大型底栖无脊椎动物生物完整性在涟水干流健康评价中的应用

乔 祺，石 林，李代军，赵丽子，刘文博

(湖南省水利水电科学研究院，长沙 410007)

1 研究背景

生物完整性指标(index of biotic-integrity，IBI)是Karr 率先在评价河流中提出的[1]，用于反映水生态系统的健康程度，随后英国、加拿大、澳大利亚、日本等国学者相继进行了相关研究并广泛应用。底栖动物是水生态系统的重要组成部分，其分布范围相对稳定，生命周期长，对于水质变化较为敏感。因此，对评价水生态水环境具有较强的代表性[2]，近年来逐步被用于评价河流生态环境健康程度。

我国学者对此也进行了较多探索。马陶武[3]等筛选出7个底栖动物生物指数，可以用作判别太湖水质的敏感生物指数，并获得太湖水质的基本生态分区现状，证明该水质生物基准基本适合评价太湖不同区域的水质状况。戴纪翠[4]等从生态系统健康的概念入手，对底栖动物尤其是大型底栖无脊椎动物在生态系统健康评价中的作用进行了分析和总结。曹艳霞[5]等通过研究漓江底栖无脊椎动物状况，建立了适合漓江的生物完整性指数，进而评价漓江流域内水质健康状况。周波[6]等对南广河流域生物完整性指数进行了评价。盛萧[7]等基于底栖无脊椎动物监测数据，运用构建的B-IBI对东江流域的主要干支流进行健康评估。林罗敏[8]等对流溪河底栖动物群落结构进行评价，采用比值法计算各生物指数，并对各指数值加和得B-IBI指数值，证明了人类活动程度对底栖动物群落结构影响较大。陈志宁[9]等构建了以软体动物分类单元、优势分类单元个体相对丰度、BMWP共3个指标为基础的大型底栖无脊椎动物生物完整性评价体系，并对北塘河、三井河、澡港河、柴支浜河、通济河的水生态健康进行评价。崔文彦[10]等使用大型底栖动物完整性指数，对漳河上游水生态状况进行评价。

由于不同地区地貌、气候、水文条件存在差异，每个流域需筛选特定适宜的评价参数。目前，底栖无脊椎动物生物完整性在湖南省河湖健康评价中的应用甚少，科学的评价依据和评价体系尚未形成。本文以湖南省省级河流涟水干流为研究案例，筛选核心评价参数，建立大型底栖无脊椎动物生物完整性(B-IBI)评价准则，对涟水干流生态健康状况进行评价。

涟水干流全长224 km，流域面积7 155 km2，多年平均流量 138.4 m3/s，河流坡降0.46‰，支流众多，有河长5 km以上各级支流148条。涟水是湖南省内湘江左岸的一级支流，位于湘江下游，发源于新邵县观音山南麓，流经涟源市、娄星区、经济技术开发区，经济技术开发区梨头咀汇合孙水进入湘乡市境内注入水府庙水库，出水库后进入娄底市双峰县境内，出双峰县再次进入湘乡市范围，于湘潭县河口镇的东北部汇入湘江。

2 研究方法

2.1 样品采集、处理与分析方法

底栖动物密度和生物量检测方法见表1。

表1 涟水干流监测项目检测方法

具体操作流程主要包括：

1) 样品采集。底栖动物样品的采集因水体状况而定，湖泊或深水河流采用1/16 m2彼得森底泥采集器采集样品。浅水区域或者小型河流，底质多为卵石、砾石，则用D形网(kick-net)或手抄网进行样品的采集。

2) 样品处理和保存。洗涤和分拣：泥样倒入塑料盆中，对底泥中的砾石要仔细刷下附着底栖动物，经60目分样筛筛选后拣出大型动物，剩余杂物全部装入塑料袋中，加少许清水带回室内，在白色解剖盘中用细吸管、尖嘴镊、解剖针分拣。保存：软体动物用5%甲醛试剂或75%乙醇试剂溶液；水生昆虫用5%甲醛试剂固定数小时后再用75%乙醇试剂保存；寡毛类先放入加清水的培养皿中，并缓缓滴数滴75%乙醇试剂麻醉，待其身体完全舒展后再用5%甲醛试剂固定，75%乙醇试剂保存。

3) 计量和鉴定。计量：按种类计数(损坏标本一般只统计头部)，再换算成ind./m2。软体动物用电子称称重，水生昆虫和寡毛类用扭力天平称重，再换算成mg/m2。鉴定：软体动物鉴定到种，水生昆虫(除摇蚊幼虫)至少到科；寡毛类和摇蚊幼虫至少到属。

4) 密度计算。底栖动物实测个体总数量除以采样总面积，即可得该种类的栖息密度(ind./m2)。

5) 生物量计算。底栖动物实测总重量除以采样总面积，即可得该种类的生物量(g/m2)。

2.2 参考点选择

大型底栖无脊椎动物釆样监测方案根据涟水干流流经区域水生态情况确定，釆样点包括不同程度人类活动干扰影响的区域，其中无明显人为活动影响的釆样点作为参考点，明显受到人为活动影响的釆样点作为受损点。

2.3 候选参数

备选参数包括能充分反映大型底栖无脊椎动物物种多样性、丰富性、群落结构组成、耐污能力、功能摄食类群和生活型等类型的参数。参照现有研究成果，确定16个参数为大型底栖无脊椎动物完整性指数的备选参数，见表2。

表2 大型底栖无脊椎动物完整性指数备选参数

2.4 评价参数筛选

对16个备选参数进行分布范围检验、判别能力分析、冗余度分析，筛选并淘汰不能充分反映水生态系统受损情况的参数。

1) 分布范围检验。淘汰样点中分布范围过窄或存在零值过多、不具有评价代表性的参数。

2) 判别能力分析。分别比较参考点和受损点各备选参数箱体IQ(25%分位数至75%分位数之间)的重叠程度，箱体没有重叠或有部分重叠，但各自中位数均在对方箱体范围之外的参数视为有较强的判别能力，保留并作下一步分析。

3) 冗余度分析。对剩余参数进行相关性分析，当参数之间相关系数|r|>0.7时，保留其中一个最具代表性的参数，其余淘汰，最大限度地保证各参数的独立性。

2.5 B-IBI指数及分值计算

1) 釆用比值法来统一各入选参数的量纲。具体操作流程如下：①对于外界压力响应下降或减少的参数，以所有样点由高到低排序的5%的分位数作为最佳期望值，该参数的分值等于参数实际值除以最佳期望值。②对于外界压力响应增加或上升的参数，以95%的分位值作为最佳期望值，该参数的分值等于(最大值-实际值)/(最大值-最佳期望值)。

2) 计算B-IBI指数。将各评价参数的分值算数平均，得到B-IBI指数值。以参考点样点B-IBI值由高到低排序，取25%分位数作为最佳期望值。

3) 计算B-IBI分值。参考水利部《河湖健康评价指南(试行)》[11]，大型底栖无脊椎动物生物完整性指数分值通过参考点和受损点状况进行计算。按照式(1)和表3计算B-IBI分值，公式如下：

(1)

式中：BIBIS为大型底栖无脊椎动物生物完整性指数分值；BIBIO为大型底栖无脊椎动物生物完整性指数监测值；BIBLE为大型底栖无脊椎动物生物完整性指数最佳期望值。

大型底栖无脊椎动物生物完整性指数指标百分制赋分见表3，可通过插值计算获取百分制分数值。

表3 大型底栖无脊椎动物生物完整性指数百分制赋分表

3 应用结果

3.1 采样点布设及监测

涟水干流共布设监测点位17处，位置见图1。经过综合对比，选择水质良好、受人类活动干预较小的第1、第7、第10号3个监测点位为参考点，其余14个监测点为受损点。

通过监测采样发现，涟水干流底栖动物优势种有6种，分别为软体动物门的环棱螺(Bellamya sp.)(Y=0.125)、方格短沟蜷(Simisulcospira cancellata)(Y=0.021)、萝卜螺(Radix sp.)(Y=0.057)，节肢动物中的四节蜉(Baetis sp.)(Y=0.029)、多距石蛾科(Polycentropodidae sp.)(Y=0.022)、溪泥甲(Elmididae sp.)(Y=0.057)、直突摇蚊(Orthocladius sp.)(Y=0.023)。涟水干流底栖动物平均密度286.9 ind./L，以节肢动物为主；平均生物量94.099 ind./L，以软体动物占绝对优势为主，软体动物的生物量占比在96%以上。

图1 涟水干流监测点位图

参考点及受损点的16个备选参数数据见表4。

表4 参考点及受损点备选参数数据表

续表4

3.2 评价过程及结果分析

1) 分布范围检验。由表4可知，襀翅目分类单元数、毛翅目分类单元数、蜉蝣目毛翅目和襀翅目个体数百分比、蜉蝣目个体数百分比等4个参数变化范围过小，箱体IQ小于2，对参与评价过程没有明显意义且可能影响评价结果准确度，特别是襀翅目分类单元数，其参考点和受损点值均为常数，故淘汰该4个参数。

2) 判别能力分析。将剩余的12个参数，作出参考点与受损点箱体(25%分位数至75%分位数之间)对比图，见图2。摇蚊类个体数百分比和刮食者个体数百分比两个参数，其参考点与受损点箱体部分重叠，但各自中位数均在对方箱体范围之外，符合判别能力筛选标准；其余10个参数，参考点与受损点箱体部分重叠，且各自中位数至少有一个在对方箱体范围之内，不符合判别能力筛选标准。故仅保留摇蚊类个体数百分比和刮食者个体数百分比两个参数。

图2 参考点及受损点备选参数分布箱图

3) 冗余度分析。剩余参数为摇蚊类个体数百分比和刮食者个体数百分比，将二者进行相关性分析，结果见表5。该二参数相关系数|r|<0.7，故可继续保留，即最终核心评价参数为摇蚊类个体数百分比和刮食者个体数百分比。

表5 备选参数相关性分析表

4) 评价分值计算。根据2.4节所述评价参数分值计算方法，摇蚊类个体数百分比属对于外界压力响应增加参数，其最佳期望值为0；刮食者个体数百分比属对于外界压力响应减小参数，其最佳期望值为0.87。各监测点位B-IBI指数值见表6，涟水干流综合B-IBI指数值为17个点的B-IBI平均值0.443。

表6 监测点B-IBI指数计算表

续表6

取3个参考点B-IBI指数值由高到低排序的25%分位数为最佳期望值BIBIE，为0.764。BIBIS=0.443/0.764=0.580。依据水利部《河湖健康评价指南(试行)》，大型底栖无脊椎动物生物完整性赋分通过表3 插值计算转化为百分制，得分为67.5分。总体而言，生物完整性较弱，水生态质量有待提升。

4 结 论

河流生态健康评价是查找河湖管理保护短板和问题、加强生态文明建设的重要技术基础，生物完整性是评估河流生态完整性的重要构成指标。本研究基于大型底栖无脊椎动物生物完整性，筛选B-IBI核心参数摇蚊类个体数百分比和刮食者个体数百分比，对涟水干流生态完整性及河流健康状况进行分析评价。结果表明，涟水干流总体而言生物完整性较弱，生物群落对水环境的协调不足。建议对涟水水生生物状况进行全面评估，建立水生生物多样性观测网络，因地制宜实施生态系统保护和修复措施，优化保护体系，并加大执法和监督检查力度，提升生物多样性保护公众参与程度。