基于大型底棲動物完整性指數(shù)的海河流域典型水庫水生態(tài)健康評價

梁舒汀，王菲，吳丹，趙燕楚，孔凡青*

1. 生態(tài)環(huán)境部海河流域北海海域生態(tài)環(huán)境監(jiān)督管理局生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與科學(xué)研究中心，天津 300170；2. 河北省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，河北 石家莊 050037

大型底棲動物是水生生物的重要類群，因其種類多，活動場所相對固定，生活周期長，對干擾反應(yīng)敏感，成為水生態(tài)環(huán)境評價中理想的指示生物。生物完整性指數(shù)（Index of Biotic Integrity，IBI）采用多個生物參數(shù)綜合反應(yīng)水體的生物學(xué)狀況，進而對水體的健康狀況進行評價。Karr（1981）首先以魚類為研究對象建立生物完整性指數(shù)，并對北美河流的生態(tài)系統(tǒng)進行健康評價。大型底棲動物處于水生生態(tài)食物鏈的中間環(huán)節(jié)，其種群生命活動直接影響生態(tài)系統(tǒng)的能量處理效率，對河流生態(tài)系統(tǒng)的能量流動和物質(zhì)循環(huán)具有重要作用。同時，大型底棲動物普遍存在于河流之中，體型較大，易于采集和鑒定，且遷徙能力較弱，活動場所相對固定，因此底棲動物種群變化可用于表征較長時間尺度內(nèi)河流生態(tài)條件的時空變化信息。不同種屬群落對于生態(tài)環(huán)境變化的敏感性具有差異，對生態(tài)環(huán)境變化有良好的指示作用（Barbour et al.，1996；吉冰靜等，2022）。繼Kerans et al.（1994）提出了基于大型底棲動物的完整性指數(shù)（B-IBI），該指標(biāo)已成為目前應(yīng)用最廣泛的水生態(tài)評價指標(biāo)之一，并被英國、加拿大、澳大利亞和南非等國家應(yīng)用（Schofield et al.，1996；Karr，1999；Ladson et al.，1999；Baina et al.，2000；Brizga et al.，2000；Dolédec et al.，2010；Ely et al.，2016）。在中國，大型底棲動物完整性指數(shù)也逐步在河流、濕地、水庫等水體的水生態(tài)狀況評價中得到應(yīng)用（池仕運等，2012；張方輝等，2019；劉曼紅等，2019）。

海河流域是全國水資源量最為短缺的流域，已建成水庫1 878 座，其中大、中、小型水庫分別為34、137 和1 707 座。水庫作為重要的水利工程，在水資源調(diào)蓄和飲用水供給方面發(fā)揮著舉足輕重的作用，其水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量愈來愈受到重視。近年來，針對海河流域河流、濕地的大型底棲動物完整性指數(shù)的研究已有若干成果（徐夢佳等，2012；孔凡青等，2018；慕林青等，2018）。本研究基于海河流域14 座典型水庫的實際情況，構(gòu)建以大型底棲動物為研究對象的生物完整性指數(shù)評價指標(biāo)體系與健康評價標(biāo)準，并以此為工具對典型水庫的水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行評價，以期為掌握流域典型水庫的生態(tài)環(huán)境狀況，及其保護和修復(fù)等決策相關(guān)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

海河流域地處華北地區(qū)，位于112°－120°E，35°－43°N 之間，西以山西高原與黃河流域為界，北以內(nèi)蒙古高原與內(nèi)陸河流域為鄰，南界黃河，東臨渤海。全流域包括海河、灤河和徒駭馬頰河3 大水系、7 大河系、10 條骨干河流。本研究選擇的海河流域14 座典型水庫，基本覆蓋了海河流域的主要河系，控制流域面積約13 萬平方千米，占海河流域總面積的40%以上。根據(jù)傅伯杰等（2001）關(guān)于中國生態(tài)區(qū)劃的相關(guān)成果，本研究所涉及的區(qū)域?qū)儆跂|部濕潤、半濕潤生態(tài)大區(qū)中的暖溫帶濕潤、半濕潤落葉闊葉林生態(tài)地區(qū)。海河流域14 座水庫的分布情況及其基本信息如圖1 和表1 所示。

圖1 海河流域14座典型水庫分布情況Figure 1 Distribution of 14 typical reservoirs in Haihe Basin

表1 海河流域14座典型水庫基本信息Table 1 Basic information of 14 typical reservoirs in Haihe Basin

1.2 樣品采集與處理

2018 年4－6 月完成了本研究所涉及的14 個水庫樣品的定量采集。根據(jù)水庫水體的代表性，分別于各水庫的入庫、庫心和壩前位置采用采樣面積為0.062 5 m2的彼得森采泥器采集底質(zhì)樣品，每一采樣位置采集3 次。所采集的樣品經(jīng)過40 目（孔徑0.425 mm）尼龍篩網(wǎng)現(xiàn)場篩洗后帶回實驗室，置于白色瓷盤中，將所有大型底棲動物逐一挑出，并用7%福爾馬林溶液固定保存。底棲動物的鑒定在解剖鏡和顯微鏡下進行。每個采樣點所采到的底棲動物按不同種類準確地統(tǒng)計數(shù)量，用濾紙吸去表面固定液后用電子天平稱重。根據(jù)每個樣點的采樣面積換算出各樣點單位面積大型底棲動物各分類單元的密度（ind·m-2）和生物量（g·m-2）。

分布范圍分析、箱線圖分析等相關(guān)統(tǒng)計分析在SPSS 19.0 和Excel 2010 中完成。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

1.3.1 參照型水庫的確定

Blockson et al.（2002）等按照樣點所受干擾程度的大小將其分為無干擾樣點、干擾極小樣點和干擾樣點。海河流域內(nèi)人口密集，在我國政治經(jīng)濟發(fā)展中地位重要，流域內(nèi)有首都北京、直轄市天津，以及石家莊、唐山等25 座大中城市，嚴格意義上的無干擾樣點包括水庫幾乎不存在。本研究參照點的選取參照Barbour et al.（1996）中的相關(guān)要求。基于本研究涉及的14 座水庫的實際情況，主要位于流域的山地、高原區(qū)。在參照型水庫確定過程中，主要考慮水庫水質(zhì)和周邊土地利用等人工干擾狀況。對設(shè)有水質(zhì)監(jiān)測站的水庫選擇水質(zhì)站的水質(zhì)數(shù)據(jù)，對未設(shè)水質(zhì)站的水庫按照水庫庫心水質(zhì)數(shù)據(jù)，參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準》（GB 3838—2002）對水質(zhì)常年維持在Ⅱ類標(biāo)準及以上，周邊1 km 內(nèi)無密集農(nóng)田、建筑和工業(yè)用地進行判斷，選定友誼水庫（R1）、安各莊水庫（R5）、西大洋水庫（R6）、王快水庫（R7）、漳澤水庫（R11）和盤石頭水庫（R12）等作為參考型水庫，其余8 座水庫作為受損型水庫，如表1 所示。

1.3.2 B-IBI備選生物指數(shù)的選取

用于構(gòu)建B-IBI 指標(biāo)體系的大型底棲動物指標(biāo)除生物學(xué)意義清晰，計算簡便外，其對環(huán)境因子的變化響應(yīng)敏感（孔凡青等，2018）。為準確反映環(huán)境因素變化對目標(biāo)生物（包括個體、種群等）數(shù)量、結(jié)構(gòu)和功能的影響，客觀有效地評價研究區(qū)域水生態(tài)狀況，本研究結(jié)合海河流域水庫的實際情況，選取4 個大類共計25 個參數(shù)作為備選指標(biāo)進行B-IBI評價體系的構(gòu)建，其中4 大類包括分類單元數(shù)（Number of taxa）、主要類群的相對豐度（Relative abundance）、耐污能力（Tolerant and intolerant）和功能攝食群（Functional feeding group），如表2所示。其中，大型底棲動物耐污值及BI 指數(shù)計算主要參照王備新等（2004）對我國東部大型底棲動物耐污值研究的相關(guān)成果。

表2 備選生物指標(biāo)及其對干擾的反應(yīng)Table 2 Candidate metrics and their expected direction of response to disturbance

1.3.3 判別能力分析

計算備選生物指標(biāo)在6 個參照型水庫和8 個受損型水庫中的數(shù)值分布，包括最小值、25%分位數(shù)值、中位數(shù)值、75%分位數(shù)值和最大值，數(shù)值太小以及分布范圍太小或太大的指數(shù)不適宜參與構(gòu)建B-IBI 評價體系，予以剔除。對剩余生物指標(biāo)分別繪制箱體圖，根據(jù)箱體的重疊情況，對IQ（Inter quartile）賦予不同的值，如無重疊，IQ=3；部分重疊，但各自中位數(shù)值都在對方箱體范圍之外，IQ=2；僅一個中位數(shù)值在對方箱體范圍之內(nèi)，IQ=1；各自中位數(shù)值都在對方箱體范圍之內(nèi)，IQ=0。對IQ≥2的指數(shù)進行進一步分析。

1.3.4 記分標(biāo)準的建立

對生物學(xué)指數(shù)進行記分的目的是統(tǒng)一評價量綱，目前有多種方法可對生物學(xué)指數(shù)進行記分，常用的有3 分制法、4 分制法和比值法。王備新等（2005）比較了3 分制、4 分制和比值法對評價結(jié)果準確性的影響, 表明用比值法統(tǒng)一各參數(shù)量綱并依據(jù)所有樣點的B-IBI 值建立的健康評價標(biāo)準的準確性優(yōu)于3 分制和4 分制法。本研究采用比值法（Blockson et al.，2002）對生物學(xué)指數(shù)記分。

2 結(jié)果與分析

2.1 14個水庫大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)特征

海河流域14 個水庫共采集到大型底棲動物數(shù)量為3 058 個，分別屬于8 門56 個類群，其中節(jié)肢動物門（Arthropoda）40 種，軟體動物門（Mollusca）8 種，環(huán)節(jié)動物門（Annelida）7 種，扁形動物門（Platyhelminthes）1 種。節(jié)肢動物門中，昆蟲綱（Insecta）35 種，占據(jù)明顯優(yōu)勢。整體可以看出，海河流域14 座水庫的大型底棲生物物種豐富度和多樣性較高。

耐污值（Tolerance Value，TV）是指生物在時間和空間上對環(huán)境壓力的耐受性，反映了生物在環(huán)境壓力干擾下其生存和繁殖相對能力的高低。在水生態(tài)學(xué)領(lǐng)域，耐污值主要應(yīng)用于大型底棲動物監(jiān)測評價體系，研究者發(fā)現(xiàn)不同地理區(qū)域大型底棲動物耐污值存在差異（趙瑞等，2015）。海河流域主要位于我國東部，本研究中涉及的底棲動物類群的耐污值采用王備新等（2004）的相關(guān)研究結(jié)果。本研究涉及的56 個大型底棲動物類群中，TV≤3 的敏感類群12 種，所占百分比為21.4%，TV≥7 的耐污類群21 種，占比為37.5%。從類群出現(xiàn)頻率看，出現(xiàn)頻率最高的3 個類群分別為橢圓蘿卜螺（Radix swinhoei，78.6%）、環(huán)足搖蚊屬一種（Cricotopussp.，64.3%）和搖蚊屬一種（Chironomussp.，64.3%），3 個物種均為耐污值較高的種類。

2.2 分布范圍及相關(guān)性分析

對25 個備選生物指標(biāo)的分布范圍進行分析，結(jié)果如表3 所示。基于SPSS 19.0 統(tǒng)計分析軟件，對IQ≥2 的指數(shù)進行Pearson 相關(guān)性分析，當(dāng)兩個指數(shù)間的相關(guān)系數(shù)r＞0.75，表明兩個指數(shù)間所反應(yīng)信息大部份是重疊的，選其中一個指標(biāo)即可。根據(jù)相關(guān)系數(shù)，考慮指數(shù)重要性，即指數(shù)的代表性及所包含的大型底棲動物信息量，最終確定海河流域14座水庫B-IBI 的指數(shù)包括總分類單元數(shù)（Total taxa，M1）、EPT 分類單元百分比（EPT taxa %，M11）、BI 指數(shù)（Botic Index，M20）和濾食者分類單元數(shù)（Filterer，M22）4 個指標(biāo)。備選生物指標(biāo)在參照型水庫和受損型水庫的箱線圖如圖2 所示。

表3 25個生物指數(shù)值在參照點的分布情況Table 3 Distribution of metrics in reference sites

根據(jù)各參數(shù)值在所有樣點中的分布，確定計算各參數(shù)分值的比值法計算公式（表4），并依此計算各樣點的指數(shù)分值，要求計算后分值的分布范圍為0－1，若大于1，則記為1。

圖2 備選生物指標(biāo)在參照型和受損型水庫分布的箱線圖Figure 2 Box-plots of candidate metrics between reference and impaired reservoirs

表4 比值法計算4個參數(shù)分值的公式Table 4 Formulas for calculating 4 metrics scores by ratio scoring method

按照參照點B-IBI 值分布的25%分位數(shù)法進行指標(biāo)體系的最終劃分，如果樣點的B-IBI 值大于等于25%分位數(shù)值，則表示該樣點受到的干擾很小，是健康的。小于25%分位數(shù)值的分布范圍，根據(jù)需要可以4 等分，分別代表不同的健康程度，最終確定海河流域14 座水庫大型底棲動物完整性評價標(biāo)準（表5）。

表5 海河流域14座水庫大型底棲動物完整性評價標(biāo)準Table 5 The criteria of benthic-index of biotic integrity of 14 reservoirs in Haihe Basin

2.3 14個水庫生態(tài)健康狀況評價結(jié)果

海河流域14 個水庫底棲生物完整性評價結(jié)果表明，采樣點中35.7%為健康，21.4%為亞健康，35.7%為一般，7.1%為差（表6）。

表6 海河流域14個水庫健康狀況評價結(jié)果Table 6 Healthy Statuses of 14 reservoirs in Haihe Basin

3 討論

海河流域人口密集，大中城市眾多，是中國重要的工業(yè)基地和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)基地，也是我國經(jīng)濟較為發(fā)達的地區(qū)。流域范圍內(nèi)水資源短缺，水生態(tài)環(huán)境受人類活動和社會經(jīng)濟發(fā)展的干擾較明顯，幾乎不存在未受人類活動干擾的水體。海河流域的水庫大多位于流域山區(qū)平原交界區(qū)域，平原水庫的數(shù)量較少，也相對較小?；诖笮偷讞珓游锿暾灾笖?shù)的14 座水庫的健康狀況評價結(jié)果顯示，海河流域山區(qū)水庫的評價結(jié)果整體優(yōu)于平原水庫。整體看，平原水庫受人類生產(chǎn)生活的干擾較大，人類活動更為頻繁，對水庫的水生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不同程度的影響，本研究的相關(guān)評價結(jié)果也顯示出這一趨勢。從海河流域整體看，經(jīng)過一系列的生態(tài)環(huán)境綜合修復(fù)保護工作，這在一定程度上提升了大型底棲動物的完整性，河流健康狀況有所好轉(zhuǎn)（孫鵬程等，2022）。

對于參照型和受損型水體的確定，渠曉東等（2012）提出參照點的篩選方法，即水質(zhì)類別優(yōu)于Ⅱ類，棲息地質(zhì)量評價總分為120 分以上。而水庫作為水生生物棲息地則受到顯著地干擾，如閘壩修建、岸帶硬化等。大部分研究者利用研究區(qū)域的土地利用、生境和水質(zhì)情況來確立區(qū)分參照點群和受損點群的準則（王備新等，2005；李強等，2007；張遠等，2007）；Ma et al.（2008）試圖通過一些生物指數(shù)來確立參照點群。池仕運等（2012）在對供水型水庫進行B-IBI 體系構(gòu)建過程中，由于水質(zhì)理化指標(biāo)的缺失，提出采用極點排序的手段來確立參照點群和受損點群。本研究提出的篩選標(biāo)準主要依據(jù)水體水質(zhì)等級、棲息地質(zhì)量評價、人類干擾強度以及河岸帶土地利用情況，盡可能確定相對環(huán)境較好的參照點位。國內(nèi)關(guān)于B-IBI 的許多研究工作也較多參照此標(biāo)準化參照點篩選方法，如灤河流域、鄱陽湖等（田鵬等，2019；游清徽等，2019）。

水庫作為人工型的湖泊，庫尾（入庫）、庫心和壩前在物理、化學(xué)和生物學(xué)特征上存在一個顯著的縱向梯度（張遠等，2006）。本研究分別以水庫的這3 個典型區(qū)域作為采樣調(diào)查點位，開展大型底棲動物采樣和生境評價。本研究所選擇的14 個典型水庫主要為流域的大型供水型水庫，而海河流域僅大中型水庫就有171 座。因此本研究對流域水庫的評價結(jié)果僅反映了大型水庫的健康狀態(tài)，下一步需進一步增加調(diào)查監(jiān)測的范圍，增加中小型水庫的調(diào)查比例，以更加全面地反映流域水庫的生態(tài)健康狀況。

4 結(jié)論

本研究以海河流域的14 座典型水庫為例，通過對B-IBI 候選指數(shù)進行分布范圍分析、判別能力分析和相關(guān)關(guān)系分析，最終確定總分類單元數(shù)、EPT分類單元百分比、BI 指數(shù)和濾食者分類單元數(shù)4 個指標(biāo)作為構(gòu)建水庫B-IBI 評價指標(biāo)體系的核心參數(shù)。B-IBI 評價結(jié)果表明，受流域水資源短缺，人類活動和社會經(jīng)濟發(fā)展的干擾等因素的影響，約1/3水庫的水生態(tài)狀況為健康狀態(tài)，2/3 為亞健康、一般和差的狀態(tài)。