曹艷霞,張杰,蔡德所,趙湘桂,王備新

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院,江蘇南京 210095;2.農(nóng)業(yè)部作物病蟲害監(jiān)測(cè)與防控重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210095;3.三峽大學(xué)土木水電學(xué)院,湖北宜昌 443002;4.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,廣西南寧 530004)

應(yīng)用底棲無脊椎動(dòng)物完整性指數(shù)評(píng)價(jià)漓江水系健康狀況

曹艷霞1,2,張杰1,2,蔡德所3,趙湘桂4,王備新1,2

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院,江蘇南京 210095;2.農(nóng)業(yè)部作物病蟲害監(jiān)測(cè)與防控重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210095;3.三峽大學(xué)土木水電學(xué)院,湖北宜昌 443002;4.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,廣西南寧 530004)

為了通過漓江底棲無脊椎動(dòng)物狀況建立適合漓江的生物完整性指數(shù),進(jìn)而評(píng)價(jià)漓江流域內(nèi)水質(zhì)健康狀況,于2008年3月調(diào)查了漓江水系17個(gè)參照點(diǎn)和14個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水化學(xué)與底棲無脊椎動(dòng)物指標(biāo),水質(zhì)化學(xué)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果顯示,參照點(diǎn)的TP、TN、NH3-N和COD濃度一般低于監(jiān)測(cè)點(diǎn)。通過對(duì)46個(gè)候選生物參數(shù)的計(jì)算和逐步分析,確定了構(gòu)成底棲動(dòng)物完整性B-IBI指數(shù)的4個(gè)生物參數(shù):總分類單元數(shù)、EPT分類單元數(shù)、扁蜉占蜉蝣總數(shù)的百分比和優(yōu)勢(shì)單元數(shù)量百分比,初步確立了B-IBI健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),即B-IBI≥21為健康;B-IBI＜21為不健康。評(píng)價(jià)結(jié)果表明:漓江上游及各支流健康狀況較好,大部分為健康;中下游干流健康狀況較差,大多為不健康。

底棲動(dòng)物;完整性指數(shù);漓江;健康評(píng)價(jià);水系

“河流健康”是河流科學(xué)研究與管理之間的“橋梁”[1],是水資源合理開發(fā)利用、管理和保護(hù)的基礎(chǔ)。在西方發(fā)達(dá)國家,河流健康監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)是開展河流健康管理與實(shí)踐的關(guān)鍵。歐盟為實(shí)現(xiàn)水框架條例(WFD)2015年目標(biāo),計(jì)劃完成54000個(gè)地表水樣點(diǎn)的健康監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)工作[2],在美國有90%以上的州開展了河流健康監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)工作[3]。我國也非常重視河流健康的研究與實(shí)踐[4-8]。漓江是珠江水系上游桂江的重要支流,是廣西壯族自治區(qū)重要的河流生態(tài)系統(tǒng)之一。近年來,隨著漓江流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展,漓江水系健康狀況不斷惡化。由于缺乏科學(xué)的健康評(píng)價(jià)指標(biāo),漓江健康監(jiān)測(cè)以水化學(xué)和單一的生物指標(biāo)為主[9-13]。筆者以大型底棲無脊椎動(dòng)物為指示生物,參考Barbour等[14]的方法研究建立適合漓江水系健康評(píng)價(jià)的底棲動(dòng)物完整性指數(shù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究地區(qū)

漓江(E110°18′～111°18′、N25°59′～ 23°23′)發(fā)源于廣西興安縣與資源縣交界,流域總面積12159km2。漓江流域?qū)儆趤啛釒貪櫦撅L(fēng)氣候,年均降雨量達(dá)到1627mm[15]。受季風(fēng)影響,豐枯水季明顯,每年3～8月為汛期;9月至翌年2月為枯水期。

漓江水系河床底質(zhì)以卵石、礫石和沙為主。源頭及上游地貌是碎屑巖為主的中低山,山澗山谷縱橫曲折,有豐富的原生和次生植被覆蓋。中下游地貌以碳酸鹽巖的喀斯特地貌為主,植被主要是喜鈣的石山灌木林和人工林。

1.2 研究方法

1.2.1 生物標(biāo)本采集

2008年2月底至3月中旬在漓江水系(從源頭至平樂)用D形網(wǎng)采集了31個(gè)樣點(diǎn)(圖1)的大型底棲無脊椎動(dòng)物。在100～200m的采樣河段內(nèi),選擇急流生境用踢網(wǎng)采集3m2(D形網(wǎng)寬0.3m×總采樣長度10m)。標(biāo)本經(jīng)大致清洗后用5%～10%福爾馬林溶液固定帶回實(shí)驗(yàn)室。標(biāo)本鑒定至屬或種,少數(shù)為目或科。記錄各分類單元個(gè)體數(shù)。

1.2.2 參照點(diǎn)確定準(zhǔn)則

參照點(diǎn)是建立生物完整性指數(shù)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵,理想的參照點(diǎn)應(yīng)該位于無干擾溪流上。但是現(xiàn)實(shí)中已不存在這樣的溪流。參考國外已有研究,提出了建立漓江流域底棲動(dòng)物水生態(tài)健康評(píng)價(jià)參照樣點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn),具體如下:①上游流域無居民地或居民地極少且散布;②樣點(diǎn)上游流域無礦區(qū)或采礦作業(yè)在樣點(diǎn)上游10km以上;③樣點(diǎn)上游5km以內(nèi)無采砂作業(yè);④樣點(diǎn)200m長的沿岸帶植被保護(hù)良好,無侵蝕;⑤樣點(diǎn)底質(zhì)組成中值直徑大于64mm的石塊占到50%以上,底質(zhì)上的周叢生物以硅藻為主;⑥樣點(diǎn)有豐富的底棲動(dòng)物多樣性,對(duì)水質(zhì)敏感的蜉蝣目(E)、翅目(P)和毛翅目(T)昆蟲都出現(xiàn),且EPT的物種數(shù)在15以上。根據(jù)以上原則,在野外采集過程中,先根據(jù)①～⑤的原則初選合適的參照點(diǎn),等底棲動(dòng)物標(biāo)本鑒定完成后,再根據(jù)原則⑥最終確定合格的參照點(diǎn)。本文共確定17個(gè)參照點(diǎn),14個(gè)監(jiān)控點(diǎn)。

圖1 采樣點(diǎn)分布示意圖

1.2.3 水體理化指標(biāo)的測(cè)定

采集生物樣本的同時(shí),在該溪流段緩流處利用U-10多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀(HORIBA Ltd.Japan)測(cè)定各項(xiàng)理化指標(biāo):DO、電導(dǎo)率、酸堿度、溫度。并且采集此水域的表層水樣約500mL,用來測(cè)定水化學(xué)指標(biāo)。水化學(xué)指標(biāo)TP、TN和NH3-N分別采用鉬酸銨分光光度法、堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法和納氏試劑比色法測(cè)定。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 生物樣本鑒定結(jié)果

表1 參照點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)理化數(shù)據(jù)

共鑒定出4門(節(jié)肢動(dòng)物門、軟體動(dòng)物門、環(huán)節(jié)動(dòng)物門、扁形動(dòng)物門),6綱(昆蟲綱、甲殼綱、腹足綱、蛭綱、寡毛綱、渦蟲綱)76科,103屬 171種的大型底棲無脊椎動(dòng)物共48 724頭,其中昆蟲綱個(gè)體數(shù)占總個(gè)體數(shù)的95%。

2.2 理化指標(biāo)測(cè)定結(jié)果

水體理化指標(biāo)結(jié)果見表1。從水質(zhì)化學(xué)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果看,監(jiān)控點(diǎn)的TP、TN、NH3-N等化學(xué)指標(biāo)及電導(dǎo)率均相對(duì)較高,而DO、水溫、pH等指標(biāo)參照點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)差異較小。

2.3 生物完整性指數(shù)的初步研究結(jié)果

2.3.1 候選生物參數(shù)篩選

計(jì)算46個(gè)生物參數(shù)在17個(gè)參照點(diǎn)的分布情況,即25%～75%分位數(shù)的數(shù)值范圍,數(shù)值太小以及分布范圍太小或太大的參數(shù)不適宜參與構(gòu)建BIBI指數(shù) 。其中 24個(gè)生物參數(shù)M2、M3、M4、M6、M7、M8、M13、M14、M15、M16、M17、M18、M19、M20、M22、M23、M25、M27、M29、M30、M31、M33、M39、M44在 25%～75%分位數(shù)之間數(shù)值范圍太小,隨著干擾的增強(qiáng),其可變范圍太小,不適宜參與建立生物指數(shù);M5、M10、M11、M28、M34、M43本身數(shù)值太小從而刪除 ;而M19、M24數(shù)值范圍太大也不適合建立B-IBI指數(shù)。剩余15個(gè)參數(shù)進(jìn)入下一步計(jì)算,見表2。

2.3.2 判別能力分析

參考Barbour[14]的方法,根據(jù)剩余的15個(gè)參數(shù)值在參照點(diǎn)和監(jiān)控點(diǎn)的箱線圖(圖2)中的箱體(IQ,interquartile ranges)的重疊情況,賦予不同的值:沒有重疊,IQ=3;部分重疊,但各自中位數(shù)值都在對(duì)方箱體范圍之外,IQ=2;僅一個(gè)中位數(shù)值在對(duì)方箱體范圍之內(nèi),IQ=1;各自中位數(shù)值都在對(duì)方箱體范圍之內(nèi),IQ=0。對(duì)IQ≥2的參數(shù)作進(jìn)一步分析,結(jié)果M1、M9、M21、M26、M35、M36、M37、M46共 8 個(gè)參數(shù)(圖 2 中縱坐標(biāo)變量標(biāo)記*的參數(shù))IQ≥2,進(jìn)入下一步篩選。

2.3.3 生物參數(shù)之間的Pearson相關(guān)性分析

Pearson相關(guān)分析中高度相關(guān)的參數(shù)可以選取其中一個(gè)保留,使參數(shù)反映信息具有獨(dú)立性。采用Maxted[16]的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生物參數(shù)的篩選。經(jīng)過計(jì)算,M46與其余 7 個(gè)參數(shù)M1、M9、M21、M26、M35、M36、M37

均顯著相關(guān),首先被刪除。反應(yīng)群落豐富度的M1,M9,M26之間的相關(guān)系數(shù)均大于0.9,由于M1包含的信息量最大,M9具有較高的靈敏度和較好的指示性,所以保留M1和M9,刪除M26。M21與其他參數(shù)的相關(guān)性均相對(duì)較小(),予以保留。反應(yīng)群落個(gè)體數(shù)量組成的參數(shù)M36比M37與其他參數(shù)的相關(guān)系數(shù)要小,所以保留M36。經(jīng)過篩選,最終應(yīng)用M1、M9、M21、M364個(gè)生物參數(shù)來構(gòu)建B-IBI指數(shù)(表3)。

表3 8個(gè)生物參數(shù)之間的Pearson相關(guān)分析

2.3.4 分值計(jì)算與B-IBI健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)建立

分析4個(gè)參數(shù)在25%～75%分位數(shù)的分布,根據(jù)各參數(shù)的分位數(shù)值計(jì)算B-IBI的分值標(biāo)準(zhǔn),筆者采用三分制計(jì)分法[17](表4)。根據(jù)參照點(diǎn)和所有樣點(diǎn)的B-IBI數(shù)據(jù),以參照點(diǎn)的B-IBI分值分布的25%分位數(shù)21作為溪流健康評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn),點(diǎn)位分值小于21為不健康。

表4 4個(gè)生物參數(shù)在參照點(diǎn)的分布狀況及分值計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)

表2 46個(gè)候選生物參數(shù)

圖2 15個(gè)生物參數(shù)在參照點(diǎn)與監(jiān)控點(diǎn)的箱線圖

2.3.5 漓江各樣點(diǎn)生物健康評(píng)價(jià)

依據(jù)B-IBI健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)各樣點(diǎn)健康狀況。結(jié)果見表5。評(píng)價(jià)為健康的點(diǎn)基本都位于漓江上游支流,其森林植被覆蓋率都大于90%,農(nóng)田少,農(nóng)業(yè)種植以竹林為主,因而受到的污染也很小,河床底質(zhì)為卵石。卵石是底棲動(dòng)物棲息、繁殖、生長的重要場(chǎng)所,這些點(diǎn)的生物多樣性都很好。

評(píng)價(jià)為不健康的點(diǎn)位于市區(qū)或者市區(qū)下游不遠(yuǎn)處,受城市污水和農(nóng)業(yè)面源污染較重,沿岸帶破壞程度高,植被覆蓋率低,并受河道改變和河床沙化等諸多因素影響,水中底棲動(dòng)物種類極少,數(shù)量較多的是耐有機(jī)污染強(qiáng)的螺類和搖蚊。

表5 漓江各個(gè)樣點(diǎn)健康評(píng)價(jià)

2.4 影響底棲動(dòng)物完整性的環(huán)境因子初步解析

對(duì)所采集樣點(diǎn)的理化數(shù)據(jù)和水文數(shù)據(jù)(包括溫度 、pH 、電導(dǎo)率 、DO 、TP 、TN 、NH3-N 、COD,溪流的寬 、深、寬深比、平均流速、最大流速等)與得出的B-IBI指數(shù)值做相關(guān)性分析。結(jié)果底棲動(dòng)物完整性指數(shù)B-IBI與水的電導(dǎo)率 、TP 、TN 、NH3-N 、COD 、溪流寬度 、寬深比具有顯著相關(guān)性(表6)。所以筆者初步推斷漓江底棲動(dòng)物完整性與水中導(dǎo)致富營養(yǎng)化的化學(xué)物質(zhì)相關(guān)性極大,P、N等化學(xué)物質(zhì)致使水質(zhì)下降,水中生物減少。下游河道拓寬,河床被破壞,也可能是導(dǎo)致生物減少、生物完整性下降的重要原因。

表6 理化數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)與B-IBI指數(shù)值的相關(guān)性分析

3 討 論

生物完整性指數(shù)B-IBI及其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的建立需要足夠量的代表性數(shù)據(jù)作支撐,筆者僅根據(jù)有限的數(shù)據(jù)探討了在漓江流域建立B-IBI完整性指數(shù)評(píng)價(jià)漓江水系健康的可能性,離實(shí)際應(yīng)用還有較大的差距。但是研究結(jié)果還是反映了漓江流域的健康狀況,即受人類活動(dòng)(旅游開發(fā)、種植、采礦和挖沙等)影響小的支流健康狀況較好,而受人類活動(dòng)影響大的支流和干流都為不健康。由于影響河流健康的因素很多,河流的生物學(xué)屬性僅是表征河流健康的一個(gè)屬性,因此在應(yīng)用底棲動(dòng)物完整性指數(shù)評(píng)價(jià)河流健康時(shí),要注意與其他評(píng)價(jià)因子如水文、河道形態(tài)、水質(zhì)理化指標(biāo)的有機(jī)結(jié)合。Llansó[18]指出健康評(píng)價(jià)的最終結(jié)果都要將底棲生物群落狀況與主要脅迫因子聯(lián)系起來,以提高評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和適用性。

B-IBI指數(shù)受到自然地貌的影響比較大,在美國馬里蘭州的B-IBI應(yīng)用體系中,就將溪流分為海岸平原、內(nèi)地平原、東部高原、山地丘陵等4種不同的類型[19],主要因?yàn)樯锏姆植加幸欢ǖ姆秶?跟氣候、地形地貌、植被和土壤類型是密切相關(guān)的。筆者初步建立的漓江流域B-IBI指數(shù)目前也僅適用于漓江水系,不同的流域應(yīng)該建立與流域相適應(yīng)的B-IBI指數(shù)。由此可見,利用B-IBI指數(shù)來評(píng)價(jià)水生態(tài)健康還有大量的工作需要做。另外B-IBI的應(yīng)用還涉及較多標(biāo)本鑒定、數(shù)據(jù)處理等工作,需要操作人員有相關(guān)的專業(yè)知識(shí)。如果將全國的流域劃分成不同區(qū)域,將物種分類編輯成通俗易懂的鑒定手冊(cè),數(shù)據(jù)處理等方面則使用統(tǒng)計(jì)模型來進(jìn)行,則B-IBI水質(zhì)監(jiān)測(cè)將會(huì)有更廣泛的應(yīng)用。

致謝:

本課題研究前期的采樣工作得到廣西壯族自治區(qū)水利廳及廣西壯族自治區(qū)水文水資源桂林分局相關(guān)工作人員的大力支持,在此一并致謝。

[1]董哲仁.河流健康的內(nèi)涵[J].中國水利,2005(4):15-18.

[2]EU WFD.Directive 2000/60/EC of the European Parliament of the Council of 23 October 2000 establishing a framework for community action in the field of water policy[M].Official Journal of the European Communities,2000(L327):1-72.

[3]HILL B,BLAIR R.Monitoring the condition of our nation's streams and rivers:from themountainstothe coasts:introduction to the proceedings of the 2002 EMAP symposium[J].Environmental Monitoring and Assessment,2005,103(1-3):1-4.

[4]趙彥偉,楊志峰.城市河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)初探[J].水科學(xué)進(jìn)展,2005,16(3):349-355.

[5]馮普林.渭河健康生命的主要標(biāo)志及評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究[J].人民黃河,2005,27(8):3-6.

[6]吳阿娜,楊凱,車越,等.河流健康評(píng)價(jià)在城市河流管理中的應(yīng)用[J].中國環(huán)境科學(xué),2006,26(3):359-363.

[7]王備新,楊蓮芳,胡本進(jìn),等.應(yīng)用底棲動(dòng)物完整性指數(shù)B-IBI評(píng)價(jià)溪流健康[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2005,25(6):1481-1490.

[9]韓耀全,周解,吳祥慶.漓江的自然地理與水質(zhì)調(diào)查[J].廣西水產(chǎn)科技,2007(2):8-16.

[10]鄧華,蔣艷紅,李蓮花,等.漓江市區(qū)段沿岸餐飲廢水對(duì)漓江水質(zhì)影響調(diào)查與對(duì)策探討[J].環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊,2008,27(4):27-29.

[11]蔡德所,馬祖陸.漓江流域的主要生態(tài)環(huán)境問題研究[J].廣西師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,26(1):110-112.

[12]石大康.底棲動(dòng)物在評(píng)價(jià)漓江水質(zhì)污染中的作用[J].環(huán)境科學(xué),1985,6(3):54-58.

[13]張益峰.漓江底棲動(dòng)物調(diào)查[J].廣西水產(chǎn)科技,2007(2):47-54.

[14]BARBOUR M T,GERRITSEN J,GRIFFITH G E,et al.A framework for biological criteria for Florida streams using benthic macroinvertebrates[J].Journal of the North American Benthological Society,1996,15:185-211.

[15]朱小媚,粟維斌.漓江流域風(fēng)景區(qū)生物多樣性現(xiàn)狀與保護(hù)對(duì)策研究[J].生態(tài)經(jīng)濟(jì),2008(4):153-157.

[16]MAXTED J R,BARBOUR M T,GERRITSEN J,et al.Assessment framework for mid-Atlantic coastal plain steams using benthic macroinvertebrates[J].Journal of the North American Benthological Society,2000,19:128-144.

[17]BARBOUR M T,GERRITSEN J,SNYDER B D,et al.Rapid bio-assessment protocols for use in streams and wade able rivers:periphyton,benthic macro-invertebrates and fish[M].2nd ed.EPA/841/B-99/002 US Environmental Protection Agency,Office of Water,Washington,D C,1999.

[18]LLANSó R J,DAUER D M,VOLSTAD J H.Assessing ecological integrity for impaired waters decisions in Chesapeake Bay,USA[J].Marine Pollution Bulletin,2009,59(1-3):48-53.

[19]SOUTHERLAND M T,R OGERS G M,KLINE M J,et al.Improving biological indicators to better assess the condition of streams[J].Ecological Indicator,2007,7(4):751-767.

Lijiang River health assessment using a benthos index of biotic integrity for invertebrate

CAO Yan-xia1,2,ZHANG Jie1,2,CAI De-suo3,ZHAO Xiang-gui4,WANG Bei-xin1,2
(1.College of Plant Protection,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,China;2.Key Laboratory of Monitoring and Management of Crop Diseases and Pest Insects,Ministry of Agriculture,Nanjing 210095,China;3.College of Civil and Hydropower Engineering,China Three Gorges University,Yichang 443002,China;4.College of Civil and Architecture Engineering,Guangxi University,Nanning 530004,China)

In order to develop a benthos index of biotic integrity(B-IBI)for benthic invertebrate and assess the water quality health of the Lijiang River basin,benthic invertebrate communities and hydrochemical variables were investigated in March 2008 at 31 sites,of which 17were reference sites and 14were monitoring sites.TP,TN,NH+4-N and CODMnwere lower at reference sites than at monitoring sites.Forty-six candidate biological parameters were selected and calculated from the data of all sites and sequentially analyzed to develop the B-IBI.The B-IBI was composed of four biological parameters:total taxa,EPT taxa,pecentape of Heptageniidae in Ephemeroptera,and percentage of dominant taxa.It was suggested that the water quality in Lijiang River basinwas healthy for B-IBI≥21,and unhealthy for B-IBI＜21.The assessment results using B-IBI showed that most of the branches in the middle and upper reaches of the Lijiang River were healthy,and the lower reaches of the Lijiang River were unhealthy.

benthos;index of integrity;Lijiang River;health assessment

Q958.8,Q968.8

A

1004-6933(2010)02-0013-05

國家自然科學(xué)基金(40371047,30871045);廣西科技廳攻關(guān)項(xiàng)目(0632006-3A)

曹艷霞(1983—),女,山東濰坊人,碩士研究生,研究方向?yàn)橄魃鷳B(tài)。E-mail:caoyanxia110@163.com

王備新,副教授。E-mail:wangbeixin@njau.edu.cn

(收稿日期:2009-01-16 編輯:徐 娟)