基于大型底棲動(dòng)物完整性指數(shù)（B-IBI）的永定河水系生態(tài)健康評(píng)價(jià)

孔凡青，崔文彥，周緒申

海河流域水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，天津 300170

河流生態(tài)系統(tǒng)健康是當(dāng)前水環(huán)境管理的最終追求目標(biāo)（張遠(yuǎn)等，2008），而河流生態(tài)健康評(píng)價(jià)則是水環(huán)境和水生態(tài)系統(tǒng)管理的重要環(huán)節(jié)和依據(jù)。由于水環(huán)境質(zhì)量的變化容易導(dǎo)致水生生物生理功能、物種豐富度、種群密度及群落結(jié)構(gòu)的變化，利用生物學(xué)指標(biāo)對(duì)河流健康進(jìn)行分析已成為當(dāng)前主流的評(píng)價(jià)方法。

生物完整性指數(shù)（Index of Biotic Integrity，IBI）常用來(lái)描述生物與非生物之間的關(guān)系，并依據(jù)多個(gè)生物參數(shù)反映水體的生物學(xué)狀況，進(jìn)而評(píng)價(jià)河流乃至整個(gè)流域的健康狀況。Karr（1981）以魚類為研究對(duì)象建立生物完整性指數(shù)對(duì)北美河流的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行健康評(píng)價(jià)。此后，逐步發(fā)展到以底棲動(dòng)物（Karr et al.，2000）、周叢生物（Griffith et al.，2005）和浮游生物（Eugene et al.，2004）等為研究對(duì)象。自美國(guó)俄亥俄州環(huán)保局提出大型底棲動(dòng)物指數(shù)后，底棲動(dòng)物完整性指數(shù)（Benthic Index of Biotic Integrity，B-IBI）（Kerans et al.，1994）被建立并在全球范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用，尤其是美國(guó)、英國(guó)、加拿大、澳大利亞和南非等國(guó)家（Dolédec et al.，2010）。

在中國(guó)，應(yīng)用生物完整性指數(shù)方法評(píng)價(jià)河流健康研究起步較晚，王備新等（2005）以安徽黃山地區(qū)的溪流為對(duì)象，首次對(duì)B-IBI體系構(gòu)建進(jìn)行研究；張遠(yuǎn)等（2007）、李艷利等（2013）和熊春暉等（2015）分別以遼河、渾太河和上海城市河流為研究對(duì)象構(gòu)建B-IBI評(píng)價(jià)體系；渠曉東等（2012）以渾太河為對(duì)象探討了B-IBI評(píng)價(jià)體系構(gòu)建過(guò)程中參照點(diǎn)的篩選方法。

永定河是京津冀區(qū)域重要水源涵養(yǎng)區(qū)和生態(tài)屏障，目前存在水資源過(guò)度開發(fā)、環(huán)境承載力差、污染嚴(yán)重、河道斷流、生態(tài)系統(tǒng)退化、部分河段防洪能力不足等突出問(wèn)題。2016年12月批復(fù)的《永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù)總體方案》提出先行開展永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù)，打造綠色生態(tài)河流廊道。本研究選擇大型底棲動(dòng)物為永定河水系健康評(píng)價(jià)的指示生物，構(gòu)建B-IBI評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)該區(qū)域水生態(tài)健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，旨在了解永定河水系的水生態(tài)狀況，為永定河水系水生態(tài)修復(fù)提供數(shù)據(jù)支撐和參考。

1　材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

永定河流域位于東經(jīng) 112°～117°45′，北緯 39°～41°20′之間，發(fā)源于內(nèi)蒙古高原的南緣和山西高原的北部，東鄰潮白、北運(yùn)河系，西臨黃河流域，南為大清河系，北為內(nèi)陸河。流域地跨內(nèi)蒙古、山西、河北、北京、天津等5個(gè)?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市），面積4.70×104km2。永定河水系上游有桑干河、洋河兩大支流，于河北省懷來(lái)縣朱官屯匯合后稱永定河，在官?gòu)d水庫(kù)納媯水河，經(jīng)官?gòu)d山峽于三家店進(jìn)入平原。三家店以下，兩岸均靠堤防約束，盧溝橋至梁各莊段為地上河，梁各莊以下進(jìn)入永定河泛區(qū)。泛區(qū)下口屈家店以下為永定新河，在大張莊以下納北京龍鳳河、金鐘河、潮白新河和薊運(yùn)河，于北塘入海。

1.2　樣品采集與處理

根據(jù)《水環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范》采樣原則，結(jié)合研究范圍實(shí)際情況，本研究于2016年4—5月，在永定河水系的3條河流共布設(shè)樣點(diǎn)30個(gè)，其中洋河11個(gè)（S1-S11）、桑干河11個(gè)（S12-S22）、永定河干流及永定新河 8個(gè)（S23-S30）。各樣點(diǎn)的分布情況如圖1。

將網(wǎng)徑 40目、采樣面積 0.09 m2的索伯網(wǎng)（Surber Net）置于河床，攪動(dòng)采樣框內(nèi)底質(zhì)，并將框內(nèi)所有石頭上的底棲動(dòng)物刷入網(wǎng)內(nèi)。每個(gè)樣點(diǎn)所采集的樣品經(jīng)過(guò) 40目尼龍篩網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)篩洗后帶回實(shí)驗(yàn)室，置于白色瓷盤中，將所有大型底棲動(dòng)物逐一挑出，并用 7%福爾馬林溶液進(jìn)行固定保存。底棲動(dòng)物的鑒定在解剖鏡和顯微鏡下進(jìn)行。每個(gè)采樣點(diǎn)所采到的底棲動(dòng)物按不同種類進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)數(shù)，并用電子天平稱重，稱重前用濾紙吸去表面固定液。根據(jù)每個(gè)樣點(diǎn)的采樣面積，最終換算出各樣點(diǎn)底棲動(dòng)物各分類單元的密度（ind.·m-2）和生物量（g·m-2）。

分布范圍分析、箱線圖分析等相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析在SPSS 19.0和Excel 2010中完成。采用單因素方差分析對(duì)底棲動(dòng)物密度、生物量差異顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)。

1.3　數(shù)據(jù)處理方法

1.3.1參考點(diǎn)的確定

參考點(diǎn)和干擾點(diǎn)的確定是建立B-IBI指數(shù)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的首要條件。Morley et al.（2002）和Blockson et al.（2002）按照干擾程度的大小將樣點(diǎn)劃分為無(wú)干擾樣點(diǎn)、干擾極小樣點(diǎn)和干擾樣點(diǎn)。永定河流域整體人口較密集，找到無(wú)干擾樣點(diǎn)和干擾極小樣點(diǎn)作為參考點(diǎn)非常困難。因此，結(jié)合已有研究成果（熊春暉等，2015）關(guān)于參考點(diǎn)的選擇原則——百分比模式相似性指數(shù)（Percent Model Affinity，PMA）≥50且水質(zhì)綜合標(biāo)準(zhǔn)在Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)以上，選取海河流域?yàn)春铀瞪嫌蔚耐鉁祥T子、曲家灣、白城子和正藍(lán)旗等4個(gè)樣點(diǎn)作為參考點(diǎn)，永定河水系30個(gè)樣點(diǎn)則為受損點(diǎn)。

圖1　永定河水系底棲動(dòng)物采樣點(diǎn)分布Fig. 1　Benthic macro-invertebrates sampling distribution in Yongding River

1.3.2B-IBI備選生物指數(shù)的選取

用于建立B-IBI指標(biāo)體系的底棲動(dòng)物生物學(xué)指標(biāo)較多（王備新等，2005；張遠(yuǎn)等，2007；李強(qiáng)等，2007；王軍等，2015），且要求每個(gè)指標(biāo)必須對(duì)環(huán)境因子（化學(xué)、物理、水動(dòng)力學(xué)和生物等）的變化反應(yīng)敏感，計(jì)算方法簡(jiǎn)便，所包含的生物學(xué)意義明確。為準(zhǔn)確反映環(huán)境變化對(duì)永定河水系目標(biāo)生物（個(gè)體、種群、群落）數(shù)量、結(jié)構(gòu)和功能的影響，客觀有效地評(píng)價(jià)研究區(qū)域水生態(tài)健康狀況，結(jié)合永定河水系實(shí)際情況，本研究選取4個(gè)大類——分類單元數(shù)（Taxa）、各類群相對(duì)豐度（Relative abundance）、生物耐受性（Tolerant and intolerant）、功能攝食群（Functional feeding group），共計(jì)19個(gè)參數(shù)作為備選指標(biāo)（表1）構(gòu)建B-IBI評(píng)價(jià)體系，其中，BI指數(shù)關(guān)于底棲動(dòng)物耐污值的取值主要參照王備新等（2004）對(duì)我國(guó)東部大型底棲動(dòng)物耐污值研究的相關(guān)成果。

表1　候選指標(biāo)及其對(duì)干擾的反應(yīng)Table 1　Candidate metrics and their expected direction of response to disturbance

1.3.3候選生物指數(shù)的篩選

計(jì)算候選生物參數(shù)在參照點(diǎn)中 25%～75%分位數(shù)的數(shù)值范圍，結(jié)果如表2所示，數(shù)值和分布范圍太小或指數(shù)太大均不適宜參與 B-IBI評(píng)價(jià)體系構(gòu)建，予以剔除。繪制箱體圖分析剩余參數(shù)在參照點(diǎn)和受損點(diǎn)的分布情況，根據(jù)箱體的重疊情況，對(duì)IQ（Inter quartile）賦予不同的值：如無(wú)重疊，IQ=3；部分重疊，但各自中位數(shù)值都在對(duì)方箱體范圍之外，IQ=2；僅1個(gè)中位數(shù)值在對(duì)方箱體范圍之內(nèi)，IQ=1；各自中位數(shù)值都在對(duì)方箱體范圍之內(nèi)，IQ=0。對(duì)IQ≥2的指數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

表2　19個(gè)生物指數(shù)值在參照點(diǎn)的分布情況Table 2　Distribution of metrics in reference sites

1.3.4相關(guān)性分析

基于SPSS 19.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件，對(duì)IQ≥2的指數(shù)進(jìn)行 Spearman相關(guān)性分析，當(dāng)兩個(gè)指數(shù)間的相關(guān)系數(shù)r＞0.75，表明兩個(gè)指數(shù)間所反映的信息大部分是重疊的，選其中1個(gè)指標(biāo)即可。根據(jù)相關(guān)系數(shù)，同時(shí)考慮指數(shù)重要性，最終確定永定河水系 B-IBI指數(shù)包括總分類單元數(shù)（Total taxa）、搖蚊分類單元數(shù)（Chironomidae taxa）和BI指數(shù)（Botic Index）3個(gè)指標(biāo)。候選生物參數(shù)在參照點(diǎn)和受損點(diǎn)的箱線圖如圖2所示。

1.3.5記分標(biāo)準(zhǔn)的建立

比值法是最常用的生物指數(shù)計(jì)分方法。本文亦采用比值法（Blockson et al.，2002）計(jì)算生物指數(shù)值，對(duì)于受干擾越強(qiáng)而值越低的生物指數(shù)，以95%分位數(shù)為最佳期望值，各參數(shù)的分值等于參數(shù)實(shí)際值除以最佳期望值；對(duì)于受干擾越強(qiáng)而值越高的指數(shù)，則以5%分位數(shù)為最佳期望值，其分值為(最大值-實(shí)際值)/(最大值-最佳期望值)。根據(jù)各參數(shù)值在所有樣點(diǎn)中的分布，確定計(jì)算各參數(shù)分值的比值法計(jì)算公式（表3），并據(jù)此計(jì)算各樣點(diǎn)的指數(shù)分值，要求計(jì)算后分值的分布范圍為 0～1，若大于 1，則記為1。

按照參照點(diǎn)B-IBI值分布的25%分位數(shù)法進(jìn)行指標(biāo)體系的最終劃分，如果樣點(diǎn)B-IBI值大于或等于25%分位數(shù)值，則表示該樣點(diǎn)受到的干擾很小，處于健康狀態(tài)。小于 25%分位數(shù)值的分布范圍可根據(jù)需要進(jìn)行四等分，分別代表不同的健康程度，最終確定永定河水系底棲動(dòng)物完整性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（表4）。

圖2　候選生物參數(shù)在參考點(diǎn)和受損點(diǎn)的箱線圖Fig. 2　Box-plots of candidate metrics between reference and impaired sites

表3　比值法計(jì)算3個(gè)參數(shù)分值的公式Table 3　Formulas for calculating 3 metrics scores by ratio scoring method

表4　永定河水系底棲動(dòng)物完整性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 4　The criteria of benthic-index of biotic integrity in yongding River

2　結(jié)果與分析

2.1　永定河水系底棲動(dòng)物群落特征

永定河水系共采集到底棲動(dòng)物 38種，其中水生昆蟲29種（搖蚊科16種），寡毛類2種，蛭類1種，甲殼動(dòng)物4種，軟體動(dòng)物2種?？傮w上，永定河水系底棲生物物種豐富度較高。從耐污值（Tolerance Value，TV）（王備新等，2004）看，TV≤3的敏感類群所占百分比為 13.2%，TV≥7的耐污類群所占百分比為44.7%。從類群出現(xiàn)頻率看，出現(xiàn)頻率最高的3個(gè)種分別為霍甫水絲蚓（Limnodrilus hoffmeistteri）、德永雕翅搖蚊（Glyptotendipes tokunagai）和云集多足搖蚊（Polypedilum nubifer），分別為46.7%、40.0%和36.7%，3個(gè)物種均為耐污值較高的種類。

2.2　永定河水系河流生態(tài)健康狀況

永定河水系底棲生物完整性評(píng)價(jià)結(jié)果表明，有6.7%的采樣點(diǎn)為健康，23.3%為亞健康，36.7%為一般，20.0%為差，13.3%為極差（表5）。

表5　永定河水系各樣點(diǎn)健康狀況Table 5　Statuses of health of sites in Yongding River

3　討論

永定河和灤河兩大水系位于海河流域，上游均處于山區(qū)或高原地帶，較少的生活垃圾和工業(yè)污染保障了水體的自然狀態(tài)，后流經(jīng)城市等人口密集區(qū)，人為干涉增強(qiáng)。對(duì)同步采集的灤河水系大型底棲動(dòng)物樣品進(jìn)行鑒定分析，可知兩水系上游底棲動(dòng)物的種類和數(shù)量較多，下游因人為擾動(dòng)等因素影響，底棲動(dòng)物多樣性降低，兩水系底棲動(dòng)物在群落構(gòu)成和空間分布方面具有比較明顯的相似性。由于不同研究對(duì)象的棲息環(huán)境不同，構(gòu)建B-IBI體系時(shí)參考點(diǎn)的選擇標(biāo)準(zhǔn)也不同。按照渠曉東等（2012）關(guān)于參照點(diǎn)的篩選標(biāo)準(zhǔn)，即水質(zhì)類別優(yōu)于Ⅱ類，棲息地質(zhì)量評(píng)價(jià)總分為120分以上，且棲息地質(zhì)量評(píng)價(jià)中的人類干擾強(qiáng)度為最小，河岸帶土地?zé)o耕作土壤，在永定河水系中未發(fā)現(xiàn)滿足以上要求的可作為參照點(diǎn)的樣點(diǎn)。本研究根據(jù)百分比模式相似性指數(shù)（PMA）≥50且水質(zhì)綜合標(biāo)準(zhǔn)在Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)以上標(biāo)準(zhǔn)，選取灤河上游4個(gè)樣點(diǎn)作為參考點(diǎn)。然而，由于參考點(diǎn)數(shù)量較少，一定程度上增加了因自然條件差異引起的底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)和功能的變化對(duì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的影響。

海河流域作為中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐地區(qū)之一，整體受到人類活動(dòng)的明顯影響，尤其河流水系和水生態(tài)系統(tǒng)受到了人類的嚴(yán)重干擾，大型底棲動(dòng)物的生物多樣性整體較其他流域低。在B-IBI體系指標(biāo)選取過(guò)程中，經(jīng)篩選、檢驗(yàn)后剩余的核心指標(biāo)較少，一定程度上對(duì)水系的健康狀況的評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生影響。

B-IBI及其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的建立需要足夠量的代表性數(shù)據(jù)作為支撐，永定河流域面積達(dá)4.7×104km2，而本研究所布設(shè)的30個(gè)樣點(diǎn)主要分布在干流和一級(jí)支流。為進(jìn)一步完善永定河流域B-IBI指標(biāo)體系，今后將在支流布設(shè)、增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息，以更加準(zhǔn)確地反映永定河流域水生態(tài)健康狀況。

4　結(jié)論

（1）本研究以永定河水系為例，探討了利用B-IBI評(píng)價(jià)河流生態(tài)系統(tǒng)健康的可行性和合理性，為河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇提供參考依據(jù)。

（2）通過(guò)對(duì)B-IBI候選指數(shù)進(jìn)行分布范圍分析、判別能力分析和相關(guān)關(guān)系分析，最終確定永定河水系B-IBI的指標(biāo)包括總分類單元數(shù)、搖蚊分類單元數(shù)和BI指數(shù)3個(gè)指標(biāo)。

（3）B-IBI評(píng)價(jià)結(jié)果表明，受外源輸入、旅游、生活與種植業(yè)污染等因素影響，除官?gòu)d水庫(kù)壩上和寧車沽閘下外，其余樣點(diǎn)的底棲動(dòng)物完整性均受到不同程度的損害，表明永定河水系水體的健康狀況整體不容樂(lè)觀。

參考文獻(xiàn)：

BAINA M B, HARIGB A L, LOUCKSC D P, et al. 2000. Aquatic ecosystem protection and restoration: advances in methods for assessment and evaluation [J]. Environmental Science and Policy,3(S1): 89-98.

BARBOUR M T, GERRITSEN J, GRIFFITH G E, et al. 1996. A framework for biological criteria for Florida streams using benthic macroinvertebrates [J]. Journal of the North American Benthological Society, 15 (2): 185-211.

BLOCKSON K A, KURTENBACH J P, KLEMM D J, et al. 2002.Development and evaluation of the lake macroinvertebrate integrity index (LMII) for New Jersey lakes and reservoirs [J]. Environmental Monitoring and Assessment, 77(3): 311-333.

BRIZGA S, FINLAYS B. 2000. River management: the Australian experience [M]. New York: John Wiley and Sons: 265-284.

DOLéDEC S, STATZNER B. 2010. Responses of freshwater biota to human disturbances: contribution of J-NABS to developments in ecological integrity assessments [J]. Journal of the North American Benthological Society, 29(1): 286-311.

EUGENE A S, OH I H. 2004. Aquatic ecosystem assessment using exergy[J]. Ecological Indicators, 4(3): 189-198.

GRIFFITH M B, HILL B H, MCCORMICK F H, et al. 2005. Comparative application of indices of biotic integrity based on periphyton,macroinvertebrates, and fish to southern Rocky Mountain streams [J].Ecological Indicators, 5(2): 117-136.

KARR J R, CHU E W. 2000. Sustaining Living Rivers [J]. Hydrobiologia,422-423: 1-14.

KARR J R. 1981. Assessment of biotic integrity using fish communities [J].Fisheries, 6(6): 21-27.

KARR J R. 1999. Defining and measuring river health [J]. Freshwater Biology, 41(2): 221-234.

KERANS B L, KARR J R. 1994. A Benthic Index of Biotic Integrity(B-IBI) for Rivers of the Tennessee Valley [J]. Ecological Applications,4(4): 768-785.

LADSON A R, WHITE L J, DOOLAN J A, et al. 1999. Development and testing of an index of stream condition for waterway management in Australia [J]. Freshwater Biology, 41(2): 453-468.

MARCHANT R, NORRIS R H, MILLIGAN A. 2006. Evaluation and application of methods for biological assessment of streams: summary of papers [J]. Hydrobiologia, 572(1): 1-7.

MAXTED J R, BARBOUR M T, GERRITSEN J, et al. 2000. Assessment framew ork for mid-Atlantic coastal plain streams using benthic macroinvertebrates [J]. Journal of the North American Benthological Society, 19(1): 128-144.

MORLEY S A, KARR J R. 2002. Assessing and restoring the health of urban steams in the Puget Sound Basin [J]. Conservation Biology,16(6): 1498-1509.

SCHOFIELD N J, DAVIES P E. 1996. Measuring the health of our rivers[J]. Water, 23(5-6): 39-43.

李強(qiáng), 楊蓮芳, 吳璟, 等. 2007. 底棲動(dòng)物完整性指數(shù)評(píng)價(jià)西苕溪溪流健康[J].環(huán)境科學(xué), 28(9): 2141-2147.

李艷利, 徐宗學(xué), 楊曉靜, 等. 2013. 基于底棲動(dòng)物完整性指數(shù)的渾太河流 域河流健康狀況評(píng)價(jià)[J]. 北京師范大學(xué)學(xué)報(bào), 49(2/3): 297-303.

渠曉東, 劉志剛, 張遠(yuǎn). 2012. 標(biāo)準(zhǔn)化方法篩選參照點(diǎn)構(gòu)建大型底棲動(dòng)物生物完整性指數(shù)[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 32(15): 4661-4672.

王備新, 楊蓮芳, 胡本進(jìn), 等. 2005. 應(yīng)用底棲動(dòng)物完整性指數(shù)B-IBI評(píng)價(jià)溪流健康[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 25(6): 1481-1490.

王備新, 楊蓮芳. 2004. 我國(guó)東部底棲無(wú)脊椎動(dòng)物主要分類單元耐污值[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 24(12): 2768-2775.

王軍, 周瓊, 謝從新, 等. 2015. 基于大型底棲動(dòng)物完整性指數(shù)的新疆額爾齊斯河健康評(píng)價(jià)[J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 28(6): 959-966.

熊春暉, 張瑞雷, 徐玉萍, 等. 2015. 應(yīng)用底棲動(dòng)物完整性指數(shù)評(píng)價(jià)上海市河流健康[J]. 湖泊科學(xué), 27(6): 1067-1078.

張遠(yuǎn), 徐成斌, 馬溪平, 等. 2007. 遼河流域河流底棲動(dòng)物完整性評(píng)價(jià)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 27(6): 919-927.

張遠(yuǎn), 張楠, 孟偉. 2008. 遼河流域河流生態(tài)系統(tǒng)健康的多要素評(píng)價(jià)[J].科技導(dǎo)報(bào), 26(17): 36-41.