黄彬彬，李光锦, 丰茂成, 陈宇炜, 涂 洁

(鄱阳湖流域水工程安全与资源高效利用国家地方联合工程实验室，江西 南昌 330099)

1 研究背景

近年来，在全球气候变化以及人类活动的双重影响下，河流生态系统发生了不同程度的退化，河流生态系统健康受到威胁[1]，河流水生态系统的健康越来越受到人们的关注及重视。众多的评价方法被应用于水生态系统的健康评价[2-5]，其中利用水生生物评价河流生态系统的健康是目前广泛使用的评价方法之一[6]。生物完整性指数(IBI)自1981年Karr[7-8]提出之后，已经成为用来评价河流生态系统健康的主要方法，它通过从选取的候选参数中筛选出若干个对人类干扰较敏感的生物参数，建立评价体系来评价水生态系统健康状况[9-10]。从Karr[7]选择指示生物鱼类为研究对象起，其他研究人员将研究对象逐渐扩展到藻类[11]、浮游生物[12]和底栖动物[13]等生物，利用这些生物建立生物完整性指数体系对水生态系统的健康进行评价。

底栖动物是水生态系统中分布极其广泛的物种之一，生活在水体底层，对河流生态系统的能量流与物质流的循环起着重要的作用，底栖动物生命周期短，不同物种对于环境的干扰通常表现出较大的敏感差异性[14]，能很好地指示水生态系统的变化，因此广泛应用于水生态系统健康评价[15-18]。Kerans等[19]最早基于底栖动物建立生物完整性指数对河流进行健康评价，至今底栖动物的完整性指数(B-IBI)已成为研究评价河湖水生态系统健康的重要方法之一。我国利用B-IBI进行河湖健康评价起步较晚，自2000年王备新等[20]开展相关研究以来，才渐渐被国内研究人员应用于不同地区的河湖生态系统健康评价。但是国内的研究区域多集中在中小流域[21-23]和中小型湖泊[24-25]等水域。关于本文研究的赣江流域，仅在2011年有学者对整个赣江流域的水生态系统健康进行了评价[26]，至今未有水生态系统健康评价的相关研究。本文通过对赣江干流的底栖动物进行采样调查，研究了赣江干流底栖动物的优势种与群落结构特征，并构建底栖动物生物完整性指数体系对赣江干流进行水生态系统健康评价，以期为赣江流域的水生态环境综合治理与保护提供科学依据与数据支撑。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区域概况

本文主要以赣江干流为研究区域。赣江干流分为上、中、下3段，上游为赣州以上河段，贡水为主河道，长为311 km，主要支流有平江、梅江等，上游区域多山丘；赣江中游为赣州市至新干线河段，长为302 km；新干线以下直至南昌市鄱阳湖为下游，长为208 km，两岸汇入的支流众多，主要支流有蜀水、富水、袁江、锦江等。但是随着社会的发展，赣江流域水资源开发利用率逐渐提高，各种人为干扰，如河道采砂、水利枢纽的兴建、污染物的排放等，以及气候变化均对赣江流域生态环境造成了不同程度的影响，威胁着流域生态系统的健康[27]。

2.2 样品采集方法

为研究赣江干流的整体水生态系统健康状况，于2018年7月、2019年1月和4月分别对赣江干流进行野外调查采样。根据研究区域水文、地理、气候条件以及《河道大型底栖动物监测与水质评价技术手册》[28]，严格遵循监测点要有代表性、完整性以及可比性的原则。在赣江干流总共布置12个典型采样断面对其进行底栖动物野外调查采样，各采样断面位置分布见表1和图1。

表1 赣江干流底栖动物调查采样断面位置

依据赣江干流实际生境情况，每个采样断面选取长约200 m的河段，在区域内不同生境进行采集，每个断面采集次数不少于3次。不可涉水区域采样所用工具为1/16 m2的彼得森采泥器(定量)、可涉水区域采样工具为索伯网(定量)以及手抄网(定性)，采样为定性和定量相结合。采集到的样品在实验室进行分类鉴定，大部分鉴定到种或者属，少部分鉴定到科。

在调查期间，部分采样断面未采集到底栖动物，其中2018年8月和2019年1月未采集到底栖动物的采样断面有GJ1#、GJ8#、GJ9#、GJ10#和GJ12#；2019年4月未采集到底栖动物的采样断面有GJ5#、GJ8#、GJ9#和GJ10#。

2.3 数据分析方法

根据实验室的样品分析鉴定结果，统计各采样断面不同种类的质量及个体数，将其换算成单位面积上的质量(生物量，g/m2)及个体数(生物密度，ind/m2)，通过底栖动物的优势度指数(Y)[13]对赣江干流优势种进行分析。数据的基础分析及处理使用Excel2017与SPSS完成，指数计算公式如下：

Y=Pi·fi

(1)

Pi=ni/N

(2)

式中：ni为第i个物种的个体数量；N为样方内个体总数量；Pi为第i个物种个体数量与个体总数量的比值；fi为第i个物种在所有样点中出现的频率。当Y>0.02时，该种即为优势种。

图1 赣江干流底栖动物调查采样断面分布图

2.4 B-IBI指数体系构建

2.4.1 参照点位的选取 由于实际采样断面较少，且部分断面在某个时期未采集到底栖动物，故将每次调查结果作为一个采样点，故共有22个采样点。在所有的采样点中选取无干扰点或极小干扰点作为参照点。参照点的选取原则参照附近无农田污染源、水质低污染无毒且仍能溶解氧气的样点[29]。根据参照点选取原则及赣江干流实际水文地理环境，共选取5个参照点，分别为GJ2#(枯水期)、GJ2#(丰水期)、GJ3#(丰水期)、GJ3#(平水期)和GJ3#(枯水期)，其余17个点位为受损点。

2.4.2 构建步骤 构建B-IBI指数体系总共有4个基本步骤[29]，如图2所示，主要是为了筛选出能准确评价水生态系统健康的生物指数。

图2 构建B-IBI指数的基本步骤

2.4.3 选取候选参数 根据前期研究成果[30-32]选取了18个具有代表性、对干扰反映敏感的候选参数，如表2所示。候选参数充分反映了底栖动物群落的组成、丰富度、耐污能力、功能类群和多样性等特征。

表2 构成B-IBI指数体系的候选生物参数

2.4.4 候选参数的筛选 构成B-IBI指数体系的生物参数必须随环境物理因子、化学因子、水动力因子及生物因素的变化而发生不同程度的改变，对河流水环境因子有高敏感性。因此需要对候选生物参数进行分布范围、判别能力及相关性分析，剔除掉不能充分反映出水生态系统健康状况的生物参数，将保留下来的生物参数构成B-IBI指数体系[33]。

3 结果与分析

3.1 底栖动物群落结构

调查期间于赣江干流共检出底栖动物3门6纲13科24种属，共25个分类单元，3门分别为环节动物门、软体动物门和节肢动物门，6纲分别为寡毛纲、腹足纲、双壳纲、昆虫纲，蛭纲、软甲纲。其中以软体动物的种类数最多，共检出11属种，占总种类的44%，其次为水生昆虫类6种，占比24%，寡毛类4属种，占比16%，其余为其他类群仅4种，占比16%。根据调查结果计算优势度指数Y可得出赣江干流的优势种有3种，分别为铜锈环棱螺(Bellamyaaeruginosa)(Y=0.169)、苏氏尾鳃蚓(Branchiurasowerbyi)(Y=0.034)和大沼螺(Parafossaruluseximius)(Y=0.02)，全年内赣江干流底栖动物优势种见表3。

表3 赣江干流底栖动物优势种调查结果

从不同水情期来看，在赣江干流2018年7月共检出底栖动物3门6纲11种属，优势种有两种，分别为铜锈环棱螺(Bellamyaaeruginosa)(Y=0.102)和苏氏尾鳃蚓(Branchiurasowerbyi)(Y=0.075)；2019年1月枯水期共检出底栖动物3门6纲12科18种属，优势种共有2种，分别为铜锈环棱螺(Bellamyaaeruginosa)(Y=0.121)和苏氏尾鳃蚓(Branchiurasowerbyi)(Y=0.055)；2019年4月共检出底栖动物3门4纲8科12种属种，优势种仅有1种，为铜锈环棱螺(Bellamyaaeruginosa)(Y=0.124)，各水情期赣江干流底栖动物优势种见表3。7月与4月的种类数相比于1月枯水期有所降低，主要是两个水情期相较于枯水期的底栖动物种类除水生昆虫和寡毛类外的软体动物以及其他类群有所减少。赣江干流不同水情期的优势种均为耐污种，在一定程度上说明赣江干流的水质受到一定污染且底栖动物的种类较为单一。

3.2 B-IBI指数体系的构建

3.2.1 分布范围分析 在计算分布范围时，通过对参照点的各生物参数值的平均值、25%分位数、中位数、75%分位数、标准差进行比较(如表4所示)，剔除随干扰的增强，值的变动范围很小或者很大的生物参数[31]，它们是不适宜用来建立B-IBI指数体系的参数。

摇蚊类分类单元数M4、毛翅目个体相对丰度M7、敏感类群分类单元数M11、敏感类群的个体相对丰度M13、敏感类群的生物量百分比M15、滤食者个体相对丰度M17，这些随干扰增强其值减小的生物指数，因为其25%分位数、中位数及75%分位数的值波动性不大，说明随干扰增强，可变范围很窄，其指示信息作用较低，故剔除。同理，捕食者个体相对丰度M16随干扰增强，指数的可变范围很小，不适宜用来构建B-IBI指数体系；摇蚊个体相对丰度M9随干扰增强，指数的波动性很大，故也予以剔除，然后对其余的10个生物指数进行下一步的筛选。

表4 赣江干流底栖动物采样参照点生物参数分布范围

3.2.2 判别能力分析 利用箱形图法，通过对参照点和干扰点生物参数的计算，在SPSS统计分析软件中画出箱形图，比较参照点和干扰点25%分位数至75%分位数的范围，当各自的中位数值均在彼此的箱体之中时，则IQ=0；如果只有1个中位数值重叠在对方箱体之中，则IQ=1；如果有部分重叠，但是各自的中位数值均在对方箱体范围之外时，则IQ=2；当无重叠，各自的中位数值均在对方箱体之外时，则IQ=3[32]，10个生物参数在参照点与受损点的箱形图如图3所示。

图3 10个生物参数在参照点与受损点的箱形图

通过以上原则对10个剩余生物参数进行分析，选取IQ≥2的生物参数予以保留，其余的剔除，由图3可知，甲壳动物和软体动物分类单元数M3和耐污类群的个体相对丰度M12的IQ均小于2，故该两个生物参数都予以剔除。前3位分类单元个体相对丰度M6和颤蚓个体相对丰度M8属于随干扰增强而值变大的生物参数，但是两者受损点的值的25%分位数、中位数和75%分位数均一致，对干扰的反应不敏感，故均予以剔除。其余生物参数的IQ均大于或等于2，所以得到剩余6个参数：总分类单元数M1、总生物量M2、优势分类单元个体相对丰度M5、甲壳动物和软体动物的个体相对丰度M10、耐污类群的生物量百分比M14与香农威纳指数M18，将上述6个参数进行下一步相关性分析。

3.2.3 相关性分析 对上述6个生物参数进行Pearson相关性分析和检验，剔除重复的信息，保证每一个指数都能提供一个新的信息[34]。通过SPSS软件分析得出结果如表5所示。由表5可见，反映生物群落丰度的指数总分类单元数M1与反映生物物种多样性的指数香农威纳多样性指数M18相关性显著，但由于总分类单元数M1在国内外底栖动物生物完整性指数研究中运用较多，所以予以保留，剔除香农威纳多样性指数M18；优势分类单元个体相对丰度M5与甲壳动物和软体动物的个体相对丰度M10相关性显著，由于软体动物是赣江干流的主要优势类群，所以M10予以保留，剔除M5；其余的生物指数相关性均不显著，M1与M2虽都属于反映生物群落丰度的指数，但是两者包含的信息不尽相同，所以两者均予以保留。最终确定底栖动物生物完整性指数(B-IBI)有4个生物参数，即总分类单元数M1、总生物量M2、甲壳动物和软体动物的个体相对丰度M10、耐污类群的生物量百分比M14。

表5 6个生物参数间的Pearson相关性

3.2.4 指标赋分 对经过筛选得到的生物参数赋分是为了统一评价量纲，现用比值法进行生物参数的赋分计算，比值法的计算方法为：对干扰变强而值变小的生物参数，以各点位值95%的分位数值为最佳值，各生物参数分值为该生物参数值除以最佳值；对干扰变强而值变大的生物参数，将各点位的5%分位数值作为最佳值，各指数赋分计算公式[29]如表6所示。

表6 各生物参数用比值法的赋分计算公式

按照参照点的生物完整性指数(B-IBI)值的计算结果，将所有参照点的25%分位数作为界线划分，如采样点计算所得的B-IBI值大于或等于参照点的25%分位数值，则表示该采样断面受干扰小，处于健康状态。而25%分位数值以下的，可进行4等分，每一段代表不同的健康程度。最终可以得到B-IBI指数体系的评价标准，如表7所示。

3.2.5 健康评价 研究期赣江干流各采样断面健

康状况评价结果见表8。表8显示，22个样点中，共有13个样点为“健康”、2个样点为“亚健康”。6个样点为“一般”、1个样点为“差”，无极差样点。调查期间未采集到底栖动物的样点，将其健康状态均评为极差。根据整个调查期间的结果来看，断面GJ2#(章水)、GJ3#(储潭)、GJ4#(万安水库)、GJ6#(吉安滨水公园)和GJ11#(赣江南支)处于健康或亚健康状态；断面GJ5#(罗塘)处于一般状态；GJ1#(贡水)、GJ7#(峡江水库)和GJ12#(赣江北支)处于差或极差状态；而断面GJ8#(拖船镇)、GJ9#(小港)和GJ10#(外洲)未采集到底栖动物均处于极差状态。根据各断面的评价结果的平均值可以得出，赣江总体健康状况处于一般状态。而且赣江干流健康状况具有一定的时空差异性，所以对不同水情期的不同样点区域要采取相应的治理措施与管理方法。

表7 赣江干流健康状况B-IBI指数评价标准

表8 研究期赣江干流各采样断面健康状况评价结果

4 结 论

通过对赣江干流底栖动物的采样调查，研究了赣江干流底栖动物的优势种与群落结构特征，并构建底栖动物生物完整性指数体系对赣江干流水生态系统健康进行了评价，初步得到如下结论：

(1)赣江干流底栖动物检出3门6纲13科共24种属，其中优势种有3种，分别为铜锈环棱螺、苏氏尾鳃蚓和大沼螺。

(2)赣江干流的水生态系统健康状况在空间上的差异较大，各断面采样点属于“健康”或“亚健康”状态。上游和中游的健康状况总体相对较好。位于赣江干流下游南昌市周边断面的健康状态普遍较差，与其位于城区、开发程度较高、生活及工业污水的排放和河道采砂活动等因素有关，而靠近鄱阳湖湖区的断面则相对较好。

(3)受研究区域地理条件和采样环境的限制，本研究对赣江干流仅选取了12个典型采样断面，为提高B-IBI评价方法的精准性，应增加典型监测点位，并进行长期跟踪监测，尽可能为水生态修复与治理提供更多支撑。同时加大对采样断面健康状态较差区域的治理力度，对赣江下游南昌段的工业污水达标排放、采砂及其他开发行为进行科学管理。建立严格的监管机制，提高综合治理水平，以此维护赣江流域水生态系统的健康与水资源的可持续协调发展。