劉帥磊,王 賽,崔永德,王 林,何文祥,龍勝興,楊 揚(yáng),2,*

1 暨南大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院,水生生物研究中心, 廣州 510632 2 熱帶亞熱帶水生態(tài)工程教育部工程研究中心, 廣州 510632 3 中國科學(xué)院水生生物研究所, 武漢 430072 4 廣州市環(huán)境監(jiān)測中心站, 廣州 510030

隨著人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的影響日益加劇,水體污染、河道改造、生境退化等一系列外來干擾導(dǎo)致河流健康狀況逐年衰退[1-3],探索有效評價河流生態(tài)健康的方法,并找到影響其健康的脅迫因子,是當(dāng)前水域生態(tài)學(xué)研究的熱點[4-6]。以理化參數(shù)為主的評價只能反映水質(zhì)瞬時狀況,外來干擾的累積效果難以體現(xiàn),且在多重污染協(xié)同作用下,潛在的有害生物效應(yīng)也無法預(yù)測。21世紀(jì)后,以生物監(jiān)測為主導(dǎo)的河流健康評價技術(shù)不斷成熟,由于各類生物都有特定的耐受范圍,借助其群落結(jié)構(gòu)變化對水體和棲地的響應(yīng),能夠直接有效地比較流域內(nèi)生境優(yōu)劣[7-8]。

大型底棲動物作為水生食物網(wǎng)中重要組成部分,由于其存活周期長、活動范圍小、分布空間廣以及反應(yīng)靈敏等特點,常被選作反映系統(tǒng)受干擾影響的重要生物指標(biāo),其群落結(jié)構(gòu)、優(yōu)勢種、多樣性、均勻度等參數(shù)變化被普遍用于比較環(huán)境污染狀況。但是,這些傳統(tǒng)的指標(biāo)不能充分利用底棲動物自身的生理生態(tài)屬性,如食性、敏感度、耐污性等,從而難以有效地指示生態(tài)系統(tǒng)的綜合狀況[9]。1981年,Karr提出以生物完整性指數(shù)(Index of Biotic Integrity, IBI)表征河流生態(tài)系統(tǒng)健康[5],早期的評價以魚類為主(F-IBI),隨后,研究者根據(jù)河流狀態(tài),開發(fā)了以藻類、浮游生物、高等水生植物以及大型底棲動物為觀測對象的水生態(tài)系統(tǒng)IBI健康評估體系[10-11]。

1990s后,該體系得以廣泛應(yīng)用,美國環(huán)保署(EPA)在大尺度流域研究中建立了以底棲動物完整性指數(shù)(B-IBI)為基礎(chǔ)的評價體系,該體系已成功應(yīng)用于16個州的河流健康評價[11]。B-IBI強(qiáng)調(diào)利用多種生物學(xué)參數(shù),從功能完整性的角度反應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)的狀況,從而評價河流乃至整個流域的健康水平。楊連芳等[12]首次將水質(zhì)生物評價引入我國,并用EPT(蜉蝣目-襀翅目-毛翅目)分類單元數(shù)評價了九華河水質(zhì)。此后,王備新等[13]、張遠(yuǎn)等[14]、李強(qiáng)等[15]、楊柳等[16]分別對安徽黃山地區(qū)溪流、遼河流域、西苕溪以及溫榆河進(jìn)行了健康評價。雖然這些研究涉及不同級別、不同區(qū)域的河、溪生態(tài)系統(tǒng),但范圍多集中于我國的華北和華中,屬典型的溫帶氣候區(qū),相較之下,以熱帶亞熱帶氣候影響下的華南地區(qū)河流為對象,進(jìn)行健康評價的研究卻未見報道。

不同氣候特征決定了一個區(qū)域特有的底棲動物群落,Dudgeon等[1]曾指出,熱帶亞熱帶河溪中的水生生物多樣性要明顯高于溫帶地區(qū),而B-IBI正是以敏感的生物學(xué)參數(shù)為主,受不同氣候條件影響,該體系的適用性和解釋度都值得進(jìn)一步探討。本研究假設(shè)受高物種豐度的影響,以地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)的流溪河為研究對象,所構(gòu)建的B-IBI體系可能與溫帶地區(qū)有較大差異?；?016年豐、枯水期流溪河14個斷面的底棲動物調(diào)查數(shù)據(jù),經(jīng)過生物指標(biāo)篩選和評價標(biāo)準(zhǔn)設(shè)立,本文構(gòu)建了適用于流溪河的B-IBI評價體系,在地理尺度上豐富了B-IBI在河溪生態(tài)學(xué)研究中的應(yīng)用,研究結(jié)果可為流溪河生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

流溪河位于廣州市從化區(qū)西北部(23°12′30″—23°57′36″N,113°10′12″—114°2′00″E),珠江三角洲的中北部。發(fā)源于從化區(qū)呂田鎮(zhèn)桂峰山,流經(jīng)從化區(qū)和白云區(qū)地區(qū)時匯入眾多的溪流,在白云區(qū)江高鎮(zhèn)江村南崗口與白泥河匯合后注入珠江,流入南海,其干流全長171 km,流域總面積2300 km2。該流域?qū)偃A南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),受季風(fēng)環(huán)流影響以及臨近南海的海洋調(diào)節(jié),氣候溫濕,雨量豐沛,年均氣溫21.2 ℃,年均降水量1823.6 mm,汛期(4—9月)雨量約占全年雨量的84%。流溪河是唯一一條流經(jīng)廣州市的河流,近年來,由于珠江三角洲社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,工業(yè)化和城市化進(jìn)程加速,流溪河流域土地使用情況變化顯著,水生態(tài)系統(tǒng)受人為影響嚴(yán)重。此外,流溪河作為廣州市重要水源保護(hù)區(qū),其水生生物物種豐富、多樣性高,但近年來受旅游開發(fā)、水利建設(shè)、農(nóng)業(yè)集約化生產(chǎn)和下游城市化推進(jìn)等因素影響,流域內(nèi)水環(huán)境質(zhì)量不斷下降,水生生物多樣性受到威脅[17]。鑒于此,對流溪河全流域的生態(tài)健康水平進(jìn)行評價,并對各河段的受損程度加以比較分析,對流域生態(tài)管理和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

2 研究方法

2.1 樣點設(shè)置

根據(jù)流溪河各河段的地理位置,結(jié)合當(dāng)?shù)氐纳扯鄻有?、土地利用類型、堤岸穩(wěn)定性、河岸植被覆蓋度等參考指標(biāo),在流溪河流域共設(shè)置14個采樣位點(其中,干流斷面7個：S3、S4、S7、S8、S11、S12、S14；支流斷面7個：S1、S2、S5、S6 、S9、S10、S13),用GPS對所有位點定位(圖1)。本研究于2016年豐水期(前汛期4月、后汛期8月)和枯水期(12月),共分3次對所設(shè)14個位點的底棲動物樣品進(jìn)行采集,同時對水體理化指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測。為排除季節(jié)差異對B-IBI構(gòu)建的影響,生物指標(biāo)的篩選及健康評分皆以各位點所得數(shù)據(jù)的年均值計算。依據(jù)Barbour等[18]提出的無干擾樣點和干擾極小樣點標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行參照點選擇,并結(jié)合實地的水質(zhì)和生境狀況,在研究區(qū)域確立了3個參照位點(S1、S2和S5)和11個受損位點(S3、S4和S6—S14)。

圖1 流溪河大型底棲動物采樣點的分布Fig.1 Sampling site of macrozoobenthos in Liuxi RiverS:采樣點代碼

2.2 采樣方法、分類與鑒定及環(huán)境因子的測定

在所選定位點的100 m范圍之內(nèi),使用口徑為25 cm×25 cm的D型抄網(wǎng)(60目),隨機(jī)采集水草區(qū)、急流區(qū)、緩流區(qū)3個平行樣本。在現(xiàn)場經(jīng)過60目篩網(wǎng)過篩沖洗,將網(wǎng)內(nèi)所有采集物裝入聚乙烯封口袋,加入10%福爾馬林溶液固定后帶回實驗室,在實驗室內(nèi)采用人工挑揀的方法,將底棲動物樣品置于解剖盤中,將肉眼可見的底棲動物分揀出,轉(zhuǎn)入50 mL的塑料瓶中,同時加入95%的酒精溶液保存。置于六孔盤中,在顯微鏡和解剖鏡下進(jìn)行鑒定,底棲動物樣本盡可能鑒定到種,計數(shù)和稱重。稱量時,先用吸水紙吸去樣本表面水分,直到吸水紙表面無水痕跡為止。定量稱重用電子天平,精確到0.0001 g。每個位點采集的平行樣品數(shù)據(jù)以算術(shù)平均值表示,并將每個樣品中的個體數(shù)量和生物量換算成每平方米的單位含量。軟體動物、寡毛類、水生昆蟲等底棲動物物種鑒定參照有關(guān)資料[19-29]。

2.3 B-IBI評價標(biāo)準(zhǔn)方法的構(gòu)建

(1)提出候選指標(biāo)

用于建立B-IBI體系的生物學(xué)指標(biāo)很多,參照相關(guān)文獻(xiàn)[18,31-33],本研究選用了反映物種豐富度(M1-M10)、種類組成(M11-M23)、生物耐受性(M24-M28)、營養(yǎng)結(jié)構(gòu)(M29-M31)和小生境質(zhì)量(M32)5大指標(biāo)類型,具體包含32個候選指標(biāo)(表2),以反映環(huán)境變化對目標(biāo)生物(個體、種群、群落)數(shù)量、結(jié)構(gòu)和功能的影響,從而有效監(jiān)測和評價水環(huán)境質(zhì)量。

(2)篩選核心指標(biāo)

①分布范圍分析：根據(jù)參照點和受損點候選指標(biāo)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、25%分位數(shù)、中位數(shù)和75%分位數(shù),對不適合構(gòu)建B-IBI體系的指標(biāo)進(jìn)行排除,包括：分布比較散且標(biāo)準(zhǔn)差大的指標(biāo)；對于隨干擾增強(qiáng)而數(shù)值降低范圍過小的指標(biāo)；對于隨干擾增強(qiáng)而數(shù)值增加范圍過大的指標(biāo)[14]。

②判別能力分析：將各指標(biāo)在參照點和受損點的重疊情況(即箱體IQ)進(jìn)行比較,比較范圍在25%—75%分位數(shù),并根據(jù)重疊情況賦值：沒有重疊,IQ= 3；部分重疊,但中位數(shù)都在對方箱體之外,IQ= 2；僅一個中位數(shù)在對方箱體之內(nèi),IQ= 1；中位數(shù)值都在對方箱體范圍之內(nèi),IQ= 0,只有IQ≥ 2的指標(biāo)才適合構(gòu)建B-IBI[18]。

③相關(guān)性分析：根據(jù)指標(biāo)間的相關(guān)性顯著水平,確定各指標(biāo)所表達(dá)信息的重疊度。應(yīng)用Maxted等[31]標(biāo)準(zhǔn),如果兩個指標(biāo)間的相關(guān)性系數(shù)|r|>0.75,表明二者所反應(yīng)的信息重疊度較高,選擇其中一個即可。

(3)計算指標(biāo)分值

本研究采用穩(wěn)定性及準(zhǔn)確度較高的比值法對生物指標(biāo)記分[13-14,34]。對于隨干擾增強(qiáng)而數(shù)值降低的指標(biāo),以其在全部位點的95%分位數(shù)為最佳期望值(X0.95)；對隨干擾增強(qiáng)而數(shù)值增加的指標(biāo),以其在全部位點的5%分位數(shù)為最佳期望值(X0.05)。計算公式分別為：

BIn=Xn/X0.95

BIn=(Xmax-Xn)/(Xmax-X0.05)

式中,BIn為第n個位點指標(biāo)的計算分值,Xmax為全部位點中的最大指標(biāo)值,Xn為第n個位點的指標(biāo)值,所得分值的分布范圍為0—1,如果大于1,則都記為1。

(4)確立評價標(biāo)準(zhǔn)

將各指標(biāo)分值進(jìn)行加和,得到該位點的B-IBI值,以參照點B-IBI值的25%分位數(shù)作為健康評價的標(biāo)準(zhǔn)[14]：①若該位點的B-IBI值≥參照點25%分位數(shù),則表示該位點受干擾程度很小,屬健康水平；②若該位點的B-IBI值<參照點25%分位數(shù),則將參照點25%分位數(shù)進(jìn)行4等分,分別代表不同的健康程度(亞健康、一般、差、極差)。

2.4 數(shù)據(jù)處理

平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的計算在Excel中完成；單因素方差分析(one-way ANOVA)、正態(tài)分布檢驗、Pearson相關(guān)性分析在SPSS 18.0中完成；繪圖分析采用Origin 9.5。應(yīng)用R語言軟件(3.3.2)中vegan數(shù)據(jù)包分析B-IBI對環(huán)境因子及位點健康狀況的解釋度,除趨勢對應(yīng)分析(DCA)結(jié)果為3.65,介于3.0—4.0,本文選用典型對應(yīng)性分析(CCA)做進(jìn)一步分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 流溪河水質(zhì)理化指標(biāo)

表1 流溪河水體物理化學(xué)指標(biāo)Table 1 Major physicochemical parameters of water quality(means ± SE)in Liuxi River

3.2 流溪河流域底棲動物種類組成與分布

2016年對流溪河豐、枯水期干流和支流底棲動物進(jìn)行野外采集,共獲得底棲動物103種,隸屬于4門8綱22目52科94屬(附表),包括環(huán)節(jié)動物門寡毛綱(帶絲蚓目、顫蚓目和單向蚓目)、多毛綱(葉須蟲目)、蛭綱(蛭蚓目和無吻蛭目)；軟體動物門腹足綱(中腹足目和基眼目)、瓣鰓綱(貽貝目、蚌目和真瓣鰓目)；節(jié)肢動物門甲殼綱(十足目)、昆蟲綱(蜉蝣目、蜻蜓目、襀翅目、鱗翅目、半翅目、毛翅目、鞘翅目、廣翅目和雙翅目)；扁形動物門渦蟲綱。其中,環(huán)節(jié)動物門寡毛綱19種,占物種總數(shù)的18.5%,多毛綱2種,占1.9%,蛭綱6種,占5.8%；軟體動物門瓣鰓綱3種,占2.9%,腹足綱10種,占9.7%；節(jié)肢動物門甲殼綱3種,占2.9%,昆蟲綱59種,占57.3%；扁形動物門1種,占1.0%。對各位點底棲動物的種類組成與分布情況進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)上游支流位點S1(50種)、S2(32種)和S5(39種)的物種數(shù)量較高,以底棲動物敏感類群(如仙女蟲屬、四節(jié)蜉屬、蜉蝣屬、曲尾春蜓屬等)為主,至下游地區(qū)S13(6種)和S14(8種)位點物種數(shù)量逐漸減少,底棲動物以耐污種(如水絲蚓、蘇氏尾鰓蚓、霍甫水絲蚓等)占優(yōu)勢。

3.3 B-IBI評價指標(biāo)體系與健康評價標(biāo)準(zhǔn)的確定

3.3.1 分布范圍分析

為識別各候選指標(biāo)隨干擾程度增強(qiáng)而體現(xiàn)的單向變化趨勢,計算32個候選指標(biāo)在3個參照點的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、25%分位數(shù)、中位數(shù)和75%分位數(shù),結(jié)果如表2所示。根據(jù)前文所述篩選標(biāo)準(zhǔn),對候選指標(biāo)處理如下：①M(fèi)5和M13由于標(biāo)準(zhǔn)差過大予以排除,剩余30個指標(biāo)；②在隨干擾增強(qiáng)而數(shù)值減小的18指標(biāo)中,M3、M8、M14、M15、M16、M17、M21、M23、M24、M30、M31的數(shù)值變化范圍過小,說明這些指標(biāo)所反映的污染強(qiáng)度有限,不適合構(gòu)建B-IBI；③在隨干擾增強(qiáng)而增大的12個指標(biāo)中,由于M11、M29和M32的數(shù)值變化范圍過小,同樣予以排除。經(jīng)過初步篩選排除半數(shù)指標(biāo),對剩余16個指標(biāo)進(jìn)行下一步分析。

表2 32個生物指數(shù)值在參照點的分布情況及其對干擾的反應(yīng)Table 2 Distribution of 32 metrics in reference sites and their expected direction of response to disturbance

SD：標(biāo)準(zhǔn)差,Standard deviation；Min.：最小值,Minimum value；Max.：最大值,Maximum value;M1—M32：指標(biāo)代號

3.3.2 判別能力分析

針對分部范圍分析篩選出的16個指標(biāo),進(jìn)一步采用箱線圖法進(jìn)行判別能力分析,以反映候選指標(biāo)在參照點和受損點之間的差異,結(jié)果如圖2所示。由于候選指標(biāo)M7、M19、M20、M27、M28的IQ=1,M10、M12和M22的IQ=0,說明以上8個指標(biāo)僅一個或無中位數(shù)值在對方箱體范圍之內(nèi),換言之,這些生物指標(biāo)在參照點和受損點之間的差異性并不顯著,故將其排除。對于剩余的8個候選指標(biāo),由于M1、M2、M4、M6、M9、M18的IQ= 3,M25、M26的IQ=2,根據(jù)IQ≥ 2的篩選標(biāo)準(zhǔn),這些指標(biāo)的變化能夠較好的反映參照點與受損點之間的差異,故將其保留至下一步篩選。

圖2 候選生物參數(shù)在參照點和受損點的箱線圖Fig.2 Box-plots of candidate metrics between reference and impaired sites參照點：Reference site; 受損點：Impaired site;M1：總分類單元數(shù)，Total taxa；M2：EPT分類單元數(shù)，EPT taxa number；M3：甲殼動物和軟體動物分類單元數(shù)，Crustacean and molluscs taxa number；M4：搖蚊分類單元數(shù) Chironomid taxa number；M5：總密度，Total density；M6總生物量，Total biomass；M7：香農(nóng)多樣性，Shannon diversity index；M8：辛普森多樣性指數(shù)，Simpson diversity index；M9：豐富度指數(shù)Abundance index；M10：均勻度指數(shù)，Evenness index；M11：優(yōu)勢分類單元/%，Dominant taxa number percentage；M12：前3位優(yōu)勢分類單元%，F(xiàn)irst three dominant taxa number percentage；M13：雙翅目個體數(shù)/%，Diptera number percentage；M14：蜻蜓目個體數(shù)/%，Odonata number percentage；M15：廣翅目個體數(shù)/%，Wide Homoptera number percentage；M16：鞘翅目個體數(shù)/%，Coleoptera number percentage；M17：毛翅目個體數(shù)/%，Trichoptera number percentage；M18：蜉蝣目個體數(shù)/%，Ephemeroptera number percentage；M19：顫蚓個體數(shù)/%，F(xiàn)lutter earthworm number percentage；M20：搖蚊個體數(shù)/%，Chironomid number percentage；M21：甲殼動物和軟體動物個體數(shù)/%，Crustacean and molluscs taxa number percentage；M22：寡毛綱個體數(shù)/%，Oligochaetes number percentage；M23：蛭綱個體數(shù)/%，Hirudinea number percentage；M24：敏感類群單元數(shù)，Sensitive groups taxa number；M25：耐污類群單元數(shù)，Tolerant groups taxa number；M26：敏感類群/%，Sensitive groups taxa number percentage；M27：耐污類群/%，Tolerance groups number percentage；M28：BI指數(shù)，BI index；M29：捕食者個體數(shù)/%，Predator number percentage；M30：濾食者個體數(shù)/%，F(xiàn)ilter feeders number percentage；M31：刮食者個體數(shù)/%，Scraper number percentage；M32：粘附者個體數(shù)/%，Adhesion number percentage

3.3.3 相關(guān)性分析

對經(jīng)過判別能力分析篩選出的8個候選指標(biāo)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗和相關(guān)性分析,以確保每個指標(biāo)都能反映一個獨(dú)立的信息。結(jié)果表明,8個生物指標(biāo)符合正態(tài)分布,可采用Pearson相關(guān)系數(shù)分析指標(biāo)間的信息重疊度。各指標(biāo)間相關(guān)性系數(shù)如表3所示,M1和M2、M4、M9、M18、M25的相關(guān)系數(shù)|r|>0.75,說明M1與其他指標(biāo)所表達(dá)重疊度較高,故首先排除M1。將剩余7個指標(biāo)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)M2和M18以及M4和M9的相關(guān)系數(shù)|r|>0.75,由于EPT分類單元數(shù)(M2)和搖蚊分類單元數(shù)(M4)在生物完整性評價中的重要性和敏感性,對其進(jìn)行保留,排除M9和M18。最終確定適用于流溪河的5個B-IBI核心指標(biāo)包括：EPT分類單元數(shù)(M2)、搖蚊分類單元數(shù)(M4)、總生物量(M6)、耐污類群單元數(shù)(M25)和敏感類群的個體相對豐度(M26)。

表3 8個候選生物參數(shù)間的Pearson相關(guān)分析結(jié)果Table 3 Pearson′s correlation matrix of 8 candidate metrics

**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

3.3.4 B-IBI 評價指標(biāo)體系的建立與生態(tài)健康評價標(biāo)準(zhǔn)

采用比值法計算各指標(biāo)分值,根據(jù)指標(biāo)在參照點和所有位點中的分布及其干擾的反應(yīng)確定其計算公式(表4),并依此計算各樣點的指標(biāo)分值,分值的分布范圍為0—1,若>1,則都記為1。將各指標(biāo)的分值進(jìn)行加和,得到各位點B-IBI值(表5)。

表4 比值法計算5個生物指標(biāo)分值(Y)的計算公式Table 4 Formulas for calculation of 5 metrics scores using the ratio method

以參照點B-IBI值分布的25%分位數(shù)值(即3.24)作為位點達(dá)到健康水平的標(biāo)準(zhǔn),對<25%分位數(shù)值的分布范圍進(jìn)行4等分(0、0.81、1.62、2.43、3.24),最終確定流溪河生態(tài)健康評價標(biāo)準(zhǔn)為B-IBI值>3.24為健康,3.24—2.43為亞健康,2.43—1.62為一般,1.62—0.81為差,0.81—0為極差。

3.4 流溪河生態(tài)健康狀況

采用上述確定的生態(tài)健康評價標(biāo)準(zhǔn)對流溪河14個位點的生態(tài)健康狀況進(jìn)行初步評價。結(jié)果如表5所示,流溪河14個采樣點中健康位點2個,占總位點數(shù)14.3%；亞健康位點7個,占50.0%；一般位點3個,占21.4%；差位點2個,占14.3%；無極差位點。分析組成B-IBI的5個核心指標(biāo)貢獻(xiàn)比發(fā)現(xiàn)：M2(EPT分類單元數(shù))的變化趨勢最為明顯,僅在上游和中游的4個支流位點貢獻(xiàn)比例較高,在下游位點幾乎消失；其次是M26(敏感類群個體數(shù)%)其在各支流位點的貢獻(xiàn)比要明顯高于各干流,且體現(xiàn)出上游至下游逐漸降低的趨勢；再次是M4(搖蚊分類單元數(shù))和M25(耐污類群單元數(shù)),均反映了上游和下游位點間的差異?？傮w上,在B-IBI評分中,作為反映清潔水質(zhì)的生物指標(biāo),M2、M26和M4比值的增加是決定位點健康狀態(tài)的主要因素,而耐污類群生物指標(biāo)M25比值的增加則導(dǎo)致位點處于不健康水平。

表5 流溪河各樣點生態(tài)健康狀況Table 5 Statues of the ecological health of sites in Liuxi River

3.5 B-IBI值與環(huán)境因子間相關(guān)性

表6 B-IBI評價值與水體理化指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)Table 6 Correlation coefficient between B-IBI and physico-chemical parameters

**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；*表示在0. 05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

圖3 流溪河B-IBI核心指標(biāo)與環(huán)境因子的典型對應(yīng)性分析(CCA)Fig.3 Canonical correspondence analysis based on the key indicators of B-IBI and environmental factors in Liuxi River

4 討論

4.1 應(yīng)用B-IBI評價河流健康的影響因素

Astin[35]和Paller等[36]在構(gòu)建河流B-IBI時認(rèn)為,將同一監(jiān)測點不同季節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并處理是有必要的,但Gerritsen等[37]發(fā)現(xiàn)在不同季節(jié)各自建立一套B-IBI是沒有必要的,因為季節(jié)間底棲動物群落結(jié)構(gòu)相似度很高。熊春暉等[38]發(fā)現(xiàn)用全年數(shù)據(jù)構(gòu)建的B-IBI,其核心指標(biāo)數(shù)量及健康評價水平要高于各季節(jié),并認(rèn)為在同一水域用全年數(shù)據(jù)構(gòu)建的B-IBI更具實用價值。本研究在構(gòu)建流溪河B-IBI體系過程中,利用了前、后汛期及枯水期3季底棲動物樣本數(shù)據(jù),能夠有效地排除季節(jié)間差異對生物指標(biāo)篩選的影響,在流域尺度上,本文所得評價結(jié)果較前人研究更具全面性和客觀性。

受研究區(qū)域水環(huán)境和地理條件制約,不同的參照點選擇標(biāo)準(zhǔn)會對最終評價結(jié)果產(chǎn)生影響[14,36]。大多數(shù)學(xué)者依據(jù)Barbour無干擾樣點和干擾極小樣點作為參照點選擇標(biāo)準(zhǔn),如李強(qiáng)等[15]對西苕溪進(jìn)行B-IBI評價時,由于西苕溪地處山區(qū),所受外來干擾較小,故采用了無干擾樣點標(biāo)準(zhǔn)；張遠(yuǎn)等[14]對遼河流域進(jìn)行B-IBI評價時,由于多數(shù)河段受城鎮(zhèn)化影響,且上下游均受到污染,故在干擾極小樣點標(biāo)準(zhǔn)上,又以Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)作為補(bǔ)充。本研究中,流溪河從上游呂田鎮(zhèn)桂峰山流經(jīng)下游廣州市區(qū),流域內(nèi)既有相對原始的山區(qū)溪流,也有受人為干擾明顯的城鎮(zhèn)河段。在確定參照點時,為了能夠具有針對性地反映各河段健康狀況,不僅以Barbour干擾極小樣點和Ⅲ類水質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn),還結(jié)合實際位點的生境狀況(底質(zhì)為卵石、無土地改造、植被處于原始態(tài)且覆蓋度高、洪泛區(qū)完整),對各樣點所受干擾程度進(jìn)行綜合考慮后篩選參照點,以提高準(zhǔn)確性。

除參照點外,經(jīng)篩選所得的B-IBI核心指標(biāo)和健康評分標(biāo)準(zhǔn)也有較大差異。本文構(gòu)建的流溪河B-IBI由“EPT分類單元、搖蚊分類單元、總生物量、耐污類群單元和敏感類群個體%”5個指標(biāo)構(gòu)成,健康狀態(tài)B-IBI值>3.24。為比較不同地區(qū)B-IBI體系的異同,表7中列舉了溫帶地區(qū)黃山溪流[13]、遼河流域[14]、西苕溪[15]、上海市河流[38]的B-IBI核心指標(biāo)組成與健康評價標(biāo)準(zhǔn)(均采用比值法)。對照不同區(qū)域研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),雖然流溪河地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),但其B-IBI指標(biāo)組成與溫帶氣候區(qū)的遼河流域和黃山地區(qū)溪流相似,與同樣處于溫帶地區(qū)的西苕溪和上海市河流有較大差異。其原因在于,西苕溪地處自然山區(qū),受外來干擾程度小,除水質(zhì)良好外,還保留了多樣的生境斑塊(如淺灘和深潭),生物多樣性高,B-IBI指標(biāo)以水生昆蟲參數(shù)為主。與其相反,上海市河流完全位于城市發(fā)展區(qū),受人為干擾嚴(yán)重,B-IBI基本由耐污類群構(gòu)成。相較之下,遼河流域、黃山地區(qū)溪流以及本研究中的流溪河均發(fā)源于上游山區(qū),中下游流經(jīng)城鎮(zhèn),流域內(nèi)既有保留完好的原始生境,也有受人為干擾嚴(yán)重的區(qū)域,故B-IBI指標(biāo)綜合了反映游清潔水質(zhì)的敏感類群和水質(zhì)惡劣的耐污類群。本研究結(jié)果說明,在篩選所得的B-IBI核心指標(biāo)中,地理區(qū)域間的氣候差異可能并非主要影響,其關(guān)鍵在于所研究河流各河段及整體水平上受外來干擾和水體污染的程度。

表7 國內(nèi)不同B-IBI健康評價指數(shù)構(gòu)成及參照點選擇標(biāo)準(zhǔn)Table 7 The health assessment index components of B-IBI and criteria of reference in China

Barbour無干擾樣點：上游無農(nóng)作物和居住點,森林覆蓋率達(dá)90%,無明顯人類活動干擾跡象；Barbour干擾極小樣點：無點源污染源,上、下游5 km之內(nèi)無村莊,兩側(cè)100 m寬、5 km長的范圍內(nèi)無農(nóng)田且有較好的沿岸植被帶

4.2 應(yīng)用B-IBI評估流溪河生態(tài)健康的可行性

本文以“合理的生物完整性指數(shù)應(yīng)該包括盡可能多的參數(shù)類型”為依據(jù)[18,32],在B-IBI構(gòu)建過程中提出底棲動物物種豐度、種類組成、耐受性、營養(yǎng)結(jié)構(gòu)和小生境質(zhì)量5大指標(biāo)類型,以盡可能多候選指標(biāo)(32個)反映環(huán)境變化對底棲動物數(shù)量、結(jié)構(gòu)和功能的影響。CCA分析結(jié)果說明,經(jīng)篩選所得5個B-IBI核心指標(biāo)能夠清晰地區(qū)分流溪河上、下游位點及支、干流位點,前2主軸對環(huán)境因子的解釋度達(dá)68.1%,說明本文構(gòu)建的B-IBI能切實地反映流溪河健康狀況。此外,Paller等[36]的研究發(fā)現(xiàn),運(yùn)用底棲生物監(jiān)測水質(zhì)與溪流的級別不存在顯著相關(guān)關(guān)系,本文對比了流溪河支流(級別低)和干流(級別高)間的評價結(jié)果,發(fā)現(xiàn)中上游支流區(qū)域人口密度少、鄉(xiāng)鎮(zhèn)覆蓋度低,受到外來干擾因素較少,故其健康水平高于中上流干流；相反,下游支流河段城鎮(zhèn)密集,河床底質(zhì)與沿岸帶生境退化嚴(yán)重,且受到養(yǎng)殖業(yè)和工廠污水排放影響,導(dǎo)致下游支流健康水平遠(yuǎn)低于干流。據(jù)此,本研究結(jié)果支持Paller等[36]的觀點,表明B-IBI能夠綜合評價城市河流的生態(tài)健康。

為進(jìn)一步闡明流溪河B-IBI體系構(gòu)建與評價標(biāo)準(zhǔn)的適用性,本文將所得評價結(jié)果與前期資料進(jìn)行對比。吉冬青等[17]發(fā)現(xiàn)流溪河流域景觀特征表現(xiàn)為從上游到下游城市化增強(qiáng)的梯度,水質(zhì)狀況響應(yīng)這個梯度變化表現(xiàn)為上游優(yōu)于下游；李斯婷[40]對流溪河水質(zhì)動態(tài)特征研究發(fā)現(xiàn),上游河段全年的水質(zhì)狀況明顯好于下游；劉芳文等[41]采用有機(jī)綜合污染指數(shù)法對流溪河下游河段水質(zhì)進(jìn)行評價,發(fā)現(xiàn)該段水體中有機(jī)污染綜合評價值逐年升高,水質(zhì)逐年變差。本研究發(fā)現(xiàn),上游位點B-IBI評分相對較高,其中以EPT分類單元數(shù)和敏感類群豐度貢獻(xiàn)最高；下游位點由于受水體污染影響,B-IBI評價值普遍較低,其中以耐污類群單元數(shù)貢獻(xiàn)最高,說明流溪河下游河段的生態(tài)環(huán)境和健康水平逐步衰退,底棲動物生存環(huán)境受到威脅。綜上,本文所得B-IBI評價結(jié)果與前期報道相符,說明應(yīng)用B-IBI評價亞熱帶城市河流的生態(tài)健康是可行的。

4.3 水環(huán)境因子與B-IBI評價

CCA分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),篩選出的B-IBI核心指標(biāo)對各環(huán)境因子的解釋度也有較大差異,流溪河上游人為干擾程度較弱,DO值高,對應(yīng)的B-IBI以敏感生物類群為代表,與健康水平呈正相關(guān)；至下游河段人為干擾程度逐漸增強(qiáng),EC、TP和TN增加,對應(yīng)的B-IBI以耐污類群為代表,與健康水平呈負(fù)相關(guān)。有學(xué)者指出,水質(zhì)評價的結(jié)果可能低估當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境受損情況[4,6],流溪河下游S14位點受人為干擾十分嚴(yán)重,硬化岸坡、河床挖深及底質(zhì)改造使徹底改變了原有的生境狀況,雖然該位點水質(zhì)條件處于中間水平,但其B-IBI評價結(jié)為差,此評價結(jié)果充分證實了水質(zhì)評價的片面性。有趣的是,流溪河S6位點的水質(zhì)狀況較差,但B-IBI評價結(jié)果為亞健康,雖然該位點受到農(nóng)業(yè)面源的污染,但其完整的沿岸帶生境保留了底棲生物的生存空間,且該位點水體重金屬檢測結(jié)果并未發(fā)現(xiàn)超標(biāo),說明有害污染物含量可能暫時未對水生生物產(chǎn)生毒性影響,對該位點的跟蹤觀測將進(jìn)一步揭示水質(zhì)、生境以及生物評價間的響應(yīng)關(guān)系?？傮w上,本文構(gòu)建的B-IBI能夠真實反映流溪河水質(zhì)和生境狀況,為從生態(tài)系統(tǒng)水平上評價河流生態(tài)健康提供了有效的生物監(jiān)測手段。

5 結(jié)論

本研究以典型城市河流——流溪河為例,應(yīng)用B-IBI首次對熱帶亞熱帶河流進(jìn)行了生態(tài)健康評價,為推廣河流健康評價技術(shù)提供了新的科學(xué)依據(jù)。通過對流溪河全年的水質(zhì)監(jiān)測,底棲動物群落結(jié)構(gòu)調(diào)查,以及B-IBI體系構(gòu)建,得到主要結(jié)論如下：(1)流溪河B-IBI由總生物量,敏感類群個體%,EPT、搖蚊和耐污類群單元數(shù)5個核心指標(biāo)構(gòu)成,健康標(biāo)準(zhǔn)為>3.24,流域內(nèi)健康位點數(shù)占14.3%,亞健康占50.0%,一般占21.4%；(2)EPT分類單元數(shù)和敏感類群個體%對上游河段B-IBI值貢獻(xiàn)最高,反映健康狀況良好,而耐污類群單元數(shù)對下游河段B-IBI值貢獻(xiàn)最高,反映健康狀況惡化；(3)B-IBI值與溶解氧呈及顯著正相關(guān)(P<0.01),與電導(dǎo)率、氨氮、總氮和總磷呈顯著(P<0.05)負(fù)相關(guān),說明流溪河當(dāng)前健康水平受水體污染影響嚴(yán)重；(4)5個核心指標(biāo)對環(huán)境因子解釋度達(dá)68.1%,并且能區(qū)分上、下游及干、支河段不同的健康水平,說明本文構(gòu)建的B-IBI體系能夠準(zhǔn)確地評價流溪河健康狀況；(5)對照不同地理區(qū)域的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),流溪河B-IBI指標(biāo)主要以人為干擾和水體污染程度為導(dǎo)向,對特定氣候區(qū)的響應(yīng)較弱,說明B-IBI在熱帶亞熱帶地區(qū)也有較好的適用性。

[1] Dudgeon D. Tropical Stream Ecology. Amsterdam: Elsevier, 2008.

[2] Karr J R, Chu E W. Sustaining living rivers. Hydrobiologia, 2000, 422-423: 1-14.

[3] 唐濤, 蔡慶華, 劉建康. 河流生態(tài)系統(tǒng)健康及其評價. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2002, 13(9): 1191-1194.

[4] Karr J R. Biological monitoring and environmental assessment: a conceptual framework. Environmental Management, 1987, 11(2): 249-256.

[5] Karr J R. Assessment of biotic integrity using fish communities. Fisheries, 1981, 6(6): 21-27.

[6] Karr J R. Defining and assessing ecological integrity: beyond water quality. Environmental Toxicology and Chemistry, 1993, 12(9): 1521-1531.

[7] Pinto U, Maheshwari B L. River health assessment in peri-urban landscapes: an application of multivariate analysis to identify the key variables. Water Research, 2011, 45(13): 3915-3924.

[8] Johnson R K, Hering D, Furse M T, Verdonschot P F M. Indicators of ecological change: comparison of the early response of four organism groups to stress gradients. Hydrobiologia, 2006, 566(1): 139-152.

[9] Wallace J B, Webster J R. The role of macroinvertebrates in stream ecosystem function. Annual Review of Entomology, 1996, 41: 115-139.

[10] Griffith M B, Hill B H, McCormick F H, Kaufmann P R, Herlihy A T, Selle A R. Comparative application of indices of biotic integrity based on periphyton, macroinvertebrates, and fish to southern rocky mountain streams. Ecological Indicators, 2005, 5(2): 117-136.

[11] Barbour M T, Gerritsen J, Snyder B D, Stribling J B. Rapid Bioassessment Protocols for Use in Wadeable Streams and Rivers: Periphyton, Benthic Macroinvertebrates, and Fish. 2th ed. Washington, DC: United States Environmental Protection Agency, 1999.

[12] 楊蓮芳, 李佑文, 戚道光, 孫長海, 田立新. 九華河水生昆蟲群落結(jié)構(gòu)和水質(zhì)生物評價. 生態(tài)學(xué)報, 1992, 12(1): 8-15.

[13] 王備新, 楊蓮芳, 胡本進(jìn), 單林娜. 應(yīng)用底棲動物完整性指數(shù)B-IBI評價溪流健康. 生態(tài)學(xué)報, 2005, 25(6): 1481-1490.

[14] 張遠(yuǎn), 徐成斌, 馬溪平, 張錚, 王俊臣. 遼河流域河流底棲動物完整性評價指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn). 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2007, 27(6): 919-927.

[15] 李強(qiáng), 楊蓮芳, 吳璟, 王備新. 底棲動物完整性指數(shù)評價西苕溪溪流健康. 環(huán)境科學(xué), 2007, 28(9): 2141-2147.

[16] 楊柳, 李泳慧, 王俊才, 楊玉格, 丁振軍. 基于B-IBI指數(shù)的溫榆河生態(tài)健康評價. 生態(tài)學(xué)報, 2012, 32(11): 3313-3322.

[17] 吉冬青, 文雅, 魏建兵, 吳志峰, 劉慶, 程炯. 流溪河流域景觀空間特征與河流水質(zhì)的關(guān)聯(lián)分析. 生態(tài)學(xué)報, 2015, 35(2): 246-253.

[18] Barbour M T, Gerritsen J, Griffith G E, Frydenborg R, McCarron E, White J S, Bastian M L. A framework for biological criteria for Florida streams using benthic macroinvertebrates. Journal of the North American Benthological Society, 1996, 15(2): 185-211.

[19] 劉月英. 中國經(jīng)濟(jì)動物志: 淡水軟體動物. 北京: 科學(xué)出版社, 1979.

[20] 劉月英, 張文珍, 王耀先. 醫(yī)學(xué)貝類學(xué). 北京: 海洋出版社, 1993.

[21] 張璽, 齊鐘彥. 貝類學(xué)綱要. 北京: 科學(xué)出版社, 1961.

[22] 齊鍾彥, 馬綠同, 樓子康, 劉月英, 黃修明, 徐鳳山. 中國動物圖譜: 軟體動物. 北京: 科學(xué)出版社, 1964.

[23] Sperber C. A taxonomical study of the Naididae. Zoologiska Bidarg Fr?n Uppsala, 1948, 28: 1-296.

[24] Brinkhurst R O, Jamieson B G M. Aquatic Oligochaeta of the World. Edinburgh: Oliver and Boyd, 1971.

[25] 王洪鑄. 中國小蚓類研究: 附中國南極長城站附近地區(qū)兩新種. 北京: 高等教育出版社, 2002.

[26] 崔永德. 云南湖泊寡毛類環(huán)節(jié)動物研究[D]. 武漢: 中國科學(xué)院水生生物研究所, 2008.

[27] 何雪寶. 西藏和四條大型河流水棲寡毛類區(qū)系研究[D]. 武漢: 中國科學(xué)院水生生物研究所, 2011.

[28] Epler J H. Identification Manual for the Larval CHIRONOMIDAE (Diptera) of Florida. Florida: Florida Department of Environmental Protection, 1995.

[29] Morse J C, Yang L F, Tian L X. Aquatic Insects of China Useful for Monitoring Water Quality. Nanjing: Hohai University Press, 1994.

[30] 國家環(huán)境保護(hù)總局. 水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版). 北京: 中國環(huán)境科學(xué)出版社, 2002.

[31] Maxted J R, Barbour M T, Gerritsen J, Poretti V, Primrose N, Silvia A, Penrose D, Renfrow R. Assessment framework for mid-Atlantic coastal plain streams using benthic macroinvertebrates. Journal of the North American Benthological Society, 2000, 19(1): 128-144.

[32] Reynoldson T B, Norris R H, Resh V H, Day K E, Rosenberg D M. The reference condition: a comparison of multimetric and multivariate approaches to assess water-quality impairment using benthic macroinvertebrates. Journal of the North American Benthological Society, 1997, 16(4): 833-852.

[33] Resh VH, Jackson J K. Rapid assessment approaches to biomonitoring using benthic macroinvertebrates//Rosenberg D M, Resh V H, eds. Freshwater Biomonitoring and Benthic Macroinvertebrates. New York: Chapman and Hall, 1993.

[34] Blocksom K A, Kurtenbach J P, Klemm D J, Fulk F A, Cormier S M. Development and evaluation of the Lake Macroinvertebrate Integrity Index (LMII) for New Jersey lakes and reservoirs. Environmental Monitoring and Assessment, 2002, 77(3): 311-333.

[35] Astin L E. Data synthesis and bioindicator development for nontidal streams in the interstate Potomac River basin, USA. Ecological Indicators, 2006, 6(4): 664-685.

[36] Paller M H, Specht W L, Dyer S A. Effects of stream size on taxa richness and other commonly used benthic bioassessment metrics. Hydrobiologia, 2006, 568(1): 309-316.

[37] Gerritsen J, Carlson R E, Dycus D L, Fauilner C, Gibson G R, Harcum J, Markowitz S A. Lake and Reservoir Bioassessment and Biocriteria: Technical Guidance Document. Washington, DC: United States Environmental Protection Agency, 1998.

[38] 熊春暉, 張瑞雷, 徐玉萍, 張瑋, 陳萍萍, 王麗卿. 應(yīng)用底棲動物完整性指數(shù)評價上海市河流健康. 湖泊科學(xué), 2015, 27(6): 1067-1078.

[39] 蘇玉, 曹曉峰, 黃藝. 應(yīng)用底棲動物完整性指數(shù)評價滇池流域入湖河流生態(tài)系統(tǒng)健康. 湖泊科學(xué), 2013, 25(1): 91-98.

[40] 李斯婷. 地表水質(zhì)評價方法的研究——以流溪河為例[D]. 廣州: 華南理工大學(xué), 2013.

[41] 劉芳文, 吳軍, 顏文, 李靜. 流溪河水質(zhì)評價與監(jiān)控措施. 安全與環(huán)境學(xué)報, 2004, 4(5): 19-23.

[42] 劉玉, Vermaat J E, De Ruyter E D, De Kruijf H A M. 珠江、流溪河大型底棲動物分布和氮磷因子的相關(guān)分析. 中山大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2003, 42(1): 95-99.

[43] 渠曉東. 香溪河大型底棲動物時空動態(tài)、生物完整性及小水電站的影響研究[D]. 武漢: 中國科學(xué)院水生生物研究所, 2006.

[44] 張晏溧. 渾太河沉積物中重金屬分布特征及其對大型底棲動物的影響[D]. 重慶: 西南大學(xué), 2012.

[45] 任海慶, 袁興中, 劉紅, 張躍偉, 周上博. 環(huán)境因子對河流底棲無脊椎動物群落結(jié)構(gòu)的影響. 生態(tài)學(xué)報, 2015, 35(10): 3148-3156.

[46] 徐宗學(xué), 武瑋, 殷旭旺. 渭河流域水生態(tài)系統(tǒng)群落結(jié)構(gòu)特征及其健康評價. 水利水電科技進(jìn)展, 2016, 36(1): 23-30.

附表 流溪河大型底棲動物物種名錄