环境科学  2022, Vol. 43 Issue (1): 247-255   PDF    
引用本文
胡小红, 左德鹏, 刘波, 黄振芳, 徐宗学. 北京市北运河水系底栖动物群落与水环境驱动因子的关系及水生态健康评价[J]. 环境科学, 2022, 43(1): 247-255.
HU Xiao-hong, ZUO De-peng, LIU Bo, HUANG Zhen-fang, XU Zong-xue. Quantitative Analysis of the Correlation Between Macrobenthos Community and Water Environmental Factors and Aquatic Ecosystem Health Assessment in the North Canal River Basin of Beijing[J]. Environmental Science, 2022, 43(1): 247-255.
北京市北运河水系底栖动物群落与水环境驱动因子的关系及水生态健康评价
胡小红1, 左德鹏1, 刘波2, 黄振芳2, 徐宗学1     
1. 北京师范大学水科学研究院, 城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室, 北京 100875;
2. 北京市水文总站, 北京 100081
收稿日期: 2021-04-16; 修订日期: 2021-06-19
基金项目: 北京市自然科学基金项目（8202030）；国家重点研发计划项目（2017YFC1502703）
作者简介: 胡小红(1996~), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为流域水文过程模拟, E-mail: 201921470009@mail.bnu.edu.cn
通信作者: 左德鹏, E-mail: dpzuo@bnu.edu.cn
摘要: 底栖动物可反映多种生态威胁对水环境的积累效应，与河流水生态系统健康状态密切相关.本研究以北京市典型流域北运河流域为例，基于2015年夏季野外采样调查34个站点水生态数据，对底栖动物群落特征进行分析，采用典型对应分析筛选得到水质驱动因子，利用临界点指示类群分析方法探究关键影响因子的指示物种及其阈值，并基于底栖动物完整性指数和综合指数法对水生态系统健康状况进行评价.结果表明，底栖动物群落以耐污的水生昆虫和软体动物为主，多样性水平较低，位于0~1.01之间；氟化物、生化需氧量、氨氮和总磷为底栖动物群落的关键水质影响因子；氨氮有4种正响应指示物种，其阈值范围为1.09~6.94 mg·L-1，总磷有3种正响应指示物种，其阈值范围为0.48~1.27 mg·L-1；健康评价结果表明全流域水生态健康评价结果总体较差，中上游健康状况相对较好，健康状况最好地区主要位于昌平区山区，健康状况最差地区主要位于朝阳区及中心城区.本研究结果可为河流生态修复和污染物控制提供依据，同时也为其他城市水生态文明建设提供参考.
关键词: 底栖动物      临界指示物种分析法(TITAN)      阈值      城市河流      水生态健康评价     
Quantitative Analysis of the Correlation Between Macrobenthos Community and Water Environmental Factors and Aquatic Ecosystem Health Assessment in the North Canal River Basin of Beijing
HU Xiao-hong1 , ZUO De-peng1 , LIU Bo2 , HUANG Zhen-fang2 , XU Zong-xue1     
1. Beijing Key Laboratory of Urban Hydrological Cycle and Sponge City Technology, College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, China;
2. Beijing Hydrological Station, Beijing 100081, China
Abstract: Macrobenthos can reflect the cumulative effect of various ecological threats on the water environment and are closely related to the health of river ecosystems. In this study, taking the North Canal River basin, a typical basin in Beijing, as an example, ecological data from 34 stations were investigated in the summer of 2015. Characteristics of the macrobenthos communities were analyzed, and driving environmental factors were identified using typical correspondence analysis. Thresholds and response species of those driving environmental factors were conducted using the thresholds indicator taxa analysis (TITAN). In this study, the health status of the river ecosystem was evaluated by the multi-metrics method and benthic index of biotic integrity (B-IBI). The benthic community was dominated by pollution-tolerant aquatic insects and mollusks, with a low-level Shannon-wiener diversity index between 0-1.01; fluoride, biochemical oxygen demand, ammonia-nitrogen, and total phosphorus were driving environmental factors influencing the community structure of macrobenthos. Indicator species of ammonia-nitrogen were identified by the TITAN in the North Canal River basin with a threshold range of 1.09-6.94 mg·L-1; three indicator species of total phosphorus were identified with a threshold range of 0.48-1.27 mg·L-1, which were all positive response species. According to the health assessment, the river ecosystem in the North Canal River basin was generally unhealthy, and the upstream ecosystem was better than that downstream; the health conditions in the mountainous areas of Changping district were the best, whereas those in Chaoyang and central city districts were the worst. This study can provide a basis for ecological restoration and pollution control of rivers and also provide a reference for the water ecological civilization construction in other cities.
Key words: macrobenthos      thresholds indicator taxa analysis (TITAN)      threshold      urban river      river ecological health assessment     

快速城市化进程导致大量城市河流出现水体污染、富营养化、生物多样性锐减、水源枯竭和河道断流等问题, 城市河流水生态系统受到严重威胁.城市河流生态系统健康问题已成为限制我国城市健康可持续发展的关键问题, 河流生态系统健康是当前我国水环境管理的主要目标.底栖动物群落在水生态系统中起十分重要作用, 是水生态系统重要组成部分, 具有种类多, 生命周期长, 迁移能力弱, 便于采集的特点, 且不同种类对水质敏感性差异大, 是河流生态系统结构和功能健康的指示者.由于水环境污染物输入会改变底栖动物群落组成和结构, 进而影响到河流水生态系统健康, 因此, 明确影响底栖动物群落结构和功能的水环境因子, 以及底栖动物所能承受的胁迫范围十分必要.准确评价影响底栖动物群落变化时环境因子的临界点是底栖动物与环境因子关系研究中难点[1~3], 可以利用临界指示物种分析(thresholds indicator taxa analysis, TITAN)评估物种所需环境因子的阈值[4~6].

国内对河流水生态健康评价研究起步较晚, 最早开始于20世纪末.王备新等[7]的研究介绍了生物完整性指数在水生态健康评价中的应用, 也有较多研究应用生物完整性指数评价河流生态系统健康[8~15], 但大多集中于山区河流, 很少涉及城市人工河道.同时, 在传统底栖生物评价指数基础上发展了大型底栖动物快速评价方法[16], 城市河流污染负荷高, 底栖动物中多以耐污种为绝对优势类群, 因此应该优先选择耐污型的快速生物评估指数.

本文以北京市典型流域北运河流域为例, 以底栖动物为研究对象, 联合典型对应分析、TITAN分析以及多指数综合健康评价, 基于2015年夏季水生态采样数据, 分析影响底栖动物的关键水质因子, 探讨关键水质因子的指示物种及其对关键水质因子影响的阈值, 评价北运河流域水生态系统健康状况, 以期为北京市北运河流域水生生物保护、水生态修复和流域污染物控制等提供科学依据, 并为其他城市河流研究提供参考.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

北京市北运河水系发源于北京市昌平区燕山南麓, 流域面积4 423 km2, 地势西北高、东南低, 上游为山区丘陵地带, 中下游为平原, 平原面积约占流域总面积的75%.该流域自西北向东南横跨整个北京市, 覆盖延庆区、昌平区、海淀区、石景山区、东城区、西城区、朝阳区、顺义区、丰台区、大兴区和通州区这11个区, 是北京市内平原面积最大且支流最多的水系, 被称为北京的“母亲河”[17], 如图 1所示.流域内人口占全市人口70%以上, GDP贡献占全市80%以上, 是北京市人口最多、产业最聚集和城市化水平最高的流域.北运河水系是保障北京市农副产品供应的重要基地, 是北京市农业系统的重要支柱.随着城市化不断推进, 北京市北运河水系开始出现水质污染、生境破坏和生态失衡等环境问题[18~20], 严重制约了社会经济可持续发展.北运河水系在全市地表水环境质量中较差, 大部分河段未达到水体功能要求, 污染物主要来自沿途工农业生产和居民生活, 具有典型城市河流污染特征[21].

图 1 北京市北运河流域地理位置示意 Fig. 1 Location of the North Canal River basin

1.2 数据获取 1.2.1 水环境质量数据获取

共监测理化因子12项, 包括: pH、氟化物、溶解氧、氨氮、高锰酸盐指数、砷、锌、总磷、总氮、电导率、生化需氧量和氯化物.其中pH和DO采用便携式pH计和便携式水质监测仪(YSI85)现场测定, 其余因子均在实验室中测定.具体测定方法为: 在采样现场采集两个平行水样(各2 L), 置于低温保温箱中, 并于48 h内带回实验室测定相关理化因子, 水样采集、保存和室内测定参照地表水环境质量标准(GB 3838-2002)以及水和废水监测分析方法.

1.2.2 水生生物样品采集

对于底栖动物, 在所选定点位100 m范围之内, 使用彼得逊采泥器随机采集样本.将所采集之物经过60目的网筛转入200 mL塑料瓶中, 并加入90%酒精保存.在现场采用人工挑拣方法, 将底栖动物样品转入200 mL广口塑料瓶中, 同时加入95%酒精溶液保存待检.转入实验室后, 在显微镜或解剖镜下进行分类和计数, 样品尽量鉴定到属或种.

1.3 数据分析方法 1.3.1 冗余分析

冗余分析(redundancy analysis, RDA)是一种回归分析结合主成分分析的排序方法, 是研究解释变量矩阵与响应变量矩阵关系的多元统计方法, 广泛用于生态学和环境科学多元数据分析中, 以往研究大多未考虑解释变量共线性的作用, 得到的解释率实际是条件效应解释率, Lai等[22]的研究基于层次分割理论得到RDA分析中每个解释变量的解释率, 本研究采用该理论得到水质因子对底栖动物的解释率.

1.3.2 临界指示物种法

临界指示物种法(TITAN)[23]结合了物种分析法和非参数突变法, 通过确定物种变化点及其对环境因子响应方向确定物种生态阈值.在进行数据分析前, 排除出现频次小于5的物种, 通过TITAN法找出每个物种最佳变化点, 得到最大指示值得分(IndVal), 根据物种在变化点两侧相对丰度和频率将物种分为正响应物种和负响应物种, 再对样本进行1 000次自举重抽样, 得到各物种变化点不确定性、纯度和可靠度, 以不确定性(uncertainty < 0.05)、纯度(purity≥0.95)和可靠度(reliability≥0.95)为依据, 验证阈值和对应指示物种可靠性.

1.3.3 B-IBI指数法

建立B-IBI指数及评价标准的首要条件是确定参考点和干扰点, 国内外研究多以定性标准选用未受人类干扰或干扰较小监测点作为参照点[7, 24, 25].而城市水体受人类活动影响较大, 只能选择相对影响程度小的监测点作为参照点.构建B-IBI的生物指标必须具有敏感性、可比性、准确性和实用性[8], 选用反映群落丰富度、个体相对丰度和生物耐污能力3个类型22个指标构建候选指标体系, 见表 1.

表 1 候选指标及对干扰反应方向 Table 1 Candidate metrics and their expected direction of response to disturbance

在剔除分布范围很窄的候选指标后, 根据Barbour[25]提出的方法对比候选指标在参照点与受损点25%~75%分位数范围(IQ)重叠情况, 并赋予不同数值.各自中位数都在对方箱体之内, IQ=0; 箱体部分重叠, 仅一个中位数值在对方箱体范围之内, IQ=1; 箱体部分重叠, 但各自中位数值都在对方箱体范围之外, IQ=2; 若箱体没有重叠, IQ=3.保留IQ≥2的候选指标进行下一步分析.对经敏感性分析筛选的候选指标进行Spearman相关性分析, 以检验候选指标的冗余程度.以P < 0.05为显著水平, 当|R|>0.8时, 则代表两个候选指标间生物信息重叠度高, 需要删除其中一个候选指标.经过相关性检验之后, 最终获得构建B-IBI评价体系的核心指标.

对入选生物指标进行计分, 需统一各指标量纲, 常用方法有3分法、4分法和比值法等, 相关研究表明比值法更加准确, 故本研究采用比值法.对外界干扰正响应的指标, 取其5%分位值为最佳期望值, 计算公式见式(1); 对外界干扰负响应的指标, 取其95%分位值为最佳期望值, 计算公式见式(2), 分值范围为0~1, 若大于1, 记为1.计算出各点的B-IBI, 计算公式为式(3).

(1)
(2)
(3)

最后以参照点B-IBI指数值25%分位值为其健康阈值, B-IBI值大于该阈值点位为健康等级; 而对B-IBI小于该阈值点位进行3等分, 即: 亚健康、不健康和病态这3个等级.

1.3.4 综合指数法

本研究采用基于底栖动物的生物快速评价综合指数对研究区城市水体健康进行评价, 并与B-IBI评价结果进行对比分析.采用表 1中的指标, 经过分布范围检验, 相关性检验后, 确定生物评价指数, 对其进行标准化评分计算[16], 再计算其综合评价得分:

(4)

式中, Pi为第i个评价指标的标准化得分值.按等比法划分健康等级为健康、亚健康、不健康和病态这4个等级.

2 结果与讨论 2.1 北运河水系底栖动物空间分布特征

北京市北运河水系共采集到底栖动物29种, 隶属5纲11科, 以水生昆虫和软体动物为主, 其中水生昆虫13种, 软体动物13种, 环节动物3种, 群落结构单一.由图 2(a)可见, 所有样点中, 朝宗桥物种数最高, 为15种, 其次为凤河营闸和大红门, 样点数为12种, 其余样点物种均小于等于10种.部分站点受高强度人类活动及水污染影响, 底栖动物群落退化严重, 锥石口、跃进桥、二热闸、松林闸、土城沟出口闸、酒仙桥闸、乐家花园、团城湖和南花园这9个站点均只捕获到1种物种.对北京市北运河水系底栖动物Shannon-Wiener多样性指数空间分布特征进行分析, 如图 2(b)所示.流域内底栖动物多样性指数空间异质性较大, 基本处于较低水平, 整体状况较差, 多个点位多样性指数为0.由图 2(c)可知, 流域内样点的BI指数最小值为5, 最大值为9.2.

图 2 北运河流域底栖动物特征值空间分布 Fig. 2 Spatial distribution of characteristic values of macrobenthos in the North Canal River basin

与山区河流相比, 城市河流河道形态、河岸带土地利用等均受人类活动直接改造和间接影响, 导致城市河流水质、水量和水生态都承受巨大压力.城市河流底栖动物种类少, 多样性低, 敏感类群少, 耐污类群多.一般来说, 山区河流底栖动物分布会优于城市河流, 但由图 2可知, 在北运河流域, 底栖动物分布并非完全是山区优于城市.从行政区域来看, 底栖动物分类单元数小、多样性低的点位集中在海淀区、朝阳区、东城区和西城区.昌平区底栖动物分布整体优于其他区域, 而昌平桥和锥石口两个点位底栖动物分布较差, 依据水生态调查记录结果, 发现锥石口周围存在明显潜在污染源及重度流域侵蚀; 昌平桥底质单一, 栖境复杂度低, 河岸带分布住宅和商业用地.

由图 3中北运河流域各点位底栖动物分布可知, 北运河水生昆虫种类较多, 但大多数样点都以耐污能力较强的摇蚊为绝对优势种, 水生昆虫摇蚊主要以细菌和藻类为食, 对水质净化有重要作用; 而耐污能力较差的敏感种, 如蜉蝣目的黑翅四节蜉只出现在仅有一个物种的二热闸和团城湖两个样点.

色块颜色深浅代表对应站点该底栖动物数量占比大小 图 3 北运河流域采样点底栖动物分布 Fig. 3 Distribution of macrobenthos in the North Canal River basin

2.2 底栖动物的关键水质影响因子识别

本次采样共测量了12种水质因子, 包括: pH、氟化物(F-)、溶解氧(DO)、氨氮(NH4+-N+)、高锰酸盐指数、砷(As)、锌(Zn)、总磷(TP)、总氮(TN)、电导率(Cond)、生化需氧量(BOD)和氯化物(Cl-).冗余分析结果表明, 12种水质因子共解释了54.2%的群落结构变化.采用层次分割法得到各因子解释率及其所占比例见图 4, 其中, F-、NH4+-N、TP和BOD通过显著性水平为0.01的置换检验, 是影响北京市北运河底栖动物分布的关键水质因子.

轴向数值代表单种水质因子对底栖动物群落影响的解释率 图 4 北运河流域底栖动物水质影响因子解释率 Fig. 4 Interpretation rate of impactive water quality factors on macrobenthos in the North Canal River basin

图 5展示了关键4种影响底栖动物的水质因子在北运河流域的空间分布, NH4+-N+与TP主要反映水体氮、磷等营养物质浓度, 具有较高一致性, 低值主要分布在昌平区的山区河流及中心城区的护城河, 高值主要分布在昌平区南部及北运河流域南部; BOD是水体有机污染物含量的综合指标, 高值主要分布在昌平区南部; F-具有较强还原性, 其被氧化过程需要消耗DO, 可以反映水体中DO含量, 高值主要分布在昌平区、海淀区.

图 5 北运河流域关键水质因子空间分布 Fig. 5 Spatial distribution of key water quality factors in the North Canal River basin

2.3 水质因子对应指示物种及其阈值划分

采用TITAN法分析北京市北运河底栖动物群落, 结果表明氟化物和生化需氧量均没有指示物种, 得出5种氨氮指示物种, 均为正响应物种(即响应变量随环境因子梯度增加而增加), 如图 6所示.指示物种包括摇蚊科和椎实螺科, 分别为A5(溪流摇蚊)、A6(喜盐摇蚊)、A26(德永雕翅摇蚊)、A12(狭耳萝卜螺)和A27(左旋螺), 椎实螺科阈值高于摇蚊科, 阈值范围为1.09~6.94 mg·L-1, 即当水体氨氮含量达到6.94 mg·L-1时, 除狭耳萝卜螺和左旋螺外, 大部分正响应物种已超过耐受极限, 群落已不再产生显著阈值响应.

Z-Score为IndVal指数的标准化值 图 6 TITAN法分析北运河流域氨氮指示物种及阈值 Fig. 6 Indicator species and thresholds of ammonia nitrogen in the North Canal River basin by the TITAN method

采用TITAN法得到3种总磷指示物种, 均为正响应物种, 如图 7所示.总磷的指示物种也包括摇蚊科和椎实螺科, 椎实螺科阈值高于摇蚊科, 阈值范围为0.48~1.27 mg·L-1, 即当水体总磷含量达到1.27 mg·L-1时, 除狭耳萝卜螺和左旋螺外, 大部分正响应物种已超过耐受极限, 群落已不再产生显著阈值响应.

Z-Score为IndVal指数的标准化值 图 7 TITAN法分析北运河流域总磷指示物种及阈值 Fig. 7 Indicator species and thresholds of total phosphorus in the North Canal River basin by the TITAN method

2.4 基于底栖动物的北运河水系水生态健康评价 2.4.1 基于B-IBI法的水生态健康评价

北京市北运河流域受人类活动影响剧烈, 难以找到无干扰点或弱干扰点, 因此, 结合已有研究和实际情况, 确立了参考点选择的两个原则: ①栖息地评价分数在80分以上, 且河岸带无点源污染; ②水质综合评价标准在Ⅲ类标准以上.据此标准选择的参照点有德胜口、树村闸、清河闸和亮马桥.

根据候选参数分布范围可以剔除变化范围小的参数, 其中, EPT分类单元数、均匀度指数、毛翅目相对丰度、蜉蝣目相对丰富、襀翅目相对丰度、双翅目相对丰度、无足类群相对丰度、敏感类群相对丰度、敏感类群分类单元数、捕食者相对丰度、滤食者相对丰度和粘附者相对丰度的分布范围非常集中, 不适合参与指标构建.对余下的14个参数进行判别能力分析, 根据IQ值判定, 软体动物分类单元数、多样性指数、优势分类单元个体丰度、前3位优势分类单元个体丰度和颤蚓丰度这5个参数IQ值大于等于2.剔除其余参数, 保留参数的相关性分析结果见表 2, 发现多样性指数与优势分类单元个体丰度、前3位优势分类单元个体丰度显著相关, 且后两者也显著相关, 故保留多样性指数, 剔除另外两个参数.

表 2 候选指标Spearman相关性分析结果1) Table 2 Results of spearman rank correlation analysis among candidate metrics

采用比值法对选出的3个参数进行计分, 得出参照点和其他样点B-IBI值, 以参照点25%分位数值为健康标准, 对小于该值分布范围进行3等分, 北京市北运河B-IBI指数值的评价标准见表 3.北运河水系33个点位的水生态健康等级见图 8(a), 7个站点评估结果为健康, 7个站点评估结果为亚健康, 8个站点评估结果为不健康, 11个站点评估结果为病态.

表 3 北运河流域底栖动物指数B-IBI健康评价分级标准 Table 3 Grading standards for health assessment based on B-IBI of macrobenthos in the North Canal River basin

图 8 北运河流域水生态健康评价结果 Fig. 8 Results of aquatic ecosystem health assessment in the North Canal River basin

2.4.2 基于指数综合法的水生态健康评价

基于表 1提出的评价指数, 首先进行分布范围比较, 发现: EPT分类单元数、均匀度指数、毛翅目相对丰度、蜉蝣目相对丰富、襀翅目相对丰度、双翅目相对丰度、无足类群相对丰度、敏感类群相对丰度、敏感类群分类单元数、捕食者相对丰度、滤食者相对丰度和粘附者相对丰度分布范围非常集中.对剩余指数进行K-S正态分布检验, 发现均不满足正态分布, 故采用Spearman相关性分析, 得到其相关系数及显著性, 见表 2.其中, 总分类单元数与摇蚊分类单元数、耐污类群分类单元数显著相关, 因总分类单元数包含信息更多, 故保留; 水生昆虫分类单元数与摇蚊分类单元数和摇蚊丰度显著相关, 摇蚊分类单元数与摇蚊丰度和耐污类群分类单元数显著相关, 且水生昆虫分类单元与总分类单元也存在很强相关性, 故保留摇蚊丰度参数; 多样性指数与优势分类单元丰度和前3位优势分类单元丰度显著相关, 保留多样性指数.最终筛选出总分类单元数、软体动物分类单元数、多样性指数、摇蚊丰度、寡毛类丰度、软体动物丰度和BI指数这7个指标.

根据各指标评分标准得到指标评分, 计算出综合健康评分, 按照健康等级判定标准, 北京市北运河水系水体健康等级如图 8(b)所示, 全流域大部分样点处于亚健康状态, 4个站点评估结果为健康, 2个站点为不健康, 1个站点为病态.

对比两种方法的水生态健康评价结果, 发现指数综合法评价结果大多数站点呈亚健康状况, B-IBI评价结果中病态比例最大; 指数综合法评价的健康站点分布在昌平区、朝阳区和大兴区, 除大兴区凤河营闸站点外, 其他3个站点在B-IBI评价结果中也为健康状态; B-IBI评价的健康站点分布在昌平区、朝阳区、海淀区和西城区, 病态站点主要分布在中心城区和朝阳区, 可见B-IBI法对水生态健康评价标准更宽松, 对病态标准更严格.基于两种健康评价方法, 有35.3%的站点健康评价等级相同, 综合两种健康评价结果, 认为北运河水系水生态整体处于亚健康-不健康状态.

3 结论

(1) 北运河水系底栖动物群落以水生昆虫和软体动物为主, 共鉴定出5纲11科, 物种分类单元数平均值为5.47, 主要以耐污种为主, 底栖动物群落香浓维纳指数平均值为0.4, BI指数平均值为6.95.

(2) 氟化物、生化需氧量、氨氮和总磷为北运河水系底栖动物群落关键水环境影响因子.采用TITAN法在北运河水系确定了4种氨氮正响应指示物种, 阈值范围1.09~6.94 mg·L-1, 3种总磷正响应指示物种, 阈值范围0.48~1.27 mg·L-1.

(3) 通过对比B-IBI和综合指数法两种水生态健康评价方法, 发现北运河水系水生态健康总体较差, 中上游健康状况相对较好, 健康状况最好地区主要位于昌平区山区, 最差地区主要位于朝阳区及中心城区.

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