膠州灣浮游動物生物完整性指數的建立

孫永坤 , 楊 光 李超倫 王 楠

(1. 中國科學院 海洋研究所 海洋生態和環境科學重點實驗室, 山東 青島 266071； 2. 中國科學院大學,北京 100049)

隨著海灣生態系統健康評估研究的發展, 以往依賴于單因子理化指標的評價方法逐漸擴展到引入生物質量狀況、針對整個生態系統健康狀況的綜合評估方法。Karr[1]最初以魚類為研究對象提出和建立了生物完整性指數(Index of biotic integrity, IBI), 隨后應用范圍不斷擴大, 逐步應用到大型底棲無脊椎動物、周叢生物、藻類、浮游生物及高等維管束植物等領域[2]。生物完整性指數是指可定量描述人類干擾與生物特性之間的關系, 且對干擾反應敏感的一組生物指數, 主要是從生物集合群的組成成分(多樣性)和結構兩個方面反映生態系統的健康狀況, 是目前水生生態系統健康研究中應用最廣泛的指標之一[3-4], 它是支持和維護一個與地區性自然生境相對等的生物集合群的物種組成、多樣性和功能等的穩定能力, 是生物適應外界環境的長期進化結果[1,5]。生物完整性指數是一個能夠反映生物要素綜合狀況的指數, 并已應用于海灣生態系統健康評估。目前,國外研究人員已建立了利用生物完整性指數對生物要素進行綜合評價的方法, 并在實際應用中取得了良好的效果。但是, 一直以來, 中國海灣環境質量狀況的評估主要是基于單理化指標或者多個理化指標的方法進行[6-7], 尚沒有結合 IBI進行環境質量研究的報道。

膠州灣生態環境監測已運行數十年, 具有長期的包括生物監測資料的積累。作者以膠州灣歷年監測數據為基礎, 參照美國 Chesapeake Bay建立浮游生物完整性指數的方法和經驗[8-11], 嘗試建立膠州灣浮游動物生物完整性指數(Zooplankton Index of biotic integrity, Z-IBI)來表征膠州灣海域生態環境質量狀況, 以期為海灣生態系統質量監測和評估提供有效工具。

1 材料與方法

1.1 數據來源

用于浮游動物生物完整性指數建立的數據來自膠州灣生態站2003～2008年對膠州灣14個站點(圖1)物理、化學及生物等方面的逐月常規監測數據。理化指標包括溫度、鹽度、葉綠素 a濃度、營養鹽濃度及透明度, 生物要素數據選取淺Ⅱ型浮游動物網樣樣品的種類組成、豐度數據。

圖1 膠州灣常規監測站位Fig.1 The stations of regular monitoring of Jiaozhou Bay

1.2 方法建立依據

參照美國Chesapeake Bay生物完整性指數建立過程, 確立膠州灣浮游動物生物完整性指數的建立步驟如下： 數據整理與綜合→生境區域劃分→評價因子選擇→因子閾值確定→指數建立→指數驗證與應用[9]。

1.2.1 生境區域劃分依據

將生境劃分為參照區、邊緣區和受損區。參照美國Chesapeake Bay生境區域劃分基準值的選取方法[10-11], 將與浮游生物密切相關的溶解無機氮(DIN)、磷酸鹽(PO4)和透明度作為劃分依據。然后將各個站位透明度、營養鹽數據進行分組排序并取其中值, 3項數據中值均滿足初選基準值的站位數據劃分為參照區, 部分滿足的站位為邊緣區, 均不滿足的站位作為評價受損區。

1.2.2 膠州灣Z-IBI評價因子選擇依據

初步挑選出膠州灣浮游動物生物多樣性指數、浮游動物總豐度、橈足類豐度、水母類豐度、毛顎類豐度、甲殼類幼體豐度、中華哲水蚤(Calanus sinicus)豐度、雙毛紡錘水蚤(Acartia bifilosa)豐度、小擬哲水蚤(Paracalanus parvus)豐度、大眼劍水蚤(Corycaeusspp.)豐度及異體住囊蟲(Oikopleura dioica)豐度11個代表因子, 使用Kruskal-Wallis卡方檢驗對比參照區與受損區各項因子的差異性, 以此來確定最具辨別力的指標(即能夠很好的區分開受損區與參照區質量狀況的指標), 選擇具有顯著性的代表因子(檢驗值 Q＜0.05), 最終確定為浮游動物評價因子。

1.2.3 評價因子閾值確定方法

將最終確定的評價因子數據分為受損區數據和參照區數據兩組, 并將數據進行排序, 分別取兩組數據中10%、15%、25%、30%、50%、70%、75%、85%的數據數值作為待選取數據。根據Karr 等[8,12-13]所描述的因子賦分模板對各個評價因子的得分閾值進行確定。得分建立在參照區每一項浮游生物因子的分布基礎上。每一項因子根據其數值是否接近、稍微背離和明顯背離參照區群落因子分別得分為5、3、1。對于參照區和受損區分布差異明顯的因子, 參照區最合適的50%范圍內的值得分為5, 參照區分布值兩端的數值得分為1, 剩下的數值得分為3[9-10]。

1.2.4 膠州灣Z-IBI的驗證方法

利用已得數據獨立地檢驗Z-IBI指數的準確性。將獨立數據中浮游動物評價因子數據進行提取, 根據得分閾值選取結果對評價因子進行賦分, 然后將各項因子得分加權平均, 最終得到獨立數據的Z-IBI指數數值。如果所得指數值＞3且獨立數據來源于參照區,或者所得指數值＜3且獨立數據來源于受損區, 則證明所建立指數可應用； 否則, 指數需重新建立[9-10]。

1.2.5 膠州灣Z-IBI得分體系的建立

膠州灣 Z-IBI得分體系是一種能夠評估水體狀態或級別的方法體系。作者擬定浮游動物生物完整性指數得分范圍為 1～5分。對評價因子中每一項因子進行賦分, 低分代表水體受污染較為嚴重, 且被定義為“差”； 高分則代表該水體受損程度教輕, 并定義為“好”。

1.3 數據統計分析

1.3.1 膠州灣理化數據分析

膠州灣溫度、鹽度變化情況通過該月份該站位表層與底層的平均值獲得； 葉綠素 a濃度通過對該月份該站位的表層葉綠素 a濃度的分析獲得； 營養鹽濃度通過對該月該站位的總磷、總氮濃度的分析獲得。

1.3.2 膠州灣浮游動物數據分析

膠州灣浮游動物各個站位的物種組成及豐度信息通過對 2004～2008年浮游動物數據的統計分析獲得。利用PRIMER5.2.9對膠州灣所有站位浮游動物物種組成及豐度數據進行非度量多維標度 NMDS(non-metric Multi-Dimensional Scaling)聚類分析[14],獲得膠州灣浮游動物物種組成及種群豐度的站位聚類情況以及膠州灣浮游動物群落季節性差異狀況。同時, 對逐年數據進行相同分析, 獲得逐年聚類情況。

2 結果

2.1 膠州灣浮游動物監測資料分析

將膠州灣 2004～2008年浮游動物物種組成及豐度數據按季節對站位進行聚類分析, 圖 2中 A-E分別為 2004～2008年各年浮游動物物種組成及豐度數據按季節對站位的聚類分析結果, 每個點上的數字代表月份。圖中某一點位代表某年某月某站的浮游動物物種組成及各個種的豐度狀況, 不同形狀代表不同的季節, 兩個點位的距離代表兩個點位信息的相似程度(距離越近, 相似性越大)。

由圖 2可見, 同一季節的數據點聚集在相同的區域, 而不同季節的數據點聚集在不同的區域, 由此可知, 膠州灣浮游動物物種組成及豐度的分布情況存在著明顯季節差異, 且春冬季節較為相似, 夏秋季節較為相似, 并且夏秋季節與春冬季節能夠很好地分開。可見, 季節變化對膠州灣浮游動物的群落結構有較大的影響。因此, 在建立膠州灣浮游動物生物完整性指數時,本研究將冷季(春冬季節)與暖季(夏秋季節)分別建立。冷季與暖季生物完整性指數的建立過程一致, 因此本實驗中以暖季Z-IBI的建立為代表進行闡述。

圖2 膠州灣浮游動物物種組成及豐度數據站位聚類分析Fig.2 The cluster analysis of the zooplankton data of the Jiaozhou Bay

2.2 生境區域劃分

透明度初選基準值的選取參照美國 Chesapeake Bay生境區域劃分基準值的選取方法[9-10], 對膠州灣透明度的監測數據進行排序, 選取1/3高值(1.9 m)作為透明度的初選基準值； 營養鹽初選基準值的選取參照膠州灣海水營養評價標準, 選取中度營養濃度作為營養鹽的初選基準值, 即DIN為0.30 mg/L, PO4為0.03 mg/L[15]。用于膠州灣生境區域劃分的各站位中值結果如表1所示。

據表1中數據, 膠州灣常規監測站位中D5、D6、D7、D8 4個灣外站3項指標數據均滿足評價基準值,劃為評價方法中生境區域的參照區, C3、D1和 D3為邊緣區, 其他站位劃分為受損區。

2.3 生物評價因子選擇

對初步選取的11項代表因子進行卡方檢驗, 檢驗結果如表2。

經檢驗, 水母類豐度、毛顎類豐度、甲殼類幼體豐度、中華哲水蚤豐度、雙毛紡錘水蚤豐度、近緣大眼劍水蚤豐度與異體住囊蟲豐度 7項指標符合評價因子的基本要求, 故最終選擇該 7項指標為浮游動物完整性指數的評價因子。

2.4 評價因子閾值確定

將已經確定的膠州灣 7項浮游動物評價因子按照受損區和參照區分為兩組, 根據1.2.3節中敘述的評價因子閾值確定的方法, 得到浮游動物指標閾值選取的結果(表 3加粗數值為最終選取閾值)。進而,根據1.2.3節中的因子賦分模板確定各個評價因子的得分閾值, 其中以植食性和雜食性為主的甲殼類浮游動物豐度越高代表環境質量越好, 賦分越高； 對水母類和異體住囊蟲等膠質浮游動物則豐度越高質量越差, 得分相應越低。得分閾值選取結果如表4所示。

表1 膠州灣初選基準值及各站中值Tab.1 The primary reference value and the median of Jiaozhou Bay

表2 浮游動物代表因子檢驗結果Tab.2 The test results of the zooplankton′s representative factors

表3 浮游動物因子閾值選取Tab.3 The selection of the zooplankton′s index threshold

表4 浮游動物因子得分閾值選取Tab.4 The selection of the zooplankton′s index threshold of scoring

2.5 生物完整性指數建立

對浮游動物所有評價因子的得分進行加權平均,即可得到膠州灣浮游動物生物完整性指數(簡寫Z-IBI)公式。

Z-IBI得分體系具體劃分閾值選取, 作者借鑒美國Chesapeake Bay浮游動物生物完整性指數得分劃分經驗, 將膠州灣Z-IBI得分劃分為： 1～2分為“差”,2～2.67 分為“較差”, 2.67～3.33 分為“中”, 3.33～4分為“較好”, 4～5分為“好”[10]。

2.6 生物完整性指數驗證

參考美國Chesapeake Bay生物完整性指數的驗證方法[9-10], 作者選取了灣外典型站 D8及灣內典型站A5的2006年、2007年數據進行了初步驗證, 驗證結果如表5所示。

表5 生物完整性指數驗證結果Tab.5 Test results of IBI

由表 5中結果可見, 灣外典型代表站位 D8的Z-IBI得分均高于 3, 而灣內典型代表站位 A5的Z-IBI得分均低于3, 表明所建立指數正確的將D8站劃分為參照區, D5站劃分為受損區, 因此作者認為所建立的指數基本可以應用。

3 討論

營養鹽濃度過高, 引發富營養化和浮游植物增長, 一直都是威脅膠州灣生態生態環境質量的原因之一[16]。作者所建立的Z-IBI包含了多個浮游動物群落指標, 能夠較為綜合地反映海域浮游動物要素的整體狀況, 有效減小了單指標評估帶來的誤差, 可更全面地反映海域浮游動物要素狀況[17]。

作者初選浮游動物指標中有個別指標最終被放棄(表 2), 主要有以下兩種原因： 一是被去除的指標不能很好地分開參照區與受損區, 不適合用于評價水體優劣； 二是這些指標本身水平較高, 無論參照區還是受損區, 均屬于優質范圍內, 無差樣本或者基準值可供比較, 因此也不適合作為Z-IBI建立的評價因子。但在評價因子選擇時, 原則上一些具有雙峰或重疊分布且能夠很好地區分參照區和受損區的指標, 由于其生態重要性也可以確定為評價因子。在評價因子閾值確定過程中, 為避免出現主觀誤差, 在產生一個單一的因子之前, 所有的浮游生物評價因子必須按照相同的得分尺度。本文中的指數驗證過程, 相比國外 30年以上的數據量, 尚且存在數據量較小、數據信息不完整等問題, 還需在未來的工作中通過補充數據進行優化和完善。

利用 Z-IBI作為海灣生態系統環境質量評價指標已經成為當前國際上環境監測與評價領域的重要發展趨勢[18-20], 但受生態系統監測數據量、數據全面度等的影響, 生物完整性指數建立過程中特別是閾值選取、指數驗證部分需要進一步的優化。面對這些不足和問題, 今后的工作應從以下幾個方面應對和解決： (1)優化生境區域劃分閾值選取； (2)細致指標因子確定； (3)修正指標得分閾值的篩選； (4)合理調整得分結果。此外, 在后期的指數應用中, 還應加大對各個評價因子閾值及得分結果的驗證, 使所得結果具有更高的準確性與可行性。

4 結論

經數據整理與綜合、生境區域劃分、評價因子選擇、因子閾值確定、指數建立、指數驗證與應用6個過程初步完成了膠州灣浮游動物生物完整性指數的建立。不同的季節需選擇不同的IBI體系對海洋浮游動物進行評估。利用Z-IBI體系對膠州灣浮游動物狀況評估能夠更加全面地反映膠州灣海區生態環境的優劣和海區浮游動物的質量狀況。

致謝：作者所用數據由中國科學院海洋研究所膠州灣海洋生態系統研究站提供, 謹致謝忱。

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