基于大型底棲動物完整性指數（B-IBI）的永定河水系生態健康評價

孔凡青，崔文彥，周緒申

海河流域水環境監測中心，天津 300170

河流生態系統健康是當前水環境管理的最終追求目標（張遠等，2008），而河流生態健康評價則是水環境和水生態系統管理的重要環節和依據。由于水環境質量的變化容易導致水生生物生理功能、物種豐富度、種群密度及群落結構的變化，利用生物學指標對河流健康進行分析已成為當前主流的評價方法。

生物完整性指數（Index of Biotic Integrity，IBI）常用來描述生物與非生物之間的關系，并依據多個生物參數反映水體的生物學狀況，進而評價河流乃至整個流域的健康狀況。Karr（1981）以魚類為研究對象建立生物完整性指數對北美河流的生態系統進行健康評價。此后，逐步發展到以底棲動物（Karr et al.，2000）、周叢生物（Griffith et al.，2005）和浮游生物（Eugene et al.，2004）等為研究對象。自美國俄亥俄州環保局提出大型底棲動物指數后，底棲動物完整性指數（Benthic Index of Biotic Integrity，B-IBI）（Kerans et al.，1994）被建立并在全球范圍內被廣泛應用，尤其是美國、英國、加拿大、澳大利亞和南非等國家（Dolédec et al.，2010）。

在中國，應用生物完整性指數方法評價河流健康研究起步較晚，王備新等（2005）以安徽黃山地區的溪流為對象，首次對B-IBI體系構建進行研究；張遠等（2007）、李艷利等（2013）和熊春暉等（2015）分別以遼河、渾太河和上海城市河流為研究對象構建B-IBI評價體系；渠曉東等（2012）以渾太河為對象探討了B-IBI評價體系構建過程中參照點的篩選方法。

永定河是京津冀區域重要水源涵養區和生態屏障，目前存在水資源過度開發、環境承載力差、污染嚴重、河道斷流、生態系統退化、部分河段防洪能力不足等突出問題。2016年12月批復的《永定河綜合治理與生態修復總體方案》提出先行開展永定河綜合治理與生態修復，打造綠色生態河流廊道。本研究選擇大型底棲動物為永定河水系健康評價的指示生物，構建B-IBI評價指標體系與健康評價標準，對該區域水生態健康狀況進行評價，旨在了解永定河水系的水生態狀況，為永定河水系水生態修復提供數據支撐和參考。

1　材料與方法

1.1　研究區概況

永定河流域位于東經 112°～117°45′，北緯 39°～41°20′之間，發源于內蒙古高原的南緣和山西高原的北部，東鄰潮白、北運河系，西臨黃河流域，南為大清河系，北為內陸河。流域地跨內蒙古、山西、河北、北京、天津等5個省（自治區、直轄市），面積4.70×104km2。永定河水系上游有桑干河、洋河兩大支流，于河北省懷來縣朱官屯匯合后稱永定河，在官廳水庫納媯水河，經官廳山峽于三家店進入平原。三家店以下，兩岸均靠堤防約束，盧溝橋至梁各莊段為地上河，梁各莊以下進入永定河泛區。泛區下口屈家店以下為永定新河，在大張莊以下納北京龍鳳河、金鐘河、潮白新河和薊運河，于北塘入海。

1.2　樣品采集與處理

根據《水環境監測規范》采樣原則，結合研究范圍實際情況，本研究于2016年4—5月，在永定河水系的3條河流共布設樣點30個，其中洋河11個（S1-S11）、桑干河11個（S12-S22）、永定河干流及永定新河 8個（S23-S30）。各樣點的分布情況如圖1。

將網徑 40目、采樣面積 0.09 m2的索伯網（Surber Net）置于河床，攪動采樣框內底質，并將框內所有石頭上的底棲動物刷入網內。每個樣點所采集的樣品經過 40目尼龍篩網現場篩洗后帶回實驗室，置于白色瓷盤中，將所有大型底棲動物逐一挑出，并用 7%福爾馬林溶液進行固定保存。底棲動物的鑒定在解剖鏡和顯微鏡下進行。每個采樣點所采到的底棲動物按不同種類進行準確計數，并用電子天平稱重，稱重前用濾紙吸去表面固定液。根據每個樣點的采樣面積，最終換算出各樣點底棲動物各分類單元的密度（ind.·m-2）和生物量（g·m-2）。

分布范圍分析、箱線圖分析等相關統計分析在SPSS 19.0和Excel 2010中完成。采用單因素方差分析對底棲動物密度、生物量差異顯著性進行檢驗。

1.3　數據處理方法

1.3.1參考點的確定

參考點和干擾點的確定是建立B-IBI指數及評價標準的首要條件。Morley et al.（2002）和Blockson et al.（2002）按照干擾程度的大小將樣點劃分為無干擾樣點、干擾極小樣點和干擾樣點。永定河流域整體人口較密集，找到無干擾樣點和干擾極小樣點作為參考點非常困難。因此，結合已有研究成果（熊春暉等，2015）關于參考點的選擇原則——百分比模式相似性指數（Percent Model Affinity，PMA）≥50且水質綜合標準在Ⅲ類標準以上，選取海河流域灤河水系上游的外溝門子、曲家灣、白城子和正藍旗等4個樣點作為參考點，永定河水系30個樣點則為受損點。

圖1　永定河水系底棲動物采樣點分布Fig. 1　Benthic macro-invertebrates sampling distribution in Yongding River

1.3.2B-IBI備選生物指數的選取

用于建立B-IBI指標體系的底棲動物生物學指標較多（王備新等，2005；張遠等，2007；李強等，2007；王軍等，2015），且要求每個指標必須對環境因子（化學、物理、水動力學和生物等）的變化反應敏感，計算方法簡便，所包含的生物學意義明確。為準確反映環境變化對永定河水系目標生物（個體、種群、群落）數量、結構和功能的影響，客觀有效地評價研究區域水生態健康狀況，結合永定河水系實際情況，本研究選取4個大類——分類單元數（Taxa）、各類群相對豐度（Relative abundance）、生物耐受性（Tolerant and intolerant）、功能攝食群（Functional feeding group），共計19個參數作為備選指標（表1）構建B-IBI評價體系，其中，BI指數關于底棲動物耐污值的取值主要參照王備新等（2004）對我國東部大型底棲動物耐污值研究的相關成果。

表1　候選指標及其對干擾的反應Table 1　Candidate metrics and their expected direction of response to disturbance

1.3.3候選生物指數的篩選

計算候選生物參數在參照點中 25%～75%分位數的數值范圍，結果如表2所示，數值和分布范圍太小或指數太大均不適宜參與 B-IBI評價體系構建，予以剔除。繪制箱體圖分析剩余參數在參照點和受損點的分布情況，根據箱體的重疊情況，對IQ（Inter quartile）賦予不同的值：如無重疊，IQ=3；部分重疊，但各自中位數值都在對方箱體范圍之外，IQ=2；僅1個中位數值在對方箱體范圍之內，IQ=1；各自中位數值都在對方箱體范圍之內，IQ=0。對IQ≥2的指數進行進一步分析。

表2　19個生物指數值在參照點的分布情況Table 2　Distribution of metrics in reference sites

1.3.4相關性分析

基于SPSS 19.0 統計分析軟件，對IQ≥2的指數進行 Spearman相關性分析，當兩個指數間的相關系數r＞0.75，表明兩個指數間所反映的信息大部分是重疊的，選其中1個指標即可。根據相關系數，同時考慮指數重要性，最終確定永定河水系 B-IBI指數包括總分類單元數（Total taxa）、搖蚊分類單元數（Chironomidae taxa）和BI指數（Botic Index）3個指標。候選生物參數在參照點和受損點的箱線圖如圖2所示。

1.3.5記分標準的建立

比值法是最常用的生物指數計分方法。本文亦采用比值法（Blockson et al.，2002）計算生物指數值，對于受干擾越強而值越低的生物指數，以95%分位數為最佳期望值，各參數的分值等于參數實際值除以最佳期望值；對于受干擾越強而值越高的指數，則以5%分位數為最佳期望值，其分值為(最大值-實際值)/(最大值-最佳期望值)。根據各參數值在所有樣點中的分布，確定計算各參數分值的比值法計算公式（表3），并據此計算各樣點的指數分值，要求計算后分值的分布范圍為 0～1，若大于 1，則記為1。

按照參照點B-IBI值分布的25%分位數法進行指標體系的最終劃分，如果樣點B-IBI值大于或等于25%分位數值，則表示該樣點受到的干擾很小，處于健康狀態。小于 25%分位數值的分布范圍可根據需要進行四等分，分別代表不同的健康程度，最終確定永定河水系底棲動物完整性評價標準（表4）。

圖2　候選生物參數在參考點和受損點的箱線圖Fig. 2　Box-plots of candidate metrics between reference and impaired sites

表3　比值法計算3個參數分值的公式Table 3　Formulas for calculating 3 metrics scores by ratio scoring method

表4　永定河水系底棲動物完整性評價標準Table 4　The criteria of benthic-index of biotic integrity in yongding River

2　結果與分析

2.1　永定河水系底棲動物群落特征

永定河水系共采集到底棲動物 38種，其中水生昆蟲29種（搖蚊科16種），寡毛類2種，蛭類1種，甲殼動物4種，軟體動物2種。總體上，永定河水系底棲生物物種豐富度較高。從耐污值（Tolerance Value，TV）（王備新等，2004）看，TV≤3的敏感類群所占百分比為 13.2%，TV≥7的耐污類群所占百分比為44.7%。從類群出現頻率看，出現頻率最高的3個種分別為霍甫水絲蚓（Limnodrilus hoffmeistteri）、德永雕翅搖蚊（Glyptotendipes tokunagai）和云集多足搖蚊（Polypedilum nubifer），分別為46.7%、40.0%和36.7%，3個物種均為耐污值較高的種類。

2.2　永定河水系河流生態健康狀況

永定河水系底棲生物完整性評價結果表明，有6.7%的采樣點為健康，23.3%為亞健康，36.7%為一般，20.0%為差，13.3%為極差（表5）。

表5　永定河水系各樣點健康狀況Table 5　Statuses of health of sites in Yongding River

3　討論

永定河和灤河兩大水系位于海河流域，上游均處于山區或高原地帶，較少的生活垃圾和工業污染保障了水體的自然狀態，后流經城市等人口密集區，人為干涉增強。對同步采集的灤河水系大型底棲動物樣品進行鑒定分析，可知兩水系上游底棲動物的種類和數量較多，下游因人為擾動等因素影響，底棲動物多樣性降低，兩水系底棲動物在群落構成和空間分布方面具有比較明顯的相似性。由于不同研究對象的棲息環境不同，構建B-IBI體系時參考點的選擇標準也不同。按照渠曉東等（2012）關于參照點的篩選標準，即水質類別優于Ⅱ類，棲息地質量評價總分為120分以上，且棲息地質量評價中的人類干擾強度為最小，河岸帶土地無耕作土壤，在永定河水系中未發現滿足以上要求的可作為參照點的樣點。本研究根據百分比模式相似性指數（PMA）≥50且水質綜合標準在Ⅲ類標準以上標準，選取灤河上游4個樣點作為參考點。然而，由于參考點數量較少，一定程度上增加了因自然條件差異引起的底棲動物群落結構和功能的變化對評價標準的影響。

海河流域作為中國國民經濟發展的重要支撐地區之一，整體受到人類活動的明顯影響，尤其河流水系和水生態系統受到了人類的嚴重干擾，大型底棲動物的生物多樣性整體較其他流域低。在B-IBI體系指標選取過程中，經篩選、檢驗后剩余的核心指標較少，一定程度上對水系的健康狀況的評價結果產生影響。

B-IBI及其評價標準的建立需要足夠量的代表性數據作為支撐，永定河流域面積達4.7×104km2，而本研究所布設的30個樣點主要分布在干流和一級支流。為進一步完善永定河流域B-IBI指標體系，今后將在支流布設、增加監測點位，獲取監測數據信息，以更加準確地反映永定河流域水生態健康狀況。

4　結論

（1）本研究以永定河水系為例，探討了利用B-IBI評價河流生態系統健康的可行性和合理性，為河流健康評價指標的選擇提供參考依據。

（2）通過對B-IBI候選指數進行分布范圍分析、判別能力分析和相關關系分析，最終確定永定河水系B-IBI的指標包括總分類單元數、搖蚊分類單元數和BI指數3個指標。

（3）B-IBI評價結果表明，受外源輸入、旅游、生活與種植業污染等因素影響，除官廳水庫壩上和寧車沽閘下外，其余樣點的底棲動物完整性均受到不同程度的損害，表明永定河水系水體的健康狀況整體不容樂觀。

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