基于浮游生物完整性指数的不同生物浮床黄颡鱼养殖池塘生态健康评价

崔亮 李恩军 程光平 秦秀东 张曼 赵学倩

摘要：【目的】筛选出生物浮床调控养殖池塘水质的有效方法，为黄颡鱼（Pelteobagrus eupogon）规模化养殖池塘生境生态修复提供参考依据。【方法】分别设空心莲子草（Alternanthera philoxeroides）和水葫芦（Eichhornia crassipes）两种生物浮床黄颡鱼养殖池塘（4#和5#池塘），以未设生物浮床的邻塘（6#池塘）为参照点，采用浮游生物完整性指数（P-IBI）评价黄颡鱼养殖池塘的生态健康状况，并分析P-IBI与各类水质因子的关联度。【结果】4#池塘的P-IBI变化范围为1.29～6.57，平均值4.13;5#池塘的P-IBI变化范围为2.65～5.58，平均值4.49;6#池塘的P-IBI变化范围为2.38～5.40，平均值3.86。在同一养殖池塘内，P-IBI随养殖时间的推移整体上呈先上升后下降的变化趋势，并随水温的季节性变化出现一定波动;P-IBI平均值排序为5#池塘>4#池塘>6#池塘，即设有生物浮床养殖池塘的生态健康状况优于参照点池塘，而在两种生物浮床中又以空心莲子草浮床优于水葫芦浮床，前者养殖水体的P-IBI较后者提高8.7%。在两种生物浮床养殖池塘中，均以化学需氧量（CODMn）与P-IBI的关联度最高，其次为总磷（TP）和水温（WT）;在参照点池塘中，与P-IBI关联度最高的水质因子为WT，其次是TP和酸碱度（pH）。【结论】空心莲子草和水葫芦浮床的水质修复作用主要是通过对藻类的选择性抑制来实现，且在对浮游生物组成结构和生物量的影响程度方面，空心莲子草的效果比水葫芦明显，即以生物浮床修复黄颡鱼养殖池塘水质时空心莲子草浮床优于水葫芦浮床。

关键词： 黄颡鱼;浮游生物;生物完整性指数（IBI）;关联度;健康评价

中图分类号： S964.3                    文献标志码： A 文章编号：2095-1191（2019）01-0179-08

0 引言

【研究意义】黄颡鱼（Pelteobagrus eupogon）隶属于鲶形目（Siluriformes）、鲿科（Bagridae）、黄颡鱼属（Pelteobagrus），是一种常见的中小型经济鱼类，因其肉质鲜美细嫩，风味、口感俱佳，而深受消费者青睐，市场需求量也逐年增大，近年来在国内得以广泛养殖。据统计，2017年我国黄颡鱼养殖产量约50 t，产值近百亿元，连续多年增幅在20%左右，养殖产业发展迅猛（姚清华等，2018）。在池塘集约化养殖过程中，水质环境是决定养殖成败的关键，直接影响养殖鱼类的生长发育和疾病发生（霍达等，2018;隋延鸣等，2018）。因此，科学评估黄桑鱼养殖池塘的水质指标及其生态风险，对建立规模化健康养殖模式及指导养殖池塘生境生态修复具有重要意义。【前人研究进展】生物浮床是一种可有效缓解水体污染且对水质起调节作用的环境治理技术，可操作性强、工程造价不高、容易维护，还能产生一定的生态效益（刘勇，2016）。浮游生物作为水域生态系统中生产力与生物链的基础，对水域生态系统的结构、功能及生物生产力均有重要影响（张婷等，2014）。Karr（1996）认为一个良好的生态系统必定存在完整的生物群落，并建议采用生物完整性指数（Index of biotic integrity，IBI）评价水域健康状况。近年来，随着人们对于水质评价体系的深入了解，其评价方式已从单因子向多因子综合评价的方向发展。如基于鱼类（娄方瑞等，2015;任丽平，2015;张赛赛等，2015）、藻类（杨燕君等，2017）、浮游生物（孙永坤等，2015;蔡琨等，2016）、微生物（安新丽等，2016）、底栖生物（熊春晖等，2015;蔡文倩等，2016）等构建的生物完整性评价体系，通过比较分析IBI与环境因子的相关性，可掌握养殖水体的健康程度，并采取相应的修复措施。可见，IBI在不同水体中评价的应用效果及其在管理实践中的作用已得到广大学者的认可（王备新等，2006）。陈桥等（2013）应用底栖动物完整性指数（B-IBI）对太湖流域平原水网区进行健康评价，并证实B-IBI健康評价结果与基于水质及富营养化评价的结果高度吻合;蔡琨等（2014）应用B-IBI对太湖的生态健康进行评价，发现连续观察数据可有效提高B-IBI的可靠性及评价结果的合理性。【本研究切入点】目前，生物浮床在黄颡鱼人工养殖模式中已得到推广应用（石焱，2015），但基于浮游生物完整性指数（P-IBI）的不同生物浮床黄颡鱼养殖池塘生态健康评价鲜见报道。【拟解决的关键问题】采用P-IBI评价黄颡鱼养殖池塘生态健康状况，并通过比较水葫芦（Eichhornia crassipes）和空心莲子草（Alternanthera philoxeroides）两种生物浮床池塘的健康状况，旨在筛选出生物浮床调控养殖池塘水质的有效方法，为黄颡鱼规模化养殖池塘生境生态修复提供参考依据。

1 材料与方法

1. 1 养殖池塘概况

养殖池塘为广西桂林市第二水产养殖场的4#和5#生产性池塘，面积均为1.13 ha，水深约1.8 m，塘堤为片石水泥沙浆砌体，底泥厚度约50 cm。2017年5月20日在每口养殖池塘放养平均体重0.026 g/尾的全雄黄颡鱼苗种32万尾、平均体重650 g/尾的鲢鱼720尾、平均体重920 g/尾的鳙鱼100尾。4#池塘设水葫芦浮床，5#池塘设空心莲子草浮床，浮床面积均为0.07 ha，约占所在池塘面积的6%。

1. 2 试验方法

试验周期共174 d，水质监测期间4#和5#池塘的配合饲料投入量分别为14.2和17.0 t。采样点为每口养殖池塘长边的中部，离生物浮床约15.0 m、离塘堤约1.2 m。从鱼种放养当天开始采集水样，同时监测浮游生物及主要环境因子，而后每隔1个月左右采集水样1次，共采样6次。浮游生物样品采集及种类鉴定参考周凤霞和陈剑虹（2005）的方法，生物量计算参考Ludwing和Reynolds（1998）的方法;环境因子水样采集参照《水与废水监测分析方法》（魏复盛，2002），分别采集深度为0.5、0.9和1.3 m 3个水层的混合水样。采样时段为晴天上午，主要水质指标测定方法如表1所示。

1. 3 IBI指标构建

参考陈凯等（2018）的方法，基于浮游生物的物种丰富度、群落结构和营养结构，选取21个对外界干扰较敏感的浮游生物指标作为体系构建初选指标（表2）。

1. 4 关联度计算及排序

关联系数表示P-IBI与各类水质因子在第K次检测结果的关联程度，但不能表示与所有m项指标的关联程度。因此，需计算用于表示P-IBI与各类水质因子的综合关联度，即选取所有m项检测值的关联系数平均值，计算公式为：

γa=[1m][k=1mεa]（K）         （a=1，2[…]n）

将γa最大值所对应的水质因子作为影响P-IBI的最大影响因子（覃雪波，2009）。

1. 5 参照点设置

参考干扰程度最小系统法和最容易实现系统法（Stoddard et al.，2006），选择主养鱼类相同，且养殖池塘面积、水源、水深和管理状况相似但未设生物浮床的邻塘（6#池塘）为参照点。

2 结果与分析

2. 1 浮游生物种群组成

2. 1. 1 浮游植物种群组成 试验期间先后对4#、5#和6#池塘的浮游植物进行6次采样监测，其种群组成如表3所示。4#、5#和6#池塘的浮游植物种群结构分别为6门33属、5门30属和5门30属。在浮游植物种群组成中，各养殖池塘的优势门均为绿藻门，其属数占池塘总属数的46.67%～48.48%。在蓝藻门的属类组成中，4#、5#和6#池塘分别为7属、6属和8属，所占百分比分别为21.21%、20.00%和26.67%。

蓝藻水华是一个主要的水环境问题，其阻隔空气与水中气体的交换，且死亡后的蓝藻因分解而消耗溶解氧（DO）（de Figueiredo et al.，2006），使水体中的氧含量迅速降低，造成大量水生动物缺氧窒息死亡（王崇等，2009）。在养殖池塘中，蓝藻是形成水华的主要藻类之一，其中铜绿微囊藻极易成为水华藻的优势种（苗晓青等，2011），且微囊藻毒素及生长过程中富集的重金属等有害物质（孙小静等，2007）可引起池塘水质严重污染，诱发鱼病甚至引起死亡。本研究结果表明，设有生物浮床黄颡鱼养殖池塘的浮游植物种类丰富度和生物多样性水平均高于未设生物浮床的参照点池塘;通过对比两种生物浮床发现，空心莲子草浮床养殖池塘（5#池塘）的蓝藻水华压力相对较低，其抑制蓝藻作用较水葫芦浮床养殖池塘（4#池塘）高6.05%。

2. 1. 2 浮游动物种群组成 各养殖池塘的浮游动物种群组成如表4所示。4#、5#和6#池塘的浮游动物种群组成分别为4类20种、4类16种和3类19种。在浮游动物种群组成中，各养殖池塘浮游动物的优势种类均为轮虫类，其种数占45.00%～50.00%，说明养殖池塘设置生物浮床对浮游动物生物多样性水平无明显影响。

2. 2 初选指标筛选及其对生物浮床的反应度判断

2. 2. 1 初选指标筛选结果 通过分析水体中浮游生物的种类、种群结构及生物量等指标，选取21个指标作为生物完整性评价体系的初选指标，并采用箱体图（图1）进行判别能力筛选。依据参照点和监测点各监测指标25%～75%分位数的箱体图重叠情况对各指标进行判别，定义监测点和参照点中位线均位于对方箱体内为IQ<1，其余定义为IQ>1。通过观察箱体图，去除IQ<1的初选指标，保留IQ>1的初选指标（Barbour et al.，1996），结果筛选出M1、M6、M7、M9、M10、M14、M15、M16和M18，共9个指标。然后使用SPSS 17.0对通过判别能力筛选的指标进行Pearson相关性分析，结果（表5）确定M7（浮游植物Pielou均匀度指数）、M9（浮游动物密度）、M14（浮游植物Margalef丰富度指数）、M15（枝角类和桡足类密度）、M16（轮虫类密度）和M18（枝角类与桡足类密度百分比）为P-IBI的指標参数。

2. 2. 2 初选指标对生物浮床的反应度判断结果 生物浮床主要是通过降低养殖水体的氮、磷含量，进而降低浮游植物丰度（李建柱，2016）。因此，本研究将M7（浮游植物Pielou均匀度指数）和M14（浮游植物Margalef丰富度指数）两个指标对环境干扰的反应度定义为下降，其余筛选指标对环境干扰的反应度定义为上升（表6）。

2. 3 P-IBI评价标准确立

以参照点P-IBI的25%分位数作为健康评价标准，当采样点的P-IBI大于25%分位数值，则表示该样点受到的干扰很小，为健康级别，并对小于25%分位数值的分布范围进行四等分，最终确定健康、亚健康、良好、较差和极差5个等级（表7）。

2. 4 养殖池塘水体P-IBI及其评价结果

P-IBI与水域健康状况相关，P-IBI高表示水体健康状况较好，P-IBI低表示水体健康状况较差。由表8可知，4#池塘的P-IBI变化范围为1.29～6.57，平均值4.13;5#池塘的P-IBI变化范围为2.65～5.58，平均值4.49;6#池塘的P-IBI变化范围为2.38～5.40，平均值3.86。在同一养殖池塘内，P-IBI随养殖时间的推移整体上呈先上升后下降的变化趋势，并随水温的季节性变化出现一定波动;P-IBI平均值排序为5#池塘>4#池塘>6#池塘，即设有生物浮床养殖池塘的生态健康状况优于参照点池塘，而在两种生物浮床中又以空心莲子草浮床优于水葫芦浮床，前者养殖水体的P-IBI较后者提高8.7%。

2. 5  P-IBI与水质指标的相关性分析结果

P-IBI与水质环境因子的关联度及其排序如表9所示。在两种生物浮床养殖池塘中，均以化学需氧量（CODMn）与P-IBI的关联度最高，其次为总磷（TP）和水温（WT），其影响程度在不同生物浮床间无明显差异;在参照点池塘中，与P-IBI关联度最高的水质因子为WT，其次是TP和酸碱度（pH）。

3 讨论

浮床生物的生长需要吸收氮、磷等营养元素，从而有效降低养殖水体中的氮、磷含量（吴振斌等，2003）。覃雪波（2009）研究认为，在设有生物浮床的养殖水体中CODMn与P-IBI的相关性最高。CODMn与还原性物质如各种有机物及亚硝酸盐等有关，而有机物含量又不同程度地影响浮游生物丰度，当水体中有机物含量升高时，即引起水体耗氧量升高及浮游生物丰度、生物完整性和健康状况下降。鉴于CODMn与P-IBI的相关性，可通过测定分析CODMn为评估养殖水体健康状况及制定水质调控对策提供科学依据。水温是浮游生物生长发育、群落组成及数量变化的关键因子（崔红和侯晓蕾，2018）。在本研究的无生物浮床6#池塘中，水温与P-IBI的关联度最高，表明水温是无生物浮床养殖池塘浮游生物生物量的主要影响因子，其季节性变化直接影响养殖水体中浮游生物的组成（何绪伟等，2017），具体表现为浮游生物丰度、生物量均随水温的升高而增加（袁宇翔等，2013）。此外，水体中的pH与CO2含量相关（张远等，2007），各营养级生物呼吸作用需消耗较多的DO并释放CO2，致使DO和pH降低，而浮游植物的光合作用消耗CO2并释放O2使pH上升，即水体中的CO2是通过pH来影响浮游生物的群落组成（施曼等，2018），因此pH与P-IBI存在较高的关联度。这在本研究中得到进一步认证，即在3口养殖池塘中pH与P-IBI均有较高的关联度。

本研究的P-IBI评价结果显示，4#池塘（水葫芦浮床）有5个“健康”和1个“较差”，5#池塘（空心莲子草浮床）有5个“健康”和1个“亚健康”，而6#池塘（无生物浮床）有4个“健康”和2个“亚健康”。在黄颡鱼养殖活跃的8—10月，4#和5#池塘的生态健康状况均优于6#池塘，表明生物浮床对黄颡鱼养殖池塘水质有较明显的修复作用;养殖后期由于水温降低，两种生物浮床养殖池塘分别出现“亚健康”和“较差”状况，说明水温降低后生物浮床的光合作用下降，对养殖水体修复功能也降低，与王智等（2012）的研究结果相似。因此，在采用生物浮床修复养殖池塘水质的过程中，必须注意定时采收浮床生物。综合生物浮床养殖池塘的各项指标，发现5#池塘的生态健康状况优于4#池塘;在同一养殖池塘中，P-IBI随养殖的进行整体上呈先上升后下降的变化趋势，并随水温的季节性变化出现一定波动，P-IBI平均值排序为5#池塘>4#池塘>6#池塘，说明生物浮床养殖池塘的健康状况优于未设生物浮床的养殖池塘，而在两种生物浮床中又以空心莲子草浮床优于水葫芦浮床，前者养殖水体的P-IBI较后者提高8.7%。可见，空心莲子草和水葫芦浮床的水质修复作用主要是通过对藻类的选择性抑制来实现，且在对浮游生物组成结构和生物量的影响程度方面，空心莲子草的效果比水葫芦明显，即以生物浮床修复黄颡鱼养殖池塘水质时空心莲子草浮床优于水葫芦浮床。

本研究是在大规模的生产性池塘（每口池塘面积均大于10000 m2）中进行，其养殖水体的健康状况评价对制定黄颡鱼养殖水体生态修复措施有一定的参考价值。但由于本研究仅设两种生物浮床，且每种生物浮床仅一口池塘，缺少平行试验，其评价结果存在一定的局限性，因此，更精准、可重复的生物浮床调控养殖水体水质的集成技术有待进一步探究验证。

4 结论

空心莲子草和水葫芦浮床的水质修复作用主要是通过对藻类的选择性抑制来实现，且在对浮游生物组成结构和生物量的影响程度方面，空心莲子草的效果比水葫芦明显，即以生物浮床修复黄颡鱼养殖池塘水质时空心莲子草浮床优于水葫芦浮床。

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（責任编辑 兰宗宝）