基于大型底栖动物完整性指数的海河流域典型水库水生态健康评价.pdf

生态环境学报 2023,32(8):1457-1464 http:/ Ecology and Environmental Sciences E-mail: 基金项目：国家环境监测网络建设与运行（144049002000190003）作者简介：梁舒汀（1993 年生），女，工程师，主要从事流域海域生态环境监测与评价等相关工作。E-mail:*通讯作者：孔凡青。E-mail: 收稿日期：2022-08-07 基于大型底栖动物完整性指数的海河流域典型水库 水生态健康评价 梁舒汀1，王菲2，吴丹2，赵燕楚1，孔凡青1*1.生态环境部海河流域北海海域生态环境监督管理局生态环境监测与科学研究中心，天津 300170；2.河北省生态环境监测中心，河北 石家庄 050037 摘要：为了解海河流域典型供水型水库的水生态健康状况，于 2021 年 46 月对流域 14 座典型水库的大型底栖动物进行了调查，构建并应用大型底栖动物完整性指数（Benthic Index of Biotic Integrity，B-IBI）对水库的水生态健康状况进行评价。调查共采集到大型底栖动物 56 个分类单元，包括节肢动物门 40 种，其中昆虫纲 35 种，占据明显优势；此外，软体动物门8 种，环节动物门 7 种，扁形动物门 1 种。从大型底栖动物的耐污值（Tolerance Value，TV）看，TV3 的敏感类群 12 种，占 21.4%；TV7 的耐污类群所 21 种，占 37.5%。调查中出现频率最高的 3 个物种分别为椭圆萝卜螺（Radix swinhoei，出现频率为 78.6%）、环足摇蚊属一种（Cricotopus sp.，64.3%）和摇蚊属一种（Chironomus sp.，64.3%），3 个种均为耐污值较高的种类。选择分类单元数、主要类群的相对丰度、耐污能力和功能摄食群等四大类合计 25 个指标作为构建大型底栖动物完整性指数的候选指标，经分布范围检验、判别能力分析和 Pearson 相关性分析，最终确定总分类单元数、EPT 类群数量百分比、Hilsenhoff 生物指数和滤食者数量等 4 个指数为构成海河流域典型水库大型底栖动物完整性指数评价的核心指数。结果显示，海河流域的 14 座典型水源型水库中，约 1/3 水库的水生态状况为健康状态，2/3 为亚健康、一般和差的状态，且整体呈现山区水库水生态状况优于平原水库。基于大型底栖动物完整性指数对海河流域的典型水库的水生态状况进行评价，弥补了仅使用单一生物评价指数的不足。该研究所形成的评价结果对进一步掌握海河流域水库的水生态状况及其保护修复提供数据参考和技术支撑。关键词：海河流域；水库；大型底栖动物；水生态健康评价；B-IBI 指数 DOI:10.16258/ki.1674-5906.2023.08.011 中图分类号：X171.5;X826 文献标志码：A 文章编号：1674-5906（2023）08-1457-08 引用格式：梁舒汀,王菲,吴丹,赵燕楚,孔凡青,2023.基于大型底栖动物完整性指数的海河流域典型水库水生态健康评价J.生态环境学报,32(8):1457-1464.LIANG Shuting,WANG Fei,WU Dan,ZHAO Yanchu,KONG Fanqing,2023.Ecological health assessment of reservoirs based on macrobenthic index of biotic integrity in Haihe basin J.Ecology and Environmental Sciences,32(8):1457-1464.大型底栖动物是水生生物的重要类群，因其种类多，活动场所相对固定，生活周期长，对干扰反应敏感，成为水生态环境评价中理想的指示生物。生物完整性指数（Index of Biotic Integrity，IBI）采用多个生物参数综合反应水体的生物学状况，进而对水体的健康状况进行评价。Karr（1981）首先以鱼类为研究对象建立生物完整性指数，并对北美河流的生态系统进行健康评价。大型底栖动物处于水生生态食物链的中间环节，其种群生命活动直接影响生态系统的能量处理效率，对河流生态系统的能量流动和物质循环具有重要作用。同时，大型底栖动物普遍存在于河流之中，体型较大，易于采集和鉴定，且迁徙能力较弱，活动场所相对固定，因此底栖动物种群变化可用于表征较长时间尺度内河流生态条件的时空变化信息。不同种属群落对于生态环境变化的敏感性具有差异，对生态环境变化有良好的指示作用（Barbour et al.，1996；吉冰静等，2022）。继 Kerans et al.（1994）提出了基于大型底栖动物的完整性指数（B-IBI），该指标已成为目前应用最广泛的水生态评价指标之一，并被英国、加拿大、澳大利亚和南非等国家应用（Schofield et al.，1996；Karr，1999；Ladson et al.，1999；Baina et al.，2000；Brizga et al.，2000；Doldec et al.，2010；Ely et al.，2016）。在中国，大型底栖动物完整性1458 生态环境学报 第 32 卷第 8 期（2023 年 8 月）指数也逐步在河流、湿地、水库等水体的水生态状况评价中得到应用（池仕运等，2012；张方辉等，2019；刘曼红等，2019）。海河流域是全国水资源量最为短缺的流域，已建成水库 1878 座，其中大、中、小型水库分别为34、137 和 1707 座。水库作为重要的水利工程，在水资源调蓄和饮用水供给方面发挥着举足轻重的作用，其水生态环境质量愈来愈受到重视。近年来，针对海河流域河流、湿地的大型底栖动物完整性指数的研究已有若干成果（徐梦佳等，2012；孔凡青等，2018；慕林青等，2018）。本研究基于海河流域 14 座典型水库的实际情况，构建以大型底栖动物为研究对象的生物完整性指数评价指标体系与健康评价标准，并以此为工具对典型水库的水生态环境质量进行评价，以期为掌握流域典型水库的生态环境状况，及其保护和修复等决策相关提供参考。1 材料与方法 1.1 研究区概况 海河流域地处华北地区，位于 112120E，3543N 之间，西以山西高原与黄河流域为界，北以内蒙古高原与内陆河流域为邻，南界黄河，东临渤海。全流域包括海河、滦河和徒骇马颊河 3 大水系、7 大河系、10 条骨干河流。本研究选择的海河流域 14 座典型水库，基本覆盖了海河流域的主要河系，控制流域面积约 13 万平方千米，占海河流域总面积的 40%以上。根据傅伯杰等（2001）关于中国生态区划的相关成果，本研究所涉及的区域属于东部湿润、半湿润生态大区中的暖温带湿润、半湿润落叶阔叶林生态地区。海河流域 14 座水库的分布情况及其基本信息如图 1 和表 1 所示。1.2 样品采集与处理 2018年46月完成了本研究所涉及的14个水库样品的定量采集。根据水库水体的代表性，分别 图1 海河流域14座典型水库分布情况 Figure 1 Distribution of 14 typical reservoirs in Haihe Basin 梁舒汀等：基于大型底栖动物完整性指数的海河流域典型水库水生态健康评价 1459 于各水库的入库、库心和坝前位置采用采样面积为0.0625 m2的彼得森采泥器采集底质样品，每一采样位置采集 3 次。所采集的样品经过 40 目（孔径0.425 mm）尼龙筛网现场筛洗后带回实验室，置于白色瓷盘中，将所有大型底栖动物逐一挑出，并用7%福尔马林溶液固定保存。底栖动物的鉴定在解剖镜和显微镜下进行。每个采样点所采到的底栖动物按不同种类准确地统计数量，用滤纸吸去表面固定液后用电子天平称重。根据每个样点的采样面积换算出各样点单位面积大型底栖动物各分类单元的密度（indm2）和生物量（gm2）。分布范围分析、箱线图分析等相关统计分析在SPSS 19.0 和 Excel 2010 中完成。1.3 数据处理方法 1.3.1 参照型水库的确定 Blockson et al.（2002）等按照样点所受干扰程度的大小将其分为无干扰样点、干扰极小样点和干扰样点。海河流域内人口密集，在我国政治经济发展中地位重要，流域内有首都北京、直辖市天津，以及石家庄、唐山等 25 座大中城市，严格意义上的无干扰样点包括水库几乎不存在。本研究参照点的选取参照 Barbour et al.（1996）中的相关要求。基于本研究涉及的 14 座水库的实际情况，主要位于流域的山地、高原区。在参照型水库确定过程中，主要考虑水库水质和周边土地利用等人工干扰状况。对设有水质监测站的水库选择水质站的水质数据，对未设水质站的水库按照水库库心水质数据，参照地表水环境质量标准（GB 38382002）对水质常年维持在类标准及以上，周边 1 km 内无密集农田、建筑和工业用地进行判断，选定友谊水库（R1）、安各庄水库（R5）、西大洋水库（R6）、王快水库（R7）、漳泽水库（R11）和盘石头水库（R12）等作为参考型水库，其余 8 座水库作为受损型水库，如表 1 所示。1.3.2 B-IBI备选生物指数的选取 用于构建 B-IBI 指标体系的大型底栖动物指标除生物学意义清晰，计算简便外，其对环境因子的变化响应敏感（孔凡青等，2018）。为准确反映环境因素变化对目标生物（包括个体、种群等）数量、结构和功能的影响，客观有效地评价研究区域水生态状况，本研究结合海河流域水库的实际情况，选取 4 个大类共计 25 个参数作为备选指标进行 B-IBI评价体系的构建，其中 4 大类包括分类单元数（Number of taxa）、主要类群的相对丰度（Relative abundance）、耐污能力（Tolerant and intolerant）和功能摄食群（Functional feeding group），如表 2所示。其中，大型底栖动物耐污值及 BI 指数计算主要参照王备新等（2004）对我国东部大型底栖动物耐污值研究的相关成果。表1 海河流域14座典型水库基本信息 Table 1 Basic information of 14 typical reservoirs in Haihe Basin 编号 水库名称 所在水系 所在省市 水库类型 R1 友谊水库 永定河系 内蒙古自治区、河北省 参照型 R2 官厅水库 永定河系 北京市、河北省 受损型 R3 册田水库 永定河系 山西省 受损型 R4 东榆林水库 永定河系 山西省 受损型 R5 安格庄水库 大清河系 河北省 参照型 R6 西大洋水库 大清河系 河北省 参照型 R7 王快水库 大清河系 河北省 参照型 R8 岗南水库 子牙河系 河北省 受损型 R9 黄壁庄水库 子牙河系 河北省 受损型 R10 岳城水库 漳卫河系 河北省 受损型 R11 漳泽水库 漳卫河系 山西省 参照型 R12 盘石头水库 漳卫河系 河南省 参照型 R13 潘大水库 滦河水系 河北省 受损型 R14 于桥水库 北三河系 天津市 受损型 表2 备选生物指标及其对干扰的反应 Table 2 Candidate metrics and their expected direction of response to disturbance 序号 参数类型 参数 对干扰的反应 M1 分类单元数 总分类单元数 下降 M2 水生昆虫分类单元数 下降 M3 摇蚊类分类单元数 可变 M4 EPT 类群分类单元数 下降 M5 环节类和软体类分类单元数 下降 M6 甲壳类和软体类分类单元数 下降 M7 相对丰度 摇蚊类百分比 下降 M8 寡毛类百分比 上升 M9 甲壳类和软体类百分比 下降 M10 环节类和软体类百分比 下降 M11 EPT 类群百分比 下降 M12 优势类群百分比 上升 M13 前三位优势类群百分比 上升 M14 耐污能力 敏感类群分类单元数 下降 M15 耐污类群分类单元数 上升 M16 敏感类群所占百分比 下降 M17 耐污类群所占百分比 上升 M18 敏感类群密度 下降 M19 耐污类群密度 上升 M20 Hilsenhoff 生物指数(HBI)上升 M21 功能摄食群 捕食者分类单元数 可变 M22 滤食者分类单元数 可变 M23 集食者分类单元数 下降 M24 滤食者百分比 可变 M25 集食者百分比 下降 EPT类群：蜉蝣目（Ephemeroptera）、襀翅目（Plecoptera）和毛翅目（Trichoptera）3个类群之和的简称 1460 生态环境学报 第 32 卷第 8 期（2023 年 8 月）1.3.3 判别能力分析 计算备选生物指标在 6 个参照型水库和 8 个受损型水库中的数值分布，包括最小值、25%分位数值、中位数值、75%分位数值和最大值，数值太小以及分布范围太小或太大的指数不适宜参与构建B-IBI 评价体系，予以剔除。对剩余生物指标分别绘制箱体图，根据箱体的重叠情况，对 IQ（Inter quartile）赋予不同的值，如无重叠，IQ=3；部分重叠，但各自中位数值都在对方箱体范围之外，IQ=2；仅一个中位数值在对方箱体范围之内，IQ=1；各自中位数值都在对方箱体范围之内，IQ=0。对 IQ2的指数进行进一步分析。1.3.4 记分标准的建立 对生物学指数进行记分的目的是统一评价量纲，目前有多种方法可对生物学指数进行记分，常用的有 3 分制法、4 分制法和比值法。王备新等（2005）比较了 3 分制、4 分制和比值法对评价结果准确性的影响,表明用比值法统一各参数量纲并依据所有样点的 B-IBI 值建立的健康评价标准的准确性优于 3 分制和 4 分制法。本研究采用比值法（Blockson et al.，2002）对生物学指数记分。2 结果与分析 2.1 14个水库大型底栖动物群落结构特征 海河流域 14 个水库共采集到大型底栖动物数量为 3058 个，分别属于 8 门 56 个类群，其中节肢动物门（Arthropoda）40 种，软体动物门（Mollusca）8 种，环节动物门（Annelida）7 种，扁形动物门（Platyhelminthes）1 种。节肢动物门中，昆虫纲（Insecta）35 种，占据明显优势。整体可以看出，海河流域 14 座水库的大型底栖生物物种丰富度和多样性较高。耐污值（Tolerance Value，TV）是指生物在时间和空间上对环境压力的耐受性，反映了生物在环境压力干扰下其生存和繁殖相对能力的高低。在水生态学领域，耐污值主要应用于大型底栖动物监测评价体系，研究者发现不同地理区域大型底栖动物耐污值存在差异（赵瑞等，2015）。海河流域主要位于我国东部，本研究中涉及的底栖动物类群的耐污值采用王备新等（2004）的相关研究结果。本研究涉及的 56 个大型底栖动物类群中，TV3 的敏感类群 12 种，所占百分比为 21.4%，TV7 的耐污类群 21 种，占比为 37.5%。从类群出现频率看，出现频率最高的 3 个类群分别为椭圆萝卜螺（Radix swinhoei，78.6%）、环足摇蚊属一种（Cricotopus sp.，64.3%）和摇蚊属一种（Chironomus sp.，64.3%），3 个物种均为耐污值较高的种类。2.2 分布范围及相关性分析 对 25 个备选生物指标的分布范围进行分析，结果如表 3 所示。基于 SPSS 19.0 统计分析软件，对 IQ2 的指数进行 Pearson 相关性分析，当两个指数间的相关系数 r0.75，表明两个指数间所反应信息大部份是重叠的，选其中一个指标即可。根据相关系数，考虑指数重要性，即指数的代表性及所包含的大型底栖动物信息量，最终确定海河流域 14座水库B-IBI 的指数包括总分类单元数（Total taxa，M1）、EPT 分类单元百分比（EPT taxa%，M11）、BI 指数（Botic Index，M20）和滤食者分类单元数（Filterer，M22）4 个指标。备选生物指标在参照型水库和受损型水库的箱线图如图 2 所示。根据各参数值在所有样点中的分布，确定计算各参数分值的比值法计算公式（表 4），并依此计算各样点的指数分值，要求计算后分值的分布范围为 01，若大于 1，则记为 1。按照参照点 B-IBI 值分布的 25%分位数法进行指标体系的最终划分，如果样点的 B-IBI 值大于等表3 25个生物指数值在参照点的分布情况 Table 3 Distribution of metrics in reference sites 指标及编号 最小值 25%分位数 中位数 75%分位数 最大值 平均值 M1 13.00 13.50 15.50 17.50 19.00 15.67 M2 8.00 8.00 8.00 8.75 13.00 9.00 M3 3.00 3.25 4.00 4.00 8.00 4.33 M4 1.00 2.00 2.00 2.00 3.00 2.00 M5 0.47 2.69 9.57 17.05 24.94 10.75 M6 1.00 2.00 2.00 3.50 7.00 3.00 M7 3.00 4.00 4.50 5.75 6.00 4.67 M8 9.00 51.50 53.50 65.25 69.00 50.83 M9 9.00 53.25 61.50 69.00 105.00 59.83 M10 0.14 0.16 0.24 0.30 0.33 0.23 M11 0.12 0.28 0.31 0.38 0.41 0.30 M12 0.41 0.44 0.52 0.58 0.65 0.52 M13 0.07 0.14 0.31 0.49 0.60 0.32 M14 0.08 0.21 0.33 0.37 0.60 0.32 M15 0.13 0.19 0.24 0.31 0.35 0.24 M16 24.00 30.00 42.00 53.25 62.00 42.17 M17 20.00 27.75 45.00 73.50 114.00 54.83 M18 0.11 0.13 0.15 0.24 0.35 0.19 M19 0.19 0.22 0.23 0.23 0.28 0.23 M20 4.87 5.28 5.53 6.27 6.54 5.70 M21 3.00 3.00 3.50 4.00 4.00 3.50 M22 5.00 5.25 6.50 7.00 9.00 6.50 M23 0.00 0.25 2.00 3.75 4.00 2.00 M24 0.26 0.33 0.44 0.57 0.62 0.44 M25 0.00 0.00 0.15 0.36 0.42 0.18 梁舒汀等：基于大型底栖动物完整性指数的海河流域典型水库水生态健康评价 1461 于 25%分位数值，则表示该样点受到的干扰很小，是健康的。小于 25%分位数值的分布范围，根据需要可以 4 等分，分别代表不同的健康程度，最终确定海河流域 14 座水库大型底栖动物完整性评价标准（表 5）。2.3 14个水库生态健康状况评价结果 海河流域 14 个水库底栖生物完整性评价结果表明，采样点中 35.7%为健康，21.4%为亚健康，35.7%为一般，7.1%为差（表 6）。表5 海河流域14座水库大型底栖动物完整性评价标准 Table 5 The criteria of benthic-index of biotic integrity of 14 reservoirs in Haihe Basin 健康 亚健康 一般 差 很差 2.96 2.222.96 1.482.22 0.741.48 2.96,sub-health when B-IBI=2.222.96,fair when B-IBI=1.482.22,poor when B-IBI=0.741.48,and very poor when B-IBI0.74.Assessment results using B-IBI showed that of all the reservoirs,1/3 were in a healthy status,and 2/3 were in a sub-health,general or poor condition.The evaluation of the ecological status of typical reservoirs in the Haihe River Basin based on the Index of Biotic Integrity compensates for the shortcomings of using only a single biological evaluation index.The evaluation results from this study provide data reference and technical support for further understanding the water ecological status and protection and restoration of reservoirs in the Haihe River Basin.Keywords:Haihe Basin,reservoir,benthic macro-invertebrates,ecological health assessment,benthic index of biotic integrity