利用不同生物指数评价辽河口底栖生态质量适用性

王桂营 李宏俊 孙艺 吴忠鑫 马成龙

摘要 利用遼河口春季、夏季、秋季3个季节大型底栖动物调查数据，分析AMBI指数（AZTIs Marine Biotic Index）、BENTIX指数、多因子AMBI指数（Multivariate AMBI，M-AMBI）、香农-威纳多样性指数（Shannon-Wiener diversity index，H′）、丰富度指数（Margalef，D），在3个季节间数值的差异性和评价结果的合理性及其与环境因子的相关性。结果表明，AMBI和BENTIX指数在3个季节间存在显著的差异性，主要由于具有极显著相关性的环境因子（总有机碳、温度、盐度）在3个季节间变化较大，影响底栖动物生态分组。AMBI和BENTIX指数的评价结果基本一致，但是不能有效地区分人为环境压力和自然环境压力且评价的污染程度偏低，因此其评价结果不完全合理;D指数评价结果偏差较大，主要由于该研究使用的评价标准值存在一定的不合理性;M-AMBI和H′指数评价结果基本一致，且评价结果更为合理、更能有效地反映人为环境压力。对于温带大陆性季风气候以及底栖动物组成以敏感物种为主的辽河口，选择M-AMBI和H′指数更能合理有效地评价生态环境质量状况。

关键词 辽河口;底栖动物;环境评价;生物指数;生态质量;适用性

中图分类号 X 826  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2021）18-0087-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.18.022

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Applicability of Evaluation of Benthic Ecological Quality of Liaohe Estuary by Using Different Biological Indexes

WANG Gui-ying1，2，LI Hong-jun2，SUN Yi2 et al （1.School of Fisheries and Life Sciences，Dalian Ocean University，Dalian，Liaoning 116023;2.National Marine Environmental Monitoring Center，Dalian，Liaoning 116000）

Abstract This study used the survey data of macrobenthos in the three seasons of spring，summer and autumn in the Liaohe Estuary to analyze the AMBI index （AZTIs Marine Biotic Index），BENTIX index，multivariate AMBI index （Multivariate AMBI，M-AMBI），and Shannon-Wiener diversity index （Shannon-Wiener，H′），richness index （Margalef，D），the difference of values between the three seasons，the rationality of the evaluation results and their correlation with environmental factors.The results showed that there were significant differences in the values of AMBI and BENTIX indexes between the three seasons，mainly due to the significant changes in environmental factors （TOC，temperature，salinity） with extremely significant correlations between the three seasons，which affected the zoobenthos ecology grouping.The evaluation results of AMBI and BENTIX indexes were basically the same，but they cannot effectively distinguish between man-made environmental pressure and natural environmental pressure，and the pollution degree of the evaluation was low，so the evaluation results were not completely reasonable;the D index evaluation results had large deviations，mainly due to this research the evaluation standard value used had certain irrationality;the evaluation results of M-AMBI and H′ index were basically the same，and the evaluation results were more reasonable and could effectively reflect man-made environmental pressure.For the temperate continental monsoon climate and the Liaohe Estuary where benthic fauna was composed of sensitive species，the M-AMBI and H′ indexes could be more reasonable and effective to evaluate the quality of the ecological environment.

Key words Liaohe Estuary;Benthic fauna;Environmental evaluation;Biological index;Ecological quality;Applicability

作者简介 王桂营（1994—），男，河北衡水人，硕士研究生，研究方向：渔业资源。*通信作者，研究员，博士，硕士生导师，从事海洋生态学和分子生物学研究。

收稿日期 2021-02-07;修回日期 2021-03-10

辽河口位于辽河与渤海交汇处，是陆海相互作用最强烈的地区[1]。随着社会经济快速发展，大量环境污染物汇聚养殖污染，使得河口生态环境遭受严重破坏[1]。利用生物指数对环境状况准确评价，是环境恢复的重要前提[2]。2000年欧盟颁布的“水框架指令”，极大促进了生物指数的发展[3]。河口和近岸海域用于生态环境评价的生物类群主要包含大型藻类、浮游植物、鱼类、底栖生物等，其中利用大型底栖生物类群的方法约占全部评价方法的27%[4]。

目前研究中使用底栖生物评价指数最为广泛[5]，其中海洋底栖生物指数主要包含AMBI指数（AZTI′s Marine Biotic Index）、BENTIX指数、M-AMBI指数、多样性指数（H′）、丰富度指数（D）、均匀度指数（J′）、BQI指数、BOPA指数、MPI指数、B-IBI指数等[6-10]。AMBI指数由Borja等[11]提出，经多年的完善和发展该指数已在欧洲、美洲和非洲等区域得到广泛应用[12]。BENTIX指数基于AMBI指數，只是减少生物生态分组类群避免物种分类有误[13]。H′指数由Shannon等[14]提出，主要用来描述生物群落的生态学特征，也用来监测水域底栖生物群落的结构变化，被认为是较好的环境质量评价指数[15]。D指数通过将具体物种丰度与个体总数相关联来量化多样性[16]。M-AMBI综合指数包含AMBI和H′指数以及物种丰度，被研究者认为能够更有效地反映人为环境压力[17]。该研究将 AMBI、BENTIX、H′、D、M-AMBI指数在辽河口近岸海域进行应用，以验证5种评价指数在辽河口的适用性，为我国近岸海域环境评价指数的选取以及建立符合我国近岸海域特点的底栖生物指数提供参考。

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

在2013年8月、10月和2014年5月对辽河口开展夏季、秋季、春季3个航次的大型底栖动物调查。初步设置32个站位开展定点采样，实测25个站位（图1）。

每个站位使用0.05 m2的抓斗式采泥器取样3次，并用孔径为0.5 mm的网筛分选大型底栖动物，5%甲醛溶液固定保存。实验室中进行形态鉴定、计数和称重，参照《海洋监测规范》（GB/T 12763.6—2007）。每站位采集3份水样和沉积物样低温保存带回实验室测定，分析的环境因子分为两类：沉积环境因子包括叶绿素a（Chl-a）和沉积物粒度，其中沉积物粒度分析砂（sand）、泥砂（silt）、泥（clay）含量百分比;海水环境因子包括温度（Temp）、盐度（Sal）、pH、溶解氧（DO）、硝酸盐（NO 3）、磷酸盐（PO 4）、总磷（TP）、总氮（TN）、硅酸盐（SiO 3）、总有机碳（TOC）、石油类（oil）、石油烃（PHc）、悬浮物（SS）。

1.2 物种丰度和个体总数

大型底栖动物物种名录通过世界海洋物种登记库（WoRMS）网站查询并校对。每个站位的物种丰度（S）和个体总数（N）由软件PRIMER 6具体计算完成，所得数据共包含春季数据23个、夏季数据21个、秋季数据23个。

1.3 生物指数计算方法及评价标准

1.3.1 AMBI指数和BENTIX指数。

根据底栖生物对增加环境压力的敏感性，将底栖生物分成5个生态组[3]。GⅠ：对有机物富集非常敏感，存在无污染条件下的物种;GⅡ：对有机物富集不敏感的物种（物种密度低且随时间变化不显著）;GⅢ：能耐受过量有机物富集的物种;GⅣ：第二级机会种（轻度失衡到严重失衡状态过渡）;GⅤ：第一级机会种（严重失衡状态）[6，18]。根据公式计算AMBI和BENTIX指数，具体计算公式如下：

AMBI=[（0×%GⅠ）+（1.5×%GⅡ）+（3×%GⅢ）+（4.5×%GⅣ）+（6×%GⅤ）]/100（1）

BENTIX=（6×%GS+2×%GT）/100（2）

GS=GⅠ+GⅡ（3）

GT=GⅢ+GⅣ+GⅤ（4）

AMBI指数具体计算过程由网站（http：//www.azti.es）获得的软件AMBI V5.0完成，对于物种名录中不包含的物种，采用清单中收录的同类群物种代替[19]。BENTIX指数具体计算过程由BENTIX Add-In V1.0完成[20]。

1.3.2 Shannon-Wiener多样性指数和Margalef丰富度指数。Shannon-Wiener多样性指数（H′）以信息理论为基础，假设个体是从一个“无限大”的群落中随机抽样，所得的物种都在样本中[14]。其计算公式如下：

H′=-P ilog 2P i（5）

式中，P i是物种i在样本中个体比例，在样本中P i的真实值未知，可通过N i/N的比值来估计，其中N i为物种i的个体数量，N为个体总数[14]。

Margalef丰富度指数（D）通过将具体物种丰度与个体总数相关联来量化多样性[16]。其计算公式如下：

D=（S-1）/log eN（6）

式中，S是物种丰度，N是个体总数。

H′指数和D指数具体计算过程由软件PRIMER 6完成。

1.3.3 M-AMBI指数。M-AMBI是包含AMBI指数、H′指数和物种丰度的综合指数。应用M-AMBI指数时首先需要确定AMBI、H′以及物种丰度的参考基准值。M-AMBI指数具体计算过程由软件AMBI V5.0完成。

1.3.4 评价标准的确定。

M-AMBI参考基准值的确定：根据已知数据建立数据序列，采用SPSS 17.0进行分析，去除数据序列的异常值。第1种：AMBI取数据序列的第10%位值、H′和物种丰度取数据序列的第90%位值为等级优参考基准值[21]，AMBI、H′和物种丰度等级优参考基准值分别为0.53、3.74、18，等级劣参考基准值分别为6、0、0。第2种：AMBI取数据序列最小值的0.85倍、H′和物种丰度取数据序列最大值的1.15倍为等级优参考基准值[22]，AMBI、H′和物种丰度等级优参考基准值分别为0.27、4.80、31，等级劣参考基准值分别为6、0、0。第3种：AMBI取数据序列最小值、H′和物种丰度取数据序列最大值为等级优参考基准值[23]，AMBI、H′和物种丰度等级优参考基准值分别为0.32、4.17、27，等级劣参考基准值分别为6、0、0。根据以上3种参考基准值使用软件AMBI V5.0计算所得，M-AMBI优-良-中-差-劣之间的边界值均为0.77-0.53-0.39-0.20。

水框架指令（WFD）建议生态环境质量状况评价划分5个等级，因此生物指数将生态环境状况分为5个等级：优-未被污染、良-轻度污染、中-中度污染、差-高度污染、劣-严重污染（表1）。

2 结果与分析

2.1 大型底栖动物组成和特征

在辽河口3个航次中共采集大型底栖动物75种，隶属6门9纲25目54科68属，包含环节动物30种、节肢动物17种、软体动物15种、棘皮动物7种、脊索动物4种、刺胞动物2种。春季采集大型底栖动物37种、夏季44种、秋季42种。对3个季节的物种丰度和个体总数进行差异性分析，得出物种丰度和个体总数在季节间具有显著差异性（表2）。

根据AMBI V5.0软件提供的物种名录，将物种进行生态分组并计算各生态组所占百分比。春季GⅠ～GⅤ生态组百分比均值依次为42.75%、29.11%、22.23%、0.98%、4.93%，以敏感物种为主;夏季GⅠ～GⅤ生态组百分比均值依次为26.62%、13.12%、18.34%、12.29%、29.63%，以第一级机会物种和敏感物种为主;秋季GⅠ～GⅤ生态组百分比均值依次为32.08%、21.57%、18.75%、1.02%、26.58%，以敏感物種和第一级机会物种为主。3个季节GⅠ～GⅤ生态组百分比均值依次为34.04%、21.51%、19.81%、4.54%、20.10%，以敏感物种为主。

2.2 生物指数 经计算（表3），3个季节AMBI指数均值分别为春季1.45、夏季3.08、秋季2.57，标准差分别为春季0.952、夏季1.381、秋季1.864，且在3个季节间具有显著差异性。3个季节BENTIX指数均值分别为春季4.87、夏季3.59、秋季4.06，标准差分别为春季0.981、夏季0.978、秋季1.419，且在3个季节间具有显著差异性（表3）。3个季节H′指数均值分别为春季2.45、夏季2.70、秋季2.34，标准差分别为春季0.883、夏季1.340、秋季0.957，且在3个季节间具有显著相关性，春夏季间γ p=0.645**、夏秋季间γ p=0.517*、春秋季间γ p=0.440*。3个季节D指数均值分别为春季1.57、夏季2.14、秋季1.49，标准差分别为春季0.742、夏季1.098、秋季0.881，且在3个季节间具有显著相关性，春夏季间γ p=0.526*，夏秋季间和春秋季间不具有显著相关性（表4）。

M-AMBI指数经3种参考基准值计算后得出3组不同数值，数值均值：第2种参考基准值所得数值<第3种参考基准值所得数值<第1种参考基准值所得数值，且3组数值间具有极显著的相关性（γ p=1**），以下分析使用第3种参考基准值计算所得数值。M-AMBI指数均值分别为春季0.523、夏季0.545、秋季0.461，标准差分别为春季0.145、夏季0.241、秋季0.207，且在3个季节间具有显著相关性，春夏季间γ p=0.656**，夏秋季间γ p=0.541*，春秋季间γ p=0.546*（表4）。

2.3 生物指数评价等级

根据生物指数评价标准值（表1），将生物指数计算所得数值进行依次评级，分为优（1）、良（2）、中（3）、差（4）、劣（5）5个等级，1～5为评价等级代替值，数值越大所代表的污染程度越高。绘制生物指数评价等级随时空变化的波动图，其中春季站位依次为1～23、夏季站位依次为24～44、秋季站位依次为45～67（图2）。

根据生物指数评价等级百分比得出，AMBI和BENTIX指数评价优良等级总占比分别为78%、82%，评价等级梯度不明显;M-AMBI和H′指数评价优良等级总占比分别为54%、38%，评价等级梯度相对明显;D指数评价优良等级总占比为2%，评价等级梯度不明显（图3）。AMBI和BENTIX指数在3个季节评价等级均值变化趋势相同，春季<秋季<夏季;M-AMBI和H′指数在3个季节评价等级均值变化趋势相同，夏季<春季<秋季;D指数在3个季节评价等级均值夏季<秋季<春季（图4）。AMBI和BENTIX指数评价等级，其中有39个站位评价等级相同，28个站位相差1个评价等级;AMBI和M-AMBI指数评价等级，其中有24个站位评价等级相同，35个站位相差1个评价等级，7个站位相差2个评价等级，1个站位相差3个评价等级;M-AMBI和H′指数评价等级，其中有39个站位评价等级相同，28个站位相差1个评价等级;H′和D指数评价等级，其中有7个站位评价等级相同，37个站位相差1个评价等级，23个站位相差2个评价等级（图5）。

将生物指数评价等级进行相关性分析和距离程度分析，结果发现（表5～6），AMBI和BENTIX指数评价等级具有极显著的相关性（γ p=0.872**）且评价等级间距离程度为5.292;AMBI和M-AMBI指数评价等级具有极显著的相关性（γ p=0.705**）且评价等级间距离程度为8.485;M-AMBI和H′指数评价等级具有极显著的相关性（γ p=0.852**）且评价等级间距离程度为5.292;H′和D指數评价等级具有极显著的相关性（γ p=0.784**）且评价等级间距离程度为11.358。

综上对生物指数评价等级的分析以及评价等级多维度分析（图6），可以将5种生物指数评价等级分为3类。AMBI和BENTIX指数评价等级基本一致且评价的污染程度偏低，M-AMBI和H′指数评价等级基本一致且评价的污染程度中等，D指数评价的污染程度偏高。

2.4 环境因子和生物指数相关性分析

AMBI指数极显著相关的环境因子为Temp、Sal、DO、TOC，显著相关的环境因子为pH、NO 3、TP;BENTIX指数极显著相关的环境因子为Temp、Sal、TOC，显著相关的环境因子为DO;H′指数极显著相关的环境因子为pH、DO、PO 4;D指数极显著相关的环境因子为pH、DO、PO 4，显著相关的环境因子为Temp、Chl-a、oil;M-AMBI指数极显著相关的环境因子为pH、DO、PO 4，显著相关的环境因子为Sal、oil（图7）。综上表明AMBI和BENTIX指数具有相关性的环境因子较为相似，H′、D、M-AMBI指数具有相关性的环境因子较为相似。

从图8可以看出，AMBI与BENTIX指数在3个季节具有显著的差异性，主要由于具有极显著相关的环境因子（Temp、Sal、TOC）在3个季节间变化较大，影响底栖动物生态分组;H′、D、M-AMBI指数在3个季节间不具有显著的差异性，主要由于具有极显著相关的环境因子（pH、DO）在3个季节间相对变化较小（PO 4在3个季节间变化较大，但未对3种指数造成明显影响）。

3 讨论与结论

海洋生态系统本身的复杂性以及受人为与自然环境压力的影响，不同的生物指数评价同一区域通常会给出不同的评价结果[27] ，使得对海洋生态环境评价的准确性在很大程度上取决于生物指数的选择[28]。

研究表明AMBI指数适用于有机物和营养物富集的区域[27]，BENTIX指数起初建立于地中海贫营养区域[29]，主要反映有机物富集对底栖生物生态分组的影响。该研究也表明AMBI和BETIX指数可以反映有机物富集对底栖生物生态分组的影响。研究表明AMBI指数更适用于评价非季风气候下河口的环境质量状况[30]，而辽河口属于温带大陆性季风气候，温度和降水量在3个季节间存在较大的变化（降水量影响盐度）。该研究也表明温度和盐度的变化对底栖生物生态分组具有一定影响。AMBI和BENTIX指数不能有效地区分人为环境压力和自然环境压力，且辽河口底栖动物组成以敏感物种为主，导致AMBI和BENTIX指数评价污染程度偏低。

研究者创建D指数时，未建立准确的评价标准值。该研究使用的评价标准值是针对具有强烈季节性变化和富营养化问题的葡萄牙河口所建立[26]。辽河口和葡萄牙河口生态环境存在一定的差异，因此评价标准值的合理性需进一步确定。

M-AMBI综合指数已被应用于不同的水体类型，大部分的评价结果表明M-AMBI指数比单因子指数更能准确地反映实际环境状况[30]。这与该研究得出的结论一致，但是应用M-AMBI指数首先要确立参考基准值，准确建立参考基准值的方法是今后需要深入研究的方向之一。

综上，AMBI和BENTIX指数的评价结果基本一致，但是不能有效地区分人为环境压力和自然环境压力且评价的污染程度偏低，因此其评价结果不完全合理。D指数评价结果偏差较大，主要由于在辽河口使用上述评价标准值存在一定的不合理性。M-AMBI和H′指数评价结果基本一致，且评价结果更为合理、更能有效地反映人为环境压力对辽河口生态环境质量状况的影响。

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