《Biology》：Application of an Index Based on Aquatic Insect Biotic Integrity for River Ecosystem Health Assessment in Haihe River Basin, China
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摘要：作为淡水生态系统的关键生物组分，水生昆虫对累积性人为干扰高度敏感，能够有效反映河流生态质量的长期变化，是水生态监测与评价的理想指示生物。然而，现有底栖生物完整性指数大多整合了多种大型底栖动物类群，稀释了水生昆虫群落独特的指示价值，且针对中国北方高扰动平原
摘要：作为淡水生态系统的关键生物组分，水生昆虫对累积性人为干扰高度敏感，能够有效反映河流生态质量的长期变化，是水生态监测与评价的理想指示生物。然而，现有底栖生物完整性指数大多整合了多种大型底栖动物类群，稀释了水生昆虫群落独特的指示价值，且针对中国北方高扰动平原河流盆地独立开发的靶向评价体系鲜有报道。本研究于2023年4月至9月在海河流域32个采样点开展了水生昆虫群落野外调查，旨在构建新型水生昆虫生物完整性指数（Aquatic Insect-based Index of Biotic Integrity, Ai-IBI），并系统评价该流域的河流生态系统健康状况。共鉴定水生昆虫个体10,267个，隶属于8目43科，其中摇蚊科（Chironomidae）在群落中占优势，主要分布于中下游河段。基于生态学原理、判别能力分析和冗余分析，最终筛选出4个核心指标建立Ai-IBI体系，包括总分类单元数、前三位优势分类单元百分比、耐污类群密度和捕食者百分比。考虑到海河流域普遍存在的背景生态退化，研究采用整合水质标准、物理栖息地评估和野外生态调查的局部化参考位点筛选框架，确定了8个最小干扰参考位点，有效提高了评价模型的区域适用性。健康评价结果表明，仅小部分河段维持健康状态，多数位点处于亚健康或一般状态，呈现明显的空间分异格局，即上游山区河段的生态完整性优于下游平原河段。所构建的Ai-IBI与常规理化指标和栖息地评价结果具有高度一致性，验证了其优异的可靠性和稳健性。不同于适用于近自然流域的传统经验性IBI模型，Ai-IBI充分适应海河流域长期水资源过度开发、城市化驱动的栖息地破碎化和营养盐富集等独特生态背景。本研究所开发的Ai-IBI为河流生态退化的定量诊断提供了精细化生物评价工具，为海河流域差异化生态保护和精准修复策略提供了实证支持，并可为全球其他人类主导的平原河流盆地的生态健康评价提供可行的方法学参考。
海河流域水生昆虫生物完整性指数构建与河流生态系统健康评价——论文解读
一、研究背景与科学问题
淡水生态系统正面临城市化、水资源过度开发、工业污染和土地利用变化等多重人为胁迫的复合影响。传统的理化监测仅能反映采样时刻的水环境状况，难以捕捉间歇性污染事件或累积性生态变化；物理栖息地评价虽可量化河流结构特征，但无法综合体现生物群落对长期环境压力的响应。生物监测因底栖生物固着生活的特性，能够反映生态系统在较长时间尺度上的综合状况，成为河流健康评价的重要补充。水生昆虫作为淡水生态系统的重要生物组分，其幼体生活于河底，对水环境污染、水文改变和栖息地退化高度敏感，尤其EPT类群（蜉蝣目、襀翅目、毛翅目）被视为清洁水体的指示生物，而摇蚊科等类群可在污染环境中大量繁殖。然而，现有底栖生物完整性指数（B-IBI）通常整合多种大型底栖动物类群，稀释了水生昆虫独特的分类学、功能群和耐污性指示信号，难以精确捕捉水生昆虫群落反映的细微人为干扰梯度。海河流域是中国北方典型的缺水平原流域，长期水资源过度开发、城市化导致栖息地破碎化、水体富营养化等背景生态退化普遍存在，几乎不存在完全未受干扰的河段，传统基于近自然条件的参考位点选取标准在该区域难以适用。因此，亟需构建一套独立针对水生昆虫的完整性指数，以实现高扰动平原河流生态退化的精细化诊断，并为类似流域提供方法学参考。
二、研究内容与主要结论
研究人员于2023年4月至9月在海河流域32个河流位点开展水生昆虫群落野外调查，共采集水生昆虫个体10,267个，隶属8目43科133种。群落组成以双翅目摇蚊科占绝对优势（丰度占比超过50%），主要分布于中下游河段；分类单元丰富度范围3～23，EPT分类单元数仅0～8，平原河段普遍较低；密度范围23～1693 ind./m2，Shannon–Wiener多样性指数0.77～3.62。基于生态学原理，研究人员初选26个候选生物指标，经箱线图判别能力分析（比较参考位点与受损位点四分位距和中位数重叠程度）筛选出5个具有环境压力判别能力的指标，进一步通过冗余分析剔除相关性过强的冗余指标，最终确定4个核心指标构建水生昆虫生物完整性指数（Ai-IBI）：总分类单元数（M1）、前三位优势分类单元百分比（M12）、耐污类群密度（M17）和捕食者百分比（M26）。参考位点选取采用了整合水质标准（优于II类）、物理栖息地评分（>120分）、人为干扰程度和河岸土地利用状况的局部化筛选框架，共确定8个最小干扰参考位点，其余24个为受损位点。采用比值评分法将各指标原始值转换为0～100分，求和得到Ai-IBI值，并划分健康状态等级。评价结果显示：4个位点处于健康状态，10个亚健康，11个一般，5个较差，2个极差。空间格局上，上游山区河段生态状况显著优于下游平原河段。该研究得出结论：海河流域河流生态系统健康呈现显著空间异质性，山区上游河段因水文情势和河岸栖息地保存较好、人为干扰强度较低，维持较高的生态完整性；下游平原河段因城市化密集、农业灌溉和工业活动集中，导致径流减少、栖息地破碎化、富营养化和污染物累积，敏感指示物种衰退，群落结构简化，生态系统稳定性下降。Ai-IBI评价结果与传统理化指标及栖息地评价结果高度一致，验证了该指数的可靠性和稳健性。该研究为海河流域差异化生态保护与精准修复策略提供了实证支持，并为全球其他人类主导的平原河流盆地的生态健康评价提供了可行的方法学参考。
三、主要关键技术方法
该研究采用了以下关键技术方法：（1）野外采样方法：在可涉水河流使用踢网法（孔径425 μm）和索伯网法（孔径425 μm），在不可涉水河流使用彼得逊采泥器法（面积0.0625 m2），所有采样统一在白天8:30–15:00进行，每个位点采样100 m河段，按微生境类型（浅滩、深潭、植被边缘）比例分配采样努力量，3次重复样品合并为1个复合样品。（2）样本处理与鉴定：样品用75%乙醇保存，在蔡司Imager M2显微镜和尼康SMZ25体视显微镜下进行系统分类鉴定，尽可能鉴定到最低分类水平。（3）参考位点确定：依据中国地表水环境质量标准（水质优于II类）、综合栖息地评价指数（>120分）、人为干扰最小、河岸非耕地等条件，从32个位点中筛选出8个最小干扰参考位点。（4）指标筛选：采用箱线图判别能力分析法（四分位距≥2视为具判别能力）和冗余分析（Spearman相关系数|r|<0.75保留）筛选核心指标。（5）指数构建：采用比值评分法（参考梯度5%和95%分位数线性标度）将各指标统一为0～100分，求和获得Ai-IBI值。
四、研究结果分述
1. 水生昆虫群落结构特征：共采集10,267个个体，隶属8目43科133种。摇蚊科占绝对优势，主要出现在中下游；参考位点平均分类单元数18，最受损位点仅3个分类单元；EPT分类单元数范围0～8，平原区普遍偏低；密度和Shannon–Wiener多样性指数存在显著空间差异。
2. 核心指标筛选过程：通过箱线图判别能力分析，26个候选指标中有5个（M1、M6、M12、M17、M26）四分位距≥2，通过冗余分析发现M1与M6高度相关，因M1承载更多信息而保留M6剔除，最终保留总分类单元数、前三位优势分类单元百分比、耐污类群密度和捕食者百分比4个指标构建Ai-IBI。
3. 基于Ai-IBI的河流生态系统健康空间分布：健康评价显示仅4个位点健康（12.5%），10个亚健康，11个一般，5个较差，2个极差。上游河段生态条件优于下游，参考位点生物完整性显著高于受损位点。
五、讨论与结论总结
讨论部分指出，与传统基于自然或轻度干扰流域建立的IBI不同，Ai-IBI针对海河流域长期水资源过度开发、城市化栖息地破碎化、营养盐富集等区域背景进行了本地化调整。参考位点采用“最小干扰”而非“原始状态”基准，虽然可能影响指数在健康梯度上端的敏感性，但极大增强了在退化流域的适用性。该指数未纳入流量指标，未来可结合水文要素进一步提升预测能力。研究表明，生物评价与理化评价具有互补性，Ai-IBI既能反映地表水污染状况，也能表征长期栖息地损伤引起的潜在生态退化。结论部分强调：海河流域上游山区生态完整性优于下游平原区，空间分异主要由自然地理差异和人为干扰梯度共同驱动；上游应优先保护栖息地和自然水文过程，下游需加强污染治理、栖息地修复和生态流量补给，以促进流域水生态质量的持续改善。该研究为高扰动平原河流提供了可推广的生物完整性评价工具。
