中國北方河流底棲動物群落季節性演替對水生態環境質量評價的影響

劉 蕊，李中宇，趙 然，胡顯安，王麗娜，王業耀，王備新，金小偉

1.黑龍江省環境監測中心站，黑龍江 哈爾濱 150056 2.中國環境監測總站，國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室，北京 100012 3.佳木斯市環境保護監測站，黑龍江 佳木斯 154002 4.南京農業大學昆蟲系水生昆蟲與溪流生態實驗室，江蘇 南京 210095

大型底棲動物因對不同類型的污染或人為干擾的響應都比較敏感，成為廣泛應用于河流健康等生態評價的指示生物，可以綜合反映長期人類活動對河流生態系統擾動的程度[1]。近年來，國內的生態學者在這方面開展了大量的研究[2-8]，環境監測系統也進行了積極的嘗試[9-13]。松花江流域水生生物試點監測從2012年開始，應用底棲動物對松花江流域水生態質量進行評價和研究，發現各斷面底棲動物的物種數增多，尤其是清潔物種明顯增加，生物學評價結果充分反映出黑龍江省水生態質量的改善成果，趨勢較顯著。同時圍繞環境管理的重點工作開展了相關研究，利用底棲動物的群落特征對環境變化進行預警[14]。

研究中發現，底棲動物的群落結構在春季和秋季季節更替比較明顯，群落結構變化較大，直接按采樣時間評價，結果存在偏差。為了將群落的演替與污染影響區分開來，按照底棲動物的生活習性和生活史特點及其在水生態評價中的作用，引進復合樣方[15]的理念，按全年檢出物種數量開展評價，效果較好。該研究基于在松花江試點監測區域設置的47個采樣點數據，選取2012—2015年108組春季和秋季均完成采集任務的數據進行分析，利用BMWP指數[16]進行評價，重點探討底棲動物群落的季節變化和評價結果的差異，以期為準確評價北方水體水生態質量提供技術支持，滿足客觀性和科學性的需要。

1 實驗部分

1.1 研究區域概況

研究區域分布在黑龍江、烏蘇里江、興凱湖和松花江干流及其主要支流(包括源頭)。黑龍江以海拉爾河為源頭，全長為4 344 km，是中俄界江；烏蘇里江全長為890 km，是中俄界江，界河段長492 km；興凱湖是中俄界湖，在中國境內的面積為1 080 km2；松花江從源頭到三岔河段為嫩江，長為1 370 km，三岔河以下為干流，全長為939 km[17]。除源頭以外，多數采樣點位于深水河流或湖庫的岸邊帶。區域內界河和界湖受人類活動影響較小，保持比較原始的自然狀態，而松花江流域人類活動強度差異較大，源頭區域人為干擾少，基本處于原生態狀態，平原河流受人類活動影響較大(尤其是大城市附近)，呈現出相應的空間分布特征。

1.2 樣品采集及鑒定

研究區域共布設37個斷面47個采樣點，斷面代碼及名稱見表1，斷面分布示意圖見圖1。每個采樣點選取不同的生境用手抄網采集定性樣品，選擇最適合底棲動物多樣性的生境設置基質籠，一般每個采樣點放2個，放置14 d，采集定量樣品。現場經0.63 mm孔徑的分樣篩進行過濾，挑揀，保存至30%酒精中，回實驗室后，換75%酒精固定，直至鑒定結束。各類生物鑒定到最小分類單位，數據按定性和定量合并的結果統計[18]，年度按6月和9月平均統計。

表1 研究區域斷面代碼及名稱Table 1 Section code and name for survey region

圖1 松花江流域監測斷面分布示意圖Fig.1 Locations of sample sites in Songhua River basin

1.3 生物評價指數計算方法

底棲動物BMWP指數[16]計算公式：

(1)

式中：ti表示第i科的物種的敏感值；n表示科級分類單位的總數,個。

采樣點的BMWP指數得分越高，表明受到的人為活動影響越小，評價標準見表2。

表2 BMWP指數評價標準Table 2 Evaluation criterion for BMWP index

1.4 數據統計和分析

復合樣方是指同一采樣點全年多個不同時間采集的樣方總和，反映該采樣點的水生態狀況，數據統計全年檢出物種數量和每個物種檢出量的平均值，簡稱年均值。

采用物種更替率(R)和Jaccard種類相似性指數[19]對不同季節底棲動物群落的物種變化和群落結構進行分析。

R=〔(a+b-2c)/(a+b-c)〕×100%

(2)

式中：a與b分別為2個樣品的物種數，c為2個樣品共同的物種數。

Jaccard種類相似性系數的公式為

(3)

式中：a為樣品A的生物種類數；b為樣品B的生物種類數；c為樣品A和B的共同種類數。當A、B 2份樣品(2個調查地點或2個斷面)的種類完全相同時相似性為100%；反之，若不存在共同種，則相似性為0。

2 結果與討論

2.1 底棲動物群落結構

共鑒定出底棲動物179個分類單位，其中水生昆蟲EPT物種74個屬，占41.3%；水生昆蟲其他物種50個科(屬)，占27.9%；軟體動物27個屬(種)，占15.1%；甲殼動物10個屬(種)，占5.6%；環節動物16個屬(種)，占8.9%；其他種類2個屬(種)，占1.1%，見圖2。水生昆蟲和軟體動物分布廣泛，并且多數采樣點以其為優勢類群，密度范圍較大(1～9 551個/籠)。

圖2 底棲動物群落組成Fig.2 Composition of benthic macroinvertebrate communities

2.2 不同季節底棲動物群落結構差異分析

大型底棲動物雖然長期生活在水中，但受生活史、氣候、水溫等因素影響，不同季節采集的物種往往不同，物種數也存在較大的差異，在松花江流域試點監測中得到了證實。底棲動物群落中物種數季節變化主要表現為水生昆蟲數量的變化(以2014年為例)，見圖3。利用Jaccard相似性系數統計(表3)，2012—2015年間6、9月群落相似性系數為8.4%～100%，群落的差異很大，其中78.8%的樣品屬于極不相似和輕度相似；19.4%屬于中度相似。6月監測結果與年均值之間群落的相似性系數為25%～100%，中度相似占比較多，達到45.4%，極相似次之，為38.9%；9月監測結果與年均值之間群落相似性多屬于中度相似，達到62%，其次是極相似，為23.2%。總體表現為物種數越多，相似性越差，尤其是水生昆蟲物種較豐富的采樣點，這種狀況更明顯。

注：每個采樣點數據從左至右依次為6月、9月和年均值。圖3 2014年各采樣點物種數差異比較Fig.3 Comparison of benthic macroinvertebrate communities for each sample sites in 2014

Jaccard指數/%相似度6月與9月監測結果6月監測結果與年均值9月監測結果與年均值個數占比/%個數占比/%個數占比/%0完全不相似——————1～25極不相似2926.910.910.926～50輕度相似5651.998.3131251～75中度相似2119.44945.4676276～99極相似10.94238.92523.2100完全相似10.976.521.9

注：“—”表示未出現。

6月和9月底棲動物群落中物種更替率較高，為20%～91.6%，超過50%的采樣點更替率在60%以上。

2.3 不同季節水生態環境質量評價結果差異性分析

應用大型底棲動物評價水生態質量的狀況，評價指數很多，主要包括生物多樣性指數(如豐富度指數、Margalef指數)；分類單元型指數(如EPT指數)；應用底棲動物耐污值的FBI指數；基于科級敏感值的BMWP指數及在BMWP指數基礎上發展的ASPT指數。無論利用哪種評價方法，結果的好壞主要取決于采集的物種數、種類和數量，研究僅利用BMWP指數進行水生態評價的計算和比較，BMWP指數是基于底棲動物的敏感性建立的，最早被應用于對有機污染的監測，目前已在不同國家和地區廣泛應用，并獲得了認可[20-22]。該指數在松花江流域水生生物試點監測中得到修訂，通過多年的實踐驗證，該指數在這一地區的應用比較成熟。冷龍龍等[16]在遼河和太子河的研究中也推薦了這種方法。該評價方法比較簡單、快速、應用方便，對底棲動物的鑒定要求較低(一般到科級水平)，研究團隊的參與人員均能夠達到要求，有利于提高鑒定的準確性。BMWP指數評價結果按照物種數年均值由低到高將采樣點排序，見表4。將各采樣點6、9月和年均值的BMWP值作圖(圖4)，可見，隨著物種數的增多，BMWP指數值也增大，6、9月及年均值的BMWP值之間差異越大。

2.4 群落季節演替對水生態狀況評價的影響

底棲動物群落結構多樣性較豐富，可以有效指示短期和長期人為活動對河流生態系統的影響[20，23]，對水環境污染和水文擾動都有很強的指示作用[24-25]，是評價河流水生態狀況的生物類群之一。利用底棲動物評價水生態狀況的過程中，群落演替會對結果造成誤判，通過對底棲動物群落特征的分析認為，這主要是由研究區域的客觀因素造成的。該區域物種豐富，底棲動物中水生昆蟲占比很大，水生昆蟲的生活史中存在羽化現象，加之北方寒冷，無霜期短，水生昆蟲的羽化時間比較集中。而受汛期的影響，現實工作中，樣品的采集一般僅安排在每年的6、9月，出現明顯的季節更替，因此會導致低估或誤判水生態狀況等。

表4 BMWP指數評價結果Table 4 Evaluation result for BMWP index

圖4 BMWP指數評價結果比較Fig.4 Comparison of evaluation result for BMWP index

在樣品采集的過程中群落結構發生的變化屬于自然現象，并非因水生態狀況改變引起，所以研究引進復合樣方的理念，在適宜采集的季節采樣，并統計整理成復合樣方的數據(年均值)，按全年檢出的物種數量和每個物種檢出量的平均值進行評價，表達水生態狀況，能夠減少因物種的季節更替帶來的低估、誤判，提高水生態評價的準確性。

利用水化學指標評價水質的狀況，是表達水環境質量的瞬時狀況，而底棲動物群落因受外界脅迫而發生的變化則是表達長期、綜合的結果，同時也具有一定的滯后性和延后性。除了特殊的急性污染應急事故或劇烈的干擾會導致生物種群的突然死亡或者種群減小以外，通常的環境壓力脅迫都是低濃度長期作用的結果，其生物群落的變化往往具有延遲效應，所以底棲動物反映的生態狀況是具有階段性的，不宜使用一次數據表達采樣時間的瞬時狀況。

3 結論

鑒于底棲動物的生活史特點，不同時間采集的樣品底棲動物群落存在自然的季節更替，這種更替主要源于水生昆蟲物種數量的變化，導致評價的結果存在差異，越是物種豐富的區域，這種差異越明顯。

利用底棲動物評價水生態狀況，宜選擇長時間段的多個采集數據，經統計整理后，利用復合樣方(年均值)的特征，評價一段時間(如以年為單位)的水生態質量狀況，提高評價結果的客觀性、準確性。