北江大型底栖无脊椎动物群落结构及水质的生物评价

曹 然,黎征武,毛建忠,盛 萧,王旭涛, 邓培雁

(1.华南师范大学化学与环境学院,广东 广州 510631; 2.云南省水文水资源局,云南 昆明 650106;3. 珠江流域水环境监测中心, 广东 广州 510611)

北江大型底栖无脊椎动物群落结构及水质的生物评价

曹 然1,黎征武1,毛建忠2,盛 萧1,王旭涛3, 邓培雁1

(1.华南师范大学化学与环境学院,广东 广州 510631; 2.云南省水文水资源局,云南 昆明 650106;3. 珠江流域水环境监测中心, 广东 广州 510611)

对北江25个采样点的大型底栖无脊椎动物进行采样调查,并根据大型底栖无脊椎动物的群落结构特征对水质进行生物评价。研究中共采集到大型底栖无脊椎动物46属,分别隶属于15目31科,其中水生昆虫30属,占65.22%;软体动物8属,占17.39%;环节动物6属,占13.04%;甲壳动物2属,占4.35%。出现频率最高的3个种属分别为多足摇蚊属(Polypedilum)、巴蛭属(Barbronia)以及苏氏尾鳃蚓(Branchiurasowerbyi)。应用Shannon-Wiener多样性指数、Margalef多样性指数、Pielou均匀度指数、生物学污染指数BPI (biotic pollution index)、BI(biotic index)、FBI(family biotic index)、Goodnight-Whitley修正指数(GBI)7种生物指数对北江水质进行综合评价。结果表明:与20世纪80年代的评价结果相比,北江的大型底栖无脊椎动物在种类和数量等多方面均发生了较大的变化,生物多样性减少,耐污种所占比例增加,水质理化参数恶化;7种生物指数的评价结果存在一定的差异,部分指数之间存在较高的相关性,FBI指数和BPI指数的准确性和科学性更强,适用于北江水质的生物评价。在25个采样点中,6个采样点水质综合评价等级为较差或极差,16个采样点水质评价等级为一般,3个采样点水质等级为良好,整体水质属于一般的水平。人类活动对河流的水质状况造成了一定的影响。从水质生物学的角度衡量,北江水质整体呈现下降趋势。

大型底栖无脊椎动物;群落结构特征;生物评价;水质；北江

近年来,生物评价法已成为河流健康评估中常用的一种重要方法[1]。大型底栖无脊椎动物长期生活在河流底部,是河流生态系统的重要组成成分,具有生活周期长、迁移能力弱、地区性强等特点[2]。其对河流水质的变化十分敏感[3],因此,以大型底栖无脊椎动物为基础开发的生物评价指数能够更加准确地反映河流生态系统的健康状况。

欧美发达国家在河流生物评价方面的研究开展较早,现已提出数十种基于大型底栖无脊椎动物的评价指数用于河流水质评价[4-5],其评价结果的科学性也已得到广泛认可。而我国在此方面的研究处于起步阶段,在实际应用中仍以国外成熟指数为基础开展评价工作。目前国内外使用较为广泛的指数有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多样性指数[13]、Margalef多样性指数[14]、Simpson多样性指数[15]、Pielou均匀度指数[16]以及Goodnight-Whitley修正指数(GBI)[17]。不同指数的使用条件和适用范围都有所不同,在进行河流水质评价时,应根据实际情况对不同方法进行比较,并选择合适的指数,以保证评价结果准确可靠[18]。

目前针对北江水质评价的研究较匮乏,难以对北江水质及污染状况做出合理评价。苏炳之等[19]曾在1985年采用大型底栖无脊椎动物指数对北江进行水质评价,但年代久远,评价选用的指数数量较少,评价结果可信度不足。笔者基于北江的大型底栖无脊椎动物调查数据和水质数据,分析比较Shannon-Wiener多样性指数、Margalef多样性指数、Pielou均匀度指数、BPI、BI、FBI、GBI 7种指数在北江水质评价中的实际应用效果,探究北江大型底栖无脊椎动物群落结构的变化情况和空间分布特征,以期为北江的水质监测提供科学可靠的生物评价结果,从而深入了解北江河流生态系统的健康状况。

1 区域概况与研究方法

1.1 研究区域概况与采样点

北江发源于江西省信丰县石碣大茅山,地跨江西、广东两省,是珠江流域的第二大水系。北江属亚热带季风型气候,季风影响显著,阳光充足,热量丰富。集水面积52 068 km2,干流全长573 km,一级支流包括墨江、锦江、武江、南水、滃江、连江、潖江、滨江和绥江等。基于北江各段地形地貌及污染源分布状况,共设25个采样点,覆盖北江干流及所有一级支流,采样点分布见图1。

图1 北江采样点分布示意图

1.2 样品的采集、处理与分析

采样在枯水期进行,样品采集参照国际通用的采样方法,在每个采样点水深小于1.5 m、长度100 m的采样区域内,选用直径0.3 m、孔径500 μm的D型尼龙纱网以扫网法采集大型底栖无脊椎动物样品,共采集长度为10 m,总面积为3 m2的样方。采样时,按样点内各种小生存环境(水草、静水区、流水区及底质)出现比例分配小样方数[20]。将D型网采集到的底泥样本倒入水桶,轻轻搅动使底栖动物与底泥分离,过300 μm孔径筛网,重复上述步骤至水桶中目测无底栖动物存在,再将筛得的底质样本倒入装清水的白瓷盘仔细挑拣。采集到的大型底栖无脊椎动物样品装入广口瓶中,加体积分数为8%的甲醛溶液固定保存后带回实验室镜检计数。室内鉴定时,大部分物种鉴定至科或属,少数根据相关资料鉴定至属或种。

同时采集河流水样,依据《水和废水监测分析方法(第4版)》[21],现场使用便携式多参数水质测量仪(YSI)测定水温、pH值、DO、BOD、CODMn、TN、NH3-N、TP 8项水质理化指标。

1.3 水质生物评价方法

Shannon-Wiener多样性指数[22]、Margalef多样性指数[23]、Pielou均匀度指数[16]、BPI[24]、BI[25]、FBI[26]、GBI[17]的计算公式分别为

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:H为Shannon-Wiener多样性指数值;dM为Margalef多样性指数值;J为Pielou均匀度指数值;IBP为BPI值;IB为BI值;IFB为FBI值;IGB为GBI值;N是样本总个体数;Ni为物种i的个体数;Pi为物种i的个体数占样本总个体数的比例;S为物种丰富度;N1为寡毛纲、蛭纲和摇蚊科个体总数;N2为多毛纲、甲壳纲及除摇蚊科以外的其他水生昆虫的个体总数;N3为软体动物门个体总数;ti是物种i的耐污值;nj是科j的个体数;Noil为样本中寡毛纲个体总数。

1.4 评价分级标准

结合已有研究成果[15,18,27],7种大型底栖无脊椎动物指数评价水质的分级标准见表1。

1.5 统计分析

7种大型底栖无脊椎动物评价指数的正态性检验利用K-S检验,其评价指数均符合正态分布,故采用Pearson相关性分析方法对指数间的相关性进行分析评价。所有分析方法均利用SPSS 19. 0软件操作完成。

表1 生物评价指标等级划分标准

2 结果与分析

2.1 大型底栖无脊椎动物群落结构与分布

2.1.1 物种组成

调查中采集到的底栖动物共15目31科46属,分别隶属于节肢动物门的昆虫纲和甲壳纲、软体动物门的腹足纲和瓣鳃纲以及环节动物门的蛭纲和寡毛纲。其中,水生昆虫共6目17科30属,占物种总数的65.22%;软体动物共4目8科8属,占物种总数的17.39%;环节动物3目4科6属,占物种总数的13.04%;甲壳动物2目2科2属,占物种总数的4.35%。25个采样点中,出现频率最高的3个种属分别为多足摇蚊属(Polypedilum)、巴蛭属(Barbronia)以及苏氏尾鳃蚓(Branchiurasowerbyi)。

2.1.2 群落结构

在物种组成方面,各采样点的种群结构特征也不尽相同。将所有物种归为水生昆虫、环节动物、软体动物和甲壳动物4大类,北江各采样点的大型底栖无脊椎动物群落结构分布见图2。其中,以水生昆虫为主的采样点可达15个,以环节动物为主的采样点有8个。由此可以看出,水生昆虫和环节动物为北江底栖动物群落结构中的主要组成部分。

图2 各采样点大型底栖无脊椎动物群落结构分布

2.1.3 数量变化

由调查结果可以看出,各采样点的大型底栖无脊椎动物个体总数存在较大的差异。在25个采样点中,S10采样点采集到的大型底栖无脊椎动物数量最多,达到601只,其次是S21采样点的367只,其余采样点的大型底栖无脊椎动物数量均在200只以下,最少的是S23、S24采样点,仅有11只。整体来看,大型底栖无脊椎动物的个体总数从S1至S25采样点呈现逐渐减少的趋势,具体分布见图3。

表2 北江各采样点水质生物评价结果

图3 各采样点大型底栖无脊椎动物个体总数分布

2.1.4 物种丰富度

北江各采样点物种丰富度的分布见图4。所有采样点的平均物种丰富度为7种,最大值出现在S21采样点,为17种,最小值出现在S15、S16、S24 3个采样点,物种丰富度仅为3种。

图4 各采样点底栖动物物种丰富度分布

2.2 水质生物评价

各采样点水质生物评价结果见表2。根据7种大型底栖无脊椎动物指数的评价结果,可以得到北江的水质属于一般的水平。25个采样点中水质等级为极差有2个,水质等级为较差有4个,水质评价等级为一般的采样点有16个,水质等级为良好的采样点有3个,没有水质极佳的采样点。

2.3 水质理化指标

水质理化指标能够反映河流水质的瞬时状态。对北江的水质理化指标进行分析,根据GB3838—2002《地表水环境质量标准》对其进行评价。可以看出,DO、BOD、CODMn3个理化指标满足Ⅰ类水质标准,而TP、NH3-N、TN 3个指标分别满足Ⅱ类、Ⅲ类和Ⅴ类水质标准,表明北江水体已受到氮、磷污染的影响。综合各个指标的评价结果来看,北江水质基本满足Ⅲ类水质标准。北江各水质理化指标统计值见表3。

表3 北江水质理化指标统计值 mg/L

2.4 不同生物评价指数比较

所选的7种大型底栖无脊椎动物指数对北江水质的生物评价结果分布情况见图5。虽然部分指数的评价结果分布存在相似之处,如BI和FBI等,但大部分指数的评价结果总体上仍有较大差异,对河流整体水质的评价结果也不尽相同。如Shannon-Wiener指数的评价结果中占比重最大的等级为极差,Margalef指数的评价结果中占比重最大的等级为较差,FBI和BPI的评价结果中占比重最大的等级为一般,BI的评价结果中占比重最大的等级为良好,而Pielou均匀度指数和GBI的评价结果中占比重最大的等级为极佳。

图5 不同生物评价指数评价结果分布

对7个指数分别成对进行Pearson相关性分析,以定量描述不同指数间评价结果的相关性,分析结果见表4。其中,BI、FBI、GBI之间具有极高的相关性,Shannon-Wiener指数、Margalef指数、Pielou均匀度指数和BPI之间也均具有较高的相关性。除此之外,7个指数之间无其他显著相关性。

表4 各生物评价指数之间的Pearson相关系数

注： **为p<0.01;*为p<0.05;相关系数大于0.4表示两者具有显著相关性。

在BI、FBI、GBI 3个指数中,GBI与BI和FBI呈显著负相关,而BI和FBI均以物种的耐污值为基础进行计算,总体呈显著正相关。在Shannon-Wiener指数、Margalef指数、Pielou均匀度指数和BPI 4个指数中,BPI与其他3个指数呈显著负相关,而Shannon-Wiener指数与Margalef指数和Pielou均匀度指数之间则具有较高的正相关性,Margalef指数和Pielou均匀度指数也呈显著正相关,但相关性相对较弱。

3 讨 论

大型底栖无脊椎动物在种类、数量等方面的变化是河流生态健康状况的重要指标,其群落结构能够反映出人类活动对环境造成的负面影响[28]。北江的底栖动物以水生昆虫为主要类群,软体动物也占据较高的比例。摇蚊科、颤蚓科以及蛭纲的底栖动物出现频率较高,在大部分采样点均有出现。摇蚊科和颤蚓科的物种均为典型的耐污种,对有机污染有较强的耐受能力,这表明北江各采样点均已受到不同程度的污染。在物种多样性方面,北江的平均物种丰富度仅为7种,处于一个较低的水平,体现出北江的河流生态系统的稳定性较差,容易受到人类活动和环境变化的干扰。苏炳之等[19,29]曾在20世纪80年代对北江底栖动物群落结构进行调查,并对北江水质做了初步评价,他们在北江的7个采样点共采集到底栖动物73属85种,其中河蚬、淡水壳菜、日本沼虾、中华圆田螺等物种为优势种,评价结果显示,当时的北江已经受到了一定程度的污染,并对底栖动物的群落结构造成了影响。相比之下,笔者采集到的物种类别有所减少,物种多样性水平降低,颤蚓、摇蚊等耐污种所占的比例增加,表明北江受到有机污染的影响加剧,北江水质呈现不断下降的趋势。

综合比较其他学者在东江[12]、秦淮河[20]、松花江[15]、上海世博园后滩湿地[30]、湖北省大型湖泊[31]等国内多个地区各类水体的相关研究成果,可以发现,不同地区的底栖动物群落结构与水体水质之间的响应关系也存在诸多相似之处。不同种属的底栖动物对各种污染物的耐受能力和敏感程度均不相同,特定种群在数量、类别方面的变化及出现频率的差异与水质等级之间联系密切。在各类水体中,水生昆虫在种类和数量上优势明显,但多数昆虫纲生物对水质优劣的指示作用并不显著,仅以摇蚊科生物作为各类污染水体中的优势类群,对有机污染有较强的指示性。以寡毛纲为代表的软体动物虽然在底栖动物群落结构中仅占据很小的比例,但该类群的底栖动物耐污性强,常常成为污染水体的优势物种。在对湖北省大型湖泊底栖动物群落结构的相关研究中发现,软体动物作为优势物种经常出现在面积较大的湖泊中,且物种类别丰富,而摇蚊幼虫和寡毛纲生物则多为小型湖泊的优势种,其物种数也相对较少[31]。分析表明,水体有机污染加剧对河流、湖泊的生态系统结构会造成影响,水体DO、有机物浓度等指标也会发生相应改变[32],这使得水体中的优势生物类群逐渐向寡毛纲、摇蚊科等适应能力更强的物种转变,物种多样性水平也大幅降低。因此,进行水质评价时,在使用水质理化指标和生物评价指数的基础上,可以同时参考底栖动物的群落结构组成和物种丰富度进行分析,能够帮助研究者对各类水体的水质状况有更加全面、科学的认知。

通过不同水质理化指标对北江水质进行评价的结果表明,北江水质已受到氮、磷污染的影响,出现了水体富营养化的现象。从水质等级的评定结果来看,生物评价指数和水质理化指标对北江水质的评价结果基本一致。比较而言,两种方法在本质上仍存在着一定的差异。水质理化指标在水质评价中的应用已较为成熟,其评价结果精确度高,易于量化,可以通过建立统一的水质评价标准对不同水体的水质进行比较和管理[33]。但水质理化指标具有较强的随机性,一次采样仅能代表该时段的瞬时水质,其评价结果的代表性和科学性需要进一步验证。生物评价注重水质对水生生物和河流生态系统的影响,能够体现污染物在较长时段内对河流水质的累积影响,评价结果更为准确和科学。而生物评价也存在一定的不足,其评价结果更倾向于定性描述水质状况,难以给出定量分析。因此,在实际应用中,可将两种方法结合使用,优势互补,能够提高评价结果的科学性和可靠性,系统、全面地评价河流水质状况。

采用大型底栖无脊椎动物评价指数评价河流水质时,选用的指数不同,得到的评价结果往往存在一定的差异。笔者选择了7种国内外常用的生物评价指数分别对北江水质进行评价,综合评价结果认为北江的水质属于一般的水平。根据各个指数的单一评价结果也可以看出,北江的物种多样性水平较低,耐污种在底栖动物群落中占据一定优势。该结果与通过底栖动物群落结构的变化特征推断得到的水质等级基本一致。

由于生物评价指数构建的基础依据和计算原理不同,所选用的7种指数得到的水质评价结果存在一定程度上的不同。由相关性分析可以看出,Shannon-Wiener多样性指数、Margalef多样性指数以及Pielou均匀度指数以群落结构和物种丰富度为依据进行计算,3个指数之间具有较高的相关性,其评价结果主要反映的是河流生态系统在物种多样性方面的好坏程度,并未考虑不同物种耐污能力、敏感性的差异以及群落结构中耐污种和清洁种的比例变化,对水质的变化没有直观的反映,在实际应用中应与其他类别的生物指数相结合,综合评价河流水质及健康状况。BI和FBI之间具有极高的相关性,2个指数以底栖动物对河流污染状况的耐受程度为依据进行计算,同时考虑了物种多样性和不同生物耐污能力的差异,对河流水质的评价更为准确和科学。且相比BI而言,FBI对物种类别的划分更加细致,其评价结果与真实水平也更为接近,可信度相对较高。GBI的计算主要考虑寡毛纲生物的物种分布,而在北江的底栖动物群落中,水生昆虫在种类上和数量上均占据着较大优势,由于北江部分河段的生境不适合寡毛纲生物的生存,寡毛纲生物的分布受到一定影响,在多个采样点分布极少或未曾出现,因此GBI的评价结果也受到一定影响,准确性存在一定偏差。BPI则综合考虑了不同物种的影响,同时对物种类别和耐污能力均予以考量,评价结果的准确性也得到了提高。总体来看,FBI和BPI更加适用于北江的水质生物评价。

利用大型底栖无脊椎动物指数进行水质生物评价也有其局限性。BI、FBI等在计算时使用物种耐污值作为依据,但我国在物种耐污值方面的研究长期处于落后的水平,对于局部地区耐污值的研究仅见王备新等[34]对我国东部地区、王建国等[35]对庐山地区、邢树威等[36]对辽宁地区、赵瑞等[37]对辽河流域等相关研究工作,针对其他江河流域进行水质生物评价时需要参考国内外其他地区相关研究的耐污值数据。由于地理位置和生活环境的不同以及人类活动的影响,物种耐污值在不同地区之间均存在一定差异,这会对河流水质生物评价的最终结果造成很大的影响,评价结果的准确性也需要进一步验证。

4 结 论

对北江的25个采样点的大型底栖无脊椎动物的生物评价的结果表明,北江水质整体水平一般,物种多样性水平相对较低,底栖动物以多足摇蚊属、巴蛭属以及苏氏尾鳃蚓为主。Shannon-Wiener多样性指数、Margalef多样性指数、Pielou均匀度指数、BPI、BI、FBI、GBI 7种生物评价指数中,FBI和BPI的准确性和科学性更强,适用于北江水质的生物评价。与20世纪80年代的评价结果相比,耐污种所占的比例增加,北江的水质整体呈现下降趋势。

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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

广东省水利科技创新项目(2014-16)

曹然(1993—),男,硕士研究生,研究方向为环境生态学。E-mail: ryan.cao@foxmail.com

邓培雁,教授,博士。E-mail: dpy213@126.com

X826

A

1004-6933(2017)04-0080-08

2016-09-10 编辑：王 芳)