宋聃，都雪，王樂，王慧博，竇乾明，金星，邵長浩，霍堂斌

（1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黑龍江水產(chǎn)研究所，寒地水域水生生物保護與生態(tài)修復(fù)重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150070；2.黑龍江流域漁業(yè)生態(tài)省野外科學(xué)觀測研究站，黑龍江 哈爾濱 150070；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150038）

河流是連接陸地和海洋的紐帶，在地球物質(zhì)遷移和循環(huán)中發(fā)揮了重要作用[1]。河流生態(tài)系統(tǒng)與人類文明息息相關(guān)，人類利用河流生態(tài)系統(tǒng)的同時也持續(xù)改變著河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，造成諸如水環(huán)境污染、生境破壞等生態(tài)問題[2,3]。加強河流健康管理，保護未受損河流和修復(fù)受損河流成為生態(tài)學(xué)關(guān)注的熱點問題之一[4]。河流健康包括河流生態(tài)系統(tǒng)完整性、穩(wěn)定性，以及能夠發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能等內(nèi)容[5,6]。應(yīng)用指示生物法、綜合指數(shù)法和數(shù)學(xué)模型法等方法科學(xué)地評價河流健康[7]是進行河流生態(tài)系統(tǒng)管理和恢復(fù)的前提，也是實現(xiàn)流域可持續(xù)發(fā)展目標的重要措施。

Karr1981 年[8]提出應(yīng)用生物完整性指數(shù)（Index of Biological Integrity,IBI）評價河流生態(tài)系統(tǒng)生物學(xué)，其本質(zhì)是通過生物群落組成、性狀、功能參數(shù)等指標反映河流生物資源現(xiàn)狀，評估河流的生態(tài)完整性[9]。該方法能夠彌補單個生物指標敏感范圍的局限，減少具有強相關(guān)性的同類指標，對于準確評價復(fù)雜的河流生態(tài)系統(tǒng)具有重要作用，廣泛應(yīng)用于美國、英國、加拿大等國家的河流健康評價中[10,11]，其研究對象也由最初的魚類逐漸發(fā)展到底棲動物、浮游生物等多種生物[8-11]。大型底棲無脊椎動物完整性指數(shù)（Benthic Macroinvertebrate Index of Biological Integrity,B-IBI）是通過底棲動物群落結(jié)構(gòu)特征反映河流健康狀態(tài)的方法。我國自王備新[12]應(yīng)用該方法評價安徽黃山地區(qū)溪流生態(tài)系統(tǒng)健康后，遼河[13]、海拉爾河[14]、淮河[15]、灤河[16]等河流，滇池[17]、太湖[18]、鄱陽湖[19]等湖泊，以及渤海灣[20]等水域也先后使用該方法評價了河流健康，成為我國河流健康評價的重要方法之一。

呼蘭河是松花江左岸一級支流，發(fā)源于小興安嶺西麓，于哈爾濱市附近匯入松花江，全長506 km，流域總面積31 424 km2。呼蘭河流域地處溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫1.6 ℃～3.3 ℃，極端低溫-44.9 ℃，平均結(jié)冰期162 d[21]。呼蘭河地處高緯度森林凍土地帶，生態(tài)系統(tǒng)獨特且脆弱，面臨諸如城市化、農(nóng)藥殘留、家畜馴養(yǎng)等多方面威脅，河流健康現(xiàn)狀逐漸引起關(guān)注。已有研究對呼蘭河污染物[22]、生物群落[23,24]等進行監(jiān)測和報道，在流域生態(tài)環(huán)境保護、污染控制和生物多樣性保護等方面發(fā)揮了積極作用。而有關(guān)呼蘭河生態(tài)系統(tǒng)健康的研究則較少。趙文超[23]等利用底棲動物多樣性指數(shù)評價水環(huán)境；張明月等[25]基于層析分析法通過指標賦分的形式構(gòu)建了呼蘭河健康評價體系。這些評價彌補了呼蘭河健康評價的空白，但指標構(gòu)成單一。因此，構(gòu)建基于多指標篩選的大型底棲動物完整性指數(shù)，定量評價呼蘭河健康狀況，能夠為更全面地理解呼蘭河健康現(xiàn)狀和影響因素提供新的視角。

Hawkins 等[26]研究表明，底棲動物分布與地理區(qū)域或生態(tài)區(qū)關(guān)系密切，不同的生態(tài)區(qū)應(yīng)該建立獨立的B-IBI 體系，而我國地域遼闊，地理和氣候條件相差懸殊，區(qū)域間生物組成差異較大，缺乏明確的基于生物分布的生態(tài)區(qū)劃分。因此，應(yīng)用B-IBI評價河流生態(tài)系統(tǒng)健康仍需大量實證研究以構(gòu)建具有區(qū)域適應(yīng)性的B-IBI 體系。呼蘭河流域具有高寒生態(tài)區(qū)河流生態(tài)系統(tǒng)的共性特征，構(gòu)建B-IBI 體系和評價標準對呼蘭河生態(tài)系統(tǒng)進行健康評價，能夠為我國寒溫帶氣候區(qū)B-IBI 體系構(gòu)建和生態(tài)區(qū)區(qū)劃積累數(shù)據(jù)資料。本研究通過構(gòu)建呼蘭河大型底棲動物群落B-IBI 體系評價呼蘭河健康現(xiàn)狀，分析指標體系與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系，探討呼蘭河生態(tài)系統(tǒng)健康面臨的主要威脅，以期為呼蘭河流域生態(tài)系統(tǒng)管理和恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域及采樣點布設(shè)

根據(jù)呼蘭河干支流等級和生態(tài)環(huán)境特征，全流域設(shè)置28 個采樣點（圖1）。2018 年夏季（8 月）、秋季（10 月）和2019 年春季（5 月）采集了呼蘭河流域大型無脊椎底棲動物和水環(huán)境樣品。

圖1 呼蘭河流域土里利用及采樣點分布圖Fig.1 Land use and distribution of sampling sites in Hulan River Basin

1.2 樣品采集

用便攜式水質(zhì)分析儀（YSI6600-02，USA）現(xiàn)場測定水溫（WT，℃）、pH 和溶解氧含量（DO，mg/L），用流速儀（Global water FP211，USA）記錄采樣點流速（WS，m/s），塞氏盤法測定水體透明度（Tra，m），便攜式測深儀（DECCA SM-5A，USA）測定水深（WD，m）。5 L 有機玻璃采水器隨機采集水下約0.5 m 表層水樣，低溫保存。實驗室內(nèi)依據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）》測定總氮（TN，mg/L）、總磷（TP，mg/L）、氨氮（NH3-N，mg/L）含量和化學(xué)需氧量（COD，mg/L）。參照Barbour[27]對采樣點底質(zhì)特征、河岸狀況、覆蓋度、生境復(fù)雜性和周邊土地利用等情況進行定性調(diào)查和記錄，并按河流底質(zhì)狀況對底棲動物進行定量和半定量采樣。所有采樣點使用D 型網(wǎng)（寬0.3 m，網(wǎng)深0.2 m，40 目尼龍紗材質(zhì)）進行長度為1 m 的樣方采集；上游溪流礫石底質(zhì)區(qū)域采用刷石法取樣，測量并記錄采樣石頭表面積；中下游河段使用1/16 m2彼德森采泥器采集底泥，隨機采集5次并混合；沿岸水草豐茂處，使用D 型網(wǎng)進行手抄3 次并混合；河岸和淺水處，人工拾取較大個體的底棲動物種類[14,27]。所有采集的樣品和底泥置于60 目分樣篩內(nèi)，用清水反復(fù)沖洗后，挑揀底棲動物置于500 mL 塑料瓶內(nèi)，用4%甲醛溶液固定，48 h 后再移入95%酒精中保存。依據(jù)《淡水微型生物與底棲動物圖譜》[28]鑒定采集的底棲動物到種，并計數(shù)和稱重。

1.3 B-IBI 指數(shù)構(gòu)建

1.3.1 參照點和干擾點區(qū)分

參照Morley 和Karr[29]和Bloeksom 等[30]，根據(jù)采樣點受人類活動干擾程度的強度不同，區(qū)分參照點和干擾點。根據(jù)呼蘭河流域土地利用現(xiàn)狀和水環(huán)境調(diào)查結(jié)果，干擾最少的采樣點表現(xiàn)為森林覆蓋度大于85%，上游無農(nóng)田和城鎮(zhèn)，5 km 內(nèi)無點源污染；而干擾較強的點位則主要表現(xiàn)為森林覆蓋率較低，上游有農(nóng)田和人類聚居區(qū)或受到強烈的點源污染。因此，選擇河流上游森林覆蓋率最高，干擾強度最小，開發(fā)率最低的點位S1、S2、S23、S25（圖1）作為指數(shù)評價的參照點，其余24 個采樣點為干擾點。

1.3.2 生物指數(shù)篩選

合理的生物完整性指數(shù)應(yīng)該包括盡可能全面的參數(shù)類型[31,32]，根據(jù)呼蘭河底棲動物群落結(jié)構(gòu)特征，選用了33 個對生態(tài)環(huán)境改變響應(yīng)敏感的生物參數(shù)作為候選參數(shù)（表1），分別代表河流生態(tài)系統(tǒng)大型底棲動物的物種豐度、種類組成、耐受性、功能攝食類群、生物多樣性指數(shù)以及其生境質(zhì)量6 種特征，反映了目標生物種群的數(shù)量、結(jié)構(gòu)和功能對環(huán)境變化和人為干擾的響應(yīng)。

表1 構(gòu)建B-IBI 指標體系的候選指標及對干擾的反應(yīng)Tab.1 Candidate metrics for B-IBI and their expected direction of response to disturbance

參照Barbour[27]，分析采樣點生物指數(shù)的數(shù)值分布范圍，排除自身變動范圍較小的不敏感指標；比較生物指數(shù)在參照點和干擾點的分布，利用箱線圖比較參考點與干擾點的中位數(shù)與對方的25%～75%分位數(shù)之間的關(guān)系，以各自中位數(shù)值在對方25%～75%分位數(shù)范圍之外為標準，判斷該指標在參照點和干擾點之間敏感[30,33]，保留敏感指標以做進一步篩選。

不同生物指標可能包含了相同的信息，為降低信息重疊對評價結(jié)果的影響，對候選指標進行相關(guān)性分析，以相關(guān)性作為判斷生物指標間信息重疊程度的指標，相關(guān)性較高的參數(shù)（|r|>0.75）只選擇其中最具代表性的指標予以保留[34,35]。

1.3.3 B-IBI 分值計算

根據(jù)參數(shù)對干擾的響應(yīng)將指標分成正、負相關(guān)指標兩個類型，正相關(guān)指標隨著干擾強度增加，指標值升高，負相關(guān)指標隨干擾強度增強而降低（表1）。統(tǒng)一不同指標值量綱，采用比值法按下式分值計算不同類型指標：

其中，公式（1）為與干擾強度負相關(guān)的指標的得分計算公式；公式（2）為正相關(guān)指標計算公式；公式（3）為B-IBI 指數(shù)計算公式，Sij表示第i 個采樣點第j 個指標的得分，mij表示第i 個采樣點第j 個指標的實際值，mmax表示第j 個指標的最大值，ε1表示負相關(guān)指標的最佳期望值，既指標值分布的95%分位數(shù)值，ε2表示正相關(guān)指標的最佳期望值，既指標值分布的5%分位數(shù)值。為避免單個指標值的權(quán)重過大，規(guī)定0≤Sij≤1，若Sij在該范圍內(nèi)則保留原得分，若Sij＞1，則Sij校正為1[30]，表示校正后的Sij，B.IBI 表示B-IBI 指數(shù)得分。

1.3.4 生態(tài)健康評價標準

以參照點B-IBI 得分的25%分位數(shù)值為標準，B-IBI 得分大于參照點25%分位數(shù)值表示采樣點受到較小的干擾，否則表示受到較大干擾，并將參照點B-IBI 分值的25%分位數(shù)四等分，按照得分高低依次表示健康、亞健康、一般、較差和極差5 個河流健康等級。

1.3.5 核心指標貢獻率計算

計算6 個核心指標校正后的分值（Sij）占相應(yīng)點位B-IBI 得分的百分比，以分析不同核心指標對B-IBI 得分的貢獻率。計算公式為：

公式（4）中Cij表示第i 個點第j 個指標對第i個點位B-IBI 指數(shù)的貢獻率。

1.3.6 集水區(qū)面積計算

土地利用數(shù)據(jù)下載自全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)（National Catalogue Service for Geographic Information,https://www.webmap.cn），采用全球30 m地表覆蓋數(shù)據(jù)庫（GlobeLand30）數(shù)據(jù)；不同采樣點的土地利用類型比例用該點位集水區(qū)土地利用面積進行換算，集水區(qū)土地利用類型面積使用ArcGIS（version 10.2）軟件進行提取。

1.4 數(shù)據(jù)處理

文中涉及的數(shù)據(jù)分析使用R 軟件（version 2.15）完成，用Shapiro-Wilks 檢驗數(shù)據(jù)正態(tài)性；相關(guān)性分析使用Hmisc 數(shù)據(jù)包完成；樣本量較小的數(shù)據(jù)間顯著性檢驗使用t 檢驗；冗余分析（Redundancy analysis,RDA）使用vegan 數(shù)據(jù)包完成；使用ggplot2數(shù)據(jù)包繪制圖形。

2 結(jié)果與分析

2.1 底棲動物種類組成

在呼蘭河共調(diào)查大型底棲動物14 目32 科58種（表2），分別隸屬于昆蟲綱（蜉蝣目、襀翅目、毛翅目、雙翅目、鞘翅目、半翅目和蜻蜓目）、腹足綱（基眼目、中腹足目）、瓣鰓綱（簾蛤目、蚌目）、蛭綱（無吻蛭目）、寡毛綱（顫蚓目）和甲殼綱（十足目）。其中水生昆蟲最多（41 種），隸屬7 目24 科，占總物種數(shù)的70.69%；軟體動物11 種，隸屬4 目4 科，占總數(shù)的18.97%；環(huán)節(jié)動物4 種，隸屬2 目2 科，占總數(shù)的6.90%；甲殼動物2 種，隸屬1 目2 科，占總數(shù)3.45%。

表2 呼蘭河大型底棲動物種類組成Tab.2 Species composition of benthic macroinvertebrates in Hulan River

2.2 B-IBI 指標篩選

使用箱線圖分析候選指標在干擾點和參照點的數(shù)據(jù)分布（圖2），襀翅目分類單元數(shù)（M2）、襀翅目個體相對豐度（M11）、鞘翅目個體相對豐度（M16）和撕食者個體相對豐度（M29）在干擾點或者參照點的數(shù)據(jù)分布中，其25%分位數(shù)、75%分位數(shù)和中位數(shù)相等且為0，表明指標自身變動范圍較小，對干擾的響應(yīng)不敏感，予以篩除。對比各指標在干擾點和參照點的數(shù)據(jù)分布范圍，蜉蝣目分類單元數(shù)（M3）、毛翅目分類單元數(shù)（M4）、EPT（蜉蝣目、襀翅目和毛翅目）分類單位數(shù)（M9）、EPT 個體相對豐度（M19）、敏感類群個體相對豐度（M20）、耐污類群個體相對豐度（M21）、耐污類群分類單元數(shù)（M23）、BI指數(shù)（M24）和刮食者個體相對豐度（M27）在參照點和干擾點間敏感，進入下一步篩選。

圖2 參照點和干擾點候選指標數(shù)據(jù)分布（M1-M33 見表1）Fig.2 Box plots of candidate metrics between reference and impaired sites（M1 -M33 defined in Table 1）

對篩選出的9 個指標（M3、M4、M9、M19、M20、M21、M23、M24 和M27）進行相關(guān)性分析（圖3）。結(jié)果顯示：M3 與M9、M19 與M20、M21 和M24 相關(guān)性較大（|r|≥0.75），而M4、M23、M27 則與其他候選指標相關(guān)性較低（|r|<0.75）。蜉蝣目分類單元數(shù)（M3）和EPT 分類單元數(shù)（M9）同樣是表征物種豐度的指標，M9 包含更豐富的信息，予以保留；EPT 個體相對豐度（M19）與敏感類群個體相對豐度（M20）、耐污類群個體相對豐度（M21）、BI 指數(shù)（M24）高度相關(guān)，M19 作為唯一一個表征物種組成的指標可以保留，而M20、M21 和M24 作為表征群落對污染的耐受能力的指標，M24 包含的信息量相對較大；最終確定以M4、M9、M19、M23、M24 和M27 作為呼蘭河B-IBI 指標體系的核心生物指標。

圖3 9 個候選生物指標的相關(guān)性分析Fig.3 Correlation analysis of nine candidate indicators

2.3 基于B-IBI 的河流健康等級區(qū)劃與評價

按照公式計算各采樣點的B-IBI 分值，參照點B-IBI 分值的25%分位數(shù)值為4.42，對小于95%分位數(shù)值的分布范圍進行4 等分，得到基于B-IBI 指數(shù)的呼蘭河健康評價標準（表3）。根據(jù)呼蘭河流域的28 個采樣點的B-IBI 得分和評價標準，呼蘭河流域28 個采樣點中，“健康”點位5 個，占調(diào)查位點總數(shù)的17.9%，“亞健康”點位各4 個，占調(diào)查點位總數(shù)的14.3%，“一般”點位7 個，“差”點位9 個，“極差”點位3 個，“一般”及其以下等級共占采樣點位數(shù)的67.9%。不同點位健康評價結(jié)果如圖4 所示。

表3 呼蘭河B-IBI 健康評價標準Tab.3 Criteria of health assessment of B-IBI for Hulan River

圖4 不同點位B-IBI 評價結(jié)果空間分布示意圖，氣泡顏色表示健康評價登記，氣泡大小表示指數(shù)值大小Fig.4 Schematic diagram of B-IBI evaluation results at different sampling sites.The different color of bubble represents the evaluation grade,and the size represents the B-IBI value

2.4 B-IBI 體系與環(huán)境因子的關(guān)系

不同環(huán)境因子與呼蘭河B-IBI 體系各指標和評分相關(guān)性的分析表明，毛翅目分類單元數(shù)（M4）與pH、溶解氧、化學(xué)需氧量、總磷顯著相關(guān)（P<0.05）；EPT 個體相對豐度（M19）與pH、溶解氧、化學(xué)需氧量、總磷、總氮、氨氮、透明度顯著相關(guān)（P<0.05）；而耐污類群分類單元數(shù)（M23）則與流速顯著正相關(guān)；I-IBI 得分與所有環(huán)境因子顯著相關(guān)（表4）。

水環(huán)境參數(shù)與B-IBI 指標體系的冗余分析（Redundancy analysis,RDA）結(jié)果（圖5）顯示，RDA前兩軸對B-IBI 指標體系的解釋率為74.81%，其中第一排序軸與pH、溶解氧（DO）、透明度（Tra）負相關(guān)，與總磷（TP）、總氮（TN）、氨氮（NH3-N）、化學(xué)耗氧量（COD）正相關(guān)，其對評價指標變異的解釋量為49.14%；第二排序軸則與流速（WS）和采樣點至河口距離（DE）正相關(guān)，與水深（WD）負相關(guān)，其對評價指標變異的解釋率為25.67%；評價指標與RDA 排序軸位置關(guān)系表明，EPT 種類豐度指標（M9、M19）與第一軸負相關(guān)，污染耐受性指標（M23、M24）則與第一軸正相關(guān)，而刮食者個體相對豐度（M27）與第二軸呈負相關(guān)，毛翅目豐度指標M4 與第二軸正相關(guān)。

圖5 底棲動物完整性指數(shù)指標體系與環(huán)境因子冗余分析Fig.5 Redundancy analysis of B-IBI and environmental variables

呼蘭河水質(zhì)參數(shù)和B-IBI 指數(shù)與土地利用類型比例的相關(guān)性分析表明（表5），B-IBI 指數(shù)與采樣點集水區(qū)耕地、人造地表顯著負相關(guān)，而與森林顯著正相關(guān)（P<0.01）。同時，反映水體富營養(yǎng)化水平的總磷，以及反映水污染狀況的化學(xué)需氧量和氨氮與采樣點集水區(qū)耕地、人造地表顯著正相關(guān)，并與森林比例顯著負相關(guān)（P<0.01）。

表5 呼蘭河采樣點集水區(qū)耕地面積與B-IBI 指數(shù)、總磷、總氮含量的相關(guān)性分析Tab.5 Pearson correlation coefficient between percent of arable land area in the catchment area of different sample site and B-IBI,and concentrations of total phosphorus,total nitrogen in the Hulan River

3 討論

3.1 B-IBI 指標體系與評價標準構(gòu)建

在構(gòu)建B-IBI 體系中，最重要內(nèi)容是參照點選擇和指標篩選。參照點影響評價指標篩選和健康狀況評價結(jié)果，是B-IBI 評價體系構(gòu)建的關(guān)鍵。人類活動強度和范圍增大，完全不受干擾的標準點很難獲得或者到達。因此，選擇河流受干擾強度較弱、生態(tài)環(huán)境保持良好的位點作為參照點是目前采用較多的方法。河流生態(tài)環(huán)境受氣候、人類活動、土地利用等多種因素影響，不同河流的參照點選擇標準不具備普適性[32]，土地利用、生境特征和水環(huán)境質(zhì)量是參照點選擇的重要參考指標[35]。在基于B-IBI 評價河流生態(tài)系統(tǒng)健康的研究中，參照點大多參照Barbour 等[27]所使用的方法，通過對森林覆蓋面積和人口密度定量劃分進行參考點篩選。呼蘭河所在的小興安嶺地區(qū)是我國重要的林區(qū)，人口密度較低，生態(tài)環(huán)境保持相對較好，但過度采伐和開荒導(dǎo)致區(qū)域林地逐漸演變?yōu)楦兀?005 年后區(qū)域全面禁伐，流域上游區(qū)域林地覆蓋面積得以維持和恢復(fù)[36]，森林覆蓋率能夠較好地反映該地區(qū)生態(tài)環(huán)境受干擾現(xiàn)狀。因此，本文適當降低了Barbour 等[27]所采用的標準，以森林覆蓋率達到85%以上為標準選擇參考點。

生物指標是底棲動物類群結(jié)構(gòu)和功能對干擾和環(huán)境因子的綜合響應(yīng)，不同指標反映的信息類型和囊括的信息量不同，對單一干擾變化的響應(yīng)區(qū)間也不同。如何篩選生物學(xué)意義相對重要、判別能力最優(yōu)的參數(shù)是評價體系構(gòu)建的關(guān)鍵[9]。由于環(huán)境和生物區(qū)系組成的差異，不同河流構(gòu)建的B-IBI 評價體系和評分標準差異較大[12-16]。因此，盡可能全面的候選指標有利于更全面準確地反映底棲生物類群對干擾的響應(yīng)信息[32]。通過指標值分布能夠篩除對干擾響應(yīng)較小且不穩(wěn)定的一類指標，篩選出最具判別能力的指標，而相關(guān)性分析則能夠篩除信息重疊的指標，有利于分析河流生態(tài)系統(tǒng)健康所受到的主要威脅。本文通過對物種組成與豐度、污染耐受性、攝食功能類群、生境質(zhì)量和生物多樣性指數(shù)6 類33個指標進行篩選，構(gòu)建了以毛翅目分類單元數(shù)、EPT分類單位數(shù)和個體相對豐度、生物指數(shù)、耐污類群分類單元數(shù)和刮食者個體相對豐度為標準的B-IBI評價體系，計算得到呼蘭河生態(tài)系統(tǒng)健康評價標準值為3.81。

底棲動物區(qū)系組成與地理區(qū)或者生態(tài)區(qū)密切相關(guān)[12]。Blocksom 等[30]認為，同一生態(tài)區(qū)的B-IBI評價體系可以應(yīng)用于生物組成相似的河流，僅需構(gòu)建不同的評價標準[30]。劉帥磊等[37]通過比較不同氣候區(qū)河流B-IBI 體系核心指標，發(fā)現(xiàn)不同氣候區(qū)河流B-IBI 體系構(gòu)成沒有統(tǒng)一的規(guī)律，也證實氣候差異并非影響B(tài)-IBI 體系的唯一因素。與同為寒溫帶河流的海拉爾河相比[14]，EPT 種類分類單元和個體豐度變化僅在呼蘭河被作為核心評價指標。分析認為，呼蘭河河床底質(zhì)以卵石和石礫為主，水質(zhì)現(xiàn)狀相對較好，生物多樣性較高，水生昆蟲在上下游廣泛分布可能是造成兩條寒溫帶河流B-IBI 評價指標組成差異的原因，也表明河流環(huán)境特征和健康現(xiàn)狀可能是影響B(tài)-IBI 評價指標體系構(gòu)建的重要原因。

3.2 影響呼蘭河健康評價的主要環(huán)境因子

相關(guān)性分析結(jié)果表明，B-IBI 指數(shù)與環(huán)境因子顯著相關(guān)（P<0.05）。RDA 結(jié)果顯示，環(huán)境因子對B-IBI 指標體系變異解釋率為74.81%，且第一排序軸與溶解氧、透明度等反映水質(zhì)現(xiàn)狀的參數(shù)顯著相關(guān)，而第二排序軸則與流速、水深等反映生境特征變化的指標相關(guān)，對B-IBI 體系變異的解釋率為25.67%（圖5）。由此可見，水質(zhì)環(huán)境是影響呼蘭河B-IBI 評價結(jié)果最主要的因素，而生境特征差異也是影響呼蘭河底棲動物群落組成和空間分布的重要原因。

水環(huán)境質(zhì)量影響水生生物的生理狀態(tài)和生態(tài)分布，是影響河流健康狀況的重要因素之一，許多基于B-IBI 的河流健康評價結(jié)果均證實了這一點[12-19]。本研究中，B-IBI 指數(shù)與表征水體富營養(yǎng)化指標TP、TN，表征水體污染的指標pH、NH3-N、COD顯著負相關(guān)（P<0.001），而與表征水質(zhì)良好的指標溶解氧、透明度顯著正相關(guān)（P<0.001），也表明環(huán)境污染是影響呼蘭河B-IBI 評價結(jié)果的重要因素（表4），這與已有的研究結(jié)果一致。耐污類群分類單元數(shù)M23 對呼蘭河B-IBI 評分的貢獻度最高，顯著高于除BI 指數(shù)（M24）以外的其他指標（圖6-A），對環(huán)境敏感的EPT 種類（M19）則在參照點和干擾點差異明顯。這表明耐污種群和EPT 種類的空間分布差異是影響呼蘭河B-IBI 評價結(jié)果的最重要原因。河流生態(tài)系統(tǒng)中溶解氧是底棲動物生存的必要條件和影響底棲動物類群分布和豐度的重要環(huán)境因子[40,41]；氨氮則對底棲動物具有毒害作用[42,43]，其含量升高將導(dǎo)致對水環(huán)境要求較高的物種密度和生物量下降，水環(huán)境中總磷和總氮含量增加會刺激耐污類群豐度增加[44]。因此，本研究認為，環(huán)境污染是造成呼蘭河底棲動物群落空間差異的原因之一，隨著呼蘭河水體溶解氧和透明度降低，氨氮等有害物質(zhì)含量升高，營養(yǎng)物質(zhì)富集，水環(huán)境質(zhì)量下降，耐污力較強的種類豐度逐漸增大，而對環(huán)境敏感的種類豐度則逐漸下降，影響河流健康評價結(jié)果。

底棲動物是水域生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，種類繁多、分類差異大[38]，不同種類的生境需要差異明顯，因此生境也是影響底棲動物空間分布的重要因素。現(xiàn)有的基于B-IBI 的河流評價中，有關(guān)生境特征對B-IBI 的討論較少，本文簡單探討了水溫、水深、流速等比較易得的生境參數(shù)與B-IBI 體系之間的關(guān)系。結(jié)果顯示，RDA 第二排序軸與反映生境特征的指標關(guān)系密切，對B-IBI 核心指標變異解釋率為25.67%（圖5）；呼蘭河B-IBI 核心指標與生境特征之間的相關(guān)性分析表明（表4），EPT 種類豐度M19 與水溫關(guān)系密切，而耐污染種群M23 和刮食者類群豐度M27 則與流速相關(guān)性顯著（P<0.01）。B-IBI 指數(shù)也與水溫、流速、水深等反映生境特征的指標顯著負相關(guān)（P<0.05）。呼蘭河是發(fā)源于小興安嶺的山區(qū)河流，隨著緯度和海拔的降低，逐漸由山區(qū)溪流演變?yōu)槠皆恿鳎▓D1），小尺度生境特征也發(fā)生相應(yīng)改變，如水溫升高、水流減緩、水深增大等。生境特征變化致使底棲動物生活史類型發(fā)生適應(yīng)性改變，水生昆蟲豐度逐漸降低，以軟體動物為代表的刮食類群逐漸成為優(yōu)勢種群，造成底棲動物組成和豐度的空間變異，影響B(tài)-IBI 指數(shù)評價結(jié)果。B-IBI 指數(shù)與采樣點距河口的距離之間的顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.64，P <0.001）也證實了這一點。生境特征對B-IBI 評價的影響可能是雙向的，一方面生境特征改變引起的底棲動物群落結(jié)構(gòu)變化會對B-IBI 評價結(jié)果帶來負面的影響，如河流下游往往由于泥沙淤積致使底質(zhì)環(huán)境發(fā)生改變，水生昆蟲種類數(shù)量減少，水絲蚓等種類逐漸增加，必將導(dǎo)致B-IBI 指數(shù)降低，但該結(jié)果并不完全由環(huán)境質(zhì)量下降引起，也反映了底棲生物對物理環(huán)境變化的適應(yīng)；但另一方面，生境與水環(huán)境質(zhì)量具有一致性，河流生境往往與水環(huán)境質(zhì)量密切相關(guān)，如泥沙淤積的河流下游水環(huán)境往往較上游差。因此，定量分析更多更廣泛的生境特征，可能是今后基于B-IBI 河流健康評價應(yīng)該考慮的問題之一，但河流生境的復(fù)雜性，可能會成為阻礙其實現(xiàn)的關(guān)鍵。

3.3 呼蘭河生態(tài)系統(tǒng)健康評價

呼蘭河B-IBI 指數(shù)健康狀態(tài)標準值為4.42，28個調(diào)查點位中，“一般”及以下等級指標占所有點位的67.9%，所有采樣點的B-IBI 評分均值為2.75，按照評價標準屬于“一般”狀態(tài)。B-IBI 評價結(jié)果的空間分布顯示（圖4），評價為“健康”和“亞健康”等級的采樣點主要分布在森林覆蓋率較高的上游區(qū)域，除個別采樣點外，整體上表現(xiàn)出自上而下逐漸變差的趨勢。

相關(guān)性分析結(jié)果顯示：總磷、總氮、氨氮、化學(xué)需氧量與呼蘭河B-IBI 顯著負相關(guān)（r<-0.79，P<0.001），總磷和總氮是富營養(yǎng)化的重要指示指標，氨氮、化學(xué)需氧量則反映了水體受污染的程度。由此可見，呼蘭河健康面臨著水體富營養(yǎng)化和水質(zhì)污染的雙重脅迫。水質(zhì)參數(shù)與土地利用類型之間的相關(guān)性分析（表5），表明，采樣點集水區(qū)耕地面積比例和人造地表面積比例與TP、COD、NH3-N 顯著正相關(guān)，表明城市化和農(nóng)業(yè)污染是呼蘭河水質(zhì)污染和富營養(yǎng)化的重要成因；另一方面，盡管總氮與土地利用類型密切相關(guān)（|r|>0.61），但相關(guān)性并不顯著（P>0.05），分析認為呼蘭河地處黑土地地帶，土壤氮含量較高，土壤中氮元素在地表水沖刷滲透的作用下，導(dǎo)致呼蘭河水體中氮元素基值偏高，可能是造成這一結(jié)果的原因。

盡管呼蘭河健康水平整體表現(xiàn)為沿河流走向自上而下逐漸下降的趨勢，但河口區(qū)域的健康等級與中游區(qū)域相似，且B-IBI 評價為“極差”的點位也出現(xiàn)在流域中游區(qū)域。分析認為，自然河流能夠通過沉積、過濾、滲透、滯留、稀釋等物理作用，以及氧化、生物降解等生物化學(xué)過程發(fā)揮自我凈化和自我修復(fù)的生態(tài)功能[39]。呼蘭河生態(tài)系統(tǒng)自身所具有的凈化恢復(fù)能力仍然發(fā)揮作用，生態(tài)系統(tǒng)仍然保持相對完整，可能是河流中下游采樣點B-IBI 評分相似的原因；進一步調(diào)查顯示，B-IBI 指數(shù)最低的3 個采樣點分別位于采沙場和城市下游，區(qū)域底質(zhì)擾動覆蓋和污染物直接排放可能是造成這些點位B-IBI評分較低的原因，也表明點源污染是造成河流區(qū)域性環(huán)境急劇惡化的重要因素。因此，底棲動物完整性指數(shù)評價河流健康狀態(tài)需要與水文、河道形態(tài)、底質(zhì)特征等環(huán)境指標相結(jié)合，盡可能密集地設(shè)置采樣點，才能減小因為生境異質(zhì)性引起整體評價結(jié)果偏差。

3.4 結(jié)論

本研究用B-IBI 評價了寒溫帶典型山區(qū)河流——呼蘭河生態(tài)系統(tǒng)的健康，探討了影響呼蘭河流域生態(tài)健康的主要環(huán)境因子和面臨的主要威脅，為豐富我國高寒生態(tài)區(qū)山區(qū)河流健康評價指標的選擇提供了參考。通過調(diào)查呼蘭河環(huán)境和底棲生物群落結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了呼蘭河B-IBI 評價體系，得到如下結(jié)論：以毛翅目分類單元數(shù)、EPT 分類單位數(shù)、EPT 個體相對豐度、耐污類群分類單元數(shù)、BI 指數(shù)和刮食者個體相對豐度6 個指標構(gòu)成的B-IBI 評價指標體，比值法健康評價標準值為4.42，流域“健康”點位占17.9%，“亞健康”點位占14.3%，“一般”及以下等級的點位占67.9%，調(diào)查點位B-IBI 均值2.75，河流整體健康狀態(tài)一般；影響呼蘭河生態(tài)系統(tǒng)健康的最主要因素是水環(huán)境污染，水質(zhì)參數(shù)、B-IBI和土地利用之間的相關(guān)性分析表明，呼蘭河流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市化是威脅呼蘭河生態(tài)系統(tǒng)健康的最主要因素。