北江大型底棲無脊椎動物群落結構及水質的生物評價

曹 然,黎征武,毛建忠,盛 蕭,王旭濤, 鄧培雁

(1.華南師范大學化學與環境學院,廣東 廣州 510631; 2.云南省水文水資源局,云南 昆明 650106;3. 珠江流域水環境監測中心, 廣東 廣州 510611)

北江大型底棲無脊椎動物群落結構及水質的生物評價

曹 然1,黎征武1,毛建忠2,盛 蕭1,王旭濤3, 鄧培雁1

(1.華南師范大學化學與環境學院,廣東 廣州 510631; 2.云南省水文水資源局,云南 昆明 650106;3. 珠江流域水環境監測中心, 廣東 廣州 510611)

對北江25個采樣點的大型底棲無脊椎動物進行采樣調查,并根據大型底棲無脊椎動物的群落結構特征對水質進行生物評價。研究中共采集到大型底棲無脊椎動物46屬,分別隸屬于15目31科,其中水生昆蟲30屬,占65.22%;軟體動物8屬,占17.39%;環節動物6屬,占13.04%;甲殼動物2屬,占4.35%。出現頻率最高的3個種屬分別為多足搖蚊屬(Polypedilum)、巴蛭屬(Barbronia)以及蘇氏尾鰓蚓(Branchiurasowerbyi)。應用Shannon-Wiener多樣性指數、Margalef多樣性指數、Pielou均勻度指數、生物學污染指數BPI (biotic pollution index)、BI(biotic index)、FBI(family biotic index)、Goodnight-Whitley修正指數(GBI)7種生物指數對北江水質進行綜合評價。結果表明:與20世紀80年代的評價結果相比,北江的大型底棲無脊椎動物在種類和數量等多方面均發生了較大的變化,生物多樣性減少,耐污種所占比例增加,水質理化參數惡化;7種生物指數的評價結果存在一定的差異,部分指數之間存在較高的相關性,FBI指數和BPI指數的準確性和科學性更強,適用于北江水質的生物評價。在25個采樣點中,6個采樣點水質綜合評價等級為較差或極差,16個采樣點水質評價等級為一般,3個采樣點水質等級為良好,整體水質屬于一般的水平。人類活動對河流的水質狀況造成了一定的影響。從水質生物學的角度衡量,北江水質整體呈現下降趨勢。

大型底棲無脊椎動物;群落結構特征;生物評價;水質；北江

近年來,生物評價法已成為河流健康評估中常用的一種重要方法[1]。大型底棲無脊椎動物長期生活在河流底部,是河流生態系統的重要組成成分,具有生活周期長、遷移能力弱、地區性強等特點[2]。其對河流水質的變化十分敏感[3],因此,以大型底棲無脊椎動物為基礎開發的生物評價指數能夠更加準確地反映河流生態系統的健康狀況。

歐美發達國家在河流生物評價方面的研究開展較早,現已提出數十種基于大型底棲無脊椎動物的評價指數用于河流水質評價[4-5],其評價結果的科學性也已得到廣泛認可。而我國在此方面的研究處于起步階段,在實際應用中仍以國外成熟指數為基礎開展評價工作。目前國內外使用較為廣泛的指數有BMWP (biological monitoring working party)[6]、ASPT (average score per taxon)[7]、B-IBI (benthic index of biological integrity)[8]、BI (biotic index)[9]、FBI (family biotic index)[10]、MMI (multimetric macroinvertebrate index)[11]、BPI (biotic pollution index)[12]、Shannon-Wiener多樣性指數[13]、Margalef多樣性指數[14]、Simpson多樣性指數[15]、Pielou均勻度指數[16]以及Goodnight-Whitley修正指數(GBI)[17]。不同指數的使用條件和適用范圍都有所不同,在進行河流水質評價時,應根據實際情況對不同方法進行比較,并選擇合適的指數,以保證評價結果準確可靠[18]。

目前針對北江水質評價的研究較匱乏,難以對北江水質及污染狀況做出合理評價。蘇炳之等[19]曾在1985年采用大型底棲無脊椎動物指數對北江進行水質評價,但年代久遠,評價選用的指數數量較少,評價結果可信度不足。筆者基于北江的大型底棲無脊椎動物調查數據和水質數據,分析比較Shannon-Wiener多樣性指數、Margalef多樣性指數、Pielou均勻度指數、BPI、BI、FBI、GBI 7種指數在北江水質評價中的實際應用效果,探究北江大型底棲無脊椎動物群落結構的變化情況和空間分布特征,以期為北江的水質監測提供科學可靠的生物評價結果,從而深入了解北江河流生態系統的健康狀況。

1 區域概況與研究方法

1.1 研究區域概況與采樣點

北江發源于江西省信豐縣石碣大茅山,地跨江西、廣東兩省,是珠江流域的第二大水系。北江屬亞熱帶季風型氣候,季風影響顯著,陽光充足,熱量豐富。集水面積52 068 km2,干流全長573 km,一級支流包括墨江、錦江、武江、南水、滃江、連江、潖江、濱江和綏江等。基于北江各段地形地貌及污染源分布狀況,共設25個采樣點,覆蓋北江干流及所有一級支流,采樣點分布見圖1。

圖1 北江采樣點分布示意圖

1.2 樣品的采集、處理與分析

采樣在枯水期進行,樣品采集參照國際通用的采樣方法,在每個采樣點水深小于1.5 m、長度100 m的采樣區域內,選用直徑0.3 m、孔徑500 μm的D型尼龍紗網以掃網法采集大型底棲無脊椎動物樣品,共采集長度為10 m,總面積為3 m2的樣方。采樣時,按樣點內各種小生存環境(水草、靜水區、流水區及底質)出現比例分配小樣方數[20]。將D型網采集到的底泥樣本倒入水桶,輕輕攪動使底棲動物與底泥分離,過300 μm孔徑篩網,重復上述步驟至水桶中目測無底棲動物存在,再將篩得的底質樣本倒入裝清水的白瓷盤仔細挑揀。采集到的大型底棲無脊椎動物樣品裝入廣口瓶中,加體積分數為8%的甲醛溶液固定保存后帶回實驗室鏡檢計數。室內鑒定時,大部分物種鑒定至科或屬,少數根據相關資料鑒定至屬或種。

同時采集河流水樣,依據《水和廢水監測分析方法(第4版)》[21],現場使用便攜式多參數水質測量儀(YSI)測定水溫、pH值、DO、BOD、CODMn、TN、NH3-N、TP 8項水質理化指標。

1.3 水質生物評價方法

Shannon-Wiener多樣性指數[22]、Margalef多樣性指數[23]、Pielou均勻度指數[16]、BPI[24]、BI[25]、FBI[26]、GBI[17]的計算公式分別為

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:H為Shannon-Wiener多樣性指數值;dM為Margalef多樣性指數值;J為Pielou均勻度指數值;IBP為BPI值;IB為BI值;IFB為FBI值;IGB為GBI值;N是樣本總個體數;Ni為物種i的個體數;Pi為物種i的個體數占樣本總個體數的比例;S為物種豐富度;N1為寡毛綱、蛭綱和搖蚊科個體總數;N2為多毛綱、甲殼綱及除搖蚊科以外的其他水生昆蟲的個體總數;N3為軟體動物門個體總數;ti是物種i的耐污值;nj是科j的個體數;Noil為樣本中寡毛綱個體總數。

1.4 評價分級標準

結合已有研究成果[15,18,27],7種大型底棲無脊椎動物指數評價水質的分級標準見表1。

1.5 統計分析

7種大型底棲無脊椎動物評價指數的正態性檢驗利用K-S檢驗,其評價指數均符合正態分布,故采用Pearson相關性分析方法對指數間的相關性進行分析評價。所有分析方法均利用SPSS 19. 0軟件操作完成。

表1 生物評價指標等級劃分標準

2 結果與分析

2.1 大型底棲無脊椎動物群落結構與分布

2.1.1 物種組成

調查中采集到的底棲動物共15目31科46屬,分別隸屬于節肢動物門的昆蟲綱和甲殼綱、軟體動物門的腹足綱和瓣鰓綱以及環節動物門的蛭綱和寡毛綱。其中,水生昆蟲共6目17科30屬,占物種總數的65.22%;軟體動物共4目8科8屬,占物種總數的17.39%;環節動物3目4科6屬,占物種總數的13.04%;甲殼動物2目2科2屬,占物種總數的4.35%。25個采樣點中,出現頻率最高的3個種屬分別為多足搖蚊屬(Polypedilum)、巴蛭屬(Barbronia)以及蘇氏尾鰓蚓(Branchiurasowerbyi)。

2.1.2 群落結構

在物種組成方面,各采樣點的種群結構特征也不盡相同。將所有物種歸為水生昆蟲、環節動物、軟體動物和甲殼動物4大類,北江各采樣點的大型底棲無脊椎動物群落結構分布見圖2。其中,以水生昆蟲為主的采樣點可達15個,以環節動物為主的采樣點有8個。由此可以看出,水生昆蟲和環節動物為北江底棲動物群落結構中的主要組成部分。

圖2 各采樣點大型底棲無脊椎動物群落結構分布

2.1.3 數量變化

由調查結果可以看出,各采樣點的大型底棲無脊椎動物個體總數存在較大的差異。在25個采樣點中,S10采樣點采集到的大型底棲無脊椎動物數量最多,達到601只,其次是S21采樣點的367只,其余采樣點的大型底棲無脊椎動物數量均在200只以下,最少的是S23、S24采樣點,僅有11只。整體來看,大型底棲無脊椎動物的個體總數從S1至S25采樣點呈現逐漸減少的趨勢,具體分布見圖3。

表2 北江各采樣點水質生物評價結果

圖3 各采樣點大型底棲無脊椎動物個體總數分布

2.1.4 物種豐富度

北江各采樣點物種豐富度的分布見圖4。所有采樣點的平均物種豐富度為7種,最大值出現在S21采樣點,為17種,最小值出現在S15、S16、S24 3個采樣點,物種豐富度僅為3種。

圖4 各采樣點底棲動物物種豐富度分布

2.2 水質生物評價

各采樣點水質生物評價結果見表2。根據7種大型底棲無脊椎動物指數的評價結果,可以得到北江的水質屬于一般的水平。25個采樣點中水質等級為極差有2個,水質等級為較差有4個,水質評價等級為一般的采樣點有16個,水質等級為良好的采樣點有3個,沒有水質極佳的采樣點。

2.3 水質理化指標

水質理化指標能夠反映河流水質的瞬時狀態。對北江的水質理化指標進行分析,根據GB3838—2002《地表水環境質量標準》對其進行評價。可以看出,DO、BOD、CODMn3個理化指標滿足Ⅰ類水質標準,而TP、NH3-N、TN 3個指標分別滿足Ⅱ類、Ⅲ類和Ⅴ類水質標準,表明北江水體已受到氮、磷污染的影響。綜合各個指標的評價結果來看,北江水質基本滿足Ⅲ類水質標準。北江各水質理化指標統計值見表3。

表3 北江水質理化指標統計值 mg/L

2.4 不同生物評價指數比較

所選的7種大型底棲無脊椎動物指數對北江水質的生物評價結果分布情況見圖5。雖然部分指數的評價結果分布存在相似之處,如BI和FBI等,但大部分指數的評價結果總體上仍有較大差異,對河流整體水質的評價結果也不盡相同。如Shannon-Wiener指數的評價結果中占比重最大的等級為極差,Margalef指數的評價結果中占比重最大的等級為較差,FBI和BPI的評價結果中占比重最大的等級為一般,BI的評價結果中占比重最大的等級為良好,而Pielou均勻度指數和GBI的評價結果中占比重最大的等級為極佳。

圖5 不同生物評價指數評價結果分布

對7個指數分別成對進行Pearson相關性分析,以定量描述不同指數間評價結果的相關性,分析結果見表4。其中,BI、FBI、GBI之間具有極高的相關性,Shannon-Wiener指數、Margalef指數、Pielou均勻度指數和BPI之間也均具有較高的相關性。除此之外,7個指數之間無其他顯著相關性。

表4 各生物評價指數之間的Pearson相關系數

注： **為p<0.01;*為p<0.05;相關系數大于0.4表示兩者具有顯著相關性。

在BI、FBI、GBI 3個指數中,GBI與BI和FBI呈顯著負相關,而BI和FBI均以物種的耐污值為基礎進行計算,總體呈顯著正相關。在Shannon-Wiener指數、Margalef指數、Pielou均勻度指數和BPI 4個指數中,BPI與其他3個指數呈顯著負相關,而Shannon-Wiener指數與Margalef指數和Pielou均勻度指數之間則具有較高的正相關性,Margalef指數和Pielou均勻度指數也呈顯著正相關,但相關性相對較弱。

3 討 論

大型底棲無脊椎動物在種類、數量等方面的變化是河流生態健康狀況的重要指標,其群落結構能夠反映出人類活動對環境造成的負面影響[28]。北江的底棲動物以水生昆蟲為主要類群,軟體動物也占據較高的比例。搖蚊科、顫蚓科以及蛭綱的底棲動物出現頻率較高,在大部分采樣點均有出現。搖蚊科和顫蚓科的物種均為典型的耐污種,對有機污染有較強的耐受能力,這表明北江各采樣點均已受到不同程度的污染。在物種多樣性方面,北江的平均物種豐富度僅為7種,處于一個較低的水平,體現出北江的河流生態系統的穩定性較差,容易受到人類活動和環境變化的干擾。蘇炳之等[19,29]曾在20世紀80年代對北江底棲動物群落結構進行調查,并對北江水質做了初步評價,他們在北江的7個采樣點共采集到底棲動物73屬85種,其中河蜆、淡水殼菜、日本沼蝦、中華圓田螺等物種為優勢種,評價結果顯示,當時的北江已經受到了一定程度的污染,并對底棲動物的群落結構造成了影響。相比之下,筆者采集到的物種類別有所減少,物種多樣性水平降低,顫蚓、搖蚊等耐污種所占的比例增加,表明北江受到有機污染的影響加劇,北江水質呈現不斷下降的趨勢。

綜合比較其他學者在東江[12]、秦淮河[20]、松花江[15]、上海世博園后灘濕地[30]、湖北省大型湖泊[31]等國內多個地區各類水體的相關研究成果,可以發現,不同地區的底棲動物群落結構與水體水質之間的響應關系也存在諸多相似之處。不同種屬的底棲動物對各種污染物的耐受能力和敏感程度均不相同,特定種群在數量、類別方面的變化及出現頻率的差異與水質等級之間聯系密切。在各類水體中,水生昆蟲在種類和數量上優勢明顯,但多數昆蟲綱生物對水質優劣的指示作用并不顯著,僅以搖蚊科生物作為各類污染水體中的優勢類群,對有機污染有較強的指示性。以寡毛綱為代表的軟體動物雖然在底棲動物群落結構中僅占據很小的比例,但該類群的底棲動物耐污性強,常常成為污染水體的優勢物種。在對湖北省大型湖泊底棲動物群落結構的相關研究中發現,軟體動物作為優勢物種經常出現在面積較大的湖泊中,且物種類別豐富,而搖蚊幼蟲和寡毛綱生物則多為小型湖泊的優勢種,其物種數也相對較少[31]。分析表明,水體有機污染加劇對河流、湖泊的生態系統結構會造成影響,水體DO、有機物濃度等指標也會發生相應改變[32],這使得水體中的優勢生物類群逐漸向寡毛綱、搖蚊科等適應能力更強的物種轉變,物種多樣性水平也大幅降低。因此,進行水質評價時,在使用水質理化指標和生物評價指數的基礎上,可以同時參考底棲動物的群落結構組成和物種豐富度進行分析,能夠幫助研究者對各類水體的水質狀況有更加全面、科學的認知。

通過不同水質理化指標對北江水質進行評價的結果表明,北江水質已受到氮、磷污染的影響,出現了水體富營養化的現象。從水質等級的評定結果來看,生物評價指數和水質理化指標對北江水質的評價結果基本一致。比較而言,兩種方法在本質上仍存在著一定的差異。水質理化指標在水質評價中的應用已較為成熟,其評價結果精確度高,易于量化,可以通過建立統一的水質評價標準對不同水體的水質進行比較和管理[33]。但水質理化指標具有較強的隨機性,一次采樣僅能代表該時段的瞬時水質,其評價結果的代表性和科學性需要進一步驗證。生物評價注重水質對水生生物和河流生態系統的影響,能夠體現污染物在較長時段內對河流水質的累積影響,評價結果更為準確和科學。而生物評價也存在一定的不足,其評價結果更傾向于定性描述水質狀況,難以給出定量分析。因此,在實際應用中,可將兩種方法結合使用,優勢互補,能夠提高評價結果的科學性和可靠性,系統、全面地評價河流水質狀況。

采用大型底棲無脊椎動物評價指數評價河流水質時,選用的指數不同,得到的評價結果往往存在一定的差異。筆者選擇了7種國內外常用的生物評價指數分別對北江水質進行評價,綜合評價結果認為北江的水質屬于一般的水平。根據各個指數的單一評價結果也可以看出,北江的物種多樣性水平較低,耐污種在底棲動物群落中占據一定優勢。該結果與通過底棲動物群落結構的變化特征推斷得到的水質等級基本一致。

由于生物評價指數構建的基礎依據和計算原理不同,所選用的7種指數得到的水質評價結果存在一定程度上的不同。由相關性分析可以看出,Shannon-Wiener多樣性指數、Margalef多樣性指數以及Pielou均勻度指數以群落結構和物種豐富度為依據進行計算,3個指數之間具有較高的相關性,其評價結果主要反映的是河流生態系統在物種多樣性方面的好壞程度,并未考慮不同物種耐污能力、敏感性的差異以及群落結構中耐污種和清潔種的比例變化,對水質的變化沒有直觀的反映,在實際應用中應與其他類別的生物指數相結合,綜合評價河流水質及健康狀況。BI和FBI之間具有極高的相關性,2個指數以底棲動物對河流污染狀況的耐受程度為依據進行計算,同時考慮了物種多樣性和不同生物耐污能力的差異,對河流水質的評價更為準確和科學。且相比BI而言,FBI對物種類別的劃分更加細致,其評價結果與真實水平也更為接近,可信度相對較高。GBI的計算主要考慮寡毛綱生物的物種分布,而在北江的底棲動物群落中,水生昆蟲在種類上和數量上均占據著較大優勢,由于北江部分河段的生境不適合寡毛綱生物的生存,寡毛綱生物的分布受到一定影響,在多個采樣點分布極少或未曾出現,因此GBI的評價結果也受到一定影響,準確性存在一定偏差。BPI則綜合考慮了不同物種的影響,同時對物種類別和耐污能力均予以考量,評價結果的準確性也得到了提高。總體來看,FBI和BPI更加適用于北江的水質生物評價。

利用大型底棲無脊椎動物指數進行水質生物評價也有其局限性。BI、FBI等在計算時使用物種耐污值作為依據,但我國在物種耐污值方面的研究長期處于落后的水平,對于局部地區耐污值的研究僅見王備新等[34]對我國東部地區、王建國等[35]對廬山地區、邢樹威等[36]對遼寧地區、趙瑞等[37]對遼河流域等相關研究工作,針對其他江河流域進行水質生物評價時需要參考國內外其他地區相關研究的耐污值數據。由于地理位置和生活環境的不同以及人類活動的影響,物種耐污值在不同地區之間均存在一定差異,這會對河流水質生物評價的最終結果造成很大的影響,評價結果的準確性也需要進一步驗證。

4 結 論

對北江的25個采樣點的大型底棲無脊椎動物的生物評價的結果表明,北江水質整體水平一般,物種多樣性水平相對較低,底棲動物以多足搖蚊屬、巴蛭屬以及蘇氏尾鰓蚓為主。Shannon-Wiener多樣性指數、Margalef多樣性指數、Pielou均勻度指數、BPI、BI、FBI、GBI 7種生物評價指數中,FBI和BPI的準確性和科學性更強,適用于北江水質的生物評價。與20世紀80年代的評價結果相比,耐污種所占的比例增加,北江的水質整體呈現下降趨勢。

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Benthic macroinvertebrate community structure and bioassessment of water quality of Beijiang River

CAO Ran1, LI Zhengwu1, MAO Jianzhong2, SHENG Xiao1, WANG Xutao3, DENG Peiyan1(1.SchoolofChemistryandEnvironment,SouthChinaNormalUniversity,Guangzhou510631,China;

2.HydrologyandWaterResourcesBureauofYunnanProvince,Kunming650106,China;3.PearlRiverWaterEnvironmentMonitoringCenter,Guangzhou510611,China)

Water quality bioassessment was conducted based on the community structure of benthic macroinvertebrates investigated at 25 sampling sites in the Beijiang River. In this study, 46 genera of macroinvertebrates belonging to 31 families and 15 orders were identified, among which aquatic insects (30 genera), mollusks (eight genera), annelids (six genera), and crustaceans (two genera) accounted for 65.22%, 17.39%, 13.04%, and 4.35% of the total, respectively.Polypedilum,Barbronia, andBranchiurasowerbyiwere the dominant species among all the benthic macroinvertebrates. The Shannon-Wiener index, Margalef index, Pielou index, biotic pollution index (BPI), biotic index (BI), family biotic index (FBI), and Goodnight-Whitley modified index (GBI) were used to comprehensively evaluate the water quality of the Beijiang River. The results show that the variety and the number of macroinvertebrates during the study period had changed remarkably compared with those in the 1980s. The biodiversity had decreased, the proportion of pollution-tolerant species had increased, and the water quality had deteriorated according to physical and chemical parameters. The evaluation results of the seven biological indices showed a certain difference. Some of the indices had significant correlations between each other. The BPI and FBI indices were more adaptable to the water quality bioassessment of the Beijiang River due to their accuracy and rationality. The water quality was at low or extremely low levels at six sites, at moderate levels at 16 sites, and at high levels at three sites, indicating that the water quality at all the 25 sites was at a moderate level on the whole. Human activities had some influence on the water quality of the river. The overall water quality of the Beijiang River showed a downward trend based on water quality bioassessment.

benthic macroinvertebrates; community structure features; biological assessment; water quality; Beijiang River

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.04.013

廣東省水利科技創新項目(2014-16)

曹然(1993—),男,碩士研究生,研究方向為環境生態學。E-mail: ryan.cao@foxmail.com

鄧培雁,教授,博士。E-mail: dpy213@126.com

X826

A

1004-6933(2017)04-0080-08

2016-09-10 編輯：王 芳)