江蘇省境內河流大型底棲動物生物完整性分布特征

摘要：大型底棲動物是水環境的重要指示生物，其完整性和群落結構能夠反映水體生態健康狀況。以江蘇省境內淮河、長江、太湖等35條河流（125個采樣點）為研究對象，在2023年豐水期調查分析其大型底棲動物、水環境指標以及生境狀況，計算大型底棲動物生物完整性指數（B-IBI）；采用比值法對B-IBI指數進行賦分，分析其與環境因子的相關性，并利用普通克里金法對B-IBI指數進行空間插值，評價河流健康狀況。結果表明：① B-IBI指數與棲境多樣性、NH3-N、PO3-4-P、流速和透明度呈顯著正相關，且核心參數中刮食者分類單元數與CODMn呈弱顯著正相關。表明棲境多樣性和水體透明度的增大有利于大型底棲動物的群落結構完整和穩定，NH3-N、PO3-4-P在一定范圍內對底棲動物有正向作用，刮食者能夠承受一定程度的水體污染；② 35條河流整體健康狀況東北部好于西南部。其中，健康狀況良好的采樣點主要集中于淮河流域東部、西北部，長江流域西南部和太湖流域的中部。③ 相似性分析（One-way ANOSIM）和相似百分比（SIMPER）分析顯示，淮河與長江流域底棲動物群落密度結構存在顯著差異，長江沿岸的城市化和航運已經影響底棲動物的群落結構。

關 鍵 詞：底棲動物； 生物完整性； 分布特征； 群落結構； 生態健康評價； 江蘇省

中圖法分類號： X826

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.09.015

0 引 言

生物學評價法即通過研究生物對污染物、人類活動等干擾的反應，分析水生態環境變化的原因，從而了解生態系統狀況，對生態保護及可持續發展提供依據［1］。完整性指數是近年來接受度較高的生物學評價法之一，Karr等于1981年首次利用魚類構建了完整性指數對河流的健康狀況進行評價［2］，之后該方法被應用到浮游植物、浮游動物、底棲動物等水生生物類群種，對湖泊、水庫等水環境進行評價［3-5］，在法國、巴西、墨西哥、日本等地區都有所運用［6-9］。完整性指數評價的優點是采用的生物指標較多，比起單個生物指數能更加完整地反映區域內指示生物類群的狀況［10］。

在中國，生物完整性指數也得到了一定的應用。謝志偉以魚類作為研究對象，構建了魚類生物完整性指數（F-IBI），評價了長江入海口的生態健康狀況［11］；陳宇飛等對太湖流域的河流和湖泊構建了浮游動物完整性指數（Z-IBI），驗證了Z-IBI的結果與水質數據的一致性［12］；馬廷婷等對太湖主要河口構建了浮游植物完整性指數（P-IBI），評估了太湖流域18條河流主要河口的生態環境健康狀況［13］；張穎等對淮河流域的32條河流構建了基于底棲動物的生物完整性指數（B-IBI），評價了淮河流域的水生態健康程度［14］。

江蘇省水域面積占比大，河網稠密，在相對較小的空間尺度上（如太湖流域、淮河流域等），已有利用浮游植物、魚類等構建生物完整性指數的研究，但整個江蘇省水域范圍的底棲動物評價體系還存在著一定的空白。底棲動物的種類、生物量、群落結構等參數能夠反映水體環境的長期變化，是目前公認的最理想的水質生物監測指標之一［15］。豐水期的河流浮游動物和底棲動物多樣性一般要高于枯水期［16-18］，更加具有代表性。因此本文以江蘇省境內淮河、長江、太湖三大流域內的35條河流為研究對象，在豐水期開展水質監測和棲境調查，調整現有的標準化參照點篩選方法，并將空間插值技術運用到B-IBI評價體系中，完善大型底棲動物完整性指數分布的展示效果；并采用統計學方法對底棲動物的群落結構特征進行分析，與B-IBI分布結果相互驗證，以期為江蘇省的河流生態健康保護提供參考。

1 實驗方法與數據分析

1.1 采樣點布設

研究對象為江蘇省境內的35條河流，共設置125個采樣點。其中淮河流域25條河流，共布設81個采樣點；長江流域4條河流，共布設22個采樣點；太湖流域6條河流，共布設22個采樣點。采樣點的布設位置如圖1所示。

1.2 樣品采集與指標測定

采樣時間為2023年豐水期（8月23日至9月20日）。應用ETC-200抓斗式采泥器在每個采樣點抓取3斗表層底泥。用60目的篩網在現場篩去多余淤泥及雜質，剩余樣品帶入實驗室，挑出大型底棲動物，置于90%乙醇中4 ℃保存。鑒定底棲動物的種類、數量［19-21］，并稱量其重量，計算生物量（g/m2）和密度（ind./m2）。

在采樣點現場使用便攜式多參數分析儀、流速儀計數器和塞氏盤測定水樣的pH、溶解氧（DO）、流速和透明度等指標。并采集水樣帶回實驗室，依據《水和廢水監測分析方法》［22］，測定銨態氮（NH3-N）、硝態氮（NO-3-N）、總磷（TP）、總氮（TN）、正磷酸鹽（PO3-4-P）、葉綠素a（Chl-a）、高錳酸鹽指數（CODMn）等指標。參考文獻［23］的方法在采樣現場對棲境多樣性、河道變化、河岸土地利用等生境狀況進行打分。

1.3 大型底棲動物生物完整性指數評價方法

1.3.1 參照點確定

在利用完整性指數對河流進行評價時，為了合理反映出特定區域內的生物完整性情況，需要依據人類活動的強弱，將采樣點分為參照點和受損點。本文參照現有研究［23-25］，將土地利用狀態、棲境復雜程度、水質狀態3個方面作為參照點的篩選標準，具體為：河岸兩側無耕作土壤；棲境復雜性指數≥15；DO≥5 mg/L，CODMn≤6 mg/L，NH3-N≤1.00 mg/L。

1.3.2 底棲動物備選參數確定與篩選

完整性指數的計算依賴于各種生物參數，根據已有研究［26-29］，本文從物種豐富度、類群相對豐度、敏感和耐污類群、功能攝食類群、多樣性指數5個方面構建江蘇省河流底棲動物的完整性指數備選參數，具體參數見表1。

在備選參數中，經過以下3個步驟篩選出核心參數：

（1） 分布范圍檢驗，即剔除掉0值點過多（＞95%）以及分布范圍過窄的參數，以便于敏感性分析［30］。

（2） 敏感性分析，即根據箱線圖IQ評分，保留具有顯著差異（IQ≥2）的參數，進入相關性檢驗［30］。

（3） 相關性檢驗，即采用Spearman相關性分析，剔除掉相關性較高的參數，保留包含信息量最大的參數作為核心參數［25］。

1.3.3 完整性指數計算

經標準化處理統一量綱后，采用比值法，以最少狀態作為參照計算核心參數的期望值和閾值［24］，具體見式（1）。

ibii=αi-Xiαi-Eαi，正向參數Xi-βiEβi-βi，負向參數（1）

式中：ibii表示第i個核心參數的得分；α表示正向參數受損點的75%分位數；β表示負向參數受損點的25%分位數；X表示核心參數值；Eα表示參照點的25%分位數；Eβ表示參照點的75%分位數。

參考文獻［24］對所計算出的參數分值進行賦分后，將核心參數的最終得分相加，得到底棲動物完整性指數（B-IBI指數）。利用等分法，將B-IBI指數劃分為“優”（4～5）、“良”（3～4）、“中”（2～3）、“差”（1～2）、“劣”（0～1）五個等級，表征利用底棲生物所評價出的河流健康狀況［24］。

2 結果分析

2.1 底棲動物群落結構特征

共采集到78種大型底棲動物，隸屬于3門7綱19目23科，其中軟體動物門31種，節肢動物門38種，環節動物門僅9種。3個流域不同目的底棲動物密度占比如圖2所示。從分類單元數來看，江蘇省境內125個采樣點的主要類群為腹足綱和昆蟲綱。淮河、長江和太湖流域各采集到67，32，27種底棲動物。將優勢度指數Y≥0.02作為優勢種的判別標準，共在江蘇省范圍內篩選出7種優勢種，其中環棱螺屬有3種，圓田螺屬、水絲蚓屬和股蛤屬各有1種。

2.2 底棲動物完整性指數評價結果

2.2.1 參照點分布

根據本文所提出的參照點篩選標準，在江蘇省境內35條河共計125個采樣點中共篩選出參照點26個，受損點99個。3個流域中均有參照點分布，淮河、長江、太湖流域的參照點占比分別為22.22%，22.73%和13.64%。相較之下，淮河流域和長江流域的占比相近，太湖流域的參照點占比明顯減小。

2.2.2 核心參數篩選結果

對所有參數進行分布范圍檢驗，其中參數A8、A16因0值點過多被剔除，參數A6、A7、A9、A17因分布范圍過窄被剔除，其余26個參數進入敏感性分析。

敏感性分析中，根據箱線圖的結果（圖3，只展示IQ值≥2的參數），A1、A2、A5、A18、A19、A22、A28、A30、A32共9個參數IQ值≥2，說明參數在參照點和受損點具有顯著差異，進入相關性分析，其余參數被剔除。

Spearman相關性分析的結果（表2）表明，在物種豐富度類別的參數中，A1、A2和A5均顯著相關（r＞0.70，p＜0.01），其中A1總分類單元數所包含的物種豐富度信息最多，保留該參數，剔除掉A2和A5；在類群相對豐度類別的參數中，A18和A19顯著相關（r=0.71，p＜0.01），A19前3位優勢分類單元百分比所包含的類群相對豐度所包含的信息更多，保MgEDwr/+0Gp0ukMMLxGa1w==留該參數，剔除掉A18；敏感和耐污類群、功能攝食類群兩個類別中分別都只有一個參數進入相關性分析，即A22耐污類群分類單元數和A28刮食者分類單元數，均保留；多樣性指數類別中A30和A32顯著相關（r=0.87，p＜0.01），A30與其余參數的相關性比A32略大，所以剔除A30，保留A32Margalef指數。

2.2.3 B-IBI評價結果

江蘇省境內35條評價河流的B-IBI均值為2.43，平均評價等級為“中”。其中，淮河流域的B-IBI指數均值為2.52，流域整體評價等級為“中”，共有13個采樣點顯示為“優”等級，13個采樣點為“劣”等級；長江流域的B-IBI指數均值為2.05，流域整體評價等級為“中”，共有2個采樣點顯示為“優”等級，5個采樣點為“劣”等級；太湖流域的B-IBI指數平均值為2.45，流域整體評價等級為“中”，共有2個采樣點顯示為“優”等級，3個采樣點為“劣”等級。

3 討 論

3.1 底棲動物完整性指數評價體系校驗

運用與敏感性分析中的箱線圖IQ值法校驗B-IBI指數在參照點和受損點的分布情況，結果如圖4所示，B-IBI指數的IQ值為3，即B-IBI指數在參照點和受損點之間存在顯著差異，說明該評價體系構建合理，結果可靠。所有采樣點B-IBI評價等級的個數和占比（表3）在數據上呈均勻散布，表明該次評價結果能夠較好地反映評價河流的健康狀況。

從篩選出的參照點和受損點分布情況來看，淮河、長江、太湖流域均有分布。其中淮河流域的采樣點分布眾多，其參照點個數也最多；太湖流域參照點占比比淮河流域與長江流域明顯減少，推測是因為太湖流域的江南運河、吳淞江、太浦河等河流船舶來往頻繁，人類活動強度較高。馬廷婷［13］、Wu［31］等對太湖流域河流構建的P-IBI結果都表明，太湖流域的河流水質狀況普遍較差，并且Wu的P-IBI評價結果能夠與水質指數WQI的結果相吻合。以上研究結果與本次參照點的分布大致相符，但基于底棲動物完整性指數的河流健康評價并不完全與參照點或水質參數的分布規律吻合，需要結合環境因子進一步探究其分布特征及原因。

3.2 底棲動物完整性指數與環境因子的相關性分析

將B-IBI指數與所檢測的環境因子做Pearson相關性分析。表4結果表明，B-IBI指數與棲境多樣性、NH3-N、PO3-4-P、流速和透明度呈顯著正相關，與其余的環境因子相關程度不明顯。根據張又等的研究，棲境多樣性可以作為底棲動物生物多樣性的指示因子，底棲動物分類單元數、Shannon-Wiener指數會隨著棲境多樣性的升高而穩步上升［23］，而本次構建的B-IBI指數的核心參數中包含分類單元數，且在相關性分析中，Shannon-Wiener指數與Margalef指數呈顯著正相關，這是B-IBI指數與棲境多樣性呈正相關的直接原因。而棲境的多樣性高，底棲動物的生存空間就得到了擴大，相應地，底棲動物的密度和多樣性也得到了提升［24］，這與空間異質性理論也相吻合［32-33］。

氮、磷營養鹽是限制大型底棲動物的主要營養鹽類型，其中氮又是更為主要的限制因子［34］。本研究中B-IBI指數與NH3-N、PO3-4-P呈較弱的顯著正相關，表明一定范圍內NH3-N、PO3-4-P的上升可以促進底棲動物的群落結構復雜化。有研究表明，某些情況下，底棲動物的總量和總氮的關系甚至可以用線性回歸方程進行表示［35］，但N、P營養鹽如果超過各自閾值時會導致大型底棲無脊椎動物群落結構的嚴重退化［36］。本次研究中滁河的B-IBI評價等級為“差”，其TN、NH3-N，以及PO3-4-P都接近本次所有采樣點中的最高水平，而B-IBI評分反而較低，其底棲動物類群主要由耐污類群構成，也顯示過高濃度的N、P營養鹽會抑制底棲動物群落結構發展平衡。

本次分析發現B-IBI指數與流速和透明度也呈顯著正相關。在一定范圍內，水流的流速能夠更新水體，利于敏感類群的生存［37］。而水體透明度能影響水生植物，水生植物與底棲動物之間又有相互作用關系，所以顯現出了B-IBI與透明度的相關性。有研究表明，水生植物為軟體動物（特別是腹足綱）提供了繁殖場所和生活環境；反之，螺類的攝食行為能夠去除水生植物上附著的藻類，能凈化水質，提高水體透明度［38］。有相關研究表明，物種豐富度、生物量和多樣性指數與流速和透明度呈顯著正相關［39］，而本次構建的B-IBI核心參數中含有豐富度指數，且多樣性指數和豐富度指數顯著正相關（表2），也解釋了B-IBI與透明度的相關關系。

進一步對核心參數與環境因子進行相關性分析發現，刮食者分類單元數與CODMn呈弱顯著正相關（r=0.201，p=0.025）。刮食者主要攝食各種營固著生活的生物類群，部分也會以附著的藻類、菌類和底質中的有機物質為食，因此可以承受一定程度的水體污染［40-42］。CODMn是反應水體中有機污染程度的環境因子，而本次采樣中的刮食者主要為中腹足目的銅銹環棱螺、梨形環棱螺和中華圓田螺等耐污類群，這與現有研究結果也相吻合［43-44］。

3.3 B-IBI指數的空間分布特征

對淮河、長江和太湖流域各采樣點底棲動物的總分類單元數和B-IBI指數采用單因素ANOVA分析，判斷3個流域是否具有顯著性差異［45］。結果顯示，顯著性（P）均大于0.05，即在統計學意義上，3個流域的總分類單元數（F=1.820，P=0.166）和B-IBI指數（F=1.016，P=0.365）不存在顯著性差異。江蘇省地勢平坦，低海拔平原和低海拔臺地面積占比之和超過95%。而丘陵和小起伏山地之和占比不足8%，僅零星分布于東北部連云港、西南部南京、鎮江以及南部太湖等附近［46］。因此三大流域地理條件類似，無明顯差異，這與本次底棲動物的調查分析結果相一致，也證明為3個流域構建同一個B-IBI評價體系是可行的。

各采樣點B-IBI指數的評價等級如圖5（a）所示，利用普通克里金法（Ordinary Kriging）對未知區域B-IBI指數的取值進行線性無偏最優估計［47］，用以分析底棲動物生物完整性的分布規律，結果如圖5（b）所示。總體上，江蘇省東部的底棲動物完整性要好于西部，北部要好于南部。

淮河流域B-IBI均值為2.52，等級為“中”。其中西部河流B-IBI的評價等級為“差”和“劣”的采樣點較為集中；東部河流評價等級為“優”和“良”的采樣點較多。但相對地，東部采樣點的布設密度較西部更小。其中通榆河有8個采樣點的評價等級為“優”或“良”，廢黃河、蘇北灌溉總渠也有6個采樣點評價等級在“良”以上。由圖5（b）可以看出，整體上，淮河流域東部以及西北部河流健康狀況較好，主要處于鹽城市、南通市等地。有研究表明，鹽城夏季的有機污染指數和富營養化指數低于春秋季［48］，是水生態健康狀況較好的原因之一。中部以及西南部河流健康狀況較差，根據已有文獻［49］，洪澤湖附近存在來自城鎮污水、工業廢水等復合污染，表層沉積物中的Ni、Zn、Cr和As可能會對底棲動物產生不利影響。

長江流域B-IBI均值為2.05，等級為“中”。位于長江流域西南部的水陽江和西部的秦淮河水生態健康狀況都良好，其采樣點評價等級均為“良”。西部的滁河B-IBI評價等級為“差”，其水質理化參數顯示TN、NH3-N和PO3-4-P均遠高于平均水平。長江江蘇段位于鎮江、揚州和南通附近的采樣點B-IBI評價等級高于其他采樣點，這與現有調查與環境因子相關分析的結果基本一致［3，50-51］。鎮江段大部分保留有自然土質護坡，使得棲境多樣性得到保護［51］，是B-IBI評分較高的原因。揚州和南通近年來搬遷整改沿江工廠，大力治理水生態環境，故水生態健康水平較高，與現有浮游植物完整性指數（P-IBI）評價結果相同［3］。其余采樣點棲境較為單一，多為人工修筑的護坡，且河道有大型船只頻繁通過，破壞了底棲動物的棲息環境［52］，導致部分采樣點的底棲動物種類較少，從而影響了底棲動物的完整性指數。而長江的采樣點個數在長江流域所有采樣點中占比很大，因此長江流域的B-IBI指數平均值要低于淮河流域和太湖流域。

太湖流域B-IBI均值為2.45，等級為“中”。B-IBI評價等級較高的采樣點集中于流域中部的常州市，以及南部的蘇州市。常州市在武進區、金壇區等地設立了水生態環境功能區，維持保護了水環境，故該地區B-IBI評價等級較高［53］。蘇州市是太湖水生態環境保護的重點區域之一，當地政府在常熟市城區、吳江松陵城區等地開展河道水生態修復等方面的工程和項目，成效顯著［54-55］，B-IBI評價結果也有所顯示。但望虞河、新溝河、新孟河等河流由于來往船只頻繁，水體可能因此受到船舶排放的氮磷污染物和重金屬元素的影響［56-58］，導致整個太湖流域敏感類群較少，屬于中腹足目和顫蚓目的耐污類群在密度上超過了85%，而雙翅目、襀翅目等敏感類群密度占比不足3%（圖2）。

對3個流域底棲動物的密度進行兩兩間One-way ANOSIM相似性分析（基于Bray-Curtis距離），結果表明，淮河與長江流域底棲動物群落密度結構存在顯著差異（r=0.109，p=0.036）。進一步利用相似百分比（SIMPER）分析淮河和長江流域不同物種對密度差異的貢獻率，結果顯示（表5），兩個流域底棲動物群落結構的差異主要由腹足綱（5種）、雙殼綱（2種）、軟甲綱（1種）和寡毛綱（1種）貢獻。除了秀麗白蝦（Exopalaemon modestus）和河蜆（Corbicula fluminea）的密度在長江流域稍大，淮河流域其余的物種密度均高于長江流域，且多為耐污類群。

總分類單元數、耐污類群物種數、豐富度指數作為B-IBI指數的核心參數，在淮河流域均遠高于長江流域，這是淮河流域B-IBI均值比長江流域高的重要原因之一。以上分析表明，長江沿岸高度的城市化和航運已經影響大型底棲動物的群落結構，對河流水生態健康造成了一定負面影響。

4 結 論

本研究篩選出的參照點在淮河、長江、太湖流域均有分布，箱線圖IQ值法校驗結果表明B-IBI指數在參照點和受損點的之間存在顯著差異，B-IBI指數分散均勻，表明構建的底棲動物完整性指數能反映出各采樣點的實際情況，對河流健康程度進行合理評價。

B-IBI指數與棲境多樣性、NH3-N、PO3-4-P和水體透明度顯著正相關，刮食者分類單元數與CODMn呈弱顯著相關。在一定范圍內，NH3-N和PO3-4-P的濃度提升能促進底棲動物的群落發展，但超過一定閾值會嚴重影響敏感類群的生存，破壞群落結構平衡。

江蘇省底棲動物完整性評價整體處于“中”等級，淮河流域東部、西北部，長江流域西南部和太湖流域中部的評價結果良好。淮河與長江流域底棲動物群落結構存在顯著差異，表明長江流域的底棲動物群落結構已經受到城市化和航運的影響，與B-IBI指數表現結果相吻合。

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（編輯：黃文晉）

Biological integrity and distributional characteristics of macrobenthos in rivers of Jiangsu Province

YANG Chenjun1，LIU Ling1，2，ZOU Yiqian1，JIANG Feng1，ZHANG Shunting1，HUANG Yanfen1

（1.College of Hydrology and Water Resources，Hohai University，Nanjing 210098，China； 2.School of Geography and Remote Sensing，Hohai University，Nanjing 210098，China）

Abstract：

Macrobenthos is a key indicator organism to the aquatic environment，and its integrity and community structure can reflect the ecological health of water bodies.This paper reports on a study of 35 rivers （125 sampling sites） in the Huaihe River，Changjiang River and Taihu Lake Basin in Jiangsu Province territory.The study was conducted during the water-abundance period in 2023，aiming to investigate and analyze macrobenthos，water environment indicators，and habitat conditions，and calculate the macrobenthos biological integrity index （B-IBI）.A total of 26 reference points and 5 core parameters were screened.The B-IBI index scores were assigned using the ratio method.A correlation analysis was conducted between the B-IBI index and environmental factors.The health status of the river was evaluated by spatially interpolating the B-IBI index using the ordinary kriging method.The results demonstrate that：① the B-IBI index has a significant positive correlation with habitat diversity，NH3-N，PO43--P，flow velocity，and transparency.Additionally，the number of scrapers shows a weak but significant positive correlation with CODMn.The results indicate that scrapers are capable of enduring a certain level of water pollution.An increase in habitat diversity and water transparency promotes the integrity and stability of the macrobenthos community structure.NH3-N and PO43--P have a positive impact on benthic fauna within a specific range，but surpassing the threshold leads to the degradation of the benthic fauna community structure.② The overall health of the 35 rivers is better in the east and north than in the west and south.The sampling sites with good health are mainly concentrated in the eastern and northwestern parts of the Huaihe River Basin，the southwestern part of the Changjiang River Basin，and the central part of the Taihu Lake Basin.③ The ANOSIM similarity and SIMPER analyses reveal significant differences in the density and structure of benthic communities between the Huaihe River Basin and Changjiang River Basin.The results also indicated that urbanization and shipping activities along the Changjiang River have an impact on the structure of benthic communities.

Key words：

macrobenthos； biological integrity； distributional characteristics； community structure； ecological health assessment；Jiangsu Province