基于生物完整性指数的把边江河流生态健康评价

陈昌明，黄晓霞，和克俭

(云南大学 地球科学学院 地球环境实验教学中心，云南 昆明 650091)

河流生态健康指河流生态系统处于良好状态，能够维持生态系统正常的结构和功能，同时能保障河流为人类提供服务和产品的能力的状态[1]。由于水生生物受水文、水环境、底质类别和生境条件等因素的影响，能反映出各种物理、化学和生物因素的变化[1]，常被视为河流生态健康评估的指征。生物完整性指数(Index of biotic integrity，IBI)是水生态系统健康状况评价常用的一种多参数评价方法，它利用生物类群构建综合型指数，相较于单一水理化指标或单一生物指标，其对河流健康状况的评价更全面、客观和准确[1，2]。因此也被广泛应用在各类水生生物的分析评价中[2，3]。底栖动物是水生生物的重要组成部分，在淡水生态系统中广有分布，且对环境干扰敏感，能够综合反映多种环境污染，对水态系统的结构、功能、健康状况有重要的指示作用[4，5]。因此基于大型底栖动物完整性指数(Benthic-index of biotic integrity，B-IBI指数)进行河流、湖泊等水域生态健康的评价成为一种必然趋势[4，6]，广泛应用于水生态调查与研究中。

把边江是国际河流红河的上游支流，流经生境条件复杂，生物多样性丰富、少数民族聚居的云南南部地区，为越南提供跨境水资源服务，深受国际社会的关注。随着把边江流域城镇的快速发展，把边江也面临着水环境与水生态保护的压力，而流域水生态状况调查与研究的相对不足，亟待开展河流水生态健康状况的调查与评估。本研究基于大型底栖动物调查，用B-IBI指数进行把边江河流生态健康评价，以期为该流域的水生态保护和生物多样性研究提供基础数据支撑。

1 研究方法

1.1 研究区域概况

把边江是国际河流红河流域上游一级支流——李仙江的主要支流，发源于无量山脉，河源海拔2 425 m。流域位于东经100°24′～101°45′、北纬22°45′～24°56′，面积约8 988.85 km2。属南亚热带高原季风气候，雨热同期，流域内地形多样，气候条件复杂[5]，植被主要为亚热带常绿阔叶林。把边江先后流经南涧、景东、镇沅等少数民族自治县，流经无量山国家级自然保护区和哀牢山国家级自然保护区，森林覆盖率高。源头到景东县与镇沅县之间的文井镇，多为峡谷地貌，支流短小。文井镇到镇沅县把边乡之间河段，主要流经景东县和镇沅县县城；把边乡以下河段河流比降和流速减小，河谷主要种植咖啡、茶叶、橡胶等热带经济作物[7]。把边江与阿墨江汇流后由江城县东北部出境，流入越南(图1)。

图1 把边江流域位置及采样点分布图Fig.1 Location of Babian River Basin and design of survey sites

1.2 样品采集处理与分析

于2019年雨季末期9月开展实地调查，主要在干支流的交汇点布设样点，在生境明显变化的区域适当加密样点布设。底栖动物的采集采用D形拖网法，同时记录样点河流状况及沿岸土地利用状况、河岸带植被状况等，采样点共计37个(图1)。在每个采样点采取约2 kg底质，将底栖动物挑出来后放置于75%的酒精中，带回实验室完成到科级分类单元的物种鉴别工作[8]。

1.3 确定B-IBI评价指标体系

1.3.1 参照点及干扰点的选择

区分参照点和干扰点是进行B-IBI指数评价的基础。参照点被认为是无干扰的原始健康状态的河流采样点，或干扰活动较少、干扰强度较低的采样点[9，10]，结合把边江流域的具体情况，选取居民地利用率和农田利用率较低、森林覆盖率高、水质优良且周围没有或很少农田种植、无其它强人类干扰活动的样点作为参照点[3，11]。最终7个样点被选做参照点，其余30个样点为干扰点。

1.3.2 B-IBI备选评价参数的选取

计算B-IBI指数的备选参数要求既能充分反映大型底栖动物的各项基本特征，又能较好反映环境变化状况，同时便于计算[11]。本研究选取了包括大型底栖动物物种丰富度、物种多样性、种类个体数量比例、生物耐污能力、功能摄食群类型组成、生境水质健康状况共6个类别27个指标作为把边江流域的B-IBI评价的候选指标(表1)。除常用指标外，为更好地体现群落数量对生物多样性的影响，新增改进的Shannon多样性指数，同时采用不同的丰富度指数，以求更全面的表现把边江流域大型底栖动物的物种和数量特征[8]。

1.3.3 最终评价指标的筛选

结合采样数据，按以下步骤进行核心指标的筛选。

(1)指标数值分布范围分析。计算候选生物参数在参照点中的数值分布范围(表1)，剔除参数数值分布范围太小、标准差过大的7个指标。

(2)判别能力分析。通过箱体图对底栖群落进行分析，根据箱体的重叠情况(图2)，箱体没有重叠或有部分重叠，但各自中位数均在对方箱体范围之外的参数，有较强的判别能力，保留并做进一步的分析。

(3)冗余分析。对剩余指标的参数进行Pearson相关性分析(表2)，相关系数|r|>0.9时被认为指标信息重复度高，仅保留其中一个[10]。筛选时尽量选择不同类型的指标，以更全面地反映水生态健康状况，综合指标间的相关系数与指标的重要性程度，最终选取EPT分类单元数(M2)、改进的Shannon指数(M7)、Margalef丰富度指数(M8)、最优势分类单元个体百分比(M10)、敏感类群分类单元数(M16)、敏感类群个体百分比(M18)、刮食者个体百分比(M22)、BMWP 指数(M25)共8个指标作为核心指标。

1.3.4 B-IBI评价指标的标准化及分值计算

为统一各参数评价量纲，采用比值法计算标准化生物指数值[10]。根据各参数对环境的响应关系，将标准化模式分为随干扰强度数值增加或数值减小两种情况，将通过筛选的B-IBI评价核心指标按照不同的情况进行计算，确定各参数分值的计算公式(表3)，并依此计算各样点核心参数的指数分值。要求计算后分值的分布范围为0～1，若大于1，则记为1。最后将各参数值累加得到各样点的B-IBI指数分值。

表1 候选指标对干扰的反应及其在参照点的分布情况Tab.1 The response of candidate indicators to interference and its distribution at the reference sites

图2 参照点与干扰点候选参数箱线图Fig.2 Box plots of candidate parameters for reference sites and disturbance sites

表2 把边江12个指标间的Pearson相关矩阵Tab.2 Pearson correlation matrix between 12 indicators of Babian River

表3 把边江流域B-IBI核心参数及计算公式Tab.3 The core parameters and calculation formula of B-IBI in the Babian River Basin

1.3.5 B-IBI评价标准及等级划分

以B-IBI值95%分位值作为健康状态阈值分数[12]，样点B-IBI值若大于或等于该值，则表示该样点受外界环境的干扰极小，河流样点的健康水平高[13]，将小于95%分位值的数值分布范围再进行四等分，从高到低依次分为亚健康、一般、差和极差4个等级。

2 结果与分析

2.1 大型底栖动物群落结构组成特征分析

本次把边江共采集到底栖动物26个分类单元，隶属于3门6纲14目26科。其中水生昆虫分类单元最多，总数达18个，其余分类单元较少。从耐污值来看，敏感类群(耐污值≤3)个体百分比高达30.94%，耐污类群(耐污值≥7)个体百分比为18.39%。按照底栖动物数量来看，占比为前三的类群分别是纹石蛾科(24.07%)、扁蜉科(22.57%)、四节蜉科(9.72%)，其中扁蜉科为敏感类群，其余两种均为中等耐污类群。从摄食功能类型来看，捕食者占总分类单元数的38.46%，个体百分比为24.07%；直接收集者占26.92%，个体百分比为25.56%；滤食收集者和刮食者均占23.08%，个体百分比分别为31.39%和29.15%；撕食者仅有7.69%，个体百分比为9.27%，数量较少。

2.2 把边江B-IBI评价结果

从总体上看，把边江的水生态健康水平整体较好。在本次B-IBI评价样点中，达到亚健康及健康的河段占比超过35%，一般等级的占24.32%，差和极差的占40.54%(表4)。

表4 把边江流域B-IBI河流健康评价等级及其分布情况Tab. 4 Grades and distribution of B-IBI River Health Assessment in the Babian River Basin

从空间分布来看，把边乡以上河流的生态健康状态总体较好，40%左右的采样点为健康及亚健康状态，但也出现部分极差等级河段。把边乡以下河段生态健康状态整体变差，43%的河段处于一般等级，最好的为亚健康河段，占比减小至14%。但3个河段的评价结果为一般等级及以上的样点，占比均达到了55%以上。

从干流与支流的对比来看，支流的河流生态健康状况明显优于干流，53%的采样点为健康或亚健康水平，干流则有50%的点处于差和极差水平。从采样点所在位置的土地利用情况看，流经城镇河段的河流健康状况总体要比非城镇河段差，达到健康及亚健康等级的城镇河段不到24%，非城镇河段可达45%；城镇周围评价结果为差和极差的采样点近50%，说明河段流经区域土地利用的差异对河流的健康状况影响很大。

3 结论与讨论

3.1 结论

本研究基于27个候选参数，通过筛选，确定了EPT分类单元数、改进的Shannon多样性指数、Margalef丰富度指数、最优势分类单元个体百分比、敏感类群分类单元数、敏感类群个体百分比、刮食者个体百分比、BMWP 指数等8个指标作为构建B-IBI指数的核心指标。将把边江河流生态健康状况的等级划分标准化确定为：B-IBI≥6.445健康，6.445≤B-IBI<4.834亚健康，4.834≤B-IBI<3.223一般，3.223≤B-IBI<1.611差，B-IBI<1.611极差。评价结果显示，把边江流域的河流生态健康状况普遍较好，35%河段处于健康及亚健康水平，支流的状况好于干流，流经城镇的河段健康状态有所下降。

3.2 讨论

3.2.1 河流生态健康状况及影响原因

把边江作为中亚热带和南亚热带地区河流，气候条件好，生物多样性程度高。且河源流经无量山和哀牢山两大国家级自然保护区，生境保护较好。河流中下段虽然流经景东、镇沅两个少数民族自治县的县政府所在城镇，总体来看经济开发水平和利用度不高，使得把边江生态健康水平整体处在良好的状态。

分析结果也表明，把边江河流生态健康状态还是受到了城镇发展及人为干扰活动的影响，尤其以景东文井镇到镇沅把边乡一段最为典型。这一段为城镇集中分布区，流经的两个县政府所在城镇规模较大，且此地区目前工程建设项目较多，对水质以及水环境造成一定影响，底栖动物的栖息环境在短时间内难以恢复，使得该河段B-IBI指数较低。但把边乡以下河段城镇分布减少，人为干扰相对较弱，河流水环境的恢复迅速，大部分采样点都恢复到了健康和亚健康等级，说明把边江的生态恢复能力还是比较强的。此外，源头河段流经两大自然保护区，还是存在个别样点受到人为干扰，河流健康状况较差的情况。另外，流域内部分河段仍然存在河流沿岸的排污点与垃圾堆放点布置不合理，污染物未能集中处理达标后再行排放情况，管理不善可能引起水质恶化，需引起重视。相关部门已经采取了严格的管控措施，需要进一步落实和执行。

3.2.2 把边江河流管理与保护建议

研究结果表明，B-IBI指数能客观真实的反应所评价河流生态健康的实际情况，对河流的水生态系统健康管理具有一定的指导意义。把边江作为流经区域生物多样性异常丰富、水资源与水环境保护具有特殊意义的河流，加强水生态的保护与管理极有必要。但少数民族区域经济社会的可持续发展与生态系统健康的保护同等重要，城镇河段与非城镇河段、干流与支流客观存在着河流健康状况的差别，根据发展需要和区域特点，对河流采取分级、分类、分段管理，不失为一种切实有效的办法。

另外，随着流域城镇的不断发展，各种人为干扰因素不断增加，河流水环境也面临各种压力和变化。因此，对河流水生态系统健康的调查与保护，以及河流水环境、水生态的监测有必要进一步加强。虽然已初步开展了水生态调查与研究，但仍需更多地补充不同季节、不同土地利用类型区域的河段调查工作，以及持续的水生态系统状况的跟踪监测工作，同时还可以增加鱼类、藻类等水生生物的监测，以便更全面准确地了解流域河流生态健康状况，为区域的生态文明建设以及区域可持续发展提供有力保障。

致谢：本次野外调查工作得到了刘琦博士、季文华博士、朱湄、宋义、曾睿钦等同学的帮助和支持，物种鉴定由朱湄、刘虹等协助完成，特此致谢。