基于大型无脊椎动物完整性的赤水河健康评价体系构建

王 军，黄真理，李海英，蒋小明，李正飞，孟星亮，谢志才

1.中国科学院水生生物研究所淡水生态与生物多样性重点实验室，湖北 武汉 430072 2.中国水利水电科学研究院国家水电可持续发展研究中心，北京 100038 3.中国科学院大学，北京 100049

近年来，河流生态系统健康一直是河流生态学与环境科学的研究热点[1-3]，如何运用有效的方法与手段评价河流生态健康正成为河流生态学家与环境科学家亟待解决的关键问题。无脊椎动物具有多样性高、生命周期长、生活场所固定、不同种类对环境压力敏感程度不同等特点[4]，能很好地指示人类活动的干扰，因此基于大型底栖无脊椎动物的河流健康评价研究较为普遍[5]。

生物完整性指在某一区域生命系统的总和，即在该区域内支撑和维持所有生物体生命活动和过程的能力[6-8]。基于生物完整性理念而构建的生物完整性指数(Index of Biotic Integrity，IBI)是目前河流生态系统健康评价中应用最为广泛的方法[9-10]。底栖生物完整性指数(Macroinvertebrate Index of Biological Integrity，M-IBI)就是以大型无脊椎动物群落的结构和功能指标为对象来定量评价河流的退化等问题[11]。它综合了诸多生物指标(如分类学、生态学和生理学等)，能定量刻画人类干扰与生物特性之间的关系(如生物对土地利用变化、水电开发的反应)[6-7,9]。

河流的理化环境和生物类群从上游到下游会呈现一定的纵向格局的变化[12]，因而河流中生物类群的变化并非完全是由干扰造成的，采用上游的采样点来作为下游的参照并不完全合适。目前的研究主要集中在对生境相似或相同的采样点进行评价，而对于一个连续的河流系统所提出的评价体系并不多见。因而研究在摸清赤水河干流及部分支流无脊椎动物现状的基础上，应用生物完整性理论的原理和技术体系，尝试构建大型无脊椎动物生物完整性评价指标体系来评价赤水河干流和部分支流入河口的健康状况，为开展全领域的健康评价体系构建打下基础，为赤水河流域的保护和管理提供科学技术支持。

1 实验部分

1.1 研究区域

赤水河地理坐标为104°45′～106°51′E，27°20′～28°50′N，发源于云南省镇雄县，流经云南、贵州、四川3个省，于四川省合江县注入长江，是长江上游较为重要的一级支流。赤水河是长江上游区域唯一没有筑坝并且污染较轻的一级支流，其生态环境保护具有重要意义[13]。干流总长为436.5 km，流域面积为20 440 km2，河流落差为1 588 m，平均比降为3.57%，河口多年平均流量为309 m3/s。其中河源至茅台为上游，河长为224.7 km，天然落差为1 274.8 m。茅台至赤水市为中游，河长为157.8 km，天然落差为182.9 m。赤水至河口为下游，河长为54 km，天然落差为16.28 m。全水系流域面积大于1 000 km2的支流,在东南岸有习水河、二道河、大同河，而北岸和西岸只有古蔺河。赤水河是典型的山区雨源型河流，径流主要由降水形成，径流时空变化规律与降水时空变化规律基本一致。

1.2 采样点选择

根据赤水河的气候、生态、地理特征及交通可到达条件，从源头至河口共设置44个采样点(图1)，包括干流和部分支流。分别于2016年4、9月采集无脊椎动物样品。

采样点：1.赤水源头；2.赤水源头2；3.板桥；4.鱼洞1；5.鱼洞2；6.罗甸；7.岩脚；8.倒流河支流；9.斑鸠井；10.鸡鸣三省大峡谷；11.水潦铺；12.斜口村；13.孙家陀；14.赤水镇；15.清水铺；16.湾潭大桥；17.清池镇；18.龙井渡口；19.五马河口；20.乌龟石；21.茅台镇；22.无忧酒业；23.田湾子；24.合马镇；25.沙滩乡；26.桐梓河；27.二郎滩；28.顺江场；29.千江寺；30.古蔺河；31.淋滩村；32.堡寨；33.土城；34.元厚镇；35.胡市镇；36.丙安镇；37.复兴镇；38.大同河；39.赤水市上游；40.赤水市下游；41.密溪乡；42.先市镇；43.习水河口；44.赤水河口。图1 赤水河环境指标和无脊椎动物采样点分布(实心圆代表采样点)Fig.1 Location of sampling sites in the Chishui River (dots represent the sampling sites)

1.3 样品采集与处理

在每个采集断面，选取流速、水深、底质组成及生境均有代表性的采样点进行样本采集。每个采样点采集3个重复样。依据各采样点生境情况，在鹅卵石-砾石底质为主的上中游采用索伯网(筛网孔径为420 μm，采样面积为0.09 m2)进行采集；在淤泥-细沙底质为主的下游河段用1/16 m2彼得逊采泥器采集。定性和定量的采集样品经450 μm铜筛洗净后，在白色解剖盘中用肉眼将动物标本拣出，标本用70%的酒精固定后带回实验室进行物种鉴定。物种鉴定工作参考文献[14-21]。

在采集无脊椎动物样本的同时，进行环境指标的测定。海拔和地理坐标用麦哲伦GPS(探险家210型)测定，河宽用测距仪测定。与河流横断面上等距离测定水深，并用LJD-10流速仪测定0.6倍水深流速。溶解氧、电导率、pH使用水质多参数分析仪(YSI6600，美国)测定。依照BARBOUR等[22]的标准，将底质分为四大类：①泥沙(粒径小于2 mm)；②砾石(粒径为2～32 mm)；③卵石(粒径为32～64 mm)；④大石(粒径大于64 mm)。在每一采样点目测估算每一类型的百分比。采集样本的同时，在每个采样点使用经pH<2的硫酸处理过的聚乙烯瓶在水下30 cm采集2瓶水样，低温保存并在24 h内带回实验室测定水化指标，主要测定5项化学指标：氨氮(NH4+-N)、总氮(TN)、总磷(TP)、5日生化需氧量(BOD5)、高锰酸盐指数(CODMn)。水体化学指标的测定依据《水和废水监测分析方法(第四版)》[23]。

1.4 参照点和受损点的选择

依据各采样点的物理、化学、环境条件和栖境

地评估，将采样点分为参照点与受损点[24-25]。选定参照点的标准：①河道基本维持自然的状态；②河道内无采砂或水利水电工程；③具有较为完整的河岸带植被；④河岸无城镇或居民居住点；⑤上游无点源污染。此外，还参考了各采样点的水体理化指标。最后，将未能达到上述条件的采样点归为受损点。

1.5 数据分析

1.5.1 群落结构分析

采用非度量多维尺度分析(NMDS)来解析赤水河上中下游大型无脊椎动物群落结构的差异。采用相似性分析检验(ANOSIM)来检验不同河段无脊椎动物群落结构的相似性[26]。

1.5.2 候选IBI参数

依据相关文献[22,27-30]和赤水河无脊椎动物群落特征，候选的无脊椎动物参数包括六大类共36个，具体见表1。

表1 构建B-IBI体系的无脊椎动物候选参数及其对干扰的响应Table 1 Macroinvertebrate metrics considered for inclusion in the B-IBI and their response to disturbance

1.5.3 核心参数的筛选

IBI的核心参数选定通过5个步骤来完成：①对所有参数进行初选，如果参数在参照点和受损点的中值均为零，则此参数不进入下一步分析[22];②利用独立样本t检验，比较各个参数在参照点与受损点之间的差异，当P<0.05时，认为该参数能较好地区分参照点与受损点之间的差异，可用于下一步的筛选;③利用箱线图法，比较参照点和受损点25%分位数～75%分位数范围及中位数的分布，进行参数筛选[22]。在此分析中，如果参数的箱体没有重叠或者部分重叠但各自中位数均落于对方箱体范围之外，则该参数被认为能很好地判别参照点和受损点之间的差异，予以保留进入下一步分析；④计算参数在参照点中的变异系数，当参数的变异系数大于1时，则认为该参数的自身离差过大而予以排除(P值);⑤对符合上述条件的参数进行Pearson相关性分析。如果|r|>0.75，表明2个参数所反映的信息大部分重叠，选择其中之一即可，保留的标准是t检验中P值较低者，当P值相等时，选择变异系数较低者[28,31]。

1.5.4 IBI分值计算

研究采用0～10分值法[1]确定B-IBI核心参数的分值。在进行赋值之前需对各参数进行标准化处理。随干扰增强而减小的参数，利用公式(1)计算；随干扰增强而增加的参数，利用公式(2)计算。

为了消除极值的影响，所有核心参数进行95%分位数标准化，随干扰增强而减小的参数，利用公式(1)进行标准化；随干扰增强而增加的参数，利用公式(2)进行标准化[10]。

(1)

(2)

1.5.5 数据分析

采用单因素方差分析探讨赤水河上中下游环境因子的差异。为进一步检验M-IBI分值如何响应河流的生境质量和水质状况，对M-IBI参数与环境因子进行线性回归分析。以上分析在R软件中完成。

2 结果

2.1 群落结构

共鉴定无脊椎动物224个分类单元，隶属于5门9纲77科。其中，昆虫纲185种(占比为83.1%)，软体动物门16种(7.1%)，寡毛纲10种(4.5%)，甲壳纲7种(3.1%)，蛭纲2种，蛛形纲、扁形动物门和线虫动物门各1种。水生昆虫中，双翅目73种(占昆虫物种数的39.8%)，蜉蝣目32种(17.2%)，毛翅目32种(17.2%)，鞘翅目17种(9.1%)，蜻蜓目13种(7.0%)，襀翅目9种(4.8%)，半翅目6种(3.2%)，广翅目2种和鳞翅目1种。

NMDS分析(图2)结果显示，赤水河上中下游的大型无脊椎动物群落结构存在显著差异。ANOSIM分析显示，3组间的无脊椎动物群落结构差异显著(春季：r=0.69，P<0.05；秋季：r=0.57，P<0.05)。两两比较结果显示：春季和秋季不同河段间群落结构差异显著(春季：上游和中游之间：r=0.41，P<0.001 ；上游和下游之间：r=0.74，P<0.001 ；中游和下游之间：r=0.19，P=0.029 ；秋季：上游和中游之间：r=0.29，P<0.001 ；上游和下游之间：r=0.86，P<0.001 ；中游和下游之间：r=0.46，P<0.001)。

图2 基于赤水河无脊椎动物群落的NMDS采样点分组(U， M和D分别表示上游、中游和下游采样点)Fig.2 Sampling-site grouping of nonmetric multidimensional scaling (NMDS) based on macroinvertebrate community structure (U, M and D represents upstream, midstream and downstream, respectively)

2.2 环境因子

表2 春秋季赤水河各河段环境因子的比较(平均值±标准差)Table 2 Environmental factors of across reaches in the Chishui River between spring and autumn (mean±SD)

注：“*”表示中下游具有显著差异，P<0.05。

2.3 参照点和受损点的选择

从分析结果来看，赤水河上中下游的无脊椎动物群落结构存在一定差异，为了避免自然的差异对健康评价体系所造成的潜在影响，把赤水河分成3个河段(上、中、下游)分别构建生物完整性体系。按照赤水河的地理特征，将源头到茅台镇的采样点划分为上游，茅台至复兴镇的采样点为中游，复兴镇至河口的采样点为下游。按照参照点的选择标准，共选取上游岩脚、倒流河支流、鸡鸣三省大峡谷、斜口村、清池镇、龙井渡口、五马河7个参照点，中游茅台镇、二郎滩、宝寨村、土城、胡市镇5个参照点，下游区域为不可涉水型水体，这种水体可以采用历史状态(2007)以及最小干扰状态作为参照[33]，因此在下游选择赤水市上游、密溪乡、先市镇3个采样点以及其历史状态作为参照点。

2.4 候选参数的选择

以春季为例来阐明指标筛选的过程。

2.4.1 参数的中值分布

从各指标在参照点和受损点的中值分布(表3)来看，M4和M12在上中下游的中值分布均为0，因此将其剔除。同理，在中游剔除M6、M14、M31，在下游剔除M5、M6、M13、M14、M31。

2.4.2t检验

在SPSS 19.0中对剩余参数进行独立样本t检验(表3)，保留在参照点和受损点中差异显著(P<0.05)的指标。经过计算，上游保留了M1、M2、M3、M23、M25、M27、M29、M31、M32等9个指标，中游保留了M2、M3、M21、M30、M32、M35、M36等7个指标，下游保留了M1、M15、M16、M35等4个指标。

2.4.3 指标在参照点中的变异情况

分析第二步获得指标的变异性(表3)，发现M29在上游的变异系数大于1，因此将其剔除。中游和下游的各指标变异系数均未出现大于1的情况，因此全部保留。

表3 春季候选参数在上中下游参照点和受损点的中值分布、t值及其变异系数Table 3 Summary of candidate metrics used for selection in spring (the distribution of middle values in reference and disturbance sites, showing pairwise t-test values and variable coefficient)

注：“—”表示无数值。

2.4.4 指标的相关性分析

对上一步所获得的指标进行相关性分析发现，在上游的指标中，M1与M2、M3、M23具有相关性，考虑到M1和M2是非常重要的群落指标，而M23代表了群落中物种的耐污能力，因此保留这3个指标：M3与M2具有高相关性，因此删除M3；M25和M27具有相关性(r=0.757)，删除M25。在中游的指标中，M3、M35与M2的相关性较高，因此剔除这2个指标。而在下游，M15与M16具有高相关性，考虑到M15指标包含较多的类群，容易引起歧义，因此保留M16。

2.4.5 筛选指标的箱线图

对以上步骤所得到的结果做箱线图(图3)，发现所有指标在参照点和受损点都具有较高的区分度，因此全部保留。至此，获得了构建上中下游3个河段的M-IBI指标体系的参数(表4)。

图3 春季上中下游获得指标的箱线图(R表示参照点，I表示受损点)Fig.3 Boxplot of each index in the upper, middle and down stream of spring (R represent reference sites and I represent impact sites)

季节上游中游下游春季总分类单元数EPT分类单元数总分类单元数EPT分类单元数第一优势种百分比摇蚊科百分比敏感种分类单元数刮食者百分比Shannon-Wiener指数过滤收集者百分比粘附者分类单元数捕食者百分比均匀度指数粘附者分类单元数秋季鞘翅目分类单元数蜉蝣目百分比Shannon-Wiener指数前三位优势种百分比其他双翅目和非昆虫百分比摇蚊科百分比无分节附肢动物百分比BI指数

2.5 核心参数的赋分以及B-IBI指数的计算

研究最终获得春季上游6个指标、中游5个指标和下游3个指标分别构建各自河段的M-IBI体系；秋季上游2个指标、中游4个指标和下游2个指标分别构建各自河段的M-IBI体系。根据所得到的B-IBI 值获得各河段不同季节的评价标准(表5)。

2.6 M-IBI的评价结果

从M-IBI评价结果可知，各河段的春秋季健康状况略有不同，部分采样点的健康状况在春秋季有所转变，春季健康状况好于秋季(图4)。春季上游有4个采样点处于健康状态，6个采样点处于亚健康状态，8个采样点为一般，其余2个采样点为不健康；中游10个采样点处于亚健康状态，6个采样点为一般，其余1个采样点为不健康；下游有1个采样点处于健康状态，2个采样点处于亚健康状态，4个采样点为一般。而在秋季，上游2个采样点处于健康状态，12个采样点处于亚健康状态，2个采样点一般，其余4个采样点为不健康；中游有5个采样点处于健康状态，5个采样点处于亚健康状态，4个采样点为一般，其余3个采样点为不健康；下游有1个采样点处于健康状态，5个采样点处于亚健康状态，1个采样点

为一般。

表5 赤水河的健康评价标准Table 5 The health evaluation standard of the Chishui River

图4 赤水河各采样点的M-IBI得分(黑色原点代表各采样点得分，a～c代表春季上游、中游和下游，d～f代表秋季上游、中游和下游)Fig.4 M-IBI scores of sample sites in the Chishui River in spring and autumn (black circle represents the M-IBI score of sample sites. Letter a-c represents upper, middle and downstream of spring and d-f represents autumn)

2.7 M-IBI 与环境因子的关系

线性回归结果显示，春季的M-IBI指标体系

图5 M-IBI值与关键环境因子的关系Fig.5 Relationship between M-IBI scores and core environmental variables

3 讨论

3.1 参照点与受损点的选择

准确划分参照点与受损点是构建M-IBI的关键[27,34]。常用的界定参照点的标准有2种，一种是以流域内受人类干扰最(较)小的河段采样点作为参照点[22]，另一种是根据历史数据来划分[35]。由于上中下游本身存在较大差异(环境差异造成的生物差异)，这种差异是由河流纵向格局造成的[12]，因此分不同河段进行评价有助于提高评价的可靠性。研究中，赤水河上游和中游采样点较多，因此采用经验法和生境打分法确定相对较好的采样点作为参照点；而下游区域为不可涉水型水体，这种水体的集水区绝大部分都受到一定程度的干扰，因而可以采用历史状态以及最小干扰状态作为参照[33]，以保证统计分析的可靠性。在下游区域采用历史数据与现场采样点相结合的方法选取参照点。在这里，笔者只寻找下游河段采样点中相对较好的状态作为参照，不考虑无脊椎动物的时间变化。研究中，采用历史参照同样是基于最小干扰的假设，这种处理方式总体上有助于提升评价结果的准确性。

3.2 候选指标的选择

不同的候选参数都可以反映一定的环境胁迫[22]。研究综合选取了六大类反映群落信息的指标(物种丰富度、群落组成、耐污能力、功能摄食类群、生境倾向和生物多样性)作为构建M-IBI的候选参数。河流是一个连续的系统，从上游到下游具有明显的自然梯度变化。从之前的分析结果可知，赤水河上中下游无脊椎动物的群落组成差异显著，这些差异由自然因素和人类干扰因素的变化共同主导。因此，为了剔除自然因素的影响，将整条河流分为上中下3个自然变化相对恒定的河段来分别构建M-IBI的指标体系。

总分类单元数是IBI体系构建中较为常用的指标，在研究中也易获得；中游河段由于各采样点的总物种数差异不是很大，所以该指标并未进入最终的M-IBI指标体系中。另外，EPT物种几乎主要分布在上游和部分中游采样点，在下游较少，因此EPT分类单元数并未进入下游的M-IBI指标体系。在筛选指标体系时，亦根据各自指标代表的生态学意义进行筛选(如敏感种分类单元数虽然与总分类单元数具有相关性，但其代表了群落的耐污能力，因此将其保留下来)。剔除一些涵义较为模糊的指标，如下游中双翅目百分比和摇蚊科百分比具有相关性，但在双翅目中包含一些较为敏感的类群(如大蚊科的种类)，而这些种类在下游几乎很少分布，因此保留了摇蚊科百分比而剔除了双翅目百分比。因此，建议在今后的M-IBI体系构建中，应依据流域内无脊椎动物群落分布的实际状况选取合适的候选参数，并可根据实际情况对某些广泛使用的参数进行适当的修改。

3.3 M-IBI体系的适用性

研究对赤水河各个采样点的健康状况作出了科学的评价。赤水河大多数断面是亚健康和一般的状态，表明赤水河不同河段均受到了一定的人为干扰。不同断面在不同月份的M-IBI值有一定的差异，这种差异一方面是由季节变化引起的，更多的则是由于人类干扰所致。如在中游的二合段田湾子渡口采样点，春季处于基本健康的状态，而到了秋季则变为不健康。在采样的过程中发现，秋季田湾子渡口采样点河水几乎不流动，而且水面漂浮大量死亡的藻类，生境质量非常差，无脊椎动物主要为耐污的摇蚊和苏氏尾鳃蚓。而在一些断面(如赤水镇)，从现场观察来看，城镇依河而建，但M-IBI的得分却较高。调查发现，这些样点的无脊椎动物种类丰富，多样性高，可能是因为无脊椎动物已经适应了这种生境，群落结构趋于稳定。因此，在进行健康评价的过程中，基于无脊椎动物的评价结果可能与其他类群略有差异，这是因为不同的类群对环境的要求不同。生物的群落结构可以指示其生存的环境，在评价过程中，基于各类群的评价结果是对河流现状的反映，应把所有类群的指标综合起来进行河段或者采样点的健康状况评判。

4 结论

致谢：项目实施过程中，得到中国水利水电科学研究院林俊强博士、任家赢博士的大力支持；采样过程中，贵州省科学研究院陈会明教授、蒋玄空等研究人员和贵州工程应用技术学院陈永祥教授、赵海涛博士以及中科院水生所唐涛、张君倩、卢雅静、郭姝含、汪卓等给予了很大帮助，在此一并表示衷心感谢。