基于大型底栖动物完整性指数（B-IBI）的永定河水系生态健康评价

孔凡青，崔文彦，周绪申

海河流域水环境监测中心，天津 300170

河流生态系统健康是当前水环境管理的最终追求目标（张远等，2008），而河流生态健康评价则是水环境和水生态系统管理的重要环节和依据。由于水环境质量的变化容易导致水生生物生理功能、物种丰富度、种群密度及群落结构的变化，利用生物学指标对河流健康进行分析已成为当前主流的评价方法。

生物完整性指数（Index of Biotic Integrity，IBI）常用来描述生物与非生物之间的关系，并依据多个生物参数反映水体的生物学状况，进而评价河流乃至整个流域的健康状况。Karr（1981）以鱼类为研究对象建立生物完整性指数对北美河流的生态系统进行健康评价。此后，逐步发展到以底栖动物（Karr et al.，2000）、周丛生物（Griffith et al.，2005）和浮游生物（Eugene et al.，2004）等为研究对象。自美国俄亥俄州环保局提出大型底栖动物指数后，底栖动物完整性指数（Benthic Index of Biotic Integrity，B-IBI）（Kerans et al.，1994）被建立并在全球范围内被广泛应用，尤其是美国、英国、加拿大、澳大利亚和南非等国家（Dolédec et al.，2010）。

在中国，应用生物完整性指数方法评价河流健康研究起步较晚，王备新等（2005）以安徽黄山地区的溪流为对象，首次对B-IBI体系构建进行研究；张远等（2007）、李艳利等（2013）和熊春晖等（2015）分别以辽河、浑太河和上海城市河流为研究对象构建B-IBI评价体系；渠晓东等（2012）以浑太河为对象探讨了B-IBI评价体系构建过程中参照点的筛选方法。

永定河是京津冀区域重要水源涵养区和生态屏障，目前存在水资源过度开发、环境承载力差、污染严重、河道断流、生态系统退化、部分河段防洪能力不足等突出问题。2016年12月批复的《永定河综合治理与生态修复总体方案》提出先行开展永定河综合治理与生态修复，打造绿色生态河流廊道。本研究选择大型底栖动物为永定河水系健康评价的指示生物，构建B-IBI评价指标体系与健康评价标准，对该区域水生态健康状况进行评价，旨在了解永定河水系的水生态状况，为永定河水系水生态修复提供数据支撑和参考。

1　材料与方法

1.1　研究区概况

永定河流域位于东经 112°～117°45′，北纬 39°～41°20′之间，发源于内蒙古高原的南缘和山西高原的北部，东邻潮白、北运河系，西临黄河流域，南为大清河系，北为内陆河。流域地跨内蒙古、山西、河北、北京、天津等5个省（自治区、直辖市），面积4.70×104km2。永定河水系上游有桑干河、洋河两大支流，于河北省怀来县朱官屯汇合后称永定河，在官厅水库纳妫水河，经官厅山峡于三家店进入平原。三家店以下，两岸均靠堤防约束，卢沟桥至梁各庄段为地上河，梁各庄以下进入永定河泛区。泛区下口屈家店以下为永定新河，在大张庄以下纳北京龙凤河、金钟河、潮白新河和蓟运河，于北塘入海。

1.2　样品采集与处理

根据《水环境监测规范》采样原则，结合研究范围实际情况，本研究于2016年4—5月，在永定河水系的3条河流共布设样点30个，其中洋河11个（S1-S11）、桑干河11个（S12-S22）、永定河干流及永定新河 8个（S23-S30）。各样点的分布情况如图1。

将网径 40目、采样面积 0.09 m2的索伯网（Surber Net）置于河床，搅动采样框内底质，并将框内所有石头上的底栖动物刷入网内。每个样点所采集的样品经过 40目尼龙筛网现场筛洗后带回实验室，置于白色瓷盘中，将所有大型底栖动物逐一挑出，并用 7%福尔马林溶液进行固定保存。底栖动物的鉴定在解剖镜和显微镜下进行。每个采样点所采到的底栖动物按不同种类进行准确计数，并用电子天平称重，称重前用滤纸吸去表面固定液。根据每个样点的采样面积，最终换算出各样点底栖动物各分类单元的密度（ind.·m-2）和生物量（g·m-2）。

分布范围分析、箱线图分析等相关统计分析在SPSS 19.0和Excel 2010中完成。采用单因素方差分析对底栖动物密度、生物量差异显著性进行检验。

1.3　数据处理方法

1.3.1参考点的确定

参考点和干扰点的确定是建立B-IBI指数及评价标准的首要条件。Morley et al.（2002）和Blockson et al.（2002）按照干扰程度的大小将样点划分为无干扰样点、干扰极小样点和干扰样点。永定河流域整体人口较密集，找到无干扰样点和干扰极小样点作为参考点非常困难。因此，结合已有研究成果（熊春晖等，2015）关于参考点的选择原则——百分比模式相似性指数（Percent Model Affinity，PMA）≥50且水质综合标准在Ⅲ类标准以上，选取海河流域滦河水系上游的外沟门子、曲家湾、白城子和正蓝旗等4个样点作为参考点，永定河水系30个样点则为受损点。

图1　永定河水系底栖动物采样点分布Fig. 1　Benthic macro-invertebrates sampling distribution in Yongding River

1.3.2B-IBI备选生物指数的选取

用于建立B-IBI指标体系的底栖动物生物学指标较多（王备新等，2005；张远等，2007；李强等，2007；王军等，2015），且要求每个指标必须对环境因子（化学、物理、水动力学和生物等）的变化反应敏感，计算方法简便，所包含的生物学意义明确。为准确反映环境变化对永定河水系目标生物（个体、种群、群落）数量、结构和功能的影响，客观有效地评价研究区域水生态健康状况，结合永定河水系实际情况，本研究选取4个大类——分类单元数（Taxa）、各类群相对丰度（Relative abundance）、生物耐受性（Tolerant and intolerant）、功能摄食群（Functional feeding group），共计19个参数作为备选指标（表1）构建B-IBI评价体系，其中，BI指数关于底栖动物耐污值的取值主要参照王备新等（2004）对我国东部大型底栖动物耐污值研究的相关成果。

表1　候选指标及其对干扰的反应Table 1　Candidate metrics and their expected direction of response to disturbance

1.3.3候选生物指数的筛选

计算候选生物参数在参照点中 25%～75%分位数的数值范围，结果如表2所示，数值和分布范围太小或指数太大均不适宜参与 B-IBI评价体系构建，予以剔除。绘制箱体图分析剩余参数在参照点和受损点的分布情况，根据箱体的重叠情况，对IQ（Inter quartile）赋予不同的值：如无重叠，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1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的指数进行进一步分析。

表2　19个生物指数值在参照点的分布情况Table 2　Distribution of metrics in reference sites

1.3.4相关性分析

基于SPSS 19.0 统计分析软件，对IQ≥2的指数进行 Spearman相关性分析，当两个指数间的相关系数r＞0.75，表明两个指数间所反映的信息大部分是重叠的，选其中1个指标即可。根据相关系数，同时考虑指数重要性，最终确定永定河水系 B-IBI指数包括总分类单元数（Total taxa）、摇蚊分类单元数（Chironomidae taxa）和BI指数（Botic Index）3个指标。候选生物参数在参照点和受损点的箱线图如图2所示。

1.3.5记分标准的建立

比值法是最常用的生物指数计分方法。本文亦采用比值法（Blockson et al.，2002）计算生物指数值，对于受干扰越强而值越低的生物指数，以95%分位数为最佳期望值，各参数的分值等于参数实际值除以最佳期望值；对于受干扰越强而值越高的指数，则以5%分位数为最佳期望值，其分值为(最大值-实际值)/(最大值-最佳期望值)。根据各参数值在所有样点中的分布，确定计算各参数分值的比值法计算公式（表3），并据此计算各样点的指数分值，要求计算后分值的分布范围为 0～1，若大于 1，则记为1。

按照参照点B-IBI值分布的25%分位数法进行指标体系的最终划分，如果样点B-IBI值大于或等于25%分位数值，则表示该样点受到的干扰很小，处于健康状态。小于 25%分位数值的分布范围可根据需要进行四等分，分别代表不同的健康程度，最终确定永定河水系底栖动物完整性评价标准（表4）。

图2　候选生物参数在参考点和受损点的箱线图Fig. 2　Box-plots of candidate metrics between reference and impaired sites

表3　比值法计算3个参数分值的公式Table 3　Formulas for calculating 3 metrics scores by ratio scoring method

表4　永定河水系底栖动物完整性评价标准Table 4　The criteria of benthic-index of biotic integrity in yongding River

2　结果与分析

2.1　永定河水系底栖动物群落特征

永定河水系共采集到底栖动物 38种，其中水生昆虫29种（摇蚊科16种），寡毛类2种，蛭类1种，甲壳动物4种，软体动物2种。总体上，永定河水系底栖生物物种丰富度较高。从耐污值（Tolerance Value，TV）（王备新等，2004）看，TV≤3的敏感类群所占百分比为 13.2%，TV≥7的耐污类群所占百分比为44.7%。从类群出现频率看，出现频率最高的3个种分别为霍甫水丝蚓（Limnodrilus hoffmeistteri）、德永雕翅摇蚊（Glyptotendipes tokunagai）和云集多足摇蚊（Polypedilum nubifer），分别为46.7%、40.0%和36.7%，3个物种均为耐污值较高的种类。

2.2　永定河水系河流生态健康状况

永定河水系底栖生物完整性评价结果表明，有6.7%的采样点为健康，23.3%为亚健康，36.7%为一般，20.0%为差，13.3%为极差（表5）。

表5　永定河水系各样点健康状况Table 5　Statuses of health of sites in Yongding River

3　讨论

永定河和滦河两大水系位于海河流域，上游均处于山区或高原地带，较少的生活垃圾和工业污染保障了水体的自然状态，后流经城市等人口密集区，人为干涉增强。对同步采集的滦河水系大型底栖动物样品进行鉴定分析，可知两水系上游底栖动物的种类和数量较多，下游因人为扰动等因素影响，底栖动物多样性降低，两水系底栖动物在群落构成和空间分布方面具有比较明显的相似性。由于不同研究对象的栖息环境不同，构建B-IBI体系时参考点的选择标准也不同。按照渠晓东等（2012）关于参照点的筛选标准，即水质类别优于Ⅱ类，栖息地质量评价总分为120分以上，且栖息地质量评价中的人类干扰强度为最小，河岸带土地无耕作土壤，在永定河水系中未发现满足以上要求的可作为参照点的样点。本研究根据百分比模式相似性指数（PMA）≥50且水质综合标准在Ⅲ类标准以上标准，选取滦河上游4个样点作为参考点。然而，由于参考点数量较少，一定程度上增加了因自然条件差异引起的底栖动物群落结构和功能的变化对评价标准的影响。

海河流域作为中国国民经济发展的重要支撑地区之一，整体受到人类活动的明显影响，尤其河流水系和水生态系统受到了人类的严重干扰，大型底栖动物的生物多样性整体较其他流域低。在B-IBI体系指标选取过程中，经筛选、检验后剩余的核心指标较少，一定程度上对水系的健康状况的评价结果产生影响。

B-IBI及其评价标准的建立需要足够量的代表性数据作为支撑，永定河流域面积达4.7×104km2，而本研究所布设的30个样点主要分布在干流和一级支流。为进一步完善永定河流域B-IBI指标体系，今后将在支流布设、增加监测点位，获取监测数据信息，以更加准确地反映永定河流域水生态健康状况。

4　结论

（1）本研究以永定河水系为例，探讨了利用B-IBI评价河流生态系统健康的可行性和合理性，为河流健康评价指标的选择提供参考依据。

（2）通过对B-IBI候选指数进行分布范围分析、判别能力分析和相关关系分析，最终确定永定河水系B-IBI的指标包括总分类单元数、摇蚊分类单元数和BI指数3个指标。

（3）B-IBI评价结果表明，受外源输入、旅游、生活与种植业污染等因素影响，除官厅水库坝上和宁车沽闸下外，其余样点的底栖动物完整性均受到不同程度的损害，表明永定河水系水体的健康状况整体不容乐观。

参考文献：

BAINA M B, HARIGB A L, LOUCKSC D P, et al. 2000. Aquatic ecosystem protection and restoration: advances in methods for assessment and evaluation [J]. Environmental Science and Policy,3(S1): 89-98.

BARBOUR M T, GERRITSEN J, GRIFFITH G E, et al. 1996. A framework for biological criteria for Florida streams using benthic macroinvertebrates [J]. Journal of the North American Benthological Society, 15 (2): 185-211.

BLOCKSON K A, KURTENBACH J P, KLEMM D J, et al. 2002.Development and evaluation of the lake macroinvertebrate integrity index (LMII) for New Jersey lakes and reservoirs [J]. Environmental Monitoring and Assessment, 77(3): 311-333.

BRIZGA S, FINLAYS B. 2000. River management: the Australian experience [M]. New York: John Wiley and Sons: 265-284.

DOLÉDEC S, STATZNER B. 2010. Responses of freshwater biota to human disturbances: contribution of J-NABS to developments in ecological integrity assessments [J]. Journal of the North American Benthological Society, 29(1): 286-311.

EUGENE A S, OH I H. 2004. Aquatic ecosystem assessment using exergy[J]. Ecological Indicators, 4(3): 189-198.

GRIFFITH M B, HILL B H, MCCORMICK F H, et al. 2005. Comparative application of indices of biotic integrity based on periphyton,macroinvertebrates, and fish to southern Rocky Mountain streams [J].Ecological Indicators, 5(2): 117-136.

KARR J R, CHU E W. 2000. Sustaining Living Rivers [J]. Hydrobiologia,422-423: 1-14.

KARR J R. 1981. Assessment of biotic integrity using fish communities [J].Fisheries, 6(6): 21-27.

KARR J R. 1999. Defining and measuring river health [J]. Freshwater Biology, 41(2): 221-234.

KERANS B L, KARR J R. 1994. A Benthic Index of Biotic Integrity(B-IBI) for Rivers of the Tennessee Valley [J]. Ecological Applications,4(4): 768-785.

LADSON A R, WHITE L J, DOOLAN J A, et al. 1999. Development and testing of an index of stream condition for waterway management in Australia [J]. Freshwater Biology, 41(2): 453-468.

MARCHANT R, NORRIS R H, MILLIGAN A. 2006. Evaluation and application of methods for biological assessment of streams: summary of papers [J]. Hydrobiologia, 572(1): 1-7.

MAXTED J R, BARBOUR M T, GERRITSEN J, et al. 2000. Assessment framew ork for mid-Atlantic coastal plain streams using benthic macroinvertebrates [J]. Journal of the North American Benthological Society, 19(1): 128-144.

MORLEY S A, KARR J R. 2002. Assessing and restoring the health of urban steams in the Puget Sound Basin [J]. Conservation Biology,16(6): 1498-1509.

SCHOFIELD N J, DAVIES P E. 1996. Measuring the health of our rivers[J]. Water, 23(5-6): 39-43.

李强, 杨莲芳, 吴璟, 等. 2007. 底栖动物完整性指数评价西苕溪溪流健康[J].环境科学, 28(9): 2141-2147.

李艳利, 徐宗学, 杨晓静, 等. 2013. 基于底栖动物完整性指数的浑太河流 域河流健康状况评价[J]. 北京师范大学学报, 49(2/3): 297-303.

渠晓东, 刘志刚, 张远. 2012. 标准化方法筛选参照点构建大型底栖动物生物完整性指数[J]. 生态学报, 32(15): 4661-4672.

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

王备新, 杨莲芳. 2004. 我国东部底栖无脊椎动物主要分类单元耐污值[J]. 生态学报, 24(12): 2768-2775.

王军, 周琼, 谢从新, 等. 2015. 基于大型底栖动物完整性指数的新疆额尔齐斯河健康评价[J]. 环境科学研究, 28(6): 959-966.

熊春晖, 张瑞雷, 徐玉萍, 等. 2015. 应用底栖动物完整性指数评价上海市河流健康[J]. 湖泊科学, 27(6): 1067-1078.

张远, 徐成斌, 马溪平, 等. 2007. 辽河流域河流底栖动物完整性评价指标与标准[J]. 环境科学学报, 27(6): 919-927.

张远, 张楠, 孟伟. 2008. 辽河流域河流生态系统健康的多要素评价[J].科技导报, 26(17): 36-41.