基于底栖动物完整性指数的小清河健康评价

刘春形 曹升乐 杨裕恒 李锡铜

摘要：为了建立河流生态系统健康的评价标准以保证河流的可持续性发展，以小清河为例，选用底栖动物完整性指数评价其健康状况。2014年5月一2015年10月，对小清河7个典型采样点的底栖动物共进行6次调查。通过分布范围、判别能力和Pearson相关性分析，从32个候选生物指标中筛选出适合于构建小清河B-IBI评价体系的5个参数，采用比值法将小清河健康状况按评分分为5个等级：>3.70为健康，（2.77，3.70]为亚健康，（1.85，2.77]为一般，（0.92，1.85]为差，≤0.92为极差。结果表明：小清河吴家堡采样点处于“健康”状态，五柳闸和石村采样点处于“亚健康”状态，黄台桥和五龙堂采样点处于“一般”状态，梁府庄、岔河水文站采样点处于“较差”状态，且底栖动物完整性指数值与总氮、总磷成负相关，与香浓威纳多样性指数成显著正相关。说明构建的B-IBI评价指标与标准对小清河的健康评估具有较好的适用性。

关键词：底栖动物；生物完整性指数；健康评价；小清河

中图分类号：X826 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.05.018

为了城市GDP快速增长的需要，无节制取用水、过量排废污水等行为致使现有河流的生态系统失衡，河流健康急需得到保证[1]。为了使健康河流能够可持续发展以满足对未来的需要，对不健康河流制定相应的保护政策与治理措施，评价河流的健康现状就显得尤为重要。过去对河流健康的评价仅依赖于物理化学指标和对生物种群的跟踪监测结果[2]，很少對河流生态系统进行健康评估。20世纪80年代，Karr提出了生物完整性指标，即用多个生物参数综合反映的水体状况来评价河流乃至整个流域的健康[3]。近年来，很多学者采用基于不同生物的完整性指数建立河流健康评价体系，如：张赛赛等[4]基于鱼类生物完整性指数评价了浑河流域的水生态健康；熊春晖等[5]应用底栖动物完整性指数评价了上海市河流健康；马芋芋[6]以浮游生物完整性指数评价了长江上游干流宜宾至江津段的河流健康度；吴述园[7]基于着生藻类生物完整性指数评价了古夫河河流的生态系统健康。本文利用自身活动性较差、易观测、对环境变化反应较敏感的底栖动物[8]来建立生物完整性指数评价体系，并对不同时期的小清河健康状况进行评估。通过选取典型采样点建立合适的底栖动物完整性指数（B-IBI）评价体系，研究其与各物理化学指标之间的相关关系。

1 研究方法

1.1 研究区概况

小清河为山东省中部渤海水系河流，起源于济南市泉群，全长237km，流域面积10336km2。流域多年平均年降水量为640.4mm，年径流深为121mm，折合年径流量为12.7亿m3。过去的几十年间，小清河存在总水量逐渐减少、水污染逐渐加重、水环境逐渐退化等问题。本着可持续发展和科学发展相结合的原则，提出了小清河干流和支流治理工程等一整套综合治理方案[9]，并在近年来取得了较好的治理成效。

1.2 样品采集

根据小清河的河道情势、采样条件等因素[7]，2014年5月、8月、11月和2015年5月、9月、10月，选取7个典型采样点对底栖动物进行采集，使用专业采泥器在每个采样点重复采样6次，采集的样品浸人一定浓度的福尔马林溶液中，随后进行鉴定、计数和称量，将采集到的底栖动物尽量鉴定到最低分类阶元——种。整个采集与鉴定过程由济南市水文局专业人员完成。

7个采样点分别位于吴家堡、梁府庄、五柳闸、黄台桥、五龙堂、岔河水文站和石村，编号分别W17、W20、W22、W24、W30、W49和W50。其中：W22采样点2014年11月与2015年9月未采集样品，W49、W50采样点2015年5月、9月、10月未采集样品；W20采样点只在2015年10月进行过一次样品采集。采样点的平均水深为1.69m，范围为0.30～3.45m；平均流速为0.27m/s，范围为0.02～0.58m/s；平均河宽为39.94m，范围为12.50～107.00m。采样点的位置如图1所示。

1.3 采样点划分

根据文献[10-11]中的标准划分参照点和观测点，将无干扰和干扰极小的样点作为参照点，其他样点则为观测点。根据小清河的实际情况，本研究参照点的选择标准定义为没有或较少受到人为干扰，且河岸缓冲带土地利用无农田的样点[12]，剩余点位设为观测点位。由于实际可测的样点有限，因此本研究将每次调查结果当作一个样点，共有29个采样点。由此共确定了6个参照点和23个受损点。

1.4 地理信息与物理化学指标的测定

各样点相关生境信息的测定由济南市水文局专业人员使用专业器材完成。各样点的物理化学指标（如溶解氧、电导率、PH值、总氮（TN）、总磷（TP）等）的测定均由济南市水文局专业人员按相关规范的规定进行测定和获取。所有生境信息和物理化学指标测定结果通过Excel 2007软件进行汇总，部分结果见表1。

1.5 B-IBI指标评价体系的构建

1.5.1 B-IBI指标评价体系

B-IBI指标评价体系即基于底栖动物完整性指数的评价体系，利用底栖动物对干扰反应敏感的特性[8]和人类干扰与底栖动物特性之间的关系，选取与底栖动物相关的一系列候选指标进行分布范围分析、判别能力分析和Pearson相关性分析[2]，最终筛选出最能够体现某一区域生物完整性的指标并建立相应的评价体系，对小清河济南段的健康状况进行评价。

1.5.2 候选生物指标的提取

根据各指标代表的意义[13-15]，初步选择32个候选生物指标，见表2。这些指标可以反映群落丰富度、种类个体、数量比例、生物耐污能力、小生境质量与多样性，反映环境变化对生态系统结构和功能的影响[14]。

筛选步骤：①计算所有候选生物指标在参照点中的25%和75%分位数，4分位数数值太小以及4分位数分布范围太小或太大的候选生物指标不适宜参与构建B-IBI评价体系，应予以剔除。②对剩余候选生物指标在参照点和观测点的分布绘制箱形图，根据箱体的重叠情况，对IQ（生物判别能力）赋予不同的值。若两者之间无任何重叠，IQ=3；两者之间有部分重叠，但各自中位数值都在对方箱体的范围之外，IQ=2；两者之中有且仅有一个中位数值在对方箱体范围之内，IQ=1；两者各自的中位数值都在对方箱体范围之内，IQ=0。③对IQ≥2的生物指标进行Pearson相关性分析[15]。若|R|≥0.8（R为Pearson相关系数），则表明两者之间极强相关，只需选取其一作为候选指标。数据处理在SPSS 18.0软件和Excel 2007中进行。经过上述3个步骤后，确定构建B-IBI评价体系的最终核心指标。

1.5.3 评价标准的确定

原则上来讲，底栖动物完整性指数值应是最终选定的所有指标数值之和[9]，但量纲不同的指标不能直接相加，需将其进行标准化。本研究采用比值法确定各指标的数值，对各指标量纲进行统一处理，对于干扰增加反应降低的指标，将其95%分位数作为标准值，指标的标准化指数=指标实际值/指标标准值；对于干扰增加反应升高的指标，将其5%分位数作为标准值，指标的标准化指数=（指标最大值-指标实际值）/（指标最大值-指标标准值），对其中所有大于1的指数值取1。本研究把参照点指数值的25%O分位数当作健康与否的分界点，再对健康分界点以下的值进行四等分，将河流健康状况分为5个等级，即健康、亚健康、一般、较差和极差[2]。

2 结果与分析

2.1 底栖动物群落结构

2014年5月—2015年10月，于小清河7个采样点采集并鉴定的底栖动物共35种，隶属于7纲11目17科，其中：软体动物种类最多，共14种，占40%；水生昆虫共10种，占28.57%；环节动物共8种，占22.86%；节肢动物共3种，占8.57%。各采样点常见的软体动物多为螺类，如大耳萝卜螺、卵萝卜螺、铜锈环棱螺、短沟蜷、拟沼螺和豆螺，另有钳形无齿蚌、文蛤、河蚬等；水生昆虫中绝大部分是双翅目中的摇蚊幼虫，如费塔无突摇蚊幼虫、猛摇蚊幼虫、小云多足摇蚊幼虫等；主要的环节动物有霍甫水丝蚓、克拉伯水丝蚓、宽体金线蛭、扁蛭等；另有节肢动物秀丽白虾、克氏原鳌虾和亚洲瘦熄等。

小清河所有采样点中，2014年5月采集调查的吴家堡采样点所含物种数最多，该采样点位于吴家堡镇（小清河源头），东经116.9019°，北纬36.6924°，海拔19.00m，所处河宽46m。其底质类型主要为砾石和卵石，底栖动物类型多为水生昆虫中的摇蚊幼虫。就所有采样点来看，所含EPT种类数均较少，多为0种，偶有1种。

2.2 B-IBI指数评价体系的建立

2.2.1 分布范围分析

共选取了来自5个类别的32个候选生物指标，通过计算25%分位值和75%分位值，比较其数值大小并分析其范围分布特点。其中M2、M3、M8、M17、M21、M23、M24、M25自身数值很小，M4、M19、M22分布范围太小，M10、M13、M14、M18、M27分布范围太大均被删除，剩余的所有参数进入下一步分析筛选。

2.2.2 判别能力分析

根据Barbour等[16]的分析方法和原则对所选的候选指标进行判别能力分析，得到14个生物参数指标在参照点和观测点的箱形图，见图2（图中粗线表示中位数，参照点与观测点的中位数均在对方的箱形图外的可进入下一步筛选，其中星号表示极端的异常值，圆圈表示异常值。由于异常值可能造成不当影响，因此存在异常值的参数指标均没有进入下一步筛选）。分析结果表明，基眼目相对丰度、滤食者相对丰度、香农威纳多样性指数均存在异常值，剔除筛选范围，总分类单元数、甲壳动物+软体动物分类单元数、优势分类单元个体相对丰度、寡毛纲个体相对丰度、耐污类群相对丰度、寡毛类动物相对丰度与捕食者相对丰度这7个生物指标的IQ≥2，进入下一步筛选。

2.2.3 Pearson相关性分析

相关性分析结果（见表3）表明，寡毛类动物相对丰度与寡毛纲个体相对丰度、耐污类群相对丰度三者之间高度相关，寡毛类动物相对丰度与寡毛纲个体相对丰度取一即可，本文选用寡毛纲个体相对丰度，又考虑到寡毛綱个体相对丰度和耐污类群相对丰度分别表征种类个体数量比例以及生物耐污能力，从保持指标所属类型平衡角度来看，应保留耐污类群相对丰度。经过筛选，最终采用总分类单元数、甲壳动物+软体动物分类单元数、优势分类单元个体相对丰度、耐污类群相对丰度与捕食者相对丰度这5个生物指标来构建B-IBI指数评价体系。

2.3 分值计算

采用比值法确定最终所选5个生物指标的记分标准，根据其对干扰增加的反应，分别计算其所需的5%分位数或95%分位数，代入相应的分值计算公式得到最终的B-IBI评价体系标准以及各采样点的得分情况和健康状况。计算过程与结果见表4～表6。

2.4 B-IBI评价结果

小清河B-IBI评价体系的评价结果（见表6）表明，29个采样点中有7个“健康”、7个“亚健康”、9个“一般”、4个“较差”、2个“极差”。综合以上结果来看，吴家堡采样点处于“健康”状态，五柳闸和石村采样点处于“亚健康”状态，梁府庄、黄台桥和五龙堂采样点处于“一般”状态，岔河水文站采样点处于“较差”状态。由此看出，小清河不同区段的河流健康程度有明显差异性，需要政府相关部门针对不同的生态区段采取不同的管理政策与治理措施。

从小清河整个流域来看，处于济南市的7个采样点中，远郊区域的河段健康状况明显优于近郊区域的河段健康状况，另外，从时间分布来看，8月各采样点的健康状况明显优于其他时段。分析其主要原因，近年来济南市管辖的小清河流段采取了多项治理措施并取得了较好的成效，健康状况明显改善，远郊地区相比于近郊地区所受各产业污染程度低、人为干扰因素少，这与当地政府的监督管理密不可分，且8月通常是河流汛期，此期间降水量大，河流污染状况得到一定程度的缓解。

3 讨论与结论

3.1 B-IBI评价体系与标准的构建

构建B-IBI评价体系的关键因素之一是选取适当的参照点，且参照点的个数会影响评价结果的准确性，原则上是越多越准确[17]。根据小清河的实际情况，采取经验法[18]选取典型的7个采样点作为研究对象，其中符合参照点条件的仅吴家堡一个，其水质较好，符合参照点“没有或较小受到人为干扰，且河岸缓冲带土地利用无农田”的选取要求。为了提升评价结果的准确性，确保B-IBI评价体系的可靠性，本研究将不同时间调查的吴家堡当作参照点，将不同时间调查的其他采样点均当作观测点。

小清河采集的底栖动物主要是水生昆虫和软体动物，共占底栖动物的68.57%。其中水生昆虫主要由摇蚊幼虫组成，软体动物主要由螺类组成。通过构建B-IBI评价体系，得出小清河的整体健康状况处于中下水平，7个采样点中I个为“健康”、2个为“亚健康”、2个为“一般”、2个为“较差”。

3.2 基于B-IBI评价小清河健康的准确性

近年来，基于不同生物完整性指数的B-IBI评价体系不断被用于河流、湖泊、水库的健康评价中，有较好的评价效果。本研究通过相关性分析发现B-IBI与总氮和总磷成负相关，与香农威纳多样性指数成显著正相关。氮、磷是导致水体富营养化的关键因子，氮磷超标时会导致水体质量明显下降，相应地，底栖动物的敏感种类变少，生物多样性降低，水体的生物完整性也相应下降。由此说明，基于底栖动物完整性指数的健康评价体系对小清河健康状况的评估具有.较好的适用性。

3.3 小清河健康评估建议

受地理条件所限，本研究仅选取了7个典型采样点，均在小清河济南段。为增加B-IBI评价体系的准确性，应尽可能扩大研究的空间范围[19]，争取以小清河流域为研究对象，在非济南段的小清河选取更多典型采样点进行调查研究，并尽可能扩大研究的时间尺度[18]，争取对污染治理前后的小清河健康状况进行对比，对水问题严重的区域提出适合的治理方案，建立严格的监管机制，提高综合治理水平，以促进小清河的可持续性发展，使其与城市发展协调一致。

参考文献：

[1]张欣，徐宗学，刘麟菲，等.应用底栖动物完整性指数评价济南市水生态健康状况[J].水资源保护，2016，32（6）：123-130.

[2]王备新，杨莲芳，胡本进，等.应用底栖动物完整性指数B-IBI评价溪流健康[J].生态学报，2005，25（6）：1481-1490.

[3]王军，周琼，谢从新，等.新疆额尔齐斯河大型底栖动物的群落结构及其水质生物学评价[J].生态学杂志，2014，33（9）：2420-2428.

[4]张赛赛，高伟峰，孙诗萌，等.基于鱼类生物完整性指数的浑河流域水生态健康评价[J].环境科学研究，2015，28（10）：1570-1577.

[5]熊春晖，张瑞雷，徐玉萍，等.应用底栖动物完整性指数评价上海市河流健康[J].湖泊科学，2015，27（6）：1067-1078.

[6]马芋芋.以浮游生物完整性指数评价长江上游干流宜宾至江津段河流健康度[D].重庆：西南大学，2015：51-56.

[7]吴述园.基于着生藻类生物完整性指数的古夫河河流生态系统健康评价[D].武汉：中国地质大学，2013：49-53.

[8]李艳利，徐宗学，杨晓静.基于底栖动物完整性指数的浑太河流域河流健康状况评价[J].北京师范大学学报（自然科学版），2013，49（增刊1）：297-303.

[9]李迎.济南市小清河环境现状调查及综合治理工程方案[D].济南：山东大学，2009：14-15.

[10]BLOCKSOM K A，KURTENBACH J P，KLEMM D J，etal. Devel-Opment and Evaluation of the Lake Macroinver-tebrate Integrity Index for New Jersey Lakes and Reservoirs[J].Environmental Monitoring and Assessment，2002，77：311-333.

[11]MORLEY S A，KARR J R. Assessing and Restoring theHealth of Urban Steams in the Puget Sound Basin[J].Con-servation Biology，2002，16：1498-1509.

[12]霍堂斌，崔曉文，姜作发，等.应用大型底栖动物完整性指数评价海拉尔河健康[J].生态学杂志，2013，32（9）：2510-2516.

[13]廖静秋，黄艺.应用生物完整性指数评价水生态系统健康的研究进展[J].应用生态学报，2013，24（1）：295-302.

[14]张颖，胡金，万云，等.基于底栖动物完整性指数B-IBI的淮河流域水系生态健康评价[J].生态与农村环境学报，2014，30（3）：300-305.

[15]张方方，张萌，刘足根，等.基于底栖生物完整性指数的赣江流域河流健康评价[J].水生生物学报，2011，35（6）：963-971.

[16]BARBOUR M T，GERRITSEN J，GRIFFITH G E，et al. AFramework for Biological Criteria for Florida Streams UsingBenthic Macro invertebrates[J].Journal of the North A-merican Benthological Society，1996，15（2）：185-211.

[17]王军，周琼，谢从新，等.基于大型底栖动物完整性指数的新疆额尔齐斯河健康评价[J].环境科学研究，2015，28（6）：959-966.

[18]段学花，王兆印，徐梦珍.底栖动物与河流生态评价[M].北京：清华大学出版社，2010；28-29.

[19]武晶.应用鱼类完整性指数（F-IBI）评价小清河健康状况[D].济南：山东大学，2015：49-51.