松花江流域大型底栖动物生物完整性指数构建及其适用性

王 瑜，李 黎，林岿璇，朱延忠，夏 阳，刘录三

中国环境科学研究院国家长江生态环境保护修复联合研究中心，北京 100012

生物完整性是指“支撑并维持平衡的、完整的、适应的、具有与区域内天然水生生态系统相当的多样性、组成及功能组织的生物群落的能力”[1]。作为最早广泛用于监测/评价河流生态完整性的多参数指数，生物完整性指数(Index of Biotic Integrity, IBI)整合了一组能够反映生态系统的各种结构及功能属性的参数，包括物种丰富度、群落组成、污染耐受性、习性/食性、生物多样性等，为生物对(自然或人为)环境压力的响应提供了敏感有力的视角[2-6]。KARR[7]首次构建了基于鱼类的生物完整性指数(F-IBI)，并对美国中西部河流进行了健康评价。随后，IBI的概念和方法被拓展到大型底栖动物、藻类等类群。尤其是大型底栖动物，作为河流生态系统中分布最为广泛的物种之一，是河流食物网的重要组成部分，具有活动场所相对固定、生活周期较长、易于采集等特点，且涵盖种类丰富，对不同类型的化学污染和人为干扰响应敏感，其群落结构在很大程度上反映了整个河流生态系统的健康状态[8-10]。基于大型底栖动物的生物完整性指数(B-IBI)，是目前整个北美地区广泛应用的河流生态系统健康评价方法。

利用B-IBI进行河流生态系统健康评价，探讨人类活动对河流生态系统的影响，不但对维护河流生态系统健康具有重要意义，对于诊断河流退化的主要原因、制定合理的管理和修复措施也将产生深远的影响。中国在B-IBI的构建及适用性研究方面起步较晚，自20世纪90年代起，陆续有学者在部分河流(如九华河、丰溪河、香溪河、辽河、太子河、永定河)进行了一些研究和尝试[11-17]。然而，大型底栖动物群落结构组成具有很强的地域性，中国幅员辽阔，不同流域之间生物区系差异较大，如KARR等所说[5]：任何一个参数都无法适用于所有地区和流域。对于不同的研究区域，研究者需要根据区域特点，有针对性地构建适合当地的IBI。笔者拟以松花江流域为对象，构建B-IBI，并对松花江流域的生物状态进行评价，以期为制定中国北方寒冷地区河流的生态恢复和保护策略提供参考。

1 研究方法

1.1 研究区域概况

松花江流域(地理坐标为119°52′～129°30′E、41°42′～51°38′N)，跨黑龙江、吉林、内蒙古等省(自治区)，是中国重工业集中地和农牧业生产基地。流域面积为5.568×105km2，河长和水资源量居全国第三，以嫩江为源头算，长为2 309 km，以第二松花江为源头算，长为1 897 km，干流长为939 km，属中国重点流域，也是黑吉两省的母亲河。

松花江地处温带、寒温带大陆性季风气候区，夏季温热多雨，冬季寒冷漫长。多年平均气温为3～5 ℃，年内温差较大，年内7月温度最高，月平均气温可达20～25 ℃；1月温度最低，月平均气温为-20 ℃以下。流域内多年平均降水量为300～950 mm，时空分布不均匀，降水期主要集中在6—9月，水面封冻期为11 月初至次年4 月初。

1.2 大型底栖动物样品采集与分析

在松花江流域选取37个点位(点位信息见表1，点位示意图见图1)，分别于2016年6、9月进行野外生态调查，并采集大型底栖动物样品。

表1 松花江流域采样点位信息Table 1 Information of Sampling sites in the Songhua River basin

图1 松花江流域采样点位示意图Fig.1 Sampling sites in the Songhua River basin

每个点位选取100 m范围作为采样河段，使用开口直径为30 cm的D型网(孔径为0.22 mm尼龙纱)采集20个重复样方，根据不同小生境类型(包括静水区、急流区、碎石底、泥沙底、水草、倒木等)出现的比例分配样方数[18]，将各个重复样方混合成一个样品，用0.22 mm孔径分样筛现场筛选，将肉眼可见的底栖动物与石块、碎屑等杂质分离，洗净后放入样品瓶，加入95%乙醇溶液固定。样品带回实验室后，在体视镜下挑拣、鉴定和计数，依据相关文献资料[19-25]，将各样品鉴定至最低分类单元，尽量到属或种。

1.3 生境与理化水质数据采集

样品采集现场同期进行水体理化指标监测，使用便携式水质分析仪(YSI Proplus)在现场直接测定水温、电导率(Cond)、溶解氧(DO)、pH等，同时采集2 L水样，于48 h内带回实验室，依据国家标准方法测定总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH3-N)、化学需氧量(CODCr)。根据各项理化指标，采用单因子评价法依据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)进行水质等级划分。

同时，参照郑丙辉等[26]提出的河流生境质量评价方法，根据底质组成、小生境复杂性、流速-水深特征、河岸稳定性、河道变化(渠道化情况)、河水水量状况、河岸带植被情况、水质状况(感官性状)、人类活动强度、河岸土地利用类型等10 项指标的评分标准，对各个点位评分，每个指标20分，并计算生境质量评价指数总分。

1.4 参照点位筛选

参照点指未受到人为活动干扰或轻度人类活动干扰的采样点，是构建IBI并进行生物状态评价的基础[27]。因缺乏真正意义上的自然状态(或受干扰程度最小)点位，笔者参考周莹等[28]提出的方法思路，基于各个点位的水质类别和生境质量评分筛选参照点位。

1.5 IBI评价指标筛选

1.5.1 候选参数初选

用于构建IBI的参数必须满足以下3个条件：①对环境因子(化学、物理、水动力、生物等)变化反应敏感；②计算方法简便；③所含生物学意义清楚。笔者根据松花江流域大型底栖动物群落特征、各项指标与环境因子之间的响应关系，选用28个候选参数，包括丰富度参数、群落组成参数、耐受性参数、食性/习性参数、多样性参数等五大类，各个参数的具体描述及环境压力响应关系详见表2[29-33]。

1.5.2 数值分布范围分析

利用各个参照点位的数据资料计算各项候选参数值，分析其数值分布范围。筛除以下两大类参数：①受干扰后数值可变化范围较窄的参数，不易准确区分不同干扰梯度，不宜用于评价；②标准差较大的参数，数值分布比较散，说明参数不稳定，同样不予考虑。

1.5.3 判别能力分析与相关性分析

经过上述筛选后，采用箱线图法分析剩余参数在参照点位和受损点位的分布情况。根据BARBOUR等[34]的研究成果(图2)，只有IQ≥2的指标才能进行下一步分析。

对通过判别能力筛选的参数进行Pearson相关性分析，检验各项参数反映信息的独立性。采用MAXTED等[35]的标准，以|r|>0.80的标准筛除高度相关的参数。

经过以上3个步骤，确定构成IBI指标体系的核心参数。

1.6 IBI构建及评价

1.6.1 指数构建

对参数进行记分的目的是统一评价量纲，研究采用0～10赋分法[36]，对各项核心参数赋分。随干扰增强而减小的参数，利用公式(1)计算；随干扰增强而增加的参数，利用公式(2)计算。

V′i=10Vi/V95%R

(1)

V′i=10 (1-Vi/V95%I)

(2)

式中：V′i为记分值，Vi为参数值，V95%R为参照点的95%分位数，V95%I为受损点的95%分位数。

最终的B-IBI得分为各核心参数分值的总和。

表2 松花江流域B-IBI构建候选参数Table 2 Candidate metrics for B-IBI development of the Songhua River basin

注：箱体表示25%～75%分位数值分布范围，箱体内方块表示中位数。A：3分，箱体无任何重叠；B：2分，箱体有小部分重叠，但中位数都在对方箱体之外；C：1分，箱体大部分重叠，但至少有一方的中位数处于对方箱体范围外；D和E：0分，一方箱体在另一方箱体范围内，或双方的中位数都在对方箱体范围内。图2 参数IQ值记分法[28]Fig.2 IQ score for candidate metrics

1.6.2 评价等级确定

以所有点位B-IBI值分布的95%分位数为最佳值，低于该值的分布范围进行五等分，靠近95%分位数值的一等分代表点位所受干扰较小。以确定的标准重新对所有点位进行综合记分，计算B-IBI值，根据所有点位的B-IBI数值分布，确定5个等级的评价标准。

2 结果与讨论

2.1 大型底栖动物种类组成与分布特征

2016年6、9月采集到的大型底栖动物样品，共鉴定出110个分类单元，分属6纲40科。其中，水生昆虫为82种，软体动物为18种，甲壳动物为4种，寡毛类为4种，蛭纲为2种。松花江流域大型底栖动物群落组成如图3所示，从个体数量上看，最主要的构成部分为水生昆虫，约占81.55%。

图3 松花江流域大型底栖动物群落组成Fig.3 Composition of benthic-macroinvertebrate community in the Songhua River basin

2.2 参照点位筛选

根据松花江流域的基本情况，研究将同时满足生境质量评分≥90和水质类别达到Ⅲ类及以上的点位作为参照点位的筛选条件，在2期采集的点位中，选择6个点位作为参照点位，主要位于第二松花江源头、牡丹江源头和嫩江上游支流。

2.3 松花江B-IBI构建

28个生物指数值在参照点位变异分析表明， M2、M6、M8、M11、M18、M19、M20、M21和M23的标准差比较大，说明这些参数不稳定，在参数筛选过程中不作考虑；M25属于参数值随着环境压力增强而减小的类型，其25%分位数值为0，随着环境压力的增强，参数值的可变动范围非常窄，因此不适宜参与构建IBI指标体系，将其剔除。余下的18个生物参数，进行判别能力分析。

18个参数的箱线图(图4)表明，M1、M3、M4、M5、M7、M12、M13、M15、M16、M26和M27等11个参数的IQ都大于或等于2。

上述11个参数的Pearson相关性表明(表3)，M1、M3、M4相互之间高度相关，三者取一即可；此外，M13与M1、M3、M4高度相关， M15与M7、M12、M16高度相关，M1和M26，M7与M16高度相关。综合考虑这些参数的信息量和普遍适用性，以及与已保留参数提供信息的重复度，选择保留M1、M5、M7、M12、M27作为核心参数。

根据各参数在参照点位的数值分布，确定计算各参数分值的计算公式(表4)，并依次计算各个点位的指数分值。

最后，根据记分值检测生物指数对环境压力的响应敏感型，计算生物指数区分参照点位和受损点位的效率，也就是被正确区分的点位的百分比。如果区分效率在60%以上，则考虑保留该指数。研究构建的B-IBI区分效率为82.35%，可认为该指数对点位的区分基本有效。

表3 11个候选参数之间的Pearson相关分析结果Table 3 Pearson correlation analysis results of 11 candidate metrics

图4 18个候选参数在参照点位和受损点位的箱线图Fig.4 Box plots of 18 candidate metrics in reference and impaired sites

编号核心参数分值计算M1种类总数10Vi/22.10M5摇蚊种类数10Vi/4.85M7敏感种百分比10Vi/0.87M12HBI10 (1-Vi/8.35)M27Marglef指数10Vi/6.79

2.4 松花江B-IBI评价

根据所有点位的B-IBI数值分布，以95%分位数为最佳值，对低于该值的分布范围进行五等分，确定5个等级的评价标准(表5)，并根据2016年6、9月各个点位的B-IBI分值，对其等级进行评价，结果参见表6。在2期采集的60个样本中，4个为I级(很好)，占6.7%；8个为II级(好)，占13.3%；12个为III级(一般)，占20%；14个为IV级(差)，占23.3%；22个为V级(很差)，占36.7%。说明流域内60%以上区域生物状态存在不同程度的损害。

表5 松花江流域B-IBI评价标准Table 5 Criteria for B-IBI assessment in the Songhua River basin

表6 松花江流域B-IBI分值及评价等级Table 6 B-IBI scores and grades in the Songhua River basin

注：“—”表示数据缺失。

由松花江B-IBI分值的箱线图分布(图5)来看，参照点位和受损点位的生物状态无重叠，参照点位的箱体基本落在I级、Ⅱ级，受损点位的箱体基本落在Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级，说明这两大类点位的生物状态差异明显，基本可以区分开来。

图5 参照点位与受损点位B-IBI分值箱线图Fig.5 Box plots of B-IBI score in reference and impaired sites

从评价结果的空间分布来看，I级和Ⅱ级点位基本位于支流上游，干流点位的评价结果多数为Ⅳ级和Ⅴ级，总体来说，B-IBI分值及评价类别与生境评分与水质类别的空间分布基本一致。从评价结果的时间变化来看，大部分点位2次评价等级相差不大(个别点位除外)，其中，9月的评价结果中，Ⅳ级和Ⅴ级点位所占比例较大，甚至有些水质和生境良好的点位评价级别也较低(如长白山西坡、二道白河)，可能与汛期大型底栖动物群落受到一定影响有关。

2.5 应用与讨论

2.5.1 参照点位的选择

将受损点位与参照点位进行对比，进而判定其受损状态，是进行河流生态系统健康评价的基础。可以说，参照状态是评价的基准，直接决定了评价结果的准确性。但是，具体操作过程中，并没有统一的方法和标准。如MAXTED等[35]采用土地利用方式、生境质量以及水质理化指标来划分参照点位，BLOCKSOM等[37]则是根据点位所在区域的森林面积和人口密度来确定。除此之外，参照点位原则上应当是没有受到人类活动干扰或受干扰程度最小的点位。然而，目前在国内，除了自然保护区尚有未受人类活动干扰的溪流以外，其他地区都无法找到真正严格意义上排除人类活动影响的溪流及河流，尤其是在人口密度较大的平原区。王备新[38]曾提出以“样点上游无农作物、森林覆盖率90%以上”和“样点上游无点污染源、样点上游5 km之内无村庄、上游两侧100 m宽5 km长的范围内无农田”作为参照点位的选择标准，但是这种方法在现状背景下具有较大的局限性。

一般来说，参照状态可以通过以下几种方式确定：①历史状态；②没有人类干扰或极小程度受人类干扰的状态；③区域内人类干扰最小的状态；④经修复后能够达到的一种状态。笔者对比了几种参照状态确定方法的适用性，基于松花江流域所在区域特点，选择第3种方式来确定参照状态，并参考周莹等[28]在浑河、太子河流域使用的方法，即结合水质类别和生境质量评分来选择参照点位，作为评价的基准。值得注意的是，考虑到松花江流域与浑太流域的自然环境特征、人类社会经济活动等存在差异，笔者在划分参照点位的基准上进行了一些调整，使之更有针对性。由于调查区域无法避免人类活动影响，此处仅能确定 “相对环境较好”的参照点位。从研究结果来看，各个点位的评价等级，基本与参照点位和受损点位的划分一致，但是有2个点位各有一期评价结果(MLH 6月和KLH 9月)不符，说明这种方法虽有其合理性，却仍存在一定的局限。今后的研究中，仍需对如何在人类活动频繁的地区选择参照点位进行深入探讨，以便能够对河流生态环境状态进行更为准确的评价。

2.5.2 松花江B-IBI的构建与适用性

松花江各个点位B-IBI的评价结果显示，支流上游的健康状态优于干流，生物状态的空间差异明显，其分布特征基本与生境评分、水质类别保持一致，这与松花江流域土地利用格局以及人类活动强度的空间变化有很大关系。重复采集的点位，2次评价的结果基本一致，说明研究构建的B-IBI基本可以排除大型底栖动物群落对自然环境因子季节性变化响应的影响，能够反映人为活动干扰，适宜用于松花江河流生态健康状态的评价。仅嫩江上游门鲁河和科洛河这2个支流点位2期的评价结果有较大差异，可能是受到洪水事件或者其他人为干扰的影响。

利用生物完整性指数评价河流健康，反映的是河流生态系统长期受到各类环境压力干扰后的综合状态，因此B-IBI通常对不同类型的人为干扰表现出不同的响应趋势。研究分析了松花江B-IBI分值与各个点位的各项理化指标及生境质量评分之间的Pearson相关性。结果见图6。

图6 B-IBI分值与环境因子的相关性分析Fig.6 Regression analysis between B-IBI and environmental parameters

由图6可见，B-IBI分值与生境质量评分呈正相关(r=0.602,P<0.01)，与CODCr呈负相关(r=-0.290,P<0.01)。生境质量评分反映了土地利用及其他人类活动对河流物理生境影响的综合结果，作为大型底栖动物栖息的场所，物理生境受损会直接导致大型底栖动物群落退化，因此B-IBI分值与生境质量评分的变化具有一致性；CODCr是反映河流生态系统有机污染的主要指标之一，其数值越高，表明水体有机污染越严重，相应的，B-IBI分值也会越低，这一点在笔者的研究结果中得到了印证。不过，相对于生境质量，CODCr对B-IBI的解释量要低得多(r=-0.290)，可能是由于大型底栖动物群落受生境的影响大于受水质的影响。

以上分析可以初步说明，B-IBI是对松花江大型底栖动物群落多样性、生境质量、理化水质等的综合反映，对于该研究的调查区域具有一定的适用性，通过分析B-IBI理化指标和生境质量的关系，可以了解其变化的主要原因。不过，在今后的工作中，仍然需要进一步积累基础数据，深化B-IBI评价指标体系和评价标准，并对其进行校验，使B-IBI能够更为准确地反映松花江健康状态，以便管理部门制定相应的保护和恢复对策。

3 结论

研究构建的松花江大型底栖动物生物完整性指数由5个核心参数组成，包括种类总数、摇蚊种类数、敏感种百分比、Hilsenhoff指数、Marglef指数。根据B-IBI分值范围，将所有点位划分成5个等级，划分标准为“很好”[34.00, 50)、“好”[25.50, 34.00)、“一般”[17.00, 25.50)、“差”[8.50, 17.00)、“很差”[0, 8.50)。

评价结果显示，松花江流域各点位20%生物状态为“很好”和“好”，20%为“一般”，60%为“差”和“很差”，说明流域内60%以上区域生物状态存在不同程度的损害。从分值的箱线图分布来看，构建的B-IBI可以将参照点位和受损点位很好地区分开来。另外，支流上游优于干流，各个点位2期评价等级差异不大，基本可以反映松花江流域生态环境状况，具有一定适用性。