基于底棲動物生物完整性指數的贛江干流健康評價

黃彬彬，李光錦, 豐茂成, 陳宇煒, 涂 潔

(鄱陽湖流域水工程安全與資源高效利用國家地方聯合工程實驗室，江西 南昌 330099)

1 研究背景

近年來，在全球氣候變化以及人類活動的雙重影響下，河流生態系統發生了不同程度的退化，河流生態系統健康受到威脅[1]，河流水生態系統的健康越來越受到人們的關注及重視。眾多的評價方法被應用于水生態系統的健康評價[2-5]，其中利用水生生物評價河流生態系統的健康是目前廣泛使用的評價方法之一[6]。生物完整性指數(IBI)自1981年Karr[7-8]提出之后，已經成為用來評價河流生態系統健康的主要方法，它通過從選取的候選參數中篩選出若干個對人類干擾較敏感的生物參數，建立評價體系來評價水生態系統健康狀況[9-10]。從Karr[7]選擇指示生物魚類為研究對象起，其他研究人員將研究對象逐漸擴展到藻類[11]、浮游生物[12]和底棲動物[13]等生物，利用這些生物建立生物完整性指數體系對水生態系統的健康進行評價。

底棲動物是水生態系統中分布極其廣泛的物種之一，生活在水體底層，對河流生態系統的能量流與物質流的循環起著重要的作用，底棲動物生命周期短，不同物種對于環境的干擾通常表現出較大的敏感差異性[14]，能很好地指示水生態系統的變化，因此廣泛應用于水生態系統健康評價[15-18]。Kerans等[19]最早基于底棲動物建立生物完整性指數對河流進行健康評價，至今底棲動物的完整性指數(B-IBI)已成為研究評價河湖水生態系統健康的重要方法之一。我國利用B-IBI進行河湖健康評價起步較晚，自2000年王備新等[20]開展相關研究以來，才漸漸被國內研究人員應用于不同地區的河湖生態系統健康評價。但是國內的研究區域多集中在中小流域[21-23]和中小型湖泊[24-25]等水域。關于本文研究的贛江流域，僅在2011年有學者對整個贛江流域的水生態系統健康進行了評價[26]，至今未有水生態系統健康評價的相關研究。本文通過對贛江干流的底棲動物進行采樣調查，研究了贛江干流底棲動物的優勢種與群落結構特征，并構建底棲動物生物完整性指數體系對贛江干流進行水生態系統健康評價，以期為贛江流域的水生態環境綜合治理與保護提供科學依據與數據支撐。

2 數據來源與研究方法

2.1 研究區域概況

本文主要以贛江干流為研究區域。贛江干流分為上、中、下3段，上游為贛州以上河段，貢水為主河道，長為311 km，主要支流有平江、梅江等，上游區域多山丘；贛江中游為贛州市至新干線河段，長為302 km；新干線以下直至南昌市鄱陽湖為下游，長為208 km，兩岸匯入的支流眾多，主要支流有蜀水、富水、袁江、錦江等。但是隨著社會的發展，贛江流域水資源開發利用率逐漸提高，各種人為干擾，如河道采砂、水利樞紐的興建、污染物的排放等，以及氣候變化均對贛江流域生態環境造成了不同程度的影響，威脅著流域生態系統的健康[27]。

2.2 樣品采集方法

為研究贛江干流的整體水生態系統健康狀況，于2018年7月、2019年1月和4月分別對贛江干流進行野外調查采樣。根據研究區域水文、地理、氣候條件以及《河道大型底棲動物監測與水質評價技術手冊》[28]，嚴格遵循監測點要有代表性、完整性以及可比性的原則。在贛江干流總共布置12個典型采樣斷面對其進行底棲動物野外調查采樣，各采樣斷面位置分布見表1和圖1。

表1 贛江干流底棲動物調查采樣斷面位置

依據贛江干流實際生境情況，每個采樣斷面選取長約200 m的河段，在區域內不同生境進行采集，每個斷面采集次數不少于3次。不可涉水區域采樣所用工具為1/16 m2的彼得森采泥器(定量)、可涉水區域采樣工具為索伯網(定量)以及手抄網(定性)，采樣為定性和定量相結合。采集到的樣品在實驗室進行分類鑒定，大部分鑒定到種或者屬，少部分鑒定到科。

在調查期間，部分采樣斷面未采集到底棲動物，其中2018年8月和2019年1月未采集到底棲動物的采樣斷面有GJ1#、GJ8#、GJ9#、GJ10#和GJ12#；2019年4月未采集到底棲動物的采樣斷面有GJ5#、GJ8#、GJ9#和GJ10#。

2.3 數據分析方法

根據實驗室的樣品分析鑒定結果，統計各采樣斷面不同種類的質量及個體數，將其換算成單位面積上的質量(生物量，g/m2)及個體數(生物密度，ind/m2)，通過底棲動物的優勢度指數(Y)[13]對贛江干流優勢種進行分析。數據的基礎分析及處理使用Excel2017與SPSS完成，指數計算公式如下：

Y=Pi·fi

(1)

Pi=ni/N

(2)

式中：ni為第i個物種的個體數量；N為樣方內個體總數量；Pi為第i個物種個體數量與個體總數量的比值；fi為第i個物種在所有樣點中出現的頻率。當Y>0.02時，該種即為優勢種。

圖1 贛江干流底棲動物調查采樣斷面分布圖

2.4 B-IBI指數體系構建

2.4.1 參照點位的選取 由于實際采樣斷面較少，且部分斷面在某個時期未采集到底棲動物，故將每次調查結果作為一個采樣點，故共有22個采樣點。在所有的采樣點中選取無干擾點或極小干擾點作為參照點。參照點的選取原則參照附近無農田污染源、水質低污染無毒且仍能溶解氧氣的樣點[29]。根據參照點選取原則及贛江干流實際水文地理環境，共選取5個參照點，分別為GJ2#(枯水期)、GJ2#(豐水期)、GJ3#(豐水期)、GJ3#(平水期)和GJ3#(枯水期)，其余17個點位為受損點。

2.4.2 構建步驟 構建B-IBI指數體系總共有4個基本步驟[29]，如圖2所示，主要是為了篩選出能準確評價水生態系統健康的生物指數。

圖2 構建B-IBI指數的基本步驟

2.4.3 選取候選參數 根據前期研究成果[30-32]選取了18個具有代表性、對干擾反映敏感的候選參數，如表2所示。候選參數充分反映了底棲動物群落的組成、豐富度、耐污能力、功能類群和多樣性等特征。

表2 構成B-IBI指數體系的候選生物參數

2.4.4 候選參數的篩選 構成B-IBI指數體系的生物參數必須隨環境物理因子、化學因子、水動力因子及生物因素的變化而發生不同程度的改變，對河流水環境因子有高敏感性。因此需要對候選生物參數進行分布范圍、判別能力及相關性分析，剔除掉不能充分反映出水生態系統健康狀況的生物參數，將保留下來的生物參數構成B-IBI指數體系[33]。

3 結果與分析

3.1 底棲動物群落結構

調查期間于贛江干流共檢出底棲動物3門6綱13科24種屬，共25個分類單元，3門分別為環節動物門、軟體動物門和節肢動物門，6綱分別為寡毛綱、腹足綱、雙殼綱、昆蟲綱，蛭綱、軟甲綱。其中以軟體動物的種類數最多，共檢出11屬種，占總種類的44%，其次為水生昆蟲類6種，占比24%，寡毛類4屬種，占比16%，其余為其他類群僅4種，占比16%。根據調查結果計算優勢度指數Y可得出贛江干流的優勢種有3種，分別為銅銹環棱螺(Bellamyaaeruginosa)(Y=0.169)、蘇氏尾鰓蚓(Branchiurasowerbyi)(Y=0.034)和大沼螺(Parafossaruluseximius)(Y=0.02)，全年內贛江干流底棲動物優勢種見表3。

表3 贛江干流底棲動物優勢種調查結果

從不同水情期來看，在贛江干流2018年7月共檢出底棲動物3門6綱11種屬，優勢種有兩種，分別為銅銹環棱螺(Bellamyaaeruginosa)(Y=0.102)和蘇氏尾鰓蚓(Branchiurasowerbyi)(Y=0.075)；2019年1月枯水期共檢出底棲動物3門6綱12科18種屬，優勢種共有2種，分別為銅銹環棱螺(Bellamyaaeruginosa)(Y=0.121)和蘇氏尾鰓蚓(Branchiurasowerbyi)(Y=0.055)；2019年4月共檢出底棲動物3門4綱8科12種屬種，優勢種僅有1種，為銅銹環棱螺(Bellamyaaeruginosa)(Y=0.124)，各水情期贛江干流底棲動物優勢種見表3。7月與4月的種類數相比于1月枯水期有所降低，主要是兩個水情期相較于枯水期的底棲動物種類除水生昆蟲和寡毛類外的軟體動物以及其他類群有所減少。贛江干流不同水情期的優勢種均為耐污種，在一定程度上說明贛江干流的水質受到一定污染且底棲動物的種類較為單一。

3.2 B-IBI指數體系的構建

3.2.1 分布范圍分析 在計算分布范圍時，通過對參照點的各生物參數值的平均值、25%分位數、中位數、75%分位數、標準差進行比較(如表4所示)，剔除隨干擾的增強，值的變動范圍很小或者很大的生物參數[31]，它們是不適宜用來建立B-IBI指數體系的參數。

搖蚊類分類單元數M4、毛翅目個體相對豐度M7、敏感類群分類單元數M11、敏感類群的個體相對豐度M13、敏感類群的生物量百分比M15、濾食者個體相對豐度M17，這些隨干擾增強其值減小的生物指數，因為其25%分位數、中位數及75%分位數的值波動性不大，說明隨干擾增強，可變范圍很窄，其指示信息作用較低，故剔除。同理，捕食者個體相對豐度M16隨干擾增強，指數的可變范圍很小，不適宜用來構建B-IBI指數體系；搖蚊個體相對豐度M9隨干擾增強，指數的波動性很大，故也予以剔除，然后對其余的10個生物指數進行下一步的篩選。

表4 贛江干流底棲動物采樣參照點生物參數分布范圍

3.2.2 判別能力分析 利用箱形圖法，通過對參照點和干擾點生物參數的計算，在SPSS統計分析軟件中畫出箱形圖，比較參照點和干擾點25%分位數至75%分位數的范圍，當各自的中位數值均在彼此的箱體之中時，則IQ=0；如果只有1個中位數值重疊在對方箱體之中，則IQ=1；如果有部分重疊，但是各自的中位數值均在對方箱體范圍之外時，則IQ=2；當無重疊，各自的中位數值均在對方箱體之外時，則IQ=3[32]，10個生物參數在參照點與受損點的箱形圖如圖3所示。

圖3 10個生物參數在參照點與受損點的箱形圖

通過以上原則對10個剩余生物參數進行分析，選取IQ≥2的生物參數予以保留，其余的剔除，由圖3可知，甲殼動物和軟體動物分類單元數M3和耐污類群的個體相對豐度M12的IQ均小于2，故該兩個生物參數都予以剔除。前3位分類單元個體相對豐度M6和顫蚓個體相對豐度M8屬于隨干擾增強而值變大的生物參數，但是兩者受損點的值的25%分位數、中位數和75%分位數均一致，對干擾的反應不敏感，故均予以剔除。其余生物參數的IQ均大于或等于2，所以得到剩余6個參數：總分類單元數M1、總生物量M2、優勢分類單元個體相對豐度M5、甲殼動物和軟體動物的個體相對豐度M10、耐污類群的生物量百分比M14與香農威納指數M18，將上述6個參數進行下一步相關性分析。

3.2.3 相關性分析 對上述6個生物參數進行Pearson相關性分析和檢驗，剔除重復的信息，保證每一個指數都能提供一個新的信息[34]。通過SPSS軟件分析得出結果如表5所示。由表5可見，反映生物群落豐度的指數總分類單元數M1與反映生物物種多樣性的指數香農威納多樣性指數M18相關性顯著，但由于總分類單元數M1在國內外底棲動物生物完整性指數研究中運用較多，所以予以保留，剔除香農威納多樣性指數M18；優勢分類單元個體相對豐度M5與甲殼動物和軟體動物的個體相對豐度M10相關性顯著，由于軟體動物是贛江干流的主要優勢類群，所以M10予以保留，剔除M5；其余的生物指數相關性均不顯著，M1與M2雖都屬于反映生物群落豐度的指數，但是兩者包含的信息不盡相同，所以兩者均予以保留。最終確定底棲動物生物完整性指數(B-IBI)有4個生物參數，即總分類單元數M1、總生物量M2、甲殼動物和軟體動物的個體相對豐度M10、耐污類群的生物量百分比M14。

表5 6個生物參數間的Pearson相關性

3.2.4 指標賦分 對經過篩選得到的生物參數賦分是為了統一評價量綱，現用比值法進行生物參數的賦分計算，比值法的計算方法為：對干擾變強而值變小的生物參數，以各點位值95%的分位數值為最佳值，各生物參數分值為該生物參數值除以最佳值；對干擾變強而值變大的生物參數，將各點位的5%分位數值作為最佳值，各指數賦分計算公式[29]如表6所示。

表6 各生物參數用比值法的賦分計算公式

按照參照點的生物完整性指數(B-IBI)值的計算結果，將所有參照點的25%分位數作為界線劃分，如采樣點計算所得的B-IBI值大于或等于參照點的25%分位數值，則表示該采樣斷面受干擾小，處于健康狀態。而25%分位數值以下的，可進行4等分，每一段代表不同的健康程度。最終可以得到B-IBI指數體系的評價標準，如表7所示。

3.2.5 健康評價 研究期贛江干流各采樣斷面健

康狀況評價結果見表8。表8顯示，22個樣點中，共有13個樣點為“健康”、2個樣點為“亞健康”。6個樣點為“一般”、1個樣點為“差”，無極差樣點。調查期間未采集到底棲動物的樣點，將其健康狀態均評為極差。根據整個調查期間的結果來看，斷面GJ2#(章水)、GJ3#(儲潭)、GJ4#(萬安水庫)、GJ6#(吉安濱水公園)和GJ11#(贛江南支)處于健康或亞健康狀態；斷面GJ5#(羅塘)處于一般狀態；GJ1#(貢水)、GJ7#(峽江水庫)和GJ12#(贛江北支)處于差或極差狀態；而斷面GJ8#(拖船鎮)、GJ9#(小港)和GJ10#(外洲)未采集到底棲動物均處于極差狀態。根據各斷面的評價結果的平均值可以得出，贛江總體健康狀況處于一般狀態。而且贛江干流健康狀況具有一定的時空差異性，所以對不同水情期的不同樣點區域要采取相應的治理措施與管理方法。

表7 贛江干流健康狀況B-IBI指數評價標準

表8 研究期贛江干流各采樣斷面健康狀況評價結果

4 結 論

通過對贛江干流底棲動物的采樣調查，研究了贛江干流底棲動物的優勢種與群落結構特征，并構建底棲動物生物完整性指數體系對贛江干流水生態系統健康進行了評價，初步得到如下結論：

(1)贛江干流底棲動物檢出3門6綱13科共24種屬，其中優勢種有3種，分別為銅銹環棱螺、蘇氏尾鰓蚓和大沼螺。

(2)贛江干流的水生態系統健康狀況在空間上的差異較大，各斷面采樣點屬于“健康”或“亞健康”狀態。上游和中游的健康狀況總體相對較好。位于贛江干流下游南昌市周邊斷面的健康狀態普遍較差，與其位于城區、開發程度較高、生活及工業污水的排放和河道采砂活動等因素有關，而靠近鄱陽湖湖區的斷面則相對較好。

(3)受研究區域地理條件和采樣環境的限制，本研究對贛江干流僅選取了12個典型采樣斷面，為提高B-IBI評價方法的精準性，應增加典型監測點位，并進行長期跟蹤監測，盡可能為水生態修復與治理提供更多支撐。同時加大對采樣斷面健康狀態較差區域的治理力度，對贛江下游南昌段的工業污水達標排放、采砂及其他開發行為進行科學管理。建立嚴格的監管機制，提高綜合治理水平，以此維護贛江流域水生態系統的健康與水資源的可持續協調發展。