梁舒汀，王菲，吴丹，赵燕楚，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

大型底栖动物是水生生物的重要类群，因其种类多，活动场所相对固定，生活周期长，对干扰反应敏感，成为水生态环境评价中理想的指示生物。生物完整性指数（Index of Biotic Integrity，IBI）采用多个生物参数综合反应水体的生物学状况，进而对水体的健康状况进行评价。Karr（1981）首先以鱼类为研究对象建立生物完整性指数，并对北美河流的生态系统进行健康评价。大型底栖动物处于水生生态食物链的中间环节，其种群生命活动直接影响生态系统的能量处理效率，对河流生态系统的能量流动和物质循环具有重要作用。同时，大型底栖动物普遍存在于河流之中，体型较大，易于采集和鉴定，且迁徙能力较弱，活动场所相对固定，因此底栖动物种群变化可用于表征较长时间尺度内河流生态条件的时空变化信息。不同种属群落对于生态环境变化的敏感性具有差异，对生态环境变化有良好的指示作用（Barbour et al.，1996；吉冰静等，2022）。继Kerans et al.（1994）提出了基于大型底栖动物的完整性指数（B-IBI），该指标已成为目前应用最广泛的水生态评价指标之一，并被英国、加拿大、澳大利亚和南非等国家应用（Schofield et al.，1996；Karr，1999；Ladson et al.，1999；Baina et al.，2000；Brizga et al.，2000；Dolédec et al.，2010；Ely et al.，2016）。在中国，大型底栖动物完整性指数也逐步在河流、湿地、水库等水体的水生态状况评价中得到应用（池仕运等，2012；张方辉等，2019；刘曼红等，2019）。

海河流域是全国水资源量最为短缺的流域，已建成水库1 878 座，其中大、中、小型水库分别为34、137 和1 707 座。水库作为重要的水利工程，在水资源调蓄和饮用水供给方面发挥着举足轻重的作用，其水生态环境质量愈来愈受到重视。近年来，针对海河流域河流、湿地的大型底栖动物完整性指数的研究已有若干成果（徐梦佳等，2012；孔凡青等，2018；慕林青等，2018）。本研究基于海河流域14 座典型水库的实际情况，构建以大型底栖动物为研究对象的生物完整性指数评价指标体系与健康评价标准，并以此为工具对典型水库的水生态环境质量进行评价，以期为掌握流域典型水库的生态环境状况，及其保护和修复等决策相关提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

海河流域地处华北地区，位于112°－120°E，35°－43°N 之间，西以山西高原与黄河流域为界，北以内蒙古高原与内陆河流域为邻，南界黄河，东临渤海。全流域包括海河、滦河和徒骇马颊河3 大水系、7 大河系、10 条骨干河流。本研究选择的海河流域14 座典型水库，基本覆盖了海河流域的主要河系，控制流域面积约13 万平方千米，占海河流域总面积的40%以上。根据傅伯杰等（2001）关于中国生态区划的相关成果，本研究所涉及的区域属于东部湿润、半湿润生态大区中的暖温带湿润、半湿润落叶阔叶林生态地区。海河流域14 座水库的分布情况及其基本信息如图1 和表1 所示。

图1 海河流域14座典型水库分布情况Figure 1 Distribution of 14 typical reservoirs in Haihe Basin

表1 海河流域14座典型水库基本信息Table 1 Basic information of 14 typical reservoirs in Haihe Basin

1.2 样品采集与处理

2018 年4－6 月完成了本研究所涉及的14 个水库样品的定量采集。根据水库水体的代表性，分别于各水库的入库、库心和坝前位置采用采样面积为0.062 5 m2的彼得森采泥器采集底质样品，每一采样位置采集3 次。所采集的样品经过40 目（孔径0.425 mm）尼龙筛网现场筛洗后带回实验室，置于白色瓷盘中，将所有大型底栖动物逐一挑出，并用7%福尔马林溶液固定保存。底栖动物的鉴定在解剖镜和显微镜下进行。每个采样点所采到的底栖动物按不同种类准确地统计数量，用滤纸吸去表面固定液后用电子天平称重。根据每个样点的采样面积换算出各样点单位面积大型底栖动物各分类单元的密度（ind·m-2）和生物量（g·m-2）。

分布范围分析、箱线图分析等相关统计分析在SPSS 19.0 和Excel 2010 中完成。

1.3 数据处理方法

1.3.1 参照型水库的确定

Blockson et al.（2002）等按照样点所受干扰程度的大小将其分为无干扰样点、干扰极小样点和干扰样点。海河流域内人口密集，在我国政治经济发展中地位重要，流域内有首都北京、直辖市天津，以及石家庄、唐山等25 座大中城市，严格意义上的无干扰样点包括水库几乎不存在。本研究参照点的选取参照Barbour et al.（1996）中的相关要求。基于本研究涉及的14 座水库的实际情况，主要位于流域的山地、高原区。在参照型水库确定过程中，主要考虑水库水质和周边土地利用等人工干扰状况。对设有水质监测站的水库选择水质站的水质数据，对未设水质站的水库按照水库库心水质数据，参照《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）对水质常年维持在Ⅱ类标准及以上，周边1 km 内无密集农田、建筑和工业用地进行判断，选定友谊水库（R1）、安各庄水库（R5）、西大洋水库（R6）、王快水库（R7）、漳泽水库（R11）和盘石头水库（R12）等作为参考型水库，其余8 座水库作为受损型水库，如表1 所示。

1.3.2 B-IBI备选生物指数的选取

用于构建B-IBI 指标体系的大型底栖动物指标除生物学意义清晰，计算简便外，其对环境因子的变化响应敏感（孔凡青等，2018）。为准确反映环境因素变化对目标生物（包括个体、种群等）数量、结构和功能的影响，客观有效地评价研究区域水生态状况，本研究结合海河流域水库的实际情况，选取4 个大类共计25 个参数作为备选指标进行B-IBI评价体系的构建，其中4 大类包括分类单元数（Number of taxa）、主要类群的相对丰度（Relative abundance）、耐污能力（Tolerant and intolerant）和功能摄食群（Functional feeding group），如表2所示。其中，大型底栖动物耐污值及BI 指数计算主要参照王备新等（2004）对我国东部大型底栖动物耐污值研究的相关成果。

表2 备选生物指标及其对干扰的反应Table 2 Candidate metrics and their expected direction of response to disturbance

1.3.3 判别能力分析

计算备选生物指标在6 个参照型水库和8 个受损型水库中的数值分布，包括最小值、25%分位数值、中位数值、75%分位数值和最大值，数值太小以及分布范围太小或太大的指数不适宜参与构建B-IBI 评价体系，予以剔除。对剩余生物指标分别绘制箱体图，根据箱体的重叠情况，对IQ（Inter quartile）赋予不同的值，如无重叠，IQ=3；部分重叠，但各自中位数值都在对方箱体范围之外，IQ=2；仅一个中位数值在对方箱体范围之内，IQ=1；各自中位数值都在对方箱体范围之内，IQ=0。对IQ≥2的指数进行进一步分析。

1.3.4 记分标准的建立

对生物学指数进行记分的目的是统一评价量纲，目前有多种方法可对生物学指数进行记分，常用的有3 分制法、4 分制法和比值法。王备新等（2005）比较了3 分制、4 分制和比值法对评价结果准确性的影响, 表明用比值法统一各参数量纲并依据所有样点的B-IBI 值建立的健康评价标准的准确性优于3 分制和4 分制法。本研究采用比值法（Blockson et al.，2002）对生物学指数记分。

2 结果与分析

2.1 14个水库大型底栖动物群落结构特征

海河流域14 个水库共采集到大型底栖动物数量为3 058 个，分别属于8 门56 个类群，其中节肢动物门（Arthropoda）40 种，软体动物门（Mollusca）8 种，环节动物门（Annelida）7 种，扁形动物门（Platyhelminthes）1 种。节肢动物门中，昆虫纲（Insecta）35 种，占据明显优势。整体可以看出，海河流域14 座水库的大型底栖生物物种丰富度和多样性较高。

耐污值（Tolerance Value，TV）是指生物在时间和空间上对环境压力的耐受性，反映了生物在环境压力干扰下其生存和繁殖相对能力的高低。在水生态学领域，耐污值主要应用于大型底栖动物监测评价体系，研究者发现不同地理区域大型底栖动物耐污值存在差异（赵瑞等，2015）。海河流域主要位于我国东部，本研究中涉及的底栖动物类群的耐污值采用王备新等（2004）的相关研究结果。本研究涉及的56 个大型底栖动物类群中，TV≤3 的敏感类群12 种，所占百分比为21.4%，TV≥7 的耐污类群21 种，占比为37.5%。从类群出现频率看，出现频率最高的3 个类群分别为椭圆萝卜螺（Radix swinhoei，78.6%）、环足摇蚊属一种（Cricotopussp.，64.3%）和摇蚊属一种（Chironomussp.，64.3%），3 个物种均为耐污值较高的种类。

2.2 分布范围及相关性分析

对25 个备选生物指标的分布范围进行分析，结果如表3 所示。基于SPSS 19.0 统计分析软件，对IQ≥2 的指数进行Pearson 相关性分析，当两个指数间的相关系数r＞0.75，表明两个指数间所反应信息大部份是重叠的，选其中一个指标即可。根据相关系数，考虑指数重要性，即指数的代表性及所包含的大型底栖动物信息量，最终确定海河流域14座水库B-IBI 的指数包括总分类单元数（Total taxa，M1）、EPT 分类单元百分比（EPT taxa %，M11）、BI 指数（Botic Index，M20）和滤食者分类单元数（Filterer，M22）4 个指标。备选生物指标在参照型水库和受损型水库的箱线图如图2 所示。

表3 25个生物指数值在参照点的分布情况Table 3 Distribution of metrics in reference sites

根据各参数值在所有样点中的分布，确定计算各参数分值的比值法计算公式（表4），并依此计算各样点的指数分值，要求计算后分值的分布范围为0－1，若大于1，则记为1。

图2 备选生物指标在参照型和受损型水库分布的箱线图Figure 2 Box-plots of candidate metrics between reference and impaired reservoirs

表4 比值法计算4个参数分值的公式Table 4 Formulas for calculating 4 metrics scores by ratio scoring method

按照参照点B-IBI 值分布的25%分位数法进行指标体系的最终划分，如果样点的B-IBI 值大于等于25%分位数值，则表示该样点受到的干扰很小，是健康的。小于25%分位数值的分布范围，根据需要可以4 等分，分别代表不同的健康程度，最终确定海河流域14 座水库大型底栖动物完整性评价标准（表5）。

表5 海河流域14座水库大型底栖动物完整性评价标准Table 5 The criteria of benthic-index of biotic integrity of 14 reservoirs in Haihe Basin

2.3 14个水库生态健康状况评价结果

海河流域14 个水库底栖生物完整性评价结果表明，采样点中35.7%为健康，21.4%为亚健康，35.7%为一般，7.1%为差（表6）。

表6 海河流域14个水库健康状况评价结果Table 6 Healthy Statuses of 14 reservoirs in Haihe Basin

3 讨论

海河流域人口密集，大中城市众多，是中国重要的工业基地和高新技术产业基地，也是我国经济较为发达的地区。流域范围内水资源短缺，水生态环境受人类活动和社会经济发展的干扰较明显，几乎不存在未受人类活动干扰的水体。海河流域的水库大多位于流域山区平原交界区域，平原水库的数量较少，也相对较小。基于大型底栖动物完整性指数的14 座水库的健康状况评价结果显示，海河流域山区水库的评价结果整体优于平原水库。整体看，平原水库受人类生产生活的干扰较大，人类活动更为频繁，对水库的水生态环境产生不同程度的影响，本研究的相关评价结果也显示出这一趋势。从海河流域整体看，经过一系列的生态环境综合修复保护工作，这在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）。

对于参照型和受损型水体的确定，渠晓东等（2012）提出参照点的筛选方法，即水质类别优于Ⅱ类，栖息地质量评价总分为120 分以上。而水库作为水生生物栖息地则受到显著地干扰，如闸坝修建、岸带硬化等。大部分研究者利用研究区域的土地利用、生境和水质情况来确立区分参照点群和受损点群的准则（王备新等，2005；李强等，2007；张远等，2007）；Ma et al.（2008）试图通过一些生物指数来确立参照点群。池仕运等（2012）在对供水型水库进行B-IBI 体系构建过程中，由于水质理化指标的缺失，提出采用极点排序的手段来确立参照点群和受损点群。本研究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 的许多研究工作也较多参照此标准化参照点筛选方法，如滦河流域、鄱阳湖等（田鹏等，2019；游清徽等，2019）。

水库作为人工型的湖泊，库尾（入库）、库心和坝前在物理、化学和生物学特征上存在一个显著的纵向梯度（张远等，2006）。本研究分别以水库的这3 个典型区域作为采样调查点位，开展大型底栖动物采样和生境评价。本研究所选择的14 个典型水库主要为流域的大型供水型水库，而海河流域仅大中型水库就有171 座。因此本研究对流域水库的评价结果仅反映了大型水库的健康状态，下一步需进一步增加调查监测的范围，增加中小型水库的调查比例，以更加全面地反映流域水库的生态健康状况。

4 结论

本研究以海河流域的14 座典型水库为例，通过对B-IBI 候选指数进行分布范围分析、判别能力分析和相关关系分析，最终确定总分类单元数、EPT分类单元百分比、BI 指数和滤食者分类单元数4 个指标作为构建水库B-IBI 评价指标体系的核心参数。B-IBI 评价结果表明，受流域水资源短缺，人类活动和社会经济发展的干扰等因素的影响，约1/3水库的水生态状况为健康状态，2/3 为亚健康、一般和差的状态。