王桂營 李宏俊 孫藝 吳忠鑫 馬成龍

摘要 利用遼河口春季、夏季、秋季3個季節(jié)大型底棲動物調(diào)查數(shù)據(jù)，分析AMBI指數(shù)（AZTIs Marine Biotic Index）、BENTIX指數(shù)、多因子AMBI指數(shù)（Multivariate AMBI，M-AMBI）、香農(nóng)-威納多樣性指數(shù)（Shannon-Wiener diversity index，H′）、豐富度指數(shù)（Margalef，D），在3個季節(jié)間數(shù)值的差異性和評價結(jié)果的合理性及其與環(huán)境因子的相關(guān)性。結(jié)果表明，AMBI和BENTIX指數(shù)在3個季節(jié)間存在顯著的差異性，主要由于具有極顯著相關(guān)性的環(huán)境因子（總有機碳、溫度、鹽度）在3個季節(jié)間變化較大，影響底棲動物生態(tài)分組。AMBI和BENTIX指數(shù)的評價結(jié)果基本一致，但是不能有效地區(qū)分人為環(huán)境壓力和自然環(huán)境壓力且評價的污染程度偏低，因此其評價結(jié)果不完全合理;D指數(shù)評價結(jié)果偏差較大，主要由于該研究使用的評價標(biāo)準(zhǔn)值存在一定的不合理性;M-AMBI和H′指數(shù)評價結(jié)果基本一致，且評價結(jié)果更為合理、更能有效地反映人為環(huán)境壓力。對于溫帶大陸性季風(fēng)氣候以及底棲動物組成以敏感物種為主的遼河口，選擇M-AMBI和H′指數(shù)更能合理有效地評價生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況。

關(guān)鍵詞 遼河口;底棲動物;環(huán)境評價;生物指數(shù);生態(tài)質(zhì)量;適用性

中圖分類號 X 826? 文獻標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）18-0087-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.18.022

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Applicability of Evaluation of Benthic Ecological Quality of Liaohe Estuary by Using Different Biological Indexes

WANG Gui-ying1，2，LI Hong-jun2，SUN Yi2 et al （1.School of Fisheries and Life Sciences，Dalian Ocean University，Dalian，Liaoning 116023;2.National Marine Environmental Monitoring Center，Dalian，Liaoning 116000）

Abstract This study used the survey data of macrobenthos in the three seasons of spring，summer and autumn in the Liaohe Estuary to analyze the AMBI index （AZTIs Marine Biotic Index），BENTIX index，multivariate AMBI index （Multivariate AMBI，M-AMBI），and Shannon-Wiener diversity index （Shannon-Wiener，H′），richness index （Margalef，D），the difference of values between the three seasons，the rationality of the evaluation results and their correlation with environmental factors.The results showed that there were significant differences in the values of AMBI and BENTIX indexes between the three seasons，mainly due to the significant changes in environmental factors （TOC，temperature，salinity） with extremely significant correlations between the three seasons，which affected the zoobenthos ecology grouping.The evaluation results of AMBI and BENTIX indexes were basically the same，but they cannot effectively distinguish between man-made environmental pressure and natural environmental pressure，and the pollution degree of the evaluation was low，so the evaluation results were not completely reasonable;the D index evaluation results had large deviations，mainly due to this research the evaluation standard value used had certain irrationality;the evaluation results of M-AMBI and H′ index were basically the same，and the evaluation results were more reasonable and could effectively reflect man-made environmental pressure.For the temperate continental monsoon climate and the Liaohe Estuary where benthic fauna was composed of sensitive species，the M-AMBI and H′ indexes could be more reasonable and effective to evaluate the quality of the ecological environment.

Key words Liaohe Estuary;Benthic fauna;Environmental evaluation;Biological index;Ecological quality;Applicability

作者簡介 王桂營（1994—），男，河北衡水人，碩士研究生，研究方向：漁業(yè)資源。*通信作者，研究員，博士，碩士生導(dǎo)師，從事海洋生態(tài)學(xué)和分子生物學(xué)研究。

收稿日期 2021-02-07;修回日期 2021-03-10

遼河口位于遼河與渤海交匯處，是陸海相互作用最強烈的地區(qū)[1]。隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展，大量環(huán)境污染物匯聚養(yǎng)殖污染，使得河口生態(tài)環(huán)境遭受嚴(yán)重破壞[1]。利用生物指數(shù)對環(huán)境狀況準(zhǔn)確評價，是環(huán)境恢復(fù)的重要前提[2]。2000年歐盟頒布的“水框架指令”，極大促進了生物指數(shù)的發(fā)展[3]。河口和近岸海域用于生態(tài)環(huán)境評價的生物類群主要包含大型藻類、浮游植物、魚類、底棲生物等，其中利用大型底棲生物類群的方法約占全部評價方法的27%[4]。

目前研究中使用底棲生物評價指數(shù)最為廣泛[5]，其中海洋底棲生物指數(shù)主要包含AMBI指數(shù)（AZTI′s Marine Biotic Index）、BENTIX指數(shù)、M-AMBI指數(shù)、多樣性指數(shù)（H′）、豐富度指數(shù)（D）、均勻度指數(shù)（J′）、BQI指數(shù)、BOPA指數(shù)、MPI指數(shù)、B-IBI指數(shù)等[6-10]。AMBI指數(shù)由Borja等[11]提出，經(jīng)多年的完善和發(fā)展該指數(shù)已在歐洲、美洲和非洲等區(qū)域得到廣泛應(yīng)用[12]。BENTIX指數(shù)基于AMBI指數(shù)，只是減少生物生態(tài)分組類群避免物種分類有誤[13]。H′指數(shù)由Shannon等[14]提出，主要用來描述生物群落的生態(tài)學(xué)特征，也用來監(jiān)測水域底棲生物群落的結(jié)構(gòu)變化，被認為是較好的環(huán)境質(zhì)量評價指數(shù)[15]。D指數(shù)通過將具體物種豐度與個體總數(shù)相關(guān)聯(lián)來量化多樣性[16]。M-AMBI綜合指數(shù)包含AMBI和H′指數(shù)以及物種豐度，被研究者認為能夠更有效地反映人為環(huán)境壓力[17]。該研究將 AMBI、BENTIX、H′、D、M-AMBI指數(shù)在遼河口近岸海域進行應(yīng)用，以驗證5種評價指數(shù)在遼河口的適用性，為我國近岸海域環(huán)境評價指數(shù)的選取以及建立符合我國近岸海域特點的底棲生物指數(shù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

在2013年8月、10月和2014年5月對遼河口開展夏季、秋季、春季3個航次的大型底棲動物調(diào)查。初步設(shè)置32個站位開展定點采樣，實測25個站位（圖1）。

每個站位使用0.05 m2的抓斗式采泥器取樣3次，并用孔徑為0.5 mm的網(wǎng)篩分選大型底棲動物，5%甲醛溶液固定保存。實驗室中進行形態(tài)鑒定、計數(shù)和稱重，參照《海洋監(jiān)測規(guī)范》（GB/T 12763.6—2007）。每站位采集3份水樣和沉積物樣低溫保存帶回實驗室測定，分析的環(huán)境因子分為兩類：沉積環(huán)境因子包括葉綠素a（Chl-a）和沉積物粒度，其中沉積物粒度分析砂（sand）、泥砂（silt）、泥（clay）含量百分比;海水環(huán)境因子包括溫度（Temp）、鹽度（Sal）、pH、溶解氧（DO）、硝酸鹽（NO 3）、磷酸鹽（PO 4）、總磷（TP）、總氮（TN）、硅酸鹽（SiO 3）、總有機碳（TOC）、石油類（oil）、石油烴（PHc）、懸浮物（SS）。

1.2 物種豐度和個體總數(shù)

大型底棲動物物種名錄通過世界海洋物種登記庫（WoRMS）網(wǎng)站查詢并校對。每個站位的物種豐度（S）和個體總數(shù)（N）由軟件PRIMER 6具體計算完成，所得數(shù)據(jù)共包含春季數(shù)據(jù)23個、夏季數(shù)據(jù)21個、秋季數(shù)據(jù)23個。

1.3 生物指數(shù)計算方法及評價標(biāo)準(zhǔn)

1.3.1 AMBI指數(shù)和BENTIX指數(shù)。

根據(jù)底棲生物對增加環(huán)境壓力的敏感性，將底棲生物分成5個生態(tài)組[3]。GⅠ：對有機物富集非常敏感，存在無污染條件下的物種;GⅡ：對有機物富集不敏感的物種（物種密度低且隨時間變化不顯著）;GⅢ：能耐受過量有機物富集的物種;GⅣ：第二級機會種（輕度失衡到嚴(yán)重失衡狀態(tài)過渡）;GⅤ：第一級機會種（嚴(yán)重失衡狀態(tài)）[6，18]。根據(jù)公式計算AMBI和BENTIX指數(shù)，具體計算公式如下：

AMBI=[（0×%GⅠ）+（1.5×%GⅡ）+（3×%GⅢ）+（4.5×%GⅣ）+（6×%GⅤ）]/100（1）

BENTIX=（6×%GS+2×%GT）/100（2）

GS=GⅠ+GⅡ（3）

GT=GⅢ+GⅣ+GⅤ（4）

AMBI指數(shù)具體計算過程由網(wǎng)站（http：//www.azti.es）獲得的軟件AMBI V5.0完成，對于物種名錄中不包含的物種，采用清單中收錄的同類群物種代替[19]。BENTIX指數(shù)具體計算過程由BENTIX Add-In V1.0完成[20]。

1.3.2 Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Margalef豐富度指數(shù)。Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（H′）以信息理論為基礎(chǔ)，假設(shè)個體是從一個“無限大”的群落中隨機抽樣，所得的物種都在樣本中[14]。其計算公式如下：

H′=-P ilog 2P i（5）

式中，P i是物種i在樣本中個體比例，在樣本中P i的真實值未知，可通過N i/N的比值來估計，其中N i為物種i的個體數(shù)量，N為個體總數(shù)[14]。

Margalef豐富度指數(shù)（D）通過將具體物種豐度與個體總數(shù)相關(guān)聯(lián)來量化多樣性[16]。其計算公式如下：

D=（S-1）/log eN（6）

式中，S是物種豐度，N是個體總數(shù)。

H′指數(shù)和D指數(shù)具體計算過程由軟件PRIMER 6完成。

1.3.3 M-AMBI指數(shù)。M-AMBI是包含AMBI指數(shù)、H′指數(shù)和物種豐度的綜合指數(shù)。應(yīng)用M-AMBI指數(shù)時首先需要確定AMBI、H′以及物種豐度的參考基準(zhǔn)值。M-AMBI指數(shù)具體計算過程由軟件AMBI V5.0完成。

1.3.4 評價標(biāo)準(zhǔn)的確定。

M-AMBI參考基準(zhǔn)值的確定：根據(jù)已知數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)序列，采用SPSS 17.0進行分析，去除數(shù)據(jù)序列的異常值。第1種：AMBI取數(shù)據(jù)序列的第10%位值、H′和物種豐度取數(shù)據(jù)序列的第90%位值為等級優(yōu)參考基準(zhǔn)值[21]，AMBI、H′和物種豐度等級優(yōu)參考基準(zhǔn)值分別為0.53、3.74、18，等級劣參考基準(zhǔn)值分別為6、0、0。第2種：AMBI取數(shù)據(jù)序列最小值的0.85倍、H′和物種豐度取數(shù)據(jù)序列最大值的1.15倍為等級優(yōu)參考基準(zhǔn)值[22]，AMBI、H′和物種豐度等級優(yōu)參考基準(zhǔn)值分別為0.27、4.80、31，等級劣參考基準(zhǔn)值分別為6、0、0。第3種：AMBI取數(shù)據(jù)序列最小值、H′和物種豐度取數(shù)據(jù)序列最大值為等級優(yōu)參考基準(zhǔn)值[23]，AMBI、H′和物種豐度等級優(yōu)參考基準(zhǔn)值分別為0.32、4.17、27，等級劣參考基準(zhǔn)值分別為6、0、0。根據(jù)以上3種參考基準(zhǔn)值使用軟件AMBI V5.0計算所得，M-AMBI優(yōu)-良-中-差-劣之間的邊界值均為0.77-0.53-0.39-0.20。

水框架指令（WFD）建議生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況評價劃分5個等級，因此生物指數(shù)將生態(tài)環(huán)境狀況分為5個等級：優(yōu)-未被污染、良-輕度污染、中-中度污染、差-高度污染、劣-嚴(yán)重污染（表1）。

2 結(jié)果與分析

2.1 大型底棲動物組成和特征

在遼河口3個航次中共采集大型底棲動物75種，隸屬6門9綱25目54科68屬，包含環(huán)節(jié)動物30種、節(jié)肢動物17種、軟體動物15種、棘皮動物7種、脊索動物4種、刺胞動物2種。春季采集大型底棲動物37種、夏季44種、秋季42種。對3個季節(jié)的物種豐度和個體總數(shù)進行差異性分析，得出物種豐度和個體總數(shù)在季節(jié)間具有顯著差異性（表2）。

根據(jù)AMBI V5.0軟件提供的物種名錄，將物種進行生態(tài)分組并計算各生態(tài)組所占百分比。春季GⅠ～GⅤ生態(tài)組百分比均值依次為42.75%、29.11%、22.23%、0.98%、4.93%，以敏感物種為主;夏季GⅠ～GⅤ生態(tài)組百分比均值依次為26.62%、13.12%、18.34%、12.29%、29.63%，以第一級機會物種和敏感物種為主;秋季GⅠ～GⅤ生態(tài)組百分比均值依次為32.08%、21.57%、18.75%、1.02%、26.58%，以敏感物種和第一級機會物種為主。3個季節(jié)GⅠ～GⅤ生態(tài)組百分比均值依次為34.04%、21.51%、19.81%、4.54%、20.10%，以敏感物種為主。

2.2 生物指數(shù) 經(jīng)計算（表3），3個季節(jié)AMBI指數(shù)均值分別為春季1.45、夏季3.08、秋季2.57，標(biāo)準(zhǔn)差分別為春季0.952、夏季1.381、秋季1.864，且在3個季節(jié)間具有顯著差異性。3個季節(jié)BENTIX指數(shù)均值分別為春季4.87、夏季3.59、秋季4.06，標(biāo)準(zhǔn)差分別為春季0.981、夏季0.978、秋季1.419，且在3個季節(jié)間具有顯著差異性（表3）。3個季節(jié)H′指數(shù)均值分別為春季2.45、夏季2.70、秋季2.34，標(biāo)準(zhǔn)差分別為春季0.883、夏季1.340、秋季0.957，且在3個季節(jié)間具有顯著相關(guān)性，春夏季間γ p=0.645**、夏秋季間γ p=0.517*、春秋季間γ p=0.440*。3個季節(jié)D指數(shù)均值分別為春季1.57、夏季2.14、秋季1.49，標(biāo)準(zhǔn)差分別為春季0.742、夏季1.098、秋季0.881，且在3個季節(jié)間具有顯著相關(guān)性，春夏季間γ p=0.526*，夏秋季間和春秋季間不具有顯著相關(guān)性（表4）。

M-AMBI指數(shù)經(jīng)3種參考基準(zhǔn)值計算后得出3組不同數(shù)值，數(shù)值均值：第2種參考基準(zhǔn)值所得數(shù)值<第3種參考基準(zhǔn)值所得數(shù)值<第1種參考基準(zhǔn)值所得數(shù)值，且3組數(shù)值間具有極顯著的相關(guān)性（γ p=1**），以下分析使用第3種參考基準(zhǔn)值計算所得數(shù)值。M-AMBI指數(shù)均值分別為春季0.523、夏季0.545、秋季0.461，標(biāo)準(zhǔn)差分別為春季0.145、夏季0.241、秋季0.207，且在3個季節(jié)間具有顯著相關(guān)性，春夏季間γ p=0.656**，夏秋季間γ p=0.541*，春秋季間γ p=0.546*（表4）。

2.3 生物指數(shù)評價等級

根據(jù)生物指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)值（表1），將生物指數(shù)計算所得數(shù)值進行依次評級，分為優(yōu)（1）、良（2）、中（3）、差（4）、劣（5）5個等級，1～5為評價等級代替值，數(shù)值越大所代表的污染程度越高。繪制生物指數(shù)評價等級隨時空變化的波動圖，其中春季站位依次為1～23、夏季站位依次為24～44、秋季站位依次為45～67（圖2）。

根據(jù)生物指數(shù)評價等級百分比得出，AMBI和BENTIX指數(shù)評價優(yōu)良等級總占比分別為78%、82%，評價等級梯度不明顯;M-AMBI和H′指數(shù)評價優(yōu)良等級總占比分別為54%、38%，評價等級梯度相對明顯;D指數(shù)評價優(yōu)良等級總占比為2%，評價等級梯度不明顯（圖3）。AMBI和BENTIX指數(shù)在3個季節(jié)評價等級均值變化趨勢相同，春季<秋季<夏季;M-AMBI和H′指數(shù)在3個季節(jié)評價等級均值變化趨勢相同，夏季<春季<秋季;D指數(shù)在3個季節(jié)評價等級均值夏季<秋季<春季（圖4）。AMBI和BENTIX指數(shù)評價等級，其中有39個站位評價等級相同，28個站位相差1個評價等級;AMBI和M-AMBI指數(shù)評價等級，其中有24個站位評價等級相同，35個站位相差1個評價等級，7個站位相差2個評價等級，1個站位相差3個評價等級;M-AMBI和H′指數(shù)評價等級，其中有39個站位評價等級相同，28個站位相差1個評價等級;H′和D指數(shù)評價等級，其中有7個站位評價等級相同，37個站位相差1個評價等級，23個站位相差2個評價等級（圖5）。

將生物指數(shù)評價等級進行相關(guān)性分析和距離程度分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)（表5～6），AMBI和BENTIX指數(shù)評價等級具有極顯著的相關(guān)性（γ p=0.872**）且評價等級間距離程度為5.292;AMBI和M-AMBI指數(shù)評價等級具有極顯著的相關(guān)性（γ p=0.705**）且評價等級間距離程度為8.485;M-AMBI和H′指數(shù)評價等級具有極顯著的相關(guān)性（γ p=0.852**）且評價等級間距離程度為5.292;H′和D指數(shù)評價等級具有極顯著的相關(guān)性（γ p=0.784**）且評價等級間距離程度為11.358。

綜上對生物指數(shù)評價等級的分析以及評價等級多維度分析（圖6），可以將5種生物指數(shù)評價等級分為3類。AMBI和BENTIX指數(shù)評價等級基本一致且評價的污染程度偏低，M-AMBI和H′指數(shù)評價等級基本一致且評價的污染程度中等，D指數(shù)評價的污染程度偏高。

2.4 環(huán)境因子和生物指數(shù)相關(guān)性分析

AMBI指數(shù)極顯著相關(guān)的環(huán)境因子為Temp、Sal、DO、TOC，顯著相關(guān)的環(huán)境因子為pH、NO 3、TP;BENTIX指數(shù)極顯著相關(guān)的環(huán)境因子為Temp、Sal、TOC，顯著相關(guān)的環(huán)境因子為DO;H′指數(shù)極顯著相關(guān)的環(huán)境因子為pH、DO、PO 4;D指數(shù)極顯著相關(guān)的環(huán)境因子為pH、DO、PO 4，顯著相關(guān)的環(huán)境因子為Temp、Chl-a、oil;M-AMBI指數(shù)極顯著相關(guān)的環(huán)境因子為pH、DO、PO 4，顯著相關(guān)的環(huán)境因子為Sal、oil（圖7）。綜上表明AMBI和BENTIX指數(shù)具有相關(guān)性的環(huán)境因子較為相似，H′、D、M-AMBI指數(shù)具有相關(guān)性的環(huán)境因子較為相似。

從圖8可以看出，AMBI與BENTIX指數(shù)在3個季節(jié)具有顯著的差異性，主要由于具有極顯著相關(guān)的環(huán)境因子（Temp、Sal、TOC）在3個季節(jié)間變化較大，影響底棲動物生態(tài)分組;H′、D、M-AMBI指數(shù)在3個季節(jié)間不具有顯著的差異性，主要由于具有極顯著相關(guān)的環(huán)境因子（pH、DO）在3個季節(jié)間相對變化較?。≒O 4在3個季節(jié)間變化較大，但未對3種指數(shù)造成明顯影響）。

3 討論與結(jié)論

海洋生態(tài)系統(tǒng)本身的復(fù)雜性以及受人為與自然環(huán)境壓力的影響，不同的生物指數(shù)評價同一區(qū)域通常會給出不同的評價結(jié)果[27] ，使得對海洋生態(tài)環(huán)境評價的準(zhǔn)確性在很大程度上取決于生物指數(shù)的選擇[28]。

研究表明AMBI指數(shù)適用于有機物和營養(yǎng)物富集的區(qū)域[27]，BENTIX指數(shù)起初建立于地中海貧營養(yǎng)區(qū)域[29]，主要反映有機物富集對底棲生物生態(tài)分組的影響。該研究也表明AMBI和BETIX指數(shù)可以反映有機物富集對底棲生物生態(tài)分組的影響。研究表明AMBI指數(shù)更適用于評價非季風(fēng)氣候下河口的環(huán)境質(zhì)量狀況[30]，而遼河口屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，溫度和降水量在3個季節(jié)間存在較大的變化（降水量影響鹽度）。該研究也表明溫度和鹽度的變化對底棲生物生態(tài)分組具有一定影響。AMBI和BENTIX指數(shù)不能有效地區(qū)分人為環(huán)境壓力和自然環(huán)境壓力，且遼河口底棲動物組成以敏感物種為主，導(dǎo)致AMBI和BENTIX指數(shù)評價污染程度偏低。

研究者創(chuàng)建D指數(shù)時，未建立準(zhǔn)確的評價標(biāo)準(zhǔn)值。該研究使用的評價標(biāo)準(zhǔn)值是針對具有強烈季節(jié)性變化和富營養(yǎng)化問題的葡萄牙河口所建立[26]。遼河口和葡萄牙河口生態(tài)環(huán)境存在一定的差異，因此評價標(biāo)準(zhǔn)值的合理性需進一步確定。

M-AMBI綜合指數(shù)已被應(yīng)用于不同的水體類型，大部分的評價結(jié)果表明M-AMBI指數(shù)比單因子指數(shù)更能準(zhǔn)確地反映實際環(huán)境狀況[30]。這與該研究得出的結(jié)論一致，但是應(yīng)用M-AMBI指數(shù)首先要確立參考基準(zhǔn)值，準(zhǔn)確建立參考基準(zhǔn)值的方法是今后需要深入研究的方向之一。

綜上，AMBI和BENTIX指數(shù)的評價結(jié)果基本一致，但是不能有效地區(qū)分人為環(huán)境壓力和自然環(huán)境壓力且評價的污染程度偏低，因此其評價結(jié)果不完全合理。D指數(shù)評價結(jié)果偏差較大，主要由于在遼河口使用上述評價標(biāo)準(zhǔn)值存在一定的不合理性。M-AMBI和H′指數(shù)評價結(jié)果基本一致，且評價結(jié)果更為合理、更能有效地反映人為環(huán)境壓力對遼河口生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況的影響。

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