黃彬彬，李光錦, 豐茂成, 陳宇煒, 涂 潔

(鄱陽湖流域水工程安全與資源高效利用國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330099)

1 研究背景

近年來，在全球氣候變化以及人類活動(dòng)的雙重影響下，河流生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了不同程度的退化，河流生態(tài)系統(tǒng)健康受到威脅[1]，河流水生態(tài)系統(tǒng)的健康越來越受到人們的關(guān)注及重視。眾多的評價(jià)方法被應(yīng)用于水生態(tài)系統(tǒng)的健康評價(jià)[2-5]，其中利用水生生物評價(jià)河流生態(tài)系統(tǒng)的健康是目前廣泛使用的評價(jià)方法之一[6]。生物完整性指數(shù)(IBI)自1981年Karr[7-8]提出之后，已經(jīng)成為用來評價(jià)河流生態(tài)系統(tǒng)健康的主要方法，它通過從選取的候選參數(shù)中篩選出若干個(gè)對人類干擾較敏感的生物參數(shù)，建立評價(jià)體系來評價(jià)水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況[9-10]。從Karr[7]選擇指示生物魚類為研究對象起，其他研究人員將研究對象逐漸擴(kuò)展到藻類[11]、浮游生物[12]和底棲動(dòng)物[13]等生物，利用這些生物建立生物完整性指數(shù)體系對水生態(tài)系統(tǒng)的健康進(jìn)行評價(jià)。

底棲動(dòng)物是水生態(tài)系統(tǒng)中分布極其廣泛的物種之一，生活在水體底層，對河流生態(tài)系統(tǒng)的能量流與物質(zhì)流的循環(huán)起著重要的作用，底棲動(dòng)物生命周期短，不同物種對于環(huán)境的干擾通常表現(xiàn)出較大的敏感差異性[14]，能很好地指示水生態(tài)系統(tǒng)的變化，因此廣泛應(yīng)用于水生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)[15-18]。Kerans等[19]最早基于底棲動(dòng)物建立生物完整性指數(shù)對河流進(jìn)行健康評價(jià)，至今底棲動(dòng)物的完整性指數(shù)(B-IBI)已成為研究評價(jià)河湖水生態(tài)系統(tǒng)健康的重要方法之一。我國利用B-IBI進(jìn)行河湖健康評價(jià)起步較晚，自2000年王備新等[20]開展相關(guān)研究以來，才漸漸被國內(nèi)研究人員應(yīng)用于不同地區(qū)的河湖生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)。但是國內(nèi)的研究區(qū)域多集中在中小流域[21-23]和中小型湖泊[24-25]等水域。關(guān)于本文研究的贛江流域，僅在2011年有學(xué)者對整個(gè)贛江流域的水生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行了評價(jià)[26]，至今未有水生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)的相關(guān)研究。本文通過對贛江干流的底棲動(dòng)物進(jìn)行采樣調(diào)查，研究了贛江干流底棲動(dòng)物的優(yōu)勢種與群落結(jié)構(gòu)特征，并構(gòu)建底棲動(dòng)物生物完整性指數(shù)體系對贛江干流進(jìn)行水生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)，以期為贛江流域的水生態(tài)環(huán)境綜合治理與保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)域概況

本文主要以贛江干流為研究區(qū)域。贛江干流分為上、中、下3段，上游為贛州以上河段，貢水為主河道，長為311 km，主要支流有平江、梅江等，上游區(qū)域多山丘；贛江中游為贛州市至新干線河段，長為302 km；新干線以下直至南昌市鄱陽湖為下游，長為208 km，兩岸匯入的支流眾多，主要支流有蜀水、富水、袁江、錦江等。但是隨著社會的發(fā)展，贛江流域水資源開發(fā)利用率逐漸提高，各種人為干擾，如河道采砂、水利樞紐的興建、污染物的排放等，以及氣候變化均對贛江流域生態(tài)環(huán)境造成了不同程度的影響，威脅著流域生態(tài)系統(tǒng)的健康[27]。

2.2 樣品采集方法

為研究贛江干流的整體水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，于2018年7月、2019年1月和4月分別對贛江干流進(jìn)行野外調(diào)查采樣。根據(jù)研究區(qū)域水文、地理、氣候條件以及《河道大型底棲動(dòng)物監(jiān)測與水質(zhì)評價(jià)技術(shù)手冊》[28]，嚴(yán)格遵循監(jiān)測點(diǎn)要有代表性、完整性以及可比性的原則。在贛江干流總共布置12個(gè)典型采樣斷面對其進(jìn)行底棲動(dòng)物野外調(diào)查采樣，各采樣斷面位置分布見表1和圖1。

表1 贛江干流底棲動(dòng)物調(diào)查采樣斷面位置

依據(jù)贛江干流實(shí)際生境情況，每個(gè)采樣斷面選取長約200 m的河段，在區(qū)域內(nèi)不同生境進(jìn)行采集，每個(gè)斷面采集次數(shù)不少于3次。不可涉水區(qū)域采樣所用工具為1/16 m2的彼得森采泥器(定量)、可涉水區(qū)域采樣工具為索伯網(wǎng)(定量)以及手抄網(wǎng)(定性)，采樣為定性和定量相結(jié)合。采集到的樣品在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分類鑒定，大部分鑒定到種或者屬，少部分鑒定到科。

在調(diào)查期間，部分采樣斷面未采集到底棲動(dòng)物，其中2018年8月和2019年1月未采集到底棲動(dòng)物的采樣斷面有GJ1#、GJ8#、GJ9#、GJ10#和GJ12#；2019年4月未采集到底棲動(dòng)物的采樣斷面有GJ5#、GJ8#、GJ9#和GJ10#。

2.3 數(shù)據(jù)分析方法

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的樣品分析鑒定結(jié)果，統(tǒng)計(jì)各采樣斷面不同種類的質(zhì)量及個(gè)體數(shù)，將其換算成單位面積上的質(zhì)量(生物量，g/m2)及個(gè)體數(shù)(生物密度，ind/m2)，通過底棲動(dòng)物的優(yōu)勢度指數(shù)(Y)[13]對贛江干流優(yōu)勢種進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)分析及處理使用Excel2017與SPSS完成，指數(shù)計(jì)算公式如下：

Y=Pi·fi

(1)

Pi=ni/N

(2)

式中：ni為第i個(gè)物種的個(gè)體數(shù)量；N為樣方內(nèi)個(gè)體總數(shù)量；Pi為第i個(gè)物種個(gè)體數(shù)量與個(gè)體總數(shù)量的比值；fi為第i個(gè)物種在所有樣點(diǎn)中出現(xiàn)的頻率。當(dāng)Y>0.02時(shí)，該種即為優(yōu)勢種。

圖1 贛江干流底棲動(dòng)物調(diào)查采樣斷面分布圖

2.4 B-IBI指數(shù)體系構(gòu)建

2.4.1 參照點(diǎn)位的選取 由于實(shí)際采樣斷面較少，且部分?jǐn)嗝嬖谀硞€(gè)時(shí)期未采集到底棲動(dòng)物，故將每次調(diào)查結(jié)果作為一個(gè)采樣點(diǎn)，故共有22個(gè)采樣點(diǎn)。在所有的采樣點(diǎn)中選取無干擾點(diǎn)或極小干擾點(diǎn)作為參照點(diǎn)。參照點(diǎn)的選取原則參照附近無農(nóng)田污染源、水質(zhì)低污染無毒且仍能溶解氧氣的樣點(diǎn)[29]。根據(jù)參照點(diǎn)選取原則及贛江干流實(shí)際水文地理環(huán)境，共選取5個(gè)參照點(diǎn)，分別為GJ2#(枯水期)、GJ2#(豐水期)、GJ3#(豐水期)、GJ3#(平水期)和GJ3#(枯水期)，其余17個(gè)點(diǎn)位為受損點(diǎn)。

2.4.2 構(gòu)建步驟 構(gòu)建B-IBI指數(shù)體系總共有4個(gè)基本步驟[29]，如圖2所示，主要是為了篩選出能準(zhǔn)確評價(jià)水生態(tài)系統(tǒng)健康的生物指數(shù)。

圖2 構(gòu)建B-IBI指數(shù)的基本步驟

2.4.3 選取候選參數(shù) 根據(jù)前期研究成果[30-32]選取了18個(gè)具有代表性、對干擾反映敏感的候選參數(shù)，如表2所示。候選參數(shù)充分反映了底棲動(dòng)物群落的組成、豐富度、耐污能力、功能類群和多樣性等特征。

表2 構(gòu)成B-IBI指數(shù)體系的候選生物參數(shù)

2.4.4 候選參數(shù)的篩選 構(gòu)成B-IBI指數(shù)體系的生物參數(shù)必須隨環(huán)境物理因子、化學(xué)因子、水動(dòng)力因子及生物因素的變化而發(fā)生不同程度的改變，對河流水環(huán)境因子有高敏感性。因此需要對候選生物參數(shù)進(jìn)行分布范圍、判別能力及相關(guān)性分析，剔除掉不能充分反映出水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的生物參數(shù)，將保留下來的生物參數(shù)構(gòu)成B-IBI指數(shù)體系[33]。

3 結(jié)果與分析

3.1 底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)

調(diào)查期間于贛江干流共檢出底棲動(dòng)物3門6綱13科24種屬，共25個(gè)分類單元，3門分別為環(huán)節(jié)動(dòng)物門、軟體動(dòng)物門和節(jié)肢動(dòng)物門，6綱分別為寡毛綱、腹足綱、雙殼綱、昆蟲綱，蛭綱、軟甲綱。其中以軟體動(dòng)物的種類數(shù)最多，共檢出11屬種，占總種類的44%，其次為水生昆蟲類6種，占比24%，寡毛類4屬種，占比16%，其余為其他類群僅4種，占比16%。根據(jù)調(diào)查結(jié)果計(jì)算優(yōu)勢度指數(shù)Y可得出贛江干流的優(yōu)勢種有3種，分別為銅銹環(huán)棱螺(Bellamyaaeruginosa)(Y=0.169)、蘇氏尾鰓蚓(Branchiurasowerbyi)(Y=0.034)和大沼螺(Parafossaruluseximius)(Y=0.02)，全年內(nèi)贛江干流底棲動(dòng)物優(yōu)勢種見表3。

表3 贛江干流底棲動(dòng)物優(yōu)勢種調(diào)查結(jié)果

從不同水情期來看，在贛江干流2018年7月共檢出底棲動(dòng)物3門6綱11種屬，優(yōu)勢種有兩種，分別為銅銹環(huán)棱螺(Bellamyaaeruginosa)(Y=0.102)和蘇氏尾鰓蚓(Branchiurasowerbyi)(Y=0.075)；2019年1月枯水期共檢出底棲動(dòng)物3門6綱12科18種屬，優(yōu)勢種共有2種，分別為銅銹環(huán)棱螺(Bellamyaaeruginosa)(Y=0.121)和蘇氏尾鰓蚓(Branchiurasowerbyi)(Y=0.055)；2019年4月共檢出底棲動(dòng)物3門4綱8科12種屬種，優(yōu)勢種僅有1種，為銅銹環(huán)棱螺(Bellamyaaeruginosa)(Y=0.124)，各水情期贛江干流底棲動(dòng)物優(yōu)勢種見表3。7月與4月的種類數(shù)相比于1月枯水期有所降低，主要是兩個(gè)水情期相較于枯水期的底棲動(dòng)物種類除水生昆蟲和寡毛類外的軟體動(dòng)物以及其他類群有所減少。贛江干流不同水情期的優(yōu)勢種均為耐污種，在一定程度上說明贛江干流的水質(zhì)受到一定污染且底棲動(dòng)物的種類較為單一。

3.2 B-IBI指數(shù)體系的構(gòu)建

3.2.1 分布范圍分析 在計(jì)算分布范圍時(shí)，通過對參照點(diǎn)的各生物參數(shù)值的平均值、25%分位數(shù)、中位數(shù)、75%分位數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行比較(如表4所示)，剔除隨干擾的增強(qiáng)，值的變動(dòng)范圍很小或者很大的生物參數(shù)[31]，它們是不適宜用來建立B-IBI指數(shù)體系的參數(shù)。

搖蚊類分類單元數(shù)M4、毛翅目個(gè)體相對豐度M7、敏感類群分類單元數(shù)M11、敏感類群的個(gè)體相對豐度M13、敏感類群的生物量百分比M15、濾食者個(gè)體相對豐度M17，這些隨干擾增強(qiáng)其值減小的生物指數(shù)，因?yàn)槠?5%分位數(shù)、中位數(shù)及75%分位數(shù)的值波動(dòng)性不大，說明隨干擾增強(qiáng)，可變范圍很窄，其指示信息作用較低，故剔除。同理，捕食者個(gè)體相對豐度M16隨干擾增強(qiáng)，指數(shù)的可變范圍很小，不適宜用來構(gòu)建B-IBI指數(shù)體系；搖蚊個(gè)體相對豐度M9隨干擾增強(qiáng)，指數(shù)的波動(dòng)性很大，故也予以剔除，然后對其余的10個(gè)生物指數(shù)進(jìn)行下一步的篩選。

表4 贛江干流底棲動(dòng)物采樣參照點(diǎn)生物參數(shù)分布范圍

3.2.2 判別能力分析 利用箱形圖法，通過對參照點(diǎn)和干擾點(diǎn)生物參數(shù)的計(jì)算，在SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件中畫出箱形圖，比較參照點(diǎn)和干擾點(diǎn)25%分位數(shù)至75%分位數(shù)的范圍，當(dāng)各自的中位數(shù)值均在彼此的箱體之中時(shí)，則IQ=0；如果只有1個(gè)中位數(shù)值重疊在對方箱體之中，則IQ=1；如果有部分重疊，但是各自的中位數(shù)值均在對方箱體范圍之外時(shí)，則IQ=2；當(dāng)無重疊，各自的中位數(shù)值均在對方箱體之外時(shí)，則IQ=3[32]，10個(gè)生物參數(shù)在參照點(diǎn)與受損點(diǎn)的箱形圖如圖3所示。

圖3 10個(gè)生物參數(shù)在參照點(diǎn)與受損點(diǎn)的箱形圖

通過以上原則對10個(gè)剩余生物參數(shù)進(jìn)行分析，選取IQ≥2的生物參數(shù)予以保留，其余的剔除，由圖3可知，甲殼動(dòng)物和軟體動(dòng)物分類單元數(shù)M3和耐污類群的個(gè)體相對豐度M12的IQ均小于2，故該兩個(gè)生物參數(shù)都予以剔除。前3位分類單元個(gè)體相對豐度M6和顫蚓個(gè)體相對豐度M8屬于隨干擾增強(qiáng)而值變大的生物參數(shù)，但是兩者受損點(diǎn)的值的25%分位數(shù)、中位數(shù)和75%分位數(shù)均一致，對干擾的反應(yīng)不敏感，故均予以剔除。其余生物參數(shù)的IQ均大于或等于2，所以得到剩余6個(gè)參數(shù)：總分類單元數(shù)M1、總生物量M2、優(yōu)勢分類單元個(gè)體相對豐度M5、甲殼動(dòng)物和軟體動(dòng)物的個(gè)體相對豐度M10、耐污類群的生物量百分比M14與香農(nóng)威納指數(shù)M18，將上述6個(gè)參數(shù)進(jìn)行下一步相關(guān)性分析。

3.2.3 相關(guān)性分析 對上述6個(gè)生物參數(shù)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析和檢驗(yàn)，剔除重復(fù)的信息，保證每一個(gè)指數(shù)都能提供一個(gè)新的信息[34]。通過SPSS軟件分析得出結(jié)果如表5所示。由表5可見，反映生物群落豐度的指數(shù)總分類單元數(shù)M1與反映生物物種多樣性的指數(shù)香農(nóng)威納多樣性指數(shù)M18相關(guān)性顯著，但由于總分類單元數(shù)M1在國內(nèi)外底棲動(dòng)物生物完整性指數(shù)研究中運(yùn)用較多，所以予以保留，剔除香農(nóng)威納多樣性指數(shù)M18；優(yōu)勢分類單元個(gè)體相對豐度M5與甲殼動(dòng)物和軟體動(dòng)物的個(gè)體相對豐度M10相關(guān)性顯著，由于軟體動(dòng)物是贛江干流的主要優(yōu)勢類群，所以M10予以保留，剔除M5；其余的生物指數(shù)相關(guān)性均不顯著，M1與M2雖都屬于反映生物群落豐度的指數(shù)，但是兩者包含的信息不盡相同，所以兩者均予以保留。最終確定底棲動(dòng)物生物完整性指數(shù)(B-IBI)有4個(gè)生物參數(shù)，即總分類單元數(shù)M1、總生物量M2、甲殼動(dòng)物和軟體動(dòng)物的個(gè)體相對豐度M10、耐污類群的生物量百分比M14。

表5 6個(gè)生物參數(shù)間的Pearson相關(guān)性

3.2.4 指標(biāo)賦分 對經(jīng)過篩選得到的生物參數(shù)賦分是為了統(tǒng)一評價(jià)量綱，現(xiàn)用比值法進(jìn)行生物參數(shù)的賦分計(jì)算，比值法的計(jì)算方法為：對干擾變強(qiáng)而值變小的生物參數(shù)，以各點(diǎn)位值95%的分位數(shù)值為最佳值，各生物參數(shù)分值為該生物參數(shù)值除以最佳值；對干擾變強(qiáng)而值變大的生物參數(shù)，將各點(diǎn)位的5%分位數(shù)值作為最佳值，各指數(shù)賦分計(jì)算公式[29]如表6所示。

表6 各生物參數(shù)用比值法的賦分計(jì)算公式

按照參照點(diǎn)的生物完整性指數(shù)(B-IBI)值的計(jì)算結(jié)果，將所有參照點(diǎn)的25%分位數(shù)作為界線劃分，如采樣點(diǎn)計(jì)算所得的B-IBI值大于或等于參照點(diǎn)的25%分位數(shù)值，則表示該采樣斷面受干擾小，處于健康狀態(tài)。而25%分位數(shù)值以下的，可進(jìn)行4等分，每一段代表不同的健康程度。最終可以得到B-IBI指數(shù)體系的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如表7所示。

3.2.5 健康評價(jià) 研究期贛江干流各采樣斷面健

康狀況評價(jià)結(jié)果見表8。表8顯示，22個(gè)樣點(diǎn)中，共有13個(gè)樣點(diǎn)為“健康”、2個(gè)樣點(diǎn)為“亞健康”。6個(gè)樣點(diǎn)為“一般”、1個(gè)樣點(diǎn)為“差”，無極差樣點(diǎn)。調(diào)查期間未采集到底棲動(dòng)物的樣點(diǎn)，將其健康狀態(tài)均評為極差。根據(jù)整個(gè)調(diào)查期間的結(jié)果來看，斷面GJ2#(章水)、GJ3#(儲潭)、GJ4#(萬安水庫)、GJ6#(吉安濱水公園)和GJ11#(贛江南支)處于健康或亞健康狀態(tài)；斷面GJ5#(羅塘)處于一般狀態(tài)；GJ1#(貢水)、GJ7#(峽江水庫)和GJ12#(贛江北支)處于差或極差狀態(tài)；而斷面GJ8#(拖船鎮(zhèn))、GJ9#(小港)和GJ10#(外洲)未采集到底棲動(dòng)物均處于極差狀態(tài)。根據(jù)各斷面的評價(jià)結(jié)果的平均值可以得出，贛江總體健康狀況處于一般狀態(tài)。而且贛江干流健康狀況具有一定的時(shí)空差異性，所以對不同水情期的不同樣點(diǎn)區(qū)域要采取相應(yīng)的治理措施與管理方法。

表7 贛江干流健康狀況B-IBI指數(shù)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表8 研究期贛江干流各采樣斷面健康狀況評價(jià)結(jié)果

4 結(jié) 論

通過對贛江干流底棲動(dòng)物的采樣調(diào)查，研究了贛江干流底棲動(dòng)物的優(yōu)勢種與群落結(jié)構(gòu)特征，并構(gòu)建底棲動(dòng)物生物完整性指數(shù)體系對贛江干流水生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行了評價(jià)，初步得到如下結(jié)論：

(1)贛江干流底棲動(dòng)物檢出3門6綱13科共24種屬，其中優(yōu)勢種有3種，分別為銅銹環(huán)棱螺、蘇氏尾鰓蚓和大沼螺。

(2)贛江干流的水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況在空間上的差異較大，各斷面采樣點(diǎn)屬于“健康”或“亞健康”狀態(tài)。上游和中游的健康狀況總體相對較好。位于贛江干流下游南昌市周邊斷面的健康狀態(tài)普遍較差，與其位于城區(qū)、開發(fā)程度較高、生活及工業(yè)污水的排放和河道采砂活動(dòng)等因素有關(guān)，而靠近鄱陽湖湖區(qū)的斷面則相對較好。

(3)受研究區(qū)域地理?xiàng)l件和采樣環(huán)境的限制，本研究對贛江干流僅選取了12個(gè)典型采樣斷面，為提高B-IBI評價(jià)方法的精準(zhǔn)性，應(yīng)增加典型監(jiān)測點(diǎn)位，并進(jìn)行長期跟蹤監(jiān)測，盡可能為水生態(tài)修復(fù)與治理提供更多支撐。同時(shí)加大對采樣斷面健康狀態(tài)較差區(qū)域的治理力度，對贛江下游南昌段的工業(yè)污水達(dá)標(biāo)排放、采砂及其他開發(fā)行為進(jìn)行科學(xué)管理。建立嚴(yán)格的監(jiān)管機(jī)制，提高綜合治理水平，以此維護(hù)贛江流域水生態(tài)系統(tǒng)的健康與水資源的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展。