基于底棲生物指數(shù)評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的研究進(jìn)展

王桂營(yíng) 劉小賢 馮曾光 單晨楓 馬成龍

摘 要：生態(tài)系統(tǒng)健康是指生態(tài)系統(tǒng)所具有的穩(wěn)定性與可持續(xù)性，即時(shí)間上可保持其組織結(jié)構(gòu)、自我調(diào)節(jié)能力、脅迫恢復(fù)能力。該文闡述了應(yīng)用廣泛的底棲生物指數(shù)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評(píng)價(jià)的研究進(jìn)展，介紹了底棲生物指數(shù)（指示物種、AMBI指數(shù)、BENTIX指數(shù)、群落多樣性指數(shù)、M-AMBI指數(shù)）的原理以及適用的生態(tài)環(huán)境狀況，探究5種底棲生物指數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系，建立針對(duì)不同生態(tài)環(huán)境的底棲生物指數(shù)體系。

關(guān)鍵詞：底棲生物指數(shù);生態(tài)系統(tǒng)健康;評(píng)價(jià)方法

中圖分類號(hào) X826文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2021）13-0169-05

Abstract： Ecosystem health refers to the stability and sustainability of the ecosystem， that is， the ability to maintain its organizational structure， self-regulation ability， and stress recovery ability over time. This article mainly describes the research progress of the widely used benthic index to evaluate the health of the ecosystem. It mainly describes the principles of benthic index （indicating species， AMBI index， BENTIX index，community diversity index，M-AMBI index） and the applicable ecological environment.

Key words： Benthic index; Ecosystem health; Evaluation method

1 引言

Rapport首次論述生態(tài)系統(tǒng)健康含義，認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)健康是指生態(tài)系統(tǒng)所具有的穩(wěn)定性和可持續(xù)性[1]。Schaeffer在生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方法的研究中提出，評(píng)價(jià)方法應(yīng)建立在一系列指數(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上[1]。2000年歐盟提出的“水框架指令”極大促進(jìn)了生物指數(shù)發(fā)展[2]。水域生態(tài)系統(tǒng)中用于生態(tài)評(píng)價(jià)的生物群體主要包含藻類、魚類、浮游動(dòng)植物、底棲生物等，其中基于底棲生物群體的方法約占全部評(píng)價(jià)方法的27%[3]。目前，底棲生物指數(shù)在研究中使用最為廣泛[4]，主要包含指示物種、AMBI指數(shù)、BENTIX指數(shù)、群落多樣性指數(shù)（H′多樣性指數(shù)、J′均勻度指數(shù)、d豐富度指數(shù)）、M-AMBI指數(shù)、BQI指數(shù)、BOPA指數(shù)、MPI指數(shù)、B-IBI指數(shù)等[5-10]。利用底棲生物指數(shù)的方法評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)健康的研究主要集中在指示物種、AMBI指數(shù)、BI指數(shù)、BENTIX指數(shù)、H′多樣性指數(shù)[11]。羅源灣生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方法研究中，主要應(yīng)用AMBI指數(shù)、BENTIX指數(shù)、H′多樣性指數(shù)、M-AMBI指數(shù)[6]。萊州灣及近岸水域生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方法研究中，主要應(yīng)用AMBI指數(shù)和H′多樣性指數(shù)[12]。廈門五緣灣生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)研究中，主要應(yīng)用AMBI指數(shù)和M-AMBI指數(shù)[13]。我國(guó)使用較為廣泛的底棲生物指數(shù)包含指示物種、AMBI指數(shù)、BENTIX指數(shù)、群落多樣性指數(shù)（H′多樣性指數(shù)、J′均勻度指數(shù)、d豐富度指數(shù)）、M-AMBI指數(shù)。水域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評(píng)價(jià)方法還包含指標(biāo)體系的綜合性方法[14]。指標(biāo)體系建立需要結(jié)合化學(xué)、物理、生物等方法，分別評(píng)價(jià)環(huán)境子系統(tǒng)、功能子系統(tǒng)、群落子系統(tǒng)的健康狀況，通過權(quán)重加成評(píng)價(jià)出生態(tài)系統(tǒng)整體的健康狀況[15-18]。

2 底棲生物指數(shù)

2.1 指示物種 指示物種是指在特定區(qū)域范圍內(nèi)，可以反映并指示環(huán)境或某一因子特征的生物物種[5]。1916年德國(guó)Wilhelmi學(xué)者首次提出用小頭蟲（Capitella）指示海洋污染情況，開辟了利用生物物種評(píng)價(jià)海洋污染的研究領(lǐng)域[19]。1967年Bellan在有機(jī)物污染的研究中指出，根據(jù)現(xiàn)存物種對(duì)某一區(qū)域指定污染等級(jí)的可能性[20]。1970年實(shí)施的“美國(guó)貽貝監(jiān)測(cè)計(jì)劃”與“國(guó)際貽貝監(jiān)測(cè)計(jì)劃”是利用貽貝對(duì)污染物敏感的特性來監(jiān)測(cè)海洋污染狀況[21]。

遵循指示物種的方法，學(xué)者將注意力集中于存在或不存在指示物種制定了生物學(xué)指數(shù)，如Bellan指數(shù)和Bellan-Santini指數(shù)，分析污染指示物種優(yōu)勢(shì)度和無污染指示物種優(yōu)勢(shì)度間的關(guān)系[22-23]。Bellan指數(shù)和Bellan-Santini指數(shù)具有相同的公式與解釋，只是指示物種類群不同（Bellan指數(shù)指示物種為多毛類，Bellan-Santini指數(shù)指示物種為片腳類）。指數(shù)具體公式見式（1），指數(shù)值超過1時(shí)表示已受到污染，隨著指數(shù)值的增加，污染程度也隨之增加。有學(xué)者認(rèn)為Bellan和Bellan-Santini指數(shù)不可取，因?yàn)橹甘疚锓N經(jīng)常存在于相對(duì)密度較高的區(qū)域，且無法確定哪類指示物種可以較好地指示無污染狀況[24]。2001年生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方法與方向的研究中列舉出指示物種類群主要包含浮游生物（自養(yǎng)浮游生物、纖毛原生生物）、底棲無脊椎動(dòng)物、高營(yíng)養(yǎng)級(jí)魚類等[1]。

[IP=污染指示物種優(yōu)勢(shì)度無污染指示物種優(yōu)勢(shì)度] （1）

2.2 AMBI指數(shù) 根據(jù)底棲生物對(duì)環(huán)境污染（有機(jī)物富集）不同程度的敏感性，將底棲生物分為5個(gè)生態(tài)組[2，25]。GⅠ：對(duì)有機(jī)物富集非常敏感，存在于無污染條件下的物種;GⅡ：對(duì)有機(jī)物富集不非常敏感的物種;GⅢ：能承受大量有機(jī)物富集的物種;GⅣ：第二級(jí)機(jī)會(huì)種（輕度到嚴(yán)重失衡狀態(tài)過渡）;GⅤ：第一級(jí)機(jī)會(huì)種（嚴(yán)重失衡狀態(tài)）[6，26]。計(jì)算公式見式（2），評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值見表1。

AMBI=[（0×%GⅠ）+（1.5×%GⅡ）+（3×%GⅢ）+? ? ? ? ?（4.5×%GⅣ）+（6×%GⅤ）]/100 （2）

AMBI指數(shù)計(jì)算采用AMBI V5.0 軟件，在計(jì)算前需先去除非大型底棲無脊椎動(dòng)物的種類，并且將物種名錄和WoRMS網(wǎng)站名錄進(jìn)行核對(duì)與修訂[13]。AMBI指數(shù)起初建立在有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)物富集的區(qū)域[30]，由于廈門五緣灣、福建海灣、渤海潮間帶、羅源灣等區(qū)域生境與起初建立區(qū)生境存在一定差異，導(dǎo)致AMBI指數(shù)評(píng)價(jià)污染程度偏低[3，6，13，26]。研究表明：在鹽度>25、站位物種較豐富且數(shù)量較均勻或者在GⅣ和GⅤ類群相對(duì)豐度較高的萊州灣區(qū)域，采用AMBI指數(shù)能更好地反映底棲生物群落受干擾狀況[12，29]。由此可見，AMBI指數(shù)的應(yīng)用需要考慮研究區(qū)域的生境和物種豐富性、均勻性以及生態(tài)分組中GⅣ、GⅤ類群的相對(duì)豐度等。水域生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)研究時(shí)，AMBI指數(shù)需與其他指數(shù)配合使用，才能更合理有效地評(píng)價(jià)環(huán)境質(zhì)量狀況。

2.3 BENTIX指數(shù) BENTIX指數(shù)在AMBI指數(shù)的基礎(chǔ)上，將AMBI指數(shù)的5個(gè)生態(tài)組減少為2個(gè)生態(tài)分組，避免物種分類有誤[31]。BENTIX指數(shù)包含敏感物種生態(tài)組GS和耐受物種生態(tài)組GT，GS=GⅠ+GⅡ+GⅢ，GT=GⅣ+GⅤ[32]。計(jì)算公式見式（3），評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值見表2。

BENTIX=（6×%GS+2×%GT）/100 （3）

BENTIX指數(shù)的計(jì)算由BENTIX Add-In v.1.0軟件完成[34]。BENTIX指數(shù)起初建立于地中海貧營(yíng)養(yǎng)區(qū)域[35]，由于羅源灣區(qū)域生境與起初建立區(qū)生境存在一定差異，使得BENTIX指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果不完全合理[6]。應(yīng)用AMBI指數(shù)、BENTIX指數(shù)、ABC曲線對(duì)啟東近岸海域底棲動(dòng)物群落健康評(píng)價(jià)的研究結(jié)果表明，少數(shù)站位ABC曲線評(píng)價(jià)結(jié)果較嚴(yán)重，總體上3個(gè)方法評(píng)價(jià)結(jié)果較為一致[34]。應(yīng)用不同生物指數(shù)評(píng)價(jià)地中海西北海域底棲生物狀況的研究中，AMBI指數(shù)和BENTIX指數(shù)評(píng)價(jià)污染程度相對(duì)偏低，但其評(píng)價(jià)等級(jí)波動(dòng)相對(duì)較小[36]。應(yīng)用不同生物指數(shù)評(píng)價(jià)地中海港口環(huán)境狀況的研究表明，BENTIX指數(shù)適用于評(píng)估地中海港口環(huán)境狀況，且在不同季節(jié)、不同站位間差異性不大，但在污染嚴(yán)重的船廠港口，BENTIX指數(shù)評(píng)價(jià)污染程度相對(duì)較高[37]。由此可見，BENTIX指數(shù)應(yīng)用在環(huán)境污染較輕的生態(tài)區(qū)域時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其評(píng)價(jià)污染程度相對(duì)偏低;應(yīng)用在環(huán)境污染較嚴(yán)重的生態(tài)區(qū)域時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其評(píng)價(jià)污染程度相對(duì)偏高。BENTIX指數(shù)和AMBI指數(shù)為同類生物指數(shù)：當(dāng)GⅣ生態(tài)組類群所占比例較高時(shí)，BENTIX指數(shù)可能會(huì)比AMBI指數(shù)評(píng)價(jià)污染程度高;當(dāng)GⅡ或GⅢ或GⅡ+GⅢ生態(tài)組類群所占比例較高時(shí)，BENTIX指數(shù)可能會(huì)比AMBI指數(shù)評(píng)價(jià)污染程度低。

2.4 群落多樣性指數(shù)

2.4.1 Shannon-Wiener多樣性指數(shù) Shannon-Wiener多樣性指數(shù)是以信息理論為基礎(chǔ)，假設(shè)個(gè)體是從一個(gè)“無限大”的群落中隨機(jī)抽取，所得物種都存在樣本中[38]。計(jì)算公式見式（4），評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值見表3。

[H′=-i=1spilog2pi] （4）

式中：H′是Shannon-Wiener多樣性指數(shù)代表符號(hào);S是樣本物種數(shù);pi是物種i在樣本中個(gè)體比例，通過Ni/N的比值來估算，其中Ni=物種i的個(gè)體數(shù)量，N=個(gè)體總數(shù)[39]。

H′指數(shù)的計(jì)算由軟件PRIMER完成[44]。羅源灣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況評(píng)價(jià)研究表明，H′指數(shù)比AMBI指數(shù)、BENTIX指數(shù)更能合理地評(píng)價(jià)羅源灣環(huán)境狀況[6]。生物指數(shù)在福建近岸海域的適用性的研究結(jié)果表明，H′指數(shù)評(píng)價(jià)等級(jí)梯度明顯，更適合該區(qū)域，也能夠反映主要的環(huán)境壓力[3]。萊州灣及鄰近海域底棲生境健康評(píng)價(jià)的研究表明，當(dāng)物種豐富且數(shù)量均勻以及生態(tài)組GⅣ、GⅤ類群所占比例較高時(shí)，H′指數(shù)評(píng)價(jià)的污染程度會(huì)偏低[12]。與AMBI指數(shù)相比，H′指數(shù)指示環(huán)境污染狀況更敏感，而AMBI指數(shù)指示底棲群落質(zhì)量狀況更敏感[27]。研究表明，H′指數(shù)在單一物種相對(duì)豐度較高且底棲生物群落明顯不平衡時(shí)更加適用[29]。由此可見，H′指數(shù)在多數(shù)研究區(qū)域評(píng)價(jià)結(jié)果等級(jí)梯度明顯且更為合理。多數(shù)研究中，H′指數(shù)比AMBI指數(shù)、BENTIX指數(shù)評(píng)價(jià)污染程度偏高;而在生態(tài)組GⅣ、GⅤ類群所占比例較高，物種豐富且均勻時(shí)，H′指數(shù)評(píng)價(jià)的污染程度偏低。H′指數(shù)應(yīng)用在污染較嚴(yán)重、物種豐富且均勻的生態(tài)區(qū)域時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其評(píng)價(jià)結(jié)果不合理，需結(jié)合其他指數(shù)進(jìn)行分析。H′指數(shù)應(yīng)用于單一物種相對(duì)豐度較高且底棲生物群落明顯不平衡的區(qū)域時(shí)，其評(píng)價(jià)結(jié)果較其他指數(shù)會(huì)更合理。

2.4.2 Pielou均勻度指數(shù) Pielou均勻度指數(shù)基于Shannon-Wiener多樣性指數(shù)，主要描述物種間的均勻程度，反映生物群落是否存在不平衡情況，間接指示環(huán)境污染狀況[45]。計(jì)算公式見式（5）。

[J′=H′/H′max=H′/log2 S] （5）

式中：J′是Pielou均勻度指數(shù)代表符號(hào);H′max是Shannon-Wiener多樣性指數(shù)最大可能值;S是樣本物種數(shù)。J′指數(shù)具體計(jì)算過程由軟件PRIMER完成。J′指數(shù)取值范圍為0～1，越接近1說明均勻程度越高[46]。

2.4.3 Margalef豐富度指數(shù) Margalef豐富度指數(shù)是通過將具體物種豐富程度和個(gè)體總數(shù)相關(guān)聯(lián)來量化多樣性[47]。計(jì)算公式見式（6）。

[d=（S-1）/logeN] （6）

式中：d是Margalef豐富度指數(shù)代表符號(hào);S是樣本物種數(shù);N是個(gè)體總數(shù)。

d指數(shù)具體計(jì)算過程由軟件PRIMER完成。應(yīng)用d指數(shù)時(shí)主要問題是沒有較好的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值，但后續(xù)研究中建立了d指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值：正?；蜉p度污染>4，中度污染4～2.5，高度或嚴(yán)重污染<2.5[30]。d指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值是針對(duì)葡萄牙河口建立的，由于區(qū)域生境間存在差異，因此該評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值在我國(guó)的合理性還需進(jìn)一步研究。綜合以上研究，J′指數(shù)和d指數(shù)主要反映生物群落結(jié)構(gòu)組成情況，多數(shù)研究中輔助H′指數(shù)評(píng)價(jià)環(huán)境狀況[42-47]。當(dāng)J′指數(shù)和d指數(shù)值相對(duì)較高，且GⅣ和GⅤ生態(tài)組類群所占比例較高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致H′指數(shù)評(píng)價(jià)污染程度偏低;當(dāng)J′指數(shù)和d指數(shù)值相對(duì)較低，且GⅣ和GⅤ生態(tài)組類群所占比例較低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致H′指數(shù)評(píng)價(jià)污染程度偏高。

2.5 M-AMBI指數(shù) M-AMBI是包含AMBI指數(shù)、H′指數(shù)和物種豐度S的綜合性指數(shù)[48]。應(yīng)用M-AMBI指數(shù)時(shí)首先需要確定AMBI指數(shù)、H′指數(shù)以及物種豐度S的參考基準(zhǔn)值，具體計(jì)算過程由軟件AMBI V5.0完成[49]。M-AMBI指數(shù)參考基準(zhǔn)值有3種確定方法，主要區(qū)別在于等級(jí)優(yōu)參考基準(zhǔn)值確定方法。首先將已知數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)序列，去除數(shù)據(jù)序列的異常值。第1種：AMBI指數(shù)取數(shù)據(jù)序列最小值的0.85倍，H′指數(shù)和物種豐度S取數(shù)據(jù)序列最大值的1.15倍為等級(jí)優(yōu)參考基準(zhǔn)值[50];第2種：AMBI指數(shù)取數(shù)據(jù)序列最小值，H′指數(shù)和物種豐度S取數(shù)據(jù)序列最大值為等級(jí)優(yōu)參考基準(zhǔn)值[51];第3種：AMBI指數(shù)取數(shù)據(jù)序列的第10%位值，H′指數(shù)和物種豐度S取數(shù)據(jù)序列的第90%位值為等級(jí)優(yōu)參考基準(zhǔn)值[52]。這3種方法等級(jí)劣參考基準(zhǔn)值均分別為AMBI指數(shù)=6、H′指數(shù)=0、物種豐度S=0[50-52]。

第1種方法：將AMBI指數(shù)、H′指數(shù)和物種豐度S在最好狀態(tài)下的結(jié)果擴(kuò)大化，實(shí)際狀態(tài)相對(duì)較差，導(dǎo)致M-AMBI指數(shù)值偏低。第3種方法：將AMBI指數(shù)、H′指數(shù)和物種豐度S在最好狀態(tài)下的結(jié)果縮小化，實(shí)際狀態(tài)相對(duì)較好，導(dǎo)致M-AMBI指數(shù)值偏高。研究表明：當(dāng)GⅣ、GⅤ生態(tài)組類群占大部分比例時(shí)，可能使用第1種方法計(jì)算的M-AMBI指數(shù)值所對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)更符合實(shí)際情況;當(dāng)GⅣ、GⅤ生態(tài)組類群占少部分比例時(shí)，可能使用第3種方法計(jì)算的M-AMBI指數(shù)值所對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)更符合實(shí)際情況[50-52]。

利用AMBI指數(shù)、BENTIX指數(shù)、H′指數(shù)、M-AMBI指數(shù)評(píng)價(jià)羅源灣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況，結(jié)果表明在沉積物有機(jī)富集低且底棲生物組成以敏感種為主的區(qū)域，使用H′指數(shù)和M-AMBI指數(shù)更能合理地評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況[6]。當(dāng)單一物種相對(duì)豐度較高且底棲生物群落明顯不平衡時(shí)，使用H′指數(shù)和M-AMBI指數(shù)評(píng)價(jià)環(huán)境質(zhì)量狀況更為合理;當(dāng)GⅣ、GⅤ生態(tài)組類群占比較高且物種間均勻時(shí)，使用AMBI指數(shù)和M-AMBI指數(shù)評(píng)價(jià)環(huán)境質(zhì)量狀況更為客觀[29]。

3 結(jié)語

建立在以底棲生物群落為研究對(duì)象的生物指數(shù)法，已成為評(píng)價(jià)和監(jiān)測(cè)水域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的重要工具之一[11]。水域生態(tài)系統(tǒng)存在較高的復(fù)雜性和高度可變性以及受多種環(huán)境因素的影響，使得生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評(píng)價(jià)的合理性主要依賴于生物指數(shù)的選擇[11]。底棲生物指數(shù)的選取需要考慮研究區(qū)生態(tài)環(huán)境及研究區(qū)底棲生物群落結(jié)構(gòu)。不同底棲生物指數(shù)適用于不同的生態(tài)環(huán)境，相互配合使用從而達(dá)到對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況最準(zhǔn)確、最合理的評(píng)價(jià)。目前我國(guó)正在探索用于生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評(píng)價(jià)的完整性指標(biāo)體系。隨著科技的發(fā)展，生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系將會(huì)逐漸完善。完善后的指標(biāo)體系會(huì)包含理化指標(biāo)（水質(zhì)、底層土壤性質(zhì)、大氣狀況）、生物學(xué)指標(biāo)（營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)、初級(jí)生產(chǎn)力、能量流動(dòng)、生物多樣性、抵抗力、恢復(fù)力等）、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)（經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展性、公眾環(huán)境保護(hù)意識(shí)、人類-環(huán)境-經(jīng)濟(jì)整體協(xié)調(diào)性）等[14，18]。

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