基于大型底棲動物完整性指數和多樣性綜合指數評價黃河榆中段河流生態(tài)健康狀況

周靜，白雪蘭，劉哲，王乃亮，陳書杰，段鵬飛，王元麗

(1.甘肅省生態(tài)環(huán)境科學設計研究院，甘肅 蘭州 730020；2.甘肅農業(yè)大學動物科學技術學院，甘肅 蘭州 730070)

健康的水生態(tài)系統(tǒng)具有穩(wěn)定性和可持續(xù)性，即在時間上具有維持其組織結構、自我調節(jié)和對脅迫的恢復能力[1]，這是河流生態(tài)系統(tǒng)物種多樣、物產繁多的主要根源，更是保護河流生態(tài)系統(tǒng)健康不容忽視的內容.隨著“山水林田湖草是一個生命共同體”的科學理念和“三水統(tǒng)籌”“黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展”等思路的提出，河流生態(tài)健康狀況也成為當前水生態(tài)環(huán)境關注的焦點之一.由于水環(huán)境質量的優(yōu)劣往往引起水體中生物生理功能、種群密度、群落結構及物種豐富度的改變，利用水生生物指標評價河流生境健康已成為當前主流的方向[2].

生物完整性指數(index of biotic integrity,IBI)常用來描述生物與非生物因素之間的關系，依據多個生物參數的情況來反映水體的生態(tài)狀況，進而評價河流乃至整個流域的健康狀況[3].IBI自提出以來，其研究方案不斷更新，使用領域逐漸擴大，目前已成為世界各國評價河流健康狀況的一種有效而直接的途徑.它通過多個生物參數的計算來反映水體生態(tài)系統(tǒng)的完整性，進一步評價河流生態(tài)的健康狀況.與水生生物完整性指數相似，水生生物多樣性指數也可以利用多個指標綜合評估河流水質，進而表征河流生態(tài)的健康狀況.

由于大型底棲動物在河流健康評價中具生命周期長、運動范圍固定、采樣操作簡單且成本低，而且不同功能屬性分類方式的底棲動物指示不同類型的環(huán)境干擾等諸多優(yōu)點[4]，因此在水生態(tài)研究范圍內，大型底棲動物在用作監(jiān)測水環(huán)境、反映水體健康與否方面扮演著重要角色.本研究構建了黃河榆中段河流大型底棲動物完整性指數(benthic index of biotic integrity,B-IBI)評價體系，通過該體系對研究范圍的水域生態(tài)健康進行了評價，并與大型底棲動物多樣性指數的評價結果進行了比較，為治理黃河榆中段河流環(huán)境問題提供了依據和參考.

1 研究區(qū)域概況及方法

1.1 研究區(qū)域概況

榆中縣是絲綢之路經濟帶—蘭西城市群東部發(fā)展軸帶重要支點，全縣總面積3 301.64 km2，地理位置極為重要.黃河是榆中縣境內最大的過境河流，流經來紫堡、青城、上花岔、園子岔4鄉(xiāng)鎮(zhèn)，至烏金峽出境，總長51 km.沿途有水磨溝、柳溝河、宛川河、燒炭溝、麋鹿溝、紅峴溝、王峴溝、大浪溝、苦水溝等14條支溝直接流入黃河，流域總面積1 301 km2，除宛川河和柳溝河有小股常流水外，其余12條溝均系山洪溝，無常流水.

本研究選擇底棲動物群落穩(wěn)定性高、河流處于低水位的枯水季節(jié)布設樣點.根據文獻及相關指南對樣點布設的要求[5]，本次點位布設兼顧干流與支流及生境的代表性(選取不同生境特征，如淺灘、深水、支流與干流交匯處、河灣、干擾受損處、水生植物豐富區(qū)且生態(tài)良好處等)，設計10個檢測斷面，其中干流6個(上游桑園子段3個，分別為桑園子村S1、東坪村S2和大河坪S3；下游青城段3個，分別為葦茨灣村S4、瓦窖村S5和尖山灣S6)，柳溝河2個(祁家坡S7、方家泉村S8)，宛川河2個(齊家坪S9、金崖S10)，樣點分布見圖1.

圖1 黃河榆中段河流樣點分布圖Figure 1 Distribution of sampling sites in the Yuzhong section of the Yellow River

1.2 研究方法

1.2.1 底棲動物標本采集 對于淺水灘，使用索伯網(60目，采樣面積0.1 m2)采集泥樣，對于不能涉水的深水區(qū)，運用彼得遜采泥器(1/16 m2)獲取泥樣.每個樣點采到的樣品在現場用60目分樣篩輕柔洗滌、過濾，過濾后的殘渣當天運回實驗室于40目篩下再套一個60目的篩進行洗滌直至污泥完全干凈.然后將殘渣倒入白色解剖盤內，加適量清水，借助放大鏡按大類仔細揀出全部底棲動物.過小的動物(如昆蟲幼體)用小鑷子、解剖針揀選，柔軟較小的動物用毛筆分揀.對分揀后的底棲動物，借助解剖鏡、顯微鏡觀察形態(tài)進行分類鑒定，記其數量并稱質量，稱質量時將標本移入自來水中浸泡3 min，然后用吸水紙吸干表面的水分，再用電子天平(精度0.000 1 g)稱質量[6-8].

1.2.2 B-IBI指數評價體系的構建

1.2.2.1 參照點的選取 由于受損點和參照點之間的比較是計算有關指數的關鍵[3]，尤其是將參照點納入采樣范圍對評價準確性有極大影響，而目前人類對自然的干預越來越大，無人為干擾的樣點很難找到，因此，只選取受人為干擾較少(如采樣點附近歷來或較長時期無污染排放、無挖沙取石、無架橋修路及無筑壩固堤等事件)的樣點作為參照點[9].本次研究通過實地調查，以S3、S6、S7和S9為參照點，其余6個明確有人為干擾活動的樣點為受損點.由于S1中沒有檢出底棲動物，構建B-IBI評價體系時不做考慮，將其剔除.

1.2.2.2 選取候選生物參數 結合黃河榆中段河流實際情況，為盡可能準確反映人類活動對水體中大型底棲動物結構、數量與功能的影響，同時考慮各指標數據的可獲得性，本研究選取4種類型合計13個生物參數(表1)作為候選指標，即選取物種豐富度(包括總分類單元數、雙翅目分類單元數、Shannon-Wiener多樣性指數和Simpson多樣性指數[13])，物種個體數量比例(包括最優(yōu)勢分類單元個體百分比、雙翅目個體百分比和寡毛類個體百分比)，生物耐污能力(包括敏感類群分類單元數(耐污值<4)、耐污類群分類單元數(耐污值>6)、敏感類群個體百分比和耐污類群個體百分比)以及水質健康狀況(包括biological monitoring working party指數，即BMWP和average score per taxon指數，即ASPT)構建B-IBI指標體系，計算過程中底棲動物耐污值的取值參考有關文獻，并將不同分制的耐污值(如少數文獻采用7分為滿分值)統(tǒng)一換算為10分制的值[13].

1.2.3 底棲動物多樣性指數值的計算 大型底棲動物多樣性指數的計算方法參考有關文獻[14]，選取總分類單元數、Berger-Parker優(yōu)勢度指數(BP)、大型底棲動物 EPT 科級分類單元比(EPTr-F)和BMWP指數，通過對參數進行標準化處理統(tǒng)一量綱(歸一化處理)后算出4個參數的算數平均值，即得到大型底棲動物多樣性綜合指數.

表1 13個候選生物參數及對干擾的反應

2 結果與分析

2.1 底棲動物群落結構組成

本次挑檢出大型底棲動物共計11屬種，隸屬于3門3綱4目.其中屬種分類最多的軟體動物門有6種，種類最多的基眼目占本門種類數的66.7%.其次是節(jié)肢動物門，有4種，僅有雙翅目一目.屬種分類最少的環(huán)節(jié)動物門僅1種，屬近孔寡毛目一目.在10個樣點中，桑園子村(S1)未檢出底棲動物，最大分類單元數出現在尖山灣(S6)，有5種，底棲動物名錄見表2.

2.2 B-IBI的結果分析

2.2.1 篩選候選生物參數 黃河榆中段河流的13個候選生物參數在4個參照點的分布情況見3，參數M4、M6、M7、M8、M10和M11的數值分布范圍過窄或數值中出現零值較多，這表明這些參數對外界干擾的反應不靈敏，予以剔除.

用箱線圖[9]對保留的7個候選參數進行判別能力分析，得到同一參數在參照點和受損點的分布情況(圖2)，比較參照點和受損點的箱體(參照點和受損點的25%分位數至75%分位數之間)重疊情況，中位數彼此不在對方箱體范圍內的參數予以保留，根據箱線圖分析結果，將參數M9剔除.

表2 黃河榆中段干支流中大型底棲動物名錄

表3 13個候選生物參數在4個參照點的分布

為確保剩余參數反映信息不重疊，對剩余6個參數正態(tài)分布檢驗后進入Pearson相關性分析，指數間相關性越顯著表明兩個參數反映的信息出現冗余，只需保留其中一個構建最終的評價體系即可.由表4可知，總分類單元數(M1)與雙翅目分類單元數(M2)、Shannon-Wiener多樣性指數(M3)、BMWP指數(M12)極顯著相關(P<0.01)，與ASPT指數(M13)顯著相關(P<0.05)，故將M1首先剔除.最優(yōu)勢分類單元個體百分比(M5)與總分類單元數(M1)相關不顯著，保留最優(yōu)勢分類單元個體百分比(M5).雙翅目分類單元數(M2)與Shannon-Wiener多樣性指數(M3)、BMWP指數(M12)極顯著相關(P<0.01)，由于Shannon-Wiener指數(M3)多用于多樣性指數計算，在B-IBI指標體系構建中較少使用，故保留雙翅目分類單元數(M2)，將Shannon-Wiener多樣性指數(M3)、BMWP指數(M12)剔除.同時雙翅目分類單元數(M2)與ASPT指數(M13)不相關，將ASPT指數(M13)予以保留.最終確定出構成B-IBI體系的核心參數有：雙翅目分類單元數(M2)、最優(yōu)勢分類單元個體百分比(M5)和ASPT指數(M13).

R為參考點，D為受損點.R：Reference sites；D：Damaged sites.圖2 候選生物參數在參照點(R)和受損點(D)的分布Figure 2 The distribution of candidate biological parameters at the reference sites(R) and the damaged sites (D)

表4 6個候選生物參數的相關性分析

2.2.2 建立評價標準 最終篩選的參數用比值法統(tǒng)一量綱，對于隨人為干擾而減小的核心參數M2和M13，分值通過實測值/最佳期望值計算，其中最佳期望值為參照點的95%分位數.對于隨人為干擾而增大的核心參數M5，分值計算表達式為：(最大值-實測值)/(最大值-最佳期望值)[5]，這時最佳期望值為參照點的5%分位數.根據上述算法，通過各樣點的有關數據得到3個核心參數的計算公式如表5，根據該公式計算全部樣點的各核心參數分值，所得分值應在0～1的分布范圍內，大于1時取1.

將每個樣點的3個核心參數的分值相加，得到B-IBI的指數值.以參照點B-IBI值分布的25%分位數值作為“健康”評價的標準，對小于25%分位數值的分布范圍進行四等分[15]，從而確定黃河榆中段河流的B-IBI指數值的評價標準(表6).

2.2.3 評價結果 根據確定的健康評價標準，得到黃河榆中段河流B-IBI評價結果如表7所示，在10個樣點中，3個樣點健康，4個樣點亞健康，1個樣點較差，2個樣點極差.平均B-IBI為0.836，對應的等級為“一般”.

表5 核心參數的計算公式

表6 黃河榆中段河流的B-IBI指數值的評價標準

表7 黃河榆中段干、支流10個樣點的生態(tài)健康狀況

2.3 底棲動物多樣性指數評價結果

大型底棲動物多樣性綜合指數見表8，根據相關評價標準(表9)[16]，得出10個采樣點中，健康狀況一般和較差的樣點各1個，其余8個樣點健康狀況為差.

表8 大型底棲動物多樣性指數的標準化處理數據

表9 大型底棲動物多樣性綜合指數評價標準

2.4 樣點實際生境特點與評價結果的一致性分析

表10列出了采樣時觀察、調查到的樣點實際生境特點，將其與兩種評價結果對應比較，可以發(fā)現，以B-IBI評價的結果與樣點的實際生境一致性較高，且其可將樣點區(qū)分為4個不同級別，區(qū)分度相對于多樣性綜合指數也較優(yōu).

表10 評價結果與樣點實際生境的一致性

3 討論

河流大型底棲無脊椎動物具有相對較長的生活周期、較高的生物多樣性，且很多種類在其生活史中至少有一部分時間對生境有特定的要求，所以對人類干擾會產生較為敏感的生態(tài)效應，常用作指示生物來評價河流水質狀況.目前，應用底棲動物評價水質常用的指數有Shannon-Wiener多樣性指數、BP優(yōu)勢度指數、Margalef多樣性指數、Good-night指數、Beck指數、Trent指數、Chandler指數、BMWP計分系統(tǒng)和BBI計分系統(tǒng)，針對部分指數及計分系統(tǒng)的相關研究近年來在國內廣泛開展，以底棲動物為研究對象發(fā)展起來的IBI評價體系也在不斷探索之中[17-18 ].本研究同時采用B-IBI指數(基于雙翅目分類單元數、最優(yōu)勢分類單元個體百分比和ASPT指數)和多樣性綜合指數(基于分類單元數、EPTr-F、BMWP 指數和BP優(yōu)勢度指數)進行評價，旨在得出各自評價結果的同時，對兩種評價指標進行比較，從而為今后的持續(xù)工作提供參考和依據.通過將B-IBI、多樣性綜合指數2個方法評價結果分別與各采樣點具體生態(tài)環(huán)境進行對照分析后發(fā)現，B-IBI評價結果與采樣點的實際生境較為相符，選取的4個參照點，評價結果3個為健康，1個為亞健康，而6個受損點評價結果均在亞健康以下，且評分最低的兩個樣點與實際情況很相符(一個位于采沙場附近，一個位于河岸建有大量物流倉庫的河道)，故建議以B-IBI來反映黃河榆中段河流生態(tài)健康狀況較為準確，最后評價結果為：3個樣點處于健康狀態(tài)，4個樣點處于亞健康狀態(tài)，1個樣點處于較差狀態(tài)，2個樣點為差，平均完整性指數為0.836，對應等級為“一般”.

在以B-IBI評價河流生態(tài)時，參照點的選取是構建B-IBI指數評價標準的關鍵，原則上應選未受人類活動干預或受人類活動干預很少的位點，但實際應運中并無統(tǒng)一的選取標準.本研究通過實地考察、走訪樣點周邊居民獲得歷史與現狀的重要信息，分析樣點受人類活動干預的程度從而確定參照點和受損點，在一定程度上有主觀性(在其他類似的調查中，這一情況均難以避免)，但依據B-IBI的評價結果，樣點的判斷相對較為準確.同時，采樣位點數量的多少也在很大程度上影響B(tài)-IBI指數評價標準的敏感性，位點數量越多評價結果越準，本研究中選取的位點相對較少，對評價結果的準確性有一定影響.

此外，在選取評價參數時，常以Pearson相關性分析檢測兩個參數所反映的信息是否有重疊，對于重疊的參數只保留其一.但目前關于Pearson相關性分析沒有統(tǒng)一的標準，Maxted[19]采用的標準是|r|>0.75，Barbour[20]和Blocksom[21]采用的標準是 |r| > 0.90，本研究采用的獨立性檢驗，以兩個生物參數指數相關性的顯著程度(P值)作為篩選標準判斷參數之間的重疊程度.

河流區(qū)系不同時，底棲動物的耐污能力相差很大，而國內在大型底棲動物的研究方面尚未形成統(tǒng)一的標準和方法體系，因此基于科級單元敏感值的BMWP指數在應用過程中，要根據不同區(qū)域進行相應修訂，這一因素也是BMWP指數在國內進行應用時的主要限制因素.對于黃河榆中段，利用水生生物評價河流生態(tài)健康的文獻幾乎沒有，基礎數據的積累嚴重缺失增大了底棲動物敏感值和耐污值選取的難度.本次調查中，計算BMWP所使用的敏感值來源于國內外大量參考文獻，文獻中采用的評分制不一致時，全部換算為10分制以統(tǒng)一量綱，尤其對有學者修正過的敏感值進行了對比，并根據黃河水文特點進行了取舍以盡量減少評價結果與實際情況的偏差.