环境科学研究  2019, Vol. 32 Issue (8): 1384-1394  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2018.11.08

引用本文  

刘麟菲, 徐宗学, 殷旭旺, 等. 基于鱼类和底栖动物生物完整性指数的济南市水体健康评价[J]. 环境科学研究, 2019, 32(8): 1384-1394.
LIU Linfei, XU Zongxue, YIN Xuwang, et al. Assessment of the Water Quality in Jinan City by Using both Fish and Benthic-Macroinvertebrate Index of Biotic Integrity[J]. Research of Environmental Sciences, 2019, 32(8): 1384-1394.

基金项目

水生态文明试点科技支撑计划(No.SSTWMZCJH-SD02)
Science and Technology Program of Aquatic Civilization of China(No.SSTWMZCJH-SD02)

责任作者

徐宗学(1962-), 男, 山东淄博人, 教授, 博士, 博导, 主要从事水文水资源和水生态研究, zongxuexu@vip.sina.com.

作者简介

刘麟菲(1987-), 女, 河北承德人, liulinfei@mail.bnu.edu.cn

文章历史

收稿日期:2018-07-11
修订日期:2018-09-12
基于鱼类和底栖动物生物完整性指数的济南市水体健康评价
刘麟菲1,2 , 徐宗学1,2 , 殷旭旺3 , 李福林4 , 王汨3     
1. 北京师范大学水科学研究院, 北京 100875;
2. 城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室, 北京 100875;
3. 大连海洋大学水产与生命学院, 辽宁省水生生物学重点实验室, 辽宁 大连 116023;
4. 山东省水利科学研究院, 山东 济南 250013
摘要:F-IBI(fish index of biological integrity,鱼类生物完整性指数)和B-IBI(benthic-macroinvertebrate index of biological integrity,底栖动物生物完整性指数)在大尺度流域范围内应用较广,但在城市水体中的应用研究较少.为了解F-IBI和B-IBI在城市水体中的适用性,分别于2014年和2015年的5月、8月和10月分6次对济南市水体进行野外采样调查,共设46个采样点(其中,12个采样点位于水库,34个采样点位于河流),采集底栖动物和鱼类,并测定了23个水环境因子.依据生物物种丰富度、种类个体数量比例、敏感性和耐受性、营养结构、繁殖共位群、物种多样性等功能属性,共计算底栖动物生物参数27个、鱼类生物参数22个.采用箱体图法和累计系数法,分别对河流型水体和水库型水体的生物参数进行筛选.根据百分位数法,共划分健康、较好、一般、较差、极差5个等级.通过Pearson相关性检验法判定鱼类和底栖动物评价结果的一致性.结果表明:①底栖动物总分类单元数、BMWP指数、鱼类物种数、鱼类个体数为河流型水体和水库型水体共同核心参数.②鱼类评价结果显示,健康样点6个、较好样点7个、一般样点9个、较差样点12个、极差样点12个,底栖动物依次分别为6、6、8、17、9个.③F-IBI和B-IBI相关系数为0.56,相关性较为显著.研究显示,济南市南部黄河区、小清河区东部生物完整性较高,城区东部及北部徒骇马颊河区生物完整性较差,鱼类和底栖动物评价结果具有较强的一致性.
关键词生物完整性指数    箱体图法    累计系数法    济南市    
Assessment of the Water Quality in Jinan City by Using both Fish and Benthic-Macroinvertebrate Index of Biotic Integrity
LIU Linfei1,2 , XU Zongxue1,2 , YIN Xuwang3 , LI Fulin4 , WANG Mi3     
1. College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, China;
2. Beijing Key Laboratory of Urban Hydrological Cycle and Sponge City Technology, Beijing 100875, China;
3. Liaoning Provincial Key Laboratory for Hydrobiology, College of Fisheries and Life Science, Dalian Ocean University, Dalian 116023, China;
4. Water Resources Research Institute of Shandong Province, Jinan 250013, China
Abstract: The fish and benthic macroinvertebrate indexes of biotic integrity (F-IBI, B-IBI) are widely used indicators showing the condition of large-scale catchment freshwater in the world. However, these indexes are less used to evaluate the freshwater condition in urban area. In order to understand the applicability of F-IBI and B-IBI for the urban aquatic system, 46 sampling sites including 12 reservoir sites were investigated in Jinan City during May, August and October from 2014 to 2015. The dataset included fish and benthic-macroinvertebrate assemblage as well as 23 physiochemical factors. Based on the attributes of richness, composition of biotic abundance, sensibility and tolerance, nutrition structure, reproductive guild and biodiversity, 27 benthic-macroinvertebrate metrics and 22 for fish were selected as the candidate metrics. The methods of box-plots and cumulative coefficient were used to determine the core metrics to evaluate the healthy condition of rivers and reservoirs, respectively. The sampling sites were divided into five classes, including excellent, good, moderate, poor and bad by the percentile method. The Pearson correlation test was used to validate the correlation between F-IBI and B-IBI. The results showed: (1) Four metrics including benthic-macroinvertebrate richness, BMWP, fish richness and fish numbers were selected as the core metrics for both rivers and reservoirs, which is reasonable; (2) In terms of F-IBI, the number of excellent, good, moderate, poor and bad sites was 6, 7, 9, 12, 12, respectively, and it was 6, 6, 8, 17, 9 for B-IBI; (3) F-IBI and B-IBI had a significant correspondence with correlation coefficient of 0.56. This study showed that fish and benthic-macroinvertebrate community exhibited higher integrity in the southern and eastern parts of Jinan City than that in other regions. However, the sites located in the northern and central part of Jinan City showed poor and bad condition depending on F-IBI and B-IBI. F-IBI and B-IBI showed a strong spatial correlation in Jinan City.
Keywords: index of biotic integrity    box-plots    cumulative coefficient    Jinan City    

城市水生态系统不但对人类饮水、生活用水、农业灌水、工业需水、航运载水等发挥着重要的供水功能,而且具有景观休憩等生态服务功能[1-2].随着人类社会的发展,对城市水生态系统的消耗和破坏日趋严重,超出水生态系统自我调节的能力,生态服务功能逐渐丧失,城市水生态系统正面临严重威胁[3-5].因此,修复和保护城市水生态系统的健康与稳定,对维持人类社会的可持续发展具有重要意义.

鱼类和底栖动物是水生态系统中重要的组成生物[6].鱼类处于水体食物链最顶端,生命周期较长,可以较好地反映长时间序列的环境特征,并且活动能力较强,可以反映大尺度范围内的环境变化[7-8].底栖动物生活在水体的底层,可以较好反映河流底质的健康状况,其活动能力较弱,生命周期较短,可以较为迅速地反映小尺度范围内的环境变化[9].因此,鱼类和底栖动物对水生态系统的健康状况具有较好的指示作用.

IBI(index of biological integrity,生物完整性指数)法是定量描述人类活动与生物特性之间关系的一种方法,其通过计算和筛选若干个对人类干扰较为敏感的生物参数,用以表征生态系统的健康状况. Karr[10]首次利用F-IBI(fish index of biological integrity, 鱼类生物完整性指数)法对美国印第安纳州的河流健康状况进行评价,评价结果合理准确,被众多科学研究者认可,并在世界各地得到广泛应用[11-12].随着F-IBI的推广,逐渐衍生出以底栖动物、着生藻类、浮游植物等为指示生物的IBI[13-16].国内学者[16-18]应用F-IBI、B-IBI(benthic-macroinvertebrate index of biological integrity, 底栖动物生物完整性指数)和P-IBI(periphytic index of biological integrity,着生藻类生物完整性指数),分别对太子河流域、淮河流域和渭河流域进行了水生态系统健康评价,但这些流域均属于大尺度范围内的自然流域,对城市范围内的水体健康状况应用较少.因此,该研究分别应用F-IBI和B-IBI对济南市水体进行健康评价:①比较鱼类和底栖动物在城市水体评价中的异同. ②探究IBI法在城市水体评价应用中的合理性、稳定性和适用性.

济南市又称“泉城”,因其特殊地貌特征,呈现“百泉争涌”现象,但随着人口的增长、社会的发展、需水量的增多以及对济南市水体的开采和破坏日趋严重[19-20],“百泉争涌”现象逐渐消失,水生态健康状况受到严重威胁[21].了解和掌握济南市水体的健康状况,对制定济南市水生态系统修复和保护方案、合理规划水生态系统资源配置具有重要意义.因此,该研究以济南市主要河流和水库为研究对象,设立46个采样点,对济南市鱼类和底栖动物展开调查,应用IBI法分析济南市水体健康状况,以期为济南市河流和水库的生物资源保护和修复提供重要依据.

1 材料与方法 1.1 采样点布设

济南市地处我国华北平原中部(36°40′N、117°00′E),属温带季风气候,四季分明,年均气温13.8℃,年均降水量685 mm.降水量时空分布不均,呈现南多北少,夏多冬少的特点.济南市地势南高北低,海拔5~1 100 m,由北向南可分为临黄带、山前平原带和丘陵山区带[22].济南市泉水众多,原因之一在于其独特的地质构造,其地质主要由可溶性灰岩组成,灰岩硬度较低,易溶蚀,在长期的地壳运动中,形成了大量的溶孔、溶洞、地下暗河等,交织成密集的地下管网,加之南高北低的独特地势条件,大量地下水向市中心涌入,顺着天然形成的缝隙,由地下涌出,形成大大小小的泉水.

分别于2014年和2015年5月、8月、10月对济南市进行了6次采样调查,共设46个采样点,其中,12个采样点位于水库,34个采样点位于河流(见图 1).每个采样点均采集鱼类和底栖动物,并测定了23个水环境因子.

图 1 济南市采样点分布 Fig.1 The distribution of sampling sites in Jinan City
1.2 数据获取 1.2.1 水生生物样品采集

底栖动物:采用1/16彼得森采泥器(PBS-411, 武汉水天地科技有限公司)在采样点随机选取2处进行底栖动物的采集.将采集到的所有物质倒入塑料桶中,经孔径为250 mm的筛网过滤,将网上残留物质转移到白瓷盘中,现场挑拣底栖动物.将挑拣的底栖动物放入150 mL塑料广口瓶中,用95%工业酒精固定保存.在实验室解剖镜下进行物种的鉴定[23-24].

鱼类:距采样点上游1 km范围内进行鱼类样品的采集.采集方法采用电鱼法,电鱼持续时间为30 min.现场进行鱼类的鉴定[25]和称量,鉴定结束后放生.对于不确定的种类,用10%的甲醛固定,带回实验室进一步鉴定分析.

1.2.2 水环境理化因子测定

水温、电导率、盐度、ρ(DO)、浊度、pH、水深和流速等理化因子采用水质分析仪(YSI ProPlus 85,美国)测定;ρ(Ca2+)、ρ(Cl-)、ρ(SO42-)、ρ(CO32-)、ρ(HCO3-)、ρ(TN)、ρ(NH4+-N)、ρ(NO2--N)、ρ(NO3--N)、ρ(CODCr)、ρ(BOD5)、ρ(TP)、总碱度、总硬度和ρ(CODMn)等理化因子参考《水和废水监测分析方法》(第四版)测定.

1.3 生物参数

根据底栖动物物种丰富度、种类个体数量比例、敏感性和耐受性、营养结构、物种多样性等功能属性,共计算了27个生物参数,具体见表 1.根据鱼类物种丰富度、营养结构、敏感性和耐受性、繁殖共位群、鱼类数量等功能属性,共计算了22个生物参数,具体见表 2.

表 1 济南市底栖动物生物参数 Table 1 The candidate metrics of benthic-macroinvertebrate assemblage in Jinan City

表 2 济南市鱼类生物参数 Table 2 The candidate metrics of fish assemblage in Jinan City
1.4 核心参数筛选 1.4.1 河流型水体 1.4.1.1 参照样点的选取

通过计算IWHQ (index of water and habitat quality,水质与栖息地质量指数),筛选济南市河流型水体的参照样点[26].当评价参数随外界干扰强度增大而增大时,其计算公式见式(1);当评价参数随外界干扰强度增大而降低时,其计算公式见式(2)(3).该研究选取了电导率、ρ(TD)、ρ(NH4+-N)和栖息地质量4个指标作为构建IWHQ的评价参数,其评价等级见表 3. IWHQ值越低,表征生境质量越高.通过计算发现,1号、3号、5号、16号、17号采样点的IWHQ值较低,可作为济南市河流型水体健康评价的参照样点.

$ {\rm{IWH}}{{\rm{Q}}_i} = \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} 1&{{C_i} < {S_{i, 1}}}\\ {j + \frac{{{C_i} - {S_{i, j - 1}}}}{{{S_{i, j}} - {S_{i, j - 1}}}}}&{{S_{i, j - 1}} \le {C_i} < {S_{i, j}}\quad (j = 2, 3, 4, 5)}\\ {6 + \frac{{{C_i} - {S_{i, 5}}}}{{{S_{i, 5}}}}}&{{C_i} \ge {S_{i, 5}}} \end{array}} \right. $ (1)
$ {\rm{IWH}}{{\rm{Q}}_i} = \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} 1&{{C_i} \ge {S_{i, 1}}}\\ {j + \frac{{{S_{i, j - 1}} - {C_i}}}{{{S_{i, j - 1}} - {S_{i, j}}}}}&{\;\;\;\;\;\;\;\;\;{S_{i, j}} \le {C_i} < {S_{i, j - 1}}\quad (j = 2, 3, 4, 5)}\\ {6 + \frac{{{S_{i, 5}} - {C_i}}}{{{S_{i, S}}}}}&{{C_i} < {S_{i, 5}}} \end{array}} \right. $ (2)
$ {\rm{IWHQ}} = \frac{1}{L}\sum\limits_{i = 1}^n {{\rm{IWH}}{{\rm{Q}}_i}} $ (3)
表 3 IWHQ核心参数健康评价等级 Table 3 The criterion of core parameters of IWHQ

式中,IWHQi为水质与栖息地质量指数,Ci为评价参数i的实际值,Si, j为第j等级评价参数i的标准值健康评价等级,L为评价参数个数.

1.4.1.2 核心参数的筛选

采用箱体图判别分析法,筛选出参照样点和受损样点差异显著的生物参数为核心参数,判断标准为箱体图不重叠.

1.4.2 水库型水体

水库型水体核心参数的筛选方法为累计系数法.采用Pearson相关分析,计算生物参数与水环境因子的C-R2(Cumulative_R2,累积系数)和CoI (correlation index,相关性指数),筛选出与水环境因子相关性较强的生物参数,即C-R2和CoI数值较高的参数,作为济南市水库型水体的核心参数[27],其计算公式:

$ {{\rm{C}} - {{\rm{R}}^2} = \sum\limits_{y = 1}^n {r_{x, y}^2} } $ (4)
$ {{\rm{CoI}} = \frac{{{\rm{C}} - {{\rm{R}}^2} \times S}}{{{n^2}}}} $ (5)

式中,rx, y为生物参数(x)与环境因子(y)的Pearson相关系数值,S为生物参数与环境因子显著相关(P<0.05)的个数,n为环境因子个数.

1.5 健康评价体系构建 1.5.1 参数标准化

对筛选出的核心参数进行数值标准化,当核心参数值随外界干扰强度增大而降低时,其计算公式见式(6);当核心参数值随外界干扰强度增大而增大时,其计算公式见式(7).

$ {V = \frac{X}{{{X_{0.95}}}}} $ (6)
$ {V = \frac{{{X_{\max }} - X}}{{{X_{\max }} - {X_{0.05}}}}} $ (7)

式中:V为标准化后的生物参数数值,范围为[0, 1],大于1时按1处理;X为核心参数实际值;X0.95为核心参数95%分位数值;X0.05为核心参数5%分位数值.

1.5.2 生物完整性指数

将核心参数标准化后的数值加和,乘以一个常数,使健康评价指数值的分布范围在[0, 10]之间,具体见式(8).

$ {{\rm{IBI}} = K\sum\limits_{m = 1}^N {{V_m}} } $ (8)

式中:IBI为生物完整性指数;K为常数,取值为10/N; Vm为核心参数m标准化后的数值; N为核心参数个数.

1.5.3 评价标准

大于IBI值75%分位数的采样点为健康样点,定义健康等级为5,对小于75%分位数的采样点进行四等分,分别作为较好、一般、较差和极差样点,定义其健康等级分别为4、3、2、1.

1.6 统计分析

将采样数据分为两组:2014年采样数据为试验组,构建鱼类和底栖动物健康评价体系; 2015年采样数据作为验证组,检验所构建的IBI是否具有稳定性,验证方法为非参数检验法Mann-Whitney Test.若P>0.05,表明两组变量无显著性差异,其来自同一个样本的概率大于95%,所构建的IBI具备一定的稳定性.采用Pearson相关分析方法检验F-IBI和B-IBI是否具有一致性,若P<0.05,表明二者具有显著的一致性,反之亦然.

2 结果与讨论 2.1 IBI评价体系的构建 2.1.1 河流型水体核心参数的筛选

图 2可见,M1、M13、M14和M27在参照样点与受损样点数值相差显著,箱体图不重叠,因此作为底栖动物的核心参数.其余23个底栖动物生物参数箱体图均有重叠,因而剔除.每个河流型水体采样点B-IBI值计算公式

图 2 济南市河流型水体底栖动物核心参数箱体图判别 Fig.2 The box-plots of benthic-macroinvertebrate metrics between reference and impaired river sites in Jinan City
$ \mathrm{B}-\mathrm{IBI}=(\mathrm{M} 1+\mathrm{M} 12+\mathrm{M} 14+\mathrm{M} 27) \times 2.5 $ (9)

经计算B-IBI值的75%分位数为7.87,因此将B-IBI值大于7.87的采样点定义为健康样点,将[0, 7.87]范围内的数值四等分,河流型水体底栖动物健康评价等级见表 4.由表 4可见:(7.87, 10.00]为健康样点;(5.90, 7.87]为较好样点;(3.93, 5.90]为一般样点;(1.97, 3.93]为较差样点;(0, 1.97]为极差样点.

表 4 济南市河流型水体IBI健康评价等级 Table 4 The criterion of IBI for river sites in Jinan City

通过箱体图判别F1、F4、F9、F10和F21在参照样点与受损样点数值差异显著,箱体图不重叠,因此作为鱼类的核心参数(见图 3).其余17个鱼类生物参数箱体图均有重叠,因而剔除.每个河流型水体采样点F-IBI值计算公式:

图 3 济南市河流型水体鱼类核心参数箱体图判别 Fig.3 The box-plots of fish metrics between reference and impaired river sites in Jinan City
$ \mathrm{F}-\mathrm{IBI}=(\mathrm{F} 1+\mathrm{F} 4+\mathrm{F} 9+\mathrm{F} 10+\mathrm{F} 21) \times 2 $ (10)

经计算F-IBI值的75%分位数为6.79,因此将F-IBI值大于6.79的采样点定义为健康样点,将[0, 6.79]范围内的数值四等分,河流型水体鱼类健康评价等级见表 4.由表 4可见:(6.79, 10.00]为健康样点;(5.41, 6.79]为较好样点;(3.71, 5.41]为一般样点;(2.01, 3.71]为较差样点;(0, 2.01]为极差样点.

2.1.2 水库型水体核心参数的筛选

M2、M6、M7和M9在所有水库采样点数值为0,因而剔除.其余各生物参数C-R2和CoI计算结果见表 5.由表 5可见,M1、M5、M19和M27的C-R2和CoI值较高,可以作为水库型水体底栖动物的核心参数.每个水库型水体采样点B-IBI值计算公式:

表 5 济南市水库型水体底栖动物生物参数与环境变量的累积系数 Table 5 The cumulative coefficient between benthic-macroinvertebrate metrics and physicochemical factors for reservoir sites in Jinan City
$ \mathrm{B}-\mathrm{IBI}=(\mathrm{M} 1+\mathrm{M} 5+\mathrm{M} 19+\mathrm{M} 27) \times 2.5 $ (11)

经计算B-IBI值的75%分位数为6.68,因此将B-IBI值大于6.68的采样点定义为健康样点,将[0, 6.68]范围内的数值四等分,则水库型水体底栖动物健康评价等级见表 6.由表 6可见:(6.68, 10.00]为健康样点;(5.02, 6.68]为较好样点;(3.34, 5.02]为一般样点;(1.67, 3.34]为较差样点;(0, 1.67]为极差样点.

表 6 济南市水库型水体IBI健康评价等级 Table 6 The criterion of IBI for reservoir sites in Jinan City

F7和F13在水库采样点数值为0,因而剔除.其余各参数C-R2和CoI计算结果见表 7.由表 7可见,F1、F11、F15和F21的C-R2和CoI值较高,可以作为水库型水体鱼类健康评价的核心参数.每个水库型水体采样点F-IBI值计算公式:

表 7 济南市水库型水体鱼类生物参数与环境变量的累积系数 Table 7 The cumulative coefficient between fish metrics and physicochemical factors for reservoir sites in Jinan City
$ \mathrm{F}-\mathrm{IBI}=(\mathrm{F} 1+\mathrm{F} 11+\mathrm{F} 15+\mathrm{F} 21) \times 2.5 $ (12)

经计算F-IBI值的75%分位数为5.61,因此将F-IBI值大于5.61的采样点定义为健康样点,将[0, 5.61]范围内的数值四等分,则水库型水体鱼类健康等级见表 6.由表 6可见:(5.61, 10.00]为健康样点;(4.21, 5.61]为较好样点;(2.81 4.21]为一般样点;(1.40, 2.81]为较差样点;(0, 1.40]为极差样点.

水库型水体为人工建造的水体,不存在未受人类活动干扰或较少受人类活动干扰的参照样点,因此不宜使用参照样点与受损样点对比的方法筛选水库型水体的核心参数.该研究采用累积系数法,通过计算生物参数与水环境因子累积相关系数,筛选出与水环境因子相关性显著的生物参数作为核心参数.该方法解决了水库型水体参照点选取困难的问题,将生物参数与水环境因子相结合,使IBI可以更全面地反映水体的健康状况. WU等[27]应用累积系数法对浮游植物核心参数进行筛选,构建了浮游植物生物完整性评价指数,对德国低地河流进行了健康评价,并验证了该方法的敏感性、合理性和稳定性,可以作为一种可靠的参数筛选方法应用于IBI的构建.

2.2 健康评价结果

底栖动物健康评价结果显示,健康样点6个,较好样点6个,一般样点8个,较差样点17个,极差样点9个.其中1号(并渡口)、3号(黄巢水库下游)、5号(宅科)、15号(崮云湖水库)、24号(杜张水库)、25号(朱各务水库)采样点底栖动物完整性指数值较高,属于健康样点. 6号(锦绣川水库)、14号(钓鱼台水库)、18号(梁府庄)、19号(板桥)、22号(黄台桥)、26号(相公庄)、39号(周永闸)、42号(潘庙闸)、46号(巨野河)采样点底栖动物完整性指数较低,属于极差样点(见图 4).

图 4 济南市B-IBI和F-IBI评价结果空间分布 Fig.4 The result of B-IBI and F-IBI in Jinan City

鱼类健康评价结果显示,健康样点6个,较好样点7个,一般样点9个,较差样点12个,极差样点12个.其中1号(并渡口)、3号(黄巢水库下游)、5号(宅科)、10号(汇泉水库)、15号(崮云湖水库)、25号(朱各务水库)采样点鱼类完整性指数值较高,属于健康样点. 4号(卧虎山水库)、7号(垛庄水库)、8号(陈屯桥)、12号(顾小庄浮桥)、18号(梁府庄)、19号(板桥)、20号(菜市新村)、26号(相公庄)、29号(张家林)、35号(大贺家铺)、37号(张公南临)、45号(石河)采样点鱼类完整性指数值较低,属于极差样点(见图 4).

综上,1号(并渡口)、3号(黄巢水库下游)、5号(宅科)、15号(崮云湖水库)、25号(朱各务水库)采样点在底栖动物和鱼类评价结果中,均表现为健康样点. 18号(梁府庄)、19号(板桥)、26号(相公庄)采样点在底栖动物和鱼类评价结果中,均表现为极差样点.

根据实际采样调查,崮云湖水库(15号采样点)和朱各务水库(25号采样点)一面为人工修建的大坝,其余三面均为天然的土地类型,植被覆盖率较高,底质类型较为多样化,有利于水生生物的生存、附着、产卵、繁殖等生命活动,使得水生生物的多样性较高.济南市南部山区底栖动物和鱼类的生物完整性较高,其中并渡口(1号采样点)生物多样性最高,生境栖息地较为原始,底质由不同等级的石块、泥沙构成,种类丰富,适宜生物的生存繁衍.小清河区和徒骇马颊河区属于平原区,土地利用方式以农业用地和城镇用地为主.城区隶属于小清河流域,其中板桥(19号采样点)水质极差,水体散发着恶臭气味,河道中多处排污口排放有色液体,水中几乎无生物生存.小清河区的东部以及徒骇马颊河区,栖息生境相对较好,河岸植被覆盖度较高,渠道化的河道较少.但是,面源污染较为严重,农田和民宅距离河道较近.生物污水、农业用水渗入到河流中,均会造成严重的河流污染,降低生物的完整性.

非参数检验法Mann-Whitney Test结果显示,2014与2015年的B-IBI和F-IBI无显著性差异(P>0.05)(见表 8),表明应用B-IBI和F-IBI所构建的健康评价体系具备较好的稳定性.

表 8 非参数检验法Mann-Whitney Test检验结果 Table 8 The result of Mann-Whitney Test
2.3 底栖动物和鱼类评价结果的比较

根据Pearson相关性分析结果,B-IBI和F-IBI的相关系数为0.56(P<0.01),极显著相关,表明B-IBI和F-IBI具有较强的一致性.由图 5可见,鱼类与底栖动物的评价结果极为相近,二者趋势线基本重合,表明二者具有较强的空间一致性.

图 5 B-IBI和F-IB各采样点评价结果对比 Fig.5 The results of B-IBI and F-IBI at each sampling sites

徐宗学等[28]对渭河流域水生态系统进行健康评价时发现,底栖动物评价结果要优于鱼类,底栖动物和鱼类的评价结果一致性较差. Pilière等[29]在研究美国俄亥俄州水生态系统时发现,鱼类和底栖动物均与水化指标相关性较强. B-IBI能更好地反映河流底质状况,而鱼类能更好地反映河道生境,如蜿蜒度、河岸带宽度、植被覆盖度等信息.此外,其他学者[30-32]在比较B-IBI和F-IBI在河流健康评价中的应用时发现,不同生物指数反应的生态系统信息不同,所指示的生境条件就会存在差异.但是这些学者的研究区域多数都集中在大尺度范围内的自然流域,而自然流域的水生态系统环境错综复杂,如地理地貌的差异、人类干扰强度的差异、水文条件的差异等,造成环境条件的多元性、复杂性.而城市水生态系统,自然条件的差异性所反映的生态信息较少,人类活动干扰强度是造成生态条件差异的主导因素.这些扰动对生物造成的影响具有同效性,如城市河道渠道化,既阻断了鱼类的洄游产卵、破坏了底栖动物的生存环境,又不利于着生藻类的附着;城市污水的肆意排放,使河流水质恶化,黑臭水体较多,耐污种都难以生存,这些均会造成水生生物同比降低.

修复和保护城市水体的健康与稳定虽已日益受到人们广泛关注,但应用水生生物进行多指标评价的研究尚不多见.该研究采用B-IBI和F-IBI对济南市水体健康状况进行初步评价,分别建立了河流和水库水体的健康评价体系,并采用累计系数法筛选水库水体核心参数,这些方法在国内研究中较少,该研究也是初步探索,研究结果虽具有一定的稳定性和合理性,但该方法是否有利于推广,以适用于其他城市水体的健康评价还有待进一步研究.

3 结论

a) 河流型水体生物核心参数为M1、M13、M14、M27和F1、F4、F9、F10、F21,水库型水体生物核心参数为M1、M5、M19、M27和F1、F11、F15、F21.其中M1、M27和F1、F21为河流型水体与水库型水体共有核心参数.

b) B-IBI和F-IBI相关系数为0.56,具有较强的空间一致性,F-IBI评价结果显示评价等级为一般以上的样点数量高于B-IBI评价结果.

c) 济南市南部黄河区(并渡口、黄巢水库下游、宅科、崮云湖水库),小清河区东部(朱各务水库)生物完整性较高,在底栖动物和鱼类评价结果中均表现为健康样点.城区东部及北部徒骇马颊河区生物完整性较差,在底栖动物和鱼类评价结果中均表现为极差样点.

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