梁舒汀，王菲，吳丹，趙燕楚，孔凡青*

1. 生態(tài)環(huán)境部海河流域北海海域生態(tài)環(huán)境監(jiān)督管理局生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與科學(xué)研究中心，天津 300170；2. 河北省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，河北 石家莊 050037

大型底棲動物是水生生物的重要類群，因其種類多，活動場所相對固定，生活周期長，對干擾反應(yīng)敏感，成為水生態(tài)環(huán)境評價中理想的指示生物。生物完整性指數(shù)（Index of Biotic Integrity，IBI）采用多個生物參數(shù)綜合反應(yīng)水體的生物學(xué)狀況，進(jìn)而對水體的健康狀況進(jìn)行評價。Karr（1981）首先以魚類為研究對象建立生物完整性指數(shù)，并對北美河流的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行健康評價。大型底棲動物處于水生生態(tài)食物鏈的中間環(huán)節(jié)，其種群生命活動直接影響生態(tài)系統(tǒng)的能量處理效率，對河流生態(tài)系統(tǒng)的能量流動和物質(zhì)循環(huán)具有重要作用。同時，大型底棲動物普遍存在于河流之中，體型較大，易于采集和鑒定，且遷徙能力較弱，活動場所相對固定，因此底棲動物種群變化可用于表征較長時間尺度內(nèi)河流生態(tài)條件的時空變化信息。不同種屬群落對于生態(tài)環(huán)境變化的敏感性具有差異，對生態(tài)環(huán)境變化有良好的指示作用（Barbour et al.，1996；吉冰靜等，2022）。繼Kerans et al.（1994）提出了基于大型底棲動物的完整性指數(shù)（B-IBI），該指標(biāo)已成為目前應(yīng)用最廣泛的水生態(tài)評價指標(biāo)之一，并被英國、加拿大、澳大利亞和南非等國家應(yīng)用（Schofield et al.，1996；Karr，1999；Ladson et al.，1999；Baina et al.，2000；Brizga et al.，2000；Dolédec et al.，2010；Ely et al.，2016）。在中國，大型底棲動物完整性指數(shù)也逐步在河流、濕地、水庫等水體的水生態(tài)狀況評價中得到應(yīng)用（池仕運(yùn)等，2012；張方輝等，2019；劉曼紅等，2019）。

海河流域是全國水資源量最為短缺的流域，已建成水庫1 878 座，其中大、中、小型水庫分別為34、137 和1 707 座。水庫作為重要的水利工程，在水資源調(diào)蓄和飲用水供給方面發(fā)揮著舉足輕重的作用，其水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量愈來愈受到重視。近年來，針對海河流域河流、濕地的大型底棲動物完整性指數(shù)的研究已有若干成果（徐夢佳等，2012；孔凡青等，2018；慕林青等，2018）。本研究基于海河流域14 座典型水庫的實(shí)際情況，構(gòu)建以大型底棲動物為研究對象的生物完整性指數(shù)評價指標(biāo)體系與健康評價標(biāo)準(zhǔn)，并以此為工具對典型水庫的水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價，以期為掌握流域典型水庫的生態(tài)環(huán)境狀況，及其保護(hù)和修復(fù)等決策相關(guān)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

海河流域地處華北地區(qū)，位于112°－120°E，35°－43°N 之間，西以山西高原與黃河流域為界，北以內(nèi)蒙古高原與內(nèi)陸河流域為鄰，南界黃河，東臨渤海。全流域包括海河、灤河和徒駭馬頰河3 大水系、7 大河系、10 條骨干河流。本研究選擇的海河流域14 座典型水庫，基本覆蓋了海河流域的主要河系，控制流域面積約13 萬平方千米，占海河流域總面積的40%以上。根據(jù)傅伯杰等（2001）關(guān)于中國生態(tài)區(qū)劃的相關(guān)成果，本研究所涉及的區(qū)域?qū)儆跂|部濕潤、半濕潤生態(tài)大區(qū)中的暖溫帶濕潤、半濕潤落葉闊葉林生態(tài)地區(qū)。海河流域14 座水庫的分布情況及其基本信息如圖1 和表1 所示。

圖1 海河流域14座典型水庫分布情況Figure 1 Distribution of 14 typical reservoirs in Haihe Basin

表1 海河流域14座典型水庫基本信息Table 1 Basic information of 14 typical reservoirs in Haihe Basin

1.2 樣品采集與處理

2018 年4－6 月完成了本研究所涉及的14 個水庫樣品的定量采集。根據(jù)水庫水體的代表性，分別于各水庫的入庫、庫心和壩前位置采用采樣面積為0.062 5 m2的彼得森采泥器采集底質(zhì)樣品，每一采樣位置采集3 次。所采集的樣品經(jīng)過40 目（孔徑0.425 mm）尼龍篩網(wǎng)現(xiàn)場篩洗后帶回實(shí)驗室，置于白色瓷盤中，將所有大型底棲動物逐一挑出，并用7%福爾馬林溶液固定保存。底棲動物的鑒定在解剖鏡和顯微鏡下進(jìn)行。每個采樣點(diǎn)所采到的底棲動物按不同種類準(zhǔn)確地統(tǒng)計數(shù)量，用濾紙吸去表面固定液后用電子天平稱重。根據(jù)每個樣點(diǎn)的采樣面積換算出各樣點(diǎn)單位面積大型底棲動物各分類單元的密度（ind·m-2）和生物量（g·m-2）。

分布范圍分析、箱線圖分析等相關(guān)統(tǒng)計分析在SPSS 19.0 和Excel 2010 中完成。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

1.3.1 參照型水庫的確定

Blockson et al.（2002）等按照樣點(diǎn)所受干擾程度的大小將其分為無干擾樣點(diǎn)、干擾極小樣點(diǎn)和干擾樣點(diǎn)。海河流域內(nèi)人口密集，在我國政治經(jīng)濟(jì)發(fā)展中地位重要，流域內(nèi)有首都北京、直轄市天津，以及石家莊、唐山等25 座大中城市，嚴(yán)格意義上的無干擾樣點(diǎn)包括水庫幾乎不存在。本研究參照點(diǎn)的選取參照Barbour et al.（1996）中的相關(guān)要求。基于本研究涉及的14 座水庫的實(shí)際情況，主要位于流域的山地、高原區(qū)。在參照型水庫確定過程中，主要考慮水庫水質(zhì)和周邊土地利用等人工干擾狀況。對設(shè)有水質(zhì)監(jiān)測站的水庫選擇水質(zhì)站的水質(zhì)數(shù)據(jù)，對未設(shè)水質(zhì)站的水庫按照水庫庫心水質(zhì)數(shù)據(jù)，參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）對水質(zhì)常年維持在Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)及以上，周邊1 km 內(nèi)無密集農(nóng)田、建筑和工業(yè)用地進(jìn)行判斷，選定友誼水庫（R1）、安各莊水庫（R5）、西大洋水庫（R6）、王快水庫（R7）、漳澤水庫（R11）和盤石頭水庫（R12）等作為參考型水庫，其余8 座水庫作為受損型水庫，如表1 所示。

1.3.2 B-IBI備選生物指數(shù)的選取

用于構(gòu)建B-IBI 指標(biāo)體系的大型底棲動物指標(biāo)除生物學(xué)意義清晰，計算簡便外，其對環(huán)境因子的變化響應(yīng)敏感（孔凡青等，2018）。為準(zhǔn)確反映環(huán)境因素變化對目標(biāo)生物（包括個體、種群等）數(shù)量、結(jié)構(gòu)和功能的影響，客觀有效地評價研究區(qū)域水生態(tài)狀況，本研究結(jié)合海河流域水庫的實(shí)際情況，選取4 個大類共計25 個參數(shù)作為備選指標(biāo)進(jìn)行B-IBI評價體系的構(gòu)建，其中4 大類包括分類單元數(shù)（Number of taxa）、主要類群的相對豐度（Relative abundance）、耐污能力（Tolerant and intolerant）和功能攝食群（Functional feeding group），如表2所示。其中，大型底棲動物耐污值及BI 指數(shù)計算主要參照王備新等（2004）對我國東部大型底棲動物耐污值研究的相關(guān)成果。

表2 備選生物指標(biāo)及其對干擾的反應(yīng)Table 2 Candidate metrics and their expected direction of response to disturbance

1.3.3 判別能力分析

計算備選生物指標(biāo)在6 個參照型水庫和8 個受損型水庫中的數(shù)值分布，包括最小值、25%分位數(shù)值、中位數(shù)值、75%分位數(shù)值和最大值，數(shù)值太小以及分布范圍太小或太大的指數(shù)不適宜參與構(gòu)建B-IBI 評價體系，予以剔除。對剩余生物指標(biāo)分別繪制箱體圖，根據(jù)箱體的重疊情況，對IQ（Inter quartile）賦予不同的值，如無重疊，IQ=3；部分重疊，但各自中位數(shù)值都在對方箱體范圍之外，IQ=2；僅一個中位數(shù)值在對方箱體范圍之內(nèi)，IQ=1；各自中位數(shù)值都在對方箱體范圍之內(nèi)，IQ=0。對IQ≥2的指數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

1.3.4 記分標(biāo)準(zhǔn)的建立

對生物學(xué)指數(shù)進(jìn)行記分的目的是統(tǒng)一評價量綱，目前有多種方法可對生物學(xué)指數(shù)進(jìn)行記分，常用的有3 分制法、4 分制法和比值法。王備新等（2005）比較了3 分制、4 分制和比值法對評價結(jié)果準(zhǔn)確性的影響, 表明用比值法統(tǒng)一各參數(shù)量綱并依據(jù)所有樣點(diǎn)的B-IBI 值建立的健康評價標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確性優(yōu)于3 分制和4 分制法。本研究采用比值法（Blockson et al.，2002）對生物學(xué)指數(shù)記分。

2 結(jié)果與分析

2.1 14個水庫大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)特征

海河流域14 個水庫共采集到大型底棲動物數(shù)量為3 058 個，分別屬于8 門56 個類群，其中節(jié)肢動物門（Arthropoda）40 種，軟體動物門（Mollusca）8 種，環(huán)節(jié)動物門（Annelida）7 種，扁形動物門（Platyhelminthes）1 種。節(jié)肢動物門中，昆蟲綱（Insecta）35 種，占據(jù)明顯優(yōu)勢。整體可以看出，海河流域14 座水庫的大型底棲生物物種豐富度和多樣性較高。

耐污值（Tolerance Value，TV）是指生物在時間和空間上對環(huán)境壓力的耐受性，反映了生物在環(huán)境壓力干擾下其生存和繁殖相對能力的高低。在水生態(tài)學(xué)領(lǐng)域，耐污值主要應(yīng)用于大型底棲動物監(jiān)測評價體系，研究者發(fā)現(xiàn)不同地理區(qū)域大型底棲動物耐污值存在差異（趙瑞等，2015）。海河流域主要位于我國東部，本研究中涉及的底棲動物類群的耐污值采用王備新等（2004）的相關(guān)研究結(jié)果。本研究涉及的56 個大型底棲動物類群中，TV≤3 的敏感類群12 種，所占百分比為21.4%，TV≥7 的耐污類群21 種，占比為37.5%。從類群出現(xiàn)頻率看，出現(xiàn)頻率最高的3 個類群分別為橢圓蘿卜螺（Radix swinhoei，78.6%）、環(huán)足搖蚊屬一種（Cricotopussp.，64.3%）和搖蚊屬一種（Chironomussp.，64.3%），3 個物種均為耐污值較高的種類。

2.2 分布范圍及相關(guān)性分析

對25 個備選生物指標(biāo)的分布范圍進(jìn)行分析，結(jié)果如表3 所示。基于SPSS 19.0 統(tǒng)計分析軟件，對IQ≥2 的指數(shù)進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析，當(dāng)兩個指數(shù)間的相關(guān)系數(shù)r＞0.75，表明兩個指數(shù)間所反應(yīng)信息大部份是重疊的，選其中一個指標(biāo)即可。根據(jù)相關(guān)系數(shù)，考慮指數(shù)重要性，即指數(shù)的代表性及所包含的大型底棲動物信息量，最終確定海河流域14座水庫B-IBI 的指數(shù)包括總分類單元數(shù)（Total taxa，M1）、EPT 分類單元百分比（EPT taxa %，M11）、BI 指數(shù)（Botic Index，M20）和濾食者分類單元數(shù)（Filterer，M22）4 個指標(biāo)。備選生物指標(biāo)在參照型水庫和受損型水庫的箱線圖如圖2 所示。

表3 25個生物指數(shù)值在參照點(diǎn)的分布情況Table 3 Distribution of metrics in reference sites

根據(jù)各參數(shù)值在所有樣點(diǎn)中的分布，確定計算各參數(shù)分值的比值法計算公式（表4），并依此計算各樣點(diǎn)的指數(shù)分值，要求計算后分值的分布范圍為0－1，若大于1，則記為1。

圖2 備選生物指標(biāo)在參照型和受損型水庫分布的箱線圖Figure 2 Box-plots of candidate metrics between reference and impaired reservoirs

表4 比值法計算4個參數(shù)分值的公式Table 4 Formulas for calculating 4 metrics scores by ratio scoring method

按照參照點(diǎn)B-IBI 值分布的25%分位數(shù)法進(jìn)行指標(biāo)體系的最終劃分，如果樣點(diǎn)的B-IBI 值大于等于25%分位數(shù)值，則表示該樣點(diǎn)受到的干擾很小，是健康的。小于25%分位數(shù)值的分布范圍，根據(jù)需要可以4 等分，分別代表不同的健康程度，最終確定海河流域14 座水庫大型底棲動物完整性評價標(biāo)準(zhǔn)（表5）。

表5 海河流域14座水庫大型底棲動物完整性評價標(biāo)準(zhǔn)Table 5 The criteria of benthic-index of biotic integrity of 14 reservoirs in Haihe Basin

2.3 14個水庫生態(tài)健康狀況評價結(jié)果

海河流域14 個水庫底棲生物完整性評價結(jié)果表明，采樣點(diǎn)中35.7%為健康，21.4%為亞健康，35.7%為一般，7.1%為差（表6）。

表6 海河流域14個水庫健康狀況評價結(jié)果Table 6 Healthy Statuses of 14 reservoirs in Haihe Basin

3 討論

海河流域人口密集，大中城市眾多，是中國重要的工業(yè)基地和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)基地，也是我國經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)。流域范圍內(nèi)水資源短缺，水生態(tài)環(huán)境受人類活動和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的干擾較明顯，幾乎不存在未受人類活動干擾的水體。海河流域的水庫大多位于流域山區(qū)平原交界區(qū)域，平原水庫的數(shù)量較少，也相對較小。基于大型底棲動物完整性指數(shù)的14 座水庫的健康狀況評價結(jié)果顯示，海河流域山區(qū)水庫的評價結(jié)果整體優(yōu)于平原水庫。整體看，平原水庫受人類生產(chǎn)生活的干擾較大，人類活動更為頻繁，對水庫的水生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不同程度的影響，本研究的相關(guān)評價結(jié)果也顯示出這一趨勢。從海河流域整體看，經(jīng)過一系列的生態(tài)環(huán)境綜合修復(fù)保護(hù)工作，這在一定程度上提升了大型底棲動物的完整性，河流健康狀況有所好轉(zhuǎn)（孫鵬程等，2022）。

對于參照型和受損型水體的確定，渠曉東等（2012）提出參照點(diǎn)的篩選方法，即水質(zhì)類別優(yōu)于Ⅱ類，棲息地質(zhì)量評價總分為120 分以上。而水庫作為水生生物棲息地則受到顯著地干擾，如閘壩修建、岸帶硬化等。大部分研究者利用研究區(qū)域的土地利用、生境和水質(zhì)情況來確立區(qū)分參照點(diǎn)群和受損點(diǎn)群的準(zhǔn)則（王備新等，2005；李強(qiáng)等，2007；張遠(yuǎn)等，2007）；Ma et al.（2008）試圖通過一些生物指數(shù)來確立參照點(diǎn)群。池仕運(yùn)等（2012）在對供水型水庫進(jìn)行B-IBI 體系構(gòu)建過程中，由于水質(zhì)理化指標(biāo)的缺失，提出采用極點(diǎn)排序的手段來確立參照點(diǎn)群和受損點(diǎn)群。本研究提出的篩選標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)水體水質(zhì)等級、棲息地質(zhì)量評價、人類干擾強(qiáng)度以及河岸帶土地利用情況，盡可能確定相對環(huán)境較好的參照點(diǎn)位。國內(nèi)關(guān)于B-IBI 的許多研究工作也較多參照此標(biāo)準(zhǔn)化參照點(diǎn)篩選方法，如灤河流域、鄱陽湖等（田鵬等，2019；游清徽等，2019）。

水庫作為人工型的湖泊，庫尾（入庫）、庫心和壩前在物理、化學(xué)和生物學(xué)特征上存在一個顯著的縱向梯度（張遠(yuǎn)等，2006）。本研究分別以水庫的這3 個典型區(qū)域作為采樣調(diào)查點(diǎn)位，開展大型底棲動物采樣和生境評價。本研究所選擇的14 個典型水庫主要為流域的大型供水型水庫，而海河流域僅大中型水庫就有171 座。因此本研究對流域水庫的評價結(jié)果僅反映了大型水庫的健康狀態(tài)，下一步需進(jìn)一步增加調(diào)查監(jiān)測的范圍，增加中小型水庫的調(diào)查比例，以更加全面地反映流域水庫的生態(tài)健康狀況。

4 結(jié)論

本研究以海河流域的14 座典型水庫為例，通過對B-IBI 候選指數(shù)進(jìn)行分布范圍分析、判別能力分析和相關(guān)關(guān)系分析，最終確定總分類單元數(shù)、EPT分類單元百分比、BI 指數(shù)和濾食者分類單元數(shù)4 個指標(biāo)作為構(gòu)建水庫B-IBI 評價指標(biāo)體系的核心參數(shù)。B-IBI 評價結(jié)果表明，受流域水資源短缺，人類活動和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的干擾等因素的影響，約1/3水庫的水生態(tài)狀況為健康狀態(tài)，2/3 為亞健康、一般和差的狀態(tài)。