底栖动物完整性指数（BIBI）在于桥水库水质评价中的应用

吴涛　李强　张凯　谢玲玲　廉铁辉

摘要： 采用底栖动物完整性指数（BIBI）评价于桥水库健康状况，2014年8月根据于桥水库10个样点（4个参照点，6个受损点）采得的大型底栖动物数据，对20个生物指标进行分布范围、Pearson相关性和判别能力分析，确定构成于桥水库底栖动物完整性的指数为选取总分类单元，水生昆虫分类单元数，甲壳动物和软体动物分类单元数，优势分类单元的个体相对丰度，前三位优势分类单元的个体相对丰度，摇蚊个体相对丰度。用比值法统一量纲，计算各个生物指标的值，并将所得的值相加即得到BIBI指数值。根据BIBI指数值的25%分位数确定健康等级标准，并对小于25%分位数的值进行四等分，即得到于桥水库底栖动物完整性的评价标准。BIBI>4.70为健康，4.35～4.70为亚健康，3.54～4.35为一般，2.58～3.54为较差，<2.58为极差。结果表明，水库总体BIBI值为3.71，赋分值78.9，属于一般水平。结合对水库的综合生物污染指数评价比较发现，当参评水域缺少无干扰的参考点时，应用底栖动物完整性指标来评价该水域水质健康程度时还是存在一定的缺陷，但是对于水库总体健康水平的评估仍然具有一定的可参考性。

关键词：底栖动物完整性指数；水质评价；于桥水库

中图分类号：Q958 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）08-1979-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.08.017

Abstract：In order to assess the water quality of Yuqiao reservoir， Benthic macroinvertebrates were sampled and collected from 10 sites in August 2014，among them 4 were considered as unimpaired or minimally impaired sites and 6 were impaired sites. Analysis was done for the 20 candidate biological index about its value distribution， Pearson correlation and judgment ability. Meanwhile，the total number of taxa， taxa numbers of aquatic insects and Crustacean+Mollusca，percentage of dominate taxa， the first three taxa and chironomid index were screened out to form a BIBI index system for Yuqiao reservoir. 4-point system and ratioing technique were used separately to obtain uniform dimensions of various parameters and BIBI value was the sum of the values of various component indices in the system. By using the each 20 percentiles of BIBI as a criteria to evaluate the aquatic ecosystem health，the results showed that，health criteria when BIBI>4.70，sub-health when 4.35～4.70，average when 3.54～4.35，inferior when 2.58～3.54，and poor when BIBI<2.58. The results showed that the total BIBI value of Yuqiao reservoir is 3.71，and the assigned score was 78.9， which belonged to the average level. Furthermore， we found that this method was imperfect to use BIBI as health evaluation standard of the sites without unimpaired or minimally impaired sites as reference sites，but it also had some reference for the general health evaluation of the reservoir by this method.

Key words：Benthic Index of biotic Integrity； water quality；Yuqiao reservoir

生態系统健康可以通过化学、物理和生物完整性来体现[1]。生物完整性指数主要是从生物集合群的组成成分多样性和结构2个方面反映生态系统的健康状况，是目前水生态系统健康研究中应用最广泛的指标之一[1-4]。底栖动物是指其生活史的全部或大部分时间生活于水体底部的一类生物，其优势种类、种群结构、生物量等参数可以反映环境因子的长期变化，是目前公认的最理想的水质生物监测指标[5]。底栖动物完整性指数（BIBI）最早是由Karr等[6，7]和Kerans等[8]提出，通过构建底栖动物完整性指数（BIBI）可以对河湖的水生态现状进行较为全面和科学的评估。

于桥水库位于天津市北部蓟县城东4 km处，燕山山脉南麓，距离天津市区115 km，始建于1959年12月，1983年进行了水库大坝加固工程后，正常蓄水位时水库淹没面积86.8 km2，最大库容15.59亿m3，正常蓄水位21.16 m，最大水深12.16 m，平均水深4.74 m，库区周边分布有17个乡镇、237个村落，人口20.2万[9]。作为天津市的供水水源地，于桥水库的生态健康状况是关系到市民生命安全的重要问题。本研究以于桥水库为研究对象，对于桥水库底栖动物完整性情况进行调查分析，完善于桥水库相关底栖生物数据，为建立健全于桥水库的水质生物评价体系和全面开展于桥水库生态健康评估提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 采样点的设置

根据中国水利部编撰的《河湖健康评价技术导则1.0版》的相关内容，将采样监测点分为参照点和受损点两大类。参照点是指样点水质在Ⅱ类标准以上，样点上游无点污染源，样点周围无村庄、上游两侧1 000 m内无农田的无干扰点，或者样点水质在Ⅲ类标准以上，上游周围无点污染源、样点附近无村庄、上游两侧500 m内无农田的干扰较小点。受损点是指已明显受到各种人类活动干扰（点源和非点源污染、森林覆盖率的降低、城镇化、大坝建设等）的受干扰点。按照以上标准，在于桥水库无干扰样点不能选出，故根据本单位以往监测水质、溶解氧数据[10]及调查的实际情况，将受干扰较小的库心西、库心、老三岔口、六百户4个样点选定为参照点，将坝前、九百户、马申桥西、峰山南、淋河口和夏庄子共6个站点选定为受损点，并用GPS标记各采样点位，详细情况如图1所示。

1.2 样品采集及处理

本次调查选定在2014年8月进行，定量采样时用开口面积为1/16 m2的彼得森采泥器进行底泥采集，每个采样点采样2～3次。采集到的样品用40目（0.35 mm 孔径）的网筛进行分选。每个定量采样过程中同时在该取样点处进行定性采样，并记录各采样点的底质、水深、水草分布和透明度等环境特征。样品经清水冲洗后在白瓷盘中进行分类挑选，对挑选出的活体底栖生物分别进行计数称重，并换算成单位面积（m2）的个体数及生物量。水生昆虫和软体动物先用5%福尔马林溶液固定，24 h后转移到75%的乙醇保存，寡毛类用10%的福尔马林溶液直接固定。标本鉴定方法参照国内外相关工具书进行[11-14]，所有数据均采用Excel软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 种类及分布

本次调查选择天津市蓟县于桥水库自淋河、果河交汇处至坝前之间的10个监测点进行底栖动物采集工作，基本可以代表于桥水库主库区的整体特征。结果表明，于桥水库共有底栖动物23种，隶属于3门5目22属。节肢动物13种，均为双翅目摇蚊科；软体动物3种且均为腹足纲，其中基眼目椎实螺科1种，中腹足目田螺科2种；环节动物6种并全部为寡毛纲，其中颤蚓科5种，仙女虫科1种，具体分类情况见表1。通过于桥水库底栖动物调查结果，表明于桥水库底栖动物种类较为丰富，生物多样性较高，节肢动物门的水生昆虫类为主要类群，环节动物次之，软体动物最少。

2.2 底栖动物完整性的指标分布范围分析

参照文献[15-17]，选用了对干扰反应较敏感的20个候选生物进行检测，结果见表2，反映了环境变化对底栖动物（个体、种群、群落结构）的影响，从而能够有效地监测和评价水环境质量。

20个候选生物指标通过即25%～75%分位数的数值分析，数值及分布范围太小或太大的指标不適宜参与构建BIBI指数。剔除随着干扰的增强可变动范围变窄的指标，13个指标可进行判别能力分析，详见表3。

2.3 判断能力分析

采用箱线图法（选择参照点和干扰样点箱体尽量不重叠，中位数在对方箱体之外的生物指标）对余下的13个候选指标进行分析，筛选出其中位数不在其他指标箱体范围内的指标作为Pearson相关分析候选指标，箱线法分析结果详见图2。从13个指标中剔除不符合要求的指标，选择总分类单元、水生昆虫分类单元数、甲壳动物和软体动物分类单元数、摇蚊分类单元、优势分类单元的个体相对丰度、前三位优势分类单元的个体相对丰度、摇蚊个体相对丰度、敏感类群分类单元数等8个指标作为Pearson相关分析的候选项。

2.4 相关性分析

通过箱线法分析筛选出的M1、M3、M4、M5、M6、M7、M12和M178个指标均符合正态分布，因此采用SPSS19.0分析软件对以上8个指标进行Pearson相关分析，以检验各指标所反映信息的独立性。筛选出彼此之间具有显著独立性（P<0.01）的指标构建BIBI指数的最终评价体系，相关性分析结果见表4。

2.5 分值计算

通过Pearson相关分析筛选出彼此相对独立的候选指标即总分类单元、水生昆虫分类单元数、甲壳动物和软体动物分类单元数、优势分类单元的个体相对丰度、前三位优势分类单元的个体相对丰度、摇蚊个体相对丰度6个指标。通过比值法对以上6个候选指标进行最佳期望值计算，对于外界压力响应下降或减少的指标以所有样点由高到低排序的5%的分位值作为最佳期望值；而对于外界压力响应增加或上升的指标，则以95%的分位值为最佳期望值。其中总分类单元数、水生昆虫分类单元数，甲壳动物和软体动物分类单元数3个指标的最佳期望值即5%分位值分别为16、9和3；而优势分类单元的个体相对丰度，前三位优势分类单元的个体相对丰度，摇蚊个体相对丰度3个指标的最佳期望值即95%分位值分别为0.24，0.55和0.24，因此，评价体系的计算公式见表5。

2.6 BIBI指标体系的评价

以参照点的BIBI值为25%分位数值作为健康评价的标准，对小于25%分位数值的分布范围进行4等分，确定于桥水库的BIBI指数值的评价标准。将各评估指标的分值进行加和，得到BIBI指数值。将各参照点BIBI值由高到低排序，选取25%分位值作为最佳期望值，其BIBI指数赋分值为100.00。对于桥水库各采样点评价结果见表6。

通过计算筛选得出其最佳期望值为4.70，即BIBI>4.70为健康，将小于4.70的分布范围进行4等分，即4.35～4.70为亚健康，3.54～4.35为一般，2.58～3.54为较差，小于2.58为极差。根据BIBI赋分公式，计算所得于桥水库主库区各参照系样点的赋分结果见表6。综合评价于桥水库主库区总体生物情况，用相同方法计算所得的于桥水库主库区BIBI为3.71。因为最佳期望值为4.70，则计算可得底栖动物完整性指数BIBI赋分值为78.90，生态健康状况属一般水平。

2.7 综合生物污染指数法与底栖动物完整性指标的比较

参照戴友芝等[18]和马秀娟等[10]的方法，本研究进行了综合生物污染指数分析，结果见表7。由表7可见，两种方法评价的水库总体水平差异不大，将于桥水库10个监测点位的综合生物污染指数BI进行平均值计算，得出于桥水库总体综合生物污染指数值为0.40，水质表现为轻-中污染水平。

3 小结与讨论

3.1 于桥水库底栖动物种类分布

底栖动物的生存受水质、污染物类型、生境特征、沉积物类型和水文特征等因素的影响[19-21]，本次调查选在夏季进行，结果显示，库区上游采样点底栖动物种类較为丰富，尤其是淋河、果河交汇处的底栖动物的种类丰富，这是由于水库上游位于两河交汇处，有机质含量丰富，且草区分布广泛，较高的有机质适合寡毛类和摇蚊类的生长[22，23]，此外通过对底泥中有机碎屑和动物残肢进行分析，发现上游草区一带分布着一些对水质敏感的蜉蝣目、毛翅目类群，但本次采样中未发现完整活体样本，因而不能进行蜉蝣目、毛翅目类群的定量分析。库区中游底栖动物物种多样性降低，寡毛类和摇蚊类分布较多，耐污种类出现频度较多。综合分析库区中下游底栖生物活体和底泥有机碎屑样本发现，库区中下游只有耐受污染类的摇蚊和寡毛类分布，较少出现软体动物类群。水库下游至坝前段，水体清澈，底泥主要以沙土为主，较少出现底栖动物活体及残肢，因而判断水库下游底栖生物多样性较差。本次调查结果与马秀娟等[10]对于桥水库的底栖动物调查结果略有不同，生物多样性水平、底栖动物种类数均略低于2012年夏季的调查结果，但均高于纪炳纯等[24]的调查结果。分析原因发现，2013 — 2014年水库进行过多次水位调节工程，水位的变化直接影响了库区内大型水生植物的生长，溶解氧情况因而发生一定的变化，另外，上游水流的冲刷使得底部淤泥淤积，泥层较之前几年较厚，适宜软体动物的生存。

3.2 于桥水库底栖动物完整性指标评价

本次研究首次应用底栖动物完整性指标（BIBI）评价法来评价于桥水库的生态现状，进而评估出现阶段于桥水库的水生态健康情况，从而客观的通过生物学的评价法了解水库的水质情况。通过调查研究发现，目前水库的健康情况较为良好，表现为一般水平。由于该方法首次应用于该水域的水质评价，因此对于其结果的准确性和客观性还需要进一步验证，因此，研究组选用底栖生物综合生物污染指数来验证BIBI指数的可行性和准确性。结果表现为两种方法评价的水库总体水平差异不大，均体现出水库水体生态环境目前正处于较为良好的状态；但也从两种分析结果中发现了一些明显的差异，例如峰山南点位和坝前点位的争议比较大，两种评价方法评价出来的结果截然相反，这是由于大坝属于人工干扰较为严重的区域，而峰山南周边居住着大量的居民，居民的日常生活对该点位的干扰十分严重，因此在评价该两点位的底栖动物完整性指标时受干扰的影响因子过于复杂，很难完全排除偶然性干扰所带来的影响。从这一点也可以看出底栖动物完整性指标在评价受一定程度干扰的水域时存在一定的缺陷，但是对于该水域的总体健康水平的评估仍然具有一定的可参考性。因此建议在今后评价受干扰的湖泊性水域时，底栖动物完整性指标可以用作参考评价该水域的总体生态水平，若要系统反映水域的某一个点位的水体生态状况还需要综合考虑多种评价方法的联合使用。

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