山东省德州市河流水生生物完整性评估及时空异质性分析

王 旭，王永刚，武大勇，李亚翠 (.北京市环境保护科学研究院/ 国家城市环境污染控制工程技术研究中心，北京 00037；.河北省湿地生态与保护重点实验室(筹)，河北 衡水 053000)

河流水生生物多样性对保障河流水生态系统稳定具有重要的意义[1]。随着经济的迅猛发展和城市化进程的不断加快，不合理水土资源开发以及大量污染物的排入扰乱了河流生态与水文循环过程，河流结构受到极大破坏，水生生物多样性受损，生态系统功能逐步退化，河流健康问题日渐凸显[2]。

河流中的浮游植物、浮游动物、底栖动物及鱼类等生物群落对环境变化反应极为敏感，通常被用作评价水生态环境状况的重要指标[3-4]。采用水生生物评价河流状况是河流保护和管理中普遍使用的方法之一，通常可以根据水生生物群落结构和生物多样性现状评估河流受到的人为活动干扰程度[5]。1981年KARR[6]以鱼类为研究对象建立了生物完整性指数，应用于北美河流的生态系统健康评价，并提出水生生物的健康状况是反映人类活动对河流影响的最佳方式。此后，该指数逐步发展为鱼类生物完整性指数[7]、底栖动物完整性指数[8]、浮游生物完整性指数[9]、固着藻类生物完整性指数[10]和水生植物生物完整性指数[11]。目前研究中主要集中在单类群生物完整性指数上，多类群和综合水生生物完整性指数研究鲜有报道[12]。2019年农业农村部等部委联合发文提出构建流域的水生生物完整性指数(index of aquatic biological integrity，IABI)评价体系，科学评估水生生物总体状况，并将其变化作为评估河流水生生物总体状况和流域生态系统健康的重要依据。

德州市辖区内的漳卫新河等流域位于国家重点流域海河流域，是京津冀南部重要的生态功能区。由于水资源短缺以及人类活动的干扰，区域内流域生态系统的结构与功能受到一定破坏，河流生态系统退化，生态健康受到威胁。笔者以德州市各流域为例，通过初步构建河流水生生物完整性评估指标体系，探究人类活动干扰下各流域河流水生生物完整性的时空差异，以期为德州市流域水生态修复提供科学依据，为其他地区水生生物完整性指数评估提供技术支撑。

1 区域概况

德州市(36°24′～38°00′ N，115°45′～117°36′ E)位于山东省西北部，黄河下游北岸，境内共有大小河流上百条，划分为漳卫新河、马颊河、德惠新河、徒骇河4个流域。全市跨省大河主要有黄河、卫运河、漳卫新河，跨市的骨干排涝河道有徒骇河、德惠新河和马颊河。以上河流除黄河外，均系海河流域。境内河流均属雨源型河流，河流流量与区域降水分布不均匀的气候特点密切相关。德州市属暖温带大陆性季风气候区，年均降水量为554.8 mm，降水年内分配差异较大，夏季3个月降水量占全年的77%，区域本底水资源量不足，主要水源需靠黄河引水补给。德州市漳卫新河等水系由于水资源短缺及过度开发利用，生态基流明显不足，加之污染源的汇入，区域水生态系统结构与功能退化严重。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

考虑丰枯两季差异，分别于2017年11月和2018年8月对漳卫新河、马颊河、德惠新河和徒骇河流域开展包括着生藻类、大型底栖动物、鱼类以及水生植物生态指标的监测工作。

着生藻类取样方法：选择不同的生境特征，以藻类着生的石块、倒木等作为采样对象，每个样点随机选取3块形状规则、表面平整的石头，利用刀片刮取和硬刷清洗的方法刷取半径为2.5 cm的圆形布料下的藻类，收集固着藻类样品，将所有样品摇匀混合装入50 mL样品瓶中，立即用φ=4%福尔马林进行固定，带回实验室避光静置48 h后浓缩至20 mL，取0.1 mL均匀样品于10×40倍显微镜下鉴定和计数。

大型底栖动物取样方法：参照王备新等[13]、张远等[14]的调查方法。样品经清水冲洗后在白瓷盘中分类挑选，对挑选出的活体底栖生物分别计数称重，并换算成单位面积的个体数及生物量。水生昆虫和软体动物先用φ=5%福尔马林溶液固定，24 h后转移到φ=75%的乙醇中保存，寡毛类用φ=10%的福尔马林溶液直接固定。依据文献[15-16]将所采集的大型底栖无脊椎动物鉴定到最可能小的分类单元，大部分鉴定到种或者属，摇蚊类和一些环节动物鉴定到科。

鱼类取样方法：利用地笼法和走访渔民法开展鱼类样品调查。在每个样点选择适合的地点利用地笼法进行采集，地笼时间不少于12 h。同时，在当地市场对渔民进行走访，从而获得更全面的鱼类样品和数据。鱼类样品采集后立即进行现场鉴定工作。难以鉴定的物种利用φ=10%福尔马林水溶液浸泡固定，带回实验室进一步完成鉴定。现场鉴定鱼类样品需全部放归自然，已死亡鱼类远离河岸填埋。种类鉴定主要依据《山东鱼类志》《中国淡水鱼类图谱》和《中国鲤科鱼类检索表》等。

植物的取样方法：利用样方法对植物群落进行调查取样，选择具有代表性和典型性水生植被分布的区域设置调查样地，在样地近岸区域平行于江河水流设置3条样带。在样带上等距离设置5～10个样方。利用带网框架采集法进行水生植物调查。现场对水生植物进行鉴定并计数[17-18]，对于野外不能准确鉴定的植物种采集凭证标本进行室内鉴定。

根据区域内各流域河流特征，结合德州市行政边界和监测断面的设置，将4个流域划分为9个河流(段)，并在各河段设置1～3个监测点位；漳卫新河水系划分为6个评估河流(段)，马颊河、德惠新河和徒骇河各设置1个评估河段。共采集样点22个，其中漳卫新河流域11个，马颊河流域4个，德惠新河流域4个，徒骇河流域3个。调查监测河段及站位布设详见图1。

S1—第三店，S2—四女寺，S3—油坊桥，S4—吕洼，S5—范窑，S6—刘茂庄，S7—田龙庄，S8—袁桥，S9—老寨子桥，S10—大徐桥，S11—小泊头桥，S12—董姑桥， S13—张习桥，S14—南杜桥，S15—李辛桥，S16—小吕，S17—十里堡，S18—王杠子闸，S19—双堠桥，S20—前油坊，S21—田口，S22—夏口桥。

2.2 研究方法

2.2.1水生生物完整性评价指标体系

水生态系统通常包括浮游动物、浮游植物、底栖动物、鱼类以及水生植物等。该研究构建的河流水生生物完整性指标评价体系准则层包括着生藻类、底栖动物、鱼类以及水生植物完整性指数。指标层选取了74个候选参数，可反映群落丰富度、种类个体、数量比例、生物耐污能力、环境变化对生态系统结构和功能的影响[9]。对选取的各候选参数根据生物种群进行分布范围、相关性分析、指标使用频次分析并结合指标的可操作性等实际情况最终确定11项参数，分别为着生硅藻密度(C1)、着生藻总分类单元数(C2)、着生藻类优势度(BP)指数(C3)、底栖动物总分类单元数(C4)、大型底栖动物类群记分系统(BMWP)指数(C5)、底栖动物优势分类单元个体相对丰度(C6)、鱼类物种数(C7)、鱼类耐污类群相对丰度(C8)、鱼类Shannon-Wiener 多样性指数(C9)、水生植物本地物种分类单元百分比(C10)、水生植物外来入侵种入侵指数(C11)。

评价体系中指标权重的确定是评价中至关重要的一个环节，该研究运用层次分析法(AHP)构建指标体系，采用专家背靠背打分方式，选择生态学、水生生物学、环境学以及水产学等相关行业的15位专家进行打分，最终对评价指标的相对重要性构建判断矩阵并确定指标权重，以此来构建水生生物完整性评价指标体系(表1)。

2.2.2水生生物完整性计算方法

(1)各类群生物完整性指数

藻类生物完整性指数(AIBI)综合反映一个地区藻类群落的物种组成、多样性和功能等的稳定能力，由着生硅藻密度、着生藻类总分类单元数、着生藻类优势度指数构成。

大型底栖动物完整性指数(BBI)由总分类单元数、BMWP指数以及最优势类群相对丰度构成。

鱼类完整性指数(FBI)综合反映一个地区鱼类群落的物种组成、多样性和功能等的稳定能力，由鱼类物种数、耐污类群相对丰度以及Shannon-Wiener 多样性指数构成。

水生植物完整性指数(APBI)综合反映一个地区水生植物群落的物种组成、多样性和功能等的稳定能力，由本地物种分类单元百分比、外来入侵种入侵指数构成。

表1 水生生物完整性评价指标体系及权重[19-21]

入侵物种入侵指数值(IE)的计算方法为

(1)

(2)

式(1)～(2)中，S为入侵物种总数；Vi为入侵物种i的重要值；RCO为相对盖度，%；RFE为相对频度，%；RDE为相对密度，%。

(2)生物指数(BI值)计算方法

采用比值法确定各指标的数值，对各指标量纲进行统一处理：下降类型指标BI值=(样点观测值-样点观测值的5%分位数)/(样点观测值的95%分位数-样点观测值的5%分位数)×100，上升类型指标BI值=(样点观测值的95%分位数-样点观测值)/(样点观测值的95%分位数-样点观测值的5%分位数)×100。

各指标BI值在0～100范围之间，>100时各指标BI值视为100处理，<0时各指标BI值视为0处理。

(3)水生生物完整性指数计算

计算得到每个种群生物完整性分值后，使用加权求和法，先计算得到每个监测点的水生生物完整性指标分值，再对所有监测点的分值进行平均，计算得到河流(段)以及流域水生生物完整性结果。

(3)

(4)

式(3)～(4)中，Bi为第i个准侧层的计算结果；xji为第i个准则层的第j个评估指标的权重；wj为第i个准则层的第j个评估指标的权重；IIAB为水生生物完整性指数；wi为第i个准则层指标的权重。

2.2.3河流水生生物完整性等级划分

藻类、底栖动物、鱼类、水生植物完整性4个评估指标等级以各生物类群完整性指标数值的95%分位数作为1级和2级间的临界值，以5%分位数作为4级和5级间的临界值；将95%分位数和5%分位数之间进行3等分，以确定其他相邻级别间的临界值。水生生物完整性是一个相对概念，等级划分有动态性及一定的主观性。该文中河流水生生物完整性等级划分采用等分法将河流水生生物完整性分为5级，各等级表征状态、特征描述、颜色代码见表2。

3 结果与分析

3.1 水生生物调查结果

2017年11月和2018年8月于德州市4流域7条河流(段)22 个采样点采集并鉴定着生藻类8门10纲20目33科60属144种，其中绿藻门(Chlorophyta)20属41种，硅藻门(Bacillariophyta)19属55种，蓝藻门(Cyanophyta)13属23种，裸藻门(Euglenophyta)6属17种，隐藻门(Cryptophyta)2属3种，裸藻门(Euglenophyta)4属20种，甲藻门(Pyrrophyta)1属1种，黄藻门(Xanthophyta)2属2种，金藻门(Chrysophyta)1属1种，红藻门(Rhodophyta)1属1种。2018年8月发现144种，比2017年11月份多15种。本次调查鉴定的硅藻门种类最多，优势种(括号内数字为优势度)有梅尼小环藻(0.21)、小环藻sp1(0.03)、线形菱形藻(0.04)、短小舟形藻(0.08)；蓝藻门优势种有灿烂颤藻(0.02)、岩居博氏藻(0.02)、微小平裂藻(0.04)；绿藻门有四尾栅藻(0.03)(表3)。

表2 河流水生生物完整性等级划分

表3 德州市各河流着生藻类优势种空间分布

大型底栖无脊椎动物共鉴定出29属种，隶属于3门6纲11目19科。其中环节动物门(Annelida)2种，隶属于2目2科，占6.90%；软体动物门(Mollusca)13种，隶属于3目7科，占44.83%；节肢动物门(Arthropoda)14种，隶属于6目10科，占48.28%。其中环节动物以寡毛纲的颤蚓科为主，软体动物以椎实螺科为主，节肢动物以双翅目的摇蚊亚科和十足目的长臂虾科为主。

鱼类共6目11科22属28种，其中鲤形目鱼类最多(18种)，占鱼类总种数的64.3%，以麦穗鱼、鰺条和贝氏餐为主；其次为鲈形目(5种)，占17.6%，主要以吻鰕虎鱼属的波氏吻虾虎和子陵吻虾虎为主；鲶形目2种，鲑形目、合腮鱼目、鳉形目各1种。2018年8月采集鱼类28种，2017年11月采集种类较少，只有8种。

水生植物共有3纲17目19科26属29种。其中单子叶植物18种，占总种类数的62.1%，以禾本目的芦苇、长芒稗以及莎草目的扁秆藨草为主；双子叶植物10种，占总种类数的34.5%，以蓼目的水蓼、毛茛目的金鱼藻以及小二仙草目的狐尾藻为主。

3.2 水生生物完整性评估

3.2.1监测点水生生物完整性

通过对德州市漳卫新河、马颊河、德惠新河和徒骇河流域各监测断面藻类、大型底栖动物、鱼类、水生植物指标层进行综合评估，得到各河段水生生物完整性评估赋分结果(表4和图2)。

3.2.2河流水生生物完整性

河流水生生物完整性通过对各监测点着生藻类、底栖动物、鱼类以及水生植物指标层进行综合评估，得到各河流水生生物完整性状况赋分结果。漳卫新河流域得分为51.30，状况为一般；马颊河流域得分为47.39，状况为一般；德惠新河得分为63.56，状况为好；徒骇河流域得分为58.18，状况为一般(表5)。

德州市各流域9条河流(段)水生生物完整性评价结果显示，减河和德惠新河等级为好，卫运河、南运河、五六河、马颊河和徒骇河均为一般，岔河为差。从流域上看，德惠新河流域最好，其次为徒骇河流域、漳卫新河流域，最差的为马颊河流域。总体上丰水期优于枯水期，受人类活动干扰相对较少的德惠新河、徒骇河优于受人类活动影响较大的马颊河、岔河、南运河以及五六河。

表4 各河流(段)水生生物完整性赋分结果

图2 不同时间河流各指标及水生生物完整性评估赋分

漳卫新河和马颊河主要流经德州市城区，河流涵养功能较弱，水系新鲜水源较少，主要为城市污水处理厂退水的补给，沿途又接纳德州城区及各县的污水，河流生态基流不足，点源和面源污染严重，流域水生态系统健康受到威胁。

3.3 水生生物完整性时空异质性分析

德州市各河流监测点位水生生物完整性得分为34.59～78.92，各监测点位水生生物完整性差异较大，其中徒骇河夏口桥断面、德惠新河临邑县十里铺和王杠子闸断面状态为好；马颊河李辛桥、岔河田龙庄断面状态为差；其余河段监测断面为一般。

从时间尺度上看，丰水期22个点位的鱼类和水生植物完整性指数均高于枯水期，底栖动物、藻类完整性指数变化不显著。鱼类和水生植物完整性指数季节性差异显著是造成各河段丰枯时间尺度上差异的主要影响因素，可能是受河流流量和大气温度等因素的显著影响所致[22-23]。研究表明，河流季节性干旱以及冬季极端低温条件下可造成鱼类死亡，从而影响其群落结构及其数量。朱仁等[24]基于对黄山九龙峰保护区境内的殷溪河鱼类全年调查结果显示，11月鱼类个体数显著下降，与气温和水温的下降有直接关系。水生植物多样性主要与气温关系较为密切。水生植物生物量与温度呈显著正相关关系，一般北方地区水生植物最佳生长时间为4—9月，10月后水生植物进入结果衰亡期，当温度低于10 ℃时生长基本停滞[25]。

表5 德州市各流域水生生物完整性评估结果

从空间分布来看，德州市各流域河流(河段)水生生物完整性总体状况为一般。流经城区的河流水生生物完整性明显劣于非城区河流(河段)。各流域中德惠新河最好，其次为徒骇河、漳卫新河，马颊河水生生物完整性状况最差。宋芬等[26]发现徒骇河生态环境稳定性比马颊河好。漳卫新河流域各河流(河段)中减河状况最好，其次为卫运河、五六河、南运河、漳卫新河，岔河最差。减河虽然处于城区，但由于沿途建设了湿地公园[27]，水生态系统得到较大改善，水生生物完整性较高。总体上看，各河流上游水生生物完整性指数比下游好，表明德州市各河流在流域内受到人类活动影响，水生态健康状况在一定程度上受损。

4 讨论

区别于单一群落的生物完整性指数，从水生生物多样性维持角度初步构建了河流水生生物完整性指数，旨在建立水生生物总体状况与流域生态系统健康的关系，并应用于德州市各流域水生生物完整性状况的评估，为该地区及其他地区相关河流水生态修复工作奠定基础。德州市总体上水生生物状况为一般，各指标丰水期优于枯水期，分析原因主要与河流径流量和水温有关，这与洪松等[28]调查结果一致。流域内河流多属季节性河流，且降雨多集中在7—9月，枯水期径流较小，河道生态基流难以保证。空间尺度上，流经城区的河流(河段)水生生物完整性相对其他河流(段)差，主要因为城区段河流受人类活动影响较大，生境结构遭到一定破坏，加之城区段工业及生活污水的排入，使河流自净能力下降，河道生态功能退化严重，这与董增川等[29]分析的漳卫新河生态健康问题原因基本一致。从各指标完整性结果上看，德州市着生藻类、鱼类完整性得分较底栖动物和水生植物低，未来水生态系统应重点从水质提升、生境营造和水文保障等角度着重改善藻类和鱼类生物多样性。

该研究仍有以下问题需要解决：(1)本次水生生物调查历时不长，监测次数仅2次，监测点位仅涉及22个，未涉及马颊河、德惠新河和徒骇河3流域的其他支流，水生生物监测数据量总体不足，后续需继续从丰枯、季节性、年际变化以及空间尺度等方面评估流域水生生物完整性的时空变化情况，更加科学地评估流域生态系统稳定状况。(2)在指标构建方面，仅选择藻密度、总分类单元数、BP指数、BMWP指数、物种数、相对丰度等11项指标，表征生物多样性的指标包括Simpson 多样性指数、Margalef丰富度指数、Pielou均匀度指数等[30]，需深入开展候选指标的选择和和筛选工作，丰富水生生物完整性指数评估体系。(3)该研究结合参考文献确定了各指标层指标权重，而评价体系中指标权重的确定是至关重要的一个环节，主观和客观赋权法均存在一定的缺点，后续应从主观赋权法和客观赋权法相结合的角度(组合赋权法)开展指标权重确定方面的研究。

5 结论

通过开展德州市22个监测点丰枯两季的着生藻类、底栖动物、鱼类和水生植物的种群监测工作，初步构建了水生生物完整性评价指标体系，计算得到德州市河流水生生物完整性评价结果，评估了各河流(段)完整性状况，得到如下结论：

(1)德州市各流域河流(河段)水生生物完整性状况总体为一般。各流域水生生物完整性德惠新河最好(63.56)，其次为徒骇河(58.18)和漳卫新河(51.30)，马颊河最差(47.39)。漳卫新河各河流(段)中，减河状况相对较好，卫运河、南运河、五六河、漳卫新河为一般，岔河状况为差。空间尺度上，流经城区的河流水生生物状况劣于非城区河流(河段)。时间尺度上，丰水期水生生物状况优于枯水期，尤其是鱼类和水生植物2个指标受流量和气温等因素的影响较大，季节性差异较为显著。

(2)各流域上游入境断面水生生物完整性状况好于下游出境断面。减河和德惠新河十里堡—王杠子闸段水生生物完整性最好，岔河以及马颊河南杜桥—李辛桥段最差。减河沿河建设了湿地公园，水生态系统得到较大改善，而岔河和马颊河流经人口密集的城区，加上受闸坝控制严重以及农业污染源的汇入，水生态受损较为严重。未来应当对受损河段予以重点关注，保障河流生态流量，加强污染源管控，有针对性地开展生态修复治理工作，逐步提高流域生态系统健康状况。