應(yīng)用大型底棲動(dòng)物完整性指數(shù)評價(jià)呼蘭河的生態(tài)健康狀況

宋聃，都雪，王樂，王慧博，竇乾明，金星，邵長浩，霍堂斌

（1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黑龍江水產(chǎn)研究所，寒地水域水生生物保護(hù)與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150070；2.黑龍江流域漁業(yè)生態(tài)省野外科學(xué)觀測研究站，黑龍江 哈爾濱 150070；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150038）

河流是連接陸地和海洋的紐帶，在地球物質(zhì)遷移和循環(huán)中發(fā)揮了重要作用[1]。河流生態(tài)系統(tǒng)與人類文明息息相關(guān)，人類利用河流生態(tài)系統(tǒng)的同時(shí)也持續(xù)改變著河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，造成諸如水環(huán)境污染、生境破壞等生態(tài)問題[2,3]。加強(qiáng)河流健康管理，保護(hù)未受損河流和修復(fù)受損河流成為生態(tài)學(xué)關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一[4]。河流健康包括河流生態(tài)系統(tǒng)完整性、穩(wěn)定性，以及能夠發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能等內(nèi)容[5,6]。應(yīng)用指示生物法、綜合指數(shù)法和數(shù)學(xué)模型法等方法科學(xué)地評價(jià)河流健康[7]是進(jìn)行河流生態(tài)系統(tǒng)管理和恢復(fù)的前提，也是實(shí)現(xiàn)流域可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的重要措施。

Karr1981 年[8]提出應(yīng)用生物完整性指數(shù)（Index of Biological Integrity,IBI）評價(jià)河流生態(tài)系統(tǒng)生物學(xué)，其本質(zhì)是通過生物群落組成、性狀、功能參數(shù)等指標(biāo)反映河流生物資源現(xiàn)狀，評估河流的生態(tài)完整性[9]。該方法能夠彌補(bǔ)單個(gè)生物指標(biāo)敏感范圍的局限，減少具有強(qiáng)相關(guān)性的同類指標(biāo)，對于準(zhǔn)確評價(jià)復(fù)雜的河流生態(tài)系統(tǒng)具有重要作用，廣泛應(yīng)用于美國、英國、加拿大等國家的河流健康評價(jià)中[10,11]，其研究對象也由最初的魚類逐漸發(fā)展到底棲動(dòng)物、浮游生物等多種生物[8-11]。大型底棲無脊椎動(dòng)物完整性指數(shù)（Benthic Macroinvertebrate Index of Biological Integrity,B-IBI）是通過底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)特征反映河流健康狀態(tài)的方法。我國自王備新[12]應(yīng)用該方法評價(jià)安徽黃山地區(qū)溪流生態(tài)系統(tǒng)健康后，遼河[13]、海拉爾河[14]、淮河[15]、灤河[16]等河流，滇池[17]、太湖[18]、鄱陽湖[19]等湖泊，以及渤海灣[20]等水域也先后使用該方法評價(jià)了河流健康，成為我國河流健康評價(jià)的重要方法之一。

呼蘭河是松花江左岸一級支流，發(fā)源于小興安嶺西麓，于哈爾濱市附近匯入松花江，全長506 km，流域總面積31 424 km2。呼蘭河流域地處溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫1.6 ℃～3.3 ℃，極端低溫-44.9 ℃，平均結(jié)冰期162 d[21]。呼蘭河地處高緯度森林凍土地帶，生態(tài)系統(tǒng)獨(dú)特且脆弱，面臨諸如城市化、農(nóng)藥殘留、家畜馴養(yǎng)等多方面威脅，河流健康現(xiàn)狀逐漸引起關(guān)注。已有研究對呼蘭河污染物[22]、生物群落[23,24]等進(jìn)行監(jiān)測和報(bào)道，在流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)、污染控制和生物多樣性保護(hù)等方面發(fā)揮了積極作用。而有關(guān)呼蘭河生態(tài)系統(tǒng)健康的研究則較少。趙文超[23]等利用底棲動(dòng)物多樣性指數(shù)評價(jià)水環(huán)境；張明月等[25]基于層析分析法通過指標(biāo)賦分的形式構(gòu)建了呼蘭河健康評價(jià)體系。這些評價(jià)彌補(bǔ)了呼蘭河健康評價(jià)的空白，但指標(biāo)構(gòu)成單一。因此，構(gòu)建基于多指標(biāo)篩選的大型底棲動(dòng)物完整性指數(shù)，定量評價(jià)呼蘭河健康狀況，能夠?yàn)楦娴乩斫夂籼m河健康現(xiàn)狀和影響因素提供新的視角。

Hawkins 等[26]研究表明，底棲動(dòng)物分布與地理區(qū)域或生態(tài)區(qū)關(guān)系密切，不同的生態(tài)區(qū)應(yīng)該建立獨(dú)立的B-IBI 體系，而我國地域遼闊，地理和氣候條件相差懸殊，區(qū)域間生物組成差異較大，缺乏明確的基于生物分布的生態(tài)區(qū)劃分。因此，應(yīng)用B-IBI評價(jià)河流生態(tài)系統(tǒng)健康仍需大量實(shí)證研究以構(gòu)建具有區(qū)域適應(yīng)性的B-IBI 體系。呼蘭河流域具有高寒生態(tài)區(qū)河流生態(tài)系統(tǒng)的共性特征，構(gòu)建B-IBI 體系和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對呼蘭河生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行健康評價(jià)，能夠?yàn)槲覈疁貛夂騾^(qū)B-IBI 體系構(gòu)建和生態(tài)區(qū)區(qū)劃積累數(shù)據(jù)資料。本研究通過構(gòu)建呼蘭河大型底棲動(dòng)物群落B-IBI 體系評價(jià)呼蘭河健康現(xiàn)狀，分析指標(biāo)體系與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系，探討呼蘭河生態(tài)系統(tǒng)健康面臨的主要威脅，以期為呼蘭河流域生態(tài)系統(tǒng)管理和恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域及采樣點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)呼蘭河干支流等級和生態(tài)環(huán)境特征，全流域設(shè)置28 個(gè)采樣點(diǎn)（圖1）。2018 年夏季（8 月）、秋季（10 月）和2019 年春季（5 月）采集了呼蘭河流域大型無脊椎底棲動(dòng)物和水環(huán)境樣品。

圖1 呼蘭河流域土里利用及采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Land use and distribution of sampling sites in Hulan River Basin

1.2 樣品采集

用便攜式水質(zhì)分析儀（YSI6600-02，USA）現(xiàn)場測定水溫（WT，℃）、pH 和溶解氧含量（DO，mg/L），用流速儀（Global water FP211，USA）記錄采樣點(diǎn)流速（WS，m/s），塞氏盤法測定水體透明度（Tra，m），便攜式測深儀（DECCA SM-5A，USA）測定水深（WD，m）。5 L 有機(jī)玻璃采水器隨機(jī)采集水下約0.5 m 表層水樣，低溫保存。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)依據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）》測定總氮（TN，mg/L）、總磷（TP，mg/L）、氨氮（NH3-N，mg/L）含量和化學(xué)需氧量（COD，mg/L）。參照Barbour[27]對采樣點(diǎn)底質(zhì)特征、河岸狀況、覆蓋度、生境復(fù)雜性和周邊土地利用等情況進(jìn)行定性調(diào)查和記錄，并按河流底質(zhì)狀況對底棲動(dòng)物進(jìn)行定量和半定量采樣。所有采樣點(diǎn)使用D 型網(wǎng)（寬0.3 m，網(wǎng)深0.2 m，40 目尼龍紗材質(zhì)）進(jìn)行長度為1 m 的樣方采集；上游溪流礫石底質(zhì)區(qū)域采用刷石法取樣，測量并記錄采樣石頭表面積；中下游河段使用1/16 m2彼德森采泥器采集底泥，隨機(jī)采集5次并混合；沿岸水草豐茂處，使用D 型網(wǎng)進(jìn)行手抄3 次并混合；河岸和淺水處，人工拾取較大個(gè)體的底棲動(dòng)物種類[14,27]。所有采集的樣品和底泥置于60 目分樣篩內(nèi)，用清水反復(fù)沖洗后，挑揀底棲動(dòng)物置于500 mL 塑料瓶內(nèi)，用4%甲醛溶液固定，48 h 后再移入95%酒精中保存。依據(jù)《淡水微型生物與底棲動(dòng)物圖譜》[28]鑒定采集的底棲動(dòng)物到種，并計(jì)數(shù)和稱重。

1.3 B-IBI 指數(shù)構(gòu)建

1.3.1 參照點(diǎn)和干擾點(diǎn)區(qū)分

參照Morley 和Karr[29]和Bloeksom 等[30]，根據(jù)采樣點(diǎn)受人類活動(dòng)干擾程度的強(qiáng)度不同，區(qū)分參照點(diǎn)和干擾點(diǎn)。根據(jù)呼蘭河流域土地利用現(xiàn)狀和水環(huán)境調(diào)查結(jié)果，干擾最少的采樣點(diǎn)表現(xiàn)為森林覆蓋度大于85%，上游無農(nóng)田和城鎮(zhèn)，5 km 內(nèi)無點(diǎn)源污染；而干擾較強(qiáng)的點(diǎn)位則主要表現(xiàn)為森林覆蓋率較低，上游有農(nóng)田和人類聚居區(qū)或受到強(qiáng)烈的點(diǎn)源污染。因此，選擇河流上游森林覆蓋率最高，干擾強(qiáng)度最小，開發(fā)率最低的點(diǎn)位S1、S2、S23、S25（圖1）作為指數(shù)評價(jià)的參照點(diǎn)，其余24 個(gè)采樣點(diǎn)為干擾點(diǎn)。

1.3.2 生物指數(shù)篩選

合理的生物完整性指數(shù)應(yīng)該包括盡可能全面的參數(shù)類型[31,32]，根據(jù)呼蘭河底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)特征，選用了33 個(gè)對生態(tài)環(huán)境改變響應(yīng)敏感的生物參數(shù)作為候選參數(shù)（表1），分別代表河流生態(tài)系統(tǒng)大型底棲動(dòng)物的物種豐度、種類組成、耐受性、功能攝食類群、生物多樣性指數(shù)以及其生境質(zhì)量6 種特征，反映了目標(biāo)生物種群的數(shù)量、結(jié)構(gòu)和功能對環(huán)境變化和人為干擾的響應(yīng)。

表1 構(gòu)建B-IBI 指標(biāo)體系的候選指標(biāo)及對干擾的反應(yīng)Tab.1 Candidate metrics for B-IBI and their expected direction of response to disturbance

參照Barbour[27]，分析采樣點(diǎn)生物指數(shù)的數(shù)值分布范圍，排除自身變動(dòng)范圍較小的不敏感指標(biāo)；比較生物指數(shù)在參照點(diǎn)和干擾點(diǎn)的分布，利用箱線圖比較參考點(diǎn)與干擾點(diǎn)的中位數(shù)與對方的25%～75%分位數(shù)之間的關(guān)系，以各自中位數(shù)值在對方25%～75%分位數(shù)范圍之外為標(biāo)準(zhǔn)，判斷該指標(biāo)在參照點(diǎn)和干擾點(diǎn)之間敏感[30,33]，保留敏感指標(biāo)以做進(jìn)一步篩選。

不同生物指標(biāo)可能包含了相同的信息，為降低信息重疊對評價(jià)結(jié)果的影響，對候選指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，以相關(guān)性作為判斷生物指標(biāo)間信息重疊程度的指標(biāo)，相關(guān)性較高的參數(shù)（|r|>0.75）只選擇其中最具代表性的指標(biāo)予以保留[34,35]。

1.3.3 B-IBI 分值計(jì)算

根據(jù)參數(shù)對干擾的響應(yīng)將指標(biāo)分成正、負(fù)相關(guān)指標(biāo)兩個(gè)類型，正相關(guān)指標(biāo)隨著干擾強(qiáng)度增加，指標(biāo)值升高，負(fù)相關(guān)指標(biāo)隨干擾強(qiáng)度增強(qiáng)而降低（表1）。統(tǒng)一不同指標(biāo)值量綱，采用比值法按下式分值計(jì)算不同類型指標(biāo)：

其中，公式（1）為與干擾強(qiáng)度負(fù)相關(guān)的指標(biāo)的得分計(jì)算公式；公式（2）為正相關(guān)指標(biāo)計(jì)算公式；公式（3）為B-IBI 指數(shù)計(jì)算公式，Sij表示第i 個(gè)采樣點(diǎn)第j 個(gè)指標(biāo)的得分，mij表示第i 個(gè)采樣點(diǎn)第j 個(gè)指標(biāo)的實(shí)際值，mmax表示第j 個(gè)指標(biāo)的最大值，ε1表示負(fù)相關(guān)指標(biāo)的最佳期望值，既指標(biāo)值分布的95%分位數(shù)值，ε2表示正相關(guān)指標(biāo)的最佳期望值，既指標(biāo)值分布的5%分位數(shù)值。為避免單個(gè)指標(biāo)值的權(quán)重過大，規(guī)定0≤Sij≤1，若Sij在該范圍內(nèi)則保留原得分，若Sij＞1，則Sij校正為1[30]，表示校正后的Sij，B.IBI 表示B-IBI 指數(shù)得分。

1.3.4 生態(tài)健康評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

以參照點(diǎn)B-IBI 得分的25%分位數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)，B-IBI 得分大于參照點(diǎn)25%分位數(shù)值表示采樣點(diǎn)受到較小的干擾，否則表示受到較大干擾，并將參照點(diǎn)B-IBI 分值的25%分位數(shù)四等分，按照得分高低依次表示健康、亞健康、一般、較差和極差5 個(gè)河流健康等級。

1.3.5 核心指標(biāo)貢獻(xiàn)率計(jì)算

計(jì)算6 個(gè)核心指標(biāo)校正后的分值（Sij）占相應(yīng)點(diǎn)位B-IBI 得分的百分比，以分析不同核心指標(biāo)對B-IBI 得分的貢獻(xiàn)率。計(jì)算公式為：

公式（4）中Cij表示第i 個(gè)點(diǎn)第j 個(gè)指標(biāo)對第i個(gè)點(diǎn)位B-IBI 指數(shù)的貢獻(xiàn)率。

1.3.6 集水區(qū)面積計(jì)算

土地利用數(shù)據(jù)下載自全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)（National Catalogue Service for Geographic Information,https://www.webmap.cn），采用全球30 m地表覆蓋數(shù)據(jù)庫（GlobeLand30）數(shù)據(jù)；不同采樣點(diǎn)的土地利用類型比例用該點(diǎn)位集水區(qū)土地利用面積進(jìn)行換算，集水區(qū)土地利用類型面積使用ArcGIS（version 10.2）軟件進(jìn)行提取。

1.4 數(shù)據(jù)處理

文中涉及的數(shù)據(jù)分析使用R 軟件（version 2.15）完成，用Shapiro-Wilks 檢驗(yàn)數(shù)據(jù)正態(tài)性；相關(guān)性分析使用Hmisc 數(shù)據(jù)包完成；樣本量較小的數(shù)據(jù)間顯著性檢驗(yàn)使用t 檢驗(yàn)；冗余分析（Redundancy analysis,RDA）使用vegan 數(shù)據(jù)包完成；使用ggplot2數(shù)據(jù)包繪制圖形。

2 結(jié)果與分析

2.1 底棲動(dòng)物種類組成

在呼蘭河共調(diào)查大型底棲動(dòng)物14 目32 科58種（表2），分別隸屬于昆蟲綱（蜉蝣目、襀翅目、毛翅目、雙翅目、鞘翅目、半翅目和蜻蜓目）、腹足綱（基眼目、中腹足目）、瓣鰓綱（簾蛤目、蚌目）、蛭綱（無吻蛭目）、寡毛綱（顫蚓目）和甲殼綱（十足目）。其中水生昆蟲最多（41 種），隸屬7 目24 科，占總物種數(shù)的70.69%；軟體動(dòng)物11 種，隸屬4 目4 科，占總數(shù)的18.97%；環(huán)節(jié)動(dòng)物4 種，隸屬2 目2 科，占總數(shù)的6.90%；甲殼動(dòng)物2 種，隸屬1 目2 科，占總數(shù)3.45%。

表2 呼蘭河大型底棲動(dòng)物種類組成Tab.2 Species composition of benthic macroinvertebrates in Hulan River

2.2 B-IBI 指標(biāo)篩選

使用箱線圖分析候選指標(biāo)在干擾點(diǎn)和參照點(diǎn)的數(shù)據(jù)分布（圖2），襀翅目分類單元數(shù)（M2）、襀翅目個(gè)體相對豐度（M11）、鞘翅目個(gè)體相對豐度（M16）和撕食者個(gè)體相對豐度（M29）在干擾點(diǎn)或者參照點(diǎn)的數(shù)據(jù)分布中，其25%分位數(shù)、75%分位數(shù)和中位數(shù)相等且為0，表明指標(biāo)自身變動(dòng)范圍較小，對干擾的響應(yīng)不敏感，予以篩除。對比各指標(biāo)在干擾點(diǎn)和參照點(diǎn)的數(shù)據(jù)分布范圍，蜉蝣目分類單元數(shù)（M3）、毛翅目分類單元數(shù)（M4）、EPT（蜉蝣目、襀翅目和毛翅目）分類單位數(shù)（M9）、EPT 個(gè)體相對豐度（M19）、敏感類群個(gè)體相對豐度（M20）、耐污類群個(gè)體相對豐度（M21）、耐污類群分類單元數(shù)（M23）、BI指數(shù)（M24）和刮食者個(gè)體相對豐度（M27）在參照點(diǎn)和干擾點(diǎn)間敏感，進(jìn)入下一步篩選。

圖2 參照點(diǎn)和干擾點(diǎn)候選指標(biāo)數(shù)據(jù)分布（M1-M33 見表1）Fig.2 Box plots of candidate metrics between reference and impaired sites（M1 -M33 defined in Table 1）

對篩選出的9 個(gè)指標(biāo)（M3、M4、M9、M19、M20、M21、M23、M24 和M27）進(jìn)行相關(guān)性分析（圖3）。結(jié)果顯示：M3 與M9、M19 與M20、M21 和M24 相關(guān)性較大（|r|≥0.75），而M4、M23、M27 則與其他候選指標(biāo)相關(guān)性較低（|r|<0.75）。蜉蝣目分類單元數(shù)（M3）和EPT 分類單元數(shù)（M9）同樣是表征物種豐度的指標(biāo)，M9 包含更豐富的信息，予以保留；EPT 個(gè)體相對豐度（M19）與敏感類群個(gè)體相對豐度（M20）、耐污類群個(gè)體相對豐度（M21）、BI 指數(shù)（M24）高度相關(guān)，M19 作為唯一一個(gè)表征物種組成的指標(biāo)可以保留，而M20、M21 和M24 作為表征群落對污染的耐受能力的指標(biāo)，M24 包含的信息量相對較大；最終確定以M4、M9、M19、M23、M24 和M27 作為呼蘭河B-IBI 指標(biāo)體系的核心生物指標(biāo)。

圖3 9 個(gè)候選生物指標(biāo)的相關(guān)性分析Fig.3 Correlation analysis of nine candidate indicators

2.3 基于B-IBI 的河流健康等級區(qū)劃與評價(jià)

按照公式計(jì)算各采樣點(diǎn)的B-IBI 分值，參照點(diǎn)B-IBI 分值的25%分位數(shù)值為4.42，對小于95%分位數(shù)值的分布范圍進(jìn)行4 等分，得到基于B-IBI 指數(shù)的呼蘭河健康評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（表3）。根據(jù)呼蘭河流域的28 個(gè)采樣點(diǎn)的B-IBI 得分和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，呼蘭河流域28 個(gè)采樣點(diǎn)中，“健康”點(diǎn)位5 個(gè)，占調(diào)查位點(diǎn)總數(shù)的17.9%，“亞健康”點(diǎn)位各4 個(gè)，占調(diào)查點(diǎn)位總數(shù)的14.3%，“一般”點(diǎn)位7 個(gè)，“差”點(diǎn)位9 個(gè)，“極差”點(diǎn)位3 個(gè)，“一般”及其以下等級共占采樣點(diǎn)位數(shù)的67.9%。不同點(diǎn)位健康評價(jià)結(jié)果如圖4 所示。

表3 呼蘭河B-IBI 健康評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Criteria of health assessment of B-IBI for Hulan River

圖4 不同點(diǎn)位B-IBI 評價(jià)結(jié)果空間分布示意圖，氣泡顏色表示健康評價(jià)登記，氣泡大小表示指數(shù)值大小Fig.4 Schematic diagram of B-IBI evaluation results at different sampling sites.The different color of bubble represents the evaluation grade,and the size represents the B-IBI value

2.4 B-IBI 體系與環(huán)境因子的關(guān)系

不同環(huán)境因子與呼蘭河B-IBI 體系各指標(biāo)和評分相關(guān)性的分析表明，毛翅目分類單元數(shù)（M4）與pH、溶解氧、化學(xué)需氧量、總磷顯著相關(guān)（P<0.05）；EPT 個(gè)體相對豐度（M19）與pH、溶解氧、化學(xué)需氧量、總磷、總氮、氨氮、透明度顯著相關(guān)（P<0.05）；而耐污類群分類單元數(shù)（M23）則與流速顯著正相關(guān)；I-IBI 得分與所有環(huán)境因子顯著相關(guān)（表4）。

水環(huán)境參數(shù)與B-IBI 指標(biāo)體系的冗余分析（Redundancy analysis,RDA）結(jié)果（圖5）顯示，RDA前兩軸對B-IBI 指標(biāo)體系的解釋率為74.81%，其中第一排序軸與pH、溶解氧（DO）、透明度（Tra）負(fù)相關(guān)，與總磷（TP）、總氮（TN）、氨氮（NH3-N）、化學(xué)耗氧量（COD）正相關(guān)，其對評價(jià)指標(biāo)變異的解釋量為49.14%；第二排序軸則與流速（WS）和采樣點(diǎn)至河口距離（DE）正相關(guān)，與水深（WD）負(fù)相關(guān)，其對評價(jià)指標(biāo)變異的解釋率為25.67%；評價(jià)指標(biāo)與RDA 排序軸位置關(guān)系表明，EPT 種類豐度指標(biāo)（M9、M19）與第一軸負(fù)相關(guān)，污染耐受性指標(biāo)（M23、M24）則與第一軸正相關(guān)，而刮食者個(gè)體相對豐度（M27）與第二軸呈負(fù)相關(guān)，毛翅目豐度指標(biāo)M4 與第二軸正相關(guān)。

圖5 底棲動(dòng)物完整性指數(shù)指標(biāo)體系與環(huán)境因子冗余分析Fig.5 Redundancy analysis of B-IBI and environmental variables

呼蘭河水質(zhì)參數(shù)和B-IBI 指數(shù)與土地利用類型比例的相關(guān)性分析表明（表5），B-IBI 指數(shù)與采樣點(diǎn)集水區(qū)耕地、人造地表顯著負(fù)相關(guān)，而與森林顯著正相關(guān)（P<0.01）。同時(shí)，反映水體富營養(yǎng)化水平的總磷，以及反映水污染狀況的化學(xué)需氧量和氨氮與采樣點(diǎn)集水區(qū)耕地、人造地表顯著正相關(guān)，并與森林比例顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01）。

表5 呼蘭河采樣點(diǎn)集水區(qū)耕地面積與B-IBI 指數(shù)、總磷、總氮含量的相關(guān)性分析Tab.5 Pearson correlation coefficient between percent of arable land area in the catchment area of different sample site and B-IBI,and concentrations of total phosphorus,total nitrogen in the Hulan River

3 討論

3.1 B-IBI 指標(biāo)體系與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建

在構(gòu)建B-IBI 體系中，最重要內(nèi)容是參照點(diǎn)選擇和指標(biāo)篩選。參照點(diǎn)影響評價(jià)指標(biāo)篩選和健康狀況評價(jià)結(jié)果，是B-IBI 評價(jià)體系構(gòu)建的關(guān)鍵。人類活動(dòng)強(qiáng)度和范圍增大，完全不受干擾的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)很難獲得或者到達(dá)。因此，選擇河流受干擾強(qiáng)度較弱、生態(tài)環(huán)境保持良好的位點(diǎn)作為參照點(diǎn)是目前采用較多的方法。河流生態(tài)環(huán)境受氣候、人類活動(dòng)、土地利用等多種因素影響，不同河流的參照點(diǎn)選擇標(biāo)準(zhǔn)不具備普適性[32]，土地利用、生境特征和水環(huán)境質(zhì)量是參照點(diǎn)選擇的重要參考指標(biāo)[35]。在基于B-IBI 評價(jià)河流生態(tài)系統(tǒng)健康的研究中，參照點(diǎn)大多參照Barbour 等[27]所使用的方法，通過對森林覆蓋面積和人口密度定量劃分進(jìn)行參考點(diǎn)篩選。呼蘭河所在的小興安嶺地區(qū)是我國重要的林區(qū)，人口密度較低，生態(tài)環(huán)境保持相對較好，但過度采伐和開荒導(dǎo)致區(qū)域林地逐漸演變?yōu)楦兀?005 年后區(qū)域全面禁伐，流域上游區(qū)域林地覆蓋面積得以維持和恢復(fù)[36]，森林覆蓋率能夠較好地反映該地區(qū)生態(tài)環(huán)境受干擾現(xiàn)狀。因此，本文適當(dāng)降低了Barbour 等[27]所采用的標(biāo)準(zhǔn)，以森林覆蓋率達(dá)到85%以上為標(biāo)準(zhǔn)選擇參考點(diǎn)。

生物指標(biāo)是底棲動(dòng)物類群結(jié)構(gòu)和功能對干擾和環(huán)境因子的綜合響應(yīng)，不同指標(biāo)反映的信息類型和囊括的信息量不同，對單一干擾變化的響應(yīng)區(qū)間也不同。如何篩選生物學(xué)意義相對重要、判別能力最優(yōu)的參數(shù)是評價(jià)體系構(gòu)建的關(guān)鍵[9]。由于環(huán)境和生物區(qū)系組成的差異，不同河流構(gòu)建的B-IBI 評價(jià)體系和評分標(biāo)準(zhǔn)差異較大[12-16]。因此，盡可能全面的候選指標(biāo)有利于更全面準(zhǔn)確地反映底棲生物類群對干擾的響應(yīng)信息[32]。通過指標(biāo)值分布能夠篩除對干擾響應(yīng)較小且不穩(wěn)定的一類指標(biāo)，篩選出最具判別能力的指標(biāo)，而相關(guān)性分析則能夠篩除信息重疊的指標(biāo)，有利于分析河流生態(tài)系統(tǒng)健康所受到的主要威脅。本文通過對物種組成與豐度、污染耐受性、攝食功能類群、生境質(zhì)量和生物多樣性指數(shù)6 類33個(gè)指標(biāo)進(jìn)行篩選，構(gòu)建了以毛翅目分類單元數(shù)、EPT分類單位數(shù)和個(gè)體相對豐度、生物指數(shù)、耐污類群分類單元數(shù)和刮食者個(gè)體相對豐度為標(biāo)準(zhǔn)的B-IBI評價(jià)體系，計(jì)算得到呼蘭河生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值為3.81。

底棲動(dòng)物區(qū)系組成與地理區(qū)或者生態(tài)區(qū)密切相關(guān)[12]。Blocksom 等[30]認(rèn)為，同一生態(tài)區(qū)的B-IBI評價(jià)體系可以應(yīng)用于生物組成相似的河流，僅需構(gòu)建不同的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[30]。劉帥磊等[37]通過比較不同氣候區(qū)河流B-IBI 體系核心指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)不同氣候區(qū)河流B-IBI 體系構(gòu)成沒有統(tǒng)一的規(guī)律，也證實(shí)氣候差異并非影響B(tài)-IBI 體系的唯一因素。與同為寒溫帶河流的海拉爾河相比[14]，EPT 種類分類單元和個(gè)體豐度變化僅在呼蘭河被作為核心評價(jià)指標(biāo)。分析認(rèn)為，呼蘭河河床底質(zhì)以卵石和石礫為主，水質(zhì)現(xiàn)狀相對較好，生物多樣性較高，水生昆蟲在上下游廣泛分布可能是造成兩條寒溫帶河流B-IBI 評價(jià)指標(biāo)組成差異的原因，也表明河流環(huán)境特征和健康現(xiàn)狀可能是影響B(tài)-IBI 評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建的重要原因。

3.2 影響呼蘭河健康評價(jià)的主要環(huán)境因子

相關(guān)性分析結(jié)果表明，B-IBI 指數(shù)與環(huán)境因子顯著相關(guān)（P<0.05）。RDA 結(jié)果顯示，環(huán)境因子對B-IBI 指標(biāo)體系變異解釋率為74.81%，且第一排序軸與溶解氧、透明度等反映水質(zhì)現(xiàn)狀的參數(shù)顯著相關(guān)，而第二排序軸則與流速、水深等反映生境特征變化的指標(biāo)相關(guān)，對B-IBI 體系變異的解釋率為25.67%（圖5）。由此可見，水質(zhì)環(huán)境是影響呼蘭河B-IBI 評價(jià)結(jié)果最主要的因素，而生境特征差異也是影響呼蘭河底棲動(dòng)物群落組成和空間分布的重要原因。

水環(huán)境質(zhì)量影響水生生物的生理狀態(tài)和生態(tài)分布，是影響河流健康狀況的重要因素之一，許多基于B-IBI 的河流健康評價(jià)結(jié)果均證實(shí)了這一點(diǎn)[12-19]。本研究中，B-IBI 指數(shù)與表征水體富營養(yǎng)化指標(biāo)TP、TN，表征水體污染的指標(biāo)pH、NH3-N、COD顯著負(fù)相關(guān)（P<0.001），而與表征水質(zhì)良好的指標(biāo)溶解氧、透明度顯著正相關(guān)（P<0.001），也表明環(huán)境污染是影響呼蘭河B-IBI 評價(jià)結(jié)果的重要因素（表4），這與已有的研究結(jié)果一致。耐污類群分類單元數(shù)M23 對呼蘭河B-IBI 評分的貢獻(xiàn)度最高，顯著高于除BI 指數(shù)（M24）以外的其他指標(biāo)（圖6-A），對環(huán)境敏感的EPT 種類（M19）則在參照點(diǎn)和干擾點(diǎn)差異明顯。這表明耐污種群和EPT 種類的空間分布差異是影響呼蘭河B-IBI 評價(jià)結(jié)果的最重要原因。河流生態(tài)系統(tǒng)中溶解氧是底棲動(dòng)物生存的必要條件和影響底棲動(dòng)物類群分布和豐度的重要環(huán)境因子[40,41]；氨氮?jiǎng)t對底棲動(dòng)物具有毒害作用[42,43]，其含量升高將導(dǎo)致對水環(huán)境要求較高的物種密度和生物量下降，水環(huán)境中總磷和總氮含量增加會刺激耐污類群豐度增加[44]。因此，本研究認(rèn)為，環(huán)境污染是造成呼蘭河底棲動(dòng)物群落空間差異的原因之一，隨著呼蘭河水體溶解氧和透明度降低，氨氮等有害物質(zhì)含量升高，營養(yǎng)物質(zhì)富集，水環(huán)境質(zhì)量下降，耐污力較強(qiáng)的種類豐度逐漸增大，而對環(huán)境敏感的種類豐度則逐漸下降，影響河流健康評價(jià)結(jié)果。

底棲動(dòng)物是水域生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，種類繁多、分類差異大[38]，不同種類的生境需要差異明顯，因此生境也是影響底棲動(dòng)物空間分布的重要因素。現(xiàn)有的基于B-IBI 的河流評價(jià)中，有關(guān)生境特征對B-IBI 的討論較少，本文簡單探討了水溫、水深、流速等比較易得的生境參數(shù)與B-IBI 體系之間的關(guān)系。結(jié)果顯示，RDA 第二排序軸與反映生境特征的指標(biāo)關(guān)系密切，對B-IBI 核心指標(biāo)變異解釋率為25.67%（圖5）；呼蘭河B-IBI 核心指標(biāo)與生境特征之間的相關(guān)性分析表明（表4），EPT 種類豐度M19 與水溫關(guān)系密切，而耐污染種群M23 和刮食者類群豐度M27 則與流速相關(guān)性顯著（P<0.01）。B-IBI 指數(shù)也與水溫、流速、水深等反映生境特征的指標(biāo)顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）。呼蘭河是發(fā)源于小興安嶺的山區(qū)河流，隨著緯度和海拔的降低，逐漸由山區(qū)溪流演變?yōu)槠皆恿鳎▓D1），小尺度生境特征也發(fā)生相應(yīng)改變，如水溫升高、水流減緩、水深增大等。生境特征變化致使底棲動(dòng)物生活史類型發(fā)生適應(yīng)性改變，水生昆蟲豐度逐漸降低，以軟體動(dòng)物為代表的刮食類群逐漸成為優(yōu)勢種群，造成底棲動(dòng)物組成和豐度的空間變異，影響B(tài)-IBI 指數(shù)評價(jià)結(jié)果。B-IBI 指數(shù)與采樣點(diǎn)距河口的距離之間的顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.64，P <0.001）也證實(shí)了這一點(diǎn)。生境特征對B-IBI 評價(jià)的影響可能是雙向的，一方面生境特征改變引起的底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)變化會對B-IBI 評價(jià)結(jié)果帶來負(fù)面的影響，如河流下游往往由于泥沙淤積致使底質(zhì)環(huán)境發(fā)生改變，水生昆蟲種類數(shù)量減少，水絲蚓等種類逐漸增加，必將導(dǎo)致B-IBI 指數(shù)降低，但該結(jié)果并不完全由環(huán)境質(zhì)量下降引起，也反映了底棲生物對物理環(huán)境變化的適應(yīng)；但另一方面，生境與水環(huán)境質(zhì)量具有一致性，河流生境往往與水環(huán)境質(zhì)量密切相關(guān)，如泥沙淤積的河流下游水環(huán)境往往較上游差。因此，定量分析更多更廣泛的生境特征，可能是今后基于B-IBI 河流健康評價(jià)應(yīng)該考慮的問題之一，但河流生境的復(fù)雜性，可能會成為阻礙其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

3.3 呼蘭河生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)

呼蘭河B-IBI 指數(shù)健康狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)值為4.42，28個(gè)調(diào)查點(diǎn)位中，“一般”及以下等級指標(biāo)占所有點(diǎn)位的67.9%，所有采樣點(diǎn)的B-IBI 評分均值為2.75，按照評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)屬于“一般”狀態(tài)。B-IBI 評價(jià)結(jié)果的空間分布顯示（圖4），評價(jià)為“健康”和“亞健康”等級的采樣點(diǎn)主要分布在森林覆蓋率較高的上游區(qū)域，除個(gè)別采樣點(diǎn)外，整體上表現(xiàn)出自上而下逐漸變差的趨勢。

相關(guān)性分析結(jié)果顯示：總磷、總氮、氨氮、化學(xué)需氧量與呼蘭河B-IBI 顯著負(fù)相關(guān)（r<-0.79，P<0.001），總磷和總氮是富營養(yǎng)化的重要指示指標(biāo)，氨氮、化學(xué)需氧量則反映了水體受污染的程度。由此可見，呼蘭河健康面臨著水體富營養(yǎng)化和水質(zhì)污染的雙重脅迫。水質(zhì)參數(shù)與土地利用類型之間的相關(guān)性分析（表5），表明，采樣點(diǎn)集水區(qū)耕地面積比例和人造地表面積比例與TP、COD、NH3-N 顯著正相關(guān)，表明城市化和農(nóng)業(yè)污染是呼蘭河水質(zhì)污染和富營養(yǎng)化的重要成因；另一方面，盡管總氮與土地利用類型密切相關(guān)（|r|>0.61），但相關(guān)性并不顯著（P>0.05），分析認(rèn)為呼蘭河地處黑土地地帶，土壤氮含量較高，土壤中氮元素在地表水沖刷滲透的作用下，導(dǎo)致呼蘭河水體中氮元素基值偏高，可能是造成這一結(jié)果的原因。

盡管呼蘭河健康水平整體表現(xiàn)為沿河流走向自上而下逐漸下降的趨勢，但河口區(qū)域的健康等級與中游區(qū)域相似，且B-IBI 評價(jià)為“極差”的點(diǎn)位也出現(xiàn)在流域中游區(qū)域。分析認(rèn)為，自然河流能夠通過沉積、過濾、滲透、滯留、稀釋等物理作用，以及氧化、生物降解等生物化學(xué)過程發(fā)揮自我凈化和自我修復(fù)的生態(tài)功能[39]。呼蘭河生態(tài)系統(tǒng)自身所具有的凈化恢復(fù)能力仍然發(fā)揮作用，生態(tài)系統(tǒng)仍然保持相對完整，可能是河流中下游采樣點(diǎn)B-IBI 評分相似的原因；進(jìn)一步調(diào)查顯示，B-IBI 指數(shù)最低的3 個(gè)采樣點(diǎn)分別位于采沙場和城市下游，區(qū)域底質(zhì)擾動(dòng)覆蓋和污染物直接排放可能是造成這些點(diǎn)位B-IBI評分較低的原因，也表明點(diǎn)源污染是造成河流區(qū)域性環(huán)境急劇惡化的重要因素。因此，底棲動(dòng)物完整性指數(shù)評價(jià)河流健康狀態(tài)需要與水文、河道形態(tài)、底質(zhì)特征等環(huán)境指標(biāo)相結(jié)合，盡可能密集地設(shè)置采樣點(diǎn)，才能減小因?yàn)樯钞愘|(zhì)性引起整體評價(jià)結(jié)果偏差。

3.4 結(jié)論

本研究用B-IBI 評價(jià)了寒溫帶典型山區(qū)河流——呼蘭河生態(tài)系統(tǒng)的健康，探討了影響呼蘭河流域生態(tài)健康的主要環(huán)境因子和面臨的主要威脅，為豐富我國高寒生態(tài)區(qū)山區(qū)河流健康評價(jià)指標(biāo)的選擇提供了參考。通過調(diào)查呼蘭河環(huán)境和底棲生物群落結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了呼蘭河B-IBI 評價(jià)體系，得到如下結(jié)論：以毛翅目分類單元數(shù)、EPT 分類單位數(shù)、EPT 個(gè)體相對豐度、耐污類群分類單元數(shù)、BI 指數(shù)和刮食者個(gè)體相對豐度6 個(gè)指標(biāo)構(gòu)成的B-IBI 評價(jià)指標(biāo)體，比值法健康評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值為4.42，流域“健康”點(diǎn)位占17.9%，“亞健康”點(diǎn)位占14.3%，“一般”及以下等級的點(diǎn)位占67.9%，調(diào)查點(diǎn)位B-IBI 均值2.75，河流整體健康狀態(tài)一般；影響呼蘭河生態(tài)系統(tǒng)健康的最主要因素是水環(huán)境污染，水質(zhì)參數(shù)、B-IBI和土地利用之間的相關(guān)性分析表明，呼蘭河流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市化是威脅呼蘭河生態(tài)系統(tǒng)健康的最主要因素。