沼泽湿地水生无脊椎动物完整性指数构建与健康评价

芦康乐，武海涛，杨萌尧，王清波，吕宪国

1.中国科学院东北地理与农业生态研究所，中国科学院湿地生态与环境重点实验室,吉林 长春 130102 2.黑龙江三江国家级自然保护区管理局,黑龙江 佳木斯 156500

沼泽湿地作为特殊的水陆过渡性生态系统，与人类生产生活和经济发展息息相关，是受到人类活动影响最为强烈和严重的生态系统和地理综合体之一[1]。当前，全球性湿地功能退化和面积萎缩日益加重，对湿地生态系统的健康状况进行诊断和评价十分重要[2]。目前，很多学者都高度关注湿地健康评价的理论和实证研究领域[2-6]，其中，构建生物完整性指数是沼泽湿地健康评价的重要方法。

生物完整性指数是以生物指标的各类数据作为评价基础来指示生态系统的健康状况。起初以鱼类[7]为研究对象建立, 随后指示生物类群扩展到底栖无脊椎动物[6,8-10]、藻类[11-12]、浮游动物[13]、高等维管束植物[14]以及综合生物类群[15-16]等，并成功在河流[9-10,17-18]、湖泊[19-20]和湿地[6,21]等生态系统中进行了应用，是目前应用最成功和最广泛的水域态系统健康评价指数。水生无脊椎动物是沼泽湿地重要组成部分，其生存空间、分布范围和生长特点决定了其对外界环境和生态系统的变化响应敏感，是沼泽湿地生态系统的良好指示生物[22]。

三江平原地处中国东北部，该区域是中国淡水沼泽湿地的集中分布区，是重要的生态资源和环境保护屏障。随着环境变化和人类活动的影响，三江平原沼泽湿地面积丧失，湿地生态系统功能退化，健康受到严重威胁，亟需进行健康评价。为进一步探求沼泽湿地健康评价方法，研究选择水生无脊椎动物作为研究对象，构建沼泽湿地生物完整性指标体系，对三江平原沼泽湿地进行健康评价，旨在为三江平原沼泽湿地保护和恢复管理提供决策依据。

1 实验部分

1.1 研究区域概况

三江平原位于中国东北部，由黑龙江、松花江和乌苏里江形成，地理坐标为45°01′～48°28′N，130°13′～135°05′E，总面积为1 090万hm2。三江平原拥有丰富的沼泽湿地资源。研究区平均海拔高度为55 m，属于温带湿润大陆性季风气候，年均温为1.9 ℃，月平均气温分布范围为-21～22 ℃；年平均降水量为600 mm左右，60%以上降水集中在6—8月；年蒸发量为565 mm, 无霜期为125 d左右。植被随水位梯度发生变化，主要包括漂筏苔草(Carexpseudo-curaicaFr. Schmidt)、毛苔草(CarexlasiocarpaEhrh.)、乌拉苔草(CarexmeyerianaKünth)、鼓囊苔草(CarexschmidtiiMeinsh)等[23]。

1.2 参照湿地和受损湿地的选择

参照湿地的确定是评价受损湿地的基准，是沼泽湿地健康评价的必要前提。选择6处未被人类活动扰动的天然沼泽湿地(参照湿地)。该6处湿地分别位于中国科学院三江平原沼泽生态试验站、洪河国家级自然保护区及三江抓吉站自然保护区内，受到国家和相关部门的严格保护。在已经被开发或被人类活动扰动的天然沼泽湿地中选择13处，这些湿地受到不同程度农田排水、放牧、周边道路及堤坝建设等的影响。其中，具体采样点详见图1，采样点信息详见表1。

图1 19处沼泽湿地位置示意图Fig.1 Sketch map of the location of 19 marsh wetlands

类型编号湿地名植被地理坐标自然湿地受损湿地1抓吉站湿地狭叶甜茅、小叶章48°09'51″N、134°38'49″E2三江站湿地漂筏苔草、毛果苔草、睡菜47°35'10″N、133°30'03″E3洪河保护区1漂筏苔草47°47'19″N、133°37'40″E4洪河保护区2漂筏苔草、毛果苔草47°47'42″N、133°38'02″E5洪河保护区3漂筏苔草、毛果苔草47°49'06″N、133°41'12″E6洪河保护区4漂筏苔草、毛果苔草47°49'08″N、133°41'36″E1综合示范区湿地小叶章48°04'02″N、134°33'02″E2小八盖孤立湿地芦苇、苔草、甜茅、水葱48°09'35″N、134°37'06″E3腰亮河湿地小叶章48°12'44″N、134°39'07″E4抓吉北湿地漂筏苔草、菖蒲48°10'59″N、134°39'01″E5浓江河下游湿地塔头苔草48°11'38″N、134°16'11″E6清水河湿地漂筏、塔头苔草、狭叶甜茅47°11'46″N、134°05'59″E7镇江孤立湿地芦苇、小叶章48°11'38″N、134°09'43″E8同抚路158 km湿地小叶章48°12'04″N、134°13'30″E9平远点湿地菖蒲、漂筏、甜茅48°07'36″N、134°10'27″E10东河湿地塔头苔草48°07'47″N、134°34'20″E11鸭南恢复地湿地小叶章48°11'09″N、134°13'44″E12101国道湿地狭叶甜茅48°12'39″N、134°18'36″E13洪河七区湿地小叶章47°38'03″N、133°29'51″E

1.3 样品采集与分析

2017年春季(5月24—30日)、夏季(7月24—30日)和秋季(9月24—30日)进行3次野外水生无脊椎动物样品采集。采用1 mm网眼、直径为35 cm的D型网，在研究区19处沼泽湿地采集水生无脊椎动物。在每处湿地，随机选取4 个采样点，从水体内部向岸边垂直拖动D型网1 m，保持D型网底部与湿地基底表面接触。将每处湿地4个采样点的样品混合为一个样品，倒入贴有标签的塑料袋中，加入95%酒精固定，带回实验室。在实验室中，参照相关文献[24]，对样品进行分离、鉴定，物种尽量鉴定到种(不能到种时鉴定到属，少数到科或亚科)。统计1 m×0.35 m面积内的水生无脊椎动物数量。

研究中非参数检验、相关性分析等统计分析均在SPSS 19.0中进行，Shannon-Wiener多样性指数等群落结构指数值在PRIMER 7.0中计算完成。

1.4 水生无脊椎动物完整性指数的构建

构建水生无脊椎动物完整性指数的基本步骤包括:①研究区生态分区，确定参照湿地和非参照湿地；②进行野外调查，获取湿地采样点生物数据；③基于参照湿地生物数据，选择生物指标，构建候选生物指标体系；④通过对候选指标参数值的分布范围、判别能力和相关性分析，筛选核心评价指标；⑤确定生物完整性指数评价标准，得出沼泽湿地评价结果。

2 结果与分析

研究共调查到三江平原沼泽湿地水生无脊椎动物3门7纲16目51科87种，以腹足纲和水生昆虫为主。其中,腹足纲3目7科19种,昆虫纲6目37科61种。

2.1 候选生物指标

依照参照湿地和受损湿地水生无脊椎动物差异性，选取了反映群落丰富度、个体种类比例、多样性指数及营养结构等4 类共27 个指标，作为候选生物指标(表2、表3)，以反映环境变化和人类活动对沼泽湿地水生无脊椎动物数量、结构和功能的影响, 从而提高候选指标选取的科学性和健康评价的准确性。

表2 27个候选生物指标及其对干扰的响应Table 2 The 27 candidate biotic indexes andtheir response to the disturbance

表3 27个候选指标值在参照点的分布情况Table 3 Distribution of 27 candidate metrics in reference sites

2.2 核心指标

2.2.1 分布范围分析

计算参照湿地各候选指标值的分布范围，剔除以下2种指标：①随着污染程度增加，指标值的可变范围比较窄，不适于构建生物完整性指数指标体系；②若指标值的标准差大，说明指标值不稳定，也不适于构建生物完整性指数指标体系。

其中M4、M6、M7、M8、M11、M12、M13、M16、M17、M19、M25的分位数值为0，随着污染的增强，其值的变动范围很窄，不适于参与指标体系的构建。而M9、M10标准差比较大，表明该值不稳定，予以删除。余下的14个生物指标，将进行判别能力分析。

2.2.2 判别能力分析

通过分布范围分析的候选指标需进行判别能力分析，以确定指标能够很好地区分参照湿地和受损湿地。判别能力分析方法有箱线图法和Mann-Whitney 非参数检验法[25]。对候选参数采用Mann-Whitney 非参数检验法，结果表明M1、M3、M5、M15、M27 5个参数在参照湿地和受损湿地之间存在显著差异(P<0.05，表4)，可以进入下一步筛选。

表4 Mann-Whitney 非参数检验结果Table 4 Results of Mann-Whitney test

2.2.3 相关性分析

采用Pearson相关分析方法，检验各指标所反映信息的独立性，避免冗余。采用MAXTED等[26]的标准，以|r|>0.75表示2个指数间高度相关。高度相关的2个指标表明其反映的信息大部分重叠，取其中1个即可。相关性分析前对数据进行正态分布检验，结果表明：指标符合正态分布。表5表明，M1与M3高度相关(r=0.966，P<0.01)，M1包含的信息最多，予以保留。

表5 5个候选生物指标间的Pearson 相关系数(n=19)Table 5 Pearson’s correlation coefficients between 5 candidate biotic indexes (n=19)

注：“*”和“**”分别表示在0.05和0.01水平(双侧)上显著相关。

通过以上筛选，最终确定水生无脊椎动物完整性指数体系由M1、M5、M15、M27 4个指标构成。

2.3 分值计算与健康评价标准建立

采用比值法[10]进行分值计算。对于随干扰强度增大而指标值减小的指标，以95%分位数的指标值为最佳期望值。采样点指标分值=实测值/最佳期望值；对于随干扰强度增大而指标值增大的指标，以5%分位数的指标值为最佳期望值。采样点指标分值=(最大值-实测值)/(最大值-最佳期望值)。根据各指标值在所有采样点中的分布, 确定计算各指标分值的计算公式(表6)，经计算后的分值范围为0～1，如果大于1，则都记为1，将各指标分值累加得到三江平原沼泽湿地水生无脊椎动物完整性指数值。以参照湿地水生无脊椎动物完整性指数值的25%分位数作为健康基准值，对所有沼泽湿地得分小于25%分位数的值三等分，得到三江平原沼泽湿地健康评价标准:≥2.58，无干扰；1.72～<2.58，轻度干扰；0.86～<1.72，中度干扰；0～<0.86，重度干扰(表7)。

表6 比值法计算各指标分值的计算公式Table 6 Formulas for calculation of metric scores

表7 三江平原沼泽湿地健康评价标准Table 7 The Sanjiang plain marsh wetland health evaluation standard

2.4 研究区沼泽湿地健康状况

根据评价标准，对三江平原沼泽湿地健康状况进行初步评价(图2)。结果表明：6处参照湿地中，4处湿地评价结果为无干扰，2处湿地评价结果为轻度干扰; 13处受损湿地中，4处湿地评价结果为轻度干扰，5处湿地评价结果为中度干扰，4处湿地评价结果为重度干扰。所调查的三江平原沼泽湿地有78.95%受到不同程度的干扰(其中47.37%受到了中重度干扰)，21.05%属于无干扰。

图2 三江平原沼泽湿地健康评价结果Fig.2 Results of health evaluation on marsh wetlands in the Sanjiang plain

3 讨论

3.1 候选生物指数的选取

生物参数选择是构建具有高敏感性和响应性完整性指数的核心要求[27]。物种鉴定水平的高低在很大程度上影响水生无脊椎动物群落结构对环境敏感性的响应分析，是生态系统健康评价中的一个关键问题。以往的指标体系构建，受分类水平的影响，都停留在目级层次，指标选取过程比较粗糙，这就造成参照湿地和受损湿地可能在科级水平上受人类干扰作用反应敏感，差异明显，而整体归结到目级层次上，差异可能就不显著。基于此，在物种采样和鉴定的基础上，力求尝试在物种科级水平上进行指标的选取和筛选。候选参数的科学筛选是构建底栖动物完整性指数的关键步骤。研究者的一般思路是通过对底栖生物参数的范围、相关性及判别能力进行分析，最终选择适当的生物指标用以构建生物完整性指数。研究同样采用该方法，保证研究的科学性。

3.2 评价基准和标准

生物评价基准是指未受人类干扰的自然状态下生物完整性状况，是基于科学调查、标准化采样、规范化实验和数据整理的客观结果。但，目前参照点的定义及其选取标准尚存在较大争议[28]。学者往往依据水质、生境以及土地利用状况来事先制定参照点的选择标准，再根据定性标准划分参照点和受损点[26]。研究以长期处于严格保护的自然保护区的沼泽湿地作为参照湿地，湿地的自然背景状况接近自然状态，保证了参照湿地的有效性。

评价标准能客观反映出研究区域整体及各个采样点的健康状况。一般来讲，参照湿地完整性指数值的25%分位数常被作为健康评价标准，该标准的前提是参照湿地选取较为容易且几乎不存在人为干扰因素。研究参照湿地都选择在长期处于严格保护的自然保护区内，因此，研究以参照湿地完整性指数值的25%分位数作为健康采样点评价标准。同时，依照傅伯杰等[29]对中国生态环境区域的划分，研究所有采样点都来自三江平原农业湿地生态区，避免了因采样点来自不同生态区对水生无脊椎动物完整性指数及其评价标准的影响。研究认为该评价标准适合三江平原沼泽湿地健康状况，是否适用于其他湿地生态系统，还有待进一步验证。

3.3 评价指数的科学性

目前，关于如何科学表征和评价生态系统的健康仍没有形成科学的体系。虽然在理论上有了一定的突破，各指标如何完整反映环境胁迫响应能力，目前仍没有定论。但，利用生物完整性指数评价生态系统的生物学质量来反映其健康状况是科学的、适合的，也是优于单个生物学指数的[30]。研究者一致认为评价体系应至少包含结构指标和功能指标2个方面，仅在结构指标体系层面，通过一个生物学指标来反映或代表整个生态系统的健康并不是全面和十分合适的。因此，结构和功能指标体系的有机结合，应该是今后水生态系统健康评价的重要研究内容[31]。

4 结论

研究构建了三江平原沼泽湿地水生无脊椎动物完整性指标体系，包括4个对自然和人为干扰敏感的水生无脊椎动物指标，为三江平原沼泽湿地生态健康评价和湿地恢复提供了重要手段。

评价结果表明三江平原沼泽湿地有78.95%受到不同程度的干扰(其中47.37%受到了中重度干扰)，21.05%属于无干扰。