基于底棲動(dòng)物生物完整性指數(shù)B-IBI的濟(jì)南地區(qū)水體健康評(píng)價(jià)

(大連海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院，遼寧省水生生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023) (北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，水沙科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875) (大連海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院，遼寧省水生生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023)

底棲動(dòng)物是水生態(tài)系統(tǒng)中重要組成部分[1～3]，具有種類多、對(duì)干擾反應(yīng)十分敏感等特點(diǎn)，在水生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)和信息傳遞等功能中起到十分重要的作用[4,5]。底棲動(dòng)物是監(jiān)測環(huán)境污染的重要健康評(píng)價(jià)指示物種，其不同種類對(duì)水體環(huán)境變化的敏感性差異較大，因此，底棲動(dòng)物群落被廣泛地應(yīng)用與水生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)、管理及健康評(píng)價(jià)中[6,7]。

底棲動(dòng)物生物完整性指數(shù)(index of biological integrity，IBI)可以從水生態(tài)系統(tǒng)的角度反映出水體的健康情況，在國內(nèi)外已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用[6～9]，已成為國內(nèi)外河流健康評(píng)價(jià)主要的研究手段[1～3]。筆者調(diào)查了濟(jì)南地區(qū)底棲動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)特征，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用生物完整性評(píng)價(jià)體系對(duì)濟(jì)南地區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行健康評(píng)價(jià)，旨在為濟(jì)南地區(qū)水體底棲動(dòng)物健康評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法的建立提供參考，并對(duì)濟(jì)南地區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)健康的維護(hù)和管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 底棲動(dòng)物樣品采集

在濟(jì)南市區(qū)及各區(qū)域代表性水體設(shè)定28個(gè)調(diào)查站位(圖1)，于2014年11月進(jìn)行采樣調(diào)查。在所選定的采樣點(diǎn)位100m范圍內(nèi)，用索伯網(wǎng)采集2個(gè)底棲動(dòng)物樣本，現(xiàn)場將可見的底棲動(dòng)物與碎屑等雜質(zhì)區(qū)分開，將底棲動(dòng)物樣品置于100mL樣品瓶中，用90%的酒精固定。在實(shí)驗(yàn)室中用顯微鏡或解剖鏡下依據(jù)文獻(xiàn)[2,10～15]進(jìn)行底棲動(dòng)物樣品鑒定工作。

1.2 數(shù)據(jù)分析與處理

構(gòu)建濟(jì)南地區(qū)水體底棲動(dòng)物生物完整性(B-IBI)評(píng)價(jià)體系，分為5類屬性，分別為：物種群落豐富度、生物耐污能力、生物營養(yǎng)級(jí)組成、物種個(gè)體數(shù)量比例和小生境質(zhì)量，對(duì)環(huán)境變化敏感的29個(gè)指標(biāo)作為候選指標(biāo)[1～3]，對(duì)候選指標(biāo)進(jìn)行分布范圍、判別能力以及相關(guān)性分析篩選(表1)。分布范圍的篩選是指若某指標(biāo)在超過95%的樣點(diǎn)得分均為零，則放棄此指標(biāo)。判別能力篩選是比較每個(gè)候選指標(biāo)在參照點(diǎn)位和受損點(diǎn)位的數(shù)值在25%～75%范圍內(nèi)重疊的情況，用箱體圖進(jìn)行判別的標(biāo)準(zhǔn)詳見相關(guān)文獻(xiàn)[1～3,7]。對(duì)箱體圖判別篩選出的參數(shù)兩兩進(jìn)行Pearson相關(guān)性檢驗(yàn)，相關(guān)系數(shù)≥0.9的2個(gè)指標(biāo)中只取其一[1～3,16]。

表1 濟(jì)南地區(qū)候選生物參數(shù)及對(duì)干擾的反應(yīng)

圖1 濟(jì)南地區(qū)采樣點(diǎn)位示意圖

參照點(diǎn)位的選擇依據(jù)實(shí)地水質(zhì)及水文地貌情況，以人類干擾較少、水環(huán)境理化質(zhì)量較高、生境保持較為完整的地區(qū)作為參照點(diǎn)位。采用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化方法評(píng)判后[1～3，7]，濟(jì)南地區(qū)B-IBI 評(píng)價(jià)的參照點(diǎn)選定為J1、J3、J4、J5和J7(見圖1)。

通過上述分析，確定B-IBI評(píng)價(jià)的核心參數(shù)，根據(jù)所有點(diǎn)位核心參數(shù)的分布范圍，對(duì)核心參數(shù)進(jìn)行賦分。研究使用四分法進(jìn)行賦分[1～3，7]，通過對(duì)核心參數(shù)的賦分，累加得到最終的B-IBI得分。以參照點(diǎn)位B-IBI得分值分布的25th分位數(shù)作為健康評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)，點(diǎn)位的B-IBI分值大于25th分位數(shù)值，表示該站點(diǎn)受到的干擾很小，是健康的；對(duì)小于25th分位數(shù)值的分布范圍，進(jìn)行三等分，確定出健康、一般、較差、極差4個(gè)等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)。

數(shù)據(jù)的相關(guān)性采用SPSS 16.0進(jìn)行分析，箱體圖分析采用Origin Pro 7.5完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)特征

濟(jì)南地區(qū)水體樣點(diǎn)共計(jì)采到底棲動(dòng)物32種，隸屬于3門6綱10目，以節(jié)肢動(dòng)物門和軟體動(dòng)物門為主。基眼目和雙翅目種類最高為10種，顫蚓目3種，真瓣鰓目2種，蜉蝣目、毛翅目、蜻蜓目、十足目、顎蛭目和無吻蛭目為1種。基眼目密度最高，占總密度的34.29%。雙翅目、顫蚓目、毛翅目、無吻蛭目、顎蛭目、十足目、真瓣鰓目、蜉蝣目、蜻蜓目分別占總密度的33.07%、13.45%、10.20%、2.82%、2.36%、1.55%、1.17%、1.02%和0.06%。

結(jié)合圖1和圖2可看出，濟(jì)南地區(qū)單個(gè)站位物種數(shù)最高為8種，位于濟(jì)南的J13站位，該站位雙翅目和基眼目物種數(shù)量較多。濟(jì)南地區(qū)水體底棲動(dòng)物密度較低，密度較高的區(qū)域位于濟(jì)南的中南部，而密度較低的區(qū)域集中于商河縣和濟(jì)陽縣，各采樣點(diǎn)位密度平均值為788.91ind/m2，單個(gè)站位密度最高為3817.42ind/m2，位于J7站位，主要以搖蚊幼蟲為主。濟(jì)南地區(qū)中北部地區(qū)水體底棲動(dòng)物生物量明顯較高，各采樣點(diǎn)位生物量平均值為131.94g/m2，單個(gè)站位生物量最高為811.74g/m2，位于J13點(diǎn)位。濟(jì)南地區(qū)中北部地區(qū)水體底棲動(dòng)物香農(nóng)威納指數(shù)較高，各采樣點(diǎn)位香農(nóng)威納指數(shù)平均值為1.56，單個(gè)站位香農(nóng)威納指數(shù)最高為2.75，位于J16站位。各采樣點(diǎn)位均勻度指數(shù)平均值為0.79，單個(gè)站位均勻度指數(shù)最高點(diǎn)位于J17。

圖2 濟(jì)南地區(qū)底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)特征

2.2 B-IBI體系的建立和健康評(píng)價(jià)

結(jié)合濟(jì)南地區(qū)水體特點(diǎn)及研究目標(biāo)，應(yīng)用參照點(diǎn)和受損點(diǎn)的數(shù)據(jù)計(jì)算各候選生物指標(biāo)值。通過箱體圖分析，確認(rèn)濟(jì)南地區(qū)水體共有5個(gè)B-IBI參數(shù)(見圖3)進(jìn)入Pearson相關(guān)性分析。經(jīng)Pearson相關(guān)性分析(見表2)，最終篩選出EPT分類單元數(shù)、水生昆蟲分類單元數(shù)、香農(nóng)威納指數(shù)、搖蚊個(gè)體相對(duì)豐度、蜉蝣目個(gè)體相對(duì)豐度5個(gè)參數(shù)為構(gòu)建濟(jì)南地區(qū)B-IBI體系的核心參數(shù)。基于B-IBI的濟(jì)南地區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)健康標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

濟(jì)南地區(qū)水體底棲動(dòng)物生物完整性評(píng)價(jià)(B-IBI)結(jié)果如表4所示。B-IBI結(jié)果顯示，濟(jì)南地區(qū)水體健康點(diǎn)位較少，較差及極差點(diǎn)位較多，濟(jì)南地區(qū)南部水生態(tài)健康程度較高；濟(jì)南地區(qū)中北部水生態(tài)系統(tǒng)健康程度較差或極差。

圖3 濟(jì)南地區(qū)水體5個(gè)B-IBI候選參數(shù)在參照點(diǎn)位和受損點(diǎn)位的箱體分布圖

參考指標(biāo) M1M2M3M10M18M11M20.50 1M30.870.501M100.840.76 0.85 1M180.790.740.810.671

表3 基于B-IBI的濟(jì)南地區(qū)水生態(tài)健康標(biāo)準(zhǔn)

表4 濟(jì)南地區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)結(jié)果

注：A代表健康；B代表一般；C代表較差；D代表極差。

3 討論

從研究結(jié)果可以看出，濟(jì)南地區(qū)水體共發(fā)現(xiàn)底棲動(dòng)物32種，各采樣點(diǎn)位密度平均值為788.91ind/m2，以基眼目和雙翅目種類為優(yōu)勢物種，基眼目主要以大量的螺類為主，水體中雙翅目幼蟲，尤其是搖蚊科幼蟲數(shù)量較多，導(dǎo)致密度較高。濟(jì)南一些區(qū)域水體有斷流現(xiàn)象，導(dǎo)致部分區(qū)域水體營養(yǎng)鹽濃度較高，一些搖蚊幼蟲和螺類等耐污性較強(qiáng)的物種大量繁殖，逐漸占據(jù)優(yōu)勢地位。底棲動(dòng)物香農(nóng)威納指數(shù)多用來評(píng)價(jià)水質(zhì)情況，濟(jì)南地區(qū)水體香農(nóng)威納指數(shù)平均值為1.56，均勻度指數(shù)平均值為0.79，根據(jù)香農(nóng)威納指數(shù)評(píng)價(jià)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[17～18]：1～2之間為中度污染，由此可知濟(jì)南地區(qū)水體受到中度污染。

研究用底棲動(dòng)物構(gòu)建B-IBI評(píng)價(jià)體系，評(píng)價(jià)了濟(jì)南地區(qū)水體的健康狀況。結(jié)果表明，經(jīng)過篩選，選出5個(gè)參考指標(biāo)[19](EPT分類單元數(shù)、水生昆蟲分類單元數(shù)、香農(nóng)威納指數(shù)、搖蚊個(gè)體相對(duì)豐度和蜉蝣目個(gè)體相對(duì)豐度)，這5個(gè)指標(biāo)在濟(jì)南地區(qū)水體的底棲動(dòng)物指標(biāo)參數(shù)中最為穩(wěn)定，可以列為今后濟(jì)南地區(qū)水體底棲動(dòng)物評(píng)價(jià)的核心指標(biāo)。在IBI評(píng)價(jià)中，評(píng)價(jià)等級(jí)為健康及一般的采樣點(diǎn)位較少，7個(gè)采樣點(diǎn)位評(píng)價(jià)等級(jí)為A，占總點(diǎn)位的25.0%，在生物完整性評(píng)價(jià)中具有一定的穩(wěn)定性；僅有1個(gè)點(diǎn)位評(píng)價(jià)等級(jí)為B，占總點(diǎn)位的3.6%；7個(gè)點(diǎn)位評(píng)價(jià)等級(jí)為C，占點(diǎn)位的25.0%；12個(gè)采樣點(diǎn)位評(píng)價(jià)等級(jí)為D，占總點(diǎn)位的46.4%，這些點(diǎn)位大部分集中在市區(qū)及濟(jì)南中北部的商河縣和濟(jì)陽縣，水體污染嚴(yán)重，底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，健康狀況受到影響，導(dǎo)致評(píng)價(jià)等級(jí)較低。根據(jù)本研究結(jié)果，建議加大對(duì)濟(jì)南地區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)的治理，控制工業(yè)及生活污水排放，構(gòu)建一個(gè)健康的濟(jì)南地區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)。