沼澤濕地水生無脊椎動物完整性指數(shù)構(gòu)建與健康評價

蘆康樂，武海濤，楊萌堯，王清波，呂憲國

1.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，中國科學(xué)院濕地生態(tài)與環(huán)境重點實驗室,吉林 長春 130102 2.黑龍江三江國家級自然保護區(qū)管理局,黑龍江 佳木斯 156500

沼澤濕地作為特殊的水陸過渡性生態(tài)系統(tǒng)，與人類生產(chǎn)生活和經(jīng)濟發(fā)展息息相關(guān)，是受到人類活動影響最為強烈和嚴重的生態(tài)系統(tǒng)和地理綜合體之一[1]。當前，全球性濕地功能退化和面積萎縮日益加重，對濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況進行診斷和評價十分重要[2]。目前，很多學(xué)者都高度關(guān)注濕地健康評價的理論和實證研究領(lǐng)域[2-6]，其中，構(gòu)建生物完整性指數(shù)是沼澤濕地健康評價的重要方法。

生物完整性指數(shù)是以生物指標的各類數(shù)據(jù)作為評價基礎(chǔ)來指示生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。起初以魚類[7]為研究對象建立, 隨后指示生物類群擴展到底棲無脊椎動物[6,8-10]、藻類[11-12]、浮游動物[13]、高等維管束植物[14]以及綜合生物類群[15-16]等，并成功在河流[9-10,17-18]、湖泊[19-20]和濕地[6,21]等生態(tài)系統(tǒng)中進行了應(yīng)用，是目前應(yīng)用最成功和最廣泛的水域態(tài)系統(tǒng)健康評價指數(shù)。水生無脊椎動物是沼澤濕地重要組成部分，其生存空間、分布范圍和生長特點決定了其對外界環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的變化響應(yīng)敏感，是沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)的良好指示生物[22]。

三江平原地處中國東北部，該區(qū)域是中國淡水沼澤濕地的集中分布區(qū)，是重要的生態(tài)資源和環(huán)境保護屏障。隨著環(huán)境變化和人類活動的影響，三江平原沼澤濕地面積喪失，濕地生態(tài)系統(tǒng)功能退化，健康受到嚴重威脅，亟需進行健康評價。為進一步探求沼澤濕地健康評價方法，研究選擇水生無脊椎動物作為研究對象，構(gòu)建沼澤濕地生物完整性指標體系，對三江平原沼澤濕地進行健康評價，旨在為三江平原沼澤濕地保護和恢復(fù)管理提供決策依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 研究區(qū)域概況

三江平原位于中國東北部，由黑龍江、松花江和烏蘇里江形成，地理坐標為45°01′～48°28′N，130°13′～135°05′E，總面積為1 090萬hm2。三江平原擁有豐富的沼澤濕地資源。研究區(qū)平均海拔高度為55 m，屬于溫帶濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年均溫為1.9 ℃，月平均氣溫分布范圍為-21～22 ℃；年平均降水量為600 mm左右，60%以上降水集中在6—8月；年蒸發(fā)量為565 mm, 無霜期為125 d左右。植被隨水位梯度發(fā)生變化，主要包括漂筏苔草(Carexpseudo-curaicaFr. Schmidt)、毛苔草(CarexlasiocarpaEhrh.)、烏拉苔草(CarexmeyerianaKünth)、鼓囊苔草(CarexschmidtiiMeinsh)等[23]。

1.2 參照濕地和受損濕地的選擇

參照濕地的確定是評價受損濕地的基準，是沼澤濕地健康評價的必要前提。選擇6處未被人類活動擾動的天然沼澤濕地(參照濕地)。該6處濕地分別位于中國科學(xué)院三江平原沼澤生態(tài)試驗站、洪河國家級自然保護區(qū)及三江抓吉站自然保護區(qū)內(nèi)，受到國家和相關(guān)部門的嚴格保護。在已經(jīng)被開發(fā)或被人類活動擾動的天然沼澤濕地中選擇13處，這些濕地受到不同程度農(nóng)田排水、放牧、周邊道路及堤壩建設(shè)等的影響。其中，具體采樣點詳見圖1，采樣點信息詳見表1。

圖1 19處沼澤濕地位置示意圖Fig.1 Sketch map of the location of 19 marsh wetlands

類型編號濕地名植被地理坐標自然濕地受損濕地1抓吉站濕地狹葉甜茅、小葉章48°09'51″N、134°38'49″E2三江站濕地漂筏苔草、毛果苔草、睡菜47°35'10″N、133°30'03″E3洪河保護區(qū)1漂筏苔草47°47'19″N、133°37'40″E4洪河保護區(qū)2漂筏苔草、毛果苔草47°47'42″N、133°38'02″E5洪河保護區(qū)3漂筏苔草、毛果苔草47°49'06″N、133°41'12″E6洪河保護區(qū)4漂筏苔草、毛果苔草47°49'08″N、133°41'36″E1綜合示范區(qū)濕地小葉章48°04'02″N、134°33'02″E2小八蓋孤立濕地蘆葦、苔草、甜茅、水蔥48°09'35″N、134°37'06″E3腰亮河濕地小葉章48°12'44″N、134°39'07″E4抓吉北濕地漂筏苔草、菖蒲48°10'59″N、134°39'01″E5濃江河下游濕地塔頭苔草48°11'38″N、134°16'11″E6清水河濕地漂筏、塔頭苔草、狹葉甜茅47°11'46″N、134°05'59″E7鎮(zhèn)江孤立濕地蘆葦、小葉章48°11'38″N、134°09'43″E8同撫路158 km濕地小葉章48°12'04″N、134°13'30″E9平遠點濕地菖蒲、漂筏、甜茅48°07'36″N、134°10'27″E10東河濕地塔頭苔草48°07'47″N、134°34'20″E11鴨南恢復(fù)地濕地小葉章48°11'09″N、134°13'44″E12101國道濕地狹葉甜茅48°12'39″N、134°18'36″E13洪河七區(qū)濕地小葉章47°38'03″N、133°29'51″E

1.3 樣品采集與分析

2017年春季(5月24—30日)、夏季(7月24—30日)和秋季(9月24—30日)進行3次野外水生無脊椎動物樣品采集。采用1 mm網(wǎng)眼、直徑為35 cm的D型網(wǎng)，在研究區(qū)19處沼澤濕地采集水生無脊椎動物。在每處濕地，隨機選取4 個采樣點，從水體內(nèi)部向岸邊垂直拖動D型網(wǎng)1 m，保持D型網(wǎng)底部與濕地基底表面接觸。將每處濕地4個采樣點的樣品混合為一個樣品，倒入貼有標簽的塑料袋中，加入95%酒精固定，帶回實驗室。在實驗室中，參照相關(guān)文獻[24]，對樣品進行分離、鑒定，物種盡量鑒定到種(不能到種時鑒定到屬，少數(shù)到科或亞科)。統(tǒng)計1 m×0.35 m面積內(nèi)的水生無脊椎動物數(shù)量。

研究中非參數(shù)檢驗、相關(guān)性分析等統(tǒng)計分析均在SPSS 19.0中進行，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)等群落結(jié)構(gòu)指數(shù)值在PRIMER 7.0中計算完成。

1.4 水生無脊椎動物完整性指數(shù)的構(gòu)建

構(gòu)建水生無脊椎動物完整性指數(shù)的基本步驟包括:①研究區(qū)生態(tài)分區(qū)，確定參照濕地和非參照濕地；②進行野外調(diào)查，獲取濕地采樣點生物數(shù)據(jù)；③基于參照濕地生物數(shù)據(jù)，選擇生物指標，構(gòu)建候選生物指標體系；④通過對候選指標參數(shù)值的分布范圍、判別能力和相關(guān)性分析，篩選核心評價指標；⑤確定生物完整性指數(shù)評價標準，得出沼澤濕地評價結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

研究共調(diào)查到三江平原沼澤濕地水生無脊椎動物3門7綱16目51科87種，以腹足綱和水生昆蟲為主。其中,腹足綱3目7科19種,昆蟲綱6目37科61種。

2.1 候選生物指標

依照參照濕地和受損濕地水生無脊椎動物差異性，選取了反映群落豐富度、個體種類比例、多樣性指數(shù)及營養(yǎng)結(jié)構(gòu)等4 類共27 個指標，作為候選生物指標(表2、表3)，以反映環(huán)境變化和人類活動對沼澤濕地水生無脊椎動物數(shù)量、結(jié)構(gòu)和功能的影響, 從而提高候選指標選取的科學(xué)性和健康評價的準確性。

表2 27個候選生物指標及其對干擾的響應(yīng)Table 2 The 27 candidate biotic indexes andtheir response to the disturbance

表3 27個候選指標值在參照點的分布情況Table 3 Distribution of 27 candidate metrics in reference sites

2.2 核心指標

2.2.1 分布范圍分析

計算參照濕地各候選指標值的分布范圍，剔除以下2種指標：①隨著污染程度增加，指標值的可變范圍比較窄，不適于構(gòu)建生物完整性指數(shù)指標體系；②若指標值的標準差大，說明指標值不穩(wěn)定，也不適于構(gòu)建生物完整性指數(shù)指標體系。

其中M4、M6、M7、M8、M11、M12、M13、M16、M17、M19、M25的分位數(shù)值為0，隨著污染的增強，其值的變動范圍很窄，不適于參與指標體系的構(gòu)建。而M9、M10標準差比較大，表明該值不穩(wěn)定，予以刪除。余下的14個生物指標，將進行判別能力分析。

2.2.2 判別能力分析

通過分布范圍分析的候選指標需進行判別能力分析，以確定指標能夠很好地區(qū)分參照濕地和受損濕地。判別能力分析方法有箱線圖法和Mann-Whitney 非參數(shù)檢驗法[25]。對候選參數(shù)采用Mann-Whitney 非參數(shù)檢驗法，結(jié)果表明M1、M3、M5、M15、M27 5個參數(shù)在參照濕地和受損濕地之間存在顯著差異(P<0.05，表4)，可以進入下一步篩選。

表4 Mann-Whitney 非參數(shù)檢驗結(jié)果Table 4 Results of Mann-Whitney test

2.2.3 相關(guān)性分析

采用Pearson相關(guān)分析方法，檢驗各指標所反映信息的獨立性，避免冗余。采用MAXTED等[26]的標準，以|r|>0.75表示2個指數(shù)間高度相關(guān)。高度相關(guān)的2個指標表明其反映的信息大部分重疊，取其中1個即可。相關(guān)性分析前對數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布檢驗，結(jié)果表明：指標符合正態(tài)分布。表5表明，M1與M3高度相關(guān)(r=0.966，P<0.01)，M1包含的信息最多，予以保留。

表5 5個候選生物指標間的Pearson 相關(guān)系數(shù)(n=19)Table 5 Pearson’s correlation coefficients between 5 candidate biotic indexes (n=19)

注：“*”和“**”分別表示在0.05和0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

通過以上篩選，最終確定水生無脊椎動物完整性指數(shù)體系由M1、M5、M15、M27 4個指標構(gòu)成。

2.3 分值計算與健康評價標準建立

采用比值法[10]進行分值計算。對于隨干擾強度增大而指標值減小的指標，以95%分位數(shù)的指標值為最佳期望值。采樣點指標分值=實測值/最佳期望值；對于隨干擾強度增大而指標值增大的指標，以5%分位數(shù)的指標值為最佳期望值。采樣點指標分值=(最大值-實測值)/(最大值-最佳期望值)。根據(jù)各指標值在所有采樣點中的分布, 確定計算各指標分值的計算公式(表6)，經(jīng)計算后的分值范圍為0～1，如果大于1，則都記為1，將各指標分值累加得到三江平原沼澤濕地水生無脊椎動物完整性指數(shù)值。以參照濕地水生無脊椎動物完整性指數(shù)值的25%分位數(shù)作為健康基準值，對所有沼澤濕地得分小于25%分位數(shù)的值三等分，得到三江平原沼澤濕地健康評價標準:≥2.58，無干擾；1.72～<2.58，輕度干擾；0.86～<1.72，中度干擾；0～<0.86，重度干擾(表7)。

表6 比值法計算各指標分值的計算公式Table 6 Formulas for calculation of metric scores

表7 三江平原沼澤濕地健康評價標準Table 7 The Sanjiang plain marsh wetland health evaluation standard

2.4 研究區(qū)沼澤濕地健康狀況

根據(jù)評價標準，對三江平原沼澤濕地健康狀況進行初步評價(圖2)。結(jié)果表明：6處參照濕地中，4處濕地評價結(jié)果為無干擾，2處濕地評價結(jié)果為輕度干擾; 13處受損濕地中，4處濕地評價結(jié)果為輕度干擾，5處濕地評價結(jié)果為中度干擾，4處濕地評價結(jié)果為重度干擾。所調(diào)查的三江平原沼澤濕地有78.95%受到不同程度的干擾(其中47.37%受到了中重度干擾)，21.05%屬于無干擾。

圖2 三江平原沼澤濕地健康評價結(jié)果Fig.2 Results of health evaluation on marsh wetlands in the Sanjiang plain

3 討論

3.1 候選生物指數(shù)的選取

生物參數(shù)選擇是構(gòu)建具有高敏感性和響應(yīng)性完整性指數(shù)的核心要求[27]。物種鑒定水平的高低在很大程度上影響水生無脊椎動物群落結(jié)構(gòu)對環(huán)境敏感性的響應(yīng)分析，是生態(tài)系統(tǒng)健康評價中的一個關(guān)鍵問題。以往的指標體系構(gòu)建，受分類水平的影響，都停留在目級層次，指標選取過程比較粗糙，這就造成參照濕地和受損濕地可能在科級水平上受人類干擾作用反應(yīng)敏感，差異明顯，而整體歸結(jié)到目級層次上，差異可能就不顯著?；诖?，在物種采樣和鑒定的基礎(chǔ)上，力求嘗試在物種科級水平上進行指標的選取和篩選。候選參數(shù)的科學(xué)篩選是構(gòu)建底棲動物完整性指數(shù)的關(guān)鍵步驟。研究者的一般思路是通過對底棲生物參數(shù)的范圍、相關(guān)性及判別能力進行分析，最終選擇適當?shù)纳镏笜擞靡詷?gòu)建生物完整性指數(shù)。研究同樣采用該方法，保證研究的科學(xué)性。

3.2 評價基準和標準

生物評價基準是指未受人類干擾的自然狀態(tài)下生物完整性狀況，是基于科學(xué)調(diào)查、標準化采樣、規(guī)范化實驗和數(shù)據(jù)整理的客觀結(jié)果。但，目前參照點的定義及其選取標準尚存在較大爭議[28]。學(xué)者往往依據(jù)水質(zhì)、生境以及土地利用狀況來事先制定參照點的選擇標準，再根據(jù)定性標準劃分參照點和受損點[26]。研究以長期處于嚴格保護的自然保護區(qū)的沼澤濕地作為參照濕地，濕地的自然背景狀況接近自然狀態(tài)，保證了參照濕地的有效性。

評價標準能客觀反映出研究區(qū)域整體及各個采樣點的健康狀況。一般來講，參照濕地完整性指數(shù)值的25%分位數(shù)常被作為健康評價標準，該標準的前提是參照濕地選取較為容易且?guī)缀醪淮嬖谌藶楦蓴_因素。研究參照濕地都選擇在長期處于嚴格保護的自然保護區(qū)內(nèi)，因此，研究以參照濕地完整性指數(shù)值的25%分位數(shù)作為健康采樣點評價標準。同時，依照傅伯杰等[29]對中國生態(tài)環(huán)境區(qū)域的劃分，研究所有采樣點都來自三江平原農(nóng)業(yè)濕地生態(tài)區(qū)，避免了因采樣點來自不同生態(tài)區(qū)對水生無脊椎動物完整性指數(shù)及其評價標準的影響。研究認為該評價標準適合三江平原沼澤濕地健康狀況，是否適用于其他濕地生態(tài)系統(tǒng)，還有待進一步驗證。

3.3 評價指數(shù)的科學(xué)性

目前，關(guān)于如何科學(xué)表征和評價生態(tài)系統(tǒng)的健康仍沒有形成科學(xué)的體系。雖然在理論上有了一定的突破，各指標如何完整反映環(huán)境脅迫響應(yīng)能力，目前仍沒有定論。但，利用生物完整性指數(shù)評價生態(tài)系統(tǒng)的生物學(xué)質(zhì)量來反映其健康狀況是科學(xué)的、適合的，也是優(yōu)于單個生物學(xué)指數(shù)的[30]。研究者一致認為評價體系應(yīng)至少包含結(jié)構(gòu)指標和功能指標2個方面，僅在結(jié)構(gòu)指標體系層面，通過一個生物學(xué)指標來反映或代表整個生態(tài)系統(tǒng)的健康并不是全面和十分合適的。因此，結(jié)構(gòu)和功能指標體系的有機結(jié)合，應(yīng)該是今后水生態(tài)系統(tǒng)健康評價的重要研究內(nèi)容[31]。

4 結(jié)論

研究構(gòu)建了三江平原沼澤濕地水生無脊椎動物完整性指標體系，包括4個對自然和人為干擾敏感的水生無脊椎動物指標，為三江平原沼澤濕地生態(tài)健康評價和濕地恢復(fù)提供了重要手段。

評價結(jié)果表明三江平原沼澤濕地有78.95%受到不同程度的干擾(其中47.37%受到了中重度干擾)，21.05%屬于無干擾。