河流在物质循环、能量流动及信息交流等方面发挥着重要的生态服务功能^［1］。然而，随着人类活动日益加剧，水体污染、生物多样性锐减等生态环境问题凸显，从而造成河流水生态系统的自然、生态和社会服务功能逐渐减弱甚至丧失，河流健康受到严重威胁。准确客观的河流健康评价体系能有效反映其完整性、可持续性及水资源利用之间的动态平衡，同时对水环境保护和水生态系统修复具有重要的参考价值。与单一的生物指数相比，生物完整性指数（index of biological integrity，IBI）能更全面地反映河流的健康状况^［2］。自1981年Karr^［3］提出利用IBI评价河流健康以来，国内外学者相继运用于不同区域河流的健康评价，并不断改进与完善。目前已经构建了鱼类生物完整性指数^［4］（fish-index of biological integrity，F-IBI）、藻类生物完整性指数^［5］（diatom-index of biological integrity，D-IBI）等生物指数评价体系。张亚等^［6］基于鱼类生物完整性指数对上海苏州河水生态系统进行了健康评价，结果表明其上游干流的水生态系统已基本恢复，而上游支流和下游干流还未建立健康稳定的水生态系统；吕立鑫等^［7］基于浮游藻类生物完整性指数对永安河小流域进行了健康评价，结果显示永安河小流域上游段的评价结果最好；赵文超等^［8］为了解蚂蚁河上游水生态健康状况，利用大型底栖动物完整性指数对其健康进行了评估，深层次分析出蚂蚁河上游健康状况为一般。中国高寒内陆河地区气候寒冷，降水稀少，蒸发强烈，荒漠化现象严重^［9］，脆弱的生态环境使得该地区的鱼类和藻类生物本底值较低，而大型底栖动物物种相对丰富^［10］。大型底栖动物生命周期长，行动缓慢，分布广泛，作为水生态系统的主要组成部分，其群落结构、优势种类和现存量等参数可反映环境因素的长期变化，从而可以有效指示水生态系统的健康状况^［11］。因此利用大型底栖动物作为指示物种可准确评价高寒区内陆河流的健康。

黑河流域作为中国西北地区第二大内陆河，是河西走廊绿洲赖以生存和经济社会持续发展的重要水源基地^［12］。近年来由于气候环境变化、梯级电站开发以及畜牧业、种植业、工业等社会经济的持续发展，河道水量逐年下降，造成生态环境逐步恶化，上、中游地区的植被和土壤差异化现象愈发严重，水生态系统受损等问题突出^［13］。因此，本文以高寒区黑河上中游为研究区域，通过生物参数分布范围分析、生物参数判别能力分析以及生物参数相关性分析，筛选出适合构建黑河大型底栖动物完整性指数（B-IBI）评价体系的生物参数，并构建大型底栖动物生物完整性指标体系评价黑河河流健康状况，以期为西北高寒内陆地区河流生态修复与管理提供理论依据。

黑河发源于青海的祁连山北麓，流经青海、甘肃后形成了尾闾湖泊（居延海），流域范围37°45′—42°40′N、96°42′—102°04′E，干流全长约821 km，流域面积14万km^2［14］。黑河莺落峡以上303 km为上游祁连山地褶皱带，海拔3 000~3 500 m，属高寒半干旱气候^［15］，气温全年较低，年降水量约为350 mm以上，该地区水能资源最为丰富，水能蕴藏量达到560 MW。上游支流地区为径流的产流区，河床多为沙质河床，为农牧业过渡区^［16］；上游干流地区黄藏寺-莺落峡河段水资源储量约为388 MW，相继开发了8座梯级电站，年发电量23.97×10⁸ kW·h。其中黄藏寺电站库区主要满足当地生产生活用水和生态需水，兼顾发电效能，其他电站以发电为主。

在大型底栖动物完整性指数健康评价的过程中，参照点的选取会直接或间接地影响到适宜生物参数的筛选以及河流健康评价的结果。参照点的选取原则为无人类干扰样点和干扰极小样点，但在实际河流健康评价中，由于不同河流地理位置、气候条件等环境因素不尽相同，因此参照点的选择尚无统一标准，根据Kerans等^［17］的方法，一般按人类活动干扰程度大小可将各采样点分为无干扰样点、干扰极小样点和干扰样点^［18-19］。许维等^［20］在研究大清河水系的健康状况时，以分布在Ⅲ类以上水域的采样点作为参照点；黄彬彬等^［21］在赣江干流健康评价中，以附近无农田污染源、水质低污染、无毒、能溶解氧气的采样点为参照点。

黑河是中国高寒地区重要内陆河，近些年工农业的迅速发展以及密集的人类活动使得很难找到无干扰的采样点，并且黑河上游污染来源主要是畜牧业；中游水体健康主要受到工业生产、生活污水以及农业如农药、化肥等的影响。因此本研究根据黑河流域环境气候特点及地理位置特征，选取自然河道（人为影响小），梯级库区段以及中游人类活动剧烈的河段作为研究对象，共布设14个采样点，包括上游支流段（H1、H2、H3），上游干流段（H4、H5），中游段（H6、H7、H8、H9、H10、H11、H12、H13、H14），并选择受不同程度人为干扰的采样点H3、H6、H9、H13作为参照点，其余采样点为受损点（图1）。

本次研究中用面积为1/60 m²的彼得逊采泥器（HL-CN）及手抄网，对底栖动物进行定性和定量采集，并结合不同的生境特点，在每个采样点及周围不同位置重复采集3次后合并为一个点位样本，以保证底栖动物群落的代表性。在采集现场用60目筛网过滤、洗净后对底栖动物进行挑拣并将样品保存在4%~10%的福尔马林溶液中，贴好标签。样品带回实验室鉴定至尽可能低的分类单元，一般为属或种，严格按照不同种类计算每个采样点的底栖动物数量^［22］，并做好记录以便处理数据使用。对样品进行称重时，应先用滤纸将样本表面的水分吸干，再用电子秤（精度为0.0001）称其湿重，最后将所有样品折算成单位面积的生物量（g·m^-2）^［23］。

在采样现场使用哈希便携式水质分析仪测定水温（WT）、pH值、电导率（EC）、溶解性总固体（TDS）、溶解氧（DO）、盐度（S）、电阻率（R）数据，同时采集1 000 mL水样固定后放在4 ℃保温箱带回实验室，严格参照《水和废水监测分析方法》^［24］，分析测定全磷（TP）、全氮（TN）、亚硝酸盐氮（NO₂-N）含量、氨氮（NH₃-N）含量、高锰酸盐指数（KMnO₄）、化学需氧量（COD）、5日生化需氧量（BOD₅）以及水中悬浮物等化学指标，为减小系统误差和人为误差，每一个化学指标均重复测定3次并取其平均值。

优势度指数（Y）是表示大型底栖动物群落中某一物种在其中所占优势的程度，反映的是群落中各物种种群数量的变化情况，一般情况下优势度指数值越大，说明优势物种的地位越突出，群落内物种数量分布越不均匀^［25］。本研究利用优势度指数（Y）确定黑河河段底栖动物优势物种。

式中：n_i 为第i种物种个体数；S为种类数；N为样本总个体数；f_i 为第i种物种在各采样点出现的频率，Y>0.02为优势物种。

根据河流大型底栖动物的食性类型，参照Cummins等^［26］和Bode等^［27］的划分规则，将黑河上中游大型底栖动物分为5个功能摄食类群（FFGs，表1）。

参照文献［28-29］，并结合黑河采样实际情况，选取干扰越强反应越敏感的5个大类别，包括反映物种群落丰富度、物种个体数量比例、物种敏感性和耐污性、营养层级以及小生境质量等共计19个参数进行 B-IBI评价体系的构建，具体生物参数分别为总分类单元数、EPT分类单元数、摇蚊分类单元数、水生昆虫分类单元数、软体动物和甲壳动物%、双翅目%、毛翅目%、蜉蝣目%、襀翅目%、优势分类单元%、前三位优势分类单元%、撕食者%、刮食者%、滤食者%、集食者%、捕食者%、敏感类群%、耐污类群%、黏附者%。

分布范围分析。计算候选生物参数在参照点中25%~75%分位数的数值范围，在大于95%的采样点中出现的频率都是零、随干扰增强而数值太小或太大以及标准差过大的生物指数均不能参与构建B-IBI评价体系，予以剔除^［30］。

判别能力分析。对剔除后剩余参数在参照点和受损点的25%~75%分位数分布范围做箱体图进行判别能力分析（IQ），并根据箱体的重叠情况对IQ赋予相应的值：无重叠，则IQ=3；部分重叠，但各自中位数值都在对方箱体范围之外，则IQ=2；仅一个中位数值在对方箱体范围之内，则IQ=1；各自中位数值都在对方箱体范围之内，则IQ=0。其中，IQ≥2的参数才能作进一步分析^［31］。

相关性分析。对IQ≥2的参数作相关性分析，其中呈正态分布的参数选用Pearson相关性分析，不呈正态分布的用Spearman相关性分析。当两个指数之间显著相关时，则表明两参数所反映的信息大部分是重叠的，二者选其一即可^［32］。

目前国内外使用最为广泛的参数计分方法为比值法。对于干扰越强，指数值越低的参数，各指数值的分值等于指数值/最佳期望值；对于干扰越强，指数值越高的参数，其分值等于（最大值-指数值）/（最大值-最佳期望值）。前者以95%分位数值为最佳值，后者则以5%分位数值为最佳值。按照上述方法计算后的分值范围为0~1，若大于1，则记为1^［33］。

将各参数的分值进行加和得到B-IBI的指数值。以参照点B-IBI值分布的25%分位数作为健康评价的标准，如果样点的B-IBI值大于25%分位数值，则表示该样点受到的影响很小，是健康的；对小于25%分位数值的分布范围，进行4等分，分别代表不同的健康程度。据上述方法，就可以确定出健康、良好、一般、较差和极差5个等级的划分标准^［34］。B-IBI值越小，表示河流健康状况越差。

BI指数（Biotic Index）是目前美国环境保护署EPA建议使用最多的一种水质生物评价指数，其方法是根据大型底栖动物耐污能力的不同，通过计算耐污值进而对水质进行评价^［35］，目前在中国也成功通过多次验证，能够从水质方面有效地反映河流的健康状况^［36］。

式中：N为样本个体总数；ni为第i个分类单元的个体数；ti为第i个分类单元的耐污值。BI指数评价标准参照王备新^［37］水质分级标准（表2）。

调查期间在黑河中上游所有采样点中，一共鉴定出54种大型底栖动物，隶属于4门8纲18目36科（表3）。从整体上看，研究区域内底栖动物的类群中，节肢动物中的昆虫纲占总个体比重最多。黑河上、中游现阶段优势物种主要由节肢动物和软体动物两大类群组成，中游河段的优势物种与整个研究区域对比较为相似，上游支流河段优势物种均为节肢动物。此外，黑河上、中游大型底栖动物优势物种数量沿程变化趋势为中游河段>上游河段（表4）。

所选生物参数中，M₂、M₅、M₆、M₇、M₈、M₉出现零值的频率过多，不适宜构建B-IBI评价体系，因此予以剔除。此外，生物参数M₁₂、M₁₉因其25%分位数、中位数及75%分位数的值波动性不大，说明随着污染强度的增加，其值的可变动范围非常窄，其指示信息作用较低，无法准确地将受不同干扰程度的水体区分开来，不适宜构建B-IBI评价体系，也予以剔除。参数M₁₅随干扰增强，指数值的波动范围很大，故也予以剔除，判别能力分析结果如图2所示。图中M₁₄的两箱体图中，双方的中位数均在对方箱体图之内，故其IQ值为0；参数M₃、M₁₃的两箱体图中，仅有一个中位数在对方箱体之内，故二者IQ值均为1；M₁、M₁₀、M₁₆、M₁₇以及M₁₈的两箱体图中部分重叠，但双方中位数值均在对方箱体之外，故IQ值均为2；M₄、M₁₁的两箱体图无重叠部分，因此二者IQ值均为3。选择IQ值大于等于2的生物参数进行相关性分析。

对剩余7个参数进行K-S检验，结果表明7个生物参数均呈正态分布，采用Pearson相关性分析，结果如表5所示，可以看出M₁与M₁₀、M₁₀与M₁₁均显著相关（P<0.05）。由于M₁可以反映物种群落丰富度，M₁₀、M₁₁均为反映物种个体数量比例的参数，剔除M₁₀，保留M₁、M₁₁，最后剩余6个生物参数构建B-IBI评价体系：M₁、M₄、M₁₁、M₁₆、M₁₇、M₁₈。

根据以上研究最终得到黑河河流健康评价等级如表6所示，4个参照点B-IBI值的25%分位数为3.28，将小于3.28的范围四等分即为0.82，每个健康等级依次减去0.82，即可得到评价等级为：B-IBI>3.28为健康，2.46<B-IBI<3.28为良好，1.64<B-IBI<2.46为一般，0.82<B-IBI<1.64为较差，B-IBI<0.82为极差。

利用B-IBI评价标准对黑河各采样点的河流健康状况进行初步评价（表7）。B-IBI体系评价结果显示，在所有采样点中，“健康”的点位有4个，占总采样点数的比例为28.57%；“良好”的采样点有7个，占总采样点数的比例为50%，多分布在中游河段；“一般”的采样点有3个，占总采样点数的比例为21.43%；没有较差和极差等级的采样点。此次评价中B-IBI值平均为3.06，说明黑河整体健康状况属于Ⅱ类水质标准，处于“良好”状态。从整体上看，本次评估的站点中，中游地区采样点的健康状态明显高于上游支流和干流地区，其中，上游支流B-IBI指数的平均值为2.29，处于Ⅲ类水质标准，整体处于一般状态；上游干流B-IBI指数的平均值为2.82，处于Ⅱ类水质标准，属于良好状态；中游B-IBI指数的平均值为3.37，处于Ⅰ类水质标准，属于健康状态。

BI指数的评价结果显示（表8），BI指数的平均值为4.36，黑河水体状况整体上处于Ⅱ类水质标准，属于良好状态，这与利用B-IBI体系评价得到的结果一致。所有采样点的BI指数处于2.89~6.10，所有采样点中H5的健康状态最好，其中“健康”的点位有2个，占总采样点数的比例为14.29%；“良好”的采样点有9个，占总采样点数的比例为64.28%，多分布在中游河段；“一般”的采样点有3个，占总采样点数的比例为21.43%，没有较差和极差等级的采样点。

从整体上看，本次评估的站点中，中游地区采样点的健康状态明显高于上游支流和干流地区，其中，上游支流BI指数的平均值为5.44，处于Ⅲ类水质标准，整体处于一般状态；上游干流BI指数的平均值为3.17，处于Ⅱ类水质标准，属于良好状态；中游BI指数的平均值为4.26，处于Ⅱ类水质标准，属于良好状态。

评价结果显示，黑河B-IBI指数值1.88~4.25，最大的是中游采样点H6（张掖黑河湿地公园），值为4.25，为健康状态，这与该采样点的地理位置有关，张掖黑河湿地公园虽然地处人口活动密集地区，但近些年其生态环境保护较好，水生植物较为丰富，底栖动物多样性较高；B-IBI指数值最小的采样点是上游支流H1（鸳鸯花海大桥），值为1.88，是受损最为严重的采样点。究其原因可能是鸳鸯花海大桥处于黑河上游支流段，该河段处于高海拔地区，流量较小，季节性变化较大，河流底栖动物区系组成较简单，且上游的水电开发干扰强于中下游，受到筑坝截流影响，加之人类活动频繁干扰，因此生物完整性指数较低。上游干流段的两个采样点的健康评价结果均为一般，表明上游干流河段梯级电站的开发，导致底栖动物生存环境发生变化，使得其生物完整性指数评价等级较低。

对比BI指数和B-IBI评价体系的结果，在两种评价指数之中，采样点H1、H2、H3、H4、H6、H7、H10、H11、H12、H14的两种指数的评价结果相同，说明了两种评价结果的一致性。其余采样点健康等级评价结果表现出不一致，分别为采样点H5、H8、H9、H13，其中采样点H8、H9、H13位于人类活动较为复杂的中游河段，工农业和生活污水直接排放到河流，使得河流中氮、磷等浓度升高，水体富营养化，溶解氧被消耗，但该地区河流水体水温较高且无分层现象，使大量繁殖的浮游生物可以较为均匀地分布于水体中，为底栖动物的生存繁殖提供食物来源，从而使底栖动物种类逐渐增多，因此B-IBI体系的评价等级高于BI指数评价等级。然而，在采样点H5中两种指数表现出BI指数评价等级高于B-IBI评价等级，究其原因不难发现，这个采样点处在上游干流地区，该地区由于梯级电站的开发，使得库区生境和物种组成逐渐趋于单一化，生物完整性指数评价等级较低。

BI指数和B-IBI评价体系的结果呈显著负相关（r=-0.679、P<0.01，图3），二者均可以用于评价黑河健康状况，BI指数侧重于从河流水质方面对河流健康状况的评价，而B-IBI评价体系可以从生物完整性角度评价黑河河流健康状况。

本研究利用SPSS20.0软件对黑河大型底栖动物完整性指数与水体各理化因子进行相关性分析。K-S检验可知，B-IBI与水体各理化因子均符合正态分布，故采用Pearson相关性分析来探讨B-IBI与水体各理化因子之间的相关性（表9）。结果表明，在14个水体理化因子中，除流速（v）、酸碱度（pH）、盐度（S）、亚硝酸盐氮（NO₂^--N）含量、溶解性总固体（TDS）外，B-IBI指数与水温（WT）、溶解氧（DO）、氨氮（NH₃-N）含量、全磷（TP）、全氮（TN）5个理化指标均呈显著相关，除水温（WT，r=0.572，P≤0.01）、溶解氧（DO，r=0.876，P≤0.01）呈显著正相关外，其他3个化学指标均呈显著负相关，且相关性最高的是DO（r=-0.876，P≤0.01）。

由以上结果可以推断，黑河大型底栖动物完整性与水体温度、水体中氮、磷等营养物质以及水中溶解氧的相关性极大。在本研究结果中，中游河段的水温相较上游支流和上游干流均偏高，且调查到的物种明显比支流丰富，说明水温是影响底栖动物完整性的重要影响因子。此外，水中氮、磷等营养物质如氨氮（NH₃-N）含量、全磷（TP）、全氮（TN）等的增多会使水体富营养化，使得水中溶解氧（DO）的浓度发生变化，从而引起水体水质及水生生物的种类和数量也发生改变。本研究结果中上游支流和中游地区采样点，由于农、畜牧业的发展，以及人类活动的频繁干扰，使得水中氮、磷浓度升高，水体富营养化，溶解氧被消耗，而由此大量繁殖的藻类生物为底栖动物提供了食物来源，促进了底栖动物的生存和繁殖，更进一步说明氮、磷等营养物质和适宜的DO浓度与底栖动物的生存发育密切相关。

本研究选择大型底栖动物为研究对象，通过生物参数分布范围分析、判别能力分析以及相关性分析逐步筛选出适合于构建底栖动物生物完整性指数评价体系的生物指标，分别为总分类单元数、水生昆虫分类单元数、前三位优势分类单元%、捕食者%、敏感类群%、耐污类群%共6个指标，得到黑河河流健康评价等级：B-IBI>3.28为健康，2.46<B-IBI<3.28为良好，1.64<B-IBI<2.46为一般，0.82<B-IBI<1.64为较差，B-IBI<0.82为极差。

B-IBI评价体系评价结果和BI指数评价结果均表明，黑河整体健康状况处于“良好”状态，河流健康状况在不同河段表现为中游河段>上游干流>上游支流。此外，由底栖动物完整性指数与水体各理化因子之间的相关性分析结果表明，黑河大型底栖动物完整性与水体温度、水体中氮、磷等营养物质以及水中溶解氧的相关性极大。