周靜,白雪蘭,劉哲,王乃亮,陳書(shū)杰,段鵬飛,王元麗
(1.甘肅省生態(tài)環(huán)境科學(xué)設(shè)計(jì)研究院,甘肅 蘭州 730020;2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)
健康的水生態(tài)系統(tǒng)具有穩(wěn)定性和可持續(xù)性,即在時(shí)間上具有維持其組織結(jié)構(gòu)、自我調(diào)節(jié)和對(duì)脅迫的恢復(fù)能力[1],這是河流生態(tài)系統(tǒng)物種多樣、物產(chǎn)繁多的主要根源,更是保護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)健康不容忽視的內(nèi)容.隨著“山水林田湖草是一個(gè)生命共同體”的科學(xué)理念和“三水統(tǒng)籌”“黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展”等思路的提出,河流生態(tài)健康狀況也成為當(dāng)前水生態(tài)環(huán)境關(guān)注的焦點(diǎn)之一.由于水環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣往往引起水體中生物生理功能、種群密度、群落結(jié)構(gòu)及物種豐富度的改變,利用水生生物指標(biāo)評(píng)價(jià)河流生境健康已成為當(dāng)前主流的方向[2].
生物完整性指數(shù)(index of biotic integrity,IBI)常用來(lái)描述生物與非生物因素之間的關(guān)系,依據(jù)多個(gè)生物參數(shù)的情況來(lái)反映水體的生態(tài)狀況,進(jìn)而評(píng)價(jià)河流乃至整個(gè)流域的健康狀況[3].IBI自提出以來(lái),其研究方案不斷更新,使用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大,目前已成為世界各國(guó)評(píng)價(jià)河流健康狀況的一種有效而直接的途徑.它通過(guò)多個(gè)生物參數(shù)的計(jì)算來(lái)反映水體生態(tài)系統(tǒng)的完整性,進(jìn)一步評(píng)價(jià)河流生態(tài)的健康狀況.與水生生物完整性指數(shù)相似,水生生物多樣性指數(shù)也可以利用多個(gè)指標(biāo)綜合評(píng)估河流水質(zhì),進(jìn)而表征河流生態(tài)的健康狀況.
由于大型底棲動(dòng)物在河流健康評(píng)價(jià)中具生命周期長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)范圍固定、采樣操作簡(jiǎn)單且成本低,而且不同功能屬性分類方式的底棲動(dòng)物指示不同類型的環(huán)境干擾等諸多優(yōu)點(diǎn)[4],因此在水生態(tài)研究范圍內(nèi),大型底棲動(dòng)物在用作監(jiān)測(cè)水環(huán)境、反映水體健康與否方面扮演著重要角色.本研究構(gòu)建了黃河榆中段河流大型底棲動(dòng)物完整性指數(shù)(benthic index of biotic integrity,B-IBI)評(píng)價(jià)體系,通過(guò)該體系對(duì)研究范圍的水域生態(tài)健康進(jìn)行了評(píng)價(jià),并與大型底棲動(dòng)物多樣性指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行了比較,為治理黃河榆中段河流環(huán)境問(wèn)題提供了依據(jù)和參考.
榆中縣是絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶—蘭西城市群東部發(fā)展軸帶重要支點(diǎn),全縣總面積3 301.64 km2,地理位置極為重要.黃河是榆中縣境內(nèi)最大的過(guò)境河流,流經(jīng)來(lái)紫堡、青城、上花岔、園子岔4鄉(xiāng)鎮(zhèn),至烏金峽出境,總長(zhǎng)51 km.沿途有水磨溝、柳溝河、宛川河、燒炭溝、麋鹿溝、紅峴溝、王峴溝、大浪溝、苦水溝等14條支溝直接流入黃河,流域總面積1 301 km2,除宛川河和柳溝河有小股常流水外,其余12條溝均系山洪溝,無(wú)常流水.
本研究選擇底棲動(dòng)物群落穩(wěn)定性高、河流處于低水位的枯水季節(jié)布設(shè)樣點(diǎn).根據(jù)文獻(xiàn)及相關(guān)指南對(duì)樣點(diǎn)布設(shè)的要求[5],本次點(diǎn)位布設(shè)兼顧干流與支流及生境的代表性(選取不同生境特征,如淺灘、深水、支流與干流交匯處、河灣、干擾受損處、水生植物豐富區(qū)且生態(tài)良好處等),設(shè)計(jì)10個(gè)檢測(cè)斷面,其中干流6個(gè)(上游桑園子段3個(gè),分別為桑園子村S1、東坪村S2和大河坪S3;下游青城段3個(gè),分別為葦茨灣村S4、瓦窖村S5和尖山灣S6),柳溝河2個(gè)(祁家坡S7、方家泉村S8),宛川河2個(gè)(齊家坪S9、金崖S10),樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖1.
圖1 黃河榆中段河流樣點(diǎn)分布圖Figure 1 Distribution of sampling sites in the Yuzhong section of the Yellow River
1.2.1 底棲動(dòng)物標(biāo)本采集 對(duì)于淺水灘,使用索伯網(wǎng)(60目,采樣面積0.1 m2)采集泥樣,對(duì)于不能涉水的深水區(qū),運(yùn)用彼得遜采泥器(1/16 m2)獲取泥樣.每個(gè)樣點(diǎn)采到的樣品在現(xiàn)場(chǎng)用60目分樣篩輕柔洗滌、過(guò)濾,過(guò)濾后的殘?jiān)?dāng)天運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室于40目篩下再套一個(gè)60目的篩進(jìn)行洗滌直至污泥完全干凈.然后將殘?jiān)谷氚咨馄时P(pán)內(nèi),加適量清水,借助放大鏡按大類仔細(xì)揀出全部底棲動(dòng)物.過(guò)小的動(dòng)物(如昆蟲(chóng)幼體)用小鑷子、解剖針揀選,柔軟較小的動(dòng)物用毛筆分揀.對(duì)分揀后的底棲動(dòng)物,借助解剖鏡、顯微鏡觀察形態(tài)進(jìn)行分類鑒定,記其數(shù)量并稱質(zhì)量,稱質(zhì)量時(shí)將標(biāo)本移入自來(lái)水中浸泡3 min,然后用吸水紙吸干表面的水分,再用電子天平(精度0.000 1 g)稱質(zhì)量[6-8].
1.2.2 B-IBI指數(shù)評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建
1.2.2.1 參照點(diǎn)的選取 由于受損點(diǎn)和參照點(diǎn)之間的比較是計(jì)算有關(guān)指數(shù)的關(guān)鍵[3],尤其是將參照點(diǎn)納入采樣范圍對(duì)評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性有極大影響,而目前人類對(duì)自然的干預(yù)越來(lái)越大,無(wú)人為干擾的樣點(diǎn)很難找到,因此,只選取受人為干擾較少(如采樣點(diǎn)附近歷來(lái)或較長(zhǎng)時(shí)期無(wú)污染排放、無(wú)挖沙取石、無(wú)架橋修路及無(wú)筑壩固堤等事件)的樣點(diǎn)作為參照點(diǎn)[9].本次研究通過(guò)實(shí)地調(diào)查,以S3、S6、S7和S9為參照點(diǎn),其余6個(gè)明確有人為干擾活動(dòng)的樣點(diǎn)為受損點(diǎn).由于S1中沒(méi)有檢出底棲動(dòng)物,構(gòu)建B-IBI評(píng)價(jià)體系時(shí)不做考慮,將其剔除.
1.2.2.2 選取候選生物參數(shù) 結(jié)合黃河榆中段河流實(shí)際情況,為盡可能準(zhǔn)確反映人類活動(dòng)對(duì)水體中大型底棲動(dòng)物結(jié)構(gòu)、數(shù)量與功能的影響,同時(shí)考慮各指標(biāo)數(shù)據(jù)的可獲得性,本研究選取4種類型合計(jì)13個(gè)生物參數(shù)(表1)作為候選指標(biāo),即選取物種豐富度(包括總分類單元數(shù)、雙翅目分類單元數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Simpson多樣性指數(shù)[13]),物種個(gè)體數(shù)量比例(包括最優(yōu)勢(shì)分類單元個(gè)體百分比、雙翅目個(gè)體百分比和寡毛類個(gè)體百分比),生物耐污能力(包括敏感類群分類單元數(shù)(耐污值<4)、耐污類群分類單元數(shù)(耐污值>6)、敏感類群個(gè)體百分比和耐污類群個(gè)體百分比)以及水質(zhì)健康狀況(包括biological monitoring working party指數(shù),即BMWP和average score per taxon指數(shù),即ASPT)構(gòu)建B-IBI指標(biāo)體系,計(jì)算過(guò)程中底棲動(dòng)物耐污值的取值參考有關(guān)文獻(xiàn),并將不同分制的耐污值(如少數(shù)文獻(xiàn)采用7分為滿分值)統(tǒng)一換算為10分制的值[13].
1.2.3 底棲動(dòng)物多樣性指數(shù)值的計(jì)算 大型底棲動(dòng)物多樣性指數(shù)的計(jì)算方法參考有關(guān)文獻(xiàn)[14],選取總分類單元數(shù)、Berger-Parker優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(BP)、大型底棲動(dòng)物 EPT 科級(jí)分類單元比(EPTr-F)和BMWP指數(shù),通過(guò)對(duì)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理統(tǒng)一量綱(歸一化處理)后算出4個(gè)參數(shù)的算數(shù)平均值,即得到大型底棲動(dòng)物多樣性綜合指數(shù).
表1 13個(gè)候選生物參數(shù)及對(duì)干擾的反應(yīng)
本次挑檢出大型底棲動(dòng)物共計(jì)11屬種,隸屬于3門(mén)3綱4目.其中屬種分類最多的軟體動(dòng)物門(mén)有6種,種類最多的基眼目占本門(mén)種類數(shù)的66.7%.其次是節(jié)肢動(dòng)物門(mén),有4種,僅有雙翅目一目.屬種分類最少的環(huán)節(jié)動(dòng)物門(mén)僅1種,屬近孔寡毛目一目.在10個(gè)樣點(diǎn)中,桑園子村(S1)未檢出底棲動(dòng)物,最大分類單元數(shù)出現(xiàn)在尖山灣(S6),有5種,底棲動(dòng)物名錄見(jiàn)表2.
2.2.1 篩選候選生物參數(shù) 黃河榆中段河流的13個(gè)候選生物參數(shù)在4個(gè)參照點(diǎn)的分布情況見(jiàn)3,參數(shù)M4、M6、M7、M8、M10和M11的數(shù)值分布范圍過(guò)窄或數(shù)值中出現(xiàn)零值較多,這表明這些參數(shù)對(duì)外界干擾的反應(yīng)不靈敏,予以剔除.
用箱線圖[9]對(duì)保留的7個(gè)候選參數(shù)進(jìn)行判別能力分析,得到同一參數(shù)在參照點(diǎn)和受損點(diǎn)的分布情況(圖2),比較參照點(diǎn)和受損點(diǎn)的箱體(參照點(diǎn)和受損點(diǎn)的25%分位數(shù)至75%分位數(shù)之間)重疊情況,中位數(shù)彼此不在對(duì)方箱體范圍內(nèi)的參數(shù)予以保留,根據(jù)箱線圖分析結(jié)果,將參數(shù)M9剔除.
表2 黃河榆中段干支流中大型底棲動(dòng)物名錄
表3 13個(gè)候選生物參數(shù)在4個(gè)參照點(diǎn)的分布
為確保剩余參數(shù)反映信息不重疊,對(duì)剩余6個(gè)參數(shù)正態(tài)分布檢驗(yàn)后進(jìn)入Pearson相關(guān)性分析,指數(shù)間相關(guān)性越顯著表明兩個(gè)參數(shù)反映的信息出現(xiàn)冗余,只需保留其中一個(gè)構(gòu)建最終的評(píng)價(jià)體系即可.由表4可知,總分類單元數(shù)(M1)與雙翅目分類單元數(shù)(M2)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(M3)、BMWP指數(shù)(M12)極顯著相關(guān)(P<0.01),與ASPT指數(shù)(M13)顯著相關(guān)(P<0.05),故將M1首先剔除.最優(yōu)勢(shì)分類單元個(gè)體百分比(M5)與總分類單元數(shù)(M1)相關(guān)不顯著,保留最優(yōu)勢(shì)分類單元個(gè)體百分比(M5).雙翅目分類單元數(shù)(M2)與Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(M3)、BMWP指數(shù)(M12)極顯著相關(guān)(P<0.01),由于Shannon-Wiener指數(shù)(M3)多用于多樣性指數(shù)計(jì)算,在B-IBI指標(biāo)體系構(gòu)建中較少使用,故保留雙翅目分類單元數(shù)(M2),將Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(M3)、BMWP指數(shù)(M12)剔除.同時(shí)雙翅目分類單元數(shù)(M2)與ASPT指數(shù)(M13)不相關(guān),將ASPT指數(shù)(M13)予以保留.最終確定出構(gòu)成B-IBI體系的核心參數(shù)有:雙翅目分類單元數(shù)(M2)、最優(yōu)勢(shì)分類單元個(gè)體百分比(M5)和ASPT指數(shù)(M13).
R為參考點(diǎn),D為受損點(diǎn).R:Reference sites;D:Damaged sites.圖2 候選生物參數(shù)在參照點(diǎn)(R)和受損點(diǎn)(D)的分布Figure 2 The distribution of candidate biological parameters at the reference sites(R) and the damaged sites (D)
表4 6個(gè)候選生物參數(shù)的相關(guān)性分析
2.2.2 建立評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 最終篩選的參數(shù)用比值法統(tǒng)一量綱,對(duì)于隨人為干擾而減小的核心參數(shù)M2和M13,分值通過(guò)實(shí)測(cè)值/最佳期望值計(jì)算,其中最佳期望值為參照點(diǎn)的95%分位數(shù).對(duì)于隨人為干擾而增大的核心參數(shù)M5,分值計(jì)算表達(dá)式為:(最大值-實(shí)測(cè)值)/(最大值-最佳期望值)[5],這時(shí)最佳期望值為參照點(diǎn)的5%分位數(shù).根據(jù)上述算法,通過(guò)各樣點(diǎn)的有關(guān)數(shù)據(jù)得到3個(gè)核心參數(shù)的計(jì)算公式如表5,根據(jù)該公式計(jì)算全部樣點(diǎn)的各核心參數(shù)分值,所得分值應(yīng)在0~1的分布范圍內(nèi),大于1時(shí)取1.
將每個(gè)樣點(diǎn)的3個(gè)核心參數(shù)的分值相加,得到B-IBI的指數(shù)值.以參照點(diǎn)B-IBI值分布的25%分位數(shù)值作為“健康”評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn),對(duì)小于25%分位數(shù)值的分布范圍進(jìn)行四等分[15],從而確定黃河榆中段河流的B-IBI指數(shù)值的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表6).
2.2.3 評(píng)價(jià)結(jié)果 根據(jù)確定的健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),得到黃河榆中段河流B-IBI評(píng)價(jià)結(jié)果如表7所示,在10個(gè)樣點(diǎn)中,3個(gè)樣點(diǎn)健康,4個(gè)樣點(diǎn)亞健康,1個(gè)樣點(diǎn)較差,2個(gè)樣點(diǎn)極差.平均B-IBI為0.836,對(duì)應(yīng)的等級(jí)為“一般”.
表5 核心參數(shù)的計(jì)算公式
表6 黃河榆中段河流的B-IBI指數(shù)值的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
表7 黃河榆中段干、支流10個(gè)樣點(diǎn)的生態(tài)健康狀況
大型底棲動(dòng)物多樣性綜合指數(shù)見(jiàn)表8,根據(jù)相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表9)[16],得出10個(gè)采樣點(diǎn)中,健康狀況一般和較差的樣點(diǎn)各1個(gè),其余8個(gè)樣點(diǎn)健康狀況為差.
表8 大型底棲動(dòng)物多樣性指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理數(shù)據(jù)
表9 大型底棲動(dòng)物多樣性綜合指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
表10列出了采樣時(shí)觀察、調(diào)查到的樣點(diǎn)實(shí)際生境特點(diǎn),將其與兩種評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)應(yīng)比較,可以發(fā)現(xiàn),以B-IBI評(píng)價(jià)的結(jié)果與樣點(diǎn)的實(shí)際生境一致性較高,且其可將樣點(diǎn)區(qū)分為4個(gè)不同級(jí)別,區(qū)分度相對(duì)于多樣性綜合指數(shù)也較優(yōu).
表10 評(píng)價(jià)結(jié)果與樣點(diǎn)實(shí)際生境的一致性
河流大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物具有相對(duì)較長(zhǎng)的生活周期、較高的生物多樣性,且很多種類在其生活史中至少有一部分時(shí)間對(duì)生境有特定的要求,所以對(duì)人類干擾會(huì)產(chǎn)生較為敏感的生態(tài)效應(yīng),常用作指示生物來(lái)評(píng)價(jià)河流水質(zhì)狀況.目前,應(yīng)用底棲動(dòng)物評(píng)價(jià)水質(zhì)常用的指數(shù)有Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、BP優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、Margalef多樣性指數(shù)、Good-night指數(shù)、Beck指數(shù)、Trent指數(shù)、Chandler指數(shù)、BMWP計(jì)分系統(tǒng)和BBI計(jì)分系統(tǒng),針對(duì)部分指數(shù)及計(jì)分系統(tǒng)的相關(guān)研究近年來(lái)在國(guó)內(nèi)廣泛開(kāi)展,以底棲動(dòng)物為研究對(duì)象發(fā)展起來(lái)的IBI評(píng)價(jià)體系也在不斷探索之中[17-18 ].本研究同時(shí)采用B-IBI指數(shù)(基于雙翅目分類單元數(shù)、最優(yōu)勢(shì)分類單元個(gè)體百分比和ASPT指數(shù))和多樣性綜合指數(shù)(基于分類單元數(shù)、EPTr-F、BMWP 指數(shù)和BP優(yōu)勢(shì)度指數(shù))進(jìn)行評(píng)價(jià),旨在得出各自評(píng)價(jià)結(jié)果的同時(shí),對(duì)兩種評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行比較,從而為今后的持續(xù)工作提供參考和依據(jù).通過(guò)將B-IBI、多樣性綜合指數(shù)2個(gè)方法評(píng)價(jià)結(jié)果分別與各采樣點(diǎn)具體生態(tài)環(huán)境進(jìn)行對(duì)照分析后發(fā)現(xiàn),B-IBI評(píng)價(jià)結(jié)果與采樣點(diǎn)的實(shí)際生境較為相符,選取的4個(gè)參照點(diǎn),評(píng)價(jià)結(jié)果3個(gè)為健康,1個(gè)為亞健康,而6個(gè)受損點(diǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果均在亞健康以下,且評(píng)分最低的兩個(gè)樣點(diǎn)與實(shí)際情況很相符(一個(gè)位于采沙場(chǎng)附近,一個(gè)位于河岸建有大量物流倉(cāng)庫(kù)的河道),故建議以B-IBI來(lái)反映黃河榆中段河流生態(tài)健康狀況較為準(zhǔn)確,最后評(píng)價(jià)結(jié)果為:3個(gè)樣點(diǎn)處于健康狀態(tài),4個(gè)樣點(diǎn)處于亞健康狀態(tài),1個(gè)樣點(diǎn)處于較差狀態(tài),2個(gè)樣點(diǎn)為差,平均完整性指數(shù)為0.836,對(duì)應(yīng)等級(jí)為“一般”.
在以B-IBI評(píng)價(jià)河流生態(tài)時(shí),參照點(diǎn)的選取是構(gòu)建B-IBI指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵,原則上應(yīng)選未受人類活動(dòng)干預(yù)或受人類活動(dòng)干預(yù)很少的位點(diǎn),但實(shí)際應(yīng)運(yùn)中并無(wú)統(tǒng)一的選取標(biāo)準(zhǔn).本研究通過(guò)實(shí)地考察、走訪樣點(diǎn)周邊居民獲得歷史與現(xiàn)狀的重要信息,分析樣點(diǎn)受人類活動(dòng)干預(yù)的程度從而確定參照點(diǎn)和受損點(diǎn),在一定程度上有主觀性(在其他類似的調(diào)查中,這一情況均難以避免),但依據(jù)B-IBI的評(píng)價(jià)結(jié)果,樣點(diǎn)的判斷相對(duì)較為準(zhǔn)確.同時(shí),采樣位點(diǎn)數(shù)量的多少也在很大程度上影響B(tài)-IBI指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的敏感性,位點(diǎn)數(shù)量越多評(píng)價(jià)結(jié)果越準(zhǔn),本研究中選取的位點(diǎn)相對(duì)較少,對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性有一定影響.
此外,在選取評(píng)價(jià)參數(shù)時(shí),常以Pearson相關(guān)性分析檢測(cè)兩個(gè)參數(shù)所反映的信息是否有重疊,對(duì)于重疊的參數(shù)只保留其一.但目前關(guān)于Pearson相關(guān)性分析沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),Maxted[19]采用的標(biāo)準(zhǔn)是|r|>0.75,Barbour[20]和Blocksom[21]采用的標(biāo)準(zhǔn)是 |r| > 0.90,本研究采用的獨(dú)立性檢驗(yàn),以兩個(gè)生物參數(shù)指數(shù)相關(guān)性的顯著程度(P值)作為篩選標(biāo)準(zhǔn)判斷參數(shù)之間的重疊程度.
河流區(qū)系不同時(shí),底棲動(dòng)物的耐污能力相差很大,而國(guó)內(nèi)在大型底棲動(dòng)物的研究方面尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和方法體系,因此基于科級(jí)單元敏感值的BMWP指數(shù)在應(yīng)用過(guò)程中,要根據(jù)不同區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)修訂,這一因素也是BMWP指數(shù)在國(guó)內(nèi)進(jìn)行應(yīng)用時(shí)的主要限制因素.對(duì)于黃河榆中段,利用水生生物評(píng)價(jià)河流生態(tài)健康的文獻(xiàn)幾乎沒(méi)有,基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的積累嚴(yán)重缺失增大了底棲動(dòng)物敏感值和耐污值選取的難度.本次調(diào)查中,計(jì)算BMWP所使用的敏感值來(lái)源于國(guó)內(nèi)外大量參考文獻(xiàn),文獻(xiàn)中采用的評(píng)分制不一致時(shí),全部換算為10分制以統(tǒng)一量綱,尤其對(duì)有學(xué)者修正過(guò)的敏感值進(jìn)行了對(duì)比,并根據(jù)黃河水文特點(diǎn)進(jìn)行了取舍以盡量減少評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況的偏差.