渭河流域水生态系统群落结构特征及其健康评价

徐宗学，武 玮，3，殷旭旺（1.北京师范大学水科学研究院，北京 100875；2.水沙科学教育部重点实验室，北京 100875；3.济南大学资源与环境学院，山东济南 250022；.大连海洋大学水产与生命学院，辽宁大连 116023）



渭河流域水生态系统群落结构特征及其健康评价

徐宗学1，2，武 玮1，2，3，殷旭旺4
（1.北京师范大学水科学研究院，北京 100875；2.水沙科学教育部重点实验室，北京 100875；
3.济南大学资源与环境学院，山东济南 250022；4.大连海洋大学水产与生命学院，辽宁大连 116023）

摘要：以渭河流域为对象，基于77个点位的水生态采样和调查结果，分析了该流域干支流着生藻类、大型底栖动物和鱼类3种生物类群群落结构特征，采用生物完整性指数评价了渭河流域鱼类、大型底栖动物和着生藻类的完整性，并对3种生物类群进行评价分析与比较。结果表明：基于3种生物类群的水生态系统健康评价结果存在一定差异，主要是由于3种生物类群对环境变化的响应各有不同，其中大型底栖动物的评价结果最好，其次为着生藻类，鱼类健康评价结果最差。综合来看，渭河流域水生态系统健康状况较差，受人类活动影响明显，大体表现为从上游到下游健康状况越来越差的趋势。对于渭河流域，影响鱼类、大型底栖动物和着生藻类的环境因子各有不同。通过系统全面地调查分析渭河流域不同生物类群的群落结构，可为流域水生态系统恢复提供科学依据。

关键词：生物完整性指数；鱼类；底栖动物；着生藻类；渭河流域；群落结构；健康评价

河流水生生物是生态系统的重要组成部分，受水文情势、水环境质量、底质类型和栖息地环境的共同影响，可以反映不同时空尺度上各种物理、化学和生物的影响[1]，在河流生态学研究中具有越来越重要的作用。在河流生态系统健康评价中，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[2]。

不同生物类群在河流生态系统中具有特殊的位置与生态功能，一定程度上能够指示河流生态系统的变化。目前用于河流生物监测与评价的生物类群包括细菌、浮游动物、着生藻类、大型底栖动物、高等水生植物、鱼类等。着生藻类处于河流生态系统食物链的始端，对污染物反应灵敏，能够为水质变化提供早期预警信息，但无法反映整个季节或年份的环境效应[3]。底栖动物影响水生态系统中营养物质的分解与循环，对环境变化反应敏感[4]。鱼类处于食物链顶端，对环境变化比较敏感，能够综合表征河流水生态系统健康状况[5-6]。以着生藻类[7]、大型

底栖动物[8-9]及鱼类[10-11]作为指示生物进行河流健康评价的应用较为广泛。较多的研究主要针对某一种生物类群进行生物完整性评价[11-12]，而采用多种生物类群描述水生态系统完整性的研究则相对较少[13-14]。国内相关研究主要集中于辽河[15-16]、长江[17-18]和渭河流域[19-21]，但主要以单种生物类群为主。将3种生物类群评价结果进行综合考虑，能够更加全面准确地指示河流水生态系统的健康状况。因此，本文选择着生藻类、大型底栖动物及鱼类3种生物类群，分别采用生物完整性指数评价渭河流域水生态系统健康状况，并对3种生物类群的评价结果进行比较，研究结果对渭河流域水资源管理和生态系统恢复具有重要的现实意义。

1 研究区概况与研究方法

1. 1 渭河流域概况

渭河是黄河的最大支流，发源于甘肃省渭源县鸟鼠山，流域面积13. 43万km2，总长度约为813 km，源头至宝鸡峡为上游，宝鸡峡至咸阳为中游，咸阳至入黄口为下游。渭河流域属于干旱半干旱大陆性气候，年平均气温为6～13℃，年降水量为500～800mm，降水主要集中在6—9月。渭河为不对称水系，南岸支流主要有榜沙河、藉河、石头河、黑河、沣河等，多发源于秦岭山区，水量丰富，是渭河径流量的主要来源。北岸支流主要有泾河、北洛河、散渡河、葫芦河、牛头河、通关河、千河等，多流经黄土高原，水土流失严重，水流中携带有大量泥沙，是渭河泥沙的主要来源，其中泾河和北洛河是渭河的第一、第二大支流，也是渭河支流中含沙量最大的两条支流。

1. 2 采样方法

渭河流域水生态调查于2011年10月、2012年4月和10月以及2013年4月分4次进行，采样点位共有77个，点位分布如图1所示，其中2011年10月共采集45个点位，2012年4月共采集49个点位，2012年10月采集60个点位，2013年4月对这60个点位进行重复性采样。着生藻类、大型底栖动物和鱼类的采集方法详见参考文献[19-21]，其中鱼类鉴定的主要依据为秦岭鱼类志[22]。

图1 渭河流域采样点分布

水环境理化因子采用YSI 85水质分析仪现场测定，包括电导率、盐度和总溶解性固体ρ（TDS）。其他理化因子包括硬度ρ（Hardne）、碱度ρ（Alk）、高锰酸盐指数ρ（CODMn）、总氮ρ（TN）、总磷ρ（TP）、悬浮物固体含量ρ（SS）等，根据GB3838—2002《地表水环境质量标准》于实验室内测定。水文因子中流速、水深和流量采用流速仪（FP 111）现场测量，河宽采用测距仪（Leupold RX-IV）测定。

栖息地质量评价采用栖息地环境质量评价指标（qualitative habitat evaluation index，QHEI）于各采样点进行现场打分，该指标借鉴美国EPA快速生物评价手册中的评价方法，确定了10个评价指标，分别是底质、栖境复杂性、流速与水深结合特征、堤岸稳定性、河道变化、河水水量状况、植被多样性、水质状况、人类活动强度以及河岸土地利用类型，每项20分，总分为200分，分为4个等级（健康、较好、一般和较差），分数越高代表栖息地环境质量越好。所有点位的栖息地评分均由同一位调查者完成，以消除人为因素导致的评价结果不一致。评价指标的判定标准详见文献[3]。

1. 3 数据分析与处理

采用目前应用较多的生物完整性指数IBI分别对鱼类、着生藻类和大型底栖动物进行评价。首先构建评价指标体系，以鱼类为例，采用分属于5类属性（包括物种组成及丰富度、营养结构、耐受性、繁殖共位群、鱼类数量及健康状况）且对环境变化反应敏感的40个指标作为候选指标[23]，对候选指标进行分布范围、判别能力和相关性分析的筛选。分布范围的筛选是指剔除超过95%点位的样点得分均为零的指标。判别能力的筛选是选取对环境干扰响应明显的指标，主要比较各候选指标在参考点位和受损点位的数值在25%～75%分位数范围内的重叠状况，通常采用箱体图进行判别。对通过箱体图筛选出的参数两两进行Pearson相关性检验，若相关系数r≥0. 9，则二者取其一即可。

参考点位的选取是生物完整性评价结果好坏的关键问题之一。本研究中，参考点位的选择结合渭河流域实际情况，以人类干扰较少、水环境质量较好且流域生境较为完整的区域作为参考点位，具体选择方法参照文献[23]，最终选择W1、W5、W10、W12、W13、W14和W16点位作为参考点位，其余点位为受损点位。

根据以上分析确定IBI的核心指标，为统一量纲，采用比值法[15]对指标进行标准化处理，累加计算最终得到IBI得分。以参考点位IBI得分值分布的25%分位数作为健康评价的标准，若点位的IBI得分大于25%分位数，则表示该点位受到人类干扰很小，为健康水平，对小于25%分位数值的分布范围进行四等分，确定出健康、较好、一般、较差和极差5个等级的划分标准。

2 水生生物群落结构特征

根据调查结果，渭河流域共鉴定出鱼类51种[21]，隶属于5目10科33属，其中鲤科鱼类最多，共20属22种，占鱼类总数的43. 1%，鳅科4属15种，占29. 4%，二者是渭河流域鱼类群落结构的主要组成。渭河流域从上游到下游鱼类物种越来越丰富，群落结构越来越复杂，其中上游鱼类32种，中游鱼类39种，下游鱼类42种。根据调查结果，渭河流域共计鉴定出底栖动物102种[24]，其中2011年10月鉴定出底栖动物93种；2012年4月鉴定出底栖动物44种，隶属于7纲16目56科，主要以水生昆虫和软体动物为主。共鉴定出着生藻类5门46属248种[25]，其中硅藻门物种数最多，共计26属221种，占物种总数的89%；绿藻门共计10属16种，占物种总数的6%；蓝藻门共计7属8种，占物种总数的3%。

3 水生态系统健康评价

3. 1 基于鱼类的水生态系统健康评价

结合渭河流域实际情况，参考相关文献[5，15]，构建了鱼类完整性指数的候选指标体系（表1）。通过分布范围的筛选剔除了P4、P18、P22、P29、P30、P35 和P36这7个参数，对剩余的参数进行曼惠特尼（Mann-Whitney）检验，发现参数P1、P2、P5、P8、P10、P13、P23、P25和P39在参考点位和受损点位之间存在显著差异。采用箱体图发现这9个参数在参考点位和受损点位之间重叠很少，能够较好地指示人类干扰。Pearson检验发现P5与P1显著相关，P13、P23与P10显著相关，因此，剔除P5、P13和P23，最终确定鱼类完整性指数的核心指标有P1、P2、P8、P10、P25和P39，其箱体图如图2所示（图中R代表参考点位，I代表受损点位）。以2011年10月鱼类采样数据为例，根据IBI得分划分的水生态系统健康评价标准如表2所示。

基于鱼类完整性指数的水生态系统健康评价结果如表3所示。从整个流域来看，渭河流域水生态系统健康状况较差，仅有7个点位处于健康水平，6个点位处于较好水平，其余点位均处于一般、较差和极差水平。从干流和支流来看，渭河干流的水生态系统健康状况优于泾河和北洛河，渭河干流健康点位主要分布于渭河源头及南岸支流点位，北岸支流健康状况较差，除通关河（W10）和千河（W13）为健康水平，其余均为较差和极差水平。泾河水生态系统健康状况一般，其中泾河左岸支流均为较差或极差水平。北洛河水生态系统健康状况一般，河流源头、北洛河下游健康状况极差，可能是由于石油开采导致该地区水环境质量较差[26]，对河流鱼类的生存与繁殖产生了一定的影响。

表1 鱼类完整性指数候选指标

3. 2 基于大型底栖动物的水生态系统健康评价

图2 渭河流域6个参数在参考点位与受损点位的箱体图

表2 渭河流域水生态健康评价标准

结合渭河流域大型底栖动物群落特征，选取了分属于5类属性（包括群落丰富度、种类个体数量比例、生物耐污能力、功能摄食类群组成和小生境质量）且对环境变化较为敏感的24个指标作为候选指标[24]，并对其进行分布范围、判别能力和相关性分析的筛选。通过箱体图分析及Pearson相关性检验，最终筛选出5个参数作为构建渭河流域基于底栖动物的生物完整性指数评价体系的核心参数：EPT分类单元数、敏感类群分类单元数、蜉蝣目个体相对丰度、摇蚊个体相对丰度、耐污个体相对丰度。通过比值法求和，得出渭河流域大型底栖动物完整性指数的评价标准。

渭河流域大型底栖动物生物完整性的评价结果如表3所示。从整个流域来看，基于大型底栖动物的水生态系统健康状况较好，45个点位中25个点位为健康水平，5个点位为较好水平，8个点位为一般水平，7个点位为较差或极差水平。从干流和支流来看，上游位于渭源市至天水市的渭河干流及其右岸支流、宝鸡至西安的渭河右岸支流、泾河中游支流及北洛河下游河流的水生态健康状况较好；泾河及北洛河水生态健康状况一般；水生态系统健康状况较差或极差的区域主要位于渭河干流关中平原河段、渭河中上游左岸支流以及泾河下游地区。

表3 渭河流域水生态系统健康评价结果

3. 3 基于着生藻类的水生态系统健康评价

结合渭河流域着生藻类群落结构特征，选取了分属于6类属性（包括物种丰富度、敏感类群、群落多样性、相对丰度、生态型和密度与生物量）且对环境变化较为敏感的28个指标作为候选指标[19]，对此28个候选指标进行分布范围、判别能力和相关性分析的筛选。通过箱体图分析和Pearson相关性检验，最终筛选出6个参数作为构建渭河流域基于着生藻类的生物完整性指数评价体系的核心参数：蓝藻总分类单元数、硅藻属总数、均匀性指数、桥弯藻百分比、硅藻百分比、着生藻类密度。基于着生藻类生物完整性指数的渭河水生态系统健康标准如表2所示。

渭河流域着生藻类生物完整性评价结果如表3所示。结果显示，从整个流域来看，渭河流域水生态系统健康状况一般，45个采样点位中，3个点位为健康水平，12个点位为较好水平，18个点位为一般水平，12个点位为较差或极差水平。上游位于渭源市至天水市的渭河干流及其右岸支流、宝鸡至西安渭河右岸支流的水生态健康程度较好；泾河和北洛河水生态健康状况一般；水生态系统健康程度较差或极差的区域主要位于渭河干流天水市至宝鸡市河段、渭河干流关中平原河段、渭河左岸支流以及北洛河下游地区。

3. 4 3种生物类群评价结果对比

通过上述分析发现，基于鱼类、大型底栖动物和着生藻类进行水生态系统健康评价的结果存在一定差异，主要是由于3种生物类群对环境变化的响应不同。从整个流域来看（图3），基于大型底栖动物的健康评价结果较好，主要集中在健康水平，超过50%的点位为健康水平。基于着生藻类的健康评价结果一般，主要集中在较好和一般水平，其中较好水平有12个点位，一般水平有18个点位。基于鱼类的健康评价结果较差，主要集中在一般、较差和极差3个等级，其中11个点位为一般水平，10个点位为较差水平，11个点位为极差水平。综合3种生物类群，基于大型底栖动物的水生态系统健康评价结果最好，鱼类的健康评价结果最差，着生藻类的健康评价结果居于二者之间。从干流和支流来看，渭河干流和泾河大型底栖动物的评价等级高于鱼类和着生藻类，而鱼类与着生藻类的评价等级相差不大；对于北洛河，大型底栖动物的评价结果高于鱼类和着生藻类，而着生藻类的评价结果高于鱼类。

对渭河干流和支流（泾河、北洛河）分别采用Pearson相关性分析，分析鱼类、大型底栖动物和着生藻类评价结果的相关性，结果如表4所示。从全流域来看，3种生物类群评价结果的相关性较差，鱼类和着生藻类、着生藻类和大型底栖动物评价结果的相关系数几乎相同，鱼类和大型底栖动物评价结果相关性较差，即3种类群评价结果的一致性不高。从干支流来看，渭河干流鱼类和着生藻类的相关性最高，相关系数为0. 48，其次是鱼类和大型底栖动物，相关系数为0. 35，大型底栖动物和着生藻类的相关性最差，相关系数为0. 29。对于泾河，着生藻类和大型底栖动物的相关系数最高，达到0. 81，即泾河2种生物类群对环境干扰的响应较为一致，可以仅选用二者其一作为指示生物来评价泾河健康状况，鱼类和着生藻类评价结果呈负相关，说明鱼类和着生藻类对不同干扰因子的响应不同，而鱼类和大型底栖动物的相关性最差，亦为负相关。对于北洛河，鱼类和着生藻类的相关系数最高，为0. 59，而大型底栖动物与鱼类、着生藻类呈负相关，相关系数分别为-0. 24和-0. 13，即在北洛河，鱼类和着生藻类的评价结果较为一致。综上所述，对于不同尺度而言，3种生物类群评价结果的一致性存在差异，这与Bae等[27]的研究结果较为一致。大尺度上通常会将不同干扰因子之间的影响相互抵消，而小尺度上更能将某一项环境干扰因子放大，从而可以通过生物类群的评价结果确定干扰因子对其的影响。另外，3种生物类群对干扰因子的响应不同也是导致评价结果不一致的原因，着生藻类可能对富营养化水平的响应更敏感，鱼类对平原河流水文地貌的变化响应更明显，而河段尺度上底栖动物可能对水文地貌特征的改变更为敏感[28]。

图3 渭河流域不同生物类群健康评价结果对比

表4 渭河流域鱼类、大型底栖动物和着生藻类完整性指数与环境因子的逐步线性回归结果

综合上述分析，以2011年10月为例，对于渭河干流，鱼类和着生藻类的评价结果较为一致；对于泾河，大型底栖动物和着生藻类的评价结果一致性较高，在未来生物评价中可以仅选用二者之一作为指示生物；对于北洛河，鱼类和着生藻类评价结果一致性较高。若要研究不同生物类群与不同环境干扰因子的关系，则需要在小尺度上做进一步研究。

4 影响不同生物类群的主要环境因子分析

将不同生物类群的IBI数值与水质因子和栖息地环境因子做逐步线性相关分析，结果如表5所示。对于渭河流域，基于鱼类的IBI与栖息地环境质量评价指标、盐度和ρ（TP）线性相关，说明影响鱼类完整性状况的主要环境因子是栖息地环境质量评价指标、盐度和总磷。基于大型底栖生物的IBI与电导率和水深呈线性负相关，说明影响大型底栖动物完整性状况的主要环境因子是电导率和水深。基于着生藻类的IBI与ρ（TDS）和ρ（Alk）呈线性负相关，说明影响着生藻类完整性状况的主要环境因子是总溶解性固体和碱度。对于渭河干流，基于鱼类的IBI与栖息地环境质量评价指标和ρ（TDS）线性相关，其中与栖息地环境质量评价指标呈正相关，与ρ（TDS）呈负相关，说明影响渭河鱼类完整性状况的主要环境因子是栖息地环境质量评价指标和总溶解性固体。基于大型底栖生物的IBI则与盐度呈线性负相关，即盐度越高，大型底栖动物的完整性指数越低。基于着生藻类的IBI与ρ（Alk）呈线性负相关，即碱度越高，着生藻类完整性指数越低。对于泾河，基于鱼类的IBI与河深呈显著正相关关系，即水深越深，鱼类完整性指数越高。基于大型底栖生物的IBI、基于着生藻类的IBI均与河宽呈线性负相关，即河道越宽，两类生物类群的完整性指数越低。对于北洛河，由于采样点位较少，未建立显著的线性关系。基于鱼类的IBI和基于大型底栖生物的IBI无显著影响的环境因子，而基于着生藻类的IBI与ρ（TDS）和流量呈负相关关系，但无显著的线性关系存在。由此可见，在不同尺度上，影响某一生物类群的主要环境因子各有不同，同时影响不同生物类群的环境因子也不同，这与以往研究结果类似[29]。这主要是由于河流中影响不同生物类群的环境因子较多，难以区分主要的环境因子，而不同环境因子之间的相互作用又增加了识别不同生物类群环境因子的难度。

表5 渭河流域鱼类、大型底栖动物和着生藻类完整性指数与环境因子的逐步线性回归结果

5 结 论

a.渭河流域共鉴定出鱼类51种，隶属于5目10科33属，其中鲤科鱼类最多，共20属22种，占鱼类总数的43. 1%，鳅科4属15种，占29. 4%，二者是渭河流域鱼类群落结构的主要组成。鉴定出底栖动物102种，其中2011年10月鉴定出底栖动物93种；2012年4月鉴定出底栖动物44种，隶属于7纲16目56科，主要以水生昆虫和软体动物为主。着生藻类共计5门46属248种，其中硅藻门物种数最多，共计26属221种，占物种总数的89%，绿藻门共计10属16种，占物种总数的6%，蓝藻门共计7属8种，占物种总数的3%。

b.采用生物完整性指数法评价渭河流域水生态系统健康状况较为合理，但基于3种生物类群的评价结果存在一定的差异。在全流域上评价结果一致性不高，但在干支流上，不同生物类群的评价结果的一致性较为显著。渭河干流鱼类和着生藻类的评价结果较为一致，泾河大型底栖动物和着生藻类的评价结果一致性较高，北洛河水系鱼类和着生藻类评价结果一致性较高。

c.不同河流影响不同生物类群的主要环境因子不同。对于渭河干流，影响鱼类完整性指数的主要环境因子是栖息地环境质量评价指标和总溶解性固体，影响大型底栖动物完整性指数的主要环境因子是盐度，影响着生藻类完整性指数的主要环境因子是碱度；对于泾河，影响鱼类完整性的主要环境因子是水深，影响大型底栖动物和着生藻类完整性指数的主要环境因子是河宽；对于北洛河，环境因子对鱼类和大型底栖动物完整性指数的影响均不显著，影响着生藻类完整性指数的主要环境因子是总溶解性固体和流量。

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•简讯•

第27届全国水动力学研讨会暨第5届海峡两岸水动力学研讨会在河海大学举行

2015年11月6至8日，由河海大学水利水电学院、环境学院、《水动力学研究与进展》编辑部、上海船舶与海洋工程学会船舶力学专业委员会等单位共同承办的第27届全国水动力学研讨会暨第5届海峡两岸水动力学研讨会在河海大学举行。河海大学副校长唐洪武教授出席开幕式并致辞。来自海峡两岸的高等院校、科研院所及相关企业的250余位专家学者参加会议。研讨会共设8个主题报告，141个学术报告，内容涵盖水动力学及其应用的各个方面，共有192篇论文收录于第27届全国水动力学研讨会论文集中，45篇论文收录于第5届海峡两岸水动力学研讨会论文集中。周培源基金会理事长周如萍女士参加活动，并颁发第二届周培源水动力学奖。本次会议还首次设立了高被引论文奖和优秀学生论文奖。

（本刊编辑部供稿）

Community structure characteristics and health assessment of aquatic ecosystem in Weihe Basin，China/ /

XU Zongxue1，2，WU Wei1，2，3，YIN Xuwang4（1. College of Water Sciences，Beijing Normal University，Beijing 100875，China；2. Key Laboratory of Water and Sediment Sciences，Beijing 100875，China；3. School of Resources and Environment，University of Jinan，Jinan 250022，China；4. College of Fisheries and Life Science，Dalian Ocean University，Dalian 116023，China）

Abstract：The community structures of periphytic algae，macroinvertebrates，and fish in the main streams and tributaries of the Weihe Basin were investigated based on aquatic ecological sampling and survey results from 77 sampling sites. An index of biotic integrity（IBI）was used to evaluate the biological integrity of the three organism groups. The results show that the health assessment results of the Weihe Basin differ with different organism groups，due to their particular responses to environmental disturbance. It was found that the assessment results based on macroinvertebrates were the best，followed by those based on periphytic algae，and the results based on fish were the worst. Generally，the health status of the aquatic ecosystem in the Weihe Basin was poor due to the high level of human disturbance. Throughout the basin，there was a tendency for the health status upstream to be better than that downstream. The main environmental variables that influence the integrity of fish，macroinvertebrates，and periphytic algae in the Weihe Basin were different from one another. Comprehensive investigation of community structure of different organism groups in the Weihe Basin will provide important scientific support for future aquatic ecosystem restoration.

Key words：index of biotic integrity；fish；zoobenthos；periphytic algae；Weihe Basin；community structure；health assessment

收稿日期：（2015 11 12 编辑：骆超）

作者简介：徐宗学（1962—），男，教授，主要从事水文学及水资源研究。E-mail：zxxu@ bnu. edu. cn

基金项目：国家自然科学基金（51279005）

中图分类号：X821

文献标志码：A

文章编号：1006 7647（2016）01 0023 08