王 瑜，李 黎，林巋璇，朱延忠，夏 陽，劉錄三

中國環(huán)境科學研究院國家長江生態(tài)環(huán)境保護修復聯(lián)合研究中心，北京 100012

生物完整性是指“支撐并維持平衡的、完整的、適應(yīng)的、具有與區(qū)域內(nèi)天然水生生態(tài)系統(tǒng)相當?shù)亩鄻有?、組成及功能組織的生物群落的能力”[1]。作為最早廣泛用于監(jiān)測/評價河流生態(tài)完整性的多參數(shù)指數(shù)，生物完整性指數(shù)(Index of Biotic Integrity, IBI)整合了一組能夠反映生態(tài)系統(tǒng)的各種結(jié)構(gòu)及功能屬性的參數(shù)，包括物種豐富度、群落組成、污染耐受性、習性/食性、生物多樣性等，為生物對(自然或人為)環(huán)境壓力的響應(yīng)提供了敏感有力的視角[2-6]。KARR[7]首次構(gòu)建了基于魚類的生物完整性指數(shù)(F-IBI)，并對美國中西部河流進行了健康評價。隨后，IBI的概念和方法被拓展到大型底棲動物、藻類等類群。尤其是大型底棲動物，作為河流生態(tài)系統(tǒng)中分布最為廣泛的物種之一，是河流食物網(wǎng)的重要組成部分，具有活動場所相對固定、生活周期較長、易于采集等特點，且涵蓋種類豐富，對不同類型的化學污染和人為干擾響應(yīng)敏感，其群落結(jié)構(gòu)在很大程度上反映了整個河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài)[8-10]?；诖笮偷讞珓游锏纳锿暾灾笖?shù)(B-IBI)，是目前整個北美地區(qū)廣泛應(yīng)用的河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法。

利用B-IBI進行河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價，探討人類活動對河流生態(tài)系統(tǒng)的影響，不但對維護河流生態(tài)系統(tǒng)健康具有重要意義，對于診斷河流退化的主要原因、制定合理的管理和修復措施也將產(chǎn)生深遠的影響。中國在B-IBI的構(gòu)建及適用性研究方面起步較晚，自20世紀90年代起，陸續(xù)有學者在部分河流(如九華河、豐溪河、香溪河、遼河、太子河、永定河)進行了一些研究和嘗試[11-17]。然而，大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)組成具有很強的地域性，中國幅員遼闊，不同流域之間生物區(qū)系差異較大，如KARR等所說[5]：任何一個參數(shù)都無法適用于所有地區(qū)和流域。對于不同的研究區(qū)域，研究者需要根據(jù)區(qū)域特點，有針對性地構(gòu)建適合當?shù)氐腎BI。筆者擬以松花江流域為對象，構(gòu)建B-IBI，并對松花江流域的生物狀態(tài)進行評價，以期為制定中國北方寒冷地區(qū)河流的生態(tài)恢復和保護策略提供參考。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

松花江流域(地理坐標為119°52′～129°30′E、41°42′～51°38′N)，跨黑龍江、吉林、內(nèi)蒙古等省(自治區(qū))，是中國重工業(yè)集中地和農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)基地。流域面積為5.568×105km2，河長和水資源量居全國第三，以嫩江為源頭算，長為2 309 km，以第二松花江為源頭算，長為1 897 km，干流長為939 km，屬中國重點流域，也是黑吉兩省的母親河。

松花江地處溫帶、寒溫帶大陸性季風氣候區(qū)，夏季溫熱多雨，冬季寒冷漫長。多年平均氣溫為3～5 ℃，年內(nèi)溫差較大，年內(nèi)7月溫度最高，月平均氣溫可達20～25 ℃；1月溫度最低，月平均氣溫為-20 ℃以下。流域內(nèi)多年平均降水量為300～950 mm，時空分布不均勻，降水期主要集中在6—9月，水面封凍期為11 月初至次年4 月初。

1.2 大型底棲動物樣品采集與分析

在松花江流域選取37個點位(點位信息見表1，點位示意圖見圖1)，分別于2016年6、9月進行野外生態(tài)調(diào)查，并采集大型底棲動物樣品。

表1 松花江流域采樣點位信息Table 1 Information of Sampling sites in the Songhua River basin

圖1 松花江流域采樣點位示意圖Fig.1 Sampling sites in the Songhua River basin

每個點位選取100 m范圍作為采樣河段，使用開口直徑為30 cm的D型網(wǎng)(孔徑為0.22 mm尼龍紗)采集20個重復樣方，根據(jù)不同小生境類型(包括靜水區(qū)、急流區(qū)、碎石底、泥沙底、水草、倒木等)出現(xiàn)的比例分配樣方數(shù)[18]，將各個重復樣方混合成一個樣品，用0.22 mm孔徑分樣篩現(xiàn)場篩選，將肉眼可見的底棲動物與石塊、碎屑等雜質(zhì)分離，洗凈后放入樣品瓶，加入95%乙醇溶液固定。樣品帶回實驗室后，在體視鏡下挑揀、鑒定和計數(shù)，依據(jù)相關(guān)文獻資料[19-25]，將各樣品鑒定至最低分類單元，盡量到屬或種。

1.3 生境與理化水質(zhì)數(shù)據(jù)采集

樣品采集現(xiàn)場同期進行水體理化指標監(jiān)測，使用便攜式水質(zhì)分析儀(YSI Proplus)在現(xiàn)場直接測定水溫、電導率(Cond)、溶解氧(DO)、pH等，同時采集2 L水樣，于48 h內(nèi)帶回實驗室，依據(jù)國家標準方法測定總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)、化學需氧量(CODCr)。根據(jù)各項理化指標，采用單因子評價法依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)進行水質(zhì)等級劃分。

同時，參照鄭丙輝等[26]提出的河流生境質(zhì)量評價方法，根據(jù)底質(zhì)組成、小生境復雜性、流速-水深特征、河岸穩(wěn)定性、河道變化(渠道化情況)、河水水量狀況、河岸帶植被情況、水質(zhì)狀況(感官性狀)、人類活動強度、河岸土地利用類型等10 項指標的評分標準，對各個點位評分，每個指標20分，并計算生境質(zhì)量評價指數(shù)總分。

1.4 參照點位篩選

參照點指未受到人為活動干擾或輕度人類活動干擾的采樣點，是構(gòu)建IBI并進行生物狀態(tài)評價的基礎(chǔ)[27]。因缺乏真正意義上的自然狀態(tài)(或受干擾程度最小)點位，筆者參考周瑩等[28]提出的方法思路，基于各個點位的水質(zhì)類別和生境質(zhì)量評分篩選參照點位。

1.5 IBI評價指標篩選

1.5.1 候選參數(shù)初選

用于構(gòu)建IBI的參數(shù)必須滿足以下3個條件：①對環(huán)境因子(化學、物理、水動力、生物等)變化反應(yīng)敏感；②計算方法簡便；③所含生物學意義清楚。筆者根據(jù)松花江流域大型底棲動物群落特征、各項指標與環(huán)境因子之間的響應(yīng)關(guān)系，選用28個候選參數(shù)，包括豐富度參數(shù)、群落組成參數(shù)、耐受性參數(shù)、食性/習性參數(shù)、多樣性參數(shù)等五大類，各個參數(shù)的具體描述及環(huán)境壓力響應(yīng)關(guān)系詳見表2[29-33]。

1.5.2 數(shù)值分布范圍分析

利用各個參照點位的數(shù)據(jù)資料計算各項候選參數(shù)值，分析其數(shù)值分布范圍。篩除以下兩大類參數(shù)：①受干擾后數(shù)值可變化范圍較窄的參數(shù)，不易準確區(qū)分不同干擾梯度，不宜用于評價；②標準差較大的參數(shù)，數(shù)值分布比較散，說明參數(shù)不穩(wěn)定，同樣不予考慮。

1.5.3 判別能力分析與相關(guān)性分析

經(jīng)過上述篩選后，采用箱線圖法分析剩余參數(shù)在參照點位和受損點位的分布情況。根據(jù)BARBOUR等[34]的研究成果(圖2)，只有IQ≥2的指標才能進行下一步分析。

對通過判別能力篩選的參數(shù)進行Pearson相關(guān)性分析，檢驗各項參數(shù)反映信息的獨立性。采用MAXTED等[35]的標準，以|r|>0.80的標準篩除高度相關(guān)的參數(shù)。

經(jīng)過以上3個步驟，確定構(gòu)成IBI指標體系的核心參數(shù)。

1.6 IBI構(gòu)建及評價

1.6.1 指數(shù)構(gòu)建

對參數(shù)進行記分的目的是統(tǒng)一評價量綱，研究采用0～10賦分法[36]，對各項核心參數(shù)賦分。隨干擾增強而減小的參數(shù)，利用公式(1)計算；隨干擾增強而增加的參數(shù)，利用公式(2)計算。

V′i=10Vi/V95%R

(1)

V′i=10 (1-Vi/V95%I)

(2)

式中：V′i為記分值，Vi為參數(shù)值，V95%R為參照點的95%分位數(shù)，V95%I為受損點的95%分位數(shù)。

最終的B-IBI得分為各核心參數(shù)分值的總和。

表2 松花江流域B-IBI構(gòu)建候選參數(shù)Table 2 Candidate metrics for B-IBI development of the Songhua River basin

注：箱體表示25%～75%分位數(shù)值分布范圍，箱體內(nèi)方塊表示中位數(shù)。A：3分，箱體無任何重疊；B：2分，箱體有小部分重疊，但中位數(shù)都在對方箱體之外；C：1分，箱體大部分重疊，但至少有一方的中位數(shù)處于對方箱體范圍外；D和E：0分，一方箱體在另一方箱體范圍內(nèi)，或雙方的中位數(shù)都在對方箱體范圍內(nèi)。圖2 參數(shù)IQ值記分法[28]Fig.2 IQ score for candidate metrics

1.6.2 評價等級確定

以所有點位B-IBI值分布的95%分位數(shù)為最佳值，低于該值的分布范圍進行五等分，靠近95%分位數(shù)值的一等分代表點位所受干擾較小。以確定的標準重新對所有點位進行綜合記分，計算B-IBI值，根據(jù)所有點位的B-IBI數(shù)值分布，確定5個等級的評價標準。

2 結(jié)果與討論

2.1 大型底棲動物種類組成與分布特征

2016年6、9月采集到的大型底棲動物樣品，共鑒定出110個分類單元，分屬6綱40科。其中，水生昆蟲為82種，軟體動物為18種，甲殼動物為4種，寡毛類為4種，蛭綱為2種。松花江流域大型底棲動物群落組成如圖3所示，從個體數(shù)量上看，最主要的構(gòu)成部分為水生昆蟲，約占81.55%。

圖3 松花江流域大型底棲動物群落組成Fig.3 Composition of benthic-macroinvertebrate community in the Songhua River basin

2.2 參照點位篩選

根據(jù)松花江流域的基本情況，研究將同時滿足生境質(zhì)量評分≥90和水質(zhì)類別達到Ⅲ類及以上的點位作為參照點位的篩選條件，在2期采集的點位中，選擇6個點位作為參照點位，主要位于第二松花江源頭、牡丹江源頭和嫩江上游支流。

2.3 松花江B-IBI構(gòu)建

28個生物指數(shù)值在參照點位變異分析表明， M2、M6、M8、M11、M18、M19、M20、M21和M23的標準差比較大，說明這些參數(shù)不穩(wěn)定，在參數(shù)篩選過程中不作考慮；M25屬于參數(shù)值隨著環(huán)境壓力增強而減小的類型，其25%分位數(shù)值為0，隨著環(huán)境壓力的增強，參數(shù)值的可變動范圍非常窄，因此不適宜參與構(gòu)建IBI指標體系，將其剔除。余下的18個生物參數(shù)，進行判別能力分析。

18個參數(shù)的箱線圖(圖4)表明，M1、M3、M4、M5、M7、M12、M13、M15、M16、M26和M27等11個參數(shù)的IQ都大于或等于2。

上述11個參數(shù)的Pearson相關(guān)性表明(表3)，M1、M3、M4相互之間高度相關(guān)，三者取一即可；此外，M13與M1、M3、M4高度相關(guān)， M15與M7、M12、M16高度相關(guān)，M1和M26，M7與M16高度相關(guān)。綜合考慮這些參數(shù)的信息量和普遍適用性，以及與已保留參數(shù)提供信息的重復度，選擇保留M1、M5、M7、M12、M27作為核心參數(shù)。

根據(jù)各參數(shù)在參照點位的數(shù)值分布，確定計算各參數(shù)分值的計算公式(表4)，并依次計算各個點位的指數(shù)分值。

最后，根據(jù)記分值檢測生物指數(shù)對環(huán)境壓力的響應(yīng)敏感型，計算生物指數(shù)區(qū)分參照點位和受損點位的效率，也就是被正確區(qū)分的點位的百分比。如果區(qū)分效率在60%以上，則考慮保留該指數(shù)。研究構(gòu)建的B-IBI區(qū)分效率為82.35%，可認為該指數(shù)對點位的區(qū)分基本有效。

表3 11個候選參數(shù)之間的Pearson相關(guān)分析結(jié)果Table 3 Pearson correlation analysis results of 11 candidate metrics

圖4 18個候選參數(shù)在參照點位和受損點位的箱線圖Fig.4 Box plots of 18 candidate metrics in reference and impaired sites

編號核心參數(shù)分值計算M1種類總數(shù)10Vi/22.10M5搖蚊種類數(shù)10Vi/4.85M7敏感種百分比10Vi/0.87M12HBI10 (1-Vi/8.35)M27Marglef指數(shù)10Vi/6.79

2.4 松花江B-IBI評價

根據(jù)所有點位的B-IBI數(shù)值分布，以95%分位數(shù)為最佳值，對低于該值的分布范圍進行五等分，確定5個等級的評價標準(表5)，并根據(jù)2016年6、9月各個點位的B-IBI分值，對其等級進行評價，結(jié)果參見表6。在2期采集的60個樣本中，4個為I級(很好)，占6.7%；8個為II級(好)，占13.3%；12個為III級(一般)，占20%；14個為IV級(差)，占23.3%；22個為V級(很差)，占36.7%。說明流域內(nèi)60%以上區(qū)域生物狀態(tài)存在不同程度的損害。

表5 松花江流域B-IBI評價標準Table 5 Criteria for B-IBI assessment in the Songhua River basin

表6 松花江流域B-IBI分值及評價等級Table 6 B-IBI scores and grades in the Songhua River basin

注：“—”表示數(shù)據(jù)缺失。

由松花江B-IBI分值的箱線圖分布(圖5)來看，參照點位和受損點位的生物狀態(tài)無重疊，參照點位的箱體基本落在I級、Ⅱ級，受損點位的箱體基本落在Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級，說明這兩大類點位的生物狀態(tài)差異明顯，基本可以區(qū)分開來。

圖5 參照點位與受損點位B-IBI分值箱線圖Fig.5 Box plots of B-IBI score in reference and impaired sites

從評價結(jié)果的空間分布來看，I級和Ⅱ級點位基本位于支流上游，干流點位的評價結(jié)果多數(shù)為Ⅳ級和Ⅴ級，總體來說，B-IBI分值及評價類別與生境評分與水質(zhì)類別的空間分布基本一致。從評價結(jié)果的時間變化來看，大部分點位2次評價等級相差不大(個別點位除外)，其中，9月的評價結(jié)果中，Ⅳ級和Ⅴ級點位所占比例較大，甚至有些水質(zhì)和生境良好的點位評價級別也較低(如長白山西坡、二道白河)，可能與汛期大型底棲動物群落受到一定影響有關(guān)。

2.5 應(yīng)用與討論

2.5.1 參照點位的選擇

將受損點位與參照點位進行對比，進而判定其受損狀態(tài)，是進行河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價的基礎(chǔ)。可以說，參照狀態(tài)是評價的基準，直接決定了評價結(jié)果的準確性。但是，具體操作過程中，并沒有統(tǒng)一的方法和標準。如MAXTED等[35]采用土地利用方式、生境質(zhì)量以及水質(zhì)理化指標來劃分參照點位，BLOCKSOM等[37]則是根據(jù)點位所在區(qū)域的森林面積和人口密度來確定。除此之外，參照點位原則上應(yīng)當是沒有受到人類活動干擾或受干擾程度最小的點位。然而，目前在國內(nèi)，除了自然保護區(qū)尚有未受人類活動干擾的溪流以外，其他地區(qū)都無法找到真正嚴格意義上排除人類活動影響的溪流及河流，尤其是在人口密度較大的平原區(qū)。王備新[38]曾提出以“樣點上游無農(nóng)作物、森林覆蓋率90%以上”和“樣點上游無點污染源、樣點上游5 km之內(nèi)無村莊、上游兩側(cè)100 m寬5 km長的范圍內(nèi)無農(nóng)田”作為參照點位的選擇標準，但是這種方法在現(xiàn)狀背景下具有較大的局限性。

一般來說，參照狀態(tài)可以通過以下幾種方式確定：①歷史狀態(tài)；②沒有人類干擾或極小程度受人類干擾的狀態(tài)；③區(qū)域內(nèi)人類干擾最小的狀態(tài)；④經(jīng)修復后能夠達到的一種狀態(tài)。筆者對比了幾種參照狀態(tài)確定方法的適用性，基于松花江流域所在區(qū)域特點，選擇第3種方式來確定參照狀態(tài)，并參考周瑩等[28]在渾河、太子河流域使用的方法，即結(jié)合水質(zhì)類別和生境質(zhì)量評分來選擇參照點位，作為評價的基準。值得注意的是，考慮到松花江流域與渾太流域的自然環(huán)境特征、人類社會經(jīng)濟活動等存在差異，筆者在劃分參照點位的基準上進行了一些調(diào)整，使之更有針對性。由于調(diào)查區(qū)域無法避免人類活動影響，此處僅能確定 “相對環(huán)境較好”的參照點位。從研究結(jié)果來看，各個點位的評價等級，基本與參照點位和受損點位的劃分一致，但是有2個點位各有一期評價結(jié)果(MLH 6月和KLH 9月)不符，說明這種方法雖有其合理性，卻仍存在一定的局限。今后的研究中，仍需對如何在人類活動頻繁的地區(qū)選擇參照點位進行深入探討，以便能夠?qū)恿魃鷳B(tài)環(huán)境狀態(tài)進行更為準確的評價。

2.5.2 松花江B-IBI的構(gòu)建與適用性

松花江各個點位B-IBI的評價結(jié)果顯示，支流上游的健康狀態(tài)優(yōu)于干流，生物狀態(tài)的空間差異明顯，其分布特征基本與生境評分、水質(zhì)類別保持一致，這與松花江流域土地利用格局以及人類活動強度的空間變化有很大關(guān)系。重復采集的點位，2次評價的結(jié)果基本一致，說明研究構(gòu)建的B-IBI基本可以排除大型底棲動物群落對自然環(huán)境因子季節(jié)性變化響應(yīng)的影響，能夠反映人為活動干擾，適宜用于松花江河流生態(tài)健康狀態(tài)的評價。僅嫩江上游門魯河和科洛河這2個支流點位2期的評價結(jié)果有較大差異，可能是受到洪水事件或者其他人為干擾的影響。

利用生物完整性指數(shù)評價河流健康，反映的是河流生態(tài)系統(tǒng)長期受到各類環(huán)境壓力干擾后的綜合狀態(tài)，因此B-IBI通常對不同類型的人為干擾表現(xiàn)出不同的響應(yīng)趨勢。研究分析了松花江B-IBI分值與各個點位的各項理化指標及生境質(zhì)量評分之間的Pearson相關(guān)性。結(jié)果見圖6。

圖6 B-IBI分值與環(huán)境因子的相關(guān)性分析Fig.6 Regression analysis between B-IBI and environmental parameters

由圖6可見，B-IBI分值與生境質(zhì)量評分呈正相關(guān)(r=0.602,P<0.01)，與CODCr呈負相關(guān)(r=-0.290,P<0.01)。生境質(zhì)量評分反映了土地利用及其他人類活動對河流物理生境影響的綜合結(jié)果，作為大型底棲動物棲息的場所，物理生境受損會直接導致大型底棲動物群落退化，因此B-IBI分值與生境質(zhì)量評分的變化具有一致性；CODCr是反映河流生態(tài)系統(tǒng)有機污染的主要指標之一，其數(shù)值越高，表明水體有機污染越嚴重，相應(yīng)的，B-IBI分值也會越低，這一點在筆者的研究結(jié)果中得到了印證。不過，相對于生境質(zhì)量，CODCr對B-IBI的解釋量要低得多(r=-0.290)，可能是由于大型底棲動物群落受生境的影響大于受水質(zhì)的影響。

以上分析可以初步說明，B-IBI是對松花江大型底棲動物群落多樣性、生境質(zhì)量、理化水質(zhì)等的綜合反映，對于該研究的調(diào)查區(qū)域具有一定的適用性，通過分析B-IBI理化指標和生境質(zhì)量的關(guān)系，可以了解其變化的主要原因。不過，在今后的工作中，仍然需要進一步積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，深化B-IBI評價指標體系和評價標準，并對其進行校驗，使B-IBI能夠更為準確地反映松花江健康狀態(tài)，以便管理部門制定相應(yīng)的保護和恢復對策。

3 結(jié)論

研究構(gòu)建的松花江大型底棲動物生物完整性指數(shù)由5個核心參數(shù)組成，包括種類總數(shù)、搖蚊種類數(shù)、敏感種百分比、Hilsenhoff指數(shù)、Marglef指數(shù)。根據(jù)B-IBI分值范圍，將所有點位劃分成5個等級，劃分標準為“很好”[34.00, 50)、“好”[25.50, 34.00)、“一般”[17.00, 25.50)、“差”[8.50, 17.00)、“很差”[0, 8.50)。

評價結(jié)果顯示，松花江流域各點位20%生物狀態(tài)為“很好”和“好”，20%為“一般”，60%為“差”和“很差”，說明流域內(nèi)60%以上區(qū)域生物狀態(tài)存在不同程度的損害。從分值的箱線圖分布來看，構(gòu)建的B-IBI可以將參照點位和受損點位很好地區(qū)分開來。另外，支流上游優(yōu)于干流，各個點位2期評價等級差異不大，基本可以反映松花江流域生態(tài)環(huán)境狀況，具有一定適用性。