太湖底棲動物時空分布特征及基于底棲動物完整性指數的水生態健康評價

陶艷茹，董穩靜，羅明科，李則嬋，龐 燕*，許秋瑾*

1.中國環境科學研究院，湖泊水污染治理與生態修復技術國家工程實驗室，北京 100012

2.中國環境科學研究院，國家環境保護湖泊污染控制重點實驗室，北京 100012

3.中國環境科學研究院，北京 100012

4.安慶師范大學，安徽 安慶 246133

隨著我國城市化進程和經濟社會的快速發展，許多流域進行了高強度開發，污染排放和大壩建設等人類活動嚴重影響了湖泊生態環境[1-2].21 世紀環境面臨著生物多樣性的衰退，這是全球性的問題[3].國外對流域水生態保護的重視起步較早.2000 年，歐盟頒布了《水框架指令》(WFD)，重視水生態系統的結構和功能[4].2002 年，美國頒布了新的《清潔水法》(CWA)，強調水體的化學、物理和生物完整性[5].相較于國外，我國前期更注重水環境保護.根據2022 年《中國生態環境狀況公報》，我國Ⅰ～Ⅲ類水質(GB 3838-2002《地面水環境質量標準》)斷面比例為87.9%，較2021年高3.0%，劣Ⅴ類水質斷面比例較2021 年降低0.5%.然而，在水污染防治工作取得顯著成效的同時，我國水生態系統失衡問題依然存在，水生生物數量減少、生物多樣性下降等成為建設美麗中國的突出短板和瓶頸問題[6-7].

基于生物群落信息對水生態環境進行評估，是評價湖泊生態健康的有效手段之一[8-9].1981 年，Karr 建立了魚類生物完整性指數(F-IBI)評價方法[10]；而后，衍生出基于大型底棲無脊椎動物、浮游生物和著生藻類的生物完整性評價方法，也被用于水生態健康狀況評價[11-13].底棲動物體積小、繁殖效率高，對湖泊生態系統的環境變化高度敏感，其豐富度和群落結構等被視為水質和生態評價的重要指標，在水生態平衡方面發揮著重要作用[14-15].基于底棲動物完整性指數(B-IBI)，我國多位學者開展了生態健康評價研究，為生態保護與管理提供了重要依據.例如，馮治遠等[16]對黃河干流進行了B-IBI 指數構建，探究全河段水沙異質差異下的生態健康狀況；姚琦等[17]針對東洞庭湖構建了B-IBI 指數，探究不同季節的生態健康狀況；王瑜等[18]對松花江流域B-IBI 指數進行研究，評價松花江流域的水生態系統健康狀況.

太湖位于長江下游，是我國五大淡水湖之一，處于我國東部人口稠密、高度工業化的地區，其淡水資源為流域內居民、工農業用水和其他生物的生存提供了重要保障[19].1960s，太湖水體處于中營養狀態；自1980s 以來，太湖富營養化程度加劇，威脅到水質和生態健康，嚴重影響了太湖周邊和流域下游地區的供水安全[20].底棲動物群落結構對生態系統健康有重要作用，然而，太湖不同湖區間底棲動物群落結構以及水生態健康狀況受水期變化影響的研究較少.因此，摸清太湖底棲動物種類組成和多樣性格局、評估生態健康狀況，對太湖水生態系統的保護具有重要意義.鑒于此，本研究在太湖不同湖區布設了16 個采樣點，通過分析底棲動物的種類組成和時空格局，并構建B-IBI 指數，對湖泊水生態進行健康評價，以期為太湖水生態系統保護提供預警和數據支撐.

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

根據太湖的水文特征，將太湖水域劃分為5 個湖區并設置16 個采樣點(見圖1)，分別為北部湖區(TH1、TH2、TH3 和TH4)、西部湖區(TH5、TH6 和TH7)、南部湖區(TH8、TH9、TH10)、東部湖區(TH11、TH12、TH13)和中部湖區(TH14、TH15 和TH16).2023 年，在枯水期(2 月)、平水期(5 月)、豐水期(8 月)分別采集水樣、底泥及底棲動物，每個采樣點均采集3 個平行樣品，并將底棲動物樣品進行混合.

圖1 太湖采樣點示意Fig.1 Sampling points of Taihu Lake

現場采用多參數水質監測儀〔YSI 6600 V2，賽萊默分析儀器(北京)有限公司〕測定水溫、電導率、總溶解固體、酸堿度、氧化還原電位和溶解氧等物理環境因子，用塞氏盤測定透明度(SD).根據《湖泊富營養化調查規范(第二版)》和《湖泊沉積物調查規范》，采集水面以下0.5 m 深度的水樣和底泥樣，在冷藏箱低溫保存并及時運回實驗室進行后續處理.根據《水和廢水監測分析方法(第四版)》[21]測定常規指標(見表1).用彼得生采泥器〔1/(16 m2)〕采集底棲動物樣品，現場過0.425 mm 孔徑網篩，95%酒精固定，回實驗室后進行底棲動物的挑樣、鑒定與計數[22].

表1 樣品分析指標及測定方法Table 1 Sample analysis indicators and measurement methods

1.2 生物多樣性分析

計算不同水期生物多樣性指數，包括Shannon-Weiner 指數、Simpson 指數、均勻度指數和豐富度指數，見式(1)～(4).

Shannon-Weiner 指數(H)：

Simpson 指數(D)：

均勻度指數(J)：

豐富度指數(dM)：

式中，S為該采樣點所有底棲動物物種數，Pi為i種生物個體數與采樣點底棲動物總個體數的比值，N為樣本個體總數.

1.3 B-IBI 構建

1.3.1 參照點選取

蠡湖是一個既相獨立又與太湖相通的水體[23]；陽澄湖緊鄰太湖，承擔飲用水源地和生態濕地等功能，生態環境質量較好[24].這兩個湖泊的生態環境質量較太湖有一定參考意義.為了擴大參照點的選取范圍，增加參照點的科學性，選擇太湖、蠡湖、陽澄湖作為參照點的選取區域.2023 年5 月，共選取28 個采樣點采集水樣，包括太湖16 個采樣點、蠡湖6 個采樣點和陽澄湖6 個采樣點，參考何晨鳳[25]的方法，計算采樣點的綜合營養狀態指數(TSI)，并對其進行排序，選取TSI<30 的采樣點作為參照點.綜上，本研究選取6 個采樣點作為參照點，包括太湖的TH11、TH12、TH15、TH16，蠡湖的LH1，以及陽澄湖的YCH1.

1.3.2 候選生物指標

根據已有的分類方法[9,15-18]確定32 個候選指標(見表2).

表2 候選生物指數Table 2 Candidate biological index for B-IBI

1.3.3 指標篩選

通過分布范圍、判別能力和相關性分析對生物指標進行篩選，剔除冗余指標.

生物指標數據的賦值：分別應用三分法、四分法和比值法計算參照點和受損點的分值，選取判別能力較高的方法進行記分以統一量綱.

評分標準確定：以參照點B-IBI 值分布的理想值作為湖泊健康評價標準，對各采樣點進行健康評價.

1.4 統計分析

使用SPSS 25.0、Origin 2018、ArcGIS 10.8.1 軟件進行數據分析、統計檢驗和圖形繪制.

2 結果與討論

2.1 水質及底質

2023 年太湖水質和底質狀況分析結果如表3 和表4 所示.從枯水期到平水期再到豐水期，太湖水體TDS、ORP、TNw 濃度整體呈下降趨勢，TPw、Chl-a、CODMn濃度呈升高趨勢；底泥的含水率、TPs、TOC含量隨水期呈現先升高后降低的趨勢，TNs含量變化幅度較小，整體較穩定.豐水期的Chl-a 濃度明顯升高，平均值為51.13 μg/L，部分采樣點達到214.10 μg/L.這是因為豐水期氣溫高且大量降水帶來外源有機質，更容易形成富營養化[26].Yin 等[27]的研究也表明，太湖Chl-a 濃度從1984 年的12.8 μg/L 升至2019 年的32.3 μg/L，太湖水體富營養化問題不容忽視.

表3 太湖不同水期水體及底泥的環境狀況Table 3 Environmental conditions of water and sediment in different water periods of Taihu Lake

表4 太湖不同湖區水體及底泥的環境狀況Table 4 Environmental conditions of water and sediment in different regions of Taihu Lake

從不同區域來看，太湖西部和北部湖區的水污染程度較重，尤其是Chl-a 濃度明顯高于其他湖區.這可能是因為太湖西部和北部屬于河口區，受陸地污染源和河流污染源沿河口匯入的雙重影響[28].這兩個湖區TNw、TPw濃度較高，促進了浮游植物生物量顯著增加，水華風險較高[29].南部、中部和東部湖區受污染影響相對較小，水質優于西部和北部湖區，環境質量較好.

2.2 底棲動物群落結構

2.2.1 物種組成

太湖生境復雜，造就了不同的底棲動物群落特征.2023 年，在太湖16 個采樣點共采集到1 116 個底棲動物，共包含3 門(環節動物門、節肢動物門、軟體動物門)7 綱(寡毛綱、多毛綱、蛭綱、甲殼綱、昆蟲綱、腹足綱、雙殼綱)15 目18 科38 種(見表5).其中節肢動物和軟體動物種類較多，分別為16 種和15 種；環節動物最少，為7 種.

表5 太湖底棲動物物種Table 5 Benthos in the Taihu Lake

從生物個體數來看，平均每個采樣點采集到底棲動物23 個，最大值出現在北湖的TH1 采樣點.軟體動物數量(482 個)最多，其中河蜆占57%；其次為節肢動物(341 個)，搖蚊科占67%；環節動物最少(293 個)，主要為寡鰓齒吻沙蠶，占69%.寡鰓齒吻沙蠶、大螯蜚屬一種、擬背尾水虱屬、銅銹環棱螺、河蜆為優勢種(優勢度?0.02).這與溫舒珂等[30]的研究結果類似，太湖北部的梅梁灣以搖蚊幼蟲和軟體動物為主，優勢種經歷了由較敏感的軟體類為主到以耐污寡毛類、搖蚊幼蟲等為主的轉變.

1960s 以來，太湖底棲動物種類數最高紀錄為59種[31].2012 年，蔡琨等[9]對太湖32 個采樣點的底棲動物進行了調查，鑒定出底棲動物68 種.2014 年，許浩等[31]在太湖記錄底棲動物55 種，隸屬3 門7 綱18目27 科52 屬.此外，溫舒珂等[30]調查了太湖北部的梅梁灣，1980-2019 年共記錄到44 屬(種)底棲動物.與以往研究對比，本研究中太湖底棲動物的種類數量整體較低，表明太湖的生境可能受到一定程度的破壞.這可能是因為城鎮化等多種人類活動導致湖泊營養狀態發生改變，整體上呈現出富營養化程度逐漸加重的趨勢，水體DO 濃度降低，底棲動物的餌料來源減少，導致底棲動物種類和數量降低[32].

2.2.2 空間差異

太湖不同湖區的底棲動物個體數量存在差異，總體呈現出北部湖區?西部、南部、中部湖區?東部湖區的趨勢〔見圖2(a)〕.在北部湖區，節肢動物最多，占60.78%；軟體動物最少，占5.45%.相反，在其他湖區，軟體動物最多，節肢動物最少.這主要是由湖區間的生境質量、底質組成和水生植物覆蓋度差異引起的.

圖2 太湖不同湖區底棲動物的分布情況Fig.2 Community characteristics of benthos in different regions of the Taihu Lake

各湖區均有分布的物種有7 種，分別為蘇氏尾鰓蚓、寡鰓齒吻沙蠶、背蚓蟲、大螯蜚屬一種、銅銹環棱螺、河蜆和中國淡水蟶.耐污物種霍甫水絲蚓、寡鰓齒吻沙蠶、中國長足搖蚊、紅裸須搖蚊和黃色羽搖蚊多分布于北部湖區，擬背尾水虱屬在北部湖區基本不出現.底棲動物物種組成空間差異可能歸因于人為活動影響.北部湖區受到農業污染，富營養化最嚴重，因此耐污能力較強的底棲動物較多，這與蔡永久等[33]得出的太湖北部的梅梁湖的指示種為霍甫水絲蚓的結論一致.西部湖區匯入河口較多，外源污染較多，耐污物種大螯蜚屬一種、銅銹環棱螺的數量也顯著高于其他湖區.東部湖區水環境質量最好、水生植物覆蓋度最高，為底棲動物提供食物和庇護場所，生物多樣性明顯優于其他湖區〔見圖2(b)〕.河蜆在中部湖區分布最多，這是因為中部湖區常年受風力擾動，水體營養鹽水平低，底質沉積物少，個體小的類群難生存，因此，個體較大的河蜆在中部湖區分布更多，這與張愛菊等[34]得到的中部湖區河蜆較多的結論一致.

2.2.3 水期差異

太湖不同水期的底棲動物種類存在差異，枯水期的底棲動物種類最少，為21 種，平水期和豐水期的底棲動物種類數相同，為26 種.其中，在不同水期共同檢測到的底棲動物有14 種；枯水期特有的物種有3 種，分別為紅裸須搖蚊、梯形多足搖蚊、花翅前突搖蚊；平水期特有的物種有7 種，分別為哈搖蚊屬一種、軟鋏小搖蚊、淺白雕翅搖蚊、多棱角螺、赤豆螺、大臍圓扁螺、背角無齒蚌；豐水期特有的物種有6 種，分別為細螯沼蝦、搖蚊屬一種、葉甲科一種、白旋螺、劍狀矛蚌、圓背角無齒蚌.寡鰓齒吻沙蠶、河蜆和銅銹環棱螺在不同水期均是常見物種(出現頻率?50%)；大螯蜚屬一種是枯水期特有的常見種；中國淡水蟶是平水期特有的常見種；豐水期特有的常見種最多，有擬背尾水虱屬、背蚓蟲、大螯蜚屬一種.此外，隨著水期變化，蚌目種類逐漸增多，這可能是因為水體富營養化，以藻類和浮游生物為主要食物的蚌目生境適宜性上升[35].

不同水期生物個體數量表現為平水期(435 個)?枯水期(381 個)?豐水期(300 個)〔見圖3(a)〕.枯水期，河蜆數量最多，為106 個，其次為紅裸須搖蚊66 個、寡鰓齒吻沙蠶58 個，這3 種生物占比達到60%；平水期，黃色羽搖蚊數量最多，為130 個，其次為河蜆88 個、銅銹環棱螺56 個，這3 種生物占比達到63%；豐水期，搖蚊數量明顯減少，寡鰓齒吻沙蠶數量最多，為94 個，其次為河蜆81 個、銅銹環棱螺39 個，這3種生物占比達到71%.太湖底棲動物個體數量變化主要由搖蚊類變化占主導地位，尤其北部湖區搖蚊類的數量受水期變化的波動較大.這是因為搖蚊的幼蟲生活在水體中，豐水期的氣溫高，搖蚊的幼蟲會羽化并飛離水體，種類和數量均降低[36].豐水期銅銹環棱螺和河蜆的數量明顯減少，前3 種優勢生物占比達到71%，且常見種較多，物種組成相對單調，生物多樣性較低〔見圖3(b)〕.

圖3 太湖不同水期的底棲動物群落特征Fig.3 Community characteristics of benthos during different water periods in Taihu Lake

2.3 太湖B-IBI 體系構建

2.3.1 指標篩選

分布范圍分析：分析6 個參照點的32 個候選指標分布情況.其中，M2、M4、M5、M6、M7、M8、M15、M17、M18、M19、M20、M21、M27、M30 和M31 的零值過多，M9、M24 的分布范圍過窄，不適宜B-IBI指標體系的構建，均予以剔除.

判別能力分析：對剩余15 個指標，比較參照點和受損點的25%分位數至75%分位數范圍(箱體IQ值重疊情況)并賦值，各自的中位數均在對方箱體內，IQ=0；只有一個中位數在對方箱體內，IQ=1；各自的中位數均不在對方箱體內，IQ=2.由圖4 可知，M12、M13、M16、M22、M23、M25、M28、M29 和M32 的生物指數的IQ 值≥1，保留以做下一步分析.

圖4 候選生物指標參照點和受損點箱線圖Fig.4 Box plot of reference points and damaged points for candidate biological indicators

相關性分析：對余下的9 個生物指標進行Pearson相關分析.由圖5 可知，M12 與M28 呈顯著負相關，M13 與M25 呈正相關，M16 與M29 呈顯著正相關.因此刪除M25、M28、M29.最終篩選M12、M13、M16、M22、M23、M32 這6 個指標構建B-IBI 指數.

圖5 候選生物指標相關性分析熱圖Fig.5 Heat map for correlation analysis of candidate biological indicators

2.3.2 指標賦值及健康評價標準

將各采樣點的B-IBI 值通過三分法、四分法和比值法進行計算，并對各采樣點最終B-IBI 值進行判斷能力分析(見圖6).結果表明，三分法對湖泊生態健康狀況具有較好的判別能力.

圖6 指標賦值方法的B-IBI 判別能力分析Fig.6 Discriminatory power of B-IBI indicator assignment methods

以參照點25%分位數(B-IBI 值為24)為健康評價的標準，將B-IBI 值分布范圍(0～24)四等分，建立不同健康程度的評價標準：B-IBI 值為0～6，很差；B-IBI值?6～12，較差；B-IBI 值?12～18，一般；B-IBI 值?18～24，亞健康；B-IBI 值?24，健康.

2.4 太湖健康評價

根據B-IBI 指數評價標準，對太湖樣點生態系統健康狀況進行評價，結果(見圖7)表明，不同湖區的B-IBI 值表現為東部湖區(25.1±2.7)?南部湖區(23±4.5)?西部湖區(23±3.0)?中部湖區(21.8±4.8)?北部湖區(18.6±6.8)，其中北部湖區的THl 采樣點在枯水期和平水期的B-IBI 值均低于12，水生態狀況較差.這是因為太湖北部為無錫和常州等經濟發達城市，污染排污量大，西部河口匯入也是污染物進入太湖的主要通道，生態環境較差[37]；其次，北部湖區有“引江濟太”工程，水流遷移、底質再懸浮與釋放等影響了太湖北部調水沿線的生態環境，特別是入湖口附近水域[38].

圖7 B-IBI 指示的不同水期太湖生態質量狀況Fig.7 Ecological quality of the Taihu Lake in different water periods indicated by B-IBI

從水期變化來看，枯水期的B-IBI 值范圍為7～30，健康點位占比為43.75%，南部和東部湖區的水生態整體比較健康.平水期的B-IBI 值范圍為8～30，健康點位占比達到62.50%，水生態健康狀況最好，南部和東部湖區的大部分區域都達到了健康狀態.進入豐水期后，B-IBI 值范圍為16～28，健康點位明顯減少，占全部采樣點的25.00%，西部湖區的水生態狀況呈現明顯惡化，且逐漸向中部和南部湖區蔓延.這與部分河流研究結論不同.例如，馮治遠等[16]對黃河干流的研究表明，較大的來水量提高了水體的自凈能力，整體完整性水平較高于春季，豐水期的健康狀況優于枯水期；姚琦等[17]的研究表明，東洞庭湖豐水期的B-IBI 值略高于枯水期，且枯水期入湖河道附近的采樣點健康情況相對較差.由圖7 可知，本研究中太湖不同水期的健康狀況表現為平水期?枯水期?豐水期，尤其是豐水期西部湖區健康狀況明顯變差.豐水期，太湖入湖水量增加，西部、北部湖區外源輸入的污染物通量特別是面源污染物通量也會隨之增加，給湖泊帶來更大的污染負荷，導致湖泊生態狀況惡化[39].而中部湖區的流動性較差，當其他湖區的生態環境惡化時，也會逐漸影響中部湖區的水生態狀況.這表明西部湖區的水生態健康對整個太湖的影響不容忽視，關注西部湖區對太湖湖泊環境保護具有重要意義.

2.5 B-IBI 指數影響因素

采用冗余分析(RDA)揭示B-IBI 指數關鍵指標與環境因子的關系.如圖8 所示，腹足綱相對豐度與環境中的碳、氮、磷含量均呈相關性，尤其是與底泥的TNs、TPs含量，以及水體中Chl-a、TNw、TPw濃度均呈顯著正相關.耐污類群百分比與水體和底泥中的氧化還原電位均呈正相關.粘附者相對豐度與Cond、TDS 和水溫均呈正相關.底棲動物的群落結構對環境變化十分敏感，多種環境因子均會導致底棲動物結構發生變化，尤其是水體和底泥中的氮、磷元素以及Chl-a.這說明環境中的營養鹽對太湖的健康狀況影響較大，富營養化會影響水體DO，降低底棲動物的生物多樣性，進而影響湖泊的生態狀況[40-41].

圖8 B-IBI 關鍵指標與環境因子的RDA 分析Fig.8 RDA analysis of B-IBI key indicators and environmental factors

RDA 分析顯示，第1 排序軸和第2 排序軸分別能解釋47.20%和7.56%的B-IBI 關鍵指標差異，響應關系不強.這是因為影響B-IBI 的環境因子復雜，除湖泊水質、底質理化脅迫因子外，還有人類活動如航運、捕撈和水利工程等的影響.底棲動物群落的退化和恢復一個長期的過程，應該從各湖區污染特征和周邊生態環境情況出發，制定科學的治污措施和生態規劃，促進太湖生態系統的良性發展.

3 結論

a) 2023 年枯水期(2 月)、平水期(5 月)、豐水期(8 月)，太湖北部、西部、南部、東部和中部湖區16 個采樣點共采集到1 116 個底棲動物，包含3 門7 綱15 目18 科38 種，其中軟體動物門種類和個數均最多，其次為節肢動物門，環節動物門最少.

b) 太湖北部湖區的節肢和環節動物較多，分別占北部底棲動物的60.78%、33.77%，且霍甫水絲蚓、寡鰓齒吻沙蠶以及搖蚊科等耐污物種顯著多于其他湖區；軟體動物最少，占比為5.45%.

c) 太湖豐水期搖蚊類種類和數量明顯降低，銅銹環棱螺和河蜆的數量明顯減少，前3 種優勢生物占比達到71%，且特有的常見種增多，物種組成相對單調，生物多樣性較低.

d) 太湖北部湖區的水生態狀況較差，河流匯入口較多的西部湖區的水生態健康對整個太湖的影響不容忽視，隨著枯水期-平水期-豐水期的變化，生態狀況惡化逐漸向中部和南部湖區蔓延，東部湖區水生態較健康.生態健康狀況受水期變化的波動較大，枯水期、平水期和豐水期的健康點位占比分別為43.75%、62.50%和25.00%.水體和底泥中的氮、磷元素以及Chl-a 是影響B-IBI 值的關鍵因子.