撓力河流域干支流河流大型無(wú)脊椎動(dòng)物完整性研究

撓力河流域干支流河流大型無(wú)脊椎動(dòng)物完整性研究

作為河流健康狀況的指標(biāo)之一，生物完整性指數(shù)（ii）出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代初，由美國(guó)社會(huì)學(xué)家karr提出并首次使用。它最初是由魚(yú)類(lèi)（f-i）制成的，然后逐漸用于大型水生無(wú)脊椎動(dòng)物（b-i）、浮游生物（p-i）和高等維管束植物（v-abi）。河流大型無(wú)脊椎動(dòng)物具有生活周期長(zhǎng),生活場(chǎng)所比較固定,對(duì)水質(zhì)變化敏感,生境適應(yīng)性和指示性強(qiáng),及個(gè)體大、易于采集和識(shí)別等優(yōu)勢(shì)而成為監(jiān)測(cè)河流水質(zhì)以及評(píng)價(jià)河流健康的一項(xiàng)重要指標(biāo)。美國(guó)最早開(kāi)展河流生物完整性評(píng)價(jià),到目前為止,在全國(guó)50個(gè)州中,使用水生無(wú)脊椎動(dòng)物評(píng)價(jià)的有48個(gè)州,使用魚(yú)類(lèi)的有29個(gè)州,使用藻類(lèi)的有4個(gè)州;在美國(guó)環(huán)保署推薦的水質(zhì)快速生物評(píng)價(jià)中使用最多的也是水生大型無(wú)脊椎動(dòng)物。我國(guó)的河流生物調(diào)查與評(píng)價(jià)始于20世紀(jì)80年代,早期使用單一指標(biāo)較多,近年逐漸采用多指標(biāo)評(píng)價(jià)技術(shù),如王備新等采用B-IBI先后對(duì)秦淮河上游和安徽黃山地區(qū)溪流的評(píng)價(jià),張遠(yuǎn)等進(jìn)行的遼河流域河流的B-IBI評(píng)價(jià)等。由于我國(guó)地域廣大,區(qū)域間生物區(qū)系差異較大,在生物完整性評(píng)價(jià)方面還需要大量的實(shí)證性研究工作。為此,選擇地理環(huán)境相對(duì)比較封閉的撓力河流域?yàn)檠芯繉?duì)象,結(jié)合實(shí)際構(gòu)建適于該區(qū)河流的B-IBI評(píng)價(jià)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn),力圖為未來(lái)我國(guó)東北地區(qū)河流生態(tài)系統(tǒng)完整性評(píng)價(jià)體系的建立提供依據(jù)。1研究領(lǐng)域的總結(jié)和研究方法1.1降水量、水質(zhì)污染,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活面臨挑戰(zhàn)撓力河流域位于中國(guó)東北黑龍江省三江平原東南部,地理位置在131°31′～134°10′E,45°43′～47°35′N(xiāo)之間(圖1),流域面積2.3×104km2,其中,山地占38.3%,平原占61.7%。氣候?yàn)闇貛駶?rùn)半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候,多年平均氣溫3.5℃,多年平均降水量518mm。在過(guò)去50a中,由于人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要,大量濕地被排水疏干轉(zhuǎn)化為農(nóng)田,全流域耕地面積由1954年的2.06×102km2增加到2000年的1.44×103km2。目前,該區(qū)已成為三江平原主要產(chǎn)糧區(qū)和國(guó)家重要商品糧基地。半個(gè)世紀(jì)的農(nóng)業(yè)發(fā)展為國(guó)家糧食生產(chǎn)做出了巨大貢獻(xiàn),也為本區(qū)積累了大量財(cái)富。但是由于只注重追求經(jīng)濟(jì)效益,漠視對(duì)自然環(huán)境的保護(hù),流域內(nèi)大大小小水利工程的修筑并沒(méi)有根本解決旱澇災(zāi)害頻繁、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不穩(wěn)的問(wèn)題。與此同時(shí),由于工農(nóng)業(yè)發(fā)展、廢水排放、農(nóng)藥化肥施用等帶來(lái)的水域污染及富營(yíng)養(yǎng)化威脅卻與日俱增,流域生態(tài)正出現(xiàn)退化趨勢(shì)。因此,協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與自然保護(hù)的關(guān)系,在保證區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí),維護(hù)自然生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定、平衡與健康,是該地區(qū)可持續(xù)發(fā)展面臨的首要問(wèn)題。1.2學(xué)習(xí)方法1.2.1河流水系及河岸調(diào)查記錄在進(jìn)行全流域調(diào)查分析基礎(chǔ)上,將撓力河分成上游、中游和下游3個(gè)干流河段,并選擇寶石河、寶清河和七里沁河3個(gè)支流河段。2007年7月16～30日完成了以上6個(gè)河段共21個(gè)樣點(diǎn)的水生大型無(wú)脊椎動(dòng)物樣品采集、水質(zhì)監(jiān)測(cè)和河岸調(diào)查記錄。位于撓力河干流的樣點(diǎn)有7個(gè),從上游到下游依次為N01～N07;支流上有樣點(diǎn)14個(gè),其中,寶石河沿線有B01～B05等5個(gè),寶清河沿線有801～804等4個(gè),七里沁河沿線有Q01～Q05等5個(gè)(圖1)。河流生物調(diào)查及樣品采集方法是在小于1m深的河岸區(qū),在30m長(zhǎng)的采樣斷面內(nèi)選擇不同生境類(lèi)型(水草、靜水區(qū)、流水區(qū)、泥質(zhì)、石質(zhì)),使用手抄網(wǎng)(D形網(wǎng),0.3m寬,40目尼龍紗)采集7個(gè)面積為0.15m(網(wǎng)寬0.3m×采集長(zhǎng)度0.5m)的小樣方,總采樣面積在1m2左右。每個(gè)樣點(diǎn)3個(gè)重復(fù)。標(biāo)本直接在野外篩選,每個(gè)樣點(diǎn)按軟體動(dòng)物與水生昆蟲(chóng)分類(lèi)分別裝入樣品瓶,加酒精固定,帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行鑒定。標(biāo)本盡量鑒定到種。1.2.2生物完整性指數(shù)值生物完整性指數(shù)的評(píng)價(jià)方法可以總結(jié)為:①選擇多種生物指標(biāo),構(gòu)建候選生物指標(biāo)集;②通過(guò)對(duì)候選指標(biāo)觀測(cè)值的判別能力、敏感性和代表性分析,篩選并建立核心評(píng)價(jià)指標(biāo)集;③制定核心指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),并按一定的計(jì)算方法歸一生成生物完整性指數(shù)值;④確定生物完整性指數(shù)值的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),得出綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。1.2.3撓力河流域源匯景觀類(lèi)型惡意面積比影響生物完整性評(píng)價(jià)質(zhì)量的關(guān)鍵問(wèn)題之一是確定參照點(diǎn)和受損點(diǎn)。本研究依據(jù)源匯景觀理論及源匯景觀對(duì)比指數(shù)模型,以河流健康為目標(biāo),以人類(lèi)干擾程度為依據(jù),進(jìn)行撓力河流域源匯景觀劃分和權(quán)重賦值;并采用RS與GIS技術(shù),在ArcGIS和Matlab軟件支持下,進(jìn)行撓力河流域21個(gè)樣點(diǎn)控制的小流域4類(lèi)源匯景觀面積累積曲線擬合,并完成4類(lèi)源匯景觀在21個(gè)小流域相對(duì)于流域出口(樣點(diǎn))距離的面積累積百分比和類(lèi)型面積百分比計(jì)算。然后,根據(jù)源匯對(duì)比指數(shù)的計(jì)算公式:LCI=∑i=1m∫x=0DSxi×ωi×Pi×dx/∑j=1n∫x=0DSxj×ωj×Pj×dxLCΙ=∑i=1m∫x=0DSxi×ωi×Ρi×dx/∑j=1n∫x=0DSxj×ωj×Ρj×dx式中,Si和Sj分別表示第i種“源”景觀和第j種“匯”景觀在洛倫茲曲線圖中的累積面積;wi和wj分別表示第i種“源”景觀和第j種“匯”景觀的權(quán)重;Pi、Pj分別表示第i種“源”景觀和第j種“匯”景觀在流域中的面積百分比;m為“源”景觀類(lèi)型數(shù),n為“匯”景觀類(lèi)型數(shù)。計(jì)算得到撓力河流域21個(gè)樣點(diǎn)的流域源匯景觀對(duì)比指數(shù)值(記為Basin-LCI)(表1)。最后,在綜合分析流域源匯景觀對(duì)比指數(shù)值與水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果(Basin-LCI值在0.01以下,水質(zhì)FSE值在80以上)基礎(chǔ)上,選定B01,B02,B03,801和Q01～Q05共9個(gè)參照點(diǎn),其余為受損點(diǎn)。2研究結(jié)果2.1生物指標(biāo)集的構(gòu)建結(jié)合區(qū)域特點(diǎn)及研究目標(biāo),選取反映群落豐富度、群落組成、營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)及小生境、污染程度和物種多樣性等五大類(lèi)共24個(gè)指標(biāo),利用參照點(diǎn)和受損點(diǎn)的調(diào)查數(shù)據(jù)計(jì)算各個(gè)候選生物指標(biāo)值,分析候選指標(biāo)對(duì)人類(lèi)干擾的反應(yīng),挑選出隨人類(lèi)干擾單向增大或減小的指標(biāo),構(gòu)建候選生物指標(biāo)集(表2)。2.2關(guān)鍵指標(biāo)的篩選2.2.1干擾程度的測(cè)定分析24個(gè)候選生物指標(biāo)在參照點(diǎn)中的分布范圍(表3),發(fā)現(xiàn)M10、M11、M12、M14和M20的25%分位數(shù)的指標(biāo)值均小于0.05,其中,M10、M11、M12和M20均是隨干擾增加而減小的指標(biāo),其值的可變動(dòng)范圍非常窄,不易準(zhǔn)確區(qū)分受干擾程度,因而被淘汰;M8和M18變異太大,說(shuō)明指標(biāo)值不穩(wěn)定,同樣不予考慮。2.2.2各生物指標(biāo)的一致性分析敏感性分析,即分析生物指標(biāo)區(qū)分參照點(diǎn)和受損點(diǎn)的能力。根據(jù)Barbour等的評(píng)判方法,比較參照點(diǎn)和受損點(diǎn)的四分位距(25%～75%分位數(shù)范圍,即箱體)的重疊情況,分別賦予不同的IQ值,只有IQ值≥2的指標(biāo)才予以保留。據(jù)此對(duì)經(jīng)判別能力篩選后余下的17個(gè)生物指標(biāo)進(jìn)行敏感性分析,比較17個(gè)指標(biāo)值在參照點(diǎn)與受損點(diǎn)的頻數(shù)分布(圖2),其中,有M2、M4、M6、M7、M9、M15、M16、M19、M23和M24等10個(gè)指標(biāo)的IQ值在2以上,考慮M1的重要性和M17的代表性,兩個(gè)指標(biāo)在以往的IBI評(píng)價(jià)中均被廣泛使用,因而也予以保留。這樣共有12個(gè)指標(biāo)進(jìn)入下一輪篩選。2.2.3數(shù)據(jù)的正態(tài)分布檢驗(yàn)相關(guān)性分析是為了考察指標(biāo)間的信息重疊程度。若兩個(gè)指標(biāo)呈顯著線性相關(guān),表明兩個(gè)指標(biāo)所反映的信息大部份重疊,保留其中一個(gè)就可以;若兩個(gè)指標(biāo)顯著相關(guān),但為非線性相關(guān)或曲線相關(guān),說(shuō)明兩個(gè)指標(biāo)的信息只有部分重疊,兩個(gè)指標(biāo)都要保留。對(duì)上一輪篩選出來(lái)的12個(gè)指標(biāo)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)顯示,一些指標(biāo)不符合正態(tài)分布,采用Spearman非參數(shù)相關(guān)分析指標(biāo)之間的相關(guān)性(表4)。結(jié)果顯示,M1和M4、M2和M6、M2和M23、M6和M23、M6和M24、M7和M9、M7和M24、M9和M15、M9和M24、M16和M23等6對(duì)指標(biāo)呈顯著線性相關(guān),每對(duì)指標(biāo)保留一個(gè)即可。通過(guò)考察指標(biāo)值的判別能力和敏感性之后,確定保留M1、M9、M17、M19、M23、M24等6個(gè)指標(biāo)組成核心評(píng)價(jià)指標(biāo)集。2.3計(jì)算b-abi指數(shù)的原因2.3.1干擾消除指標(biāo)的均分化按照三分法,首先計(jì)算6個(gè)核心指標(biāo)值在參照點(diǎn)的頻數(shù)分布,擬定6個(gè)核心評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)(表5)。對(duì)于隨干擾增大而值減小的指標(biāo),取其25%分位數(shù)作為分界點(diǎn),分界點(diǎn)之上的指標(biāo)值為理想值,賦5分,分界點(diǎn)之下的指標(biāo)值進(jìn)行均分,上段賦予3分,下段賦予1分;對(duì)于隨干擾增大而值增大的指標(biāo),取其75%分位數(shù)作為分界點(diǎn),分界點(diǎn)之下的指標(biāo)值為理想值,賦5分,分界點(diǎn)之上的指標(biāo)值進(jìn)行均分,下段賦予3分,上段賦予1分。據(jù)此為每個(gè)樣點(diǎn)的核心評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)測(cè)值分別進(jìn)行評(píng)分,然后將6個(gè)核心指標(biāo)得分累加,得到每個(gè)樣點(diǎn)的B-IBI總得分(表7)。2.3.2大而值縮小的指標(biāo)按照比值法,首先計(jì)算各個(gè)核心指標(biāo)在全部樣點(diǎn)中的95%或5%分位數(shù)的值(表6)。對(duì)于隨干擾增大而值減小的指標(biāo),以95%分位數(shù)的指標(biāo)值為最佳期望值,樣點(diǎn)指標(biāo)分值=實(shí)測(cè)值/最佳期望值;對(duì)于隨干擾增大而值增大的指標(biāo),則以5%分位數(shù)的指標(biāo)值為最佳期望值,指標(biāo)分值=(最大值-實(shí)測(cè)值)/(最大值-最佳期望值),最后將6個(gè)核心指標(biāo)分值累加,得出各樣點(diǎn)的B-IBI總分值(表7)。2.4b-i指數(shù)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)3分法計(jì)算的B-IBI總得分在參照點(diǎn)的25%分位數(shù)值為26,全部樣點(diǎn)的5%分位數(shù)值為為14,10%分位數(shù)值為16,25%分位數(shù)值為20,50%分位數(shù)值為24,因此,確定3分法B-IBI評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)為:25以上(不含25)為無(wú)干擾;20～25為輕度干擾,15～20為中度干擾;15以下(不含15)為重度干擾。根據(jù)比值法計(jì)算的B-IBI總分值在參照點(diǎn)的25%分位數(shù)值為3.76,確定比值法B-IBI指數(shù)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)為:3.76以上(不含3.76)為無(wú)干擾;2.82～3.76為輕度干擾,1.88～2.82為中度干擾;1.88以下(不含1.88)為重度干擾。據(jù)此得出撓力河流域河流B-IBI評(píng)價(jià)結(jié)果(表7)。3討論3.1河流生物完整性根據(jù)3分法計(jì)算,撓力河流域21個(gè)樣點(diǎn)的河流B-IBI指數(shù)值介于14～30之間,根據(jù)比值法計(jì)算,全部樣點(diǎn)的B-IBI指數(shù)值介于1.62～5.41之間。盡管兩種方法得出的分值不同,但是根據(jù)各自的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn),其評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致,即:撓力河流域河流生物完整性整體狀況良好,個(gè)別樣點(diǎn)較差。全流域?qū)儆跓o(wú)干擾和輕度干擾的樣點(diǎn)占71.4%,中度干擾的樣點(diǎn)占23.8%,重度干擾的僅占4.8%;得分較高的樣點(diǎn)多處于支流或干流上游,如B01、801、Q01、Q02、Q03和Q04等樣點(diǎn)均位于各支流上游山區(qū),人類(lèi)活動(dòng)較少,河流周?chē)鸀槊艿纳种脖?分值較低的樣點(diǎn),如B05、802、803、N02、N03和N04,主要位于支流下游或干流中游,且均臨近居民點(diǎn),水體渾濁或有腥臭味,河岸人類(lèi)活動(dòng)密集,植被覆蓋度低,土地開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)烈等特征。3.2河流生物完整性指數(shù)與b-i正態(tài)分布檢驗(yàn)表明,樣本系列不符合正態(tài)分布,采用Spearman非參數(shù)檢驗(yàn)分析兩種方法得出的河流生物完整性指數(shù)之間,以及它們與河流水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果之間、河流生境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果之間的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果顯示,兩個(gè)河流生物完整性指數(shù)之間具有極顯著相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.94(P<0.01);兩個(gè)河流生物完整性指數(shù)與水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)在0.77上下(P<0.01);兩個(gè)河流生物完整性指數(shù)與河流生境質(zhì)量指數(shù)的相關(guān)性也達(dá)到顯著水平,相關(guān)系數(shù)在0.83左右(P<0.01)(表8)。這表明,河流水質(zhì)越好,B-IBI值越高;河流生境質(zhì)量越好,B-IBI值越高。3.3樣點(diǎn)及采樣點(diǎn)的生物完整性評(píng)價(jià)不同的地理區(qū)或生態(tài)區(qū)往往擁有不同的動(dòng)物區(qū)系。國(guó)外的河流健康評(píng)價(jià)一般都要?jiǎng)澐值乩韰^(qū)或生態(tài)區(qū),并進(jìn)行河流類(lèi)型和級(jí)別劃分。如,澳大利亞的ISC指數(shù)出現(xiàn)于1999年,2004年進(jìn)行了一些改進(jìn),其中一項(xiàng)就是增加了河流地理分區(qū);美國(guó)的河流生物完整性評(píng)價(jià),首先考慮的也是樣點(diǎn)是否來(lái)自同一生態(tài)區(qū)或亞區(qū)。根據(jù)傅伯杰等的中國(guó)生態(tài)區(qū)劃方案,撓力河流域位于三江平原農(nóng)業(yè)-濕地生