基于底棲動(dòng)物完整性指數(shù)的長(zhǎng)江口-杭州灣潮間帶水生態(tài)狀況評(píng)價(jià)

王 琰,吳阿娜,湯 琳

上海市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,上海 200235

生物完整性指數(shù)(Index of Biotic Integrity,IBI)能夠定量描述人類(lèi)干擾與生物特性之間的關(guān)系,表征生態(tài)系統(tǒng)的水生態(tài)狀況。 該指數(shù)最早由KARR[1]以魚(yú)類(lèi)為研究對(duì)象建立,此后其適用范圍逐漸擴(kuò)展到浮游生物[2-4]、底棲動(dòng)物[5-6]、微生物[7]、水生植物[8]等生物類(lèi)群,涉及的生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型也不斷增多,涵蓋溪流和河流[9-10]、河口[11]、湖泊和水庫(kù)[12]、濕地[13]等。 考慮到不同生物類(lèi)群的環(huán)境特異性、歷史資料的豐富性以及調(diào)研過(guò)程的便捷性,底棲動(dòng)物完整性指數(shù)(Benthic Index of Biotic Integrity,B-IBI)已成為目前應(yīng)用最廣泛的水質(zhì)生物學(xué)評(píng)價(jià)指數(shù)之一。 已有研究表明,B-IBI 在實(shí)際應(yīng)用中的準(zhǔn)確性受到環(huán)境因子的影響,諸如城市化比例[14]及水體大小[15]等,但其在水生態(tài)狀況評(píng)價(jià)中仍具有較高的靈敏性與穩(wěn)定性。

我國(guó)在B-IBI 方面的研究起步較晚。 2005年,王備新等[16]以安徽黃山地區(qū)溪流為研究對(duì)象建立了B-IBI 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,這是該指數(shù)在國(guó)內(nèi)的首次應(yīng)用。 此后,研究人員應(yīng)用B-IBI 在遼河流域[17]、太湖流域[12,18]、滇池流域[19]、欽江流域[20]和淮河流域[21]等地開(kāi)展了廣泛研究。

長(zhǎng)江口-杭州灣潮間帶處于陸地生態(tài)系統(tǒng)和海洋生態(tài)系統(tǒng)的過(guò)渡帶,受到人類(lèi)活動(dòng)和漲落潮的雙重影響。 一方面,人類(lèi)產(chǎn)生的污染物質(zhì)會(huì)經(jīng)由不同途徑匯集到此處;另一方面,此處的污染物又會(huì)通過(guò)絮凝作用或吸附在顆粒物上,經(jīng)潮汐作用進(jìn)入海洋。 因此,該區(qū)域兼具“源”和“匯”的兩重性[22-23]。 但目前的評(píng)價(jià)性研究主要還是集中在長(zhǎng)江口近岸海域[24-25],而對(duì)于與人類(lèi)活動(dòng)關(guān)系更為密切的潮間帶區(qū)域尚未給予足夠重視。 故本研究基于潮間帶底棲動(dòng)物歷年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建B-IBI,對(duì)長(zhǎng)江口-杭州灣潮間帶的水生態(tài)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià),以期為推進(jìn)長(zhǎng)江流域水環(huán)境質(zhì)量管理和水生態(tài)修復(fù)提供技術(shù)支持。

1 研究區(qū)域概況

長(zhǎng) 江 口 南 岸 潮 間 帶(121°18′ ～ 121°55′E,31°05′～31°31′N(xiāo))和杭州灣北岸潮間帶(121°31′～121°43′E,30°48′～30°50′N(xiāo))均屬亞熱帶季風(fēng)氣候,年平均氣溫15.2～15.7 ℃,潮汐類(lèi)型為淺海半日潮[26-28]。 長(zhǎng)江口南岸潮間帶只有局部小范圍的天然灘地,大部分岸段的大堤直逼水面。 以吳淞口為界,西側(cè)區(qū)域受到較強(qiáng)的潮流作用,使該部分岸段處于受沖刷狀態(tài),而東側(cè)的潮汐作用較西側(cè)明顯增強(qiáng),潮灘寬度增大。 杭州灣北岸岸段則在東南向強(qiáng)浪的作用下逐漸蝕退。 由于長(zhǎng)江口灘涂受到持續(xù)圍墾,潮間帶中、高潮灘逐漸喪失,蘆葦帶寬度逐年衰減,本地種海三棱藨草的分布區(qū)被互花米草和蘆葦占領(lǐng)[29]。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究數(shù)據(jù)來(lái)源于1991—2019 年長(zhǎng)江口南岸4 個(gè)采樣斷面(A～D)、2004—2019 年杭州灣北岸3 個(gè)采樣斷面(E～G)的大型底棲動(dòng)物監(jiān)測(cè)結(jié)果(圖1)。 底棲動(dòng)物采樣參照《全國(guó)海岸帶和海涂資源綜合調(diào)查簡(jiǎn)明規(guī)程》和《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范 第7 部分:近海污染生態(tài)調(diào)查和生物監(jiān)測(cè)》 (GB 17378.7—1998、GB 17378.7—2007)進(jìn)行,每個(gè)斷面分別在高、中、低潮間帶各采集2 個(gè)樣方,樣方規(guī)格為50 cm×25 cm,深度為30 cm。 樣品在野外經(jīng)0.425 mm(40 目)篩網(wǎng)篩選后,用95%的酒精稀釋固定。 帶回實(shí)驗(yàn)室的樣品在體視顯微鏡下完成挑選、鑒定和計(jì)數(shù)。 受當(dāng)年環(huán)境條件及非可控因素限制,部分?jǐn)嗝娲嬖跓o(wú)法采樣的情況。 參照狀態(tài)數(shù)據(jù)來(lái)源于2006 年崇明東灘底棲動(dòng)物調(diào)研結(jié)果。 水質(zhì)理化指標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)源于A ～ D 斷面1993—1999 年同步測(cè)定結(jié)果,具體分析方法參照《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—1988)執(zhí)行,主要包括水溫、pH、懸浮物、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮、氯化物、硫酸鹽、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、揮發(fā)性酚、石油類(lèi)、電導(dǎo)率、總磷、總氮、化學(xué)需氧量等。

圖1 長(zhǎng)江口-杭州灣潮間帶底棲動(dòng)物監(jiān)測(cè)斷面Fig.1 The sampling sections of macrobenthos in the Yangtze River Estuary and Hangzhou Bay intertidal zone

2.2 研究方法

2.2.1 參照狀態(tài)的確定

長(zhǎng)江口-杭州灣潮間帶區(qū)域受人類(lèi)活動(dòng)的影響較大,不存在未受干擾或受干擾極小的區(qū)域,且該地區(qū)歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中缺乏系統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料,因此,無(wú)法在該范圍內(nèi)確定有效的參照點(diǎn)位。

崇明東灘位于長(zhǎng)江入海口,崇明島的最東端,與長(zhǎng)江口-杭州灣潮間帶位置接近,屬河口型潮汐灘涂濕地。 1998 年,崇明東灘鳥(niǎo)類(lèi)自然保護(hù)區(qū)經(jīng)上海市人民政府批準(zhǔn)建立;2005 年7 月,經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn),晉升為國(guó)家級(jí)鳥(niǎo)類(lèi)自然保護(hù)區(qū)。 崇明東灘是長(zhǎng)江口區(qū)域現(xiàn)存受人類(lèi)干擾相對(duì)較小且具有典型潮間帶分布的區(qū)域之一。 因此,按照無(wú)干擾樣點(diǎn)或干擾極小樣點(diǎn)的選擇標(biāo)準(zhǔn),以崇明東灘2006 年8 次生態(tài)監(jiān)測(cè)樣本為參照點(diǎn)位樣本。

2.2.2 B-IBI 指標(biāo)體系的構(gòu)建

1)候選指標(biāo)

參照相關(guān)文獻(xiàn)[30-32],本研究選用了反映物種組成(M1～M11)、物種多樣性(M12～M15)、物種豐度(M16～M32)、物種生物量(M33～M37)、耐污能力(M38～M46)、攝食類(lèi)型(M47～M56)等6類(lèi)特征的共56 個(gè)指標(biāo)作為候選指標(biāo),用于構(gòu)建長(zhǎng)江口-杭州灣潮間帶B-IBI。

2)指標(biāo)篩選

候選指標(biāo)依次通過(guò)以下步驟進(jìn)行篩選:①分布范圍分析。 利用參照點(diǎn)位調(diào)查數(shù)據(jù)計(jì)算各指標(biāo)的分布范圍,剔除隨干擾增強(qiáng)而變化幅度較窄、無(wú)法準(zhǔn)確區(qū)分不同干擾程度的指標(biāo),以及數(shù)據(jù)離散程度較高、不穩(wěn)定的指標(biāo)。 ②判別能力分析。 參照BARBOUR 等[33]的評(píng)價(jià)方法,比較參照點(diǎn)和受損點(diǎn)25%～75%分位數(shù)范圍(即箱體IQ)的重合程度,分別進(jìn)行賦值,IQ≥2 的參數(shù)進(jìn)入下一輪檢驗(yàn)。 ③冗余度分析。 在正態(tài)分布檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析。 由于候選指標(biāo)不符合正態(tài)分布,選用Spearman 相關(guān)性系數(shù)判斷候選參數(shù)間的冗余度。 參考MAXTED[34]等的標(biāo)準(zhǔn),|r|>0.75 的指標(biāo)反映的信息重合度較高。 經(jīng)相應(yīng)取舍,得到構(gòu)成B-IBI 的核心指標(biāo)。

2.2.3 B-IBI 分值的計(jì)算

為了解決各指標(biāo)單位不一致的問(wèn)題,采用生物指數(shù)計(jì)分法來(lái)統(tǒng)一評(píng)價(jià)量綱。 對(duì)比了三分法和比值法在識(shí)別受損點(diǎn)和參照點(diǎn)時(shí)的準(zhǔn)確率后,選擇采用比值法對(duì)B-IBI 值進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)于隨干擾強(qiáng)度增大而數(shù)值減小的指標(biāo),以所有采樣點(diǎn)參數(shù)值的95%分位數(shù)為最佳期望值。分值計(jì)算方法:指標(biāo)分值=實(shí)測(cè)值/最佳期望值。

對(duì)于隨干擾強(qiáng)度增大而數(shù)值增大的參數(shù),則以所有采樣點(diǎn)5%分位數(shù)的指標(biāo)值為最佳期望值。 分值計(jì)算方法:指數(shù)分值= (最大值-實(shí)測(cè)值)/(最大值-最佳期望值)。

計(jì)算后的分值范圍在0 到1 之間,大于1 的值統(tǒng)一記為1。 經(jīng)篩選后獲得的各核心指標(biāo)分值之和即為B-IBI 值。

2.2.4 B-IBI 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的建立

界定潮間帶水生態(tài)狀況是否優(yōu)秀的標(biāo)準(zhǔn)是以參照點(diǎn)B-IBI(8 次)的25%分位數(shù)值為最佳期望值,如果樣點(diǎn)B-IBI 值大于參照點(diǎn)B-IBI 25%分位數(shù)值,則說(shuō)明該樣點(diǎn)水生態(tài)狀況相對(duì)優(yōu)秀,受到的人類(lèi)干擾相對(duì)較小;而對(duì)于B-IBI 值小于參照點(diǎn)B-IBI 25%分位數(shù)值的樣點(diǎn),則利用四等分法將0 到參照點(diǎn)B-IBI 25%分位數(shù)值之間的范圍分為4 等份,從而確定長(zhǎng)江口-杭州灣B-IBI 指標(biāo)體系評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

以各斷面單次底棲動(dòng)物監(jiān)測(cè)結(jié)果為獨(dú)立樣本,進(jìn)行生物指數(shù)計(jì)算及B-IBI 構(gòu)建。 以GB 3838—1988 中的Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為限值,進(jìn)行水質(zhì)綜合污染指數(shù)計(jì)算。 計(jì)算時(shí),選擇具有代表性的污染物指標(biāo),包括溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、化學(xué)需氧量、氨氮、石油類(lèi)、揮發(fā)性酚、總磷和總氮。 其余指標(biāo)不存在超標(biāo)情況,因此不納入水質(zhì)綜合污染指數(shù)的計(jì)算。 具體計(jì)算方法參考《上海市環(huán)境質(zhì)量報(bào)告書(shū)》。 采用Origin 2017和GraphPad Prism 8.0.1 進(jìn)行制圖,采用SPSS Statistics 21 進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)和相關(guān)性分析,以P<0.05 和P<0.01 分別表示顯著和極顯著差異或相關(guān)。 其他數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)均采用Excel 進(jìn)行。

3 研究結(jié)果

3.1 底棲動(dòng)物組成特征

歷年調(diào)研共采集到大型底棲動(dòng)物153 種,隸屬于7 門(mén)10 綱65 科85 屬。 其中:多毛類(lèi)27 種,占17.6%;寡毛類(lèi)11 種,占7.2%;軟體動(dòng)物29種,占19.0%;甲殼動(dòng)物59 種,占38.6%;其他(包括昆蟲(chóng)類(lèi)和底棲硬骨魚(yú)類(lèi))27 種,占17.6%。在參照點(diǎn)共采集到底棲動(dòng)物34 種,占總物種數(shù)的22.2%。 河 蜆(Corbiculafluminea)、 齒 吻 沙 蠶(Nephtyssp.)、日本刺沙蠶(Neanthesjaponica)、擬寡毛蟲(chóng)(Capitellethusdispar) 和譚氏泥蟹(Ilyrplaxdeschampsi)為長(zhǎng)江口南岸常見(jiàn)種,彩虹明 櫻 蛤(Moerellairidescens)、 光 滑 狹 口 螺(Stenothyraglabra) 和 日 本 大 眼 蟹(Macrophthalmusjaponicus)為杭州灣北岸常見(jiàn)種。

各斷面底棲動(dòng)物的種類(lèi)數(shù)和棲息密度均存在明顯的年際波動(dòng)(圖2)。 其中,長(zhǎng)江口南岸A～D斷面的種類(lèi)數(shù)變化幅度要明顯大于杭州灣北岸E～G 斷面。 從物種組成上可以看出,A～D 斷面瓣鰓綱物種數(shù)相對(duì)穩(wěn)定,E～G 斷面底棲硬骨魚(yú)類(lèi)的檢出率更高,各斷面甲殼綱和多毛綱的種類(lèi)數(shù)量變化是造成物種數(shù)變化的主要原因。 從棲息密度來(lái)看,C 斷面的年際變化最為劇烈,波動(dòng)主要出現(xiàn)在2001 年之前;A 和B 斷面具有類(lèi)似的波動(dòng)特征;E～G 斷面波動(dòng)范圍較其余斷面小。

圖2 A～ G 斷面潮間帶底棲動(dòng)物分布特征Fig.2 The distribution characteristics of macrobenthos in the intertidal zone among A and G sections respectively

3.2 B-IBI 構(gòu)建

3.2.1 分布范圍分析

為識(shí)別參照點(diǎn)各指數(shù)的分布范圍,對(duì)所選取的56 個(gè)生物指數(shù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、25%分位數(shù)值、中位數(shù)值和75%分位數(shù)值進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如表1 所示。

表1 生物指數(shù)值在參照點(diǎn)的分布情況及預(yù)期脅迫響應(yīng)Table 1 Distribution of metrics in reference sites and their expected direction of response to disturbance

表1 顯 示:M5、M7、M9、M10、M11、M18、M19、M20、M21、M22、M30、M31、M36、M37 等14個(gè)指標(biāo)的75%分位數(shù)為0,說(shuō)明隨著干擾增強(qiáng),上述指標(biāo)值的變動(dòng)范圍很窄,不適宜參與指標(biāo)體系的構(gòu)建,應(yīng)予以剔除;M2、M4、M38、M39、M46、M47、M48、M49、M50 等9 個(gè)指標(biāo)的分布范圍過(guò)窄,說(shuō)明隨著干擾增強(qiáng),其可變范圍很小,應(yīng) 予 以 剔 除;M16、M27、M28、M33、M34、M40、M41、M53、M54 等9 個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差過(guò)大,說(shuō)明其數(shù)據(jù)較離散,應(yīng)予以剔除。 剩下的生物指數(shù)進(jìn)入下一輪分析。

3.2.2 判別能力分析

針對(duì)通過(guò)分布范圍分析篩選出的24 個(gè)候選指標(biāo),采用箱線圖進(jìn)行判別能力分析,以反映篩選指標(biāo)在參照點(diǎn)和受損點(diǎn)之間的結(jié)果差異,具體見(jiàn)圖3。 根據(jù)IQ 值評(píng)定方法和篩選原則,M1、M13、M17、M25、M26、M32、M42、M43、M44、M45、M52等11 個(gè)指數(shù)的IQ≥2,可以反映參照點(diǎn)和受損點(diǎn)之間的差異,予以保留,進(jìn)入下一步分析。 其余指標(biāo)的IQ 值都小于2,予以剔除。

圖3 IQ≥2 的候選參數(shù)在參照點(diǎn)和受損點(diǎn)的箱線圖Fig.3 Box-plots of candidate metrics with interquartile range (IQ)values ≥2 between reference and disturbed sites

3.2.3 冗余度分析

對(duì)經(jīng)判別能力分析篩選出的11 個(gè)候選指標(biāo)進(jìn)行Spearman 相關(guān)分析,結(jié)果見(jiàn)表2。 根據(jù)MAXTED 等[34]的標(biāo)準(zhǔn),以|r|>0.75 表示2 個(gè)指數(shù)高度相關(guān)。 M13(Marglef 指數(shù))與M1(總分類(lèi)單元數(shù))、M17(前三位優(yōu)勢(shì)分類(lèi)單元相對(duì)多度)高度相關(guān),M13 比其他指數(shù)涵蓋的信息更多,保留M13;M26(多毛類(lèi)相對(duì)多度)和M52(捕食者相對(duì)多度)相關(guān)度較高,但M32 已包含多毛類(lèi)多度信息,故保留M52;M42(BMWP)和M43(ASPT)高度相關(guān),兩個(gè)指標(biāo)均表征底棲動(dòng)物的敏感性,M43是在M42 的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定的修正,采用科級(jí)物種的平均敏感值,較敏感值總和更為合理,故保留M43;M44(FBI)和M45(BI)高度相關(guān),兩個(gè)指數(shù)表征的信息具有一致性,但考慮到底棲動(dòng)物鑒定的難度,故保留M44。

表2 候選生物參數(shù)間的Spearman 相關(guān)性分析Table 2 Spearman’s correlation matrix of candidate metrics

通過(guò)逐步篩選,確定長(zhǎng)江口-杭州灣潮間帶B-IBI 核心指標(biāo)由M13(Marglef 指數(shù))、M25(軟體動(dòng)物相對(duì)多度)、M32(甲殼動(dòng)物+多毛綱相對(duì)多度)、M43(ASPT)、M44(FBI)、M52(捕食者相對(duì)多度)構(gòu)成。

3.3 B-IBI 評(píng)價(jià)體系的建立與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)各指標(biāo)預(yù)期脅迫響應(yīng),采用比值法計(jì)算各指標(biāo)分值(表3)。 各指標(biāo)分值分布范圍為0～1,若分值>1,則記為1。 計(jì)算得到長(zhǎng)江口-杭州灣潮間帶各樣本B-IBI 值,結(jié)果介于0. 65～4. 55,參照點(diǎn)位的25%分位數(shù)值為3. 63。 利用四等分法將0 到參照點(diǎn)25%分位值之間的范圍分為4 等份,從而確定長(zhǎng)江口-杭州灣B-IBI 指標(biāo)體系評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表4)。

表3 核心指標(biāo)分值計(jì)算公式Table 3 Formulas for calculation of key metrics scores

表4 B-IBI 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Criteria for B-IBI assessment

3.4 長(zhǎng)江口-杭州灣潮間帶水生態(tài)狀況評(píng)價(jià)

從研究區(qū)域B-IBI 分值的箱線圖分布來(lái)看(圖4),IQ≥2,說(shuō)明該評(píng)價(jià)方法能對(duì)參照點(diǎn)和受損點(diǎn)進(jìn)行有效區(qū)分,表明本研究構(gòu)建的B-IBI 評(píng)價(jià)體系適用于長(zhǎng)江口-杭州灣潮間帶區(qū)域的水生態(tài)狀況評(píng)價(jià)。

圖4 參照點(diǎn)和受損點(diǎn)的B-IBI 值比較Fig.4 Comparison of B-IBI between reference and disturbed sites using box plots

根據(jù)表4 中的標(biāo)準(zhǔn),對(duì)長(zhǎng)江口-杭州灣潮間帶樣點(diǎn)的水生態(tài)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果如圖5 所示。其中,優(yōu)秀等級(jí)的樣本有44 個(gè),占27.8%;良好有72 個(gè),占45.6%;中等有31 個(gè),占19.6%;較差有7 個(gè),占4.4%;很差有4 個(gè),占2.5%。 從各斷面評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看,2001 年之前,B 和C 斷面整體水生態(tài)狀況較差,之后有所改善。 4 個(gè)很差等級(jí)樣本均出現(xiàn)在C 斷面,7 個(gè)較差等級(jí)樣本均出現(xiàn)在長(zhǎng)江口南岸區(qū)域。 杭州灣北岸的水生態(tài)狀況明顯優(yōu)于長(zhǎng)江口南岸(P<0.05),2004 年以來(lái)均表現(xiàn)為優(yōu)秀或良好狀態(tài)。

圖5 長(zhǎng)江口南岸-杭州灣北岸潮間帶歷年B-IBI 評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.5 B-IBI assessment results of the intertidal zone in the southern Yangtze River Estuary and the northern Hangzhou Bay over the years

從年際變化情況來(lái)看,2001 年之前的B-IBI分值波動(dòng)較明顯;2001 年之后的長(zhǎng)江口南岸區(qū)域水生態(tài)狀況有了明顯改善,B-IBI 分值變化趨勢(shì)從剛開(kāi)始的顯著正向波動(dòng)向周期性波動(dòng)轉(zhuǎn)變。 從B-IBI 來(lái)看,杭州灣北岸潮間帶歷年水生態(tài)狀況未發(fā)生明顯波動(dòng),相對(duì)比較穩(wěn)定。

3.5 B-IBI 與環(huán)境因子的關(guān)系

水質(zhì)綜合污染指數(shù)分值越大,表示水環(huán)境質(zhì)量狀況越差。 各樣本B-IBI 分值與水質(zhì)綜合污染指數(shù)的倒數(shù)的線性擬合結(jié)果顯示(圖6),兩者之間存在極顯著的相關(guān)性,R2為0.599 4 (P<0.01)。 因此,水質(zhì)綜合污染指數(shù)與B-IBI 存在極顯著的響應(yīng)關(guān)系(P<0.01)。 水質(zhì)綜合污染指數(shù)的倒數(shù)越大,水質(zhì)狀況越好,對(duì)應(yīng)的B-IBI 分值越高,表明該樣本的水生態(tài)狀況越好。

圖6 B-IBI 與水質(zhì)綜合污染指數(shù)的倒數(shù)的線性回歸擬合結(jié)果Fig.6 The linear regression result between B-IBI and the inversion of water comprehensive pollution index

各污染指標(biāo)與B-IBI 之間的Pearson 相關(guān)性分析結(jié)果見(jiàn)表5。 B-IBI 與大部分理化指標(biāo)之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系,表明這些環(huán)境因子都對(duì)底棲動(dòng)物的群落特征產(chǎn)生了重要影響。 其中,高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、化學(xué)需氧量、總磷、總氮、氨氮、揮發(fā)性酚和石油類(lèi)都與B-IBI 之間存在較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性(P<0.05),而水溫、pH、懸浮物和氯化物則與B-IBI 之間具有較強(qiáng)的正相關(guān)性(P<0.05)。

表5 B-IBI 與環(huán)境因子的Pearson 相關(guān)關(guān)系Table 5 Pearson correlations between B-IBI and environmental factors

4 討論

4.1 參照狀態(tài)的選擇

確定參照狀態(tài)是開(kāi)展生態(tài)系統(tǒng)水生態(tài)狀況評(píng)價(jià)的基礎(chǔ),其選擇的合理性直接決定了評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。 在以往研究中,參照狀態(tài)的選擇主要分為兩種方式:第一種方式是選擇沒(méi)有人類(lèi)干擾或人類(lèi)干擾極小的區(qū)域作為參照狀態(tài)[2],一般指河流上游源頭或自然保護(hù)區(qū)核心地帶。 例如,BARBOUR 等[33]在美國(guó)佛羅里達(dá)州進(jìn)行底棲動(dòng)物評(píng)價(jià)指數(shù)構(gòu)建時(shí),就是以此為選擇標(biāo)準(zhǔn)。 第二種方式是選擇研究區(qū)域內(nèi)受干擾相對(duì)較少的點(diǎn)作為參照狀態(tài)。 由于當(dāng)前流域周邊的城市化進(jìn)程發(fā)展快速,人類(lèi)干擾頻繁,難以找到極小干擾點(diǎn),一般會(huì)通過(guò)量化環(huán)境指標(biāo),包括水質(zhì)、森林覆蓋率、土地利用率等,來(lái)劃定選擇標(biāo)準(zhǔn),從而選取相對(duì)參照狀態(tài)[31,35-36]。

本次研究涉及的長(zhǎng)江口南岸潮間帶和杭州灣北岸潮間帶區(qū)域受灘涂圍墾、城區(qū)污水排放和亂采濫捕底棲動(dòng)物等人類(lèi)活動(dòng)的影響,不存在適合作為參照狀態(tài)的點(diǎn)位。 回溯近30 年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和歷史資料,同樣無(wú)法找到合格的歷史參照狀態(tài)。受到研究范圍的限制,同時(shí)考慮到在實(shí)際工作中的適宜性和可操作性,本研究最終選擇以崇明東灘的監(jiān)測(cè)樣本作為參照狀態(tài)。 具體參照點(diǎn)布設(shè)于崇明東灘堤外灘涂部分,從高潮灘植被帶到近海光灘。 該區(qū)域具有優(yōu)越的自然資源和生態(tài)條件,且受人類(lèi)干擾相對(duì)較小,同時(shí)也是開(kāi)展底棲動(dòng)物生態(tài)學(xué)研究的黃金區(qū)域[37-40]。 為了進(jìn)一步提高研究區(qū)域水生態(tài)狀況評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性,未來(lái)可以考慮通過(guò)跨流域篩選參照點(diǎn)或使用預(yù)測(cè)模型來(lái)進(jìn)一步修正參照狀態(tài)的選擇[2]。

4.2 B-IBI 體系的適用性

本研究對(duì)長(zhǎng)江口-杭州灣潮間帶各斷面歷年水生態(tài)狀況做出了科學(xué)的評(píng)價(jià)。 評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,長(zhǎng)江口南岸B、C 斷面在2001 年之前的水生態(tài)狀況較差,處于中等以下水生態(tài)狀況的樣本均出現(xiàn)在這兩個(gè)斷面。 這表明在該段時(shí)間內(nèi),長(zhǎng)江口南岸B、C 斷面受到了較強(qiáng)的人類(lèi)干擾。 據(jù)調(diào)查,B、C 斷面附近是長(zhǎng)江口南岸的兩個(gè)主要污水排放口,即竹園排放口和南區(qū)排放口。 其中,南區(qū)排放口自1970 年開(kāi)始排污,且有研究表明該排污口已對(duì)生境內(nèi)的底棲生物造成影響[41]。 20 世紀(jì)90 年代,上海市合流污水治理工程將市區(qū)污水截流,在長(zhǎng)江口南岸竹園設(shè)預(yù)處理廠,經(jīng)初步處理后排放至長(zhǎng)江口[42]。 在排放口附近形成的污水混合區(qū)對(duì)底層水體的影響范圍較大,導(dǎo)致部分潮間帶區(qū)域特別是低潮區(qū)和潮下淺水區(qū)受到排污影響,限制了敏感種的分布,造成生物多樣性降低[43]。2001 年之后,這兩個(gè)斷面的B-IBI 有了明顯提升。在時(shí)間線上,兩個(gè)區(qū)域水生態(tài)狀況的改善和上海市白龍港污水處理廠及竹園第一污水處理廠的投入使用具有較好的一致性[44-45]。 其余斷面的水生態(tài)狀況相對(duì)穩(wěn)定,以?xún)?yōu)秀和良好狀態(tài)為主。 其中,A 和D 斷面附近不存在對(duì)水體質(zhì)量擾動(dòng)較大的污水排放口,且D 斷面位于研究區(qū)域的最東端,潮流作用明顯比長(zhǎng)江口南岸其余斷面強(qiáng)烈,更有利于污染物的稀釋擴(kuò)散。 同樣地,杭州灣呈喇叭形,相較于受徑流影響強(qiáng)烈的長(zhǎng)江口南岸,杭州灣北岸潮間帶的潮差大、潮流急,污染物稀釋迅速[46],整體水生態(tài)狀況良好。 研究證實(shí),B-IBI 與水質(zhì)綜合污染指數(shù)之間存在響應(yīng)關(guān)系(P<0.01)。水質(zhì)綜合污染指數(shù)能夠綜合表征水質(zhì)污染特征,反映水體污染物超標(biāo)情況。 水體是與底棲動(dòng)物生活相關(guān)的重要介質(zhì),水體污染嚴(yán)重會(huì)直接導(dǎo)致底棲群落的退化和消失。 水質(zhì)綜合污染指數(shù)與B-IBI 間的顯著響應(yīng)關(guān)系表明,B-IBI 能有效表征區(qū)域水生態(tài)狀況。 陳橋等[30]在江蘇太湖流域的研究中也得到了類(lèi)似的結(jié)論。

B-IBI 的核心指標(biāo)可劃分為4 種類(lèi)型,其中:第一類(lèi)是表征物種多樣性的Marglef 指數(shù)。 該指標(biāo)計(jì)算簡(jiǎn)單,且在群落多樣性的分析中具有較高的分辨率[47]。 Marglef 指數(shù)不但包含了物種分類(lèi)單元信息,同時(shí)考慮了密度差異,因此,該指標(biāo)可以降低偶見(jiàn)種的出現(xiàn)所造成的影響。 已有研究表明,隨著人為干擾的增強(qiáng),少部分污染耐受性強(qiáng)的物種的數(shù)量會(huì)大幅度增加,導(dǎo)致物種豐富度下降[32]。 因此,這類(lèi)能夠表征群落多樣性的生物指標(biāo)常被廣泛地作為B-IBI 的核心指標(biāo)。 第二類(lèi)是表征物種耐污性能的指標(biāo),包括FBI 和ASPT。 其中,FBI 是基于類(lèi)群科級(jí)耐污值計(jì)算得到的既能反映群落耐污特征又能反映耐污類(lèi)群豐度的指標(biāo),而ASPT 是基于科級(jí)物種敏感值得到的指標(biāo)。這兩個(gè)指標(biāo)常作為核心指標(biāo)出現(xiàn)在各類(lèi)水體的B-IBI 構(gòu)建中[17,48]。 當(dāng)前,針對(duì)耐污值和敏感值的研究在我國(guó)仍不夠完善,底棲動(dòng)物耐污值和敏感值主要參考王備新等[49]、王建國(guó)等[50]、趙瑞等[51]和冷龍龍等[52]的研究成果。 但由于所處生態(tài)區(qū)或亞區(qū)的不同,很多生物的耐污性能存在較大差異。 在應(yīng)用和推廣的過(guò)程中,需要根據(jù)研究區(qū)域底棲動(dòng)物的區(qū)系組成和分布特征,對(duì)兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行必要的修正和檢驗(yàn)。 第三類(lèi)是表征物種多度的指標(biāo),包括軟體動(dòng)物相對(duì)多度和甲殼動(dòng)物+多毛綱相對(duì)多度。 這兩類(lèi)指標(biāo)包含的物種占據(jù)了潮間帶區(qū)域物種組成的絕大部分。 在已有的針對(duì)長(zhǎng)江口[25]、贛江流域[53]、城市河流[54]的水生態(tài)狀況評(píng)價(jià)中,兩項(xiàng)指標(biāo)也被作為重要指標(biāo)納入B-IBI的計(jì)算。 第四類(lèi)是表征底棲群落攝食功能群的指標(biāo)。 游清徽等[32]在研究中指出,隨著人類(lèi)干擾和其他環(huán)境壓力的增強(qiáng),底棲動(dòng)物的食物鏈會(huì)趨于簡(jiǎn)單化,位于食物鏈頂端的捕食者的數(shù)量會(huì)逐漸減少。 因此,將捕食者多度作為反映底棲動(dòng)物食物鏈穩(wěn)定性的重要指標(biāo)參與B-IBI 的計(jì)算是合理的[14]。

相較于單一的生物指標(biāo),B-IBI 的綜合性更強(qiáng),對(duì)水生態(tài)狀況的評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性更高。 但由于缺少生境質(zhì)量、水質(zhì)理化性質(zhì)等方面的信息,無(wú)法得到完善的生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)結(jié)果。 因此,在日后工作中仍需進(jìn)一步積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù),拓寬信息范疇,使構(gòu)建的指標(biāo)體系能更準(zhǔn)確地反映長(zhǎng)江流域的健康狀況,為管理部門(mén)提供技術(shù)支持。

5 結(jié)論

本研究構(gòu)建的長(zhǎng)江口-杭州灣潮間帶B-IBI由Marglef 指數(shù)、軟體動(dòng)物相對(duì)多度、甲殼動(dòng)物+多毛綱相對(duì)多度、ASPT、FBI 和捕食者相對(duì)多度等6個(gè)核心指標(biāo)構(gòu)成。 根據(jù)B-IBI 分值范圍,劃定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn): > 3.63 為優(yōu)秀,2.74 ～ 3.63 為良好,1.83～2.73 為中等,0.92 ～ 1.82 為較差,0.00 ～0.91 為很差。

評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,優(yōu)秀等級(jí)的樣本占27.8%,良好等級(jí)樣本占 45.6%, 中等等級(jí)樣本占19.6%,較差等級(jí)樣本占4.4%,很差等級(jí)樣本占2.5%。 杭州灣北岸水生態(tài)狀況顯著優(yōu)于長(zhǎng)江口南岸(P<0. 05),2004 年以來(lái)基本處于良好和優(yōu)秀狀態(tài)。 較差和很差等級(jí)樣本均出現(xiàn)在2001年之前的長(zhǎng)江口南岸區(qū)域,但2001 年后的長(zhǎng)江口南岸區(qū)域各斷面水生態(tài)狀況有了較明顯的改善。

本研究構(gòu)建的B-IBI 與水質(zhì)綜合污染指數(shù)之間存在極顯著的響應(yīng)關(guān)系,且相關(guān)性分析結(jié)果表明,高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、化學(xué)需氧量、總磷、總氮、氨氮、揮發(fā)性酚、石油類(lèi)與B-IBI 之間存在較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性,而水溫、pH、懸浮物、氯化物與B-IBI 之間具有較強(qiáng)的正相關(guān)性。 B-IBI 能夠有效指示水體污染情況,反映長(zhǎng)江口-杭州灣潮間帶水生態(tài)狀況。 在未來(lái)的工作中,應(yīng)基于現(xiàn)有長(zhǎng)期、系統(tǒng)的底棲動(dòng)物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),擴(kuò)展至生境、水環(huán)境化學(xué)、水文動(dòng)態(tài)信息,構(gòu)建與B-IBI 相結(jié)合的綜合性監(jiān)測(cè)與評(píng)估體系,為未來(lái)的長(zhǎng)江流域水環(huán)境管理工作提供技術(shù)支持。