摘要
生活在溪流中的各种奇怪而奇妙的虫子不仅很酷——还是一个伟大的科学工具。细菌的混合物有助于科学家了解水质，即水是干净的还是脏的。有两种工具可以将bug多样性转换为流健康状况的度量。一种叫做多度量指数;另一种称为观察到预期指数。多重指标向我们“说出了错误”。它利用昆虫对食物和栖息地的偏好、对污染的容忍度以及其他昆虫属性来判断一条溪流是否符合它们的喜好。观察与预期指数利用科学家对清洁水中通常出现哪种细菌的知识，来预测哪种细菌应该出现在优质河流中。这两个指数为我们提供了水质的整体情况，并帮助科学家跟踪美国国家公园溪流的健康状况。
评分溪流和河流的健康状况
科学家如何评估溪流的健康状况?每个学生和老师都知道评价的重要性。教师评估学生的学习情况，以确保学生处于健康的轨道上。老师们做到这一点的一种方法是通过考试成绩和期末成绩。但是，在河流、小溪或小溪上打分并不像分发铅笔、试卷和检查学生答案那么容易。
为什么科学家想要“评分”一条流?首先，小溪和河流有许多重要的用途。世界各地的人们都依赖河流作为饮用水。河流还为鱼类提供了栖息地——一种食物来源——以及濒危生物的栖息地。溪流是看日落的好地方。评估溪流的水质，或为其评分，可以帮助确定水污染和上游其他人类活动造成的损害分水岭．确定损害是修复的第一步。这在我们的国家公园、保护区和其他受保护的地方尤为重要，因为我们希望在这些地方拥有最干净的水、最美丽的日落和濒危物种的家园。尽早发现问题是快速修复河流的关键，以免发生更大的破坏。
给一条河流打分最简单的方法就是“询问”生活在那里的生物。1］．一些河流中有很多鱼类，过去，科学家们曾“询问”鱼类河流的健康状况。但是许多河流没有鱼或者只有几种鱼，所以我们不能总是用鱼来达到这个目的。但每条河流和小溪都有水生无脊椎动物-没有脊椎的动物，部分或全部生活在水中，我们通常称之为“虫子”，因为它们大部分是昆虫[2］．事实上，溪流中可能有数百种水生无脊椎动物，每种动物对污染的反应都不同。例如，对污染敏感的水生无脊椎动物可能会从不健康的河流中消失，而那些能忍受污染的水生无脊椎动物可能会增加。科学家可以利用这些差异对河流的健康状况进行评分(图1)．他们使用两种互补的方法来做到这一点multimetric指数和一个期望指数．这两种方法都是通过网络或其他方法从流中收集的昆虫样本计算出来的。收集通常需要不到一个小时的时间，并且通常与测试其他质量一起完成，比如水化学。多指标和观测与预期的指标值提供了关于溪流健康状况的不同视角，从而更好地全面了解溪流的状况。
- 图一-(一)国家公园管理局的科学家从冰川国家公园的一条原始溪流中收集无脊椎动物(B)从威士忌镇国家娱乐区撤离
- 这种收集技术快速且易于执行。科学家踢到网上方，让无脊椎动物漂进网里。科学家们分析发现的无脊椎动物的组合，使用多种指标或观察到的预期指标。样本中可能出现的水生无脊椎捕食者包括(C)翅虫的幼虫,(D)石蝇幼虫(E)豆娘幼虫和(F)蜻蜓幼虫。
Multimetric指数
就像老师和家长使用平均绩点(GPA)来了解学生的表现一样，多指标可以告诉科学家溪流的健康状况。“度量标准”是科学家测量的东西，比如溪流中昆虫种类的数量。如果一位科学家在一条溪流中发现了17种昆虫，那么这个指标的得分是17。多指标指数是一种数学工具，它将单个指标分数组合成单个总分[3.］．每一个单独的指标，比如虫子抵御污染的能力，都是基于数十年的研究，这些研究确定了哪些溪流的虫子只能生活在未污染的溪流中，哪些虫子可以忍受，甚至可能喜欢被污染的溪流。另一个非常有用的衡量标准是，在溪流中发现的虫子是素食主义者(吃微小的溪流植物藻类)还是捕食者(吃其他虫子)。这是很有价值的信息，因为含有大量掠食性bug的流通常是健康的。同样，在黄石国家公园(美国怀俄明)，狼和灰熊的健康数量意味着它们所捕食的麋鹿和鹿，以及喂养麋鹿和鹿的茂密草地，可能正在蓬勃发展。
科学家们将来自流错误样本的各种单独指标结合成一个多指标指数得分。综合评估的分数组合(multimetric的“multi”部分)类似于学生平均绩点的计算方法。学生的总平均绩点是基于语言、数学、科学和历史研究的个人考试成绩。正如GPA高表明是好学生一样，多指标指数得分高表明有干净的水。
期望指数
测量流错误以对流的运行状况进行评分的第二种方法是一种称为观察到预期指数的度量，缩写为O/E [4］．它是科学家在自然界中观察到的与他们预期观察到的比值。让我们假设一个学生在学校的成功仅仅与出勤有关。你的分数很简单，只需计算你参加的天数，并将其与你应该参加的天数进行比较。如果你上了99%或100%的课，那么你在学校的表现就会很好——肯定比只上了50%的课的学生要好。这很容易计算——老师会记录出勤情况。这类似于观察到的期望索引的工作方式。
流样本中的bug种类的数量，就像你上课的天数一样，是我们比率中“观察到的”值。科学家已经知道她“希望”在该地区的健康河流中发现哪种细菌，就像你的老师希望你每天都来上课一样——100%的时间。通过比较观察值和期望值，我们得到一个百分比分数。一条拥有80%预期物种的溪流可能会获得及格分数，而只有50%预期物种的溪流则会出现问题。你可能偶尔会发现一条溪流中有比预期更多的物种，比如110%，这表明那里的环境非常干净。这个简单的乐谱简单易懂。但让我们再深入一点。例如，如果我们有一条分数为65%的河流，这意味着这条河流缺少了35%的无脊椎动物(100-65% = 35%)。因为我们可以这样解释O/E分数，我们也可以把它作为衡量生物多样性的损失。
计算“观察到的”部分很容易——只需要收集溪流中的虫子，并在显微镜的帮助下识别物种。弄清楚流中的“预期”是更困难的。有多少种不同的无脊椎动物通常会出现在一个健康的河流中，就像这个样本一样?这需要有所谓的东西参考流．参考河流是指其水是干净的，在其流域内没有任何有害的状况。通过参考流，科学家们确定了哪些无脊椎动物通常出现在当地干净的溪流中。这使得科学家能够预测在一个新的地点可能出现的无脊椎动物的数量。
在美国国家公园使用分数
在冰川国家公园(美国蒙大拿州)，管理人员必须关注那些美丽干净的溪流，以进一步保护它们。但他们也需要识别并更加关注公园中少数在多重指数上得分较低的河流。管理人员使用多指标评分来帮助理解和管理干净的和脏的。他们与公园科学家合作，找出是什么污染了河流，以及如何改善它们。图2显示了冰川国家公园溪流的多指标指数得分。分数从原始的，几乎没有人类的影响，到不健康的，人类的使用可能会伤害河流。这些照片展示了许多偏远的原始溪流和不健康的溪流之一。在这条不健康的溪流附近修建道路，破坏了许多虫子赖以生存的水生植物。
- 图2 -人类影响越大，多指标得分越低;人类影响越小，多指标得分越高。
- (一)冰川国家公园(美国蒙大拿州)的一条原始溪流。(B)图表显示了多重指标与人类使用的关系。图中靠近顶部的点表示无脊椎动物和水质条件较好。点是测量值，线是点的“平滑”平均值。图中离右边越近的点意味着对人类的影响越大。(C)冰川国家公园里不健康的溪流，就在最近修建的十字路口下面。
2018年，在美国加利福尼亚州的威士忌镇国家娱乐区，一场大型野火烧毁了大部分公园。科学家们使用观察到的预期指数来了解火灾如何随着时间的推移影响这些河流的健康。图3显示，火灾发生几周后，O/E与前一年相比略有下降，这意味着检测到的物种略有减少。但一年后，分数下降得更厉害了。发生了什么事?O/E分数显示，火灾的直接热量并没有对河流造成太大变化。相反，后来的冬季洪水和冲进河床的沙子造成了更大的影响。这些信息很重要，因为它可以帮助公园管理人员了解河流何时以及如何受到影响，这样他们就可以努力防止严重的影响。
- 图3 -观察到的与预期的指数得分显示，在2018年野火之后，威士忌镇国家娱乐区(美国加利福尼亚州)的溪流水质大幅下降，但直到2019年才有所下降。
- (一)显示2011年至2019年收集的样本O/E评分的图表。接近顶部的分数表示原始条件。接近底部的分数表示不健康。插图照片显示了卡尔大火，烧毁了公园的大部分地区。(B)2017年大火前的威士忌溪。(C)2018年同一地点，火灾发生几周后。(D)2019年同一地点，火灾发生1年后，溪流中有大量沙子。
这只是溪流昆虫如何帮助我们了解溪流和河流状况的两个例子。这些工具不仅限于美国国家公园或其他保护区。你附近的科学家可能正在检查你附近的溪流!你认为你当地的溪流会是干净的还是脏的?
术语表
分水岭：↑溪流之上的土地，通常以山脊为界，在那里雨水会流入溪流
水生无脊椎动物：↑没有脊骨的生物大部分时间生活在水中。例如昆虫、蠕虫、水蛭和螨虫。因为大多数是昆虫，我们通常称它们为“虫子”。
Multimetric指数：↑科学家使用的一种工具，它利用水生无脊椎动物的生物多样性、生活特征、摄食方式和其他特征来确定溪流的健康状况。
期望指数：↑通过将收集到的生物类型数量(观察到的)除以应该存在的生物类型数量(预期的)计算出的分数，以帮助确定溪流的健康状况。
捕食者：↑通过吃其他动物而不吃植物来获取食物的有机体。
生物多样性：↑动物:在某一特定栖息地中生长的各种动物、植物和其他生命
参考流：↑河流:流经分水岭的河流，不受农业、采矿或砍伐树木等人为干扰的影响
利益冲突
作者声明，这项研究是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的，这些关系可能被解释为潜在的利益冲突。
致谢
在发布本文中包含的任何可能可识别的图像或数据时，已获得个人的书面知情同意。
参考文献
[1]↑卡尔，1991。生物完整性:水资源管理中长期被忽视的一个方面。生态。:．1:66 - 84。
[２]↑西蒙斯，T.，丁格，E. C.和E. W.施威格。小溪虫的野生而奇妙的世界．前面。年轻人．doi:10.3389 / frym.2022.716573
[3]↑巴伯，M. T.，斯威特利克，W. F.，杰克逊，S. K.， Courtemanch, D. L.，戴维斯，S. P.和约德，C. O. 2000。在美国衡量生物完整性的实现:生态完整性的一个关键因素。Hydrobiologia422:453 - 64。doi: 10.1023 /: 1017095003609
[4]↑霍金斯，诺瑞斯，R. H.，霍格，J. N.和菲莫内拉，J. W. 2000。开发和评估用于测量河流生物完整性的预测模型。生态。:．10:1456 - 77。doi: 10.2307 / 2641298