应用生物完整性指数评价水生态系统健康的研究进展

生物完整性指数(IBI)法是评价水生态系统健康的一种重要且被广泛应用的方法.本文综述了生物完整性指数的指示物种选择原因、构建方法以及在水生态系统健康评价中的应用,并总结了现阶段生态系统评估常用的鱼类完整性指数(F-IBI)、底栖无脊椎动物完整性指数(B-IBI)和着生藻类完整性指数(P-IBI)中候选生物状况参数指标,提出了使用微生物完整性指数(M-IBI)评价水生态系统健康的可行性和必要性.     

底栖硅藻应用于河流生态系统健康评价的研究进展

硅藻是水生态系统中最重要的初级生产者之一, 不仅为生态系统中其他消费者提供碳源, 也因分布广泛、种类多、世代时间短等特点, 通常被认为是水环境及生态系统良好的指示生物。文章介绍了河流生态系统健康及生物完整性的概念, 综述了硅藻尤其是底栖硅藻在水生态系统中的自身特点及作用; 概述了硅藻在生物监测中广泛应用的前提: 对环境因子的响应和国内外对硅藻及硅藻指数在河流生态监测中的研究进展; 介绍了广泛应用的硅藻指数及基于硅藻的生物完整性指数的原理及构建方法; 指出了硅藻及硅藻指数在生物监测及评价中可能所存在的问题, 并提出了今后我国在这个领域后期需开展的工作。     

基于附石藻类生物完整性指数对汝溪河水生态系统健康的评价

以三峡库区支流-汝溪河自然河段为研究区域，调查了自然河段内9个样点的附石藻类群落和水环境理化特征，并在此基础上应用生物完整性评价指数（Index of Biotic Integrity，IBI），对汝溪河水生态系统进行健康评价。结果表明，汝溪河自然河段附石藻类群落结构具有明显的空间和时间异质性，驱动附石藻类群落结构形成的水环境因子为电导率、浊度、硝态氮和溶解氧。IBI结果表明，上游生物完整性较高；中下游和下游生物完整性较差；枯水期生物完整性较高，而平水期和丰水期生物完整性较低。由此可见，汝溪河自然河段生物完整性一般，表明汝溪河水生态系统已处于亚健康程度。     

基于浮游植物生物完整性指数的湖泊生态系统评价——以2012年冬季太湖为例

依据2012年12月对太湖29个样点和同一地理区划4个湖、库的浮游植物和环境变量的监测结果,应用生物完整性理论和方法,构建冬季太湖浮游植物生物完整性指数,评价冬季太湖水生态健康质量。采用干扰程度最小系统法定义筛选确定参照点,对51个候选参数进行分布范围筛选、判别能力分析、参数间相关性分析,获得了太湖枯水期P-IBI指数的6个构成参数:总分类单元数、硅藻门分类单元%、细胞Simpson指数、细胞密度、硅藻门细胞密度%和绿藻门个体密度%。采用比值法统一各参数的量纲,累加后得到枯水期太湖P-IBI分值,并划分健康评价标准。应用P-IBI对冬季太湖水生态进行评价,8个参照点中1个点位评价结果为健康其余7个为亚健康;25个受损点中,2个点位为亚健康,9个点位为一般,12个点位为差,2个点位为极差。太湖总体受到了不同程度的人为干扰,东太湖湖区水生态状况最好,评价结果多为亚健康或一般;竺山湖、贡湖、东部沿岸和西部沿岸次之;南部沿岸和湖心区最差,湖心区有2个点位评价结果为极差。与冬季太湖P-IBI指数显著相关的水化学因子是氨氮和总磷含量。     

基于底栖生物完整性指数的赣江流域河流健康评价

底栖生物完整性指数(B-IBI)是最为广泛应用的水生态系统健康评价指数之一。根据2009—2010年期间赣江流域60个采样点的底栖动物数据(15个参照点,45个受损点),对17个生物参数进行分布范围、判别能力和Pearson相关性分析,确定了B-IBI指数体系由总分类单元数、甲壳和软体动物分类单元数、甲壳和软体动物%和BI指数构成。采用比值法统一各生物参数量纲,将各个生物参数分值加和得到B-IBI指数值。根据参照点的B-IBI值的25%分位数值最终确定赣江流域河流健康评价标准。评价结果表明,赣江流域60个采样点中19个为健康,19个为亚健康,14个为一般,8个较差。综合来看,赣江流域河流处于健康-亚健康状态:上游各支流中绵水、贡江、上犹江和桃江为健康状态,章水、濂水、梅江和平江为较差状态;中游各支流健康评价结果多为健康-亚健康状态,而乌江为较差状态;下游各支流为健康-亚健康状态;赣江干流上健康评价的结果均为健康。     

基于着生藻类的太子河流域水生态系统健康评价

本研究以辽宁省太子河流域为研究范例,调查了全流域范围内69个样点的着生藻类群落和水环境理化特征,并在此基础上应用硅藻生物评价指数(DBI)和生物完整性评价指数(P-IBI),同时结合栖息地环境质量评价指数(QHEI),对太子河流域水生态系统进行健康评价。结果表明,太子河流域着生藻类群落结构具有明显的空间异质性,CCA结果显示驱动着生藻类群落结构形成的水环境因子为电导率、总溶解固体和总氮。虽然DBI、P-IBI和QHEI在太子河流域某些河段上的评价结果有较大出入,但从全流域尺度上看,DBI、P-IBI和QHEI的评价结果基本一致,表现为太子河上游健康状况较好,中游健康状况一般,而下游健康状况较差。文中讨论了水环境理化因子与着生藻类群落结构的相互关系,并对比分析了DBI、P-IBI和QHEI这三种河流健康评价方法。     

渭河丰、枯水期底栖动物群落特征及综合健康评价

以渭河为研究范例,分别于丰水期(2011年10月)和枯水期(2012年4月)对渭河全流域范围内45个样点的底栖动物群落进行跟踪调查,并在此基础上应用丰、枯水期底栖动物生物完整性评价指数(B-IBI)对渭河流域水生态系统进行综合健康评价。结果表明,渭河流域底栖动物群落结构具有明显的空间异质性,枯水期底栖动物群落结构单一,物种数量、生物量和香农多样性明显少于丰水期,但单位密度差异不显著。综合健康评价结果表明,渭河上游、洛河中上游地区的健康状况较好,而渭河中下游、泾河全流域及洛河下游地区的健康状况较差。相关分析显示,渭河全流域范围内丰水期和枯水期底栖动物群落的B-IBI得分呈现明显的正相关性,表明在不同水文过程时期,渭河全流域大尺度范围内底栖动物群落的生物完整性特征较为一致。在河流丰、枯水期,底栖动物群落结构的变化趋势并对比分析了渭河流域不同区域水生态系统健康水平差异的原因。     

着生藻类和浮游藻类在三峡库区河流健康评价中的适宜性比较研究

藻类对水体环境变化敏感,其种类和数量与环境因素有密切联系并因环境的变化而发生变化,因此藻类常作为河流健康评价的指示生物。水体中的藻类根据生活习性不同分为着生藻类和浮游藻类,在河流健康评价中,以往的工作中有的采用浮游藻类用于河流健康评价,有的采用着生藻类用于评价,但浮游藻类和着生藻类究竟何者用于河流健康评价更适宜,抑或是二者在用于评价的适宜性上没有明显差别,迄今为止未开展过深入研究。选择三峡库区内的两条河流嘉陵江和乌江作为研究对象,于2015年9月,在两条河流上共布设11个研究断面,对嘉陵江、乌江的水环境理化因子、着生藻类和浮游藻类群落进行调查研究,应用着生藻类生物完整性指数(Periphytic algal index of biological integrity,Pe-IBI)和浮游藻类生物完整性指数(Phytoplankton index of biological integrity,Ph-IBI),并结合水体综合污染指数(Comprehensive pollution index,CPI),对嘉陵江、乌江的健康状况进行评价。研究结果表明,采用着生藻类生物完整性评价(Pe-IBI)能筛选出7个核心生物参数(藻类总分类单元数、蓝藻总分类单元数、绿藻总分类单元数、菱形藻比例、优势分类单元比例、香农多样性指数、均匀度)用于河流健康评价,着生藻类生物完整性指数(Pe-IBI)与水体综合污染指数(CPI)具有极显著的负相关关系,并且与水体中总氮、铅含量也有极显著的负相关关系,表明水环境质量越低则着生藻类的生物完整性越差;当采用浮游藻类生物完整性(Ph-IBI)用于河流健康评价时却只能筛选出1个核心生物参数(藻类密度),而且浮游藻类生物完整性指数(Ph-IBI)与水体综合污染指数(CPI)及12个水体环境指标并无明显的相关性。本研究表明,在河流水体中,与浮游藻类相比,着生藻类更能反映水体环境的状况,对河流水体环境的反映更为准确。因此,在以流动水体为特征的河流的健康评价中,采用着生藻类比采用浮游藻类更为适宜。     

浑河水系着生藻类的群落结构与生物完整性

以辽宁省浑河水系为研究范例,调查了全流域范围内62个样点的着生藻类群落和水环境理化特征,并应用着生藻类生物完整性评价指数(P-IBI),结合栖息地环境质量评价指数(QHEI),对浑河流域水生态系统进行健康评价.结果表明:浑河水系着生藻类群落结构具有明显的空间异质性,浑河水系的采样点可划分为4组(Group),不同组间的着生藻类群落结构、物种多度、密度和香农多样性指数均存在明显差异.典范对应分析(CCA)结果显示,驱动浑河着生藻类群落结构形成的水环境因子为铵氮( NH4+-N)和活性磷(PO43--P).P-IBI和QHEI在浑河水系某些河段上的评价结果有较大出入,但从全流域尺度上看,P-IBI和QHEI的评价结果基本一致,表现为浑河上游的苏子河健康状况较好,而上游的浑河以及中下游的浑河干流健康状况较差.     

国家公园生态系统完整性评价研究进展

建立国家公园可促进生态环境和生物多样性的保护, 而国家公园生态系统完整性评价对于维持生态系统平衡、生态系统健康、生物多样性以及典型生态系统的完整性具有重要意义。本文介绍了生物完整性指数评价体系(Index of Biotic Integrity, IBI)、三级法评估框架(Three Level Approach, TLA)和生态系统完整性评估框架(Ecosystem Integrity Assessment Framework, EIAF)三种国家公园生态系统完整性评价方法, 其中生物完整性指数评价体系基于高强度的野外调查和室内实验分析, 虽然花费大、耗时长以及生物鉴定专业性要求较高, 但评价结果准确可靠; 三级法评估框架分为三个级别, 即远程型评价(Remote Assessment)、快速型评价(Rapid Assessment)和密集型评价(Intensive Assessment), 在评价独立且较为复杂的生态系统完整性时具有极大的灵活性; 生态系统完整性评估框架吸取了生物完整性指数评价体系和三级法评估框架的优点, 扩充了评价体系的指标, 优化了生态系统完整性评价计分统计方法, 是目前最为成熟的评价方法之一。同时,本文也探讨了目前国家公园生态系统完整性评价研究中存在的一些问题,如评价指标不全、评价形式单一和评价方法主观性较强等。作者指出, 国家公园生态系统完整性的研究需要注重自然-经济-社会的结合与统一, 加强社会经济可持续发展与人类健康等方面的研究, 挖掘外来入侵物种与生态环境之间的关系, 继续寻找能够反映生态系统完整性状态和变化趋势的新的指示物种, 进而制定统一标准的评价方法体系。     

The use of fish in ecological assessments

Abstract Fish provide powerful tools for assessing aquatic environments. Three attributes are especially significant: the sensitivity of fish to most forms of human disturbance, their usefulness at all levels of biological organization and the favourable benefit-to-cost ratio offish assessment programmes. Fish can be used as indicators over wide temporal and spatial ranges. Because they cover all trophic levels of consumer ecology, fish can effectively integrate the whole range of ecological processes in waterways. Fish have been used in many different roles for assessing river health and monitoring responses to remedial management. Three of these applications appear to have particular value for management of Australian rivers: (i) automated systems monitoring fish ventilation can provide sensitive, broad-spectrum and continuous sensing of water quality to protect receiving waters or water-supply intakes; (ii) programmes collecting routine data on commercial or recreational fisheries can be designed and analysed so as to isolate confounding effects due to fishery-specific factors and, hence, used to detect and monitor environmental change on large scales; (iii) the Index of Biotic Integrity (IBI) can be modified to suit Australian conditions and fish communities to meet the important need for a predictive model of aquatic environmental quality. The IBI is a quantitative biological tool with a strong ecological foundation that integrates attributes from several levels of ecosystem organization. Examples of the use of IBI elsewhere suggest its robustness, flexibility and sensitivity can cope effectively with the low diversity of the Australian fish fauna and the dominance of ecological generalists. A provisional structure is suggested for a test of the IBI in four riverine regions of New South Wales.     

适应白洋淀湿地健康评价的IBI方法

IBI指数法是美国湿地生态系统健康评价的常用方法之一,在国内应用较少,目前为止只有少数学者尝试了底栖动物完整性指数(B-IBI)和鱼类完整性指数进行河流生态系统健康评价。试图建立适合白洋淀地区的生物完整性指数湿地健康状况评价的方法。在白洋淀的23个淀区进行土壤、水体、植物的实地调查与采样分析。根据已有研究所选择的植物属性,选择了30个植物属性作为备选参数。通过考察备选参数与人类干扰的相关性,最后确定了9个对人类干扰敏感的IBI参数。通过分析,建立了适合白洋淀湿地健康评价的标准:IBI,35-45,好;27-34,一般;19-26,差;＜18,极差。评价结果表明,白洋淀23个淀区中,6个健康状况好,5个一般,7个差,5个很差。     

Development of a preliminary index of biotic integrity (IBI) based on fish assemblages to assess ecosystem condition in the lakes of central Mexico

The lakes of central Mexico have great cultural, economic, and biological value, but they are being degraded at an accelerating rate. We employed historical data on fish communities from 19 of these lakes and case studies of community responses to environmental degradation from four of the best-studied, Xochimilco, Cuitzeo, Chapala, and Pátzcuaro, to construct a preliminary index of biotic integrity (IBI). This IBI was designed to be an easily applied method for assessing lake ecosystem health and evaluating restoration efforts. The IBI had 10 metrics: number of total native species, number of common native species, number of native Goodeidae species, number of native Chirostoma species, number of native sensitive species, percent of biomass as tolerant species, percent of biomass as exotic species, percent of biomass as native carnivorous species, maximum standard length of native species, and percent of exotic invertebrate parasite species on or in native fishes. Initial applications of the index showed promise, accurately ranking the relative degradation of the four case-study lakes. Further tests of the index are warranted, and more data are needed to standardize sampling procedures, improve species classifications, and refine metric scoring criteria.     

广西河池地区河流基于鱼类的生物完整性指数筛选及其环境质量评估

为促进生物完整性评价法在中国的应用,加强珠江上游广西河池地区河流环境质量监测,该研究以鱼类为研究对象,初步构建了包含21个指标在内的广西河池地区河流基于鱼类的生物完整性评价的指标体系。根据鱼类调查所收集数据,结合历史资料的记录,对这些指标进行筛选和赋值,最终确立了6个指标,用于建立适合广西河池地区河流的基于鱼类的生物完整性指标体系;应用此指标体系对该地区部分河流(河段)进行了评价。评价的结果表明,小环江鱼类完整性为好;红水河、龙江和大环江为一般;刁江为极差。评价的结果与河流受人为干扰的实际情况相吻合,研究构建的评价体系可供河池周边地区使用和借鉴。生物完整性评价是水域环境质量监测的重要手段,为使生物完整性评价更加科学和客观,应加强生物完整性与环境因子之间关系的研究。     

Assessment of an index of biological integrity (IBI) to quantify the quality of two tributaries of river Chenab,Sialkot, Pakistan

Nullah Aik and Nullah Palkhu, two tributaries of river Chenab, were investigated for the assessment of fish habitat degradation as indicator of stream health. Fish abundance data were collected from 18 sites from September 2004 to April 2006 to develop multimetric indices for fish assemblage integrity and to detect the intensity of habitat degradation. A total of 12 metrics were calculated on the basis of taxonomic richness, habitat preference, trophic guild, stress tolerance and origin of species to develop stepped and continuous index of biological integrity (IBI) criteria. Cluster analysis (CA) classified sites based on species composition into three groups, viz., reference, moderately impaired and impaired groups. Non-metric multidimensional scaling (NMDS) was applied to identify underlying ecological gradient to highlight the habitat degradation. NMDS segregated two sites as less impaired, five sites as moderately impaired and eleven sites as impaired groups. Axes 1 and 2 explained a total variation of 53.3%. First axis explained the level of habitat impairment, whereas axis 2 indicated species richness along longitudinal gradient of streams. Sites located upstream of Nullah Aik showed higher IBI scores which dropped to its lowest in downstream sites near Sialkot city. Lowest values of IBI of sites in close proximity of city indicated the role of anthropogenic activities in catchment areas. The results indicated that variability in water chemistry can be related as a function of stream sites impairments (i.e., unimpaired, moderately impaired, and severely impaired). Water quality parameters showed strong correlation with IBI scores. Significantly negative correlation of IBI scores with COD, TDS, turbidity, Fe, Cr, Zn and positive correlation with DO and pH was found. The results can be used for restoration and future management of small streams passing through urban areas of Pakistan. Electronic supplementary material  The online version of this article (doi:) contains supplementary material, which is available to authorized users. Handling editor: J. A. Cambray     

生态系统完整性内涵及评价方法研究综述

生态系统完整性是资源管理和环境保护中一个重要的概念.它主要反映生态系统在外来干扰下维持自然状态、稳定性和自组织能力的程度.评价生态系统完整性对于保护敏感自然生态系统免受人类干扰的影响有着重要的意义.耗散结构理论表明,外界压力和反映系统自组织能力的生物、物理、化学完整性和生态系统功能等对生态系统的完整性有良好的指示作用.本文综述了水生生态系统和陆地生态系统完整性及其所承受的压力评价指标,并探讨了优先评价指标的筛选及综合评价方法,最后根据存在的一些问题提出今后的研究展望.