基于大型底棲動物完整性指數B-IBI的東江流域水生態健康評價

付嵐 ，江源，劉琦，侯兆疆

1. 中藥資源保護與利用北京市重點實驗室/地理科學學部，北京師范大學，北京 100875；

2. 深圳市環境科學研究院，廣東 深圳 518001

最早由 Karr（1981）提出的生物完整性指數（Index of Biological Integrity，IBI）是通過多個生物參數信息綜合評估，來反映水體的生物學生態狀況，從而評價河流的健康程度（王備新等，2006）。大型底棲動物作為水體中最為穩定的生物類群，具有物種類群多、分布范圍廣、生命周期長、遷徙能力弱的特點，且不同種類對水質敏感性不同，能很好地指示水質優劣及人類活動的干擾狀況（Vincent et al.，1995），對維持水生態系統功能的完整性有著至關重要的作用（Wallace et al.，1996）。1993年，Karr基于底棲動物群落結構特征提出建立了底棲動物完整性指數（Benthic Index of Biotic Integrity，B-IBI）。1999 年，美國環保署（EPA）提出將利用B-IBI進行水生態系統健康評價（Barbour et al.，1999），此外，英國、加拿大、澳大利亞等國家的環保部門也廣泛應用該評價方法進行水生態系統健康評價（Smith et al.，1999；Wright et al.，2000）。

B-IBI主要對采樣點（參照點和受損點）大型底棲無脊椎動物、水體理化性質和棲息地質量等數據進行分析，選擇候選生物學指數，通過指數值分布范圍分析、判別能力分析、相關性分析確定生物指數，建立生物學指數計分標準，最終建立 B-IBI健康評價標準體系（王備新，2003）。目前主要的河流生物完整性評價指數還有魚類生物完整性指數（Fish-index of biological integrity，F-IBI）和藻類生物完整性指數（Periphyton-index of biological integrity，P-IBI），但魚類作為指示物種的不足在于其具有很強的移動能力，對脅迫的耐受程度比較低，與水生態系統變化的相關性較弱；而藻類物種數量大，且對分類的專業技能要求較高，其指示性較底棲動物也相對弱（廖靜秋等，2013）。因此，B-IBI用來評價河流健康具有穩定、有效、快速、應用范圍廣等明顯的優勢，已應用于我國多流域水生生態系統健康評價（王備新等，2005；張遠等，2007；張方方等，2011；盧東琪等，2013；盛蕭等，2016；劉帥磊等，2018；孔凡青等，2018）。

東江是珠江流域的第三大水系，屬于典型熱帶亞熱帶氣候影響下的華南流域。作為改革開放的先行區域，東江流域在近40年內經濟發展十分迅速。隨著城市化進程加快，人類活動干擾加劇，水生態健康狀況發生了顯著變化。因此，流域水質管理面臨了諸多問題，管控工作滯后，具有一定的特殊性和典型性。目前，應用大型底棲動物對東江流域進行水質生態學評價的研究報道較少且采樣數據覆蓋不全面。本研究基于大量樣點數據構建B-IBI評價體系，評價東江流域河流水生態健康狀況，揭示評價等級差異規律，并分析B-IBI值與水質及棲息地環境的關系，以期為東江流域水環境監測與科學管理提供科學依據。

1 研究方法

1.1 研究區域概況

東江是珠江流域第三大水系（N22°23'～25°12'，E113°25'～115°52'），發源于江西省尋烏縣椏髻缽山，自東北向西南流入廣東省境內，沿途流經河源、東莞、深圳等地區，注入獅子洋，經虎門入海。東江流域總面積約35000 km2，干流總長562 km（Ho et al.，2003）。地勢呈東北高、西南低，海拔最高為1500 m。流域地處亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫21 ℃，年平均降水量 1900 mm（Liu et al.，2010）。年內降水分配不均，4—9月降水占全年總量的80%以上，流域多年平均徑流量達32.4億立方米（Lee et al.，2007）。中上游主要為低山丘陵，下游以平原為主，屬于“珠三角”城市群的一部分（Jiang et al.，2012）。東江主要支流有尋烏水、貝嶺水、浰江、新豐江、西枝江、石馬河、增江、沙河等（圖1）。

1.2 樣品采集處理與分析

1.2.1 底棲樣品采集與鑒定

圖1 東江流域位置示意圖Fig. 1 Location of the Dongjiang River basin

于2014年1月流域枯水期（底棲群落穩定性較高）布設96個樣點（干流23個樣點，支流73個樣點），開展底棲樣品采集。布點重點考慮：（1）空間均勻性；（2）交通可達性；（3）生境典型性；（4）堤岸穩定性；（5）周邊土地利用類型多樣性。根據東江河段生境條件及現場可操作性，本研究選擇美國環保署（USEPA）制定的快速生物評價方案（RBPs）中的“復合生境采樣法”進行底棲動物采集。采樣河段小生境類型主要有：岸邊陸生植物、大型水生植物、水生藻類、泥沙、靜水池、礫石卵石、大石塊。在100 m內的河段內，統計不同的小生境類型，對每個小生境單獨采樣并記錄底質類型比例及面積。前5種生境類型用D形網（40目紗，0.381 mm，0.3 m寬）采集，采集長度為3～5 m；后2種生境用索伯網（40目紗，0.381 mm，0.09 m2）完成，采樣時，用腳或小鐵鍬用力攪動索伯網前定量框內的底質，并用手將粘附在石塊上的底棲動物洗刷入網。各樣點的總采樣面積約為3 m2。現場采用60目（0.221 mm）網篩進行洗滌和篩洗。各小生境底棲動物標本樣品單獨存放，當日全部挑取，保存于10%的福爾馬林溶液中。依據相關鑒定書籍（劉月英等，1979；Morse et al.，1994；Thorp et al.，2001）對采樣標本進行室內鑒定。物種鑒定到科級或屬級分類水平，對疑難種進行專家咨詢。鑒定的同時進行物種的計數和稱重。

1.2.2 環境因子數據

水質樣品采集在底棲動物采集前進行。現場使用便攜式水質參數儀對樣品的水溫、酸堿度、溶解氧、電導率進行瞬時測定；其余參數包括氨氮、總氮、總磷、硝酸鹽氮依據《中華人民共和國地表水環境質量標準》（GB3838—2002）中相關分析方法在實驗室進行測定。

現場物理生境指標調查主要包括海拔、坡度、河寬、水深、流速、底質類型。參照Barbour et al.（1996）對底質粒徑大小的劃分方法，對樣點各小生境類型的底質顆粒尺寸分類，計算出相應的樣點平均底質得分（M），從而量化底質組成。計算公式如下：

式中，B為大石塊和圓石覆蓋的百分比；P為卵石和礫石覆蓋的百分比；S為砂礫覆蓋的百分比；S′為淤泥黏土覆蓋的百分比。M分數越低，表示大石塊、卵石的覆蓋比例越高；分數越高，表示沙粒和黏土的覆蓋比例。

在ArcGIS 10軟件中獲取土地利用及坡度等地理信息數據。在土地利用現狀圖上（基于2014年TM影像解譯），以采樣點為圓心，取半徑為1 km的圓形緩沖區，分別統計林地、城鎮、農田（包括耕地和園地）在緩沖區內的面積百分比。利用下載自國際科學數據服務平臺的90 m分辨率DEM數據獲取河道坡度。

1.3 B-IBI評價體系構建

1.3.1 參照點及受損點的選擇

參照點選擇標準為：（1）樣點周圍1 km范圍內森林覆蓋率＞85%且農田及城鎮覆蓋率＜3%；（2）參照中華人民共和國國家地表水環境質量標準（GB3838—2002），水質在Ⅲ類標準及以上；（3）樣點周圍無挖沙、橋梁及大壩建設等強人類干擾活動。受損點位水質條件在Ⅲ類標準及以下，且樣點周圍明顯受到各種人類活動干擾。

1.3.2 候選參數指標體系的構建與篩選

首先根據不同指標類型，綜合選擇能夠反映物種豐富度、種類個體數量比例、生物耐污能力、營養級組成及水質健康狀況的候選參數構建指標體系。其次進行分布范圍分析，計算各候選參數值的分布范圍時，剔除標準差過大的參數，因為若指數值的標準差大，說明該值不穩定，不適宜參與構建B-IBI指標體系。然后進行判別能力分析：根據Barbour et al.（1996）的評價方法，用箱線圖比較各個候選參數在參照點和受損點 25%～75%分位數范圍，即箱體IQ（interquartile ranges）的重疊情況，分別賦予不同的值：沒有重疊，IQ=3；部分重疊，但各自中位數值都在對方箱體范圍之外，IQ=2；僅1個中位數值在對方箱體范圍之內，IQ=1；各自中位數值都在對方箱體范圍之內，IQ=0。只對 IQ≥2的參數作進一步分析。

1.3.3 生物學指數計分標準

采用比值法（Blockson et al.，2002）計算生物指數值。對于受干擾越強而值越低的生物指數，以95%分位數為最佳期望值，各參數的分值等于參數實際值除以最佳期望值；對于受干擾越強而值越高的指數，則以 5%分位數為最佳期望值。計算方法為：(最大值-實際值)/(最大值-最佳期望值)。根據各參數值在所有樣點中的分布，確定計算各參數分值的比值法計算公式，并依此計算各樣點的指數分值。要求計算后分值的分布范圍為 0～1，若大于 1則記為1。

1.3.4 B-IBI評價

將核心指標的分值相加得到每個樣點的 B-IBI值。參照Barbour et al.（1996）的方法，采用95%分位數值作為健康等級閾值，然后利用四分法確定河流健康分級標準（Maxted et al.，2000），分為極好、好、一般、差和極差5個級別。將參照點和受損點兩類點位的B-IBI值進行分析統計，檢驗評價結果的準確率。

2 結果與分析

2.1 大型底棲動物群落結構組成

大型底棲動物標本經種類鑒定，共計79個分類單元（軟體動物及寡毛類鑒定至屬級水平，水生昆蟲及其他種類鑒定至科級水平），隸屬于9綱21目68科（詳見附錄）。其中水生昆蟲分類單元數為50，軟體動物為17，寡毛類為4，蛭類為4，十足目蝦類為2，多毛綱、渦蟲綱、蛛形綱各有1個分類單元。水生昆蟲的種類最多，其比例占分類單元總數的 63%。從攝食功能類型來看，捕食者有30個分類單元，占總數的39%；直接收集者有21個分類單元；刮食者有14個分類單元；濾食收集者和撕食者種類較少，分別有6個和5個分類單元。

2.2 B-IBI評價結果

2.2.1 參照點及受損點分布

在96個研究樣點中最終確定了16個樣點為參照點位，主要分布于山地林區或自然保護區溪流之中，其余80個樣點為受損點位，主要分布于農田和城鎮周邊，地形以平原丘陵為主。

2.2.2 候選參數指標體系

根據不同指標類型，綜合選擇了24個指標作為候選參數（表1）。24個候選生物參數在16個參照點中的分布情況見表1。無過大標準差值參數，保留所有候選參數進入判別能力分析。判別分析結果如圖2所示，EPT分類單元數、雙翅目分類單元數、寡毛類個體百分比、撕食者個體百分比、BMWP分數、ASPT分數在參照點和受損點間具有顯著差異性（IQ≥2），符合箱線圖評價法的判斷標準，因此保留以上6個候選參數進入下一步評價，其余18個參數予以剔除。

表1 候選參數在參照點的分布情況及其對人類干擾的反映Table 1 Distribution of candidate metrics in reference sites and their response to human disturbance

為檢驗保留參數所反映的信息獨立性，避免信息重疊，對各保留參數進行Spearman相關分析。由表2可知，6個保留參數之間的相關系數＜0.7，未見高度相關參數（＞0.9），均予以保留。因此東江流域大型底棲動物完整性評估的核心參數為EPT分類單元數、雙翅目分類單元數、寡毛類個體百分比、撕食者個體百分比、BMWP分數及ASPT分數。

表2 B-IBI 6個候選參數的Spearman 相關矩陣Table 2 Spearman correlation matrix of the 6 attributes

圖2 參照點（R）與受損點（D）候選參數箱線圖Fig. 2 Box plots of attributes in reference sites (R) and disturbed sites (D)

表3 核心參數及計算公式Table 3 Formula for calculating of the core attributes

2.2.3 生物學指數計分

核心參數及其計算公式見表3。依此計算各樣點的指數分值。

2.2.4 B-IBI評價結果

評估等級見表4。各樣點評估結果見圖3。從東江流域B-IBI值的分布情況來看（圖3），整個流域 B-IBI的大尺度空間分異規律性較強。“極好”和“好”主要分布在中上游山地源頭溪流和支流；“一般”級別樣點全流域均有分布；“差”和“極差”樣點主要集中在東江下游高度城市化平原區域及河網區。

表4 東江流域B-IBI河流健康評價等級Table 4 Grade for B-IBI of river health assessment

圖3 東江流域B-IBI評價結果Fig. 3 Results of river health assessment using B-IBI

從各主要水系評價結果來看，干流健康級別基本在“一般”及以下；尋烏水和貝嶺水主要為“好”和“一般”；新豐江水庫和楓樹壩水庫附近樣點及柏埔河樣點評估結果在“好”以上；秋香江健康級別主要為“好”和“一般”；西枝江健康級別主要為“一般”和“差”；公莊河、沙河、增江及東莞河網區主要為“差”和“極差”。

對參照點和受損點兩類點位的B-IBI值進行統計，結果顯示，參照點中80%在“極好”和“好”級別，20%在“一般”級別；受損點評價結果全部在“一般”、“差”和“極差”級別。此檢驗結果可以體現構建的B-IBI指數的區分度較好。

2.2.5 B-IBI指數與環境因子的關系

對B-IBI與環境因子數據進行Spearman相關分析，結果見表5。對B-IBI指數與相關性高（r＞0.5）的環境因子進行回歸分析，結果見圖4。結果表明：B-IBI指數和大部分環境因子都有較強相關性，其中與海拔（r=0.644）、河道坡度（r=-0.584）、城市覆蓋比（r=-0.566）、森林覆蓋比（r=-0.589）相關系數較高；進一步回歸分析發現，B-IBI得分與坡度呈線性關系（R2=0.22，P=0.0005）；與海拔（R2=0.36，P=0.0007）、城市覆蓋比（R2=0.23，P=0.0007）、森林覆蓋比（R2=0.27，P=0.0006）呈指數關系。

表5 B-IBI指數與環境因子的spearman相關關系Table 5 Spearman correlation between B-IBI and environmental factors

3 討論

3.1 參照點選擇

受自然干擾和人類活動的雙重影響，根據河流原始健康狀態建立參照極為困難，所以只能選擇相對的無干擾點作為參照點（董哲仁，2005）。參照點選擇采用的標準不同，對最終的評價結果會有重要影響。李強等（2007）主要根據樣點上游流域內的居民地利用率、農田利用率和森林覆蓋率制定B-IBI參照點標準；張方方等（2011）選擇水質優良且附近無農田種植的點位作為參照點；盛蕭等（2016）主要通過水質理化參數計算綜合污染指數值來劃分參照點和受損點，未結合生境、土地利用等指標進行評判。本研究綜合考慮了樣點棲息地環境、土地利用類型及水質狀況進行參照點設定。由于目前無統一的參照點選取標準，因此不同研究中評價標準存在著一定差異。陳凱等（2017）提出在計算參照點位自然屬性代表性范圍的基礎上，采用預測模型方法控制自然變量提高了IBI的精確度和準確度，同時降低評價結果出現Ⅰ型（將健康水體誤判為受損水體）或者Ⅱ型（將受損水體誤判為健康水體）錯誤的可能性，為參照點選擇提供了新的研究思路。

3.2 B-IBI與環境因子關系

在東江流域，海拔高的樣點，一

般底質多樣性高，河道坡度較大、森林覆蓋比高、城市覆蓋比低，因此B-IBI評價得分高。說明河流生境環境良好、人為干擾低、水質良好。反之，海拔低的樣點多為下游平原及河網水域，一般底質以泥沙為主，河道坡度低，且森林覆蓋比低、城市覆蓋比高，因此B-IBI評分較低。說明河流受人為干擾強烈，污染壓力大，水質情況不容樂觀。

隨著人口密度增加和經濟增長，工業和居民廢水排放量也隨之快速增長，而城市廢水處理系統還不全面，很多有害物質被直接或間接地排放到河流水體中，直接導致水體污染加劇乃至富營養化（Paul et al.，2001；Allan，2004）。調查采樣發現，流域南部區許多樣點的氨氮濃度都超過了1 mg?L-1，個別樣點甚至超過了10 mg?L-1，明顯超過了中國淡水生物氨氮基準標準范圍的要求（0.0664～3.92 mg?L-1）（閆振廣等，2011）。這些樣點主要位于東莞或深圳城市周圍的工業園區，可見工業廢水是主要的污染來源。此外，底棲動物多樣性急劇下降，只剩下極耐污物種，如尾鰓蚓屬（Branchiura sp.）和顫蚓屬（Tubifex sp.）。因此，流域南部區城市河流樣點的B-IBI等級均為差及以下。

3.3 與東江流域浮游藻類完整性（P-IBI）評估結果的比較

廖劍宇（2013）對東江流域浮游藻類完整性（P-IBI）進行了水生態健康評估，P-IBI評估結果發現東江流域水生態健康狀況主要集中在“較差”～“較好”級別，即 5級評價等級的中間 3個級別。而本研究B-IBI評價結果表明，東江流域水生態健康狀況集中在“好”和“極差”等級，即5級評價等級除最優級外，其余各級均占一定比例。在分級方面，B-IBI的評價結果較 P-IBI更有區分度。

P-IBI評價結果指出，山地溪流以“較好”等級以上為主，山地丘陵過渡類型以“一般”和“較好”為主，而平原類型多為“差”和“較差”。健康等級差異變化基本呈現為由源頭溪流類型—山地丘陵過渡類型—平原河流類型逐漸變差的趨勢特征。B-IBI評價結果顯示：山地溪流樣點多為“好”，也有“一般”級別；山地丘陵過渡類型樣點在“一般”和“差”級居多；平原河流類型多為“差”和“極差”。總體規律與P-IBI評價結果基本一致。P-IBI評價優勢為針對山地、丘陵和平原3種河流生境分別進行了參照點設計，進行評價時若針對不同生境類型河流選用 P-IBI，若針對全流域范圍水系則選用B-IBI更有區分度。

3.4 基于B-IBI評價結果的管理建議

研究發現，評估結果屬“好”和“極好”樣點大多為底質多樣化、棲境復雜性高、河岸帶植被多樣性高、河岸帶緩沖區生境類型以森林居多的樣點，相反，評估結果為“差”和“極差”樣點大多為城市樣點，底質以泥沙為主，棲境單一，河道人工渠道化，河濱岸植被消失裸露或人工草皮化，或者被單一入侵種占據，如水葫蘆（Eichhornia crassipes）、五爪金龍（Ipomoea cairica）、喜旱蓮子草（Alternanthera philoxeroides）等。因此，提高河流生境多樣性極為重要，如人工創造河道中不同的水流條件和多樣化河床結構，堆積石塊或卵石，可以增加棲境多樣性。其次，要注重河岸帶植被的多樣性及覆蓋面積，更有利于多種水生生物生存。城市河段要人工修復河濱帶，恢復自然植被，杜絕裸露或單一植被，栽種多樣化河岸帶植物。

南部下游城市強人類活動干擾河段污染的源頭主要是工廠、企業排污口。因此，管理監督部門要從污染源頭著手，建立規范的水質監測和污染監督機制，要求水泥、造紙、制革等高污染排放企業配置正規的污水處理設備，杜絕污水未經處理直接排放的現象，并嚴格控制排污量。對于排污設備未達到排放要求的企業應依法關閉和淘汰。由于城鎮區人口密度大，環保水務部門要加強宣傳管理，禁止生活垃圾和污水的肆意亂排亂放，提高廣大社區居民對于水環境的環保意識。

4 結論

東江流域B-IBI指數體系由EPT分類單元數、雙翅目分類單元數、寡毛類個體百分比、撕食者個體百分比、BMWP分數、ASPT分數構成。B-IBI健康評價標準為：B-IBI＞4.78 為極好，3.04＜B-IBI≤4.78 為好，2.17＜B-IBI≤3.04 為一般，1.80＜B-IBI≤2.17 為差，B-IBI≤1.80 為極差。評價結果顯示，96個采樣點中4個為“極好”；17個為“好”；21個為“一般”；24個為“差”；30個為“極差”。“極好”和“好”樣點主要分布在中上游山地源頭溪流和支流；“一般”級別樣點在全流域均有分布；“差”和“極差”樣點主要集中在東江下游高度城市化的平原區域及河網區。B-IBI與坡度呈線性相關關系（R2=0.22，P=0.0005）；與海拔（R2=0.36，P=0.007）、城市覆蓋比（R2=0.23，P=0.0007）、森林覆蓋比（R2=0.27，P=0.0006）呈指數相關關系。