亞熱帶城市河流底棲動(dòng)物完整性評(píng)價(jià)
——以流溪河為例

劉帥磊,王 賽,崔永德,王 林,何文祥,龍勝興,楊 揚(yáng),2,*

1 暨南大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院,水生生物研究中心, 廣州 510632 2 熱帶亞熱帶水生態(tài)工程教育部工程研究中心, 廣州 510632 3 中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所, 武漢 430072 4 廣州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站, 廣州 510030

隨著人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響日益加劇,水體污染、河道改造、生境退化等一系列外來(lái)干擾導(dǎo)致河流健康狀況逐年衰退[1-3],探索有效評(píng)價(jià)河流生態(tài)健康的方法,并找到影響其健康的脅迫因子,是當(dāng)前水域生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)[4-6]。以理化參數(shù)為主的評(píng)價(jià)只能反映水質(zhì)瞬時(shí)狀況,外來(lái)干擾的累積效果難以體現(xiàn),且在多重污染協(xié)同作用下,潛在的有害生物效應(yīng)也無(wú)法預(yù)測(cè)。21世紀(jì)后,以生物監(jiān)測(cè)為主導(dǎo)的河流健康評(píng)價(jià)技術(shù)不斷成熟,由于各類生物都有特定的耐受范圍,借助其群落結(jié)構(gòu)變化對(duì)水體和棲地的響應(yīng),能夠直接有效地比較流域內(nèi)生境優(yōu)劣[7-8]。

大型底棲動(dòng)物作為水生食物網(wǎng)中重要組成部分,由于其存活周期長(zhǎng)、活動(dòng)范圍小、分布空間廣以及反應(yīng)靈敏等特點(diǎn),常被選作反映系統(tǒng)受干擾影響的重要生物指標(biāo),其群落結(jié)構(gòu)、優(yōu)勢(shì)種、多樣性、均勻度等參數(shù)變化被普遍用于比較環(huán)境污染狀況。但是,這些傳統(tǒng)的指標(biāo)不能充分利用底棲動(dòng)物自身的生理生態(tài)屬性,如食性、敏感度、耐污性等,從而難以有效地指示生態(tài)系統(tǒng)的綜合狀況[9]。1981年,Karr提出以生物完整性指數(shù)(Index of Biotic Integrity, IBI)表征河流生態(tài)系統(tǒng)健康[5],早期的評(píng)價(jià)以魚(yú)類為主(F-IBI),隨后,研究者根據(jù)河流狀態(tài),開(kāi)發(fā)了以藻類、浮游生物、高等水生植物以及大型底棲動(dòng)物為觀測(cè)對(duì)象的水生態(tài)系統(tǒng)IBI健康評(píng)估體系[10-11]。

1990s后,該體系得以廣泛應(yīng)用,美國(guó)環(huán)保署(EPA)在大尺度流域研究中建立了以底棲動(dòng)物完整性指數(shù)(B-IBI)為基礎(chǔ)的評(píng)價(jià)體系,該體系已成功應(yīng)用于16個(gè)州的河流健康評(píng)價(jià)[11]。B-IBI強(qiáng)調(diào)利用多種生物學(xué)參數(shù),從功能完整性的角度反應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)的狀況,從而評(píng)價(jià)河流乃至整個(gè)流域的健康水平。楊連芳等[12]首次將水質(zhì)生物評(píng)價(jià)引入我國(guó),并用EPT(蜉蝣目-襀翅目-毛翅目)分類單元數(shù)評(píng)價(jià)了九華河水質(zhì)。此后,王備新等[13]、張遠(yuǎn)等[14]、李強(qiáng)等[15]、楊柳等[16]分別對(duì)安徽黃山地區(qū)溪流、遼河流域、西苕溪以及溫榆河進(jìn)行了健康評(píng)價(jià)。雖然這些研究涉及不同級(jí)別、不同區(qū)域的河、溪生態(tài)系統(tǒng),但范圍多集中于我國(guó)的華北和華中,屬典型的溫帶氣候區(qū),相較之下,以熱帶亞熱帶氣候影響下的華南地區(qū)河流為對(duì)象,進(jìn)行健康評(píng)價(jià)的研究卻未見(jiàn)報(bào)道。

不同氣候特征決定了一個(gè)區(qū)域特有的底棲動(dòng)物群落,Dudgeon等[1]曾指出,熱帶亞熱帶河溪中的水生生物多樣性要明顯高于溫帶地區(qū),而B(niǎo)-IBI正是以敏感的生物學(xué)參數(shù)為主,受不同氣候條件影響,該體系的適用性和解釋度都值得進(jìn)一步探討。本研究假設(shè)受高物種豐度的影響,以地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)的流溪河為研究對(duì)象,所構(gòu)建的B-IBI體系可能與溫帶地區(qū)有較大差異?；?016年豐、枯水期流溪河14個(gè)斷面的底棲動(dòng)物調(diào)查數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)生物指標(biāo)篩選和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)立,本文構(gòu)建了適用于流溪河的B-IBI評(píng)價(jià)體系,在地理尺度上豐富了B-IBI在河溪生態(tài)學(xué)研究中的應(yīng)用,研究結(jié)果可為流溪河生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

流溪河位于廣州市從化區(qū)西北部(23°12′30″—23°57′36″N,113°10′12″—114°2′00″E),珠江三角洲的中北部。發(fā)源于從化區(qū)呂田鎮(zhèn)桂峰山,流經(jīng)從化區(qū)和白云區(qū)地區(qū)時(shí)匯入眾多的溪流,在白云區(qū)江高鎮(zhèn)江村南崗口與白泥河匯合后注入珠江,流入南海,其干流全長(zhǎng)171 km,流域總面積2300 km2。該流域?qū)偃A南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),受季風(fēng)環(huán)流影響以及臨近南海的海洋調(diào)節(jié),氣候溫濕,雨量豐沛,年均氣溫21.2 ℃,年均降水量1823.6 mm,汛期(4—9月)雨量約占全年雨量的84%。流溪河是唯一一條流經(jīng)廣州市的河流,近年來(lái),由于珠江三角洲社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,工業(yè)化和城市化進(jìn)程加速,流溪河流域土地使用情況變化顯著,水生態(tài)系統(tǒng)受人為影響嚴(yán)重。此外,流溪河作為廣州市重要水源保護(hù)區(qū),其水生生物物種豐富、多樣性高,但近年來(lái)受旅游開(kāi)發(fā)、水利建設(shè)、農(nóng)業(yè)集約化生產(chǎn)和下游城市化推進(jìn)等因素影響,流域內(nèi)水環(huán)境質(zhì)量不斷下降,水生生物多樣性受到威脅[17]。鑒于此,對(duì)流溪河全流域的生態(tài)健康水平進(jìn)行評(píng)價(jià),并對(duì)各河段的受損程度加以比較分析,對(duì)流域生態(tài)管理和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

2 研究方法

2.1 樣點(diǎn)設(shè)置

根據(jù)流溪河各河段的地理位置,結(jié)合當(dāng)?shù)氐纳扯鄻有?、土地利用類型、堤岸穩(wěn)定性、河岸植被覆蓋度等參考指標(biāo),在流溪河流域共設(shè)置14個(gè)采樣位點(diǎn)(其中,干流斷面7個(gè)：S3、S4、S7、S8、S11、S12、S14；支流斷面7個(gè)：S1、S2、S5、S6 、S9、S10、S13),用GPS對(duì)所有位點(diǎn)定位(圖1)。本研究于2016年豐水期(前汛期4月、后汛期8月)和枯水期(12月),共分3次對(duì)所設(shè)14個(gè)位點(diǎn)的底棲動(dòng)物樣品進(jìn)行采集,同時(shí)對(duì)水體理化指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為排除季節(jié)差異對(duì)B-IBI構(gòu)建的影響,生物指標(biāo)的篩選及健康評(píng)分皆以各位點(diǎn)所得數(shù)據(jù)的年均值計(jì)算。依據(jù)Barbour等[18]提出的無(wú)干擾樣點(diǎn)和干擾極小樣點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行參照點(diǎn)選擇,并結(jié)合實(shí)地的水質(zhì)和生境狀況,在研究區(qū)域確立了3個(gè)參照位點(diǎn)(S1、S2和S5)和11個(gè)受損位點(diǎn)(S3、S4和S6—S14)。

圖1 流溪河大型底棲動(dòng)物采樣點(diǎn)的分布Fig.1 Sampling site of macrozoobenthos in Liuxi RiverS:采樣點(diǎn)代碼

2.2 采樣方法、分類與鑒定及環(huán)境因子的測(cè)定

在所選定位點(diǎn)的100 m范圍之內(nèi),使用口徑為25 cm×25 cm的D型抄網(wǎng)(60目),隨機(jī)采集水草區(qū)、急流區(qū)、緩流區(qū)3個(gè)平行樣本。在現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過(guò)60目篩網(wǎng)過(guò)篩沖洗,將網(wǎng)內(nèi)所有采集物裝入聚乙烯封口袋,加入10%福爾馬林溶液固定后帶回實(shí)驗(yàn)室,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用人工挑揀的方法,將底棲動(dòng)物樣品置于解剖盤(pán)中,將肉眼可見(jiàn)的底棲動(dòng)物分揀出,轉(zhuǎn)入50 mL的塑料瓶中,同時(shí)加入95%的酒精溶液保存。置于六孔盤(pán)中,在顯微鏡和解剖鏡下進(jìn)行鑒定,底棲動(dòng)物樣本盡可能鑒定到種,計(jì)數(shù)和稱重。稱量時(shí),先用吸水紙吸去樣本表面水分,直到吸水紙表面無(wú)水痕跡為止。定量稱重用電子天平,精確到0.0001 g。每個(gè)位點(diǎn)采集的平行樣品數(shù)據(jù)以算術(shù)平均值表示,并將每個(gè)樣品中的個(gè)體數(shù)量和生物量換算成每平方米的單位含量。軟體動(dòng)物、寡毛類、水生昆蟲(chóng)等底棲動(dòng)物物種鑒定參照有關(guān)資料[19-29]。

2.3 B-IBI評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)方法的構(gòu)建

(1)提出候選指標(biāo)

用于建立B-IBI體系的生物學(xué)指標(biāo)很多,參照相關(guān)文獻(xiàn)[18,31-33],本研究選用了反映物種豐富度(M1-M10)、種類組成(M11-M23)、生物耐受性(M24-M28)、營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)(M29-M31)和小生境質(zhì)量(M32)5大指標(biāo)類型,具體包含32個(gè)候選指標(biāo)(表2),以反映環(huán)境變化對(duì)目標(biāo)生物(個(gè)體、種群、群落)數(shù)量、結(jié)構(gòu)和功能的影響,從而有效監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)水環(huán)境質(zhì)量。

(2)篩選核心指標(biāo)

①分布范圍分析：根據(jù)參照點(diǎn)和受損點(diǎn)候選指標(biāo)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、25%分位數(shù)、中位數(shù)和75%分位數(shù),對(duì)不適合構(gòu)建B-IBI體系的指標(biāo)進(jìn)行排除,包括：分布比較散且標(biāo)準(zhǔn)差大的指標(biāo)；對(duì)于隨干擾增強(qiáng)而數(shù)值降低范圍過(guò)小的指標(biāo)；對(duì)于隨干擾增強(qiáng)而數(shù)值增加范圍過(guò)大的指標(biāo)[14]。

②判別能力分析：將各指標(biāo)在參照點(diǎn)和受損點(diǎn)的重疊情況(即箱體IQ)進(jìn)行比較,比較范圍在25%—75%分位數(shù),并根據(jù)重疊情況賦值：沒(méi)有重疊,IQ= 3；部分重疊,但中位數(shù)都在對(duì)方箱體之外,IQ= 2；僅一個(gè)中位數(shù)在對(duì)方箱體之內(nèi),IQ= 1；中位數(shù)值都在對(duì)方箱體范圍之內(nèi),IQ= 0,只有IQ≥ 2的指標(biāo)才適合構(gòu)建B-IBI[18]。

③相關(guān)性分析：根據(jù)指標(biāo)間的相關(guān)性顯著水平,確定各指標(biāo)所表達(dá)信息的重疊度。應(yīng)用Maxted等[31]標(biāo)準(zhǔn),如果兩個(gè)指標(biāo)間的相關(guān)性系數(shù)|r|>0.75,表明二者所反應(yīng)的信息重疊度較高,選擇其中一個(gè)即可。

(3)計(jì)算指標(biāo)分值

本研究采用穩(wěn)定性及準(zhǔn)確度較高的比值法對(duì)生物指標(biāo)記分[13-14,34]。對(duì)于隨干擾增強(qiáng)而數(shù)值降低的指標(biāo),以其在全部位點(diǎn)的95%分位數(shù)為最佳期望值(X0.95)；對(duì)隨干擾增強(qiáng)而數(shù)值增加的指標(biāo),以其在全部位點(diǎn)的5%分位數(shù)為最佳期望值(X0.05)。計(jì)算公式分別為：

BIn=Xn/X0.95

BIn=(Xmax-Xn)/(Xmax-X0.05)

式中,BIn為第n個(gè)位點(diǎn)指標(biāo)的計(jì)算分值,Xmax為全部位點(diǎn)中的最大指標(biāo)值,Xn為第n個(gè)位點(diǎn)的指標(biāo)值,所得分值的分布范圍為0—1,如果大于1,則都記為1。

(4)確立評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

將各指標(biāo)分值進(jìn)行加和,得到該位點(diǎn)的B-IBI值,以參照點(diǎn)B-IBI值的25%分位數(shù)作為健康評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)[14]：①若該位點(diǎn)的B-IBI值≥參照點(diǎn)25%分位數(shù),則表示該位點(diǎn)受干擾程度很小,屬健康水平；②若該位點(diǎn)的B-IBI值<參照點(diǎn)25%分位數(shù),則將參照點(diǎn)25%分位數(shù)進(jìn)行4等分,分別代表不同的健康程度(亞健康、一般、差、極差)。

2.4 數(shù)據(jù)處理

平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算在Excel中完成；單因素方差分析(one-way ANOVA)、正態(tài)分布檢驗(yàn)、Pearson相關(guān)性分析在SPSS 18.0中完成；繪圖分析采用Origin 9.5。應(yīng)用R語(yǔ)言軟件(3.3.2)中vegan數(shù)據(jù)包分析B-IBI對(duì)環(huán)境因子及位點(diǎn)健康狀況的解釋度,除趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析(DCA)結(jié)果為3.65,介于3.0—4.0,本文選用典型對(duì)應(yīng)性分析(CCA)做進(jìn)一步分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 流溪河水質(zhì)理化指標(biāo)

表1 流溪河水體物理化學(xué)指標(biāo)Table 1 Major physicochemical parameters of water quality(means ± SE)in Liuxi River

3.2 流溪河流域底棲動(dòng)物種類組成與分布

2016年對(duì)流溪河豐、枯水期干流和支流底棲動(dòng)物進(jìn)行野外采集,共獲得底棲動(dòng)物103種,隸屬于4門(mén)8綱22目52科94屬(附表),包括環(huán)節(jié)動(dòng)物門(mén)寡毛綱(帶絲蚓目、顫蚓目和單向蚓目)、多毛綱(葉須蟲(chóng)目)、蛭綱(蛭蚓目和無(wú)吻蛭目)；軟體動(dòng)物門(mén)腹足綱(中腹足目和基眼目)、瓣鰓綱(貽貝目、蚌目和真瓣鰓目)；節(jié)肢動(dòng)物門(mén)甲殼綱(十足目)、昆蟲(chóng)綱(蜉蝣目、蜻蜓目、襀翅目、鱗翅目、半翅目、毛翅目、鞘翅目、廣翅目和雙翅目)；扁形動(dòng)物門(mén)渦蟲(chóng)綱。其中,環(huán)節(jié)動(dòng)物門(mén)寡毛綱19種,占物種總數(shù)的18.5%,多毛綱2種,占1.9%,蛭綱6種,占5.8%；軟體動(dòng)物門(mén)瓣鰓綱3種,占2.9%,腹足綱10種,占9.7%；節(jié)肢動(dòng)物門(mén)甲殼綱3種,占2.9%,昆蟲(chóng)綱59種,占57.3%；扁形動(dòng)物門(mén)1種,占1.0%。對(duì)各位點(diǎn)底棲動(dòng)物的種類組成與分布情況進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)上游支流位點(diǎn)S1(50種)、S2(32種)和S5(39種)的物種數(shù)量較高,以底棲動(dòng)物敏感類群(如仙女蟲(chóng)屬、四節(jié)蜉屬、蜉蝣屬、曲尾春蜓屬等)為主,至下游地區(qū)S13(6種)和S14(8種)位點(diǎn)物種數(shù)量逐漸減少,底棲動(dòng)物以耐污種(如水絲蚓、蘇氏尾鰓蚓、霍甫水絲蚓等)占優(yōu)勢(shì)。

3.3 B-IBI評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定

3.3.1 分布范圍分析

為識(shí)別各候選指標(biāo)隨干擾程度增強(qiáng)而體現(xiàn)的單向變化趨勢(shì),計(jì)算32個(gè)候選指標(biāo)在3個(gè)參照點(diǎn)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、25%分位數(shù)、中位數(shù)和75%分位數(shù),結(jié)果如表2所示。根據(jù)前文所述篩選標(biāo)準(zhǔn),對(duì)候選指標(biāo)處理如下：①M(fèi)5和M13由于標(biāo)準(zhǔn)差過(guò)大予以排除,剩余30個(gè)指標(biāo)；②在隨干擾增強(qiáng)而數(shù)值減小的18指標(biāo)中,M3、M8、M14、M15、M16、M17、M21、M23、M24、M30、M31的數(shù)值變化范圍過(guò)小,說(shuō)明這些指標(biāo)所反映的污染強(qiáng)度有限,不適合構(gòu)建B-IBI；③在隨干擾增強(qiáng)而增大的12個(gè)指標(biāo)中,由于M11、M29和M32的數(shù)值變化范圍過(guò)小,同樣予以排除。經(jīng)過(guò)初步篩選排除半數(shù)指標(biāo),對(duì)剩余16個(gè)指標(biāo)進(jìn)行下一步分析。

表2 32個(gè)生物指數(shù)值在參照點(diǎn)的分布情況及其對(duì)干擾的反應(yīng)Table 2 Distribution of 32 metrics in reference sites and their expected direction of response to disturbance

SD：標(biāo)準(zhǔn)差,Standard deviation；Min.：最小值,Minimum value；Max.：最大值,Maximum value;M1—M32：指標(biāo)代號(hào)

3.3.2 判別能力分析

針對(duì)分部范圍分析篩選出的16個(gè)指標(biāo),進(jìn)一步采用箱線圖法進(jìn)行判別能力分析,以反映候選指標(biāo)在參照點(diǎn)和受損點(diǎn)之間的差異,結(jié)果如圖2所示。由于候選指標(biāo)M7、M19、M20、M27、M28的IQ=1,M10、M12和M22的IQ=0,說(shuō)明以上8個(gè)指標(biāo)僅一個(gè)或無(wú)中位數(shù)值在對(duì)方箱體范圍之內(nèi),換言之,這些生物指標(biāo)在參照點(diǎn)和受損點(diǎn)之間的差異性并不顯著,故將其排除。對(duì)于剩余的8個(gè)候選指標(biāo),由于M1、M2、M4、M6、M9、M18的IQ= 3,M25、M26的IQ=2,根據(jù)IQ≥ 2的篩選標(biāo)準(zhǔn),這些指標(biāo)的變化能夠較好的反映參照點(diǎn)與受損點(diǎn)之間的差異,故將其保留至下一步篩選。

圖2 候選生物參數(shù)在參照點(diǎn)和受損點(diǎn)的箱線圖Fig.2 Box-plots of candidate metrics between reference and impaired sites參照點(diǎn)：Reference site; 受損點(diǎn)：Impaired site;M1：總分類單元數(shù)，Total taxa；M2：EPT分類單元數(shù)，EPT taxa number；M3：甲殼動(dòng)物和軟體動(dòng)物分類單元數(shù)，Crustacean and molluscs taxa number；M4：搖蚊分類單元數(shù) Chironomid taxa number；M5：總密度，Total density；M6總生物量，Total biomass；M7：香農(nóng)多樣性，Shannon diversity index；M8：辛普森多樣性指數(shù)，Simpson diversity index；M9：豐富度指數(shù)Abundance index；M10：均勻度指數(shù)，Evenness index；M11：優(yōu)勢(shì)分類單元/%，Dominant taxa number percentage；M12：前3位優(yōu)勢(shì)分類單元%，F(xiàn)irst three dominant taxa number percentage；M13：雙翅目個(gè)體數(shù)/%，Diptera number percentage；M14：蜻蜓目個(gè)體數(shù)/%，Odonata number percentage；M15：廣翅目個(gè)體數(shù)/%，Wide Homoptera number percentage；M16：鞘翅目個(gè)體數(shù)/%，Coleoptera number percentage；M17：毛翅目個(gè)體數(shù)/%，Trichoptera number percentage；M18：蜉蝣目個(gè)體數(shù)/%，Ephemeroptera number percentage；M19：顫蚓個(gè)體數(shù)/%，F(xiàn)lutter earthworm number percentage；M20：搖蚊個(gè)體數(shù)/%，Chironomid number percentage；M21：甲殼動(dòng)物和軟體動(dòng)物個(gè)體數(shù)/%，Crustacean and molluscs taxa number percentage；M22：寡毛綱個(gè)體數(shù)/%，Oligochaetes number percentage；M23：蛭綱個(gè)體數(shù)/%，Hirudinea number percentage；M24：敏感類群?jiǎn)卧獢?shù)，Sensitive groups taxa number；M25：耐污類群?jiǎn)卧獢?shù)，Tolerant groups taxa number；M26：敏感類群/%，Sensitive groups taxa number percentage；M27：耐污類群/%，Tolerance groups number percentage；M28：BI指數(shù)，BI index；M29：捕食者個(gè)體數(shù)/%，Predator number percentage；M30：濾食者個(gè)體數(shù)/%，F(xiàn)ilter feeders number percentage；M31：刮食者個(gè)體數(shù)/%，Scraper number percentage；M32：粘附者個(gè)體數(shù)/%，Adhesion number percentage

3.3.3 相關(guān)性分析

對(duì)經(jīng)過(guò)判別能力分析篩選出的8個(gè)候選指標(biāo)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)和相關(guān)性分析,以確保每個(gè)指標(biāo)都能反映一個(gè)獨(dú)立的信息。結(jié)果表明,8個(gè)生物指標(biāo)符合正態(tài)分布,可采用Pearson相關(guān)系數(shù)分析指標(biāo)間的信息重疊度。各指標(biāo)間相關(guān)性系數(shù)如表3所示,M1和M2、M4、M9、M18、M25的相關(guān)系數(shù)|r|>0.75,說(shuō)明M1與其他指標(biāo)所表達(dá)重疊度較高,故首先排除M1。將剩余7個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)M2和M18以及M4和M9的相關(guān)系數(shù)|r|>0.75,由于EPT分類單元數(shù)(M2)和搖蚊分類單元數(shù)(M4)在生物完整性評(píng)價(jià)中的重要性和敏感性,對(duì)其進(jìn)行保留,排除M9和M18。最終確定適用于流溪河的5個(gè)B-IBI核心指標(biāo)包括：EPT分類單元數(shù)(M2)、搖蚊分類單元數(shù)(M4)、總生物量(M6)、耐污類群?jiǎn)卧獢?shù)(M25)和敏感類群的個(gè)體相對(duì)豐度(M26)。

表3 8個(gè)候選生物參數(shù)間的Pearson相關(guān)分析結(jié)果Table 3 Pearson′s correlation matrix of 8 candidate metrics

**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

3.3.4 B-IBI 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立與生態(tài)健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

采用比值法計(jì)算各指標(biāo)分值,根據(jù)指標(biāo)在參照點(diǎn)和所有位點(diǎn)中的分布及其干擾的反應(yīng)確定其計(jì)算公式(表4),并依此計(jì)算各樣點(diǎn)的指標(biāo)分值,分值的分布范圍為0—1,若>1,則都記為1。將各指標(biāo)的分值進(jìn)行加和,得到各位點(diǎn)B-IBI值(表5)。

表4 比值法計(jì)算5個(gè)生物指標(biāo)分值(Y)的計(jì)算公式Table 4 Formulas for calculation of 5 metrics scores using the ratio method

以參照點(diǎn)B-IBI值分布的25%分位數(shù)值(即3.24)作為位點(diǎn)達(dá)到健康水平的標(biāo)準(zhǔn),對(duì)<25%分位數(shù)值的分布范圍進(jìn)行4等分(0、0.81、1.62、2.43、3.24),最終確定流溪河生態(tài)健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為B-IBI值>3.24為健康,3.24—2.43為亞健康,2.43—1.62為一般,1.62—0.81為差,0.81—0為極差。

3.4 流溪河生態(tài)健康狀況

采用上述確定的生態(tài)健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)流溪河14個(gè)位點(diǎn)的生態(tài)健康狀況進(jìn)行初步評(píng)價(jià)。結(jié)果如表5所示,流溪河14個(gè)采樣點(diǎn)中健康位點(diǎn)2個(gè),占總位點(diǎn)數(shù)14.3%；亞健康位點(diǎn)7個(gè),占50.0%；一般位點(diǎn)3個(gè),占21.4%；差位點(diǎn)2個(gè),占14.3%；無(wú)極差位點(diǎn)。分析組成B-IBI的5個(gè)核心指標(biāo)貢獻(xiàn)比發(fā)現(xiàn)：M2(EPT分類單元數(shù))的變化趨勢(shì)最為明顯,僅在上游和中游的4個(gè)支流位點(diǎn)貢獻(xiàn)比例較高,在下游位點(diǎn)幾乎消失；其次是M26(敏感類群個(gè)體數(shù)%)其在各支流位點(diǎn)的貢獻(xiàn)比要明顯高于各干流,且體現(xiàn)出上游至下游逐漸降低的趨勢(shì)；再次是M4(搖蚊分類單元數(shù))和M25(耐污類群?jiǎn)卧獢?shù)),均反映了上游和下游位點(diǎn)間的差異?？傮w上,在B-IBI評(píng)分中,作為反映清潔水質(zhì)的生物指標(biāo),M2、M26和M4比值的增加是決定位點(diǎn)健康狀態(tài)的主要因素,而耐污類群生物指標(biāo)M25比值的增加則導(dǎo)致位點(diǎn)處于不健康水平。

表5 流溪河各樣點(diǎn)生態(tài)健康狀況Table 5 Statues of the ecological health of sites in Liuxi River

3.5 B-IBI值與環(huán)境因子間相關(guān)性

表6 B-IBI評(píng)價(jià)值與水體理化指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)Table 6 Correlation coefficient between B-IBI and physico-chemical parameters

**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；*表示在0. 05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

圖3 流溪河B-IBI核心指標(biāo)與環(huán)境因子的典型對(duì)應(yīng)性分析(CCA)Fig.3 Canonical correspondence analysis based on the key indicators of B-IBI and environmental factors in Liuxi River

4 討論

4.1 應(yīng)用B-IBI評(píng)價(jià)河流健康的影響因素

Astin[35]和Paller等[36]在構(gòu)建河流B-IBI時(shí)認(rèn)為,將同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同季節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并處理是有必要的,但Gerritsen等[37]發(fā)現(xiàn)在不同季節(jié)各自建立一套B-IBI是沒(méi)有必要的,因?yàn)榧竟?jié)間底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)相似度很高。熊春暉等[38]發(fā)現(xiàn)用全年數(shù)據(jù)構(gòu)建的B-IBI,其核心指標(biāo)數(shù)量及健康評(píng)價(jià)水平要高于各季節(jié),并認(rèn)為在同一水域用全年數(shù)據(jù)構(gòu)建的B-IBI更具實(shí)用價(jià)值。本研究在構(gòu)建流溪河B-IBI體系過(guò)程中,利用了前、后汛期及枯水期3季底棲動(dòng)物樣本數(shù)據(jù),能夠有效地排除季節(jié)間差異對(duì)生物指標(biāo)篩選的影響,在流域尺度上,本文所得評(píng)價(jià)結(jié)果較前人研究更具全面性和客觀性。

受研究區(qū)域水環(huán)境和地理?xiàng)l件制約,不同的參照點(diǎn)選擇標(biāo)準(zhǔn)會(huì)對(duì)最終評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生影響[14,36]。大多數(shù)學(xué)者依據(jù)Barbour無(wú)干擾樣點(diǎn)和干擾極小樣點(diǎn)作為參照點(diǎn)選擇標(biāo)準(zhǔn),如李強(qiáng)等[15]對(duì)西苕溪進(jìn)行B-IBI評(píng)價(jià)時(shí),由于西苕溪地處山區(qū),所受外來(lái)干擾較小,故采用了無(wú)干擾樣點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)；張遠(yuǎn)等[14]對(duì)遼河流域進(jìn)行B-IBI評(píng)價(jià)時(shí),由于多數(shù)河段受城鎮(zhèn)化影響,且上下游均受到污染,故在干擾極小樣點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)上,又以Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)作為補(bǔ)充。本研究中,流溪河從上游呂田鎮(zhèn)桂峰山流經(jīng)下游廣州市區(qū),流域內(nèi)既有相對(duì)原始的山區(qū)溪流,也有受人為干擾明顯的城鎮(zhèn)河段。在確定參照點(diǎn)時(shí),為了能夠具有針對(duì)性地反映各河段健康狀況,不僅以Barbour干擾極小樣點(diǎn)和Ⅲ類水質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn),還結(jié)合實(shí)際位點(diǎn)的生境狀況(底質(zhì)為卵石、無(wú)土地改造、植被處于原始態(tài)且覆蓋度高、洪泛區(qū)完整),對(duì)各樣點(diǎn)所受干擾程度進(jìn)行綜合考慮后篩選參照點(diǎn),以提高準(zhǔn)確性。

除參照點(diǎn)外,經(jīng)篩選所得的B-IBI核心指標(biāo)和健康評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)也有較大差異。本文構(gòu)建的流溪河B-IBI由“EPT分類單元、搖蚊分類單元、總生物量、耐污類群?jiǎn)卧兔舾蓄惾簜€(gè)體%”5個(gè)指標(biāo)構(gòu)成,健康狀態(tài)B-IBI值>3.24。為比較不同地區(qū)B-IBI體系的異同,表7中列舉了溫帶地區(qū)黃山溪流[13]、遼河流域[14]、西苕溪[15]、上海市河流[38]的B-IBI核心指標(biāo)組成與健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(均采用比值法)。對(duì)照不同區(qū)域研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),雖然流溪河地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),但其B-IBI指標(biāo)組成與溫帶氣候區(qū)的遼河流域和黃山地區(qū)溪流相似,與同樣處于溫帶地區(qū)的西苕溪和上海市河流有較大差異。其原因在于,西苕溪地處自然山區(qū),受外來(lái)干擾程度小,除水質(zhì)良好外,還保留了多樣的生境斑塊(如淺灘和深潭),生物多樣性高,B-IBI指標(biāo)以水生昆蟲(chóng)參數(shù)為主。與其相反,上海市河流完全位于城市發(fā)展區(qū),受人為干擾嚴(yán)重,B-IBI基本由耐污類群構(gòu)成。相較之下,遼河流域、黃山地區(qū)溪流以及本研究中的流溪河均發(fā)源于上游山區(qū),中下游流經(jīng)城鎮(zhèn),流域內(nèi)既有保留完好的原始生境,也有受人為干擾嚴(yán)重的區(qū)域,故B-IBI指標(biāo)綜合了反映游清潔水質(zhì)的敏感類群和水質(zhì)惡劣的耐污類群。本研究結(jié)果說(shuō)明,在篩選所得的B-IBI核心指標(biāo)中,地理區(qū)域間的氣候差異可能并非主要影響,其關(guān)鍵在于所研究河流各河段及整體水平上受外來(lái)干擾和水體污染的程度。

表7 國(guó)內(nèi)不同B-IBI健康評(píng)價(jià)指數(shù)構(gòu)成及參照點(diǎn)選擇標(biāo)準(zhǔn)Table 7 The health assessment index components of B-IBI and criteria of reference in China

Barbour無(wú)干擾樣點(diǎn)：上游無(wú)農(nóng)作物和居住點(diǎn),森林覆蓋率達(dá)90%,無(wú)明顯人類活動(dòng)干擾跡象；Barbour干擾極小樣點(diǎn)：無(wú)點(diǎn)源污染源,上、下游5 km之內(nèi)無(wú)村莊,兩側(cè)100 m寬、5 km長(zhǎng)的范圍內(nèi)無(wú)農(nóng)田且有較好的沿岸植被帶

4.2 應(yīng)用B-IBI評(píng)估流溪河生態(tài)健康的可行性

本文以“合理的生物完整性指數(shù)應(yīng)該包括盡可能多的參數(shù)類型”為依據(jù)[18,32],在B-IBI構(gòu)建過(guò)程中提出底棲動(dòng)物物種豐度、種類組成、耐受性、營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)和小生境質(zhì)量5大指標(biāo)類型,以盡可能多候選指標(biāo)(32個(gè))反映環(huán)境變化對(duì)底棲動(dòng)物數(shù)量、結(jié)構(gòu)和功能的影響。CCA分析結(jié)果說(shuō)明,經(jīng)篩選所得5個(gè)B-IBI核心指標(biāo)能夠清晰地區(qū)分流溪河上、下游位點(diǎn)及支、干流位點(diǎn),前2主軸對(duì)環(huán)境因子的解釋度達(dá)68.1%,說(shuō)明本文構(gòu)建的B-IBI能切實(shí)地反映流溪河健康狀況。此外,Paller等[36]的研究發(fā)現(xiàn),運(yùn)用底棲生物監(jiān)測(cè)水質(zhì)與溪流的級(jí)別不存在顯著相關(guān)關(guān)系,本文對(duì)比了流溪河支流(級(jí)別低)和干流(級(jí)別高)間的評(píng)價(jià)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)中上游支流區(qū)域人口密度少、鄉(xiāng)鎮(zhèn)覆蓋度低,受到外來(lái)干擾因素較少,故其健康水平高于中上流干流；相反,下游支流河段城鎮(zhèn)密集,河床底質(zhì)與沿岸帶生境退化嚴(yán)重,且受到養(yǎng)殖業(yè)和工廠污水排放影響,導(dǎo)致下游支流健康水平遠(yuǎn)低于干流。據(jù)此,本研究結(jié)果支持Paller等[36]的觀點(diǎn),表明B-IBI能夠綜合評(píng)價(jià)城市河流的生態(tài)健康。

為進(jìn)一步闡明流溪河B-IBI體系構(gòu)建與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的適用性,本文將所得評(píng)價(jià)結(jié)果與前期資料進(jìn)行對(duì)比。吉冬青等[17]發(fā)現(xiàn)流溪河流域景觀特征表現(xiàn)為從上游到下游城市化增強(qiáng)的梯度,水質(zhì)狀況響應(yīng)這個(gè)梯度變化表現(xiàn)為上游優(yōu)于下游；李斯婷[40]對(duì)流溪河水質(zhì)動(dòng)態(tài)特征研究發(fā)現(xiàn),上游河段全年的水質(zhì)狀況明顯好于下游；劉芳文等[41]采用有機(jī)綜合污染指數(shù)法對(duì)流溪河下游河段水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)該段水體中有機(jī)污染綜合評(píng)價(jià)值逐年升高,水質(zhì)逐年變差。本研究發(fā)現(xiàn),上游位點(diǎn)B-IBI評(píng)分相對(duì)較高,其中以EPT分類單元數(shù)和敏感類群豐度貢獻(xiàn)最高；下游位點(diǎn)由于受水體污染影響,B-IBI評(píng)價(jià)值普遍較低,其中以耐污類群?jiǎn)卧獢?shù)貢獻(xiàn)最高,說(shuō)明流溪河下游河段的生態(tài)環(huán)境和健康水平逐步衰退,底棲動(dòng)物生存環(huán)境受到威脅。綜上,本文所得B-IBI評(píng)價(jià)結(jié)果與前期報(bào)道相符,說(shuō)明應(yīng)用B-IBI評(píng)價(jià)亞熱帶城市河流的生態(tài)健康是可行的。

4.3 水環(huán)境因子與B-IBI評(píng)價(jià)

CCA分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),篩選出的B-IBI核心指標(biāo)對(duì)各環(huán)境因子的解釋度也有較大差異,流溪河上游人為干擾程度較弱,DO值高,對(duì)應(yīng)的B-IBI以敏感生物類群為代表,與健康水平呈正相關(guān)；至下游河段人為干擾程度逐漸增強(qiáng),EC、TP和TN增加,對(duì)應(yīng)的B-IBI以耐污類群為代表,與健康水平呈負(fù)相關(guān)。有學(xué)者指出,水質(zhì)評(píng)價(jià)的結(jié)果可能低估當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境受損情況[4,6],流溪河下游S14位點(diǎn)受人為干擾十分嚴(yán)重,硬化岸坡、河床挖深及底質(zhì)改造使徹底改變了原有的生境狀況,雖然該位點(diǎn)水質(zhì)條件處于中間水平,但其B-IBI評(píng)價(jià)結(jié)為差,此評(píng)價(jià)結(jié)果充分證實(shí)了水質(zhì)評(píng)價(jià)的片面性。有趣的是,流溪河S6位點(diǎn)的水質(zhì)狀況較差,但B-IBI評(píng)價(jià)結(jié)果為亞健康,雖然該位點(diǎn)受到農(nóng)業(yè)面源的污染,但其完整的沿岸帶生境保留了底棲生物的生存空間,且該位點(diǎn)水體重金屬檢測(cè)結(jié)果并未發(fā)現(xiàn)超標(biāo),說(shuō)明有害污染物含量可能暫時(shí)未對(duì)水生生物產(chǎn)生毒性影響,對(duì)該位點(diǎn)的跟蹤觀測(cè)將進(jìn)一步揭示水質(zhì)、生境以及生物評(píng)價(jià)間的響應(yīng)關(guān)系?？傮w上,本文構(gòu)建的B-IBI能夠真實(shí)反映流溪河水質(zhì)和生境狀況,為從生態(tài)系統(tǒng)水平上評(píng)價(jià)河流生態(tài)健康提供了有效的生物監(jiān)測(cè)手段。

5 結(jié)論

本研究以典型城市河流——流溪河為例,應(yīng)用B-IBI首次對(duì)熱帶亞熱帶河流進(jìn)行了生態(tài)健康評(píng)價(jià),為推廣河流健康評(píng)價(jià)技術(shù)提供了新的科學(xué)依據(jù)。通過(guò)對(duì)流溪河全年的水質(zhì)監(jiān)測(cè),底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)調(diào)查,以及B-IBI體系構(gòu)建,得到主要結(jié)論如下：(1)流溪河B-IBI由總生物量,敏感類群個(gè)體%,EPT、搖蚊和耐污類群?jiǎn)卧獢?shù)5個(gè)核心指標(biāo)構(gòu)成,健康標(biāo)準(zhǔn)為>3.24,流域內(nèi)健康位點(diǎn)數(shù)占14.3%,亞健康占50.0%,一般占21.4%；(2)EPT分類單元數(shù)和敏感類群個(gè)體%對(duì)上游河段B-IBI值貢獻(xiàn)最高,反映健康狀況良好,而耐污類群?jiǎn)卧獢?shù)對(duì)下游河段B-IBI值貢獻(xiàn)最高,反映健康狀況惡化；(3)B-IBI值與溶解氧呈及顯著正相關(guān)(P<0.01),與電導(dǎo)率、氨氮、總氮和總磷呈顯著(P<0.05)負(fù)相關(guān),說(shuō)明流溪河當(dāng)前健康水平受水體污染影響嚴(yán)重；(4)5個(gè)核心指標(biāo)對(duì)環(huán)境因子解釋度達(dá)68.1%,并且能區(qū)分上、下游及干、支河段不同的健康水平,說(shuō)明本文構(gòu)建的B-IBI體系能夠準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)流溪河健康狀況；(5)對(duì)照不同地理區(qū)域的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),流溪河B-IBI指標(biāo)主要以人為干擾和水體污染程度為導(dǎo)向,對(duì)特定氣候區(qū)的響應(yīng)較弱,說(shuō)明B-IBI在熱帶亞熱帶地區(qū)也有較好的適用性。

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附表 流溪河大型底棲動(dòng)物物種名錄