吳小平，梁濤,2，路全鳳，趙帥，歐陽珊

(1.南昌大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330031；2.浙江省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，浙江 杭州 310012)

生物完整性指數(shù)最初由KARR創(chuàng)建以魚類為指示物種來評(píng)價(jià)人類對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的干擾程度[1]，后逐漸演變?yōu)槊枋霏h(huán)境變化與生物之間關(guān)系的生物指數(shù)[2]。根據(jù)研究的指示生物不同，分為魚類完整性指數(shù)(F-IBI)、大型底棲動(dòng)物完整性指數(shù)(B-IBI)和浮游動(dòng)物完整性指數(shù)(P-IBI)等一系列評(píng)價(jià)指數(shù)[3]。

近年來，生物完整性指數(shù)不斷被應(yīng)用于湖泊、河流等水體的健康評(píng)價(jià)，已成為生態(tài)健康評(píng)價(jià)、修復(fù)和管理過程中的有效工具之一[4]。基于不同生物的生物完整性評(píng)價(jià)在全球不同水體健康評(píng)價(jià)中有許多成功案例，如Gamble等[5]基于浮游動(dòng)物大小范圍評(píng)價(jià)紐約奧奈達(dá)湖；Ejsmont-Karabin[6]基于浮游動(dòng)物對(duì)波蘭東北部湖泊群進(jìn)行評(píng)價(jià)；Souza等[7]通過生物完整性指數(shù)評(píng)價(jià)河口、海灣、海岸等過渡區(qū)域；Bakaeva等[8]基于浮游植物完整性對(duì)羅斯托夫河進(jìn)行評(píng)價(jià)；郝利霞等[9]基于生物完整性對(duì)海河流域健康的評(píng)價(jià)；黃琪等[10]基于生態(tài)系統(tǒng)完整性對(duì)長(zhǎng)江中下游四大淡水湖的評(píng)價(jià)；劉楊等[11]基于魚類完整性對(duì)巢湖流域的健康評(píng)價(jià)，游清徽等[12]基于底棲動(dòng)物完整性指數(shù)對(duì)鄱陽湖濕地生境評(píng)價(jià)；李宗峰等[13]基于底棲動(dòng)物完整性指數(shù)對(duì)三峽水庫(kù)重要支流進(jìn)行評(píng)價(jià)等。這些研究為我國(guó)以生物完整性為指標(biāo)評(píng)價(jià)生態(tài)健康提供基礎(chǔ)和有益的實(shí)踐。

城市濕地是指位于城市管轄范圍內(nèi)，并與城市關(guān)系密切的濕地。城市濕地與自然濕地具有一些完全不同的特征，由于城市人口眾多，濕地在城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中扮演著重要角色，如為城市提供生活用水、調(diào)節(jié)氣候、蓄洪防旱、觀光旅游、科普教育等服務(wù)[14]，有“城市之腎”的美譽(yù)。同時(shí)由于城市的不斷發(fā)展與人口逐漸增加，城市濕地更易受到外界干擾，使得濕地生態(tài)健康持續(xù)下降[15]。目前對(duì)城市濕地評(píng)價(jià)多集中在對(duì)其服務(wù)功能的評(píng)價(jià)，焦點(diǎn)更集中于城市濕地的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[16]，少有基于生物健康范疇的評(píng)價(jià)。將生物完整性評(píng)價(jià)應(yīng)用于城市濕地，對(duì)濕地區(qū)域規(guī)劃和保護(hù)管理等方面有重要意義。本研究通過對(duì)浙江溫州三垟濕地的現(xiàn)場(chǎng)生物調(diào)查，結(jié)合已有的歷史數(shù)據(jù)，基于大型底棲動(dòng)物完整性指數(shù)、魚類完整性指數(shù)和浮游動(dòng)物完整性指數(shù)建立評(píng)價(jià)體系，首次對(duì)三垟濕地生態(tài)健康進(jìn)行評(píng)價(jià)，旨在構(gòu)建一套適用于城市濕地健康評(píng)價(jià)方法，為城市濕地生態(tài)修復(fù)與管理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 區(qū)域與采樣點(diǎn)設(shè)置

浙江溫州三垟濕地地處溫州市區(qū)東南部，甌江入?？谘匕叮彺罅_山，位于溫州生態(tài)園內(nèi)。三垟濕地東鄰溫州開發(fā)區(qū)、龍灣區(qū)，西北連接梧田街道和城市中心區(qū)，南連茶山街道、南白象街道，是由古海涂演變而成的河網(wǎng)濕地，濕地內(nèi)有161個(gè)島嶼與眾多河道及5個(gè)村莊，濕地總面積約11.41 km2，水域面積3.31 km2，有“浙南威尼斯”的美譽(yù)，是城市可持續(xù)發(fā)展，構(gòu)建生態(tài)文明城市的關(guān)鍵。三垟濕地作為典型的近海城市濕地，被開發(fā)農(nóng)用已有數(shù)個(gè)世紀(jì)的歷史，主要為建設(shè)用地與農(nóng)業(yè)用地，其中57%的農(nóng)業(yè)用地種植甌柑，濕地區(qū)域內(nèi)水環(huán)境污染嚴(yán)重，整體處于劣V類水，氮、磷、重金屬等嚴(yán)重超標(biāo)[17-18]。

三垟濕地功能區(qū)劃為旅游休閑區(qū)、旅游區(qū)與保育區(qū)的過渡區(qū)和保育區(qū)[19]，根據(jù)功能區(qū)劃設(shè)置11個(gè)采樣點(diǎn)，其中，旅游休閑區(qū)3個(gè)采樣點(diǎn)(Ⅰ～Ⅲ)、過渡區(qū)4個(gè)采樣點(diǎn)(Ⅳ～Ⅶ)、保育區(qū)4個(gè)采樣點(diǎn)(Ⅷ～Ⅺ)(如圖1)，于2020年9月分別采集底棲動(dòng)物、浮游動(dòng)物以及魚類。

圖1 溫州三垟濕地采樣點(diǎn)示意圖

1.2 樣品采集與處理

1.2.1 浮游動(dòng)物

浮游動(dòng)物采集分定性和定量采集，在每個(gè)取樣點(diǎn)采集表層水和底層水的混合樣品5 L。定性采集使用 25#(孔徑 64 μm)浮游生物網(wǎng)過濾；定量采集使用 25#浮游生物網(wǎng)過濾收集，間隔5～10 m采集3個(gè)重復(fù)樣。經(jīng)過濾后的浮游動(dòng)物樣品封裝于 50 mL 透明塑料樣品瓶，并立即在現(xiàn)場(chǎng)使用4%的甲醛溶液固定，帶回實(shí)驗(yàn)進(jìn)行物種鑒定和計(jì)數(shù)。樣品經(jīng)虎紅鈉鹽染液染色24 h后，解剖鏡和顯微鏡下進(jìn)行物種鑒定和計(jì)數(shù)，橈足類無節(jié)幼體計(jì)為1種，其余均鑒定到種水平。物種鑒定主要參考《中國(guó)淡水輪蟲動(dòng)物志》[20]《中國(guó)動(dòng)物志·甲殼綱·淡水枝角類》[21]和《中國(guó)動(dòng)物志·甲殼綱·淡水橈足類》[22]。

1.2.2 魚類

魚類調(diào)查以漁獲物法進(jìn)行。采用地籠網(wǎng)法、拖網(wǎng)法捕撈漁獲物，計(jì)數(shù)漁獲物的種類和生物量。同時(shí)走訪調(diào)查漁船、漁民和濕地附近魚類交易市場(chǎng)，購(gòu)買未捕獲到的魚類標(biāo)本作為采樣補(bǔ)充。魚類鑒定參照《中國(guó)動(dòng)物志》[23]等及魚類圖鑒。

1.2.3 底棲動(dòng)物

底棲動(dòng)物采集用1/16 m2改良彼得森采泥器。每個(gè)樣點(diǎn)重復(fù)采集3次。泥樣經(jīng)40目(635 μm)篩網(wǎng)洗滌，肉眼在解剖盤中將動(dòng)物標(biāo)本揀出并用4%甲醛溶液固定。室內(nèi)在顯微鏡或解剖鏡下分類、計(jì)數(shù)，樣品盡量鑒定到屬或者種。物種鑒定主要參考《淡水生生物學(xué)》[24]《醫(yī)學(xué)貝類學(xué)》[25]等。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建與計(jì)算

1.3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

浮游動(dòng)物、魚類和底棲動(dòng)物已被廣泛應(yīng)用于水生生態(tài)系統(tǒng)的健康評(píng)價(jià)，本文依據(jù)易于理解、易被接受、易于監(jiān)測(cè)等原則，參考已有研究[26-30]，確定三垟濕地生態(tài)健康評(píng)價(jià)的12項(xiàng)生物指標(biāo)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(見表1)。

1.3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算

1) 浮游動(dòng)物完整性。

浮游動(dòng)物物種豐度采用Margalef豐富度指數(shù)(C1)，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(C2)，Berger-Parker 優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(C3)[31]，輪蟲百分比指各樣點(diǎn)輪蟲密度占浮游動(dòng)物總密度的比值(C4) ，計(jì)算公式如下。

C1=S-1/lnN

(1)

(2)

C3=Ni×Pi/N

(3)

C4=輪蟲密度/浮游動(dòng)物密度

(4)

式中：N為所有種類總個(gè)體數(shù)；S為物種數(shù)；Ni為第i種的個(gè)體數(shù)；Pi為第i種出現(xiàn)的頻度。

2) 魚類完整性 。

魚類物種豐度采用Margalef豐富度指數(shù)(C5)，Berger-Parker優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(C6)，外來種百分比指各外來種占魚類總數(shù)的比值(C7)，耐受性魚類百分比為耐受性魚類占比(C8)，計(jì)算公式如下。

C5=S-1/lnN

(5)

C6=Ni×Fi/N

(6)

C7=外來種個(gè)體數(shù)/魚類總數(shù)

(7)

C8=耐受性魚類個(gè)體數(shù)/魚類總數(shù)

(8)

式中：N為所有種類總個(gè)體數(shù)；S為物種數(shù)；Ni為第i種的個(gè)體數(shù)；Fi為第i種出現(xiàn)的頻度。

3) 大型底棲動(dòng)物完整性。

大型底棲動(dòng)物物種豐度采用Margalef豐富度指數(shù)(C9)、Berger-Parker優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(C10)和底棲動(dòng)物BI指數(shù)(C11)[25]，ETO分類單元(C12)，計(jì)算公式如下。

C9=S-1/lnN

(9)

C10=Ni×Fi/N

(10)

(11)

C12=蜉蝣目+毛翅目+蜻蜓目

(12)

式中：N為所有種類總個(gè)體數(shù)；S為物種數(shù)；Ni為第i種的個(gè)體數(shù)；Fi為第i種出現(xiàn)的頻度；Wi為第i個(gè)分類單元的耐污值[33]。

1.3.3 指標(biāo)權(quán)重確定

在水生生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)中，浮游動(dòng)物、魚類和底棲動(dòng)物均為指示環(huán)境的有效指示物種，它們相互聯(lián)系并且在水生食物鏈中代表著不同的營(yíng)養(yǎng)級(jí)，因此三者占據(jù)同樣的權(quán)重，即各占1/3(表1)。

表1 三垟濕地生物完整性評(píng)價(jià)體系與權(quán)重

1.3.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化

由于不同的指標(biāo)的量綱存在差異，故對(duì)不同指標(biāo)量綱作標(biāo)準(zhǔn)化處理。本文通過確定指標(biāo)的期望值(未受人類干擾的最佳狀態(tài)值)與閾值(在人類干擾下接近崩潰的最差狀態(tài)值)進(jìn)行指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化，所得結(jié)果在0～1之間，超過1的記為1，小于0的記為0。具體方法采用如下公式：

S=1-(|T-X|)/(|T-B|)

(13)

式中：S為標(biāo)準(zhǔn)化后的值；T為期望值；B為閾值；X為實(shí)際值。

在生物完整性期望值、閾值的確定中所參照的數(shù)據(jù)資料主要根據(jù)《浙江動(dòng)物志：淡水魚類》[34]《甌江干流溫州段魚類群落結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化》[35]等文獻(xiàn)資料，同時(shí)參考浙江省同類型且生態(tài)狀況良好的城市濕地水生生物情況，并結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)計(jì)方法共同確定三垟濕地評(píng)價(jià)指標(biāo)等期望值和閾值(見表2)[36-37]。

表2 三垟濕地生物完整性評(píng)價(jià)指標(biāo)期望值和閾值[34-37]

1.3.5 評(píng)價(jià)得分與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算

在分項(xiàng)得分計(jì)算等基礎(chǔ)上，采用等權(quán)相加的方法計(jì)算三垟濕地生物完整性評(píng)價(jià)的綜合得分：

(14)

式中：Si為第i個(gè)指標(biāo)的值；Ui為相應(yīng)的權(quán)重值。

四分法將三垟濕地生物完整性綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)劃分為5個(gè)等級(jí)，分別為健康、良好、一般、差、極差[3]，具體分值和狀況描述見表3。

表3 三垟濕地生物完整性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及狀態(tài)描述

2 結(jié)果分析

2.1 三垟濕地水生生物組成

1) 浮游動(dòng)物。 三垟濕地浮游動(dòng)物計(jì)35種，隸屬12科23屬。其中，輪蟲類最多，有7科14屬24種，占浮游動(dòng)物總種數(shù)的68.6%；枝角類次之，有3科5屬6種，占比17.1%；橈足類最少，有2科4屬5種，占比14.3%。優(yōu)勢(shì)種為角突臂尾輪蟲、尾突臂尾輪蟲、鐮狀臂尾輪蟲、曲腿龜甲輪蟲、前節(jié)晶囊輪蟲、微型裸腹溞和廣布中劍水蚤。

2) 魚類 。三垟濕地魚類計(jì)22種，隸屬5目11科。其中以鯉形目最多，有2科12種，占魚類總種數(shù)的54.55%；鱸形目6種，占比27.27%；鯰形目2種，占比9.09%。鳉形目和合鰓魚目各1種，分別占4.55%。調(diào)查發(fā)現(xiàn)入侵物種2種，為食蚊魚和齊氏非鯽，占比9.09%。

3) 底棲動(dòng)物。 三垟濕地底棲動(dòng)物計(jì)35種，隸屬3門7綱18科。其中軟體動(dòng)物最多，有13種，占軟體動(dòng)物總種數(shù)的37.1%；環(huán)節(jié)動(dòng)物12種，占比34.2%；節(jié)肢動(dòng)物10種，占比28.6%。環(huán)節(jié)動(dòng)物中寡毛綱數(shù)量最多，是底棲動(dòng)物生物量的主要組成部分，優(yōu)勢(shì)種為淡水單孔蚓、霍甫水絲蚓、前囊管水蚓；節(jié)肢動(dòng)物中甲殼綱種類數(shù)最多，是定性樣品中主要組成部分。

2.2 三垟濕地生物完整性評(píng)價(jià)

三垟濕地生物完整性評(píng)價(jià)結(jié)果見表4，整體而言，三垟濕地生態(tài)健康狀況一般。其中旅游區(qū)和休閑區(qū)3個(gè)采樣點(diǎn)健康狀況為一般，SW1(0.59)>SW2(0.56)>SW3(0.46)；過渡區(qū)4個(gè)采樣點(diǎn)除6號(hào)采樣點(diǎn)健康狀況評(píng)價(jià)為差外，其余均為一般，SW5(0.59)>SW7(0.51)>SW4(0.47)>SW6(0.31)；保育區(qū)4個(gè)采樣點(diǎn)中9號(hào)采樣點(diǎn)評(píng)價(jià)為差，其余皆為一般，SW8(0.51)>SW10(0.47)>SW11(0.45)>SW9(0.39)。目前旅游休閑區(qū)的健康狀況最好，保育區(qū)次之，過渡區(qū)最差。

表4 三垟濕地生物完整性評(píng)價(jià)結(jié)果

3 討論

3.1 三垟濕地評(píng)價(jià)結(jié)果分析

三垟濕地作為典型的城市濕地，歷史上存在污染嚴(yán)重的問題[38-39]。因濕地來水主要是大羅山溪流以及城市生活用水，張修峰等對(duì)三垟濕地氮磷污染研究表明，三垟濕地水質(zhì)多年處于劣V類水，氮、磷、重金屬污染嚴(yán)重[36]。由于濕地周邊分布有大型小區(qū)、學(xué)校、醫(yī)院，濕地內(nèi)村落復(fù)雜，治理難度大。表5為三垟濕地2019年9月與2020年9月水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，結(jié)果顯示三垟濕地溶解氧、總磷達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，氨氮、高錳酸鹽、化學(xué)需氧量達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，銅鋅等重金屬污染降低有所緩解，較2003年Ⅴ類水有所提升。

表5 2019年9月與2020年9月三垟濕地水質(zhì)監(jiān)測(cè)

本研究基于對(duì)三垟濕地水生生物現(xiàn)狀調(diào)查的基礎(chǔ)上，應(yīng)用生物完整性指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，其結(jié)果可以反映三垟濕地水生生態(tài)系統(tǒng)的受損情況。

三垟濕地綜合評(píng)價(jià)來看整體得分相差不大，保育區(qū)環(huán)境相對(duì)旅游休閑區(qū)差，濕地旅游區(qū)已完成建設(shè)，而保育區(qū)2018年剛完成居民搬遷工作仍在建設(shè)中，河流仍然受到生活、農(nóng)田污水的污染等。過渡區(qū)因靠近公路，人流量較大，故健康狀況比保育區(qū)和旅游區(qū)差。

在調(diào)查的11個(gè)樣點(diǎn)中，6號(hào)樣點(diǎn)最差，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)仍有農(nóng)藥使用情況，岸邊有魚類、鳥類、蛇類等動(dòng)物尸體，可能是造成該地區(qū)健康狀況最差的原因。9號(hào)樣點(diǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果僅次于6號(hào)樣點(diǎn)，該樣點(diǎn)位于居民區(qū)附近，存在生活污水、垃圾丟棄入河的情況，故該樣點(diǎn)健康狀況為“差”。

與2003年三垟濕地水生生物名錄比較，浮游動(dòng)物由2003年的26種增加到39種，魚類由18種增加到22種，底棲動(dòng)物由9種增加到35種，現(xiàn)在三垟濕地水生生物多樣性明顯增加，但濕地內(nèi)依然存在濫用農(nóng)藥、放生、入侵物種如齊氏非鯽、食蚊魚、福壽螺較多等嚴(yán)重問題，濕地未來水體環(huán)境依然需要加大整治力度。

3.2 城市濕地生物完整性參照點(diǎn)的篩選

參照點(diǎn)的選擇在城市濕地生物完整性評(píng)價(jià)中至關(guān)重要，參照點(diǎn)通常選用未受外界干擾或干擾很小的處于自然狀態(tài)的生態(tài)系統(tǒng)，這也是水體生態(tài)系統(tǒng)中最常用的方法[40]。設(shè)置正確的參照點(diǎn)可以為評(píng)價(jià)體系提供基準(zhǔn)，但城市濕地往往不易找到未受損區(qū)域，也缺乏受外界干擾前的歷史數(shù)據(jù)，故本研究參考浙江省同類型且生態(tài)狀況良好的城市濕地生境狀況、歷史文獻(xiàn)資料及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)計(jì)方法等，結(jié)合三垟濕地已有數(shù)據(jù)，選取不同參考點(diǎn)確定三垟濕地評(píng)價(jià)指標(biāo)的期望值和閾值。從評(píng)估效果看方法可行。

3.3 城市濕地生物完整性核心參數(shù)的選擇

核心參數(shù)的選擇是城市濕地生物完整性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，候選參數(shù)一般在他人研究的基礎(chǔ)上確定，浮游植物，浮游動(dòng)物、魚類、底棲動(dòng)物和高等水生植物通常被應(yīng)用于水生生物完整性評(píng)價(jià)[41]。由于城市濕地植物更易受人類和環(huán)境的干擾，在走訪過程中濕地內(nèi)發(fā)現(xiàn)水生植物剛剛種植，陸生植物以甌柑林尾注，且缺乏相關(guān)水生植物歷史資料，難以準(zhǔn)確地反映現(xiàn)實(shí)狀況，另外浮游動(dòng)物、魚類和底棲動(dòng)物也是水生生態(tài)系統(tǒng)健康狀況重要指示物種，三者代表著不同的營(yíng)養(yǎng)級(jí)，可以較好反映水體變化，故本研究選用浮游動(dòng)物、魚類和底棲動(dòng)物作為評(píng)價(jià)參數(shù)。

本研究確定的核心參數(shù)，除使用豐富度、優(yōu)勢(shì)度表征環(huán)境好壞外，浮游動(dòng)物選取輪蟲百分比和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)。有研究表明在受干擾較強(qiáng)、污染嚴(yán)重的區(qū)域，輪蟲數(shù)量明顯增加，生物多樣性會(huì)隨之降低[42]；魚類選取外來種百分比和耐受種百分比，外來種因環(huán)境中沒有可以抗衡或制約的物種，打破原有的生態(tài)平衡、改變環(huán)境、破壞生物多樣性，給新生境中的生物和非生物帶來巨大挑戰(zhàn)[43]；底棲動(dòng)物選取BI指數(shù)和EPO分類單元數(shù)，BI指數(shù)是美國(guó)環(huán)境署重點(diǎn)推薦的評(píng)價(jià)水生環(huán)境的指數(shù)之一，依據(jù)不同分類單元的耐污值來計(jì)算得到的結(jié)果，可以反映水生生物對(duì)環(huán)境污染的敏感性[27]，EPO分類單元屬于水生昆蟲，對(duì)水環(huán)境變化敏感，在污染水域水生昆蟲明顯減少而一些耐受性的寡毛類明顯增加[44]。

本研究結(jié)果表明，基于生物完整性建立的評(píng)價(jià)體系可以應(yīng)用于城市濕地生態(tài)健康評(píng)價(jià)，但本次僅依據(jù)秋季的調(diào)查采樣數(shù)據(jù)構(gòu)建的生物完整性評(píng)價(jià)體系，尚不能全面反映三垟濕地不同季節(jié)水生生物完整性和生態(tài)狀況，在后續(xù)的研究過程中需要增加不同季節(jié)生物數(shù)據(jù)，進(jìn)一步完善該城市濕地生態(tài)健康評(píng)價(jià)結(jié)果，為三垟濕地保護(hù)、修復(fù)和管理提供依據(jù)。

4 結(jié)論

1)本研究構(gòu)建了基于生物完整性的三垟濕地健康評(píng)價(jià)體系，該方法包括浮游動(dòng)物、魚類和底棲動(dòng)物在內(nèi)的12個(gè)對(duì)干擾敏感的核心參數(shù)。

2)本次研究結(jié)果顯示，三垟濕地生態(tài)健康狀況整體為一般，其中旅游休閑區(qū)健康狀況最好，保育區(qū)次之，過渡區(qū)最差。