滦河流域大型底栖动物生物完整性指数健康评价

田 鹏，钱 昶，林佳宁，代 阳，张 远，丁 森，高 欣

1.华中农业大学水产学院，湖北 武汉 430070 2.中国环境科学研究院a.环境基准与风险评估国家重点实验室;b.河流生态保护与修复研究室;c.中韩环境合作中心，北京 100012

河流生态系统可以提供水质净化、栖息地、生态廊道、水源供给、水产品供给和运输以及景观娱乐等重要生态功能[1]，因此一个健康的河流生态系统是社会经济发展的物质基础和保障条件[2]。当前的经济发展加剧了水质恶化、生态水文情势变化和物理栖息地丧失，造成河流的严重退化[3-6]。因此，在制定河流保护恢复策略之前，对河流进行健康评价，准确分析造成退化的原因是必要基础[7]。河流健康评价始于20世纪50年代，健康评价方法逐步由单指标独立评价发展到多指标综合评价[7]。生物完整性指数(IBI)是一种综合评价河流健康状况的生物指标，基于河流生态系统的结构和功能，从生物学角度反映河流健康状况[8]。相比以往的单因素生物评价指标，IBI综合了多类型评价指数的信息，因此从理论上讲具有全面性、敏感性和准确性等优点[9]。IBI最早基于溪流鱼类群落构建评价体系[10]，后来关注的水生生物类群逐步发展到藻类[11-12]、浮游生物[13]、水生植物[14]和大型底栖动物[15]，同时评价体系由河流发展到湖泊和湿地等其他生态系统[16-18]。由于大型底栖动物物种分布广泛，且不同物种对于环境干扰能够表现出较大的适应范围和敏感差异性[19]，能很好地指示由于人类干扰而引起的水生态系统的退化状况，因此大型底栖动物完整性在河流健康评价中得到了广泛的应用[20-21]。

国内基于大型底栖动物生物完整性指数(B-IBI)开展了很多研究工作，根据研究区域的生物组成特征和流域环境压力构建了适用于该流域的评价体系(如针对长江中下游等丰水型流域[22]和北方缺水型流域[20]开展的研究，均有报道)。由于不同流域物种区系组成和环境干扰不尽相同，使用同一套评价体系势必会使评价结果不准确，因此构建适用于某一流域的IBI评价体系是科学评价流域健康的重要基础。滦河流域是典型的北方季节型流域[23]，同时也是京津冀重要的水源涵养区和生态廊道，其健康状况对京津冀一体化发展有着重要意义。目前滦河流域已经针对生态流量[23]、水资源利用[24]、气候变化同人类活动影响[25]、水化学特征[26]、底泥和生物体重金属分布[27]、土地利用变化[28]等生态环境问题开展了研究，但基于B-IBI的河流健康评价工作鲜有报道。笔者通过构建B-IBI评价体系，科学评价滦河流域水生态健康状况，以期为流域水生态保护恢复和综合管理提供理论和数据支持。

1 实验部分

1.1 研究区域概况

滦河流域发源于河北省张家口市巴彦古尔图山北麓，流经河北、内蒙古、辽宁等省(自治区)的25个市(县、旗)，于河北省乐亭县兜网铺注入渤海湾。流域总面积为5.55×104km2，河长为888 km(图1)。流域地处温带大陆性季风区，多年平均气温约为7.6 ℃，多年平均降水量约为520 mm，降雨主要集中在6—9月。流域内人类活动呈现梯度特征，人口密度自上游高原地区到中游丘陵和下游平原区逐渐增加，人类活动压力也随之增加。

图1 滦河流域采样点分布Fig.1 Distribution of sampling sites in the Luanhe River basin

1.2 样品采集和测定

研究于2016年10—11月在滦河流域河北段共布设53个采样点，主要覆盖滦河流域干流及其一级支流。现场调查测定了水体理化因子并采集了大型底栖动物样品。每个采样点随机设定 100 m的采样河段，对于可涉水河流，选择3种不同生境类型(流速、水深、底质类型相结合)的采样断面，使用索伯网(底面边长为0.3 m×0.3 m，网径为0.5 mm)进行采集；对于无法涉水的大型河流，使用1/16 m2彼得森采泥器采集3个平行样品。现场将所有样品逐一挑拣出，并用95%的酒精保存后带回实验室鉴定。所有样品鉴定至尽可能低的分类单元[19]，并进行功能摄食类群划分[19]。

1.3 生境质量评价

调查采样点生境质量评价主要参考郑丙辉等提出的评价方法[29]，具体涵盖底质组成、栖境复杂性、流速和水深结合、堤岸稳定性、河道变化、河水水量状况、河岸植被多样性、水质状况、人类活动强度和河岸边土壤利用类型等10个方面。分项指标满分为20分，总分为200分。为了保证评判标准的一致性，所有采样点生境评分均由一人完成。

1.4 研究方法

构建B-IBI的基本步骤包括：①参照点与受损点筛选；②B-IBI候选指标体系构建；③通过分布范围、判别能力和相关关系分析对候选评价指标进行筛选；④B-IBI数值计算；⑤确定B-IBI评价标准并对各个采样点进行健康评价[7]。

1.4.1 参照点与受损点的筛选

表1 滦河流域B-IBI评价中参照点和受损点的筛选标准Table 1 Sieving criteria of reference sites and disturbed sites in the Luanhe River basin

1.4.2 B-IBI候选指标体系建立

该次在滦河流域共采集并鉴定出大型底栖动物206属(种)，隶属于5门8纲70科。为了体现大型底栖动物群落结构的梯度变化特征，参考相关研究成果，分别从反映群落丰富度、底栖动物种类个体数量比例、生物耐污能力、营养结构、小生境质量以及多样性指数等6个方面构建了候选指标库(表2)[31]。并参考相关研究对各候选指标进行数值计算[20, 32-33]。

1.4.3 候选指标分布范围检验

候选指标确定后，对其进行分布范围检验，如果候选指标有超过95%的点位数值为零，则该指标不适用于构建B-IBI体系[7]。

1.4.4 候选指标敏感性分析

利用箱线图法分析候选指标在参照点与受损点的分布情况。比较各候选指标在参照点与受损点间箱体IQ(即25%～75%分位数范围)的重叠情况[7]。若2个箱体中位数都在对方箱体之内，则IQ等于0；若箱体部分重叠，其中一个中位数值在对方箱体范围之外，另一个中位数值在对方箱体范围之内，则IQ等于1；若箱体部分重叠，但各自中位数值都在对方箱体范围之外，则IQ等于2；若箱体没有重叠，则IQ 等于3。保留IQ≥2的候选指标进行下一步分析。

1.4.5 候选指标间冗余检验

对经敏感性分析筛选的候选指标进行Pearson相关性分析，以检验候选指标的冗余。当|r|>0.75时，如果2个候选指标间生物信息重叠度高，需要删除一个候选指标[7]。经过冗余检验之后，最终获得计算B-IBI的核心指标。

1.4.6 B-IBI标准化方法

为统一评价量纲，对筛选的指标进行计分。研究采用三分制法计算生物指标的分值。三分法计算核心指标值在参照点的分布，对核心参数指标值的评分方法进行拟定[7]：①对于受到干扰而指标值降低的参数，取其25%分位数为分界点，分界点以上为理想值，赋5分；对分界点以下指标值进行均分，上段赋3分，下段赋1分；②对于受到干扰而指标值增加的参数，以75%分位数为分界点，分界点以下为理想值，赋5分；对分界点以上指标值进行均分，下段赋3分，上段赋1分。

1.4.7 健康评价

将计算后的核心指标分值求和，获得B-IBI值。健康评价标准以所有参照点IBI分值为依据，所有参照点IBI分值的75%分位数作为“健康”等级的标准，对小于75%分位数的数值进行四等分，分别确定“亚健康”“一般”“差”和“极差”4个评价等级[7]。

1.4.8 B-IBI评价结果校验

为了进一步验证核心指标计算的B-IBI在滦河流域健康评价中的准确性，利用非参数检验分析B-IBI在参照点和受损点的差异性和分布情况，同时用该检验方法分析不同B-IBI等级之间栖息地综合得分的差异性。

表2 滦河流域B-IBI候选指标体系及描述Table 2 Attributes and description of candidate metrics of B-IBI in the Luanhe River basin

注：EPT为蜉蝣目(Ephemeraptera，E)、襀翅目(Plecoptera，P)和毛翅目(Trichoptera，T)缩写。

1.4.9 数据处理方法

该研究所有数据均采用Excel软件进行预处理，运用SPSS 21.0进行Pearson和非参数检验分析，箱线图在Statistica 7.0软件中完成。

2 研究结果

2.1 参照点与受损点的筛选

根据表1中所列标准对参照点和受损点进行筛选。最终从53个采样点中选出QLH01、LiuH01、DaiH01、ShiH01、ShiH02、ShaH02、TH01、TH02、PH01等9个参照点，LH02、MYTH02、YMH01、CH01、LiuH02、DH02等6个受损点。

2.2 候选指标分布范围检验与敏感性分析

对所有候选指标分布范围检验表明，M2、M3、M4、M5、M8、M14等6个候选指标分布范围过窄或出现零值过多，予以剔除。对剩余的30个候选指标进行敏感性分析发现，仅M1、M7、M12、M13、M25、M26、M27和M35等8个候选指标的IQ≥2(图2)，保留用于进一步分析。

2.3 候选指标相关性分析

对上述8个候选指标进行Pearson相关性分析。结果显示M1与M26、M12与M13显著相关(P<0.01，|r|>0.75)，见表3。由于M26是根据科级分类单元敏感值计算出来的，代表对干扰的耐受性，而M1指代的是群落中全部分类单元数，2个指标虽显著相关，但指标涵盖信息不完全相同，因此保留M1和M26。由于EPT个体包含蜉蝣目个体、襀翅目个体和毛翅目个体，且EPT个体相对丰度更能反映滦河流域大型底栖动物的整体特征，应用更为普遍，故保留M12。最终采用M1、M7、M12、M25、M26、M27和M35来构建滦河流域B-IBI。

图2 8个候选指标在参照点和受损点的箱线图(R为参照点，D为受损点)Fig.2 Box plots of 8 candidate metrics between reference and disturbed sites (R reference site,D disturbed site)

指标M1M7M12M13M25M26M27M35M11.00M70.58∗∗1.00M120.250.061.00M130.190.110.79∗∗1.00M25-0.140.04-0.73∗∗-0.74∗∗1.00M260.76∗∗0.210.62∗∗0.54∗∗-0.58∗∗1.00M270.310.230.72∗∗0.62∗∗0.72∗∗0.69∗∗1.00M350.62∗∗0.43∗∗-0.040.050.240.38∗0.021.00

注：“**”表示在0.01水平(双侧)上显著相关；“*”表示在0.05水平(双侧)上显著相关。

2.4 滦河流域B-IBI健康评价

根据三分法和分位数法分别确定了滦河流域B-IBI核心指标赋分标准(表4)和健康评价标准(表5)，通过计算B-IBI值对每个采样点进行健康评价。评价结果表明，滦河流域总体健康状况为“一般”，有54.7%的采样点处于“亚健康”状态以下。具体来看，7个处于“健康”状态，17个处于“亚健康”状态，12个处于“一般”状态，10个处于“差”状态，7个处于“极差”状态。

表4 滦河流域B-IBI核心指标赋值标准Table 4 Scoring criteria for core attributes of B-IBI in the Luanhe River basin

表5 滦河流域B-IBI健康评价标准Table 5 Criteria of B-IBI healthy assessment in the Luanhe River basin

2.5 B-IBI评价结果校验

非参数检验结果显示，滦河流域参照点B-IBI要显著高于非参照点(P<0.05)，见图3。校验结果表明，该研究所构建的B-IBI评价体系适用于滦河流域的健康评价。

图3 参照点和受损点的B-IBI值比较(R为参照点，D为受损点)Fig.3 Comparison of B-IBI between reference and disturbed sites using box plots (R reference site,D disturbed site)

3 讨论

研究针对滦河流域的主要干支流共53个采样点开展了水生态调查和生物完整性评价。评价结果显示，53个采样点中有54.7%的采样点处于“亚健康”状态以下(“一般”“差”和“极差”)，分别有18.9%和13.2%的采样点健康状况为“差”和“极差”。评价等级为“健康”和“亚健康”的采样点多分布于承德市上游和冀东地区部分支流(如滦河干流上游部分、小滦河、伊逊河、武烈河、汤河以及戴河)。滦河流域上游森林植被覆盖率较高，人口密度较少，因承德定位为旅游低碳型城市，近些年工业产值比例逐年降低[34]，所以除少量农业之外，污染严重的工业企业分布较少，使得承德市辖区以上区域自然生态环境保持较好，这也是B-IBI评分较高的原因。分布于冀东地区的汤河和戴河均为自流入海河流，得益于秦皇岛生态旅游城市的发展定位，对自然资源保护程度较高，因此生态环境状况保持的也较好，B-IBI评分为“健康”和“亚健康”，以上研究结果与同流域的鱼类生物完整性评价结果较为相似。滦河流域B-IBI评价结果为“一般”“差”和“极差”的采样点多分布在滦河干流承德市辖区和唐山市境内的河流(如滦河干流下游区域、柳河、横河、潵河、沙河和洋河等多条河流)。由于人口密集区多而带来的生态环境压力也一并体现在生物完整性的评价当中。为了防洪和景观功能，城市河道通常会被人工硬化，造成河道天然基质的退化，致使底栖动物生存所需要的复杂微生境丧失，生物多样性降低[35]。同时，城镇生活污水和工农业废水的排入也会严重降低水生态环境质量[19]。滦河流域围场满族自治县至下游迁安县范围的水质评价结果显示，受生活污水和工业废水的影响，该研究区域水质退化严重，特别表现在氮磷等营养盐的污染[36]。同时，水体和沉积物中的新型污染物也是造成中下游水质退化的主要原因。研究结果表明，滦河中游沉积物中的多环芳烃类污染物已经达到了对生物产生潜在危害的当量[37]。

生物完整性评价结果可以指导水环境管理者做出有针对性的恢复和保护措施，因此其准确性非常重要[7]。要保证IBI评价结果的准确性需要有足够多的参照点生物数据来支撑，同时还要保证所构建的评价指标体系具有科学性、代表性和敏感性，只有实现以上2个要求才能保障IBI评价体系和评价结果是客观和准确的。参照点的质量和数量关系到评价标准的准确性[38]。由于当前已经很难找到未受人类干扰的参照点，所以尽可能地提升参照点筛选标准是切实可行的方法。以往对于参照点的筛选多使用单一的水质指标来衡量，但由于环境要素对水生生物的影响作用机制较复杂，因此不仅要考虑水环境要素，还需要综合考虑其他的物理生境和采样点周边综合干扰压力。研究参考周莹等的研究结果[30]，将水质、生境和采样点周边环境压力3个要素相结合，尽可能保障其准确性[7, 30, 38]。评价指标体系的构建是基于所研究生物群落的结构和功能，而最终的核心评价指标也期望可以囊括所有类型[10]。研究最终筛选出来的7个核心指标主要为M1、M7、M12、M25、M26、M27和M35。其中，M1和M12是B-IBI评价当中常用的指数，不仅经常用在河流健康评价中[20]，在湖泊和湿地生态系统中也经常作为核心评价指标[17-18]。该研究结果显示，有3个单因素评价指标(M25、M26、M27)通过筛选进入到核心计算指标体系中。以上3个单因素评价指标均是基于不同分类阶元(科级、属级、种级)的敏感和耐污特性而计算的[32-33]，结合同样被筛选为核心指标的M12来看，滦河流域大型底栖动物物种和群落结构组成在参照点和受损点差异性最大的还是清洁水体的指示物种——水生昆虫幼虫，因此EPT等附石性水生昆虫幼虫也是今后在滦河流域河流健康评价中需要重点关注的物种。该研究的核心指标中并未有反映营养级组成的指标入选，分析其原因可能是撕食者多在郁闭度较高的山区溪流中生存，以河岸带凋落物为食物来源[39]，而该次采样由于条件限制，并未涉及较多的山地溪流，因此造成撕食者个体相对丰度在参照点和受损点无法区分开。而滤食者和收集者的相对丰度在以往的研究中也较多地被证明并不能区分栖息地质量不同的河流[19]。究其原因可能是上游溪流的底栖动物群落中尽管多以水生昆虫为主，但摄食功能类型也多以滤食者和收集者为主，而根据河流连续统理论(RCC)，随着河流级别的增加，从上游到下游的过渡中，随着外源营养物质的输入，底栖动物则表现为滤食者和收集者占据主导位置，这是M28和M30无法在参照点和受损点中被区分开的主要原因。

IBI评价体系是进行河流健康常规监测和评价的重要工具，因此该体系在研究区域是否具有适用性是判断整套体系构建成败的关键。该研究结果显示，参照点和受损点的IBI得分具有显著的组间差异性，表明所构建的B-IBI体系在滦河流域具有很好的适用性，同时也推荐河流管理部门可以将B-IBI引入常规河流监测和评价中。

4 结论

1)代表群落丰富度、生物耐污能力和生物多样性的指标更适合在滦河流域构建IBI评价体系。

2)B-IBI评价结果显示，滦河流域整体健康状况为“一般”，有54.7%的采样点处于“亚健康”以下。健康状况较好的区域位于承德市上游的主要干支流和冀东区域的部分支流。受经济发展结构影响，流经承德市和唐山市辖区范围内的河流健康状况多为“差”和“极差”等级。

3)研究所构建的评价体系是以一次采样数据分析的研究结果，建议在今后的河流健康评价工作中更多地关注上游生境质量较高的支流，进一步对指标适用性进行校验并做出相应的调整。