蘇 玉，曹曉峰，黃 藝＊＊

(1:北京大學環(huán)境科學與工程學院，北京100871)

(2:北京大學環(huán)境與能源學院，深圳518055)

湖泊流域是指由流域分水線所構成的湖泊及其集水區(qū)域，包括湖泊、河流、水庫、濕地及陸地等，而入湖河流作為匯入湖泊的源頭，其健康與人類生存發(fā)展關系密切，其生態(tài)環(huán)境的評價不僅要從理化指標和生物類群的角度出發(fā)進行監(jiān)測評價，更注重從生態(tài)系統(tǒng)角度，客觀反映河流健康狀況［1-2］.生物完整性指數(shù)(Indexof Biotic Integrity，簡稱IBI)是對所研究生態(tài)系統(tǒng)的完整性進行表征，反映其生物的結構和功能，及生物生存環(huán)境在受到干擾后，以其反應敏感的生物參數(shù)對生態(tài)系統(tǒng)進行評價的一種評價方法.IBI作為生態(tài)系統(tǒng)健康評價的指標之一，主要是從生物類群的組成和結構兩方面反映生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，通過定量描述生物特性與非生物因子的關系，建立起來的對環(huán)境干擾最敏感的生物參數(shù)［3-4］，這些生物參數(shù)主要包括反映群落豐度的指標，反映生物耐污能力的指標，反映生物營養(yǎng)狀況的指標等.一個健康的生態(tài)系統(tǒng)，必須是結構完整、功能齊全的系統(tǒng)，因此，用IBI評估生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)的方法，逐漸得到生態(tài)研究者的認同.

IBI評價法最初由Karr提出［5］，以魚類為研究對象，構建以魚類為主的完整性指數(shù)(Fish-Index of Biotical Integrity，簡稱 F-IBI)運用于美國的河流［3］.隨后，研究者根據(jù)河流狀態(tài)，研究了以藻類［6］、浮游生物［7］、高等水生植物［4］和大型底棲無脊椎動物［8-10］等為觀測對象的IBI水生態(tài)系統(tǒng)健康評估指標體系.IBI對河流進行完整性評價是在1990s后才真正得到廣泛應用，如F-IBI指數(shù)及評價標準.而美國環(huán)保署(EPA)建立的以底棲動物為基礎的評價指數(shù)(Benthic Integrity Biotic Index，簡稱B-IBI)，標準已經(jīng)成功應用于16個州的河流健康評價［11-13］;墨西哥中西部使用B-IBI評價土地利用方式對溪流生態(tài)系統(tǒng)的影響［14］.依據(jù)B-IBI各國學者提出了基于多度量指數(shù)概念的多度量指數(shù)法進行水生物評價，如美國有48個州以底棲動物進行評價，29個州以魚類進行評價，4個州以藻類進行評價，26個州使用一個以上的生物進行評價［3］.

我國對B-IBI的研究始于1990s，Morse等于1994年通過編寫并出版我國第一本水生昆蟲學專著《Aquatic insects of China Useful for Monitoring Water Quality》［15］，使用 EPT(E:蜉蝣目，P:褶翅目，T:毛翅目)分類單元數(shù)首次在國內(nèi)評價了安徽九華河的水質［16］.王備新等以安徽黃山地區(qū)的溪流為研究對象，首次在我國對B-IBI指標的構建及其與理化指標的關系進行研究［2］.張遠等為了在更廣泛的區(qū)域內(nèi)推廣B-IBI，以遼河流域的河流為研究對象，對B-IBI指標體系的構建方法、指標選擇和評價標準進行研究，為我國北方河流的 IBI評價提供依據(jù)［1］.

綜合來看，IBI應用于湖泊流域入湖河流的評價較少，而湖泊流域作為一個完整的社會、經(jīng)濟、自然的復合生態(tài)系統(tǒng)，其匯入源-入湖河流對湖泊的能流、物流和信息傳遞都具有重要影響，而且陸地對入湖河流通過“匯”也影響到湖泊.因此，利用入湖河流的生態(tài)系統(tǒng)完整性進行研究，從而為湖泊流域的主要受納水體-湖泊的生態(tài)修復和管理提供依據(jù).本文以滇池流域為研究對象，首次用B-IBI評價滇池流域入湖河流水生態(tài)系統(tǒng)健康，以期為建立滇池流域入湖河流生物完整性評價指標體系及標準，并為我國高原湖泊的生態(tài)系統(tǒng)健康管理提供依據(jù).

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

滇池流域是我國典型的高原淡水湖泊流域，位于云貴高原中部(24°29'～25°28'N，102°29'～103°01'E)，流域總面積為2920 km2.流域內(nèi)共有29條河流從北部、東部和南部輻射狀匯入滇池，與此同時，只有西部1條河流(?？诤?作為滇池出水口.滇池流域具有干濕分明的低緯度高原季風氣候特征，其降水量主要集中在每年5-10月的豐水期，約占全年總量的80%;而在11月-次年4月的枯水期，流域29條入湖河流中的20條水庫下游河流會出現(xiàn)3～6個月不同程度的斷流.

1.2 樣品采集與分析

2009年7-8月(豐水期)和2010年1-2月(平水期)，選取滇池流域29條入湖河流采集大型底棲動物:選用面積為1/16 m2的彼得森采泥器，每個樣點采集3次底泥.采泥器在樣點中采得的樣品為底棲動物與底泥、腐屑等混合體.采用孔徑為40目的金屬篩對混合體進行篩選，將篩選出的底棲動物放入裝有7%甲醛溶液的30 ml塑料瓶中.把每個樣點所采集的底棲動物按不同種類準確地統(tǒng)計個體數(shù)，根據(jù)采樣器開口面積計算出1 m2內(nèi)的數(shù)量(即密度).底棲動物的種類鑒定到屬［17-18］.

2009年1月-2010年1月進行水體理化指標監(jiān)測，共10項，包括酸堿度(pH)、水溫(WT)、懸浮物(SS)和溶解氧(DO)共 4項物理指標，以及氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、生化需氧量(BOD)、硝態(tài)氮(-N)6項化學指標;樣品采集和保存依據(jù)文獻［19］進行，樣品測定依據(jù)GB/T 3838-2002［20］進行，并均由云南省昆明市環(huán)境監(jiān)測中心完成.

1.3 布點原則與樣點類型劃分

布點原則主要依據(jù)湖泊流域生態(tài)水文過程的完整性，一共為38個樣點.在上游9個水源地(S1自衛(wèi)村水庫、S2松花壩、S3東白沙河水庫、S4寶象河水庫、S5柴河水庫、S6果林水庫、S7松茂水庫、S8雙龍水庫、S9映山水庫)出水口處分別布設采樣點;在滇池流域29條入湖河流(由北至南依次為S10王家堆渠、S11新運糧河、S12老運糧河、S13烏龍河、S14大觀河、S15西壩河、S16船房河、S17采蓮河、S18金家河、S19盤龍江、S20大青河、S21海河、S22六甲寶象河、S23小清河、S24五甲寶象河、S25蝦壩河、S26老寶象河、S27新寶象河、S28馬料河、S29洛龍河、S30撈魚河、S31南沖河、S32淤泥河、S33老柴河、S34白魚河、S35茨巷河、S36東大河、S37中河和S38古城河)下游且避開滇池回水15～20 m的區(qū)域內(nèi)布設采樣點(圖1).樣品采集時間是2009年7-8月(豐水期)和2010年1-2月(平水期).

樣點劃分原則參照點是以人類干擾程度作為劃分依據(jù)，將點位分為參照點(無干擾點和干擾極小樣點)和干擾點定.本研究選擇樣點附近無村莊和農(nóng)田、植被覆蓋率高且環(huán)境受到人為保護、污染小的水源地為參照點;人為活動明顯(具有點源和非點源污染、城鎮(zhèn)化等)的樣點為干擾點.根據(jù)以上原則，所布設的38個樣點中，位于水源地出水口處的樣點(S1～S9)為參照點，位于29條入湖河流入湖口處的點(S10～S38)為干擾點.

1.4 B-IBI評價方法

1.4.1 生物參數(shù)的構建 用于構建B-IBI的生物參數(shù)常見的有三類:與群落和結構功能有關的參數(shù)，如多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)和分類單元數(shù)等;與生物的耐污能力有關的指數(shù)，如耐污生物指數(shù)等;與生物習性有關的生物參數(shù)，如粘附著豐度%.

1.4.2 生物參數(shù)篩選 構建B-IBI的生物參數(shù)必須對環(huán)境的理化因子變化敏感，一般通過對參數(shù)進行分布范圍、判別能力分析、相關分析來進一步篩選參數(shù).

1)生物參數(shù)對干擾的分布范圍分析:計算各個生物參數(shù)值，分析所建立的生物參數(shù)對人類干擾的反應，保留隨人類干擾的增強而單向遞增或遞減的參數(shù).以此為基礎，進一步分析參照點參數(shù)值的分布范圍，篩除:①對隨干擾增強而生物參數(shù)值遞減的參數(shù)，參數(shù)值過小，說明受干擾后參數(shù)值可變范圍窄，不宜作為構建B-IBI的參數(shù);對隨干擾增強而生物參數(shù)值遞增的參數(shù)，參數(shù)值過大也不適宜考慮;②參數(shù)值分布散、標準差大，說明該參數(shù)不穩(wěn)定，也不考慮.

2)判別能力分析:判別能力分析采用箱線圖法，分析參照點和干擾點的各個生物參數(shù)的分布情況.依據(jù)Barbour等［22］評價法，比較參照點和受損點的25%～75%分位數(shù)范圍(箱體IQ)的重疊情況，分別對其進行賦值，會有5種不同賦值(小長方形表示中位數(shù)):A:無重疊，設IQ=3;B:部分重疊，且各自中位數(shù)都在對方箱體之外，IQ=2;C、D:只有一個中位數(shù)在對方箱體之內(nèi)，IQ=1;E:各自中位數(shù)均在對方箱體之內(nèi)，IQ=0.選擇IQ≥2的參數(shù)進一步分析(圖2).

3)相關分析:余下的生物參數(shù)進行Spearman相關分析，其相關系數(shù)的大小反映了生物參數(shù)的重疊程度，選擇相關系數(shù)|r|＞0.75的生物參數(shù)之一，以保證構成B-IBI生物參數(shù)的獨立性.

通過生物參數(shù)篩選的3個步驟，可以確定構成B-IBI生物參數(shù)組.

圖1 滇池流域采樣點分布Fig.1 Sampling sites in Lake Dianchi catchment

圖2 箱線圖法分析的IQ分值Fig.2 IQ values of Box-plots method analysis

1.4.3 統(tǒng)一評價量綱 對生物參數(shù)進行計分的目的是統(tǒng)一評價量綱，目前常用的生物參數(shù)計分法有:3分法、4分法和比值法［11］，比值法優(yōu)于3分法和4分法［2］.因此，本研究采用比值法計算生物參數(shù)的分值.具體方法是:①對于隨著干擾增大則數(shù)值越低的生物參數(shù)，以95%分位數(shù)為最佳期望值，參數(shù)分值為:該生物參數(shù)值/95%分位數(shù);②對于隨著干擾增大而數(shù)值越高的生物參數(shù)，以5%分位數(shù)為最佳期望值，參數(shù)分值為:(最大參數(shù)值－該生物參數(shù)值)/(最大參數(shù)值－5%分位數(shù)).

1.4.4 確定評價標準 根據(jù)比值法得到各個生物參數(shù)分值，B-IBI指數(shù)值為各個參數(shù)分值的累加和.將參照點B-IBI指數(shù)值分布的25%分位數(shù)作為健康評價的標準，若干擾點的B-IBI值大于25%分位數(shù)值，則認為該樣點是健康的.將小于25%分位數(shù)值的分布范圍4等分，劃分不同的健康等級，因此得到健康、亞健康、一般、較差和極差5個等級的劃分標準.

文中的統(tǒng)計分析均在SPSS 17.0中完成.

2 結果

2.1 構建生物參數(shù)

根據(jù)相關文獻和底棲動物數(shù)據(jù)結果，本研究選擇了反映群落豐富度、群落種類個體組成、營養(yǎng)級組成和生物耐污能力4類、19個生物參數(shù)作為滇池流域入湖河流底棲動物完整性評價的備選參數(shù)，以揭示環(huán)境的改變對底棲動物的群落結構和功能的影響(表1).

2.2 參數(shù)篩選

(甲殼動物+軟體動物)%(M6)、軟體動物%(M9)、寡毛類密度/蛭綱密度(M13)、雜食者%(M16)和刮食者%(M17)這5個生物參數(shù)的75%分位數(shù)分別為0.14、0.11、0.67、0和0.01(表2)，表明隨著污染程度的增強，這些生物參數(shù)的值可變范圍很窄，因此不作為構建B-IBI的參數(shù)體系.因此，對余下的14個生物參數(shù)進行判別能力分析.

根據(jù)Barbour等的評價方法和篩選原則，比較所有樣點在25%～75%分位數(shù)的范圍，即用箱線圖法作圖得到箱體IQ的重疊情況，分別利用SPSS軟件畫出箱線圖分析14個生物參數(shù)的判別能力.結果表明，(甲殼動物+軟體動物)分類單元數(shù)(M3)、寡毛綱%(M10)、水絲蚓%(M11)、搖蚊%(M12)、集食者%(M14)、捕食者%(M15)、耐污類群%(M18)和Goodnight指數(shù)(M19)的IQ都≥2，將其保留進一步分析，其余生物參數(shù)的IQ值為1或0，將其刪除.因此，剩余的8個生物參數(shù)進入下一步分析.

表1 構建B-IBI指標體系的生物參數(shù)對干擾的反應Tab.1 Candiate biological parameters for B-IBI and their expected direction of reponse to disturbance

表2 19個生物參數(shù)在10個參照點中的分布情況Tab.2 Distribution of 19 biological parameters from 10 reference sites

為檢驗各參數(shù)所反映的信息獨立性［21］，對經(jīng)過判別能力分析得到的8個生物參數(shù)進行Spearman相關分析，使各個生物參數(shù)至少能提供一條新的而非重復的信息.采用Maxted標準，對|r|＞0.75代表的兩個高度相關的參數(shù)，取其之一［21-22］.結果表明(表3):水絲蚓%(M11)、集食者%(M14)、Goodnight指數(shù)(M19)與寡毛綱%(M10)，集食者%(M14)、Goodnight指數(shù)(M19)與水絲蚓%(M11)，搖蚊%(M12)與捕食者%(M15)，集食者%(M14)與Goodnight指數(shù)(M19)顯著相關.反映生物營養(yǎng)組成的捕食者%(M15)與反映群落種類個體組成的搖蚊%(M12)高度相關(r=0.899)，考慮到捕食者%包含的信息多于搖蚊%，因此刪除搖蚊%(M12)，保留捕食者%(M15);反映群落種類個體組成的寡毛綱%(M10)、水絲蚓%(M11)與反映生物營養(yǎng)組成的集食者%(M14)、Goodnight指數(shù)(M19)高度相關(r均在0.9以上)，考慮到集食者%(M14)包含的信息較多，將其保留，因此刪除寡毛綱%(M10)和Goodnight指數(shù)(M19);集食者%(M14)與水絲蚓%(M11)的相關系數(shù)r為0.913，考慮集食者%(M14)包含的信息較多，因此刪除水絲蚓%(M11)，保留集食者%(M14).根據(jù)以上篩選方法，將(甲殼動物+軟體動物)分類單元數(shù)(M3)、集食者%(M14)、捕食者%(M15)和耐污類群%(M18)作為計算B-IBI的指標體系.

表3 8個生物參數(shù)間的Spearman相關矩陣分析結果Tab.3 Spearman’s correlation matrix of 8 candidate biological parameters

表4 比值法計算4個生物參數(shù)值的公式Tab.4 Formulas for calculating four biological parameters by ratio scoring method

2.3 分值計算

根據(jù)所有樣點值的分布，確定使用比值法的計算公式(表4)，以此計算各樣點的BIBI值.

2.4 評價標準

將4個生物參數(shù)由表4計算所得的值相加，即得到B-IBI指數(shù)值.用參照點25%分為數(shù)值作為健康標準，大于該值的樣點均為健康狀態(tài)，小于25%分為數(shù)值的進行4等分，即得到滇池流域底棲動物的 B-IBI指數(shù)值的評價標準:大于1.62為健康;1.03～1.62為亞健康;0.31～1.03為一般;0.10～0.31為較差;0～0.10為極差.依據(jù)此評價標準，對滇池流域38個樣點進行底棲動物完整性的狀況進行評價.結果表明，在滇池流域的所有樣點中，16個為健康，5個為亞健康，6個為一般，6個為較差，5個為極差.

2.5 B-IBI與理化因子的關系

采用Spearman相關系數(shù)分析B-IBI與10個理化因子的關系(表5)，結果表明，B-IBI與-N的相關系數(shù)最大，為－0.354，其次為WT，與其他理化因子的相關性不大.

表5 B-IBI值與理化指標的相關系數(shù)Tab.5 Correlation coefficient between B-IBI and physicochemical parameters

3 討論與結論

構建B-IBI參照點的選擇應當基于健康的河流選擇無干擾和干擾小的樣點.Barobour在人為干擾極小的小溪流上設置參照點，以此評價福羅里達州的溪流健康［21］，Maxted選擇參照點是以土地利用方式、生境質量和水體理化指標為依據(jù)進行選擇［23］;王備新等用底棲動物評價安徽黃山的溪流健康時，基于的原則是:選擇無居民和農(nóng)作物、森林覆蓋率90%以上的為無干擾點，選擇上游無點源污染，上下游5 km內(nèi)無村莊等條件為干擾極小點，以此確定11個樣點為參照點［2］.然而，國內(nèi)外并沒用選擇參照點的統(tǒng)一標準，受自然和人為干擾的雙重影響，尋找健康的河流是不現(xiàn)實的［24］.因此，參照點的選擇應以研究區(qū)域的差異為基礎，選擇相對干擾小的點位.

通過分析滇池流域的遙感數(shù)據(jù)可知，其所在水源地區(qū)域林地面積平均在70%以上，耕地占5%～23%左右，農(nóng)村居民地不足5%，無城鎮(zhèn)及工礦用地分布，水源地地區(qū)植被覆蓋度高、人為產(chǎn)生的污染，導致水體環(huán)境基本沒有受到干擾.以滇池流域的9個水源地采樣點作為滇池流域B-IBI的參照點，保證了IBI評估中參考點必須無人類影響或人類干擾較小的要求.而本文的評估結果也證明，對于上游具有未被干擾的水源地的湖泊流域，可參考選擇水源地水體作為B-IBI評估的對照點，

不同的地理區(qū)或生態(tài)區(qū)，底棲動物的組成也不相同.根據(jù)傅伯杰等的中國生態(tài)區(qū)劃方案［25］，本文樣點來自兩個生態(tài)區(qū):云貴高原南部濕潤常綠闊葉林生態(tài)區(qū)和云貴高原北部半濕潤常綠闊葉林生態(tài)區(qū).調(diào)查結果表明，兩個區(qū)的底棲動物組成具有相似性，而參照點(水源地)主要來自一個生態(tài)區(qū).以后研究應該在條件允許的情況下，盡量選用一個生態(tài)區(qū)內(nèi)的樣點進行分析.另外，本文根據(jù)滇池流域2期(豐水期和平水期)的底棲動物數(shù)據(jù)結果，對滇池流域底棲動物完整性指數(shù)及標準進行初步研究，而只有長期對底棲動物數(shù)據(jù)進行監(jiān)測和分析，才能對底棲動物群落結果和水質的關系進行較準確的研究.

4 結論

1)通過指數(shù)分布范圍、相關分析和判別能力分析，得到滇池流域B-IBI由(甲殼動物+軟體動物)分類單元數(shù)、集食者%、捕食者%和耐污類群%組成.

2)滇池流域B-IBI評價結果表明，38個樣點中，16個為健康，5個為亞健康，6個為一般，6個為較差，5個為極差.

3)Spearman相關分析表明，影響滇池流域B-IBI的最大的理化因子是-N和WT.

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