螞蟻河上游大型底棲動物生物完整性指數(shù)構(gòu)建與健康評價

趙文超,王立權(quán),李鐵男,張 檸,張明月

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2．黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

生物完整性是指“能夠支持和維持與本區(qū)域自然水生態(tài)系統(tǒng)相同的多樣性、組成和功能組織的平衡、完整和適應(yīng)性生物群落的能力”[1]。生態(tài)結(jié)構(gòu)完整性反映在各生物群落的完整性中。大型底棲動物生物完整性指數(shù)(B -IBI)目前已被廣泛應(yīng)用于生態(tài)監(jiān)測和評估中。生物完整性指數(shù)(IBI)是可以全面評估河流健康的生物指標。 基于河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，它從生物學(xué)的角度反映了河流的健康狀況[2]。本文通過構(gòu)建螞蟻河上游B -IBI評價體系，為螞蟻河上游水生態(tài)保護提供理論和數(shù)據(jù)支持。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

螞蟻河又稱螞蜒河，是松花江右岸較長支流。河流源頭的海拔高程為700 m，螞蟻河干流河長286 km，流域面積10 546 km2，平均坡降0.70‰。

1.2 樣品采集與處理

本研究于2019年7月在螞蟻河上游布設(shè)4個采樣點歷時15 d，覆蓋整個螞蟻河上游。現(xiàn)場采集了底棲動物樣本并測定了理化水質(zhì)。根據(jù)截面長度設(shè)置采樣點，使用彼得生底泥采集器收集定量樣品，并在每個采樣點收集泥樣2～4個。用D形網(wǎng)收集底棲動物的定性樣品。

用40目分樣篩篩選后，將大型動物選出來，剩余樣品在白色解剖盤中用細吸管、尖嘴鑷、解剖針分揀。

計量：按種類計數(shù)(損壞的標本通常只統(tǒng)計頭部)，然后將其轉(zhuǎn)換成個/m2。

鑒定：軟體動物鑒定到種，水生昆蟲(除搖蚊幼蟲)至少到科；寡毛類和搖蚊幼蟲至少到屬。

1.3 理化水質(zhì)測定

水樣采取、灌瓶、固定、保存，按《水庫漁業(yè)資源調(diào)查規(guī)范》(SL 167—2014)進行，水溫、pH值、電導(dǎo)率、溶解氧等理化指標隨生物采樣按《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)進行檢測。

1.4 采樣點設(shè)置

此次調(diào)查將螞蟻河干流尚志市至亞布力鎮(zhèn)河段作為調(diào)查河段見表1。

表1 河流分段及相應(yīng)數(shù)據(jù)情況

根據(jù)控制性、代表性原則，水生生物和水體理化性質(zhì)調(diào)查需要，在螞蟻河的3個河段內(nèi)設(shè)置采樣斷面，每個河段內(nèi)設(shè)置2～4個采樣點。其中河段3斷面采樣點基本情況見表2。

表2 螞蟻河水庫水生生物調(diào)查采樣點

1.5 B -IBI的構(gòu)建及評價

1.5.1 參照點和受損點選擇

參照點位的選取由于實際采樣斷面較少，且部分斷面在某個時期未采集到底棲動物，故將每次調(diào)查結(jié)果作為一個采樣點，故共有4個采樣點。在所有的采樣點中選取無干擾點或極小干擾點作為參照點。參照點的選取原則參照附近無農(nóng)田污染源、水質(zhì)低污染無毒且仍能溶解氧氣的樣點。根據(jù)參照點選取原則及螞蟻河上游實際水文地理環(huán)境，共選取1個參照點，其余3個點位為受損點。

1.5.2 備選參數(shù)

根據(jù)前期研究成果選取16個具有代表性、對干擾敏銳的備選參數(shù)，如表3所示。

表3 備選參數(shù)及對干擾的反應(yīng)

1.5.3 備選參數(shù)篩選

使用數(shù)值分布范圍消除分布范圍太窄或零值太多的參數(shù)，并進行下一步篩選[3]。

判別能力分析：按照Barbour[4]等方法，使用箱線圖法分析參考點和受損點剩余參數(shù)的分布。當IQ≥2時的參數(shù)進行下一步篩選。

利用相關(guān)關(guān)系分析對生物指數(shù)進行最后篩選，剔除不需要的生物指數(shù)。即采用MAXTED等[5]的方法，以Irl>0.90最大限度地保證各參數(shù)反映信息的獨立性。

1.5.4 B -IBI分值計算及評價標準

(1)確定每種生物指標值及B -IBI指數(shù)計算方法。本文選用王備新等[6]的方法計算每個樣點的B -IBI 值。也就是說比值法用于平衡各個量綱參數(shù)。

(2)確定B -IBI的評價標準。根據(jù)參照點的生物完整性指數(shù)(B -IBI)值的計算結(jié)果，將所有參照點的25%分位數(shù)作為界線劃分，最終可以得到B -IBI 指數(shù)體系的評價標準。

2 結(jié)果與分析2.1 參照點與受損點篩選

本文選擇底棲生物較為豐富的亞布力斷面為參照點，其他斷面為受損點。

2.2 候選生物參數(shù)確定和篩選

2.2.1 候選生物參數(shù)確定及分布范圍分析

分布范圍分析在計算分布范圍時，通過對參照點的各生物參數(shù)值的25%分位數(shù)、中位數(shù)、75%分位數(shù)、標準差進行比較如表4所示 ，剔除隨干擾的增強，值的變動范圍很小或者很大的生物參數(shù)，它們是不適宜用來建立B -IBI 指數(shù)體系的參數(shù)。M1、M6、M10、M15，這些隨干擾增強其值減小的生物指數(shù)，因為其25% 分位數(shù)、中位數(shù)及75% 分位數(shù)的值波動性不大，說明隨干擾增強，可變范圍很窄，其指示信息作用較低，故剔除。然后對其余的12個生物指數(shù)進行下一步的篩選。

表4 16個生物參數(shù)值在參照點中的分布范圍

2.2.2 判別能力分析

使用箱線圖通過計算受損點和參考點的生物參數(shù),在SPSS 統(tǒng)計分析軟件中畫出箱線圖，參考點和受損點箱線圖見圖1。

通過以上原則對12個剩余生物參數(shù)進行分析，選取IQ≥2的生物參數(shù)予以保留，其余的剔除，由圖1可知，M2、M3、M4、M5、M7、M9、M11和M16的IQ≥2，可進入下一篩選。

圖1 12個候選生物參數(shù)在參照點和受損點的箱線圖

2.2.3 相關(guān)性分析

對上述8個生物參數(shù)進行Pearson相關(guān)性分析和檢驗，剔除重復(fù)的信息，保證每一個指數(shù)都能提供一個新的信息。通過SPSS軟件分析得出結(jié)果如表5所示。

表5 8個生物參數(shù)Pearson相關(guān)分析結(jié)果

基于8個生物參數(shù)的相關(guān)分析表5，兩兩均顯著相關(guān)，將參數(shù)M3、M4、M5、M9和M16淘汰。根據(jù)上述生物指數(shù)篩選方法，確定了B -IBI指標組成系統(tǒng)：M2、M7和M11。

2.2.4 指標賦分

根據(jù)參照點的生物完整性指數(shù)(B -IBI)值的計算結(jié)果，將所有參照點的25%分位數(shù)作為界線劃分。例如，計算出的采樣點的B -IBI值大于或等于參考點的25%，則表示該采樣斷面受干擾小，處于健康狀態(tài)。對于低于25%分位數(shù)值的，可進行4個相等的劃分，并且每段代表不同的健康程度。最終可以得到B -IBI指數(shù)體系的評價標準，如表6所示。

表6 螞蟻河上游健康狀況B -IBI指數(shù)評價標準

2.2.5 健康評價

研究螞蟻河上游各采樣斷面健康狀況評價結(jié)果見表7。表7顯示，4個樣點中，共有2個樣點為“健康”、1個樣點為“差”、1個樣點為“極差”。根據(jù)整個調(diào)查期間的結(jié)果來看，斷面一面坡鎮(zhèn)、亞布力鎮(zhèn)處于健康; 斷面尚志市處于極差狀態(tài)；斷面葦河鎮(zhèn)處于差狀態(tài)。根據(jù)各斷面的評價結(jié)果的平均值可以得出，螞蟻河上游總體健康狀況處于一般。而且螞蟻河上游健康狀況具有一定的時空差異性，所以對不同水情期的不同樣點區(qū)域要采取相應(yīng)的治理措施。

表7 螞蟻河上游各采樣斷面健康狀況評價結(jié)果

3 B -IBI評價結(jié)果的影響因素

3.1 參照點和受損點的選取

參照點和受損點的選擇，通常各需數(shù)個樣點(一般需要5～7個，最少不少于3個)開展指標敏感性、穩(wěn)定性和適用性的評價，本次調(diào)查僅選擇1個樣點作為參照點，對指標的敏感性評價可能會有較大的影響。

3.2 螞蟻河B -IBI的構(gòu)建與適用性

本次調(diào)查所有的樣點全部布設(shè)于螞蟻河干流河道，屬于同一類型的河流生態(tài)系統(tǒng)，對源頭溪流的監(jiān)測相對不足；應(yīng)系統(tǒng)考慮河流源頭、中游、上游等不同控制斷面，提高樣點布設(shè)的密度并兼顧不同等級的河流。

本次調(diào)查期選擇7月，是區(qū)域灌溉和水庫調(diào)度的重點時期，河流水量的增加對于底棲動物具有較強的沖刷作用，對水生生物群落有一定的負面影響，考慮到北方河流季節(jié)差異巨大，應(yīng)增加年內(nèi)開展的水生生物監(jiān)測頻次，并避開雨季、水庫調(diào)度期等重要時期。

從底棲動物的監(jiān)測來看，大型底棲動物的生物多樣性相對偏少，可能與本次調(diào)查的樣點偏少，且主要分布于干流有關(guān)。(2009—2010年，與螞蟻河具有較為相似河流長度的太子河監(jiān)測，共調(diào)查發(fā)現(xiàn)了底棲動物130余種)[7]。

4 結(jié) 論

螞蟻河上游B -IBI的研究與構(gòu)建包括三個核心參數(shù)，包括蜉蝣目、毛翅目和襀翅目種類數(shù)、蜉蝣目數(shù)量所占百分比及生物指數(shù)。根據(jù)B -IBI分數(shù)范圍，將所有點位劃分為五個級別，劃分等級為：健康(2.51,5.00]、亞健康(1.89,2.51]、一般(1.26,1.89]、差(0.63,1.26]、極差(0,0.63]。

螞蟻河大型底棲動物生物完整性存在的壓力是水環(huán)境的變化影響生物的生存。螞蟻河尚志段的葦河鎮(zhèn)和尚志市因水質(zhì)較差導(dǎo)致底棲無脊椎動物的生物量減少，其反應(yīng)完整性的BIBI值分別是0.810、0.385，遠低于最佳期望2.510。本次采用B -IBI評價螞蟻河上游健康狀況較好地反映了螞蟻河上游水體狀況。