基于5种大型底栖动物评价指数的河流生态健康评价

盛 萧,毛建忠,曹 然,黎征武,王旭涛,邓培雁

(1.华南师范大学化学与环境学院,广东 广州 510006;2.云南省水文水资源局,云南 昆明 650106; 3.珠江流域水环境监测中心,广东 广州 510611)



基于5种大型底栖动物评价指数的河流生态健康评价

盛 萧1,毛建忠2,曹 然1,黎征武1,王旭涛3,邓培雁1

(1.华南师范大学化学与环境学院,广东 广州 510006;2.云南省水文水资源局,云南 昆明 650106; 3.珠江流域水环境监测中心,广东 广州 510611)

大型底栖动物;生物评价指数;河流生态健康评价;东江

河流作为环境介质和营养物质的载体,为水生生物提供栖息场所[1]。当河流受到干扰时,会使河流生态系统的结构和功能发生变化,最终使河流健康受损。藻类、浮游动物、鱼类及大型底栖动物等最常被用来监测和评价河流健康状况[2]。大型底栖动物因种类繁多、分布广泛、易于辨认、能综合反映物理、化学、生物等多种生态胁迫对水环境的累积效应等特点[3],在河流健康评估中广泛应用,并取得了良好的效果。

水质生物学评价是指通过对水体中水生生物的调查或直接检测来评价水体的生物学质量[4]。德国科学家Kolkwitz于1902年首次提出并应用生物评价指示河流有机污染后,许多学者逐渐认识到生物评价在水质的评价与管理中的不可替代性,并开始进行大量的研究[5]。其中,基于大型底栖动物评价指数的发展较为迅速,应用较多,这些指数主要包括:①单一生物指数[6],依据指示物种存在的数量来定性判断,如Goodnight-Whitley指数、Chandler计分系统、family biotic index(FBI)指数等;②生物多样性指数[7],通过定量采样,运用统计学分析方法来建立,如Shannon-Wiener多样性指数、Margalef多样性指数等;③生物完整性指数[8],又称多度量生物指数,由Karr[8]于1981年提出,通过多种生物指数综合反映水体的生物学状况,从而评估河流水质。

Goodnight指数是最早的基于大型底栖无脊椎动物的指数,Wright等于1933年通过计算寡毛类的密度来反映水体污染程度,并在此基础上发展了Goodnight指数和Goodnight-Whitley修正指数(GBI指数)[5]。average score per taxon(ASPT)指数是在biological monitoring working party(BMWP)指数的基础上发展而来,考虑到不同类群的耐污值可能会受总物种数的影响,Armitage等[9]提出了ASPT指数,以降低总类群中出现的偶见种对评价结果的影响,该指数在应用过程中仅要求将底栖动物鉴定到科,既减少了工作量,又减少了鉴定错误所带来的误差。FBI指数由美国学者Hilsenhoff[10]于1988年提出,为降低物种鉴定的难度和节省时间,实现河流健康的快速评价,他在其所建立的Hilsenhoff biological index(HBI)指数的基础上,提出了FBI指数,有效地推动了biological index(BI)指数在美国的广泛应用。

生物多样性指数是目前常用作水质生物学评价的一种指数,主要是通过群落中各物种的组成状况来反映水体污染对群落造成的影响,从而划分水质级别[11],由于其在评价过程中存在的局限性,一般不单独用作水质评价。主要包括Shannon-Wiener多样性指数、Simpson多样性指数、Pielous均匀度指数和Margalef丰富度指数4种指数,而在国际上使用较多的是Shannon-Wiener多样性指数。

benthic index of biotic integrity(B-IBI)指数[12]是在一系列参数中选择能够反映水环境中大型底栖动物的种类组成、营养关系、丰度和生长状况的生物参数,相对于BI指数,能够传达较多的河流生态完整性的信息。该方法在国外已得到较为广泛的应用。在国内,杨莲芳等[13]于1992年首次将B-IBI指数引进,随后,王备新等[14-15]应用B-IBI指数分别评价了安徽黄山溪流和香溪河的河流健康状况。

东江是珠江的3大水系之一,水资源丰富,是广东省诸多城市的主要生产和生活水源,同时担负着香港地区的用水供需任务。然而近年来,随着东江流域周边城市的经济快速发展,各种工业在东江沿岸相继落户,对东江的水环境造成巨大威胁[16]。因此,本研究选用不同类型的大型底栖动物评价指数对东江进行评价,并进行对比,根据评价结果综合分析不同生物评价指数在东江河流生态健康评估中的适用性,以期为东江流域综合管理策略的制定与实践提供理论基础和科学依据。

1 研究方法

1.1 研究区域概况及采样点分布

东江发源于江西省寻乌县,向西南流入广东境内,经龙川、惠州、东莞等县市流入珠江,在狮子洋出虎门入海，干流全长562 km,流域面积达35 340 km2。东江流域属中南亚热带季风气候,多年平均气温为20.4°C,多年平均降雨量1 750 mm[17]。全流域共设置24个采样点,包括干流及其所有一级支流,采样点分布见图1。

干流样点:1—南农村,2—车田水,6—柏埔河,17—宝华寺,20—潼湖农场。支流样点:鱼潭江 3—三多村;浰江 4—林寨镇,5—东水镇;康禾河 7—若坝大桥;秋香江 8—瓦溪镇,9—凤安镇;石坝河 10—石坝桥;公庄河 15—公庄镇;赤水河 16—柏塘镇;新丰江 14—新丰县福水陂;增江 11—正果大桥,12—黄竹沥村,13—隔水桥,22—雁塔大桥,24—庙潭大桥;淡水河 18—三和镇;石马河 19—东莞雍景花园;沙河 21—龙华桥;西福河 23—神岗桥(I)图1 东江采样点分布示意图

1.2 样品的采集、处理与分析

采样安排在枯水期,分多组,于3日内完成采样。利用直径30 cm、孔径500 μm的尼龙纱D形网采集大型底栖动物样品。每个采样点在100 m长的范围内(水深小于1.5 m),采集长度为3～10 m,面积为0.9～3.0 m2。每个样点采集3个平行样,以减少误差。将D形网所采底泥倒入水桶,用水柔和搅动桶内底质,用孔径为300 μm的筛网过滤,重复多次,直至目测无大型底栖动物漂浮,再将底质倒入白瓷盘中进行仔细挑拣。随后装入广口瓶中,用70%乙醇固定保存,带回实验室作进一步分拣。在体视显微镜下鉴定、分类,将每个样点采集的大型底栖动物按不同种类准确地统计个体数[18]。种类鉴定大部分至科或属,少数鉴定到种[19]。

1.3 水样采集与理化指标测定

1.4 评价方法

本文选用了大型底栖动物单一生物指数中的GBI、ASPT和FBI指数,生物多样性指数Shannon-Wiener指数,生物完整性指数B-IBI指数来比较不同指数对东江健康评估的区别。GBI、ASPT、FBI和Shannon-Wiener多样性指数计算方法[21]如下:

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:IGBI为GBI指数值;IASTP为ASTP指数值;IFBI为FBI指数值;H′为Shannon-Wiener多样性指数值；N为样品中大型底栖动物个体总数;Noil为样品中寡毛类个体总数;ti是每个类群的敏感值;n为总的科级分类单元数;gi是大型底栖动物第i个科级分类单元的个体数;mi是科级分类单元i的耐污值;Ni为第i个物种的个体数;S为总种类数。

该区域B-IBI指数值(IB-IBI)的计算参见相关研究[22]。其中,参照点和受损点主要根据水质等级、底质类型、栖境复杂性、土地利用状况等来确定,候选参数主要是依据东江采样的实际情况选取了30个分属4种类型(包括群落结构与功能、功能摄食类群、干扰耐受和栖境)的生物参数。然后通过分布范围检验、敏感性分析及相关性分析对参数进行逐步筛选,最终选取了6个参数(包括总分类单元、EPT分类单元、EPT相对丰度、前3位优势分类单元相对丰度、刮食者相对丰度和集食者相对丰度)组成B-IBI指数。5种类型的大型底栖动物生物评价指数健康等级的最终划分标准[23]见表2。

表2 生物评价指数等级划分标准

1.5 统计分析

大型底栖动物的数据处理利用软件EXCEL2010进行,不同生物评价指数的正态分布检验、相关性分析及与环境因子间的线性回归分析均利用软件SPSS 19.0完成。

2 结果与分析

2.1 不同生物评价指数对东江的水质评估

利用5种生物评价指数综合分析东江水质状况,评价结果见表3。结果表明,对于24个样点中的具体样点,根据不同生物评价指数所评价出的水质等级不完全相同。其中,部分样点,5种生物指数的评价结果相近,如干流中的样点6、支流中的样点9等;然而有不少样点,5种指数的评价等级相差甚远,以支流中的样点15为例,FBI和B-IBI指数都将其评为水质“较差”,而GBI、ASPT和Shannon-Wiener多样性指数则分别将其评价为“健康”、“极差”和“一般”,由此可见,仅依靠单一的生物评价指数,难以准确地表征和反映东江流域内具体监测样点的健康状况。

综合5种指数的评价结果,从整体上来看,在东江流域,干流水质上游相比下游较好,上游样点除样点2(车田水)的ASPT指数和B-IBI指数评价为水质“较差”外,其余样点评价结果都好于“一般”等级,调查显示,样点2周边的人类活动较强,这可能是造成其水质差的一个因素。支流中,水质相对较好的为鱼潭江、浰江、康禾河、秋香江、增江上游河段;水质一般的为新丰江、增江中游段、西福河;而水质较差为沙河、公庄河;水质极差即受到严重污染的为淡水河、石马河、增江下游河段。总体而言,东江流域上游河段的水质优于下游,河流水质整体处于中等状态。

表3 不同生物评价指数对东江水质的评价结果

图2 不同生物评价指数结果分布

图2为东江流域不同生物评价指数结果分布情况,由图2可见,5种生物评价指数的健康评价等级在总体上存在较大差异。利用GBI指数评价河流健康等级的结果相对偏高,全流域中达到“健康”的样点数占总样点数的54.2%,其次为“一般”,占16.7%;ASPT指数评价的“健康”样点占总样点数的33.3%,其次为“极差”,占29.2%,ASPT指数表现的趋势与GBI指数较为相似,唯一的区别是,ASPT指数在最后表现为上升,GBI指数则呈现下降;FBI指数和B-IBI指数的曲线趋势则表现极其相似,均呈现为先下降,后上升,再下降的趋势,达到“一般”和“较差”的样点数均占总样点数的29.2%,其次为“健康”,分别占20.8%和16.7%。与以上4种方法评价结果不尽相同的是Shannon-Wiener多样性指数,其在总体上呈现为倒U型,其中,水质等级达到“一般”的样点数为最多,占58.3%,无达到“健康”的样点,其他评价等级的样点数百分比几乎持平(12.5%～16.7%)。总体而言,B-IBI指数的评价结果在各评价等级间的比例最为平均(12.5%～29.2%),而其他指数在各等级间的比例则有较大的起伏。

2.2 不同生物评价指数的相关性

表4 不同生物评价指数的K-S检验结果

表5 不同生物评价指数间的Pearson相关性分析结果

图3 不同生物评价指数与环境因子的回归分析

2.3 不同生物评价指数与环境因子的关系

3 讨 论

3.1 不同生物评价指数的比较

对于干流,5种指数的评价结果差异不大,除靠近源头的样点2外,干流中上游河段的水质总体较好,下游河段较差。这与王兆印等[24]的研究结果一致,其从东江上游到河口选取12个样点进行底栖动物调查,发现东江流域底栖动物生物多样性在上游和中游保持在较高水平,而到下游则迅速降低到0。

而对于支流,则呈现不同程度的差异。GBI指数的评价结果表明,东江的大多数支流,其下游河段的水质相对上游较好,这与其他指数评价结果相反。以增江段为例,样点13属于增江上游,其水质GBI评价结果为“较差”,而在对该区域的实际调查时,此样点周边的栖境较为复杂,植被多样性较高,水体透明度高,由此说明,仅将寡毛类个体数存在的比例用来评价河流水质状况,其精确性有所限制。王博等[25]在对东江干流的43个点位进行底栖动物调查,并结合多种指数对东江水质进行评价时,发现GBI指数的评价结果较适合东江的实际情况,但从本文的研究结果来看,该指数并不完全适用于东江支流的评价,也即不能完全反映东江水质的整体实际情况。对于样点3、5和18,ASPT指数的评价结果与其他4种指数相差较大,表现为相反的情况;对于样点12,Shannon-Wiener指数与ASPT指数评价结果一致,而其他3种指数评价一致,造成这一系列差异的原因可能是多种因素的综合影响。

总体而言,5种指数对东江支流的评价结果在总体上一致:东江上游支流的水质相对下游较好。其中,除GBI外,其他指数的评价结果表明增江上游水质较下游好。何琦等[26]对东江支流增江进行底栖硅藻的采样调查,发现敏感种在增江的上游出现频率较高,表明增江中上游河段水质较清洁,而位于下游河段的2采样点,以耐污种占优势,表明增江下游河段污染严重。由此可见,需结合多种生物指数对东江河流水质进行综合评价,才能提高评价结果的可靠性。

从对东江河流样点的评估等级结果可知,5种生物指数也呈现一定的差异。造成所有这一系列差异的主要原因可能有:①不同的评价指数存在自身的局限性,如Patrick[27]认为多样性指数作出的水质评判结果相当模糊,因为不同的水体污染类型对物种多样性的影响程度不一致。房英春等[28]认为多样性指数评价中没考虑生物体本身耐污性的差异,尤其是耐污种的敏感问题,可能会造成比实际值偏高的水质评价结果。②底栖动物的敏感值和耐污值的确定不明确,我国在对基于耐污值和敏感值的指数计算时主要是参照国外和国内的相关研究,尽管目前王备新等[29]建立了一套适用我国华东地区底栖动物的耐污值,但是否适用于其他区域尚待考证。③不同生物评价标准中等级范围的划分对结果也会造成一定的影响。如B-IBI指数最终的评价标准具有一定的主观性,研究者在对该指数的构建过程中,如何确定参照点和候选参数,以及最终使用何种方法计算综合参数都可能会对评价结果产生影响。

3.2 不同生物评价指数在东江的适用性

河流的健康状况因地理位置、地貌特征、栖境、生物状况、污染类型等多种因素的综合作用存在差异,因此在选取不同生物评价指数评价河流健康状况时应慎重考虑生物评价指数在该河流中的适用性。

BOD和DO均是与耗氧相关的水化指标。BOD一般可用来表征有机污染的情况,多样性指数可用来反映水体有机污染对群落结构造成的影响[21],当水体受到有机污染、无机还原性物质污染时,DO的质量浓度就会降低[32]。在本研究中,Shannon-Wiener多样性指数与BOD呈现较显著的负相关关系;B-IBI指数与DO呈现出明显的正相关关系,随着DO质量浓度的增加,B-IBI指数呈现上升的趋势。由此可见,Shannon-Wiener多样性指数和B-IBI指数对水体中的有机污染有较好的指示作用。

电导率表征水体中溶解的总离子量,可综合反映流域内土地利用对河流生态系统的影响,通常电导率越高,人类活动对河流的干扰作用越大[33]。渠晓东等[22]在运用标准化方法筛选参照点构建B-IBI指数时,发现B-IBI指数与电导率存在显著的对数曲线关系,随着电导率的升高,B-IBI值逐渐下降,电导率高于1 000 μS/cm后,B-IBI指数维持在一个较低的水平。本研究也有一致的结果,B-IBI指数与电导率存在显著的负相关关系,不同的是B-IBI值在电导率达到600 μS/cm后才缓慢下降,这可能与在B-IBI指数构建时研究者所选用的方法不同而产生的差异相关。同时,本研究中发现Shannon-Wiener多样性指数与电导率也有显著的负相关关系,因此,可认为这2种指数能够反映土地利用对东江流域水质的影响。

4 结 论

选取GBI、ASPT、FBI、Shannon-Wiener多样性和B-IBI指数对东江流域的主要干支流进行综合评价,结果表明:

a. 东江流域的整体健康状态处于中等水平,河流上游水质多达到“良好”,中游水质多为“一般”,下游水质则为“较差”或“极差”。

b. 5种生物评价指数大部分都具有显著的相关性,其中,FBI指数与其他4种指数都达到了显著水平。但由于多种因素的综合影响,不同指数对各样点的评价等级存在一定差异。

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River health assessment based on five biological indices for macroinvertebrates

SHENG Xiao1, MAO Jianzhong2, CAO Ran1, LI Zhengwu1, WANG Xutao3, DEGN Peiyan1

(1.SchoolofChemistryandEnvironment,SouthChinaNormalUniversity,Guangzhou510006,China; 2.HydrologyandWaterResourcesBureauofYunnanProvince,Kunming650106,China; 3.PearlRiverWaterEnvironmentMonitoringCenter,Guangzhou510611,China)

Based on the monitoring data for macroinvertebrates from 24 sampling sites, five indices including the Goodnight-Whitley modified index (GBI), the average score per taxon (ASPT) index, the family biotic index (FBI), the Shannon-Wiener index, and the benthic index of biotic integrity (B-IBI) were used to assess the health status of the main stream and tributaries of the Dongjiang River Basin. The applicability of the indices to the basin was studied. The results show that the overall health status of the Dongjiang River Basin was at a middle level but varied in different parts of the basin: the upper basin had a healthy status, the central part had a moderately heathy status, and the lower part had an unhealthy or extremely unhealthy status. Analysis of the responses of different indices to various types of human activities shows that all the indices, excluding the ASPT index, can reflect the influence of human activities to various degrees. Of the indices, the GBI index was a good indicator of phosphor contamination, the FBI index was a good indicator of nitrite nitrogen contamination, the Shannon-Wiener index could indicate organic pollution well while it had a significantly negative correlation with conductivity, and the B-IBI index had a strongly positive correlation with dissolve oxygen, being a good indicator to ammonia contamination. In conclusion, the comprehensive assessment of the Dongjiang River Baisn with different biological indices can not only reflect the whole condition of the basin reliably, but also indicate the effect of different types of human activities on the river ecosystem of the basin.

macroinvertebrate; biological index; river health assessment; Dongjiang River

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.01.015

广东省水利科技创新项目(2014-16)

盛萧(1990—),女,硕士研究生,研究方向为环境生态学。E-mail:winterlilies@163.com

邓培雁,教授。E-mail:dpy213@126.com

Q958.12

A

1004-6933(2017)01-0075-08

2016-04-18 编辑：王 芳)