張 葵,王 軍,葛奕豪,謝 鵬,馬徐發(fā),周 瓊,*

1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部淡水生物繁育重點實驗室,武漢 430070 2 長江經(jīng)濟帶大宗水生生物產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展教育部工程研究中心,武漢 430070 3 云南大學(xué)國際河流與生態(tài)安全研究院,昆明 650500 4 中國科學(xué)院水生生物研究所,武漢 430072

生物完整性指數(shù)(Index of biotic integrity, IBI)是根據(jù)篩選后的多個生物參數(shù)評價生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。最初由Karr以魚類作為指示生物而提出的[1],隨后其研究對象逐步擴展至大型底棲動物[2]、藻類[3]、浮游生物[4]、水生植物[5]等生物類群,研究生境也由河流發(fā)展到湖泊[6]、水庫[7]和濕地[8]等生態(tài)系統(tǒng),其應(yīng)用范圍日益廣泛。大型底棲動物作為河流生態(tài)系統(tǒng)中承上啟下的重要環(huán)節(jié),其分布范圍較廣,且不同物種對環(huán)境適應(yīng)能力不盡相同[9]。因此,大型底棲動物可以較好的指示人類活動對河流健康狀況的影響,是構(gòu)建生物完整性指數(shù)的理想對象。

B-IBI最早由Kearans等[10]提出,后經(jīng)美國國家環(huán)保局倡導(dǎo)并發(fā)展成為世界范圍內(nèi)評價水體健康狀況的常規(guī)方法。我國自80年代已將大型底棲動物用于河流水質(zhì)評價[11],王備新等[12]首次在國內(nèi)將B-IBI應(yīng)用于評價黃山地區(qū)溪流的健康狀況后,逐步在國內(nèi)河流的水體健康評價中得到廣泛應(yīng)用[13-14]。然而,現(xiàn)有的研究通常以一周年內(nèi)1—2個月份的調(diào)查結(jié)果為基礎(chǔ)構(gòu)建B-IBI體系[15-16],或者雖然開展了一周年的研究,但是在時間尺度上的分析較少[17]。河流生境中的各種理化因子在不同月份存在不同程度的變化,大型底棲動物的分布呈現(xiàn)異質(zhì)性[16]。因此,為確保B-IBI用于評價河流健康狀況時的準確性,從年內(nèi)不同月份和年際變化等時間尺度的角度來討論河流健康狀況是非常必要的。

伊犁河流域地處干旱少雨的中亞內(nèi)陸,河流兩岸是經(jīng)濟發(fā)展較為集中的區(qū)域,同時橫跨中國和哈薩克斯坦兩國?？缇澈恿饔捎谔厥獾牡鼐壭?其生態(tài)和環(huán)境改變所帶來的效應(yīng)往往是國家之間矛盾的焦點所在[18]。由于冰封期較長、地處偏遠、交通不便等因素的影響,目前該流域水生生物方面的研究報道甚少,有關(guān)底棲動物方面的研究僅限于于帥等的研究[19]?；谏锶郝浣Y(jié)構(gòu)的伊犁河水質(zhì)健康評價僅限于月份變化,缺少年際變化的分析[20-21]。本研究連續(xù)3年(2013—2015)按照不同月份對伊犁河的健康狀況進行時間尺度上的評價分析,旨在通過構(gòu)建B-IBI體系,以期為伊犁河流域的環(huán)境監(jiān)測和漁業(yè)管理提供理論參考,同時探討時間尺度對河流B-IBI分值的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

伊犁河地處我國西北邊陲,其主源特克斯河發(fā)源于天山汗騰格里峰,向東流經(jīng)喀德明山脈與鞏乃斯河匯合后,轉(zhuǎn)而向西流,與北岸的喀什河匯合后始稱伊犁河。伊犁河在中哈兩國界河——霍爾果斯河流出國境,最終注入哈薩克斯坦境內(nèi)的巴爾喀什湖[22]。流域內(nèi)整體地勢東高西低,處大西洋暖濕氣流的迎風(fēng)面,年平均降水417.66 mm,年平均氣溫10.4 ℃,屬溫帶大陸性氣候[23]。伊犁河全長1236.5 km,在中國境內(nèi)長442 km,流域面積5.6×104m2,年徑流量為117×108m3,是新疆水量第一大河流,通常在11月至次年3月冰封,次年4月解凍。伊犁河上游河段為支流(特克斯河、鞏乃斯河和喀什河),處于較為原始的區(qū)域,多高山急流,平均水深在1 m左右,水溫較低,底質(zhì)主要為礫石,流至河口處河道寬闊,水流平穩(wěn),底質(zhì)多為砂石,而至地勢平坦的伊犁河大橋處,水流更趨平緩,水深在2 m左右,底質(zhì)則以泥沙為主。

1.2 樣品的采集與處理

本研究于2013—2015年連續(xù)三年對伊犁河流域大型底棲動物進行系統(tǒng)調(diào)查,根據(jù)伊犁河冰封期與水文期的特點,采樣月份設(shè)為每年5月、7月、8月及10月,共設(shè)8個采樣點,其中特克斯河、鞏乃斯河、喀什河和伊犁河干流各2個。

在采集底棲動物樣品時,對于可涉水的采樣點,使用索伯網(wǎng)(面積為0.09 m2,孔徑為0.5 mm)進行采集；對于不可涉水的采樣點,使用1/16 m2彼得森采泥器進行采集,每個樣點采集3—5次。所采集的樣品現(xiàn)場通過60目網(wǎng)篩洗凈,并轉(zhuǎn)移至白瓷盤中挑揀。樣品通過10%的福爾馬林固定保存,帶回實驗室鑒定、計數(shù)并稱其濕重。底棲動物盡可能的鑒定到較低的分類單元[24-27],并對其功能群、耐污值等參數(shù)進行評定劃分[28-31]。

1.3 B-IBI評價體系的構(gòu)建

1.3.1采樣點的劃分

構(gòu)建B-IBI評價體系,首先要確定參照點和受損點,參照點是指無人為活動干擾或者人為活動干擾較小的點,受損點是受到人類活動干擾較大的點。結(jié)合伊犁河流域?qū)嶋H情況,采用經(jīng)驗法[32-33]選取生境較好、受人為干擾較小的鞏乃斯河零公里、喀什河的喬爾瑪與尼勒克3個采樣點作為參照點,昭蘇解放大橋、特克斯三鄉(xiāng)、鞏乃斯大橋、雅瑪渡和伊犁河大橋5個采樣點作為受損點(圖1)。根據(jù)三年的采樣情況,參照點的樣點數(shù)據(jù)共有34個,受損點的樣點數(shù)據(jù)共有38個,總計72個樣點數(shù)據(jù)。

圖1 伊犁河流域采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling sites in the Ili River basin

1.3.2候選參數(shù)的確定

用于構(gòu)建B-IBI健康評價體系的候選參數(shù)較多,為了準確且較為全面地評價伊犁河流域的水體健康狀況,結(jié)合伊犁河流域?qū)嶋H情況,同時參考王軍等在西北地區(qū)跨境河流的研究[13],本研究選取6個大類,包括群落豐富度、種類個體相對豐度、功能攝食群、耐污能力、小生境質(zhì)量和生物多樣性指數(shù)共30個指標(表1)作為候選參數(shù)。

表1 伊犁河流域B-IBI體系候選參數(shù)及其對干擾的反應(yīng)

1.3.3候選參數(shù)的篩選

1)分布范圍檢驗：候選參數(shù)中若有超過95%的點位數(shù)值為0的參數(shù),則其表現(xiàn)的信息指示作用不強,不適合用于構(gòu)建B-IBI評價體系,予以剔除[15]。

2)判別能力分析：剩余參照點和受損點的參數(shù)進行箱線圖對比分析,如果參照點和受損點的箱線圖范圍無重疊,則記為IQ(Inter quartile)=3；如重疊且兩者中位數(shù)值在對方箱線圖范圍外,則記為IQ=2；如重疊且兩者只有一個中位值在對方箱線圖范圍內(nèi),則記為IQ=1；如重疊且兩者中位值均在對方箱線圖范圍內(nèi),則記為IQ=0。保留IQ≥2的參數(shù)用于后續(xù)分析。

3)相關(guān)性分析：對于IQ≥2的參數(shù),進行Pearson相關(guān)性分析,相關(guān)系數(shù)|r|>0.75說明參數(shù)間反映的生物信息大部分是重疊的,根據(jù)兩參數(shù)的反應(yīng)信息的重要性,選擇性的保留其中一個參數(shù),最終與|r|≤0.75的候選參數(shù)一道作為本次伊犁河流域的B-IBI核心參數(shù)。

1.3.4B-IBI體系評價標準的建立

本研究采用比值法統(tǒng)一評價量綱。數(shù)值隨干擾增強而減小的參數(shù),以95%分位數(shù)為最佳期望值,參數(shù)分值為：實際值/最佳期望值；數(shù)值隨干擾增強而增加的參數(shù),以5%分位數(shù)為最佳期望值,參數(shù)分值為：(最大值-實際值)/(最大值-最佳期望值)。參數(shù)分值范圍應(yīng)在0—1之間,若大于1,則記為1。所有參數(shù)分值之和為該采樣點的B-IBI值。

以參照點B-IBI值分布的25%分位數(shù)作為標準,對其四等分,共得到5個范圍,分別代表不同的健康等級,以此作為B-IBI體系的評價標準。

1.4 數(shù)據(jù)處理

不同月份底棲動物群落結(jié)構(gòu)的非度量多維尺度分析(Non-metric multidimensional scaling, NMDS)通過R 3.6.3軟件完成。數(shù)值的分布范圍、箱線圖分析等在Excel 2016中進行。Kruskal-Wallis檢驗用于比較不同月份以及不同年份B-IBI的差異性,利用Mann-Whitney U檢驗分析參照點和受損點的B-IBI的差異性及分布情況,確定B-IBI健康評價體系對伊犁河流域的適用性。Kruskal-Wallis與Mann-Whitney U檢驗均在SPSS 22.0中進行。

圖2 伊犁河不同月份大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)集合的非度量多維尺度分析圖Fig.2 Non-metric multidimensional scaling based on the community structure of benthic macroinvertebrates at different mouths in the Ili River

2 結(jié)果與分析

2.1 伊犁河流域底棲動物群落結(jié)構(gòu)特征

本研究在2013—2015年期間共鑒定底棲動物109種,其中水生昆蟲90種(82.6%),軟體動物10種(9.2%),寡毛類3種(2.8%),甲殼動物2種(1.8%),其他4種(3.6%)。水生昆蟲是本研究中絕對的優(yōu)勢類群,在全流域均有分布。占有優(yōu)勢地位的種群主要有多足搖蚊(Polypedilumsp.)、蚋(Simuliumsp.)、扁蜉(Heptageniasp.)、高翔蜉(Epeorussp.)、四節(jié)蜉(Baetissp.)、短絲蜉(Siphlonurussp.)和短脈紋石蛾(Cheumatopsychesp.)?？傮w上,伊犁河流域底棲動物物種豐富度較高,物種組成上以清潔種為主,說明水體健康狀況整體上較好。NMDS分析結(jié)果顯示(stress值為0.20),伊犁河不同月份的大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)相似度較高,在排序圖上區(qū)分不明顯(圖2)。

2.2 伊犁河流域B-IBI健康評價體系的建立

2.2.1候選參數(shù)分布范圍檢驗和箱線圖分析

候選參數(shù)分布范圍檢驗表明M11零值過多,不適合用于構(gòu)建B-IBI評價體系,予以舍棄。對剩余參數(shù)進行箱線圖分析,僅M2、M8、M19、M21、M24和M26的IQ值大于或等于2(圖3),保留這些參數(shù)用于后續(xù)分析。

圖3 候選參數(shù)在參照點和受損點中的箱線圖Fig.3 Box plots of candidate metrics between the reference and impaired sitesEPT：蜉蝣目、襀翅目和毛翅目 Ephemeraptera, Plecoptera and Trichoptera；R：參照點 Reference sites；I：受損點 Impaired sites;M2 EPT分類單元數(shù);M8蜉蝣目個體相對豐度;M19耐污類群個體相對豐度;M21耐污類群分類單元相對豐度;M24 BI;M26黏附者個體相對豐度

2.2.2相關(guān)性分析

對保留的候選參數(shù)進行Pearson相關(guān)性分析,結(jié)果顯示僅M19和M21的相關(guān)系數(shù)大于0.75(表2),考慮到個體相對豐度較分類單元相對豐度更常用于構(gòu)建B-IBI體系中[14,34],且個體相對豐度更能準確的反應(yīng)生物信息,故保留M19,剔除M21。最終選出M2、M8、M19、M24、M26作為伊犁河流域的B-IBI核心參數(shù)。

表2 6個候選參數(shù)的Pearson指數(shù)相關(guān)性分析

2.2.3伊犁河流域B-IBI分值計算及評分標準

采用比值法計算各核心參數(shù)的分值,然后累加得該點的B-IBI值。對參照點的25%分位的B-IBI值進行四等分,共得到5個數(shù)值范圍,分別代表著不同的健康狀況,以此作為伊犁河大型底棲動物完整性指數(shù)健康評價標準(表3)。

表3 伊犁河流域B-IBI健康評價標準

2.3 伊犁河流域B-IBI評價結(jié)果及其校驗

綜合三年數(shù)據(jù)(表4),8個采樣點共計72份數(shù)據(jù)中,35份數(shù)據(jù)處于健康狀態(tài),占48.6%；15份數(shù)據(jù)處于亞健康狀態(tài),占20.8%；10份數(shù)據(jù)處于一般狀態(tài),占13.9%；9份數(shù)據(jù)處于較差狀態(tài),占12.5%；僅3份數(shù)據(jù)處于極差狀態(tài),占4.2%?；诟鞑蓸狱c的B-IBI綜合分析,伊犁河流域處于健康狀態(tài)的采樣點有4個(喀什河2個,特克斯河與鞏乃斯河各1個),處于亞健康的樣點有2個(伊犁河干流和鞏乃斯河各1個),處于一般狀態(tài)的樣點有2個(伊犁河干流和特克斯河各1個)。伊犁河流域河流整體處于亞健康狀態(tài)。

表4 伊犁河流域B-IBI評價結(jié)果

Kruskal-Wallis檢驗表明,不同月份間的B-IBI值無顯著性差異(P>0.05),不同年份間的B-IBI值也無顯差異(P>0.05),但是2013年和2015年的B-IBI值差異顯著(P<0.05),B-IBI值有逐年上升的趨勢(圖4)。

圖4 不同月份及不同年份的B-IBI值比較Fig.4 Comparison of the B-IBI among different months and different years

參照點與受損點B-IBI值的Mann-Whitney U非參數(shù)檢驗表明兩者之間存在顯著差異(P<0.05),參照點的B-IBI值顯著高于受損點(圖5),表明本研究所構(gòu)建的B-IBI健康評價體系適合用于伊犁河流域的水體健康評價。

圖5 參照點和受損點的B-IBI值比較 Fig.5 Comparison of the B-IBI between the reference and impaired sites

3 討論

3.1 大型底棲動物完整性指數(shù)在伊犁河水質(zhì)健康評價中的適用性

選取參照點和受損點是構(gòu)建B-IBI水質(zhì)評價體系的關(guān)鍵步驟[35],然而如何確定參照點和受損點目前尚未形成統(tǒng)一的方法,已有的研究中所用方法不盡相同[36-38]。本研究中8個采樣點受人為干擾的程度差異顯著,采樣點之間的生境質(zhì)量對比明顯。因此,本研究根據(jù)經(jīng)驗法[28]選取了喀什河的喬爾瑪、尼勒克和鞏乃斯河的零公里等三個采樣點作為參照點?？κ埠恿饔虮簧指采w的區(qū)域占絕對優(yōu)勢,流域內(nèi)整體的生態(tài)環(huán)境較好[39]。人類活動對鞏乃斯河的影響主要體現(xiàn)在人口密集的下游區(qū)域[40],而零公里位于鞏乃斯河上游,當?shù)卣畬ι鷳B(tài)環(huán)境的保護意識強烈,受人為干擾較小。雖然經(jīng)驗法無法消除主觀誤差[41],但也有學(xué)者對比分析了標準化方法和經(jīng)驗法選取參照點和受損點的B-IBI結(jié)果,兩者結(jié)果較為一致[42],本研究中非參數(shù)檢驗的結(jié)果也表明了參照點選取的有效性(圖5)。

本研究選取的30個生物候選參數(shù)均對人為干擾較敏感[43-44],通過指數(shù)分布范圍、相關(guān)性分析和判別能力分析的篩選,M2、M8、M19、M24、M26最終確定為本研究的核心參數(shù),基本涵蓋了候選參數(shù)中的6個大類。采用比值法以參照點B-IBI值的25%分位數(shù)為基準,初步構(gòu)建了伊犁河流域健康評價標準。從候選參數(shù)的確定和篩選、B-IBI值的計算到評分標準的建立等方面,確保伊犁河流域B-IBI體系建立的有效性。

3.2 基于B-IBI的伊犁河健康評價結(jié)果及其不同月份和年際變化的分析

B-IBI分值的變化與環(huán)境和人為干擾有關(guān)[28],一般而言,由于存在季節(jié)變化,河流的水深、水溫、凋落葉的分布和流速等環(huán)境因子在不同的月份存在差異。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)在河流汛期各采樣點的B-IBI值明顯優(yōu)于其他時段[38],在以魚類為指示生物的IBI體系,不同的河流在旱季和雨季其IBI分值也有著不同的變化規(guī)律[45-46]。本研究中,相比于參照點長期處于健康或亞健康的狀態(tài),受損點健康狀況的變化要更加明顯(表4)。零公里和喬爾瑪兩個參照點均在河流上游的山區(qū),少有人類活動的干擾,長期處于亞健康及健康狀態(tài)。參照點尼勒克的水質(zhì)情況則稍有波動,但在2014年5月之后水質(zhì)情況均為健康或亞健康,這可能與此處臨近鄉(xiāng)鎮(zhèn)、水質(zhì)間歇性的受到人類活動影響有關(guān)。摒棄數(shù)據(jù)較少的特克斯三鄉(xiāng),其他四個受損點的健康狀況在時間尺度上出現(xiàn)了不同程度的波動,但是這種健康狀況的變化并沒有表現(xiàn)出季節(jié)規(guī)律性,這與太湖的研究類似[47]。伊犁河大橋、雅瑪渡、昭蘇解放大橋和鞏乃斯大橋等四個受損點均處于人類活動頻繁的區(qū)域,人類活動對河流健康狀況影響的不可控性可能是水質(zhì)健康狀況波動的主要原因。綜合分析所有采樣點不同月份的B-IBI值,結(jié)果表明：特克斯三鄉(xiāng)、零公里、喬爾瑪和尼勒克四個采樣點處于健康狀態(tài),伊犁河大橋和鞏乃斯大橋處于亞健康狀態(tài),雅瑪渡和昭蘇解放大橋的健康評價一般,伊犁河整體健康狀況較好,這與韋麗麗等利用周叢藻類評價伊犁河水質(zhì)情況較為一致[20]。

盡管部分樣點的健康狀況在不同時間存在一定程度的變化,但綜合全流域樣點,B-IBI值在不同月份間的差異并不顯著(圖4),伊犁河流域整體健康狀況不會明顯受到不同水文期的影響,本結(jié)果與在渭河流域的研究類似[48]。此外,本研究中不同月份的底棲動物群落結(jié)構(gòu)相似度較高(圖2),結(jié)合B-IBI值在不同月份間不顯著的差異,進一步說明本研究所選取的核心參數(shù)對伊犁河流域的B-IBI健康評價體系是非常適用的。

關(guān)于B-IBI年際變化的研究鮮有報道,但是有學(xué)者探討了魚類完整性指數(shù)(Fish index of biotic integrity, F-IBI)和BI的年際變化。劉明典等[49]用F-IBI評價長江中上游健康狀況時,6年內(nèi)F-IBI值呈逐年下降的趨勢,朱迪等[50]發(fā)現(xiàn)BI值在長江中游淺水湖泊不同年代間也有著下降的趨勢,他們均將其歸因于人類活動的逐年增強。本研究中,B-IBI值雖在三年間無顯著差異(P>0.05),但是2015年B-IBI值顯著高于2013年的B-IBI值(P<0.05),B-IBI值呈現(xiàn)逐年緩慢上升的趨勢(圖4)。伊犁河流域地處偏遠,受人類活動干擾相對較小,而且流域內(nèi)有多個自然保護區(qū),當?shù)厝藢Νh(huán)境的保護意識較強,本研究結(jié)果極有可能與這些因素有關(guān)。

有關(guān)B-IBI的研究,通常采用一次評價[15, 34,51],理論上,在不同水文期進行重復(fù)采樣調(diào)查,可以提高評價結(jié)果的準確性[52],Paller等[53]在IBI中的研究持有同樣的觀點。然而,就本研究而言,利用B-IBI評價河流整體健康狀況時,不同月份的B-IBI值是沒有顯著差異的,而僅隔兩年,2013年與2015年的B-IBI值就產(chǎn)生顯著差異,說明河流的生物健康評價需開展持續(xù)的系統(tǒng)調(diào)查。如若利用B-IBI評價不同河段的健康狀況,由于受損點的健康狀況在時間尺度上存在不同程度的波動,僅由單次采樣得出的結(jié)果過于片面。因此,筆者建議在不同水文期進行重復(fù)采樣,以提高評價結(jié)果的準確性。迄今為止,已有學(xué)者采用不同水文期的數(shù)據(jù)構(gòu)建B-IBI體系綜合評價河流的健康狀況,均取得了較好的效果[38,54-55]。

雖然本研究持續(xù)三年對伊犁河流域大型底棲動物進行采樣,在時間尺度上獲得充足的數(shù)據(jù),然而受地理條件的限制,本研究只選取了8個典型采樣點,而B-IBI指數(shù)用于水質(zhì)評價需要多方面的數(shù)據(jù)支撐。因此,今后的研究應(yīng)設(shè)置更多的采樣點,獲得更加系統(tǒng)的數(shù)據(jù),以期能更準確的反映伊犁河流域的河流健康狀況,并在時間尺度上評價人類活動對伊犁河流域生態(tài)環(huán)境的影響。

4 結(jié)論

1)B-IBI評價結(jié)果表明,伊犁河流域8個典型樣點中,6個采樣點健康狀況為健康或亞健康,2個采樣點為一般,總體上伊犁河流域水體健康狀況較好。Mann-Whitney U非參數(shù)檢驗顯示：參照點的B-IBI值顯著高于受損點,表明B-IBI評價伊犁河河流生態(tài)健康的適用性。

2)盡管部分采樣點的B-IBI值在時間上存在不同程度的變化,但是B-IBI值在不同月份間的差異并不顯著,伊犁河流域整體健康狀況沒有因不同水文期而產(chǎn)生變化。由于部分受損點的健康狀況存在較大波動,在評價不同河段的健康狀況時,本研究建議在不同水文期進行采樣,以提高評價結(jié)果的準確性。不同月份的群落結(jié)構(gòu)有著較高的相似性,進一步說明本研究選取的河流健康評價體系對伊犁河有著很好的適用性。

3)2013—2015年B-IBI值年際差異不顯著,但是2013年與2015年的B-IBI值存在顯著差異,表明伊犁河流域健康狀況有著逐年變好的趨勢。河流的健康評價需要長期的監(jiān)測才能較為全面的反映河流的健康狀況。