基于浮游植物完整性指数的阳澄湖生态健康状态评价*

张顺婷 刘 凌 黄艳芬 姜 丰

(河海大学水文水资源学院,江苏 南京 210098)

湖泊作为陆地表层系统各要素相互作用的节点[1],具有提供水源、养殖水产、维护生物多样性等生态功能。随着人类活动的加剧,水质恶化及水生植被退化导致湖泊生态系统服务价值迅速降低[2]。浮游植物调查有利于富营养化评价和控制,而浮游植物生物完整性指数(P-IBI)是评价湖泊健康状况的重要手段,其有效解决了以往单纯利用理化指标表征水环境健康状况的局限性[3]。

基于P-IBI的湖泊水生态健康评价在国内已有诸多报道[4-5],但多以林氏分类法作为浮游植物的划分依据,P-IBI与功能群相结合的研究鲜有报道。功能群划分法综合考虑了浮游植物的形态、生态及生理特征,能直观反映特定环境下最能适应环境选择压力且最具资源竞争优势的种类[6],在识别浮游植物对环境因子的响应上较林氏分类法更具优势[7]。

阳澄湖系古太湖残留,以水草为水生植物优势种,是长江下游地区典型的浅水草型湖泊[8]。近年来,淡水虾蟹的高密度网围养殖加速了湖泊富营养化。为探究该湖在中华绒螯蟹养殖为主情况下浮游植物群落结构及生态系统健康状态,本研究基于2个季节的监测数据构建P-IBI,对阳澄湖的水生态状况进行评价,以期为阳澄湖富营养化治理及水质提升方面提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 采样点布设

综合阳澄湖的地形特征、围网养殖情况及出入湖河流分布,全湖布设了16个采样点(见图1),其中西湖5个(Y1～Y5)、中湖5个(Y6～Y10)、东湖6个(Y11～Y16)。

图1 阳澄湖采样点布设Fig.1 Layout of sample sites in the Yangcheng Lake

1.2 样品采集与测定

于2022年7月(夏季)和12月(冬季)进行2次采样。现场采用YSI 6600 V2多参数水质检测仪测水温、pH、溶解氧(DO)、电导率(EC)、总溶解固体(TDS),LGY-Ⅱ流速仪测流速(FV),塞氏盘测透明度(SD)。采用热乙醇萃取分光光度法测定叶绿素a(Chl.a)。参照文献[9]测定总磷(TP)、磷酸盐、氨氮、硝态氮、总氮(TN)和高锰酸盐指数。浮游植物通过光学显微镜鉴定并计数,鉴定种类参考文献[10]、[11]。

1.3 数据处理及分析

1.3.1 综合营养状态指数(TLI)评价

以Chl.a浓度作为基准参数,选取TP、TN、SD和高锰酸盐指数为附加环境参数,运用TLI法对阳澄湖水体营养状况进行评价。TLI根据5个参数的营养状态指数乘以各自的权重后求和得出,计算公式详见文献[12]。湖泊营养状态分级规定：TLI≤30为贫营养;3070为重度富营养。

1.3.2 数据处理

地图使用ArcMap 10.4绘制;非参数检验、单因素方差分析及Spearman相关性分析等借助IBM SPSS Statistics 27处理,设定差异极显著(P<0.01)、差异显著(P<0.05);其他图表利用Excel 2016统计。

2 结果与分析

2.1 阳澄湖水环境因子特征

由表1可见,阳澄湖夏季水温、pH、磷酸盐、TP、Chl.a和高锰酸盐指数均大于冬季,SD、硝态氮和TN呈现出夏季低、冬季高的特征。空间分布上,夏季西湖、东湖水温差异显著,DO差异极显著,中湖、东湖高锰酸盐指数差异显著,TP差异极显著;冬季西湖、中湖Chl.a差异显著,西湖、东湖的SD、磷酸盐、硝态氮和TN差异显著,西湖、东湖和西湖、中湖的DO均差异极显著。阳澄湖夏、冬季TLI均值分别为57.90、49.11,分别处于轻度富营养、中营养状态。

表1 阳澄湖水环境因子季节变化Table 1 Seasonal variation of water environmental factors in Yangcheng Lake

2.2 浮游植物群落结构

2.2.1 浮游植物种类组成及功能群划分

此次季节性调查共鉴定出浮游植物8门104属289种,其中绿藻门(Chlorophyta)以41属114种占绝对优势(占39.4%),其余依次为硅藻门(Bacillariophyta)29属61种(占21.1%)、裸藻门(Euglenophyta)5属56种(占19.4%)、蓝藻门(Cyanophyta)11属24种(占8.3%)、金藻门(Chrysophyta)8属13种(占4.5%)、甲藻门(Pyrrophyta)5属10种(占3.5%)、隐藻门(Cryptophyta)2属8种(占2.8%)和黄藻门(Xanthophyceae)3属3种(占1.0%),浮游植物群落结构为绿-硅-裸藻型。根据PADISK等[13]提出的功能群划分方法将阳澄湖浮游植物归入28组功能群,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为两季共同出现的功能群,H2、K和S2为夏季丰水期特有。

2.2.2 阳澄湖优势功能群的季节演替

将至少在1个采样点相对丰度>5%的功能类群定义为优势功能群[14],筛选出16组优势功能群(B、E、F、G、H1、J、Lo、M、MP、N、P、Tc、W1、X1、X2和Y)。优势功能群在时空分布上的差异主要表现在相对丰度变化上,其总体演替趋势为M/Lo/H1(夏)→P/MP/X1(冬)。夏季功能群M、Lo和H1分别占25.87%、19.11%和18.63%;冬季功能群P、MP和X1分别占20.82%、19.48%和10.82%。单因素方差分析结果表明,各湖区优势功能群总生物量季节性差异不显著(P>0.05)。从组成上看,呈现出西湖M/Lo/H1(夏)→X2/MP/Y(冬)、中湖M/Lo/H1(夏)→P/X1/MP(冬)、东湖MP/P/Tc(夏)→MP/P(冬)的演替特征。

2.3 P-IBI体系构建及健康评价结果

2.3.1 参照点的设置

阳澄湖在人口聚集、湖泊围垦等因素干扰下接纳了大量点源、面源污染物,水质长期处于富营养化水平,基本无绝对的清洁参照点。因此,通过TLI判断采样点的受干扰程度,选取7个TLI<48.40的采样点作为参照点,其余25个采样点组成受损点。

如果要证明命题的的结论是成立的，但通过其他常规方法证明又比较困难时，可以采用反证法，即从这个结论的否定面着手，通过一系列推理研究致使该结论是矛盾的，则可以证明此结论成立。

2.3.2 候选指标的选取

筛选出在90%采样点不为零的12个功能群,包括B、C、D、F、Lo、MP、N、P、W1、W2、X1和Y功能群。选取功能群的物种数、密度百分比、生物量及其他对干扰反应敏感的42个候选参数,综合反映浮游植物物种丰富度、群落结构组成和群落营养结构3类特征。

2.3.3 核心指标筛选

(1) 分布范围分析：计算各候选参数在参照点的平均值、25%分位数、中位数、75%分位数及标准差,筛除标准差过大、数据较离散的指标(浮游植物总密度);筛除随干扰强度增强数变化而不灵敏的9个指标(B、C、Lo、P、W2和Y功能群的物种数,D、W2和X1功能群的生物量)。

(2) 箱线图判别能力分析：通过箱线图25%～75%分位数的箱体重叠情况(IQ)对余下的32个指标进行比较,保留能反映参照点与受损点间差异(IQ≥2)的指标：W1功能群物种数(M1)、Pielou均匀度指数(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优势功能群密度百分比(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)和浮游植物总生物量(M12),将它们纳入相关性分析。

图2 阳澄湖健康评价结果Fig.2 Health assessment results of Yangcheng Lake

(3) 相关性分析：对不完全符合正态分布的12个候选参数采用Spearman方法分析指标间的信息重叠度,结果见表2。高度相关的指标(相关系数绝对值>0.75)中,M1、M2及M12涵盖的信息更丰富,优先保留。最终确定阳澄湖P-IBI体系由9个核心指标(M1～M4、M6～M8、M10和M12)构成。

表2 候选参数的Spearman相关性1)Table 2 Spearman correlation of candidate parameters

2.3.4 P-IBI指标分值计算及健康评价标准

以参照点P-IBI的25%分位数作为健康评价标准,三分法、四分法和比值法对评价参照点的准确率分别为71.4%、84.0%和85.7%,对评价受损点的准确率分别为71.4%、88.0%和92.0%。最终确定采用比值法进行P-IBI指标计算和健康评价标准的建立。根据候选指标对干扰的胁迫响应,表现为下降的参数分值=实测值/所有采样点参数值的95%分位数,表现为上升的参数分值=(最大值-实测值)/(最大值-所有采样点参数值的5%分位数),结果见表3。计算各分值并累计求和获得各采样点的P-IBI。以参照点P-IBI分布的25%分位数的值(即5.85)作为健康标准的阈值,利用四等分法确定阳澄湖健康评价标准：健康(≥5.85)、亚健康(4.39～<5.85)、一般(2.93～<4.39)、差(1.46～<2.93)、极差(<1.46)。

表3 比值法计算P-IBI指标分值的公式Table 3 Formulas for calculating P-IBI index scores by ratio scoring method

2.3.5 阳澄湖健康评价

健康评价结果显示,阳澄湖处于亚健康状态,冬季健康状态优于夏季。夏季P-IBI均值为3.63,处于一般状态,16个采样点中亚健康2个、一般11个、差3个(见图2),健康状况从优至劣依次为东湖(3.82)、西湖(3.68)、中湖(3.37);冬季P-IBI均值为5.98,处于健康状态,16个采样点中健康8个、亚健康8个,健康状况从优至劣依次为西湖(6.26)、中湖(6.18)、东湖(5.59)。

2.4 P-IBI与水环境因子相关性分析

P-IBI与水环境因子相关性见表4。P-IBI与SD、FV、硝态氮、TN呈极显著正相关,与pH、水温、磷酸盐、Chl.a和高锰酸盐指数呈极显著负相关,与其他指标相关性不显著。水环境因子直接或间接驱动了浮游植物群落结构和生物完整性变化。

表4 P-IBI与水环境因子相关性Table 4 Correlation between P-IBI and water environmental factors

3 讨 论

根据中国环境监测总站(http：//www.cnemc.cn)发布的《2022年全国地表水水质月报》,2022年7、12月阳澄湖水质属轻度污染。P-IBI评价显示阳澄湖夏、冬季的健康状态分别为一般、健康状态,夏季评价结果与水质现状相符,而冬季存在差异的可能原因是：冬季阳澄湖浮游植物的主要限制因素是水温[15],耐受低温的P功能群在微流动的生境中较活跃[16],喜暖生境的优势功能群M、Lo和H1所占的生态位被释放[17],物种增多且群落结构复杂使得P-IBI主要构成参数中功能群B、F、W2、Y和P的优势性加大,导致评价结果较好。

前期已有的研究表明,pH、SD、Chl.a、硝态氮、TN和高锰酸盐指数等水环境因子均对阳澄湖浮游植物群落结构造成影响[18-19]。阳澄湖夏季浮游植物生长旺盛(Chl.a均值高达43.16 μg/L);高锰酸盐指数代表有机物含量,丰富的有机物为浮游植物的繁殖提供优良条件,致使湖水SD锐减,浮游植物结构单一化,导致P-IBI与SD呈极显著正相关,与pH、Chl.a、高锰酸盐指数呈极显著负相关。氮、磷等营养元素是浮游植物生长和分布的限制因子,浮游植物的增长一般与磷呈正相关[20]。阳澄湖浮游植物群落结构随一定范围内硝态氮、TN浓度的上升复杂化,与太湖浮游植物群落结构与硝酸盐的关系一致[21]。

P-IBI评价反映了水环境变化对阳澄湖水生生物的影响,评价结果能较好反映湖泊水生态健康状况在时空上的变化特征,体现出应用P-IBI评价阳澄湖水生态健康状况具有较好的适用性和可操作性,对于湖泊富营养化治理工作具有一定参考价值。

4 结 论

(1) 阳澄湖共鉴定出浮游植物8门104属289种,浮游植物群落呈绿-硅-裸藻型,优势功能群总体演替趋势为M/Lo/H1(夏)→P/MP/X1(冬)。

(2) P-IBI与SD、FV、硝态氮、TN呈极显著正相关,与pH、水温、磷酸盐、Chl.a和高锰酸盐指数呈极显著负相关。水环境因子直接或间接驱动了浮游植物群落结构和生物完整性的变化。

(3) P-IBI评价显示,阳澄湖夏、冬季的健康状态分别为一般、健康状态。夏季健康状况从优至劣依次为东湖、西湖、中湖,冬季则为西湖、中湖、东湖。