基于浮游植物完整性指数（P-IBI）的大冶湖健康状况评估

《Journal of Freshwater Ecology》：Assessment of the health status of daye lake based on the phytoplankton integrity index (P-IBI)

　　

作为评价湖泊水环境的重要指标，浮游植物生物完整性指数（P-IBI）近年来被广泛用于评估水生态系统健康。本研究基于野外调查和实验室分析，于2023年枯水期和丰水期对长江中游典型湖泊大冶湖的浮游植物群落结构和水质特征进行了研究，并利用P-IBI评价了其生态状况。结果表明，两个季节的浮游植物群落均以绿藻门（Chlorophyta）、蓝藻门（Cyanobacteria）和硅藻门（Bacillariophyta）为主，其中绿藻门为优势类群。枯水期P-IBI值范围为1.21~3.75，丰水期范围为0.14~3.00。总体而言，大冶湖在枯水期和丰水期的评价等级均为“一般”（Fair）。然而，P-IBI在不同水文期表现出时间变异性，枯水期的评价结果优于丰水期。冗余分析表明，枯水期总磷（TP）、叶绿素a（Chl-a）、氨氮（NH₃-N）和总氮（TN）与P-IBI呈负相关，高锰酸盐指数（COD_Mn）与P-IBI呈正相关；丰水期NH₃-N、TP、Chl-a、TN和COD_Mn均与P-IBI呈负相关。TN和Chl-a分别是枯水期和丰水期影响P-IBI的主要因子。本研究为大冶湖流域水生态健康管理和修复提供了科学依据。

大冶湖是长江中游典型的浅水湖泊，具有多条支流，但以往的健康评价多依赖于单一理化指标，缺乏基于生物完整性的系统评估。湖泊作为水生态系统的重要组成部分，其健康状况直接关系到区域生态安全和资源可持续利用。随着城市化和人类活动的加剧，湖泊污染负荷增加，生物群落完整性受损，因此亟需建立更准确、综合的评价方法。浮游植物作为初级生产者，对环境变化敏感，其群落结构、密度、多样性和生物量能够综合反映水生态健康状况。近年来，基于浮游植物完整性指数（P-IBI）的评价已在太湖、淮河、白洋淀等水体中应用，但在大冶湖尚未有系统研究。为此，研究人员以2023年枯水期（2月）和丰水期（8月）为调查窗口，在大冶湖设置8个采样点（D1-D8），综合运用水质理化分析、浮游植物群落调查、综合营养状态指数（TLI）构建及冗余分析（RDA），建立了适用于大冶湖的P-IBI评价体系，并全面评估了该湖的水生态健康状态。研究结果可为大冶湖流域的水生态管理、污染控制和湖泊修复提供科学依据，论文发表于《Journal of Freshwater Ecology》。

在技术方法方面，研究人员主要采用了以下关键手段：首先，在大冶湖设置8个采样点，分别于枯水期和丰水期采集水样及浮游植物样品，测定总磷（TP）、总氮（TN）、氨氮（NH₃-N）、高锰酸盐指数（COD_Mn）、叶绿素a（Chl-a）和透明度（SD），并根据相关公式计算TLI。其次，基于浮游植物的种类组成、密度、多样性和生物量四大类，选取24个候选参数，利用箱线图四分位距判别分析（IQ≥2）和Pearson相关性分析（|r|>0.75）筛选核心指标，采用比值法对参数进行标准化并计算P-IBI值。最后，通过去趋势对应分析（DCA）和冗余分析（RDA）探究P-IBI及构成指标与水环境因子的关系，从而识别影响湖泊健康的主要环境驱动因子。

研究结果主要分为四部分：

**3.1 浮游植物群落结构**：调查期间共记录浮游植物7门133种。枯水期鉴定出6门57种，其中绿藻门（Chlorophyta）占50.88%，硅藻门（Bacillariophyta）占21.05%，蓝藻门（Cyanobacteria）占17.54%；丰水期共记录6门115种，绿藻门占34.78%，蓝藻门占25.22%，硅藻门占22.61%。两个季节的浮游植物群落均以绿藻门、蓝藻门和硅藻门为主，且绿藻门为优势类群。枯水期绿藻门总密度最高（6.57×10⁵ cells/L），丰水期蓝藻门总密度最高（1.2×10⁹ cells/L）；枯水期甲藻门总生物量最高（0.67 mg/L），丰水期硅藻门总生物量最高（21.19 mg/L）。

**3.2 综合营养状态指数**：根据各采样点的TP、TN、SD、Chl-a和COD_Mn计算TLI，枯水期所有采样点均处于中营养状态；丰水期有4个采样点为轻度富营养，4个为中度富营养，平均营养状态为中度富营养。这表明大冶湖在丰水期营养盐负荷明显升高，水体富营养化风险增大。

**3.3 P-IBI的构建**：该部分包含参考点选择、候选指标筛选、计算与评价标准及评价结果。参考点选择中，根据TLI阈值（枯水期<43，丰水期<60）确定了D1、D2、D3、D8为参考点，D4、D5、D6、D7为受损点。经判别分析和相关性筛选，枯水期最终保留M4、M8、M18、M22四个核心指标，丰水期保留M8、M11、M12三个核心指标。采用比值法计算各参数得分并累加得到P-IBI，依据95%分位数划分健康、亚健康、一般、较差、极差五个等级。评价结果显示：枯水期P-IBI值介于1.21~3.75，其中D1为健康，D3为亚健康，D2、D5、D8为一般，D4、D6、D7为较差；丰水期P-IBI值介于0.14~3.00，其中D3为健康，D8为亚健康，D1、D2、D4、D6、D7为一般，D5为极差。总体而言，大冶湖在枯水期和丰水期的整体评价等级均为“一般”，但枯水期的P-IBI评分普遍高于丰水期。

**3.4 P-IBI与环境因子的关系**：RDA结果表明，枯水期前两轴累计解释量为87.97%，其中TN对P-IBI的影响最大且相关性显著（P<0.05）；P-IBI与COD_Mn呈正相关，与NH₃-N、TN、TP、Chl-a呈负相关。丰水期前两轴累计解释量为92.25%，Chl-a是影响P-IBI的主要因子（P<0.05）；P-IBI与TP、Chl-a、TN、COD_Mn、NH₃-N均呈负相关。这说明不同水文期主导的环境因子不同，TN和Chl-a分别对枯水期和丰水期的P-IBI评价结果有显著影响。

在讨论部分，研究人员分析了P-IBI的适用性，认为尽管浮游植物具有流动性和易受风浪影响的特点，可能降低采样代表性，但其对环境变化高度敏感，且P-IBI涵盖了物种丰富度、密度、多样性和生物量等多个方面，能够较全面地反映湖泊生态健康状态。多季节动态评价优于单一时间点调查，因此选择枯水期和丰水期对比是合理的。研究结果显示枯水期P-IBI高于丰水期，这与TLI计算结果一致，其原因可能是丰水期入湖径流增加，农业面源和城市雨水携带的污染物大量输入，超出湖泊自净能力；同时夏季水温升高导致蓝藻大量繁殖，形成水华风险，恶化水质。部分现有研究也发现丰水期P-IBI可能优于枯水期，这主要与具体流域的水文条件和外源干扰差异有关。关于环境因子，P-IBI与Chl-a负相关，因为Chl-a浓度升高反映浮游植物生物量过度增长，可能引发藻华等生态问题；P-IBI与TN、TP、NH₃-N负相关，因为过量营养盐会促进少数优势种生长，抑制其他物种，导致群落结构失衡和多样性下降。枯水期植被和土壤微生物对污染物的截留作用较强，使得入湖氮磷相对较低，这也是枯水期评价结果较好的原因之一。

研究结论可翻译并总结如下：本研究通过建立基于P-IBI的水生态健康评价体系，系统评估了大冶湖的水生态健康状况，得出以下结论：（1）枯水期和丰水期共记录浮游植物7门133种，两个季节的优势门均为绿藻门、蓝藻门和硅藻门，其中绿藻门为优势类群；枯水期绿藻总密度最高，丰水期蓝藻总密度最高；枯水期甲藻总生物量最高，丰水期硅藻总生物量最高。（2）枯水期各采样点P-IBI值介于1.21~3.75，丰水期介于0.14~3.00；总体上两季评价等级均为“一般”，但枯水期评分高于丰水期。（3）P-IBI能够反映不同水文期湖泊健康状况的变化，大冶湖枯水期整体健康状况优于丰水期；环境因子会影响P-IBI评价结果，其中枯水期TN影响显著，丰水期Chl-a影响显著。该研究为大冶湖流域的水生态健康管理和修复提供了重要的理论依据和科学支撑。