膠州灣浮游動(dòng)物生物完整性指數(shù)的建立

孫永坤 , 楊 光 李超倫 王 楠

(1. 中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所 海洋生態(tài)和環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071； 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

隨著海灣生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估研究的發(fā)展, 以往依賴于單因子理化指標(biāo)的評(píng)價(jià)方法逐漸擴(kuò)展到引入生物質(zhì)量狀況、針對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的綜合評(píng)估方法。Karr[1]最初以魚類為研究對(duì)象提出和建立了生物完整性指數(shù)(Index of biotic integrity, IBI), 隨后應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大, 逐步應(yīng)用到大型底棲無脊椎動(dòng)物、周叢生物、藻類、浮游生物及高等維管束植物等領(lǐng)域[2]。生物完整性指數(shù)是指可定量描述人類干擾與生物特性之間的關(guān)系, 且對(duì)干擾反應(yīng)敏感的一組生物指數(shù), 主要是從生物集合群的組成成分(多樣性)和結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面反映生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況, 是目前水生生態(tài)系統(tǒng)健康研究中應(yīng)用最廣泛的指標(biāo)之一[3-4], 它是支持和維護(hù)一個(gè)與地區(qū)性自然生境相對(duì)等的生物集合群的物種組成、多樣性和功能等的穩(wěn)定能力, 是生物適應(yīng)外界環(huán)境的長(zhǎng)期進(jìn)化結(jié)果[1,5]。生物完整性指數(shù)是一個(gè)能夠反映生物要素綜合狀況的指數(shù), 并已應(yīng)用于海灣生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估。目前,國(guó)外研究人員已建立了利用生物完整性指數(shù)對(duì)生物要素進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的方法, 并在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。但是, 一直以來, 中國(guó)海灣環(huán)境質(zhì)量狀況的評(píng)估主要是基于單理化指標(biāo)或者多個(gè)理化指標(biāo)的方法進(jìn)行[6-7], 尚沒有結(jié)合 IBI進(jìn)行環(huán)境質(zhì)量研究的報(bào)道。

膠州灣生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)已運(yùn)行數(shù)十年, 具有長(zhǎng)期的包括生物監(jiān)測(cè)資料的積累。作者以膠州灣歷年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 參照美國(guó) Chesapeake Bay建立浮游生物完整性指數(shù)的方法和經(jīng)驗(yàn)[8-11], 嘗試建立膠州灣浮游動(dòng)物生物完整性指數(shù)(Zooplankton Index of biotic integrity, Z-IBI)來表征膠州灣海域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況, 以期為海灣生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量監(jiān)測(cè)和評(píng)估提供有效工具。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

用于浮游動(dòng)物生物完整性指數(shù)建立的數(shù)據(jù)來自膠州灣生態(tài)站2003～2008年對(duì)膠州灣14個(gè)站點(diǎn)(圖1)物理、化學(xué)及生物等方面的逐月常規(guī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。理化指標(biāo)包括溫度、鹽度、葉綠素 a濃度、營(yíng)養(yǎng)鹽濃度及透明度, 生物要素?cái)?shù)據(jù)選取淺Ⅱ型浮游動(dòng)物網(wǎng)樣樣品的種類組成、豐度數(shù)據(jù)。

圖1 膠州灣常規(guī)監(jiān)測(cè)站位Fig.1 The stations of regular monitoring of Jiaozhou Bay

1.2 方法建立依據(jù)

參照美國(guó)Chesapeake Bay生物完整性指數(shù)建立過程, 確立膠州灣浮游動(dòng)物生物完整性指數(shù)的建立步驟如下： 數(shù)據(jù)整理與綜合→生境區(qū)域劃分→評(píng)價(jià)因子選擇→因子閾值確定→指數(shù)建立→指數(shù)驗(yàn)證與應(yīng)用[9]。

1.2.1 生境區(qū)域劃分依據(jù)

將生境劃分為參照區(qū)、邊緣區(qū)和受損區(qū)。參照美國(guó)Chesapeake Bay生境區(qū)域劃分基準(zhǔn)值的選取方法[10-11], 將與浮游生物密切相關(guān)的溶解無機(jī)氮(DIN)、磷酸鹽(PO4)和透明度作為劃分依據(jù)。然后將各個(gè)站位透明度、營(yíng)養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)進(jìn)行分組排序并取其中值, 3項(xiàng)數(shù)據(jù)中值均滿足初選基準(zhǔn)值的站位數(shù)據(jù)劃分為參照區(qū), 部分滿足的站位為邊緣區(qū), 均不滿足的站位作為評(píng)價(jià)受損區(qū)。

1.2.2 膠州灣Z-IBI評(píng)價(jià)因子選擇依據(jù)

初步挑選出膠州灣浮游動(dòng)物生物多樣性指數(shù)、浮游動(dòng)物總豐度、橈足類豐度、水母類豐度、毛顎類豐度、甲殼類幼體豐度、中華哲水蚤(Calanus sinicus)豐度、雙毛紡錘水蚤(Acartia bifilosa)豐度、小擬哲水蚤(Paracalanus parvus)豐度、大眼劍水蚤(Corycaeusspp.)豐度及異體住囊蟲(Oikopleura dioica)豐度11個(gè)代表因子, 使用Kruskal-Wallis卡方檢驗(yàn)對(duì)比參照區(qū)與受損區(qū)各項(xiàng)因子的差異性, 以此來確定最具辨別力的指標(biāo)(即能夠很好的區(qū)分開受損區(qū)與參照區(qū)質(zhì)量狀況的指標(biāo)), 選擇具有顯著性的代表因子(檢驗(yàn)值 Q＜0.05), 最終確定為浮游動(dòng)物評(píng)價(jià)因子。

1.2.3 評(píng)價(jià)因子閾值確定方法

將最終確定的評(píng)價(jià)因子數(shù)據(jù)分為受損區(qū)數(shù)據(jù)和參照區(qū)數(shù)據(jù)兩組, 并將數(shù)據(jù)進(jìn)行排序, 分別取兩組數(shù)據(jù)中10%、15%、25%、30%、50%、70%、75%、85%的數(shù)據(jù)數(shù)值作為待選取數(shù)據(jù)。根據(jù)Karr 等[8,12-13]所描述的因子賦分模板對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)因子的得分閾值進(jìn)行確定。得分建立在參照區(qū)每一項(xiàng)浮游生物因子的分布基礎(chǔ)上。每一項(xiàng)因子根據(jù)其數(shù)值是否接近、稍微背離和明顯背離參照區(qū)群落因子分別得分為5、3、1。對(duì)于參照區(qū)和受損區(qū)分布差異明顯的因子, 參照區(qū)最合適的50%范圍內(nèi)的值得分為5, 參照區(qū)分布值兩端的數(shù)值得分為1, 剩下的數(shù)值得分為3[9-10]。

1.2.4 膠州灣Z-IBI的驗(yàn)證方法

利用已得數(shù)據(jù)獨(dú)立地檢驗(yàn)Z-IBI指數(shù)的準(zhǔn)確性。將獨(dú)立數(shù)據(jù)中浮游動(dòng)物評(píng)價(jià)因子數(shù)據(jù)進(jìn)行提取, 根據(jù)得分閾值選取結(jié)果對(duì)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行賦分, 然后將各項(xiàng)因子得分加權(quán)平均, 最終得到獨(dú)立數(shù)據(jù)的Z-IBI指數(shù)數(shù)值。如果所得指數(shù)值＞3且獨(dú)立數(shù)據(jù)來源于參照區(qū),或者所得指數(shù)值＜3且獨(dú)立數(shù)據(jù)來源于受損區(qū), 則證明所建立指數(shù)可應(yīng)用； 否則, 指數(shù)需重新建立[9-10]。

1.2.5 膠州灣Z-IBI得分體系的建立

膠州灣 Z-IBI得分體系是一種能夠評(píng)估水體狀態(tài)或級(jí)別的方法體系。作者擬定浮游動(dòng)物生物完整性指數(shù)得分范圍為 1～5分。對(duì)評(píng)價(jià)因子中每一項(xiàng)因子進(jìn)行賦分, 低分代表水體受污染較為嚴(yán)重, 且被定義為“差”； 高分則代表該水體受損程度教輕, 并定義為“好”。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

1.3.1 膠州灣理化數(shù)據(jù)分析

膠州灣溫度、鹽度變化情況通過該月份該站位表層與底層的平均值獲得； 葉綠素 a濃度通過對(duì)該月份該站位的表層葉綠素 a濃度的分析獲得； 營(yíng)養(yǎng)鹽濃度通過對(duì)該月該站位的總磷、總氮濃度的分析獲得。

1.3.2 膠州灣浮游動(dòng)物數(shù)據(jù)分析

膠州灣浮游動(dòng)物各個(gè)站位的物種組成及豐度信息通過對(duì) 2004～2008年浮游動(dòng)物數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析獲得。利用PRIMER5.2.9對(duì)膠州灣所有站位浮游動(dòng)物物種組成及豐度數(shù)據(jù)進(jìn)行非度量多維標(biāo)度 NMDS(non-metric Multi-Dimensional Scaling)聚類分析[14],獲得膠州灣浮游動(dòng)物物種組成及種群豐度的站位聚類情況以及膠州灣浮游動(dòng)物群落季節(jié)性差異狀況。同時(shí), 對(duì)逐年數(shù)據(jù)進(jìn)行相同分析, 獲得逐年聚類情況。

2 結(jié)果

2.1 膠州灣浮游動(dòng)物監(jiān)測(cè)資料分析

將膠州灣 2004～2008年浮游動(dòng)物物種組成及豐度數(shù)據(jù)按季節(jié)對(duì)站位進(jìn)行聚類分析, 圖 2中 A-E分別為 2004～2008年各年浮游動(dòng)物物種組成及豐度數(shù)據(jù)按季節(jié)對(duì)站位的聚類分析結(jié)果, 每個(gè)點(diǎn)上的數(shù)字代表月份。圖中某一點(diǎn)位代表某年某月某站的浮游動(dòng)物物種組成及各個(gè)種的豐度狀況, 不同形狀代表不同的季節(jié), 兩個(gè)點(diǎn)位的距離代表兩個(gè)點(diǎn)位信息的相似程度(距離越近, 相似性越大)。

由圖 2可見, 同一季節(jié)的數(shù)據(jù)點(diǎn)聚集在相同的區(qū)域, 而不同季節(jié)的數(shù)據(jù)點(diǎn)聚集在不同的區(qū)域, 由此可知, 膠州灣浮游動(dòng)物物種組成及豐度的分布情況存在著明顯季節(jié)差異, 且春冬季節(jié)較為相似, 夏秋季節(jié)較為相似, 并且夏秋季節(jié)與春冬季節(jié)能夠很好地分開。可見, 季節(jié)變化對(duì)膠州灣浮游動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)有較大的影響。因此, 在建立膠州灣浮游動(dòng)物生物完整性指數(shù)時(shí),本研究將冷季(春冬季節(jié))與暖季(夏秋季節(jié))分別建立。冷季與暖季生物完整性指數(shù)的建立過程一致, 因此本實(shí)驗(yàn)中以暖季Z-IBI的建立為代表進(jìn)行闡述。

圖2 膠州灣浮游動(dòng)物物種組成及豐度數(shù)據(jù)站位聚類分析Fig.2 The cluster analysis of the zooplankton data of the Jiaozhou Bay

2.2 生境區(qū)域劃分

透明度初選基準(zhǔn)值的選取參照美國(guó) Chesapeake Bay生境區(qū)域劃分基準(zhǔn)值的選取方法[9-10], 對(duì)膠州灣透明度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序, 選取1/3高值(1.9 m)作為透明度的初選基準(zhǔn)值； 營(yíng)養(yǎng)鹽初選基準(zhǔn)值的選取參照膠州灣海水營(yíng)養(yǎng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn), 選取中度營(yíng)養(yǎng)濃度作為營(yíng)養(yǎng)鹽的初選基準(zhǔn)值, 即DIN為0.30 mg/L, PO4為0.03 mg/L[15]。用于膠州灣生境區(qū)域劃分的各站位中值結(jié)果如表1所示。

據(jù)表1中數(shù)據(jù), 膠州灣常規(guī)監(jiān)測(cè)站位中D5、D6、D7、D8 4個(gè)灣外站3項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)均滿足評(píng)價(jià)基準(zhǔn)值,劃為評(píng)價(jià)方法中生境區(qū)域的參照區(qū), C3、D1和 D3為邊緣區(qū), 其他站位劃分為受損區(qū)。

2.3 生物評(píng)價(jià)因子選擇

對(duì)初步選取的11項(xiàng)代表因子進(jìn)行卡方檢驗(yàn), 檢驗(yàn)結(jié)果如表2。

經(jīng)檢驗(yàn), 水母類豐度、毛顎類豐度、甲殼類幼體豐度、中華哲水蚤豐度、雙毛紡錘水蚤豐度、近緣大眼劍水蚤豐度與異體住囊蟲豐度 7項(xiàng)指標(biāo)符合評(píng)價(jià)因子的基本要求, 故最終選擇該 7項(xiàng)指標(biāo)為浮游動(dòng)物完整性指數(shù)的評(píng)價(jià)因子。

2.4 評(píng)價(jià)因子閾值確定

將已經(jīng)確定的膠州灣 7項(xiàng)浮游動(dòng)物評(píng)價(jià)因子按照受損區(qū)和參照區(qū)分為兩組, 根據(jù)1.2.3節(jié)中敘述的評(píng)價(jià)因子閾值確定的方法, 得到浮游動(dòng)物指標(biāo)閾值選取的結(jié)果(表 3加粗?jǐn)?shù)值為最終選取閾值)。進(jìn)而,根據(jù)1.2.3節(jié)中的因子賦分模板確定各個(gè)評(píng)價(jià)因子的得分閾值, 其中以植食性和雜食性為主的甲殼類浮游動(dòng)物豐度越高代表環(huán)境質(zhì)量越好, 賦分越高； 對(duì)水母類和異體住囊蟲等膠質(zhì)浮游動(dòng)物則豐度越高質(zhì)量越差, 得分相應(yīng)越低。得分閾值選取結(jié)果如表4所示。

表1 膠州灣初選基準(zhǔn)值及各站中值Tab.1 The primary reference value and the median of Jiaozhou Bay

表2 浮游動(dòng)物代表因子檢驗(yàn)結(jié)果Tab.2 The test results of the zooplankton′s representative factors

表3 浮游動(dòng)物因子閾值選取Tab.3 The selection of the zooplankton′s index threshold

表4 浮游動(dòng)物因子得分閾值選取Tab.4 The selection of the zooplankton′s index threshold of scoring

2.5 生物完整性指數(shù)建立

對(duì)浮游動(dòng)物所有評(píng)價(jià)因子的得分進(jìn)行加權(quán)平均,即可得到膠州灣浮游動(dòng)物生物完整性指數(shù)(簡(jiǎn)寫Z-IBI)公式。

Z-IBI得分體系具體劃分閾值選取, 作者借鑒美國(guó)Chesapeake Bay浮游動(dòng)物生物完整性指數(shù)得分劃分經(jīng)驗(yàn), 將膠州灣Z-IBI得分劃分為： 1～2分為“差”,2～2.67 分為“較差”, 2.67～3.33 分為“中”, 3.33～4分為“較好”, 4～5分為“好”[10]。

2.6 生物完整性指數(shù)驗(yàn)證

參考美國(guó)Chesapeake Bay生物完整性指數(shù)的驗(yàn)證方法[9-10], 作者選取了灣外典型站 D8及灣內(nèi)典型站A5的2006年、2007年數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步驗(yàn)證, 驗(yàn)證結(jié)果如表5所示。

表5 生物完整性指數(shù)驗(yàn)證結(jié)果Tab.5 Test results of IBI

由表 5中結(jié)果可見, 灣外典型代表站位 D8的Z-IBI得分均高于 3, 而灣內(nèi)典型代表站位 A5的Z-IBI得分均低于3, 表明所建立指數(shù)正確的將D8站劃分為參照區(qū), D5站劃分為受損區(qū), 因此作者認(rèn)為所建立的指數(shù)基本可以應(yīng)用。

3 討論

營(yíng)養(yǎng)鹽濃度過高, 引發(fā)富營(yíng)養(yǎng)化和浮游植物增長(zhǎng), 一直都是威脅膠州灣生態(tài)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的原因之一[16]。作者所建立的Z-IBI包含了多個(gè)浮游動(dòng)物群落指標(biāo), 能夠較為綜合地反映海域浮游動(dòng)物要素的整體狀況, 有效減小了單指標(biāo)評(píng)估帶來的誤差, 可更全面地反映海域浮游動(dòng)物要素狀況[17]。

作者初選浮游動(dòng)物指標(biāo)中有個(gè)別指標(biāo)最終被放棄(表 2), 主要有以下兩種原因： 一是被去除的指標(biāo)不能很好地分開參照區(qū)與受損區(qū), 不適合用于評(píng)價(jià)水體優(yōu)劣； 二是這些指標(biāo)本身水平較高, 無論參照區(qū)還是受損區(qū), 均屬于優(yōu)質(zhì)范圍內(nèi), 無差樣本或者基準(zhǔn)值可供比較, 因此也不適合作為Z-IBI建立的評(píng)價(jià)因子。但在評(píng)價(jià)因子選擇時(shí), 原則上一些具有雙峰或重疊分布且能夠很好地區(qū)分參照區(qū)和受損區(qū)的指標(biāo), 由于其生態(tài)重要性也可以確定為評(píng)價(jià)因子。在評(píng)價(jià)因子閾值確定過程中, 為避免出現(xiàn)主觀誤差, 在產(chǎn)生一個(gè)單一的因子之前, 所有的浮游生物評(píng)價(jià)因子必須按照相同的得分尺度。本文中的指數(shù)驗(yàn)證過程, 相比國(guó)外 30年以上的數(shù)據(jù)量, 尚且存在數(shù)據(jù)量較小、數(shù)據(jù)信息不完整等問題, 還需在未來的工作中通過補(bǔ)充數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化和完善。

利用 Z-IBI作為海灣生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)已經(jīng)成為當(dāng)前國(guó)際上環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)領(lǐng)域的重要發(fā)展趨勢(shì)[18-20], 但受生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)全面度等的影響, 生物完整性指數(shù)建立過程中特別是閾值選取、指數(shù)驗(yàn)證部分需要進(jìn)一步的優(yōu)化。面對(duì)這些不足和問題, 今后的工作應(yīng)從以下幾個(gè)方面應(yīng)對(duì)和解決： (1)優(yōu)化生境區(qū)域劃分閾值選取； (2)細(xì)致指標(biāo)因子確定； (3)修正指標(biāo)得分閾值的篩選； (4)合理調(diào)整得分結(jié)果。此外, 在后期的指數(shù)應(yīng)用中, 還應(yīng)加大對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)因子閾值及得分結(jié)果的驗(yàn)證, 使所得結(jié)果具有更高的準(zhǔn)確性與可行性。

4 結(jié)論

經(jīng)數(shù)據(jù)整理與綜合、生境區(qū)域劃分、評(píng)價(jià)因子選擇、因子閾值確定、指數(shù)建立、指數(shù)驗(yàn)證與應(yīng)用6個(gè)過程初步完成了膠州灣浮游動(dòng)物生物完整性指數(shù)的建立。不同的季節(jié)需選擇不同的IBI體系對(duì)海洋浮游動(dòng)物進(jìn)行評(píng)估。利用Z-IBI體系對(duì)膠州灣浮游動(dòng)物狀況評(píng)估能夠更加全面地反映膠州灣海區(qū)生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣和海區(qū)浮游動(dòng)物的質(zhì)量狀況。

致謝：作者所用數(shù)據(jù)由中國(guó)科學(xué)院海洋研究所膠州灣海洋生態(tài)系統(tǒng)研究站提供, 謹(jǐn)致謝忱。

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