大型底栖动物完整性指数在漳河上游水生态评价中的应用

崔文彦， 孟宪智， 张世禄， 孔凡青

(海河流域水环境监测中心， 天津 300170)

水环境质量的变化往往导致水生生物群落结构、物种丰富度、种群密度及生理功能方面的变化。使用生物学指标对河流健康进行分析成为当前主流的水生态评价方法。生物完整性指数(Index of biotic integrity，IBI)常用来描述生物与非生物因素之间的关系，并依据多个生物参数的情况来反映水体的生态状况，进而评价河流乃至整个流域的健康状况。Karr于1981年以鱼类作为研究对象建立了生物完整性指数，并对北美河流的水生态系统进行了健康评价[1]。美国俄亥俄州环保局于1994年提出大型底栖动物指数[2]，形成了全球范围内广泛应用的底栖动物完整性指数(Benthic index of biotic integrity, B-IBI)，该指数随后在英国、加拿大、澳大利亚和南非等国家普遍应用。在我国，应用生物完整性指数方法评价河流健康起步较晚。王备新等[3]以安徽黄山地区溪流的底栖动物为研究对象，首次对B-IBI体系的构建进行研究；熊春晖[4]、盛萧[5]和孔凡青[6]等分别以上海城市河流、东江和永定河的底栖动物为研究对象，根据所研究河流的实际情况，构建了上海城市河流、东江和永定河的B-IBI评价体系，评价了相应区域河流生态健康状况。

漳河是海河流域南系的一条重要河流，目前面临水资源短缺的严重问题。本研究以漳河上游(岳城水库以上)作为研究区域，以大型底栖动物为研究对象，构建底栖动物完整性指数B-IBI评价指标体系与评价标准，开展水生态状况评价，以期为了解漳河上游的水生态状况及水生态水环境管理提供参考。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

漳河源自山西省，位于海河的西南部地区，流经山西、河南、河北三省后最终汇入卫运河内，全长460 km，流域面积19 220 km2，各支流均建有大型水库水利工程及引水工程，为附近县、市人民提供生活及农业用水。漳河流域属温带大陆性季风型气候，春季蒸发量大，天气干旱；夏季受太平洋副热带高压控制，温和多雨，形成主要降雨季节；秋季季风减退，秋高气爽少雨；冬季受极地大陆性气团控制，气候寒冷降水较少，干旱多风。漳河流域多年平均气温7.4 ℃～10.3 ℃。漳河上游分清漳河和浊漳河两大支流，其中清漳河地形西北较高，东南偏低，河流湍急；浊漳河北源则呈北高南低，东高中低，南源呈南高北低，东西偏高，中部较低，中间为长治盆地。漳河上游段是晋、冀、豫三省重要的饮用水源和工农业生产用水水源，也是我国受人类活动干扰最强烈的区域之一。漳河上游接纳沿岸城镇生活污水、企业(煤化工、焦化厂、化肥厂等)废水的常年排放，造成河流水质恶化，水生态系统退化，严重制约着流域经济发展[7]。根据《水环境监测规范》的采样原则，结合研究范围实际情况，本研究于2015年非汛期(4月)和汛期(9月)分别对漳河上游的大型底栖动物时空分布进行调查，共布设监测站点12个，其中漳河干流3个(S1-S3)、浊漳河6个(S4-S9)、清漳河3个(S10-S12)。在对该区域大型底栖动物进行监测的同时，对各站点的溶解氧(DO)、耗氧有机物(高锰酸盐指数CODMn、化学需氧量COD、五日生化需氧量BOD5、氨氮NH3-N)等5个水质指标进行测定。各样点水质监测结果如表1所示。

1.2 数据处理方法

1.2.1 参考点的确定

参考点和干扰点的确定是建立B-IBI指数及评价标准的关键。Morley等和Blocksom等按照干扰程度的大小分为无干扰样点、干扰极小样点和干扰样点[8-9]。漳河流域整体人口较密集，工业化程度较高，难以找到无干扰样点和干扰极小样点。因此，根据样点周边的人为活动强度，及地表水水质标准(GB 3838—2002)水质类别在III类以上等参考点的选取原则，选取房头村(S9)、匡门口(S10)、麻田(S11)和下交漳(S12)4个站点作为构建B-IBI评价体系的参照点，其余8个站点作为受损点。

表1 漳河上游12个监测站点水质指标检测结果

1.2.2 B-IBI备选生物指数的选取

为准确反映环境变化对漳河上游水生生物的数量、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，结合漳河流域实际情况，本研究选取4个大类共计18个参数作为备选参数，分别为分类单元数(Taxa):[包括总分类单元数、EPT分类单元数、摇蚊类分类单元数和(甲壳类+软体类)分类单元数],各类群相对丰度(Relative abundance)[包括优势单元百分比、前3位优势单元百分比、颤蚓类百分比、摇蚊类百分比、蜉蝣类百分比和(甲壳类+软体类)单元百分比],生物耐受性(Tolerant and intolerant)(耐污类群分类单元数、敏感类群分类单元数、耐污类群分类单元百分比和、感类群分类单元百分比和生物指数),功能摄食群(Functional feeding group)(包括撕食者百分比、捕食者百分比和集食者百分比)进行B-IBI评价体系的构建。

2 结果与分析

2.1 漳河上游大型底栖动物群落特征

漳河上游共鉴定到大型底栖动物47种，包括水生昆虫33种(其中摇蚊科16种)，软体动物门8种，环节动物门3种，甲壳类3种。总体上，漳河上游底栖生物物种丰富度较高。参照王备新和杨莲芳的方法[10]确定的我国东部地区的大型底栖动物的耐污值(Tolerance value, TV)，对漳河上游的大型底栖动物类群的耐污性进行统计，TV≤3的敏感类群所占百分比为14.4%，TV≥7的耐污类群所占百分比为32.1%。从分类单元优势度看，前3位分类单元分别为中华米虾(Caridinasinensis)、霍甫水丝蚓(Limnodrilushoffmeisteri)和蜉蝣属一种(Ephemerasp.)，分别为16.2%、14.3%和6.6%。

2.2 候选生物指数的筛选

漳河上游18个候选生物指数值在参照点的分布情况如表2所示。EPT分类单元数(M2)、敏感类群分类单元数(M12)、Hilsenhoff生物指数(M15)和撕食者百分比(M16)4个指数数值较低或分布范围过窄，不适合构建B-IBI评价体系，予以删除。

根据Barbour等[11]对剩余的14个参数的分布作箱体图(如图1)，根据重叠情况对IQ(Inter quartile)进行赋值，IQ≥2的指数进行进一步分析。可以看出，颤蚓类百分比(M7), 摇蚊类百分比(M8)、蜉蝣类百分比(M9)、敏感类群分类单元百分比(M14)和集食者百分比(M18)5个参数的中位数值均在对方箱体之内，不适于构建B-IBI评价体系，予以淘汰。

表2 18个候选生物指数值在参照点的分布情况

图114个候选生物参数在参考点和受损点的箱线图

Figure 1 Box-plots of 14 candidate metrics between reference and impaired sites

2.3 相关性分析

根据Maxted等[12]仅选择相关系数|r|≤0.75的参数。基于SPSS 19.0 统计分析，对剩余的IQ≥2的9个参数进行Pearson相关性分析，如表3。可以看出，耐污类群分类单元百分比(M13)和捕食者百分比(M17)与其他参数的相关性指数为|r|≤0.75，予以保留。在分类单元数的参数中，总分类单元数(M1)、摇蚊类分类单元数(M3)、(甲壳类+软体类) 分类单元数(M4)3个参数相关度均较高，由于总分类单元数(M1)这一参数包含了大型底栖动物更多的信息，故保留该参数。剩余的4个参数中，(甲壳类+软体类)单元百分比(M10)予以保留。由此确定漳河上游B-IBI指数的参数包括总分类单元数(M1)、(甲壳类+软体类)数量百分比(M10)、耐污分类单元数百分比(M13)和捕食者百分比(M17)4个参数。

表3 9个候选参数的Pearson指数相关性分析

2.4 评价结果

本文采用比值法计算生物指数值，确定计算各参数分值的比值法计算公式(表4)。

表4 比值法计算4个参数分值的公式

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，如果样点的B-IBI≥25%分位数值，表示该样点是健康的。对B-IBI<25%分位数值进行4等分，分别代表不同的健康程度，最终确定漳河上游栖动物完整性评价标准(表5)，即代表漳河上游水生态状况。

表5 漳河上游底栖动物完整性评价标准

可以得出：合漳(S3)、房头村(S9)、匡门口(S10)和麻田(S11)4个站点的水生态状况为健康；下交漳(S12)为亚健康状态；观台(S1)、小跃峰渠首(S2)和申村水库(S8)为一般状态；三省桥(S4)、辛安桥(S5)和襄垣(S6)水生态状况较差；漳泽水库(S7)为病态。具体如表6所示。

表6 漳河上游12个站点的水生态状况评价结果

3 讨论

从整体上看，本次评估的站点中，上游地区站点的健康状态一般高于下游站点。合漳(S3)站点与其他下游站点相比，该站点健康状态明显优于其他站点，这或许与该站点位于该区域下游清漳河和浊漳河交汇处，物理生境较其他站点复杂，大型底栖动物种类较丰富有关。

B-IBI评价体系以大型底栖动物作为研究对象，对大型底栖动物的鉴定水平将对评价结果产生影响。根据Lenat等人的研究[13]，应尽可能将其鉴定至种一级的分类阶元，在实际评价过程中，由于鉴定人员的经验及水平不同，以及所擅长的类群不同，鉴定结果会产生差异。因为同一科内不同的属之间，以及同一属内不同的种之间，其耐污能力可能有很大差别，生物耐受性类型的参数的计算结果将受此影响，进而影响B-IBI用于水生态评价的准确性。国内已有关于辽河流域[14]、东部地区[10]、辽宁省[15]和庐山[16]等地区大型底栖动物耐污值的相关研究。由于海河流域整体位于我国东部，故本研究在进行Hilsenhoff BI指数的计算时，大型底栖动物耐污值的取值主要参照我国东部大型底栖动物耐污值研究的相关成果。

由于受损点和参照点之间的对比是计算B-IBI的关键步骤，故参照点的选取是构建B-IBI指标体系的重要环节。参照点应是未受人类干扰或受人类干扰极小样点。渠晓东等[17]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，包括采用国家地表水环境质量标准和河流生境质量评价等作为参考内容。然而，在漳河上游甚至整个海河流域由于工农业的发展以及高密度的人类活动，使得按此条件选取参照点的可能性几乎为零。本研究综合考虑研究区域的生态环境情况，结合站点周围人为干扰程度和地表水质量标准，故选择房头村(S9)、匡门口(S10)、麻田(S11)和下交漳(S12)4个站点作为本次评价的参照点。