综述：京畿湾沿陆源污染梯度的宏观底栖生物群落响应与生态质量

本文推荐研究京畿湾（韩国黄海）宏观底栖群落对陆源污染的响应机制，通过多变量分析与生态指数（如AMBI、BPI、BHI等）评估沉积物污染物（Cu、Cd、PAHs等）及有机质（TOC/TN）对底栖生态质量的影响，提出整合多指标框架以提升半封闭海湾生态监测的准确性与管理效能。

　　

引言

沿海与河口生态系统全球范围内正面临日益加剧的人为压力，包括工业废水、城市径流和营养盐富集等。这些压力加速了沉积物中重金属、多环芳烃（PAHs）和过量有机物的积累，进而重塑了宏观底栖生物群落——这些群落被广泛用作生态系统健康的敏感指标。宏观底栖生物因其固着性、相对长寿且与沉积物密切关联的特性，长期作为生态质量的生物指示剂。其响应范围从敏感类群到高度耐受类群，为环境监测提供了坚实基础。然而，建立群落模式与特定压力因子（如重金属或持久性有毒物质PTSs）之间的明确联系仍具挑战性，因为共变的环境因素和物种特异性性状可能掩盖污染效应。

研究区域与方法

研究在韩国西海岸半封闭的京畿湾进行，该区域以大潮差、发育的潮滩和广泛的细颗粒沉积区为特征。季节性季风强迫和主要河流的淡水排放影响了盐度、沉积物粒度及有机质含量，形成了自然的空间异质性。同时，该海湾长期承受来自城市和工业排放、港口运营、疏浚和填海工程的人为压力。这些重叠影响创造了斑块状的环境条件，其中自然变异和人类影响共存。在此背景下，京畿湾为评估宏观底栖群落和生态指数如何响应多重压力梯度提供了重要场景。

研究基于距四个点源（两个污水处理厂WWTPs、一个港口和一个河流排放口）的距离梯度，设立了23个站点。宏观底栖生物和沉积物变量于2018年11月采样，使用Van Veen抓斗（0.1 m²）采集。沉积物进行了粒度组成（砂、粉砂、粘土）、分选性、总有机碳（TOC）、总氮（TN）、稳定同位素（δ¹³C、δ¹⁵N）以及污染物（包括PAHs、苯乙烯低聚物SOs、烷基酚APs和痕量金属如Cu、Zn、Cd）的分析。宏观底栖生物样品经1 mm筛网筛选，并用5%缓冲福尔马林溶液固定。在实验室中，生物被鉴定到种水平，计数并称重以获得湿生物量（g m^-2）。

数据分析包括群落结构的Bray-Curtis相似性矩阵、聚类分析、非度量多维尺度分析（NMDS）、BIOENV程序、基于距离的冗余分析（dbRDA）和Mantel检验。此外，进行了指示值（IndVal）分析以识别聚类组的指示物种。计算了多种生态指数，包括AZTI海洋生物指数（AMBI）、多变量AMBI（M-AMBI）、生态质量比率（EQR）、底栖污染指数（BPI）、底栖健康指数（BHI）、香农-威纳均匀度反函数（ISEP）以及香农-威纳多样性指数（H′）、Pielou均匀度指数（J′）、Margalef指数（R）和Simpson指数（D）。

结果

环境特征与污染物梯度

四个源区的沉积物性质存在差异。仁川内港具有最细的沉积物（粉砂72.7%，粘土13.4%）和最低的分选性（1.66 φ）。相反，近geomdan和Seunggi污水处理厂的沉积物较粗（砂分别为36.3%和35.6%）。有机质和同位素也呈现空间变异。仁川内港记录了最高的TOC和TN（TOC 1.65%，TN 0.14%），而汉河口、geomdan和Seunggi污水处理厂的TOC（0.68–0.94%）和TN（0.05–0.07%）较低。δ¹⁵N在geomdan和Seunggi较高（6.20‰；5.87‰），而δ¹³C在仁川内港和汉河口更偏负（-23.39‰；-23.38‰）。污染物同样显示对比。仁川内港的Cu、Zn和Cd最高（Cu 321.54 mg kg^-1；Zn 704.29 mg kg^-1；Cd 3.29 mg kg^-1），同时PAHs（平均484.17 ng g^-1）和SOs（422.99 ng g^-1）也较高。在Seunggi的离岸站点（D5–D6），PAHs较低但SOs高达668.24 ng g^-1。在geomdan和仁川内港，较细的沉积物、较高的TOC/TN和较大的金属负荷倾向于出现在更靠近排放点的位置；汉河断面未呈现单调模式。

宏观底栖群落结构

在23个站点共鉴定出186种宏观底栖生物。物种丰富度从1（A1；C1）到34（C7）不等，并通常随距各自排放点距离的增加而增加。平均物种丰富度在Seunggi污水处理厂断面最高（20.3 ± 5.5），在汉河断面最低（5.5 ± 2.9）。丰度遵循相同模式：A1的密度<50 ind. m^-2，而D4超过6000 ind. m^-2。港口外围站点C6和C7也支持高密度（分别为2580和3680 ind. m^-2），与高密度的Heteromastus filiformis相关。群落组成由两种机会性多毛类主导——Heteromastus filiformis（H. filiformis）和Capitella capitata（C. capitata）。H. filiformis广泛分布且常数量占优，而C. capitata在仁川内港内部达到峰值。

聚类分析

基于Bray-Curtis相似性的聚类分析在24%相似性截断处将23个站点分为四个主要簇群。位于仁川内港内部的站点C1–C3形成一个 distinct 簇群（Group IV），以高度简化的、由Capitella capitata主导的群落为特征（SIMPER贡献率70.41%）。其余簇群（Groups I–III）主要按H. filiformis区分。在50%相似性截断处，观察到四个主要簇群的进一步细分。NMDS也用于 delineate 具有相似物种组成的聚类站点。位于潜在污染源附近的站点形成具有相似物种组成的簇群。汉河流域和仁川内港内部的站点（A1–A4, C1–C3）形成 distinct 簇群，与其他站点分离。

生态指数

七个生态质量指数的汇总统计显示各站点间存在显著变异性。在所有站点中，C1的整体生态质量最低，多个指数包括AMBI、BPI和BHI达到其最小值（0.00–1.00）。相反，最高AMBI（3.33）出现在A2，最大BHI（100.00）出现在A1和A3。由于生物量不足，ISEP在A1和C1无法计算。总体而言，指数在各站点间显示 substantial 变异性。

讨论

宏观底栖生物与环境变量的关系

沉积物分选性和一部分污染物对宏观底栖群落结构的影响比单纯距潜在污染源的距离更强。BIOENV识别出五个变量——分选性、铜（Cu）、锂（Li）、镉（Cd）和多环芳烃（PAHs）——最能匹配京畿湾底栖生物 dissimilarity 模式。dbRDA解析出两个主轴。轴1解释了 constrained 变异的最大份额，与盐度、SOs、δ¹³C、δ¹⁵N和距候选源的距离对齐。这些变量 encapsulate 海湾尺度的水团特性、有机物来源和混合的陆源-人为输入梯度。轴2更清晰地反映了污染梯度，强烈加载于分选性、金属和有机污染物（PAHs、TOC、TN、SOs）。值得注意的是，复合金属负荷有效地在排序空间中分离了Group IV；使用该 aggregate 变量捕捉了金属的累积影响，同时限制了多重共线性。

跨断面，污染物浓度与群落组成的相关性比地理距离更强，强调 proximity alone 无法解释观察到的生物梯度。一些具有 elevated PAHs或Cu的离岸站点仍然支持简化的、机会种主导的群落，而一些近源站点污染物水平相对 modest 却维持了更多样化的动物区系——突出了局部地球化学和沉积物性质相对于基于距离的 metrics 的首要地位。PAHs的关键作用与先前将其高负担与降低的丰富度和向耐受类群转变联系起来的工作一致。在个体污染物中，Cu和PAHs尤其有影响力。两者都能引发底栖生物的致死和亚致死响应。Cu在一些站点达到321.54 mg kg^-1——超过了效应范围中值（ERM）指南（270 mg kg^-1），这意味着 high 概率的生物学效应——而平均ΣPAHs远低于效应范围低值（ERL）（484.17 ng g^-1 vs 4022 ng g^-1），表明仅PAHs的急性毒性不太可能。即便如此，PAHs可能与金属和有机富集相结合， contribute 于累积的、亚致死压力。C. capitata在相对污染站点的频繁主导强化了其对于多压力环境诊断价值。

虽然本研究中观察到的TOC和TN浓度（最大TOC 1.65%）可能不代表严重的有机污染，特别是考虑到缺乏普遍接受的阈值，但它们与C. capitata的统计关联表明生态相关性。一些研究表明，TOC水平超过2%可以指示河口沉积物中的中度至高度有机富集，尽管此类阈值因地区而异。尽管如此，TOC、TN与C. capitata主导地位之间一致的统计关联表明生态相关性。这些模式与群落对慢性低水平富集结合金属污染的响应一致，共同可能导致底栖群落结构的转变。

相比之下，Ruditapes philippinarum（菲律宾蛤仔）的出现与较粗的沉积物粒度和δ¹³C最密切相关，表明其对更稳定、海洋主导、有机富集有限的栖息地的偏好。该物种的分布作为机会性类群的对立面，并突出了基质组成在构建双壳类种群中的重要性。

指示物种

IndVal分析识别出14个候选分类单元，其中4个多毛类物种达到统计显著性（p < 0.05），被认为是相应聚类组的正式指示物种。此外，其他分类单元如双壳类Ruditapes philippinarum和Holothuroidea未达到统计显著性，但仍作为特征物种保留在讨论中。R. philippinarum，尽管仅限于站点B2，但作为与沙质沉积物和相对较低有机富集相关的具有商业和生态重要性的双壳类，具有生态意义，为与机会性多毛类如C. capitata提供了有用的对比。类似地，Holothuroidea在其组内表现出最高的IndVal分数，尽管p值不显著，因此可以解释为反映栖息地特异性而非正式统计指示的代表性分类单元。 together，这些分类单元说明了统计显著的指示物种和栖息地相关的特征物种如何共同促进理解京畿湾斑块污染梯度下的底栖响应。Capitella capitata被确定为仁川港内部站点（group IV）最重要的指示物种，具有最高的IndVal分数和强大的统计支持。该物种被广泛认为是耐污染分类单元，通常与有机丰富和金属污染的沉积物相关。

多毛类H. filiformis广泛出现在Groups I–III，反映了在广泛条件范围内的耐受性但低排他性；因此，它更好地被视为指示中度干扰而非严重污染。一致地，没有单一环境驱动因子与H. filiformis独特相关。Glycera sp.主要局限于Groups I和IV之外的站点，并出现在污染物负荷相对较低的地方，与报道的对有机/金属压力的敏感性一致。尽管R. philippinarum在Table 2中作为Group I候选出现，但其IndVal不显著，且其空间出现有限。因此，我们将R. philippinarum解释为与较粗粒度和较少耗尽的δ¹³C相关的栖息地相关分类单元，而非正式指示物种。总之，这些物种水平模式强调了将耐受多毛类（如C. capitata）与更敏感的双壳类（如R. philippinarum）配对的诊断效用，以标记可能被化学 alone 遗漏的潜在热点，特别是在半封闭海湾，其中受限的冲洗创造了微栖息地的 mosaic。然而，指示物种评估应与定量污染物数据和季节性复制相结合，以区分慢性和 episodic 压力，并解释生活史驱动的变异性。

尽管Holothuroidea sp.1在IndVal分析中未被识别为统计显著的指示物种，但它在50%相似性截断处作为区分亚组II-a和II-b的分类单元出现。在亚组II-a中，该物种占组内相似性的三分之一。在本数据集中，Holothuroidea sp.1与粒度相关，表明潜在的栖息地偏好，但需要进一步研究以阐明其在宏观底栖群落中的生态作用。在Group III中，Glycera sp.在亚组III-f和III-c中分别贡献了组内相似性的19.25%和2.30%。然而，未观察到与测量的环境变量的清晰相关性，突出了需要额外研究以更好地理解其分布驱动因子。这一发现表明，一些IndVal显著性有限的分类单元仍然可以在更细的阈值下构建群落相似性，强化了互补方法（IndVal vs. SIMPER）在识别生态相关物种中的价值。

在50%相似性截断处，我们应用SIMPER分析与IndVal一起进一步检查亚组分化。这种组合方法提供了群落结构的更全面视图，并突出了在更细阈值下重要贡献的物种。在Group IV中， contrasting 群落可能归因于污染物水平和沉积条件的差异。站点C1和C2的Cu和PAHs浓度升高可能创造了只有高度耐受分类单元如C. capitata才能 persist 的环境。尽管如此，干扰强度和污染物保留的细微变异 assumed 解释了站点间 differential 物种出现，导致Group IV在50%截断处的进一步细分。结果，出现了一组物种，可以被认为对于解释复杂环境梯度下的指示值和群落结构很重要。

生态指数的整合解释

生态质量的多指标评估揭示了站点间 pronounced 不一致性，表明没有单一生物指数能捕捉河口-海岸环境中底栖响应的全部复杂性。香农-威纳指数（H′）产生了最保守的评级——由机会种主导但仍保持中等多样性的站点通常被评定为“差”或“极差”。相比之下，AMBI及其多指标扩展M-AMBI（根据污染耐受性对分类单元进行加权）经常将相同站点分类为“中等”至“良好”。这些分歧源于设计原则：多样性指标主要响应丰富度/均匀度，而AMBI型指数纳入物种特异性耐受分数。

相关性模式强化了这些对比。H′与TOC强烈相关，反映了对一般有机富集的敏感性，而EQR和底栖健康指数（BHI）与内港站点的PTSs紧密关联。因此，基于指数的等级因簇群而异：内港站点倾向于被H′降级，但根据AMBI/BHI仍保持在“中等-良好”范围内。此类差异主张进行情境化解释，并在适当情况下进行区域性阈值重新校准，以更好地反映局部沉积和污染物状况。

总之，我们的结果支持一个复合的、交叉验证的框架，该框架融合了基于多样性的指标和耐受性加权分数。这种整合可以检测丰富度/均匀度的逐渐变化（有机富集的早期警告）以及由毒物引发的 abrupt、分类单元特异性崩溃。此外，指数间差异的方向和幅度提供了一个诊断指纹——当H′下降但AMBI/BHI保持中等时指向扩散有机负荷，而当所有指数下降时指向复合毒性压力。因此，对于京畿湾的区域监测，我们建议采用互补的指数套件，将阈值校准到局部沉积物-污染物情境，并将收敛/发散指数信号解释为 underlying 污染梯度的证据基础指纹——这些步骤共同提供了比任何单一指标所能实现的更细致和可靠的底栖生态系统健康评估。

结论

京畿湾的宏观底栖群落结构由沉积物分选性和污染物负荷的复合梯度而非仅距排放点的距离所主导。机会性分类单元——尤其是Heteromastus filiformis和Capitella capitata——在有机质和金属升高的地方最为丰富。BIOENV和dbRDA收敛于分选性、Cu、Cd、PAHs和TOC作为 assemblage 模式的主要驱动因子，并且C. capitata显示出与δ¹⁵N、TN、TOC、PAHs和Cu的强正相关，强调了其作为多压力暴露哨兵的价值。

基于七个指数（AMBI、BPI、H′、M-AMBI、EQR、BHI、ISEP）的生态状况评估揭示了指标间的 substantial 分歧。基于多样性的H′追踪一般有机富集，而EQR和BHI更紧密地与PTSs对齐，突出了依赖任何单一指数时误分类的风险。这些结果支持一个整合的、局部校准的框架，该框架结合了物种水平信号、互补指数和 targeted 污染物分析。这种方法产生了压力的早期警告“指纹”，改进了站点尺度诊断和修复优先排序，并可转移到具有斑块污染历史的其他半封闭海湾。展望未来，季节性复制和原位毒性测试将有助于在 evolving 气候和污染状况下完善区域指数阈值。