海河流域河流大型底栖动物生物完整性指数健康评价

赵燕楚，王菲，吴丹，黄鑫,3，陈佳林，周琳普，孔凡青*

1. 生态环境部海河流域北海海域生态环境监督管理局生态环境监测与科学研究中心，天津 300170；2. 河北省生态环境监测中心，河北 石家庄 050037；3. 天津农学院，天津 300392

生物完整性指数（Index of Biotic Integrity，IBI）依据多个生物参数综合反映水体生物学状况，突破了单一生物指数或单一生物群评价水环境质量的局限性，能更好地从生态系统角度反映河流健康状况，是目前水生态系统健康评价中应用最广泛的指标之一（Karr，1981；王备新等，2006）。生物完整性指数的指示生物包括鱼类、大型底栖动物、浮游生物、着生藻类、水生植物、微生物等类群（Barbour et al.，1996；Beck et al.，2010；殷旭旺等，2011；Wu et al.，2012；邓明星等，2018；苏瑶等，2019）。其中，大型底栖动物是水生态系统健康评价的一个重要指示生物。大型底栖动物是水生态系统的消费者，在物质循环和能量流动中发挥重要作用。该类群在水体中普遍存在，对水质污染、环境变化等反应灵敏；具有较高的物种多样性和较弱的迁移能力，能够反映长期的环境变化（Chi et al.，2017）。此外，由于水体受到捕捞、取水、水库作业和其他人类活动的干扰，大型底栖动物比鱼类或浮游生物等受到影响小，更适合评价河流健康状况（Helson et al.，2013）。

国内外利用大型底栖动物生物完整性指数（Benthic Index of Biotic Integrity，B-IBI）评估河流水生态系统健康的研究较多。Kerans et al.（1994）最早基于B-IBI 对美国田纳西河流域进行健康评价。Barbour et al.（1996）利用B-IBI 对美国佛罗里达州的溪流进行了评估。Weigel et al.（2002）开发一种基于大型底栖动物的IBI，用于保护和恢复墨西哥中西部河流。中国关于大型底栖动物生物完整性指数相关研究已在辽河、淮河、海河、东江、浑河、赣江等流域有过报道（张远等，2007；张颖等，2014；付岚等，2018；黄彬彬等，2020；张宇航等，2020）。由于不同流域的自然状况及人类干扰程度不同，导致生物区系差异较大，因此生物完整性评价方法需要分别构建。

海河流域地跨京津冀及周边省份，人口密集，大中城市众多，是中国政治、文化中心和经济发达地区，其水生态健康状况对京津冀一体化发展有着重要意义。目前海河流域已经开展利用B-IBI 进行河流健康评价的研究，主要集中在永定河、大清河、滦河、漳河等子流域，而对海河流域全流域河流健康状况的研究却鲜有报道（孔凡青等，2018；崔文彦等，2019；田鹏等，2019；许维等，2020）。本研究应用B-IBI 指数评价海河流域河流的水生态健康状况，以期为海河流域水生态保护恢复和综合管理提供理论和数据支持。

1 研究方法

1.1 区域概况

海河流域位于112—120°E、35—43°N 之间，东临渤海，南界黄河，西靠云中、太岳山，北依蒙古高原。行政区划包括北京、天津两直辖市全部，河北省大部分地区，山西省东部，河南省、山东省北部，内蒙古自治区和辽宁省一小部分（孙鹏程等，2022）。海河流域总面积32.1×104km2，占全国面积的3.3%。总体地势呈西北高、东南低，地貌划分为内蒙古高原、华北山地和海河平原3 个区。流域属于温带半湿润、半干旱大陆性季风气候区，年内四季分明，寒暖适中，日照充足。多年平均气温在1.5—14 ℃，由南往北和由平原向山地降低。多年平均降雨量为527 mm，降雨时空分布呈明显的地带性、季节性和年际差异。流域水系主要由滦河水系、北三河系、永定河系、大清河系、子牙河系、漳卫河系、徒骇马颊水系组成，从南到北呈扇形分布，水系分散、河系复杂、支流众多。

1.2 大型底栖动物样品采集和分析

2020年5—10月完成了流域内大型底栖动物样品采集，采样点共计39 个，各采样点的信息见图1。在水深小于30 cm 的采样点，将网径为40 目（孔径为0.425 mm）、采样面积为0.09 m2的索伯网置于河床，搅动采样框内底质，并将框内石头上的大型底栖动物刷入网内。在水深大于30 cm 的采样点，利用体积为1/40 m3的彼得森采泥器，进行样品采集。所有样品用40 目筛网冲洗后在白瓷盘中进行分类挑选，将肉眼可见的大型底栖动物放入样品瓶中，加入95%乙醇溶液固定。样品带回实验室后，在解剖镜和显微镜下进行鉴定和计数，所有样品尽可能鉴定到最低的分类单元（刘月英，1979；Morse et al.，1994；王俊才等，2011）。

图1 海河流域采样点分布示意图Figure 1 Distribution of sampling sites in Haihe River Basin

1.3 水质理化特征与生境质量评价

使用YSI 多参数水质监测仪对pH、水温（WT）、溶解氧（DO）、电导率（Cond）、浊度（Tur）进行现场测定。采集水样，在实验室内参照《水和废水监测分析方法（第4 版）》测定氨氮（NH3-N）、总氮（TN）、总磷（TP）、五日生化需氧量（BOD5）、高锰酸盐指数（CODMn）、化学需氧量（COD）等指标。水质理化指标的评价依据《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）。

生境质量评价主要参考郑丙辉等（2007）提出的栖息地评价指标体系，包括底质、栖息地复杂性、流速-深度结合特性、河岸稳定性、河道变化、河水水量状况、植被多样性、水质状况、人类活动强度、河岸土地利用类型等10 个参数。每个参数评分范围为0—20 分，将分数累加，得到最终的生境质量评价结果。

1.4 B-IBI 评价体系建立

1.4.1 参照点的筛选

参照点指未受到人类活动干扰或轻度人类活动干扰的采样点。由于海河流域人口密集，人为干扰严重，选择无干扰样点或者干扰极小样点作为参照点很困难。本研究参考周莹等（2013）提出的参照点筛选标准，并结合海河流域的实际情况：1）水质标准在Ⅱ类及以上；2）生境质量评价结果≥120分；3）周围无强人类活动干扰且无密集的农田、建筑和工业用地。按照上述原则最终确定了下交漳、黄花营、白羊墅、滦县大桥、马邑、古北口、上二道河子、大沙地、王林口9 个点位为参照点，其余的30 个点位为受损点。

1.4.2 候选参数的筛选及分布范围

依据本研究的调查数据，参考相关的研究成果（慕林青等，2018），分别从群落丰富度、个体数量比例、生物耐污能力、营养级组成以及多样性5个方面选取21 个指标作为候选指标体系（表1）。计算参照点中候选参数的分布范围，筛除以下两类参数：1）随干扰增强值变化范围很小的参数，不易准确区分受不同干扰程度的水体，不适于参与构建B-IBI 指标体系；2）如果指标值的标准差大，说明该值分布比较散，也不适于参与构建B-IBI 指标体系。

表1 海河流域B-IBI 候选参数及在参照点中的分布范围Table 1 Candidate metrics of B-IBI in Haihe River Basin and distribution in reference sites

1.4.3 判别能力分析

根据Barbour et al.（1996）的评价方法，每个指标的灵敏度依据箱线图参照点和受损点的25%—75%分位数范围即箱体IQ（interquartile ranges）重叠情况进行判断，分别赋予不同的值。参照点和受损点的箱体没有重叠，IQ=3；箱体部分重叠，各自中位数都在对方箱体之外，IQ=2；箱体部分重叠，仅有1 个中位数在对方箱体之外，IQ=1；2 个中位数均在对方箱体之内，IQ=0。筛选IQ≥2 的指数进行下一步分析。

1.4.4 相关性分析

对判别能力分析后的指标进行Pearson 相关性分析，检验各参数所反映信息的独立性，相关系数r的绝对值大于0.75 的两个指标保留一个即可。

1.4.5 B-IBI 指标的计算及评价标准

经相关性分析后保留的指标统一量纲，使用的比值法对参数进行记分。对于干扰越强而值越低的指标，指标分值为实际值除以95%分位数值；对干扰越强而值越高的指标，指标分值为(最大值-实际值)/(最大值-5%分位数值)。各评价指标分值的分布范围为0—1，若大于1，则记为1。

将各指标的分值相加得到每个点位的B-IBI值。以参照点B-IBI 值分布的25%分位数值作为健康评价的标准，对小于25%分位数值的分布范围进行4 等分，确定了海河流域的B-IBI 指数5 个等级的评价标准。

1.5 数据处理与分析

用Excel 进行基础数据处理，用Origin Pro 8.5软件进行判别能力分析，用SPSS 23.0 软件对数据进行相关性分析。优势度公式如下：

式中：

Y——物种的优势度；

fi——第i种物种出现的频率；

ni——种i的个体数；

N——所有种的个体总和。大型底栖动物优势度大于或等于0.02 种类为优势种（Mcnaughton，1967）。

2 结果

2.1 大型底栖动物群落结构组成

2020 年海河流域内河流共采集到大型底栖动物106 个分类单元（以下称为 “种”），隶属于4 门8 纲20 目50 科。扁形动物门1 纲1 目1 科1 种，占物种总数的0.9%；环节动物门3 纲5 目5 科6种，占物种总数的5.7%；软体动物门2 纲4 目7科12 种，占物种总数的11.3%；节肢动物门种类最多，包含2 纲10 目37 科87 种，其中昆虫纲8 目34 科83 种，占物种总数的78.3%，甲壳纲2 目3科4 种，占物种总数的3.8%。中华齿米虾（Caridina denticulatesinensis）、逸仙丽翅蜉（Alainitesyixiani）、摇蚊属一种（Chironomussp.）、斑点小划蝽（Micronectaguttata）为流域内的优势种。

大型底栖动物密度范围在3.3—1 376 ind·m-2，平均值为297 ind·m-2，节肢动物门密度占比最高为84.7%，软体动物门和环节动物门分别占总密度的11.0%和4.2%，扁形动物门密度占比最低为0.2%。

2.2 B-IBI 指数评价体系

2.2.1 生物参数分布范围

计算21 个候选指数在9 个参照点的分布情况（表1），M2 指标标准差较大，不适合构建指标体系；M3、M5、M10 3 个指标随干扰增强，指标值的变化范围较小，同样不适合构建指标体系。对剩余的17 个指标进行进一步分析。

2.2.2 判别能力分析

对剩余的17 个指标进行箱线图分析（图2），M1、M8、M14、M15、M18 和M21 共6 个指标的IQ≥2。

图2 17 个候选参数在参照点和受损点的箱线图Figure 2 Box plots of 17 candidate metrics in reference and impaired sites

对上述6 个指标进行Pearson 相关性分析（表2）。结果表明M1 与M14 之间呈显著相关，M1为表现物种丰富程度的指标，M14 为表现生物耐污能力的指标，考虑物种丰富程度部分其他指标都已剔除，因此保留M1。M8、M18、M21 之间呈显著相关，M8 为表现个体数量比例的指标，M18 和M21为表现物种多样性的指标，M18 包含的信息较多，予以保留。M15 与其它指标没有显著相关性，保留该指标。因此，构成B-IBI 指标体系的参数共3 个，分别为M1、M15、M18。

表2 6 个候选参数之间的Pearson 相关分析结果Table 2 Pearson correlation analysis of 6 candidate metrics

2.2.3 海河流域B-IBI 健康评价

构成B-IBI 指标体系的3 个指标分值的计算公式见表3，将各指标的分值相加得到B-IBI 值，海河流域评价标准见表4。

表3 核心参数计算公式Table 3 Calculation formula of core parameters

表4 海河流域评价标准Table 4 Criteria of B-IBI in Haihe River Basin

海河流域评价结果显示，B-IBI 值平均得分为1.86，健康状况为良好。39 个采样点中（图3），处于健康状态有13 个，占33.3%；处于良好状态有12 个，占30.8%；处于一般状态有10 个，占25.6%；处于较差状态有3 个，占7.7%；处于很差状态有1个，占2.6%。

图3 海河流域B-IBI 评价结果Figure 3 B-IBI evaluation results of Haihe River Basin

3 讨论

3.1 参照点位的选取

B-IBI 是一个区域指标，通过比较群落结构现状和参考状态，分析和监测人为干扰对大型底栖生物群落结构影响。因此，参照点的选取对B-IBI 评价至关重要。理论上参照点应当是没有受到人类活动干扰的点位。海河流域长期受人类活动的影响，找到完全没有干扰的参照点是非常困难的，我们选择受干扰程度最小的点作为参照点。根据已有的研究报道，水质、物理栖息地和土地利用模式是最重要的参考点筛选指标，水质参数表明营养物富集和有机污染情况，物理栖息地特征影响大型底栖动物的多样性和丰度，土地利用模式反映潜在的非点源污染（Whittier et al.，2007；Huang et al.，2014）。Maxted et al.（2000）对大西洋中部沿海平原溪流评价、Mereta et al.（2013）评估埃塞俄比亚西南部自然湿地等均采用了这3 个指标筛选参照点。本研究在此基础上参照周莹等（2013）提出的筛选标准主要依据水体水质等级、栖息地质量评价、人类干扰强度以及河岸带土地利用情况，尽可能确定相对环境较好的参照点位。国内关于B-IBI 的许多研究工作均参照此标准化参照点筛选方法，如滦河流域、永定河、浑太河流域、鄱阳湖等（渠晓东等，2012；慕林青等，2018；田鹏等，2019；游清徽等，2019）。

本研究选取的9 个参照点位普遍位于山区及河流的上游区域，具有较好的自然流量，污染水平较低。从B-IBI 评价结果看（图4），参照点位均处于健康和良好状态；参照点位和受损点位的箱线图箱体没有重叠，生物状态可以明显区分，说明选取的参照点是可行的。

图4 参照点和受损点B-IBI 箱线图Figure 4 Box plots of B-IBI in reference and impaired sites

3.2 海河流域河流健康

利用B-IBI 指标体系评价河流的健康状况，可反映不同类型人为活动对河流的综合干扰状况。人为干扰越强，B-IBI 指数越低；人为干扰越弱，B-IBI指数越高。B-IBI 指数对海河流域河流健康状况进行评价，结果表明海河流域整体呈现良好状态。北部和西部山区普遍呈现健康或良好状态，部分点位呈现一般状态；南部平原地区呈现一般和较差状态。北部和西部山区大部分为河流源头，海拔较高，地形起伏大，不适宜人类活动，工业化程度低，工农业排放污水较少，因而生境状况较好，大型底栖动物种类较多，群落结构较复杂。平原区大中城市较多，人口较密集，人类活动干扰强度较大，生境状况较差，大型底栖动物种类较少且以耐污染的类群为主。

郝利霞等（2014）利用大型底栖动物研究发现海河流域河流生物完整性整体较差，与本研究结果有差异。一方面可能与点位设置差异有关，本研究大部分点位位于山区，而郝利霞（2014）等研究结果在平原区设置点位较多。整体来看，山区河流健康状况好于平原地区。另一方面可能与采样时间相差较大有关，郝利霞等（2014）采样时间为2010年，本研究采样时间为2020 年，这十年海河流域经过一系列的生态环境综合修复保护工作一定程度上提升了大型底栖动物的完整性，河流健康状况有所好转（孙鹏程等，2022）。

由于整个海河流域面积较广，本研究设置点位数量有限，未能全面覆盖海河流域各水系。因此，长期、系统性的调查监测有待于进一步开展，使B-IBI 更准确地反映海河流域健康状况，以便管理部门制定相应的保护和恢复对策。

4 结论

1）海河流域河流共采集到大型底栖动物106种，其中中华齿米虾、逸仙丽翅蜉、摇蚊属一种、斑点小划蝽为优势种。

2）海河流域河流B-IBI 指标体系由总分类单元数、每个分类单元的平均得分（ASPT 指数）和Shannon-Wiener 指数构成。

3）海河流域河流整体健康状况为良好，北部和西部山区河流健康状态优于南部平原地区。