海河流域河流大型底棲動(dòng)物生物完整性指數(shù)健康評(píng)價(jià)

趙燕楚，王菲，吳丹，黃鑫,3，陳佳林，周琳普，孔凡青*

1. 生態(tài)環(huán)境部海河流域北海海域生態(tài)環(huán)境監(jiān)督管理局生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與科學(xué)研究中心，天津 300170；2. 河北省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，河北 石家莊 050037；3. 天津農(nóng)學(xué)院，天津 300392

生物完整性指數(shù)（Index of Biotic Integrity，IBI）依據(jù)多個(gè)生物參數(shù)綜合反映水體生物學(xué)狀況，突破了單一生物指數(shù)或單一生物群評(píng)價(jià)水環(huán)境質(zhì)量的局限性，能更好地從生態(tài)系統(tǒng)角度反映河流健康狀況，是目前水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)中應(yīng)用最廣泛的指標(biāo)之一（Karr，1981；王備新等，2006）。生物完整性指數(shù)的指示生物包括魚類、大型底棲動(dòng)物、浮游生物、著生藻類、水生植物、微生物等類群（Barbour et al.，1996；Beck et al.，2010；殷旭旺等，2011；Wu et al.，2012；鄧明星等，2018；蘇瑤等，2019）。其中，大型底棲動(dòng)物是水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的一個(gè)重要指示生物。大型底棲動(dòng)物是水生態(tài)系統(tǒng)的消費(fèi)者，在物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)中發(fā)揮重要作用。該類群在水體中普遍存在，對(duì)水質(zhì)污染、環(huán)境變化等反應(yīng)靈敏；具有較高的物種多樣性和較弱的遷移能力，能夠反映長(zhǎng)期的環(huán)境變化（Chi et al.，2017）。此外，由于水體受到捕撈、取水、水庫(kù)作業(yè)和其他人類活動(dòng)的干擾，大型底棲動(dòng)物比魚類或浮游生物等受到影響小，更適合評(píng)價(jià)河流健康狀況（Helson et al.，2013）。

國(guó)內(nèi)外利用大型底棲動(dòng)物生物完整性指數(shù)（Benthic Index of Biotic Integrity，B-IBI）評(píng)估河流水生態(tài)系統(tǒng)健康的研究較多。Kerans et al.（1994）最早基于B-IBI 對(duì)美國(guó)田納西河流域進(jìn)行健康評(píng)價(jià)。Barbour et al.（1996）利用B-IBI 對(duì)美國(guó)佛羅里達(dá)州的溪流進(jìn)行了評(píng)估。Weigel et al.（2002）開發(fā)一種基于大型底棲動(dòng)物的IBI，用于保護(hù)和恢復(fù)墨西哥中西部河流。中國(guó)關(guān)于大型底棲動(dòng)物生物完整性指數(shù)相關(guān)研究已在遼河、淮河、海河、東江、渾河、贛江等流域有過(guò)報(bào)道（張遠(yuǎn)等，2007；張穎等，2014；付嵐等，2018；黃彬彬等，2020；張宇航等，2020）。由于不同流域的自然狀況及人類干擾程度不同，導(dǎo)致生物區(qū)系差異較大，因此生物完整性評(píng)價(jià)方法需要分別構(gòu)建。

海河流域地跨京津冀及周邊省份，人口密集，大中城市眾多，是中國(guó)政治、文化中心和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，其水生態(tài)健康狀況對(duì)京津冀一體化發(fā)展有著重要意義。目前海河流域已經(jīng)開展利用B-IBI 進(jìn)行河流健康評(píng)價(jià)的研究，主要集中在永定河、大清河、灤河、漳河等子流域，而對(duì)海河流域全流域河流健康狀況的研究卻鮮有報(bào)道（孔凡青等，2018；崔文彥等，2019；田鵬等，2019；許維等，2020）。本研究應(yīng)用B-IBI 指數(shù)評(píng)價(jià)海河流域河流的水生態(tài)健康狀況，以期為海河流域水生態(tài)保護(hù)恢復(fù)和綜合管理提供理論和數(shù)據(jù)支持。

1 研究方法

1.1 區(qū)域概況

海河流域位于112—120°E、35—43°N 之間，東臨渤海，南界黃河，西靠云中、太岳山，北依蒙古高原。行政區(qū)劃包括北京、天津兩直轄市全部，河北省大部分地區(qū)，山西省東部，河南省、山東省北部，內(nèi)蒙古自治區(qū)和遼寧省一小部分（孫鵬程等，2022）。海河流域總面積32.1×104km2，占全國(guó)面積的3.3%。總體地勢(shì)呈西北高、東南低，地貌劃分為內(nèi)蒙古高原、華北山地和海河平原3 個(gè)區(qū)。流域?qū)儆跍貛О霛駶?rùn)、半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年內(nèi)四季分明，寒暖適中，日照充足。多年平均氣溫在1.5—14 ℃，由南往北和由平原向山地降低。多年平均降雨量為527 mm，降雨時(shí)空分布呈明顯的地帶性、季節(jié)性和年際差異。流域水系主要由灤河水系、北三河系、永定河系、大清河系、子牙河系、漳衛(wèi)河系、徒駭馬頰水系組成，從南到北呈扇形分布，水系分散、河系復(fù)雜、支流眾多。

1.2 大型底棲動(dòng)物樣品采集和分析

2020年5—10月完成了流域內(nèi)大型底棲動(dòng)物樣品采集，采樣點(diǎn)共計(jì)39 個(gè)，各采樣點(diǎn)的信息見圖1。在水深小于30 cm 的采樣點(diǎn)，將網(wǎng)徑為40 目（孔徑為0.425 mm）、采樣面積為0.09 m2的索伯網(wǎng)置于河床，攪動(dòng)采樣框內(nèi)底質(zhì)，并將框內(nèi)石頭上的大型底棲動(dòng)物刷入網(wǎng)內(nèi)。在水深大于30 cm 的采樣點(diǎn)，利用體積為1/40 m3的彼得森采泥器，進(jìn)行樣品采集。所有樣品用40 目篩網(wǎng)沖洗后在白瓷盤中進(jìn)行分類挑選，將肉眼可見的大型底棲動(dòng)物放入樣品瓶中，加入95%乙醇溶液固定。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，在解剖鏡和顯微鏡下進(jìn)行鑒定和計(jì)數(shù)，所有樣品盡可能鑒定到最低的分類單元（劉月英，1979；Morse et al.，1994；王俊才等，2011）。

圖1 海河流域采樣點(diǎn)分布示意圖Figure 1 Distribution of sampling sites in Haihe River Basin

1.3 水質(zhì)理化特征與生境質(zhì)量評(píng)價(jià)

使用YSI 多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀對(duì)pH、水溫（WT）、溶解氧（DO）、電導(dǎo)率（Cond）、濁度（Tur）進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。采集水樣，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法（第4 版）》測(cè)定氨氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）、五日生化需氧量（BOD5）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、化學(xué)需氧量（COD）等指標(biāo)。水質(zhì)理化指標(biāo)的評(píng)價(jià)依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）。

生境質(zhì)量評(píng)價(jià)主要參考鄭丙輝等（2007）提出的棲息地評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，包括底質(zhì)、棲息地復(fù)雜性、流速-深度結(jié)合特性、河岸穩(wěn)定性、河道變化、河水水量狀況、植被多樣性、水質(zhì)狀況、人類活動(dòng)強(qiáng)度、河岸土地利用類型等10 個(gè)參數(shù)。每個(gè)參數(shù)評(píng)分范圍為0—20 分，將分?jǐn)?shù)累加，得到最終的生境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果。

1.4 B-IBI 評(píng)價(jià)體系建立

1.4.1 參照點(diǎn)的篩選

參照點(diǎn)指未受到人類活動(dòng)干擾或輕度人類活動(dòng)干擾的采樣點(diǎn)。由于海河流域人口密集，人為干擾嚴(yán)重，選擇無(wú)干擾樣點(diǎn)或者干擾極小樣點(diǎn)作為參照點(diǎn)很困難。本研究參考周瑩等（2013）提出的參照點(diǎn)篩選標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合海河流域的實(shí)際情況：1）水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)在Ⅱ類及以上；2）生境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果≥120分；3）周圍無(wú)強(qiáng)人類活動(dòng)干擾且無(wú)密集的農(nóng)田、建筑和工業(yè)用地。按照上述原則最終確定了下交漳、黃花營(yíng)、白羊墅、灤縣大橋、馬邑、古北口、上二道河子、大沙地、王林口9 個(gè)點(diǎn)位為參照點(diǎn)，其余的30 個(gè)點(diǎn)位為受損點(diǎn)。

1.4.2 候選參數(shù)的篩選及分布范圍

依據(jù)本研究的調(diào)查數(shù)據(jù)，參考相關(guān)的研究成果（慕林青等，2018），分別從群落豐富度、個(gè)體數(shù)量比例、生物耐污能力、營(yíng)養(yǎng)級(jí)組成以及多樣性5個(gè)方面選取21 個(gè)指標(biāo)作為候選指標(biāo)體系（表1）。計(jì)算參照點(diǎn)中候選參數(shù)的分布范圍，篩除以下兩類參數(shù)：1）隨干擾增強(qiáng)值變化范圍很小的參數(shù)，不易準(zhǔn)確區(qū)分受不同干擾程度的水體，不適于參與構(gòu)建B-IBI 指標(biāo)體系；2）如果指標(biāo)值的標(biāo)準(zhǔn)差大，說(shuō)明該值分布比較散，也不適于參與構(gòu)建B-IBI 指標(biāo)體系。

表1 海河流域B-IBI 候選參數(shù)及在參照點(diǎn)中的分布范圍Table 1 Candidate metrics of B-IBI in Haihe River Basin and distribution in reference sites

1.4.3 判別能力分析

根據(jù)Barbour et al.（1996）的評(píng)價(jià)方法，每個(gè)指標(biāo)的靈敏度依據(jù)箱線圖參照點(diǎn)和受損點(diǎn)的25%—75%分位數(shù)范圍即箱體IQ（interquartile ranges）重疊情況進(jìn)行判斷，分別賦予不同的值。參照點(diǎn)和受損點(diǎn)的箱體沒有重疊，IQ=3；箱體部分重疊，各自中位數(shù)都在對(duì)方箱體之外，IQ=2；箱體部分重疊，僅有1 個(gè)中位數(shù)在對(duì)方箱體之外，IQ=1；2 個(gè)中位數(shù)均在對(duì)方箱體之內(nèi)，IQ=0。篩選IQ≥2 的指數(shù)進(jìn)行下一步分析。

1.4.4 相關(guān)性分析

對(duì)判別能力分析后的指標(biāo)進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析，檢驗(yàn)各參數(shù)所反映信息的獨(dú)立性，相關(guān)系數(shù)r的絕對(duì)值大于0.75 的兩個(gè)指標(biāo)保留一個(gè)即可。

1.4.5 B-IBI 指標(biāo)的計(jì)算及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

經(jīng)相關(guān)性分析后保留的指標(biāo)統(tǒng)一量綱，使用的比值法對(duì)參數(shù)進(jìn)行記分。對(duì)于干擾越強(qiáng)而值越低的指標(biāo)，指標(biāo)分值為實(shí)際值除以95%分位數(shù)值；對(duì)干擾越強(qiáng)而值越高的指標(biāo)，指標(biāo)分值為(最大值-實(shí)際值)/(最大值-5%分位數(shù)值)。各評(píng)價(jià)指標(biāo)分值的分布范圍為0—1，若大于1，則記為1。

將各指標(biāo)的分值相加得到每個(gè)點(diǎn)位的B-IBI值。以參照點(diǎn)B-IBI 值分布的25%分位數(shù)值作為健康評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)小于25%分位數(shù)值的分布范圍進(jìn)行4 等分，確定了海河流域的B-IBI 指數(shù)5 個(gè)等級(jí)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

用Excel 進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理，用Origin Pro 8.5軟件進(jìn)行判別能力分析，用SPSS 23.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。優(yōu)勢(shì)度公式如下：

式中：

Y——物種的優(yōu)勢(shì)度；

fi——第i種物種出現(xiàn)的頻率；

ni——種i的個(gè)體數(shù)；

N——所有種的個(gè)體總和。大型底棲動(dòng)物優(yōu)勢(shì)度大于或等于0.02 種類為優(yōu)勢(shì)種（Mcnaughton，1967）。

2 結(jié)果

2.1 大型底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)組成

2020 年海河流域內(nèi)河流共采集到大型底棲動(dòng)物106 個(gè)分類單元（以下稱為 “種”），隸屬于4 門8 綱20 目50 科。扁形動(dòng)物門1 綱1 目1 科1 種，占物種總數(shù)的0.9%；環(huán)節(jié)動(dòng)物門3 綱5 目5 科6種，占物種總數(shù)的5.7%；軟體動(dòng)物門2 綱4 目7科12 種，占物種總數(shù)的11.3%；節(jié)肢動(dòng)物門種類最多，包含2 綱10 目37 科87 種，其中昆蟲綱8 目34 科83 種，占物種總數(shù)的78.3%，甲殼綱2 目3科4 種，占物種總數(shù)的3.8%。中華齒米蝦（Caridina denticulatesinensis）、逸仙麗翅蜉（Alainitesyixiani）、搖蚊屬一種（Chironomussp.）、斑點(diǎn)小劃蝽（Micronectaguttata）為流域內(nèi)的優(yōu)勢(shì)種。

大型底棲動(dòng)物密度范圍在3.3—1 376 ind·m-2，平均值為297 ind·m-2，節(jié)肢動(dòng)物門密度占比最高為84.7%，軟體動(dòng)物門和環(huán)節(jié)動(dòng)物門分別占總密度的11.0%和4.2%，扁形動(dòng)物門密度占比最低為0.2%。

2.2 B-IBI 指數(shù)評(píng)價(jià)體系

2.2.1 生物參數(shù)分布范圍

計(jì)算21 個(gè)候選指數(shù)在9 個(gè)參照點(diǎn)的分布情況（表1），M2 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差較大，不適合構(gòu)建指標(biāo)體系；M3、M5、M10 3 個(gè)指標(biāo)隨干擾增強(qiáng)，指標(biāo)值的變化范圍較小，同樣不適合構(gòu)建指標(biāo)體系。對(duì)剩余的17 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

2.2.2 判別能力分析

對(duì)剩余的17 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行箱線圖分析（圖2），M1、M8、M14、M15、M18 和M21 共6 個(gè)指標(biāo)的IQ≥2。

圖2 17 個(gè)候選參數(shù)在參照點(diǎn)和受損點(diǎn)的箱線圖Figure 2 Box plots of 17 candidate metrics in reference and impaired sites

對(duì)上述6 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析（表2）。結(jié)果表明M1 與M14 之間呈顯著相關(guān)，M1為表現(xiàn)物種豐富程度的指標(biāo)，M14 為表現(xiàn)生物耐污能力的指標(biāo)，考慮物種豐富程度部分其他指標(biāo)都已剔除，因此保留M1。M8、M18、M21 之間呈顯著相關(guān)，M8 為表現(xiàn)個(gè)體數(shù)量比例的指標(biāo)，M18 和M21為表現(xiàn)物種多樣性的指標(biāo)，M18 包含的信息較多，予以保留。M15 與其它指標(biāo)沒有顯著相關(guān)性，保留該指標(biāo)。因此，構(gòu)成B-IBI 指標(biāo)體系的參數(shù)共3 個(gè)，分別為M1、M15、M18。

表2 6 個(gè)候選參數(shù)之間的Pearson 相關(guān)分析結(jié)果Table 2 Pearson correlation analysis of 6 candidate metrics

2.2.3 海河流域B-IBI 健康評(píng)價(jià)

構(gòu)成B-IBI 指標(biāo)體系的3 個(gè)指標(biāo)分值的計(jì)算公式見表3，將各指標(biāo)的分值相加得到B-IBI 值，海河流域評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表3 核心參數(shù)計(jì)算公式Table 3 Calculation formula of core parameters

表4 海河流域評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Criteria of B-IBI in Haihe River Basin

海河流域評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，B-IBI 值平均得分為1.86，健康狀況為良好。39 個(gè)采樣點(diǎn)中（圖3），處于健康狀態(tài)有13 個(gè)，占33.3%；處于良好狀態(tài)有12 個(gè)，占30.8%；處于一般狀態(tài)有10 個(gè)，占25.6%；處于較差狀態(tài)有3 個(gè)，占7.7%；處于很差狀態(tài)有1個(gè)，占2.6%。

圖3 海河流域B-IBI 評(píng)價(jià)結(jié)果Figure 3 B-IBI evaluation results of Haihe River Basin

3 討論

3.1 參照點(diǎn)位的選取

B-IBI 是一個(gè)區(qū)域指標(biāo)，通過(guò)比較群落結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀和參考狀態(tài)，分析和監(jiān)測(cè)人為干擾對(duì)大型底棲生物群落結(jié)構(gòu)影響。因此，參照點(diǎn)的選取對(duì)B-IBI 評(píng)價(jià)至關(guān)重要。理論上參照點(diǎn)應(yīng)當(dāng)是沒有受到人類活動(dòng)干擾的點(diǎn)位。海河流域長(zhǎng)期受人類活動(dòng)的影響，找到完全沒有干擾的參照點(diǎn)是非常困難的，我們選擇受干擾程度最小的點(diǎn)作為參照點(diǎn)。根據(jù)已有的研究報(bào)道，水質(zhì)、物理?xiàng)⒌睾屯恋乩媚Ｊ绞亲钪匾膮⒖键c(diǎn)篩選指標(biāo)，水質(zhì)參數(shù)表明營(yíng)養(yǎng)物富集和有機(jī)污染情況，物理?xiàng)⒌靥卣饔绊懘笮偷讞珓?dòng)物的多樣性和豐度，土地利用模式反映潛在的非點(diǎn)源污染（Whittier et al.，2007；Huang et al.，2014）。Maxted et al.（2000）對(duì)大西洋中部沿海平原溪流評(píng)價(jià)、Mereta et al.（2013）評(píng)估埃塞俄比亞西南部自然濕地等均采用了這3 個(gè)指標(biāo)篩選參照點(diǎn)。本研究在此基礎(chǔ)上參照周瑩等（2013）提出的篩選標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)水體水質(zhì)等級(jí)、棲息地質(zhì)量評(píng)價(jià)、人類干擾強(qiáng)度以及河岸帶土地利用情況，盡可能確定相對(duì)環(huán)境較好的參照點(diǎn)位。國(guó)內(nèi)關(guān)于B-IBI 的許多研究工作均參照此標(biāo)準(zhǔn)化參照點(diǎn)篩選方法，如灤河流域、永定河、渾太河流域、鄱陽(yáng)湖等（渠曉東等，2012；慕林青等，2018；田鵬等，2019；游清徽等，2019）。

本研究選取的9 個(gè)參照點(diǎn)位普遍位于山區(qū)及河流的上游區(qū)域，具有較好的自然流量，污染水平較低。從B-IBI 評(píng)價(jià)結(jié)果看（圖4），參照點(diǎn)位均處于健康和良好狀態(tài)；參照點(diǎn)位和受損點(diǎn)位的箱線圖箱體沒有重疊，生物狀態(tài)可以明顯區(qū)分，說(shuō)明選取的參照點(diǎn)是可行的。

圖4 參照點(diǎn)和受損點(diǎn)B-IBI 箱線圖Figure 4 Box plots of B-IBI in reference and impaired sites

3.2 海河流域河流健康

利用B-IBI 指標(biāo)體系評(píng)價(jià)河流的健康狀況，可反映不同類型人為活動(dòng)對(duì)河流的綜合干擾狀況。人為干擾越強(qiáng)，B-IBI 指數(shù)越低；人為干擾越弱，B-IBI指數(shù)越高。B-IBI 指數(shù)對(duì)海河流域河流健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明海河流域整體呈現(xiàn)良好狀態(tài)。北部和西部山區(qū)普遍呈現(xiàn)健康或良好狀態(tài)，部分點(diǎn)位呈現(xiàn)一般狀態(tài)；南部平原地區(qū)呈現(xiàn)一般和較差狀態(tài)。北部和西部山區(qū)大部分為河流源頭，海拔較高，地形起伏大，不適宜人類活動(dòng)，工業(yè)化程度低，工農(nóng)業(yè)排放污水較少，因而生境狀況較好，大型底棲動(dòng)物種類較多，群落結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。平原區(qū)大中城市較多，人口較密集，人類活動(dòng)干擾強(qiáng)度較大，生境狀況較差，大型底棲動(dòng)物種類較少且以耐污染的類群為主。

郝利霞等（2014）利用大型底棲動(dòng)物研究發(fā)現(xiàn)海河流域河流生物完整性整體較差，與本研究結(jié)果有差異。一方面可能與點(diǎn)位設(shè)置差異有關(guān)，本研究大部分點(diǎn)位位于山區(qū)，而郝利霞（2014）等研究結(jié)果在平原區(qū)設(shè)置點(diǎn)位較多。整體來(lái)看，山區(qū)河流健康狀況好于平原地區(qū)。另一方面可能與采樣時(shí)間相差較大有關(guān)，郝利霞等（2014）采樣時(shí)間為2010年，本研究采樣時(shí)間為2020 年，這十年海河流域經(jīng)過(guò)一系列的生態(tài)環(huán)境綜合修復(fù)保護(hù)工作一定程度上提升了大型底棲動(dòng)物的完整性，河流健康狀況有所好轉(zhuǎn)（孫鵬程等，2022）。

由于整個(gè)海河流域面積較廣，本研究設(shè)置點(diǎn)位數(shù)量有限，未能全面覆蓋海河流域各水系。因此，長(zhǎng)期、系統(tǒng)性的調(diào)查監(jiān)測(cè)有待于進(jìn)一步開展，使B-IBI 更準(zhǔn)確地反映海河流域健康狀況，以便管理部門制定相應(yīng)的保護(hù)和恢復(fù)對(duì)策。

4 結(jié)論

1）海河流域河流共采集到大型底棲動(dòng)物106種，其中中華齒米蝦、逸仙麗翅蜉、搖蚊屬一種、斑點(diǎn)小劃蝽為優(yōu)勢(shì)種。

2）海河流域河流B-IBI 指標(biāo)體系由總分類單元數(shù)、每個(gè)分類單元的平均得分（ASPT 指數(shù)）和Shannon-Wiener 指數(shù)構(gòu)成。

3）海河流域河流整體健康狀況為良好，北部和西部山區(qū)河流健康狀態(tài)優(yōu)于南部平原地區(qū)。