应用底栖无脊椎动物完整性指数评价漓江水系健康状况

曹艳霞,张杰,蔡德所,赵湘桂,王备新

(1.南京农业大学植物保护学院,江苏南京 210095;2.农业部作物病虫害监测与防控重点开放实验室,江苏 南京 210095;3.三峡大学土木水电学院,湖北宜昌 443002;4.广西大学土木建筑工程学院,广西南宁 530004)

应用底栖无脊椎动物完整性指数评价漓江水系健康状况

曹艳霞1,2,张杰1,2,蔡德所3,赵湘桂4,王备新1,2

(1.南京农业大学植物保护学院,江苏南京 210095;2.农业部作物病虫害监测与防控重点开放实验室,江苏 南京 210095;3.三峡大学土木水电学院,湖北宜昌 443002;4.广西大学土木建筑工程学院,广西南宁 530004)

为了通过漓江底栖无脊椎动物状况建立适合漓江的生物完整性指数,进而评价漓江流域内水质健康状况,于2008年3月调查了漓江水系17个参照点和14个监测点的水化学与底栖无脊椎动物指标,水质化学指标检测结果显示,参照点的TP、TN、NH3-N和COD浓度一般低于监测点。通过对46个候选生物参数的计算和逐步分析,确定了构成底栖动物完整性B-IBI指数的4个生物参数:总分类单元数、EPT分类单元数、扁蜉占蜉蝣总数的百分比和优势单元数量百分比,初步确立了B-IBI健康评价标准,即B-IBI≥21为健康;B-IBI＜21为不健康。评价结果表明:漓江上游及各支流健康状况较好,大部分为健康;中下游干流健康状况较差,大多为不健康。

底栖动物;完整性指数;漓江;健康评价;水系

“河流健康”是河流科学研究与管理之间的“桥梁”[1],是水资源合理开发利用、管理和保护的基础。在西方发达国家,河流健康监测和评价是开展河流健康管理与实践的关键。欧盟为实现水框架条例(WFD)2015年目标,计划完成54000个地表水样点的健康监测和评价工作[2],在美国有90%以上的州开展了河流健康监测与评价工作[3]。我国也非常重视河流健康的研究与实践[4-8]。漓江是珠江水系上游桂江的重要支流,是广西壮族自治区重要的河流生态系统之一。近年来,随着漓江流域内经济和社会的快速发展,漓江水系健康状况不断恶化。由于缺乏科学的健康评价指标,漓江健康监测以水化学和单一的生物指标为主[9-13]。笔者以大型底栖无脊椎动物为指示生物,参考Barbour等[14]的方法研究建立适合漓江水系健康评价的底栖动物完整性指数。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究地区

漓江(E110°18′～111°18′、N25°59′～ 23°23′)发源于广西兴安县与资源县交界,流域总面积12159km2。漓江流域属于亚热带温润季风气候,年均降雨量达到1627mm[15]。受季风影响,丰枯水季明显,每年3～8月为汛期;9月至翌年2月为枯水期。

漓江水系河床底质以卵石、砾石和沙为主。源头及上游地貌是碎屑岩为主的中低山,山涧山谷纵横曲折,有丰富的原生和次生植被覆盖。中下游地貌以碳酸盐岩的喀斯特地貌为主,植被主要是喜钙的石山灌木林和人工林。

1.2 研究方法

1.2.1 生物标本采集

2008年2月底至3月中旬在漓江水系(从源头至平乐)用D形网采集了31个样点(图1)的大型底栖无脊椎动物。在100～200m的采样河段内,选择急流生境用踢网采集3m2(D形网宽0.3m×总采样长度10m)。标本经大致清洗后用5%～10%福尔马林溶液固定带回实验室。标本鉴定至属或种,少数为目或科。记录各分类单元个体数。

1.2.2 参照点确定准则

参照点是建立生物完整性指数及评价标准的关键,理想的参照点应该位于无干扰溪流上。但是现实中已不存在这样的溪流。参考国外已有研究,提出了建立漓江流域底栖动物水生态健康评价参照样点的标准,具体如下:①上游流域无居民地或居民地极少且散布;②样点上游流域无矿区或采矿作业在样点上游10km以上;③样点上游5km以内无采砂作业;④样点200m长的沿岸带植被保护良好,无侵蚀;⑤样点底质组成中值直径大于64mm的石块占到50%以上,底质上的周丛生物以硅藻为主;⑥样点有丰富的底栖动物多样性,对水质敏感的蜉蝣目(E)、翅目(P)和毛翅目(T)昆虫都出现,且EPT的物种数在15以上。根据以上原则,在野外采集过程中,先根据①～⑤的原则初选合适的参照点,等底栖动物标本鉴定完成后,再根据原则⑥最终确定合格的参照点。本文共确定17个参照点,14个监控点。

图1 采样点分布示意图

1.2.3 水体理化指标的测定

采集生物样本的同时,在该溪流段缓流处利用U-10多参数水质监测仪(HORIBA Ltd.Japan)测定各项理化指标:DO、电导率、酸碱度、温度。并且采集此水域的表层水样约500mL,用来测定水化学指标。水化学指标TP、TN和NH3-N分别采用钼酸铵分光光度法、碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法和纳氏试剂比色法测定。

2 实验结果

2.1 生物样本鉴定结果

表1 参照点与监测点理化数据

共鉴定出4门(节肢动物门、软体动物门、环节动物门、扁形动物门),6纲(昆虫纲、甲壳纲、腹足纲、蛭纲、寡毛纲、涡虫纲)76科,103属 171种的大型底栖无脊椎动物共48 724头,其中昆虫纲个体数占总个体数的95%。

2.2 理化指标测定结果

水体理化指标结果见表1。从水质化学指标的评价结果看,监控点的TP、TN、NH3-N等化学指标及电导率均相对较高,而DO、水温、pH等指标参照点和监测点的数据差异较小。

2.3 生物完整性指数的初步研究结果

2.3.1 候选生物参数筛选

计算46个生物参数在17个参照点的分布情况,即25%～75%分位数的数值范围,数值太小以及分布范围太小或太大的参数不适宜参与构建BIBI指数 。其中 24个生物参数M2、M3、M4、M6、M7、M8、M13、M14、M15、M16、M17、M18、M19、M20、M22、M23、M25、M27、M29、M30、M31、M33、M39、M44在 25%～75%分位数之间数值范围太小,随着干扰的增强,其可变范围太小,不适宜参与建立生物指数;M5、M10、M11、M28、M34、M43本身数值太小从而删除 ;而M19、M24数值范围太大也不适合建立B-IBI指数。剩余15个参数进入下一步计算,见表2。

2.3.2 判别能力分析

参考Barbour[14]的方法,根据剩余的15个参数值在参照点和监控点的箱线图(图2)中的箱体(IQ,interquartile ranges)的重叠情况,赋予不同的值:没有重叠,IQ=3;部分重叠,但各自中位数值都在对方箱体范围之外,IQ=2;仅一个中位数值在对方箱体范围之内,IQ=1;各自中位数值都在对方箱体范围之内,IQ=0。对IQ≥2的参数作进一步分析,结果M1、M9、M21、M26、M35、M36、M37、M46共 8 个参数(图 2 中纵坐标变量标记*的参数)IQ≥2,进入下一步筛选。

2.3.3 生物参数之间的Pearson相关性分析

Pearson相关分析中高度相关的参数可以选取其中一个保留,使参数反映信息具有独立性。采用Maxted[16]的标准进行生物参数的筛选。经过计算,M46与其余 7 个参数M1、M9、M21、M26、M35、M36、M37

均显著相关,首先被删除。反应群落丰富度的M1,M9,M26之间的相关系数均大于0.9,由于M1包含的信息量最大,M9具有较高的灵敏度和较好的指示性,所以保留M1和M9,删除M26。M21与其他参数的相关性均相对较小(),予以保留。反应群落个体数量组成的参数M36比M37与其他参数的相关系数要小,所以保留M36。经过筛选,最终应用M1、M9、M21、M364个生物参数来构建B-IBI指数(表3)。

表3 8个生物参数之间的Pearson相关分析

2.3.4 分值计算与B-IBI健康评价标准建立

分析4个参数在25%～75%分位数的分布,根据各参数的分位数值计算B-IBI的分值标准,笔者采用三分制计分法[17](表4)。根据参照点和所有样点的B-IBI数据,以参照点的B-IBI分值分布的25%分位数21作为溪流健康评价的标准,点位分值小于21为不健康。

表4 4个生物参数在参照点的分布状况及分值计算标准

表2 46个候选生物参数

图2 15个生物参数在参照点与监控点的箱线图

2.3.5 漓江各样点生物健康评价

依据B-IBI健康评价标准评价各样点健康状况。结果见表5。评价为健康的点基本都位于漓江上游支流,其森林植被覆盖率都大于90%,农田少,农业种植以竹林为主,因而受到的污染也很小,河床底质为卵石。卵石是底栖动物栖息、繁殖、生长的重要场所,这些点的生物多样性都很好。

评价为不健康的点位于市区或者市区下游不远处,受城市污水和农业面源污染较重,沿岸带破坏程度高,植被覆盖率低,并受河道改变和河床沙化等诸多因素影响,水中底栖动物种类极少,数量较多的是耐有机污染强的螺类和摇蚊。

表5 漓江各个样点健康评价

2.4 影响底栖动物完整性的环境因子初步解析

对所采集样点的理化数据和水文数据(包括温度 、pH 、电导率 、DO 、TP 、TN 、NH3-N 、COD,溪流的宽 、深、宽深比、平均流速、最大流速等)与得出的B-IBI指数值做相关性分析。结果底栖动物完整性指数B-IBI与水的电导率 、TP 、TN 、NH3-N 、COD 、溪流宽度 、宽深比具有显著相关性(表6)。所以笔者初步推断漓江底栖动物完整性与水中导致富营养化的化学物质相关性极大,P、N等化学物质致使水质下降,水中生物减少。下游河道拓宽,河床被破坏,也可能是导致生物减少、生物完整性下降的重要原因。

表6 理化数据、水文数据与B-IBI指数值的相关性分析

3 讨 论

生物完整性指数B-IBI及其评价标准的建立需要足够量的代表性数据作支撑,笔者仅根据有限的数据探讨了在漓江流域建立B-IBI完整性指数评价漓江水系健康的可能性,离实际应用还有较大的差距。但是研究结果还是反映了漓江流域的健康状况,即受人类活动(旅游开发、种植、采矿和挖沙等)影响小的支流健康状况较好,而受人类活动影响大的支流和干流都为不健康。由于影响河流健康的因素很多,河流的生物学属性仅是表征河流健康的一个属性,因此在应用底栖动物完整性指数评价河流健康时,要注意与其他评价因子如水文、河道形态、水质理化指标的有机结合。Llansó[18]指出健康评价的最终结果都要将底栖生物群落状况与主要胁迫因子联系起来,以提高评价结果的准确性和适用性。

B-IBI指数受到自然地貌的影响比较大,在美国马里兰州的B-IBI应用体系中,就将溪流分为海岸平原、内地平原、东部高原、山地丘陵等4种不同的类型[19],主要因为生物的分布有一定的范围,跟气候、地形地貌、植被和土壤类型是密切相关的。笔者初步建立的漓江流域B-IBI指数目前也仅适用于漓江水系,不同的流域应该建立与流域相适应的B-IBI指数。由此可见,利用B-IBI指数来评价水生态健康还有大量的工作需要做。另外B-IBI的应用还涉及较多标本鉴定、数据处理等工作,需要操作人员有相关的专业知识。如果将全国的流域划分成不同区域,将物种分类编辑成通俗易懂的鉴定手册,数据处理等方面则使用统计模型来进行,则B-IBI水质监测将会有更广泛的应用。

致谢:

本课题研究前期的采样工作得到广西壮族自治区水利厅及广西壮族自治区水文水资源桂林分局相关工作人员的大力支持,在此一并致谢。

[1]董哲仁.河流健康的内涵[J].中国水利,2005(4):15-18.

[2]EU WFD.Directive 2000/60/EC of the European Parliament of the Council of 23 October 2000 establishing a framework for community action in the field of water policy[M].Official Journal of the European Communities,2000(L327):1-72.

[3]HILL B,BLAIR R.Monitoring the condition of our nation's streams and rivers:from themountainstothe coasts:introduction to the proceedings of the 2002 EMAP symposium[J].Environmental Monitoring and Assessment,2005,103(1-3):1-4.

[4]赵彦伟,杨志峰.城市河流生态系统健康评价初探[J].水科学进展,2005,16(3):349-355.

[5]冯普林.渭河健康生命的主要标志及评价指标体系研究[J].人民黄河,2005,27(8):3-6.

[6]吴阿娜,杨凯,车越,等.河流健康评价在城市河流管理中的应用[J].中国环境科学,2006,26(3):359-363.

[7]王备新,杨莲芳,胡本进,等.应用底栖动物完整性指数B-IBI评价溪流健康[J].生态学报,2005,25(6):1481-1490.

[9]韩耀全,周解,吴祥庆.漓江的自然地理与水质调查[J].广西水产科技,2007(2):8-16.

[10]邓华,蒋艳红,李莲花,等.漓江市区段沿岸餐饮废水对漓江水质影响调查与对策探讨[J].环境科学导刊,2008,27(4):27-29.

[11]蔡德所,马祖陆.漓江流域的主要生态环境问题研究[J].广西师范大学学报:自然科学版,2008,26(1):110-112.

[12]石大康.底栖动物在评价漓江水质污染中的作用[J].环境科学,1985,6(3):54-58.

[13]张益峰.漓江底栖动物调查[J].广西水产科技,2007(2):47-54.

[14]BARBOUR M T,GERRITSEN J,GRIFFITH G E,et al.A framework for biological criteria for Florida streams using benthic macroinvertebrates[J].Journal of the North American Benthological Society,1996,15:185-211.

[15]朱小媚,粟维斌.漓江流域风景区生物多样性现状与保护对策研究[J].生态经济,2008(4):153-157.

[16]MAXTED J R,BARBOUR M T,GERRITSEN J,et al.Assessment framework for mid-Atlantic coastal plain steams using benthic macroinvertebrates[J].Journal of the North American Benthological Society,2000,19:128-144.

[17]BARBOUR M T,GERRITSEN J,SNYDER B D,et al.Rapid bio-assessment protocols for use in streams and wade able rivers:periphyton,benthic macro-invertebrates and fish[M].2nd ed.EPA/841/B-99/002 US Environmental Protection Agency,Office of Water,Washington,D C,1999.

[18]LLANSÓ R J,DAUER D M,VOLSTAD J H.Assessing ecological integrity for impaired waters decisions in Chesapeake Bay,USA[J].Marine Pollution Bulletin,2009,59(1-3):48-53.

[19]SOUTHERLAND M T,R OGERS G M,KLINE M J,et al.Improving biological indicators to better assess the condition of streams[J].Ecological Indicator,2007,7(4):751-767.

Lijiang River health assessment using a benthos index of biotic integrity for invertebrate

CAO Yan-xia1,2,ZHANG Jie1,2,CAI De-suo3,ZHAO Xiang-gui4,WANG Bei-xin1,2
(1.College of Plant Protection,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,China;2.Key Laboratory of Monitoring and Management of Crop Diseases and Pest Insects,Ministry of Agriculture,Nanjing 210095,China;3.College of Civil and Hydropower Engineering,China Three Gorges University,Yichang 443002,China;4.College of Civil and Architecture Engineering,Guangxi University,Nanning 530004,China)

In order to develop a benthos index of biotic integrity(B-IBI)for benthic invertebrate and assess the water quality health of the Lijiang River basin,benthic invertebrate communities and hydrochemical variables were investigated in March 2008 at 31 sites,of which 17were reference sites and 14were monitoring sites.TP,TN,NH+4-N and CODMnwere lower at reference sites than at monitoring sites.Forty-six candidate biological parameters were selected and calculated from the data of all sites and sequentially analyzed to develop the B-IBI.The B-IBI was composed of four biological parameters:total taxa,EPT taxa,pecentape of Heptageniidae in Ephemeroptera,and percentage of dominant taxa.It was suggested that the water quality in Lijiang River basinwas healthy for B-IBI≥21,and unhealthy for B-IBI＜21.The assessment results using B-IBI showed that most of the branches in the middle and upper reaches of the Lijiang River were healthy,and the lower reaches of the Lijiang River were unhealthy.

benthos;index of integrity;Lijiang River;health assessment

Q958.8,Q968.8

A

1004-6933(2010)02-0013-05

国家自然科学基金(40371047,30871045);广西科技厅攻关项目(0632006-3A)

曹艳霞(1983—),女,山东潍坊人,硕士研究生,研究方向为溪流生态。E-mail:caoyanxia110@163.com

王备新,副教授。E-mail:wangbeixin@njau.edu.cn

(收稿日期:2009-01-16 编辑:徐 娟)