黃彬彬，李光錦, 豐茂成, 陳宇煒, 涂 潔

(鄱陽湖流域水工程安全與資源高效利用國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330099)

1 研究背景

近年來，在全球氣候變化以及人類活動的雙重影響下，河流生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了不同程度的退化，河流生態(tài)系統(tǒng)健康受到威脅[1]，河流水生態(tài)系統(tǒng)的健康越來越受到人們的關(guān)注及重視。眾多的評價(jià)方法被應(yīng)用于水生態(tài)系統(tǒng)的健康評價(jià)[2-5]，其中利用水生生物評價(jià)河流生態(tài)系統(tǒng)的健康是目前廣泛使用的評價(jià)方法之一[6]。生物完整性指數(shù)(IBI)自1981年Karr[7-8]提出之后，已經(jīng)成為用來評價(jià)河流生態(tài)系統(tǒng)健康的主要方法，它通過從選取的候選參數(shù)中篩選出若干個(gè)對人類干擾較敏感的生物參數(shù)，建立評價(jià)體系來評價(jià)水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況[9-10]。從Karr[7]選擇指示生物魚類為研究對象起，其他研究人員將研究對象逐漸擴(kuò)展到藻類[11]、浮游生物[12]和底棲動物[13]等生物，利用這些生物建立生物完整性指數(shù)體系對水生態(tài)系統(tǒng)的健康進(jìn)行評價(jià)。

底棲動物是水生態(tài)系統(tǒng)中分布極其廣泛的物種之一，生活在水體底層，對河流生態(tài)系統(tǒng)的能量流與物質(zhì)流的循環(huán)起著重要的作用，底棲動物生命周期短，不同物種對于環(huán)境的干擾通常表現(xiàn)出較大的敏感差異性[14]，能很好地指示水生態(tài)系統(tǒng)的變化，因此廣泛應(yīng)用于水生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)[15-18]。Kerans等[19]最早基于底棲動物建立生物完整性指數(shù)對河流進(jìn)行健康評價(jià)，至今底棲動物的完整性指數(shù)(B-IBI)已成為研究評價(jià)河湖水生態(tài)系統(tǒng)健康的重要方法之一。我國利用B-IBI進(jìn)行河湖健康評價(jià)起步較晚，自2000年王備新等[20]開展相關(guān)研究以來，才漸漸被國內(nèi)研究人員應(yīng)用于不同地區(qū)的河湖生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)。但是國內(nèi)的研究區(qū)域多集中在中小流域[21-23]和中小型湖泊[24-25]等水域。關(guān)于本文研究的贛江流域，僅在2011年有學(xué)者對整個(gè)贛江流域的水生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行了評價(jià)[26]，至今未有水生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)的相關(guān)研究。本文通過對贛江干流的底棲動物進(jìn)行采樣調(diào)查，研究了贛江干流底棲動物的優(yōu)勢種與群落結(jié)構(gòu)特征，并構(gòu)建底棲動物生物完整性指數(shù)體系對贛江干流進(jìn)行水生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)，以期為贛江流域的水生態(tài)環(huán)境綜合治理與保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)域概況

本文主要以贛江干流為研究區(qū)域。贛江干流分為上、中、下3段，上游為贛州以上河段，貢水為主河道，長為311 km，主要支流有平江、梅江等，上游區(qū)域多山丘；贛江中游為贛州市至新干線河段，長為302 km；新干線以下直至南昌市鄱陽湖為下游，長為208 km，兩岸匯入的支流眾多，主要支流有蜀水、富水、袁江、錦江等。但是隨著社會的發(fā)展，贛江流域水資源開發(fā)利用率逐漸提高，各種人為干擾，如河道采砂、水利樞紐的興建、污染物的排放等，以及氣候變化均對贛江流域生態(tài)環(huán)境造成了不同程度的影響，威脅著流域生態(tài)系統(tǒng)的健康[27]。

2.2 樣品采集方法

為研究贛江干流的整體水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，于2018年7月、2019年1月和4月分別對贛江干流進(jìn)行野外調(diào)查采樣。根據(jù)研究區(qū)域水文、地理、氣候條件以及《河道大型底棲動物監(jiān)測與水質(zhì)評價(jià)技術(shù)手冊》[28]，嚴(yán)格遵循監(jiān)測點(diǎn)要有代表性、完整性以及可比性的原則。在贛江干流總共布置12個(gè)典型采樣斷面對其進(jìn)行底棲動物野外調(diào)查采樣，各采樣斷面位置分布見表1和圖1。

表1 贛江干流底棲動物調(diào)查采樣斷面位置

依據(jù)贛江干流實(shí)際生境情況，每個(gè)采樣斷面選取長約200 m的河段，在區(qū)域內(nèi)不同生境進(jìn)行采集，每個(gè)斷面采集次數(shù)不少于3次。不可涉水區(qū)域采樣所用工具為1/16 m2的彼得森采泥器(定量)、可涉水區(qū)域采樣工具為索伯網(wǎng)(定量)以及手抄網(wǎng)(定性)，采樣為定性和定量相結(jié)合。采集到的樣品在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分類鑒定，大部分鑒定到種或者屬，少部分鑒定到科。

在調(diào)查期間，部分采樣斷面未采集到底棲動物，其中2018年8月和2019年1月未采集到底棲動物的采樣斷面有GJ1#、GJ8#、GJ9#、GJ10#和GJ12#；2019年4月未采集到底棲動物的采樣斷面有GJ5#、GJ8#、GJ9#和GJ10#。

2.3 數(shù)據(jù)分析方法

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的樣品分析鑒定結(jié)果，統(tǒng)計(jì)各采樣斷面不同種類的質(zhì)量及個(gè)體數(shù)，將其換算成單位面積上的質(zhì)量(生物量，g/m2)及個(gè)體數(shù)(生物密度，ind/m2)，通過底棲動物的優(yōu)勢度指數(shù)(Y)[13]對贛江干流優(yōu)勢種進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)分析及處理使用Excel2017與SPSS完成，指數(shù)計(jì)算公式如下：

Y=Pi·fi

(1)

Pi=ni/N

(2)

式中：ni為第i個(gè)物種的個(gè)體數(shù)量；N為樣方內(nèi)個(gè)體總數(shù)量；Pi為第i個(gè)物種個(gè)體數(shù)量與個(gè)體總數(shù)量的比值；fi為第i個(gè)物種在所有樣點(diǎn)中出現(xiàn)的頻率。當(dāng)Y>0.02時(shí)，該種即為優(yōu)勢種。

圖1 贛江干流底棲動物調(diào)查采樣斷面分布圖

2.4 B-IBI指數(shù)體系構(gòu)建

2.4.1 參照點(diǎn)位的選取 由于實(shí)際采樣斷面較少，且部分?jǐn)嗝嬖谀硞€(gè)時(shí)期未采集到底棲動物，故將每次調(diào)查結(jié)果作為一個(gè)采樣點(diǎn)，故共有22個(gè)采樣點(diǎn)。在所有的采樣點(diǎn)中選取無干擾點(diǎn)或極小干擾點(diǎn)作為參照點(diǎn)。參照點(diǎn)的選取原則參照附近無農(nóng)田污染源、水質(zhì)低污染無毒且仍能溶解氧氣的樣點(diǎn)[29]。根據(jù)參照點(diǎn)選取原則及贛江干流實(shí)際水文地理環(huán)境，共選取5個(gè)參照點(diǎn)，分別為GJ2#(枯水期)、GJ2#(豐水期)、GJ3#(豐水期)、GJ3#(平水期)和GJ3#(枯水期)，其余17個(gè)點(diǎn)位為受損點(diǎn)。

2.4.2 構(gòu)建步驟 構(gòu)建B-IBI指數(shù)體系總共有4個(gè)基本步驟[29]，如圖2所示，主要是為了篩選出能準(zhǔn)確評價(jià)水生態(tài)系統(tǒng)健康的生物指數(shù)。

圖2 構(gòu)建B-IBI指數(shù)的基本步驟

2.4.3 選取候選參數(shù) 根據(jù)前期研究成果[30-32]選取了18個(gè)具有代表性、對干擾反映敏感的候選參數(shù)，如表2所示。候選參數(shù)充分反映了底棲動物群落的組成、豐富度、耐污能力、功能類群和多樣性等特征。

表2 構(gòu)成B-IBI指數(shù)體系的候選生物參數(shù)

2.4.4 候選參數(shù)的篩選 構(gòu)成B-IBI指數(shù)體系的生物參數(shù)必須隨環(huán)境物理因子、化學(xué)因子、水動力因子及生物因素的變化而發(fā)生不同程度的改變，對河流水環(huán)境因子有高敏感性。因此需要對候選生物參數(shù)進(jìn)行分布范圍、判別能力及相關(guān)性分析，剔除掉不能充分反映出水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的生物參數(shù)，將保留下來的生物參數(shù)構(gòu)成B-IBI指數(shù)體系[33]。

3 結(jié)果與分析

3.1 底棲動物群落結(jié)構(gòu)

調(diào)查期間于贛江干流共檢出底棲動物3門6綱13科24種屬，共25個(gè)分類單元，3門分別為環(huán)節(jié)動物門、軟體動物門和節(jié)肢動物門，6綱分別為寡毛綱、腹足綱、雙殼綱、昆蟲綱，蛭綱、軟甲綱。其中以軟體動物的種類數(shù)最多，共檢出11屬種，占總種類的44%，其次為水生昆蟲類6種，占比24%，寡毛類4屬種，占比16%，其余為其他類群僅4種，占比16%。根據(jù)調(diào)查結(jié)果計(jì)算優(yōu)勢度指數(shù)Y可得出贛江干流的優(yōu)勢種有3種，分別為銅銹環(huán)棱螺(Bellamyaaeruginosa)(Y=0.169)、蘇氏尾鰓蚓(Branchiurasowerbyi)(Y=0.034)和大沼螺(Parafossaruluseximius)(Y=0.02)，全年內(nèi)贛江干流底棲動物優(yōu)勢種見表3。

表3 贛江干流底棲動物優(yōu)勢種調(diào)查結(jié)果

從不同水情期來看，在贛江干流2018年7月共檢出底棲動物3門6綱11種屬，優(yōu)勢種有兩種，分別為銅銹環(huán)棱螺(Bellamyaaeruginosa)(Y=0.102)和蘇氏尾鰓蚓(Branchiurasowerbyi)(Y=0.075)；2019年1月枯水期共檢出底棲動物3門6綱12科18種屬，優(yōu)勢種共有2種，分別為銅銹環(huán)棱螺(Bellamyaaeruginosa)(Y=0.121)和蘇氏尾鰓蚓(Branchiurasowerbyi)(Y=0.055)；2019年4月共檢出底棲動物3門4綱8科12種屬種，優(yōu)勢種僅有1種，為銅銹環(huán)棱螺(Bellamyaaeruginosa)(Y=0.124)，各水情期贛江干流底棲動物優(yōu)勢種見表3。7月與4月的種類數(shù)相比于1月枯水期有所降低，主要是兩個(gè)水情期相較于枯水期的底棲動物種類除水生昆蟲和寡毛類外的軟體動物以及其他類群有所減少。贛江干流不同水情期的優(yōu)勢種均為耐污種，在一定程度上說明贛江干流的水質(zhì)受到一定污染且底棲動物的種類較為單一。

3.2 B-IBI指數(shù)體系的構(gòu)建

3.2.1 分布范圍分析 在計(jì)算分布范圍時(shí)，通過對參照點(diǎn)的各生物參數(shù)值的平均值、25%分位數(shù)、中位數(shù)、75%分位數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行比較(如表4所示)，剔除隨干擾的增強(qiáng)，值的變動范圍很小或者很大的生物參數(shù)[31]，它們是不適宜用來建立B-IBI指數(shù)體系的參數(shù)。

搖蚊類分類單元數(shù)M4、毛翅目個(gè)體相對豐度M7、敏感類群分類單元數(shù)M11、敏感類群的個(gè)體相對豐度M13、敏感類群的生物量百分比M15、濾食者個(gè)體相對豐度M17，這些隨干擾增強(qiáng)其值減小的生物指數(shù)，因?yàn)槠?5%分位數(shù)、中位數(shù)及75%分位數(shù)的值波動性不大，說明隨干擾增強(qiáng)，可變范圍很窄，其指示信息作用較低，故剔除。同理，捕食者個(gè)體相對豐度M16隨干擾增強(qiáng)，指數(shù)的可變范圍很小，不適宜用來構(gòu)建B-IBI指數(shù)體系；搖蚊個(gè)體相對豐度M9隨干擾增強(qiáng)，指數(shù)的波動性很大，故也予以剔除，然后對其余的10個(gè)生物指數(shù)進(jìn)行下一步的篩選。

表4 贛江干流底棲動物采樣參照點(diǎn)生物參數(shù)分布范圍

3.2.2 判別能力分析 利用箱形圖法，通過對參照點(diǎn)和干擾點(diǎn)生物參數(shù)的計(jì)算，在SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件中畫出箱形圖，比較參照點(diǎn)和干擾點(diǎn)25%分位數(shù)至75%分位數(shù)的范圍，當(dāng)各自的中位數(shù)值均在彼此的箱體之中時(shí)，則IQ=0；如果只有1個(gè)中位數(shù)值重疊在對方箱體之中，則IQ=1；如果有部分重疊，但是各自的中位數(shù)值均在對方箱體范圍之外時(shí)，則IQ=2；當(dāng)無重疊，各自的中位數(shù)值均在對方箱體之外時(shí)，則IQ=3[32]，10個(gè)生物參數(shù)在參照點(diǎn)與受損點(diǎn)的箱形圖如圖3所示。

圖3 10個(gè)生物參數(shù)在參照點(diǎn)與受損點(diǎn)的箱形圖

通過以上原則對10個(gè)剩余生物參數(shù)進(jìn)行分析，選取IQ≥2的生物參數(shù)予以保留，其余的剔除，由圖3可知，甲殼動物和軟體動物分類單元數(shù)M3和耐污類群的個(gè)體相對豐度M12的IQ均小于2，故該兩個(gè)生物參數(shù)都予以剔除。前3位分類單元個(gè)體相對豐度M6和顫蚓個(gè)體相對豐度M8屬于隨干擾增強(qiáng)而值變大的生物參數(shù)，但是兩者受損點(diǎn)的值的25%分位數(shù)、中位數(shù)和75%分位數(shù)均一致，對干擾的反應(yīng)不敏感，故均予以剔除。其余生物參數(shù)的IQ均大于或等于2，所以得到剩余6個(gè)參數(shù)：總分類單元數(shù)M1、總生物量M2、優(yōu)勢分類單元個(gè)體相對豐度M5、甲殼動物和軟體動物的個(gè)體相對豐度M10、耐污類群的生物量百分比M14與香農(nóng)威納指數(shù)M18，將上述6個(gè)參數(shù)進(jìn)行下一步相關(guān)性分析。

3.2.3 相關(guān)性分析 對上述6個(gè)生物參數(shù)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析和檢驗(yàn)，剔除重復(fù)的信息，保證每一個(gè)指數(shù)都能提供一個(gè)新的信息[34]。通過SPSS軟件分析得出結(jié)果如表5所示。由表5可見，反映生物群落豐度的指數(shù)總分類單元數(shù)M1與反映生物物種多樣性的指數(shù)香農(nóng)威納多樣性指數(shù)M18相關(guān)性顯著，但由于總分類單元數(shù)M1在國內(nèi)外底棲動物生物完整性指數(shù)研究中運(yùn)用較多，所以予以保留，剔除香農(nóng)威納多樣性指數(shù)M18；優(yōu)勢分類單元個(gè)體相對豐度M5與甲殼動物和軟體動物的個(gè)體相對豐度M10相關(guān)性顯著，由于軟體動物是贛江干流的主要優(yōu)勢類群，所以M10予以保留，剔除M5；其余的生物指數(shù)相關(guān)性均不顯著，M1與M2雖都屬于反映生物群落豐度的指數(shù)，但是兩者包含的信息不盡相同，所以兩者均予以保留。最終確定底棲動物生物完整性指數(shù)(B-IBI)有4個(gè)生物參數(shù)，即總分類單元數(shù)M1、總生物量M2、甲殼動物和軟體動物的個(gè)體相對豐度M10、耐污類群的生物量百分比M14。

表5 6個(gè)生物參數(shù)間的Pearson相關(guān)性

3.2.4 指標(biāo)賦分 對經(jīng)過篩選得到的生物參數(shù)賦分是為了統(tǒng)一評價(jià)量綱，現(xiàn)用比值法進(jìn)行生物參數(shù)的賦分計(jì)算，比值法的計(jì)算方法為：對干擾變強(qiáng)而值變小的生物參數(shù)，以各點(diǎn)位值95%的分位數(shù)值為最佳值，各生物參數(shù)分值為該生物參數(shù)值除以最佳值；對干擾變強(qiáng)而值變大的生物參數(shù)，將各點(diǎn)位的5%分位數(shù)值作為最佳值，各指數(shù)賦分計(jì)算公式[29]如表6所示。

表6 各生物參數(shù)用比值法的賦分計(jì)算公式

按照參照點(diǎn)的生物完整性指數(shù)(B-IBI)值的計(jì)算結(jié)果，將所有參照點(diǎn)的25%分位數(shù)作為界線劃分，如采樣點(diǎn)計(jì)算所得的B-IBI值大于或等于參照點(diǎn)的25%分位數(shù)值，則表示該采樣斷面受干擾小，處于健康狀態(tài)。而25%分位數(shù)值以下的，可進(jìn)行4等分，每一段代表不同的健康程度。最終可以得到B-IBI指數(shù)體系的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如表7所示。

3.2.5 健康評價(jià) 研究期贛江干流各采樣斷面健

康狀況評價(jià)結(jié)果見表8。表8顯示，22個(gè)樣點(diǎn)中，共有13個(gè)樣點(diǎn)為“健康”、2個(gè)樣點(diǎn)為“亞健康”。6個(gè)樣點(diǎn)為“一般”、1個(gè)樣點(diǎn)為“差”，無極差樣點(diǎn)。調(diào)查期間未采集到底棲動物的樣點(diǎn)，將其健康狀態(tài)均評為極差。根據(jù)整個(gè)調(diào)查期間的結(jié)果來看，斷面GJ2#(章水)、GJ3#(儲潭)、GJ4#(萬安水庫)、GJ6#(吉安濱水公園)和GJ11#(贛江南支)處于健康或亞健康狀態(tài)；斷面GJ5#(羅塘)處于一般狀態(tài)；GJ1#(貢水)、GJ7#(峽江水庫)和GJ12#(贛江北支)處于差或極差狀態(tài)；而斷面GJ8#(拖船鎮(zhèn))、GJ9#(小港)和GJ10#(外洲)未采集到底棲動物均處于極差狀態(tài)。根據(jù)各斷面的評價(jià)結(jié)果的平均值可以得出，贛江總體健康狀況處于一般狀態(tài)。而且贛江干流健康狀況具有一定的時(shí)空差異性，所以對不同水情期的不同樣點(diǎn)區(qū)域要采取相應(yīng)的治理措施與管理方法。

表7 贛江干流健康狀況B-IBI指數(shù)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表8 研究期贛江干流各采樣斷面健康狀況評價(jià)結(jié)果

4 結(jié) 論

通過對贛江干流底棲動物的采樣調(diào)查，研究了贛江干流底棲動物的優(yōu)勢種與群落結(jié)構(gòu)特征，并構(gòu)建底棲動物生物完整性指數(shù)體系對贛江干流水生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行了評價(jià)，初步得到如下結(jié)論：

(1)贛江干流底棲動物檢出3門6綱13科共24種屬，其中優(yōu)勢種有3種，分別為銅銹環(huán)棱螺、蘇氏尾鰓蚓和大沼螺。

(2)贛江干流的水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況在空間上的差異較大，各斷面采樣點(diǎn)屬于“健康”或“亞健康”狀態(tài)。上游和中游的健康狀況總體相對較好。位于贛江干流下游南昌市周邊斷面的健康狀態(tài)普遍較差，與其位于城區(qū)、開發(fā)程度較高、生活及工業(yè)污水的排放和河道采砂活動等因素有關(guān)，而靠近鄱陽湖湖區(qū)的斷面則相對較好。

(3)受研究區(qū)域地理?xiàng)l件和采樣環(huán)境的限制，本研究對贛江干流僅選取了12個(gè)典型采樣斷面，為提高B-IBI評價(jià)方法的精準(zhǔn)性，應(yīng)增加典型監(jiān)測點(diǎn)位，并進(jìn)行長期跟蹤監(jiān)測，盡可能為水生態(tài)修復(fù)與治理提供更多支撐。同時(shí)加大對采樣斷面健康狀態(tài)較差區(qū)域的治理力度，對贛江下游南昌段的工業(yè)污水達(dá)標(biāo)排放、采砂及其他開發(fā)行為進(jìn)行科學(xué)管理。建立嚴(yán)格的監(jiān)管機(jī)制，提高綜合治理水平，以此維護(hù)贛江流域水生態(tài)系統(tǒng)的健康與水資源的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展。