基于底棲動物完整性指數(shù)的小清河健康評價

劉春形 曹升樂 楊裕恒 李錫銅

摘要：為了建立河流生態(tài)系統(tǒng)健康的評價標準以保證河流的可持續(xù)性發(fā)展，以小清河為例，選用底棲動物完整性指數(shù)評價其健康狀況。2014年5月一2015年10月，對小清河7個典型采樣點的底棲動物共進行6次調(diào)查。通過分布范圍、判別能力和Pearson相關(guān)性分析，從32個候選生物指標中篩選出適合于構(gòu)建小清河B-IBI評價體系的5個參數(shù)，采用比值法將小清河健康狀況按評分分為5個等級：>3.70為健康，（2.77，3.70]為亞健康，（1.85，2.77]為一般，（0.92，1.85]為差，≤0.92為極差。結(jié)果表明：小清河吳家堡采樣點處于“健康”狀態(tài)，五柳閘和石村采樣點處于“亞健康”狀態(tài)，黃臺橋和五龍?zhí)貌蓸狱c處于“一般”狀態(tài)，梁府莊、岔河水文站采樣點處于“較差”狀態(tài)，且底棲動物完整性指數(shù)值與總氮、總磷成負相關(guān)，與香濃威納多樣性指數(shù)成顯著正相關(guān)。說明構(gòu)建的B-IBI評價指標與標準對小清河的健康評估具有較好的適用性。

關(guān)鍵詞：底棲動物；生物完整性指數(shù)；健康評價；小清河

中圖分類號：X826 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.05.018

為了城市GDP快速增長的需要，無節(jié)制取用水、過量排廢污水等行為致使現(xiàn)有河流的生態(tài)系統(tǒng)失衡，河流健康急需得到保證[1]。為了使健康河流能夠可持續(xù)發(fā)展以滿足對未來的需要，對不健康河流制定相應(yīng)的保護政策與治理措施，評價河流的健康現(xiàn)狀就顯得尤為重要。過去對河流健康的評價僅依賴于物理化學(xué)指標和對生物種群的跟蹤監(jiān)測結(jié)果[2]，很少對河流生態(tài)系統(tǒng)進行健康評估。20世紀80年代，Karr提出了生物完整性指標，即用多個生物參數(shù)綜合反映的水體狀況來評價河流乃至整個流域的健康[3]。近年來，很多學(xué)者采用基于不同生物的完整性指數(shù)建立河流健康評價體系，如：張賽賽等[4]基于魚類生物完整性指數(shù)評價了渾河流域的水生態(tài)健康；熊春暉等[5]應(yīng)用底棲動物完整性指數(shù)評價了上海市河流健康；馬芋芋[6]以浮游生物完整性指數(shù)評價了長江上游干流宜賓至江津段的河流健康度；吳述園[7]基于著生藻類生物完整性指數(shù)評價了古夫河河流的生態(tài)系統(tǒng)健康。本文利用自身活動性較差、易觀測、對環(huán)境變化反應(yīng)較敏感的底棲動物[8]來建立生物完整性指數(shù)評價體系，并對不同時期的小清河健康狀況進行評估。通過選取典型采樣點建立合適的底棲動物完整性指數(shù)（B-IBI）評價體系，研究其與各物理化學(xué)指標之間的相關(guān)關(guān)系。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

小清河為山東省中部渤海水系河流，起源于濟南市泉群，全長237km，流域面積10336km2。流域多年平均年降水量為640.4mm，年徑流深為121mm，折合年徑流量為12.7億m3。過去的幾十年間，小清河存在總水量逐漸減少、水污染逐漸加重、水環(huán)境逐漸退化等問題。本著可持續(xù)發(fā)展和科學(xué)發(fā)展相結(jié)合的原則，提出了小清河干流和支流治理工程等一整套綜合治理方案[9]，并在近年來取得了較好的治理成效。

1.2 樣品采集

根據(jù)小清河的河道情勢、采樣條件等因素[7]，2014年5月、8月、11月和2015年5月、9月、10月，選取7個典型采樣點對底棲動物進行采集，使用專業(yè)采泥器在每個采樣點重復(fù)采樣6次，采集的樣品浸人一定濃度的福爾馬林溶液中，隨后進行鑒定、計數(shù)和稱量，將采集到的底棲動物盡量鑒定到最低分類階元——種。整個采集與鑒定過程由濟南市水文局專業(yè)人員完成。

7個采樣點分別位于吳家堡、梁府莊、五柳閘、黃臺橋、五龍?zhí)?、岔河水文站和石村，編號分別W17、W20、W22、W24、W30、W49和W50。其中：W22采樣點2014年11月與2015年9月未采集樣品，W49、W50采樣點2015年5月、9月、10月未采集樣品；W20采樣點只在2015年10月進行過一次樣品采集。采樣點的平均水深為1.69m，范圍為0.30～3.45m；平均流速為0.27m/s，范圍為0.02～0.58m/s；平均河寬為39.94m，范圍為12.50～107.00m。采樣點的位置如圖1所示。

1.3 采樣點劃分

根據(jù)文獻[10-11]中的標準劃分參照點和觀測點，將無干擾和干擾極小的樣點作為參照點，其他樣點則為觀測點。根據(jù)小清河的實際情況，本研究參照點的選擇標準定義為沒有或較少受到人為干擾，且河岸緩沖帶土地利用無農(nóng)田的樣點[12]，剩余點位設(shè)為觀測點位。由于實際可測的樣點有限，因此本研究將每次調(diào)查結(jié)果當作一個樣點，共有29個采樣點。由此共確定了6個參照點和23個受損點。

1.4 地理信息與物理化學(xué)指標的測定

各樣點相關(guān)生境信息的測定由濟南市水文局專業(yè)人員使用專業(yè)器材完成。各樣點的物理化學(xué)指標（如溶解氧、電導(dǎo)率、PH值、總氮（TN）、總磷（TP）等）的測定均由濟南市水文局專業(yè)人員按相關(guān)規(guī)范的規(guī)定進行測定和獲取。所有生境信息和物理化學(xué)指標測定結(jié)果通過Excel 2007軟件進行匯總，部分結(jié)果見表1。

1.5 B-IBI指標評價體系的構(gòu)建

1.5.1 B-IBI指標評價體系

B-IBI指標評價體系即基于底棲動物完整性指數(shù)的評價體系，利用底棲動物對干擾反應(yīng)敏感的特性[8]和人類干擾與底棲動物特性之間的關(guān)系，選取與底棲動物相關(guān)的一系列候選指標進行分布范圍分析、判別能力分析和Pearson相關(guān)性分析[2]，最終篩選出最能夠體現(xiàn)某一區(qū)域生物完整性的指標并建立相應(yīng)的評價體系，對小清河濟南段的健康狀況進行評價。

1.5.2 候選生物指標的提取

根據(jù)各指標代表的意義[13-15]，初步選擇32個候選生物指標，見表2。這些指標可以反映群落豐富度、種類個體、數(shù)量比例、生物耐污能力、小生境質(zhì)量與多樣性，反映環(huán)境變化對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的影響[14]。

篩選步驟：①計算所有候選生物指標在參照點中的25%和75%分位數(shù)，4分位數(shù)數(shù)值太小以及4分位數(shù)分布范圍太小或太大的候選生物指標不適宜參與構(gòu)建B-IBI評價體系，應(yīng)予以剔除。②對剩余候選生物指標在參照點和觀測點的分布繪制箱形圖，根據(jù)箱體的重疊情況，對IQ（生物判別能力）賦予不同的值。若兩者之間無任何重疊，IQ=3；兩者之間有部分重疊，但各自中位數(shù)值都在對方箱體的范圍之外，IQ=2；兩者之中有且僅有一個中位數(shù)值在對方箱體范圍之內(nèi)，IQ=1；兩者各自的中位數(shù)值都在對方箱體范圍之內(nèi)，IQ=0。③對IQ≥2的生物指標進行Pearson相關(guān)性分析[15]。若|R|≥0.8（R為Pearson相關(guān)系數(shù)），則表明兩者之間極強相關(guān)，只需選取其一作為候選指標。數(shù)據(jù)處理在SPSS 18.0軟件和Excel 2007中進行。經(jīng)過上述3個步驟后，確定構(gòu)建B-IBI評價體系的最終核心指標。

1.5.3 評價標準的確定

原則上來講，底棲動物完整性指數(shù)值應(yīng)是最終選定的所有指標數(shù)值之和[9]，但量綱不同的指標不能直接相加，需將其進行標準化。本研究采用比值法確定各指標的數(shù)值，對各指標量綱進行統(tǒng)一處理，對于干擾增加反應(yīng)降低的指標，將其95%分位數(shù)作為標準值，指標的標準化指數(shù)=指標實際值/指標標準值；對于干擾增加反應(yīng)升高的指標，將其5%分位數(shù)作為標準值，指標的標準化指數(shù)=（指標最大值-指標實際值）/（指標最大值-指標標準值），對其中所有大于1的指數(shù)值取1。本研究把參照點指數(shù)值的25%O分位數(shù)當作健康與否的分界點，再對健康分界點以下的值進行四等分，將河流健康狀況分為5個等級，即健康、亞健康、一般、較差和極差[2]。

2 結(jié)果與分析

2.1 底棲動物群落結(jié)構(gòu)

2014年5月—2015年10月，于小清河7個采樣點采集并鑒定的底棲動物共35種，隸屬于7綱11目17科，其中：軟體動物種類最多，共14種，占40%；水生昆蟲共10種，占28.57%；環(huán)節(jié)動物共8種，占22.86%；節(jié)肢動物共3種，占8.57%。各采樣點常見的軟體動物多為螺類，如大耳蘿卜螺、卵蘿卜螺、銅銹環(huán)棱螺、短溝蜷、擬沼螺和豆螺，另有鉗形無齒蚌、文蛤、河蜆等；水生昆蟲中絕大部分是雙翅目中的搖蚊幼蟲，如費塔無突搖蚊幼蟲、猛搖蚊幼蟲、小云多足搖蚊幼蟲等；主要的環(huán)節(jié)動物有霍甫水絲蚓、克拉伯水絲蚓、寬體金線蛭、扁蛭等；另有節(jié)肢動物秀麗白蝦、克氏原鰲蝦和亞洲瘦熄等。

小清河所有采樣點中，2014年5月采集調(diào)查的吳家堡采樣點所含物種數(shù)最多，該采樣點位于吳家堡鎮(zhèn)（小清河源頭），東經(jīng)116.9019°，北緯36.6924°，海拔19.00m，所處河寬46m。其底質(zhì)類型主要為礫石和卵石，底棲動物類型多為水生昆蟲中的搖蚊幼蟲。就所有采樣點來看，所含EPT種類數(shù)均較少，多為0種，偶有1種。

2.2 B-IBI指數(shù)評價體系的建立

2.2.1 分布范圍分析

共選取了來自5個類別的32個候選生物指標，通過計算25%分位值和75%分位值，比較其數(shù)值大小并分析其范圍分布特點。其中M2、M3、M8、M17、M21、M23、M24、M25自身數(shù)值很小，M4、M19、M22分布范圍太小，M10、M13、M14、M18、M27分布范圍太大均被刪除，剩余的所有參數(shù)進入下一步分析篩選。

2.2.2 判別能力分析

根據(jù)Barbour等[16]的分析方法和原則對所選的候選指標進行判別能力分析，得到14個生物參數(shù)指標在參照點和觀測點的箱形圖，見圖2（圖中粗線表示中位數(shù)，參照點與觀測點的中位數(shù)均在對方的箱形圖外的可進入下一步篩選，其中星號表示極端的異常值，圓圈表示異常值。由于異常值可能造成不當影響，因此存在異常值的參數(shù)指標均沒有進入下一步篩選）。分析結(jié)果表明，基眼目相對豐度、濾食者相對豐度、香農(nóng)威納多樣性指數(shù)均存在異常值，剔除篩選范圍，總分類單元數(shù)、甲殼動物+軟體動物分類單元數(shù)、優(yōu)勢分類單元個體相對豐度、寡毛綱個體相對豐度、耐污類群相對豐度、寡毛類動物相對豐度與捕食者相對豐度這7個生物指標的IQ≥2，進入下一步篩選。

2.2.3 Pearson相關(guān)性分析

相關(guān)性分析結(jié)果（見表3）表明，寡毛類動物相對豐度與寡毛綱個體相對豐度、耐污類群相對豐度三者之間高度相關(guān)，寡毛類動物相對豐度與寡毛綱個體相對豐度取一即可，本文選用寡毛綱個體相對豐度，又考慮到寡毛綱個體相對豐度和耐污類群相對豐度分別表征種類個體數(shù)量比例以及生物耐污能力，從保持指標所屬類型平衡角度來看，應(yīng)保留耐污類群相對豐度。經(jīng)過篩選，最終采用總分類單元數(shù)、甲殼動物+軟體動物分類單元數(shù)、優(yōu)勢分類單元個體相對豐度、耐污類群相對豐度與捕食者相對豐度這5個生物指標來構(gòu)建B-IBI指數(shù)評價體系。

2.3 分值計算

采用比值法確定最終所選5個生物指標的記分標準，根據(jù)其對干擾增加的反應(yīng)，分別計算其所需的5%分位數(shù)或95%分位數(shù)，代入相應(yīng)的分值計算公式得到最終的B-IBI評價體系標準以及各采樣點的得分情況和健康狀況。計算過程與結(jié)果見表4～表6。

2.4 B-IBI評價結(jié)果

小清河B-IBI評價體系的評價結(jié)果（見表6）表明，29個采樣點中有7個“健康”、7個“亞健康”、9個“一般”、4個“較差”、2個“極差”。綜合以上結(jié)果來看，吳家堡采樣點處于“健康”狀態(tài)，五柳閘和石村采樣點處于“亞健康”狀態(tài)，梁府莊、黃臺橋和五龍?zhí)貌蓸狱c處于“一般”狀態(tài)，岔河水文站采樣點處于“較差”狀態(tài)。由此看出，小清河不同區(qū)段的河流健康程度有明顯差異性，需要政府相關(guān)部門針對不同的生態(tài)區(qū)段采取不同的管理政策與治理措施。

從小清河整個流域來看，處于濟南市的7個采樣點中，遠郊區(qū)域的河段健康狀況明顯優(yōu)于近郊區(qū)域的河段健康狀況，另外，從時間分布來看，8月各采樣點的健康狀況明顯優(yōu)于其他時段。分析其主要原因，近年來濟南市管轄的小清河流段采取了多項治理措施并取得了較好的成效，健康狀況明顯改善，遠郊地區(qū)相比于近郊地區(qū)所受各產(chǎn)業(yè)污染程度低、人為干擾因素少，這與當?shù)卣谋O(jiān)督管理密不可分，且8月通常是河流汛期，此期間降水量大，河流污染狀況得到一定程度的緩解。

3 討論與結(jié)論

3.1 B-IBI評價體系與標準的構(gòu)建

構(gòu)建B-IBI評價體系的關(guān)鍵因素之一是選取適當?shù)膮⒄拯c，且參照點的個數(shù)會影響評價結(jié)果的準確性，原則上是越多越準確[17]。根據(jù)小清河的實際情況，采取經(jīng)驗法[18]選取典型的7個采樣點作為研究對象，其中符合參照點條件的僅吳家堡一個，其水質(zhì)較好，符合參照點“沒有或較小受到人為干擾，且河岸緩沖帶土地利用無農(nóng)田”的選取要求。為了提升評價結(jié)果的準確性，確保B-IBI評價體系的可靠性，本研究將不同時間調(diào)查的吳家堡當作參照點，將不同時間調(diào)查的其他采樣點均當作觀測點。

小清河采集的底棲動物主要是水生昆蟲和軟體動物，共占底棲動物的68.57%。其中水生昆蟲主要由搖蚊幼蟲組成，軟體動物主要由螺類組成。通過構(gòu)建B-IBI評價體系，得出小清河的整體健康狀況處于中下水平，7個采樣點中I個為“健康”、2個為“亞健康”、2個為“一般”、2個為“較差”。

3.2 基于B-IBI評價小清河健康的準確性

近年來，基于不同生物完整性指數(shù)的B-IBI評價體系不斷被用于河流、湖泊、水庫的健康評價中，有較好的評價效果。本研究通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)B-IBI與總氮和總磷成負相關(guān)，與香農(nóng)威納多樣性指數(shù)成顯著正相關(guān)。氮、磷是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵因子，氮磷超標時會導(dǎo)致水體質(zhì)量明顯下降，相應(yīng)地，底棲動物的敏感種類變少，生物多樣性降低，水體的生物完整性也相應(yīng)下降。由此說明，基于底棲動物完整性指數(shù)的健康評價體系對小清河健康狀況的評估具有.較好的適用性。

3.3 小清河健康評估建議

受地理條件所限，本研究僅選取了7個典型采樣點，均在小清河濟南段。為增加B-IBI評價體系的準確性，應(yīng)盡可能擴大研究的空間范圍[19]，爭取以小清河流域為研究對象，在非濟南段的小清河選取更多典型采樣點進行調(diào)查研究，并盡可能擴大研究的時間尺度[18]，爭取對污染治理前后的小清河健康狀況進行對比，對水問題嚴重的區(qū)域提出適合的治理方案，建立嚴格的監(jiān)管機制，提高綜合治理水平，以促進小清河的可持續(xù)性發(fā)展，使其與城市發(fā)展協(xié)調(diào)一致。

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