苕溪上游临安段底栖动物群落结构与水质生物学评价

张 娜，李 斌

(浙江省水利科技推广与发展中心，浙江 杭州 310012)

1 问题的提出

2013年11 月以来，浙江省积极开展“五水共治”工程，以治污水、防洪水、排涝水、保供水、抓节水为突破口倒逼经济转型升级。苕溪上游地区地处长三角经济发达区，水资源压力巨大，水污染问题不容乐观。因此，加强水资源水质监测能力、提高水资源保护和管理水平是今后该地区开展水资源相关工作的重要方向之一。

环境监测除了常规的理化指标评价外，生物监测也是重要的组成部分，是对水质理化指标评价方法的重要补充。水生生物由于生长、发育、繁殖等生命过程大多都在水环境中发生，对所处水体的水环境状况变化十分敏感［1］，因此利用水生生物进行水环境监测具有直观、客观、综合的特点，能直接反应水环境变化对生物的影响及危害，是实现水环境监测的一种有效手段。大型底栖无脊椎动物是河流生态系统的重要组成部分，作为指示物种具有分布范围广、体型较大便于采集辨认、迁徙能力差、对生态环境变化响应迅速等特点，越来越广泛地用于对水生态系统的生物监测和快速生态评价［2］。2013年，经浙江省水利厅立项进行了“底栖动物在苕溪健康评估中的应用”的研究，通过调查分析苕溪上游临安段的大型底栖无脊椎动物群落特征，采用常规生物指数对该流域水环境质量进行分析评价，为该流域水资源管理和水生态保护提供基础资料和参考。

2 研究方法

2.1 研究区域概况

临安市地处浙江省西北部天目山区，东邻杭州市余杭区，南连富阳市和桐庐县、淳安县，西接安徽省歙县，北界安吉县及安徽省绩溪县、宁国市，总面积3126.8km2，是一个多山少田的山区市，天目山脉、昱岭山脉及众多低山丘陵贯穿全市。临安市属中亚热带季风气候，四季分明、雨量充沛。市内河网众多，南苕溪、中苕溪、天目溪、昌化溪穿境而过。

2.2 采样点及采样时间

本研究于2013年枯水期和丰水期2个时段对苕溪上游南苕溪和中苕溪流域进行底栖动物样品采集，丰水期为2013年06月实施，枯水期为2013年10月实施。根据苕溪上游生境特征，共设置了9个断面的9个监测点，分别为水涛庄水库 (S1)、里畈水库 (S2)、浪口桥 (S3)、横潭桥 (S4)、临水桥 (S5)、长桥 (S6)、三眼桥 (S7)、青山水库 (S8)、汪家埠 (S9)(见图1)。

图1 苕溪上游底栖动物监测断面图

2.3 样品采集与分析

底栖动物样品采集用索伯网 (60目，0.069m2)和D型抄网 (直径0.3m)进行。索伯网采样时在河流两边的近岸区进行，采集时用小铁铲搅动索伯网前定量框内底质，并用刷子将黏附在石块上的底栖动物洗涮入网。用D型抄网采集时，集中在溪岸边、根垫和大型水生植物基部采集。采集后的底栖动物样本放入60目分样筛中筛洗，分类装入样本瓶中，并用5%～10%的甲醛固定后带回实验室。把样本带回实验室后分别进行镜检分类、计数、鉴定并称重。称重前先用滤纸吸干固定液，用1/10000电子天平进行称重，其中软体动物不去壳称重，筑巢类水生昆虫去巢称重。

2.4 水质的生物学评价方法

应用底栖动物对河流水质评价最常用的方法是以底栖动物种群或群落结果的变化作为评价环境质量数值的生物指数法［3］。

2.4.1 Shannon-Weiner指数［4］

式中:H'为种类多样性指数;ni为种i的个体数;N为群落中全部物种的生物总体个数，S为物种数目，Pi为属于种i的个体在全部个体中的比例。

水质评价标准为:H'=0(无底栖动物)为严重污染;H'=0～1为重污染;H'=1～2为中度污染;H'=2～3为轻度污染;H'＞3为清洁。

2.4.2 Margalef物种丰富度指数［5］

式中:N为样品总个数，S为物种数目。

该方法较为客观地反映出水体污染状态和水质变化情况。评价标准为:dM＞3清洁;dM=2～3为中度污染;dM=1～2为重度污染;dM＜1为严重污染。

2.4.3 Beck 生物指数［6］

Beck指数通过较少次数的调查采样即可了解某水域的评价水质污染水平。

式中:TVi为第i个分类单元(属或种)的耐污值;Ni为第i个分类单元(属或种)的个体数;N为各分类单元(属或种)的个体总数。

该指数的水质评价标准为:BI=0.00～3.50为极清洁;BI=3.51～4.50为很清洁;BI=4.51～5.50为清洁;BI=5.51～6.50为一般;BI=6.51～7.50为轻污染;BI=7.51～8.50为中污染;BI＞8.51为重污染。

3 结果与分析

3.1 底栖动物种类组成

对苕溪上游临安段9个断面共采集到底栖动物4门6纲27科46种。其中，扁形动物1种，为涡虫纲;环节动物10种，包括2纲4目5科;软体动物10种，全部为腹足纲，3目6科。节肢动物25种，包括2纲11目14科。底栖动物各纲出现频率从多到少依次为昆虫纲占50.00%，腹足纲占21.74%，寡毛纲占15.22%，蛭纲6.52%，甲壳纲6.35%，涡虫纲最少，占2.17%。调查发现所有底栖动物中，出现频次最高的是霍甫水丝蚓(Limnodrilus hoffmeisteri)，为66.67%;其次为羽摇蚊属 (Chironomus sp.)和苏氏尾鳃蚓 (Branchiura sowerbyi)。

底栖动物耐污值的划分，主要根据王备新等［7］对我国东部地区底栖动物73个分类单位耐污值的核定值及段学花等［2］对我国常见底栖动物耐污值统计数据。耐污值不大于3.0的种群称为敏感种群;耐污值为3.0～7.0的种群称为中等耐污种群;耐污值大于7.0的种群称为耐污种群。在采集到的46种底动物中，敏感类群4种，中等耐污种群20种，耐污种群22种。苕溪上游底栖动物物种组成、出现频率及耐污值见表1。

表1 苕溪上游底栖动物物种特征表

3.2 底栖动物密度和生物量

苕溪上游底栖动物的平均密度为1111ind./m2，变化范围为83～4598ind./m2。各采样点密度大小排序为S5＞S3＞S7＞S8＞S1＞S6＞S4＞S9＞S2，各采样断面密度差异较大，S5和S3采样现场水质较差，底质为黑色淤泥，水藻丰富，利于单向蚓等耐污种生长繁殖，因此密度较大。S2为临安市饮用水源地，水位较高，底栖动物以水生昆虫羽摇蚊属为主，因此密度较小。

苕溪上游底栖动物的平均生物量为24.18g/m2，变化范围为0.42～114.44g/m2。各采样点密度大小排序为S8＞S3＞S5＞S7＞S6＞S9＞S4＞S2＞S1;各采样断面生物量差异较大，S8采样点软体动物比重较大，因此生物量较大;S1断面以寡毛纲苏氏尾鳃蚓、羽摇蚊、长趾摇蚊为主，体型较小，因此生物量较小。

苕溪上游底栖动物密度和生物量分布见表2。

表2 苕溪上游底栖动物密度和生物量表

3.3 群落结构的时空变化

苕溪上游临安段底栖动物种类丰水期和枯水期的分布特征见图2。底栖动物种类丰水期32种，枯水期26种，分别占全年总种数的69.57%和56.52%。其中丰水期和枯水期均以昆虫纲最多，分别占43.75%和50.00%。由于丰水期水生植物茂盛，温度较高，河床或库底腐殖质丰富，适宜底栖动物生长发育，因此底栖动物种类数较枯水期丰富。

图2 苕溪上游底栖动物群落的时间变化图

各监测断面种类数量空间变化见图3，从空间上看S8采到的底栖动物物种数最多，共计18种;S3其次，共计14种。可能是由于S8采样点位于水库库尾，S3位于水库下游城市上游，河岸边水生植物茂盛，底泥以腐殖质淤泥为主，水生昆虫和软体动物种类种数较多。而S2采集到的种类最少，仅有4种，这可能是由于S2采样点底质以砂石为主，岸边砌石固化，水体腐殖质较少，仅有少量水生昆虫。

图3 苕溪上游底栖动物群落的空间变化图

3.4 水质生物学评价

利于底栖动物作为环境监测的指示生物，目前已广泛应用于生态系统健康评估及水体污染状况评价［8］。本研究采用Shannon-Weiner生物指数 (H')、Margalef物种丰富度指数 (dM)和Beck生物指数 (BI)，综合丰水期和枯水期监测结果，对苕溪上游临安段水质生物综合评价结果见表3。

表3 各断面的生物指数和水质评价表

从表3中可以看出，Shannon-Weiner生物指数 (H')、Margalef物种丰富度指数 (dM)和Beck生物指数 (BI)多数断面的水质评价结果差异较大，仅在S1、S5和S8断面评价结果一致。其中 S3和S5Margalef物种丰富度指数(dM)和Beck生物指数 (BI)评价结果一致;S6、S7和S9Shannon-Weiner生物指数 (H')和 Beck生物指数(BI)评价结果一致。由于经典的生物指数一般是针对特定区域开展的理论计算，未考虑底栖动物的地域性，造成同一生物指数对不同地区评价结果造成一定的偏差。产生差异的原因可能是Shannon-Wiener指数用于反映污染物状况时认为各物种在种群中地位平等，忽略了不同种类对污染的忍耐能力和敏感性差异，对均匀度反应敏感，在很多情况下不能真实地反应水质实际情况，如清洁物种的比例很高反而使指数值大大降低，当耐污种代替敏感种且密度较高时，对水质评价准确度偏低。Margalef物种丰富度指数评价时同样只考虑物种数目和样品个数，对各物种耐污值未作考虑，因此评价结果可能造成一定偏差。而BI指数既考虑了底栖动物密度，又考虑了物种本身的耐污值，能客观地对河流水质进行评价，评价结果的可靠性和精确度都比较高。因此本文采用BI指数对苕溪上游河流水质进行评价，结果表明苕溪上游水质状况除了S2断面外，均处于中污染—重污染状态。

苕溪上游临安段水质较差的主要原因可能是该河段处于人口密集、人类干扰频繁的地区，本次调查的9个断面，有6个断面底质以黑臭淤泥为主，粗砂、碎石块等硬质较少，这6个断面基本都处于临安市居民区及工业区附近，生活生产污水可能加重河道污染，造成水质恶化。寡毛纲及昆虫纲耐污种往往是沉积生境中的优势种，本次调查显示以霍甫水丝蚓为代表的寡毛纲耐污种底栖动物密度明显高于其他类群生物。

4 结语

(1)调查期间，苕溪上游临安段底栖动物共计6纲27科46种，各纲出现频率从高到低依次为昆虫纲、腹足纲、寡毛纲、蛭纲、甲壳纲。按耐污值来划分以耐污种群和中等耐污种群为主，分别占47.83%和43.48%，敏感种群仅占8.70%。这主要是由于苕溪上游临安段处于居民区附近，人类活动干扰较多，生活和生产污水有可能排入河道，引起河道水质污染。此外，大多数断面底泥以黑臭淤泥为主，适合耐污种生长繁殖。

(2)苕溪上游临安段底栖动物平均密度为1111ind./m2;平均生物量为24.18g/m2，各采样断面的密度和生物量差异较大。其中S5和S3采样现场水质较差利于寡毛纲红色单向蚓属等耐污种生长繁殖，密度较大;S2为临安市饮用水源地，底栖动物以水生昆虫摇蚊属为主，密度较小。S8采样点软体动物比重较大，生物量较大，S1断面以苏氏尾鳃蚓、羽摇蚊、长趾摇蚊等小体积底栖动物为主，生物量较小。

(3)本文采用 Shannon-Weiner生物指数 (H')、Margalef物种丰富度指数 (dM)和Beck生物指数 (BI)评价苕溪上游水质，其结果差异较大。Shannon-Weiner生物指数和Margalef物种丰富度指数只考虑了物种数量，忽略了不同物种的特性，对生态系统变化不敏感，通常在物种数量接近的采样点，生物多样性指数方面难以体现差异。Beck生物指数既考虑了底栖动物密度，又考虑了物种本身的耐污值，因此，用于评价苕溪上游水质状况准确性和可靠性比前两种生物指数高。根据Beck生物指数，苕溪上游水质除S2断面外，均处于中污染—重污染状态，水质状况不容乐观。

［1］陈小华，杨青，赵振，等.基于大型底栖无脊椎动物群落的上海市河道水质生物学评价［J］.动物学杂志，2013，48(2):220-231.

［2］段学花，王兆印，徐梦珍.底栖动物与河流生物评价 ［D］.北京:清华大学出版社，2010.

［3］ Simone G V，Gorles R M V.Evaluating macroinvertebrate biological metrics for ecological assessment of stream in northern Portugal［J］.Environmental monitoring and Assessment，2010，166(1/4):201-221.

［4］ Shannon C E，Weaver W J.The mathematical theory of communication［M］.Urabana:Universtiy of Illinois，1949:117.

［5］ Margalef D R.Information Theory in Ecology ［J］.Gen Syst，1957(3):36-71.

［6］ Beck W M Jr.Suggested method for reporting biotic data ［J］.Sewage and Industiral Waste，1955，27(10):1193-1197.

［7］王备新，杨莲芳.我国东部底栖无脊椎动物主要分类单元耐污值 ［J］.生态学报，2004，12(12):2768-2775.

［8］ Yeom D H，Adams S M.Assessing effects of stress across levels of biological organization using an aquatic ecosystem health index ［J］.Exotoxicology and Environmental Safety，2007，37(4):375-378.