應用底棲無脊椎動物完整性指數(shù)評價漓江水系健康狀況

曹艷霞,張杰,蔡德所,趙湘桂,王備新

(1.南京農(nóng)業(yè)大學植物保護學院,江蘇南京 210095;2.農(nóng)業(yè)部作物病蟲害監(jiān)測與防控重點開放實驗室,江蘇 南京 210095;3.三峽大學土木水電學院,湖北宜昌 443002;4.廣西大學土木建筑工程學院,廣西南寧 530004)

應用底棲無脊椎動物完整性指數(shù)評價漓江水系健康狀況

曹艷霞1,2,張杰1,2,蔡德所3,趙湘桂4,王備新1,2

(1.南京農(nóng)業(yè)大學植物保護學院,江蘇南京 210095;2.農(nóng)業(yè)部作物病蟲害監(jiān)測與防控重點開放實驗室,江蘇 南京 210095;3.三峽大學土木水電學院,湖北宜昌 443002;4.廣西大學土木建筑工程學院,廣西南寧 530004)

為了通過漓江底棲無脊椎動物狀況建立適合漓江的生物完整性指數(shù),進而評價漓江流域內(nèi)水質(zhì)健康狀況,于2008年3月調(diào)查了漓江水系17個參照點和14個監(jiān)測點的水化學與底棲無脊椎動物指標,水質(zhì)化學指標檢測結(jié)果顯示,參照點的TP、TN、NH3-N和COD濃度一般低于監(jiān)測點。通過對46個候選生物參數(shù)的計算和逐步分析,確定了構(gòu)成底棲動物完整性B-IBI指數(shù)的4個生物參數(shù):總分類單元數(shù)、EPT分類單元數(shù)、扁蜉占蜉蝣總數(shù)的百分比和優(yōu)勢單元數(shù)量百分比,初步確立了B-IBI健康評價標準,即B-IBI≥21為健康;B-IBI＜21為不健康。評價結(jié)果表明:漓江上游及各支流健康狀況較好,大部分為健康;中下游干流健康狀況較差,大多為不健康。

底棲動物;完整性指數(shù);漓江;健康評價;水系

“河流健康”是河流科學研究與管理之間的“橋梁”[1],是水資源合理開發(fā)利用、管理和保護的基礎。在西方發(fā)達國家,河流健康監(jiān)測和評價是開展河流健康管理與實踐的關鍵。歐盟為實現(xiàn)水框架條例(WFD)2015年目標,計劃完成54000個地表水樣點的健康監(jiān)測和評價工作[2],在美國有90%以上的州開展了河流健康監(jiān)測與評價工作[3]。我國也非常重視河流健康的研究與實踐[4-8]。漓江是珠江水系上游桂江的重要支流,是廣西壯族自治區(qū)重要的河流生態(tài)系統(tǒng)之一。近年來,隨著漓江流域內(nèi)經(jīng)濟和社會的快速發(fā)展,漓江水系健康狀況不斷惡化。由于缺乏科學的健康評價指標,漓江健康監(jiān)測以水化學和單一的生物指標為主[9-13]。筆者以大型底棲無脊椎動物為指示生物,參考Barbour等[14]的方法研究建立適合漓江水系健康評價的底棲動物完整性指數(shù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究地區(qū)

漓江(E110°18′～111°18′、N25°59′～ 23°23′)發(fā)源于廣西興安縣與資源縣交界,流域總面積12159km2。漓江流域?qū)儆趤啛釒貪櫦撅L氣候,年均降雨量達到1627mm[15]。受季風影響,豐枯水季明顯,每年3～8月為汛期;9月至翌年2月為枯水期。

漓江水系河床底質(zhì)以卵石、礫石和沙為主。源頭及上游地貌是碎屑巖為主的中低山,山澗山谷縱橫曲折,有豐富的原生和次生植被覆蓋。中下游地貌以碳酸鹽巖的喀斯特地貌為主,植被主要是喜鈣的石山灌木林和人工林。

1.2 研究方法

1.2.1 生物標本采集

2008年2月底至3月中旬在漓江水系(從源頭至平樂)用D形網(wǎng)采集了31個樣點(圖1)的大型底棲無脊椎動物。在100～200m的采樣河段內(nèi),選擇急流生境用踢網(wǎng)采集3m2(D形網(wǎng)寬0.3m×總采樣長度10m)。標本經(jīng)大致清洗后用5%～10%福爾馬林溶液固定帶回實驗室。標本鑒定至屬或種,少數(shù)為目或科。記錄各分類單元個體數(shù)。

1.2.2 參照點確定準則

參照點是建立生物完整性指數(shù)及評價標準的關鍵,理想的參照點應該位于無干擾溪流上。但是現(xiàn)實中已不存在這樣的溪流。參考國外已有研究,提出了建立漓江流域底棲動物水生態(tài)健康評價參照樣點的標準,具體如下:①上游流域無居民地或居民地極少且散布;②樣點上游流域無礦區(qū)或采礦作業(yè)在樣點上游10km以上;③樣點上游5km以內(nèi)無采砂作業(yè);④樣點200m長的沿岸帶植被保護良好,無侵蝕;⑤樣點底質(zhì)組成中值直徑大于64mm的石塊占到50%以上,底質(zhì)上的周叢生物以硅藻為主;⑥樣點有豐富的底棲動物多樣性,對水質(zhì)敏感的蜉蝣目(E)、翅目(P)和毛翅目(T)昆蟲都出現(xiàn),且EPT的物種數(shù)在15以上。根據(jù)以上原則,在野外采集過程中,先根據(jù)①～⑤的原則初選合適的參照點,等底棲動物標本鑒定完成后,再根據(jù)原則⑥最終確定合格的參照點。本文共確定17個參照點,14個監(jiān)控點。

圖1 采樣點分布示意圖

1.2.3 水體理化指標的測定

采集生物樣本的同時,在該溪流段緩流處利用U-10多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀(HORIBA Ltd.Japan)測定各項理化指標:DO、電導率、酸堿度、溫度。并且采集此水域的表層水樣約500mL,用來測定水化學指標。水化學指標TP、TN和NH3-N分別采用鉬酸銨分光光度法、堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法和納氏試劑比色法測定。

2 實驗結(jié)果

2.1 生物樣本鑒定結(jié)果

表1 參照點與監(jiān)測點理化數(shù)據(jù)

共鑒定出4門(節(jié)肢動物門、軟體動物門、環(huán)節(jié)動物門、扁形動物門),6綱(昆蟲綱、甲殼綱、腹足綱、蛭綱、寡毛綱、渦蟲綱)76科,103屬 171種的大型底棲無脊椎動物共48 724頭,其中昆蟲綱個體數(shù)占總個體數(shù)的95%。

2.2 理化指標測定結(jié)果

水體理化指標結(jié)果見表1。從水質(zhì)化學指標的評價結(jié)果看,監(jiān)控點的TP、TN、NH3-N等化學指標及電導率均相對較高,而DO、水溫、pH等指標參照點和監(jiān)測點的數(shù)據(jù)差異較小。

2.3 生物完整性指數(shù)的初步研究結(jié)果

2.3.1 候選生物參數(shù)篩選

計算46個生物參數(shù)在17個參照點的分布情況,即25%～75%分位數(shù)的數(shù)值范圍,數(shù)值太小以及分布范圍太小或太大的參數(shù)不適宜參與構(gòu)建BIBI指數(shù) 。其中 24個生物參數(shù)M2、M3、M4、M6、M7、M8、M13、M14、M15、M16、M17、M18、M19、M20、M22、M23、M25、M27、M29、M30、M31、M33、M39、M44在 25%～75%分位數(shù)之間數(shù)值范圍太小,隨著干擾的增強,其可變范圍太小,不適宜參與建立生物指數(shù);M5、M10、M11、M28、M34、M43本身數(shù)值太小從而刪除 ;而M19、M24數(shù)值范圍太大也不適合建立B-IBI指數(shù)。剩余15個參數(shù)進入下一步計算,見表2。

2.3.2 判別能力分析

參考Barbour[14]的方法,根據(jù)剩余的15個參數(shù)值在參照點和監(jiān)控點的箱線圖(圖2)中的箱體(IQ,interquartile ranges)的重疊情況,賦予不同的值:沒有重疊,IQ=3;部分重疊,但各自中位數(shù)值都在對方箱體范圍之外,IQ=2;僅一個中位數(shù)值在對方箱體范圍之內(nèi),IQ=1;各自中位數(shù)值都在對方箱體范圍之內(nèi),IQ=0。對IQ≥2的參數(shù)作進一步分析,結(jié)果M1、M9、M21、M26、M35、M36、M37、M46共 8 個參數(shù)(圖 2 中縱坐標變量標記*的參數(shù))IQ≥2,進入下一步篩選。

2.3.3 生物參數(shù)之間的Pearson相關性分析

Pearson相關分析中高度相關的參數(shù)可以選取其中一個保留,使參數(shù)反映信息具有獨立性。采用Maxted[16]的標準進行生物參數(shù)的篩選。經(jīng)過計算,M46與其余 7 個參數(shù)M1、M9、M21、M26、M35、M36、M37

均顯著相關,首先被刪除。反應群落豐富度的M1,M9,M26之間的相關系數(shù)均大于0.9,由于M1包含的信息量最大,M9具有較高的靈敏度和較好的指示性,所以保留M1和M9,刪除M26。M21與其他參數(shù)的相關性均相對較小(),予以保留。反應群落個體數(shù)量組成的參數(shù)M36比M37與其他參數(shù)的相關系數(shù)要小,所以保留M36。經(jīng)過篩選,最終應用M1、M9、M21、M364個生物參數(shù)來構(gòu)建B-IBI指數(shù)(表3)。

表3 8個生物參數(shù)之間的Pearson相關分析

2.3.4 分值計算與B-IBI健康評價標準建立

分析4個參數(shù)在25%～75%分位數(shù)的分布,根據(jù)各參數(shù)的分位數(shù)值計算B-IBI的分值標準,筆者采用三分制計分法[17](表4)。根據(jù)參照點和所有樣點的B-IBI數(shù)據(jù),以參照點的B-IBI分值分布的25%分位數(shù)21作為溪流健康評價的標準,點位分值小于21為不健康。

表4 4個生物參數(shù)在參照點的分布狀況及分值計算標準

表2 46個候選生物參數(shù)

圖2 15個生物參數(shù)在參照點與監(jiān)控點的箱線圖

2.3.5 漓江各樣點生物健康評價

依據(jù)B-IBI健康評價標準評價各樣點健康狀況。結(jié)果見表5。評價為健康的點基本都位于漓江上游支流,其森林植被覆蓋率都大于90%,農(nóng)田少,農(nóng)業(yè)種植以竹林為主,因而受到的污染也很小,河床底質(zhì)為卵石。卵石是底棲動物棲息、繁殖、生長的重要場所,這些點的生物多樣性都很好。

評價為不健康的點位于市區(qū)或者市區(qū)下游不遠處,受城市污水和農(nóng)業(yè)面源污染較重,沿岸帶破壞程度高,植被覆蓋率低,并受河道改變和河床沙化等諸多因素影響,水中底棲動物種類極少,數(shù)量較多的是耐有機污染強的螺類和搖蚊。

表5 漓江各個樣點健康評價

2.4 影響底棲動物完整性的環(huán)境因子初步解析

對所采集樣點的理化數(shù)據(jù)和水文數(shù)據(jù)(包括溫度 、pH 、電導率 、DO 、TP 、TN 、NH3-N 、COD,溪流的寬 、深、寬深比、平均流速、最大流速等)與得出的B-IBI指數(shù)值做相關性分析。結(jié)果底棲動物完整性指數(shù)B-IBI與水的電導率 、TP 、TN 、NH3-N 、COD 、溪流寬度 、寬深比具有顯著相關性(表6)。所以筆者初步推斷漓江底棲動物完整性與水中導致富營養(yǎng)化的化學物質(zhì)相關性極大,P、N等化學物質(zhì)致使水質(zhì)下降,水中生物減少。下游河道拓寬,河床被破壞,也可能是導致生物減少、生物完整性下降的重要原因。

表6 理化數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)與B-IBI指數(shù)值的相關性分析

3 討 論

生物完整性指數(shù)B-IBI及其評價標準的建立需要足夠量的代表性數(shù)據(jù)作支撐,筆者僅根據(jù)有限的數(shù)據(jù)探討了在漓江流域建立B-IBI完整性指數(shù)評價漓江水系健康的可能性,離實際應用還有較大的差距。但是研究結(jié)果還是反映了漓江流域的健康狀況,即受人類活動(旅游開發(fā)、種植、采礦和挖沙等)影響小的支流健康狀況較好,而受人類活動影響大的支流和干流都為不健康。由于影響河流健康的因素很多,河流的生物學屬性僅是表征河流健康的一個屬性,因此在應用底棲動物完整性指數(shù)評價河流健康時,要注意與其他評價因子如水文、河道形態(tài)、水質(zhì)理化指標的有機結(jié)合。Llansó[18]指出健康評價的最終結(jié)果都要將底棲生物群落狀況與主要脅迫因子聯(lián)系起來,以提高評價結(jié)果的準確性和適用性。

B-IBI指數(shù)受到自然地貌的影響比較大,在美國馬里蘭州的B-IBI應用體系中,就將溪流分為海岸平原、內(nèi)地平原、東部高原、山地丘陵等4種不同的類型[19],主要因為生物的分布有一定的范圍,跟氣候、地形地貌、植被和土壤類型是密切相關的。筆者初步建立的漓江流域B-IBI指數(shù)目前也僅適用于漓江水系,不同的流域應該建立與流域相適應的B-IBI指數(shù)。由此可見,利用B-IBI指數(shù)來評價水生態(tài)健康還有大量的工作需要做。另外B-IBI的應用還涉及較多標本鑒定、數(shù)據(jù)處理等工作,需要操作人員有相關的專業(yè)知識。如果將全國的流域劃分成不同區(qū)域,將物種分類編輯成通俗易懂的鑒定手冊,數(shù)據(jù)處理等方面則使用統(tǒng)計模型來進行,則B-IBI水質(zhì)監(jiān)測將會有更廣泛的應用。

致謝:

本課題研究前期的采樣工作得到廣西壯族自治區(qū)水利廳及廣西壯族自治區(qū)水文水資源桂林分局相關工作人員的大力支持,在此一并致謝。

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Lijiang River health assessment using a benthos index of biotic integrity for invertebrate

CAO Yan-xia1,2,ZHANG Jie1,2,CAI De-suo3,ZHAO Xiang-gui4,WANG Bei-xin1,2
(1.College of Plant Protection,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,China;2.Key Laboratory of Monitoring and Management of Crop Diseases and Pest Insects,Ministry of Agriculture,Nanjing 210095,China;3.College of Civil and Hydropower Engineering,China Three Gorges University,Yichang 443002,China;4.College of Civil and Architecture Engineering,Guangxi University,Nanning 530004,China)

In order to develop a benthos index of biotic integrity(B-IBI)for benthic invertebrate and assess the water quality health of the Lijiang River basin,benthic invertebrate communities and hydrochemical variables were investigated in March 2008 at 31 sites,of which 17were reference sites and 14were monitoring sites.TP,TN,NH+4-N and CODMnwere lower at reference sites than at monitoring sites.Forty-six candidate biological parameters were selected and calculated from the data of all sites and sequentially analyzed to develop the B-IBI.The B-IBI was composed of four biological parameters:total taxa,EPT taxa,pecentape of Heptageniidae in Ephemeroptera,and percentage of dominant taxa.It was suggested that the water quality in Lijiang River basinwas healthy for B-IBI≥21,and unhealthy for B-IBI＜21.The assessment results using B-IBI showed that most of the branches in the middle and upper reaches of the Lijiang River were healthy,and the lower reaches of the Lijiang River were unhealthy.

benthos;index of integrity;Lijiang River;health assessment

Q958.8,Q968.8

A

1004-6933(2010)02-0013-05

國家自然科學基金(40371047,30871045);廣西科技廳攻關項目(0632006-3A)

曹艷霞(1983—),女,山東濰坊人,碩士研究生,研究方向為溪流生態(tài)。E-mail:caoyanxia110@163.com

王備新,副教授。E-mail:wangbeixin@njau.edu.cn

(收稿日期:2009-01-16 編輯:徐 娟)