生物完整性在時間尺度趨勢分析中的偏差和校正研究
——以松花江流域為例

陰 琨，李中宇，趙 然，王業(yè)耀，金小偉

(1：中國環(huán)境監(jiān)測總站，北京 100012)(2：黑龍江省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，哈爾濱 150056)

生物完整性指數(shù)(index of biotic integrity，IBI)評價方法，最初于1980s被Karr[1]提出并應(yīng)用于評價魚類完整性中. 由于IBI法適用性廣、開放性強，很快在更多的生物類群和更大的尺度上得到應(yīng)用，更被美國和歐盟分別用于支撐清潔水法案(Clean Water Act，CWA)和水框架指令(Water Framework Direction，WFD)對于水環(huán)境的管控[2]. 生物類群由最初的魚類[1]拓展到多種不同生物類群[3]，如大型底棲動物[4]、藻類[5]、浮游生物[6]、水生維管植物[7-8]；并由單類群發(fā)展到多類群組合，如魚類和藻類[2]. 研究區(qū)域也由最初小尺度的溪流拓展到水系[9]、流域[10]、區(qū)域[11-13]及國家范圍[14]等更大的空間尺度[15-16].

IBI應(yīng)用至今，也暴露出方法上的缺陷和限制因素，IBI區(qū)域特性明顯，限制了評價結(jié)果在更大空間尺度的可比性[17-18]；更重要的是整個方法體系依賴參照狀態(tài)的確立，而如何定義和確定參照狀態(tài)還不能完全標(biāo)準(zhǔn)化，由此影響到評價指標(biāo)建立和評價等級確立. 目前，參照位點法仍是確定參照狀態(tài)的主流方法之一[9,19]. 考慮到參照點狀態(tài)有可能隨時間不斷改善，則需要對參照位點水生態(tài)狀況隨時間發(fā)生的變化進行評估分析和校正. 因此，進行不同時間尺度的分析時，參照狀態(tài)的不一致會導(dǎo)致完整性評價結(jié)果不具直接可比性. 對水生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定、變化潛力極小的區(qū)域，較短時間變化的影響可能微乎其微，并不顯著. 但現(xiàn)階段，我國各大流域水體正經(jīng)歷著大規(guī)模的水污染治理過程，在全國各大流域處于全面污染防控和治理的作用下，水生態(tài)環(huán)境發(fā)生恢復(fù)性變化的速度和潛力都會非常顯著，因此水體在相對更短的時間就會發(fā)生較為明顯的變化. 以“十二五”期間太湖和松花江流域水質(zhì)變化為例，太湖流域總磷、總氮濃度分別降低了19.2%和32.5%；松花江流域Ⅲ類及以上水質(zhì)斷面比例上升了19.9%，水環(huán)境質(zhì)量發(fā)生改善性變化的速度可觀[20]. 在水環(huán)境快速改善的作用下，水生生物的結(jié)構(gòu)和組成也將隨之發(fā)生相應(yīng)的變化. 同時基于水生生物構(gòu)建的生物完整性指數(shù)最初建立的參照狀態(tài)(參照位點法)在時間尺度上也將隨之變化. 在時間尺度的趨勢分析中，每年基于變化的參照狀態(tài)(參照位點)開展評價就必然會導(dǎo)致偏差的產(chǎn)生，這種偏差的大小，對趨勢和年度間比較分析的影響程度，及是否可以修正，都會影響時間尺度數(shù)據(jù)的可比性和趨勢分析的科學(xué)性.

本文以松花江“十二五”期間(2012-2015年)水生生物調(diào)查數(shù)據(jù)及生物完整性評價結(jié)果為例，通過年度間IBI評價結(jié)果的差異分析，定量闡釋了基于參照位點法的IBI評價在趨勢分析中產(chǎn)生的偏差和影響，并提出時間尺度趨勢分析中IBI的校正方法.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

松花江流域位于我國東北地區(qū)，流域面積約為56萬km2，全長達2328 km. 流域內(nèi)氣候整體上屬于大陸性季風(fēng)氣候. 流域年平均氣溫一般在3～5℃之間，有長達5個多月的冰封期[21]. 從“十一五”至“十二五”流域松花江流域水環(huán)境呈現(xiàn)持續(xù)改善，Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)斷面比例逐年上升，2006-2010年占比在23.8%～47.6%之間，至2015年上升至65.1%[20].

1.2 研究方法

于2012-2015年6-7月連續(xù)調(diào)查了松花江流域內(nèi)黑龍江(S1和S2)，松花江干流(S3、S4、S11、S12、S13、S14、S15、S28和S30)，嫩江(S8、S10、S19、S20和S21)，第二松花江(S9、S22、S24、S26和S27)以及支流牡丹江(S16和S29)、梧桐河(S5)、雅魯河(S17和S18)、諾敏河(S6和S7)、飲馬河(S25)、伊通河(S23)(S23位點2012年設(shè)在伊通河，由于未采集到底棲生物，2013-2015年調(diào)整到湯旺河)，共30個采樣點，調(diào)查河流和點位分布圖見圖1. 研究是基于同批采樣人員在6-7月，以同樣的采樣方法在相同位點獲取的生物調(diào)查數(shù)據(jù)進行，確保數(shù)據(jù)本身的可比性和一致性. 以研究區(qū)域內(nèi)可獲得的最少干擾狀態(tài)確定參照位點，以不存在明顯的人類活動干擾跡象，研究區(qū)域上游無污染源，河岸帶植被覆蓋率高；及美國的快速生物評價方案(RBPs)[22]生境評分中人類活動和土地利用一項得分大于13分，同時有襀翅目昆蟲存在為選擇原則[23]，確定S1～S10為參照位點. 采集流域內(nèi)底棲動物樣品，基于各年份當(dāng)年生物調(diào)查數(shù)據(jù)對松花江流域進行連續(xù)4年的完整性評價. 采用復(fù)合生境采樣法，底棲動物采集方法和完整性評價方法參見作者前期研究[23].

圖1 松花江流域調(diào)查點位分布Fig.1 Distribution of the sampling sites in Songhua River Basin

IBI評價的基本步驟如下：初步篩選出具有代表性的大型底棲動物候選參數(shù)(25項)；以箱線圖(box-plot)及IQ值記分法[24]進行參數(shù)敏感性分析；以 Pearson 相關(guān)性分析進行參數(shù)冗余度剔除，篩選核心參數(shù)；對核心參數(shù)記分統(tǒng)一量綱；計算IBI總分值，以所有位點IBI的95th建立評價標(biāo)準(zhǔn)，完成各位點IBI評價.IBI評價核心參數(shù)為總分類單元數(shù)、EPT分類單元數(shù)、EPT密度、敏感種分類單元%、敏感種密度和Hilsenhoff 生物指數(shù)(HBI)6項.

1.3 數(shù)據(jù)處理分析

研究采用箱線圖分析松花江流域IBI指數(shù)6個核心參數(shù)中正向參數(shù)(即干擾越大分值越低的參數(shù)：總分類單元數(shù)、EPT分類單元數(shù)、EPT密度、敏感種分類單元%和敏感種密度)參照組數(shù)據(jù)在2012-2015年的變化情況(2012年為初始年，2013、2014、2015年為比較年)，以及反向參數(shù)(即干擾越大分值越高的參數(shù)：HBI)受損組數(shù)據(jù)的變化情況，箱線圖數(shù)據(jù)用Sigma Plot version 10軟件統(tǒng)計處理. 采用0～10連續(xù)賦分法對各年度核心參數(shù)記分[25-26]，正向參數(shù)和反向參數(shù)分別按照公式(1)和(2)賦分計算：

V′i=10(Vi/VR95th)

(1)

V′i=10(1-Vi/VI95th)

(2)

式中，V′i為賦分后的參數(shù)值；Vi為賦分前參數(shù)值；VR95th為參照位點參數(shù)的95th分位數(shù)；VI95th為受損位點參數(shù)的95th分位數(shù).

參照Mebane等[27]的評價標(biāo)準(zhǔn)劃分方法以所有位點指數(shù)值分布的95th法建立IBI評價標(biāo)準(zhǔn)，以95th為IBI最優(yōu)值，低于該值的分布范圍進行5等分，以分值從高到低依次定義為：優(yōu)、良好、一般、較差、很差.

參數(shù)賦分中采用校正系數(shù)(r)進行參數(shù)值校正，并以r值量化顯示IBI分值以當(dāng)年基礎(chǔ)值進行賦分在趨勢分析中產(chǎn)生的偏差.r為生物參數(shù)賦分計算中比較年基礎(chǔ)值相對初始年基礎(chǔ)值(95th)的倍數(shù)，r按照以下公式計算：

r=V(C)95th/V(B)95th

(3)

式中，V(C)95th為比較年參照點(或受損點)參數(shù)的95th，V(B)95th為初始年參照點(或受損點)參數(shù)的95th.

2 結(jié)果

2.1 參數(shù)賦分中的偏差分析和校正

2013-2015年參照樣點的正向參數(shù)總分類單元數(shù)、EPT分類單元數(shù)、EPT密度、敏感種分類單元%和敏感種密度的值均不同程度地高于初始年(2012年)；反向參數(shù)HBI則呈下降趨勢(表1，圖2)，表明流域水生生物處于恢復(fù)性變化中. 以25th～75th的數(shù)值分布狀況分析，總分類單元數(shù)、EPT分類單元數(shù)、EPT密度和敏感種密度4項參數(shù)值增加更顯著，僅敏感種分類單元%在2013和2014年略有降低；反向參數(shù)HBI除2014年數(shù)值變化不明顯，其余年份均有下降. 表1中校正系數(shù)r的結(jié)果也指明，除敏感種分類單元%2014年r為0.8，5項正向參數(shù)在各年度的r均高于1.0，分布于1.1～4.9之間；反向參數(shù)r均小于1.0，分布于0.7～0.8之間，相較初始年，各參數(shù)數(shù)值在年度間的變化明顯，表明IBI以當(dāng)年基礎(chǔ)值進行賦分在趨勢分析中會產(chǎn)生顯著的偏差. 參數(shù)基礎(chǔ)值升高，直接引起賦分后參數(shù)記分值的相對下降，導(dǎo)致IBI總分的相對偏低，這種偏差使得評價難以捕捉到生物狀態(tài)改善的變化和程度. 參數(shù)賦分計算中，公式應(yīng)修正為：V′i=10(Vi/VR95th)r(正向參數(shù))；V′i=10(1-(Vi/VI95th)r)(反向參數(shù)).

表1 2013-2015各年度6項參數(shù)的校正系數(shù)

圖2 核心參數(shù)在2012-2015年的變化情況(圖中箱體為參數(shù)值25th和75th分值；誤差棒為參數(shù)值10th和90th分值)Fig.2 Changes of core elements from 2012 to 2015

表2 2013年評價標(biāo)準(zhǔn)校正前后IBI評價結(jié)果

表3 2013年校正前后IBI評價結(jié)果比較

2.2 評價標(biāo)準(zhǔn)劃分中的偏差分析和校正

以松花江流域2013年數(shù)據(jù)為例分析了IBI評價標(biāo)準(zhǔn)建立和劃分環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的偏差. 據(jù)表2數(shù)據(jù)可見，初始年(2012年)和2013年經(jīng)參數(shù)賦分校正后所有位點IBI分值的95th分別為46.73、64.83，分值差異明顯. 2013年松花江流域IBI評價結(jié)果，以初始年和當(dāng)年標(biāo)準(zhǔn)分別評價的生物完整性狀況也呈現(xiàn)較大差異. 表3數(shù)據(jù)顯示，以初始年標(biāo)準(zhǔn)評價，2013年有50%的位點生物完整性達到一般及以上，僅3.3%為很差；以2013年當(dāng)年標(biāo)準(zhǔn)評價，完整性達到一般及以上的位點占比僅為40.0%，同時很差位點占比升高至16.7%. 以校正后結(jié)果進行趨勢分析，2013年生物完整性出現(xiàn)較明顯的變化，呈現(xiàn)狀態(tài)很差的區(qū)域向較差轉(zhuǎn)變的趨勢；以校正前結(jié)果判斷則未顯示一致趨勢，而呈現(xiàn)完整性良好和一般的區(qū)域向相對更差的狀態(tài)波動的跡象(如表2中S2、S6和S7位點). 流域水生態(tài)環(huán)境評估最關(guān)注的問題集中在：狀況最差區(qū)域的范圍，最差區(qū)域是否出現(xiàn)恢復(fù)跡象，良好區(qū)域是否出現(xiàn)惡化. 但根據(jù)研究數(shù)據(jù)顯示，以上區(qū)域的偏差均達到10%以上. 雖然獲取更準(zhǔn)確的趨勢變化需要基于更大時間跨度的持續(xù)性數(shù)據(jù)分析，但以上結(jié)果仍足以表明評價環(huán)節(jié)產(chǎn)生的偏差會影響趨勢的判定，需要對評價環(huán)節(jié)進行校正，以初始年數(shù)據(jù)建立統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn).

圖3 2012-2015年各年度校正前后IBI為良好及優(yōu)的結(jié)果比較Fig.3 Comparisons of results of IBI before and after calibration in each year from 2012 to 2015

2.3 校正前后IBI評價結(jié)果比較

上文利用松花江2012-2015年IBI數(shù)據(jù)，對參數(shù)賦分和評價標(biāo)準(zhǔn)劃分兩個環(huán)節(jié)產(chǎn)生的偏差進行了量化分析. 在此，進一步比較了經(jīng)參數(shù)賦分和評價標(biāo)準(zhǔn)校正前后IBI評價結(jié)果在趨勢分析中的整體差異.

圖3呈現(xiàn)的各年度IBI比較結(jié)果顯示，其中評價達良好及優(yōu)的數(shù)據(jù)顯示校正前后區(qū)域占比的差異達到4.3%～13.3%. 校正前2013年和2015年良好及優(yōu)的區(qū)域占比僅為20.0%，校正后分別為26.7%和33.3%. 以校正前結(jié)果進行趨勢分析，流域“十二五”期間的生物完整性并未出現(xiàn)可見的改善，而呈現(xiàn)較為明顯的下降，與2012年相比，2015年完整性達到良好及優(yōu)的區(qū)域占比降低了10.0%；以校正后結(jié)果進行分析，明確顯示流域“十二五”期間的生物完整性呈現(xiàn)一定程度的恢復(fù)跡象，2014年和2015年完整性達到良好及優(yōu)的區(qū)域占比分別增加了9.3%和3.3%. 完整性很差的數(shù)據(jù)比較也呈現(xiàn)同樣的結(jié)論，校正前后區(qū)域占比差異為 6.7%～30.0%. 以2013年和2015年數(shù)據(jù)為例，校正前很差區(qū)域占比分別為10.0%和30.0%，經(jīng)校正后占比分別降至3.3%和0%. 2015年的值校正前后變化較大，分析為2015年S3、S5、S11和S13幾個位點生物參數(shù)變化幅度較大，EPT和敏感物種密度都明顯增加，拉升了當(dāng)年參數(shù)賦分中參照位點95th和評價劃分中所有位點IBI95th分值所致. 根據(jù)2012-2015年所有位點的EPT密度和敏感種密度兩項生物特征參數(shù)數(shù)據(jù)顯示，各年度EPT密度分別為46.9、101.9、70.2和574.3個/籠；敏感種密度分別為29.7、67.0、75.4和317.9個/籠，生物恢復(fù)趨勢明顯. 以校正前結(jié)果判定2015年水生態(tài)質(zhì)量顯著變差的結(jié)果與圖2核心參數(shù)的實際變化沖突. 以上經(jīng)校正后得出的結(jié)論與生物特征參數(shù)顯示出的實際恢復(fù)性變化結(jié)果相符，未校正所得結(jié)論與生物類群實際變化情況相悖. 綜上所述，以上比較結(jié)果指明賦分和評價兩個環(huán)節(jié)會產(chǎn)生明顯的偏差，偏差很大程度上會直接影響趨勢的分析判定，以初始年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行校正在完整性趨勢分析中是必要的.

3 討論

3.1 完整性評價在趨勢分析中的應(yīng)用

完整性評價早期階段，利用IBI表征生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)和健康的研究多是集中在建立評價方法并開展單次評價，隨著方法應(yīng)用發(fā)展至今，利用IBI開展水生態(tài)環(huán)境或生物完整性長時間跨度和趨勢變化的研究越來越受到關(guān)注，其中更多是魚類完整性的研究[28-32]，也有學(xué)者利用浮游生物開展研究[6,33]. 分析趨勢變化中，因各研究區(qū)的具體情況相異，研究者應(yīng)用不同的方式建立參照狀態(tài)，確定參數(shù)賦分和評價標(biāo)準(zhǔn)劃分規(guī)則. 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)充足的區(qū)域，研究常利用歷史調(diào)查資料和早期研究數(shù)據(jù)建立參照狀態(tài)[30,32]；采用非連續(xù)賦分法[34]對各參數(shù)進行賦分；以Karr[1]早期應(yīng)用于魚類完整性的等分法，將IBI最小到最大值的分布范圍等分(4～6個等級)建立評價標(biāo)準(zhǔn)，分析研究區(qū)中長期尺度下完整性的變化趨勢. 對于缺少歷史數(shù)據(jù)的區(qū)域，學(xué)者采用現(xiàn)場調(diào)查法或參照位點法建立參照狀態(tài)，取各年參數(shù)數(shù)值分布的最優(yōu)值作為參照狀態(tài)，同樣采用非連續(xù)賦分法和等分法進行參數(shù)賦分和評價標(biāo)準(zhǔn)劃分[6,28,33]. 基于參照狀態(tài)法的完整性評價，由于賦分和評價標(biāo)準(zhǔn)的絕對性，趨勢分析中可以避免偏差的產(chǎn)生，但目前各個國家都存在不同程度歷史數(shù)據(jù)不足的情況，以歷史調(diào)查資料和早期研究數(shù)據(jù)確定參照狀態(tài)并依據(jù)參照狀態(tài)劃定參數(shù)期望值和賦分范圍是完整性指數(shù)方法發(fā)展面臨的現(xiàn)實阻礙. 對于如中國一樣生物和生境等歷史性數(shù)據(jù)相對匱乏的國家，難以應(yīng)用以上方法建立參照狀態(tài)并開展趨勢分析，更多的研究還需要基于現(xiàn)有調(diào)查結(jié)果，基于參照位點法開展評價，這種方法也是目前應(yīng)用較廣泛的方法.

3.2 完整性評價在趨勢分析中存在的問題

參數(shù)賦分環(huán)節(jié)，Karr[1]的非連續(xù)賦分方法仍被部分學(xué)者用于完整性分析. 非連續(xù)賦分法基于絕對概念建立，其依據(jù)位點參數(shù)相對參照狀態(tài)值的偏離程度劃分評價等級(3級劃分，賦分1、3、5分)，絕對的賦分方式不會產(chǎn)生類似參照位點95th(分值會隨參照位點年度參數(shù)值的變化而變化)相對賦分方法所產(chǎn)生的偏差，但間斷賦分法被很多學(xué)者認為主觀性強，參數(shù)賦分受主觀因素影響，同時敏感性和識別力較連續(xù)賦分方法低. 美國環(huán)境保護署(US EPA)于2016年重新修正了參數(shù)記分方法，修改原非連續(xù)賦分法，采用連續(xù)賦分法進行完整性評價[26]. 目前，非連續(xù)賦分法仍然在完整性研究中被學(xué)者持續(xù)使用，但此方法正在被連續(xù)賦分方法取代. 0～10連續(xù)賦分的參數(shù)記分方法具有更高的靈敏性和分辨力，正向參數(shù)記分基于參照組的95th分值賦分，反向參數(shù)基于受損組95th分值賦分，賦分基于的95th分值是參數(shù)記分的基礎(chǔ). 連續(xù)賦分法實現(xiàn)了對參數(shù)更精確的賦分，可更有效地區(qū)分參數(shù)值間的差異[25,35]. 但當(dāng)記分建立于調(diào)查可得的位點數(shù)據(jù)，而位點的生物狀況發(fā)生改善性(或衰退性)的變化，在進行時間縱向趨勢分析時，以上變化將體現(xiàn)為年度間賦分基礎(chǔ)值的改變，隨之直接影響參數(shù)記分值在年度間的可比性及IBI值的可比性，即使評價是基于同樣的位點和同樣的核心參數(shù)，這種影響仍不可避免. 由于IBI整個方法都建立在相對概念的基礎(chǔ)上，為確保評價結(jié)果的可比性，在參數(shù)賦分環(huán)節(jié)，校正偏差是非常必要的.

評價標(biāo)準(zhǔn)建立環(huán)節(jié)，除早期基于非連續(xù)賦分法的評價標(biāo)準(zhǔn)等分法，基于參照點和所有位點分值分布(25th和95th)的評價標(biāo)準(zhǔn)建立方法也被廣泛應(yīng)用于完整性評價[27,36]. 評價標(biāo)準(zhǔn)的劃分多基于當(dāng)年參照點/所有位點IBI分值分布，即參照點25th或所有位點95th確定. 這種方法相對早期非連續(xù)賦分——最高分等分的方式更科學(xué)、客觀，也更依賴參照狀態(tài)的確定. 因為這種評分劃分基于相對分值(即以當(dāng)年調(diào)查點位IBI值)，當(dāng)點位水生態(tài)狀況隨時間發(fā)生變化，進行時間縱向趨勢分析時，評價標(biāo)準(zhǔn)同樣會由于相對分值的變化而產(chǎn)生改變.IBI各項參數(shù)記分和評價標(biāo)準(zhǔn)的變化(如生態(tài)改善引起各位點參數(shù)值升高)，會導(dǎo)致年度記分基礎(chǔ)發(fā)生不同程度的變化，這些變化在一定程度上會掩蓋流域內(nèi)水生生物變化的趨勢和程度. 綜上所述，當(dāng)利用參照位點法進行IBI評價時，需要對各年份的參數(shù)記分和評價標(biāo)準(zhǔn)劃分環(huán)節(jié)產(chǎn)生的偏差進行修正，以初始年為基礎(chǔ)，對各年度數(shù)據(jù)進行校準(zhǔn)，以消除因記分基礎(chǔ)改變對趨勢分析產(chǎn)生的干擾.

完整性評價理想的狀態(tài)是實現(xiàn)基于歷史數(shù)據(jù)法確定參照狀態(tài)進行完整性分析，在不考慮自然因素引起的變異因素干擾下，可以無需偏差校正直接開展趨勢分析，但此方法的局限性也非常明顯，且難以解決. 因此，歷史數(shù)據(jù)不同程度的缺乏，使得參照位點法被更廣泛地采用. 然而，對水環(huán)境壓力及水生態(tài)都處于恢復(fù)性變化的水體基于參照位點法開展完整性評價分析，利用初期參照點的數(shù)據(jù)持續(xù)進行評價顯然不合理，因為基于相對干擾較大(較后續(xù)年份)的參照位點建立的評價方法，會對結(jié)果產(chǎn)生過高評價. 針對年度的完整性分析，利用當(dāng)年參照點的調(diào)查數(shù)據(jù)建立評價更為科學(xué)、客觀. 然而，如上文所述，開展時間縱向趨勢分析時就必須對參數(shù)賦分和標(biāo)準(zhǔn)劃分環(huán)節(jié)產(chǎn)生的偏差進行校正.

3.3 完整性評價在趨勢分析中偏差的校正

完整性評價的原理是以建立的參照狀態(tài)(參照狀態(tài)下各參數(shù)的分值)作為基準(zhǔn)，以受損位點參數(shù)分值與參照狀態(tài)的偏離度(分值差異)建立評價標(biāo)準(zhǔn)進行評價. 當(dāng)建立的參照狀態(tài)(基于歷史數(shù)據(jù))參數(shù)值是固定值，即不在時間尺度產(chǎn)生變化時，參數(shù)賦分計算和標(biāo)準(zhǔn)建立中就不存在變量，如Zhu等[30]在長江流域的魚類IBI年際變化研究所述方法，直接以早期長江流域魚類的歷史數(shù)據(jù)建立參照狀態(tài)和確定評價標(biāo)準(zhǔn)，此類研究方法中完整性評價不存在時間尺度上的偏差，無需校正. 反之，當(dāng)建立的參照狀態(tài)(基于參照位點法)的參數(shù)值不可避免會隨時間發(fā)生變化時，此類評價中參數(shù)賦分計算就存在變量，在變量作用下，完整性評價將產(chǎn)生偏差，類似方法在黃河[28]、遼河[37]、松花江[38]、太湖[39]、淮河[10]中都曾被采用.

本文提出校正系數(shù)r進行以上偏差校正的方法，r可量化表征IBI各參數(shù)以當(dāng)年基礎(chǔ)值進行賦分在趨勢分析中產(chǎn)生的偏差大小. 本文研究數(shù)據(jù)顯示，2015年5項正向參數(shù)的r值均高于1.0，分布于1.1～4.9之間；反向參數(shù)r值為0.7，參數(shù)值呈現(xiàn)不同程度的偏差(r=1.0表示無偏差)，這也表明以底棲動物各特征參數(shù)(總分類單元數(shù)，EPT豐度和EPT分類單元數(shù)，敏感種豐度和分類單元%)直接分析，生物呈現(xiàn)明顯正向變化，但未經(jīng)校正時IBI未能顯示一致的結(jié)果. 校正前，2015年優(yōu)良位點僅為20.0%(比初始年低10.0%)，最差位點達30.0%(比初始年高13.3%)，反向變化的結(jié)果與特征參數(shù)值的正向變化相悖；經(jīng)r和標(biāo)準(zhǔn)校正后，2015年優(yōu)良位點達33.3%(比初始年高3.3%)，最差位點為0%(比初始年低16.7%)，IBI結(jié)果與特征參數(shù)的變化趨勢相吻合，驗證了校正方法的可行性. 與本研究中參數(shù)賦分及標(biāo)準(zhǔn)建立原則一致的IBI研究方法，同樣可利用校正方法進行分析，如采用最佳期望值[29]、比值法[28]、參照狀態(tài)95th[38]等基于參照狀態(tài)分值分布進行參數(shù)歸一化賦分的IBI評價，可利用校正系數(shù)對計算中的變量(參照狀態(tài)分值)進行校正；基于參照點25th[39]和所有位點95th[28,38]法建立評價標(biāo)準(zhǔn)的IBI也可以初始年數(shù)據(jù)進行評價標(biāo)準(zhǔn)的校正分析. 綜上所述，基于校正的評價方法可以初步解決IBI評價(基于參照位點法)應(yīng)用于趨勢分析時所產(chǎn)生的偏差干擾問題. 但是，本文提出的校正系數(shù)法也存在一定的缺陷，未考慮和排除由于自然因素變化產(chǎn)生的偏差，進行長時間跨度的評價時，這些偏差將連同本研究捕捉的干擾類偏差一同被校正系數(shù)校正.

3.4 完整性評價的展望

流域生態(tài)完整性評價中參照狀態(tài)的確定是必要前提[40]，在完整性評價應(yīng)用于跟蹤長期趨勢變化的研究中，除了本研究關(guān)注的偏差因素和校正，缺少對參照條件自然變化的評估和校正也一直受到學(xué)者們的關(guān)注. 在沒有人為干擾變化的區(qū)域，受到自然氣候變異性干擾，IBI分值仍然會產(chǎn)生變化，這類干擾阻礙了利用完整性研究人為干擾的發(fā)展和應(yīng)用[41]，特別是在長期趨勢分析中，如何有效區(qū)分人為和自然因素的影響[42]，去除非人為因素在IBI分值中產(chǎn)生的偏差，尚有待方法學(xué)的系統(tǒng)研究.

基于參照位點法的完整性評價，除了趨勢分析中偏差的影響，還存在對結(jié)果過高評估的問題. 目前，學(xué)者多依據(jù)現(xiàn)有調(diào)查數(shù)據(jù)的高分值分布建立并設(shè)置參照狀態(tài)參數(shù)分值，參照狀態(tài)的高分表示在調(diào)查區(qū)域可以獲得的最優(yōu)得分[43]. 調(diào)查區(qū)域的最優(yōu)狀態(tài)與理論的參照狀態(tài)通常是存在差距的，因此當(dāng)參照狀態(tài)是基于受到一定程度干擾的位點數(shù)據(jù)所建立，評價就存在過高評估[28,43]. 這是一個回避不了的問題，而且目前開展的很多相關(guān)研究都在一定程度上存在這樣的情況，如長江[30]、黃河[28]、遼河[37]、松花江[38]、太湖[39]、淮河[10]等，建議在評價時對研究區(qū)開展完整性最優(yōu)區(qū)域的狀態(tài)和保護目標(biāo)間匹配度的評估分析，基于評估分析結(jié)果對評價標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)果進行調(diào)整，降低和修正過高評價.

完整性評價方法應(yīng)用至今，由于方法本身的開放性得到廣泛應(yīng)用，但也因而產(chǎn)生難以標(biāo)準(zhǔn)化的方法缺陷，參照狀態(tài)的確定、參數(shù)賦分、評價標(biāo)準(zhǔn)劃分等環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)，在方法學(xué)上仍然有待研究. 對于如何從方法學(xué)上解決完整性分析在長期趨勢分析中因各種因素產(chǎn)生的偏差仍是值得關(guān)注的研究方向.

4 結(jié)論

1) 利用IBI(基于參照位點法)進行趨勢分析，參數(shù)賦分和評價標(biāo)準(zhǔn)劃分環(huán)節(jié)會產(chǎn)生不可忽略的偏差，開展時間縱向趨勢研究時必須對參數(shù)賦分和評價標(biāo)準(zhǔn)環(huán)節(jié)的偏差進行校正.

2) 總分類單元數(shù)、EPT分類單元數(shù)、EPT密度等5項正向參數(shù)的r主要分布在1.1～4.9之間；反向參數(shù)HBI的r分布在0.7～0.8之間，參數(shù)賦分基礎(chǔ)值(參照組/受損組參數(shù)的95th)在年際間變化顯著. 評價標(biāo)準(zhǔn)劃分環(huán)節(jié)的影響表現(xiàn)為評估結(jié)果在最差區(qū)域和優(yōu)良區(qū)域占比的差異，差異達到10.0%～13.4%，偏差對評價結(jié)果產(chǎn)生明顯的干擾.

3) 經(jīng)校正后，IBI評價達良好-優(yōu)狀態(tài)的區(qū)域占比較校正前高4.3%～13.3%，評價為很差狀態(tài)的區(qū)域占比較校正前低6.7%～30.0%，校正后結(jié)果與生物特征參數(shù)實際恢復(fù)性變化相符，未校正的結(jié)果存在相悖情況.

4) 以校正系數(shù)和初始年數(shù)據(jù)對完整性評價關(guān)鍵環(huán)節(jié)中的偏差進行修正. 基于校正的評價方法可以初步解決將完整性評價應(yīng)用于趨勢分析所產(chǎn)生的偏差干擾問題.

致謝:衷心感謝黑龍江省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心及相關(guān)各市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心、吉林省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心及相關(guān)各市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心、內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站在基礎(chǔ)調(diào)查數(shù)據(jù)方面的支持和幫助！