大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物生物完整性在漣水干流健康評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

喬 祺，石 林，李代軍，趙麗子，劉文博

(湖南省水利水電科學(xué)研究院，長(zhǎng)沙 410007)

1 研究背景

生物完整性指標(biāo)(index of biotic-integrity，IBI)是Karr 率先在評(píng)價(jià)河流中提出的[1]，用于反映水生態(tài)系統(tǒng)的健康程度，隨后英國(guó)、加拿大、澳大利亞、日本等國(guó)學(xué)者相繼進(jìn)行了相關(guān)研究并廣泛應(yīng)用。底棲動(dòng)物是水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其分布范圍相對(duì)穩(wěn)定，生命周期長(zhǎng)，對(duì)于水質(zhì)變化較為敏感。因此，對(duì)評(píng)價(jià)水生態(tài)水環(huán)境具有較強(qiáng)的代表性[2]，近年來(lái)逐步被用于評(píng)價(jià)河流生態(tài)環(huán)境健康程度。

我國(guó)學(xué)者對(duì)此也進(jìn)行了較多探索。馬陶武[3]等篩選出7個(gè)底棲動(dòng)物生物指數(shù)，可以用作判別太湖水質(zhì)的敏感生物指數(shù)，并獲得太湖水質(zhì)的基本生態(tài)分區(qū)現(xiàn)狀，證明該水質(zhì)生物基準(zhǔn)基本適合評(píng)價(jià)太湖不同區(qū)域的水質(zhì)狀況。戴紀(jì)翠[4]等從生態(tài)系統(tǒng)健康的概念入手，對(duì)底棲動(dòng)物尤其是大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物在生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)中的作用進(jìn)行了分析和總結(jié)。曹艷霞[5]等通過(guò)研究漓江底棲無(wú)脊椎動(dòng)物狀況，建立了適合漓江的生物完整性指數(shù)，進(jìn)而評(píng)價(jià)漓江流域內(nèi)水質(zhì)健康狀況。周波[6]等對(duì)南廣河流域生物完整性指數(shù)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。盛蕭[7]等基于底棲無(wú)脊椎動(dòng)物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用構(gòu)建的B-IBI對(duì)東江流域的主要干支流進(jìn)行健康評(píng)估。林羅敏[8]等對(duì)流溪河底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用比值法計(jì)算各生物指數(shù)，并對(duì)各指數(shù)值加和得B-IBI指數(shù)值，證明了人類(lèi)活動(dòng)程度對(duì)底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)影響較大。陳志寧[9]等構(gòu)建了以軟體動(dòng)物分類(lèi)單元、優(yōu)勢(shì)分類(lèi)單元個(gè)體相對(duì)豐度、BMWP共3個(gè)指標(biāo)為基礎(chǔ)的大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物生物完整性評(píng)價(jià)體系，并對(duì)北塘河、三井河、澡港河、柴支浜河、通濟(jì)河的水生態(tài)健康進(jìn)行評(píng)價(jià)。崔文彥[10]等使用大型底棲動(dòng)物完整性指數(shù)，對(duì)漳河上游水生態(tài)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

由于不同地區(qū)地貌、氣候、水文條件存在差異，每個(gè)流域需篩選特定適宜的評(píng)價(jià)參數(shù)。目前，底棲無(wú)脊椎動(dòng)物生物完整性在湖南省河湖健康評(píng)價(jià)中的應(yīng)用甚少，科學(xué)的評(píng)價(jià)依據(jù)和評(píng)價(jià)體系尚未形成。本文以湖南省省級(jí)河流漣水干流為研究案例，篩選核心評(píng)價(jià)參數(shù)，建立大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物生物完整性(B-IBI)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，對(duì)漣水干流生態(tài)健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

漣水干流全長(zhǎng)224 km，流域面積7 155 km2，多年平均流量 138.4 m3/s，河流坡降0.46‰，支流眾多，有河長(zhǎng)5 km以上各級(jí)支流148條。漣水是湖南省內(nèi)湘江左岸的一級(jí)支流，位于湘江下游，發(fā)源于新邵縣觀音山南麓，流經(jīng)漣源市、婁星區(qū)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)，經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)梨頭咀匯合孫水進(jìn)入湘鄉(xiāng)市境內(nèi)注入水府廟水庫(kù)，出水庫(kù)后進(jìn)入婁底市雙峰縣境內(nèi)，出雙峰縣再次進(jìn)入湘鄉(xiāng)市范圍，于湘潭縣河口鎮(zhèn)的東北部匯入湘江。

2 研究方法

2.1 樣品采集、處理與分析方法

底棲動(dòng)物密度和生物量檢測(cè)方法見(jiàn)表1。

表1 漣水干流監(jiān)測(cè)項(xiàng)目檢測(cè)方法

具體操作流程主要包括：

1) 樣品采集。底棲動(dòng)物樣品的采集因水體狀況而定，湖泊或深水河流采用1/16 m2彼得森底泥采集器采集樣品。淺水區(qū)域或者小型河流，底質(zhì)多為卵石、礫石，則用D形網(wǎng)(kick-net)或手抄網(wǎng)進(jìn)行樣品的采集。

2) 樣品處理和保存。洗滌和分揀：泥樣倒入塑料盆中，對(duì)底泥中的礫石要仔細(xì)刷下附著底棲動(dòng)物，經(jīng)60目分樣篩篩選后揀出大型動(dòng)物，剩余雜物全部裝入塑料袋中，加少許清水帶回室內(nèi)，在白色解剖盤(pán)中用細(xì)吸管、尖嘴鑷、解剖針?lè)謷１４妫很涹w動(dòng)物用5%甲醛試劑或75%乙醇試劑溶液；水生昆蟲(chóng)用5%甲醛試劑固定數(shù)小時(shí)后再用75%乙醇試劑保存；寡毛類(lèi)先放入加清水的培養(yǎng)皿中，并緩緩滴數(shù)滴75%乙醇試劑麻醉，待其身體完全舒展后再用5%甲醛試劑固定，75%乙醇試劑保存。

3) 計(jì)量和鑒定。計(jì)量：按種類(lèi)計(jì)數(shù)(損壞標(biāo)本一般只統(tǒng)計(jì)頭部)，再換算成ind./m2。軟體動(dòng)物用電子稱(chēng)稱(chēng)重，水生昆蟲(chóng)和寡毛類(lèi)用扭力天平稱(chēng)重，再換算成mg/m2。鑒定：軟體動(dòng)物鑒定到種，水生昆蟲(chóng)(除搖蚊幼蟲(chóng))至少到科；寡毛類(lèi)和搖蚊幼蟲(chóng)至少到屬。

4) 密度計(jì)算。底棲動(dòng)物實(shí)測(cè)個(gè)體總數(shù)量除以采樣總面積，即可得該種類(lèi)的棲息密度(ind./m2)。

5) 生物量計(jì)算。底棲動(dòng)物實(shí)測(cè)總重量除以采樣總面積，即可得該種類(lèi)的生物量(g/m2)。

2.2 參考點(diǎn)選擇

大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物釆樣監(jiān)測(cè)方案根據(jù)漣水干流流經(jīng)區(qū)域水生態(tài)情況確定，釆樣點(diǎn)包括不同程度人類(lèi)活動(dòng)干擾影響的區(qū)域，其中無(wú)明顯人為活動(dòng)影響的釆樣點(diǎn)作為參考點(diǎn)，明顯受到人為活動(dòng)影響的釆樣點(diǎn)作為受損點(diǎn)。

2.3 候選參數(shù)

備選參數(shù)包括能充分反映大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物物種多樣性、豐富性、群落結(jié)構(gòu)組成、耐污能力、功能攝食類(lèi)群和生活型等類(lèi)型的參數(shù)。參照現(xiàn)有研究成果，確定16個(gè)參數(shù)為大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物完整性指數(shù)的備選參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物完整性指數(shù)備選參數(shù)

2.4 評(píng)價(jià)參數(shù)篩選

對(duì)16個(gè)備選參數(shù)進(jìn)行分布范圍檢驗(yàn)、判別能力分析、冗余度分析，篩選并淘汰不能充分反映水生態(tài)系統(tǒng)受損情況的參數(shù)。

1) 分布范圍檢驗(yàn)。淘汰樣點(diǎn)中分布范圍過(guò)窄或存在零值過(guò)多、不具有評(píng)價(jià)代表性的參數(shù)。

2) 判別能力分析。分別比較參考點(diǎn)和受損點(diǎn)各備選參數(shù)箱體IQ(25%分位數(shù)至75%分位數(shù)之間)的重疊程度，箱體沒(méi)有重疊或有部分重疊，但各自中位數(shù)均在對(duì)方箱體范圍之外的參數(shù)視為有較強(qiáng)的判別能力，保留并作下一步分析。

3) 冗余度分析。對(duì)剩余參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，當(dāng)參數(shù)之間相關(guān)系數(shù)|r|>0.7時(shí)，保留其中一個(gè)最具代表性的參數(shù)，其余淘汰，最大限度地保證各參數(shù)的獨(dú)立性。

2.5 B-IBI指數(shù)及分值計(jì)算

1) 釆用比值法來(lái)統(tǒng)一各入選參數(shù)的量綱。具體操作流程如下：①對(duì)于外界壓力響應(yīng)下降或減少的參數(shù)，以所有樣點(diǎn)由高到低排序的5%的分位數(shù)作為最佳期望值，該參數(shù)的分值等于參數(shù)實(shí)際值除以最佳期望值。②對(duì)于外界壓力響應(yīng)增加或上升的參數(shù)，以95%的分位值作為最佳期望值，該參數(shù)的分值等于(最大值-實(shí)際值)/(最大值-最佳期望值)。

2) 計(jì)算B-IBI指數(shù)。將各評(píng)價(jià)參數(shù)的分值算數(shù)平均，得到B-IBI指數(shù)值。以參考點(diǎn)樣點(diǎn)B-IBI值由高到低排序，取25%分位數(shù)作為最佳期望值。

3) 計(jì)算B-IBI分值。參考水利部《河湖健康評(píng)價(jià)指南(試行)》[11]，大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物生物完整性指數(shù)分值通過(guò)參考點(diǎn)和受損點(diǎn)狀況進(jìn)行計(jì)算。按照式(1)和表3計(jì)算B-IBI分值，公式如下：

(1)

式中：BIBIS為大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物生物完整性指數(shù)分值；BIBIO為大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物生物完整性指數(shù)監(jiān)測(cè)值；BIBLE為大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物生物完整性指數(shù)最佳期望值。

大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物生物完整性指數(shù)指標(biāo)百分制賦分見(jiàn)表3，可通過(guò)插值計(jì)算獲取百分制分?jǐn)?shù)值。

表3 大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物生物完整性指數(shù)百分制賦分表

3 應(yīng)用結(jié)果

3.1 采樣點(diǎn)布設(shè)及監(jiān)測(cè)

漣水干流共布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位17處，位置見(jiàn)圖1。經(jīng)過(guò)綜合對(duì)比，選擇水質(zhì)良好、受人類(lèi)活動(dòng)干預(yù)較小的第1、第7、第10號(hào)3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位為參考點(diǎn)，其余14個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為受損點(diǎn)。

通過(guò)監(jiān)測(cè)采樣發(fā)現(xiàn)，漣水干流底棲動(dòng)物優(yōu)勢(shì)種有6種，分別為軟體動(dòng)物門(mén)的環(huán)棱螺(Bellamya sp.)(Y=0.125)、方格短溝蜷(Simisulcospira cancellata)(Y=0.021)、蘿卜螺(Radix sp.)(Y=0.057)，節(jié)肢動(dòng)物中的四節(jié)蜉(Baetis sp.)(Y=0.029)、多距石蛾科(Polycentropodidae sp.)(Y=0.022)、溪泥甲(Elmididae sp.)(Y=0.057)、直突搖蚊(Orthocladius sp.)(Y=0.023)。漣水干流底棲動(dòng)物平均密度286.9 ind./L，以節(jié)肢動(dòng)物為主；平均生物量94.099 ind./L，以軟體動(dòng)物占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)為主，軟體動(dòng)物的生物量占比在96%以上。

圖1 漣水干流監(jiān)測(cè)點(diǎn)位圖

參考點(diǎn)及受損點(diǎn)的16個(gè)備選參數(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 參考點(diǎn)及受損點(diǎn)備選參數(shù)數(shù)據(jù)表

續(xù)表4

3.2 評(píng)價(jià)過(guò)程及結(jié)果分析

1) 分布范圍檢驗(yàn)。由表4可知，襀翅目分類(lèi)單元數(shù)、毛翅目分類(lèi)單元數(shù)、蜉蝣目毛翅目和襀翅目個(gè)體數(shù)百分比、蜉蝣目個(gè)體數(shù)百分比等4個(gè)參數(shù)變化范圍過(guò)小，箱體IQ小于2，對(duì)參與評(píng)價(jià)過(guò)程沒(méi)有明顯意義且可能影響評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確度，特別是襀翅目分類(lèi)單元數(shù)，其參考點(diǎn)和受損點(diǎn)值均為常數(shù)，故淘汰該4個(gè)參數(shù)。

2) 判別能力分析。將剩余的12個(gè)參數(shù)，作出參考點(diǎn)與受損點(diǎn)箱體(25%分位數(shù)至75%分位數(shù)之間)對(duì)比圖，見(jiàn)圖2。搖蚊類(lèi)個(gè)體數(shù)百分比和刮食者個(gè)體數(shù)百分比兩個(gè)參數(shù)，其參考點(diǎn)與受損點(diǎn)箱體部分重疊，但各自中位數(shù)均在對(duì)方箱體范圍之外，符合判別能力篩選標(biāo)準(zhǔn)；其余10個(gè)參數(shù)，參考點(diǎn)與受損點(diǎn)箱體部分重疊，且各自中位數(shù)至少有一個(gè)在對(duì)方箱體范圍之內(nèi)，不符合判別能力篩選標(biāo)準(zhǔn)。故僅保留搖蚊類(lèi)個(gè)體數(shù)百分比和刮食者個(gè)體數(shù)百分比兩個(gè)參數(shù)。

圖2 參考點(diǎn)及受損點(diǎn)備選參數(shù)分布箱圖

3) 冗余度分析。剩余參數(shù)為搖蚊類(lèi)個(gè)體數(shù)百分比和刮食者個(gè)體數(shù)百分比，將二者進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)表5。該二參數(shù)相關(guān)系數(shù)|r|<0.7，故可繼續(xù)保留，即最終核心評(píng)價(jià)參數(shù)為搖蚊類(lèi)個(gè)體數(shù)百分比和刮食者個(gè)體數(shù)百分比。

表5 備選參數(shù)相關(guān)性分析表

4) 評(píng)價(jià)分值計(jì)算。根據(jù)2.4節(jié)所述評(píng)價(jià)參數(shù)分值計(jì)算方法，搖蚊類(lèi)個(gè)體數(shù)百分比屬對(duì)于外界壓力響應(yīng)增加參數(shù)，其最佳期望值為0；刮食者個(gè)體數(shù)百分比屬對(duì)于外界壓力響應(yīng)減小參數(shù)，其最佳期望值為0.87。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位B-IBI指數(shù)值見(jiàn)表6，漣水干流綜合B-IBI指數(shù)值為17個(gè)點(diǎn)的B-IBI平均值0.443。

表6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)B-IBI指數(shù)計(jì)算表

續(xù)表6

取3個(gè)參考點(diǎn)B-IBI指數(shù)值由高到低排序的25%分位數(shù)為最佳期望值BIBIE，為0.764。BIBIS=0.443/0.764=0.580。依據(jù)水利部《河湖健康評(píng)價(jià)指南(試行)》，大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物生物完整性賦分通過(guò)表3 插值計(jì)算轉(zhuǎn)化為百分制，得分為67.5分。總體而言，生物完整性較弱，水生態(tài)質(zhì)量有待提升。

4 結(jié) 論

河流生態(tài)健康評(píng)價(jià)是查找河湖管理保護(hù)短板和問(wèn)題、加強(qiáng)生態(tài)文明建設(shè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)，生物完整性是評(píng)估河流生態(tài)完整性的重要構(gòu)成指標(biāo)。本研究基于大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物生物完整性，篩選B-IBI核心參數(shù)搖蚊類(lèi)個(gè)體數(shù)百分比和刮食者個(gè)體數(shù)百分比，對(duì)漣水干流生態(tài)完整性及河流健康狀況進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，漣水干流總體而言生物完整性較弱，生物群落對(duì)水環(huán)境的協(xié)調(diào)不足。建議對(duì)漣水水生生物狀況進(jìn)行全面評(píng)估，建立水生生物多樣性觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，因地制宜實(shí)施生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)措施，優(yōu)化保護(hù)體系，并加大執(zhí)法和監(jiān)督檢查力度，提升生物多樣性保護(hù)公眾參與程度。