无定河流域不同水土流失区底栖动物生物完整性指数构建与健康评价*

侯湘然,潘保柱,侯易明,胡 恩,贺 瑶,冯治远

(1:西安理工大学,西北旱区生态水利国家重点实验室,西安 710048) (2:陕西省环境科学研究院,西安 710061)

无定河流域位于黄土高原与毛乌素沙地过渡带,流域内沟壑纵横,底质较为疏松,夏季多暴雨,导致区域内水土流失严重,是黄河流域水土流失和沙化最严重的支流之一,其生态环境具有脆弱性和波动性[1]。无定河流域是黄河中游典型的风水两相复合侵蚀区,也是黄土高原水土保持措施实施的重点区域,流域内按水土流失类型可分为河源梁涧区、风沙区和黄土丘陵沟壑区[2],其中无定河上游主要为风沙区,以风力侵蚀为主,中下游主要为黄土丘陵沟壑区,以水力侵蚀为主[3]。多年来,流域内采取了一系列如淤地坝等水土保持措施,具有滞洪拦泥、减少沟道产沙以及淤地造田的作用[4]。长期以来,受自然和人为因素的综合作用[5-6],无定河流域具有水少沙多的特点,在此流域开展生态健康评价对整个黄河流域的生态保护具有重要科学意义。

在河流生态健康评价中,采用生物完整性指数(index of biotic integrity,IBI)评价水生态系统健康状况是目前应用较为广泛的方法[7]。IBI方法体系最初由Karr[8]在1981年提出,以鱼类为研究对象,建立了以鱼类为主的生物完整性指数(fish-index of biotical integrity,F-IBI),随后逐渐被应用于大型底栖无脊椎动物[9]、浮游生物[10]、高等维管束植物[11]等生物。底栖动物具有种类多、生活周期长、迁移能力有限、便于采集等特点,且不同种类对水质的敏感性差异大,对环境的长期变化有着很好的指示作用,因此底栖动物的完整性指数(benthic-index of biotical integrity,B-IBI)被广泛地应用于河湖健康评价。我国对B-IBI的研究始于2000年以后,王备新等[12]以安徽黄山地区的溪流为研究区域,首次在我国对B-IBI指标的构建及其与理化指标的关系进行研究。张远等[13]以辽河流域的河流为研究区域,对B-IBI指标体系的构建方法、指标选择和评价标准进行研究,为我国北方河流的IBI评价提供依据。张葵等[14]以新疆伊犁河为研究区域,从时间尺度上对B-IBI指标体系的构建进行研究。以往研究B-IBI指标的构建多集中于山区河流,而对水土流失严重区域的研究尚未见报道,无定河作为黄河流域水土流失最严重的支流之一,地貌复杂且具有代表性,对无定河流域构建B-IBI指标评价体系,可探究水土流失对底栖动物群落特征的影响,也可为类似流域河流健康评价提供借鉴价值。

本研究对无定河流域开展了底栖动物群落调查,旨在厘清无定河流域底栖动物群落特征,构建大型底栖动物生物完整性指数并进行健康评价,以期为无定河流域以及类似水土流失严重区域的生态健康状况评估提供科学依据。

1 研究区域与方法

1.1 研究区概况

无定河为黄河的一级支流,位于中国陕西省北部,是陕西榆林地区最大的河流,也是陕西输出粗沙最多的河流,它发源于白于山北麓,流经定边、靖边、米脂、绥德和清涧县,由西北向东南注入黄河,总体呈西北高、东南低的趋势。无定河干流全长491 km,流域面积30261 km2,海拔556～1824 m,地处半湿润、半干旱地区交界带,为温带大陆性季风气候,雨热同期[1]。流域位于毛乌素沙漠东南缘,黄土高原北部,下垫面环境复杂,流域内沟壑纵横、土壤沙化、气候干旱、植被稀少、植物覆盖度低,是黄河流域水土流失和沙化最严重的支流之一[15]。

本研究于2021年春季(4月)和秋季(10月)对无定河上、中、下游及其6条典型支流:海流兔河(HLTH)、芦河(LH)、榆溪河(YXH)、马湖峪河(MHYH)、大理河(DLH)、淮宁河(HNH),以及3个淤地坝:南沟大坝(NG)、榆林沟淤地坝(YLG)、韭园沟淤地坝(JYG),共40个样点开展系统的水生态调查。研究区域及调查河流见图1。

图1 无定河流域采样点分布Fig.1 Distribution of sampling sites in the Wuding River Basin

1.2 样品采集与鉴定

底栖动物样本采集参照《河流水生生物调查指南》[16]。样品用筛网孔径420 μm、网口宽度0.3 m的手持D型网在河流浅滩处采集,淤地坝底栖动物用采泥器采集。每个采样点采集5个平行样,每个平行样的采集面积为0.3 m2。所有样品用河水淘洗后装入密封袋,在室内置于白瓷盘中进行分拣,并将分拣好的底栖动物标本放入装有75%浓度酒精的样本瓶中固定,带回实验室。在实验室中,利用解剖镜和显微镜对底栖动物样品进行物种鉴定、计数、称重。鉴定工作参照相关专业书籍及资料,将样品尽量鉴定至种,少数不能鉴定到种的样品,将其鉴定至科或属[17-20],并确定底栖动物耐污值、敏感值及功能摄食类群[21-23],以便为后续的指数计算提供参考。

1.3 参照点的选取

参照点的选择是影响生物完整性评价质量的关键因素,根据采样实际状况,选择生境接近自然状况,人类活动干扰较少,河床结构稳定的样点作为参照点。参照点的筛选一般按照采样点的被干扰程度,可以分为极小干扰点、轻微干扰点,极小干扰点是指几乎没有受到任何干扰,显示最原始河流景观状态的样点,轻微干扰点是指有轻微人类干扰迹象,显示现有最佳物理、化学和生物栖息地条件的样点,标准因地区而异[24]。由于无定河流域人类活动强度普遍较高,几乎无法找到极小干扰点,因此,本研究结合郑丙辉等[25]的评价方法,根据底质、栖息地复杂性、速度和深度结合特性、堤岸稳定性、河道变化、河水水量状况、植被多样性、水质状况、人类活动强度、河岸土地利用类型10项评分标准对采样点进行栖息地质量评分(附表Ⅰ、Ⅱ),每项满分20分,总分200分,基于栖息地质量评分结果和研究区域实际情况,选择大于等于115分的采样点作为参照点。最终选择无定河上游WD-1、WD-2、WD-3,无定河中游WD-8,马湖峪河MHYH-2、MHYH-3共6个采样点作为参照点。

1.4 B-IBI指数体系的构建

构建B-IBI指数体系的基本步骤[26-27]:(1)确定候选生物指数;(2)通过分布范围、判别能力和相关关系分析对生物指数进行筛选;(3)确定每种生物指标值及B-IBI指数计算方法;(4)确定底栖动物生物完整性的评价标准。

1.4.1 选取候选指数 参考相关文献[28],并根据无定河流域水生态条件,选取27个B-IBI指标体系的候选生物指数(表1),包括反映群落丰富度的指数7个、反映底栖动物种类个体数量比例的指数8个、反映生物耐污能力的指数5个、反映营养结构的指数5个,以及反映多样性指数的指数2个。

1.4.2 分布范围分析 确定候选生物指数后,对参照点的指数分布范围进行分析,并对以下几种指数予以剔除:对于随着干扰增强而值变小的指数,如果值过小,说明受干扰后指数可变范围过窄,则无法准确区分出水体的干扰程度,不适于参与B-IBI指标体系构建;对于随着干扰增加而值变大的指数,如果值波动程度过大,也会导致该指数无法准确反映水体的受干扰程度,同样不适于参与B-IBI指标体系构建。若指数标准差过大,说明数据分散,指数不稳定,也不适于参与B-IBI指标体系构建[29]。

1.4.3 判别能力分析 根据Barbour等[30]的评判方法,利用箱形图法分析上述筛选后的候选指数在参照点与受损点的分布情况,比较各指数在参照点和受损点的箱体IQ(即25%～75%分位数范围)重叠情况,并分别赋予不同的分值:IQ=3,表示参照点和受损点箱体没有重叠;IQ=2,表示参照点和受损点部分重叠,但各自中位数在对方箱体范围之外;IQ=1,表示仅有一个中位数在对方箱体范围之内;IQ=0,表示各自的中位数都在对方箱体范围内。最后保留IQ≥2的指数进行下一步分析。

1.4.4 相关性分析 对余下的指数进行Spearman相关分析,若两个候选指数Spearman相关系数 |r|>0.75,则表明两个指数相关性较高,反映的信息重叠较大,根据两个候选指数反映信息的重要程度,选择其中一个[31]。经过以上3步分析筛选,最终确定出构成B-IBI 指数体系的核心指数。

1.4.5 生物指数分值计算 采用比值法[32]统一评价量纲,对核心指数值的评分方法进行拟定:对于受到干扰而值降低的指数,以95%分位数为最佳期望值,各参数的分值为参数实际值除以最佳期望值;对于受到干扰而值增加的指数,以5%分位数为最佳期望值,分值=(最大值-实际值)/(最大值-最佳期望值)。

1.4.6 健康评价标准 将各指数的分值用比值法计算后,再对分值进行加和,得到B-IBI值,计算结果以参照点B-IBI值分布的25%分位数作为健康评价的标准,对小于25%分位数的分布范围进行四等分,得到5个范围,对应5个等级,即健康、亚健康、一般、较差、极差。

2 结果

2.1 底栖动物群落结构

无定河流域共鉴定到底栖动物125种(附表Ⅲ),其中春季105种,隶属于4门7纲26科,包括:环节动物3科6属11种,占物种总数的10.5%;软体动物2科2属2种,占1.9%;水生昆虫18科60属89种,占84.8%;其他动物(节肢动物门的蛛形纲1科1属1种、甲壳纲1科1属1种,线形动物门1科1属1种)3科3属3种,占2.8%。春季全流域底栖动物平均密度为181 ind./m2,平均生物量为0.760 g/m2。秋季底栖动物67种,隶属4门8纲27科,包括:环节动物3科4属5种,占物种总数的7.5%;软体动物2科2属2种,占3%;水生昆虫18科40属56种,占83.6%;其他动物(节肢动物门蛛形纲1科1属1种、软甲纲1科1属1种、甲壳纲1科1属1种,线形动物门1科1属1种)4科4属4种,占5.9%。秋季全流域底栖动物平均密度为94 ind./m2,平均生物量为0.454 g/m2。总体上无定河流域底栖动物种类较多,在春秋两季的底栖动物种类组成中,水生昆虫均为绝对优势类群,其中双翅目摇蚊科物种多样性最高。

2.2 B-IBI指数体系

2.2.1 生物指数分布范围分析 计算春季27个指数在6个参照点的分布情况(附表Ⅳ),M2、M4、M10、M16、M22、M25这6个指数的25%分位数、中位数、75%分位数均为0,说明随着干扰增强,其值基本无法变动,不予考虑,M19标准差过大,说明数据分散,指数不稳定,也不适于参与 B-IBI指数体系构建,对剩余20个指数进行进一步分析。

计算秋季27个指数在6个参照点的分布情况(附表Ⅴ),M16、M25这两个参数的25%分位数、中位数、75%分位数均为0,说明随着干扰增强,其值基本无法变动,不予考虑,M19标准差过大,说明数据分散,指数不稳定,也不适于参与 B-IBI指数体系构建,对剩余24个指数进行下一步分析。

2.2.2 判别能力分析 选择箱形图IQ≥2的指数进行进一步研究,对春季20个指数进行箱形图分析(附图Ⅰ),各指标值在参照点和受损点的频数分布结果显示,M1、M5、M6、M8、M26、M27等6个参数满足IQ≥2,进入下一轮筛选。对秋季24个指数进行箱形图分析(附图Ⅱ),各指标值在参照点和受损点的频数分布结果显示,指数M5、M6、M21、M26、M27等5个参数满足IQ≥2,进入下一轮筛选。

2.2.3 相关性分析 分别对两个季节经过判别能力筛选后的指数进行Spearman相关性分析(附表Ⅵ、Ⅶ)。春季结果显示,M1、M5、M6之间呈显著相关(|r|>0.75),且均为反映群落丰富度的指数,而M1(总分类单元数)包含的信息更多,保留M1;M8、M26、M27之间呈显著相关,M26和M27均为反映多样性的指数,保留M26;M8虽然与M26相关系数较高(|r|=0.781),考虑到M8(优势分类单元个体相对丰度)为反映种类个体数量比例的指数,在完整性评价体系构建中较为重要,本研究中予以保留。即确定保留M1、M8、M26等3个指数来构建春季B-IBI指数体系。秋季结果显示,M5、M6、M26之间呈显著相关,M5和M6均为表示群落组成结构的指数,而M5(双翅目分类单元数)包含的信息相对较多,保留M5;M26和M27均为反映多样性的指数,删掉M26。即确定保留M5、M21、M27等3个指数来构建秋季B-IBI指数体系。

2.2.4 生物指数分值计算及健康评价标准 根据各指数值在参照点所有采样点的分布,确定计算各指数分值的比值法的计算公式(附表Ⅷ),并依次计算各采样点的指数分值。

将各指数的分值用比值方法计算后,再对分值进行加和,得到B-IBI的指数值,以参照点25%分位数为健康评价的标准,对小于25%分位数的分布范围进行四等分。春季参照点 B-IBI指数值的25%分位数为2.48,因此比值法 B-IBI评分标准为:B-IBI值>2.48为健康;1.861.80为健康;1.35

2.3 B-IBI指标体系的评价结果

根据健康评价标准得出无定河流域河流健康评价结果(表2),春季40个采样点中有5个处于健康状态,14个处于亚健康状态,12个处于一般状态,7个处于较差状态,2个处于极差状态。秋季无定河流域采样点中有13个处于健康状态,10个处于亚健康状态,9个处于一般状态,3个处于较差状态,5个处于极差状态。

表2 无定河流域各河段B-IBI评价结果Tab.2 B-IBI results for each sampling sites in the Wuding River Basin

春季无定河上、中游整体处于健康-亚健康状态,其中,上游中段和中游后半段均为健康状态,其余河段样点为亚健康状态;无定河下游处于亚健康-一般状态。支流及淤地坝中,海流兔河处于亚健康-一般状态;芦河和马湖峪河均处于健康-亚健康状态;榆溪河处于一般-较差状态;大理河处于亚健康-一般-较差状态;南沟大坝、榆林沟淤地坝处于一般-较差状态。淮宁河、韭园沟淤地坝处于一般-较差-极差状态。

秋季无定河上游处于健康-亚健康状态;无定河中游多为健康状态,后半段存在一般状态;无定河下游处于健康-亚健康-一般状态。支流及淤地坝中,海流兔河和大理河处于健康-极差状态;芦河处于亚健康-一般状态;榆溪河、马湖峪河和淮宁河均处于健康或亚健康状态;南沟大坝处于亚健康-一般-较差状态;榆林沟淤地坝处于一般-极差状态;韭园沟淤地坝处于较差-极差状态。

用箱形图法分析两个季节参照点与受损点B-IBI值的分布情况(图2),分别对春秋两季参照点与受损点的B-IBI值进行Mann-Whitney U非参数检验,结果表明春秋两季河流参照点与受损点之间B-IBI值均存在显著差异(P<0.05),两个季节参照点的B-IBI值均显著高于受损点,表明本研究所构建的无定河流域 B-IBI 健康评价体系适用性良好。

图2 两个季节参照点与受损点的B-IBI分值箱型图Fig.2 Box plots of B-IBI scores for two seasons between reference and impaired sites

2.4 不同水土流失类型区对底栖动物群落特征及完整性评价的影响

研究区域主要涉及黄河中游典型的风沙区和黄土丘陵沟壑区两个水土流失类型区,计算两个区域在春秋两季的平均密度和物种数,由于春秋两季的B-IBI健康评价标准不同,根据评价等级进行百分制赋分,即将评价结果的“健康、亚健康、一般、较差、极差”分别赋予“100、80、60、40、20”的分值,并计算两个区域在春秋两季的B-IBI百分制平均值。对两个区域在春秋两季以及春秋两季在两个区域的密度、物种数和B-IBI百分制分值分别进行Mann-Whitney U非参数检验(表3),根据检验结果,风沙区的密度和物种数在春、秋两季具有显著差异(P<0.05)。

表3 底栖动物密度、物种数及完整性评价在不同水土流失类型区的差异性检验Tab.3 The difference test of benthic density, species number and integrity evaluation in different soil and water loss areas

3 讨论

无定河流域不同季节的底栖动物群落特征表明,无定河流域春季底栖动物物种数、密度和生物量皆高于秋季。在物种数上,水生昆虫由春季的89种减少至秋季的56种,主要减少的物种隶属于摇蚊科,这可能是因为春季气温回升,有利于摇蚊生长,物种数显著提高[33],而秋季因为经历过夏季的集中降雨,黄土土质疏松易受降水侵蚀[1],流域内水土流失较为严重,河床稳定性降低,底栖动物生境被破坏后未能完全恢复,从而导致秋季水生昆虫物种数较少[34-35]。在现存量上,无定河流域整体上底栖动物密度和生物量春季要高于秋季,除了春季气温回升有利于底栖动物生长外[36],还可能归因于摇蚊在秋季经历羽化迁出[37],导致数量减少。从空间尺度上看,无定河干流底栖动物物种数上游多于中、下游,支流中处于无定河上游的支流马湖峪河物种数较多,淤地坝水体物种数最少。底栖动物物种组成空间差异可能归因于流域内地形地貌及土地利用状况的差异,无定河上游河道主要为风沙地貌,地表物质以粗颗粒风沙为主,地形较为平坦,水力侵蚀相对较少[38],而中下游主要位于黄土丘陵沟壑区,水力侵蚀加剧,同时河岸两边耕地面积占比较大,水土流失严重[15],农业面源污染的影响相应增加,致使水生生物多样性下降。榆溪河底栖动物物种数最低,是因为榆溪河受到了农业面源污染,并且河流经过城区,生产生活污水也对其造成一定的污染。

本研究对无定河流域两个季节进行了B-IBI健康评价,评价结果显示秋季无定河流域整体的健康状况要稍好于春季,可能归因于春季虽然河床稳定,但是河流流动性差,且摇蚊种类较多,而秋天为雨季后期,河流相对流量大,摇蚊种类减少,蜉蝣目、毛翅目种类增加,因此秋季的健康状况要稍好于春季。基于B-IBI健康评价结果,有12个采样点在两个季节里均处于亚健康及以上状态,底栖动物生物完整性比较稳定,这些采样点位于无定河干流上游全段、中游上半段以及中、上游部分支流,如芦河中段和马湖峪河全段,这些河段的特点是河岸较为稳定,渠道化较少,水质较为清澈,人类活动干扰较少。评价结果处于较差及以下状态的样点大多位于无定河下游支流和淤地坝水体,这些河段距离城镇和农田较近,土质疏松,人类活动强度大,并且两个季节的评价结果改变较大,生物完整性不稳定。淤地坝作为修筑在水土流失严重区域的人工堤坝,因其底层泥沙淤积厚度深,生境单一,故仅少数直接收集者如摇蚊幼虫及寡毛类存活。

本研究表明,无定河流域的水土流失现象对流域内底栖动物群落特征有显著影响(P<0.05),且底栖动物的群落特征在风沙区受到的季节性影响更大。风沙区以风力侵蚀为主,而黄土丘陵沟壑区则以水力侵蚀为主[2],流域内集中降雨及水力侵蚀主要集中在7-8月[39-40],秋季相较春季而言,受到了洪水过程的影响。在春季,底栖动物的密度和物种数都表现为风沙区高于黄土丘陵沟壑区,表明此时风沙区的水生态状态较黄土丘陵沟壑区更稳定。而在秋季,底栖动物的密度和物种数在两个区域均显著下降,且风沙区结果低于黄土丘陵沟壑区,表明风沙区在经历集中降雨后,底栖动物的群落受到的影响更大,而黄土丘陵沟壑区由于长年累月经受水力侵蚀的影响,下降幅度相对较小,同时也归因于下游黄土丘陵沟壑区集中了大量的淤地坝,有效拦蓄了入河泥沙,降低了高强度的水力侵蚀[41]。

无定河流域具有水少沙多、暴雨集中、土质疏松、天然植被稀少、自然侵蚀强烈的特点,并且有不同类型的水土流失区,构建此类流域底栖动物生物完整性指数的难点主要在于参照点的选择和指数体系的构建。参照点的选择是生物完整性评价的关键步骤[42],以往的研究中选择参照点的方法不尽相同[43-45],基本依据水质质量、现场评估人类干扰强度和河岸带土地利用类型来选择。本研究中无定河流域属于黄土高原区域,是水土保持的重点治理区,经过夏季水文过程后,会导致水土流失和河床淤积,因此,在参照点的选择过程中,除了要选择人类干扰强度小的样点之外,还要考虑选择经过丰水期后未受水土流失影响或影响较小的样点。无定河上游上半河段附近基本为草地和未利用土地,且属于风沙区,水力侵蚀较少,无定河中游和马湖峪河的部分采样点附近草地居多,远离居民区[46],故选择无定河上游3个采样点、中游1个采样点以及马湖峪河2个采样点作为参照点。根据春秋两季参照点和受损点B-IBI值的Mann-Whitney U非参数检验结果,参照点与受损点之间B-IBI值存在显著差异,两个季节参照点的B-IBI值均显著高于受损点,表明本研究所构建的无定河流域B-IBI健康评价体系适用性较好。郑丙辉[25]研究中采用的生境打分法包括了10项评分标准,在类似水土流失较为严重的河流选择参照点时,建议评分应侧重于堤岸稳定性、河道变化等方面。

在生物完整性评价中,指数体系的构建也同样非常重要。本研究选取了M1(总分类单元数)、M8(优势分类单元个体相对丰度)和M26(Shannon-Wiener指数)3个核心指数构成无定河流域春季B-IBI指数体系,选取M11(双翅目分类单元数)、M21(滤食者个体相对丰度)和M27(Simpson指数)3个核心指数构成无定河流域秋季B-IBI指数体系,两季度B-IBI健康评价体系的核心指数和B-IBI值的差异性表明,在类似黄土高原等水土流失严重区域中,对水生生物开展多季节调查具有重要意义。在构建无定河流域底栖动物生物完整性指数体系的过程中,摇蚊是两个季度底栖动物物种组成的主要类群,无定河流域作为典型的生态脆弱地区,由于区域内生境的不稳定性,更适合摇蚊这类个体小、繁殖快、生活周期短的类群恢复和繁衍,因此,在生物完整性指标的选择时,需要考虑流域内主要类群的相关参数,类似本文中对于双翅目中摇蚊类群的选择,更能反映流域生物完整性的特点。此外,M1、M8、M11、M26和M27等能够表征物种丰富度、优势种和多样性的指数也是无定河完整性构建的核心参数,这在以往河流中也常被用到[43,47-50]。同时,在开展生物完整性研究时,还需要关注水土流失区域的季节性变化,建议在一个水文年内至少进行两次调查来进行研究,并尽量避开一些干扰性较强的季节(如夏季),以保证评价结果的准确性和科学性。

根据对无定河流域的底栖动物群落特征分析和B-IBI评价结果,对黄土高原地区的生态治理提供以下几条建议:(1)无定河流域上游底栖动物生物完整性处于亚健康及以上状态,评价结果相对较好,该区域主要位于风沙区,应持续推行退耕还林等政策,在降低风力侵蚀的同时,还要注意改善河道周围植被状况,提高水土保持能力,确保源头的水质水量;(2)中下游干支流完整性评价等级较低,该区域主要位于黄土丘陵沟壑区,应加强水土保持措施,如在水力侵蚀严重区域增加淤地坝的修建,并对已有淤地坝进行维护和改进,提高拦蓄入河泥沙的能力;(3)中下游支流,如榆溪河等,底栖动物物种数较少,应加强农业面源污染治理,控制周边污水排放,相关部门做好宣传教育,工业废水和居民生活污水必须经处理达标后排放,以改善水质,提高底栖动物生境质量。

4 结论

无定河流域共鉴定底栖动物125种,春季鉴定出105种,秋季鉴定出67种。春季物种数、密度和生物量均明显高于秋季,归因于春季气温开始回升,水生昆虫大量繁殖,而部分摇蚊在秋季经历羽化迁出。基于B-IBI健康评价体系,春季47.5%的样点处于亚健康及以上状态,秋季57.5%的样点处于亚健康及以上状态,其中多集中分布在干流上游和中游上半段及上、中游支流,主要原因是这些河段河岸较为稳定,人类活动影响较小。在不同水土流失类型区域,底栖动物群落特征和生物完整性评价具有显著性差异。本研究对黄土高原区域、多沙河流区域内底栖动物生物完整性指数的构建具有重要意义。

5 附录

附表Ⅰ～Ⅷ和附图Ⅰ～Ⅱ见电子版(DOI: 10.18307/2024.0138)。