基于5種大型底棲動物評價指數的河流生態健康評價

盛 蕭,毛建忠,曹 然,黎征武,王旭濤,鄧培雁

(1.華南師范大學化學與環境學院,廣東 廣州 510006;2.云南省水文水資源局,云南 昆明 650106; 3.珠江流域水環境監測中心,廣東 廣州 510611)

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基于5種大型底棲動物評價指數的河流生態健康評價

盛 蕭1,毛建忠2,曹 然1,黎征武1,王旭濤3,鄧培雁1

(1.華南師范大學化學與環境學院,廣東 廣州 510006;2.云南省水文水資源局,云南 昆明 650106; 3.珠江流域水環境監測中心,廣東 廣州 510611)

大型底棲動物;生物評價指數;河流生態健康評價;東江

河流作為環境介質和營養物質的載體,為水生生物提供棲息場所[1]。當河流受到干擾時,會使河流生態系統的結構和功能發生變化,最終使河流健康受損。藻類、浮游動物、魚類及大型底棲動物等最常被用來監測和評價河流健康狀況[2]。大型底棲動物因種類繁多、分布廣泛、易于辨認、能綜合反映物理、化學、生物等多種生態脅迫對水環境的累積效應等特點[3],在河流健康評估中廣泛應用,并取得了良好的效果。

水質生物學評價是指通過對水體中水生生物的調查或直接檢測來評價水體的生物學質量[4]。德國科學家Kolkwitz于1902年首次提出并應用生物評價指示河流有機污染后,許多學者逐漸認識到生物評價在水質的評價與管理中的不可替代性,并開始進行大量的研究[5]。其中,基于大型底棲動物評價指數的發展較為迅速,應用較多,這些指數主要包括:①單一生物指數[6],依據指示物種存在的數量來定性判斷,如Goodnight-Whitley指數、Chandler計分系統、family biotic index(FBI)指數等;②生物多樣性指數[7],通過定量采樣,運用統計學分析方法來建立,如Shannon-Wiener多樣性指數、Margalef多樣性指數等;③生物完整性指數[8],又稱多度量生物指數,由Karr[8]于1981年提出,通過多種生物指數綜合反映水體的生物學狀況,從而評估河流水質。

Goodnight指數是最早的基于大型底棲無脊椎動物的指數,Wright等于1933年通過計算寡毛類的密度來反映水體污染程度,并在此基礎上發展了Goodnight指數和Goodnight-Whitley修正指數(GBI指數)[5]。average score per taxon(ASPT)指數是在biological monitoring working party(BMWP)指數的基礎上發展而來,考慮到不同類群的耐污值可能會受總物種數的影響,Armitage等[9]提出了ASPT指數,以降低總類群中出現的偶見種對評價結果的影響,該指數在應用過程中僅要求將底棲動物鑒定到科,既減少了工作量,又減少了鑒定錯誤所帶來的誤差。FBI指數由美國學者Hilsenhoff[10]于1988年提出,為降低物種鑒定的難度和節省時間,實現河流健康的快速評價,他在其所建立的Hilsenhoff biological index(HBI)指數的基礎上,提出了FBI指數,有效地推動了biological index(BI)指數在美國的廣泛應用。

生物多樣性指數是目前常用作水質生物學評價的一種指數,主要是通過群落中各物種的組成狀況來反映水體污染對群落造成的影響,從而劃分水質級別[11],由于其在評價過程中存在的局限性,一般不單獨用作水質評價。主要包括Shannon-Wiener多樣性指數、Simpson多樣性指數、Pielous均勻度指數和Margalef豐富度指數4種指數,而在國際上使用較多的是Shannon-Wiener多樣性指數。

benthic index of biotic integrity(B-IBI)指數[12]是在一系列參數中選擇能夠反映水環境中大型底棲動物的種類組成、營養關系、豐度和生長狀況的生物參數,相對于BI指數,能夠傳達較多的河流生態完整性的信息。該方法在國外已得到較為廣泛的應用。在國內,楊蓮芳等[13]于1992年首次將B-IBI指數引進,隨后,王備新等[14-15]應用B-IBI指數分別評價了安徽黃山溪流和香溪河的河流健康狀況。

東江是珠江的3大水系之一,水資源豐富,是廣東省諸多城市的主要生產和生活水源,同時擔負著香港地區的用水供需任務。然而近年來,隨著東江流域周邊城市的經濟快速發展,各種工業在東江沿岸相繼落戶,對東江的水環境造成巨大威脅[16]。因此,本研究選用不同類型的大型底棲動物評價指數對東江進行評價,并進行對比,根據評價結果綜合分析不同生物評價指數在東江河流生態健康評估中的適用性,以期為東江流域綜合管理策略的制定與實踐提供理論基礎和科學依據。

1 研究方法

1.1 研究區域概況及采樣點分布

東江發源于江西省尋烏縣,向西南流入廣東境內,經龍川、惠州、東莞等縣市流入珠江,在獅子洋出虎門入海，干流全長562 km,流域面積達35 340 km2。東江流域屬中南亞熱帶季風氣候,多年平均氣溫為20.4°C,多年平均降雨量1 750 mm[17]。全流域共設置24個采樣點,包括干流及其所有一級支流,采樣點分布見圖1。

干流樣點:1—南農村,2—車田水,6—柏埔河,17—寶華寺,20—潼湖農場。支流樣點:魚潭江 3—三多村;浰江 4—林寨鎮,5—東水鎮;康禾河 7—若壩大橋;秋香江 8—瓦溪鎮,9—鳳安鎮;石壩河 10—石壩橋;公莊河 15—公莊鎮;赤水河 16—柏塘鎮;新豐江 14—新豐縣福水陂;增江 11—正果大橋,12—黃竹瀝村,13—隔水橋,22—雁塔大橋,24—廟潭大橋;淡水河 18—三和鎮;石馬河 19—東莞雍景花園;沙河 21—龍華橋;西福河 23—神崗橋(I)圖1 東江采樣點分布示意圖

1.2 樣品的采集、處理與分析

采樣安排在枯水期,分多組,于3日內完成采樣。利用直徑30 cm、孔徑500 μm的尼龍紗D形網采集大型底棲動物樣品。每個采樣點在100 m長的范圍內(水深小于1.5 m),采集長度為3～10 m,面積為0.9～3.0 m2。每個樣點采集3個平行樣,以減少誤差。將D形網所采底泥倒入水桶,用水柔和攪動桶內底質,用孔徑為300 μm的篩網過濾,重復多次,直至目測無大型底棲動物漂浮,再將底質倒入白瓷盤中進行仔細挑揀。隨后裝入廣口瓶中,用70%乙醇固定保存,帶回實驗室作進一步分揀。在體視顯微鏡下鑒定、分類,將每個樣點采集的大型底棲動物按不同種類準確地統計個體數[18]。種類鑒定大部分至科或屬,少數鑒定到種[19]。

1.3 水樣采集與理化指標測定

1.4 評價方法

本文選用了大型底棲動物單一生物指數中的GBI、ASPT和FBI指數,生物多樣性指數Shannon-Wiener指數,生物完整性指數B-IBI指數來比較不同指數對東江健康評估的區別。GBI、ASPT、FBI和Shannon-Wiener多樣性指數計算方法[21]如下:

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:IGBI為GBI指數值;IASTP為ASTP指數值;IFBI為FBI指數值;H′為Shannon-Wiener多樣性指數值；N為樣品中大型底棲動物個體總數;Noil為樣品中寡毛類個體總數;ti是每個類群的敏感值;n為總的科級分類單元數;gi是大型底棲動物第i個科級分類單元的個體數;mi是科級分類單元i的耐污值;Ni為第i個物種的個體數;S為總種類數。

該區域B-IBI指數值(IB-IBI)的計算參見相關研究[22]。其中,參照點和受損點主要根據水質等級、底質類型、棲境復雜性、土地利用狀況等來確定,候選參數主要是依據東江采樣的實際情況選取了30個分屬4種類型(包括群落結構與功能、功能攝食類群、干擾耐受和棲境)的生物參數。然后通過分布范圍檢驗、敏感性分析及相關性分析對參數進行逐步篩選,最終選取了6個參數(包括總分類單元、EPT分類單元、EPT相對豐度、前3位優勢分類單元相對豐度、刮食者相對豐度和集食者相對豐度)組成B-IBI指數。5種類型的大型底棲動物生物評價指數健康等級的最終劃分標準[23]見表2。

表2 生物評價指數等級劃分標準

1.5 統計分析

大型底棲動物的數據處理利用軟件EXCEL2010進行,不同生物評價指數的正態分布檢驗、相關性分析及與環境因子間的線性回歸分析均利用軟件SPSS 19.0完成。

2 結果與分析

2.1 不同生物評價指數對東江的水質評估

利用5種生物評價指數綜合分析東江水質狀況,評價結果見表3。結果表明,對于24個樣點中的具體樣點,根據不同生物評價指數所評價出的水質等級不完全相同。其中,部分樣點,5種生物指數的評價結果相近,如干流中的樣點6、支流中的樣點9等;然而有不少樣點,5種指數的評價等級相差甚遠,以支流中的樣點15為例,FBI和B-IBI指數都將其評為水質“較差”,而GBI、ASPT和Shannon-Wiener多樣性指數則分別將其評價為“健康”、“極差”和“一般”,由此可見,僅依靠單一的生物評價指數,難以準確地表征和反映東江流域內具體監測樣點的健康狀況。

綜合5種指數的評價結果,從整體上來看,在東江流域,干流水質上游相比下游較好,上游樣點除樣點2(車田水)的ASPT指數和B-IBI指數評價為水質“較差”外,其余樣點評價結果都好于“一般”等級,調查顯示,樣點2周邊的人類活動較強,這可能是造成其水質差的一個因素。支流中,水質相對較好的為魚潭江、浰江、康禾河、秋香江、增江上游河段;水質一般的為新豐江、增江中游段、西福河;而水質較差為沙河、公莊河;水質極差即受到嚴重污染的為淡水河、石馬河、增江下游河段。總體而言,東江流域上游河段的水質優于下游,河流水質整體處于中等狀態。

表3 不同生物評價指數對東江水質的評價結果

圖2 不同生物評價指數結果分布

圖2為東江流域不同生物評價指數結果分布情況,由圖2可見,5種生物評價指數的健康評價等級在總體上存在較大差異。利用GBI指數評價河流健康等級的結果相對偏高,全流域中達到“健康”的樣點數占總樣點數的54.2%,其次為“一般”,占16.7%;ASPT指數評價的“健康”樣點占總樣點數的33.3%,其次為“極差”,占29.2%,ASPT指數表現的趨勢與GBI指數較為相似,唯一的區別是,ASPT指數在最后表現為上升,GBI指數則呈現下降;FBI指數和B-IBI指數的曲線趨勢則表現極其相似,均呈現為先下降,后上升,再下降的趨勢,達到“一般”和“較差”的樣點數均占總樣點數的29.2%,其次為“健康”,分別占20.8%和16.7%。與以上4種方法評價結果不盡相同的是Shannon-Wiener多樣性指數,其在總體上呈現為倒U型,其中,水質等級達到“一般”的樣點數為最多,占58.3%,無達到“健康”的樣點,其他評價等級的樣點數百分比幾乎持平(12.5%～16.7%)。總體而言,B-IBI指數的評價結果在各評價等級間的比例最為平均(12.5%～29.2%),而其他指數在各等級間的比例則有較大的起伏。

2.2 不同生物評價指數的相關性

表4 不同生物評價指數的K-S檢驗結果

表5 不同生物評價指數間的Pearson相關性分析結果

圖3 不同生物評價指數與環境因子的回歸分析

2.3 不同生物評價指數與環境因子的關系

3 討 論

3.1 不同生物評價指數的比較

對于干流,5種指數的評價結果差異不大,除靠近源頭的樣點2外,干流中上游河段的水質總體較好,下游河段較差。這與王兆印等[24]的研究結果一致,其從東江上游到河口選取12個樣點進行底棲動物調查,發現東江流域底棲動物生物多樣性在上游和中游保持在較高水平,而到下游則迅速降低到0。

而對于支流,則呈現不同程度的差異。GBI指數的評價結果表明,東江的大多數支流,其下游河段的水質相對上游較好,這與其他指數評價結果相反。以增江段為例,樣點13屬于增江上游,其水質GBI評價結果為“較差”,而在對該區域的實際調查時,此樣點周邊的棲境較為復雜,植被多樣性較高,水體透明度高,由此說明,僅將寡毛類個體數存在的比例用來評價河流水質狀況,其精確性有所限制。王博等[25]在對東江干流的43個點位進行底棲動物調查,并結合多種指數對東江水質進行評價時,發現GBI指數的評價結果較適合東江的實際情況,但從本文的研究結果來看,該指數并不完全適用于東江支流的評價,也即不能完全反映東江水質的整體實際情況。對于樣點3、5和18,ASPT指數的評價結果與其他4種指數相差較大,表現為相反的情況;對于樣點12,Shannon-Wiener指數與ASPT指數評價結果一致,而其他3種指數評價一致,造成這一系列差異的原因可能是多種因素的綜合影響。

總體而言,5種指數對東江支流的評價結果在總體上一致:東江上游支流的水質相對下游較好。其中,除GBI外,其他指數的評價結果表明增江上游水質較下游好。何琦等[26]對東江支流增江進行底棲硅藻的采樣調查,發現敏感種在增江的上游出現頻率較高,表明增江中上游河段水質較清潔,而位于下游河段的2采樣點,以耐污種占優勢,表明增江下游河段污染嚴重。由此可見,需結合多種生物指數對東江河流水質進行綜合評價,才能提高評價結果的可靠性。

從對東江河流樣點的評估等級結果可知,5種生物指數也呈現一定的差異。造成所有這一系列差異的主要原因可能有:①不同的評價指數存在自身的局限性,如Patrick[27]認為多樣性指數作出的水質評判結果相當模糊,因為不同的水體污染類型對物種多樣性的影響程度不一致。房英春等[28]認為多樣性指數評價中沒考慮生物體本身耐污性的差異,尤其是耐污種的敏感問題,可能會造成比實際值偏高的水質評價結果。②底棲動物的敏感值和耐污值的確定不明確,我國在對基于耐污值和敏感值的指數計算時主要是參照國外和國內的相關研究,盡管目前王備新等[29]建立了一套適用我國華東地區底棲動物的耐污值,但是否適用于其他區域尚待考證。③不同生物評價標準中等級范圍的劃分對結果也會造成一定的影響。如B-IBI指數最終的評價標準具有一定的主觀性,研究者在對該指數的構建過程中,如何確定參照點和候選參數,以及最終使用何種方法計算綜合參數都可能會對評價結果產生影響。

3.2 不同生物評價指數在東江的適用性

河流的健康狀況因地理位置、地貌特征、棲境、生物狀況、污染類型等多種因素的綜合作用存在差異,因此在選取不同生物評價指數評價河流健康狀況時應慎重考慮生物評價指數在該河流中的適用性。

BOD和DO均是與耗氧相關的水化指標。BOD一般可用來表征有機污染的情況,多樣性指數可用來反映水體有機污染對群落結構造成的影響[21],當水體受到有機污染、無機還原性物質污染時,DO的質量濃度就會降低[32]。在本研究中,Shannon-Wiener多樣性指數與BOD呈現較顯著的負相關關系;B-IBI指數與DO呈現出明顯的正相關關系,隨著DO質量濃度的增加,B-IBI指數呈現上升的趨勢。由此可見,Shannon-Wiener多樣性指數和B-IBI指數對水體中的有機污染有較好的指示作用。

電導率表征水體中溶解的總離子量,可綜合反映流域內土地利用對河流生態系統的影響,通常電導率越高,人類活動對河流的干擾作用越大[33]。渠曉東等[22]在運用標準化方法篩選參照點構建B-IBI指數時,發現B-IBI指數與電導率存在顯著的對數曲線關系,隨著電導率的升高,B-IBI值逐漸下降,電導率高于1 000 μS/cm后,B-IBI指數維持在一個較低的水平。本研究也有一致的結果,B-IBI指數與電導率存在顯著的負相關關系,不同的是B-IBI值在電導率達到600 μS/cm后才緩慢下降,這可能與在B-IBI指數構建時研究者所選用的方法不同而產生的差異相關。同時,本研究中發現Shannon-Wiener多樣性指數與電導率也有顯著的負相關關系,因此,可認為這2種指數能夠反映土地利用對東江流域水質的影響。

4 結 論

選取GBI、ASPT、FBI、Shannon-Wiener多樣性和B-IBI指數對東江流域的主要干支流進行綜合評價,結果表明:

a. 東江流域的整體健康狀態處于中等水平,河流上游水質多達到“良好”,中游水質多為“一般”,下游水質則為“較差”或“極差”。

b. 5種生物評價指數大部分都具有顯著的相關性,其中,FBI指數與其他4種指數都達到了顯著水平。但由于多種因素的綜合影響,不同指數對各樣點的評價等級存在一定差異。

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River health assessment based on five biological indices for macroinvertebrates

SHENG Xiao1, MAO Jianzhong2, CAO Ran1, LI Zhengwu1, WANG Xutao3, DEGN Peiyan1

(1.SchoolofChemistryandEnvironment,SouthChinaNormalUniversity,Guangzhou510006,China; 2.HydrologyandWaterResourcesBureauofYunnanProvince,Kunming650106,China; 3.PearlRiverWaterEnvironmentMonitoringCenter,Guangzhou510611,China)

Based on the monitoring data for macroinvertebrates from 24 sampling sites, five indices including the Goodnight-Whitley modified index (GBI), the average score per taxon (ASPT) index, the family biotic index (FBI), the Shannon-Wiener index, and the benthic index of biotic integrity (B-IBI) were used to assess the health status of the main stream and tributaries of the Dongjiang River Basin. The applicability of the indices to the basin was studied. The results show that the overall health status of the Dongjiang River Basin was at a middle level but varied in different parts of the basin: the upper basin had a healthy status, the central part had a moderately heathy status, and the lower part had an unhealthy or extremely unhealthy status. Analysis of the responses of different indices to various types of human activities shows that all the indices, excluding the ASPT index, can reflect the influence of human activities to various degrees. Of the indices, the GBI index was a good indicator of phosphor contamination, the FBI index was a good indicator of nitrite nitrogen contamination, the Shannon-Wiener index could indicate organic pollution well while it had a significantly negative correlation with conductivity, and the B-IBI index had a strongly positive correlation with dissolve oxygen, being a good indicator to ammonia contamination. In conclusion, the comprehensive assessment of the Dongjiang River Baisn with different biological indices can not only reflect the whole condition of the basin reliably, but also indicate the effect of different types of human activities on the river ecosystem of the basin.

macroinvertebrate; biological index; river health assessment; Dongjiang River

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.01.015

廣東省水利科技創新項目(2014-16)

盛蕭(1990—),女,碩士研究生,研究方向為環境生態學。E-mail:winterlilies@163.com

鄧培雁,教授。E-mail:dpy213@126.com

Q958.12

A

1004-6933(2017)01-0075-08

2016-04-18 編輯：王 芳)