永定河京津冀段底栖动物群落结构特征及水生态健康评价

2021-09-03孟翠婷程全国

沈阳大学学报(自然科学版) 2021年4期

孟翠婷,郎琪,雷坤,程全国*,李秀

(1.沈阳大学生命科学与工程学院,辽宁沈阳 110044;2.中国环境科学研究院水生态环境研究所,北京 100012)

河流生态系统与人类的生活息息相关,随着社会的快速发展,河流生态系统也发生巨大变化[1],生境破坏、水质恶化等问题更加突出,严重影响河流生态系统[2].协调人类活动与河流生态系统健康的关系,提高人民的生存质量是当前全球迫切需要研究和解决的问题.底栖动物是淡水生态系统中最稳定的生物类群,它们的群落特征和季节性动态变化能准确反映河流生态系统变化规律[3],相对于其他水生生物,底栖动物具有活动范围小、易鉴定、对环境变化较为敏感等特点[4-5],开展底栖动物的采集对栖息地生境影响小,不会破坏其结构,且可以为河流健康研究提供有利信息,是最理想的指示生物[6].因此,研究水生态系统大型底栖动物的群落结构特征可有效反应栖息地质量状况,可作为河流生态健康评价体系的重要依据.

基于底栖动物评价河流健康的研究被国内外学者广泛关注,Kerans等[7]最早通过底栖动物生物完整性评价指标体系(benthic index of biotic integrity,B-IBI)进行河流健康评价,该方法体系也是美国环保署(EPA)重点推荐的河流健康评价体系[8].我国在利用底栖动物评价河流健康方面有大量研究,主要集中在长江流域[9-10]、辽河流域[11-12]、太湖[13]、北运河流域[14-15]及永定河流域[16]也开展了底栖动物监测工作,并将其作为河流水生态健康评价的重要组成部分,穆林青等[16]研究发现,永定河底栖动物生物完整性较差,流域底栖动物群落呈现退化的趋势.本文对永定河流域京津冀区域大型底栖动物开展调查,分析水环境特征和底栖动物群落结构特征,明晰生境差异对底栖动物群落结构的影响,以便更加精准地分析水生态健康状况,以期为水生态治理与修复与水环境管理提供技术支撑.

1 研究方法

1.1 调查与采样

于2020年9月秋季在永定河流域京津冀段进行了大型底栖动物和环境因子调查,共布设30个采样点,点位布设参考国控断面,主要在桑干河、洋河、永定河干流、官厅水库、友谊水库上下游及各支流汇入点布设点位(见图1).

图1 永定河流域京津冀段采样点位分布Fig.1 Distribution of sampling points in Beijing-Tianjin-Hebei region of Yongding River Basin

调查中使用水质分析仪(YSI Pro2000)以及相关便携式仪器现场测定pH值、电导率、溶解氧、水温、盐度等环境因子.氨氮、氟化物、总溶解固体(TDS)和硝酸盐质量浓度等环境参数的采集和分析方法按照《水和废水监测分析方法》相关规定执行.生物指标的筛选、敏感性检验等分析在SPSS 22中完成.

1.2 B-IBI评价体系构建

1.2.1 参照点的选取原则

选择适宜参照点是B-IBI评价体系的基础[17],目前参照点的选取标准存在较大争议[18],通常将栖息地质量评分(qualitative habitat evaluation index,QHEI)作为选取参考点的重要标准[19],本研究根据现场调研情况,综合考虑水质、QHEI评分和人为干扰状况[20]选择参照点.QHEI评分参考郑丙辉等[19]提出的经验法进行现场评分,对堤岸自然性、植被多样性等10项参数分别评分(评分范围为0～20).

1.2.2 指标筛选

指标筛选参考张远等[11]的方法,候选指标(见表1)采用标准化方法筛选核心参数,这些指标可以综合反映群落丰富度、水质状况以及群落多样性,从而有效地反映和评价水生态健康状况.主要包括以下3个步骤.

表1 永定河流域河流生物完整性评价候选指数Table 1 Candidate parameters for assessment of river biological integrity in Yongding River Basin

1)分布范围分析.对候选参数在所有点位中的分布频率进行分析,剔除分布范围较小或者零值过多的指标(≥95%),余下的指标进入下一步分析.

2)判别能力分析.根据Barbour等[8]的研究,采用箱线图法选择能最佳区分参照点和受损点的参数;箱体表示25%～75%分位数值分布范围(IQ)情况.参照点和受损点中位数均在对方箱体之外的参数方可通过筛选,进行下一步研究.

3)相关性分析.对保留的参数进行Pearson相关性分析,当|r|≥0.75时,表明参数相关性较高,所反映的信息重叠较多,选择其中1个参数即可反映出参数所表达的大部分信息,经过以上步骤,可以选出构成B-IBI体系的生物指标.

1.2.3 IBI得分计算

参考孔凡青等的研究[21],选用比值法计算IBI得分,具体方法如下:

式中:Vi′为标准化后的参数值;V95%为参数的95%分位数;Vi为参数值;Vmax为参数的最大值;V5%为参数的5%分位数.

干扰越强而数值越小的参数,以95%分位数为最佳期望值,利用式(1)进行标准化;干扰越强而数值越大的参数,则以5%分位数为最佳期望值,利用式(2)进行标准化.

1.2.4 评价标准划分原则

采用比值法计算指数的分值.以参照点位B-IBI指数值分布的25%分位数进行健康等级标准进行划分,25%分位数为最佳值,低于该值的指数分为5等分,从大到小依次为:健康、较好、一般、较差、差.

1.2.5 适用性验证

参考《河流水生态环境质量检测与评价技术指南》进行适用性验证,参考点“健康”与“较好”比例不低于60%方可通过适用性验证.

2 结果与分析

2.1 水环境理化特征分析

栖息地质量评分见图2.采样点点位QHEI偏低,丰、平水期QHEI在39～80分之间,永定河流域河流受干扰程度较严重;QHEI空间差异性表明流域区域生境状况差异较大,官厅山峡段和桑干河上游QHEI较高,生境状况较好,洋河段和平原段QHEI较低,栖息地生境受人为破坏较严重.

图2 栖息地质量评分(QHEI)Fig.2 Qualitative habitat evaluation index(QHEI)

2.2 群落结构特征

底栖动物物种分布和物种种类见图3和表2,底栖动物多样性特征指数见图4,共采集到底栖动物3门6纲34种,其中昆虫纲12种,占35.29%,软甲纲、瓣鳃纲、寡毛纲各2种,各占5.88%,腹足纲15种,占44.12%,蛭纲1种,占2.95%;底栖动物分布特征存在明显的空间差异性,物种数在B4点位官厅山峡段最高,物种数最低的点位位于平原段;多样性等指数在官厅山峡段高于洋河段和平原段.这与贺玉晓等[22]的研究结果较一致.

表2 底栖动物种类Table 2 Species of benthos

图3 底栖动物物种数Fig.3 Number of species in normal season and wet season

图4 底栖动物多样性特征指数Fig.4 Benthos animal diversity characteristic indexes

2.3 IBI评价结果

2.3.1 参照点选取结果

根据实地调研情况,结合QHEI、水质状况和人为干扰程度,本研究筛选了7个点位为参照点,其余为受损点位.参照点位位于山区,受损点位位于农田与城市周边.

2.3.2 指标筛选结果

经判别能力分析,BI指数、多样性指数、丰富度指数3个参数参照点和受损点中位数均位于对方箱体之外,通过筛选,且以上指标均通过相关性分析|r|≤0.75,进入下一步分析.

2.3.3 评价标准

以参照点位B-IBI得分值分布的25%分位数作为河流“健康”评价标准,共分为5个等级,见表3.

表3 水生态健康评价标准Table 3 Evaluation criteria of water ecological health

2.4 永定河流域河流健康评价

评价结果见图5,京津冀段水生态健康状况不佳,且具有明显的空间差异性,近半数点位处于“差”和“较差”的状况,健康与较好比例仅占33.3%,其中,“较差”的状况占比为33.3%,“较好”占23.3%,“一般”和“差”各占16.7%,评价结果为“健康”的点位仅占10.0%;评价结果为“健康”和“较好”的状况位于桑干河段和官厅山峡段,评价结果为“差”和“较差”的状况位于洋河段和平原段.根据评价结果,官厅山峡段和桑干河段整体健康状况较好,洋河段和平原段健康状况不佳,亟需开展河道治理与生态修复.

图5 永定河流域水生态健康评价结果Fig.5 Evaluation results of water ecological health in Yongding River Basin

2.5 适用性验证

经验证,参照点的区分效率为85.7%(>60%),通过适用性验证,表明本研究所构建B-IBI体系适宜进行京津冀区域水生态健康评估.

3 讨论

为识别永定河北京段水生态健康状况,对永定河京津冀段30个采样点进行了底栖动物群落结构特征分析与B-IBI健康评价,结果表明,底栖动物存在明显的空间差异性;生物多样性区域性差异显著且水生态健康状况不佳.这与贺玉晓等[22]、穆林青等[16]的研究结果较一致.永定河水生态状况整体较差,主要原因可能是近几十年以来,降雨量减少,永定河流域自上而下修建了大量水库,拦截水量[23],造成河流汇流缓慢、水量锐减、水污染加剧,进而造成区域生态严重退化、水功能区达标率低.