湖蕩區(qū)大型底棲無脊椎動(dòng)物評價(jià)方法適用性探討—以長三角一體化示范區(qū)為例

秦 紅,翟凌閣,徐 楓,王 翠,成 沔,劉垚燚,車 越

（1.上海市青浦區(qū)水文勘測隊(duì),上海 201799;2.華東師范大學(xué) 上海市城市化生態(tài)過程與生態(tài)恢復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200241;3.太湖流域水文水資源監(jiān)測中心(太湖流域水環(huán)境監(jiān)測中心),江蘇 無錫 214024）

0 引 言

河湖作為自然生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分,既是水文循環(huán)的重要載體,也是生物棲息的良好生境;同時(shí),具有氣候調(diào)節(jié)、水土保持、生物多樣性保護(hù)等功能[1-2].如何科學(xué)評價(jià)河湖生態(tài)健康已成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn).大型底棲無脊椎動(dòng)物具有種類多、分布廣、遷移能力差、敏感程度和耐受能力存在差異等特征,對不同強(qiáng)度的人類活動(dòng)干擾具有良好指示[3-4].美國環(huán)保署以底棲動(dòng)物為指示生物類群,提出并建立了底棲生物完整性指數(shù)(benthic index of biotic integrity,B-IBI),在水質(zhì)生物評價(jià)中被廣泛應(yīng)用[5-6].國外的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,基于大型底棲無脊椎動(dòng)物的生物指數(shù)是淡水監(jiān)測中最有效的評估方法[7].我國的B-IBI 指數(shù)應(yīng)用起步較晚[8-15],評價(jià)對象多集中在河流[9-12]、湖泊[13]、濕地[14]、水庫[15]、河口[16]等水體,針對水系情況復(fù)雜的湖蕩區(qū)研究較少.平原河網(wǎng)地區(qū)湖蕩在蓄水、排水、保水、凈水等方面均發(fā)揮著重要作用.徐紅玲等[17]開展了太湖流域湖蕩濕地的水生態(tài)健康綜合評價(jià),發(fā)現(xiàn)許多湖蕩水體修復(fù)潛力較差;遲明慧等[18]在對嘉興湖蕩區(qū)的健康評價(jià)中揭示了水動(dòng)力特征、人類活動(dòng)強(qiáng)度和污染入河量對湖蕩生態(tài)的重要影響;林妙麗等[19]則結(jié)合地理區(qū)域特征構(gòu)建了湖蕩生態(tài)系統(tǒng)的PSR 評價(jià)模型,提出要及時(shí)加強(qiáng)湖泊湖蕩的生態(tài)保護(hù)和修復(fù)工作.但B-IBI 評價(jià)體系對平原河網(wǎng)地區(qū)的湖蕩是否適用,與其他評價(jià)方法相比有何優(yōu)劣,仍值得深入研究.

長三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)作為傳統(tǒng)的江南水鄉(xiāng),水網(wǎng)縱橫交錯(cuò),湖蕩密布.由于城鎮(zhèn)化率較高,湖蕩生境及水生態(tài)質(zhì)量受人為干擾較為突出,具有很好的代表性.因此,本文基于大型底棲無脊椎動(dòng)物的調(diào)查數(shù)據(jù),探討了各類評價(jià)方法在湖蕩區(qū)的適用性,以期為我國水生態(tài)恢復(fù)與保護(hù)工作提供有效參考.

1 研究地區(qū)與方法

1.1 自然概況

長三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)位于太湖流域下游,包括蘇州市吳江區(qū)、上海市青浦區(qū)、嘉興市嘉善縣.該區(qū)為典型的平原河網(wǎng)地區(qū),河湖水系發(fā)達(dá),湖泊湖蕩密集,總面積約2 400 km2,其中水域面積近500 km2,面積超過50 hm2的湖蕩達(dá)76 個(gè).研究區(qū)域位于示范區(qū)內(nèi)的青西地區(qū),河湖眾多(圖1).

圖1 青西地區(qū)采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of sampling sites in the western Qingpu District

1.2 研究方法

1.2.1 樣本采集與處理

2021 年3 月在淀山湖、元蕩、“藍(lán)色珠鏈”湖蕩區(qū)及22 條主要河流的59 個(gè)采樣點(diǎn)處進(jìn)行調(diào)查采樣.對于湖泊區(qū)域及不可涉水河流,采樣時(shí)使用1/16 m2的彼得生采泥器,湖泊采集2～ 4 次,河流采集8 次;對于湖泊及河流的可涉水區(qū),使用D 形抄網(wǎng)采樣.樣品采集后在現(xiàn)場通過60 目網(wǎng)篩洗凈,并轉(zhuǎn)移至白瓷盤中挑揀,然后通過10%的福爾馬林固定保存,帶回實(shí)驗(yàn)室鑒定、計(jì)數(shù)并稱其濕重.所有生物個(gè)體需被鑒定到可行的較高水平[20],如軟體動(dòng)物和水棲寡毛類的優(yōu)勢種應(yīng)鑒定到種[21],搖蚊科幼蟲至少鑒定到屬,水生昆蟲等至少鑒定到科.

1.2.2 參照點(diǎn)與干擾點(diǎn)的確定

參照點(diǎn)和干擾點(diǎn)的確定是建立底棲動(dòng)物完整性指數(shù)及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的首要條件.參考國內(nèi)外案例,結(jié)合區(qū)域水質(zhì)狀況,選擇燈標(biāo)4、淀山湖北3、汪洋湖、千墩、淀山湖北5、東方紅大橋、蓮西大橋、石塘港橋、康業(yè)路朱泖河橋、南港大橋這10 個(gè)監(jiān)測斷面作為參照點(diǎn),其余49 個(gè)為干擾點(diǎn)(表1).

1.2.3 備選指標(biāo)確定

B-IBI 生物指標(biāo)需要滿足以下3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn): ①環(huán)境變化敏感性;② 計(jì)算簡便性;③生物學(xué)含義清晰[9].因此,從群落組成、豐富度、多樣性、耐受性及習(xí)性等多個(gè)方面篩選出31 個(gè)生物指標(biāo)作為候選指標(biāo)(表2)[22-23],然后經(jīng)過分布范圍分析、判別能力分析與相關(guān)性分析,最終確定核心生物指標(biāo).

表2 底棲動(dòng)物31 個(gè)候選生物指標(biāo)的計(jì)算方法及對干擾的反應(yīng)Tab.2 Calculations for 31 candidate bioindicators of benthic fauna and reflection of disturbance

1)分布范圍分析

根據(jù)樣點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)計(jì)算各項(xiàng)候選生物指標(biāo)并分析其數(shù)值分布范圍.篩選標(biāo)準(zhǔn)如下: ①隨干擾增強(qiáng)而值變小的指數(shù),若數(shù)值小、可變范圍較窄,則不宜構(gòu)建B-IBI 指數(shù)體系;② 隨干擾增強(qiáng)而值變大的指數(shù),若數(shù)值較大、分布過于分散、標(biāo)準(zhǔn)差大,也不宜采用.

2)判別能力分析

根據(jù)Barbour 等[24]的篩選原則和評價(jià)方法,對所有樣點(diǎn)的25%～ 75%分位數(shù)的范圍進(jìn)行比較,即箱體IQR(inter quartile ranges,記為Q)的重疊情況,并分別賦予不同的值.箱體沒有重疊的Q為3;部分重疊的,但各自中位值都在對方箱體范圍之外的Q為2;僅一個(gè)中位值在對方箱體范圍之內(nèi)的Q為1;各自中位值都在對方箱體范圍之內(nèi)的Q為0.選擇Q≥2 的參數(shù)進(jìn)一步分析.

3)相關(guān)性分析

對剩余的參數(shù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn),對符合正態(tài)分布的生物參數(shù)進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析,而不符合的則進(jìn)行Spearman 相關(guān)性分析,根據(jù)相關(guān)性顯著水平確定生物指標(biāo)間的信息重疊程度,采用Maxted標(biāo)準(zhǔn),如果兩個(gè)指數(shù)間顯著相關(guān),即|r|＞0.75,則表明兩個(gè)指數(shù)間所反映的信息大部分重疊,選取其一即可.

通過以上3 個(gè)步驟,篩選出構(gòu)成B-IBI 評價(jià)體系的核心指標(biāo).

1.2.4 B-IBI 分值計(jì)算及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

采用比值法對核心指標(biāo)賦分[9].具體方法: 受干擾越強(qiáng)則指數(shù)值越小的生物值,以95%分位數(shù)值為最佳期望值,各點(diǎn)指數(shù)分值等于樣點(diǎn)的指數(shù)值除以95%分位數(shù)值,計(jì)算公式為:

式(1)中:Im為第m個(gè)樣點(diǎn)生物指數(shù)的計(jì)算分值,Xm為第m個(gè)樣點(diǎn)的生物指數(shù)值,X0.95為第m個(gè)樣點(diǎn)中的95%分位數(shù)值.

受干擾越強(qiáng)則指數(shù)值越大的指數(shù),則以5%分位數(shù)值為最佳期望值,計(jì)算公式為:

式(2)中:Im為第m個(gè)樣點(diǎn)生物指數(shù)的計(jì)算分值,Xmax為第m個(gè)樣點(diǎn)中的最大生物指數(shù)值,Xm為第m個(gè)樣點(diǎn)的生物指數(shù)值,X0.05為第m個(gè)樣點(diǎn)中的5%分位生物指數(shù)值.

將計(jì)算后的指數(shù)分值求和,即獲得B-IBI 指數(shù)值.若樣點(diǎn)B-IBI 值大于參照點(diǎn)的25%分位數(shù)值,則說明該樣點(diǎn)相對健康,受人類干擾相對較小;若小于參照點(diǎn)的25%分位數(shù)值,則利用四等分法將0 到參照點(diǎn)25%分位值之間的范圍進(jìn)行四等分,劃分出5 個(gè)等級作為河流健康的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn).

2 結(jié)果與分析

2.1 大型底棲無脊椎動(dòng)物群落組成

采集到大型底棲無脊椎動(dòng)物30 個(gè)分類單元,17 363 個(gè)個(gè)體,隸屬3 門(環(huán)節(jié)動(dòng)物門、節(jié)肢動(dòng)物門、軟體動(dòng)物門)7 綱(寡毛綱、多毛綱、蛭綱、雙殼綱、腹足綱、軟甲綱、昆蟲綱)13 目18 科.從群落組成可以看出,寡毛類是主要的群落組成動(dòng)物,其個(gè)體數(shù)目占總個(gè)體數(shù)目的55.15%;昆蟲類次之,其個(gè)體數(shù)目占36.05%(圖2).

圖2 大型底棲無脊椎動(dòng)物群落組成Fig.2 Composition of benthic macroinvertebrate community

2.2 B-IBI 構(gòu)建

計(jì)算31 個(gè)生物參數(shù)在10 個(gè)參照點(diǎn)的分布情況,分析表明: M3(甲殼動(dòng)物數(shù)量百分比)、M8(多毛類動(dòng)物數(shù)量百分比)、M9(端足類動(dòng)物數(shù)量百分比)、M16(多毛類動(dòng)物生物量百分比)、M17(軟體動(dòng)物生物量百分比)隨著干擾強(qiáng)度的增大,其值的可變動(dòng)范圍非常窄,不適合參與構(gòu)建B-IBI 指標(biāo)體系.M15(寡毛類動(dòng)物生物量百分比)、M18(水絲蚓生物量百分比)隨著干擾強(qiáng)度的增大沒有太大變化,這2 個(gè)生物參數(shù)同樣不予考慮.而M11(顫蚓目數(shù)量百分比)與M6(寡毛類動(dòng)物數(shù)量百分比)本質(zhì)上為同一生物參數(shù),也不適宜參與構(gòu)建.

剩余的22 個(gè)生物參數(shù)的箱線圖顯示: M2(分類單元數(shù))、M20(兼性類群分類單元數(shù),3＜V＜7)、M24(兼性類群分類單元數(shù)百分比)、M25(BI 指數(shù)值)、M28(集食者分類單元數(shù))、M29(刮食者分類單元數(shù))的Q≥2,可進(jìn)行下一步分析(圖3).

圖3 Q≥2 的6 個(gè)候選生物指標(biāo)在干擾點(diǎn)和參照點(diǎn)的箱線圖Fig.3 Boxplots of six candidate bioindicators with Q≥2 at impaired and reference points

6 個(gè)候選生物參數(shù)均符合正態(tài)分布,因此進(jìn)行Pearson 相關(guān)分析(表3).結(jié)果表明,M20 與M2 之間高度相關(guān)(r=0.927),信息重疊度很大,因此將M20 剔除.M2、M24、M25、M28、M29 之間相關(guān)性不顯著,予以保留.最終由這5 個(gè)參數(shù)構(gòu)成B-IBI 指標(biāo)體系.

表3 6 個(gè)候選生物參數(shù)間的Pearson 相關(guān)分析結(jié)果Tab.3 Pearson correlation analysis of 6 candidate biological parameters

2.3 B-IBI 評價(jià)結(jié)果

根據(jù)各參數(shù)值在所有樣點(diǎn)值的分布,使用比值法計(jì)算公式(表4),計(jì)算各樣點(diǎn)的B-IBI 值.

表4 比值法計(jì)算5 個(gè)生物參數(shù)分值的公式Tab.4 Formulas for calculation of five biological parameters by the ratio method

將計(jì)算后的指數(shù)分值加和,即得到B-IBI 指數(shù)值.用參照點(diǎn)25%分位數(shù)值作為健康標(biāo)準(zhǔn),大于該值的樣點(diǎn)均為健康狀態(tài),小于該值的分布范圍進(jìn)行四等分,確定研究區(qū)域水生態(tài)B-IBI 指數(shù)值的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表5).在此基礎(chǔ)上,對全部59 個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行B-IBI 評價(jià),結(jié)果表明,18 個(gè)為健康,22 個(gè)為亞健康,18 個(gè)為一般,1 個(gè)處于較差狀態(tài).

表5 B-IBI 健康評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.5 B-IBI health assessment criteria

評價(jià)結(jié)果顯示,淀山湖及湖蕩區(qū)的B-IBI 指數(shù)較高,指數(shù)值范圍為2.44～ 3.90,“健康”和“亞健康”狀態(tài)的點(diǎn)位分別占52%、28%,“一般”占20%;太浦河及新塘江等河流的B-IBI 指數(shù)較低,指數(shù)值范圍為1.23～ 2.40,“健康”“亞健康”和“一般”狀態(tài)的點(diǎn)位分別占32%、26%、38%,“較差”點(diǎn)位占3%,以上說明湖泊及湖蕩區(qū)的水生態(tài)健康狀況優(yōu)于河流.

2.4 B-IBI 指數(shù)對水生態(tài)的表征

B-IBI 指數(shù)與水質(zhì)理化指標(biāo)間通常具有一定響應(yīng)關(guān)系[25].線性回歸分析結(jié)果顯示,B-IBI 指數(shù)與、COD、CODMn、DO 相關(guān)性較好(圖4),說明B-IBI 指數(shù)對水質(zhì)的有機(jī)污染、富營養(yǎng)化表現(xiàn)出良好的指示性[26].參照點(diǎn)和干擾點(diǎn)的B-IBI 指數(shù)箱線圖也表明,B-IBI 指數(shù)能夠顯著區(qū)別出參照點(diǎn)與干擾點(diǎn)的健康狀況,具有很好的判別能力(圖5).

圖4 B-IBI 與水質(zhì)指標(biāo)的線性回歸分析結(jié)果Fig.4 Linear regression between B-IBI and water quality indicators

圖5 參照點(diǎn)與干擾點(diǎn)的B-IBI 指數(shù)箱線圖Fig.5 Box plot of B-IBI index at reference and interference points

3 討 論

3.1 不同生物指數(shù)評價(jià)的比較

將B-IBI 指數(shù)與傳統(tǒng)的Margalef 豐富度指數(shù)(D)、Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)(H′)、Goodnight修正指數(shù)(GBI)、生物指數(shù)(BI)評價(jià)結(jié)果進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)在評價(jià)不同健康狀況的監(jiān)測斷面時(shí)其總體趨勢一致,且各指數(shù)間是顯著相關(guān)的(表6).但是各指數(shù)在準(zhǔn)確性上也有差異,如評估同一樣點(diǎn)時(shí),評價(jià)分值順序?yàn)镚BI＞BI＞B-IBI＞H′＞D(圖6).

表6 各生物指數(shù)間的Pearson 相關(guān)分析Tab.6 Pearson correlation analysis of biological indices

圖6 不同生物指數(shù)的評價(jià)等級分布結(jié)果Fig.6 Distribution of evaluation levels for biological indices

造成這種差異的原因有兩點(diǎn): 一是生物指數(shù)的自身局限性及評價(jià)等級范圍劃分的不同[27],二是豐富度和多樣性計(jì)算過程忽略了群落中敏感和耐污物種的組成差異對評價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確性的貢獻(xiàn)[28].多樣性與豐富度指數(shù)是描述群落內(nèi)物種組成狀況和相對豐度的指標(biāo),其缺陷在于未考慮物種耐污性及對環(huán)境變化的敏感性[29],因此,在評價(jià)河湖斷面時(shí)水質(zhì)等級分類過于籠統(tǒng),不適合單獨(dú)使用.Goodnight 修正指數(shù)和生物指數(shù)則是以底棲動(dòng)物的耐污值為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[30],前者基于寡毛類生物的豐度構(gòu)建,后者基于底棲生物的豐度和敏感度構(gòu)建.相比較而言,BI 指數(shù)的敏感度更高,適用性更強(qiáng),GBI 指數(shù)則適用于評估有機(jī)污染較嚴(yán)重的河流斷面[31].本文中的B-IBI 指數(shù)是由涉及底棲生物多樣性、耐污性及習(xí)性等多項(xiàng)指數(shù)計(jì)算得出的,因此,B-IBI 指數(shù)對自然環(huán)境梯度和人為干擾具有更強(qiáng)的響應(yīng)能力,能夠更好地獲取水生態(tài)健康狀況的完整信息[32].

3.2 B-IBI 指數(shù)在湖蕩區(qū)的適用性

B-IBI 指數(shù)是利用多個(gè)生物參數(shù)綜合反映河湖生態(tài)系統(tǒng)完整的方法,相較于其他生物指數(shù),其優(yōu)勢在于涵蓋的信息更全面、更豐富,能夠多角度評價(jià)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的完整性和受干擾強(qiáng)度,且評價(jià)結(jié)果更科學(xué)、針對性更強(qiáng).但B-IBI 指數(shù)調(diào)查點(diǎn)位需求多,后期計(jì)算數(shù)據(jù)量較大,缺乏一定的簡便性.

B-IBI 指數(shù)在不同水體環(huán)境都有較好的適用性.除了美國、歐盟等將其應(yīng)用于河湖生態(tài)健康評估外,也有國外學(xué)者探討了其在東非地區(qū)自然濕地的適用性,結(jié)果表明,基于底棲無脊椎動(dòng)物的多項(xiàng)指數(shù)可以有效評價(jià)濕地生態(tài)健康狀況,對干擾梯度也有顯著的響應(yīng)機(jī)制[5];在我國,You 等[33]則肯定了B-IBI 指數(shù)在評估鄱陽湖濕地的可行性和有效性,同時(shí)也指出因度量評分和分類方法的不同,評估結(jié)果會有差異.盡管B-IBI 評估體系中的評估標(biāo)準(zhǔn)和方法還需進(jìn)一步完善,但國內(nèi)外的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)均可說明B-IBI 對不同水體評估的適用性.

我國《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)對河流和湖庫的總磷限值不同,給湖蕩區(qū)水質(zhì)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的選取帶來困難,臨近的連通水域按河流或湖泊分別進(jìn)行評價(jià)可能得到完全不一樣的結(jié)果.BIBI 評價(jià)體系是基于湖蕩區(qū)的實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù),以無干擾或干擾極小的樣點(diǎn)為參照進(jìn)行構(gòu)建.對于底棲動(dòng)物組成不同的生態(tài)區(qū),建有各自獨(dú)立的B-IBI 指數(shù).因此,相較于水質(zhì)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一性,B-IBI 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的獨(dú)立性能很好地將湖蕩水體特點(diǎn)考慮在內(nèi).從應(yīng)用性來說,B-IBI 指數(shù)更貼合研究區(qū)域的實(shí)際情況,能廣泛地適用于不同水體.湖蕩區(qū)水系密集,采樣較為便利,B-IBI 指數(shù)完全基于調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的特點(diǎn)可以作出更為準(zhǔn)確的評價(jià)結(jié)果,具有很好的適用性.

4 結(jié) 論

本文探討了B-IBI 評價(jià)體系在湖蕩區(qū)的適用性,結(jié)論如下.

(1)長三角一體化示范區(qū)B-IBI 評價(jià)體系由分類單元數(shù)(M2)、兼性群類分類單元數(shù)百分比(M24)、BI 指數(shù)值(M25)、集食者分類單元數(shù)(M28)、刮食者分類單元數(shù)(M29)5 個(gè)核心指標(biāo)構(gòu)成.根據(jù)B-IBI 分值范圍,評分標(biāo)準(zhǔn)劃定如下: ≥ 3.47 為健康,[2.60,3.47)為亞健康,[1.74,2.60)為一般,[0.87,1.74)為較差,[0,0.87)為極差.

(2)B-IBI 評價(jià)結(jié)果顯示,“健康”點(diǎn)位占30.5%,“亞健康”點(diǎn)位占37.2%,“一般”點(diǎn)位占30.5%,“較差”點(diǎn)位占1.6%,河湖健康狀況處于較好水平,湖泊及湖蕩區(qū)優(yōu)于河流.

(3)B-IBI 指數(shù)對水質(zhì)的有機(jī)污染、富營養(yǎng)化表現(xiàn)出良好的指示性,與-N、COD、CODMn、DO 的相關(guān)性較好,能夠顯著區(qū)別出參照點(diǎn)與干擾點(diǎn)的健康狀況.

(4)B-IBI 指數(shù)與傳統(tǒng)的Margalef 豐富度指數(shù)(D)、Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)(H′)、Goodnight修正指數(shù)(GBI)、生物指數(shù)(BI)具有較好的相關(guān)性,評價(jià)結(jié)果總體趨勢一致,完全基于調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的特點(diǎn)使其在湖蕩區(qū)具有很好的適用性.