田 鵬，錢 昶，林佳寧，代 陽，張 遠，丁 森，高 欣

1.華中農(nóng)業(yè)大學水產(chǎn)學院，湖北 武漢 430070 2.中國環(huán)境科學研究院a.環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室;b.河流生態(tài)保護與修復研究室;c.中韓環(huán)境合作中心，北京 100012

河流生態(tài)系統(tǒng)可以提供水質凈化、棲息地、生態(tài)廊道、水源供給、水產(chǎn)品供給和運輸以及景觀娛樂等重要生態(tài)功能[1]，因此一個健康的河流生態(tài)系統(tǒng)是社會經(jīng)濟發(fā)展的物質基礎和保障條件[2]。當前的經(jīng)濟發(fā)展加劇了水質惡化、生態(tài)水文情勢變化和物理棲息地喪失，造成河流的嚴重退化[3-6]。因此，在制定河流保護恢復策略之前，對河流進行健康評價，準確分析造成退化的原因是必要基礎[7]。河流健康評價始于20世紀50年代，健康評價方法逐步由單指標獨立評價發(fā)展到多指標綜合評價[7]。生物完整性指數(shù)(IBI)是一種綜合評價河流健康狀況的生物指標，基于河流生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能，從生物學角度反映河流健康狀況[8]。相比以往的單因素生物評價指標，IBI綜合了多類型評價指數(shù)的信息，因此從理論上講具有全面性、敏感性和準確性等優(yōu)點[9]。IBI最早基于溪流魚類群落構建評價體系[10]，后來關注的水生生物類群逐步發(fā)展到藻類[11-12]、浮游生物[13]、水生植物[14]和大型底棲動物[15]，同時評價體系由河流發(fā)展到湖泊和濕地等其他生態(tài)系統(tǒng)[16-18]。由于大型底棲動物物種分布廣泛，且不同物種對于環(huán)境干擾能夠表現(xiàn)出較大的適應范圍和敏感差異性[19]，能很好地指示由于人類干擾而引起的水生態(tài)系統(tǒng)的退化狀況，因此大型底棲動物完整性在河流健康評價中得到了廣泛的應用[20-21]。

國內(nèi)基于大型底棲動物生物完整性指數(shù)(B-IBI)開展了很多研究工作，根據(jù)研究區(qū)域的生物組成特征和流域環(huán)境壓力構建了適用于該流域的評價體系(如針對長江中下游等豐水型流域[22]和北方缺水型流域[20]開展的研究，均有報道)。由于不同流域物種區(qū)系組成和環(huán)境干擾不盡相同，使用同一套評價體系勢必會使評價結果不準確，因此構建適用于某一流域的IBI評價體系是科學評價流域健康的重要基礎。灤河流域是典型的北方季節(jié)型流域[23]，同時也是京津冀重要的水源涵養(yǎng)區(qū)和生態(tài)廊道，其健康狀況對京津冀一體化發(fā)展有著重要意義。目前灤河流域已經(jīng)針對生態(tài)流量[23]、水資源利用[24]、氣候變化同人類活動影響[25]、水化學特征[26]、底泥和生物體重金屬分布[27]、土地利用變化[28]等生態(tài)環(huán)境問題開展了研究，但基于B-IBI的河流健康評價工作鮮有報道。筆者通過構建B-IBI評價體系，科學評價灤河流域水生態(tài)健康狀況，以期為流域水生態(tài)保護恢復和綜合管理提供理論和數(shù)據(jù)支持。

1 實驗部分

1.1 研究區(qū)域概況

灤河流域發(fā)源于河北省張家口市巴彥古爾圖山北麓，流經(jīng)河北、內(nèi)蒙古、遼寧等省(自治區(qū))的25個市(縣、旗)，于河北省樂亭縣兜網(wǎng)鋪注入渤海灣。流域總面積為5.55×104km2，河長為888 km(圖1)。流域地處溫帶大陸性季風區(qū)，多年平均氣溫約為7.6 ℃，多年平均降水量約為520 mm，降雨主要集中在6—9月。流域內(nèi)人類活動呈現(xiàn)梯度特征，人口密度自上游高原地區(qū)到中游丘陵和下游平原區(qū)逐漸增加，人類活動壓力也隨之增加。

圖1 灤河流域采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling sites in the Luanhe River basin

1.2 樣品采集和測定

研究于2016年10—11月在灤河流域河北段共布設53個采樣點，主要覆蓋灤河流域干流及其一級支流。現(xiàn)場調(diào)查測定了水體理化因子并采集了大型底棲動物樣品。每個采樣點隨機設定 100 m的采樣河段，對于可涉水河流，選擇3種不同生境類型(流速、水深、底質類型相結合)的采樣斷面，使用索伯網(wǎng)(底面邊長為0.3 m×0.3 m，網(wǎng)徑為0.5 mm)進行采集；對于無法涉水的大型河流，使用1/16 m2彼得森采泥器采集3個平行樣品?，F(xiàn)場將所有樣品逐一挑揀出，并用95%的酒精保存后帶回實驗室鑒定。所有樣品鑒定至盡可能低的分類單元[19]，并進行功能攝食類群劃分[19]。

1.3 生境質量評價

調(diào)查采樣點生境質量評價主要參考鄭丙輝等提出的評價方法[29]，具體涵蓋底質組成、棲境復雜性、流速和水深結合、堤岸穩(wěn)定性、河道變化、河水水量狀況、河岸植被多樣性、水質狀況、人類活動強度和河岸邊土壤利用類型等10個方面。分項指標滿分為20分，總分為200分。為了保證評判標準的一致性，所有采樣點生境評分均由一人完成。

1.4 研究方法

構建B-IBI的基本步驟包括：①參照點與受損點篩選；②B-IBI候選指標體系構建；③通過分布范圍、判別能力和相關關系分析對候選評價指標進行篩選；④B-IBI數(shù)值計算；⑤確定B-IBI評價標準并對各個采樣點進行健康評價[7]。

1.4.1 參照點與受損點的篩選

表1 灤河流域B-IBI評價中參照點和受損點的篩選標準Table 1 Sieving criteria of reference sites and disturbed sites in the Luanhe River basin

1.4.2 B-IBI候選指標體系建立

該次在灤河流域共采集并鑒定出大型底棲動物206屬(種)，隸屬于5門8綱70科。為了體現(xiàn)大型底棲動物群落結構的梯度變化特征，參考相關研究成果，分別從反映群落豐富度、底棲動物種類個體數(shù)量比例、生物耐污能力、營養(yǎng)結構、小生境質量以及多樣性指數(shù)等6個方面構建了候選指標庫(表2)[31]。并參考相關研究對各候選指標進行數(shù)值計算[20, 32-33]。

1.4.3 候選指標分布范圍檢驗

候選指標確定后，對其進行分布范圍檢驗，如果候選指標有超過95%的點位數(shù)值為零，則該指標不適用于構建B-IBI體系[7]。

1.4.4 候選指標敏感性分析

利用箱線圖法分析候選指標在參照點與受損點的分布情況。比較各候選指標在參照點與受損點間箱體IQ(即25%～75%分位數(shù)范圍)的重疊情況[7]。若2個箱體中位數(shù)都在對方箱體之內(nèi)，則IQ等于0；若箱體部分重疊，其中一個中位數(shù)值在對方箱體范圍之外，另一個中位數(shù)值在對方箱體范圍之內(nèi)，則IQ等于1；若箱體部分重疊，但各自中位數(shù)值都在對方箱體范圍之外，則IQ等于2；若箱體沒有重疊，則IQ 等于3。保留IQ≥2的候選指標進行下一步分析。

1.4.5 候選指標間冗余檢驗

對經(jīng)敏感性分析篩選的候選指標進行Pearson相關性分析，以檢驗候選指標的冗余。當|r|>0.75時，如果2個候選指標間生物信息重疊度高，需要刪除一個候選指標[7]。經(jīng)過冗余檢驗之后，最終獲得計算B-IBI的核心指標。

1.4.6 B-IBI標準化方法

為統(tǒng)一評價量綱，對篩選的指標進行計分。研究采用三分制法計算生物指標的分值。三分法計算核心指標值在參照點的分布，對核心參數(shù)指標值的評分方法進行擬定[7]：①對于受到干擾而指標值降低的參數(shù)，取其25%分位數(shù)為分界點，分界點以上為理想值，賦5分；對分界點以下指標值進行均分，上段賦3分，下段賦1分；②對于受到干擾而指標值增加的參數(shù)，以75%分位數(shù)為分界點，分界點以下為理想值，賦5分；對分界點以上指標值進行均分，下段賦3分，上段賦1分。

1.4.7 健康評價

將計算后的核心指標分值求和，獲得B-IBI值。健康評價標準以所有參照點IBI分值為依據(jù)，所有參照點IBI分值的75%分位數(shù)作為“健康”等級的標準，對小于75%分位數(shù)的數(shù)值進行四等分，分別確定“亞健康”“一般”“差”和“極差”4個評價等級[7]。

1.4.8 B-IBI評價結果校驗

為了進一步驗證核心指標計算的B-IBI在灤河流域健康評價中的準確性，利用非參數(shù)檢驗分析B-IBI在參照點和受損點的差異性和分布情況，同時用該檢驗方法分析不同B-IBI等級之間棲息地綜合得分的差異性。

表2 灤河流域B-IBI候選指標體系及描述Table 2 Attributes and description of candidate metrics of B-IBI in the Luanhe River basin

注：EPT為蜉蝣目(Ephemeraptera，E)、襀翅目(Plecoptera，P)和毛翅目(Trichoptera，T)縮寫。

1.4.9 數(shù)據(jù)處理方法

該研究所有數(shù)據(jù)均采用Excel軟件進行預處理，運用SPSS 21.0進行Pearson和非參數(shù)檢驗分析，箱線圖在Statistica 7.0軟件中完成。

2 研究結果

2.1 參照點與受損點的篩選

根據(jù)表1中所列標準對參照點和受損點進行篩選。最終從53個采樣點中選出QLH01、LiuH01、DaiH01、ShiH01、ShiH02、ShaH02、TH01、TH02、PH01等9個參照點，LH02、MYTH02、YMH01、CH01、LiuH02、DH02等6個受損點。

2.2 候選指標分布范圍檢驗與敏感性分析

對所有候選指標分布范圍檢驗表明，M2、M3、M4、M5、M8、M14等6個候選指標分布范圍過窄或出現(xiàn)零值過多，予以剔除。對剩余的30個候選指標進行敏感性分析發(fā)現(xiàn)，僅M1、M7、M12、M13、M25、M26、M27和M35等8個候選指標的IQ≥2(圖2)，保留用于進一步分析。

2.3 候選指標相關性分析

對上述8個候選指標進行Pearson相關性分析。結果顯示M1與M26、M12與M13顯著相關(P<0.01，|r|>0.75)，見表3。由于M26是根據(jù)科級分類單元敏感值計算出來的，代表對干擾的耐受性，而M1指代的是群落中全部分類單元數(shù)，2個指標雖顯著相關，但指標涵蓋信息不完全相同，因此保留M1和M26。由于EPT個體包含蜉蝣目個體、襀翅目個體和毛翅目個體，且EPT個體相對豐度更能反映灤河流域大型底棲動物的整體特征，應用更為普遍，故保留M12。最終采用M1、M7、M12、M25、M26、M27和M35來構建灤河流域B-IBI。

圖2 8個候選指標在參照點和受損點的箱線圖(R為參照點，D為受損點)Fig.2 Box plots of 8 candidate metrics between reference and disturbed sites (R reference site,D disturbed site)

指標M1M7M12M13M25M26M27M35M11.00M70.58??1.00M120.250.061.00M130.190.110.79??1.00M25-0.140.04-0.73??-0.74??1.00M260.76??0.210.62??0.54??-0.58??1.00M270.310.230.72??0.62??0.72??0.69??1.00M350.62??0.43??-0.040.050.240.38?0.021.00

注：“**”表示在0.01水平(雙側)上顯著相關；“*”表示在0.05水平(雙側)上顯著相關。

2.4 灤河流域B-IBI健康評價

根據(jù)三分法和分位數(shù)法分別確定了灤河流域B-IBI核心指標賦分標準(表4)和健康評價標準(表5)，通過計算B-IBI值對每個采樣點進行健康評價。評價結果表明，灤河流域總體健康狀況為“一般”，有54.7%的采樣點處于“亞健康”狀態(tài)以下。具體來看，7個處于“健康”狀態(tài)，17個處于“亞健康”狀態(tài)，12個處于“一般”狀態(tài)，10個處于“差”狀態(tài)，7個處于“極差”狀態(tài)。

表4 灤河流域B-IBI核心指標賦值標準Table 4 Scoring criteria for core attributes of B-IBI in the Luanhe River basin

表5 灤河流域B-IBI健康評價標準Table 5 Criteria of B-IBI healthy assessment in the Luanhe River basin

2.5 B-IBI評價結果校驗

非參數(shù)檢驗結果顯示，灤河流域參照點B-IBI要顯著高于非參照點(P<0.05)，見圖3。校驗結果表明，該研究所構建的B-IBI評價體系適用于灤河流域的健康評價。

圖3 參照點和受損點的B-IBI值比較(R為參照點，D為受損點)Fig.3 Comparison of B-IBI between reference and disturbed sites using box plots (R reference site,D disturbed site)

3 討論

研究針對灤河流域的主要干支流共53個采樣點開展了水生態(tài)調(diào)查和生物完整性評價。評價結果顯示，53個采樣點中有54.7%的采樣點處于“亞健康”狀態(tài)以下(“一般”“差”和“極差”)，分別有18.9%和13.2%的采樣點健康狀況為“差”和“極差”。評價等級為“健康”和“亞健康”的采樣點多分布于承德市上游和冀東地區(qū)部分支流(如灤河干流上游部分、小灤河、伊遜河、武烈河、湯河以及戴河)。灤河流域上游森林植被覆蓋率較高，人口密度較少，因承德定位為旅游低碳型城市，近些年工業(yè)產(chǎn)值比例逐年降低[34]，所以除少量農(nóng)業(yè)之外，污染嚴重的工業(yè)企業(yè)分布較少，使得承德市轄區(qū)以上區(qū)域自然生態(tài)環(huán)境保持較好，這也是B-IBI評分較高的原因。分布于冀東地區(qū)的湯河和戴河均為自流入海河流，得益于秦皇島生態(tài)旅游城市的發(fā)展定位，對自然資源保護程度較高，因此生態(tài)環(huán)境狀況保持的也較好，B-IBI評分為“健康”和“亞健康”，以上研究結果與同流域的魚類生物完整性評價結果較為相似。灤河流域B-IBI評價結果為“一般”“差”和“極差”的采樣點多分布在灤河干流承德市轄區(qū)和唐山市境內(nèi)的河流(如灤河干流下游區(qū)域、柳河、橫河、潵河、沙河和洋河等多條河流)。由于人口密集區(qū)多而帶來的生態(tài)環(huán)境壓力也一并體現(xiàn)在生物完整性的評價當中。為了防洪和景觀功能，城市河道通常會被人工硬化，造成河道天然基質的退化，致使底棲動物生存所需要的復雜微生境喪失，生物多樣性降低[35]。同時，城鎮(zhèn)生活污水和工農(nóng)業(yè)廢水的排入也會嚴重降低水生態(tài)環(huán)境質量[19]。灤河流域圍場滿族自治縣至下游遷安縣范圍的水質評價結果顯示，受生活污水和工業(yè)廢水的影響，該研究區(qū)域水質退化嚴重，特別表現(xiàn)在氮磷等營養(yǎng)鹽的污染[36]。同時，水體和沉積物中的新型污染物也是造成中下游水質退化的主要原因。研究結果表明，灤河中游沉積物中的多環(huán)芳烴類污染物已經(jīng)達到了對生物產(chǎn)生潛在危害的當量[37]。

生物完整性評價結果可以指導水環(huán)境管理者做出有針對性的恢復和保護措施，因此其準確性非常重要[7]。要保證IBI評價結果的準確性需要有足夠多的參照點生物數(shù)據(jù)來支撐，同時還要保證所構建的評價指標體系具有科學性、代表性和敏感性，只有實現(xiàn)以上2個要求才能保障IBI評價體系和評價結果是客觀和準確的。參照點的質量和數(shù)量關系到評價標準的準確性[38]。由于當前已經(jīng)很難找到未受人類干擾的參照點，所以盡可能地提升參照點篩選標準是切實可行的方法。以往對于參照點的篩選多使用單一的水質指標來衡量，但由于環(huán)境要素對水生生物的影響作用機制較復雜，因此不僅要考慮水環(huán)境要素，還需要綜合考慮其他的物理生境和采樣點周邊綜合干擾壓力。研究參考周瑩等的研究結果[30]，將水質、生境和采樣點周邊環(huán)境壓力3個要素相結合，盡可能保障其準確性[7, 30, 38]。評價指標體系的構建是基于所研究生物群落的結構和功能，而最終的核心評價指標也期望可以囊括所有類型[10]。研究最終篩選出來的7個核心指標主要為M1、M7、M12、M25、M26、M27和M35。其中，M1和M12是B-IBI評價當中常用的指數(shù)，不僅經(jīng)常用在河流健康評價中[20]，在湖泊和濕地生態(tài)系統(tǒng)中也經(jīng)常作為核心評價指標[17-18]。該研究結果顯示，有3個單因素評價指標(M25、M26、M27)通過篩選進入到核心計算指標體系中。以上3個單因素評價指標均是基于不同分類階元(科級、屬級、種級)的敏感和耐污特性而計算的[32-33]，結合同樣被篩選為核心指標的M12來看，灤河流域大型底棲動物物種和群落結構組成在參照點和受損點差異性最大的還是清潔水體的指示物種——水生昆蟲幼蟲，因此EPT等附石性水生昆蟲幼蟲也是今后在灤河流域河流健康評價中需要重點關注的物種。該研究的核心指標中并未有反映營養(yǎng)級組成的指標入選，分析其原因可能是撕食者多在郁閉度較高的山區(qū)溪流中生存，以河岸帶凋落物為食物來源[39]，而該次采樣由于條件限制，并未涉及較多的山地溪流，因此造成撕食者個體相對豐度在參照點和受損點無法區(qū)分開。而濾食者和收集者的相對豐度在以往的研究中也較多地被證明并不能區(qū)分棲息地質量不同的河流[19]。究其原因可能是上游溪流的底棲動物群落中盡管多以水生昆蟲為主，但攝食功能類型也多以濾食者和收集者為主，而根據(jù)河流連續(xù)統(tǒng)理論(RCC)，隨著河流級別的增加，從上游到下游的過渡中，隨著外源營養(yǎng)物質的輸入，底棲動物則表現(xiàn)為濾食者和收集者占據(jù)主導位置，這是M28和M30無法在參照點和受損點中被區(qū)分開的主要原因。

IBI評價體系是進行河流健康常規(guī)監(jiān)測和評價的重要工具，因此該體系在研究區(qū)域是否具有適用性是判斷整套體系構建成敗的關鍵。該研究結果顯示，參照點和受損點的IBI得分具有顯著的組間差異性，表明所構建的B-IBI體系在灤河流域具有很好的適用性，同時也推薦河流管理部門可以將B-IBI引入常規(guī)河流監(jiān)測和評價中。

4 結論

1)代表群落豐富度、生物耐污能力和生物多樣性的指標更適合在灤河流域構建IBI評價體系。

2)B-IBI評價結果顯示，灤河流域整體健康狀況為“一般”，有54.7%的采樣點處于“亞健康”以下。健康狀況較好的區(qū)域位于承德市上游的主要干支流和冀東區(qū)域的部分支流。受經(jīng)濟發(fā)展結構影響，流經(jīng)承德市和唐山市轄區(qū)范圍內(nèi)的河流健康狀況多為“差”和“極差”等級。

3)研究所構建的評價體系是以一次采樣數(shù)據(jù)分析的研究結果，建議在今后的河流健康評價工作中更多地關注上游生境質量較高的支流，進一步對指標適用性進行校驗并做出相應的調(diào)整。