大型底棲動(dòng)物完整性指數(shù)在漳河上游水生態(tài)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

崔文彥， 孟憲智， 張世祿， 孔凡青

(海河流域水環(huán)境監(jiān)測中心， 天津 300170)

水環(huán)境質(zhì)量的變化往往導(dǎo)致水生生物群落結(jié)構(gòu)、物種豐富度、種群密度及生理功能方面的變化。使用生物學(xué)指標(biāo)對(duì)河流健康進(jìn)行分析成為當(dāng)前主流的水生態(tài)評(píng)價(jià)方法。生物完整性指數(shù)(Index of biotic integrity，IBI)常用來描述生物與非生物因素之間的關(guān)系，并依據(jù)多個(gè)生物參數(shù)的情況來反映水體的生態(tài)狀況，進(jìn)而評(píng)價(jià)河流乃至整個(gè)流域的健康狀況。Karr于1981年以魚類作為研究對(duì)象建立了生物完整性指數(shù)，并對(duì)北美河流的水生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了健康評(píng)價(jià)[1]。美國俄亥俄州環(huán)保局于1994年提出大型底棲動(dòng)物指數(shù)[2]，形成了全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的底棲動(dòng)物完整性指數(shù)(Benthic index of biotic integrity, B-IBI)，該指數(shù)隨后在英國、加拿大、澳大利亞和南非等國家普遍應(yīng)用。在我國，應(yīng)用生物完整性指數(shù)方法評(píng)價(jià)河流健康起步較晚。王備新等[3]以安徽黃山地區(qū)溪流的底棲動(dòng)物為研究對(duì)象，首次對(duì)B-IBI體系的構(gòu)建進(jìn)行研究；熊春暉[4]、盛蕭[5]和孔凡青[6]等分別以上海城市河流、東江和永定河的底棲動(dòng)物為研究對(duì)象，根據(jù)所研究河流的實(shí)際情況，構(gòu)建了上海城市河流、東江和永定河的B-IBI評(píng)價(jià)體系，評(píng)價(jià)了相應(yīng)區(qū)域河流生態(tài)健康狀況。

漳河是海河流域南系的一條重要河流，目前面臨水資源短缺的嚴(yán)重問題。本研究以漳河上游(岳城水庫以上)作為研究區(qū)域，以大型底棲動(dòng)物為研究對(duì)象，構(gòu)建底棲動(dòng)物完整性指數(shù)B-IBI評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，開展水生態(tài)狀況評(píng)價(jià)，以期為了解漳河上游的水生態(tài)狀況及水生態(tài)水環(huán)境管理提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

漳河源自山西省，位于海河的西南部地區(qū)，流經(jīng)山西、河南、河北三省后最終匯入衛(wèi)運(yùn)河內(nèi)，全長460 km，流域面積19 220 km2，各支流均建有大型水庫水利工程及引水工程，為附近縣、市人民提供生活及農(nóng)業(yè)用水。漳河流域?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)型氣候，春季蒸發(fā)量大，天氣干旱；夏季受太平洋副熱帶高壓控制，溫和多雨，形成主要降雨季節(jié)；秋季季風(fēng)減退，秋高氣爽少雨；冬季受極地大陸性氣團(tuán)控制，氣候寒冷降水較少，干旱多風(fēng)。漳河流域多年平均氣溫7.4 ℃～10.3 ℃。漳河上游分清漳河和濁漳河兩大支流，其中清漳河地形西北較高，東南偏低，河流湍急；濁漳河北源則呈北高南低，東高中低，南源呈南高北低，東西偏高，中部較低，中間為長治盆地。漳河上游段是晉、冀、豫三省重要的飲用水源和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水水源，也是我國受人類活動(dòng)干擾最強(qiáng)烈的區(qū)域之一。漳河上游接納沿岸城鎮(zhèn)生活污水、企業(yè)(煤化工、焦化廠、化肥廠等)廢水的常年排放，造成河流水質(zhì)惡化，水生態(tài)系統(tǒng)退化，嚴(yán)重制約著流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展[7]。根據(jù)《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》的采樣原則，結(jié)合研究范圍實(shí)際情況，本研究于2015年非汛期(4月)和汛期(9月)分別對(duì)漳河上游的大型底棲動(dòng)物時(shí)空分布進(jìn)行調(diào)查，共布設(shè)監(jiān)測站點(diǎn)12個(gè)，其中漳河干流3個(gè)(S1-S3)、濁漳河6個(gè)(S4-S9)、清漳河3個(gè)(S10-S12)。在對(duì)該區(qū)域大型底棲動(dòng)物進(jìn)行監(jiān)測的同時(shí)，對(duì)各站點(diǎn)的溶解氧(DO)、耗氧有機(jī)物(高錳酸鹽指數(shù)CODMn、化學(xué)需氧量COD、五日生化需氧量BOD5、氨氮NH3-N)等5個(gè)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行測定。各樣點(diǎn)水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果如表1所示。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

1.2.1 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)的關(guān)鍵。Morley等和Blocksom等按照干擾程度的大小分為無干擾樣點(diǎn)、干擾極小樣點(diǎn)和干擾樣點(diǎn)[8-9]。漳河流域整體人口較密集，工業(yè)化程度較高，難以找到無干擾樣點(diǎn)和干擾極小樣點(diǎn)。因此，根據(jù)樣點(diǎn)周邊的人為活動(dòng)強(qiáng)度，及地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)水質(zhì)類別在III類以上等參考點(diǎn)的選取原則，選取房頭村(S9)、匡門口(S10)、麻田(S11)和下交漳(S12)4個(gè)站點(diǎn)作為構(gòu)建B-IBI評(píng)價(jià)體系的參照點(diǎn)，其余8個(gè)站點(diǎn)作為受損點(diǎn)。

表1 漳河上游12個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)檢測結(jié)果

1.2.2 B-IBI備選生物指數(shù)的選取

為準(zhǔn)確反映環(huán)境變化對(duì)漳河上游水生生物的數(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)合漳河流域?qū)嶋H情況，本研究選取4個(gè)大類共計(jì)18個(gè)參數(shù)作為備選參數(shù)，分別為分類單元數(shù)(Taxa):[包括總分類單元數(shù)、EPT分類單元數(shù)、搖蚊類分類單元數(shù)和(甲殼類+軟體類)分類單元數(shù)],各類群相對(duì)豐度(Relative abundance)[包括優(yōu)勢單元百分比、前3位優(yōu)勢單元百分比、顫蚓類百分比、搖蚊類百分比、蜉蝣類百分比和(甲殼類+軟體類)單元百分比],生物耐受性(Tolerant and intolerant)(耐污類群分類單元數(shù)、敏感類群分類單元數(shù)、耐污類群分類單元百分比和、感類群分類單元百分比和生物指數(shù)),功能攝食群(Functional feeding group)(包括撕食者百分比、捕食者百分比和集食者百分比)進(jìn)行B-IBI評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建。

2 結(jié)果與分析

2.1 漳河上游大型底棲動(dòng)物群落特征

漳河上游共鑒定到大型底棲動(dòng)物47種，包括水生昆蟲33種(其中搖蚊科16種)，軟體動(dòng)物門8種，環(huán)節(jié)動(dòng)物門3種，甲殼類3種。總體上，漳河上游底棲生物物種豐富度較高。參照王備新和楊蓮芳的方法[10]確定的我國東部地區(qū)的大型底棲動(dòng)物的耐污值(Tolerance value, TV)，對(duì)漳河上游的大型底棲動(dòng)物類群的耐污性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，TV≤3的敏感類群所占百分比為14.4%，TV≥7的耐污類群所占百分比為32.1%。從分類單元優(yōu)勢度看，前3位分類單元分別為中華米蝦(Caridinasinensis)、霍甫水絲蚓(Limnodrilushoffmeisteri)和蜉蝣屬一種(Ephemerasp.)，分別為16.2%、14.3%和6.6%。

2.2 候選生物指數(shù)的篩選

漳河上游18個(gè)候選生物指數(shù)值在參照點(diǎn)的分布情況如表2所示。EPT分類單元數(shù)(M2)、敏感類群分類單元數(shù)(M12)、Hilsenhoff生物指數(shù)(M15)和撕食者百分比(M16)4個(gè)指數(shù)數(shù)值較低或分布范圍過窄，不適合構(gòu)建B-IBI評(píng)價(jià)體系，予以刪除。

根據(jù)Barbour等[11]對(duì)剩余的14個(gè)參數(shù)的分布作箱體圖(如圖1)，根據(jù)重疊情況對(duì)IQ(Inter quartile)進(jìn)行賦值，IQ≥2的指數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步分析。可以看出，顫蚓類百分比(M7), 搖蚊類百分比(M8)、蜉蝣類百分比(M9)、敏感類群分類單元百分比(M14)和集食者百分比(M18)5個(gè)參數(shù)的中位數(shù)值均在對(duì)方箱體之內(nèi)，不適于構(gòu)建B-IBI評(píng)價(jià)體系，予以淘汰。

表2 18個(gè)候選生物指數(shù)值在參照點(diǎn)的分布情況

圖114個(gè)候選生物參數(shù)在參考點(diǎn)和受損點(diǎn)的箱線圖

Figure 1 Box-plots of 14 candidate metrics between reference and impaired sites

2.3 相關(guān)性分析

根據(jù)Maxted等[12]僅選擇相關(guān)系數(shù)|r|≤0.75的參數(shù)?；赟PSS 19.0 統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)剩余的IQ≥2的9個(gè)參數(shù)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，如表3?？梢钥闯觯臀垲惾悍诸悊卧俜直?M13)和捕食者百分比(M17)與其他參數(shù)的相關(guān)性指數(shù)為|r|≤0.75，予以保留。在分類單元數(shù)的參數(shù)中，總分類單元數(shù)(M1)、搖蚊類分類單元數(shù)(M3)、(甲殼類+軟體類) 分類單元數(shù)(M4)3個(gè)參數(shù)相關(guān)度均較高，由于總分類單元數(shù)(M1)這一參數(shù)包含了大型底棲動(dòng)物更多的信息，故保留該參數(shù)。剩余的4個(gè)參數(shù)中，(甲殼類+軟體類)單元百分比(M10)予以保留。由此確定漳河上游B-IBI指數(shù)的參數(shù)包括總分類單元數(shù)(M1)、(甲殼類+軟體類)數(shù)量百分比(M10)、耐污分類單元數(shù)百分比(M13)和捕食者百分比(M17)4個(gè)參數(shù)。

表3 9個(gè)候選參數(shù)的Pearson指數(shù)相關(guān)性分析

2.4 評(píng)價(jià)結(jié)果

本文采用比值法計(jì)算生物指數(shù)值，確定計(jì)算各參數(shù)分值的比值法計(jì)算公式(表4)。

表4 比值法計(jì)算4個(gè)參數(shù)分值的公式

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)的B-IBI≥25%分位數(shù)值，表示該樣點(diǎn)是健康的。對(duì)B-IBI<25%分位數(shù)值進(jìn)行4等分，分別代表不同的健康程度，最終確定漳河上游棲動(dòng)物完整性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表5)，即代表漳河上游水生態(tài)狀況。

表5 漳河上游底棲動(dòng)物完整性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

可以得出：合漳(S3)、房頭村(S9)、匡門口(S10)和麻田(S11)4個(gè)站點(diǎn)的水生態(tài)狀況為健康；下交漳(S12)為亞健康狀態(tài)；觀臺(tái)(S1)、小躍峰渠首(S2)和申村水庫(S8)為一般狀態(tài)；三省橋(S4)、辛安橋(S5)和襄垣(S6)水生態(tài)狀況較差；漳澤水庫(S7)為病態(tài)。具體如表6所示。

表6 漳河上游12個(gè)站點(diǎn)的水生態(tài)狀況評(píng)價(jià)結(jié)果

3 討論

從整體上看，本次評(píng)估的站點(diǎn)中，上游地區(qū)站點(diǎn)的健康狀態(tài)一般高于下游站點(diǎn)。合漳(S3)站點(diǎn)與其他下游站點(diǎn)相比，該站點(diǎn)健康狀態(tài)明顯優(yōu)于其他站點(diǎn)，這或許與該站點(diǎn)位于該區(qū)域下游清漳河和濁漳河交匯處，物理生境較其他站點(diǎn)復(fù)雜，大型底棲動(dòng)物種類較豐富有關(guān)。

B-IBI評(píng)價(jià)體系以大型底棲動(dòng)物作為研究對(duì)象，對(duì)大型底棲動(dòng)物的鑒定水平將對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生影響。根據(jù)Lenat等人的研究[13]，應(yīng)盡可能將其鑒定至種一級(jí)的分類階元，在實(shí)際評(píng)價(jià)過程中，由于鑒定人員的經(jīng)驗(yàn)及水平不同，以及所擅長的類群不同，鑒定結(jié)果會(huì)產(chǎn)生差異。因?yàn)橥豢苾?nèi)不同的屬之間，以及同一屬內(nèi)不同的種之間，其耐污能力可能有很大差別，生物耐受性類型的參數(shù)的計(jì)算結(jié)果將受此影響，進(jìn)而影響B(tài)-IBI用于水生態(tài)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。國內(nèi)已有關(guān)于遼河流域[14]、東部地區(qū)[10]、遼寧省[15]和廬山[16]等地區(qū)大型底棲動(dòng)物耐污值的相關(guān)研究。由于海河流域整體位于我國東部，故本研究在進(jìn)行Hilsenhoff BI指數(shù)的計(jì)算時(shí)，大型底棲動(dòng)物耐污值的取值主要參照我國東部大型底棲動(dòng)物耐污值研究的相關(guān)成果。

由于受損點(diǎn)和參照點(diǎn)之間的對(duì)比是計(jì)算B-IBI的關(guān)鍵步驟，故參照點(diǎn)的選取是構(gòu)建B-IBI指標(biāo)體系的重要環(huán)節(jié)。參照點(diǎn)應(yīng)是未受人類干擾或受人類干擾極小樣點(diǎn)。渠曉東等[17]以渾太河為對(duì)象探討了B-IBI評(píng)價(jià)體系構(gòu)建過程中參照點(diǎn)的篩選方法，包括采用國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和河流生境質(zhì)量評(píng)價(jià)等作為參考內(nèi)容。然而，在漳河上游甚至整個(gè)海河流域由于工農(nóng)業(yè)的發(fā)展以及高密度的人類活動(dòng)，使得按此條件選取參照點(diǎn)的可能性幾乎為零。本研究綜合考慮研究區(qū)域的生態(tài)環(huán)境情況，結(jié)合站點(diǎn)周圍人為干擾程度和地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，故選擇房頭村(S9)、匡門口(S10)、麻田(S11)和下交漳(S12)4個(gè)站點(diǎn)作為本次評(píng)價(jià)的參照點(diǎn)。