江苏省境内河流大型底栖动物生物完整性分布特征

摘要：大型底栖动物是水环境的重要指示生物，其完整性和群落结构能够反映水体生态健康状况。以江苏省境内淮河、长江、太湖等35条河流（125个采样点）为研究对象，在2023年丰水期调查分析其大型底栖动物、水环境指标以及生境状况，计算大型底栖动物生物完整性指数（B-IBI）；采用比值法对B-IBI指数进行赋分，分析其与环境因子的相关性，并利用普通克里金法对B-IBI指数进行空间插值，评价河流健康状况。结果表明：① B-IBI指数与栖境多样性、NH3-N、PO3-4-P、流速和透明度呈显著正相关，且核心参数中刮食者分类单元数与CODMn呈弱显著正相关。表明栖境多样性和水体透明度的增大有利于大型底栖动物的群落结构完整和稳定，NH3-N、PO3-4-P在一定范围内对底栖动物有正向作用，刮食者能够承受一定程度的水体污染；② 35条河流整体健康状况东北部好于西南部。其中，健康状况良好的采样点主要集中于淮河流域东部、西北部，长江流域西南部和太湖流域的中部。③ 相似性分析（One-way ANOSIM）和相似百分比（SIMPER）分析显示，淮河与长江流域底栖动物群落密度结构存在显著差异，长江沿岸的城市化和航运已经影响底栖动物的群落结构。

关 键 词：底栖动物； 生物完整性； 分布特征； 群落结构； 生态健康评价； 江苏省

中图法分类号： X826

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.09.015

0 引 言

生物学评价法即通过研究生物对污染物、人类活动等干扰的反应，分析水生态环境变化的原因，从而了解生态系统状况，对生态保护及可持续发展提供依据［1］。完整性指数是近年来接受度较高的生物学评价法之一，Karr等于1981年首次利用鱼类构建了完整性指数对河流的健康状况进行评价［2］，之后该方法被应用到浮游植物、浮游动物、底栖动物等水生生物类群种，对湖泊、水库等水环境进行评价［3-5］，在法国、巴西、墨西哥、日本等地区都有所运用［6-9］。完整性指数评价的优点是采用的生物指标较多，比起单个生物指数能更加完整地反映区域内指示生物类群的状况［10］。

在中国，生物完整性指数也得到了一定的应用。谢志伟以鱼类作为研究对象，构建了鱼类生物完整性指数（F-IBI），评价了长江入海口的生态健康状况［11］；陈宇飞等对太湖流域的河流和湖泊构建了浮游动物完整性指数（Z-IBI），验证了Z-IBI的结果与水质数据的一致性［12］；马廷婷等对太湖主要河口构建了浮游植物完整性指数（P-IBI），评估了太湖流域18条河流主要河口的生态环境健康状况［13］；张颖等对淮河流域的32条河流构建了基于底栖动物的生物完整性指数（B-IBI），评价了淮河流域的水生态健康程度［14］。

江苏省水域面积占比大，河网稠密，在相对较小的空间尺度上（如太湖流域、淮河流域等），已有利用浮游植物、鱼类等构建生物完整性指数的研究，但整个江苏省水域范围的底栖动物评价体系还存在着一定的空白。底栖动物的种类、生物量、群落结构等参数能够反映水体环境的长期变化，是目前公认的最理想的水质生物监测指标之一［15］。丰水期的河流浮游动物和底栖动物多样性一般要高于枯水期［16-18］，更加具有代表性。因此本文以江苏省境内淮河、长江、太湖三大流域内的35条河流为研究对象，在丰水期开展水质监测和栖境调查，调整现有的标准化参照点筛选方法，并将空间插值技术运用到B-IBI评价体系中，完善大型底栖动物完整性指数分布的展示效果；并采用统计学方法对底栖动物的群落结构特征进行分析，与B-IBI分布结果相互验证，以期为江苏省的河流生态健康保护提供参考。

1 实验方法与数据分析

1.1 采样点布设

研究对象为江苏省境内的35条河流，共设置125个采样点。其中淮河流域25条河流，共布设81个采样点；长江流域4条河流，共布设22个采样点；太湖流域6条河流，共布设22个采样点。采样点的布设位置如图1所示。

1.2 样品采集与指标测定

采样时间为2023年丰水期（8月23日至9月20日）。应用ETC-200抓斗式采泥器在每个采样点抓取3斗表层底泥。用60目的筛网在现场筛去多余淤泥及杂质，剩余样品带入实验室，挑出大型底栖动物，置于90%乙醇中4 ℃保存。鉴定底栖动物的种类、数量［19-21］，并称量其重量，计算生物量（g/m2）和密度（ind./m2）。

在采样点现场使用便携式多参数分析仪、流速仪计数器和塞氏盘测定水样的pH、溶解氧（DO）、流速和透明度等指标。并采集水样带回实验室，依据《水和废水监测分析方法》［22］，测定铵态氮（NH3-N）、硝态氮（NO-3-N）、总磷（TP）、总氮（TN）、正磷酸盐（PO3-4-P）、叶绿素a（Chl-a）、高锰酸盐指数（CODMn）等指标。参考文献［23］的方法在采样现场对栖境多样性、河道变化、河岸土地利用等生境状况进行打分。

1.3 大型底栖动物生物完整性指数评价方法

1.3.1 参照点确定

在利用完整性指数对河流进行评价时，为了合理反映出特定区域内的生物完整性情况，需要依据人类活动的强弱，将采样点分为参照点和受损点。本文参照现有研究［23-25］，将土地利用状态、栖境复杂程度、水质状态3个方面作为参照点的筛选标准，具体为：河岸两侧无耕作土壤；栖境复杂性指数≥15；DO≥5 mg/L，CODMn≤6 mg/L，NH3-N≤1.00 mg/L。

1.3.2 底栖动物备选参数确定与筛选

完整性指数的计算依赖于各种生物参数，根据已有研究［26-29］，本文从物种丰富度、类群相对丰度、敏感和耐污类群、功能摄食类群、多样性指数5个方面构建江苏省河流底栖动物的完整性指数备选参数，具体参数见表1。

在备选参数中，经过以下3个步骤筛选出核心参数：

（1） 分布范围检验，即剔除掉0值点过多（＞95%）以及分布范围过窄的参数，以便于敏感性分析［30］。

（2） 敏感性分析，即根据箱线图IQ评分，保留具有显著差异（IQ≥2）的参数，进入相关性检验［30］。

（3） 相关性检验，即采用Spearman相关性分析，剔除掉相关性较高的参数，保留包含信息量最大的参数作为核心参数［25］。

1.3.3 完整性指数计算

经标准化处理统一量纲后，采用比值法，以最少状态作为参照计算核心参数的期望值和阈值［24］，具体见式（1）。

ibii=αi-Xiαi-Eαi，正向参数Xi-βiEβi-βi，负向参数（1）

式中：ibii表示第i个核心参数的得分；α表示正向参数受损点的75%分位数；β表示负向参数受损点的25%分位数；X表示核心参数值；Eα表示参照点的25%分位数；Eβ表示参照点的75%分位数。

参考文献［24］对所计算出的参数分值进行赋分后，将核心参数的最终得分相加，得到底栖动物完整性指数（B-IBI指数）。利用等分法，将B-IBI指数划分为“优”（4～5）、“良”（3～4）、“中”（2～3）、“差”（1～2）、“劣”（0～1）五个等级，表征利用底栖生物所评价出的河流健康状况［24］。

2 结果分析

2.1 底栖动物群落结构特征

共采集到78种大型底栖动物，隶属于3门7纲19目23科，其中软体动物门31种，节肢动物门38种，环节动物门仅9种。3个流域不同目的底栖动物密度占比如图2所示。从分类单元数来看，江苏省境内125个采样点的主要类群为腹足纲和昆虫纲。淮河、长江和太湖流域各采集到67，32，27种底栖动物。将优势度指数Y≥0.02作为优势种的判别标准，共在江苏省范围内筛选出7种优势种，其中环棱螺属有3种，圆田螺属、水丝蚓属和股蛤属各有1种。

2.2 底栖动物完整性指数评价结果

2.2.1 参照点分布

根据本文所提出的参照点筛选标准，在江苏省境内35条河共计125个采样点中共筛选出参照点26个，受损点99个。3个流域中均有参照点分布，淮河、长江、太湖流域的参照点占比分别为22.22%，22.73%和13.64%。相较之下，淮河流域和长江流域的占比相近，太湖流域的参照点占比明显减小。

2.2.2 核心参数筛选结果

对所有参数进行分布范围检验，其中参数A8、A16因0值点过多被剔除，参数A6、A7、A9、A17因分布范围过窄被剔除，其余26个参数进入敏感性分析。

敏感性分析中，根据箱线图的结果（图3，只展示IQ值≥2的参数），A1、A2、A5、A18、A19、A22、A28、A30、A32共9个参数IQ值≥2，说明参数在参照点和受损点具有显著差异，进入相关性分析，其余参数被剔除。

Spearman相关性分析的结果（表2）表明，在物种丰富度类别的参数中，A1、A2和A5均显著相关（r＞0.70，p＜0.01），其中A1总分类单元数所包含的物种丰富度信息最多，保留该参数，剔除掉A2和A5；在类群相对丰度类别的参数中，A18和A19显著相关（r=0.71，p＜0.01），A19前3位优势分类单元百分比所包含的类群相对丰度所包含的信息更多，保MgEDwr/+0Gp0ukMMLxGa1w==留该参数，剔除掉A18；敏感和耐污类群、功能摄食类群两个类别中分别都只有一个参数进入相关性分析，即A22耐污类群分类单元数和A28刮食者分类单元数，均保留；多样性指数类别中A30和A32显著相关（r=0.87，p＜0.01），A30与其余参数的相关性比A32略大，所以剔除A30，保留A32Margalef指数。

2.2.3 B-IBI评价结果

江苏省境内35条评价河流的B-IBI均值为2.43，平均评价等级为“中”。其中，淮河流域的B-IBI指数均值为2.52，流域整体评价等级为“中”，共有13个采样点显示为“优”等级，13个采样点为“劣”等级；长江流域的B-IBI指数均值为2.05，流域整体评价等级为“中”，共有2个采样点显示为“优”等级，5个采样点为“劣”等级；太湖流域的B-IBI指数平均值为2.45，流域整体评价等级为“中”，共有2个采样点显示为“优”等级，3个采样点为“劣”等级。

3 讨 论

3.1 底栖动物完整性指数评价体系校验

运用与敏感性分析中的箱线图IQ值法校验B-IBI指数在参照点和受损点的分布情况，结果如图4所示，B-IBI指数的IQ值为3，即B-IBI指数在参照点和受损点之间存在显著差异，说明该评价体系构建合理，结果可靠。所有采样点B-IBI评价等级的个数和占比（表3）在数据上呈均匀散布，表明该次评价结果能够较好地反映评价河流的健康状况。

从筛选出的参照点和受损点分布情况来看，淮河、长江、太湖流域均有分布。其中淮河流域的采样点分布众多，其参照点个数也最多；太湖流域参照点占比比淮河流域与长江流域明显减少，推测是因为太湖流域的江南运河、吴淞江、太浦河等河流船舶来往频繁，人类活动强度较高。马廷婷［13］、Wu［31］等对太湖流域河流构建的P-IBI结果都表明，太湖流域的河流水质状况普遍较差，并且Wu的P-IBI评价结果能够与水质指数WQI的结果相吻合。以上研究结果与本次参照点的分布大致相符，但基于底栖动物完整性指数的河流健康评价并不完全与参照点或水质参数的分布规律吻合，需要结合环境因子进一步探究其分布特征及原因。

3.2 底栖动物完整性指数与环境因子的相关性分析

将B-IBI指数与所检测的环境因子做Pearson相关性分析。表4结果表明，B-IBI指数与栖境多样性、NH3-N、PO3-4-P、流速和透明度呈显著正相关，与其余的环境因子相关程度不明显。根据张又等的研究，栖境多样性可以作为底栖动物生物多样性的指示因子，底栖动物分类单元数、Shannon-Wiener指数会随着栖境多样性的升高而稳步上升［23］，而本次构建的B-IBI指数的核心参数中包含分类单元数，且在相关性分析中，Shannon-Wiener指数与Margalef指数呈显著正相关，这是B-IBI指数与栖境多样性呈正相关的直接原因。而栖境的多样性高，底栖动物的生存空间就得到了扩大，相应地，底栖动物的密度和多样性也得到了提升［24］，这与空间异质性理论也相吻合［32-33］。

氮、磷营养盐是限制大型底栖动物的主要营养盐类型，其中氮又是更为主要的限制因子［34］。本研究中B-IBI指数与NH3-N、PO3-4-P呈较弱的显著正相关，表明一定范围内NH3-N、PO3-4-P的上升可以促进底栖动物的群落结构复杂化。有研究表明，某些情况下，底栖动物的总量和总氮的关系甚至可以用线性回归方程进行表示［35］，但N、P营养盐如果超过各自阈值时会导致大型底栖无脊椎动物群落结构的严重退化［36］。本次研究中滁河的B-IBI评价等级为“差”，其TN、NH3-N，以及PO3-4-P都接近本次所有采样点中的最高水平，而B-IBI评分反而较低，其底栖动物类群主要由耐污类群构成，也显示过高浓度的N、P营养盐会抑制底栖动物群落结构发展平衡。

本次分析发现B-IBI指数与流速和透明度也呈显著正相关。在一定范围内，水流的流速能够更新水体，利于敏感类群的生存［37］。而水体透明度能影响水生植物，水生植物与底栖动物之间又有相互作用关系，所以显现出了B-IBI与透明度的相关性。有研究表明，水生植物为软体动物（特别是腹足纲）提供了繁殖场所和生活环境；反之，螺类的摄食行为能够去除水生植物上附着的藻类，能净化水质，提高水体透明度［38］。有相关研究表明，物种丰富度、生物量和多样性指数与流速和透明度呈显著正相关［39］，而本次构建的B-IBI核心参数中含有丰富度指数，且多样性指数和丰富度指数显著正相关（表2），也解释了B-IBI与透明度的相关关系。

进一步对核心参数与环境因子进行相关性分析发现，刮食者分类单元数与CODMn呈弱显著正相关（r=0.201，p=0.025）。刮食者主要摄食各种营固着生活的生物类群，部分也会以附着的藻类、菌类和底质中的有机物质为食，因此可以承受一定程度的水体污染［40-42］。CODMn是反应水体中有机污染程度的环境因子，而本次采样中的刮食者主要为中腹足目的铜锈环棱螺、梨形环棱螺和中华圆田螺等耐污类群，这与现有研究结果也相吻合［43-44］。

3.3 B-IBI指数的空间分布特征

对淮河、长江和太湖流域各采样点底栖动物的总分类单元数和B-IBI指数采用单因素ANOVA分析，判断3个流域是否具有显著性差异［45］。结果显示，显著性（P）均大于0.05，即在统计学意义上，3个流域的总分类单元数（F=1.820，P=0.166）和B-IBI指数（F=1.016，P=0.365）不存在显著性差异。江苏省地势平坦，低海拔平原和低海拔台地面积占比之和超过95%。而丘陵和小起伏山地之和占比不足8%，仅零星分布于东北部连云港、西南部南京、镇江以及南部太湖等附近［46］。因此三大流域地理条件类似，无明显差异，这与本次底栖动物的调查分析结果相一致，也证明为3个流域构建同一个B-IBI评价体系是可行的。

各采样点B-IBI指数的评价等级如图5（a）所示，利用普通克里金法（Ordinary Kriging）对未知区域B-IBI指数的取值进行线性无偏最优估计［47］，用以分析底栖动物生物完整性的分布规律，结果如图5（b）所示。总体上，江苏省东部的底栖动物完整性要好于西部，北部要好于南部。

淮河流域B-IBI均值为2.52，等级为“中”。其中西部河流B-IBI的评价等级为“差”和“劣”的采样点较为集中；东部河流评价等级为“优”和“良”的采样点较多。但相对地，东部采样点的布设密度较西部更小。其中通榆河有8个采样点的评价等级为“优”或“良”，废黄河、苏北灌溉总渠也有6个采样点评价等级在“良”以上。由图5（b）可以看出，整体上，淮河流域东部以及西北部河流健康状况较好，主要处于盐城市、南通市等地。有研究表明，盐城夏季的有机污染指数和富营养化指数低于春秋季［48］，是水生态健康状况较好的原因之一。中部以及西南部河流健康状况较差，根据已有文献［49］，洪泽湖附近存在来自城镇污水、工业废水等复合污染，表层沉积物中的Ni、Zn、Cr和As可能会对底栖动物产生不利影响。

长江流域B-IBI均值为2.05，等级为“中”。位于长江流域西南部的水阳江和西部的秦淮河水生态健康状况都良好，其采样点评价等级均为“良”。西部的滁河B-IBI评价等级为“差”，其水质理化参数显示TN、NH3-N和PO3-4-P均远高于平均水平。长江江苏段位于镇江、扬州和南通附近的采样点B-IBI评价等级高于其他采样点，这与现有调查与环境因子相关分析的结果基本一致［3，50-51］。镇江段大部分保留有自然土质护坡，使得栖境多样性得到保护［51］，是B-IBI评分较高的原因。扬州和南通近年来搬迁整改沿江工厂，大力治理水生态环境，故水生态健康水平较高，与现有浮游植物完整性指数（P-IBI）评价结果相同［3］。其余采样点栖境较为单一，多为人工修筑的护坡，且河道有大型船只频繁通过，破坏了底栖动物的栖息环境［52］，导致部分采样点的底栖动物种类较少，从而影响了底栖动物的完整性指数。而长江的采样点个数在长江流域所有采样点中占比很大，因此长江流域的B-IBI指数平均值要低于淮河流域和太湖流域。

太湖流域B-IBI均值为2.45，等级为“中”。B-IBI评价等级较高的采样点集中于流域中部的常州市，以及南部的苏州市。常州市在武进区、金坛区等地设立了水生态环境功能区，维持保护了水环境，故该地区B-IBI评价等级较高［53］。苏州市是太湖水生态环境保护的重点区域之一，当地政府在常熟市城区、吴江松陵城区等地开展河道水生态修复等方面的工程和项目，成效显著［54-55］，B-IBI评价结果也有所显示。但望虞河、新沟河、新孟河等河流由于来往船只频繁，水体可能因此受到船舶排放的氮磷污染物和重金属元素的影响［56-58］，导致整个太湖流域敏感类群较少，属于中腹足目和颤蚓目的耐污类群在密度上超过了85%，而双翅目、襀翅目等敏感类群密度占比不足3%（图2）。

对3个流域底栖动物的密度进行两两间One-way ANOSIM相似性分析（基于Bray-Curtis距离），结果表明，淮河与长江流域底栖动物群落密度结构存在显著差异（r=0.109，p=0.036）。进一步利用相似百分比（SIMPER）分析淮河和长江流域不同物种对密度差异的贡献率，结果显示（表5），两个流域底栖动物群落结构的差异主要由腹足纲（5种）、双壳纲（2种）、软甲纲（1种）和寡毛纲（1种）贡献。除了秀丽白虾（Exopalaemon modestus）和河蚬（Corbicula fluminea）的密度在长江流域稍大，淮河流域其余的物种密度均高于长江流域，且多为耐污类群。

总分类单元数、耐污类群物种数、丰富度指数作为B-IBI指数的核心参数，在淮河流域均远高于长江流域，这是淮河流域B-IBI均值比长江流域高的重要原因之一。以上分析表明，长江沿岸高度的城市化和航运已经影响大型底栖动物的群落结构，对河流水生态健康造成了一定负面影响。

4 结 论

本研究筛选出的参照点在淮河、长江、太湖流域均有分布，箱线图IQ值法校验结果表明B-IBI指数在参照点和受损点的之间存在显著差异，B-IBI指数分散均匀，表明构建的底栖动物完整性指数能反映出各采样点的实际情况，对河流健康程度进行合理评价。

B-IBI指数与栖境多样性、NH3-N、PO3-4-P和水体透明度显著正相关，刮食者分类单元数与CODMn呈弱显著相关。在一定范围内，NH3-N和PO3-4-P的浓度提升能促进底栖动物的群落发展，但超过一定阈值会严重影响敏感类群的生存，破坏群落结构平衡。

江苏省底栖动物完整性评价整体处于“中”等级，淮河流域东部、西北部，长江流域西南部和太湖流域中部的评价结果良好。淮河与长江流域底栖动物群落结构存在显著差异，表明长江流域的底栖动物群落结构已经受到城市化和航运的影响，与B-IBI指数表现结果相吻合。

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（编辑：黄文晋）

Biological integrity and distributional characteristics of macrobenthos in rivers of Jiangsu Province

YANG Chenjun1，LIU Ling1，2，ZOU Yiqian1，JIANG Feng1，ZHANG Shunting1，HUANG Yanfen1

（1.College of Hydrology and Water Resources，Hohai University，Nanjing 210098，China； 2.School of Geography and Remote Sensing，Hohai University，Nanjing 210098，China）

Abstract：

Macrobenthos is a key indicator organism to the aquatic environment，and its integrity and community structure can reflect the ecological health of water bodies.This paper reports on a study of 35 rivers （125 sampling sites） in the Huaihe River，Changjiang River and Taihu Lake Basin in Jiangsu Province territory.The study was conducted during the water-abundance period in 2023，aiming to investigate and analyze macrobenthos，water environment indicators，and habitat conditions，and calculate the macrobenthos biological integrity index （B-IBI）.A total of 26 reference points and 5 core parameters were screened.The B-IBI index scores were assigned using the ratio method.A correlation analysis was conducted between the B-IBI index and environmental factors.The health status of the river was evaluated by spatially interpolating the B-IBI index using the ordinary kriging method.The results demonstrate that：① the B-IBI index has a significant positive correlation with habitat diversity，NH3-N，PO43--P，flow velocity，and transparency.Additionally，the number of scrapers shows a weak but significant positive correlation with CODMn.The results indicate that scrapers are capable of enduring a certain level of water pollution.An increase in habitat diversity and water transparency promotes the integrity and stability of the macrobenthos community structure.NH3-N and PO43--P have a positive impact on benthic fauna within a specific range，but surpassing the threshold leads to the degradation of the benthic fauna community structure.② The overall health of the 35 rivers is better in the east and north than in the west and south.The sampling sites with good health are mainly concentrated in the eastern and northwestern parts of the Huaihe River Basin，the southwestern part of the Changjiang River Basin，and the central part of the Taihu Lake Basin.③ The ANOSIM similarity and SIMPER analyses reveal significant differences in the density and structure of benthic communities between the Huaihe River Basin and Changjiang River Basin.The results also indicated that urbanization and shipping activities along the Changjiang River have an impact on the structure of benthic communities.

Key words：

macrobenthos； biological integrity； distributional characteristics； community structure； ecological health assessment；Jiangsu Province