基于不同指示生物的山區河流水質評價研究
——以唐家河國家級自然保護區為例

何欣曼，李 錦，曾 燏，張富斌,2，向伶俐，毛 聆，馬 佳

(1.西華師范大學生命科學學院，國家淡水漁業工程技術研究中心(武漢)西南分中心，四川南充 637000；2.西華師范大學環境科學與工程學院，四川南充 637009)

水是生命之源，也是人類賴以生存和發展的物質基礎。山區河流是水資源的重要組成部分，受人類干擾強度弱，污染少，水質優良，其被保護和科學利用的重要性日益受到全社會的重視。水質評價，是治理水體污染和保護水環境的前提和基礎。傳統的水質評價方法主要是基于水質理化監測值來評價水質的瞬時狀況，難以有效地反映污染物與水環境之間的連續影響和累積作用。水質生物學評價則是利用浮游動物、浮游植物、大型底棲動物和魚類等指示生物來評價水質狀況，其敏感性高、客觀性強、能最大程度上反映水環境質量狀況，克服了理化檢測的局限性和繁瑣性，因此在國內外被廣泛應用。不同的指示生物代表了食物鏈的不同環節，對污染物的敏感程度不同，指示生物的選擇與水質生物學評價的結果有密切關系，因此如何選擇合適、有效的指示生物是水質生物學評價的關鍵問題之一。但是目前大多數研究者在水質評價研究中，選用的指示生物并不統一，也沒有具體的標準和參考，因此有必要深入探究不同流域生物水質評價的最適指示生物。

唐家河國家級自然保護區位于四川省青川縣境內，主要保護對象為大熊貓及森林生態系統，區內水系發達，大小支流眾多，比降大，水資源豐富，河水湍急、水溫低，河床底質類型以鵝卵石為主，為典型的川西山區河流，也是冷水性魚類優良的棲息地。隨著保護區科研活動、旅游業和鄉村建設等的快速發展，唐家河保護區河流受到了不同程度的影響，目前相關的研究主要集中在動物、植物、生態旅游建設等方面，而針對水環境質量評價的研究，鮮有報道。因此我們選用浮游植物、浮游動物和底棲動物三類代表性水生生物作為指示生物，在分析其群落特征的基礎上，評價典型山區河流唐家河的水質本底狀況，同時從指示生物一般標準符合度和水質生物學評價結果準確度兩個方面，探討唐家河山區河流水質生物學評價中的最適指示生物，以期為此類型的山區河流水質生物學評價和唐家河水環境保護提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 采樣點位設置

根據生態旅游空間規劃、河流地理位置和走向，將唐家河劃分為旅游區(S1～S8)、科研交流區(S9～S12)和居民區(S13～S14)三個河段，共設置14個采樣點位(圖1)，于2019年10月和2020年10月對各樣點進行調查采樣，每個采樣斷面經緯度及海拔高度通過全球定位系統(MAGELLAN explorist-200)來記錄。

圖1 研究區地理位置Fig.1 Geographical location of the study area

1.2 基于指示生物的水質評價

1.2.1 樣品采集與處理

5項水質理化因子的測定：使用HACH多參數水質分析儀現場測定溶解氧含量(DO)、水溫(WT)和pH，采用便攜式多參數水質分析儀測定磷酸鹽和氨氮(NH-N)，分析方法參照《國家地表水環境質量監測網監測任務作業指導書(試行)》。

浮游植物和浮游動物樣品的定性采集：使用25號(孔徑0.064 mm)浮游生物網，在離水面0.5 m處按照“∞”字形緩慢拖拽3～4 min，將網頭中的水樣轉移至標本瓶中，用4%～5%甲醛溶液固定并搖勻。

浮游植物樣品定量采集：用采水器采集不同深度混合定量樣品1 L，加入體積比為1.5%的魯氏碘液固定，靜置48 h后濃縮到25 mL，觀察時搖勻，參考《中國淡水藻類——系統、分類及生態》在顯微鏡下進行計數和鑒定。

浮游動物樣品定量采集：用采水器在水深約0.5 m處采集水樣10 L，通過25號浮游生物網過濾，用4%～5%甲醛溶液固定并搖勻。參考《水生生物學》方法在顯微鏡下進行計數和鑒定。

底棲動物樣品采集：主要使用索伯網(開口面積約為500 cm)和D形網(采樣邊長30 cm)，采集后使用225 孔/cm的網篩在水中清洗，收集到采樣瓶中，用5%的福爾馬林固定。參考《淡水微型生物與底棲動物圖譜》在顯微鏡和解剖鏡下進行計數和鑒定。

1.2.2 水質生物學評價方法

分別利用三類指示生物的Shannon-Wiener物種多樣性指數(′)、Margalef物種豐富度指數()以及Pielou均勻度指數()，運用模糊集合逆向關系標準化處理各個生物指數，得到模糊隸屬函數μ()，值μ()即為生物污染分指數，再運用環境質量混合加權模式，計算綜合生物指數，根據值確定水質污染程度，這克服了單項生物指數評價水質的單一性和不確定性，計算公式如下：

以上是我校開設營養學專業的困境與思考，相信不同的院校會存著或多或少的通病，以及自己的短板。互相借鑒，互相學習，才能促進營養學專業培養的不斷進步。健康的促進不能只靠治療，要靠預防，而營養則是預防醫學的利器。

1.3 三類指示生物的適合度比較

為了探究最適合唐家河水質生物學評價的指示生物，我們分別從指示生物的符合度和水質評價結果的準確度兩個方面進行比較研究。

符合度比較：將三類指示生物各自的特征與PHILLIPS等和HAUG等所確定的標準特征相比較，來確定符合度高低。因其不涉及指示生物體內污染物濃度的相關內容，所以選定耐受性(累積一定量的污染物不死亡)、生活方式(固著生活，可代表污染區)、數量(足夠豐富，能重復采樣)、年齡(壽命足夠長，存在不同年齡組個體)、生長(個體能提供適量的組織或細胞樣品進行分析)、采樣(易于采樣，實驗室培養容易存活)、分布(能在半咸水中存活)等7個標準特征為本研究的比較特征。不同指示生物相關的特征指標通過現場采樣、文獻查閱和直觀性比較等方法獲取。

準確度比較：首先通過“多數原則”來確定各樣點的水質理論等級，其評價標準如下：在某一樣點中三類指示生物的評價等級中有兩種及以上結果相同時，該結果為其水質評價的理論等級，當三類指示生物的評價結果都不一樣時，則中間等級的評價結果為其水質評價的理論等級(注意此處的水質理論等級只是一種判別方法，并不代表該樣點的真實水質評價等級)。然后將三類指示生物的水質評價結果與理論等級相比較，來確定準確度高低，與理論等級差異越小，其準確度越高。最后用Mann-Whitney U秩和檢驗來比較三類指示生物的水質評價結果與水質理論等級是否存在顯著差異(因各樣點的水質評價結果為等級差異的順序變量數據，所以選用非參數統計方法)，統計分析均在SPSS 21.0軟件中進行。

2 結果

2.1 三類指示生物的群落結構及組成

唐家河共采集到浮游植物6 門42 科44 屬51 種，平均密度為19.21×10ind /L。其中硅藻門為優勢類群，有26 種，占浮游植物總種數的51.1%；綠藻門有13種，占總種數25.5%；藍藻門有3 種，占總種數的5.9%；隱藻門2 種，占總種數的3.8%；裸藻門3 種，占總種數的5.9%；甲藻門4 種，占總種數的7.8%(見圖2)。其中出現頻率最高的種類有脆桿藻()、針桿藻()、橋彎藻()、異極藻()，幾乎存在于所有樣點。

浮游動物共4 門9 科12 屬19 種，平均密度為13.21 ind/L。其中原生動物為優勢類群，有12 種，瓶累枝蟲()、淡水薄鈴蟲()、鐘蟲()、湖沼砂壺蟲()、長筒擬鈴蟲()等占總種數的632；枝角類3 種，蚤狀溞()、角突網紋溞()、長額象鼻溞()共占總種數的158；橈足類2 種，特異蕩漂水蚤()、球狀許水蚤()共占總種數的105；輪蟲有2種，螺形龜甲輪蟲()、萼花臂尾輪蟲()共占總種數的10.5%(見圖2)。

底棲動物共3 門15 科17屬23 種，平均密度為135.71 ind/m。其中節肢動物(主要是水生昆蟲)為優勢類群，有14 屬20 種，占總種數的87%；環節動物有2屬2種，占總種數的8.7%；軟體動物有1屬1種，占總種數的4.3%(見圖2)。在節肢動物中，毛翅目種類最多有6種，襀翅目和蜉蝣目各有4種，是底棲動物群落結構的主要組成部分。其中小短石蛾屬()、短脈紋石蛾屬()、紋石蛾屬()、四節蜉屬()、扁蜉屬()、鈍襀屬()、劍襀屬()分布廣泛，而環節動物的石蛭屬()和扁蛭屬()，以及軟體動物中的蜆屬()分布范圍較窄僅在S 7、S14出現過。

圖2 三類指示生物的群落組成結構Fig.2 Community composition of three types of indicator organisms

圖3 三類指示生物的物種數與平均密度Fig.3 Number of species and average density of three types of indicator organisms FZ代表浮游植物，FD代表浮游動物，DX代表底棲動物，下同

2.2 山區河流的水質評價結果

唐家河水質生物學評價的理論等級為中污染，不同研究區域所受污染程度不完全相同，其中旅游區為中度偏輕污染，科研區為中度偏重污染，居民區為中污染，不同采樣點的評價結果也并不完全一致。其中78.57%的采樣點(共11個采樣點)水質理論等級為不同程度的中污染，14.29%的采樣點理論等級為輕污染(S1和S3)，7.14%的采樣點為重污染(S10)。水質理化指標測定結果顯示，唐家河年平均水溫12.2 ℃，pH7.07～8.0，符合典型山區河流水質特征，具體結果見表1和表2。

表1 各采樣點水體理化參數Tab.1 Physical and chemical parameters of water bodies at each sampling point

基于不同指示生物的水質評價結果也存在較大差異。整體上看，浮游植物和底棲動物的水質評價結果相同，均表現為不同程度的中污染，浮游動物的水質評價結果則表現為中度偏重度污染，但Mann-Whitney U秩和檢驗結果表明水質理論等級與三類指示生物的水質評價結果并不存在顯著差異。樣點上看，基于底棲動物的水質評價結果中，

只有S11的水質評價等級為重污染，其余樣點的水質評價等級均為不同程度的中污染；基于浮游植物的水質評價結果中，只有S6的水質評價等級為清潔，S1、S3和S9均為輕污染，S10為重污染，其余9個樣點則為不同程度的中污染；基于浮游動物的水質評價結果中，重污染等級的樣點最多，有7個，S1、S3和S7均為輕污染，S2、S4、S11以及S13為不同程度的中污染(見表2)。

表2 各樣點綜合生物指數評價結果Tab.2 Comprehensive biological index evaluation results of each sample point

2.3 三類指示生物的適合度比較

三類指示生物在唐家河水質生物學評價中的適合度存在差異。符合度比較結果表明：底棲動物完全符合所有標準特征，符合度為100%，浮游植物與浮游動物均有3個特征不符合標準特征，符合度僅57.1%(見表3)；準確度比較結果表明：基于底棲動物(DQ)的水質評價結果準確度最高，與理論等級的一致率為64.29%，相差一個等級的比例為28.57%，相差兩個等級的比例為7.14%，其次是浮游植物，相差一個等級的占35.72%，相差兩個等級的占7.14%，剩下57.14%的結果與理論等級一致，最低的是浮游動物(FD)，與理論等級的一致率僅有28.57%，50%的結果與理論等級相差一級，剩余21.43%相差兩級(見圖4)。

表3 三類指示生物的一般標準符合度Tab.3 General criteria compliance for the three categories of indicator organisms

圖4 不同評價方法與理論等級的整體比較結果Fig.4 Overall comparison results of different evaluation methods and theoretical levels

在不同采樣河段中，三類指示生物特征符合度的比較結果與上述結果相同，但在準確度比較結果上存在較大差異。如在旅游區河段中，基于底棲動物的水質評價結果的準確度最高，達到75%，其次是浮游植物，準確度為50%，最低是浮游動物，僅有37.5%；在科研交流區河段中，浮游植物和底棲動物水質評價結果的準確度相同，均為50%，浮游動物最低，僅為25%；在居民區河段中，浮游植物與底棲動物水質評價結果的準確度也相同，均為100%，而浮游動物水質評價準確度與理論等級卻完全不同，相差一級與相差兩級的比例各占50%(見圖5)。

圖5 不同評價方法與理論等級的區域比較結果Fig.5 Regional comparison results of different evaluation methods and theoretical levels

基于上述符合度和準確度的比較結果可知，在三類指示生物中，底棲動物100%符合指示生物的標準特征，且整體水質評價的準確度也是最高的，是最適合唐家河山區河流水質評價的指示生物，其次是浮游植物，最后是浮游動物。

3 討論

3.1 唐家河三類代表性水生生物群落特征

浮游植物是水生態系統中的初級生產者，是水體生產力的重要體現。作為水質評價常用的指示生物，在不同營養型水體中，浮游植物的物種組成以及優勢類群存在差異。如接近富營養型水體的汾河太原河段和湯溪水庫的浮游植物群落中均以藍藻門為優勢類群，而新西河水庫、鎮北水庫等9座中營養型水庫則以硅藻-綠藻為優勢類群，在貧營養型水體丹江口水庫中，硅藻門為主要優勢類群，藍藻門次之。本研究結果顯示唐家河浮游植物以硅藻、綠藻為主要類群，硅藻為絕對優勢類群(圖2)，群落結構在種類組成上與中-貧營養型水體較為相似。基于浮游植物的水質評價結果顯示，S1、S3和S 9的水質評價為輕污染，S6的水質評價為清潔，其他樣點多數為β-中污染。唐家河流域位于國家級自然保護區內，各種人為污染相對較少(特別是旅游區，位于自然保護區較深處)，氮、磷等營養鹽的輸入與輸出平衡機制未受到嚴重的破壞，以硅藻為優勢類群的浮游植物，其群落結構特征也與當前水體營養類型相符。

浮游動物作為次級生產力在水生態系統中起著重要的作用，其群落結構受多種環境因子的綜合影響，而水溫、透明度和pH等環境因子是直接影響浮游動物群落的因子。每一種浮游動物都有最適合其生長繁殖的溫度范圍，水體中浮游動物的種類和生物量等與溫度呈正相關，如輪蟲的數量高峰一般在20 ℃以上的水環境中；水體透明度越高，浮游動物的種群數量和豐度就會越低；調查水域的pH值會極大地影響浮游動物的群落分布，如大多數原生動物適宜的pH為6.6～7.5，水質為中性或微堿性，而在微堿性或堿性的水體中，輪蟲種類較少。研究區域共采集到浮游動物4門9科12屬19種，原生動物為優勢類群，其中輪蟲僅有2種。唐家河是典型的山區河流，水溫常年較低，年平均水溫12.2 ℃，水質pH值7.07～8.00，微堿性(表1)，屬于原生動物生存的適宜水溫和pH，而水體的透明度高，限制了大多數浮游動物的生長和繁殖。同其它兩種指示生物相比，其物種數量和豐度均較低，導致綜合生物指數偏高，水質評價結果出現較大的偏差。

底棲動物是水生態系統食物鏈中的重要組成部分，其游泳能力較弱，區域性強，且多生活在底泥中，能反映水體較長時間的變化，是評價和檢測水體有機污染的重要指示生物。如受有機污染較為嚴重的溫榆河中，底棲動物以顫蚓科、搖蚊科等耐污種為優勢類群；李再培等研究發現松花江底棲動物群落特征與不同河段的有機污染程度高度一致，如未受到有機污染的朱順屯河段以毛翅目、蜉蝣目以及蜻蜓目為底棲動物優勢類群，兼有代表清潔型水體的襀翅目，輕度污染的大頂子山河段的優勢種群為毛翅目和蜉蝣目，而重度污染的阿什河、呼蘭河則以耐有機污染的顫蚓、石蛭及某些螺類為主。在唐家河底棲動物群落結構中以毛翅目、蜉蝣目和襀翅目為優勢種群，樣點S7、S14(圖2)偶見石蛭、蜆屬等耐污種，耐污種的出現表明唐家河水質已受到有機污染。基于底棲動物的水質評價結果也表明，唐家河整體水質受到了有機污染，特別是科研交流區的部分樣點(S11、S12)的有機污染較嚴重，其原因可能是這兩個點較其它樣點更靠近居民區，受野生動物(動物尸體、糞便等)和人口活動(農業污染、生活污染等)的疊加影響，從而導致該區域部分樣點的氨氮含量較高。

3.2 指示生物的選取及評價結果的比較

指示生物的選擇是水質生物學評價的關鍵，但如何選擇適宜的指示生物則缺乏相關的統一標準，導致在不同類型水體的水質生物學評價中，不同研究者選擇的指示生物差異較大。如在溪流中，蔣小明等選擇底棲動物，孟立霞等則選擇浮游動物和浮游植物；在大型河流干流中，黃旭蕾等使用底棲動物，而丁一桐等使用浮游動物；在湖泊型河流中，夏瑩霏等選擇浮游植物，陳麗平等選擇底棲動物。甚至在同一類型水體中也會出現選用不同指示生物來開展水質生物學評價的情況，而評價結果也不盡相同。如天津市團泊水庫中基于底棲動物的水質評價結果屬于中度到重度污染水平，而浮游動物則顯示為屬于重度污染水平；在松花江哈爾濱段的水質生物學評價研究中，基于大型底棲動物的評價結果為中重度污染，而基于浮游動物的評價結果為中度污染。本研究同時選擇三類指示生物，對山區河流唐家河開展水質生物學評價，比較不同指示生物水質評價結果的差異，從符合度和準確度兩方面來探討如何選擇最適合此類型流域水質評價的指示生物。

本研究結果顯示，唐家河水質生物學評價的理論等級為中污染，整體而言，在三類指示生物中，底棲動物是最適合唐家河水質生物學評價的指示生物，其符合所有指示生物選擇的一般標準，且水質生物學評價結果的準確度也最高，為64.29%，其次是浮游植物，最后是浮游動物。其原因可能與唐家河流域特征和水質現狀相關，其一，唐家河山區河流水流湍急，浮游動物和浮游植物多無游泳能力，不能抵抗水流沖擊，難以全面、準確地反映水質狀況；其二，唐家河屬于國家級自然保護區，少量氮、磷及有機污染物主要來源于野生動物糞便、旅游業發展以及本地居民日常生活，而底棲動物和浮游植物對此類污染物有較高的敏感性。不同研究區域的水質生物學評價準確度比較結果，也進一步證實了上述推測。如在污染最少的旅游區河段中，基于底棲動物的水質評價結果準確度最高，達到了75%。但隨著不同調查區域的水文情勢(水流速、水溫等)和污染程度的不同，三類指示生物在不同研究區域的評價結果間的一致性關系也出現了變化，如隨著污染的增加，基于底棲動物和浮游植物的水質評價結果的準確度，在科研交流區河段和居民區河段則完全相同。

水質生物學評價成本低、綜合性高、且能反映水環境質量的長期狀況和歷史狀況，因此其受到越來越多的關注和重視。指示生物的選擇對水質生物學評價結果有重要的影響，不同指示生物因本身特性的異同，其對不同類型環境變化(污染物種類、污染事件等)的敏感性有較大差異，會導致水質評價結果不同。本研究以唐家河為研究對象，結果顯示底棲動物是流速高、水溫低、污染少(有機污染)類型的山區河流水質生物學評價最適宜的指示生物。同時在不同研究河段中，除居民區河段基于浮游植物與底棲動物的準確度與理論等級相同外，其余河段三類指示生物的水質評價結果均同理論等級存在一定的差異。因此，在水質生物學評價研究的工作中，針對水生生物群落多樣、水體污染物類型繁多的復雜水體，需要根據水體特性選擇多種指示生物來全面、客觀地反映水體的真實狀況，必要時還可以增加水體重點污染物監測理化指標分析。