基于大型底棲動物快速評價的三峽庫尾城市化支流梁灘河流域健康評估

秦孝輝，黃河清，張方輝，雷 波，敖 亮

(1.重慶市生態(tài)環(huán)境科學研究院，重慶 401147；2.重慶市生態(tài)環(huán)境局三峽庫區(qū)消落帶生態(tài)修復工程技術(shù)中心，重慶 401147)

大型底棲動物快速評價方法是在傳統(tǒng)底棲動物生物評價指數(shù)的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化監(jiān)測技術(shù)、降低分類單元要求、簡化指數(shù)計算程序等方法，具有成本低、科學性強、高效性、可操作性強、易于理解，便于長期和較大規(guī)模監(jiān)測數(shù)據(jù)的比較等優(yōu)點[10]。近年來，有眾多的國內(nèi)外學者將某一種快速生物評價指數(shù)或者將幾種快速評價指數(shù)構(gòu)建綜合評價指數(shù)來評價自然河流健康[11，12]，用于城市河流健康評價相對較少[13]。目前，快速生物評價方法應用較多的指數(shù)包括基于物種分類、耐污值與敏感值、生物多樣性、攝食功能群指數(shù)等建立的指數(shù)，以及由各指數(shù)構(gòu)建的綜合指數(shù)[8，12-14]。

由于我國的生物監(jiān)測與評價發(fā)展相對較晚，快速生物評估指數(shù)更適合我國的河流管理[12]，同時也是美國環(huán)?？偸?EPA)重點推薦的河流健康評價方法之一[10]，研究和探討其在不同流域、區(qū)域應用的科學性和適用性具有重要的科學意義。梁灘河位于重慶市主城區(qū)域，是三峽庫尾嘉陵江段右岸一級支流，2018年流域林地面積占38.11%、建設(shè)用地占30.48%、農(nóng)用地占29.31%，人類活動頻繁，城市化水平較高。受人類活動的干擾加劇，水生態(tài)狀況不容樂觀，在一定程度上能夠代表三峽庫尾典型城市化次級河流水生態(tài)系統(tǒng)對人類活動干擾的響應關(guān)系。本研究通過在梁灘河流域開展底棲動物快速生物評價指數(shù)研究，討論分析各指數(shù)在梁灘河的適用性，為三峽庫尾重慶市主城區(qū)段城市型支流的河流健康評價提供參考。

1 研究方法

1.1 區(qū)域概況與點位布設(shè)

本研究以梁灘河流域為研究對象，于2018年7月開展流域的大型底棲動物和水環(huán)境因子調(diào)查，按照樣點設(shè)置原則布設(shè)15個監(jiān)測點位(LTH01～LTH15)，基本覆蓋全部支流，且均勻分布在整個流域(如圖1所示)。

圖1 梁灘河流域采樣點分布圖Fig.1 Map of Liangtan River with macroinvertebrate sample site locations

1.2 水環(huán)境因子采集

1.3 底棲動物采集

在采樣點上下游50 m長的河段范圍內(nèi)采用D形網(wǎng)進行采集，每個點位采集10個小樣方合并為1個樣品，同時采集2個重復樣，每個小樣方尺寸為0.3 m×0.1 m，小樣方依據(jù)河段生境類型和出現(xiàn)頻次進行合理分配。采集的樣本經(jīng)40目分樣篩篩洗后裝袋并加入5%甲醛或75%乙醇溶液進行固定后帶回實驗室鑒定。種類鑒定時，參照《中國經(jīng)濟動物志：淡水軟體動物》[16]、《中國差翅亞目稚蟲的分類學研究(昆蟲綱：蜻蜓目)》[17]、《中國動物志：環(huán)節(jié)動物門·蛭綱》[18]、《遼河流域底棲動物監(jiān)測》[19]等底棲動物分類工具書，將所有樣本鑒定至盡可能低的分類單元。鑒定后將各分類單元進行計數(shù)和稱重后折算成單位面積的密度和濕重生物量。

1.4 大型底棲動物快速生物評價指數(shù)篩選和構(gòu)建

按照對底棲動物鑒定的分類單元要求不高、計算過程相對簡單、相關(guān)指數(shù)運用較為成熟等篩選原則，初步選定4類共8個單因子評價指數(shù)(如表1)；通過主成分分析、Spearman相關(guān)分析、回歸分析等環(huán)節(jié)，篩選合適的單因子評價指數(shù)來構(gòu)建綜合評價指數(shù)。參照文獻[13]在深圳市龍崗河流域的評價方法[公式(1)]，構(gòu)建快速生物綜合評價指數(shù)并評價梁灘河流域健康狀況。各快速生物評價指數(shù)及綜合評價指數(shù)的河流健康評價標準見表2。

表1 大型底棲動物單因子評價指數(shù)特征和構(gòu)建綜合指數(shù)時賦分的標準化依據(jù)Tab.1 Characteristic and principle of select macroinvertebrates indices

表2 各單因子評價指數(shù)及綜合指數(shù)的健康評價標準Tab.2 Health evaluation criteria for select macroinvertebrates indices and comprehensive indices

(1)

式中：Pn為第n個選定的單一評價指數(shù)的標準化得分值，其范圍為0～100。

1.5 綜合水質(zhì)標識指數(shù)法

綜合水質(zhì)標識指數(shù)(Iwq)法以單因子水質(zhì)標識指數(shù)為基礎(chǔ)，可以表達河流的綜合水質(zhì)信息，既可以在同一類別中比較水質(zhì)的優(yōu)劣，也可以在水質(zhì)為超Ⅴ類的情況下比較污染的嚴重程度[20]。本研究參照王昱等[21]的研究方法，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)確定河流綜合水質(zhì)類別，并確定綜合水質(zhì)在該類別變化區(qū)間中的位置，只計算綜合標識指數(shù)的核心X1X2，即Iwq指數(shù)的整數(shù)和第一位小數(shù)。X1X2計算見公式(2)。綜合水質(zhì)標識指數(shù)法的評級標準見表2。

(2)

1.6 數(shù)據(jù)分析

對采集的水環(huán)境因子監(jiān)測結(jié)果進行Spearman相關(guān)性分析，剔除相關(guān)系數(shù)r>0.75且P<0.05的較高者，保留其中之一[12]。進行l(wèi)g(x+1)轉(zhuǎn)換后，再進行主成分分析(PCA)，篩選出影響梁灘河流域的關(guān)鍵水環(huán)境因子；采用 Spearman 相關(guān)分析研究各快速生物評價指數(shù)在評價生態(tài)系統(tǒng)健康狀況時是否具有一致性，采用回歸分析研究各評價指數(shù)指示水體污染的敏感性。大型底棲動物的數(shù)據(jù)處理利用軟件EXCEL2019進行，相關(guān)性分析、回歸分析均利用軟件SPSS19.0完成，水環(huán)境因子的主成分分析采用Canoco for Windows 4.5軟件，圖形處理主要采用Origin 2017。

2 結(jié)果與分析

2.1 大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)

從大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)來看，梁灘河流域共采獲大型底棲動物58種，隸屬于4門8綱18目38科47屬，以昆蟲綱種類為主。雖然梁灘河流域的水生昆蟲種類數(shù)較多，但其個體數(shù)僅占底棲動物總個體數(shù)的10.96%，在LTH12、LTH14、LTH01、LTH03、LTH13占比較高，為38.46%～94.15%(圖2)，以水生昆蟲占絕對優(yōu)勢的點位主要種類為耐污值較高的雙翅目搖蚊科(平均耐污值為7.4)；從密度和相對豐度來看，超半數(shù)的點位都以寡毛類為絕對優(yōu)勢種群，整個流域寡毛類的平均密度達2 841.11 ind/m2，占總平均密度的86.53%?？傮w上，除LTH15外，其余點位的寡毛類、水生昆蟲、腹足綱等種類的相對豐度在88%以上且平均值達96.14%。由此可見，耐污能力較強的水絲蚓、尾鰓蚓、淡水螺類等種類構(gòu)成了梁灘河底棲動物群落的基本成分。整個梁灘河流域，除了最下游，均以耐污型的大型底棲動物為主要優(yōu)勢類群。

圖2 各采樣點大型底棲動物群落組成Fig.2 Taxa composition of macroinvertebrate community at different sampling sites

如圖3所示，從生物多樣性空間分布來看，總體上干流的物種數(shù)高于支流，且均以昆蟲綱和腹足綱為主，表現(xiàn)為干流下游(LTH12、LTH13、LTH14)和支流上游點位(LTH01)物種數(shù)較高(11～19種)，其余點位數(shù)相對較低，LTH07種類數(shù)最低，僅為3種。多樣性分析結(jié)果顯示：Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)計算結(jié)果分別介于0.06～2.23，0.22～3.07和0.06～0.89，整個流域從上游到下游多樣性指數(shù)大體呈先減小后增加的趨勢，物種數(shù)也呈相同的趨勢?？傮w上，流域中游河段生物多樣性低于上游和下游，干流、支流的多樣性指數(shù)平均值顯示支流的多樣性高于干流。

圖3 各采樣點生物多樣性Fig.3 Biodiversity of sample site

2.2 河流關(guān)鍵水質(zhì)影響因子

圖4 梁灘河流域水環(huán)境因子主成分分析結(jié)果Fig.4 Principal component analysis of water environmental factors in Liangtan River Basin

2.3 各指數(shù)健康評價結(jié)果及相關(guān)性

根據(jù)所選取的BPI指數(shù)、GBI指數(shù)、H′指數(shù)、BMWP指數(shù)、FBI指數(shù)、jFD指數(shù)，對梁灘河流域進行健康評價(見圖5)。結(jié)果表明，這6種指數(shù)的健康評價結(jié)果存在較大差異。其中BPI指數(shù)所示結(jié)果中處于一般的采樣點占比(在采樣點總數(shù)中所占比例，下同)為93.33%，其余樣點結(jié)果均為極差；GBI指數(shù)所示結(jié)果中處于健康、良好的占比為26.67%，一般的占比為40%，差和極差的占比為33.33%；H′指數(shù)所示結(jié)果無健康的點位，一般的占比較大(66.67%)，其余等級的占比較為接近(6.67%～13.33%)；BMWP指數(shù)與H′指數(shù)結(jié)果相似，一般點位數(shù)占比為60.00%，其余等級占比較為接近(6.67%～13.33%)；而jFD指數(shù)各健康等級占比接近(13.33%～26.67%)，F(xiàn)BI指數(shù)所示結(jié)果中采樣點全部表現(xiàn)為差和極差；總體上，BPI指數(shù)對梁灘河流域健康狀況評價結(jié)果最為趨同，而jFD較為分散、平均，GBI、H′、BMWP均以一般等級為主且趨勢大體相同；FBI指數(shù)的評價結(jié)果偏低。

圖5 不同快速生物評價指數(shù)評價結(jié)果Fig.5 Evaluation results of different rapid biological assessment indices

利用Spearman相關(guān)分析，探討不同評價指數(shù)間的相關(guān)性。結(jié)果表明(見表3)，物種數(shù)(S)和BMWP指數(shù)呈極顯著相關(guān)性，且均與其他指數(shù)相關(guān)性不顯著。其余的指數(shù)兩兩相關(guān)性中，各指數(shù)間相關(guān)性均達到顯著水平，除BPI指數(shù)與BP指數(shù)、H′指數(shù)，以及jFD指數(shù)與GBI指數(shù)、H′指數(shù)、FBI指數(shù)的相關(guān)性為顯著外，其余指數(shù)兩兩相關(guān)性為極顯著。由于BPI指數(shù)其實質(zhì)就是利用耐污種的分布情況來評價，而GBI指數(shù)利用非寡毛類(耐污種)占比來評價，因此兩類指數(shù)總體上為負相關(guān)關(guān)系(r=-0.779)。

表3 各快速生物評價指數(shù)間的Spearman相關(guān)系數(shù)Tab.3 Spearman rank correlation coefficients among rapid bio-assessment indices

2.4 各評價指數(shù)與環(huán)境因子的關(guān)系

圖6 快速生物評價指數(shù)與環(huán)境因子的回歸分析Fig.6 Regression analysis between rapid biological indices and environmental variables

圖7 快速生物綜合指數(shù)評價結(jié)果Fig.7 Results of integrated rapid biological indices evaluation

2.5 快速生物綜合指數(shù)構(gòu)建與河流健康評價

根據(jù)各評價指數(shù)的Spearman相關(guān)分析結(jié)果，物種數(shù)S和BMWP指數(shù)保留其中之一、其余指數(shù)至少保留其中一個用于構(gòu)建綜合評價指數(shù)。結(jié)合各評價指數(shù)與環(huán)境因子的回歸關(guān)系的顯著性，選擇更能反映人類活動對流域水質(zhì)影響的指數(shù)，如GBI指數(shù)、FBI指數(shù)與3個關(guān)鍵水質(zhì)指標回歸關(guān)系顯著，且可信度在0.322～0.546之間。并結(jié)合各指數(shù)所屬的類型，以盡可能由各類型的指數(shù)構(gòu)建綜合指數(shù)為原則，最終篩選出了分別代表物種多樣性、群落結(jié)構(gòu)特征和群落耐污性的物種數(shù)S、GBI指數(shù)和FBI指數(shù)共同構(gòu)建綜合評價指數(shù)。其評價結(jié)果表明，按照健康等級的判定標準，僅LTH12、LTH14總體屬于“理想狀況”，LTH01、LTH03、LTH06、LTH10、LTH11、LTH13、LTH15共7個樣點屬于“亞健康”等級，其余6個樣點均處于“不健康”和“病態(tài)”等級。綜合水質(zhì)標識指數(shù)法評價結(jié)果顯示，梁灘河流域水質(zhì)總體在 “Ⅳ類～劣Ⅴ類，黑臭”范圍內(nèi)，僅LTH03、LTH15屬于“Ⅳ類”，LTH02、LTH04、LTH05、LTH08 、LTH11～LTH14共8個斷面屬于“Ⅴ類”，其余斷面處于“劣Ⅴ類，不黑臭”、“劣Ⅴ類，黑臭”等級。

3 討論

3.1 大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)特征

城市河流的大型底棲動物群落構(gòu)成與自然河流存在顯著差異[27]，其中城市污水排放造成的河湖水體有機物污染是造成城市河流退化和生物多樣性下降的重要因素[28]。大多數(shù)有機污染負荷下，城市河流底棲動物優(yōu)勢種類為個體小、生活史短、高繁殖力的寡毛類和搖蚊，呈現(xiàn)出底棲動物的密度較高的特征[29]；城市化對底棲群落結(jié)構(gòu)的影響還表現(xiàn)在：敏感物種比例降低甚至消失，寡毛類、搖蚊等耐污物種成為優(yōu)勢類群，群落多樣性顯著降低，并且一般與城市化強度成負指數(shù)關(guān)系[30]。本次調(diào)查結(jié)果表明，梁灘河大型底棲動物群落多樣性總體較低，大多數(shù)樣點的底棲動物物種數(shù)不超過10種、Shannon-Wiener指數(shù)不超過1.5，且主要優(yōu)勢類群為耐受污染的寡毛類和搖蚊(圖2和圖3)，整個流域寡毛類的平均密度較高且占總平均密度的86.53%，表明當前梁灘河底棲動物群落結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出典型的城市化河流特征，多數(shù)河段的有機污染物排放強度超過其承載力。

3.2 各評價指數(shù)對環(huán)境指示的敏感性

不同類型大型底棲動物評價指數(shù)與不同的環(huán)境壓力之間的相關(guān)性存在差異，這就為評價某種特定的環(huán)境干擾壓力選擇合適的大型底棲動物評價指數(shù)提供了依據(jù)[31]。本研究結(jié)果表明，GBI指數(shù)、FBI指數(shù)能很好地表征流域硝酸鹽的污染、氧化還原反應的水平以及水溫的變化，BMWP指數(shù)和物種數(shù)S可表征流域酸堿度變化，物種數(shù)S和生物多樣性指數(shù)H′還可分別表征流域亞硝酸鹽污染、氧化還原反應的水平(如圖6所示)；該結(jié)果與在華南地區(qū)東江流域[4]、東北地區(qū)太子河流域[24]、東北地區(qū)渾太河流域[12]等相關(guān)指數(shù)對河流水質(zhì)指標指示作用的研究結(jié)果差異較大，其原因可能與所選取研究區(qū)域的土地利用特征、城市化水平、水文特征、地理氣候等的差異性較大有關(guān)。

本研究結(jié)果顯示，BP指數(shù)、BPI指數(shù)、jFD指數(shù)等不能很好地指示梁灘河的水質(zhì)指標變化情況。BP指數(shù)主要考慮最優(yōu)勢類群的比例，當河流的受損強度較高，水生生物多樣性和個體數(shù)較低的情況下，這個指標的指示作用可能會較差[32]。BPI指數(shù)其實質(zhì)就是利用耐污種(如寡毛類、搖蚊類幼蟲)的分布情況來評價水環(huán)境質(zhì)量[3]，然而在梁灘河流域大部分點位以寡毛類和搖蚊為優(yōu)勢種，各點位物種的平均耐污值較為接近，導致其水質(zhì)評價結(jié)果也最為趨同，因此不能較好地指示水體水質(zhì)的變化；蔡文倩等在渤海近海海域使用jFD指數(shù)能較好地指示其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量[14]，但對于城市化程度較高、受人類活動干擾嚴重的梁灘河流域(各點位jFD大多小于0.6)的水質(zhì)狀況的指示無明顯規(guī)律。

3.3 各評價指數(shù)及綜合指數(shù)評價結(jié)果分析

大型底棲動物作為河流中主要的生物類群，其群落結(jié)構(gòu)反映長期和短期的各類型人為活動影響，大型底棲動物評價指數(shù)均基于此原理構(gòu)建，因此不同評價結(jié)果之間具有較高的相似性和差異性[24]。與本研究結(jié)果一致，認為GBI指數(shù)、H′指數(shù)、BMWP指數(shù)評價結(jié)果較為相似，且與BPI指數(shù)、jFD指數(shù)、FBI指數(shù)的評價結(jié)果差異性較大(見圖5)；但由于梁灘河流域水質(zhì)整體上處在高污染水平(V類及以上[26])，導致與綜合水質(zhì)標識指數(shù)評價結(jié)果相比，總體上BPI指數(shù)評價結(jié)果最為相似，其次為BMWP指數(shù)，其余指數(shù)差異較大，其中與FBI指數(shù)差異最大?；谀臀壑祷蛎舾兄殿愋偷闹笖?shù)在計算過程中，所使用敏感值和耐污值參考標準存在一定的地區(qū)差異(如搖蚊科物種在不同地區(qū)差異很大)，使得使用科一級的敏感值和耐污值計算的BMWP指數(shù)、FBI指數(shù)間評價結(jié)果差異較大。基于生物多樣性的評價指數(shù)由于自身存在的局限性，作出的水質(zhì)評判結(jié)果相當模糊[33]，因為不同的水體污染類型對物種多樣性的影響程度不一致。另外，絕大多數(shù)的健康評價均使用等級方式來判斷河流的健康與否，然而不同方法間往往存在較大差異[34]，進而影響評價結(jié)果。如H′指數(shù)、BMWP指數(shù)有不同的劃分等級和劃分標準[4，22，24]，研究者對于評價標準的選擇直接影響評價結(jié)果。jFD指數(shù)其實質(zhì)就是通過計算底棲動物攝食類群的均勻度指數(shù)來評價河流健康程度，忽略了各種攝食類群的耐污值或敏感值，導致其在評價以耐污種為主各攝食類型相對均勻的點位(如LTH01)評價結(jié)果差異較大，這與jFD尚不能敏感地區(qū)分物理和富營養(yǎng)化壓力的生態(tài)效應的原理相似[34]。

河流的健康狀況因地理位置、地貌特征、生物狀況、污染類型等多種因素的綜合作用存在差異，因此在選取不同生物評價指數(shù)評價河流健康狀況時應慎重考慮生物評價指數(shù)在該河流中的適用性[4]。本研究通過對初步選定的4大類共8個快速評價指數(shù)進行篩選，總結(jié)不同生物評價指數(shù)對環(huán)境因子的指示作用，與水質(zhì)評價結(jié)果和底棲動物群落結(jié)構(gòu)進行相互印證，最終選擇了具有代表性的GBI指數(shù)(非寡毛類物種相對豐度)、FBI指數(shù)、物種數(shù)S共代表3種類型的3個指數(shù)，這與渠曉東等[13]在深圳龍崗河流域的研究結(jié)果一致。根據(jù)綜合評價結(jié)果來看，梁灘河流域各點位的健康狀況以“亞健康～病態(tài)”為主(占比為86.67%)，且主要分布在流域的中上游，下游的回龍壩片區(qū)由于開發(fā)強度相對較低、嘉陵江回水的影響，區(qū)域生態(tài)狀況相對較好。這與綜合水質(zhì)標識指數(shù)評價結(jié)果總體上變化規(guī)律相似，但由于梁灘河流域水質(zhì)整體上在V類水以上[26]，綜合水質(zhì)指數(shù)結(jié)果的相對大小變化與綜合生物指數(shù)無明顯響應，導致各點位評價結(jié)果差異較大。與張方輝等[35]利用IBI指數(shù)對梁灘河各點位健康評價等級對比發(fā)現(xiàn)，其選擇水生態(tài)狀況相對較好的非城市化河流瀨溪河流域的參照點建立完整性評價體系，且其評價體系由軟體動物%、(軟體動物不含肺螺+甲殼動物+水生昆蟲不含搖蚊幼蟲)%、(耐污值5

綜上，選定的指數(shù)較為適合于梁灘河地形地貌、城市化水平較為接近的其他三峽庫尾次級河流，構(gòu)建的綜合指數(shù)進行類似流域的健康評價結(jié)果可信度較高。