应用底栖动物完整性指数评价济南市水生态健康状况

张 欣,徐宗学,刘麟菲,窦同文,赵长森,王博涵

(1.大连海洋大学水产与生命学院,辽宁 大连 116023; 2.大连海洋大学辽宁省水生生物学重点实验室,辽宁 大连 116023; 3.北京师范大学水科学研究院,北京 100875; 4.北京师范大学水沙科学教育部重点实验室,北京 100875;5.济南市水文局,山东 济南 250000; 6.北京师范大学地理与遥感科学学院,北京 100875)

评估水生态健康是有效保护、合理利用河流资源的前提。城市化和工业化的快速进程导致水生态系统受到严重威胁,水生态系统承受越来越大的压力,水源枯竭、水体污染和富营养化及河道断流等问题频频出现[1]。如何运用有效的方法评价河流健康成为亟待解决的关键问题。

生物监测方法已经广泛用于水生态健康评价[2]。与化学或物理监测相比,生物群落结构特征能直接体现出水体中各种化学、物理、生物因子的综合作用,更好地反映水生态健康状况[3]。在水生态系统健康评价中,采用生物完整性指数(index of biotic integrity, IBI)评价水生态健康状况是目前应用较为广泛的方法[4]。不同生物类群在河流生态系统中具有特殊的位置与生态功能,在一定程度上可指示生态系统变化[5]。近年来,以底栖动物完整性指数评价河流生态健康普遍得到业界人士认可[6-8]。但底栖动物完整性指数(benthic integrated biotic index,B-IBI)在以城市为对象的水库、湖泊等静水生态系统中研究较少。其原因是:一方面,城市是一个高度管理的系统,行政区内按水体功能分饮用水源区、自然景观区、农业灌溉区等。复杂的水体功能体系和强烈的人类干扰致使构建B-IBI过程中在参照点确立和评价指标筛选上难度增大;另一面,水库大多位于河流上游区,参照点系统受干扰最小样点难以确定，底栖动物采样困难大[9]。熊春晖等[10]采用“百分比模相似性(PMA)指数不小于50;水质综合指数在Ⅲ类标准以上”确定参照点,该方法在以河流为样点确定参照点上有一定科学性,但以水库为样点存在缺陷。其原因是水库水体较深,底栖动物种类及数量较小且由于水库受人类保护,水质相对较好。池仕运等[11]采用多元统计、探查水库系统中潜在环境梯度的方法来确立参照点。该方法对今后国内水库系统健康评价具有较好参考价值。

河、库水生态功能类型不同,对其进行生态健康评价标准也不同。本研究目的是明确城市河、库参照点系统的确定方法,结合2014年河、库共48个采样点的生物和水质环境等数据,构建适合济南今后一段时期内应用的底栖动物完整性指数,为济南市水生态系统健康评价、管理及生态修复提供技术依据。

1 研究方法

1.1 研究区概况

济南市为全国首家水生态文明建设试点城市,位于泰山北麓,地势南高北低,区域海拔在-66～957 m之间。地处中纬度地带,属半湿润季风型气候,四季分明,春季干旱少雨,夏季温热多雨。年均气温14.3℃,最高月均气温发生在6月份,为26.8～27.4℃,最低月均温在1月份,其温度范围是-3.2～-1.4℃[12]。境内3大水系分别为黄河水系、徒骇马颊河水系和小清河水系,集水面积分别为2 778 km2、2 400 km2、2 792 km2。近年来,随着城市化和工业化速度加快,济南市水资源不足和水污染问题不仅降低了水体的使用功能,还将严重威胁到城市居民的饮水安全和身体健康。

1.2 样品采集及数据的获取

图1 济南市调查样点分布

于2014年5—6月对济南市36个河流监测点及12个水库监测点进行水质和底栖动物调查,济南市调查样点分布见图1。采用改良索伯网(35 cm×45 cm)在河流浅滩处进行定量采集。对于较深河流或水库样点采用改良的彼得逊采泥器,每个样点采集2次底泥。采泥器在样点中采得的样品为底栖动物与底泥、腐屑等混合体,采用孔径为40目的金属筛对混合体进行筛选,最后将筛洗后样品放入白瓷盘中并挑出样本于25 mL塑料瓶中,用95%的医用酒精对样品进行保存。所有样本带回实验室进行鉴定、计数与称量,样本尽量鉴定到种[13-14]。

栖息地质量评价采用栖息地环境质量评价指标(qualitative habitat evaluation index, QHEI),确定10个指标(栖境复杂性、底质类型比、流速和水深、堤岸稳定性、渠道化程度、河水水量变化、植被多样性、水质状况、人类活动强度、河岸土壤利用类型),每项20分,共200分,分为4个等级(健康、较好、一般和较差),分数越高代表栖息地环境质量越好。栖息地评分由同一人调查完成,以消除由于人为误差导致评价结果的不一致。评价指标判定标准详见文献[15]。

1.3 B-IBI体系的构建

1.3.1 参照点的确定及候选指标筛选

底栖动物易受外界影响导致其群落结构波动较大。筑坝蓄水能改变流域水文特征使水库中底栖动物群落发生改变[16],使得底栖动物多样性较河流区单一,因而水库区和河流区健康状态在本质上是不同的。鉴于此,本文结合济南市河流和水库生态环境特点并借鉴已有研究成果[11,16],分别对河流型和水库型样点建立B-IBI指标体系。

参照点和受损点筛选是建立B-IBI指数的基础。水库不存在由于剧烈的人为影响对整个水库生态系统造成难以及持久、不可逆转的胁迫,因此采用专家判断法难以确定参照点。本文采用多元统计分析方法—极点排序(bray-curtisordination)探查水生态系统中的环境梯度,根据各样点在排序轴上得分,确定水库型参照点[11]。对于河流型样点,由于济南市人口密集,找到干扰点小或无干扰点较困难，因此,结合已有研究和实际情况,确立了参考点的两个原则[17]:①栖息地评价分数在110分以上,且河岸缓冲带土地利用无农田;②水质综合标准在Ⅲ类标准以上。

根据此次调查内容及IBI应用较为成熟的指标,共选择了28个候选指标[18-20](表1),力求尽可能反映环境变化对底栖动物(群落丰富度、耐受能力、营养级组成、多样性等)的影响,从而能够有效地监测和评价水环境质量。

采用箱线图分析上述候选指标在参考点和受损点间的分布情况。根据Barbour等[21]的评价法,比较参考点和受损点25%～75%分位数的重叠情况,并分别赋值。本研究只对IQ(判别能力)不小于2的指标作进一步分析。

表1 构建B-IBI指标体系的生物参数

对保留下来的指标进行相关性分析。分析前对指标进行正态分布检验,对于符合标准的进行Pearson相关性分析。若相关系数R<0.7则通过检验;若R>0.7,则两个指标之间存在冗余信息,需要选择其中之一作为候选指标。数据处理在SPSS 17.0软件和Excel 2007中进行。

1.3.2 评价参数标准化及评价标准

目前IBI研究中应用较多的方法包括:连续赋值法,1、3、5赋值法及比值法。本文选择最常用的比值法,其中各参数的标准化模式分为两种情况。

a. 对于随着干扰强度增大,数值变小的指标,其标准化指数方法为

Pm=Om/S0.95

(1)

式中:Pm与Om分别为第m个指标标准化指数与原始观测值;S0.95为第m样点中的95%分位值。

b. 对于随着干扰强度增大,数值增大的指标,其标准化指数方法为

Pm=(Xmax-Om)/(Xmax-S0.05)

(2)

式中:Xmax为第m个样点的最大生物值;S0.05为第m个样点中第5%分位值。

目前大多采用美国环保署推荐的方法,以参照点IBI值的25%分位值作为生态健康的阈值。由于本次研究的水库型点位数量较少,为克服样点群规模过小带来精度过低的问题,采用所有水库样点IBI分值的95%分位值作为最佳期望值,以便剔除极端值[22]。最终分别以河流样点和水库样点IBI值的25%和95%分位值为最佳值进行4等分,确定济南市B-IBI体系的评价标准,分别为健康、亚健康、一般、较差和极差5个等级。

2 结果与分析

在研究区内共采到底栖动物35种,隶属于3门6纲14科。节肢动物门2纲6科18种,占总种数的51%。其中昆虫纲15种,软甲纲3种;软体动物门2纲7科12种,占总种数的34%;环节动物门2纲3科5种,占总种数的15%。

图3 河流样点候选生物参数在参考点和受损点的箱线

2.1 参照点和受损点群的确立

根据12个水库型样点底栖动物数据构建矩阵,采用PC-ORD4.0软件进行极点排序(图2)。结果表明轴1较为真实地反映了环境梯度,这是因为其样点在轴1排序轴分值越低,物种组成越以耐污种为主,组成物种多样性越偏低。以所有样点轴1排序分值的95%分位值为基点确定参考点位和受损点位,若样点的B-IBI值大于95%,则作为参考点位,其他点位作为受损点位。经统计,95%分位值为

图2 底栖动物数据极点排序结果

0.9192。根据此标准共筛选出3个参照点分别为J4、J9、J15,其余9个点位为受损点位。36个河流点位则通过栖息地评分及水质级别的原则共选取了4个样点作为参照点,分别为J1、J3、J16、J45,其余点位作为受损点。

2.2 B-IBI评价体系

根据IQ评定方法,对候选指标进行箱型图分析,如图3、图4所示。图3、图4表明河流点位的生物参数M3、M13、M15、M16、M18、M24、M25、M27、M28,水库点位生物参数M3、M5、M11、M25、M28这些生物参数符合IQ值大于2的标准,进入下一步分析。

对剩余的9个生物参数进行正态性检验,结果表明符合正态分布,通过Pearson相关性分析结果如表2所示。指标M28与M16、M18、M25存在较强相关性,表明参数间包含冗余信息,选择其一即可。M28基于底栖动物敏感值的计算,是表示清洁种的重要指数,能较好地反映水体的健康状况[23],故保留M28。M27与M24具有强相关性,M27不仅能反映群落耐污特征,也能反映不同耐污类群的丰度,故予以保留。M3与M15呈显著相关,因M3能较好反映群落丰富度,故保留M3指标。根据以上筛选原则,选择M3、M13、M27、M28个参数参与评价河流B-IBI指标体系。

同理,水库样点中对保留下的5个生物参数进行Pearson相关分析(表3)。M3与M28、M5与M11、M25与M28之间具有显著关系。M3能反映清洁种群落丰富度,保留M3。而M25包含信息较多且在国内外研究中属常用指标,予以保留。由于水库出现种类数相对河流较为单一,而M5能反映群落丰度。经以上筛选,最终选择水生昆虫分类单元数M3、优势分类单元数M5和反映多样性M25这3个参数作为水库系统B-IBI指标体系。

图4 水库样点候选参数在参照点和干扰点的箱线

项目M3M13M15M16M18M24M25M27M28M31M130.357*1M150.710**-0.0491M160.446*0.1260.692**1M180.396*-0.2580.630**0.834**1M24-0.0240.130-0.0490.0170.1841M250.2900.0680.0740.323*0.421**0.597**1M270.201-0.0420.2320.341*0.438**0.824**0.615**1M280.341*0.0580.342*0.792**0.725**0.443**0.752**0.467**1

注：**为在0.01水平(双侧)显著相关;*为在0.05水平(双测)显著相关。

表3 水库样点5个生物参数间Pearson相关分析

注：**为在0.01水平(双侧)显著相关;*为在0.05水平(双测)显著相关。

表5 生物参数与物理-化学环境因子相关性分析

2.3 核心指标与环境因子关系

根据各生物指数在所有样点的分布,采用比值法计算公式(表4),计算各样点B-IBI值。

表4 比值法计算各参数分值的计算公式

注：Z为参数值。

水体理化性质及周边土地利用类型不仅是水生态系统的重要组成部分,也是水生物生存环境的重要反映,直接影响着河流水生物的群落结构特征。将通过筛选并计算得出的生物指标与环境要素进行相关分析,结果见表5。各生物指标与环境因子大多存在显著相关关系,表明这些环境因子作为河流周边环境要素,对底栖动物群落特征有重要影响。其中城建用地百分比与M3(r>0.65,p<0.05)、M27(r>0.57,p<0.05)具有较强负相关性,林地百分比与M25(r>0.58,p<0.05)、M27(r>0.56,p<0.05)具有较强正相关性。以上说明土地利用类型可通过影响栖息地质量、营养物浓度、底质类型对底栖动物群落结构产生影响。氮元素作为水环境质量关键指标,其浓度值与所有生物指标(r>0.5,p<0.05)具有显著相关性,这与之前研究[24]结论一致。TP、BOD浓度也均与部分生物指标存在显著相关，表明所选生物参数对人类活动影响下的环境因子具有较强敏感响应。

2.4 确定健康等级阈值

将计算后的指数分值加和,即得到B-IBI指数值。河流区和水库区分别用参照点的25%和95%分位值作为健康阈值,得出河流区和水库区健康阈值分别为2.80和2.06,大于该值样点均为健康状态,小于该值分布范围进行4等分,得到B-IBI的评价标准(表6)。

表6 河流样点和水库样点B-IBI指标 体系生态健康评价标准

2.5 B-IBI评价结果

济南市水生态一级分区[25]和B-IBI体系的评价结果(图5)表明济南市整体健康状况一般。河流型36个样点中各7个处于“极差”和“较差”状态,各占总样点19.4%;有11个样点处于“一般”状态,占30.6%; 8个样点处于“亚健康”状态,占22.2%;3个样点为“健康”状态,占8.3%。3个健康采样点位都位于Ⅲ黄河水生态区,这可能与该区人口密度相对较小、土地利用类型多以林草地为主有关。“一般”和“亚健康”点位大多集中在北部的Ⅰ徒骇马颊河生态区。位于Ⅳ主城区及其周边的采样点多以“较差”状态为主,这可能与城区人口密度密集、受城市污水等点源污染有关。由此看出,不同水生态区健康度具有明显差异性,需要政府部门针对不同水生态区采取不同管理措施。

图5 济南市B-IBI体系评价结果

水库点位于济南市南部黄河生态区和东南部小清河生态区,处于“健康”状态点位有1个,“亚健康”的点位有6个,“一般”点位有4个。总体健康状态较好,只有J13崮头水库为“极差”。其原因是持续的旱情,蒸发量增大,下游灌溉需要持续放水,导致几乎干涸,大量水生生物死亡,对水库的生态环境造成了较大影响。目前我国水库主要安全隐患是由于库湾以上河流营养盐的输入造成各种藻类水华的暴发,使得库区经济性鱼类大量死亡,造成巨大经济损失。依本次研究情况来看,济南市水库健康状况有所改善,这与当地政府部门监督管理密不可分。从济南市河库水生态健康状况来看,呈现出远郊区域水生态健康度优于近郊的特点,而市内的健康状况最差。

3 讨 论

3.1 样点分类及参照点的确定

选择适合的参考点对于构建B-IBI体系及健康评估至关重要。较理想的参考点设置应在不受损或受损程度最小的区域。由于济南市经济发达,人口较为密集,找到无干扰或干扰小样点作为参考点较困难。大多数研究者利用土地利用类型所占百分比[26]、样点上游有无点源污染及周围有无村庄和农田[27]、水质等级在Ⅱ类以上和栖息地评分在150分以上且河岸缓冲带土地利用无农田[17]、底栖动物多样性指数值大于3[18]作为参考点评判标准。由于本次研究区域中水库周围人口密度相对较低,同时也进行了封山育林等,且水库特有的形态结构使其在物理、化学、生物特性均与河流特性存在差异性,表现在由激流环境到静水环境的过渡。因此,对于水库样点,采用河流的参照点标准不太适用。在本研究中,河流和水库分开评价,采用不同的方法选择参照点位。河流点位参照点选择标准:①栖息地评价在110分以上,且河岸缓冲带土地利用无农田;②水质综合标准在Ⅲ类标准以上。水库点位则是依靠生物数据进行极点排序方法确立受损点和参照点,这种分组方法较为客观,反映出生物指数之间的变化关系,也有学者进行过这种尝试。Velk等[28]对荷兰地表水体建立B-IBI指数时,首先通过对水化学参数进行站点的筛选,力图使这些样点涵盖各种类型环境压力,然后通过生物数据聚类分析,给样点确定不同生态状态等级来进行参数筛选。

3.2 生物指数的筛选与健康评价

不同生态区的地表水底质类型和环境状况不同,底栖动物组成也不同,构建B-IBI指标体系也不同。在徒骇河生态区及小清河生态区底栖动物组成以甲壳动物、软体动物和双翅目中的摇蚊等耐污种为主,黄河生态区和小清河生态区的水库点位以水生昆虫等清洁种为主。另外由于水库水位较深,DO含量减少,导致水库型底栖动物多样性低于河流。因此,对于不同水体类型选择合适的生物参数对评价结果起关键性作用。通过箱体图及相关性分析,最终在河流型样点中选择了水生昆虫分类单元数、甲壳动物和软体动物个体百分比、BI指数和BWMP指数4个指标;水库型样点评价指标选择了水生昆虫分类单元数、优势分类单元数和反映多样性3个指标。不同生物参数对不同类型的人为活动响应敏感性具有差异性[29]。由表5可知,各参数在子流域尺度上,与城市用地百分比和林地百分比均具有显著影响,其中水生昆虫分类单元数与城市用地相关性最高(R2=-0.669)。在河段尺度上,优势分类单元数与水质指标(TP)相关性最高(R2=0.758)。表明本次所选生物指标能够在不同程度上反映出不同环境因子下的胁迫,所构建的B-IBI指标体系能有效地评价济南市水生态系统健康状况。

通过对水生态健康评价,其结果显示:济南市处于“健康”、“亚健康”、“一般”、“差”、和“极差”状态的采样点分别占采样数的8.33%、29.17%、31.25%、14.58%、16.67%。健康状况为“差”和“极差”的样点主要分布在主城区及各支流下游。主城区为济南市经济圈的重要组成部分,发达的工农业和强烈的人类活动给水生态造成巨大胁迫,尤其是城市周边的河流污染更为严重且河道存在部分渠化,植被覆盖率偏低,河岸缓冲带大量被侵占。黄河区的健康状态较好,该区域位于南部山区,以林草地为主,人类开发程度较低,水系受人类干扰程度较弱。评价表明人类活动与河流生态系统健康关系密切。在最南部的J3点位水质和栖息地质量较好,河道底质多为卵石和砾石,生境状况也有利于附着性水生昆虫生存,该点为济南市水生态健康最优点位,几近自然状态。济南市北部徒骇马颊生态区地势较为平坦,土地利用类型以农田为主,大量施肥导致周边河流在径流方式下形成非点源污染。该区域生态健康状况多为“一般”状态,随着农业和城市用地面积比例增加,生态健康状况令人担忧。

3.3 构建的底栖动物完整性体系的适宜性

自Karr[30]提出生物完整性指数并应用水生态健康评价以来,B-IBI是目前应用最广泛的水生态健康评价指标之一,用来评估人类活动对水体生态状况影响。栖息地质量反映的是河岸带受人类长期干扰的状况,能够综合环境各要素的结构体系,对于城市采样点,栖息地受到严重的人为影响,进而导致河流生态完整性下降。因此,环境栖息地评分能够很好地验证B-IBI指数适宜性。采用Spearman非参数性检验方法,分析得到B-IBI与河流栖息地评分的相关关系(图6)。由图6可知,B-IBI与栖息地生境质量评分呈显著的线性正相关(R2=0.58,P<0.01),说明B-IBI随生境质量提高而增大。

图6 B-IBI与环境栖息地评分的相关关系

水库的生态作用主要是调蓄工农业及生活用水,且本次采样的水库大多为水源地,生境条件大多为良好。本文通过极点排序方法揭示主要的环境压力(第1轴分值),与B-IBI进行相关性分析(图7)。结果显示两者具有明显线性相关(R2=0.644,P<0.01),表明构建的指数能够反映潜在的环境压力,适用于水库的水生态健康评价。

图7 B-IBI与轴1的相关关系

4 结 论

a. 采用不同的方法与标准确立河流型和水库型参照点和受损点,应用B-IBI体系筛选出河流健康评价指标:水生昆虫分类单元数、甲壳动物和软体动物个体百分比、BI指数和BWMP指数4个指标;水库健康评价指标:水生昆虫分类单元数、优势分类单元、多样性指数这3个指标，分别用于济南市河流和水库水体健康评价。

b. 济南市水生态环境整体处于一般状态,济南中部健康状况不容乐观,较多处于极差或较差状态。南部山区总体状态较好,只有个别干流样点生物完整性较低。水库型样点总体较为健康,只有1个水库面临库水干竭,生态环境面临退化的威胁,这与人类及自然环境共同影响有关。

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