典型平原河網地區底棲動物生物指數篩選及評價基準研究

陳小華康麗娟孫從軍楊 青

(1.上海市環境科學研究院, 上海 200203; 2.華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室, 上海 200062)

典型平原河網地區底棲動物生物指數篩選及評價基準研究

陳小華1,2康麗娟1孫從軍1楊 青1

(1.上海市環境科學研究院, 上海 200203; 2.華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室, 上海 200062)

2011年夏、秋季在上海市全境主要河流的83個斷面進行大型底棲動物的采樣, 共獲取底棲動物20個分類單位(種), 其中軟體動物、環節動物和節肢動物分別占50%、30% 和20%。選取常見的28個生物指數分別進行計算, 并采用非參數統計檢驗方法篩選出8個敏感生物指數。通過記分法對8種敏感生物指數統一量綱后, 獲得數值范圍為8—40的綜合生物指數, 運用四分法劃分了判別河道水環境質量的生物基準: 32—40,較好(Good); 24—31, 一般(Fair); 16—23, 污染(Poor); 8—15, 嚴重污染(Very poor)。9個斷面未發現活體生物,定為超嚴重污染(Super poor)。依照生物基準比較上海市41個代表性斷面近5年主要水質理化指標, 基本反映出水質理化指標的空間差異性, 該綜合生物指數及判別基準也可適用于評價平原河網地區的河道水質狀況。

大型底棲無脊椎動物; 生物指數; 生物基準; 水質生物學評價; 平原河網地區

大型底棲動物是河流生態系統的重要組成部分,具有活動范圍相對固定、生命周期較長、生活習性相對穩定等特點, 對環境脅迫的響應比較敏感, 其群落結構可從不同側面反應水質的好壞, 從而可以有效地指示水生態系統的健康狀況[1—3]。自從20世紀50年代以來, 大型底棲動物常被應用到水質生物學評價和水生態系統健康評價當中[4—14]。基于底棲動物的水質評價方法開始由過去所采用的單一生物指數評價轉向應用底棲動物的綜合指數, 底棲動物水質生物學評價體系已經成為水質理化指標評價方法體系極其重要的補充[15,16]。

底棲動物群落具有很強的地域性, 所在地區的緯度、海拔、自然地貌、水文特征、土地利用類型、社會經濟發展程度等均是決定河道大型底棲無脊椎動物群落結構的重要因素[17]。平原河網水系[12,18]與山地河網水系[14,19,20]的大型底棲動物群落結構特征差異很大, 隨之能反映河流水質狀況的底棲動物指標及數值差異也較大。上海市地處平原河網地區,河道水流流速慢, 流程長、縱比降小, 河床淤積作用較顯著, 有機污染比較嚴重。本文以上海地區為例,探討適合平原河網的大型底棲動物生物指數的篩選方法及評價基準。

1 材料與方法

1.1 采集斷面與采集時間

2011年7月至9月, 以上海市河道近5年的常規水質監測斷面為參照, 在全市范圍內選取了83個河段斷面進行底棲動物調查, 布點兼顧空間均勻性和河道多樣性特征, 涉及不同河道規模、周邊土地利用類型、人口密度、污染程度、水流流態等, 每個區縣范圍內均有布點。現場采樣過程中, 記錄斷面周邊環境、河道生態環境、人類活動影響以及污染源等信息。

1.2 樣品采集與分析

利用改良的Peterson 采泥器(開口面積為1/16 m2), 在每個斷面進行底棲動物的采集, 每個斷面采集2—3斗泥, 采集的底泥用60目分樣篩(孔徑約0.5 mm)進行篩選, 將選出的生物樣品放入標本瓶中,經75% —80%的酒精固定后帶回實驗室。底棲動物的固定和保存參考黃祥飛等的方法[21], 底棲動物的物種鑒定和定量分析參考相關文獻資料[22—25]。

1.3 生物指數篩選流程與方法

候選生物指數的篩選主要參照馬陶武等[18]和Stribling, et al.[26]的方法, 采用兩種非參數統計檢驗法對清潔樣點和污染樣點的生物指數值的分布情況進行比較。

(1)底棲動物的耐污值和功能類群確定

所采集到的底棲動物樣本的耐污值主要參考王建國等[19]、王備新等[20]、Bode, et al.[27]的資料。功能攝食類群的劃分主要參考Morse, et al.[28]、劉建康[29]以及Merritt和Cummins[30]。

(2)相對清潔斷面和污染斷面劃分方法

(3)候選生物指數選取與計算方法

參照有關文獻[3, 20, 26]并結合本研究中底棲動物的采集情況, 選用常規的候選生物指數, 一般包括四大類: 豐富度指數、分類單元組成指數、耐受/敏感指數和功能攝食類群指數。生物指數的計算參考經典方法[3,25]。

(4)敏感生物指數的篩選方法

敏感生物指數的篩選主要參照馬陶武等[18]和Stribling, et al.[26]推薦的方法。首先, 采用兩種非參數統計檢驗法(Mann-Whitney U法和Kolmogorov -Smirnov法)對相對清潔斷面和污染斷面的生物指數值的分布情況進行比較, 在兩種統計檢驗中, 生物指數值在清潔樣點和污染樣點之間的差異均表現為顯著時, 才入選為敏感生物指數。

(5)綜合生物指數計算與評價基準的確立

根據最終入選的若干個敏感生物指數在清潔樣點中的頻數分布統計和5, 3, 1記分法確立一個融合了所有敏感生物指數信息的綜合生物指數, 并確定綜合生物指數值的變化范圍, 采用普遍適用的四分法將綜合生物指數值劃分為不同水質級別對應的判別基準: 較好(Good)、一般(Fair)、污染(Poor) 和嚴重污染(Very poor)。無活體底棲動物出現的河道斷面自動歸為超嚴重污染斷面(Super poor)。

2 結果

2.1 大型底棲動物物種組成

全市區域共83個斷面獲得大型底棲動物20種,其中軟體動物10種, 環節動物6種, 節肢動物4種, 分別占總物種數的50%、30% 和20%(表1)。有9個斷面未發現任何活體物種。出現頻率最高的物種為霍甫水絲蚓(Limnodrilus hoffmeisteri), 達到50.6%,其次是梨形環棱螺(Bellamya purificata), 為34.9%。

2.2 基于Hilsenhoff指數的相對清潔與污染斷面

劃分

Hilsenhoff生物指數(HBI)被普遍認為是比較可靠的生物指數[22]。針對74個有活體底棲動物的河道斷面計算Hilsenhoff指數, 數值范圍為4.3—10, 平均值7.57,中位數7.40, 標準差2.23。其中有32個斷面的HBI值小于或等于6.50, 確定為相對清潔斷面; 有42個斷面的HBI值大于6.50, 定為污染斷面。將基于Hilsenhoff指數劃分出的相對清潔斷面與污染斷面之間的總體水質進行比較,各類指標在兩類斷面各類指標之間上均顯示顯著性差異(P<0.01), 尤其是溶解氧、氨氮、總氮、總磷、BOD5等指標(表2)。

2.3 候選生物指數計算結果

用使用頻率較高的4大類25個指數對結果進行分析, 各指數的計算數值范圍、平均值和標準差差異較大(表3)。其中Shannon-Wiener多樣性等22個指數在9個沒有底棲動物分布的斷面不能計算出有效數據。物種均勻度指數、環節動物/軟體動物以及軟體動物/環節動物 3個指數分別只得到49、42和55個有效數據。隨著污染脅迫增強, 數值出現上升的指數有8個, 數值出現下降的指數有20個。

2.4 敏感生物指數的篩選及計算結果

利用兩種非參數統計檢驗法—曼-惠特尼U檢驗(Mann-Whitney U)法和K-S檢驗(Kolmogorov-Smirnov)法, 對所有生物指數在32個相對清潔斷面和42個污染斷面的分布情況進行比較, 顯著性水平取0.01。計算結果顯示共有15個指數通過了兩種顯著性檢驗(P<0.01),并依據P值從小到大排列(表4)。

表1 上海市河道大型底棲無脊椎動物的物種組成及出現頻率Tab.1 Composition and occurring frequency of macro-benthos species

表2 相對清潔與污染斷面的水質比較(mg/L)Tab.2 Water quality comparison between relatively clean sites and polluted sites

綜合考慮各指標的有效性和各指標之間的信息重復性, 作以下進一步篩選: 物種均勻度指數、環節動物/軟體動物以及軟體動物/環節動物的有效斷面個數分別只有42、49和55個, 實效性低, 不予考慮。科級水平生物指數的計算方法與結果與Hilsenhoff耐污指數基本相近, 優先選擇使用頻率更高的后者。上海河道中的刮食者基本為腹足綱動物, 因此刮食者%與腹足綱%這兩個指標信息重復, 只要保留分類更明確的腹足綱%。上海河道中的過濾收集者基本為瓣鰓綱動物, 過濾收集者%與瓣鰓綱%動物信息基本重復, 而且55個河道斷面的瓣鰓綱密度為0, 因此不考慮該兩項指標。

最終確定保留Hilsenhoff耐污指數、Goodnight修正指數、直接收集者%、軟體動物%、腹足綱%、瓣鰓綱%、環節動物%、(甲殼動物+軟體動物)分類單元數共8種敏感生物指數。

表3 所有候選生物指數及計算結果Tab.3 Selection and calculation of all candidate biotic indices

表4 相對敏感生物指數計算結果的兩種非參數檢驗的漸近檢驗(雙尾)P值及其排序Tab.4 Non-parametric test of relatively clean sites and polluted sites based on different sensitive biological metrics

2.5 綜合生物指數的計算及水質評價

計算8個敏感生物指數在32個相對清潔斷面中的頻數分布統計(表5), 并采用5, 3, 1記分法, 利用簡單疊加法獲得融合了8種生物指數信息的綜合生物指數。 由于這8個敏感指數的最大得分為5分,最小得分為1分, 所以綜合生物指數值的可能范圍是8—40, 采用普遍適用的四分法, 將綜合生物指數值劃分為4個水質級別生物基準: 40—32, 較好(Good); 31—24, 一般(Fair); 23—16, 污染(Poor); 15—8 , 嚴重污染(Very poor)。9個無活體底棲動物的斷面無法計算綜合生物指數, 定為超嚴重污染斷面(Super poor)。

使用綜合生物指數對所有83個采樣斷面進行評價, 其中19個斷面為水環境較好, 9個斷面為水環境一般, 18個斷面水環境污染, 28個斷面為水環境嚴重污染, 另外9個未發現活體生物的污染斷面為超嚴重污染。水環境較好的斷面, 主要分布在黃浦江中上游、淀浦河中上游沿線以及崇明島。水環境嚴重污染和超嚴重污染斷面主要分布在黃浦江以西的中心城區和老工業區附近, 以及浦東新區人口密度較高的區域(圖1)。

表5 八個敏感生物指數在相對清潔斷面的頻數分布統計和記分標準Tab.5 Frequency distribution statistics of 8 sensitive metrics in the clean sites and its scoring criteria

圖 1 基于底棲動物綜合生物指數的河道水質評價結果Fig.1 Water quality evaluation based on integrated biological index of benthic macroinvertebrate

3 討論

水質理化指標測定仍是評價我國河流生態系統的水質狀況或環境質量的最常用方法, 因為理化指標能比較直接精確地反映河道水質。但嚴格來說理化指標只代表采集水樣那一刻的瞬時水質, 并不能直接或全面地反映水質與水生生物之間關系以及生態系統健康狀況。而且反映一個斷面的水質狀況通常需要同時測定數十項理化指標, 費時費力, 成本較高[3]。上海市河道水利工程日漸增多, 人為控制對河道生態系統的影響越來越大, 有些河道水質改善得益于定期開閘調水, 測定的某河段理化指標能否真實反映生態環境質量值得商榷。

從20世紀中葉起, 以大型底棲動物為主的水生生物監測逐漸成為國際上評價河流生態環境質量不可或缺的方法, 通過測定生物學參數和指標, 并構建這些指標與生物所在的水環境之間的定量關系(生物指數), 來評估水生態系統健康狀況[1,3]。水生生物參數是更加綜合性的參數, 一次監測可代表更長期(數月或數年)的河道環境狀況。大型底棲動物相當于全天候的水環境 “在線監測器”, 能真實反映河道的長期水質和生態系統狀況。

然而水生生物監測也有自身的局限性, 比如具有較強的地域性, 底棲動物群落結構具有明顯的區系特征, 評價標準難以統一。因此, 在構建生物評價基準時, 仍需將生物學評價結果與理化指標數據進行比較以驗證其準確度。為驗證綜合生物指數在上海地區的適用性, 對全市主要河道近5年水質理化指標進行比對分析, 共有41個同時有理化指標數據和計算綜合生物指數的河道斷面, 按照綜合生物指數的不同分類級別統計溶解氧、BOD5、TP以及NH3-N, 結果顯示綜合指數的各分類基準所對應的4個水質指標均有明顯的梯度變化, 尤其是溶解氧和BOD5(圖2)。對不同分類基準對應的水質數據進行非參數檢驗(Jonckheere-Terpstra檢驗), 結果也顯示5個生物基準對應的DO、CODcr、BOD5、NH3-N、TP、TN均有顯著性差異, 雙尾近似檢驗的P值均小于0.01(表6), 說明確定的生物基準是有效可靠的,運用綜合生物指數評價河道水質與傳統的理化指標反映的水質狀況基本一致。

圖 2 綜合生物指數各分級所對應的河道斷面水質的比較Fig.2 Comparison of water physiochemical characteristics using different criteria of integrated biological index of benthic macroinvertebrate

表6 綜合生物指數5類生物基準對應的水質數據Jonckheere-Terpstra(J-T)檢驗Tab.6 Jonckheere-Terpstra test of water physiochemical data among different criteria of integrated biological index

本研究在篩選生物指數時選擇的取樣斷面數比較充足, 覆蓋了上海市的絕大部分區域, 同時利用底棲動物綜合生物指數水質評價基準和利用同時期主要水質指標如溶解氧、生化需氧量、總磷、總氮等對上海河道水質的評價結果基本一致。因此, 所建立的底棲動物綜合生物指數水質評價基準適用于評價上海市河道水質和生態系統健康狀況。

致謝:

感謝華東師范大學劉文亮博士對疑難物種提供科學鑒定。

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DEVELOPMENT OF MULTI-METRIC INDEX BASED ON BENTHIC MACROINVERTEBRATES TO ASSESS RIVER ECOSYSTEM OF A TYPICAL PLAIN RIVER NETWORK IN CHINA

CHEN Xiao-Hua1,2, KANG Li-Juan1, SUN Cong-Jun1and YANG Qing1
(1.Shanghai Academy of Environmental Sciences, Shanghai 200203, China; 2.State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200062, China)

Bioassessment of benthic macroinvertebrate-based multmietrics is a very effective approach to evaluate quality of river water.Benthic macroinvertebrate assemblages were sampled at 83 sites in Shanghai metropolitan area, a typical dense river network plain.A total of 20 taxa of the benthic macroinvertebrate were collected, including 50% of Mollusca, 30% of Arthropoda and 20% of Annelida.Among 74 sites with living samples, 32 relatively clean sites and 42 polluted sites were separated based on Hilsenhoff biotic index discrminatory criteria.A comprehensive evaluation using 28 widely-used metrics was carried out.Furthermore, 8 metrics were selected as the most sensitive ones based on non-parametric tests (i.e., Mann-Whitney U test and Kolmogorov-Smirnov test).By standard scoring method, eight sensitive metrics were unified and integrated into a multi-metric index on a scale ranging from 8 to 40 for bioassessment at each site.Biocriteria values for benthic macroinvertebrate were proposed by quartation, i.e., 8—15, very poor; 16—23, poor; 24—31, fair; and 32—40, good.Water quality of 9 sites with no living sample were marked as very poor.According to the biocriteria, 41 typical sites were divided into 5 groups.The past 5-year historical data of physico-chemical water quality indicators have significant difference among 5 group sites.Consequently, the discrminatory biocriteria are suitable for the assessment of the river water quality of the Shanghai City.

Benthic macroinvertebrates; Multi-metric index; Biocriteria; Bio-assessment; Plain river network

Q145; Q179.4

A

1000-3207(2013)02-0191-08

10.7541/2013.4

2012-08-06;

2012-12-10

上海市環境保護局青年專項基金(滬環科2011-04)資助

陳小華(1978—), 男, 高級工程師; 主要研究方向為水污染治理與生態修復。E-mail: shoutfar@yahoo.com.cn