基于大型底栖动物快速评价的三峡库尾城市化支流梁滩河流域健康评估

秦孝辉，黄河清，张方辉，雷 波，敖 亮

(1.重庆市生态环境科学研究院，重庆 401147；2.重庆市生态环境局三峡库区消落带生态修复工程技术中心，重庆 401147)

大型底栖动物快速评价方法是在传统底栖动物生物评价指数的基础上，通过优化监测技术、降低分类单元要求、简化指数计算程序等方法，具有成本低、科学性强、高效性、可操作性强、易于理解，便于长期和较大规模监测数据的比较等优点[10]。近年来，有众多的国内外学者将某一种快速生物评价指数或者将几种快速评价指数构建综合评价指数来评价自然河流健康[11，12]，用于城市河流健康评价相对较少[13]。目前，快速生物评价方法应用较多的指数包括基于物种分类、耐污值与敏感值、生物多样性、摄食功能群指数等建立的指数，以及由各指数构建的综合指数[8，12-14]。

由于我国的生物监测与评价发展相对较晚，快速生物评估指数更适合我国的河流管理[12]，同时也是美国环保总署(EPA)重点推荐的河流健康评价方法之一[10]，研究和探讨其在不同流域、区域应用的科学性和适用性具有重要的科学意义。梁滩河位于重庆市主城区域，是三峡库尾嘉陵江段右岸一级支流，2018年流域林地面积占38.11%、建设用地占30.48%、农用地占29.31%，人类活动频繁，城市化水平较高。受人类活动的干扰加剧，水生态状况不容乐观，在一定程度上能够代表三峡库尾典型城市化次级河流水生态系统对人类活动干扰的响应关系。本研究通过在梁滩河流域开展底栖动物快速生物评价指数研究，讨论分析各指数在梁滩河的适用性，为三峡库尾重庆市主城区段城市型支流的河流健康评价提供参考。

1 研究方法

1.1 区域概况与点位布设

本研究以梁滩河流域为研究对象，于2018年7月开展流域的大型底栖动物和水环境因子调查，按照样点设置原则布设15个监测点位(LTH01～LTH15)，基本覆盖全部支流，且均匀分布在整个流域(如图1所示)。

图1 梁滩河流域采样点分布图Fig.1 Map of Liangtan River with macroinvertebrate sample site locations

1.2 水环境因子采集

1.3 底栖动物采集

在采样点上下游50 m长的河段范围内采用D形网进行采集，每个点位采集10个小样方合并为1个样品，同时采集2个重复样，每个小样方尺寸为0.3 m×0.1 m，小样方依据河段生境类型和出现频次进行合理分配。采集的样本经40目分样筛筛洗后装袋并加入5%甲醛或75%乙醇溶液进行固定后带回实验室鉴定。种类鉴定时，参照《中国经济动物志：淡水软体动物》[16]、《中国差翅亚目稚虫的分类学研究(昆虫纲：蜻蜓目)》[17]、《中国动物志：环节动物门·蛭纲》[18]、《辽河流域底栖动物监测》[19]等底栖动物分类工具书，将所有样本鉴定至尽可能低的分类单元。鉴定后将各分类单元进行计数和称重后折算成单位面积的密度和湿重生物量。

1.4 大型底栖动物快速生物评价指数筛选和构建

按照对底栖动物鉴定的分类单元要求不高、计算过程相对简单、相关指数运用较为成熟等筛选原则，初步选定4类共8个单因子评价指数(如表1)；通过主成分分析、Spearman相关分析、回归分析等环节，筛选合适的单因子评价指数来构建综合评价指数。参照文献[13]在深圳市龙岗河流域的评价方法[公式(1)]，构建快速生物综合评价指数并评价梁滩河流域健康状况。各快速生物评价指数及综合评价指数的河流健康评价标准见表2。

表1 大型底栖动物单因子评价指数特征和构建综合指数时赋分的标准化依据Tab.1 Characteristic and principle of select macroinvertebrates indices

表2 各单因子评价指数及综合指数的健康评价标准Tab.2 Health evaluation criteria for select macroinvertebrates indices and comprehensive indices

(1)

式中：Pn为第n个选定的单一评价指数的标准化得分值，其范围为0～100。

1.5 综合水质标识指数法

综合水质标识指数(Iwq)法以单因子水质标识指数为基础，可以表达河流的综合水质信息，既可以在同一类别中比较水质的优劣，也可以在水质为超Ⅴ类的情况下比较污染的严重程度[20]。本研究参照王昱等[21]的研究方法，根据监测数据确定河流综合水质类别，并确定综合水质在该类别变化区间中的位置，只计算综合标识指数的核心X1X2，即Iwq指数的整数和第一位小数。X1X2计算见公式(2)。综合水质标识指数法的评级标准见表2。

(2)

1.6 数据分析

对采集的水环境因子监测结果进行Spearman相关性分析，剔除相关系数r>0.75且P<0.05的较高者，保留其中之一[12]。进行lg(x+1)转换后，再进行主成分分析(PCA)，筛选出影响梁滩河流域的关键水环境因子；采用 Spearman 相关分析研究各快速生物评价指数在评价生态系统健康状况时是否具有一致性，采用回归分析研究各评价指数指示水体污染的敏感性。大型底栖动物的数据处理利用软件EXCEL2019进行，相关性分析、回归分析均利用软件SPSS19.0完成，水环境因子的主成分分析采用Canoco for Windows 4.5软件，图形处理主要采用Origin 2017。

2 结果与分析

2.1 大型底栖动物群落结构

从大型底栖动物群落结构来看，梁滩河流域共采获大型底栖动物58种，隶属于4门8纲18目38科47属，以昆虫纲种类为主。虽然梁滩河流域的水生昆虫种类数较多，但其个体数仅占底栖动物总个体数的10.96%，在LTH12、LTH14、LTH01、LTH03、LTH13占比较高，为38.46%～94.15%(图2)，以水生昆虫占绝对优势的点位主要种类为耐污值较高的双翅目摇蚊科(平均耐污值为7.4)；从密度和相对丰度来看，超半数的点位都以寡毛类为绝对优势种群，整个流域寡毛类的平均密度达2 841.11 ind/m2，占总平均密度的86.53%。总体上，除LTH15外，其余点位的寡毛类、水生昆虫、腹足纲等种类的相对丰度在88%以上且平均值达96.14%。由此可见，耐污能力较强的水丝蚓、尾鳃蚓、淡水螺类等种类构成了梁滩河底栖动物群落的基本成分。整个梁滩河流域，除了最下游，均以耐污型的大型底栖动物为主要优势类群。

图2 各采样点大型底栖动物群落组成Fig.2 Taxa composition of macroinvertebrate community at different sampling sites

如图3所示，从生物多样性空间分布来看，总体上干流的物种数高于支流，且均以昆虫纲和腹足纲为主，表现为干流下游(LTH12、LTH13、LTH14)和支流上游点位(LTH01)物种数较高(11～19种)，其余点位数相对较低，LTH07种类数最低，仅为3种。多样性分析结果显示：Shannon-Wiener多样性指数、Margalef丰富度指数和Pielou均匀度指数计算结果分别介于0.06～2.23，0.22～3.07和0.06～0.89，整个流域从上游到下游多样性指数大体呈先减小后增加的趋势，物种数也呈相同的趋势。总体上，流域中游河段生物多样性低于上游和下游，干流、支流的多样性指数平均值显示支流的多样性高于干流。

图3 各采样点生物多样性Fig.3 Biodiversity of sample site

2.2 河流关键水质影响因子

图4 梁滩河流域水环境因子主成分分析结果Fig.4 Principal component analysis of water environmental factors in Liangtan River Basin

2.3 各指数健康评价结果及相关性

根据所选取的BPI指数、GBI指数、H′指数、BMWP指数、FBI指数、jFD指数，对梁滩河流域进行健康评价(见图5)。结果表明，这6种指数的健康评价结果存在较大差异。其中BPI指数所示结果中处于一般的采样点占比(在采样点总数中所占比例，下同)为93.33%，其余样点结果均为极差；GBI指数所示结果中处于健康、良好的占比为26.67%，一般的占比为40%，差和极差的占比为33.33%；H′指数所示结果无健康的点位，一般的占比较大(66.67%)，其余等级的占比较为接近(6.67%～13.33%)；BMWP指数与H′指数结果相似，一般点位数占比为60.00%，其余等级占比较为接近(6.67%～13.33%)；而jFD指数各健康等级占比接近(13.33%～26.67%)，FBI指数所示结果中采样点全部表现为差和极差；总体上，BPI指数对梁滩河流域健康状况评价结果最为趋同，而jFD较为分散、平均，GBI、H′、BMWP均以一般等级为主且趋势大体相同；FBI指数的评价结果偏低。

图5 不同快速生物评价指数评价结果Fig.5 Evaluation results of different rapid biological assessment indices

利用Spearman相关分析，探讨不同评价指数间的相关性。结果表明(见表3)，物种数(S)和BMWP指数呈极显著相关性，且均与其他指数相关性不显著。其余的指数两两相关性中，各指数间相关性均达到显著水平，除BPI指数与BP指数、H′指数，以及jFD指数与GBI指数、H′指数、FBI指数的相关性为显著外，其余指数两两相关性为极显著。由于BPI指数其实质就是利用耐污种的分布情况来评价，而GBI指数利用非寡毛类(耐污种)占比来评价，因此两类指数总体上为负相关关系(r=-0.779)。

表3 各快速生物评价指数间的Spearman相关系数Tab.3 Spearman rank correlation coefficients among rapid bio-assessment indices

2.4 各评价指数与环境因子的关系

图6 快速生物评价指数与环境因子的回归分析Fig.6 Regression analysis between rapid biological indices and environmental variables

图7 快速生物综合指数评价结果Fig.7 Results of integrated rapid biological indices evaluation

2.5 快速生物综合指数构建与河流健康评价

根据各评价指数的Spearman相关分析结果，物种数S和BMWP指数保留其中之一、其余指数至少保留其中一个用于构建综合评价指数。结合各评价指数与环境因子的回归关系的显著性，选择更能反映人类活动对流域水质影响的指数，如GBI指数、FBI指数与3个关键水质指标回归关系显著，且可信度在0.322～0.546之间。并结合各指数所属的类型，以尽可能由各类型的指数构建综合指数为原则，最终筛选出了分别代表物种多样性、群落结构特征和群落耐污性的物种数S、GBI指数和FBI指数共同构建综合评价指数。其评价结果表明，按照健康等级的判定标准，仅LTH12、LTH14总体属于“理想状况”，LTH01、LTH03、LTH06、LTH10、LTH11、LTH13、LTH15共7个样点属于“亚健康”等级，其余6个样点均处于“不健康”和“病态”等级。综合水质标识指数法评价结果显示，梁滩河流域水质总体在 “Ⅳ类～劣Ⅴ类，黑臭”范围内，仅LTH03、LTH15属于“Ⅳ类”，LTH02、LTH04、LTH05、LTH08 、LTH11～LTH14共8个断面属于“Ⅴ类”，其余断面处于“劣Ⅴ类，不黑臭”、“劣Ⅴ类，黑臭”等级。

3 讨论

3.1 大型底栖动物群落结构特征

城市河流的大型底栖动物群落构成与自然河流存在显著差异[27]，其中城市污水排放造成的河湖水体有机物污染是造成城市河流退化和生物多样性下降的重要因素[28]。大多数有机污染负荷下，城市河流底栖动物优势种类为个体小、生活史短、高繁殖力的寡毛类和摇蚊，呈现出底栖动物的密度较高的特征[29]；城市化对底栖群落结构的影响还表现在：敏感物种比例降低甚至消失，寡毛类、摇蚊等耐污物种成为优势类群，群落多样性显著降低，并且一般与城市化强度成负指数关系[30]。本次调查结果表明，梁滩河大型底栖动物群落多样性总体较低，大多数样点的底栖动物物种数不超过10种、Shannon-Wiener指数不超过1.5，且主要优势类群为耐受污染的寡毛类和摇蚊(图2和图3)，整个流域寡毛类的平均密度较高且占总平均密度的86.53%，表明当前梁滩河底栖动物群落结构呈现出典型的城市化河流特征，多数河段的有机污染物排放强度超过其承载力。

3.2 各评价指数对环境指示的敏感性

不同类型大型底栖动物评价指数与不同的环境压力之间的相关性存在差异，这就为评价某种特定的环境干扰压力选择合适的大型底栖动物评价指数提供了依据[31]。本研究结果表明，GBI指数、FBI指数能很好地表征流域硝酸盐的污染、氧化还原反应的水平以及水温的变化，BMWP指数和物种数S可表征流域酸碱度变化，物种数S和生物多样性指数H′还可分别表征流域亚硝酸盐污染、氧化还原反应的水平(如图6所示)；该结果与在华南地区东江流域[4]、东北地区太子河流域[24]、东北地区浑太河流域[12]等相关指数对河流水质指标指示作用的研究结果差异较大，其原因可能与所选取研究区域的土地利用特征、城市化水平、水文特征、地理气候等的差异性较大有关。

本研究结果显示，BP指数、BPI指数、jFD指数等不能很好地指示梁滩河的水质指标变化情况。BP指数主要考虑最优势类群的比例，当河流的受损强度较高，水生生物多样性和个体数较低的情况下，这个指标的指示作用可能会较差[32]。BPI指数其实质就是利用耐污种(如寡毛类、摇蚊类幼虫)的分布情况来评价水环境质量[3]，然而在梁滩河流域大部分点位以寡毛类和摇蚊为优势种，各点位物种的平均耐污值较为接近，导致其水质评价结果也最为趋同，因此不能较好地指示水体水质的变化；蔡文倩等在渤海近海海域使用jFD指数能较好地指示其生态环境质量[14]，但对于城市化程度较高、受人类活动干扰严重的梁滩河流域(各点位jFD大多小于0.6)的水质状况的指示无明显规律。

3.3 各评价指数及综合指数评价结果分析

大型底栖动物作为河流中主要的生物类群，其群落结构反映长期和短期的各类型人为活动影响，大型底栖动物评价指数均基于此原理构建，因此不同评价结果之间具有较高的相似性和差异性[24]。与本研究结果一致，认为GBI指数、H′指数、BMWP指数评价结果较为相似，且与BPI指数、jFD指数、FBI指数的评价结果差异性较大(见图5)；但由于梁滩河流域水质整体上处在高污染水平(V类及以上[26])，导致与综合水质标识指数评价结果相比，总体上BPI指数评价结果最为相似，其次为BMWP指数，其余指数差异较大，其中与FBI指数差异最大。基于耐污值或敏感值类型的指数在计算过程中，所使用敏感值和耐污值参考标准存在一定的地区差异(如摇蚊科物种在不同地区差异很大)，使得使用科一级的敏感值和耐污值计算的BMWP指数、FBI指数间评价结果差异较大。基于生物多样性的评价指数由于自身存在的局限性，作出的水质评判结果相当模糊[33]，因为不同的水体污染类型对物种多样性的影响程度不一致。另外，绝大多数的健康评价均使用等级方式来判断河流的健康与否，然而不同方法间往往存在较大差异[34]，进而影响评价结果。如H′指数、BMWP指数有不同的划分等级和划分标准[4，22，24]，研究者对于评价标准的选择直接影响评价结果。jFD指数其实质就是通过计算底栖动物摄食类群的均匀度指数来评价河流健康程度，忽略了各种摄食类群的耐污值或敏感值，导致其在评价以耐污种为主各摄食类型相对均匀的点位(如LTH01)评价结果差异较大，这与jFD尚不能敏感地区分物理和富营养化压力的生态效应的原理相似[34]。

河流的健康状况因地理位置、地貌特征、生物状况、污染类型等多种因素的综合作用存在差异，因此在选取不同生物评价指数评价河流健康状况时应慎重考虑生物评价指数在该河流中的适用性[4]。本研究通过对初步选定的4大类共8个快速评价指数进行筛选，总结不同生物评价指数对环境因子的指示作用，与水质评价结果和底栖动物群落结构进行相互印证，最终选择了具有代表性的GBI指数(非寡毛类物种相对丰度)、FBI指数、物种数S共代表3种类型的3个指数，这与渠晓东等[13]在深圳龙岗河流域的研究结果一致。根据综合评价结果来看，梁滩河流域各点位的健康状况以“亚健康～病态”为主(占比为86.67%)，且主要分布在流域的中上游，下游的回龙坝片区由于开发强度相对较低、嘉陵江回水的影响，区域生态状况相对较好。这与综合水质标识指数评价结果总体上变化规律相似，但由于梁滩河流域水质整体上在V类水以上[26]，综合水质指数结果的相对大小变化与综合生物指数无明显响应，导致各点位评价结果差异较大。与张方辉等[35]利用IBI指数对梁滩河各点位健康评价等级对比发现，其选择水生态状况相对较好的非城市化河流濑溪河流域的参照点建立完整性评价体系，且其评价体系由软体动物%、(软体动物不含肺螺+甲壳动物+水生昆虫不含摇蚊幼虫)%、(耐污值5

综上，选定的指数较为适合于梁滩河地形地貌、城市化水平较为接近的其他三峡库尾次级河流，构建的综合指数进行类似流域的健康评价结果可信度较高。