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生物完整性指数（index of biological integrity, IBI）通过从候选参数中选取对人类干扰较为敏感的核心参数，构建评估体系评估河流生态健康[1]。最早是由KARR[2]以鱼类作为指示生物而提出的，而后研究对象逐步发展至浮游生物[3-5]、藻类[6-7]和大型底栖动物[8-9]等类群。作为河流中稳定的生物类群，大型底栖动物具有种类丰富、生命周期长、迁移能力弱、方便采集，且不同种类对环境变化敏感性呈现出较大差异性等特点[7-10]，能够较为准确地表征河流生态环境状况和人类活动对河流水体的扰动程度，对河流健康具有较为精准的诊断作用，是构建IBI的理想对象。
KERANS et al[11]最先利用大型底栖动物完整性指数（benthic index of biological integrity, B-IBI）进行了河流水生态健康评价，而后该指数在全球范围内得到了广泛应用，并取得了良好的河流健康诊断效果[12-15]。我国在20世纪80年代就已应用大型底栖动物评价河流水质[16]，王备新等[9]首次在国内应用B-IBI评价了黄山地区的溪流，随后B-IBI在我国地表水水体评价中得到广泛应用。然而，现有研究多为我国南部地区河流湖泊，有关西北干旱区河流研究较少，且不同地区河流底质和环境状况各异，B-IBI体系也并不相同，因此，构建适用于西北地区干旱半干旱区河流B-IBI体系是非常必要的。
清水河是宁夏境内黄河最长的一级支流，流域水资源极度匮乏，河流水体矿化度高、天然水质差、含沙量大，天然来水年内分配不均且年际变化悬殊，具有干旱半干旱地区河流的典型特征[17]。关于清水河这类干旱半干旱区域河流的水生生物研究相对较少，对底栖动物群落结构组成、健康状况评估及其与水环境要素的关系研究尚未见报道。故本研究以大型底栖动物为指示生物，以水质较好及Shannon-Wiener多样性指数较大、较少人类活动的点作为参考点，构建B-IBI体系对清水河健康状况进行评估，并分析对B-IBI有显著影响的环境因子，对于改善清水河河流健康状况具有指导作用，也为开展干旱半干旱区域河流健康评估提供一定的借鉴。
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清水河位于宁夏中南部地区，地势南高北低，全长320 km，流域面积14 481 km2[18-19]。受温带大陆性气候影响，流域干旱少雨，雨季集中在7～10月，降雨时空不均匀，水资源十分短缺，水土流失现象严重，具有半干旱、干旱区河流特征，是宁夏生态环境最为脆弱的区域之一[20]。
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于2020年7月开展现场采样及监测工作，沿清水河干流在已有6个国控、区控监测断面（点位）的基础上（其中三营镇、入黄河口为国控，其余为区控）另根据清水河从南到北依次穿越宁夏南部黄土丘陵区、中部干旱风沙区和北部引黄灌溉区等各区域的实际情况，重点考虑采样点的交通可达性、生境的典型性等合理增设4个采样点，共设置10个采样点，所布设的采样点基本可代表清水河干流的整体特征。采样点位置，见图1。
水温、电导率和pH采用多功能水质分析仪现场监测，溶解氧采用便携式溶解氧分析仪现场监测，COD、BOD5、氨氮和总磷等水质指标根据《水和废水监测分析方法》在实验室测定。
采用1/16 m2改良彼得逊采泥器和手抄网（直径40 cm）进行大型底栖无脊椎动物的采集，用底栖筛（420 μm）淘洗后挑拣出放入50 mL标本瓶中，加入10%甲醛溶液保存，在实验室用显微镜镜检将物种鉴定至最低的分类单元并计数，最后用滤纸吸干水分，在万分之一天平上称量获得生物量数据。
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参考点是指没有遭受人类活动扰动或者扰动较小的点位，是利用IBI进行河流健康评价的基准。因目前除部分湿地保护区河流外，其他河流均或多或少受到人类活动干扰，不存在严格意义上的参考点，因此本研究结合已有参照点选取的方法和实际情况，确立了参照点的选取标准[21-22]：水质综合评价在Ⅲ类及以上，Shannon-Wiener多样性指数>2（以2为底）；极少人类活动、两岸500 m内无农田（定性观察）。
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根据以往的研究[1,23]和清水河实际，本研究选取了能反映丰富度与多样性、群落结构组成、耐污能力、功能摄食类群与生活型等类型的20个参数（即表1的M1～M20）作为候选参数，采用如下方法筛选出核心参数：（1）变异度分析：计算参考点评估参数的平均值、标准差、最大值、最小值、极差、25%分位数和75%分位数，保留变异度较小的参数。（2）判别能力分析-利用箱线图对比参考点和受损点在25%～75%分位数范围内箱体的重叠程度，对生物判别能力（interquartile range, IQ）赋值，保留部分重叠但中位数均在对方箱体之外（IQ=2）和箱体无重叠（IQ=3）的参数。（3）冗余度分析-采用Spearman相关性分析，ρ>0.8时表明2个参数有显著相关性，此时选其中1个即能表示2个参数间所包含的几乎全部的信息，优先选取反映信息较多的参数。
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选取比值法计算B-IBI的值[23]。对于随着干扰增大而减小的参数，应按由低至高排序的以95%分位数作为最佳期望值，该类参数的分值为参数实际值与最佳期望值的比值；对于随着干扰增大而增大的参数，应以由低至高排序的5%分位数作为最佳期望值，该类参数的分值为最大值与实际值、最佳期望值差值的比值。最终计算各类参数和，即为各断面B-IBI指数值[24]。
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得到各样点的B-IBI值后，选取所有点位B-IBI分值的95%分位值作为最佳期望值，然后利用四分法确定河流健康等级划定标准[21]，按照《河流水生态环境质量监测与评价技术指南（征求意见稿）（2020）》将河流分为5个健康等级：非常健康、健康、亚健康、不健康和病态，分级标准，见表2。
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本次调查共采集到大型底栖动物42个分类单元，隶属于3门4纲11目32科，其中昆虫纲6目27科35种属，占物种总比例83.33%，软甲纲2目2科3种属，占比7.14%，腹足纲1目2科3种属，占比7.14%，蛭纲1种属，占比2.38%。
调查期间，各样点采集到的大型底栖动物分类单元数差别较大，其中三营镇、七营镇、马家河湾和入黄河口物种较为丰富。清水河底栖动物密度为4～112.5 ind./m2，平均密度41.45 ind./m2；其中水生昆虫类密度最高，为375 ind./m2，占总密度的90.5%，其次为软甲类，占比8.1%；蛭纲和腹足纲密度较低，分别为2 ind./m2和4 ind./m2。见图2。
清水河各点位底栖动物分布，见图3。
图3可知，清水河水生昆虫种类比例较多，种群出现频率前3名分别是划蝽科、龙虱科和水龟甲科，出现频率分别为90%、60%和50%，均为水生昆虫。划蝽科为第一优势种，耐污性较强，而敏感性物种，如蜉蝣目的扁蜉科仅出现在生态较好的清水河入黄口，其他采样点位没有发现。
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通过对各监测断面水质监测和实地调查，三营镇、七营镇、沙咀城和清水河干流入黄河口4个点位符合全部参考点选取的标准要求，确定为参考点，其余断面作为受损点。
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（1） 变异度分析。对20个参数在参考点中的平均值、标准差、最大值、最小值、极差、25%分位数和75%分位数进行比较，见表3，剔除数值范围变动太小或太大的参数，它们不适合用来建立B-IBI评价体系。
首先删除最大值过小的参数EPT分类单元数M2、蜉蝣目分类单元数M3。鞘翅目分类单元数M4、Shannon-Wiener多样性指数M6、EPT个体数百分比M7、蜉蝣目个体数百分比M8、半翅目个体数百分比M9、敏感类群分类单元数M11和ASPT指数M15，这些随干扰增加而减小的参数，其25%分位数、75%分位数变化很小，说明随着干扰增大，参数值基本不变，不能有效反映干扰对河流的影响，应剔除；Hilsenhoff生物指数（HBI）M13、科级耐污指数（FBI）M16随干扰增加而增大，随干扰增大，其25%分位数、75%分位数基本不变，故也应剔除。剩9个参数进入下一步判别能力分析。
（2） 判别能力分析。剩余9个候选参数参考点和受损点的箱体IQ重叠情况，见图4。
图4可知，M1、M5、M10、M12和M20等5个参数符合IQ≥2的情况，这说明参数在受损点和参考点之间差别显著，保留5个参数进行冗余度分析。
（3） 冗余度分析。对剩余参数开展Spearman相关分析的结果，见表4。M1和M12相关性显著，M1能反映更多信息，故剔除M12，保留M1。
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根据4个参数对干扰增大的响应，计算它们在所有样点中的95%分位数或5%分位数的值和最佳期望值，见表5，根据比值法计算采样点4个参数的分值，加和即得各断面的B-IBI值，见表6。
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以参考样点B-IBI值由高到低排序，计算所有点位95%分位数作为B-IBI的最佳期望值为2.83，按照等级划定标准表进行赋分，判断健康度，健康评估，见表6。
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对采样点B-IBI和环境因子进行Kolmogorov-Smirnov正态性检验，结果表明两者均满足正态分布。采用Pearson相关分析分析影响B-IBI的环境因子，见表7，清水河B-IBI指数仅与氟化物具有显著的相关性，而与pH、COD、流速、水温、电导率、透明度、溶解氧、氨氮和总磷等相关性并不显著，表明影响清水河B-IBI的主要环境因子为氟化物浓度。
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不同地区河流底质和环境状况不同，大型底栖动物群落组成也不同[25-26]，因此构建的B-IBI指标体系也各异。本研究通过箱线图及冗余度分析，选择了总分类单元数、半翅目分类单元数、最优类群个体数百分比和刮食者个体数百分比共4个核心参数构建了宁夏清水河B-IBI指标体系。清水河B-IBI值的箱线图分布，见图5，校验结果显示，参考点和受损点箱体无重叠，参照点的箱体基本落在健康、非常健康级别，受损点箱体落在亚健康、不健康和病态级别，这表明参照点的选取是有效的，本研究所建立的B-IBI评价体系适用于宁夏清水河健康评价。
从参考点的健康状态来看，1处非常健康，1处健康，另外2处为亚健康，在清水河评估的10个点位上，均为较好的状态。受损点马家河湾处为健康状态，该点位为健康状态主要是受底栖动物总分类单元数、最优类群个体数这2类核心参数的数值的影响，也表明应用底栖动物完整性指数评估清水河健康状态时，在参数的选取上还需要进一步地深入研究和优化。
通过对清水河进行评价，结果显示，宁夏清水河处于非常健康、健康、亚健康、不健康和病态水平的点位分别占总点位的10%、20%、20%、20%和30%。健康状况为“病态”的点位在二十里铺、永安路桥和河西镇河段，可能与二十里铺水质较差、永安路桥上游处有农田退水，水质变差有关。健康状况为“亚健康”“不健康”的点主要位于支流汇入口，为宁夏中部干旱风沙区，主要土地类型为裸地，存在的问题主要是自然栖息地破坏严重，植被退化，受人类干扰胁迫较大。健康水平较高的点位主要位于清水河北部入黄口，河流连通性较好，水质及生境较好，河道底质多为卵石和砾石，有利于水生昆虫附着生存。
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将B-IBI指数与环境因子进行Pearson相关性分析，结果表明，B-IBI与氟化物关联最强，而同时氟化物也是限制清水河受损点水质类别的主要参数。文献[27]研究表明，氟化物具有高度毒性，会对大型底栖动物群落组成和分布产生影响。通常水中氟化物浓度越高，表示人为扰动越强烈，B-IBI的分值就越低。因此，有效降低河流氟化物浓度，是当前恢复清水河生态健康的重点。
清水河部分区域地层岩石以高氟岩石为主，地下水流经时通过侵蚀作用使氟化物进入水体，后地下水补充地表水时就会使清水河含氟量较高[18]；另一方面，清水河流域地处干旱半干旱地带，水体蒸发作用强烈，氟化物被留在土壤中，加之人为活动如河岸带土地利用，农田开垦等导致清水河下垫面降低，河岸带植被稀疏，水土流失严重，大量氟化物进入水体，影响河流水质，并对水生生物产生不利影响[18]。受支流汇入产生的叠加效应，流域气候、地貌等因素，干流各采样点氟化物浓度不同[18]，对大型底栖动物影响也不同。氟化物可以通过摄食或皮肤接触进入底栖动物体内，并在其体内蓄积，使底栖动物生长缓慢、繁殖率降低，死亡率大大增加[27]。可见，进行水土流失控制与治理，优化河岸带状况能有效改善清水河底栖动物群落结构，维护和修复清水河生态健康。
基于B-IBI的宁夏清水河健康评估
Health assessment of Qingshui River in Ningxia city based on benthic index of biological integrity
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摘要: 为明确清水河健康状况和生态环境状况，探究适用于干旱半干旱区河流B-IBI体系，基于宁夏清水河10个采样点的大型底栖动物调查结果，构建了大型底栖动物完整性指数（B-IBI）评估清水河的河流健康状况，并结合水环境因子分析了清水河底栖动物完整性现状的影响要素。结果共采集到大型底栖动物42种属，隶属于3门4纲11目32科，以横纹划蝽为优势种。经过参数筛选，选取了对水环境变化较为敏感的4个参数-总分类单元数、半翅目分类单元数、最优类群个体数百分比和刮食者个体数百分比作为核心参数，评价清水河河流健康状况。相关性分析结果显示，氟化物浓度是影响底栖动物B-IBI的主要环境因子。建议维持清水河健康的主要任务是降低河流氟化物浓度，并进行流域水土流失治理，加快生态修复。
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关键词:
- 底栖动物完整性指数(B-IBI) /
- 清水河 /
- 宁夏 /
- 干旱半干旱区河流 /
- 氟化物
Abstract: In order to clarify the health status and ecological environment of Qingshui River and explore the benthic index of biological integrity (B-IBI) system applicable to rivers in arid and semi-arid areas, a macro benthic macrobenthos integrity index was constructed to evaluate the river health status based on the survey results of macro benthic macrobenthos in 10 sampling sites of Qingshui River in Ningxia. Considering the water environmental factors, the factors affecting the integrity of the benthic fauna were analyzed. A total of 42 species and genera of macrobenthos were collected in this survey, which belonging to 3 groups, 4 classes, 11 orders and 32 families. It was also found that the dominant species was Sigara substriata. Four metrics were selected to establish the B-IBI key parameters after a series of parameter selection, including the total number of taxa, the total number of Hemiptera taxa, percentage of dominant taxa, percentage of individual scrapers, which were sensitive to the changes in water environment. The results of correlation analysis showed that fluoride was the main environment affecting factor. It is suggested that the main task of maintaining the health of the river is to reduce the concentration of fluoride. And the water and soil erosion treatment and the ecological restoration are also needed to complete. -
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图 1 清水河大型底栖无脊椎动物采样点分布
Figure 1. Sampling sites of macrobenthos invertebrates in Qingshui River
图 2 底栖动物分类单元数及密度分布
Figure 2. Distribution of taxon number and density of macrobenthos invertebrates
图 3 各采样点大型底栖动物在科级别的分布
Figure 3. Distribution of macrobenthos in sampling sites in the family level
图 4 9个候选参数在参照点和受损点的箱线图
Figure 4. Box-plots of candidate metrics between reference and impaired sites for 9 candidate metrics
图 5 参考点与受损点B-IBI分值箱线
Figure 5. Box-plot of the B-IBI between reference and impaired sites
表 1 候选参数及其对干扰响应的方向
Table 1. Candidate metrics and their response to disturbance
参数编号 参数类型 参数 对干扰
增大的
响应M1 多样性和
丰富性总分类单元数 减小 M2 EPT分类单元数 减小 M3 蜉蝣目分类单元数 减小 M4 鞘翅目分类单元数 减小 M5
M6半翅目分类单元数
Shannon-Wiener多样性指数减小
减小M7 群落结构
组成EPT个体数百分比 减小 M8
M9蜉蝣目个体数百分比
半翅目个体数百分比减小
减小M10 最优类群个体数百分比 减小 M11 耐污能力 敏感类群分类单元数 减小 M12 耐污类群分类单元数 增大 M13 Hilsenhoff生物指数（HBI） 增大 M14 大型无脊椎动物敏感类群评估指数（BMWP指数） 减小 M15 ASPT指数 减小 M16 科级耐污指数（FBI） 增大 M17 功能摄食类群与生活型 粘附者分类单元数 减小 M18 粘附者个体数百分比 减小 M19 滤食者个体数百分比 增大 M20 刮食者个体数百分比 减小 
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表 2 河流健康等级划定标准
Table 2. River health assessment grading on B-IBI
健康等级 B-IBI得分 病态 （0～1.25] 不健康 （1.25～1.83] 亚健康 （1.83～1.94] 健康 （1.94～2.83] 非常健康 （＞2.83）
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表 3 候选参数变异度分析结果
Table 3. Variation results of candidate metrics
参数
编号平均值 标准差 最小值 最大值 极差 25%分
位数75%分
位数M1 9.75 3.96 5.00 16.00 11.00 8.00 10.75 M2 0.50 0.87 0.00 2.00 2.00 0.00 0.50 M3 0.25 0.43 0.00 1.00 1.00 0.00 0.25 M4 2.50 0.87 2.00 4.00 2.00 2.00 2.50 M5 2.75 1.92 0.00 5.00 5.00 1.50 4.25 M6 2.42 0.18 2.23 2.60 0.37 2.24 2.60 M7 2.06% 3.57% 0.00% 8.24% 8.24% 0.00% 2.06% M8 1.47% 2.55% 0.00% 5.88% 5.88% 0.00% 1.47% M9 36.15% 19.09% 14.29% 60.87% 46.58% 19.48% 51.39% M10 33.72% 17.94% 14.29% 56.52% 42.24% 17.21% 48.54% M11 1.25 1.09 0.00 3.00 3.00 0.75 1.50 M12 8.50 3.20 4.00 13.00 9.00 7.00 10.00 M13 4.95 0.50 4.34 5.45 1.11 4.51 5.44 M14 40.00 16.81 28.00 69.00 41.00 30.25 41.25 M15 4.66 0.59 4.00 5.60 1.60 4.32 4.85 M16 4.99 0.52 4.36 5.52 1.16 4.52 5.49 M17 0.75 0.83 0.00 2.00 2.00 0.00 1.25 M18 7.26% 10.23% 0.00% 24.71% 24.71% 0.00% 9.44% M19 5.49% 4.83% 0.00% 13.04% 13.04% 2.27% 7.67% M20 6.56% 5.08% 0.00% 14.29% 14.29% 4.41% 8.12%
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表 4 候选参数相关性分析结果
Table 4. Spearman correlation analysis of candidate metrics
参数 M1 M5 M10 M12 M20 M1 1.00 M5 0.77 1.00 M10 −0.18 −0.41 1.00 M12 0.97** 0.77 −0.24 1.00 M20 0.48 0.20 −0.48 0.56 1.00 注：**表示p<0.01。
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表 5 核心参数分位数计算结果
Table 5. Quantile calculation results of core metrics
参数编号 对干扰
的响应最大值 5%
分位数95%
分位数最佳
期望值M1 减小 16.00 2.35 12.85 12.85 M5 减小 5.00 0.00 4.55 4.55 M10 减小 100.00% 0.06 0.93 0.93 M20 减小 14.29% 0.00 0.11 0.11
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表 6 各断面B-IBI值和断面评估结果
Table 6. Grade for B-IBI of river health assessment
断面 断面类型 B-IBI 健康度 二十里铺村 受损点 0.53 病态 沈家河水库 受损点 1.77 不健康 三营镇 参考点 1.91 亚健康 七营镇 参考点 2.41 健康 李旺镇 受损点 1.29 不健康 马家河湾 受损点 2.03 健康 沙咀城 参考点 1.89 亚健康 永安路桥 受损点 1.07 病态 河西镇河段 受损点 1.16 病态 清水河干流入黄河口 参考点 3.17 非常健康
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表 7 B-IBI指数与水质指标Pearson相关关系
Table 7. Pearson correlation analysis between the B-IBI and environmental factors
水质指标 相关系数 水质指标 相关系数 pH −0.30 透明度 −0.40 COD −0.62 溶解氧 0.05 流速 0.34 氨氮 −0.41 水温 −0.25 氟化物 −0.72** 电导率 0.04 总磷 −0.12 注：**表示p<0.01，*表示p<0.05。
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