基于底栖生物指数评价生态系统健康状况的研究进展

王桂营 刘小贤 冯曾光 单晨枫 马成龙

摘 要：生态系统健康是指生态系统所具有的稳定性与可持续性，即时间上可保持其组织结构、自我调节能力、胁迫恢复能力。该文阐述了应用广泛的底栖生物指数对生态系统健康状况评价的研究进展，介绍了底栖生物指数（指示物种、AMBI指数、BENTIX指数、群落多样性指数、M-AMBI指数）的原理以及适用的生态环境状况，探究5种底栖生物指数的内在联系，建立针对不同生态环境的底栖生物指数体系。

关键词：底栖生物指数;生态系统健康;评价方法

中圖分类号 X826文献标识码 A文章编号 1007-7731（2021）13-0169-05

Abstract： Ecosystem health refers to the stability and sustainability of the ecosystem， that is， the ability to maintain its organizational structure， self-regulation ability， and stress recovery ability over time. This article mainly describes the research progress of the widely used benthic index to evaluate the health of the ecosystem. It mainly describes the principles of benthic index （indicating species， AMBI index， BENTIX index，community diversity index，M-AMBI index） and the applicable ecological environment.

Key words： Benthic index; Ecosystem health; Evaluation method

1 引言

Rapport首次论述生态系统健康含义，认为生态系统健康是指生态系统所具有的稳定性和可持续性[1]。Schaeffer在生态系统健康评价方法的研究中提出，评价方法应建立在一系列指数应用的基础上[1]。2000年欧盟提出的“水框架指令”极大促进了生物指数发展[2]。水域生态系统中用于生态评价的生物群体主要包含藻类、鱼类、浮游动植物、底栖生物等，其中基于底栖生物群体的方法约占全部评价方法的27%[3]。目前，底栖生物指数在研究中使用最为广泛[4]，主要包含指示物种、AMBI指数、BENTIX指数、群落多样性指数（H′多样性指数、J′均匀度指数、d丰富度指数）、M-AMBI指数、BQI指数、BOPA指数、MPI指数、B-IBI指数等[5-10]。利用底栖生物指数的方法评价生态系统健康的研究主要集中在指示物种、AMBI指数、BI指数、BENTIX指数、H′多样性指数[11]。罗源湾生态系统健康评价方法研究中，主要应用AMBI指数、BENTIX指数、H′多样性指数、M-AMBI指数[6]。莱州湾及近岸水域生态系统健康评价方法研究中，主要应用AMBI指数和H′多样性指数[12]。厦门五缘湾生态系统健康评价研究中，主要应用AMBI指数和M-AMBI指数[13]。我国使用较为广泛的底栖生物指数包含指示物种、AMBI指数、BENTIX指数、群落多样性指数（H′多样性指数、J′均匀度指数、d丰富度指数）、M-AMBI指数。水域生态系统健康状况评价方法还包含指标体系的综合性方法[14]。指标体系建立需要结合化学、物理、生物等方法，分别评价环境子系统、功能子系统、群落子系统的健康状况，通过权重加成评价出生态系统整体的健康状况[15-18]。

2 底栖生物指数

2.1 指示物种 指示物种是指在特定区域范围内，可以反映并指示环境或某一因子特征的生物物种[5]。1916年德国Wilhelmi学者首次提出用小头虫（Capitella）指示海洋污染情况，开辟了利用生物物种评价海洋污染的研究领域[19]。1967年Bellan在有机物污染的研究中指出，根据现存物种对某一区域指定污染等级的可能性[20]。1970年实施的“美国贻贝监测计划”与“国际贻贝监测计划”是利用贻贝对污染物敏感的特性来监测海洋污染状况[21]。

遵循指示物种的方法，学者将注意力集中于存在或不存在指示物种制定了生物学指数，如Bellan指数和Bellan-Santini指数，分析污染指示物种优势度和无污染指示物种优势度间的关系[22-23]。Bellan指数和Bellan-Santini指数具有相同的公式与解释，只是指示物种类群不同（Bellan指数指示物种为多毛类，Bellan-Santini指数指示物种为片脚类）。指数具体公式见式（1），指数值超过1时表示已受到污染，随着指数值的增加，污染程度也随之增加。有学者认为Bellan和Bellan-Santini指数不可取，因为指示物种经常存在于相对密度较高的区域，且无法确定哪类指示物种可以较好地指示无污染状况[24]。2001年生态系统健康评价方法与方向的研究中列举出指示物种类群主要包含浮游生物（自养浮游生物、纤毛原生生物）、底栖无脊椎动物、高营养级鱼类等[1]。

[IP=污染指示物种优势度无污染指示物种优势度] （1）

2.2 AMBI指数 根据底栖生物对环境污染（有机物富集）不同程度的敏感性，将底栖生物分为5个生态组[2，25]。GⅠ：对有机物富集非常敏感，存在于无污染条件下的物种;GⅡ：对有机物富集不非常敏感的物种;GⅢ：能承受大量有机物富集的物种;GⅣ：第二级机会种（轻度到严重失衡状态过渡）;GⅤ：第一级机会种（严重失衡状态）[6，26]。计算公式见式（2），评价标准值见表1。

AMBI=[（0×%GⅠ）+（1.5×%GⅡ）+（3×%GⅢ）+         （4.5×%GⅣ）+（6×%GⅤ）]/100 （2）

AMBI指数计算采用AMBI V5.0 软件，在计算前需先去除非大型底栖无脊椎动物的种类，并且将物种名录和WoRMS网站名录进行核对与修订[13]。AMBI指数起初建立在有机物和营养物富集的区域[30]，由于厦门五缘湾、福建海湾、渤海潮间带、罗源湾等区域生境与起初建立区生境存在一定差异，导致AMBI指数评价污染程度偏低[3，6，13，26]。研究表明：在盐度>25、站位物种较丰富且数量较均匀或者在GⅣ和GⅤ类群相对丰度较高的莱州湾区域，采用AMBI指数能更好地反映底栖生物群落受干扰状况[12，29]。由此可见，AMBI指数的应用需要考虑研究区域的生境和物种丰富性、均匀性以及生态分组中GⅣ、GⅤ类群的相对丰度等。水域生态系统健康评价研究时，AMBI指数需与其他指数配合使用，才能更合理有效地评价环境质量状况。

2.3 BENTIX指数 BENTIX指数在AMBI指数的基础上，将AMBI指数的5个生态组减少为2个生态分组，避免物种分类有误[31]。BENTIX指数包含敏感物种生态组GS和耐受物种生态组GT，GS=GⅠ+GⅡ+GⅢ，GT=GⅣ+GⅤ[32]。计算公式见式（3），评价标准值见表2。

BENTIX=（6×%GS+2×%GT）/100 （3）

BENTIX指数的计算由BENTIX Add-In v.1.0软件完成[34]。BENTIX指数起初建立于地中海贫营养区域[35]，由于罗源湾区域生境与起初建立区生境存在一定差异，使得BENTIX指数评价结果不完全合理[6]。应用AMBI指数、BENTIX指数、ABC曲线对启东近岸海域底栖动物群落健康评价的研究结果表明，少数站位ABC曲线评价结果较严重，总体上3个方法评价结果较为一致[34]。应用不同生物指数评价地中海西北海域底栖生物状况的研究中，AMBI指数和BENTIX指数评价污染程度相对偏低，但其评价等级波动相对较小[36]。应用不同生物指数评价地中海港口环境状况的研究表明，BENTIX指数适用于评估地中海港口环境状况，且在不同季节、不同站位间差异性不大，但在污染严重的船厂港口，BENTIX指数评价污染程度相对较高[37]。由此可见，BENTIX指数应用在环境污染较轻的生态区域时，会导致其评价污染程度相对偏低;应用在环境污染较严重的生态区域时，会导致其评价污染程度相对偏高。BENTIX指数和AMBI指数为同类生物指数：当GⅣ生态组类群所占比例较高时，BENTIX指数可能会比AMBI指数评价污染程度高;当GⅡ或GⅢ或GⅡ+GⅢ生态组类群所占比例较高时，BENTIX指数可能会比AMBI指数评价污染程度低。

2.4 群落多样性指数

2.4.1 Shannon-Wiener多样性指数 Shannon-Wiener多样性指数是以信息理论为基础，假设个体是从一个“无限大”的群落中随机抽取，所得物种都存在样本中[38]。计算公式见式（4），评价标准值见表3。

[H′=-i=1spilog2pi] （4）

式中：H′是Shannon-Wiener多样性指数代表符号;S是样本物种数;pi是物种i在样本中个体比例，通过Ni/N的比值来估算，其中Ni=物种i的个体数量，N=个体总数[39]。

H′指数的计算由软件PRIMER完成[44]。罗源湾生态环境质量状况评价研究表明，H′指数比AMBI指数、BENTIX指数更能合理地评价罗源湾环境状况[6]。生物指数在福建近岸海域的适用性的研究结果表明，H′指数评价等级梯度明显，更适合该区域，也能够反映主要的环境压力[3]。莱州湾及邻近海域底栖生境健康评价的研究表明，当物种丰富且数量均匀以及生态组GⅣ、GⅤ类群所占比例较高时，H′指数评价的污染程度会偏低[12]。与AMBI指数相比，H′指数指示环境污染状况更敏感，而AMBI指数指示底栖群落质量状况更敏感[27]。研究表明，H′指数在单一物种相对丰度较高且底栖生物群落明显不平衡时更加适用[29]。由此可见，H′指数在多数研究区域评价结果等级梯度明显且更为合理。多数研究中，H′指数比AMBI指数、BENTIX指数评价污染程度偏高;而在生态组GⅣ、GⅤ类群所占比例较高，物种丰富且均匀时，H′指数评价的污染程度偏低。H′指数应用在污染较严重、物种丰富且均匀的生态区域时，会导致其评价结果不合理，需结合其他指数进行分析。H′指数应用于单一物种相对丰度较高且底栖生物群落明显不平衡的区域时，其评价结果较其他指数会更合理。

2.4.2 Pielou均勻度指数 Pielou均匀度指数基于Shannon-Wiener多样性指数，主要描述物种间的均匀程度，反映生物群落是否存在不平衡情况，间接指示环境污染状况[45]。计算公式见式（5）。

[J′=H′/H′max=H′/log2 S] （5）

式中：J′是Pielou均匀度指数代表符号;H′max是Shannon-Wiener多样性指数最大可能值;S是样本物种数。J′指数具体计算过程由软件PRIMER完成。J′指数取值范围为0～1，越接近1说明均匀程度越高[46]。

2.4.3 Margalef丰富度指数 Margalef丰富度指数是通过将具体物种丰富程度和个体总数相关联来量化多样性[47]。计算公式见式（6）。

[d=（S-1）/logeN] （6）

式中：d是Margalef丰富度指数代表符号;S是样本物种数;N是个体总数。

d指数具体计算过程由软件PRIMER完成。应用d指数时主要问题是没有较好的评价标准值，但后续研究中建立了d指数评价标准值：正常或轻度污染>4，中度污染4～2.5，高度或严重污染<2.5[30]。d指数评价标准值是针对葡萄牙河口建立的，由于区域生境间存在差异，因此该评价标准值在我国的合理性还需进一步研究。综合以上研究，J′指数和d指数主要反映生物群落结构组成情况，多数研究中辅助H′指数评价环境状况[42-47]。当J′指数和d指数值相对较高，且GⅣ和GⅤ生态组类群所占比例较高时，会导致H′指数评价污染程度偏低;当J′指数和d指数值相对较低，且GⅣ和GⅤ生态组类群所占比例较低时，会导致H′指数评价污染程度偏高。

2.5 M-AMBI指数 M-AMBI是包含AMBI指数、H′指数和物种丰度S的综合性指数[48]。应用M-AMBI指数时首先需要确定AMBI指数、H′指数以及物种丰度S的参考基准值，具体计算过程由软件AMBI V5.0完成[49]。M-AMBI指数参考基准值有3种确定方法，主要区别在于等级优参考基准值确定方法。首先将已知数据建立数据序列，去除数据序列的异常值。第1种：AMBI指数取数据序列最小值的0.85倍，H′指数和物种丰度S取数据序列最大值的1.15倍为等级优参考基准值[50];第2种：AMBI指数取数据序列最小值，H′指数和物种丰度S取数据序列最大值为等级优参考基准值[51];第3种：AMBI指数取数据序列的第10%位值，H′指数和物种丰度S取数据序列的第90%位值为等级优参考基准值[52]。这3种方法等级劣参考基准值均分别为AMBI指数=6、H′指数=0、物种丰度S=0[50-52]。

第1种方法：将AMBI指数、H′指数和物种丰度S在最好状态下的结果扩大化，實际状态相对较差，导致M-AMBI指数值偏低。第3种方法：将AMBI指数、H′指数和物种丰度S在最好状态下的结果缩小化，实际状态相对较好，导致M-AMBI指数值偏高。研究表明：当GⅣ、GⅤ生态组类群占大部分比例时，可能使用第1种方法计算的M-AMBI指数值所对应的评价等级更符合实际情况;当GⅣ、GⅤ生态组类群占少部分比例时，可能使用第3种方法计算的M-AMBI指数值所对应的评价等级更符合实际情况[50-52]。

利用AMBI指数、BENTIX指数、H′指数、M-AMBI指数评价罗源湾生态环境质量状况，结果表明在沉积物有机富集低且底栖生物组成以敏感种为主的区域，使用H′指数和M-AMBI指数更能合理地评价生态环境质量状况[6]。当单一物种相对丰度较高且底栖生物群落明显不平衡时，使用H′指数和M-AMBI指数评价环境质量状况更为合理;当GⅣ、GⅤ生态组类群占比较高且物种间均匀时，使用AMBI指数和M-AMBI指数评价环境质量状况更为客观[29]。

3 结语

建立在以底栖生物群落为研究对象的生物指数法，已成为评价和监测水域生态系统健康状况的重要工具之一[11]。水域生态系统存在较高的复杂性和高度可变性以及受多种环境因素的影响，使得生态系统健康状况评价的合理性主要依赖于生物指数的选择[11]。底栖生物指数的选取需要考虑研究区生态环境及研究区底栖生物群落结构。不同底栖生物指数适用于不同的生态环境，相互配合使用从而达到对生态系统健康状况最准确、最合理的评价。目前我国正在探索用于生态系统健康状况评价的完整性指标体系。随着科技的发展，生态系统健康评价指标体系将会逐渐完善。完善后的指标体系会包含理化指标（水质、底层土壤性质、大气状况）、生物学指标（营养结构、初级生产力、能量流动、生物多样性、抵抗力、恢复力等）、经济指标（经济可持续发展性、公众环境保护意识、人类-环境-经济整体协调性）等[14，18]。

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