基于底棲動物完整性指數(shù)的京津冀河流水生態(tài)健康評價

中圖分類號：X826 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-3075（2025）04-0208-10

底棲動物是河流生態(tài)系統(tǒng)最重要的生物類群之一，具有一系列關(guān)鍵生態(tài)功能和生態(tài)服務(wù)價值（Noriega etal，2018;Schowalteretal，2018）。相比其他水生生物，底棲動物區(qū)域性強、遷移能力較弱，且對水環(huán)境的耐受性和敏感程度各異，因而在水生態(tài)健康評價中應(yīng)用廣泛（楊四坤等，2023）。Karr（1981）最早提出生物完整性指數(shù)（indexofbioticintegrity，IBI的概念，后續(xù)研究逐漸將其應(yīng)用于河流（王力等，2023）、湖泊（黃藝和舒中亞等，2013）、水庫（楊銳婧和馮民權(quán)，2021）、濕地（李文君等，2022）等生態(tài)健康評價。例如，王備新等（2005）、張遠(yuǎn)等（2007）、郝利霞等（2014）分別以安徽黃山溪流、遼河、海河為研究對象構(gòu)建底棲動物完整性指數(shù)并進行水生態(tài)健康評價。

環(huán)境DNA宏條形碼技術(shù)作為一種新興的分子生物學(xué)方法，可獲取完整的生物多樣性數(shù)據(jù)，不需耗費大量的人力物力用于形態(tài)鑒定，更適用于大尺度、全流域的生物多樣性監(jiān)測。對于低密度物種和傳統(tǒng)方法難以捕獲的物種，該技術(shù)具有易獲取、簡單、監(jiān)測靈敏度高的優(yōu)勢（Deineretal，2017；Bushetal，2019）。近年來，王晨等（2022）、金珂等（2022）、鄒艷婷等（2024）分別運用環(huán)境DNA技術(shù)對秦淮河、太湖、珠江的大型底棲動物進行了生物多樣性監(jiān)測。已有研究表明，利用環(huán)境DNA方法監(jiān)測底棲動物并構(gòu)建生物完整性指數(shù)評價水生態(tài)健康具有可行性，其評價結(jié)果與形態(tài)學(xué)方法評價基本一致（金珂等，2022）。

京津冀地區(qū)水環(huán)境治理效果與水生態(tài)健康狀況受到廣泛關(guān)注。然而，目前該地區(qū)應(yīng)用環(huán)境DNA方法監(jiān)測底棲動物的研究較少，且研究區(qū)域大多為湖泊水體或單一河段。本研究聚焦京津冀地區(qū)的深河、潮白河、永定河、大清河、子牙河五大流域，采用環(huán)境DNA方法對底棲動物進行監(jiān)測，并構(gòu)建基于底棲動物的生物完整性指數(shù)，旨在全面評估京津冀地區(qū)河流健康狀況，為提升該地區(qū)水網(wǎng)治理能力與治理水平提供參考。

1材料與方法

1.1研究區(qū)域概況

京津冀地區(qū)北靠燕山山脈，南面華北平原，西倚太行山，東臨渤海灣。地勢呈西部與北部高、東部及南部低的特征。該地區(qū)隸屬海河流域，主要由深河、永定河、潮白河、大清河、子牙河五大水系構(gòu)成，這些水系共同形成了京津冀水系網(wǎng)絡(luò)。自20世紀(jì)80年代起，京津冀地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展迅猛、人口增長迅速，使水環(huán)境承受巨大壓力，水生態(tài)健康問題日益凸顯。京津冀地區(qū)作為我國重要的政治、經(jīng)濟、文化中心和糧食產(chǎn)地（秦明慧和劉秀麗，2023），其水生態(tài)健康問題不容忽視。

1.2樣本采集與處理

1.2.1樣品采集于2020年9、10、12月對京津冀地區(qū)5條主要河流36個點位（圖1）的底棲動物及水體理化指標(biāo)進行調(diào)查。使用規(guī)格為 1/16m² 的Peterson采泥器抓取水體底部的沉積物，每個點位取3個平行樣，混合后取 10g 沉積物裝入錫箔紙袋中密封，將樣品置于 4^°C 保溫箱中冷藏，運回實驗室后存放于超低溫冰箱 （-80^°C） ，用于環(huán)境DNA測試。同時采集1L水樣， 4^°C 保存并盡快帶回實驗室用于理化指標(biāo)測定。

1.2.2理化因子測定采用哈希便攜式多參數(shù)水質(zhì)檢測儀（HQ40d）對溫度（WT）、溶解氧（DO）、電導(dǎo)率（EC）、pH、氧化還原電位（ORP）進行現(xiàn)場監(jiān)測，總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮 （NH₃–N） 、高錳酸鹽指數(shù)（ COD_Mn. ）等指標(biāo)在實驗室測定。理化因子的檢測方法參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838一2002）。

1.3環(huán)境DNA提取與PCR擴增

根據(jù)FastDNA？SPINKitforSoil（MPBiomedi-cals，Irvine，CA）說明書提取DNA;選擇基于COI基因的底棲動物通用性引物L(fēng)CO1490F-HCO2198R進行PCR擴增，PCR反應(yīng)體系與條件分別參照文獻（Bista etal，2017）。

1.4文庫構(gòu)建與高通量測序

將各點位的PCR產(chǎn)物混合后進行回收產(chǎn)物純化，通過QuantusTMFluorometer（Promega，USA）對回收產(chǎn)物檢測定量，由上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司使用NEXTFLEX？RapidDNA-SeqKit完成建庫，并基于Illumina公司的MiSeqPE300平臺完成測序。

測序完成后，將原始數(shù)據(jù)上傳至中國淡水大型底棲無脊椎動物條形碼數(shù)據(jù)庫，去除低質(zhì)量序列 Qlt;30） ，可操作分類單元聚類的相似度閾值設(shè)置為 97% ，將代表性序列與中國淡水大型底棲無脊椎動物條形碼數(shù)據(jù)庫進行比對，相似性閾值設(shè)置為85% ，以上操作均在數(shù)據(jù)庫的eDNA分析模塊中在線完成。

1.5B-IBI體系構(gòu)建

1.5.1參照點的確定在底棲動物完整性指數(shù)（thebenthic-indexofbioticintegrity，B-IBI評價體系構(gòu)建過程中，參照點的選擇會直接影響到候選參數(shù)的篩選，進而影響評價結(jié)果的準(zhǔn)確性。參照點一般選取無人類干擾，或人類干擾較小的樣點（Keransetal，1994），在實際參照點選取的過程中，由于目標(biāo)區(qū)域的不同，氣候條件、人類活動影響的大小難以估量，因此沒有明確的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。本研究參考其他地區(qū)的參照點選取標(biāo)準(zhǔn)（渠曉東等，2012；姜永偉等，2023）及河湖健康評估技術(shù)導(dǎo)則，結(jié)合京津冀地區(qū)實際情況，根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》對DO ?NH₃–N 、TP和COD因子進行賦分（表1），各因子得分之和作為該樣點水質(zhì)總得分，若每個樣點4項因子中任意因子超過地表水V類標(biāo)準(zhǔn)則不予采用。參考點選擇水質(zhì)總得分大于 75% 分位數(shù)的樣點，并綜合考慮人類活動干擾情況及土地利用情況確定。

1.5.2候選參數(shù)的確定基于大型底棲動物的不同食性，參照Cummins和Klug（1979）、Merritt等（2002）的劃分規(guī)則，將京津冀地區(qū)河流中環(huán)境DNA宏條形碼技術(shù)監(jiān)測到的底棲動物分為5個功能攝食類群（FFGs，表2）。

根據(jù)王備新和楊蓮芳（2004）、Lenat（1993）計算耐污值的方法，計算京津冀地區(qū)河流中底棲動物的初始耐污值 （P_TV） 。耐污值 （T_V） 通過公式 ① 確定（趙瑞等，2015）。

T_V=2×（1.43×P_TV-1.43）

參照Maxted等（2000）對耐污類群進行分類，其中耐污值 lt;3 為敏感類群； 3? 耐污值 ≤7 為一般耐污類群；耐污值 gt;7 為耐污類群。本研究選取的候選參數(shù)基于環(huán)境DNA監(jiān)測結(jié)果及以上分類與計算標(biāo)準(zhǔn)確定。1.5.3候選參數(shù)的篩選由于部分參數(shù)零值出現(xiàn)的頻率較高或數(shù)值的波動性不大，說明在不同的污染強度下，其參數(shù)值的變化范圍也將非常小，指示作用較低，不能準(zhǔn)確區(qū)分水體的健康程度，予以剔除。利用箱型圖對剩余候選參數(shù)進行判別能力分析，根據(jù)參照點與受損點的箱型圖重疊情況篩選重疊程度較低的參數(shù)。對重疊程度較低的參數(shù)做相關(guān)性分析，若兩參數(shù)的相關(guān)系數(shù) |r|gt;0.75 ，認(rèn)為其高度相關(guān)，取其中包含信息更多的參數(shù)作為代表（Maxtedetal，2000），以保證篩選出的參數(shù)能夠獨立反映不同的信息。

1.5.4計分標(biāo)準(zhǔn)與評價標(biāo)準(zhǔn)采用比值法對評價量綱進行統(tǒng)一并對組成參數(shù)計分（王備新等，2005），分值計算規(guī)則如下：

若干擾越強，指數(shù)值越低，參數(shù)分值 = 指數(shù)值 95% 分位數(shù)值；

若干擾越強，指數(shù)值越高，參數(shù)分值 = （該參數(shù)最大值-指數(shù)值）/（該參數(shù)最大值 -5% 分位數(shù)值）。

評價量綱統(tǒng)一后參數(shù)分值在0＼～1，若分值大于1，則記作1。將參數(shù)分值相加得到每個點位的B-IBI得分，取參照點B-IBI得分的 25% 分位數(shù)作為最佳期望值，將小于最佳期望值的范圍四等分，得到健康、亞健康、一般、較差、差5個等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)。

1.6數(shù)據(jù)分析

B-IBI的計算在Excel中完成；候選指標(biāo)的Spear-man相關(guān)性分析在SPSS26.0中完成；箱型圖在Ori-gin2021中完成；底棲動物物種組成使用R語言（v4.3.2）繪制；樣點分布圖使用ArcGIS10.2軟件繪制。

2結(jié)果與分析

2.1底棲動物群落結(jié)構(gòu)特征

基于環(huán)境DNA方法，36個點位共監(jiān)測到74個底棲動物分類單元，隸屬于3門6綱14目30科57屬。其中昆蟲綱44種，雙殼綱2種，腹足綱14種，蛭綱1種，軟甲綱1種，寡毛綱1種。昆蟲綱為京津冀地區(qū)河流的絕對優(yōu)勢類群，在該地區(qū)河流中廣泛分布。

從整體上看，京津冀地區(qū)河流中的底棲動物主要門類為節(jié)肢動物與軟體動物，相對豐度較高的屬為囊螺屬（Physellasp.）、長跗搖蚊屬（Tanytarsussp.）、虻屬（Tabanussp.）。其中，深河、永定河、大清河、子牙河與潮白河的節(jié)肢動物種類最為豐富（圖2a、2b）。從土地利用類型來看，林地、城區(qū)與農(nóng)田區(qū)域內(nèi)的河流均以節(jié)肢動物種類最為豐富（圖2c）。

2.2B-IBI評價體系構(gòu)建

2.2.1參照點的分布根據(jù)表1所列的參照點選取標(biāo)準(zhǔn)，選取京津冀地區(qū)西部與北部的4個樣點作為參照點（圖1）。

2.2.2候選參數(shù)的確定與篩選為了全面客觀評價京津冀地區(qū)河流的底棲動物完整性，參考文獻（姜永偉等，2023；章運超等，2023；張方方等，2011）并結(jié)合地區(qū)特點，共選擇23個參數(shù)構(gòu)建B-IBI評價指標(biāo)體系，候選參數(shù)分別從多樣性和豐富性、群落結(jié)構(gòu)組成、耐污能力及功能攝食類群4個角度挑選。候選參數(shù)及其對人類活動干擾的反應(yīng)見表3。

對候選參數(shù)的數(shù)值分布范圍進行檢驗，剔除M2、M4、M5、M8、M9、M10、M16、M17、M19、M21、M23這11個參數(shù)。對指標(biāo)體系中剩余的每個參數(shù)，繪制箱型圖比較參照點和受損點之間 25%～75% 分位數(shù)的范圍，根據(jù)箱體的重疊程度及中位數(shù)分布情況，篩選用于構(gòu)建B-IBI指數(shù)的候選參數(shù)，選擇兩箱體圖無重疊，或存在重疊但中位數(shù)位于對方箱體之外的生物參數(shù)作為候選參數(shù)并進行相關(guān)性分析，共篩選得到9個候選參數(shù)（圖3）。

（a）Benthiccommunitycompositioattepyumlevel;（b）Relatieabundanedistributioofbenthicunaatpymlevelattesapling sitesfachrve（c）Relatieaundaeistbtioofticnaatteusleveatapligsisifluedbentdte.

2.2.3相關(guān)性分析將這9個參數(shù)進行 K-S 檢驗，參數(shù)符合正態(tài)分布，對候選參數(shù)做Pearson相關(guān)性分析（表4）。分析發(fā)現(xiàn)，總分類單元數(shù)（M1）與前三優(yōu)勢分類單元相對豐度總和（M13）、香農(nóng)-維納多樣性指數(shù)（M14）、Margalef豐富度指數(shù)（M15）、BM-WP指數(shù)（M18）高度相關(guān)；搖蚊分類單元數(shù)（M3）與雙翅目分類單元數(shù)（M6）高度相關(guān)；最高優(yōu)勢分類單元相對豐度（M11）同前二優(yōu)勢分類單元相對豐度總和（M12）高度相關(guān)。參考文獻（侯湘然等，2024；姜永偉等，2023）對候選參數(shù)的取舍情況，同時考慮參數(shù)本身包含信息量的大小，最終選擇總分類單元數(shù)（M1）、雙翅目分類單元數(shù)（M6）及前二優(yōu)勢分類單元相對豐度總和（M12）作為B-IBI的最終組成參數(shù)。

2.2.4指標(biāo)得分及評價標(biāo)準(zhǔn)B-IBI最終組成參數(shù)及分值計算方法見表5。最佳期望值為2.47，B-IBIgt;2.47為健康； 1.85

2.3水生態(tài)健康評價結(jié)果

京津冀地區(qū)河流36個樣點的B-IBI評價結(jié)果（圖4）顯示，評價結(jié)果為“健康\"的樣點有4個，占總樣點數(shù)的 11.11% ；“亞健康”的樣點有7個，占 19.44% “一般\"的樣點有4個，占 11.11% ；“較差”的樣點有6個，占 16.67% ；“差\"的樣點有15個，占 41.67% 。整體來看，36個樣點中，西部與北部林地河流的健康狀況明顯優(yōu)于東南平原地區(qū)，西部與北部樣點B-IBI指數(shù)平均值為1.85，整體屬于亞健康狀態(tài)；東南地區(qū)樣點的B-IBI指數(shù)平均值為1.08，整體處于較差狀態(tài)。

京津冀地區(qū)地勢西北高東南低，西北部多為山區(qū)林地，東部為人口密集的城市群，南部以農(nóng)田為主。西北部山區(qū)人類活動較少，底棲動物完整性水平較高，河流多為健康或亞健康狀態(tài)；東部與南部地區(qū)人口密集，生活污水及工業(yè)廢水排放量大，城市和農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重，部分河道經(jīng)過人工修整，導(dǎo)致底棲動物多樣性降低，其生物完整性水平也較低。

3討論

3.1B-IBI指數(shù)與環(huán)境因子的相關(guān)性

將得到的B-IBI指數(shù)與環(huán)境因子做Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果表明，B-IBI指數(shù)與氨氮 （NH₃–N） 呈顯著負(fù)相關(guān)，與其他環(huán)境因子相關(guān)性不顯著（表6）。

以上結(jié)果表明，京津冀地區(qū)河流底棲動物完整性與水體中氨氮的含量密切相關(guān)。本研究中氨氮濃度最高的點位出現(xiàn)在子牙河邢臺-衡水段，該地區(qū)主要受農(nóng)業(yè)面源污染及工業(yè)廢水影響，多為V類水質(zhì)。化肥的使用、農(nóng)業(yè)廢棄物、雨污合流、污水處理效率低等問題使得水體中的氨氮濃度較高，進而導(dǎo)致底棲動物的種類和數(shù)量發(fā)生變化，使得京津冀地區(qū)分布在農(nóng)田和城市區(qū)域的河流普遍B-IBI指數(shù)較低，這與其他研究區(qū)域的結(jié)果較為一致（吳東浩等，2010；譚穎等，2021）。如劉帥磊等（2018）對流溪河的研究表明，氨氮是水體中的主要好氧污染物，對底棲動物具有較強的毒害作用；張晏溧（2012）研究發(fā)現(xiàn)，氨氮濃度是決定渾太河下游底棲動物分布的關(guān)鍵環(huán)境因子。在眾多環(huán)境因子中，氨氮作為主要的污染指標(biāo)，其含量變化往往能反映出整個水體污染程度的變化趨勢。因此，本研究得到的B-IBI指數(shù)能較好地反映京津冀地區(qū)的綜合水質(zhì)情況。

3.2候選參數(shù)的生態(tài)學(xué)意義及B-IBI評價的合理性

底棲動物總分類單元數(shù)代表每個樣點監(jiān)測到的分類單元總數(shù)，該值越高，表明樣點的底棲動物種類越豐富，相應(yīng)的生物完整性水平越高。雙翅目昆蟲是底棲動物的主要類群之一，其分類單元數(shù)可用于監(jiān)測水體污染狀況。前二優(yōu)勢分類單元相對豐度總和則能反映底棲動物的分布均勻程度。對參照點和受損點的B-IBI值做箱線圖分析（圖5），結(jié)果顯示，利用篩選的3個指標(biāo)組成的B-IBI評價結(jié)果具有良好的區(qū)分能力和靈敏度，兩箱體間無重疊區(qū)域，能有效區(qū)分參考點與受損點。查閱全國地表水水質(zhì)月報（2020年12月）、生態(tài)環(huán)境部2020年全國地表水環(huán)境質(zhì)量狀況及相關(guān)文獻（孫雪等，2019；陳雨欣等，2023）可知，京津冀地區(qū)西、北部各監(jiān)測斷面水質(zhì)普遍較好，林地豐富的樹葉等凋落物為河流提供了主要能量來源，自然的河道生境為底棲動物保留了良好的棲息空間。然而，東、南部平原地區(qū)及河流中下游各斷面由于受到較強的人為干擾，河道硬化、底質(zhì)改造等改變了河道原有的生境，底棲動物完整性水平也相對較低。綜上，本研究建立的B-IBI評價體系基本上能夠反映研究區(qū)域真實的水生態(tài)健康狀況，適用于京津冀地區(qū)河流的水生態(tài)健康評價。

3.3環(huán)境DNA技術(shù)在水生態(tài)健康評價中的應(yīng)用潛力

相比于傳統(tǒng)底棲動物監(jiān)測方法需對采集的底棲動物樣本進行挑揀和形態(tài)學(xué)鑒定分類，本研究采用的環(huán)境DNA方法減少了處理時間和人力成本，降低了人為分類可能存在的主觀偏差。環(huán)境DNA方法不僅應(yīng)用于底棲動物監(jiān)測中，浮游細(xì)菌（王力等，2023）、浮游動物（Yangetal，2020）、魚類（Miyataetal，2021）等生物類群同樣可以借助環(huán)境DNA方法進行物種多樣性監(jiān)測。盡管目前應(yīng)用環(huán)境DNA測序數(shù)據(jù)進行物種定量表征的可行性并不明確，但不同研究區(qū)的結(jié)果表明（Aylagasetal，2018；金珂等，2022），環(huán)境DNA方法在常見物種的識別上與傳統(tǒng)方法具有高度一致性。

環(huán)境DNA方法相比傳統(tǒng)方法能監(jiān)測到更多的物種（金珂等，2022），部分通過傳統(tǒng)方法不易檢出或人工挑揀容易遺漏的底棲動物（如仙女蟲科某些物種）可通過環(huán)境DNA方法實現(xiàn)監(jiān)測，這是環(huán)境DNA方法的一大優(yōu)勢。近年來，應(yīng)用環(huán)境DNA方法進行水生態(tài)健康評價的研究越來越多，例如Beermann等（2018）認(rèn)為，基于環(huán)境DNA方法與傳統(tǒng)方法得到的水生態(tài)健康評價結(jié)果較為接近。目前由于底棲動物條形碼數(shù)據(jù)庫不完善、測序深度不足等問題，導(dǎo)致部分底棲動物無法檢出，是環(huán)境DNA宏條形碼技術(shù)進行底棲動物監(jiān)測面臨的主要挑戰(zhàn)。

隨著環(huán)境DNA方法的逐漸成熟及其應(yīng)用范圍不斷擴大，新的生物多樣性監(jiān)測技術(shù)也在快速發(fā)展。如環(huán)境RNA技術(shù)能有效監(jiān)測研究區(qū)域內(nèi)最近一段時間活躍的生物類群，有效改善環(huán)境DNA監(jiān)測結(jié)果存在非靶向物種較多（假陽性現(xiàn)象）的問題（Larocheetal，2017），有助于提高實時生物多樣性監(jiān)測的準(zhǔn)確性；宏基因組測序可對某一環(huán)境中的全部DNA進行整體測序及分析（黃循柳等，2009），通過非靶向篩選獲取全面的生物信息。這些新方法的應(yīng)用將使未來生物多樣性監(jiān)測和水生態(tài)健康評價的準(zhǔn)確性到達更高水平。

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（責(zé)任編輯 鄭金秀）

Aquatic Ecological Health Evaluation of Rivers in the Beijing-Tianjin-Hebei Region Using the Benthic Index of Biotic Integrity

SUN Zitong1，2， HUANG Shier2， TANG Qingwen2， CAO Xiaofeng2，LI Yanhong1 （1. School of Environmental Science and Engineering， Guilin University of Technology， Guilin 541006，P.R.China; 2. Center for Water and Ecology， Tsinghua University， Beijing 10oo84， P.R. China）

Abstract：The ecological health of rivers in the Beijing-Tianjin-Hebei region was evaluated using the benthic-index of biotic integrity （B-IBI） constructed as part of this study.In September， October，and December of 2020，benthic monitoring was conducted using environmental DNA metabarcoding technology at 36 sampling sites of Luanhe River， Chaobai River， Yongding River， Daqing River and Ziya River， the primary rivers of the region， and water physiochemical parameters were measured. The results were used to construct the B-IBI， which was then used to evaluate the aquatic ecological health of the fiver rivers. A total of 74 zoobenthos OTUs were identified，belonging to 53 genera，30 families，14 orders，6 classes and 3 phyla.The primary phyla were arthropods，mollsks，and annelids，and arthropods were absolutely dominant and widely distributed in the five rivers.The total number of taxonomic units， number of taxonomic units of Diptera，and the sum of relative abundances of the top two dominant taxonomic units were screened from twenty-three candidates to comprise the B-IBI using box plotcomparisons and correlation analysis.Five grades ofaquatic ecological health were set，based on the B-IBIscore： healthy，sub-healthy， fair， poor， bad. The results indicate that 11.1% of the river sites were healthy，with a B-IBI of gt;1.85 ，and primarily distributed in the western and northern mountains，while 58.3% of the sites were in poor health， with a B-IBI of lt;1.08 ， and primarily distributed in the eastern and southern plains. Of the 23 candidate metrics for the B-IBI，9 were statistically relevant， but the three core indicators could distinguish among reference sites and impaired sites，demonstrating good applicability in the Beijing-Tianjin-Hebei region. The B-IBI in the Beijing-Tianjin-Hebei region was significantly and negatively related to the concentration of ammonia nitrogen in the water，indicating that ammonia nitrogen was the key environmental factor affecting zoobenthos.The findings of this study provide a reference for water environment management and ecological restoration in the Beijing-Tianjin-Hebei region.

Key words： environmental DNA metabarcoding technology; index of biological integrity （I-IBI）; zoobenthos; aquatic ecological health evaluation; Beijing-Tianjin-Hebei region