基于浮游植物完整性指数的三峡库区小江河流健康评价

1、    基于浮游植物完整性指数的三峡库区小江河流健康评价    程帅 左新宇 李同庆 兰峰摘要 ：为评价长江上游支流小江的河流生态健康状况，根据2016年三峡库区小江15个典型断面浮游植物的定量分析数据，计算了小江浮游植物完整性指数（p-ibi）。在此基础上构建了其河流生态健康评价指标体系和标准，对其进行了健康评价。结果显示：小江总体处于健康状态，但局部问题不可忽视。小江上游段呈理想状态，中游段呈亚健康状态，下游段呈不健康状态，局部样点呈现病态。15个断面有3个处于不健康状态，3个处于病态状态，受损断面主要集中在中下游河段，存在水华爆发的风险。从调节坝坝

2、下的“普里河汇入口上游”到“礁石子渡口”段是受损最严重的河段。这可能是由于局部河段污染负荷大，回水区水体自净能力弱导致，应重点关注，加强管理，有针对性地进行污染物排放控制和水环境修复治理。关键词：河流健康评价;浮游植物完整性指数（p-ibi）;小江;三峡库区1 研究背景生物完整性指数是河湖健康评价中使用最普遍的健康度评价指数之一1-3。浮游植物作为河流生态系统中的生产者，是较好的指示生物，其生物完整性可较好地反映河流的理化性质及对环境变化的响应4-7。近年来，浮游植物完整性指数（p-ibi）在河流、湖泊和水库的健康度评价研究中也应用得越来越普遍8-10。小江是长江上游段左岸一条较大的一级支流，

3、发源于重庆市开州区白泉乡，纳入南河、普里河等支流后，在云阳县汇入长江，小江河口距三峡大坝247 km。三峡水库正常蓄水后，小江回水区延长至60 km左右，上端延伸至开县渠口镇境内，是一条有代表性的库区支流。水华逐渐增多11，而这在蓄水之前较为少见。国内关于小江生态环境的研究不少，但对小江大空间尺度的全江段生态研究很少，且近年来小江也出现了一些新的变化。本研究通过对小江全江段进行浮游植物采样调查和分析，获取了各个断面的浮游植物定量数据，经过统计分析和筛选，构建了基于小江浮游植物完整性指数（p-ibi）的河流健康评价体系和标准，对小江各断面、各河段以及整条河流的生态健康给予评价。小江生态健康状况评

4、价有利于对其生态环境问题的分析，可为小江和其他三峡库区支流乃至整个库区河流的修复和保护提供参考依据，避免库区河流管理中的盲目性。2 材料与方法2.1 监测方法2.1.1 监测时间与断面设置2016年4月，对小江进行了浮游植物采样调查，从小江源头的开县白泉乡到云阳县小江河口，在河流上、中、下游典型河段，以及主要支流南河、普里河，选择有代表性的生境设置采样断面，共设置了开县泉秀村等15个断面，其断面位置见图1。2.1.2浮游植物采样及分析根据水面宽度，在各断面设13条垂线，采集水面下0.5 m处的样品，制备该断面各垂线的等比例综合样品。对浮游植物进行定性和定量采集。在采集后一周之内完成样品分析。采

5、样及分析鉴定等参考标准sl 733-2016内陆水域浮游植物监测技术规程等相关标准和文献12-13。2.2 浮游植物完整性指数的构建浮游植物完整性指数的构建主要分为参照点与受损点的确定、候选指标的选择和筛选、p-ibi指数的计算等几个步骤14-17。（1）参照点与受损点的确定。参考barbour等15调查村庄、污染源、森林覆盖率等情况，根据受人类活动干扰程度，选取无干扰样点或干扰极小样点作为参考点;而其余的明显受影响的干扰样点作为受损点12。（2）候选指标的选择和筛选。基于对各个断面的现场勘查和室内定量分析数据，选取浮游植物（种类、个体、生物量等）数量、结构、功能等产生影响的指标作为候选指标，

6、本次主要选择了种类组成、丰富度、种群营养结构、水华特性、多样性与均匀度等类型的26个指标（见表1）作为候选指标9-10。在对候选指标进行统计后，通过分布范围分析、判别能力分析、正态分布检验和相关性分析等步骤，剔除分布范围过小或过大，意义相对不明显、判别能力较差以及信息高度重叠的指标，得到核心指标。（3）p-ibi指数的计算。采用比值法计算p-ibi值14。首先计算各个核心指标在全部样点中的95%或5%分位数的值，对于随干扰增大而值减小（-）的指标，以95%分位数的指标值为最佳期望值，样点指标分值=实测值/最佳期望值;而对于随干扰增大而值增大（+）的指标，则以5%分位数的指标值为最佳期望值，指标

7、分值=（最大值-实测值） /（最大值-最佳期望值），最后将核心指标分值累加，得出各样点的p-ibi总分值。2.3 断面赋分及健康度评价得到各样点的浮游植物完整性指数（p-ibi）值后，选取参照点样方数据的25 %分位数值作为理想期望值（ibie），赋分100分，对小于25%分位数值的范围进行四等分，并以此确定各河段p-ibi指数值的赋分标准。评估样点或河段完整性指数赋分ibir采用以下公式计算：式中：ibir为评估河段浮游植物完整性指标赋分，ibi為评估河段浮游植物完整性指标值，ibie为河流所在评估单元浮游植物完整性指标理想期望值。根据所得的赋分标准，对各断面生态状况进行赋分。依据各样点的p

8、-ibi指数赋分值，将样点生态状况等级分为“理想、健康、亚健康、不健康、病态”5个级别。具体的分级标准见表2。最后根据相关代表断面控制河长在河流和河段中比例，来确定断面在河流中的权重。计算各个河段以及小江河流整体的健康赋分。3 结果分析3.1 浮游植物完整性指数计算3.1.1 参照点与受损点的确定通过断面实地查勘发现，开县秀泉村、老岩洞、郭家镇3个断面生境较好，河流大多为碎石、鹅卵石、大石、细砂等，河岸稳定、有丰富的植被，河水清澈，无异味，河水静置后基本无沉淀物质，人类干扰较少，符合无干扰或干扰极小样点的要求，被用作参照点，余下的12个断面为受损点。3.1.2 核心指标的确定（1）分布范围分析

9、。分析26个候选生物指标在样点中的分布范围（见表3），发现m6、m7、m8、m9、m19等指标的极差和样本标准差过大，数据变化幅度过大，且这几个均为藻细胞密度数量指标，相对于生物量指标及生物量占比指标，其包含的信息较少（仅有数量信息）。m3、m5、m13、m20、m21、m22等6个指标的相对变化幅度较小或难以反映环境变化对目标生物群体的影响，这些指标不适宜参与构建ibi指标体系，应予以剔除，对余下的15个生物参数进行判别能力分析。（2）判别能力分析。参与分析的15个生物参数的箱体iq重叠的具体结果如图2所示。可见m15、m17、m25、m26等4个指标的参考点和受损点统计量中出现中位数值在对

10、方箱体范围之内的情况，即箱体有部分重叠的情况，不符合iq2的要求，说明这些指标参考点与受损点差异不明显，应予以剔除。余下的11个生物参数纳入下一步分析。（3）相关性分析。用spss 软件对剩下的11个指标进行spearson 相关性分析，其计算结果见表4。由于 |r| >0.85的两个参数间高度相关，取其中一個即可代表相关参数间所包含的大部份信息，优先保留信息含量大的指标。由此综合考察后，舍去m1、m2，m11，m14和m16，保留m4、m10、m12、m18、m23、m24这6个指标组成核心评价指标集。3.1.3 p-ibi指数的计算计算各个核心指标在全部样点中的95%或5%分位数的值

11、，并根据指标对干扰增大的响应，得到各指标在本次研究中的最佳期望值。根据比值法，计算出各样点的p-ibi值，各样点的p-ibi指数赋分，结果见表5。3.2 断面赋分及健康等级评价根据所得的各断面p-ibi值结果，得到参照点样方数据的25%分位数值为4.950，以此作为p-ibi的理想期望值。根据相关公式对各断面的p-ibi值进行赋分。依据所得赋分，参考健康状况评价标准，将样点健康状况分为“理想、健康、亚健康、不健康、病态”5个级别。并根据相关代表断面控制河长来确定断面在河流中的权重。核心指标分位数计算结果见表5，计算各个河段以及小江河流整体的健康赋分结果见图3及表6。4讨 论4.1 小江河流健康

12、评价结果从浮游植物完整性指数评价的结果来看，小江总得分为80.4分，总体上处于健康状态。这主要得益于上游段健康状况较好，而且河段长度较长，占比较高。从各河段来看，沿程上、中、下游河流健康状况呈现明显的差异，小江上游段赋分为107.2分，处于理想状态;中游段为60.8分，处于亚健康状态;下游段为34.2分，处于不健康状态。从干支流方面来看，本次调查评价期间小江支流南河、普里河处于理想和健康的状态。干流总体上健康，部分河段不健康，局部断面处于病态状态。从各个断面上看，本次调查评价的15个断面，处于理想、健康、亚健康、不健康以及病态状态的断面均为3个。渠马镇、高阳镇、礁石子渡口为不健康状态，普里河汇

13、入口上、普里河汇入口下游、高阳平湖3个点为病态状态。因此，小江总体上尚处于健康状态，但中下游段健康状况较差，局部断面呈现病态。4.2 结合浮游植物定量分析结果分析根据各断面的藻细胞密度、生物量等定量分析数据，并依据生物量得到该断面浮游植物的优势种类，结果列于表7。由表7可见，从上游到下游沿程各断面的优势种总体上呈现出“上游直链藻为主，中游角甲藻为主，下游的微囊藻为主”的现象。上游段硅藻门占优，中游甲藻门占优，下游蓝藻门占优，说明小江上游段生态状况较好，而中下游段较差18。小江中下游段的调节坝上游、普里河汇入口上游、普里河汇入口下游、渠马镇、高阳镇、高阳平湖等多个断面总生物量达到1.0 mg/l

14、以上，优势种生物量占比在90%以上，藻类多样性较差，生物量高，说明小江中下游段多个断面生态状况较差。礁石子渡口、黄石镇、高阳镇、高阳平湖、南河汇入口下游、普里河汇入口上游、普里河汇入口下游、渠马镇等多个断面藻细胞密度达到105 cells/l，甚至106 cells/l以上，可知小江中下游段多个断面具有一定的水华风险。因此，浮游植物生物完整性指数评价结果与浮游植物定量分析结果均表明，小江上游段生态健康度较高，而中下游段生态健康度较差。两者结果基本吻合。4.3结合流域人口和水文概况分析结合小江流域的人口和资源分布可以发现：小江上游段，处于山区段，沿岸多为乡村，人口相对较少;中游段，从南河附近开始

15、，为开县县城，人口密集，至普里河入河口附近，均为乡镇，再往下至小江河口，为云阳县县城。因此，相对于上游段，小江中下游段人口密集、污染负荷大，这可能是小江中下游段受损较为严重的根本原因19。另外，小江回水段延伸到渠口镇附近，在普里河以上，接近南河汇入口。回水段水流流速较慢，水体自净能力受到影响，也是小江中下游河段生态健康受损较为严重的重要原因19。5 结 论基于浮游植物完整性指数评价体系，对小江全江和各局部江段，以及各个调查断面所代表的具体河段进行了健康状况评价。总体而言，小江河流尚处于健康状态，但局部问题不可忽视，小江上游段为理想状态，中游段为亚健康状态，下游段为不健康状态，局部样点呈现病态。

16、小江河流受损主要集中在中下游河段，存在水华爆发风险，本次调查期间主要水华藻种为角甲藻和微囊藻。小江中下游河段，尤其是从调节坝坝下的“普里河汇入口上游”到“礁石子渡口”段，是受损严重的河段，应该重点关注，加强管理。中下游地区人口密集，污染负荷大，加上回水区水流缓慢，水体自净能力弱，可能是导致局部河段受损严重的主要原因，应当有针对性地进行污染物排放控制和水环境修复治理。参考文献：1 朱迪， 常剑波. 长江中游浅水湖泊生物完整性时空变化j. 生态学报， 2004， 24（12）：2761-2767.2 劉明典， 陈大庆， 段辛斌，等. 应用鱼类生物完整性指数评价长江中上游健康状况j. 长江科学院院报

17、， 2010， 27（2）：1-6.3 王备新， 杨莲芳， 胡本进，等. 应用底栖动物完整性指数b-ibi评价溪流健康j. 生态学报， 2005， 25（6）：1481-1490.4 张方方， 张萌， 刘足根，等. 基于底栖生物完整性指数的赣江流域河流健康评价j. 水生生物学报， 2011， 35（6）：963-971.5 江源， 彭秋志， 廖剑宇，等. 浮游藻类与河流生境关系研究进展与展望j. 资源科学， 2013， 35（3）：461-472.6 蒙仁宪， 刘贞秋. 以浮游植物评价巢湖水质污染及富营养化j. 水生生物学报， 1988（1）：13-26.7 张远， 郑丙辉， 刘鸿亮. 三峡水

18、库蓄水后的浮游植物特征变化及影响因素j. 长江流域资源与环境， 2006， 15（2）：254-258.8 沈强， 俞建军， 陈晖，等. 浮游生物完整性指数在浙江水源地水质评价中的应用j. 水生态学杂志， 2012（2）：26-31.9 马芊芊. 以浮游生物完整性指数评价长江上游干流宜宾至江津段河流健康度d. 重庆：西南大学， 2015.10 蔡琨， 秦春燕， 李继影，等. 基于浮游植物生物完整性指数的湖泊生态系统评价以2012年冬季太湖为例j. 生态学报， 2016， 36（5）：1431-1441.11 左新宇， 兰峰， 杜小兵，等. 三峡库区小江富营养化现状及防治建议j. 水利水电快报，

19、 2016， 37（11）：12-16.12 sl 733-2016内陆水域浮游植物监测技术规程s.13 胡鸿钧， 魏印心. 中国淡水藻类： 系统分类及生态m. 北京：科学出版社， 2006.14 blocksom k a， kurtenbach j p， klemm d j ，et al. development and evaluation of the  lake macroinvertebrate in tegrity index （lmii） for new jersey lakes and reservoirs. environmental monitoring and assessment， 2002（77）：311-333.15 barbour m t， gerritsen j， griffith g e， et al . a framework for biological criteria for florida streams using benthic macro invertebratesj. journal of the north american benthological society ，19