基于底栖动物生物完整性指数的黄河干流生态健康评价*

2024-03-01冯治远侯易明金小伟潘保柱

湖泊科学 2024年2期

冯治远,侯易明,阴琨,金小伟,韩谞,潘保柱**

(1:西安理工大学西北旱区生态水利国家重点实验室,西安 710048)(2:中国环境监测总站,北京 100012)

黄河是我国第二大河流、世界第五大河流,是中华民族的母亲河,也是举世闻名的多沙河流[1]。其发源于巴颜喀拉山北麓,横跨中国九个省区,为我国的西北、华北地区提供了重要的水资源[2]。然而,受上游电站开发、中游水土流失、下游河道淤积等因素的影响[3],黄河的水生态状况面临着不同程度的威胁[4]。因此,有必要针对黄河干流开展水生态健康状况的评估工作。

生物完整性指数(index of biotic integrity)是水生态健康评价的重要指标,其通过筛选群落结构、生物多样性、功能性状等多类型生物参数来评价水生态健康状况[5],评价结果相较于传统的水环境参数评价、水质生物评价更加可靠[6]。Karr[7]最早使用鱼类作为指示生物构建生物完整性指数,并应用于评价河流的健康状况。后经推广,逐步在国内外各种类型水体的水生态健康评价中得到广泛应用[8-15],所采用的指示生物也扩展到其他的水生生物类群[16-21]。众多水生生物类群中,大型底栖无脊椎动物(以下简称底栖动物)全部或大部分时间生活于水体底部和沉积物中[22],处于水生态系统食物链的中间环节。其通过摄食、掘穴和建管等活动直接或间接地影响河流生态系统的物质循环和能量流动,具有种类多、生活周期长、迁移能力弱、便于采集的特点,且对环境变化极为敏感,是一种良好的河流健康状况指示生物[23-24]。

目前,应用底栖动物所构建的生物完整性指数体系主要针对山区溪流、城市河流等部分中小型河流[8-10,25]或湖泊、水库等蓄水水体[12,25-27],但此类水体的环境变化差异相对较小,而将其应用于黄河这样的大型多沙河流来评价其健康状况的研究尚未见报道。因此,有必要基于底栖动物生物完整性指数构建适应于以黄河为典型的多沙河流生态健康评价体系,以期为以此类河流生态保护与管理提供科学支撑。

本研究于2019年春、秋两季对黄河干流全河段44个断面(包括自然河段23个、受水库影响断面21个)的底栖动物开展了系统调查,旨在构建黄河底栖动物生物完整性评价体系,进而对黄河干流全河段生态健康水平进行评价,并分析影响生态健康的因素。

1 研究区域与方法

1.1 研究区域概况

黄河发源于青藏高原的巴颜喀拉山脉,自西向东流经我国的青藏高原、内蒙古高原、黄土高原和黄淮海平原4个地貌单元,并于东营市黄河口注入渤海,位于32°～42°N,96°～119°E,其干流全长5464 km,流域面积75.24万 km2[4]。黄河流域气候受北半球的副热带高压和欧亚极地大陆气团控制,除甘肃南部与四川交界的南部秦岭山区属于湿润气候区外,流域东部属半湿润气候区,中部属半干旱气候区,西北部为干旱气候区[28-29]。

于2019年4-5月及9-10月对黄河干流自源区至河口进行了春秋两个季度的采样。根据《生物多样性观测技术导则淡水底栖大型无脊椎动物》(HJ 710.8-2014)中对底栖动物采样断面设置的规定,同时综合河道地形、水文环境、人口聚集等因素,于黄河干流共设置44个断面(图1),对其中的龙羊峡、刘家峡、青铜峡、万家寨、三门峡及小浪底6个水库的库区分别取库首、库中、库尾3个断面进行调查,具体断面信息如附表Ⅰ所示。

图1 黄河干流采样断面分布Fig.1 Distribution of sampling sections in the Yellow River mainstem

1.2 样品采集与处理

自然河段处使用手持D型网在河流浅滩处采集底栖动物,采集时扰动网口前1 m内底质,样方面积0.3 m2,每个断面采集10份平行样。水库处使用1/16 m2的彼得森采泥器采集底泥,并于现场使用40目筛网进行筛洗。采集的样品装入自封袋,带回室内置于白色解剖盘中挑拣底栖动物样本,并于75%的酒精中固定,通过显微镜、解剖镜等仪器鉴定至尽可能低的分类单元[30-33]。

沉积物样品在与底栖动物相同的样点采集。沉积物样品TP、TN、有机碳(TOC)的理化特性检测参照《土壤农业化学分析方法》进行,土壤粒径使用马尔文Mastersizer 2000激光粒度仪测量。

1.3 B-IBI评价体系构建

1.3.1 参照点的选择完成生物完整性指数评价,第一步就是确定参照断面和受损断面[34]。本研究综合使用经验法与参照点指数法[24],经过对现场的实地考察,发现黄河源区整体海拔较高,人烟稀少,人类活动对黄河干流只有轻微的干扰,再结合黄河水质指数(WQI)[35]与浮游植物水质生物评价结果[36],将参照断面确定为黄河源区内的5个采样断面。

1.3.2 候选参数的确定在参考其他河流评价体系对候选参数选定的基础上[37-39],结合本次调查黄河干流的底栖动物群落结构特征,本研究选取包括群落丰富度、各类群相对丰度、耐污能力、功能摄食类群结构、生物多样性6种类型的30个候选指标(附表Ⅱ)。

1.3.3 候选参数的筛选参照相关文献[5,8,13,37-39],筛选分为以下3个步骤:

(1)分布范围检验。若候选参数中有超过95%点位为0的参数或参数标准差过小,则说明该参数对人类活动干扰的反应不敏感,予以筛除。

(2)判别能力分析。对经过分布范围检验的剩余候选参数按照参照点和受损点绘制箱线图进行分析,并检查参照点和受损点的箱线图重叠度。若候选参数的参照点和受损点的箱线图完全无重叠(IQ=3)或部分重叠但两者的第二四分位数均不在对方箱体之内(IQ=2),则保留该参数,若候选参数的参照点和受损点的第二四分位数有一个位于对方箱体之内(IQ≤1)则筛除该参数。

(3)冗余度分析。对经过分布范围检验的剩余候选参数检查其正态性,对符合正态分布的两两一组检查其Pearson相关性,不符合正态分布的检查其Spearman相关性,若有两参数间|r|>0.75的,则筛除其中之一,另一参数予以保留。经过冗余度分析后的剩余候选参数可作为构建生物完整性评价体系的核心参数。

1.3.4 计算及评价标准采用比值法统一核心参数的量纲,对于随干扰强度升高而降低的参数,使用其95%分位数为最佳期望值,该类参数的分值为参数实际值除以最佳期望值,如公式(1)所示;对于随干扰强度升高而升高的参数,使用其5%分位数为最佳期望值,该类参数的分值为最大值减去实际值除以最大值减去最佳期望值,如公式(2)所示。

Bi′=Bi/B95%

(1)

Bi′=(Bmax-Bi)/(Bmax-B5%)

(2)

式中,Bi′为参数分值,Bi为参数实际值,B95%为参数的95%分位数,B5%为参数的5%分位数,Bmax为参数最大值。

将各参数的计算分值求算术平均值得到B-IBI监测值,根据参照点B-IBI得分的25%分位数作为最佳期望值,按照公式(3)计算B-IBI最终得分,并以参照点B-IBI得分的25%分位数定义为健康标准,对该点的值到零点进行四等分,按顺序从高到低定为亚健康、一般、较差、极差[40]。

(3)

式中,BIBIS为该点的最终B-IBI得分,BIBIO为该点的B-IBI监测值,BIBIE为B-IBI的最佳期望值。

1.4 数据与分析方法

通过ArcGIS 10.0对黄河流域水系图进行绘制,并使用30 m精度遥感数据,提取以点位为圆心,半径5 km内的土地利用数据。运用Excel 2020和Origin 2018软件对底栖动物数据进行统计并绘制相关图表。使用SPSS 24.0完成Wilcoxon秩和检验及相关性分析,并使用Origin 2018软件绘制图表。

2 结果

2.1 黄河干流底栖动物群落结构特征

两次调查共鉴定底栖动物140种,隶属于4门7纲14目32科82属,其中昆虫纲7目21科101种,寡毛纲1目3科28种,腹足纲1目3科5种,甲壳纲2目2科3种,蛛形纲、蛭纲及尾感器纲均1目1科1种(图2)。

图2 黄河干流春秋两季底栖动物物种构成Fig.2 Composition of benthic species in the Yellow River mainstem in spring and autumn

2019年春季共鉴定底栖动物4门5纲10目23科67属96种,其中昆虫纲5目14科67种,占春季底栖动物物种数的69.79%,其中摇蚊科51种,占昆虫纲的76.12%;寡毛纲1目3科23种,占比23.97%;腹足纲1目3科3种,占比3.12%;甲壳纲2目2科2种,占比2.08%,尾感器纲1目1科1种,占比1.04%。秋季共鉴定底栖动物4门7纲14目27科71属98种,其中昆虫纲7目17科72种,占秋季底栖动物物种数的73.47%,其中摇蚊科51种,占昆虫纲的70.83%;寡毛纲1目3科16种,占比16.33%;腹足纲1目3科4种,占比4.08%;甲壳纲2目2科3种,占比3.06%;蛛形纲、蛭纲及尾感器纲均1目1科1种,各占比1.02%。

黄河干流全河段2次采样底栖动物优势种如表1所示。调查断面春季底栖动物优势种24种,秋季优势种23种,其中节肢动物门双翅目中的摇蚊在两季度占比具有绝对优势。

表1 黄河干流全河段底栖动物优势种类名录Tab.1 List of dominant benthic species in the whole reaches of the Yellow River mainstem

2.2 底栖动物完整性指数体系构建

2.2.1 分布范围分析通过对30个备选参数在参照点间分布情况的统计,M2、M3、M4、M7、M10、M11、M12、M15、M20、M23、M27共11个参数随着外界干扰的增强,变化幅度非常的小,故不予考虑;M21参数标准差过大,故也被排除在外(附表Ⅲ～Ⅳ)。

2.2.2 判别能力分析对剩余的18个备选参数进行判别能力分析,各参数值在参照点和受损点之间的分布结果显示,春季M1、M19、M22、M28、M29共5个参数满足IQ≥2,秋季M1、M16、M19、M22、M28、M29共6个参数满足IQ≥2,进入相关性分析筛选阶段(附图Ⅰ～Ⅱ)。

2.2.3 相关性分析对春季剩余的5个参数(附表Ⅴ),秋季剩余的6个参数进行Spearman秩相关分析(附表Ⅵ),可以得出春季中M1与M28、M29的相关性绝对值及M28、M29间的相关性绝对值均大于0.75,故于春季将M28、M29参数筛除,剩余M1、M19、M22成为构建完整性体系的核心参数;秋季中M1与M29相关性绝对值大于0.75,故将M29筛除,剩余M1、M16、M19、M22、M28成为构建完整性体系的核心参数。

2.2.4 黄河干流底栖动物生物完整性指数计算结果及校核经过三轮分析筛选及最终的计算,黄河干流春秋两季B-IBI分值介于25.13～165.41分之间(图3)。其中,黄河干流全河段春秋两季河流B-IBI最高值位于春季的唐乃亥断面(165.41),最低值位于春季泺口断面(25.13),平均值为88.59。根据参照点的25%分位数为健康标准,确定黄河干流生物完整性评价标准(表2),评价结果如图所示。其中,春季黄河干流健康断面有14个,占比31.82%;亚健康断面有16个,占比36.36%;一般断面有10个,占比22.73%;较差断面有4个,占比9.09%;秋季黄河干流健康断面有16个,占比36.36%;亚健康断面有13个,占比29.55%;一般断面有15个,占比34.09%,整体呈现出自源区至下游健康状况逐渐下降的趋势。调查断面完整性状态呈现:源区为“健康”,上游甘宁蒙段为“健康～一般”,中游段为“亚健康～一般”,下游段为“亚健康～较差”。

表2 黄河干流底栖动物生物完整性评价标准Tab.2 Evaluation criteria of benthic integrity in the Yellow River mainstem

图3 黄河干流全河段底栖动物生物完整性评价Fig.3 Evaluation of benthic index of biological integrity in the Yellow River mainstem

通过Wilcoxon秩和检验对黄河干流全河段两季度参照点与受损点之间B-IBI的分值进行校核(图4),两季参照点与受损点之间的B-IBI分值均存在显著差异(P<0.01),且参照点的B-IBI分值显著高于受损点分值。

图4 黄河干流春秋两季B-IBI得分Wilcoxon秩和检验Fig.4 Wilcoxon rank sum test of B-IBI scores in the Yellow River mainstem in spring and autumn

2.3 B-IBI与理化指标的相关性分析

B-IBI体系核心参数与环境因子的相关性分析表明(表3),春季核心参数总分类单元数(M1)与水温、溶解氧呈显著相关关系;EPT分类单元相对丰度(M16)与水温、沉积物中值粒径、黏土占比、淤泥占比、沙粒占比呈显著相关关系;BI值(M19)与浊度、流速、沉积物中值粒径、黏土占比、淤泥占比、沙粒占比及泥温呈显著相关关系;ASPT指数(M22)与溶解氧、pH、流速、积物中值粒径、黏土占比、淤泥占比、沙粒占比、泥温及沉积物总有机碳呈显著相关关系;Shannon-Wiener指数(M28)与水温呈显著相关关系。

表3 核心参数与环境因子的相关系数Tab.3 Correlation coefficients between core parameters and environmental factors

通过对B-IBI得分与环境因子及土地利用方式的线性回归分析(图5),B-IBI得分与盐度、总氮等环境因子呈显著负相关关系(P<0.001),与城镇及农田用地占比呈显著负相关关系(P<0.01),与林地及草地占比呈显著正相关关系(P<0.01)。城镇用地与盐度及总氮均呈显著正相关关系(P<0.001)。

图5 黄河干流春秋两季B-IBI得分与环境因子及土地利用占比的线性回归Fig.5 Linear regression of B-IBI scores, environmental factors and land use proportion inthe Yellow River mainstem in spring and autumn

3 讨论

从空间上看,黄河干流底栖动物B-IBI指数自源区至河口整体呈下降趋势。评价结果显示,黄河源区及龙羊峡库区的整体评价结果为“健康”。黄河源区地广人稀,城镇及农田用地占比均处于较低水平,人类对河流的干扰程度弱[41],河流本身的自然条件是决定生物完整性水平的关键因素。源区内,黄河河床主要以卵石加沙为主,且河水含沙量较少,生境适宜清洁种(如EPT)生存[42]。自贵德断面开始,B-IBI指数就呈明显的下降趋势,整体处于“健康～一般”水平。上游甘宁蒙段,农田及城市用地的占比相较于源区有较大幅度的增加[43],而生活污水及农业退水所带来的点面源污染会导致河流中营养盐浓度上升,底栖动物中的敏感种密度下降,耐污种密度上升,ASPT指数及BI值的变化趋势均表明水质在恶化。另外,水流带动泥沙磨损有机物颗粒使其粒径变小,以粗颗粒有机物为主要食物来源的撕食者种类和密度减少,这也是导致底栖动物生物完整性降低的另一个原因。刘家峡及青铜峡库区中,虽然水质情况良好[35],但是由于建坝蓄水导致泥沙沉积使得底栖动物的生境单一化,除寡毛类和部分摇蚊等喜好在底泥中生存的掘穴者物种外少有其余物种生存,从而导致底栖动物物种数减少[44-45],故生物完整性低于临近自然河段。春季上游甘宁蒙段的三湖河口断面生物完整性最小,这可能是因为该段内底质大多为细砂和淤泥,生境较为单一,故断面生物多样性较低,进而影响了生物完整性的评价结果。下河沿断面生境异质性较高,故该断面底栖动物种类丰富,生物完整性也是上游的最高值。黄河中下游底栖动物生物完整性整体为“亚健康～较差”水平,部分断面为“较差”或“极差”,除了城市及农田土地占比面积沿河流流向逐渐增加这一原因外,自头道拐断面开始,黄河两岸水土流失加剧[46],水体中泥沙含量及河床不稳定性较上游有所上升[47],使得底栖动物的群落结构单一化,黄河干流生态健康状况进一步下降,其中泺口断面由于其河床均为较细的沙质河床,生境较为单一,故生物完整性为春季的最低值。从时间上看,秋季健康断面为16个,远高于春季9个,整体完整性水平高于春季,可能是由于秋季的平均流量高出春季平均流量40%,较大的来水量提高了水体的自净能力。

为提高大型底栖动物生物完整性评价结果的准确性,应当建立评价结果与环境影响因子的联系[48]。本研究发现,黄河干流两季度B-IBI得分与部分环境理化因子及采样断面附近土地利用占比显著相关。分析结果表明,盐度与底栖动物的生物完整性呈显著负相关关系。溶解于水体中的盐类物质的量决定盐度数值[49],而底栖动物又通过离子代谢、渗透平衡、细胞内膜间隔作用和能量代谢系统对盐类物质浓度产生响应[50]。有研究发现,盐度的上升能够显著地影响低盐类底栖动物(如EPT等清洁种)物种生存[51],进而导致B-IBI得分下降。总氮在本研究中与B-IBI得分呈显著的负相关关系,这与B-IBI得分和水体营养盐浓度呈负相关关系的研究结果相吻合[13,52]。适宜的营养盐浓度会促使浮游生物生长,为收集者提供充足的食物来源[53],但富营养化后过量的浮游生物则会与底栖动物竞争溶解氧等资源甚至产生有毒代谢物质,造成后者丰度降低[54]。而黄河干流中的点面源污染对氮的输入具有关键的影响[35]。相关性分析结果显示,城镇及农田用地占比与总氮及盐度均呈显著正相关关系(P<0.001),且与B-IBI得分呈显著负相关关系(P<0.01),证明随着城市及农田用地占比的增加,造成水体中盐度及总氮浓度的上升,从而导致了B-IBI得分的下降。这也与和克俭等[55]及李宁等[56]在把边江流域和湟水河流域的研究结果一致。林地及草地占比与城镇及农田用地占比所反映的问题相反,一般来说,林地及草地占比越高,底栖动物受外界干扰就越少,底栖动物的物种数及多样性就会增加[57],底栖动物的生物完整性指数也就会随之增长,这一点也与本研究所得出的结果相符合。另外,本研究对4个区域的评价结果与环境因子进行了进一步的相关分析,结果发现:源区没有筛选出与评价结果显著相关的环境因子,上游甘宁蒙段的显著相关因子为TN(r=-0.6371,P<0.001),中游的显著相关因子为盐度(r=-0.6933,P<0.001)、TSS(r=-0.7582,P<0.001)和TN(r=-0.5653,P<0.001),下游的显著相关因子为盐度(r=-0.6074,P<0.001),究其原因,可能是因为不同海拔下盐度的变化导致底栖动物的群落结构产生了改变,进而使其对于环境因子的响应产生差异。

为了进一步探究影响B-IBI评价结果的具体原因,本研究通过核心参数与环境因子的相关性分析得出如下结果:流速及沉积物粒径是影响核心参数变化的主要环境变量。一定的流速也可以保证水体更新,有利于清洁种的生存[58]。本研究中,表征群落耐污程度的BI值随着流速的增加而降低,两者呈显著负相关关系(P<0.01)。沉积物中值粒径及3种不同底质占比均代表了底质的粒径分布状态,一般来说,密实的底质会限制底栖动物的生存空间,减少氧气的获取途径[59],故随着河流中沉积物颗粒粒径的沿程细化,沉积物孔隙率降低,密实度增加,底栖动物中好氧类群的相对密度减少,寡毛类及摇蚊等适应低氧环境的物种相对密度增加[60-61]。本研究中,黄河干流的沉积物粒径受建坝蓄水、支流泥沙汇入以及不同物源区的风沙入黄等特殊地理环境的影响,并未表现出如密西西比河[62]及莱茵河[63]一般的沿程细化特征,故根据底栖动物群落结构特征所计算得到的ASPT指数及BI值的沿程变化规律也与其它河流相异,指示敏感类群相对丰度的ASPT指数与沉积物的粒径特征呈显著正相关关系(P<0.01),指示耐污类群相对丰度的BI值与沉积物中值粒径呈显著负相关关系(P<0.01)。EPT分类单元作为代表性的敏感清洁类群,其相对丰度与沉积物参数的相关性分析也印证了这一结果。

综上所述,本研究所选取的核心参数能够对黄河这一多沙河流中的水沙变化过程产生较为良好的指示作用。结合Wilcoxon秩和检验对黄河干流两季度参照点与受损点之间B-IBI得分的校核结果可以得出:本研究构建的底栖动物生物完整性体系适用于以黄河为代表的多沙河流的河流健康评价,且能较为全面地反映黄河干流的河流健康状况。本研究使用B-IBI评价黄河干流全河段水生态健康状况的结果也与使用其余方法[35-36]对黄河干流水质进行评价的结果基本相符,与WQI指数的拟合结果(r=0.3178,P<0.01)也证实了这一点。