基于大型底栖动物完整性指数和多样性综合指数评价黄河榆中段河流生态健康状况

周静，白雪兰，刘哲，王乃亮，陈书杰，段鹏飞，王元丽

(1.甘肃省生态环境科学设计研究院，甘肃 兰州 730020；2.甘肃农业大学动物科学技术学院，甘肃 兰州 730070)

健康的水生态系统具有稳定性和可持续性，即在时间上具有维持其组织结构、自我调节和对胁迫的恢复能力[1]，这是河流生态系统物种多样、物产繁多的主要根源，更是保护河流生态系统健康不容忽视的内容.随着“山水林田湖草是一个生命共同体”的科学理念和“三水统筹”“黄河流域生态保护和高质量发展”等思路的提出，河流生态健康状况也成为当前水生态环境关注的焦点之一.由于水环境质量的优劣往往引起水体中生物生理功能、种群密度、群落结构及物种丰富度的改变，利用水生生物指标评价河流生境健康已成为当前主流的方向[2].

生物完整性指数(index of biotic integrity,IBI)常用来描述生物与非生物因素之间的关系，依据多个生物参数的情况来反映水体的生态状况，进而评价河流乃至整个流域的健康状况[3].IBI自提出以来，其研究方案不断更新，使用领域逐渐扩大，目前已成为世界各国评价河流健康状况的一种有效而直接的途径.它通过多个生物参数的计算来反映水体生态系统的完整性，进一步评价河流生态的健康状况.与水生生物完整性指数相似，水生生物多样性指数也可以利用多个指标综合评估河流水质，进而表征河流生态的健康状况.

由于大型底栖动物在河流健康评价中具生命周期长、运动范围固定、采样操作简单且成本低，而且不同功能属性分类方式的底栖动物指示不同类型的环境干扰等诸多优点[4]，因此在水生态研究范围内，大型底栖动物在用作监测水环境、反映水体健康与否方面扮演着重要角色.本研究构建了黄河榆中段河流大型底栖动物完整性指数(benthic index of biotic integrity,B-IBI)评价体系，通过该体系对研究范围的水域生态健康进行了评价，并与大型底栖动物多样性指数的评价结果进行了比较，为治理黄河榆中段河流环境问题提供了依据和参考.

1 研究区域概况及方法

1.1 研究区域概况

榆中县是丝绸之路经济带—兰西城市群东部发展轴带重要支点，全县总面积3 301.64 km2，地理位置极为重要.黄河是榆中县境内最大的过境河流，流经来紫堡、青城、上花岔、园子岔4乡镇，至乌金峡出境，总长51 km.沿途有水磨沟、柳沟河、宛川河、烧炭沟、麋鹿沟、红岘沟、王岘沟、大浪沟、苦水沟等14条支沟直接流入黄河，流域总面积1 301 km2，除宛川河和柳沟河有小股常流水外，其余12条沟均系山洪沟，无常流水.

本研究选择底栖动物群落稳定性高、河流处于低水位的枯水季节布设样点.根据文献及相关指南对样点布设的要求[5]，本次点位布设兼顾干流与支流及生境的代表性(选取不同生境特征，如浅滩、深水、支流与干流交汇处、河湾、干扰受损处、水生植物丰富区且生态良好处等)，设计10个检测断面，其中干流6个(上游桑园子段3个，分别为桑园子村S1、东坪村S2和大河坪S3；下游青城段3个，分别为苇茨湾村S4、瓦窖村S5和尖山湾S6)，柳沟河2个(祁家坡S7、方家泉村S8)，宛川河2个(齐家坪S9、金崖S10)，样点分布见图1.

图1 黄河榆中段河流样点分布图Figure 1 Distribution of sampling sites in the Yuzhong section of the Yellow River

1.2 研究方法

1.2.1 底栖动物标本采集 对于浅水滩，使用索伯网(60目，采样面积0.1 m2)采集泥样，对于不能涉水的深水区，运用彼得逊采泥器(1/16 m2)获取泥样.每个样点采到的样品在现场用60目分样筛轻柔洗涤、过滤，过滤后的残渣当天运回实验室于40目筛下再套一个60目的筛进行洗涤直至污泥完全干净.然后将残渣倒入白色解剖盘内，加适量清水，借助放大镜按大类仔细拣出全部底栖动物.过小的动物(如昆虫幼体)用小镊子、解剖针拣选，柔软较小的动物用毛笔分拣.对分拣后的底栖动物，借助解剖镜、显微镜观察形态进行分类鉴定，记其数量并称质量，称质量时将标本移入自来水中浸泡3 min，然后用吸水纸吸干表面的水分，再用电子天平(精度0.000 1 g)称质量[6-8].

1.2.2 B-IBI指数评价体系的构建

1.2.2.1 参照点的选取 由于受损点和参照点之间的比较是计算有关指数的关键[3]，尤其是将参照点纳入采样范围对评价准确性有极大影响，而目前人类对自然的干预越来越大，无人为干扰的样点很难找到，因此，只选取受人为干扰较少(如采样点附近历来或较长时期无污染排放、无挖沙取石、无架桥修路及无筑坝固堤等事件)的样点作为参照点[9].本次研究通过实地调查，以S3、S6、S7和S9为参照点，其余6个明确有人为干扰活动的样点为受损点.由于S1中没有检出底栖动物，构建B-IBI评价体系时不做考虑，将其剔除.

1.2.2.2 选取候选生物参数 结合黄河榆中段河流实际情况，为尽可能准确反映人类活动对水体中大型底栖动物结构、数量与功能的影响，同时考虑各指标数据的可获得性，本研究选取4种类型合计13个生物参数(表1)作为候选指标，即选取物种丰富度(包括总分类单元数、双翅目分类单元数、Shannon-Wiener多样性指数和Simpson多样性指数[13])，物种个体数量比例(包括最优势分类单元个体百分比、双翅目个体百分比和寡毛类个体百分比)，生物耐污能力(包括敏感类群分类单元数(耐污值<4)、耐污类群分类单元数(耐污值>6)、敏感类群个体百分比和耐污类群个体百分比)以及水质健康状况(包括biological monitoring working party指数，即BMWP和average score per taxon指数，即ASPT)构建B-IBI指标体系，计算过程中底栖动物耐污值的取值参考有关文献，并将不同分制的耐污值(如少数文献采用7分为满分值)统一换算为10分制的值[13].

1.2.3 底栖动物多样性指数值的计算 大型底栖动物多样性指数的计算方法参考有关文献[14]，选取总分类单元数、Berger-Parker优势度指数(BP)、大型底栖动物 EPT 科级分类单元比(EPTr-F)和BMWP指数，通过对参数进行标准化处理统一量纲(归一化处理)后算出4个参数的算数平均值，即得到大型底栖动物多样性综合指数.

表1 13个候选生物参数及对干扰的反应

2 结果与分析

2.1 底栖动物群落结构组成

本次挑检出大型底栖动物共计11属种，隶属于3门3纲4目.其中属种分类最多的软体动物门有6种，种类最多的基眼目占本门种类数的66.7%.其次是节肢动物门，有4种，仅有双翅目一目.属种分类最少的环节动物门仅1种，属近孔寡毛目一目.在10个样点中，桑园子村(S1)未检出底栖动物，最大分类单元数出现在尖山湾(S6)，有5种，底栖动物名录见表2.

2.2 B-IBI的结果分析

2.2.1 筛选候选生物参数 黄河榆中段河流的13个候选生物参数在4个参照点的分布情况见3，参数M4、M6、M7、M8、M10和M11的数值分布范围过窄或数值中出现零值较多，这表明这些参数对外界干扰的反应不灵敏，予以剔除.

用箱线图[9]对保留的7个候选参数进行判别能力分析，得到同一参数在参照点和受损点的分布情况(图2)，比较参照点和受损点的箱体(参照点和受损点的25%分位数至75%分位数之间)重叠情况，中位数彼此不在对方箱体范围内的参数予以保留，根据箱线图分析结果，将参数M9剔除.

表2 黄河榆中段干支流中大型底栖动物名录

表3 13个候选生物参数在4个参照点的分布

为确保剩余参数反映信息不重叠，对剩余6个参数正态分布检验后进入Pearson相关性分析，指数间相关性越显著表明两个参数反映的信息出现冗余，只需保留其中一个构建最终的评价体系即可.由表4可知，总分类单元数(M1)与双翅目分类单元数(M2)、Shannon-Wiener多样性指数(M3)、BMWP指数(M12)极显著相关(P<0.01)，与ASPT指数(M13)显著相关(P<0.05)，故将M1首先剔除.最优势分类单元个体百分比(M5)与总分类单元数(M1)相关不显著，保留最优势分类单元个体百分比(M5).双翅目分类单元数(M2)与Shannon-Wiener多样性指数(M3)、BMWP指数(M12)极显著相关(P<0.01)，由于Shannon-Wiener指数(M3)多用于多样性指数计算，在B-IBI指标体系构建中较少使用，故保留双翅目分类单元数(M2)，将Shannon-Wiener多样性指数(M3)、BMWP指数(M12)剔除.同时双翅目分类单元数(M2)与ASPT指数(M13)不相关，将ASPT指数(M13)予以保留.最终确定出构成B-IBI体系的核心参数有：双翅目分类单元数(M2)、最优势分类单元个体百分比(M5)和ASPT指数(M13).

R为参考点，D为受损点.R：Reference sites；D：Damaged sites.图2 候选生物参数在参照点(R)和受损点(D)的分布Figure 2 The distribution of candidate biological parameters at the reference sites(R) and the damaged sites (D)

表4 6个候选生物参数的相关性分析

2.2.2 建立评价标准 最终筛选的参数用比值法统一量纲，对于随人为干扰而减小的核心参数M2和M13，分值通过实测值/最佳期望值计算，其中最佳期望值为参照点的95%分位数.对于随人为干扰而增大的核心参数M5，分值计算表达式为：(最大值-实测值)/(最大值-最佳期望值)[5]，这时最佳期望值为参照点的5%分位数.根据上述算法，通过各样点的有关数据得到3个核心参数的计算公式如表5，根据该公式计算全部样点的各核心参数分值，所得分值应在0～1的分布范围内，大于1时取1.

将每个样点的3个核心参数的分值相加，得到B-IBI的指数值.以参照点B-IBI值分布的25%分位数值作为“健康”评价的标准，对小于25%分位数值的分布范围进行四等分[15]，从而确定黄河榆中段河流的B-IBI指数值的评价标准(表6).

2.2.3 评价结果 根据确定的健康评价标准，得到黄河榆中段河流B-IBI评价结果如表7所示，在10个样点中，3个样点健康，4个样点亚健康，1个样点较差，2个样点极差.平均B-IBI为0.836，对应的等级为“一般”.

表5 核心参数的计算公式

表6 黄河榆中段河流的B-IBI指数值的评价标准

表7 黄河榆中段干、支流10个样点的生态健康状况

2.3 底栖动物多样性指数评价结果

大型底栖动物多样性综合指数见表8，根据相关评价标准(表9)[16]，得出10个采样点中，健康状况一般和较差的样点各1个，其余8个样点健康状况为差.

表8 大型底栖动物多样性指数的标准化处理数据

表9 大型底栖动物多样性综合指数评价标准

2.4 样点实际生境特点与评价结果的一致性分析

表10列出了采样时观察、调查到的样点实际生境特点，将其与两种评价结果对应比较，可以发现，以B-IBI评价的结果与样点的实际生境一致性较高，且其可将样点区分为4个不同级别，区分度相对于多样性综合指数也较优.

表10 评价结果与样点实际生境的一致性

3 讨论

河流大型底栖无脊椎动物具有相对较长的生活周期、较高的生物多样性，且很多种类在其生活史中至少有一部分时间对生境有特定的要求，所以对人类干扰会产生较为敏感的生态效应，常用作指示生物来评价河流水质状况.目前，应用底栖动物评价水质常用的指数有Shannon-Wiener多样性指数、BP优势度指数、Margalef多样性指数、Good-night指数、Beck指数、Trent指数、Chandler指数、BMWP计分系统和BBI计分系统，针对部分指数及计分系统的相关研究近年来在国内广泛开展，以底栖动物为研究对象发展起来的IBI评价体系也在不断探索之中[17-18 ].本研究同时采用B-IBI指数(基于双翅目分类单元数、最优势分类单元个体百分比和ASPT指数)和多样性综合指数(基于分类单元数、EPTr-F、BMWP 指数和BP优势度指数)进行评价，旨在得出各自评价结果的同时，对两种评价指标进行比较，从而为今后的持续工作提供参考和依据.通过将B-IBI、多样性综合指数2个方法评价结果分别与各采样点具体生态环境进行对照分析后发现，B-IBI评价结果与采样点的实际生境较为相符，选取的4个参照点，评价结果3个为健康，1个为亚健康，而6个受损点评价结果均在亚健康以下，且评分最低的两个样点与实际情况很相符(一个位于采沙场附近，一个位于河岸建有大量物流仓库的河道)，故建议以B-IBI来反映黄河榆中段河流生态健康状况较为准确，最后评价结果为：3个样点处于健康状态，4个样点处于亚健康状态，1个样点处于较差状态，2个样点为差，平均完整性指数为0.836，对应等级为“一般”.

在以B-IBI评价河流生态时，参照点的选取是构建B-IBI指数评价标准的关键，原则上应选未受人类活动干预或受人类活动干预很少的位点，但实际应运中并无统一的选取标准.本研究通过实地考察、走访样点周边居民获得历史与现状的重要信息，分析样点受人类活动干预的程度从而确定参照点和受损点，在一定程度上有主观性(在其他类似的调查中，这一情况均难以避免)，但依据B-IBI的评价结果，样点的判断相对较为准确.同时，采样位点数量的多少也在很大程度上影响B-IBI指数评价标准的敏感性，位点数量越多评价结果越准，本研究中选取的位点相对较少，对评价结果的准确性有一定影响.

此外，在选取评价参数时，常以Pearson相关性分析检测两个参数所反映的信息是否有重叠，对于重叠的参数只保留其一.但目前关于Pearson相关性分析没有统一的标准，Maxted[19]采用的标准是|r|>0.75，Barbour[20]和Blocksom[21]采用的标准是 |r| > 0.90，本研究采用的独立性检验，以两个生物参数指数相关性的显著程度(P值)作为筛选标准判断参数之间的重叠程度.

河流区系不同时，底栖动物的耐污能力相差很大，而国内在大型底栖动物的研究方面尚未形成统一的标准和方法体系，因此基于科级单元敏感值的BMWP指数在应用过程中，要根据不同区域进行相应修订，这一因素也是BMWP指数在国内进行应用时的主要限制因素.对于黄河榆中段，利用水生生物评价河流生态健康的文献几乎没有，基础数据的积累严重缺失增大了底栖动物敏感值和耐污值选取的难度.本次调查中，计算BMWP所使用的敏感值来源于国内外大量参考文献，文献中采用的评分制不一致时，全部换算为10分制以统一量纲，尤其对有学者修正过的敏感值进行了对比，并根据黄河水文特点进行了取舍以尽量减少评价结果与实际情况的偏差.