甘肃渭河河流健康评估成果

1.2.2.1　鱼类

鱼类一般个体较大，捕获相对容易，种类丰富，活动能力强；鱼类与人类关系密切，对人为干扰的变化表现敏感，对不同时空尺度下自然条件的变化表现的不敏感[4]；鱼类群落可以由几个占据不同营养级及其不同摄食功能团的物种组成；鱼类处在食物链的较高位置，能够反映生态系统的整体状况，因此鱼类一直是水生生物研究的焦点。

Karr[5]在北美基于鱼类设计的生物完整性指数（index of biotic integrity，IBI）是多指标评价法的典型代表。IBI应用物种丰富度、生境、营养团结构、生物个体健康状况、丰度等描述鱼类群落特征的12个指标来反映河流生态状况。此后基于鱼类的河流健康评价主流仍然是应用和发展生物完整性指数。国外，Oberdorff和Hughes[6]在塞纳河（位于法国北部）中基于鱼类的科级分类水平计算IBI值，比较了基于鱼类的IBI评价结果和单独的水质指标结果二者的差异性。Roth[7]设计了美国马里兰州第一个基于鱼类的生物完整性指数IBI，随后又对其进行了优化。为简化评价指标体系，Casatti等通过验证表明只需选择土著物种数、优势种、自游种、忍受低氧的鱼类个体数量、鱼类忍受度共5个鱼类指标就可以反映巴拉那河（位于南美洲）河流健康状况。鱼类是墨西哥过去十几年应用最为广泛的生物检测工具，墨西哥应用的基于鱼类的IBIs包含了可以反映群落特征的39项指标[8]。国外基于鱼类建立的IBIs，采用的指标多种多样，表1-1给出了IBIs常用的26个生物学指标。

表1-1　基于鱼类生物完整性指数常用指标

国内，郑海涛[9]选择怒江贡山、福贡、六库和保山4个江段，应用基于鱼类的IBI进行了分析研究。裴雪姣等[10]从23个候选中通过指标值分布范围、判别能力分析和相关性分析筛选了9个指标分别采用1、3、5赋值法和比值法计算采样点的IBI分值，评价了辽河流域健康状况。总体上，国内应用鱼类评价河流健康状况的研究比较少见，且大多数参照国外的IBIs体系评价河流健康状况，尚未建立符合我国地域环境特征的评价指标体系。

除了完善和发展IBIs外，一些学者通过鱼类受人为干扰后生态效应的研究，尝试建立能够满足特殊要求的新的评价指标体系。Helms和Feminella[11]认为，鱼类可以反映河流在受人为干扰后景观层次上结构和功能的变化。Kanno等[12]考虑到美国新英格兰南部河流流域热梯度对鱼类集群类型的影响，设计了基于鱼类的双MMI评价体系，不仅考虑了河流流域面积的影响，而且能够反映景观层次上的人为干扰。

地中海河流鱼类群落物种数少、特有种多、鱼类种群时空变化大，应用传统的基于鱼类的多指标指数很难评价河流健康状况，群落完整性指数（index of communityintegrity，ICI根据鱼类种群中某些物种的消失和出现来评价河流的健康状态，避免了由于季节变化和物种多度估算误差对IBIs评价造成的潜在影响[13]。

河口地区处于水路交界地带，受到复杂的外界干扰，生态环境敏感，鱼类资源丰富，为评价这一特殊区域的生态环境质量，建立了一系列基于鱼类的河口健康评价方法。这类常见的河口健康评价方法有：河口健康指数（estuarine health index，EHI）[14]、河口生物完整指数（estuarinebiotic integrity index，EBI）[15]、河口鱼类群落指数（estuarine fish community index，EFCI）[16]、栖息地鱼类指数（habitat fish index，HFI）[17]、特殊地带基于鱼类的河口生物指数（zone-specific fish-based estuarine biotic index，ZEBI）[18]等。

1.2.2.2　硅藻

硅藻是河流生态系统中的初级生产者，对生态系统其他组分的影响显著，硅藻分布范围广，世代周期短，物种丰富，采样简单，对环境变化敏感，且不同水体中组分不同，因此硅藻是常用的河流健康评价指示生物之一。极小异极藻（Gomphonemaparvulum）和小舟形藻（Naviculaminuscula）可以指示热带河流富营养状态，窄异极藻（Gomphonema angustum）、念珠等片藻（Diatomamoniliformis）可以指示贫营养状态[19]。硅藻物种相对丰度和群落整体结构可以反映污水排放强度对水质的影响等[20]。根据硅藻对资源利用特点及其对外界物理干扰的适应策略，可将硅藻划分成低位团、高位团、运动型。在营养物含量低的情况下，低位团成为优势种；营养物含量高时，高位团成为优势种；运动型对各种环境因子最为敏感，利用硅藻生态功能团的这种生态响应可以评价河流生态状况[21]。基于硅藻的生态响应，建立了一系列的生物评价指数如南美大草原硅藻指数（Pampean diatom index，IDP）[22]、澳大利亚河流硅藻种类指数（diatomspecies index for Australian rivers，DSIAR）[23]、硅藻集群属指数（genericindex of diatomassemblage，GDI）[24]、硅藻模型关联（diatommodel affinity，DMA）[25]等。应用硅藻评价河流健康状况的一个重要特点是应用范围广泛。一方面，硅藻不仅可以像鱼类、大型无脊椎动物一样广泛适用于评价小型河流的健康状况，也适用于大型河流的健康评价[26]。Susanne等[27]通过比较分析大型植物、硅藻及其其他底栖藻类的物种组成及其丰度，认为硅藻对环境变化的反应最快、底栖藻类次之，大型植物最慢。大型植物指数和其他底栖藻类指数受地区条件限制，硅藻指数则适用于更大范围。另一方面，硅藻生物指数适用于某些特殊环境条件下的河流健康评价。法国评价水域生态质量状况的生物硅藻指数（biological diatom index，BDI）的改进版BDI-2006能够反映酸性及其含盐量高的河流健康状况。Tudesque等认为，硅藻可以用来检测由于小规模的采金活动造成的环境压力[28]。Delgado等[29]设计的硅藻多指标指数DIATMIB是敏感类群指数多度、忍受类群多度、叶绿素a值这3个硅藻指标的组合，DIATMIB能有效评价地中海地区间歇性河流的生态状况。

国内应用硅藻评价河流生态状况主要是应用国外已有的方法，缺乏与国内实际情况相符合的评价方法的研究和探索。齐雨藻等[30]用硅藻群集指数（diatom assemblage index，DAI）和河流污染指数（river pollution index，RPI）评价了珠江广州河段的水质状况。赵湘桂等[31]比较了特定污染敏感指数（specific pollution sensitivity index，SPI）和硅藻生物指数（diatom bioassessment index，DBI）与我国现有河流理化监测的差异性，结果表明3种方法的检测结果不完全一致。殷旭旺等[32]应用硅藻生物指数（DBI）和着生藻类生物完整性指数（PIBI）评价了太子河健康状况。沈强等[33]应用PIBI评价了浙江省4座大中型水库水源地的生态健康状况。

1.2.2.3　大型无脊椎动物

通过大型无脊椎动物对人为干扰生态效应的研究，如襀翅目幼虫在清洁河流中大量出现，福寿螺在中度污染的水体中较多，污染严重河流中颤蚓类、摇蚊幼虫数量增加等，河流中大型无脊椎动物经常作为指示生物来反映河流污染状况[34]。基于大型无脊椎动物的河流健康评价方法可分为单一生物指数、多样性指数和多指标指数这3种方法。单一生物指数是河流健康评价应用最早的评价方法，常见的单一生物指数有Goodnight-Whitley生物指数、Trent生物指数、IB指数、Chutter生物指数等[35]。单一生物指数方法众多，操作简单，但常常只能反映河流污染状况。随着Shannon指数、Simpson指数等多样性指数的建立，一些学者开始应用多样性指数评价河流健康状况。刘保元等[36]应用Trent生物学指数、Shannon多样性指数等生物学方法评价了图江门的污染状况。杞桑等[37]比较分析了大型底栖动物多样性指数对水体的评价结果和理化水质检测结果。Ravera[38]认为，不论Trent生物指数还是多样性指数均能有效区分清洁和严重污染的区域，但多样性指数（如Simpson指数）突出了物种之间的关联性，对河流健康状况的反映相对较为全面。

应用基于大型无脊椎动物的多指标指数进行河流健康评价是目前评价的主流。Kerans和Karr[39]选用表述大型无脊椎动物特性的13个指标构成底栖大型无脊椎动物生物完整性指数（benthicmacro invertebrate index of biological integrity，BIBI）。欧盟基于大型无脊椎动物建立了针对欧洲28种河流类型的AQEM评价系统来评价欧洲河流生态系统[40]。随着河流中大型无脊椎动物的物种鉴定向种的水平发展及其生物种的特性研究，Haase和Nolte[41]建立了基于种级水平的无脊椎动物物种指数（invertebrate species index，ISI）来评价河流健康状况。Gabriels等[42]基于大型无脊椎动物设计了可以针对不同流域面积河流的大型无脊椎动物多指标指数MMIF（multimetric macroinvertebrate index flanders）。Oliveira等[43]从反映大型无脊椎动物特征的指标中根据其独立性及其区分干扰的能力选择了9项指标构成Guapiacu-Macau多指标指数（Guapiacu-Macau multimetric index，GMMI），这种多指标指数能够明显的区分不同强度的人为干扰，且评价结果受季节的影响不明显。法国Mondy等[44]开发了以无脊椎动物为基础的I2M2复合指数，不仅符合欧盟水框架指令的要求，而且与法国标准的生物指数法相比，I2M2有一定的优势。(www.xing528.com)

国内也逐渐应用大型无脊椎动物生物完整性指数进行河流健康评价。杨莲芳等[45]应用EPT（浮游目（E）、襀翅目（P）、毛翅目（T）昆虫，EPT）分类单元数及科级生物指数（family biotic index，FBI）评价水质状况。王备新等[46]应用BIBI评价安徽黄山地区溪流河流健康状况。渠晓东等[47]通过参数分布范围检验、敏感性分析和相关性检验筛选参数指标，应用BIBI指数评价了浑太河河流健康状况，通过与专家经验法构建的大型底栖动物生物完整性指数进行了对比，结果表明，两种方法的评价结果具有较好的一致性。

1.2.2.4　多种指示生物

人类活动在不同时空尺度上通过不同的方式影响河流生物类群，不同生物类群对同一压力的响应也存在差异。Schaumburg[48]等认为，大型植物生活时间长，能够综合反映长时间的环境状况；硅藻生活史短，能够迅速地反映环境变化；底栖植物种类众多，植物生活史有长有短，对环境反映兼有上述两者特性。Marzina等[49]通过比较大型植物、鱼类、硅藻、大型无脊椎动物这4种河流生态质量要素（biological quality elements，BQEs）对人为压力响应的敏感性，发现4个BQEs指标对特定压力的响应敏感性有差别。综合应用多种生物评价河流健康或许能更好地反映人类对水生生态系统的影响[50]，同时欧盟水框架指令也建议欧盟成员国采用多种生物综合评价河流健康状况。

1.2.2.4.1　鱼类与大型无脊椎动物

鱼类和大型无脊椎动物都能对环境变化迅速做出反应[51]。但单独基于鱼类或大型无脊椎动物的生物指数有时并不能完全反映河流生态状况，如北美地区受城市化干扰的河流中鲑鱼产量反而提高了[52]。水质理化检测结果和鱼类生物量及其密度都不能很好地反映人为干扰。

鱼类和大型无脊椎动物会对环境压力表现出不同的响应，底栖大型无脊椎动物受化学参数和沉积物影响显著，鱼类受损主要受地貌和侵蚀状况影响[53]，同时鱼类的生活史长、移动性高，能较好反应较大范围长期性的环境压力，河流中的大型无脊椎动物则物种丰富、位置比较固定，能够较好地反映局部范围当前的环境状况[54]。

1.2.2.4.2　藻类与大型无脊椎动物

藻类主要受营养物控制，对生境退化的反应不同。而大型无脊椎动物生物群系受水质（如营养物丰富程度和有机污染）和生境退化影响显著。藻类和大型无脊椎动物这两个生物学指标结合则能为反映河流生境压力提供补充信息[55]。综合应用大型藻类和大型无脊椎动物可以建立从河流生态系统生产者、消费者、分解者等各个环节上全面反映河流健康状况的指标体系。目前，基于藻类的评价指标体系和基于大型无脊椎动物的指标体系的对比研究报道较多。Torrisi[56]比较了基于底栖无脊椎动物的扩展生物指数（extended biotic index，EBI）和基于硅藻的富营养化和污染指数（eutrophication and pollution index，EPI），认为两个生物指数是正相关的，硅藻和大型无脊椎动物对环境压力表现出互补的生态响应。目前，已经有综合应用两种生物进行河流健康评价的案例，如张楠等[57]筛选了着生藻类底栖动物完整性指数、Shannon多样性指数等10个指标构成的综合评价指标体系评价了辽河流域河流健康状况。

1.2.2.4.3　大型植物

大型水生植物和河岸植被都应该包含在多指标评价体系里面[58]，才能全面地反映河流健康状况。水生植物是河流中主要的初级生产者，它们不仅通过提供食物、栖息地等多种形式直接或间接地影响着高营养级的生物，而且也会对河流的物理化学特性产生影响。人为活动对水生生态系统的影响不仅可以通过水生植物反映出来，河岸带植被特征也会响应人为干扰对河流生态系统的影响。

伊比利亚多指标植物指数（Iberian multimetricplant index，IMPI）从22个备选指标中筛选了3个代表群落构成（水生植物、河岸带植物物种数、生植物种数）、3个反映人为干扰（芦竹多度、外来植物种数、杂草种类）、1个衡量营养状况（nitrophyllous种数）、1个与河岸植被相关指数（相对河岸宽度）共8个指标构成最终指标体系，IMPI展示了将河岸植被特征与河流全局干扰结合起来的可能性，但单独应用植被评价河流状态健康状态的能力仍然需要验证[59]。大型植物则经常结合其他生物进行河流健康评价。Ladson等[60]开发了溪流状态指数（index ofstream condition，ISC）包含河流水文特征、形态特征、河岸带状况、水质及水生生物等5方面指标。Feio等[61]通过将硅藻和大型植物群落整合建立一个预测模型AQUAFLORA来评价河流生态系统状况，结果表明，硅藻和大型植物不但能够指示富营养化和有机污染，而且也能反映河道形态变化、水文变化、河道连通性、流域土地利用等。

1.2.2.5　指标体系涉及2种以上的生物

在河流健康评价指标体系的构建中，一些学者逐渐注重应用鱼类、藻类、无脊椎动物、大型植物等多种生物类群进行河流健康评价。意大利用于评价受农业影响地区的河岸、河道、环境清单（riparian，channel and environmental inventory，RCE）由水生植被、鱼类、大型底栖生物、河岸带完整性及其理化性质等共16个指标组成[62]。南非的河流健康计划（river health plan，RHP）选用河流无脊椎动物、鱼类、河岸植被、生境完整性等7类指标评价来评价河流的健康状况。汪兴中等[63]选用大型水生生物指标（底栖无脊椎动物多样性、底栖藻类自养指数）及其河流水文、河流形态、河岸带、水体理化性质组成指标体系评价了南水北调工程中线水源区溪流的健康状况。