基于底棲動物完整性指數(shù)的水生態(tài)健康評價
---以雙溪河為例

張陽春

(重慶交通大學國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074)

引言

當前，使用比較廣泛的進行水生態(tài)系統(tǒng)健康程度評價的方法是生物完整性指數(shù)法(indexofbioticintegrity，IBI)[1]。底棲動物作為水生生態(tài)系統(tǒng)中常見的生物類群[2]，具有遷移能力弱、分布范圍廣泛，且多數(shù)種類個體相對較大、易于識別和采集、區(qū)域性強以及不同種類對水質(zhì)污染的耐受力和敏感程度不同的特點[3]。在我國的眾多河流流域已經(jīng)開始廣泛使用底棲動物完整性(B-IBI)進行流域生態(tài)健康程度的評價,在關(guān)于黃山地區(qū)的溪流研究中，就首次使用該方法進行相關(guān)研究[4]。目前，江北區(qū)水生態(tài)環(huán)境保護“十四五”規(guī)劃”從水環(huán)境、水資源、水生態(tài)方面提出常規(guī)指標和親民指標作為“十四五”的規(guī)劃目標。但由于歷史背景資料缺乏，江北區(qū)的水生生物完整性情況尚不清楚，亟需開展調(diào)查論證。

本研究依托于“江北區(qū)典型河流雙溪河的水生生物完整性調(diào)查”前期研究項目，結(jié)合國內(nèi)外河流生態(tài)系統(tǒng)的底棲動物完整性評價指標，構(gòu)建基于雙溪河的底棲動物完整性指數(shù)(B-IBI)，并將其用于對該河段的評價，探討雙溪河底棲動物完整性現(xiàn)狀和評價該水體生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài)，旨在促進底棲動物完整性指數(shù)(B-IBI)在我國支流河段水生態(tài)評價中的應用，為進行環(huán)保政策制定以及相關(guān)方法的進一步完善提供數(shù)據(jù)支撐以及科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域及采樣點設(shè)置

雙溪河位于江北區(qū)寸灘街道，是長江一級支流，入江口毗鄰寸灘傳統(tǒng)風貌區(qū)及寸灘港。流域面積54.05km2，全長16km，多年平均徑流總量0.2億m3，在江北區(qū)境內(nèi)流域面積大于4.64km2，長度2.2km。根據(jù)重慶市江北區(qū)土地利用總體規(guī)劃，雙溪河作為江北區(qū)山水生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的主體，是整個山水大格局的重要部分。然而雙溪河干流目前存在2個城市污水處理廠，根據(jù)現(xiàn)場踏勘設(shè)置S1～S9斷面進行調(diào)查，如圖1。

圖1 采樣點分布示意圖

1.2 數(shù)據(jù)處理與分析

在Excel中統(tǒng)計各采樣點的底棲動物密度及優(yōu)勢種群；Pearson相關(guān)性分析、箱線圖分析在SPSS 20.0中完成；采用Shannon-Wiener指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)研究該河段的底棲動物多樣性。

2 結(jié)果與分析

2.1 雙溪河底棲動物群落組成

獲得底棲動物94個，隸屬于5目，11種。其中，以顫蚓目為主，主要的優(yōu)勢種為霍夫水絲蚓、多毛管水蚓、仙女蟲屬；其次為雙翅目，主要的優(yōu)勢種為花紋前突搖蚊；毛翅目較少，主要的優(yōu)勢種為等翅石蠶。

底棲動物的密度極低，在8～76ind·m-2，平均值為41.77ind·m-2；其中距離污水廠最近的采樣點(S9)底棲動物密度為8ind·m-2，S7、S6樣點底棲動物密度為12ind·m-2，S5樣點底棲動物密度為36ind·m-2，下游S5樣點有少量水草，底棲動物密度較高，為52ind·m-2，下游河口S4、S3、S2、S1，底棲動物密度最高分別為56ind·m-2、60ind·m-2、64ind·m-2、76ind·m-2。

2.2 構(gòu)建雙溪河底棲動物生物完整性指數(shù)(B-IBI)指標體系

2.2.1 參照點的確定

將無人類活動干擾的點位作為參考點[5]。本次調(diào)查結(jié)合渠曉東等[6]的方法。通過對比，符合參照點標準的樣點為雙溪河下游河口處的采樣點S1、S2、S3、S4，其余樣點定義為受損點。

2.2.2 候選生物參數(shù)確定和篩選

根據(jù)相關(guān)研究中所使用的研究方法結(jié)合水系和自身生態(tài)條件，最終決定使用18個常用參數(shù)來進行雙溪河底棲生物完整性指數(shù)構(gòu)建指標。該指標體系能夠反映出當前溪流的生物多樣性、不同生物個體之間的比例以及生物對于污染物的承受能力、環(huán)境質(zhì)量等，進一步進行生態(tài)環(huán)境監(jiān)測以及水質(zhì)量的評價。詳情見表1。

表1 18個候選生物指數(shù)計算方法

由于M2、M4、M11、M14、M15、M16、M17、M18等參數(shù)分布范圍較小，數(shù)據(jù)異常數(shù)據(jù)，進行刪除，剩余10個參數(shù)進入下一步計算。

2.2.3 判別能力分析

對當前所選的10個生物指標進行判別與分析，當前篩選的參數(shù)能夠較好地辨別出生態(tài)環(huán)境中的受損點與參照點。當前研究使用箱線圖進行分析，根據(jù)各個指標的參照點與受損點的25%～75%分位數(shù)范圍的分布情況分別賦予不同的值。對于沒有重疊的IQ賦值3;部分重疊但各自中位數(shù)值都在對方箱體之外的IQ賦值2;僅有1個中位數(shù)值在對方箱體之內(nèi)的IQ賦值1;各自中位數(shù)值都在對方箱體之內(nèi)IQ賦值0。選擇IQ≥2的生物參數(shù)進行下一步分析。最終篩選出M1、M6、M8、M10、M12、M13共6個參數(shù)進入下一步分析。

2.2.4 生物參數(shù)相關(guān)性分析

對保留的生物參數(shù)進行Pearson相關(guān)性分析。當|r|≥0.8時，認為信息間的重疊程度較高，選擇其中1個即可反映出參數(shù)所表達的大部分信息。由Pearson相關(guān)性分析可得之前篩選的6個參數(shù)相關(guān)性中M10和M12相關(guān)性達0.964，保留M10，故最終確定M1、M6、M8、M10、M13共5個參數(shù)用于B-IBI指數(shù)構(gòu)建。

2.2.5 分值計算與B-IBI健康評價標準建立

使用統(tǒng)一量綱對其概念的參數(shù)進行換算。對于干擾強并且數(shù)值低的參數(shù)，使用其在所有樣本中的90%分位數(shù)作為最佳值，其分值為參數(shù)值與最佳值的商；對于干擾強并且數(shù)值高的參數(shù)，使用10%分位數(shù)作為最佳值，計算方法為(最大值-參數(shù)值)/(最大值-最佳值)。所有計算數(shù)值均在0～1，>1的記為1。將所有的參數(shù)進行累加得到各個采樣點的B-IBI值。

所有采樣點的得分實際分布范圍90%分位數(shù)值定義為河流“健康”的標準，共分為5個等級，“極好”(>3.25)、“好”(2.55～3.25)、“一般”(1.70～2.55)、“差”(0.85～1.70)和“極差”(<0.85)。

以評價標準對雙溪河水生態(tài)健康進行初步評估，結(jié)果表明，雙溪河的9個樣點中，僅下游S1、S2、S3、S4、S5健康狀態(tài)較好，S6健康狀態(tài)一般，S7、S8較差，靠近上游污水處理廠處的S9健康狀態(tài)極差。

3 討論

3.1 雙溪河底棲動物群落結(jié)構(gòu)特征

雙溪河底棲動物密度整體較低，平均密度為41.77ind·m-2；在河段尺度上，雙溪河上游靠近污水處理廠的底棲動物分布最為貧瘠，平均密度為8ind·m-2，生物多樣性較低，下游靠近河口處是底棲動物分布的主要區(qū)域，平均密度達64ind·m-2，生物多樣性最高。主要的優(yōu)勢種為寡毛類以及搖蚊類等強耐污群種，其原因可能是上游居住人口增多以及污水處理廠污水排放，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，雙溪河附近有一定規(guī)模的養(yǎng)殖業(yè)，大量含氮、磷的豬糞沼澤液體流入河道內(nèi)，導致水體污染嚴重。區(qū)域污水處理強度不夠，加之沿岸城鎮(zhèn)生活污水匯入，河道內(nèi)流速緩慢，導致上游污染物聚集，TP、CODMn和TN濃度均增高，而這易造成水體缺氧和富營養(yǎng)化，使得群落結(jié)構(gòu)以耐污群種為主。

3.2 雙溪河底棲動物完整性狀況

本研究對雙溪河9個樣點進行了采樣和底棲動物完整性評價，覆蓋了雙溪河上中下游，由底棲動物生物完整性指數(shù)可以很好地反映雙溪河底棲生物狀況。評價結(jié)果顯示，雙溪河底棲動物生物完整性整體處于較差狀態(tài)，呈現(xiàn)下游河口區(qū)域河流健康狀態(tài)好于上游污水處理廠處。主要原因在于雙溪河目前存在一個城市污水處理廠。雙溪河污水處理廠的出水地處雙溪河上游，根據(jù)現(xiàn)場踏勘，城南污水處理廠實際排放量2.2～2.7萬t·d-1，出水水質(zhì)為一級B標。由于污水處理廠出水排放標準較低，出水對雙溪河水質(zhì)造成極大的沖擊。