蘇 玉,曹曉峰,黃 藝**
(1:北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,北京100871)
(2:北京大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院,深圳518055)
湖泊流域是指由流域分水線所構(gòu)成的湖泊及其集水區(qū)域,包括湖泊、河流、水庫、濕地及陸地等,而入湖河流作為匯入湖泊的源頭,其健康與人類生存發(fā)展關(guān)系密切,其生態(tài)環(huán)境的評價(jià)不僅要從理化指標(biāo)和生物類群的角度出發(fā)進(jìn)行監(jiān)測評價(jià),更注重從生態(tài)系統(tǒng)角度,客觀反映河流健康狀況[1-2].生物完整性指數(shù)(Indexof Biotic Integrity,簡稱IBI)是對所研究生態(tài)系統(tǒng)的完整性進(jìn)行表征,反映其生物的結(jié)構(gòu)和功能,及生物生存環(huán)境在受到干擾后,以其反應(yīng)敏感的生物參數(shù)對生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行評價(jià)的一種評價(jià)方法.IBI作為生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)的指標(biāo)之一,主要是從生物類群的組成和結(jié)構(gòu)兩方面反映生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況,通過定量描述生物特性與非生物因子的關(guān)系,建立起來的對環(huán)境干擾最敏感的生物參數(shù)[3-4],這些生物參數(shù)主要包括反映群落豐度的指標(biāo),反映生物耐污能力的指標(biāo),反映生物營養(yǎng)狀況的指標(biāo)等.一個(gè)健康的生態(tài)系統(tǒng),必須是結(jié)構(gòu)完整、功能齊全的系統(tǒng),因此,用IBI評估生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)的方法,逐漸得到生態(tài)研究者的認(rèn)同.
IBI評價(jià)法最初由Karr提出[5],以魚類為研究對象,構(gòu)建以魚類為主的完整性指數(shù)(Fish-Index of Biotical Integrity,簡稱 F-IBI)運(yùn)用于美國的河流[3].隨后,研究者根據(jù)河流狀態(tài),研究了以藻類[6]、浮游生物[7]、高等水生植物[4]和大型底棲無脊椎動(dòng)物[8-10]等為觀測對象的IBI水生態(tài)系統(tǒng)健康評估指標(biāo)體系.IBI對河流進(jìn)行完整性評價(jià)是在1990s后才真正得到廣泛應(yīng)用,如F-IBI指數(shù)及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn).而美國環(huán)保署(EPA)建立的以底棲動(dòng)物為基礎(chǔ)的評價(jià)指數(shù)(Benthic Integrity Biotic Index,簡稱B-IBI),標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成功應(yīng)用于16個(gè)州的河流健康評價(jià)[11-13];墨西哥中西部使用B-IBI評價(jià)土地利用方式對溪流生態(tài)系統(tǒng)的影響[14].依據(jù)B-IBI各國學(xué)者提出了基于多度量指數(shù)概念的多度量指數(shù)法進(jìn)行水生物評價(jià),如美國有48個(gè)州以底棲動(dòng)物進(jìn)行評價(jià),29個(gè)州以魚類進(jìn)行評價(jià),4個(gè)州以藻類進(jìn)行評價(jià),26個(gè)州使用一個(gè)以上的生物進(jìn)行評價(jià)[3].
我國對B-IBI的研究始于1990s,Morse等于1994年通過編寫并出版我國第一本水生昆蟲學(xué)專著《Aquatic insects of China Useful for Monitoring Water Quality》[15],使用 EPT(E:蜉蝣目,P:褶翅目,T:毛翅目)分類單元數(shù)首次在國內(nèi)評價(jià)了安徽九華河的水質(zhì)[16].王備新等以安徽黃山地區(qū)的溪流為研究對象,首次在我國對B-IBI指標(biāo)的構(gòu)建及其與理化指標(biāo)的關(guān)系進(jìn)行研究[2].張遠(yuǎn)等為了在更廣泛的區(qū)域內(nèi)推廣B-IBI,以遼河流域的河流為研究對象,對B-IBI指標(biāo)體系的構(gòu)建方法、指標(biāo)選擇和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究,為我國北方河流的 IBI評價(jià)提供依據(jù)[1].
綜合來看,IBI應(yīng)用于湖泊流域入湖河流的評價(jià)較少,而湖泊流域作為一個(gè)完整的社會、經(jīng)濟(jì)、自然的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng),其匯入源-入湖河流對湖泊的能流、物流和信息傳遞都具有重要影響,而且陸地對入湖河流通過“匯”也影響到湖泊.因此,利用入湖河流的生態(tài)系統(tǒng)完整性進(jìn)行研究,從而為湖泊流域的主要受納水體-湖泊的生態(tài)修復(fù)和管理提供依據(jù).本文以滇池流域?yàn)檠芯繉ο螅状斡肂-IBI評價(jià)滇池流域入湖河流水生態(tài)系統(tǒng)健康,以期為建立滇池流域入湖河流生物完整性評價(jià)指標(biāo)體系及標(biāo)準(zhǔn),并為我國高原湖泊的生態(tài)系統(tǒng)健康管理提供依據(jù).
滇池流域是我國典型的高原淡水湖泊流域,位于云貴高原中部(24°29'~25°28'N,102°29'~103°01'E),流域總面積為2920 km2.流域內(nèi)共有29條河流從北部、東部和南部輻射狀匯入滇池,與此同時(shí),只有西部1條河流(??诤?作為滇池出水口.滇池流域具有干濕分明的低緯度高原季風(fēng)氣候特征,其降水量主要集中在每年5-10月的豐水期,約占全年總量的80%;而在11月-次年4月的枯水期,流域29條入湖河流中的20條水庫下游河流會出現(xiàn)3~6個(gè)月不同程度的斷流.
2009年7-8月(豐水期)和2010年1-2月(平水期),選取滇池流域29條入湖河流采集大型底棲動(dòng)物:選用面積為1/16 m2的彼得森采泥器,每個(gè)樣點(diǎn)采集3次底泥.采泥器在樣點(diǎn)中采得的樣品為底棲動(dòng)物與底泥、腐屑等混合體.采用孔徑為40目的金屬篩對混合體進(jìn)行篩選,將篩選出的底棲動(dòng)物放入裝有7%甲醛溶液的30 ml塑料瓶中.把每個(gè)樣點(diǎn)所采集的底棲動(dòng)物按不同種類準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)個(gè)體數(shù),根據(jù)采樣器開口面積計(jì)算出1 m2內(nèi)的數(shù)量(即密度).底棲動(dòng)物的種類鑒定到屬[17-18].
2009年1月-2010年1月進(jìn)行水體理化指標(biāo)監(jiān)測,共10項(xiàng),包括酸堿度(pH)、水溫(WT)、懸浮物(SS)和溶解氧(DO)共 4項(xiàng)物理指標(biāo),以及氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、生化需氧量(BOD)、硝態(tài)氮(-N)6項(xiàng)化學(xué)指標(biāo);樣品采集和保存依據(jù)文獻(xiàn)[19]進(jìn)行,樣品測定依據(jù)GB/T 3838-2002[20]進(jìn)行,并均由云南省昆明市環(huán)境監(jiān)測中心完成.
布點(diǎn)原則主要依據(jù)湖泊流域生態(tài)水文過程的完整性,一共為38個(gè)樣點(diǎn).在上游9個(gè)水源地(S1自衛(wèi)村水庫、S2松花壩、S3東白沙河水庫、S4寶象河水庫、S5柴河水庫、S6果林水庫、S7松茂水庫、S8雙龍水庫、S9映山水庫)出水口處分別布設(shè)采樣點(diǎn);在滇池流域29條入湖河流(由北至南依次為S10王家堆渠、S11新運(yùn)糧河、S12老運(yùn)糧河、S13烏龍河、S14大觀河、S15西壩河、S16船房河、S17采蓮河、S18金家河、S19盤龍江、S20大青河、S21海河、S22六甲寶象河、S23小清河、S24五甲寶象河、S25蝦壩河、S26老寶象河、S27新寶象河、S28馬料河、S29洛龍河、S30撈魚河、S31南沖河、S32淤泥河、S33老柴河、S34白魚河、S35茨巷河、S36東大河、S37中河和S38古城河)下游且避開滇池回水15~20 m的區(qū)域內(nèi)布設(shè)采樣點(diǎn)(圖1).樣品采集時(shí)間是2009年7-8月(豐水期)和2010年1-2月(平水期).
樣點(diǎn)劃分原則參照點(diǎn)是以人類干擾程度作為劃分依據(jù),將點(diǎn)位分為參照點(diǎn)(無干擾點(diǎn)和干擾極小樣點(diǎn))和干擾點(diǎn)定.本研究選擇樣點(diǎn)附近無村莊和農(nóng)田、植被覆蓋率高且環(huán)境受到人為保護(hù)、污染小的水源地為參照點(diǎn);人為活動(dòng)明顯(具有點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染、城鎮(zhèn)化等)的樣點(diǎn)為干擾點(diǎn).根據(jù)以上原則,所布設(shè)的38個(gè)樣點(diǎn)中,位于水源地出水口處的樣點(diǎn)(S1~S9)為參照點(diǎn),位于29條入湖河流入湖口處的點(diǎn)(S10~S38)為干擾點(diǎn).
1.4.1 生物參數(shù)的構(gòu)建 用于構(gòu)建B-IBI的生物參數(shù)常見的有三類:與群落和結(jié)構(gòu)功能有關(guān)的參數(shù),如多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)和分類單元數(shù)等;與生物的耐污能力有關(guān)的指數(shù),如耐污生物指數(shù)等;與生物習(xí)性有關(guān)的生物參數(shù),如粘附著豐度%.
1.4.2 生物參數(shù)篩選 構(gòu)建B-IBI的生物參數(shù)必須對環(huán)境的理化因子變化敏感,一般通過對參數(shù)進(jìn)行分布范圍、判別能力分析、相關(guān)分析來進(jìn)一步篩選參數(shù).
1)生物參數(shù)對干擾的分布范圍分析:計(jì)算各個(gè)生物參數(shù)值,分析所建立的生物參數(shù)對人類干擾的反應(yīng),保留隨人類干擾的增強(qiáng)而單向遞增或遞減的參數(shù).以此為基礎(chǔ),進(jìn)一步分析參照點(diǎn)參數(shù)值的分布范圍,篩除:①對隨干擾增強(qiáng)而生物參數(shù)值遞減的參數(shù),參數(shù)值過小,說明受干擾后參數(shù)值可變范圍窄,不宜作為構(gòu)建B-IBI的參數(shù);對隨干擾增強(qiáng)而生物參數(shù)值遞增的參數(shù),參數(shù)值過大也不適宜考慮;②參數(shù)值分布散、標(biāo)準(zhǔn)差大,說明該參數(shù)不穩(wěn)定,也不考慮.
2)判別能力分析:判別能力分析采用箱線圖法,分析參照點(diǎn)和干擾點(diǎn)的各個(gè)生物參數(shù)的分布情況.依據(jù)Barbour等[22]評價(jià)法,比較參照點(diǎn)和受損點(diǎn)的25%~75%分位數(shù)范圍(箱體IQ)的重疊情況,分別對其進(jìn)行賦值,會有5種不同賦值(小長方形表示中位數(shù)):A:無重疊,設(shè)IQ=3;B:部分重疊,且各自中位數(shù)都在對方箱體之外,IQ=2;C、D:只有一個(gè)中位數(shù)在對方箱體之內(nèi),IQ=1;E:各自中位數(shù)均在對方箱體之內(nèi),IQ=0.選擇IQ≥2的參數(shù)進(jìn)一步分析(圖2).
3)相關(guān)分析:余下的生物參數(shù)進(jìn)行Spearman相關(guān)分析,其相關(guān)系數(shù)的大小反映了生物參數(shù)的重疊程度,選擇相關(guān)系數(shù)|r|>0.75的生物參數(shù)之一,以保證構(gòu)成B-IBI生物參數(shù)的獨(dú)立性.
通過生物參數(shù)篩選的3個(gè)步驟,可以確定構(gòu)成B-IBI生物參數(shù)組.
圖1 滇池流域采樣點(diǎn)分布Fig.1 Sampling sites in Lake Dianchi catchment
圖2 箱線圖法分析的IQ分值Fig.2 IQ values of Box-plots method analysis
1.4.3 統(tǒng)一評價(jià)量綱 對生物參數(shù)進(jìn)行計(jì)分的目的是統(tǒng)一評價(jià)量綱,目前常用的生物參數(shù)計(jì)分法有:3分法、4分法和比值法[11],比值法優(yōu)于3分法和4分法[2].因此,本研究采用比值法計(jì)算生物參數(shù)的分值.具體方法是:①對于隨著干擾增大則數(shù)值越低的生物參數(shù),以95%分位數(shù)為最佳期望值,參數(shù)分值為:該生物參數(shù)值/95%分位數(shù);②對于隨著干擾增大而數(shù)值越高的生物參數(shù),以5%分位數(shù)為最佳期望值,參數(shù)分值為:(最大參數(shù)值-該生物參數(shù)值)/(最大參數(shù)值-5%分位數(shù)).
1.4.4 確定評價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 根據(jù)比值法得到各個(gè)生物參數(shù)分值,B-IBI指數(shù)值為各個(gè)參數(shù)分值的累加和.將參照點(diǎn)B-IBI指數(shù)值分布的25%分位數(shù)作為健康評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn),若干擾點(diǎn)的B-IBI值大于25%分位數(shù)值,則認(rèn)為該樣點(diǎn)是健康的.將小于25%分位數(shù)值的分布范圍4等分,劃分不同的健康等級,因此得到健康、亞健康、一般、較差和極差5個(gè)等級的劃分標(biāo)準(zhǔn).
文中的統(tǒng)計(jì)分析均在SPSS 17.0中完成.
根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和底棲動(dòng)物數(shù)據(jù)結(jié)果,本研究選擇了反映群落豐富度、群落種類個(gè)體組成、營養(yǎng)級組成和生物耐污能力4類、19個(gè)生物參數(shù)作為滇池流域入湖河流底棲動(dòng)物完整性評價(jià)的備選參數(shù),以揭示環(huán)境的改變對底棲動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)和功能的影響(表1).
(甲殼動(dòng)物+軟體動(dòng)物)%(M6)、軟體動(dòng)物%(M9)、寡毛類密度/蛭綱密度(M13)、雜食者%(M16)和刮食者%(M17)這5個(gè)生物參數(shù)的75%分位數(shù)分別為0.14、0.11、0.67、0和0.01(表2),表明隨著污染程度的增強(qiáng),這些生物參數(shù)的值可變范圍很窄,因此不作為構(gòu)建B-IBI的參數(shù)體系.因此,對余下的14個(gè)生物參數(shù)進(jìn)行判別能力分析.
根據(jù)Barbour等的評價(jià)方法和篩選原則,比較所有樣點(diǎn)在25%~75%分位數(shù)的范圍,即用箱線圖法作圖得到箱體IQ的重疊情況,分別利用SPSS軟件畫出箱線圖分析14個(gè)生物參數(shù)的判別能力.結(jié)果表明,(甲殼動(dòng)物+軟體動(dòng)物)分類單元數(shù)(M3)、寡毛綱%(M10)、水絲蚓%(M11)、搖蚊%(M12)、集食者%(M14)、捕食者%(M15)、耐污類群%(M18)和Goodnight指數(shù)(M19)的IQ都≥2,將其保留進(jìn)一步分析,其余生物參數(shù)的IQ值為1或0,將其刪除.因此,剩余的8個(gè)生物參數(shù)進(jìn)入下一步分析.
表1 構(gòu)建B-IBI指標(biāo)體系的生物參數(shù)對干擾的反應(yīng)Tab.1 Candiate biological parameters for B-IBI and their expected direction of reponse to disturbance
表2 19個(gè)生物參數(shù)在10個(gè)參照點(diǎn)中的分布情況Tab.2 Distribution of 19 biological parameters from 10 reference sites
為檢驗(yàn)各參數(shù)所反映的信息獨(dú)立性[21],對經(jīng)過判別能力分析得到的8個(gè)生物參數(shù)進(jìn)行Spearman相關(guān)分析,使各個(gè)生物參數(shù)至少能提供一條新的而非重復(fù)的信息.采用Maxted標(biāo)準(zhǔn),對|r|>0.75代表的兩個(gè)高度相關(guān)的參數(shù),取其之一[21-22].結(jié)果表明(表3):水絲蚓%(M11)、集食者%(M14)、Goodnight指數(shù)(M19)與寡毛綱%(M10),集食者%(M14)、Goodnight指數(shù)(M19)與水絲蚓%(M11),搖蚊%(M12)與捕食者%(M15),集食者%(M14)與Goodnight指數(shù)(M19)顯著相關(guān).反映生物營養(yǎng)組成的捕食者%(M15)與反映群落種類個(gè)體組成的搖蚊%(M12)高度相關(guān)(r=0.899),考慮到捕食者%包含的信息多于搖蚊%,因此刪除搖蚊%(M12),保留捕食者%(M15);反映群落種類個(gè)體組成的寡毛綱%(M10)、水絲蚓%(M11)與反映生物營養(yǎng)組成的集食者%(M14)、Goodnight指數(shù)(M19)高度相關(guān)(r均在0.9以上),考慮到集食者%(M14)包含的信息較多,將其保留,因此刪除寡毛綱%(M10)和Goodnight指數(shù)(M19);集食者%(M14)與水絲蚓%(M11)的相關(guān)系數(shù)r為0.913,考慮集食者%(M14)包含的信息較多,因此刪除水絲蚓%(M11),保留集食者%(M14).根據(jù)以上篩選方法,將(甲殼動(dòng)物+軟體動(dòng)物)分類單元數(shù)(M3)、集食者%(M14)、捕食者%(M15)和耐污類群%(M18)作為計(jì)算B-IBI的指標(biāo)體系.
表3 8個(gè)生物參數(shù)間的Spearman相關(guān)矩陣分析結(jié)果Tab.3 Spearman’s correlation matrix of 8 candidate biological parameters
表4 比值法計(jì)算4個(gè)生物參數(shù)值的公式Tab.4 Formulas for calculating four biological parameters by ratio scoring method
根據(jù)所有樣點(diǎn)值的分布,確定使用比值法的計(jì)算公式(表4),以此計(jì)算各樣點(diǎn)的BIBI值.
將4個(gè)生物參數(shù)由表4計(jì)算所得的值相加,即得到B-IBI指數(shù)值.用參照點(diǎn)25%分為數(shù)值作為健康標(biāo)準(zhǔn),大于該值的樣點(diǎn)均為健康狀態(tài),小于25%分為數(shù)值的進(jìn)行4等分,即得到滇池流域底棲動(dòng)物的 B-IBI指數(shù)值的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn):大于1.62為健康;1.03~1.62為亞健康;0.31~1.03為一般;0.10~0.31為較差;0~0.10為極差.依據(jù)此評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),對滇池流域38個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行底棲動(dòng)物完整性的狀況進(jìn)行評價(jià).結(jié)果表明,在滇池流域的所有樣點(diǎn)中,16個(gè)為健康,5個(gè)為亞健康,6個(gè)為一般,6個(gè)為較差,5個(gè)為極差.
采用Spearman相關(guān)系數(shù)分析B-IBI與10個(gè)理化因子的關(guān)系(表5),結(jié)果表明,B-IBI與-N的相關(guān)系數(shù)最大,為-0.354,其次為WT,與其他理化因子的相關(guān)性不大.
表5 B-IBI值與理化指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)Tab.5 Correlation coefficient between B-IBI and physicochemical parameters
構(gòu)建B-IBI參照點(diǎn)的選擇應(yīng)當(dāng)基于健康的河流選擇無干擾和干擾小的樣點(diǎn).Barobour在人為干擾極小的小溪流上設(shè)置參照點(diǎn),以此評價(jià)福羅里達(dá)州的溪流健康[21],Maxted選擇參照點(diǎn)是以土地利用方式、生境質(zhì)量和水體理化指標(biāo)為依據(jù)進(jìn)行選擇[23];王備新等用底棲動(dòng)物評價(jià)安徽黃山的溪流健康時(shí),基于的原則是:選擇無居民和農(nóng)作物、森林覆蓋率90%以上的為無干擾點(diǎn),選擇上游無點(diǎn)源污染,上下游5 km內(nèi)無村莊等條件為干擾極小點(diǎn),以此確定11個(gè)樣點(diǎn)為參照點(diǎn)[2].然而,國內(nèi)外并沒用選擇參照點(diǎn)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),受自然和人為干擾的雙重影響,尋找健康的河流是不現(xiàn)實(shí)的[24].因此,參照點(diǎn)的選擇應(yīng)以研究區(qū)域的差異為基礎(chǔ),選擇相對干擾小的點(diǎn)位.
通過分析滇池流域的遙感數(shù)據(jù)可知,其所在水源地區(qū)域林地面積平均在70%以上,耕地占5%~23%左右,農(nóng)村居民地不足5%,無城鎮(zhèn)及工礦用地分布,水源地地區(qū)植被覆蓋度高、人為產(chǎn)生的污染,導(dǎo)致水體環(huán)境基本沒有受到干擾.以滇池流域的9個(gè)水源地采樣點(diǎn)作為滇池流域B-IBI的參照點(diǎn),保證了IBI評估中參考點(diǎn)必須無人類影響或人類干擾較小的要求.而本文的評估結(jié)果也證明,對于上游具有未被干擾的水源地的湖泊流域,可參考選擇水源地水體作為B-IBI評估的對照點(diǎn),
不同的地理區(qū)或生態(tài)區(qū),底棲動(dòng)物的組成也不相同.根據(jù)傅伯杰等的中國生態(tài)區(qū)劃方案[25],本文樣點(diǎn)來自兩個(gè)生態(tài)區(qū):云貴高原南部濕潤常綠闊葉林生態(tài)區(qū)和云貴高原北部半濕潤常綠闊葉林生態(tài)區(qū).調(diào)查結(jié)果表明,兩個(gè)區(qū)的底棲動(dòng)物組成具有相似性,而參照點(diǎn)(水源地)主要來自一個(gè)生態(tài)區(qū).以后研究應(yīng)該在條件允許的情況下,盡量選用一個(gè)生態(tài)區(qū)內(nèi)的樣點(diǎn)進(jìn)行分析.另外,本文根據(jù)滇池流域2期(豐水期和平水期)的底棲動(dòng)物數(shù)據(jù)結(jié)果,對滇池流域底棲動(dòng)物完整性指數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行初步研究,而只有長期對底棲動(dòng)物數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測和分析,才能對底棲動(dòng)物群落結(jié)果和水質(zhì)的關(guān)系進(jìn)行較準(zhǔn)確的研究.
1)通過指數(shù)分布范圍、相關(guān)分析和判別能力分析,得到滇池流域B-IBI由(甲殼動(dòng)物+軟體動(dòng)物)分類單元數(shù)、集食者%、捕食者%和耐污類群%組成.
2)滇池流域B-IBI評價(jià)結(jié)果表明,38個(gè)樣點(diǎn)中,16個(gè)為健康,5個(gè)為亞健康,6個(gè)為一般,6個(gè)為較差,5個(gè)為極差.
3)Spearman相關(guān)分析表明,影響滇池流域B-IBI的最大的理化因子是-N和WT.
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