鑒定著生藻類7門174種，其中硅藻門106種、藍藻門30種、綠藻門28種、裸藻門5種、隱藻門3種、黃藻門和金藻門各一種。枯水期（4月）著生藻類共6門108種，豐水期（7月）著生藻類共5門61種，平水期（11月）著生藻類共6門78種，赤水河著生藻類全年以硅藻門、綠藻門和藍藻門為主，其中硅藻門占總分單元數的 60% 以上，見圖2。不同季節著生藻類的優勢種差異較大，4月份優勢物種有短小曲殼藻、微型舟形藻、席藻、柔嫩微毛藻、色球藻和黏球藻6種，7月份優勢物種有短縫藻、微囊藻和顫藻3種；11月份優勢物種有異極藻、舟形藻、膨大曲殼藻、細鞘絲藻、顫藻和剛毛藻6種。

2.1.2 多樣性分析

赤水河干流2023年枯、豐、平3期著生藻類群落∝ 多樣性指數如圖3所示。枯、豐、平3期Shannon-Wiener指數分別在 0.75～3.03，0.32～2.30，1.65～ 2.90之間，均值分別為 2.03，1.01，2.33 。由 H^′ 的大小可以將污染評價范圍分為5級[25]： H^′ 值等于0為嚴重污染， H^′ 值小于1為重度污染， H^′ 值在1＼～2之間為中度污染， H^′ 值在2～3之間為輕度污染， H^′ 值大于3為清潔。整體上赤水河枯水期和平水期為輕度污染，豐水期受上游山洪影響出現了中度污染。Pielou均勻度指數分別在 0.22～0.92，0.12～0.80，0.71～0.99 之間，均值分別為 ^{0.61，0.40，0.88} 。Margalef豐富度指數分別在 1.75～6.77，0.93～6.06，1.19～3.65 之間，均值分別為4.54，1.76，2.51。赤水河群落 α 多樣性年內變化較大，總體來看 Shannon-Wiener指數、Pielou均勻度指數平水期 gt; 枯水期 gt; 豐水期，Margalef豐富度指數枯水期 gt; 平水期 gt; 豐水期。

2.2 水生態健康基準及評價

2.2.1 參照點受損點選取

參照生境評價的方法選取參照點和受損點[26]選取底質、棲息復雜性、速度和深度結合特性、堤岸穩定性、河道變化、河水水量狀況、植被多樣性、水質狀況、人類活動強度、河岸土地利用類型10個評價指標對赤水河的26個采樣點進行打分，單個評價指標滿分為20分，采取累計求和的方式計算河流生境評價綜合指數（RHI），以RHI得分確定參照點和受損點。通過現場調查，將壩頭、巖腳、水潦鋪、許家河、合馬、千江寺、密溪鄉7個采樣點選為參照點，將生境評價較差的余家大田、元厚、葫市、赤水站、復興、楊房、合江7個采樣點選為受損點，剩余12個點為一般受損點。

注：圖中采樣點1＼～26分別為魚洞、壩頭、巖腳、斑鳩井、余家大田、水潦鋪、許家河、赤水鎮、灣潭大橋、清池鎮、龍井渡口、五馬河口、茅臺水文站、合馬、二郎灘、千江寺、土城、元厚、葫市、丙安、復興、赤水站、車輞、楊房、密溪鄉、合江。

圖3赤水河著生藻類 α 多樣性指數

2.2.2 指標篩選

綜合參考GB/T43476—2023《水生態健康評價技術指南》[27]和相關文獻[28-30]，本文從物種多樣性、群落多樣性、群落物種豐度、群落均勻性和耐污能力及特性等5方面選取了19個參數（表1）作為赤水河流域著生藻類生物完整性指數的候選參數，以盡可能全面地反映著生藻類對環境變化的響應關系。

通過箱線圖法篩選出的參數分別為M1（Shannon-Wiener指數）M2（Pielou均勻度指數）、M3（Marglef豐富度指數）、M4（hill指數）、M5（總分類單元數）、M6（硅藻門、綠藻門、藍藻門分單元數）、M7（硅藻門分類單元數）、M10（細胞密度）、M11（硅藻門、綠藻門、藍藻門細胞密度）和M15（硅藻門細胞密度），見圖4。

對上述10個參數進行正態性性檢驗，結果表明這10個參數均符合正態分布。因此，采用Pearson相關性分析，剔除相關系數 ∣r∣?0.75 中的一項參數，最后保留的核心參數是M1（Shannon－Wiener指數）、M5（總分類單元數）和M10（細胞密度），結果如圖5所示。

2.2.3 水生態健康基準

為統一標準，豐水期（7月）和平水期（11月）采用與枯水期（4月）同一套參數體系計算Pe-IBI值。為了驗證該方案的有效性，建立枯水期、豐水期、平水期參照點和受損點IBI值的箱線圖（圖6），枯水期、豐水期、平水期均驗證通過，因此該方案有效，所選出來的核心參數可以用來構建赤水河生物完整性指數。

參考國家標準GB/T43476—2023《水生態健康評價技術指南》[27]《水生態監測技術指南河流水生生物監測與評價》[4］和《水生態學基準制定技術指南》[31]等相關指南，采用所有點位Pe-IBI值的 95% 分位數法擬定基準，以 95% 分位數為最佳值，對低于該值的分布范圍五等分，分別代表優秀、良好、中等、較差、很差，將靠近 95% 分位數的等分值擬定為赤水河水生態基準（枯水期5.53、豐水期6.01，平水期6.37），Pe-IBI計算各時期各指標期望值和臨界值見表2。

2.2.4 水生態健康評價

2023年，赤水河枯水期基于Pe-IBI指數的水生態評價等級結果為：土城、魚洞、五馬河口、千江寺、斑鳩井、車輞、茅臺水文站、丙安、密溪鄉、許家河、余家大田為優秀;清池鎮、巖腳、合馬、龍井渡口、水潦鋪、合江為良好；赤水鎮、楊房、元厚、赤水站、復興為中等；葫市為較差；壩頭、二郎灘、灣潭大橋為很差。豐水期基于Pe-IBI指數的水生態評價等級結果為：水潦鋪、赤水鎮、合江為優秀；密溪鄉、土城、丙安為良好；千江寺為中等；元厚為較差；清池、灣潭大橋、余家大田為很差。平水期基于Pe-IBI指數的水生態評價等級結果為：魚洞、龍井渡口、壩頭、茅臺水文站、巖腳、五馬河口、赤水站、水潦鋪為優秀；許家河、灣潭大橋、元厚、合馬、土城、斑鳩井、二郎灘、余家大田為良好；清池、赤水河站為中等；楊房、葫市、千江寺為較差；密溪鄉、復興鎮、丙安、合江、車輞為很差，見圖7。

表2赤水河著生藻類水生態基準值及核心參數期望值和臨界值

2.3 主要環境因子識別及其與Pe－IBI核心參數響應分析

2.3.1 主要環境因子識別

利用主成分分析（PCA）對17個環境因子進行降維，兩個因子軸保留了下來，解釋了總體變量的57.3% ，如圖8所示。將每組主成分中載荷系數較大的環境因子保留下來，分別是Temp，Elev，DO，EC， pH ，TP， NH₃ -N，DTN， NO₂ -N，TSi，TN，DTP。對篩選出來的環境因子進行相關性分析，相關性較大（ ∣r∣gt; 0.75）的環境因子，保留一個即可，相關性分析見圖9，最后保留DO，EC，DTN，TP， NH₃-N 為主要環境因子。

2.3.2 Pe-IBI與環境因子的關系

將主要環境因子DO、EC、DTN、TP、 NH₃-N 與Pe-IBI核心參數進行除趨勢對應分析（DCA），得到的最大排序軸長度為 0.71（lt;4） ，選用RDA分析，結果見圖10。以主要環境因子 D0，EC，DTN，TP，NH₃-N 為解釋變量，以赤水河干流Pe-IBI核心參數為響應變量構建GAM模型。細胞密度與 D0，EC，DTN，TP 擬合度 R² 為0.845，解釋率為 92.5% ;Shannon -Wiener指數DO，EC，DTN，TP， NH₃-N 擬合程度較好，擬合度R² 等于0.434，解釋率為 63.4% ；總分單元數和DO，EC，DTN，TP， NH₃-H 擬合度 R² 為0.164，解釋率為36.1% ，結果見圖 11～13 。

由圖 11～13 的圖（a）可知：細胞密度在溶解氧濃度在 10mg/L 時出現了拐點，之后細胞密度增大，總分單元數在溶解氧濃度在 10mg/L 時出現拐點，Shannon-Wiener指數與溶解氧濃度含量呈負相關。在溶解氧大于 10mg/L 后，藍藻的平均細胞密度高于硅藻，溶解氧濃度升高藍藻細胞呼吸作用加強，同時藍藻消亡后的有機質在被降解時也會消耗水體中的溶解氧，致使硅藻呼吸作用所需的溶解氧減少[32-33]，硅藻的細胞密度下降，Shannon-Wiener指數降低，著生藻類生物多樣性型下降。由圖 11～13 的圖（b）可知：細胞密度在整體上與DTN呈現負相關關系，Shannon-Wiener指數呈現隨DTN增大而增大的趨勢，當DTN濃度為3.5mg/L 時總分單元數達到最大值，之后總分單元數隨DTN濃度增大開始下降;DTN濃度 3.5mg/L 是赤水河著生藻類生物多樣性發展的適宜濃度。由圖11～13 的圖（c）可知：電導率EC在 380～420μs/cm 之間時，細胞密度與電導率呈正相關關系，當高于420μs/cm 之后細胞密度變化開始波動，說明當電導率高于 420μs/cm 之后著生藻類細胞密度不再受電導率影響；Shannon-Wiener指數與電導率呈負相關關系，在EC達到 447μs/cm 時Shannon-Wiener指數最小;EC越高說明水中離子和雜質越多，著生藻類生物多樣性隨著水中離子的增多而下降，總分單元數受EC影響較小。由圖 11～13 的圖（d）可知：細胞密度與TP呈顯著的正相關關系，當TP增大時，藍藻的密度迅速增加，硅藻門細胞密度變化較小[34];Shannon-Wiener 指數TP增大而減小，藍藻逐漸開始占據優勢，使得硅藻的多樣性逐漸下降，整體的著生藻類生物多樣性降低，這與胡愈忻等[32的研究結果相同；總分單元數與 TP的冗余分析圖可以看出兩者不相關。由圖 11～13 的圖（e）可知：隨著 NH₃-N 的升高，著生藻類細胞密度呈現出下降趨勢，當 NH₃-N 濃度達到 0.019mg/L 時Shannon-Wiener指數達到峰值，之后開始緩慢變小;總分單元數隨著 NH₃-N 的增大而變小， NH₃-N 含量的增加會抑制著生藻類物種多樣性發展。

3討論

通過對赤水河著生藻類群落結構的分析，其著生藻類以硅藻門為主，與渾河[12]、渭河[13]以及章江[35]群落構成相似，這是由于硅藻門的著生藻類適宜生長在流量穩定、水位變幅較小的流域[35]。赤水河枯水期和平水期總分類單元數高于豐水期也印證了這一結果，豐水期降雨增加，流量變化劇烈，流速變大導致著生藻類遭到沖刷，從著生藻類變成了浮游藻類，分類單元數和細胞密度驟降[36]。從Pe－IBI評價結果來看，豐平枯3期的評價結果整體表現出來一致性，并未產生太大差異，結果顯示上游評價結果優于中下游，這是由于赤水河上游為農村，無工業污染，受人類干擾較小，保持著較為原始的水生態環境，而中下游由于工業開發和城市發展對水生態環境造成了一定干擾，這與胡建成[15]和謝純林[16等的評價結果相同，也與底棲動物[10]和浮游植物[37]的評價結果相同，因此制定的水生態基準對赤水河水生態健康評價真實有效。Pe-IBI評價結果為很差的點位TP，DTN和 NH₃-N 濃度較高，TP，DTN和 NH₃-N 濃度較高導致藍藻的細胞密度迅速增加，硅藻門的可吸收營養鹽濃度降低導致其物種數和細胞密度下降，著生藻的生物多樣性受到了影響，進而導致Pe-IBI的評價結果為很差，這與馮天翼等的研究結果一致。當河流受到污染后，總分類單元數將減少，物種也從硅藻門占優開始向藍綠藻占優轉化[38]

Pe-IBI是一種綜合反映生態系統健康狀態的方法，運用Pe-IBI制定基準可以為河流健康評價提供簡單有效的評價方法。當采樣點越多時，制定的基準越準確[35]，本研究的采樣點仍偏少，在未來的研究中應盡可能多地增加采樣點的數量，并且應分不同時期制定基準，來提高基準的準確性。赤水河上游評價結果雖整體高于中下游，但由于農田開墾和農藥使用，使得局部地區如壩頭和灣潭大橋Pe-IBI得分較低，上游應加大農業污染源的治理，中下游地區工業發展應嚴格控制TP，DTN和 NH₃-N 污染，減少引起水體擾動的人類活動，為著生藻類提供適宜的生境，進而增加赤水河流域的生物多樣性。

4結論

本文以赤水河干流著生藻類為研究對象，通過分析赤水河著生藻類群落構成，構建生物完整性指數評價體系和GAM模型，得到以下結論：

（1）2023年赤水河共采集到著生藻類7門174種，并且全年以硅藻門為主，群落年內變化大，總分單元數4月份高于7月份和11月份，Shannon－Wiener指數、Pielou均勻度指數是平水期 gt; 枯水期 gt; 豐水期，Margalef豐富度指數枯水期 gt; 平水期 gt; 豐水期。

（2）構建了以細胞密度、Shannon-Wiener指數、總分單元數為核心參數的赤水河水生態評價體系，確定了以著生藻類完整性指數為指標的豐平枯3種水文條件下的水生態基準值（枯水期5.53、豐水期6.01，平水期6.37）及Pe-IBI計算的核心參數臨界值與期望值，對未來開展基于Pe－IBI的水生態健康評價提供了參考值。

（3）DO，EC，DTN，TP， NH₃ -N是赤水河的主要環境因子，運用GAM模型和RDA分析對Pe-IBI核心參數細胞密度、Shannon-Wiener指數、總分單元數與主要環境因子進行了分析，發現溶解氧濃度超過10mg/L 時，藍藻細胞密度與溶解氧濃度呈正相關，EC小于 420μs/cm 時著生藻類的細胞密度隨EC增大而增大，TP濃度升高，藍藻細胞密度迅速增加，TP，DO，EC和 NH₃-N 增大時Shannon-Wiener指數下降，著生藻類生物多樣性下降。

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（編輯：黃文晉）