歐陽莉莉, 韓 遷, 何 鑫, 賈濱洋

1.成都市環(huán)境保護科學研究院, 四川 成都 610062

2.成都市環(huán)境應急指揮保障中心, 四川 成都 610062

目前國內對于河流的監(jiān)管方式大多還停留在水質監(jiān)測階段，主要通過監(jiān)測水環(huán)境中特定的物理化學指標來判斷河流是否需要及如何進行治理. 然而，水質理化指標無法反映河流生態(tài)系統的整體狀況，河流的生境、生物等因素同樣重要. 從管理的系統性與科學性來說，應將河流生態(tài)健康評價整體納入河流日常監(jiān)管體系[1]. 現有的河流生態(tài)健康評價方法主要分為指示生物法、綜合指標體系法和數學模型法[2]，評價指標通常包括物理生境指標、水體理化指標和生物學指標3個部分[3-4]. 不同地區(qū)、不同類型水體的地形地貌、氣候、海拔、水文特征等自然屬性存在明顯差異，由此導致的生物區(qū)系組成也會明顯不同，對應的評價方法體系往往存在差異[4]，因此，建立地區(qū)性的河流生態(tài)健康評價指標體系有助于提高評價結果的準確性和合理性，更利于科學的進行水生態(tài)環(huán)境管理.

在城市的快速發(fā)展過程中，河流常因排澇需求而被渠化(俗稱“三面光”)，閘壩阻隔甚至加蓋成為暗河，更有甚者，未被處理的生活污水直排入河，導致出現“城市河流綜合征”，即河流底質僅有淤泥，污染重，敏感物種消失，僅存耐污物種等[5]. 科學評價河流生態(tài)健康已成為當前城市河流管理的重要手段與目標.

生物完整性指數(Index of Biotic Integrity, IBI)，由Karr[6](1981年)首先提出，是一類包含多個生物指數的綜合指數體系[7-8]，其研究對象生物類型眾多，包括魚類、底棲動物、藻類、水生植物等，甚至細菌[9-12]. 由于大型底棲無脊椎動物具有分布廣、種類多，對水污染敏感和易采集等特點，底棲動物生物完整性指數(Benthic Index of Biotic Integrity, B-IBI)在國內外被廣泛用于評價河流生態(tài)健康狀況[13-14]. 歐盟和美國30個州開展溪流、河流生態(tài)健康評價，將其作為主要生物指標[15-20]. 國內自2000年以來，開展了一系列應用B-IBI評價溪流、河流等水體生態(tài)健康的研究[21-24]，在渭河、海河流域、太湖流域等有良好的應用[13,25-26]. 水生態(tài)環(huán)境質量綜合指數(WQI)是中國環(huán)境監(jiān)測總站在《河流水生態(tài)環(huán)境質量評價技術指南(試行)》[27]中提出的，根據研究區(qū)域實際情況，選擇水質、生境、生物等多項指標，綜合評價河流生態(tài)健康狀況的方法. 歐陽莉莉等[28]篩選了一系列適用于成都市河流的指標，構建WQI評價了成都市河流生態(tài)健康狀況.

岷江為長江上游的重要一級支流，發(fā)源于青藏高原東側的四川阿壩州松潘縣與九寨溝縣交界的弓拱嶺和郎架嶺，流域面積1.36×105km2，由北向南依次流經阿壩、成都、眉山、樂山，最后在宜賓匯入長江[29]. 岷江在成都都江堰市以上稱為上游，成都為其流經的首個平原地區(qū)人口密集的城市. 成都市為四川省會城市，位于四川盆地西部，成都平原腹地，位于102°54′E～104°53′E、30°05′N～31°26′N之間，市內大部分地域屬岷江流域. 成都周邊自然保護區(qū)眾多，河流生態(tài)環(huán)境狀況較好. 岷江進入成都平原人口聚集區(qū)后，河流生態(tài)環(huán)境問題(如河道渠化、生境單一、河水黑臭等)十分突出. 本文試圖構建適合岷江(成都段)城市河流生態(tài)健康評價的B-IBI，從河流生物學質量層面評估岷江(成都段)河流生態(tài)健康，并與WQI進行評價結果對比，分析B-IBI用于岷江(成都段)河流健康評價的可行性，進而為城市河流生態(tài)健康評價方法的選擇提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與樣點

從岷江(成都段)流域溪流級別為1～3級的河流(見表1)中，選擇23個樣點(見圖1)，其中1～6號樣點位于岷江(成都段)最北區(qū)域，該區(qū)域人類活動強度低；7～23號樣點位于成都市中心城區(qū)，受人類活動影響大. 于2017年4月對所有樣點進行底棲動物樣品采集，用于構建B-IBI；此外，受野外采樣條件限制，選擇了部分樣點(6～9號、11～23號)同時采集水樣、浮游藻類、底棲動物樣品，并調查了生境狀況，用于構建WQI.

表1 采樣水體溪流級別

注： 1—虹口3；2—虹口2；3—虹口1；4—東岳村；5—龍溪河橋；6—都江堰水文站；7—新希望酒店；8—大灣橋；9—黃忠；10—高橋1；11—高橋；12—水津橋；13—武青橋；14—百花大橋；15—桿塔廠；16—安順廊橋；17—成仁橋；18—永安大橋；19—涼港大橋；20—迎賓大道府河橋；21—二江寺；22—正公路；23—黃龍溪. 其中，1～5號和10號樣點僅進行了B-IBI評價，6～9號和11～23號樣點同時進行了B-IBI與WQI評價.

1.2 樣品采集與分析

水樣：有機玻璃采水器采集3 L表層水樣(水面下約0.5 m)，檢測指標包括總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)、化學需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)等，參考GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》評價水質類別.

浮游藻類：包括定量樣品和定性樣品，定量樣品用1 L有機玻璃采水器采集于聚乙烯樣品瓶，加入15 mL魯哥氏液固定；定性樣品用25#浮游生物網在表層水面呈“∞”字形緩慢撈取5～10 min采集于聚乙烯樣品瓶，加入5～6滴魯哥氏液固定. 樣品經靜置濃縮預處理后，顯微鏡下進行樣品鑒定和計數[30-31]，定量樣品使用0.1 mL浮游生物計數框，在40倍目鏡下，隨機計數一定的方格，計數細胞數一般應大于500個，如樣品藻類細胞數特別稀少，則需全片計數，最后換算成每個樣品的總密度；定性樣品鑒定方法與定量樣品類似，鏡檢1片計數框，全片掃描不用計數，鑒定藻類種類即可，鑒定參考文獻[32-35].

底棲動物：若河流底質為石塊淺灘，用D形網(0.63 mm孔徑，0.3 m寬)，以踢擊或抄的方法，在河段所有主要的生境類型采集；若底質為淤泥，用彼得生采泥器(1/16 m2)采集. 采集到的樣品現場過0.425 mm孔徑網篩，95%酒精固定. 回實驗室后再進行挑樣、鑒定與計數[9,30-31]，鑒定參考文獻[36-37].

生境：選擇樣點上下各100 m左右的河段，通過觀察，對調查河段的所有評價參數進行定性評價及評分. 評價參數與注意事項參考文獻[31].

1.3 研究方法

1.3.1B-IBI評價體系

a) 參照點的選擇. 參照點的設定參考Stoddard等[38]的“最佳可獲得狀態(tài)(Best Attainable Condition)”原則，根據研究區(qū)域實際情況，確定都江堰龍溪虹口國家自然保護區(qū)范圍內以及都江堰市境內環(huán)境相對較好的6個樣點(1～6號樣點)作為參照點. 這些樣點底質多為鵝卵石等，水體清澈，周邊沒有或少有人類活動，植被覆蓋率高，位于成都市境內平原丘陵過渡地帶，與位于平原地帶的受損樣點屬于同一生態(tài)功能區(qū)[39].

b) 候選生物指數的確定. B-IBI指標體系的構成指數應對物理、化學、生物、水動力等環(huán)境因子的變化反應敏感且計算方法簡便，所包含的生物學意義清楚[9]. 根據現有數據情況，選擇的候選生物指數見表2.

表2 候選生物指數

c) 分布范圍分析. 利用參照點的數據計算22個候選生物指數值，分析分布范圍，篩除對干擾響應不靈敏的指標[9].

d) 判別能力分析. 采用箱線圖法分析出能區(qū)分參照點和受損點差異的指標[9].

e) 相關性分析. 檢驗剩余各指標反映信息的獨立性，剔除提供重復信息的指標[9].

f) 分值計算. 對各指數進行計分，統一評價量綱[39]，此處采用比值法[9,40-41].

g) 評價標準的建立. 該研究利用參照點B-IBI值分布的25%分位數法來建立評價標準[9].

1.3.2WQI評價體系

結合成都市實際情況及其他研究經驗[4,27,31,42]，選取水質類別、河流生境、浮游藻類及底棲動物相關指標，計算岷江(成都段)河流(6～9、11～23號樣點)健康狀況. 各指標計算完成后，按照統一標準進行賦分，其中生物指標得分為浮游藻類和底棲動物指標賦分值進行算術平均后所得. 最后根據各指標的權重，對水質指標、生境指標和生物指標分值進行加權求和，計算WQI值. 最終水生態(tài)健康狀況分為優(yōu)秀(WQI≥4)、良好(4>WQI≥3)、一般(3>WQI≥2)、差(2>WQI≥1)、很差(WQI<1)5個等級[4,27].

2 結果與討論

2.1 B-IBI評價結果

確定參照點和候選生物指標后，分析22個生物指標在6個參照點的分布范圍情況：M7、M14、M16、M19均為干擾越強，指數值越小的類型；但從分位數值來看，這幾項指標的分位數值都較低，表示其可變動范圍小，對外界干擾響應可能不夠靈敏，予以剔除. 剩余18個生物指數，進行下一步判別能力分析(見圖2).

圖2 18個底棲動物指數在參照點和受損點的箱線圖

結果顯示：M4、M18、M20的IQ值小于2；M9受干擾后IQ值應該增加，但該研究結果顯示，受干擾后其減少，原因不明，因此將其一并剔除. 其他指標IQ值都大于或等于2，可做進一步分析.

對通過判別能力分析的14項指標進行相關分析，以檢驗各指標的獨立性. 結果顯示：M2、M3、M8、M10、M13均與M1和M5呈高度相關；M2、M3主要以毛翅目和蜉蝣類為主，M5為毛翅目分類單元數，M6為蜉蝣目分類單元數，M1的信息最多，因此選擇保留M1、M5和M6；M2、M3、M8、M10、M13、M15、M22與M1、M5和M6均呈顯著相關，予以剔除；M21與M5呈顯著相關，予以剔除；M11、M12和M17與M1、M5和M6均呈不顯著相關，予以保留. 因此，最終篩選M1、M5、M6、M11、M12、M17這6個指標組成B-IBI指數.

將各樣點的指數分值相加(計算方法見表3)得到B-IBI指數值，對各樣點最終B-IBI指數值進行判斷能力分析(見圖3)，發(fā)現該分值對河流生態(tài)健康狀況具有較好的判別能力.

圖3 比值法的B-IBI判別能力分析

表3 比值法分值計算公式[9]

利用參照樣點數據來制定評價標準，對B-IBI指數值中0～3.24的分布范圍四等分，建立不同健康程度的評價標準：>3.24為健康；2.43～3.24為亞健康；1.62～2.42為一般；0.81～1.61為差；<0.80為很差.

根據評價標準，對岷江(成都段)河流樣點生態(tài)系統健康狀況進行評價，結果(見表4)顯示：23個樣點中，健康樣點5個，亞健康樣點1個，一般樣點5個，差樣點2個，很差樣點10個.

2.2 WQI評價結果

WQI篩選的水質類別、河流生境、浮游藻類Palmer污染指數、底棲動物BMWP指數和底棲動物BI指數作為WQI評價的核心指標. WQI評價結果(見表4)顯示：17個樣點中，亞健康樣點1個，一般樣點5個，差樣點11個. 整體來看，WQI與B-IBI評價結果基本相同或相似，僅少數樣點評價結果不一致.

2.3 兩種評價結果對比

B-IBI評價結果顯示，23個樣點中，5個樣點健康，1個樣點亞健康，5個樣點一般，2個樣點差，10個樣點很差，其中健康和亞健康點均位于成都上游都江堰市境內. 1～3號樣點所在的白沙河流經虹口國家自然保護區(qū)，河道未堤防化，底質為鵝卵石等，利于曝氣，水淺且透明度好，兩岸植被覆蓋率高，整體受人類活動影響小；位于龍溪河的4號和5號樣點及岷江內江干流的6號樣點的情況與1～3號樣點類似；差和很差的樣點則基本位于中下游流經城市人口聚集區(qū)域的河道，兩岸普遍硬化，底質多為淤泥和細沙，流速緩慢，水質渾濁. 不同種類的底棲動物，對外界環(huán)境變化的響應程度不同，B-IBI指數正是以此為依據來評價河流健康狀況. 不同健康狀況的樣點底棲動物群落組成也存在明顯差異：健康的1～6號樣點，底棲動物種類豐富，優(yōu)勢種包括蜉蝣目四節(jié)蜉屬、毛翅目舌石蛾屬、雙翅目小突搖蚊屬、雙翅目朝大蚊屬等，蜉蝣目、毛翅目多為敏感種，耐污能力差，一般指示清潔或輕污染水體[43-44]；而不健康的樣點則種類較少，優(yōu)勢種類為顫蚓目水絲蚓屬、吻蛭目石蛭屬及搖蚊類，尤其是中下游16號、19號、23號等樣點，以水絲蚓占絕對優(yōu)勢. 水絲蚓是耐有機污染的底棲動物，屬寡毛綱顫蚓目，能夠有效地指示水體的有機污染，搖蚊類也是常見耐污類群，分布極為廣泛[45-46]. 可見，不管根據B-IBI評價結果，還是從底棲動物種類的指示意義，B-IBI都能較好地體現岷江(成都段)河流生態(tài)環(huán)境健康狀況.

對B-IBI與WQI共有的17個樣點評價結果進行對比，發(fā)現兩種方法都能區(qū)分參照點和受損點的健康狀況差異，二者呈顯著相關(相關系數為0.734)，但具體到各樣點的評價結果不完全一致. 健康級別相同或類似的樣點有13個；同一樣點評價結果不一致的樣點有4個，分別是8號、9號、13號和19號樣點；8號樣點的B-IBI評價結果為差，WQI評價結果為一般；9號和13號樣點的B-IBI評價結果為一般，WQI評價結果為差；19號樣點的B-IBI評價結果為很差，WQI評價結果為一般. 產生差異的主要原因是B-IBI指數僅基于底棲動物的狀況來評價水體健康狀況，WQI則是基于水質、生境、浮游藻類、底棲動物的綜合狀態(tài)來進行評價.

WQI以水質、生境、浮游藻類、底棲動物等幾大指標為基礎，評價更為全面，評價過程簡單快速易上手，但生物指標的選擇上僅考慮了生物的耐污特性，缺乏生物群落組成和結構方面的指標. B-IBI雖然指標體系相對單一，缺少對水質、生境等方面的反映，且評價過程相對復雜，對評價人員的專業(yè)水平要求較高，但是該指數以底棲動物作為生物指標，其對外界環(huán)境變化的響應不僅靈敏，而且能夠反映其生命周期時段內河流的綜合狀態(tài)，且B-IBI綜合了底棲動物群落組成、結構、耐污特性等各項指標，較全面地反映了河流生物學質量，與WQI指數也具有良好的相關性，能夠彌補WQI對生物層面河流健康評價的不足. 因此，B-IBI用于岷江(成都段)河流健康評價可行的.

2.4 基于B-IBI的不同城市河流健康狀況對比

底棲動物的群落生存狀態(tài)受周圍環(huán)境中各種因素的影響. 有研究[13]指出，B-IBI受自然地貌的影響較大，不同地區(qū)構建B-IBI的生物參數不盡相同. 此外，不同地區(qū)參照點的選擇標準不同，導致健康評價標準也不同，因此構建B-IBI需要因地制宜，但特定地區(qū)范圍內的B-IBI評價結果變化趨勢可以說明當地的水體健康狀態(tài)變化情況. 為客觀了解岷江(成都段)河流健康狀況水平及其變化特點，該研究選擇國內其他幾個城市的河流生態(tài)健康評價結果進行對比(見表5). 從指數構成來看，上海市河流B-IBI基本由耐污類群構成，廣州市、濟南市和岷江(成都段)河流B-IBI指數都有敏感類群指標，究其原因主要是上海市河流完全位于城市發(fā)展區(qū)[47]，廣州市和濟南市的研究對象均從上游山區(qū)經中下游流經人口集中的區(qū)域[47-48]，岷江(成都段)河流則與二者類似. 從參照點選擇和評價標準來看，廣州市的研究對象與岷江(成都段)河流情況最相似，但評價結果顯示廣州市約64%的樣點為健康或者亞健康，成都市則約57%的樣點為差或者很差，主要原因是廣州市河流樣點基本在廣州市上游，未經過人口最密度區(qū)域，而岷江(成都段)樣點很多位于成都市人口最集中的中心城區(qū). 上海市和濟南市的河流樣點則覆蓋了人口最集中的市區(qū)，可以發(fā)現上海市約56%的樣點為一般或差，濟南市約57%的樣點為差或很差，與岷江(成都段)差或很差的樣點比例相似. 可見，不同的城市河流健康狀況變化規(guī)律相似，都是在遠離城市的上游區(qū)域河流健康狀況要相對較好，流經人口集中市區(qū)的河流健康狀況相對較差，可見人類活動對城市河流的影響.

表5 不同城市河流B-IBI評價情況對比

3 結論

a) 岷江(成都段)B-IBI由總分類單元數、毛翅目分類單元數、蜉蝣目分類單元數、EPT百分比、優(yōu)勢分類單元百分比、雙翅目百分比這6項指標構成；成都市WQI由水質類別、河流生境狀況、浮游藻類Palmer污染指數、底棲動物BMWP指數、底棲動物BI指數這5項指標構成. B-IBI用于岷江(成都段)河流健康評價是可行的.

b) B-IBI和WQI均能區(qū)分參照點和受損點的健康狀況差異，二者相關系數為0.734，具有較強的相關性，B-IBI更能反映生物層面的河流健康狀況.

c) 與國內其他城市相比，B-IBI的構成、參照點選擇、評價結果等不盡相同，但均能反映相似的河流健康狀況變化規(guī)律，即在遠離城市的上游區(qū)域河流健康狀況相對較好，流經人口集中市區(qū)的河流健康狀況相對較差.

致謝：感謝四川大學建筑與環(huán)境學院唐亞教授在論文修改和潤色過程中給予的幫助.