張 欣,徐宗學(xué),劉麟菲,竇同文,趙長(zhǎng)森,王博涵

(1.大連海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院,遼寧 大連 116023; 2.大連海洋大學(xué)遼寧省水生生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連 116023; 3.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院,北京 100875; 4.北京師范大學(xué)水沙科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875;5.濟(jì)南市水文局,山東 濟(jì)南 250000; 6.北京師范大學(xué)地理與遙感科學(xué)學(xué)院,北京 100875)

評(píng)估水生態(tài)健康是有效保護(hù)、合理利用河流資源的前提。城市化和工業(yè)化的快速進(jìn)程導(dǎo)致水生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重威脅,水生態(tài)系統(tǒng)承受越來(lái)越大的壓力,水源枯竭、水體污染和富營(yíng)養(yǎng)化及河道斷流等問(wèn)題頻頻出現(xiàn)[1]。如何運(yùn)用有效的方法評(píng)價(jià)河流健康成為亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

生物監(jiān)測(cè)方法已經(jīng)廣泛用于水生態(tài)健康評(píng)價(jià)[2]。與化學(xué)或物理監(jiān)測(cè)相比,生物群落結(jié)構(gòu)特征能直接體現(xiàn)出水體中各種化學(xué)、物理、生物因子的綜合作用,更好地反映水生態(tài)健康狀況[3]。在水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)中,采用生物完整性指數(shù)(index of biotic integrity, IBI)評(píng)價(jià)水生態(tài)健康狀況是目前應(yīng)用較為廣泛的方法[4]。不同生物類(lèi)群在河流生態(tài)系統(tǒng)中具有特殊的位置與生態(tài)功能,在一定程度上可指示生態(tài)系統(tǒng)變化[5]。近年來(lái),以底棲動(dòng)物完整性指數(shù)評(píng)價(jià)河流生態(tài)健康普遍得到業(yè)界人士認(rèn)可[6-8]。但底棲動(dòng)物完整性指數(shù)(benthic integrated biotic index,B-IBI)在以城市為對(duì)象的水庫(kù)、湖泊等靜水生態(tài)系統(tǒng)中研究較少。其原因是:一方面,城市是一個(gè)高度管理的系統(tǒng),行政區(qū)內(nèi)按水體功能分飲用水源區(qū)、自然景觀區(qū)、農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)等。復(fù)雜的水體功能體系和強(qiáng)烈的人類(lèi)干擾致使構(gòu)建B-IBI過(guò)程中在參照點(diǎn)確立和評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選上難度增大;另一面,水庫(kù)大多位于河流上游區(qū),參照點(diǎn)系統(tǒng)受干擾最小樣點(diǎn)難以確定，底棲動(dòng)物采樣困難大[9]。熊春暉等[10]采用“百分比模相似性(PMA)指數(shù)不小于50;水質(zhì)綜合指數(shù)在Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)以上”確定參照點(diǎn),該方法在以河流為樣點(diǎn)確定參照點(diǎn)上有一定科學(xué)性,但以水庫(kù)為樣點(diǎn)存在缺陷。其原因是水庫(kù)水體較深,底棲動(dòng)物種類(lèi)及數(shù)量較小且由于水庫(kù)受人類(lèi)保護(hù),水質(zhì)相對(duì)較好。池仕運(yùn)等[11]采用多元統(tǒng)計(jì)、探查水庫(kù)系統(tǒng)中潛在環(huán)境梯度的方法來(lái)確立參照點(diǎn)。該方法對(duì)今后國(guó)內(nèi)水庫(kù)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)具有較好參考價(jià)值。

河、庫(kù)水生態(tài)功能類(lèi)型不同,對(duì)其進(jìn)行生態(tài)健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也不同。本研究目的是明確城市河、庫(kù)參照點(diǎn)系統(tǒng)的確定方法,結(jié)合2014年河、庫(kù)共48個(gè)采樣點(diǎn)的生物和水質(zhì)環(huán)境等數(shù)據(jù),構(gòu)建適合濟(jì)南今后一段時(shí)期內(nèi)應(yīng)用的底棲動(dòng)物完整性指數(shù),為濟(jì)南市水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)、管理及生態(tài)修復(fù)提供技術(shù)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

濟(jì)南市為全國(guó)首家水生態(tài)文明建設(shè)試點(diǎn)城市,位于泰山北麓,地勢(shì)南高北低,區(qū)域海拔在-66～957 m之間。地處中緯度地帶,屬半濕潤(rùn)季風(fēng)型氣候,四季分明,春季干旱少雨,夏季溫?zé)岫嘤辍Ｄ昃鶜鉁?4.3℃,最高月均氣溫發(fā)生在6月份,為26.8～27.4℃,最低月均溫在1月份,其溫度范圍是-3.2～-1.4℃[12]。境內(nèi)3大水系分別為黃河水系、徒駭馬頰河水系和小清河水系,集水面積分別為2 778 km2、2 400 km2、2 792 km2。近年來(lái),隨著城市化和工業(yè)化速度加快,濟(jì)南市水資源不足和水污染問(wèn)題不僅降低了水體的使用功能,還將嚴(yán)重威脅到城市居民的飲水安全和身體健康。

1.2 樣品采集及數(shù)據(jù)的獲取

圖1 濟(jì)南市調(diào)查樣點(diǎn)分布

于2014年5—6月對(duì)濟(jì)南市36個(gè)河流監(jiān)測(cè)點(diǎn)及12個(gè)水庫(kù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行水質(zhì)和底棲動(dòng)物調(diào)查,濟(jì)南市調(diào)查樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。采用改良索伯網(wǎng)(35 cm×45 cm)在河流淺灘處進(jìn)行定量采集。對(duì)于較深河流或水庫(kù)樣點(diǎn)采用改良的彼得遜采泥器,每個(gè)樣點(diǎn)采集2次底泥。采泥器在樣點(diǎn)中采得的樣品為底棲動(dòng)物與底泥、腐屑等混合體,采用孔徑為40目的金屬篩對(duì)混合體進(jìn)行篩選,最后將篩洗后樣品放入白瓷盤(pán)中并挑出樣本于25 mL塑料瓶中,用95%的醫(yī)用酒精對(duì)樣品進(jìn)行保存。所有樣本帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行鑒定、計(jì)數(shù)與稱(chēng)量,樣本盡量鑒定到種[13-14]。

棲息地質(zhì)量評(píng)價(jià)采用棲息地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)(qualitative habitat evaluation index, QHEI),確定10個(gè)指標(biāo)(棲境復(fù)雜性、底質(zhì)類(lèi)型比、流速和水深、堤岸穩(wěn)定性、渠道化程度、河水水量變化、植被多樣性、水質(zhì)狀況、人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度、河岸土壤利用類(lèi)型),每項(xiàng)20分,共200分,分為4個(gè)等級(jí)(健康、較好、一般和較差),分?jǐn)?shù)越高代表?xiàng)⒌丨h(huán)境質(zhì)量越好。棲息地評(píng)分由同一人調(diào)查完成,以消除由于人為誤差導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果的不一致。評(píng)價(jià)指標(biāo)判定標(biāo)準(zhǔn)詳見(jiàn)文獻(xiàn)[15]。

1.3 B-IBI體系的構(gòu)建

1.3.1 參照點(diǎn)的確定及候選指標(biāo)篩選

底棲動(dòng)物易受外界影響導(dǎo)致其群落結(jié)構(gòu)波動(dòng)較大。筑壩蓄水能改變流域水文特征使水庫(kù)中底棲動(dòng)物群落發(fā)生改變[16],使得底棲動(dòng)物多樣性較河流區(qū)單一,因而水庫(kù)區(qū)和河流區(qū)健康狀態(tài)在本質(zhì)上是不同的。鑒于此,本文結(jié)合濟(jì)南市河流和水庫(kù)生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)并借鑒已有研究成果[11,16],分別對(duì)河流型和水庫(kù)型樣點(diǎn)建立B-IBI指標(biāo)體系。

參照點(diǎn)和受損點(diǎn)篩選是建立B-IBI指數(shù)的基礎(chǔ)。水庫(kù)不存在由于劇烈的人為影響對(duì)整個(gè)水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)造成難以及持久、不可逆轉(zhuǎn)的脅迫,因此采用專(zhuān)家判斷法難以確定參照點(diǎn)。本文采用多元統(tǒng)計(jì)分析方法—極點(diǎn)排序(bray-curtisordination)探查水生態(tài)系統(tǒng)中的環(huán)境梯度,根據(jù)各樣點(diǎn)在排序軸上得分,確定水庫(kù)型參照點(diǎn)[11]。對(duì)于河流型樣點(diǎn),由于濟(jì)南市人口密集,找到干擾點(diǎn)小或無(wú)干擾點(diǎn)較困難，因此,結(jié)合已有研究和實(shí)際情況,確立了參考點(diǎn)的兩個(gè)原則[17]:①棲息地評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)在110分以上,且河岸緩沖帶土地利用無(wú)農(nóng)田;②水質(zhì)綜合標(biāo)準(zhǔn)在Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)以上。

根據(jù)此次調(diào)查內(nèi)容及IBI應(yīng)用較為成熟的指標(biāo),共選擇了28個(gè)候選指標(biāo)[18-20](表1),力求盡可能反映環(huán)境變化對(duì)底棲動(dòng)物(群落豐富度、耐受能力、營(yíng)養(yǎng)級(jí)組成、多樣性等)的影響,從而能夠有效地監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)水環(huán)境質(zhì)量。

采用箱線圖分析上述候選指標(biāo)在參考點(diǎn)和受損點(diǎn)間的分布情況。根據(jù)Barbour等[21]的評(píng)價(jià)法,比較參考點(diǎn)和受損點(diǎn)25%～75%分位數(shù)的重疊情況,并分別賦值。本研究只對(duì)IQ(判別能力)不小于2的指標(biāo)作進(jìn)一步分析。

表1 構(gòu)建B-IBI指標(biāo)體系的生物參數(shù)

對(duì)保留下來(lái)的指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析。分析前對(duì)指標(biāo)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn),對(duì)于符合標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。若相關(guān)系數(shù)R<0.7則通過(guò)檢驗(yàn);若R>0.7,則兩個(gè)指標(biāo)之間存在冗余信息,需要選擇其中之一作為候選指標(biāo)。數(shù)據(jù)處理在SPSS 17.0軟件和Excel 2007中進(jìn)行。

1.3.2 評(píng)價(jià)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

目前IBI研究中應(yīng)用較多的方法包括:連續(xù)賦值法,1、3、5賦值法及比值法。本文選擇最常用的比值法,其中各參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化模式分為兩種情況。

a. 對(duì)于隨著干擾強(qiáng)度增大,數(shù)值變小的指標(biāo),其標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)方法為

Pm=Om/S0.95

(1)

式中:Pm與Om分別為第m個(gè)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)與原始觀測(cè)值;S0.95為第m樣點(diǎn)中的95%分位值。

b. 對(duì)于隨著干擾強(qiáng)度增大,數(shù)值增大的指標(biāo),其標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)方法為

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

(2)

式中:Xmax為第m個(gè)樣點(diǎn)的最大生物值;S0.05為第m個(gè)樣點(diǎn)中第5%分位值。

目前大多采用美國(guó)環(huán)保署推薦的方法,以參照點(diǎn)IBI值的25%分位值作為生態(tài)健康的閾值。由于本次研究的水庫(kù)型點(diǎn)位數(shù)量較少,為克服樣點(diǎn)群規(guī)模過(guò)小帶來(lái)精度過(guò)低的問(wèn)題,采用所有水庫(kù)樣點(diǎn)IBI分值的95%分位值作為最佳期望值,以便剔除極端值[22]。最終分別以河流樣點(diǎn)和水庫(kù)樣點(diǎn)IBI值的25%和95%分位值為最佳值進(jìn)行4等分,確定濟(jì)南市B-IBI體系的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),分別為健康、亞健康、一般、較差和極差5個(gè)等級(jí)。

2 結(jié)果與分析

在研究區(qū)內(nèi)共采到底棲動(dòng)物35種,隸屬于3門(mén)6綱14科。節(jié)肢動(dòng)物門(mén)2綱6科18種,占總種數(shù)的51%。其中昆蟲(chóng)綱15種,軟甲綱3種;軟體動(dòng)物門(mén)2綱7科12種,占總種數(shù)的34%;環(huán)節(jié)動(dòng)物門(mén)2綱3科5種,占總種數(shù)的15%。

圖3 河流樣點(diǎn)候選生物參數(shù)在參考點(diǎn)和受損點(diǎn)的箱線

2.1 參照點(diǎn)和受損點(diǎn)群的確立

根據(jù)12個(gè)水庫(kù)型樣點(diǎn)底棲動(dòng)物數(shù)據(jù)構(gòu)建矩陣,采用PC-ORD4.0軟件進(jìn)行極點(diǎn)排序(圖2)。結(jié)果表明軸1較為真實(shí)地反映了環(huán)境梯度,這是因?yàn)槠錁狱c(diǎn)在軸1排序軸分值越低,物種組成越以耐污種為主,組成物種多樣性越偏低。以所有樣點(diǎn)軸1排序分值的95%分位值為基點(diǎn)確定參考點(diǎn)位和受損點(diǎn)位,若樣點(diǎn)的B-IBI值大于95%,則作為參考點(diǎn)位,其他點(diǎn)位作為受損點(diǎn)位。經(jīng)統(tǒng)計(jì),95%分位值為

圖2 底棲動(dòng)物數(shù)據(jù)極點(diǎn)排序結(jié)果

0.9192。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)共篩選出3個(gè)參照點(diǎn)分別為J4、J9、J15,其余9個(gè)點(diǎn)位為受損點(diǎn)位。36個(gè)河流點(diǎn)位則通過(guò)棲息地評(píng)分及水質(zhì)級(jí)別的原則共選取了4個(gè)樣點(diǎn)作為參照點(diǎn),分別為J1、J3、J16、J45,其余點(diǎn)位作為受損點(diǎn)。

2.2 B-IBI評(píng)價(jià)體系

根據(jù)IQ評(píng)定方法,對(duì)候選指標(biāo)進(jìn)行箱型圖分析,如圖3、圖4所示。圖3、圖4表明河流點(diǎn)位的生物參數(shù)M3、M13、M15、M16、M18、M24、M25、M27、M28,水庫(kù)點(diǎn)位生物參數(shù)M3、M5、M11、M25、M28這些生物參數(shù)符合IQ值大于2的標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)入下一步分析。

對(duì)剩余的9個(gè)生物參數(shù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn),結(jié)果表明符合正態(tài)分布,通過(guò)Pearson相關(guān)性分析結(jié)果如表2所示。指標(biāo)M28與M16、M18、M25存在較強(qiáng)相關(guān)性,表明參數(shù)間包含冗余信息,選擇其一即可。M28基于底棲動(dòng)物敏感值的計(jì)算,是表示清潔種的重要指數(shù),能較好地反映水體的健康狀況[23],故保留M28。M27與M24具有強(qiáng)相關(guān)性,M27不僅能反映群落耐污特征,也能反映不同耐污類(lèi)群的豐度,故予以保留。M3與M15呈顯著相關(guān),因M3能較好反映群落豐富度,故保留M3指標(biāo)。根據(jù)以上篩選原則,選擇M3、M13、M27、M28個(gè)參數(shù)參與評(píng)價(jià)河流B-IBI指標(biāo)體系。

同理,水庫(kù)樣點(diǎn)中對(duì)保留下的5個(gè)生物參數(shù)進(jìn)行Pearson相關(guān)分析(表3)。M3與M28、M5與M11、M25與M28之間具有顯著關(guān)系。M3能反映清潔種群落豐富度,保留M3。而M25包含信息較多且在國(guó)內(nèi)外研究中屬常用指標(biāo),予以保留。由于水庫(kù)出現(xiàn)種類(lèi)數(shù)相對(duì)河流較為單一,而M5能反映群落豐度。經(jīng)以上篩選,最終選擇水生昆蟲(chóng)分類(lèi)單元數(shù)M3、優(yōu)勢(shì)分類(lèi)單元數(shù)M5和反映多樣性M25這3個(gè)參數(shù)作為水庫(kù)系統(tǒng)B-IBI指標(biāo)體系。

圖4 水庫(kù)樣點(diǎn)候選參數(shù)在參照點(diǎn)和干擾點(diǎn)的箱線

項(xiàng)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：**為在0.01水平(雙側(cè))顯著相關(guān);*為在0.05水平(雙測(cè))顯著相關(guān)。

表3 水庫(kù)樣點(diǎn)5個(gè)生物參數(shù)間Pearson相關(guān)分析

注：**為在0.01水平(雙側(cè))顯著相關(guān);*為在0.05水平(雙測(cè))顯著相關(guān)。

表5 生物參數(shù)與物理-化學(xué)環(huán)境因子相關(guān)性分析

2.3 核心指標(biāo)與環(huán)境因子關(guān)系

根據(jù)各生物指數(shù)在所有樣點(diǎn)的分布,采用比值法計(jì)算公式(表4),計(jì)算各樣點(diǎn)B-IBI值。

表4 比值法計(jì)算各參數(shù)分值的計(jì)算公式

注：Z為參數(shù)值。

水體理化性質(zhì)及周邊土地利用類(lèi)型不僅是水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,也是水生物生存環(huán)境的重要反映,直接影響著河流水生物的群落結(jié)構(gòu)特征。將通過(guò)篩選并計(jì)算得出的生物指標(biāo)與環(huán)境要素進(jìn)行相關(guān)分析,結(jié)果見(jiàn)表5。各生物指標(biāo)與環(huán)境因子大多存在顯著相關(guān)關(guān)系,表明這些環(huán)境因子作為河流周邊環(huán)境要素,對(duì)底棲動(dòng)物群落特征有重要影響。其中城建用地百分比與M3(r>0.65,p<0.05)、M27(r>0.57,p<0.05)具有較強(qiáng)負(fù)相關(guān)性,林地百分比與M25(r>0.58,p<0.05)、M27(r>0.56,p<0.05)具有較強(qiáng)正相關(guān)性。以上說(shuō)明土地利用類(lèi)型可通過(guò)影響棲息地質(zhì)量、營(yíng)養(yǎng)物濃度、底質(zhì)類(lèi)型對(duì)底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。氮元素作為水環(huán)境質(zhì)量關(guān)鍵指標(biāo),其濃度值與所有生物指標(biāo)(r>0.5,p<0.05)具有顯著相關(guān)性,這與之前研究[24]結(jié)論一致。TP、BOD濃度也均與部分生物指標(biāo)存在顯著相關(guān)，表明所選生物參數(shù)對(duì)人類(lèi)活動(dòng)影響下的環(huán)境因子具有較強(qiáng)敏感響應(yīng)。

2.4 確定健康等級(jí)閾值

將計(jì)算后的指數(shù)分值加和,即得到B-IBI指數(shù)值。河流區(qū)和水庫(kù)區(qū)分別用參照點(diǎn)的25%和95%分位值作為健康閾值,得出河流區(qū)和水庫(kù)區(qū)健康閾值分別為2.80和2.06,大于該值樣點(diǎn)均為健康狀態(tài),小于該值分布范圍進(jìn)行4等分,得到B-IBI的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表6)。

表6 河流樣點(diǎn)和水庫(kù)樣點(diǎn)B-IBI指標(biāo) 體系生態(tài)健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.5 B-IBI評(píng)價(jià)結(jié)果

濟(jì)南市水生態(tài)一級(jí)分區(qū)[25]和B-IBI體系的評(píng)價(jià)結(jié)果(圖5)表明濟(jì)南市整體健康狀況一般。河流型36個(gè)樣點(diǎn)中各7個(gè)處于“極差”和“較差”狀態(tài),各占總樣點(diǎn)19.4%;有11個(gè)樣點(diǎn)處于“一般”狀態(tài),占30.6%; 8個(gè)樣點(diǎn)處于“亞健康”狀態(tài),占22.2%;3個(gè)樣點(diǎn)為“健康”狀態(tài),占8.3%。3個(gè)健康采樣點(diǎn)位都位于Ⅲ黃河水生態(tài)區(qū),這可能與該區(qū)人口密度相對(duì)較小、土地利用類(lèi)型多以林草地為主有關(guān)?！耙话恪焙汀皝喗】怠秉c(diǎn)位大多集中在北部的Ⅰ徒駭馬頰河生態(tài)區(qū)。位于Ⅳ主城區(qū)及其周邊的采樣點(diǎn)多以“較差”狀態(tài)為主,這可能與城區(qū)人口密度密集、受城市污水等點(diǎn)源污染有關(guān)。由此看出,不同水生態(tài)區(qū)健康度具有明顯差異性,需要政府部門(mén)針對(duì)不同水生態(tài)區(qū)采取不同管理措施。

圖5 濟(jì)南市B-IBI體系評(píng)價(jià)結(jié)果

水庫(kù)點(diǎn)位于濟(jì)南市南部黃河生態(tài)區(qū)和東南部小清河生態(tài)區(qū),處于“健康”狀態(tài)點(diǎn)位有1個(gè),“亞健康”的點(diǎn)位有6個(gè),“一般”點(diǎn)位有4個(gè)。總體健康狀態(tài)較好,只有J13崮頭水庫(kù)為“極差”。其原因是持續(xù)的旱情,蒸發(fā)量增大,下游灌溉需要持續(xù)放水,導(dǎo)致幾乎干涸,大量水生生物死亡,對(duì)水庫(kù)的生態(tài)環(huán)境造成了較大影響。目前我國(guó)水庫(kù)主要安全隱患是由于庫(kù)灣以上河流營(yíng)養(yǎng)鹽的輸入造成各種藻類(lèi)水華的暴發(fā),使得庫(kù)區(qū)經(jīng)濟(jì)性魚(yú)類(lèi)大量死亡,造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。依本次研究情況來(lái)看,濟(jì)南市水庫(kù)健康狀況有所改善,這與當(dāng)?shù)卣块T(mén)監(jiān)督管理密不可分。從濟(jì)南市河庫(kù)水生態(tài)健康狀況來(lái)看,呈現(xiàn)出遠(yuǎn)郊區(qū)域水生態(tài)健康度優(yōu)于近郊的特點(diǎn),而市內(nèi)的健康狀況最差。

3 討 論

3.1 樣點(diǎn)分類(lèi)及參照點(diǎn)的確定

選擇適合的參考點(diǎn)對(duì)于構(gòu)建B-IBI體系及健康評(píng)估至關(guān)重要。較理想的參考點(diǎn)設(shè)置應(yīng)在不受損或受損程度最小的區(qū)域。由于濟(jì)南市經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),人口較為密集,找到無(wú)干擾或干擾小樣點(diǎn)作為參考點(diǎn)較困難。大多數(shù)研究者利用土地利用類(lèi)型所占百分比[26]、樣點(diǎn)上游有無(wú)點(diǎn)源污染及周?chē)袩o(wú)村莊和農(nóng)田[27]、水質(zhì)等級(jí)在Ⅱ類(lèi)以上和棲息地評(píng)分在150分以上且河岸緩沖帶土地利用無(wú)農(nóng)田[17]、底棲動(dòng)物多樣性指數(shù)值大于3[18]作為參考點(diǎn)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。由于本次研究區(qū)域中水庫(kù)周?chē)丝诿芏认鄬?duì)較低,同時(shí)也進(jìn)行了封山育林等,且水庫(kù)特有的形態(tài)結(jié)構(gòu)使其在物理、化學(xué)、生物特性均與河流特性存在差異性,表現(xiàn)在由激流環(huán)境到靜水環(huán)境的過(guò)渡。因此,對(duì)于水庫(kù)樣點(diǎn),采用河流的參照點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)不太適用。在本研究中,河流和水庫(kù)分開(kāi)評(píng)價(jià),采用不同的方法選擇參照點(diǎn)位。河流點(diǎn)位參照點(diǎn)選擇標(biāo)準(zhǔn):①棲息地評(píng)價(jià)在110分以上,且河岸緩沖帶土地利用無(wú)農(nóng)田;②水質(zhì)綜合標(biāo)準(zhǔn)在Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)以上。水庫(kù)點(diǎn)位則是依靠生物數(shù)據(jù)進(jìn)行極點(diǎn)排序方法確立受損點(diǎn)和參照點(diǎn),這種分組方法較為客觀,反映出生物指數(shù)之間的變化關(guān)系,也有學(xué)者進(jìn)行過(guò)這種嘗試。Velk等[28]對(duì)荷蘭地表水體建立B-IBI指數(shù)時(shí),首先通過(guò)對(duì)水化學(xué)參數(shù)進(jìn)行站點(diǎn)的篩選,力圖使這些樣點(diǎn)涵蓋各種類(lèi)型環(huán)境壓力,然后通過(guò)生物數(shù)據(jù)聚類(lèi)分析,給樣點(diǎn)確定不同生態(tài)狀態(tài)等級(jí)來(lái)進(jìn)行參數(shù)篩選。

3.2 生物指數(shù)的篩選與健康評(píng)價(jià)

不同生態(tài)區(qū)的地表水底質(zhì)類(lèi)型和環(huán)境狀況不同,底棲動(dòng)物組成也不同,構(gòu)建B-IBI指標(biāo)體系也不同。在徒駭河生態(tài)區(qū)及小清河生態(tài)區(qū)底棲動(dòng)物組成以甲殼動(dòng)物、軟體動(dòng)物和雙翅目中的搖蚊等耐污種為主,黃河生態(tài)區(qū)和小清河生態(tài)區(qū)的水庫(kù)點(diǎn)位以水生昆蟲(chóng)等清潔種為主。另外由于水庫(kù)水位較深,DO含量減少,導(dǎo)致水庫(kù)型底棲動(dòng)物多樣性低于河流。因此,對(duì)于不同水體類(lèi)型選擇合適的生物參數(shù)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果起關(guān)鍵性作用。通過(guò)箱體圖及相關(guān)性分析,最終在河流型樣點(diǎn)中選擇了水生昆蟲(chóng)分類(lèi)單元數(shù)、甲殼動(dòng)物和軟體動(dòng)物個(gè)體百分比、BI指數(shù)和BWMP指數(shù)4個(gè)指標(biāo);水庫(kù)型樣點(diǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇了水生昆蟲(chóng)分類(lèi)單元數(shù)、優(yōu)勢(shì)分類(lèi)單元數(shù)和反映多樣性3個(gè)指標(biāo)。不同生物參數(shù)對(duì)不同類(lèi)型的人為活動(dòng)響應(yīng)敏感性具有差異性[29]。由表5可知,各參數(shù)在子流域尺度上,與城市用地百分比和林地百分比均具有顯著影響,其中水生昆蟲(chóng)分類(lèi)單元數(shù)與城市用地相關(guān)性最高(R2=-0.669)。在河段尺度上,優(yōu)勢(shì)分類(lèi)單元數(shù)與水質(zhì)指標(biāo)(TP)相關(guān)性最高(R2=0.758)。表明本次所選生物指標(biāo)能夠在不同程度上反映出不同環(huán)境因子下的脅迫,所構(gòu)建的B-IBI指標(biāo)體系能有效地評(píng)價(jià)濟(jì)南市水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。

通過(guò)對(duì)水生態(tài)健康評(píng)價(jià),其結(jié)果顯示:濟(jì)南市處于“健康”、“亞健康”、“一般”、“差”、和“極差”狀態(tài)的采樣點(diǎn)分別占采樣數(shù)的8.33%、29.17%、31.25%、14.58%、16.67%。健康狀況為“差”和“極差”的樣點(diǎn)主要分布在主城區(qū)及各支流下游。主城區(qū)為濟(jì)南市經(jīng)濟(jì)圈的重要組成部分,發(fā)達(dá)的工農(nóng)業(yè)和強(qiáng)烈的人類(lèi)活動(dòng)給水生態(tài)造成巨大脅迫,尤其是城市周邊的河流污染更為嚴(yán)重且河道存在部分渠化,植被覆蓋率偏低,河岸緩沖帶大量被侵占。黃河區(qū)的健康狀態(tài)較好,該區(qū)域位于南部山區(qū),以林草地為主,人類(lèi)開(kāi)發(fā)程度較低,水系受人類(lèi)干擾程度較弱。評(píng)價(jià)表明人類(lèi)活動(dòng)與河流生態(tài)系統(tǒng)健康關(guān)系密切。在最南部的J3點(diǎn)位水質(zhì)和棲息地質(zhì)量較好,河道底質(zhì)多為卵石和礫石,生境狀況也有利于附著性水生昆蟲(chóng)生存,該點(diǎn)為濟(jì)南市水生態(tài)健康最優(yōu)點(diǎn)位,幾近自然狀態(tài)。濟(jì)南市北部徒駭馬頰生態(tài)區(qū)地勢(shì)較為平坦,土地利用類(lèi)型以農(nóng)田為主,大量施肥導(dǎo)致周邊河流在徑流方式下形成非點(diǎn)源污染。該區(qū)域生態(tài)健康狀況多為“一般”狀態(tài),隨著農(nóng)業(yè)和城市用地面積比例增加,生態(tài)健康狀況令人擔(dān)憂。

3.3 構(gòu)建的底棲動(dòng)物完整性體系的適宜性

自Karr[30]提出生物完整性指數(shù)并應(yīng)用水生態(tài)健康評(píng)價(jià)以來(lái),B-IBI是目前應(yīng)用最廣泛的水生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)之一,用來(lái)評(píng)估人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水體生態(tài)狀況影響。棲息地質(zhì)量反映的是河岸帶受人類(lèi)長(zhǎng)期干擾的狀況,能夠綜合環(huán)境各要素的結(jié)構(gòu)體系,對(duì)于城市采樣點(diǎn),棲息地受到嚴(yán)重的人為影響,進(jìn)而導(dǎo)致河流生態(tài)完整性下降。因此,環(huán)境棲息地評(píng)分能夠很好地驗(yàn)證B-IBI指數(shù)適宜性。采用Spearman非參數(shù)性檢驗(yàn)方法,分析得到B-IBI與河流棲息地評(píng)分的相關(guān)關(guān)系(圖6)。由圖6可知,B-IBI與棲息地生境質(zhì)量評(píng)分呈顯著的線性正相關(guān)(R2=0.58,P<0.01),說(shuō)明B-IBI隨生境質(zhì)量提高而增大。

圖6 B-IBI與環(huán)境棲息地評(píng)分的相關(guān)關(guān)系

水庫(kù)的生態(tài)作用主要是調(diào)蓄工農(nóng)業(yè)及生活用水,且本次采樣的水庫(kù)大多為水源地,生境條件大多為良好。本文通過(guò)極點(diǎn)排序方法揭示主要的環(huán)境壓力(第1軸分值),與B-IBI進(jìn)行相關(guān)性分析(圖7)。結(jié)果顯示兩者具有明顯線性相關(guān)(R2=0.644,P<0.01),表明構(gòu)建的指數(shù)能夠反映潛在的環(huán)境壓力,適用于水庫(kù)的水生態(tài)健康評(píng)價(jià)。

圖7 B-IBI與軸1的相關(guān)關(guān)系

4 結(jié) 論

a. 采用不同的方法與標(biāo)準(zhǔn)確立河流型和水庫(kù)型參照點(diǎn)和受損點(diǎn),應(yīng)用B-IBI體系篩選出河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo):水生昆蟲(chóng)分類(lèi)單元數(shù)、甲殼動(dòng)物和軟體動(dòng)物個(gè)體百分比、BI指數(shù)和BWMP指數(shù)4個(gè)指標(biāo);水庫(kù)健康評(píng)價(jià)指標(biāo):水生昆蟲(chóng)分類(lèi)單元數(shù)、優(yōu)勢(shì)分類(lèi)單元、多樣性指數(shù)這3個(gè)指標(biāo)，分別用于濟(jì)南市河流和水庫(kù)水體健康評(píng)價(jià)。

b. 濟(jì)南市水生態(tài)環(huán)境整體處于一般狀態(tài),濟(jì)南中部健康狀況不容樂(lè)觀,較多處于極差或較差狀態(tài)。南部山區(qū)總體狀態(tài)較好,只有個(gè)別干流樣點(diǎn)生物完整性較低。水庫(kù)型樣點(diǎn)總體較為健康,只有1個(gè)水庫(kù)面臨庫(kù)水干竭,生態(tài)環(huán)境面臨退化的威脅,這與人類(lèi)及自然環(huán)境共同影響有關(guān)。

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