基于底棲動物完整性指數的京津冀河流水生態健康評價

中圖分類號：X826 文獻標志碼：A 文章編號：1674-3075（2025）04-0208-10

底棲動物是河流生態系統最重要的生物類群之一，具有一系列關鍵生態功能和生態服務價值（Noriega etal，2018;Schowalteretal，2018）。相比其他水生生物，底棲動物區域性強、遷移能力較弱，且對水環境的耐受性和敏感程度各異，因而在水生態健康評價中應用廣泛（楊四坤等，2023）。Karr（1981）最早提出生物完整性指數（indexofbioticintegrity，IBI的概念，后續研究逐漸將其應用于河流（王力等，2023）、湖泊（黃藝和舒中亞等，2013）、水庫（楊銳婧和馮民權，2021）、濕地（李文君等，2022）等生態健康評價。例如，王備新等（2005）、張遠等（2007）、郝利霞等（2014）分別以安徽黃山溪流、遼河、海河為研究對象構建底棲動物完整性指數并進行水生態健康評價。

環境DNA宏條形碼技術作為一種新興的分子生物學方法，可獲取完整的生物多樣性數據，不需耗費大量的人力物力用于形態鑒定，更適用于大尺度、全流域的生物多樣性監測。對于低密度物種和傳統方法難以捕獲的物種，該技術具有易獲取、簡單、監測靈敏度高的優勢（Deineretal，2017；Bushetal，2019）。近年來，王晨等（2022）、金珂等（2022）、鄒艷婷等（2024）分別運用環境DNA技術對秦淮河、太湖、珠江的大型底棲動物進行了生物多樣性監測。已有研究表明，利用環境DNA方法監測底棲動物并構建生物完整性指數評價水生態健康具有可行性，其評價結果與形態學方法評價基本一致（金珂等，2022）。

京津冀地區水環境治理效果與水生態健康狀況受到廣泛關注。然而，目前該地區應用環境DNA方法監測底棲動物的研究較少，且研究區域大多為湖泊水體或單一河段。本研究聚焦京津冀地區的深河、潮白河、永定河、大清河、子牙河五大流域，采用環境DNA方法對底棲動物進行監測，并構建基于底棲動物的生物完整性指數，旨在全面評估京津冀地區河流健康狀況，為提升該地區水網治理能力與治理水平提供參考。

1材料與方法

1.1研究區域概況

京津冀地區北靠燕山山脈，南面華北平原，西倚太行山，東臨渤海灣。地勢呈西部與北部高、東部及南部低的特征。該地區隸屬海河流域，主要由深河、永定河、潮白河、大清河、子牙河五大水系構成，這些水系共同形成了京津冀水系網絡。自20世紀80年代起，京津冀地區社會經濟發展迅猛、人口增長迅速，使水環境承受巨大壓力，水生態健康問題日益凸顯。京津冀地區作為我國重要的政治、經濟、文化中心和糧食產地（秦明慧和劉秀麗，2023），其水生態健康問題不容忽視。

1.2樣本采集與處理

1.2.1樣品采集于2020年9、10、12月對京津冀地區5條主要河流36個點位（圖1）的底棲動物及水體理化指標進行調查。使用規格為 1/16m² 的Peterson采泥器抓取水體底部的沉積物，每個點位取3個平行樣，混合后取 10g 沉積物裝入錫箔紙袋中密封，將樣品置于 4^°C 保溫箱中冷藏，運回實驗室后存放于超低溫冰箱 （-80^°C） ，用于環境DNA測試。同時采集1L水樣， 4^°C 保存并盡快帶回實驗室用于理化指標測定。

1.2.2理化因子測定采用哈希便攜式多參數水質檢測儀（HQ40d）對溫度（WT）、溶解氧（DO）、電導率（EC）、pH、氧化還原電位（ORP）進行現場監測，總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮 （NH₃–N） 、高錳酸鹽指數（ COD_Mn. ）等指標在實驗室測定。理化因子的檢測方法參照《地表水環境質量標準》（GB3838一2002）。

1.3環境DNA提取與PCR擴增

根據FastDNA？SPINKitforSoil（MPBiomedi-cals，Irvine，CA）說明書提取DNA;選擇基于COI基因的底棲動物通用性引物LCO1490F-HCO2198R進行PCR擴增，PCR反應體系與條件分別參照文獻（Bista etal，2017）。

1.4文庫構建與高通量測序

將各點位的PCR產物混合后進行回收產物純化，通過QuantusTMFluorometer（Promega，USA）對回收產物檢測定量，由上海美吉生物醫藥科技有限公司使用NEXTFLEX？RapidDNA-SeqKit完成建庫，并基于Illumina公司的MiSeqPE300平臺完成測序。

測序完成后，將原始數據上傳至中國淡水大型底棲無脊椎動物條形碼數據庫，去除低質量序列 Qlt;30） ，可操作分類單元聚類的相似度閾值設置為 97% ，將代表性序列與中國淡水大型底棲無脊椎動物條形碼數據庫進行比對，相似性閾值設置為85% ，以上操作均在數據庫的eDNA分析模塊中在線完成。

1.5B-IBI體系構建

1.5.1參照點的確定在底棲動物完整性指數（thebenthic-indexofbioticintegrity，B-IBI評價體系構建過程中，參照點的選擇會直接影響到候選參數的篩選，進而影響評價結果的準確性。參照點一般選取無人類干擾，或人類干擾較小的樣點（Keransetal，1994），在實際參照點選取的過程中，由于目標區域的不同，氣候條件、人類活動影響的大小難以估量，因此沒有明確的統一標準。本研究參考其他地區的參照點選取標準（渠曉東等，2012；姜永偉等，2023）及河湖健康評估技術導則，結合京津冀地區實際情況，根據《地表水環境質量標準》對DO ?NH₃–N 、TP和COD因子進行賦分（表1），各因子得分之和作為該樣點水質總得分，若每個樣點4項因子中任意因子超過地表水V類標準則不予采用。參考點選擇水質總得分大于 75% 分位數的樣點，并綜合考慮人類活動干擾情況及土地利用情況確定。

1.5.2候選參數的確定基于大型底棲動物的不同食性，參照Cummins和Klug（1979）、Merritt等（2002）的劃分規則，將京津冀地區河流中環境DNA宏條形碼技術監測到的底棲動物分為5個功能攝食類群（FFGs，表2）。

根據王備新和楊蓮芳（2004）、Lenat（1993）計算耐污值的方法，計算京津冀地區河流中底棲動物的初始耐污值 （P_TV） 。耐污值 （T_V） 通過公式 ① 確定（趙瑞等，2015）。

T_V=2×（1.43×P_TV-1.43）

參照Maxted等（2000）對耐污類群進行分類，其中耐污值 lt;3 為敏感類群； 3? 耐污值 ≤7 為一般耐污類群；耐污值 gt;7 為耐污類群。本研究選取的候選參數基于環境DNA監測結果及以上分類與計算標準確定。1.5.3候選參數的篩選由于部分參數零值出現的頻率較高或數值的波動性不大，說明在不同的污染強度下，其參數值的變化范圍也將非常小，指示作用較低，不能準確區分水體的健康程度，予以剔除。利用箱型圖對剩余候選參數進行判別能力分析，根據參照點與受損點的箱型圖重疊情況篩選重疊程度較低的參數。對重疊程度較低的參數做相關性分析，若兩參數的相關系數 |r|gt;0.75 ，認為其高度相關，取其中包含信息更多的參數作為代表（Maxtedetal，2000），以保證篩選出的參數能夠獨立反映不同的信息。

1.5.4計分標準與評價標準采用比值法對評價量綱進行統一并對組成參數計分（王備新等，2005），分值計算規則如下：

若干擾越強，指數值越低，參數分值 = 指數值 95% 分位數值；

若干擾越強，指數值越高，參數分值 = （該參數最大值-指數值）/（該參數最大值 -5% 分位數值）。

評價量綱統一后參數分值在0＼～1，若分值大于1，則記作1。將參數分值相加得到每個點位的B-IBI得分，取參照點B-IBI得分的 25% 分位數作為最佳期望值，將小于最佳期望值的范圍四等分，得到健康、亞健康、一般、較差、差5個等級的劃分標準。

1.6數據分析

B-IBI的計算在Excel中完成；候選指標的Spear-man相關性分析在SPSS26.0中完成；箱型圖在Ori-gin2021中完成；底棲動物物種組成使用R語言（v4.3.2）繪制；樣點分布圖使用ArcGIS10.2軟件繪制。

2結果與分析

2.1底棲動物群落結構特征

基于環境DNA方法，36個點位共監測到74個底棲動物分類單元，隸屬于3門6綱14目30科57屬。其中昆蟲綱44種，雙殼綱2種，腹足綱14種，蛭綱1種，軟甲綱1種，寡毛綱1種。昆蟲綱為京津冀地區河流的絕對優勢類群，在該地區河流中廣泛分布。

從整體上看，京津冀地區河流中的底棲動物主要門類為節肢動物與軟體動物，相對豐度較高的屬為囊螺屬（Physellasp.）、長跗搖蚊屬（Tanytarsussp.）、虻屬（Tabanussp.）。其中，深河、永定河、大清河、子牙河與潮白河的節肢動物種類最為豐富（圖2a、2b）。從土地利用類型來看，林地、城區與農田區域內的河流均以節肢動物種類最為豐富（圖2c）。

2.2B-IBI評價體系構建

2.2.1參照點的分布根據表1所列的參照點選取標準，選取京津冀地區西部與北部的4個樣點作為參照點（圖1）。

2.2.2候選參數的確定與篩選為了全面客觀評價京津冀地區河流的底棲動物完整性，參考文獻（姜永偉等，2023；章運超等，2023；張方方等，2011）并結合地區特點，共選擇23個參數構建B-IBI評價指標體系，候選參數分別從多樣性和豐富性、群落結構組成、耐污能力及功能攝食類群4個角度挑選。候選參數及其對人類活動干擾的反應見表3。

對候選參數的數值分布范圍進行檢驗，剔除M2、M4、M5、M8、M9、M10、M16、M17、M19、M21、M23這11個參數。對指標體系中剩余的每個參數，繪制箱型圖比較參照點和受損點之間 25%～75% 分位數的范圍，根據箱體的重疊程度及中位數分布情況，篩選用于構建B-IBI指數的候選參數，選擇兩箱體圖無重疊，或存在重疊但中位數位于對方箱體之外的生物參數作為候選參數并進行相關性分析，共篩選得到9個候選參數（圖3）。

（a）Benthiccommunitycompositioattepyumlevel;（b）Relatieabundanedistributioofbenthicunaatpymlevelattesapling sitesfachrve（c）Relatieaundaeistbtioofticnaatteusleveatapligsisifluedbentdte.

2.2.3相關性分析將這9個參數進行 K-S 檢驗，參數符合正態分布，對候選參數做Pearson相關性分析（表4）。分析發現，總分類單元數（M1）與前三優勢分類單元相對豐度總和（M13）、香農-維納多樣性指數（M14）、Margalef豐富度指數（M15）、BM-WP指數（M18）高度相關；搖蚊分類單元數（M3）與雙翅目分類單元數（M6）高度相關；最高優勢分類單元相對豐度（M11）同前二優勢分類單元相對豐度總和（M12）高度相關。參考文獻（侯湘然等，2024；姜永偉等，2023）對候選參數的取舍情況，同時考慮參數本身包含信息量的大小，最終選擇總分類單元數（M1）、雙翅目分類單元數（M6）及前二優勢分類單元相對豐度總和（M12）作為B-IBI的最終組成參數。

2.2.4指標得分及評價標準B-IBI最終組成參數及分值計算方法見表5。最佳期望值為2.47，B-IBIgt;2.47為健康； 1.85

2.3水生態健康評價結果

京津冀地區河流36個樣點的B-IBI評價結果（圖4）顯示，評價結果為“健康\"的樣點有4個，占總樣點數的 11.11% ；“亞健康”的樣點有7個，占 19.44% “一般\"的樣點有4個，占 11.11% ；“較差”的樣點有6個，占 16.67% ；“差\"的樣點有15個，占 41.67% 。整體來看，36個樣點中，西部與北部林地河流的健康狀況明顯優于東南平原地區，西部與北部樣點B-IBI指數平均值為1.85，整體屬于亞健康狀態；東南地區樣點的B-IBI指數平均值為1.08，整體處于較差狀態。

京津冀地區地勢西北高東南低，西北部多為山區林地，東部為人口密集的城市群，南部以農田為主。西北部山區人類活動較少，底棲動物完整性水平較高，河流多為健康或亞健康狀態；東部與南部地區人口密集，生活污水及工業廢水排放量大，城市和農業面源污染嚴重，部分河道經過人工修整，導致底棲動物多樣性降低，其生物完整性水平也較低。

3討論

3.1B-IBI指數與環境因子的相關性

將得到的B-IBI指數與環境因子做Pearson相關性分析，結果表明，B-IBI指數與氨氮 （NH₃–N） 呈顯著負相關，與其他環境因子相關性不顯著（表6）。

以上結果表明，京津冀地區河流底棲動物完整性與水體中氨氮的含量密切相關。本研究中氨氮濃度最高的點位出現在子牙河邢臺-衡水段，該地區主要受農業面源污染及工業廢水影響，多為V類水質。化肥的使用、農業廢棄物、雨污合流、污水處理效率低等問題使得水體中的氨氮濃度較高，進而導致底棲動物的種類和數量發生變化，使得京津冀地區分布在農田和城市區域的河流普遍B-IBI指數較低，這與其他研究區域的結果較為一致（吳東浩等，2010；譚穎等，2021）。如劉帥磊等（2018）對流溪河的研究表明，氨氮是水體中的主要好氧污染物，對底棲動物具有較強的毒害作用；張晏溧（2012）研究發現，氨氮濃度是決定渾太河下游底棲動物分布的關鍵環境因子。在眾多環境因子中，氨氮作為主要的污染指標，其含量變化往往能反映出整個水體污染程度的變化趨勢。因此，本研究得到的B-IBI指數能較好地反映京津冀地區的綜合水質情況。

3.2候選參數的生態學意義及B-IBI評價的合理性

底棲動物總分類單元數代表每個樣點監測到的分類單元總數，該值越高，表明樣點的底棲動物種類越豐富，相應的生物完整性水平越高。雙翅目昆蟲是底棲動物的主要類群之一，其分類單元數可用于監測水體污染狀況。前二優勢分類單元相對豐度總和則能反映底棲動物的分布均勻程度。對參照點和受損點的B-IBI值做箱線圖分析（圖5），結果顯示，利用篩選的3個指標組成的B-IBI評價結果具有良好的區分能力和靈敏度，兩箱體間無重疊區域，能有效區分參考點與受損點。查閱全國地表水水質月報（2020年12月）、生態環境部2020年全國地表水環境質量狀況及相關文獻（孫雪等，2019；陳雨欣等，2023）可知，京津冀地區西、北部各監測斷面水質普遍較好，林地豐富的樹葉等凋落物為河流提供了主要能量來源，自然的河道生境為底棲動物保留了良好的棲息空間。然而，東、南部平原地區及河流中下游各斷面由于受到較強的人為干擾，河道硬化、底質改造等改變了河道原有的生境，底棲動物完整性水平也相對較低。綜上，本研究建立的B-IBI評價體系基本上能夠反映研究區域真實的水生態健康狀況，適用于京津冀地區河流的水生態健康評價。

3.3環境DNA技術在水生態健康評價中的應用潛力

相比于傳統底棲動物監測方法需對采集的底棲動物樣本進行挑揀和形態學鑒定分類，本研究采用的環境DNA方法減少了處理時間和人力成本，降低了人為分類可能存在的主觀偏差。環境DNA方法不僅應用于底棲動物監測中，浮游細菌（王力等，2023）、浮游動物（Yangetal，2020）、魚類（Miyataetal，2021）等生物類群同樣可以借助環境DNA方法進行物種多樣性監測。盡管目前應用環境DNA測序數據進行物種定量表征的可行性并不明確，但不同研究區的結果表明（Aylagasetal，2018；金珂等，2022），環境DNA方法在常見物種的識別上與傳統方法具有高度一致性。

環境DNA方法相比傳統方法能監測到更多的物種（金珂等，2022），部分通過傳統方法不易檢出或人工挑揀容易遺漏的底棲動物（如仙女蟲科某些物種）可通過環境DNA方法實現監測，這是環境DNA方法的一大優勢。近年來，應用環境DNA方法進行水生態健康評價的研究越來越多，例如Beermann等（2018）認為，基于環境DNA方法與傳統方法得到的水生態健康評價結果較為接近。目前由于底棲動物條形碼數據庫不完善、測序深度不足等問題，導致部分底棲動物無法檢出，是環境DNA宏條形碼技術進行底棲動物監測面臨的主要挑戰。

隨著環境DNA方法的逐漸成熟及其應用范圍不斷擴大，新的生物多樣性監測技術也在快速發展。如環境RNA技術能有效監測研究區域內最近一段時間活躍的生物類群，有效改善環境DNA監測結果存在非靶向物種較多（假陽性現象）的問題（Larocheetal，2017），有助于提高實時生物多樣性監測的準確性；宏基因組測序可對某一環境中的全部DNA進行整體測序及分析（黃循柳等，2009），通過非靶向篩選獲取全面的生物信息。這些新方法的應用將使未來生物多樣性監測和水生態健康評價的準確性到達更高水平。

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（責任編輯 鄭金秀）

Aquatic Ecological Health Evaluation of Rivers in the Beijing-Tianjin-Hebei Region Using the Benthic Index of Biotic Integrity

SUN Zitong1，2， HUANG Shier2， TANG Qingwen2， CAO Xiaofeng2，LI Yanhong1 （1. School of Environmental Science and Engineering， Guilin University of Technology， Guilin 541006，P.R.China; 2. Center for Water and Ecology， Tsinghua University， Beijing 10oo84， P.R. China）

Abstract：The ecological health of rivers in the Beijing-Tianjin-Hebei region was evaluated using the benthic-index of biotic integrity （B-IBI） constructed as part of this study.In September， October，and December of 2020，benthic monitoring was conducted using environmental DNA metabarcoding technology at 36 sampling sites of Luanhe River， Chaobai River， Yongding River， Daqing River and Ziya River， the primary rivers of the region， and water physiochemical parameters were measured. The results were used to construct the B-IBI， which was then used to evaluate the aquatic ecological health of the fiver rivers. A total of 74 zoobenthos OTUs were identified，belonging to 53 genera，30 families，14 orders，6 classes and 3 phyla.The primary phyla were arthropods，mollsks，and annelids，and arthropods were absolutely dominant and widely distributed in the five rivers.The total number of taxonomic units， number of taxonomic units of Diptera，and the sum of relative abundances of the top two dominant taxonomic units were screened from twenty-three candidates to comprise the B-IBI using box plotcomparisons and correlation analysis.Five grades ofaquatic ecological health were set，based on the B-IBIscore： healthy，sub-healthy， fair， poor， bad. The results indicate that 11.1% of the river sites were healthy，with a B-IBI of gt;1.85 ，and primarily distributed in the western and northern mountains，while 58.3% of the sites were in poor health， with a B-IBI of lt;1.08 ， and primarily distributed in the eastern and southern plains. Of the 23 candidate metrics for the B-IBI，9 were statistically relevant， but the three core indicators could distinguish among reference sites and impaired sites，demonstrating good applicability in the Beijing-Tianjin-Hebei region. The B-IBI in the Beijing-Tianjin-Hebei region was significantly and negatively related to the concentration of ammonia nitrogen in the water，indicating that ammonia nitrogen was the key environmental factor affecting zoobenthos.The findings of this study provide a reference for water environment management and ecological restoration in the Beijing-Tianjin-Hebei region.

Key words： environmental DNA metabarcoding technology; index of biological integrity （I-IBI）; zoobenthos; aquatic ecological health evaluation; Beijing-Tianjin-Hebei region