底棲生物完整性指數(shù)的構(gòu)建及生物基準(zhǔn)的確定

蔡文倩，朱延忠，林巋璇，夏 陽，劉錄三*（1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012；2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，國(guó)家環(huán)境保護(hù)河口與海岸帶環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012）

底棲生物完整性指數(shù)的構(gòu)建及生物基準(zhǔn)的確定

蔡文倩1，2，朱延忠1，2，林巋璇1，2，夏 陽1，2，劉錄三1，2*（1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012；2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，國(guó)家環(huán)境保護(hù)河口與海岸帶環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012）

基于2009～2013年7個(gè)航次渤海灣天津段的大型底棲動(dòng)物和水質(zhì)、沉積物環(huán)境數(shù)據(jù)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外已有的研究結(jié)果，首次嘗試采用AZTI海洋生物指數(shù)以及水質(zhì)和沉積物質(zhì)量確定參考點(diǎn)，同時(shí)采取標(biāo)準(zhǔn)化方法篩選生物指標(biāo)，確定各指標(biāo)的閾值分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，從而構(gòu)建出生物完整性指數(shù).取參考點(diǎn)生物完整性指數(shù)值的90%分位數(shù)作為基準(zhǔn)值，得出該海域生物基準(zhǔn)值為5.適用性驗(yàn)證結(jié)果表明，生物完整性指數(shù)能夠較好地指示研究區(qū)受干擾的生態(tài)質(zhì)量狀況，較為敏感地響應(yīng)營(yíng)養(yǎng)鹽及重金屬壓力，也適用于評(píng)價(jià)該區(qū)域的底棲生態(tài)質(zhì)量狀況.因此，采用生物完整性指數(shù)法來確定生物基準(zhǔn)是合理可行的.

大型底棲動(dòng)物；生物完整性指數(shù)；生物基準(zhǔn)；渤海灣

生物基準(zhǔn)是指用于描述滿足指定水生生物用途，并具有生態(tài)完整性的水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的描述型語言或數(shù)值，即為保護(hù)或恢復(fù)水生生態(tài)系統(tǒng)生物完整性而設(shè)定的可執(zhí)行管理目標(biāo)

［1］.目前，常用來制定生物基準(zhǔn)的生物類群有大型底棲動(dòng)物、魚類及大型水生植物等.其中，魚類在海洋調(diào)查中成本較高且獲取難度較大，大型水生植物在某些近岸海域鮮少分布，而大型底棲動(dòng)物易于采集、對(duì)海底擾動(dòng)的反應(yīng)敏感而又深刻［2］，故而成為近岸海域生態(tài)系統(tǒng)生物基準(zhǔn)制定的常用類群［1］.大型底棲動(dòng)物一般指其生活史的全部或者大部分時(shí)間生活于海洋沉積物中的底內(nèi)或底上動(dòng)物類群，在分選時(shí)能被0.5或1.0mm孔徑的網(wǎng)篩留住，主要包括腔腸動(dòng)物、環(huán)節(jié)動(dòng)物、軟體動(dòng)物、甲殼動(dòng)物、棘皮動(dòng)物等類群［3］.

生物基準(zhǔn)可由雙值基準(zhǔn)法或生物完整性指數(shù)法計(jì)算得出.雙值基準(zhǔn)法只能計(jì)算有毒污染物的生態(tài)學(xué)基準(zhǔn)值，而生物完整性指數(shù)法可選擇的基準(zhǔn)變量指標(biāo)較多，既可以是數(shù)值型的，又可以是描述型的［4］.此外，后者建立在生物群落及其棲息環(huán)境的多個(gè)量化指標(biāo)上，并將指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)效果與參考狀態(tài)進(jìn)行比較，有效地降低了辨識(shí)引起群落變化原因的難度.因此，生物完整性指數(shù)法已成為生物基準(zhǔn)制定的推薦方法［1］.

生物完整性指數(shù)最早由Karr等基于溪流魚類提出［5］，而后逐漸發(fā)展出大型底棲無脊椎動(dòng)物完整性指數(shù)（即 Benthic Macroinvertebrate Index of Biological Integrity，B-IBI）［1］，并逐步得到完善

［6］.目前，該指數(shù)在美國(guó)國(guó)家環(huán)保局的倡導(dǎo)下，已成為世界各地水體生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的常用方法，在淡水、河口海灣及近岸海域等生態(tài)系統(tǒng)均有使用［7］.我國(guó)于1992年首次采用生物完整性指數(shù)評(píng)價(jià)安徽九華河的水質(zhì)狀況［8］，隨后廣泛應(yīng)用于湖泊、水庫、溪流、潮間帶、紅樹林及河口等生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量評(píng)價(jià)中［9-14］.近年來，該指數(shù)已成功用于確定平原河網(wǎng)及大型湖泊的生物基準(zhǔn)

［10，12］，但在河口海灣及近海海域的生物基準(zhǔn)確定研究方面尚處于探討階段.

AZTI（歐洲質(zhì)量自控組織）海洋生物指數(shù)建立在大型底棲動(dòng)物環(huán)境敏感度的基礎(chǔ)上，適用于指示多種環(huán)境壓力下的棲居地生態(tài)質(zhì)量，在全世界各地均有應(yīng)用［15-19］.研究證實(shí)，AZTI海洋生物指數(shù)能較為敏感地響應(yīng)渤海灣天津海岸段的環(huán)境壓力狀況，適用于評(píng)價(jià)該海域的生態(tài)質(zhì)量

［18，20-21］.渤海灣天津海岸段生態(tài)環(huán)境已受到嚴(yán)重的干擾［18，22］，加之該區(qū)域歷史數(shù)據(jù)的缺乏，根據(jù)現(xiàn)有的生物群落結(jié)構(gòu)狀況已無法確定參考點(diǎn)［23］，而AZTI指數(shù)在該海域的成功運(yùn)用可為參考點(diǎn)的篩選提供依據(jù).

鑒于此，本研究選取渤海灣天津海岸段作為近岸海域生物基準(zhǔn)制定方法和技術(shù)研究的突破口，在大型底棲動(dòng)物群落水平上構(gòu)建 B-IBI.首次采用 AZTI海洋生物指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果確定參考點(diǎn)，并采用標(biāo)準(zhǔn)化方法篩選生物指標(biāo)，進(jìn)而初步確定該海域的生物基準(zhǔn)，最后結(jié)合水質(zhì)、沉積物指標(biāo)進(jìn)行方法的適用性驗(yàn)證.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域及采樣設(shè)計(jì)

本研究選取渤海灣的天津海岸段開展研究（圖 1）.本段地處華北平原的東北部，薊運(yùn)河與海河水系均在此入海，是典型的粉砂淤泥底質(zhì)平原海岸帶，與外海水體的交換能力較弱.近年來，沿岸快速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)和人口壓力導(dǎo)致渤海灣天津段的環(huán)境問題層出不窮，水體污染日益嚴(yán)重［24-25］，海岸帶棲居地嚴(yán)重退化［22］，底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)變化較大［26］.

2009年（5月、8月）、2011年（5月、9月）、2012年（9月）和2013年（5月、9月）7個(gè)航次在渤海灣天津段獲取的大型底棲動(dòng)物及環(huán)境數(shù)據(jù)用于 B-IBI的構(gòu)建及生物基準(zhǔn)的確定研究（圖1）.2009～2012年5個(gè)航次的生物樣品采集方式詳見Cai等［21］，2013年兩個(gè)航次采用0.05m2的箱式采泥器，每次成功取樣1次為1個(gè)樣品，每個(gè)樣點(diǎn)采集3個(gè)重復(fù)樣；使用0.5mm孔徑的網(wǎng)篩分選底棲生物樣品.水深、水溫、鹽度、濁度、溶解氧、pH值等環(huán)境參數(shù)由船載溫鹽深儀測(cè)定.現(xiàn)場(chǎng)采集表層和底層水樣，冷藏保存并帶至實(shí)驗(yàn)室迅速測(cè)定營(yíng)養(yǎng)鹽、重金屬、總有機(jī)碳及懸浮物濃度等水質(zhì)參數(shù)；現(xiàn)場(chǎng)采集適量表層底泥，冷凍保存至實(shí)驗(yàn)室測(cè)定沉積物粒徑及重金屬含量.所有環(huán)境參數(shù)均按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［27-28］及《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》［29］進(jìn)行測(cè)定.各參數(shù)的具體采集及測(cè)定方法詳見Cai等［21］.

圖1 2009～2013年渤海灣調(diào)查站位Fig.1 Locations of the sampling stations during 2009 to 2013 in the Bohai Bay

1.2 B-IBI的建立及生物基準(zhǔn)的確定步驟

參考國(guó)內(nèi)外已有的研究成果［1，4，9-12］，總結(jié)出了B-IBI的建立及生物基準(zhǔn)的制定方法.

1.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理 預(yù)先對(duì)原有的大型底棲動(dòng)物數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，即去除常被 0.5mm網(wǎng)篩淘洗掉的物種如線蟲、橈足類、介形類；去除未定量采樣的或者并不能真正指示底質(zhì)狀況的物種，包括底棲藻類、魚類、表層無脊椎動(dòng)物和底上動(dòng)物等.

1.2.2 海域分區(qū) 根據(jù)國(guó)外的研究經(jīng)驗(yàn)，采用樣點(diǎn)的底質(zhì)類型、鹽度及環(huán)流狀況等進(jìn)行研究區(qū)的底質(zhì)類型判斷并進(jìn)行分區(qū)［30-31］.

1.2.3 參考點(diǎn)的選取 根據(jù) AZTI海洋生物指數(shù)（ATZI’s Marine Biotic Index， AMBI和Multivariate AMBI， M-AMBI）對(duì)生態(tài)質(zhì)量狀況的判定結(jié)果并結(jié)合水質(zhì)及沉積物質(zhì)量來確定相對(duì)清潔樣點(diǎn)作為參考點(diǎn)，剩下的為受損點(diǎn).特別地，AMBI對(duì)應(yīng)的狀況是“未受干擾”及M-AMBI對(duì)應(yīng)的是“優(yōu)”的為備選參考點(diǎn)［32-33］.

1.2.4 生物指標(biāo)的篩選 根據(jù)已有的分類方法，結(jié)合研究區(qū)的粒度及鹽度狀況，初步確定候選生物指標(biāo)；對(duì)候選指標(biāo)進(jìn)行分布范圍檢驗(yàn)（頻率分布法）、敏感性分析（Manny-Whitney U和Kolmogorov-Smirnov Z檢驗(yàn)）以及相關(guān)性分析（Pearson相關(guān)性分析），選出可用的生物指標(biāo).

1.2.5 生物指標(biāo)的賦值 根據(jù) 1.2.4結(jié)果，計(jì)算參考點(diǎn)已選定生物指標(biāo)的最小值、10%分位數(shù)、50%分位數(shù)、90%分位數(shù)和最大值，并采用“5、3、1”記分法對(duì)全部樣點(diǎn)的生物指標(biāo)進(jìn)行記分以統(tǒng)一量綱.

1.2.6 評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)的確定 對(duì)于隨污染增加而降低或增加的指數(shù)，高于 50%分位值的生物指數(shù)值記5分，在5%分位值和50%分位值之間的記3分，低于5%分位值的記1分；對(duì)于生物指數(shù)值隨污染增加而呈正態(tài)分布的指數(shù)， 則是位于 25%～75%之間的記5分， 在5%～25%或75%～95%之間的記3分， ＜5%或＞95%的記1分；

1.2.7 生物基準(zhǔn)值的確定 取參考點(diǎn)完整性指數(shù)的90%分位數(shù)值為生物基準(zhǔn)值.

1.2.8 生物基準(zhǔn)值的合理性判斷 對(duì)生物完整性指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分析，并結(jié)合化學(xué)指標(biāo)對(duì)基準(zhǔn)值確定方法的合理性進(jìn)行判斷.

1.3 數(shù)據(jù)處理

Pearson分析用以檢驗(yàn)大型底棲動(dòng)物群落指標(biāo)之間、B-IBI與環(huán)境因子之間的相關(guān)關(guān)系，RELATE分析環(huán)境參數(shù)矩陣與B-IBI矩陣之間的相關(guān)關(guān)系.上述分析分別在 SPSS13.0及PRIMER6.0軟件包中完成.此外，生物指標(biāo)篩選中的頻率分布、敏感性檢驗(yàn)分析及箱式圖亦于SPSS13.0中完成.

2 生物完整性指數(shù)的構(gòu)建及生物基準(zhǔn)值的確定

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

根據(jù)上文的篩選原則，計(jì)算B-IBI時(shí)，去除原數(shù)據(jù)中的小頭櫛孔鰕虎魚（Ctenotrypauchen microcephaius）、紅狼牙鰕虎魚（Odonamblyopus rubicundus）、焦氏舌鰨（Arelicus joyneri）及矛尾鰕虎魚（Chaeturichthys stigmatias）.

2.2 分區(qū)

渤海灣底棲生物群落分布主要與底質(zhì)類型、鹽度及環(huán)流狀況有關(guān)［34-35］.基于本研究現(xiàn)有數(shù)據(jù)，判斷出研究區(qū)域均為高鹽泥質(zhì)（底層水鹽度﹥18‰，粉砂和粘土含量＞40%），故而將整個(gè)研究區(qū)作為一個(gè)區(qū)進(jìn)行生物基準(zhǔn)的制定.

2.3 參考點(diǎn)的確定

參考點(diǎn)為未開發(fā)、未受干擾或者受影響最小的點(diǎn)［1］.本研究區(qū)均受到不同程度的干擾，加上歷史數(shù)據(jù)較為匱乏，很難根據(jù)美國(guó)環(huán)保局的指導(dǎo)方法來選取合適的參考點(diǎn).本研究起初參考蔡立哲

［13］的方法，但并未選出合適的參考點(diǎn).以往的研究已證實(shí)AZTI海洋生物指數(shù)能夠較好地指示渤海灣的生態(tài)質(zhì)量狀況［18，20-21］，因此本文首次嘗試根據(jù)AZTI海洋生物指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果確定備選參考點(diǎn)，再結(jié)合該樣點(diǎn)的水質(zhì)和沉積物質(zhì)量確定最終的參考點(diǎn).綜上所述，本文選取出 2011年 9月航次調(diào)查的S12、S18、S23、S39、S42及S43等6個(gè)樣點(diǎn)作為參考點(diǎn).

2.4 指標(biāo)的篩選

2.4.1 篩選原則 候選生物指標(biāo)的篩選主要參照段夢(mèng)［4］和渠曉東等［11］的方法.具體步驟如下：

（1）候選指標(biāo)分布范圍檢驗(yàn)：頻率分布法，即如果指標(biāo)在樣點(diǎn)中分布范圍過窄或存在零值過多的情況≥95%，將在指標(biāo)篩選中對(duì)其進(jìn)行剔除；

（2）敏感性分析：Manny-Whitney U 和Kolmogorov-Smirnov Z檢驗(yàn)比較各參數(shù)在參考點(diǎn)和受損點(diǎn)間的中位數(shù)和分布差異是否達(dá)到顯著水平，選擇能顯著響應(yīng)環(huán)境壓力的作為備選指標(biāo).

（3）相關(guān)性分析：利用Pearson相關(guān)性分析（指標(biāo)符合正態(tài)分布）或Spearman相關(guān)性分析（參數(shù)不符合正態(tài)分布）剔除相關(guān)性較高的指標(biāo)（|r|＜0.75）.

2.4.2 候選指標(biāo)的確定 就高鹽泥質(zhì)的底質(zhì)來說，本文確定的候選指標(biāo)為Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、總生物量、總棲息密度、耐污種生物量百分比、敏感種生物量百分比、肉食性和雜食性動(dòng)物密度百分比、5cm以下的物種豐富度百分比等.由于本研究歷次調(diào)查均未分層采樣，因而去除“5cm深以下物種豐富度百分比”指標(biāo).此外，肉食性和雜食性動(dòng)物較難確定，去除該指標(biāo).為了更全面地反映渤海灣的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況，本研究參考蔡立哲［13］的研究成果及調(diào)查數(shù)據(jù)的實(shí)際情況，選擇添加濾食種生物量百分比、總物種數(shù)、耐污種豐度百分比、濾食種豐度百分比等4個(gè)指標(biāo).至此，共有9個(gè)指標(biāo)進(jìn)入指標(biāo)體系的篩選.特別地，耐污種和敏感種的歸類標(biāo)準(zhǔn)參考國(guó)外已有的研究經(jīng)驗(yàn)［32，36］并適當(dāng)考慮大型底棲動(dòng)物在本研究區(qū)的空間分布狀況.據(jù)此，本文選擇全部 EG I（Ecological Group I，第一生態(tài)組）［32］的物種為環(huán)境敏感種，EG III～V的全部物種為耐污種.選擇雙殼類作為濾食種.

表1 各指標(biāo)敏感性檢驗(yàn)結(jié)果（樣本數(shù)為602個(gè)；雙尾檢驗(yàn)）Table 1 The results from the sensitivity test for all the indicators （the sample numbers： 602 individuals； two-tailed test）

表2 各指標(biāo)的Pearson相關(guān)性分析（樣本數(shù)為602個(gè)；雙尾檢驗(yàn)）Table 2 The results from the Pearson correlation analysis for all the indicators （the sample numbers： 602individuals；two tailed test）

2.4.3 指標(biāo)篩選結(jié)果 分布范圍檢驗(yàn)表明，9個(gè)候選指標(biāo)的分布范圍適中，且出現(xiàn)零值的頻率均小于 95%，符合條件.敏感性差異檢驗(yàn)結(jié)果表明總豐度、Shannon-Wiener指數(shù)、濾食種生物量百分比、敏感種生物量百分比及總物種數(shù)等5個(gè)指標(biāo)能敏感地區(qū)分參考點(diǎn)和受損點(diǎn)的差異（表 1），可以進(jìn)入下一步的篩選.正態(tài)分布檢驗(yàn)結(jié)果表明上述5個(gè)指標(biāo)均符合正態(tài)分布（P＜0.01）；5個(gè)指標(biāo)之間呈顯著相關(guān)的，相關(guān)性|r|＜0.75（表2）.故此，總豐度、Shannon-Wiener指數(shù)、濾食種生物量百分比、敏感種生物量百分比及總物種數(shù)等5個(gè)指標(biāo)用于本文生物完整性指數(shù)的構(gòu)建及生物基準(zhǔn)的制定.

2.5 指標(biāo)數(shù)據(jù)的賦值

采用三分法進(jìn)行賦值.即將參考點(diǎn)指標(biāo)值的分布區(qū)間劃分為3部分，分別賦值為1、3、5，表示水體的生態(tài)完整性為差、中、好［5，37-38］.

2.6 評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)的確定

Shannon-Wiener指數(shù)、濾食種生物量百分比、敏感種生物量百分比數(shù)值與環(huán)境壓力的關(guān)系為反比，因此其評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)為：指標(biāo)值＜5%，1分；位于5%～50%之間，3分；＞50%，5分；總豐度及總物種數(shù)與環(huán)境壓力的關(guān)系為正態(tài)分布曲線型，因此，其評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)為：指標(biāo)值＜5%或＞95%，1分；位于 5%～25%或 75%～95%之間，3分；位于 25%～75%之間，5分［30-31］.各指標(biāo)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果詳見表3.

表3 各指標(biāo)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Table 3 The grading system for all the indicators

2.7 生物基準(zhǔn)值的確定

取參考點(diǎn)完整性指數(shù)的 90%分位數(shù)作為生物完整性指數(shù)的基準(zhǔn)值，最終得出底棲生物基準(zhǔn)值為5（表4）.

表4 參考點(diǎn)各指標(biāo)完整性指數(shù)值Table 4 The B-IBI values of all the indicators in the reference sites

3 討論

3.1 參考點(diǎn)選取的合理性分析

本文共選取了 5個(gè)大型底棲動(dòng)物群落指標(biāo)，最低分為3，最高分為25（敏感種生物量百分比指標(biāo)打分的最低值為 3分）.為便于比較，將所有指標(biāo)分值區(qū)間5等分，其對(duì)應(yīng)的生態(tài)質(zhì)量狀況分別設(shè)定為優(yōu)：20.6～25；良：16.2～20.6；中等：11.8～16.2；不良：7.4～11.8；差：3.0～7.4.據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，參考點(diǎn)的生態(tài)質(zhì)量狀況全部為優(yōu)和良，且兩者比例各站50%，說明本研究選取的參考點(diǎn)是合理的，采用 AZTI海洋生物指數(shù)選取參考點(diǎn)是可行的.需要注意的是，采用該指數(shù)確定參考點(diǎn)必須建立在該指數(shù)適用性較強(qiáng)的生態(tài)系統(tǒng)上，如本研究中的渤海灣天津段海域［18，20-21］.

3.2 指標(biāo)篩選的合理性分析

本研究在確定生物指標(biāo)時(shí)主要依據(jù)指數(shù)的適用情況及本批次大型底棲動(dòng)物的數(shù)據(jù)情況，避免了盲目過多選擇生物指數(shù)而帶來徒勞的計(jì)算與分析［10］.一般情況下，確定候選河口海灣生物指標(biāo)時(shí)，要涵蓋物種豐富度、耐污類型和功能攝食類群等生物特征［6，30］，而本研究采用的指標(biāo)篩選方法符合國(guó)內(nèi)外常用的標(biāo)準(zhǔn)［11，39-40］，篩選出的5個(gè)指標(biāo)亦涵蓋上述指標(biāo)類型.同時(shí)，這些指標(biāo)在我國(guó)河流、河口、港灣、潮間帶等生態(tài)系統(tǒng)的生物完整性構(gòu)建中已有較為成功的應(yīng)用［11，13-14］，這說明本研究的指標(biāo)篩選方法是可行的.

3.3 底棲生物完整性指數(shù)確定生物基準(zhǔn)的合理性分析

3.3.1 B-IBI響應(yīng)大型底棲動(dòng)物群落時(shí)空變化的敏感性分析 全部樣本中，生態(tài)質(zhì)量狀況為“優(yōu)”的為69個(gè)，占總樣本的11.82%，而 “差”的樣本數(shù)占比為12.50%.剩余樣本中，359個(gè)樣本的底棲生態(tài)環(huán)境受到不同程度的干擾，占比為61.47%.從年際變化的角度看，2011和2012年9月份的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況為“良”以上的樣本數(shù)所占比例高于其它航次（超過50%），而“差”的樣本數(shù)所占比例則低于其它航次；所有航次中，2009年5月航次的“良”樣本數(shù)比例最低，其次為2009年8月航次（表5）.從季節(jié)變化的角度看，5月航次的B-IBI平均值均低于8月和9月航次的均值，且以2009年5月航次的最低（12.09），2011年9月航次的最高（16.78）；整體上看，除 2009年夏季航次的研究海域受干擾程度及處于輕度干擾狀態(tài)的樣本數(shù)比春季的略高外，其它年份秋季航次與春季航次的相差不大（表5）.

表5 B-IBI指示的渤海灣各樣點(diǎn)生態(tài)質(zhì)量狀況Table 5 The ecological quality status for all the sampling sites indicated by the B-IBI in the Bohai Bay

圖2 渤海灣所有航次的B-IBI值空間分布情況Fig.2 The spatial distribution of the B-IBI for all the sampling voyages in the Bohai Bay

已有研究證實(shí)，渤海灣的大型底棲動(dòng)物群落豐度、生物量、多樣性指數(shù)均以 2009年的最差，2011年后有所好轉(zhuǎn)［41］；渤海灣多毛類動(dòng)物無論是物種數(shù)、豐度還是生物量都有所增加，而甲殼動(dòng)物則下降明顯，大型底棲動(dòng)物的物種組成趨向于小型化、低質(zhì)化［42］，而這與B-IBI的年際變化趨勢(shì)基本一致.

調(diào)查海域 2009～2013年的生態(tài)環(huán)境均受到了不同程度的干擾，尤以海河口及黃驊港附近海域較為嚴(yán)重，其他區(qū)域基本呈斑塊狀分布，無明顯的分布規(guī)律（圖 2）.事實(shí)上，渤海灣的大型底棲動(dòng)物群落指標(biāo)參數(shù)如物種數(shù)、生物量、豐度、豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)等均呈現(xiàn)南側(cè)海域普遍比北側(cè)低的空間分布模式，尤以黃驊港附近海域最為嚴(yán)重［41］，如 B-IBI空間分布模式所示（圖 2）.這與可能該海域大規(guī)模的圍海造陸、港口建設(shè)如沉積物疏浚、油田排放的污染物導(dǎo)致底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生不可逆的變化有關(guān)［18，25，43］，類似的情況也發(fā)生在煙臺(tái)近岸海域［44］.

3.3.2 B-IBI響應(yīng)環(huán)境壓力的敏感性分析 考慮到數(shù)據(jù)的完整性及可比性，本研究采用2011年5月和9月航次的沉積物重金屬數(shù)據(jù)及2009年8月、2011、2012、2013年9月航次的表層水營(yíng)養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)來驗(yàn)證 B-IBI值是否能響應(yīng)渤海灣遭受的環(huán)境壓力變化.

表6 渤海灣沉積物重金屬與B-IBI指數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系（雙尾檢驗(yàn)）Table 6 The co-relationships between sediment heavy metals and the B-IBI in the Bohai Bay （two-tailed）

Pearson相關(guān)分析表明B-IBI與沉積物中的Mg、Al、Ti等10種重金屬（表6）及表層水中的總磷之間（R = -0.195，P = 0.025，N = 132）存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系.RELATE分析也表明，沉積物重金屬矩陣與 B-IBI矩陣之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系（R = 0.138，P = 0.001、N = 86）.這些都說明石油平臺(tái)和陸源廢水排放大量的重金屬［25，45］，可能已對(duì)該區(qū)域大型底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)造成了一定程度的影響［21］，如本研究中B-IBI與重金屬的相關(guān)關(guān)系所示.此外，自2003年以來，北塘和大沽排污口一直是渤海灣氮、磷污染嚴(yán)重區(qū)域，富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重［46］，從而影響了底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性

［47］，如B-IBI較低的值所示.

3.4 生物基準(zhǔn)值的合理性分析

根據(jù)生物基準(zhǔn)值的定義，本研究確定的生物基準(zhǔn)值意味著研究區(qū)大型底棲動(dòng)物群落的生物完整性值達(dá)到 5即達(dá)到了保護(hù)或恢復(fù)底棲生物完整性的管理目標(biāo)［1］.事實(shí)上，本研究602個(gè)樣本中，除去參考點(diǎn)，僅有6個(gè)樣本的生物完整性值達(dá)到5，其他均低于該值，且2009年2個(gè)航次所有樣本的生物完整性值均低于生物基準(zhǔn)值，說明渤海灣天津段近年來的生態(tài)質(zhì)量較差，且以2009年的最差，這與以往生物群落及環(huán)境參數(shù)演變規(guī)律的研究結(jié)果一致［41-42，48］.由 3.3.1和 3.3.2的研究結(jié)果可知，用于確定生物基準(zhǔn)值的生物完整性指數(shù)能較為敏感地響應(yīng)渤海灣天津段大型底棲動(dòng)物群落受干擾的時(shí)空演變規(guī)律及面臨的富營(yíng)養(yǎng)化及重金屬污染壓力，指示出海河口、北塘口等近岸海域較差的生態(tài)質(zhì)量狀況［18，41-42］，驗(yàn)證了本研究生物基準(zhǔn)值計(jì)算方法的可行性和正確性，從而說明確定的生物基準(zhǔn)值合理可行，而這也被其他學(xué)者在太湖流域、遼河流域及膠州灣等生態(tài)系統(tǒng)的研究結(jié)果所證實(shí)［4，10，49］.

4 結(jié)語

根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)，選取大型底棲動(dòng)物作為構(gòu)建生物完整性指數(shù)的生物群落.首次將AZTI海洋生物指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果作為篩選參考點(diǎn)的主要依據(jù)，并采用標(biāo)準(zhǔn)化方法篩選生物指標(biāo)，確定各指標(biāo)的閾值分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，從而構(gòu)建出生物完整性指數(shù).基于參考點(diǎn)的生物完整性指數(shù)值，確定出渤海灣天津段大型底棲動(dòng)物的生物基準(zhǔn)值為 5.適用性驗(yàn)證結(jié)果表明，生物完整性指數(shù)對(duì)研究區(qū)受干擾的生態(tài)質(zhì)量狀況較為敏感，且能響應(yīng)研究區(qū)面臨的環(huán)境壓力，說明采用該方法確定生物基準(zhǔn)值合理可行.

構(gòu)建生物完整性指數(shù)須建立在參考點(diǎn)與受損點(diǎn)的生態(tài)健康狀況對(duì)比的基礎(chǔ)上，因此合理選取參考點(diǎn)為該方法構(gòu)建及生物基準(zhǔn)制定成功的關(guān)鍵.由于歷史原因，我國(guó)絕大多數(shù)近岸海域生態(tài)環(huán)境基本處于受干擾狀態(tài)，加上海洋生態(tài)環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，使得參考點(diǎn)的選取可能在以后長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都會(huì)成為困擾我國(guó)海洋生物基準(zhǔn)制定的技術(shù)難點(diǎn).目前，我國(guó)主要是參照北美和歐洲的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行改良應(yīng)用到河流、河口、潮間帶及港口等生物完整性指數(shù)的構(gòu)建上，而本研究結(jié)果可為我國(guó)其它類似的生態(tài)系統(tǒng)生物基準(zhǔn)的構(gòu)建提供借鑒.

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Development on the benthic index of biological integrity and determination for the biocriteria.

CAI Wen-qian1，2，ZHU Yan-zhong1'2， LIN Kui-xuan1'2， XIA Yang1，2， LIU Lu-san1，2*（1.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment， Chinese Research Academy of Environmental Sciences， Beijing 100012， China；2.State Environmental Protection Key Laboratory of Estuary and Coastal Environment， Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012， China）. China Environmental Science， 2016，36（9）：2791～2799

The Benthic Index of Biological index （B-IBI） was erected based on the related data （macrozoobenthos， water quality and sediment environment） collected from the Tianjin coastal areas of the Bohai Bay during 2009 to 2013 as well as the available research experience. This is the first time to determine reference sites using AZTI marine biotic indices，water quality and sediment quality. Meanwhile， the standard method was employed to select biological indicators and to define the different levels for their thresholds. Thus， the index of biological integrity was developed. The 90% quantile of the IBI values in the reference sites was adopted as the base value and the calculated biocriteria value was 5. Results showed that the IBI could indicate the ecological quality of the study area， and also could response to nutrients and heavy metals pressures in this area. Therefore， it was reasonable and feasible to determine the biocriteria with the IBI method.

macrozoobenthos；index of biological integrity；biocriteria；Bohai Bay

X826

A

1000-6923（2016）09-2791-09

2016-01-08

項(xiàng)目支撐：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41406160）；國(guó)家環(huán)保行業(yè)公益專項(xiàng)（201309007）

* 責(zé)任作者， 研究員， liuls@craes.org.cn

蔡文倩（1986-），女，河南鹿邑人，助理研究員，博士，主要從事生物境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)研究.發(fā)表論文10余篇.