余明峰，劉建中，夏 丹，夏 瑋，周 贊，袁 鴻，肖亞琴，陳敦學，牛艷東，6，唐 軍

（1.湘陰縣林業(yè)局，湖南湘陰 410500； 2.湘陰縣橫嶺湖省級自然保護區(qū)管理委員會，湖南 湘陰 413100； 3.湖南洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，湖南 岳陽 414000； 4.貴州大學，貴州 貴陽 550025； 5.湖南省林業(yè)科學院，湖南 長沙 410004； 6.洞庭湖流域生態(tài)系統(tǒng)管理與水資源可持續(xù)利用國際科技合作基地，湖南長沙 410004； 7.江永縣高澤源國有林場，湖南 江永 425400）

浮游植物是水生生態(tài)系統(tǒng)中的重要生產者，能夠迅速反應水體的營養(yǎng)狀態(tài)，是評價水質的重要指標［1］，在對水生態(tài)環(huán)境的維持上具有穩(wěn)定性和完整性等方面的重要生物學意義［2］。2006年，浮游植物完整性指數（P-IBI：phytoplankton-IBI）由Lacouture等［3］提出，隨著不斷改進，成為目前最為普遍的水生態(tài)健康程度評價指數之一［4］，它主要通過多樣性相關指數、生長特征和群落組成的生物參數，綜合評價湖泊水域中的浮游植物整體狀況［5］。

在國內已有相關報道利用浮游植物完整性指數（P-IBI）對水生態(tài)健康狀況進行評價。肖善勢等［6］基于P-IBI，評價了錢塘江流域—浙江段水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況；譚巧等［7］基于P-IBI，評價了長江上游流域水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，確定三種評價方法中4分制法和比值法在劃分評價等級上更細致、評價結果更精確。但是，洞庭湖通過P-IBI評價未見報告，大多數是對洞庭湖浮游植物群落結構特征的研究。橫嶺湖是洞庭湖的重要組成部分，通過P-IBI對橫嶺湖水生態(tài)健康狀況的評價，有利于合理規(guī)劃、保護橫嶺湖生態(tài)環(huán)境，并對PIBI在洞庭湖上的研究提供參考。

1 研究區(qū)概況

橫嶺湖省級自然保護區(qū)位于湖南省湘陰縣北部，東起湘江與岳陽市屈原行政區(qū)隔江相望，南抵湘陰縣洞庭圍鎮(zhèn)和鶴龍湖鎮(zhèn)，西臨益陽沅江市，北接東洞庭湖磊石山。湖區(qū)年平均氣溫16～17℃，降水主要集中在4～6月，7月溫度能夠達到29℃，絕對最高氣溫達43℃，地理坐標介于112°38′—112°57′E與28°30′—29°03′N之間。總面積4.3萬hm2，其中永久性陸地2.2萬hm2，洲灘0.6萬hm2，永久性水面1.5萬hm2。保護區(qū)作為洞庭湖重要組成部分之一，屬濕地類型。在生態(tài)上為眾多瀕危、珍稀遷徙水鳥提供棲息地，也是它們重要的繁殖地和中轉站［8］。在功能上具有調節(jié)徑流、控制洪水、改善水質和降解污染物等重要作用［9］，為洞庭湖重要水上航道之一。

2 研究方法

2.1 采樣點設置

在橫嶺湖自然保護區(qū)設立10個采樣點，其中S1、S2、S3、S4采樣點由湘江水注入；S5、S6、S7、S8、S9、S10采樣點由資江水注入；S5、S6、S9、S10 為 主 要 湖 區(qū)；S1、S2 在 航 運 線 上（見圖1）。

圖1 采樣點分布圖Fig.1 Distribution of sam pling points

2.2 樣品采集與處理

于2021年7月進行樣品采集。在各個采樣點使用水生生物采水器采集水樣1L，裝入帶蓋的采集瓶中，加入10mL魯哥氏試劑和5 mL甲醛固定，做上標記并帶回實驗室進行定量分析。定性采集使用25號浮游生物網，所得樣品現場使用4%甲醛溶液固定，進行實驗室顯微鏡鑒定時確定到種。定量樣需沉淀水樣48 h，濃縮至約30 mL，經充分搖勻后，通過直接計數法。對于浮游植物種類鑒定參照《水生生物學》［10］進行鑒定。

水溫（WT）、溶解氧（DO）、pH值和透明度（SD）直接運用便攜儀器當場測定，高錳酸鹽指數（CODMn）、總氮（TN）、總磷（TP）和葉綠素-a的測定，采集水樣在實驗室參考國標測定［11］。

2.3 數據統(tǒng)計與分析

調查相關性分析、多樣性指數、綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數等統(tǒng)計分析數據及圖表在Excel 2019軟件和SPSS 20軟件中完成，部分指數計算公式如下。

2.3.1 多樣性指數

式中：Chl-a的單位為μg·L-1；SD的單位為m；其他指標的單位均為mg·L-1。

2.3.3 標準化賦分

在譚巧等［7］研究中發(fā)現在等級的劃分和評價結果上，4分制法和比值法相對較細致和精確。本次橫嶺湖浮游植物完整性評價采用比值法對參數進行標準化賦分。

（1）對于隨人為干擾增加而升高的參數，賦分計算公式：

式中：最小值為該參數的最小值；參數值為欲進行賦分的某一參數；最佳值為該參數95%分位值。

3 結果與分析

3.1 水體理化性質

本次調查主要對水中理化性質透明度（SD）、pH值、水溫（WT）、溶解氧（DO）、總氮（TN）、總磷（TP）、高錳酸鹽指數 （CODMn）進行測定，均值分別為0.24 m、7.56、27.98℃、6.15 mg·L-1、1.98 mg·L-1、0.20 mg·L-1和3.86 mg·L-1（見表1）。

表1 各采樣點水體理化性質Tab.1 Physical and chem ical properties of water bodies at each samp ling point

3.2 種類組成

本次研究調查共鑒定出浮游植物49種，隸屬于6門35屬。藍藻門5屬5種，占總種類數的10.20%；隱藻門2屬3種，占總種類數的6.12%；甲藻門1屬1種，占總種類數的2.04%；硅藻門6屬9種，占總種類數的18.37%；裸藻門3屬4種，占總種類數的8.16%；綠藻門18屬27種，占總種類數的55.10% （見表2）。

表2 橫嶺湖自然保護區(qū)浮游植物物種組成和優(yōu)勢種Tab.2 Phytoplankton species com position and predom inant species in Hengling Lake Nature Reserve

續(xù)表2 橫嶺湖自然保護區(qū)浮游植物物種組成和優(yōu)勢種Continued Tab.2 Phytop lankton species com position and predom inant species in Hengling Lake Nature Reserve

3.3 橫嶺湖P-IBI的建立

3.3.1 參考點與受損點的確定

參考點與受損點是生物完整性評價的核心內容，它的結果直接影響P-IBI的評價結果［16］。TSI綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數能夠較為準確地評價水體實際營養(yǎng)狀況［17］，本研究通過TSI綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數來確定參照點和受損點。計算各采樣點的TSI綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數，從小到大排列，選取數值小于43的作為參考點，其余的為受損點。橫嶺湖共選出4個受損點為S1、S4、S9和S10，6個參照點為S2、S3、S5、S6、S7和S8（見表3）。

表3 橫嶺湖綜合營養(yǎng)指數Tab.3 Index of integrated nutrition

3.3.2 備選評價指標 浮游植物生物完整性指數候選指標主要是通過參考對國內外有關的研究實例設置［6-7］。此次研究初選取對水環(huán)境較為敏感的24類指標。這些指標大體上可以分為群落結構、生物多樣性、物種豐富度和組成3個大類 （見表4）。

表4 浮游植物完整性評價候選參數的選擇Tab.4 Selection of candidate parameters for phytoplankton integrity assessment

3.3.3 判別能力分析 通過對參照點與受損點制作箱型圖，篩選候選指標。根據箱體重疊情況，IQ值的賦予不同，當箱體沒有重疊，IQ＝3；兩箱部分重疊，但兩中位線不在對方箱體內，IQ＝2；只有一個中位數值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。由圖2可知：M6、M14、M15、M19、M22、M24共有6個候選指標IQ≥2，將這6個候選指標留作下一步分析。

圖2 浮游植物參照點與受損點候選參數篩選Fig.2 Screening of candidate parameters for phytoplankton reference point and damaged point

續(xù)圖2 浮游植物參照點與受損點候選參數篩選Continued Fig.2 Screening of candidate parameters for phytoplankton reference point and damaged point

3.3.4 候選生物指標相關性分析 將候選指標箱型圖IQ≥2的參數進行Pearson相關性分析，當相關系數大于0.75的兩個參數，則獨立性較低，兩者之間包含的生態(tài)信息相似程度較高，可權衡比較刪去一個。6個候選指標中Pearson相關系數中無極顯著相關，M14與M19、M22與M24關系顯著，6個候選指標均可保留（見表5）。

表5 浮游植物生物完整性指數參數的Pearson相關系數Tab.5 The Pearson correlation coefficient for the parameters of the biological integrity index of phytoplankton

3.4 健康評價結果

3.4.1 選用參數特征值 M14、M15和M19三個參數與人為干擾成正相關，因此選擇5%分位值為最佳值；M6、M22和M24三個參數與人為干擾成負相關，因此選擇95%分位值為最佳值 （見表6）。

表6 選用參數特征值Tab.6 Selected parameter eigenvalues

3.4.2 標準化賦分健康評價 通過標準化賦分，將各參數賦分相加后的總和得到每個采樣點PIBI的分值P［18］。將橫嶺湖各采樣點P的平均值作為橫嶺湖的生物完整性指數P。對于P值大于75%分位數時該采樣點健康狀況評價為優(yōu)，P值在50%～75%分位數間的采樣點健康狀況評價為良，P值為25%～50%分位數間的采樣點健康狀況評價為中，P值為25%分位數以下的采樣點健康狀況評價為差（見表7）。

表7 浮游植物生物完整性指數值P的評價結果Tab.7 Evaluation results of phytop lankton biological integrity index value P

3.5 P-IBI指數P與環(huán)境因子的相關性

將橫嶺湖各個采樣點的P值與透明度（SD）、pH值、水溫（WT）、溶解氧（DO）、總氮（TN）、總磷（TP）、高錳酸鹽指數（CODMn）進行Pearson相關性分析，其中P值與TN和DO水平相關性顯著，與其它環(huán)境因子無相關性（見表8）。

表8 浮游植物完整性指數P與環(huán)境因子Pearson相關系數Tab.8 Correlation coefficient of phytoplankton integrity index P and environmental factor pearson

4 結論與討論

（1）對于橫嶺湖自然保護區(qū)浮游植物完整性評價結果顯示生態(tài)健康狀態(tài)良好，這與Shannon-Wiener多樣性指數、Margalef豐富度指數、Pielou均勻度指數評價相似，但相比于夏瑋等［19］對橫嶺湖貧水期水環(huán)境狀態(tài)評價要高。主要因為豐水期大量的新水注入，淡化了原有的橫嶺湖水環(huán)境，降低橫嶺湖的污染度，與Bhatt等［20］對降雨量等因素估算垃圾滲濾液的研究曲線相似。由于各采樣點水源主要來自湘江和資江，在豐水期江河能給湖區(qū)帶來較為豐富的營養(yǎng)鹽［21-22］，導致橫嶺湖各采樣點整體浮游植物完整性較高。同時，湘江水注入的采樣點均值P值，要大于資江水注入的采樣點均值P值，浮游植物完整性程度整體上高于資江水注入的采樣點。護岸類型不同，河流攜帶的營養(yǎng)鹽含量不同［23］，這是造成湘江與資江水注入的采樣點P值差異的主要原因。

（2）相關研究表明SD、pH 值、WT、DO、TN、TP、CODMn均能成為影響浮游植物種群變化的主要因子［24-25］。本次橫嶺湖研究結果顯示，浮游植物完整性指數P值與環(huán)境因子TP、pH值、WT成正相關關系，與CODMn、SD成負相關關系，其中與TN和DO相關性顯著并成正相關關系，這在一定程度上有利于促進浮游植物的繁殖，容易出現單一優(yōu)勢種突出的現象，P值降低。在李利強等［26］對洞庭湖浮游植物增長的限制營養(yǎng)元素研究中，表明氮是對洞庭湖浮游植物增長的主要限制因子，添加氮能明顯促進浮游植物生物量增加，這與橫嶺湖浮游植物完整性指數P值和TN的相關性顯著結果一致。近些年的研究中，未發(fā)現DO是影響洞庭湖浮游植物完整性的主要因素，但在其它流域中，如楊濤等［27］對渭河流域浮游植物環(huán)境因子調查研究中，DO是主要的影響因素。這也證實不同水環(huán)境中，浮游植物完整性與環(huán)境因子的影響差異各有異同。

（3）本研究采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數值劃分來確定參考點與受損點，并通過對候選指標進行分布范圍檢驗、判別能力分析、指數間的相關性分析，得到橫嶺湖P-IBI由硅藻門密度百分比、藍藻門生物量百分比、綠藻門生物量百分比、水華藻類生物量、Shannon-Wiener多樣性指數和Pielou均勻度指數6個參數組成。評價橫嶺湖水生態(tài)健康狀況分為4個標準：對于P值大于75%分位數的評價為優(yōu)；P值在50% ～75%分位數間的評價為良；P值為25%～50%分位數間的評價為中；P值為25%分位數以下的評價為差。

應用P-IBI評價，得出橫嶺湖自然保護區(qū)水環(huán)境狀況良好。其中，水環(huán)境因子TN和DO與P-IBI評價P值呈顯著正相關關系。