基于大型底栖动物完整性指数...中上游水生生态系统健康评价_展洋.pdf

第 43 卷 第 2 期2023 年 3 月中国沙漠JOURNAL OF DESERT RESEARCHVol.43 No.2Mar.2023展洋，汪双，陈吉平，等.基于大型底栖动物完整性指数的黑河中上游水生生态系统健康评价 J.中国沙漠，2023，43（2）：271-280.基于大型底栖动物完整性指数的黑河中上游水生生态系统健康评价展洋1，汪双2a，陈吉平3，王昱2ab，王昱鹏4（1.甘肃省水利厅 水利工程建设造价与规费管理中心，甘肃 兰州 730046；2.兰州理工大学 a.能源与动力工程学院，b.甘肃省生物质能与太阳能互补供能系统重点实验室，甘肃 兰州 730050；3.甘肃省水文站，甘肃 兰州 730000；4.酒泉市肃州区洪临灌区临水水利管理所，甘肃 酒泉 735000）摘要：为探究中国高寒内陆河流的健康状况，多年在黑河上中游采集大型底栖动物和水样样品，采用生物参数分布范围分析、生物判别能力分析以及相关性分析的方法，构建了由总分类单元数、水生昆虫分类单元数、前三位优势分类单元、捕食者%、敏感类群%及耐污类群%组成的黑河大型底栖动物完整性指数（B-IBI）评价体系。结果表明：（1）基于比值法得到黑河河流健康评价等级：B-IBI 3.28为健康，2.46B-IBI3.28为良好，1.64B-IBI2.46为一般，0.82B-IBI1.64为较差，B-IBI0.02为优势物种。1.5B-IBI评价体系的构建1.5.1备选生物指数的选取根据河流大型底栖动物的食性类型，参照Cummins等26和Bode等27的划分规则，将黑河上中游大型底栖动物分为5个功能摄食类群（FFGs，表1）。参照文献 28-29，并结合黑河采样实际情况，选取干扰越强反应越敏感的5个大类别，包括反映物种群落丰富度、物种个体数量比例、物种敏感性和耐污性、营养层级以及小生境质量等共计19个参数进行 B-IBI评价体系的构建，具体生物参数分别为总分类单元数、EPT分类单元数、摇蚊分类单元数、水生昆虫分类单元数、软体动物和甲壳动物%、双翅目%、毛翅目%、蜉蝣目%、襀翅目%、优势分类单元%、前三位优势分类单元%、撕食者%、刮食图1黑河采样点分布示意图Fig.1Distribution diagram of sampling points in Heihe River273中国沙漠第 43 卷者%、滤食者%、集食者%、捕食者%、敏感类群%、耐污类群%、黏附者%。1.5.2筛选生物参数分布范围分析。计算候选生物参数在参照点中 25%75%分位数的数值范围，在大于 95%的采样点中出现的频率都是零、随干扰增强而数值太小或太大以及标准差过大的生物指数均不能参与构建B-IBI评价体系，予以剔除30。判别能力分析。对剔除后剩余参数在参照点和受损点的25%75%分位数分布范围做箱体图进行判别能力分析（IQ），并根据箱体的重叠情况对IQ赋予相应的值：无重叠，则IQ=3；部分重叠，但各自中位数值都在对方箱体范围之外，则IQ=2；仅一个中位数值在对方箱体范围之内，则IQ=1；各自中位数值都在对方箱体范围之内，则IQ=0。其中，IQ2的参数才能作进一步分析31。相关性分析。对IQ2的参数作相关性分析，其中呈正态分布的参数选用Pearson相关性分析，不呈正态分布的用Spearman相关性分析。当两个指数之间显著相关时，则表明两参数所反映的信息大部分是重叠的，二者选其一即可32。1.5.3构建记分标准目前国内外使用最为广泛的参数计分方法为比值法。对于干扰越强，指数值越低的参数，各指数值的分值等于指数值/最佳期望值；对于干扰越强，指数值越高的参数，其分值等于（最大值-指数值）/（最大值-最佳期望值）。前者以95%分位数值为最佳值，后者则以5%分位数值为最佳值。按照上述方法计算后的分值范围为 01，若大于 1，则记为133。1.5.4确定B-IBI体系评价标准将各参数的分值进行加和得到 B-IBI 的指数值。以参照点B-IBI值分布的25%分位数作为健康评价的标准，如果样点的B-IBI值大于25%分位数值，则表示该样点受到的影响很小，是健康的；对小于25%分位数值的分布范围，进行4等分，分别代表不同的健康程度。据上述方法，就可以确定出健康、良好、一般、较差和极差5个等级的划分标准34。B-IBI值越小，表示河流健康状况越差。1.6BI指数BI 指数（Biotic Index）是目前美国环境保护署EPA建议使用最多的一种水质生物评价指数，其方法是根据大型底栖动物耐污能力的不同，通过计算耐污值进而对水质进行评价35，目前在中国也成功通过多次验证，能够从水质方面有效地反映河流的健康状况36。BI=i=1NnitiN式中：N为样本个体总数；ni为第i个分类单元的个体数；ti为第i个分类单元的耐污值。BI指数评价标准参照王备新37水质分级标准（表2）。2 结果与分析 2.1底栖动物群落结构调查期间在黑河中上游所有采样点中，一共鉴定出54种大型底栖动物，隶属于4门8纲18目36科（表3）。从整体上看，研究区域内底栖动物的类群中，节肢动物中的昆虫纲占总个体比重最多。黑河上、中游现阶段优势物种主要由节肢动物和软体动物两大类群组成，中游河段的优势物种与整个研究区域对比较为相似，上游支流河段优势物种均为节肢动物。此外，黑河上、中游大型底栖动物优势物种数量沿程变化趋势为中游河段上游河段（表4）。2.2判别能力分析所选生物参数中，M2、M5、M6、M7、M8、M9出现零值的频率过多，不适宜构建B-IBI评价体系，因此予以剔除。此外，生物参数M12、M19因其25%分位数、表1 黑河上中游大型底栖动物FFGs分类Table 1 Macroinvertebrate taxa with respect to their corresponding FFGs in the upper and middle reaches of Heihe River功能摄食类群(FFGs)滤食者(FC)收集者(GC)捕食者(PR)撕食者(SH)刮食者(SC)分类标准以水流中的细颗粒物为食以河底的各种有机物颗粒为食以捕食其他水生动物为食以各种凋零物和粗有机颗粒为食以各种营固着生活的生物类群为食表2基于BI指数的河流健康评价标准Table 2BI index evaluation criteria指数BI指数健康等级健康8.24274第 2 期展洋等：基于大型底栖动物完整性指数的黑河中上游水生生态系统健康评价中位数及75%分位数的值波动性不大，说明随着污染强度的增加，其值的可变动范围非常窄，其指示信息作用较低，无法准确地将受不同干扰程度的水体区分开来，不适宜构建B-IBI评价体系，也予以剔除。参数M15随干扰增强，指数值的波动范围很大，故也予以剔除，判别能力分析结果如图2所示。图中M14的两箱体图中，双方的中位数均在对方箱体图之内，故其IQ值为0；参数M3、M13的两箱体图中，仅有一个中位数在对方箱体之内，故二者IQ值均为1；M1、M10、M16、M17以及M18的两箱体图中部分重叠，但双方中位数值均在对方箱体之外，故IQ值均为2；M4、M11的两箱体图无重叠部分，因此二者IQ值均为3。选择 IQ 值大于等于 2 的生物参数进行相关性分析。2.3相关性分析对剩余7个参数进行K-S检验，结果表明7个生物参数均呈正态分布，采用Pearson相关性分析，结果如表5所示，可以看出M1与M10、M10与M11均显著相关（P3.28 为健康，2.46B-IBI3.28 为良好，1.64B-IBI2.46为一般，0.82B-IBI1.64为较差，B-IBI3.28良好2.463.28一般1.642.46较差0.821.64极差0.82表7黑河河流健康评价结果（基于B-IBI指数）Table 7Evaluation results of sampling points in Heihe River采样点上游支流段上游干流段中游段H1H2H3H4H5H6H7H8H9H10H11H12H13H14采样点性质受损点受损点参照点受损点受损点参照点受损点受损点参照点受损点受损点受损点参照点受损点B-IBI指数评价结果指数值1.882.462.532.473.174.253.224.054.082.973.262.263.542.74评价等级一般一般良好良好良好健康良好健康健康良好良好一般健康良好277中国沙漠第 43 卷张掖黑河湿地公园虽然地处人口活动密集地区，但近些年其生态环境保护较好，水生植物较为丰富，底栖动物多样性较高；B-IBI指数值最小的采样点是上游支流H1（鸳鸯花海大桥），值为1.88，是受损最为严重的采样点。究其原因可能是鸳鸯花海大桥处于黑河上游支流段，该河段处于高海拔地区，流量较小，季节性变化较大，河流底栖动物区系组成较简单，且上游的水电开发干扰强于中下游，受到筑坝截流影响，加之人类活动频繁干扰，因此生物完整性指数较低。上游干流段的两个采样点的健康评价结果均为一般，表明上游干流河段梯级电站的开发，导致底栖动物生存环境发生变化，使得其生物完整性指数评价等级较低。3.2底栖动物完整性指数评价体系在黑河的适用性对比BI指数和B-IBI评价体系的结果，在两种评价指数之中，采样点 H1、H2、H3、H4、H6、H7、H10、H11、H12、H14 的两种指数的评价结果相同，说明了两种评价结果的一致性。其余采样点健康等级评价结果表现出不一致，分别为采样点 H5、H8、H9、H13，其中采样点 H8、H9、H13位于人类活动较为复杂的中游河段，工农业和生活污水直接排放到河流，使得河流中氮、磷等浓度升高，水体富营养化，溶解氧被消耗，但该地区河流水体水温较高且无分层现象，使大量繁殖的浮游生物可以较为均匀地分布于水体中，为底栖动物的生存繁殖提供食物来源，从而使底栖动物种类逐渐增多，因此B-IBI体系的评价等级高于BI指数评价等级。然而，在采样点H5中两种指数表现出BI指数评价等级高于B-IBI评价等级，究其原因不难发现，这个采样点处在上游干流地区，该地区由于梯级电站的开发，使得库区生境和物种组成逐渐趋于单一化，生物完整性指数评价等级较低。BI指数和B-IBI评价体系的结果呈显著负相关（r=-0.679、P3.28为健康，2.46B-IBI3.28 为良好，1.64B-IBI2.46 为一般，0.82B-IBI1.64为较差，B-IBI上游干流上游支流。此外，由底栖动物完整性指数与水体各理化因子之间的相关性分析结果表明，黑河大型底栖动物完整性与水体温度、水体中氮、磷等营养物质以及水中溶解氧的相关性极大。参考文献：1朱卫红，曹光兰，李莹，等.图们江流域河流生态系统健康评价 J.生态学报，2014，34（14）：3969-3977.2王军，周琼，谢从新，等.基于大型底栖动物完整性指数的新疆额尔齐斯河健康评价 J.环境科学研究，2015，28（6）：959-966.3Karr J R.Assessment of biotic integrity using fish communitiesJ.Fisheries，1981，6（6）：21-27.4周天舒，张亚，唐文乔，等.基于鱼类完整性指数的黄浦江水生态系统评价 J.长江流域资源与环境，2016，25（6）：895-903.5薛浩，郑丙辉，孟凡生，等.基于着生硅藻指数的梧桐河水生态健康评价 J.生态毒理学报，2018，13（4）：83-90.6张亚，余宏昌，毕宝帅，等.基于鱼类生物完整性指数的上海苏州河水生态系统健康评价 J.中国环境监测，2021，37（6）：164-177.7吕立鑫，祝亚楠，隋海潮，等.基于浮游藻类生物完整性指数的永安河小流域健康评价 J.安徽农业科学，2021，49（1）：48-53.8赵文超，王立权，李铁男，等.蚂蚁河上游大型底栖动物生物完整性指数构建与健康评价 J.水利科学与寒区工程，2021，4（3）：84-88.9王勤花，尉永平，张志强，等.干旱半干旱地区河流健康评价指标研究分析 J