大型底棲無脊椎動物生物完整性在漣水干流健康評價中的應用

喬 祺，石 林，李代軍，趙麗子，劉文博

(湖南省水利水電科學研究院，長沙 410007)

1 研究背景

生物完整性指標(index of biotic-integrity，IBI)是Karr 率先在評價河流中提出的[1]，用于反映水生態系統的健康程度，隨后英國、加拿大、澳大利亞、日本等國學者相繼進行了相關研究并廣泛應用。底棲動物是水生態系統的重要組成部分，其分布范圍相對穩定，生命周期長，對于水質變化較為敏感。因此，對評價水生態水環境具有較強的代表性[2]，近年來逐步被用于評價河流生態環境健康程度。

我國學者對此也進行了較多探索。馬陶武[3]等篩選出7個底棲動物生物指數，可以用作判別太湖水質的敏感生物指數，并獲得太湖水質的基本生態分區現狀，證明該水質生物基準基本適合評價太湖不同區域的水質狀況。戴紀翠[4]等從生態系統健康的概念入手，對底棲動物尤其是大型底棲無脊椎動物在生態系統健康評價中的作用進行了分析和總結。曹艷霞[5]等通過研究漓江底棲無脊椎動物狀況，建立了適合漓江的生物完整性指數，進而評價漓江流域內水質健康狀況。周波[6]等對南廣河流域生物完整性指數進行了評價。盛蕭[7]等基于底棲無脊椎動物監測數據，運用構建的B-IBI對東江流域的主要干支流進行健康評估。林羅敏[8]等對流溪河底棲動物群落結構進行評價，采用比值法計算各生物指數，并對各指數值加和得B-IBI指數值，證明了人類活動程度對底棲動物群落結構影響較大。陳志寧[9]等構建了以軟體動物分類單元、優勢分類單元個體相對豐度、BMWP共3個指標為基礎的大型底棲無脊椎動物生物完整性評價體系，并對北塘河、三井河、澡港河、柴支浜河、通濟河的水生態健康進行評價。崔文彥[10]等使用大型底棲動物完整性指數，對漳河上游水生態狀況進行評價。

由于不同地區地貌、氣候、水文條件存在差異，每個流域需篩選特定適宜的評價參數。目前，底棲無脊椎動物生物完整性在湖南省河湖健康評價中的應用甚少，科學的評價依據和評價體系尚未形成。本文以湖南省省級河流漣水干流為研究案例，篩選核心評價參數，建立大型底棲無脊椎動物生物完整性(B-IBI)評價準則，對漣水干流生態健康狀況進行評價。

漣水干流全長224 km，流域面積7 155 km2，多年平均流量 138.4 m3/s，河流坡降0.46‰，支流眾多，有河長5 km以上各級支流148條。漣水是湖南省內湘江左岸的一級支流，位于湘江下游，發源于新邵縣觀音山南麓，流經漣源市、婁星區、經濟技術開發區，經濟技術開發區梨頭咀匯合孫水進入湘鄉市境內注入水府廟水庫，出水庫后進入婁底市雙峰縣境內，出雙峰縣再次進入湘鄉市范圍，于湘潭縣河口鎮的東北部匯入湘江。

2 研究方法

2.1 樣品采集、處理與分析方法

底棲動物密度和生物量檢測方法見表1。

表1 漣水干流監測項目檢測方法

具體操作流程主要包括：

1) 樣品采集。底棲動物樣品的采集因水體狀況而定，湖泊或深水河流采用1/16 m2彼得森底泥采集器采集樣品。淺水區域或者小型河流，底質多為卵石、礫石，則用D形網(kick-net)或手抄網進行樣品的采集。

2) 樣品處理和保存。洗滌和分揀：泥樣倒入塑料盆中，對底泥中的礫石要仔細刷下附著底棲動物，經60目分樣篩篩選后揀出大型動物，剩余雜物全部裝入塑料袋中，加少許清水帶回室內，在白色解剖盤中用細吸管、尖嘴鑷、解剖針分揀。保存：軟體動物用5%甲醛試劑或75%乙醇試劑溶液；水生昆蟲用5%甲醛試劑固定數小時后再用75%乙醇試劑保存；寡毛類先放入加清水的培養皿中，并緩緩滴數滴75%乙醇試劑麻醉，待其身體完全舒展后再用5%甲醛試劑固定，75%乙醇試劑保存。

3) 計量和鑒定。計量：按種類計數(損壞標本一般只統計頭部)，再換算成ind./m2。軟體動物用電子稱稱重，水生昆蟲和寡毛類用扭力天平稱重，再換算成mg/m2。鑒定：軟體動物鑒定到種，水生昆蟲(除搖蚊幼蟲)至少到科；寡毛類和搖蚊幼蟲至少到屬。

4) 密度計算。底棲動物實測個體總數量除以采樣總面積，即可得該種類的棲息密度(ind./m2)。

5) 生物量計算。底棲動物實測總重量除以采樣總面積，即可得該種類的生物量(g/m2)。

2.2 參考點選擇

大型底棲無脊椎動物釆樣監測方案根據漣水干流流經區域水生態情況確定，釆樣點包括不同程度人類活動干擾影響的區域，其中無明顯人為活動影響的釆樣點作為參考點，明顯受到人為活動影響的釆樣點作為受損點。

2.3 候選參數

備選參數包括能充分反映大型底棲無脊椎動物物種多樣性、豐富性、群落結構組成、耐污能力、功能攝食類群和生活型等類型的參數。參照現有研究成果，確定16個參數為大型底棲無脊椎動物完整性指數的備選參數，見表2。

表2 大型底棲無脊椎動物完整性指數備選參數

2.4 評價參數篩選

對16個備選參數進行分布范圍檢驗、判別能力分析、冗余度分析，篩選并淘汰不能充分反映水生態系統受損情況的參數。

1) 分布范圍檢驗。淘汰樣點中分布范圍過窄或存在零值過多、不具有評價代表性的參數。

2) 判別能力分析。分別比較參考點和受損點各備選參數箱體IQ(25%分位數至75%分位數之間)的重疊程度，箱體沒有重疊或有部分重疊，但各自中位數均在對方箱體范圍之外的參數視為有較強的判別能力，保留并作下一步分析。

3) 冗余度分析。對剩余參數進行相關性分析，當參數之間相關系數|r|>0.7時，保留其中一個最具代表性的參數，其余淘汰，最大限度地保證各參數的獨立性。

2.5 B-IBI指數及分值計算

1) 釆用比值法來統一各入選參數的量綱。具體操作流程如下：①對于外界壓力響應下降或減少的參數，以所有樣點由高到低排序的5%的分位數作為最佳期望值，該參數的分值等于參數實際值除以最佳期望值。②對于外界壓力響應增加或上升的參數，以95%的分位值作為最佳期望值，該參數的分值等于(最大值-實際值)/(最大值-最佳期望值)。

2) 計算B-IBI指數。將各評價參數的分值算數平均，得到B-IBI指數值。以參考點樣點B-IBI值由高到低排序，取25%分位數作為最佳期望值。

3) 計算B-IBI分值。參考水利部《河湖健康評價指南(試行)》[11]，大型底棲無脊椎動物生物完整性指數分值通過參考點和受損點狀況進行計算。按照式(1)和表3計算B-IBI分值，公式如下：

(1)

式中：BIBIS為大型底棲無脊椎動物生物完整性指數分值；BIBIO為大型底棲無脊椎動物生物完整性指數監測值；BIBLE為大型底棲無脊椎動物生物完整性指數最佳期望值。

大型底棲無脊椎動物生物完整性指數指標百分制賦分見表3，可通過插值計算獲取百分制分數值。

表3 大型底棲無脊椎動物生物完整性指數百分制賦分表

3 應用結果

3.1 采樣點布設及監測

漣水干流共布設監測點位17處，位置見圖1。經過綜合對比，選擇水質良好、受人類活動干預較小的第1、第7、第10號3個監測點位為參考點，其余14個監測點為受損點。

通過監測采樣發現，漣水干流底棲動物優勢種有6種，分別為軟體動物門的環棱螺(Bellamya sp.)(Y=0.125)、方格短溝蜷(Simisulcospira cancellata)(Y=0.021)、蘿卜螺(Radix sp.)(Y=0.057)，節肢動物中的四節蜉(Baetis sp.)(Y=0.029)、多距石蛾科(Polycentropodidae sp.)(Y=0.022)、溪泥甲(Elmididae sp.)(Y=0.057)、直突搖蚊(Orthocladius sp.)(Y=0.023)。漣水干流底棲動物平均密度286.9 ind./L，以節肢動物為主；平均生物量94.099 ind./L，以軟體動物占絕對優勢為主，軟體動物的生物量占比在96%以上。

圖1 漣水干流監測點位圖

參考點及受損點的16個備選參數數據見表4。

表4 參考點及受損點備選參數數據表

續表4

3.2 評價過程及結果分析

1) 分布范圍檢驗。由表4可知，襀翅目分類單元數、毛翅目分類單元數、蜉蝣目毛翅目和襀翅目個體數百分比、蜉蝣目個體數百分比等4個參數變化范圍過小，箱體IQ小于2，對參與評價過程沒有明顯意義且可能影響評價結果準確度，特別是襀翅目分類單元數，其參考點和受損點值均為常數，故淘汰該4個參數。

2) 判別能力分析。將剩余的12個參數，作出參考點與受損點箱體(25%分位數至75%分位數之間)對比圖，見圖2。搖蚊類個體數百分比和刮食者個體數百分比兩個參數，其參考點與受損點箱體部分重疊，但各自中位數均在對方箱體范圍之外，符合判別能力篩選標準；其余10個參數，參考點與受損點箱體部分重疊，且各自中位數至少有一個在對方箱體范圍之內，不符合判別能力篩選標準。故僅保留搖蚊類個體數百分比和刮食者個體數百分比兩個參數。

圖2 參考點及受損點備選參數分布箱圖

3) 冗余度分析。剩余參數為搖蚊類個體數百分比和刮食者個體數百分比，將二者進行相關性分析，結果見表5。該二參數相關系數|r|<0.7，故可繼續保留，即最終核心評價參數為搖蚊類個體數百分比和刮食者個體數百分比。

表5 備選參數相關性分析表

4) 評價分值計算。根據2.4節所述評價參數分值計算方法，搖蚊類個體數百分比屬對于外界壓力響應增加參數，其最佳期望值為0；刮食者個體數百分比屬對于外界壓力響應減小參數，其最佳期望值為0.87。各監測點位B-IBI指數值見表6，漣水干流綜合B-IBI指數值為17個點的B-IBI平均值0.443。

表6 監測點B-IBI指數計算表

續表6

取3個參考點B-IBI指數值由高到低排序的25%分位數為最佳期望值BIBIE，為0.764。BIBIS=0.443/0.764=0.580。依據水利部《河湖健康評價指南(試行)》，大型底棲無脊椎動物生物完整性賦分通過表3 插值計算轉化為百分制，得分為67.5分。總體而言，生物完整性較弱，水生態質量有待提升。

4 結 論

河流生態健康評價是查找河湖管理保護短板和問題、加強生態文明建設的重要技術基礎，生物完整性是評估河流生態完整性的重要構成指標。本研究基于大型底棲無脊椎動物生物完整性，篩選B-IBI核心參數搖蚊類個體數百分比和刮食者個體數百分比，對漣水干流生態完整性及河流健康狀況進行分析評價。結果表明，漣水干流總體而言生物完整性較弱，生物群落對水環境的協調不足。建議對漣水水生生物狀況進行全面評估，建立水生生物多樣性觀測網絡，因地制宜實施生態系統保護和修復措施，優化保護體系，并加大執法和監督檢查力度，提升生物多樣性保護公眾參與程度。