海河流域河流大型底棲動物生物完整性指數健康評價

趙燕楚，王菲，吳丹，黃鑫,3，陳佳林，周琳普，孔凡青*

1. 生態環境部海河流域北海海域生態環境監督管理局生態環境監測與科學研究中心，天津 300170；2. 河北省生態環境監測中心，河北 石家莊 050037；3. 天津農學院，天津 300392

生物完整性指數（Index of Biotic Integrity，IBI）依據多個生物參數綜合反映水體生物學狀況，突破了單一生物指數或單一生物群評價水環境質量的局限性，能更好地從生態系統角度反映河流健康狀況，是目前水生態系統健康評價中應用最廣泛的指標之一（Karr，1981；王備新等，2006）。生物完整性指數的指示生物包括魚類、大型底棲動物、浮游生物、著生藻類、水生植物、微生物等類群（Barbour et al.，1996；Beck et al.，2010；殷旭旺等，2011；Wu et al.，2012；鄧明星等，2018；蘇瑤等，2019）。其中，大型底棲動物是水生態系統健康評價的一個重要指示生物。大型底棲動物是水生態系統的消費者，在物質循環和能量流動中發揮重要作用。該類群在水體中普遍存在，對水質污染、環境變化等反應靈敏；具有較高的物種多樣性和較弱的遷移能力，能夠反映長期的環境變化（Chi et al.，2017）。此外，由于水體受到捕撈、取水、水庫作業和其他人類活動的干擾，大型底棲動物比魚類或浮游生物等受到影響小，更適合評價河流健康狀況（Helson et al.，2013）。

國內外利用大型底棲動物生物完整性指數（Benthic Index of Biotic Integrity，B-IBI）評估河流水生態系統健康的研究較多。Kerans et al.（1994）最早基于B-IBI 對美國田納西河流域進行健康評價。Barbour et al.（1996）利用B-IBI 對美國佛羅里達州的溪流進行了評估。Weigel et al.（2002）開發一種基于大型底棲動物的IBI，用于保護和恢復墨西哥中西部河流。中國關于大型底棲動物生物完整性指數相關研究已在遼河、淮河、海河、東江、渾河、贛江等流域有過報道（張遠等，2007；張穎等，2014；付嵐等，2018；黃彬彬等，2020；張宇航等，2020）。由于不同流域的自然狀況及人類干擾程度不同，導致生物區系差異較大，因此生物完整性評價方法需要分別構建。

海河流域地跨京津冀及周邊省份，人口密集，大中城市眾多，是中國政治、文化中心和經濟發達地區，其水生態健康狀況對京津冀一體化發展有著重要意義。目前海河流域已經開展利用B-IBI 進行河流健康評價的研究，主要集中在永定河、大清河、灤河、漳河等子流域，而對海河流域全流域河流健康狀況的研究卻鮮有報道（孔凡青等，2018；崔文彥等，2019；田鵬等，2019；許維等，2020）。本研究應用B-IBI 指數評價海河流域河流的水生態健康狀況，以期為海河流域水生態保護恢復和綜合管理提供理論和數據支持。

1 研究方法

1.1 區域概況

海河流域位于112—120°E、35—43°N 之間，東臨渤海，南界黃河，西靠云中、太岳山，北依蒙古高原。行政區劃包括北京、天津兩直轄市全部，河北省大部分地區，山西省東部，河南省、山東省北部，內蒙古自治區和遼寧省一小部分（孫鵬程等，2022）。海河流域總面積32.1×104km2，占全國面積的3.3%。總體地勢呈西北高、東南低，地貌劃分為內蒙古高原、華北山地和海河平原3 個區。流域屬于溫帶半濕潤、半干旱大陸性季風氣候區，年內四季分明，寒暖適中，日照充足。多年平均氣溫在1.5—14 ℃，由南往北和由平原向山地降低。多年平均降雨量為527 mm，降雨時空分布呈明顯的地帶性、季節性和年際差異。流域水系主要由灤河水系、北三河系、永定河系、大清河系、子牙河系、漳衛河系、徒駭馬頰水系組成，從南到北呈扇形分布，水系分散、河系復雜、支流眾多。

1.2 大型底棲動物樣品采集和分析

2020年5—10月完成了流域內大型底棲動物樣品采集，采樣點共計39 個，各采樣點的信息見圖1。在水深小于30 cm 的采樣點，將網徑為40 目（孔徑為0.425 mm）、采樣面積為0.09 m2的索伯網置于河床，攪動采樣框內底質，并將框內石頭上的大型底棲動物刷入網內。在水深大于30 cm 的采樣點，利用體積為1/40 m3的彼得森采泥器，進行樣品采集。所有樣品用40 目篩網沖洗后在白瓷盤中進行分類挑選，將肉眼可見的大型底棲動物放入樣品瓶中，加入95%乙醇溶液固定。樣品帶回實驗室后，在解剖鏡和顯微鏡下進行鑒定和計數，所有樣品盡可能鑒定到最低的分類單元（劉月英，1979；Morse et al.，1994；王俊才等，2011）。

圖1 海河流域采樣點分布示意圖Figure 1 Distribution of sampling sites in Haihe River Basin

1.3 水質理化特征與生境質量評價

使用YSI 多參數水質監測儀對pH、水溫（WT）、溶解氧（DO）、電導率（Cond）、濁度（Tur）進行現場測定。采集水樣，在實驗室內參照《水和廢水監測分析方法（第4 版）》測定氨氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）、五日生化需氧量（BOD5）、高錳酸鹽指數（CODMn）、化學需氧量（COD）等指標。水質理化指標的評價依據《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）。

生境質量評價主要參考鄭丙輝等（2007）提出的棲息地評價指標體系，包括底質、棲息地復雜性、流速-深度結合特性、河岸穩定性、河道變化、河水水量狀況、植被多樣性、水質狀況、人類活動強度、河岸土地利用類型等10 個參數。每個參數評分范圍為0—20 分，將分數累加，得到最終的生境質量評價結果。

1.4 B-IBI 評價體系建立

1.4.1 參照點的篩選

參照點指未受到人類活動干擾或輕度人類活動干擾的采樣點。由于海河流域人口密集，人為干擾嚴重，選擇無干擾樣點或者干擾極小樣點作為參照點很困難。本研究參考周瑩等（2013）提出的參照點篩選標準，并結合海河流域的實際情況：1）水質標準在Ⅱ類及以上；2）生境質量評價結果≥120分；3）周圍無強人類活動干擾且無密集的農田、建筑和工業用地。按照上述原則最終確定了下交漳、黃花營、白羊墅、灤縣大橋、馬邑、古北口、上二道河子、大沙地、王林口9 個點位為參照點，其余的30 個點位為受損點。

1.4.2 候選參數的篩選及分布范圍

依據本研究的調查數據，參考相關的研究成果（慕林青等，2018），分別從群落豐富度、個體數量比例、生物耐污能力、營養級組成以及多樣性5個方面選取21 個指標作為候選指標體系（表1）。計算參照點中候選參數的分布范圍，篩除以下兩類參數：1）隨干擾增強值變化范圍很小的參數，不易準確區分受不同干擾程度的水體，不適于參與構建B-IBI 指標體系；2）如果指標值的標準差大，說明該值分布比較散，也不適于參與構建B-IBI 指標體系。

表1 海河流域B-IBI 候選參數及在參照點中的分布范圍Table 1 Candidate metrics of B-IBI in Haihe River Basin and distribution in reference sites

1.4.3 判別能力分析

根據Barbour et al.（1996）的評價方法，每個指標的靈敏度依據箱線圖參照點和受損點的25%—75%分位數范圍即箱體IQ（interquartile ranges）重疊情況進行判斷，分別賦予不同的值。參照點和受損點的箱體沒有重疊，IQ=3；箱體部分重疊，各自中位數都在對方箱體之外，IQ=2；箱體部分重疊，僅有1 個中位數在對方箱體之外，IQ=1；2 個中位數均在對方箱體之內，IQ=0。篩選IQ≥2 的指數進行下一步分析。

1.4.4 相關性分析

對判別能力分析后的指標進行Pearson 相關性分析，檢驗各參數所反映信息的獨立性，相關系數r的絕對值大于0.75 的兩個指標保留一個即可。

1.4.5 B-IBI 指標的計算及評價標準

經相關性分析后保留的指標統一量綱，使用的比值法對參數進行記分。對于干擾越強而值越低的指標，指標分值為實際值除以95%分位數值；對干擾越強而值越高的指標，指標分值為(最大值-實際值)/(最大值-5%分位數值)。各評價指標分值的分布范圍為0—1，若大于1，則記為1。

將各指標的分值相加得到每個點位的B-IBI值。以參照點B-IBI 值分布的25%分位數值作為健康評價的標準，對小于25%分位數值的分布范圍進行4 等分，確定了海河流域的B-IBI 指數5 個等級的評價標準。

1.5 數據處理與分析

用Excel 進行基礎數據處理，用Origin Pro 8.5軟件進行判別能力分析，用SPSS 23.0 軟件對數據進行相關性分析。優勢度公式如下：

式中：

Y——物種的優勢度；

fi——第i種物種出現的頻率；

ni——種i的個體數；

N——所有種的個體總和。大型底棲動物優勢度大于或等于0.02 種類為優勢種（Mcnaughton，1967）。

2 結果

2.1 大型底棲動物群落結構組成

2020 年海河流域內河流共采集到大型底棲動物106 個分類單元（以下稱為 “種”），隸屬于4 門8 綱20 目50 科。扁形動物門1 綱1 目1 科1 種，占物種總數的0.9%；環節動物門3 綱5 目5 科6種，占物種總數的5.7%；軟體動物門2 綱4 目7科12 種，占物種總數的11.3%；節肢動物門種類最多，包含2 綱10 目37 科87 種，其中昆蟲綱8 目34 科83 種，占物種總數的78.3%，甲殼綱2 目3科4 種，占物種總數的3.8%。中華齒米蝦（Caridina denticulatesinensis）、逸仙麗翅蜉（Alainitesyixiani）、搖蚊屬一種（Chironomussp.）、斑點小劃蝽（Micronectaguttata）為流域內的優勢種。

大型底棲動物密度范圍在3.3—1 376 ind·m-2，平均值為297 ind·m-2，節肢動物門密度占比最高為84.7%，軟體動物門和環節動物門分別占總密度的11.0%和4.2%，扁形動物門密度占比最低為0.2%。

2.2 B-IBI 指數評價體系

2.2.1 生物參數分布范圍

計算21 個候選指數在9 個參照點的分布情況（表1），M2 指標標準差較大，不適合構建指標體系；M3、M5、M10 3 個指標隨干擾增強，指標值的變化范圍較小，同樣不適合構建指標體系。對剩余的17 個指標進行進一步分析。

2.2.2 判別能力分析

對剩余的17 個指標進行箱線圖分析（圖2），M1、M8、M14、M15、M18 和M21 共6 個指標的IQ≥2。

圖2 17 個候選參數在參照點和受損點的箱線圖Figure 2 Box plots of 17 candidate metrics in reference and impaired sites

對上述6 個指標進行Pearson 相關性分析（表2）。結果表明M1 與M14 之間呈顯著相關，M1為表現物種豐富程度的指標，M14 為表現生物耐污能力的指標，考慮物種豐富程度部分其他指標都已剔除，因此保留M1。M8、M18、M21 之間呈顯著相關，M8 為表現個體數量比例的指標，M18 和M21為表現物種多樣性的指標，M18 包含的信息較多，予以保留。M15 與其它指標沒有顯著相關性，保留該指標。因此，構成B-IBI 指標體系的參數共3 個，分別為M1、M15、M18。

表2 6 個候選參數之間的Pearson 相關分析結果Table 2 Pearson correlation analysis of 6 candidate metrics

2.2.3 海河流域B-IBI 健康評價

構成B-IBI 指標體系的3 個指標分值的計算公式見表3，將各指標的分值相加得到B-IBI 值，海河流域評價標準見表4。

表3 核心參數計算公式Table 3 Calculation formula of core parameters

表4 海河流域評價標準Table 4 Criteria of B-IBI in Haihe River Basin

海河流域評價結果顯示，B-IBI 值平均得分為1.86，健康狀況為良好。39 個采樣點中（圖3），處于健康狀態有13 個，占33.3%；處于良好狀態有12 個，占30.8%；處于一般狀態有10 個，占25.6%；處于較差狀態有3 個，占7.7%；處于很差狀態有1個，占2.6%。

圖3 海河流域B-IBI 評價結果Figure 3 B-IBI evaluation results of Haihe River Basin

3 討論

3.1 參照點位的選取

B-IBI 是一個區域指標，通過比較群落結構現狀和參考狀態，分析和監測人為干擾對大型底棲生物群落結構影響。因此，參照點的選取對B-IBI 評價至關重要。理論上參照點應當是沒有受到人類活動干擾的點位。海河流域長期受人類活動的影響，找到完全沒有干擾的參照點是非常困難的，我們選擇受干擾程度最小的點作為參照點。根據已有的研究報道，水質、物理棲息地和土地利用模式是最重要的參考點篩選指標，水質參數表明營養物富集和有機污染情況，物理棲息地特征影響大型底棲動物的多樣性和豐度，土地利用模式反映潛在的非點源污染（Whittier et al.，2007；Huang et al.，2014）。Maxted et al.（2000）對大西洋中部沿海平原溪流評價、Mereta et al.（2013）評估埃塞俄比亞西南部自然濕地等均采用了這3 個指標篩選參照點。本研究在此基礎上參照周瑩等（2013）提出的篩選標準主要依據水體水質等級、棲息地質量評價、人類干擾強度以及河岸帶土地利用情況，盡可能確定相對環境較好的參照點位。國內關于B-IBI 的許多研究工作均參照此標準化參照點篩選方法，如灤河流域、永定河、渾太河流域、鄱陽湖等（渠曉東等，2012；慕林青等，2018；田鵬等，2019；游清徽等，2019）。

本研究選取的9 個參照點位普遍位于山區及河流的上游區域，具有較好的自然流量，污染水平較低。從B-IBI 評價結果看（圖4），參照點位均處于健康和良好狀態；參照點位和受損點位的箱線圖箱體沒有重疊，生物狀態可以明顯區分，說明選取的參照點是可行的。

圖4 參照點和受損點B-IBI 箱線圖Figure 4 Box plots of B-IBI in reference and impaired sites

3.2 海河流域河流健康

利用B-IBI 指標體系評價河流的健康狀況，可反映不同類型人為活動對河流的綜合干擾狀況。人為干擾越強，B-IBI 指數越低；人為干擾越弱，B-IBI指數越高。B-IBI 指數對海河流域河流健康狀況進行評價，結果表明海河流域整體呈現良好狀態。北部和西部山區普遍呈現健康或良好狀態，部分點位呈現一般狀態；南部平原地區呈現一般和較差狀態。北部和西部山區大部分為河流源頭，海拔較高，地形起伏大，不適宜人類活動，工業化程度低，工農業排放污水較少，因而生境狀況較好，大型底棲動物種類較多，群落結構較復雜。平原區大中城市較多，人口較密集，人類活動干擾強度較大，生境狀況較差，大型底棲動物種類較少且以耐污染的類群為主。

郝利霞等（2014）利用大型底棲動物研究發現海河流域河流生物完整性整體較差，與本研究結果有差異。一方面可能與點位設置差異有關，本研究大部分點位位于山區，而郝利霞（2014）等研究結果在平原區設置點位較多。整體來看，山區河流健康狀況好于平原地區。另一方面可能與采樣時間相差較大有關，郝利霞等（2014）采樣時間為2010年，本研究采樣時間為2020 年，這十年海河流域經過一系列的生態環境綜合修復保護工作一定程度上提升了大型底棲動物的完整性，河流健康狀況有所好轉（孫鵬程等，2022）。

由于整個海河流域面積較廣，本研究設置點位數量有限，未能全面覆蓋海河流域各水系。因此，長期、系統性的調查監測有待于進一步開展，使B-IBI 更準確地反映海河流域健康狀況，以便管理部門制定相應的保護和恢復對策。

4 結論

1）海河流域河流共采集到大型底棲動物106種，其中中華齒米蝦、逸仙麗翅蜉、搖蚊屬一種、斑點小劃蝽為優勢種。

2）海河流域河流B-IBI 指標體系由總分類單元數、每個分類單元的平均得分（ASPT 指數）和Shannon-Wiener 指數構成。

3）海河流域河流整體健康狀況為良好，北部和西部山區河流健康狀態優于南部平原地區。