基于生物完整性的城市湿地健康评价

2021-10-15吴小平梁涛路全凤赵帅欧阳珊

南昌大学学报（工科版） 2021年3期

吴小平，梁涛,2，路全凤，赵帅，欧阳珊

(1.南昌大学生命科学学院，江西南昌 330031；2.浙江省生态环境监测中心，浙江杭州 310012)

生物完整性指数最初由KARR创建以鱼类为指示物种来评价人类对河流生态系统的干扰程度[1]，后逐渐演变为描述环境变化与生物之间关系的生物指数[2]。根据研究的指示生物不同，分为鱼类完整性指数(F-IBI)、大型底栖动物完整性指数(B-IBI)和浮游动物完整性指数(P-IBI)等一系列评价指数[3]。

近年来，生物完整性指数不断被应用于湖泊、河流等水体的健康评价，已成为生态健康评价、修复和管理过程中的有效工具之一[4]。基于不同生物的生物完整性评价在全球不同水体健康评价中有许多成功案例，如Gamble等[5]基于浮游动物大小范围评价纽约奥奈达湖；Ejsmont-Karabin[6]基于浮游动物对波兰东北部湖泊群进行评价；Souza等[7]通过生物完整性指数评价河口、海湾、海岸等过渡区域；Bakaeva等[8]基于浮游植物完整性对罗斯托夫河进行评价；郝利霞等[9]基于生物完整性对海河流域健康的评价；黄琪等[10]基于生态系统完整性对长江中下游四大淡水湖的评价；刘杨等[11]基于鱼类完整性对巢湖流域的健康评价，游清徽等[12]基于底栖动物完整性指数对鄱阳湖湿地生境评价；李宗峰等[13]基于底栖动物完整性指数对三峡水库重要支流进行评价等。这些研究为我国以生物完整性为指标评价生态健康提供基础和有益的实践。

城市湿地是指位于城市管辖范围内，并与城市关系密切的湿地。城市湿地与自然湿地具有一些完全不同的特征，由于城市人口众多，湿地在城市生态系统服务中扮演着重要角色，如为城市提供生活用水、调节气候、蓄洪防旱、观光旅游、科普教育等服务[14]，有“城市之肾”的美誉。同时由于城市的不断发展与人口逐渐增加，城市湿地更易受到外界干扰，使得湿地生态健康持续下降[15]。目前对城市湿地评价多集中在对其服务功能的评价，焦点更集中于城市湿地的经济价值[16]，少有基于生物健康范畴的评价。将生物完整性评价应用于城市湿地，对湿地区域规划和保护管理等方面有重要意义。本研究通过对浙江温州三垟湿地的现场生物调查，结合已有的历史数据，基于大型底栖动物完整性指数、鱼类完整性指数和浮游动物完整性指数建立评价体系，首次对三垟湿地生态健康进行评价，旨在构建一套适用于城市湿地健康评价方法，为城市湿地生态修复与管理提供依据。

1 研究区域与方法

1.1 区域与采样点设置

浙江温州三垟湿地地处温州市区东南部，瓯江入海口沿岸，毗邻大罗山，位于温州生态园内。三垟湿地东邻温州开发区、龙湾区，西北连接梧田街道和城市中心区，南连茶山街道、南白象街道，是由古海涂演变而成的河网湿地，湿地内有161个岛屿与众多河道及5个村庄，湿地总面积约11.41 km2，水域面积3.31 km2，有“浙南威尼斯”的美誉，是城市可持续发展，构建生态文明城市的关键。三垟湿地作为典型的近海城市湿地，被开发农用已有数个世纪的历史，主要为建设用地与农业用地，其中57%的农业用地种植瓯柑，湿地区域内水环境污染严重，整体处于劣V类水，氮、磷、重金属等严重超标[17-18]。

三垟湿地功能区划为旅游休闲区、旅游区与保育区的过渡区和保育区[19]，根据功能区划设置11个采样点，其中，旅游休闲区3个采样点(Ⅰ～Ⅲ)、过渡区4个采样点(Ⅳ～Ⅶ)、保育区4个采样点(Ⅷ～Ⅺ)(如图1)，于2020年9月分别采集底栖动物、浮游动物以及鱼类。

图1 温州三垟湿地采样点示意图

1.2 样品采集与处理

1.2.1 浮游动物

浮游动物采集分定性和定量采集，在每个取样点采集表层水和底层水的混合样品5 L。定性采集使用 25#(孔径 64 μm)浮游生物网过滤；定量采集使用 25#浮游生物网过滤收集，间隔5～10 m采集3个重复样。经过滤后的浮游动物样品封装于 50 mL 透明塑料样品瓶，并立即在现场使用4%的甲醛溶液固定，带回实验进行物种鉴定和计数。样品经虎红钠盐染液染色24 h后，解剖镜和显微镜下进行物种鉴定和计数，桡足类无节幼体计为1种，其余均鉴定到种水平。物种鉴定主要参考《中国淡水轮虫动物志》[20]《中国动物志·甲壳纲·淡水枝角类》[21]和《中国动物志·甲壳纲·淡水桡足类》[22]。

1.2.2 鱼类

鱼类调查以渔获物法进行。采用地笼网法、拖网法捕捞渔获物，计数渔获物的种类和生物量。同时走访调查渔船、渔民和湿地附近鱼类交易市场，购买未捕获到的鱼类标本作为采样补充。鱼类鉴定参照《中国动物志》[23]等及鱼类图鉴。

1.2.3 底栖动物

底栖动物采集用1/16 m2改良彼得森采泥器。每个样点重复采集3次。泥样经40目(635 μm)筛网洗涤，肉眼在解剖盘中将动物标本拣出并用4%甲醛溶液固定。室内在显微镜或解剖镜下分类、计数，样品尽量鉴定到属或者种。物种鉴定主要参考《淡水生生物学》[24]《医学贝类学》[25]等。

1.3 评价指标体系的构建与计算

1.3.1 评价指标体系的构建

浮游动物、鱼类和底栖动物已被广泛应用于水生生态系统的健康评价，本文依据易于理解、易被接受、易于监测等原则，参考已有研究[26-30]，确定三垟湿地生态健康评价的12项生物指标的评价指标体系(见表1)。

1.3.2 评价指标的计算

1) 浮游动物完整性。

浮游动物物种丰度采用Margalef丰富度指数(C1)，Shannon-Wiener多样性指数(C2)，Berger-Parker 优势度指数(C3)[31]，轮虫百分比指各样点轮虫密度占浮游动物总密度的比值(C4) ，计算公式如下。

C1=S-1/lnN

(1)

(2)

C3=Ni×Pi/N

(3)

C4=轮虫密度/浮游动物密度

(4)

式中：N为所有种类总个体数；S为物种数；Ni为第i种的个体数；Pi为第i种出现的频度。

2) 鱼类完整性。

鱼类物种丰度采用Margalef丰富度指数(C5)，Berger-Parker优势度指数(C6)，外来种百分比指各外来种占鱼类总数的比值(C7)，耐受性鱼类百分比为耐受性鱼类占比(C8)，计算公式如下。

C5=S-1/lnN

(5)

C6=Ni×Fi/N

(6)

C7=外来种个体数/鱼类总数

(7)

C8=耐受性鱼类个体数/鱼类总数

(8)

式中：N为所有种类总个体数；S为物种数；Ni为第i种的个体数；Fi为第i种出现的频度。

3) 大型底栖动物完整性。

大型底栖动物物种丰度采用Margalef丰富度指数(C9)、Berger-Parker优势度指数(C10)和底栖动物BI指数(C11)[25]，ETO分类单元(C12)，计算公式如下。

C9=S-1/lnN

(9)

C10=Ni×Fi/N

(10)

(11)

C12=蜉蝣目+毛翅目+蜻蜓目

(12)

式中：N为所有种类总个体数；S为物种数；Ni为第i种的个体数；Fi为第i种出现的频度；Wi为第i个分类单元的耐污值[33]。

1.3.3 指标权重确定

在水生生态系统健康评价中，浮游动物、鱼类和底栖动物均为指示环境的有效指示物种，它们相互联系并且在水生食物链中代表着不同的营养级，因此三者占据同样的权重，即各占1/3(表1)。

表1 三垟湿地生物完整性评价体系与权重

1.3.4 评价指标标准化

由于不同的指标的量纲存在差异，故对不同指标量纲作标准化处理。本文通过确定指标的期望值(未受人类干扰的最佳状态值)与阈值(在人类干扰下接近崩溃的最差状态值)进行指标标准化，所得结果在0～1之间，超过1的记为1，小于0的记为0。具体方法采用如下公式：

S=1-(|T-X|)/(|T-B|)

(13)

式中：S为标准化后的值；T为期望值；B为阈值；X为实际值。

在生物完整性期望值、阈值的确定中所参照的数据资料主要根据《浙江动物志：淡水鱼类》[34]《瓯江干流温州段鱼类群落结构的季节变化》[35]等文献资料，同时参考浙江省同类型且生态状况良好的城市湿地水生生物情况，并结合国家标准、统计方法共同确定三垟湿地评价指标等期望值和阈值(见表2)[36-37]。

表2 三垟湿地生物完整性评价指标期望值和阈值[34-37]

1.3.5 评价得分与标准计算

在分项得分计算等基础上，采用等权相加的方法计算三垟湿地生物完整性评价的综合得分：

(14)

式中：Si为第i个指标的值；Ui为相应的权重值。

四分法将三垟湿地生物完整性综合评价标准划分为5个等级，分别为健康、良好、一般、差、极差[3]，具体分值和状况描述见表3。

表3 三垟湿地生物完整性评价标准及状态描述

2 结果分析

2.1 三垟湿地水生生物组成

1) 浮游动物。三垟湿地浮游动物计35种，隶属12科23属。其中，轮虫类最多，有7科14属24种，占浮游动物总种数的68.6%；枝角类次之，有3科5属6种，占比17.1%；桡足类最少，有2科4属5种，占比14.3%。优势种为角突臂尾轮虫、尾突臂尾轮虫、镰状臂尾轮虫、曲腿龟甲轮虫、前节晶囊轮虫、微型裸腹溞和广布中剑水蚤。

2) 鱼类。三垟湿地鱼类计22种，隶属5目11科。其中以鲤形目最多，有2科12种，占鱼类总种数的54.55%；鲈形目6种，占比27.27%；鲶形目2种，占比9.09%。鳉形目和合鳃鱼目各1种，分别占4.55%。调查发现入侵物种2种，为食蚊鱼和齐氏非鲫，占比9.09%。

3) 底栖动物。三垟湿地底栖动物计35种，隶属3门7纲18科。其中软体动物最多，有13种，占软体动物总种数的37.1%；环节动物12种，占比34.2%；节肢动物10种，占比28.6%。环节动物中寡毛纲数量最多，是底栖动物生物量的主要组成部分，优势种为淡水单孔蚓、霍甫水丝蚓、前囊管水蚓；节肢动物中甲壳纲种类数最多，是定性样品中主要组成部分。

2.2 三垟湿地生物完整性评价

三垟湿地生物完整性评价结果见表4，整体而言，三垟湿地生态健康状况一般。其中旅游区和休闲区3个采样点健康状况为一般，SW1(0.59)>SW2(0.56)>SW3(0.46)；过渡区4个采样点除6号采样点健康状况评价为差外，其余均为一般，SW5(0.59)>SW7(0.51)>SW4(0.47)>SW6(0.31)；保育区4个采样点中9号采样点评价为差，其余皆为一般，SW8(0.51)>SW10(0.47)>SW11(0.45)>SW9(0.39)。目前旅游休闲区的健康状况最好，保育区次之，过渡区最差。

表4 三垟湿地生物完整性评价结果

3 讨论

3.1 三垟湿地评价结果分析

三垟湿地作为典型的城市湿地，历史上存在污染严重的问题[38-39]。因湿地来水主要是大罗山溪流以及城市生活用水，张修峰等对三垟湿地氮磷污染研究表明，三垟湿地水质多年处于劣V类水，氮、磷、重金属污染严重[36]。由于湿地周边分布有大型小区、学校、医院，湿地内村落复杂，治理难度大。表5为三垟湿地2019年9月与2020年9月水质监测结果，结果显示三垟湿地溶解氧、总磷达到Ⅳ类水标准，氨氮、高锰酸盐、化学需氧量达到Ⅲ类水标准，铜锌等重金属污染降低有所缓解，较2003年Ⅴ类水有所提升。

表5 2019年9月与2020年9月三垟湿地水质监测

本研究基于对三垟湿地水生生物现状调查的基础上，应用生物完整性指标评价体系，其结果可以反映三垟湿地水生生态系统的受损情况。

三垟湿地综合评价来看整体得分相差不大，保育区环境相对旅游休闲区差，湿地旅游区已完成建设，而保育区2018年刚完成居民搬迁工作仍在建设中，河流仍然受到生活、农田污水的污染等。过渡区因靠近公路，人流量较大，故健康状况比保育区和旅游区差。

在调查的11个样点中，6号样点最差，发现该地区仍有农药使用情况，岸边有鱼类、鸟类、蛇类等动物尸体，可能是造成该地区健康状况最差的原因。9号样点评价结果仅次于6号样点，该样点位于居民区附近，存在生活污水、垃圾丢弃入河的情况，故该样点健康状况为“差”。

与2003年三垟湿地水生生物名录比较，浮游动物由2003年的26种增加到39种，鱼类由18种增加到22种，底栖动物由9种增加到35种，现在三垟湿地水生生物多样性明显增加，但湿地内依然存在滥用农药、放生、入侵物种如齐氏非鲫、食蚊鱼、福寿螺较多等严重问题，湿地未来水体环境依然需要加大整治力度。

3.2 城市湿地生物完整性参照点的筛选

参照点的选择在城市湿地生物完整性评价中至关重要，参照点通常选用未受外界干扰或干扰很小的处于自然状态的生态系统，这也是水体生态系统中最常用的方法[40]。设置正确的参照点可以为评价体系提供基准，但城市湿地往往不易找到未受损区域，也缺乏受外界干扰前的历史数据，故本研究参考浙江省同类型且生态状况良好的城市湿地生境状况、历史文献资料及国家标准、统计方法等，结合三垟湿地已有数据，选取不同参考点确定三垟湿地评价指标的期望值和阈值。从评估效果看方法可行。

3.3 城市湿地生物完整性核心参数的选择

核心参数的选择是城市湿地生物完整性评价的基础，候选参数一般在他人研究的基础上确定，浮游植物，浮游动物、鱼类、底栖动物和高等水生植物通常被应用于水生生物完整性评价[41]。由于城市湿地植物更易受人类和环境的干扰，在走访过程中湿地内发现水生植物刚刚种植，陆生植物以瓯柑林尾注，且缺乏相关水生植物历史资料，难以准确地反映现实状况，另外浮游动物、鱼类和底栖动物也是水生生态系统健康状况重要指示物种，三者代表着不同的营养级，可以较好反映水体变化，故本研究选用浮游动物、鱼类和底栖动物作为评价参数。

本研究确定的核心参数，除使用丰富度、优势度表征环境好坏外，浮游动物选取轮虫百分比和Shannon-Wiener多样性指数。有研究表明在受干扰较强、污染严重的区域，轮虫数量明显增加，生物多样性会随之降低[42]；鱼类选取外来种百分比和耐受种百分比，外来种因环境中没有可以抗衡或制约的物种，打破原有的生态平衡、改变环境、破坏生物多样性，给新生境中的生物和非生物带来巨大挑战[43]；底栖动物选取BI指数和EPO分类单元数，BI指数是美国环境署重点推荐的评价水生环境的指数之一，依据不同分类单元的耐污值来计算得到的结果，可以反映水生生物对环境污染的敏感性[27]，EPO分类单元属于水生昆虫，对水环境变化敏感，在污染水域水生昆虫明显减少而一些耐受性的寡毛类明显增加[44]。

本研究结果表明，基于生物完整性建立的评价体系可以应用于城市湿地生态健康评价，但本次仅依据秋季的调查采样数据构建的生物完整性评价体系，尚不能全面反映三垟湿地不同季节水生生物完整性和生态状况，在后续的研究过程中需要增加不同季节生物数据，进一步完善该城市湿地生态健康评价结果，为三垟湿地保护、修复和管理提供依据。