中国北方河流底栖动物群落季节性演替对水生态环境质量评价的影响

刘 蕊，李中宇，赵 然，胡显安，王丽娜，王业耀，王备新，金小伟

1.黑龙江省环境监测中心站，黑龙江 哈尔滨 150056 2.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012 3.佳木斯市环境保护监测站，黑龙江 佳木斯 154002 4.南京农业大学昆虫系水生昆虫与溪流生态实验室，江苏 南京 210095

大型底栖动物因对不同类型的污染或人为干扰的响应都比较敏感，成为广泛应用于河流健康等生态评价的指示生物，可以综合反映长期人类活动对河流生态系统扰动的程度[1]。近年来，国内的生态学者在这方面开展了大量的研究[2-8]，环境监测系统也进行了积极的尝试[9-13]。松花江流域水生生物试点监测从2012年开始，应用底栖动物对松花江流域水生态质量进行评价和研究，发现各断面底栖动物的物种数增多，尤其是清洁物种明显增加，生物学评价结果充分反映出黑龙江省水生态质量的改善成果，趋势较显著。同时围绕环境管理的重点工作开展了相关研究，利用底栖动物的群落特征对环境变化进行预警[14]。

研究中发现，底栖动物的群落结构在春季和秋季季节更替比较明显，群落结构变化较大，直接按采样时间评价，结果存在偏差。为了将群落的演替与污染影响区分开来，按照底栖动物的生活习性和生活史特点及其在水生态评价中的作用，引进复合样方[15]的理念，按全年检出物种数量开展评价，效果较好。该研究基于在松花江试点监测区域设置的47个采样点数据，选取2012—2015年108组春季和秋季均完成采集任务的数据进行分析，利用BMWP指数[16]进行评价，重点探讨底栖动物群落的季节变化和评价结果的差异，以期为准确评价北方水体水生态质量提供技术支持，满足客观性和科学性的需要。

1 实验部分

1.1 研究区域概况

研究区域分布在黑龙江、乌苏里江、兴凯湖和松花江干流及其主要支流(包括源头)。黑龙江以海拉尔河为源头，全长为4 344 km，是中俄界江；乌苏里江全长为890 km，是中俄界江，界河段长492 km；兴凯湖是中俄界湖，在中国境内的面积为1 080 km2；松花江从源头到三岔河段为嫩江，长为1 370 km，三岔河以下为干流，全长为939 km[17]。除源头以外，多数采样点位于深水河流或湖库的岸边带。区域内界河和界湖受人类活动影响较小，保持比较原始的自然状态，而松花江流域人类活动强度差异较大，源头区域人为干扰少，基本处于原生态状态，平原河流受人类活动影响较大(尤其是大城市附近)，呈现出相应的空间分布特征。

1.2 样品采集及鉴定

研究区域共布设37个断面47个采样点，断面代码及名称见表1，断面分布示意图见图1。每个采样点选取不同的生境用手抄网采集定性样品，选择最适合底栖动物多样性的生境设置基质笼，一般每个采样点放2个，放置14 d，采集定量样品。现场经0.63 mm孔径的分样筛进行过滤，挑拣，保存至30%酒精中，回实验室后，换75%酒精固定，直至鉴定结束。各类生物鉴定到最小分类单位，数据按定性和定量合并的结果统计[18]，年度按6月和9月平均统计。

表1 研究区域断面代码及名称Table 1 Section code and name for survey region

图1 松花江流域监测断面分布示意图Fig.1 Locations of sample sites in Songhua River basin

1.3 生物评价指数计算方法

底栖动物BMWP指数[16]计算公式：

(1)

式中：ti表示第i科的物种的敏感值；n表示科级分类单位的总数,个。

采样点的BMWP指数得分越高，表明受到的人为活动影响越小，评价标准见表2。

表2 BMWP指数评价标准Table 2 Evaluation criterion for BMWP index

1.4 数据统计和分析

复合样方是指同一采样点全年多个不同时间采集的样方总和，反映该采样点的水生态状况，数据统计全年检出物种数量和每个物种检出量的平均值，简称年均值。

采用物种更替率(R)和Jaccard种类相似性指数[19]对不同季节底栖动物群落的物种变化和群落结构进行分析。

R=〔(a+b-2c)/(a+b-c)〕×100%

(2)

式中：a与b分别为2个样品的物种数，c为2个样品共同的物种数。

Jaccard种类相似性系数的公式为

(3)

式中：a为样品A的生物种类数；b为样品B的生物种类数；c为样品A和B的共同种类数。当A、B 2份样品(2个调查地点或2个断面)的种类完全相同时相似性为100%；反之，若不存在共同种，则相似性为0。

2 结果与讨论

2.1 底栖动物群落结构

共鉴定出底栖动物179个分类单位，其中水生昆虫EPT物种74个属，占41.3%；水生昆虫其他物种50个科(属)，占27.9%；软体动物27个属(种)，占15.1%；甲壳动物10个属(种)，占5.6%；环节动物16个属(种)，占8.9%；其他种类2个属(种)，占1.1%，见图2。水生昆虫和软体动物分布广泛，并且多数采样点以其为优势类群，密度范围较大(1～9 551个/笼)。

图2 底栖动物群落组成Fig.2 Composition of benthic macroinvertebrate communities

2.2 不同季节底栖动物群落结构差异分析

大型底栖动物虽然长期生活在水中，但受生活史、气候、水温等因素影响，不同季节采集的物种往往不同，物种数也存在较大的差异，在松花江流域试点监测中得到了证实。底栖动物群落中物种数季节变化主要表现为水生昆虫数量的变化(以2014年为例)，见图3。利用Jaccard相似性系数统计(表3)，2012—2015年间6、9月群落相似性系数为8.4%～100%，群落的差异很大，其中78.8%的样品属于极不相似和轻度相似；19.4%属于中度相似。6月监测结果与年均值之间群落的相似性系数为25%～100%，中度相似占比较多，达到45.4%，极相似次之，为38.9%；9月监测结果与年均值之间群落相似性多属于中度相似，达到62%，其次是极相似，为23.2%。总体表现为物种数越多，相似性越差，尤其是水生昆虫物种较丰富的采样点，这种状况更明显。

注：每个采样点数据从左至右依次为6月、9月和年均值。图3 2014年各采样点物种数差异比较Fig.3 Comparison of benthic macroinvertebrate communities for each sample sites in 2014

Jaccard指数/%相似度6月与9月监测结果6月监测结果与年均值9月监测结果与年均值个数占比/%个数占比/%个数占比/%0完全不相似——————1～25极不相似2926.910.910.926～50轻度相似5651.998.3131251～75中度相似2119.44945.4676276～99极相似10.94238.92523.2100完全相似10.976.521.9

注：“—”表示未出现。

6月和9月底栖动物群落中物种更替率较高，为20%～91.6%，超过50%的采样点更替率在60%以上。

2.3 不同季节水生态环境质量评价结果差异性分析

应用大型底栖动物评价水生态质量的状况，评价指数很多，主要包括生物多样性指数(如丰富度指数、Margalef指数)；分类单元型指数(如EPT指数)；应用底栖动物耐污值的FBI指数；基于科级敏感值的BMWP指数及在BMWP指数基础上发展的ASPT指数。无论利用哪种评价方法，结果的好坏主要取决于采集的物种数、种类和数量，研究仅利用BMWP指数进行水生态评价的计算和比较，BMWP指数是基于底栖动物的敏感性建立的，最早被应用于对有机污染的监测，目前已在不同国家和地区广泛应用，并获得了认可[20-22]。该指数在松花江流域水生生物试点监测中得到修订，通过多年的实践验证，该指数在这一地区的应用比较成熟。冷龙龙等[16]在辽河和太子河的研究中也推荐了这种方法。该评价方法比较简单、快速、应用方便，对底栖动物的鉴定要求较低(一般到科级水平)，研究团队的参与人员均能够达到要求，有利于提高鉴定的准确性。BMWP指数评价结果按照物种数年均值由低到高将采样点排序，见表4。将各采样点6、9月和年均值的BMWP值作图(图4)，可见，随着物种数的增多，BMWP指数值也增大，6、9月及年均值的BMWP值之间差异越大。

2.4 群落季节演替对水生态状况评价的影响

底栖动物群落结构多样性较丰富，可以有效指示短期和长期人为活动对河流生态系统的影响[20，23]，对水环境污染和水文扰动都有很强的指示作用[24-25]，是评价河流水生态状况的生物类群之一。利用底栖动物评价水生态状况的过程中，群落演替会对结果造成误判，通过对底栖动物群落特征的分析认为，这主要是由研究区域的客观因素造成的。该区域物种丰富，底栖动物中水生昆虫占比很大，水生昆虫的生活史中存在羽化现象，加之北方寒冷，无霜期短，水生昆虫的羽化时间比较集中。而受汛期的影响，现实工作中，样品的采集一般仅安排在每年的6、9月，出现明显的季节更替，因此会导致低估或误判水生态状况等。

表4 BMWP指数评价结果Table 4 Evaluation result for BMWP index

图4 BMWP指数评价结果比较Fig.4 Comparison of evaluation result for BMWP index

在样品采集的过程中群落结构发生的变化属于自然现象，并非因水生态状况改变引起，所以研究引进复合样方的理念，在适宜采集的季节采样，并统计整理成复合样方的数据(年均值)，按全年检出的物种数量和每个物种检出量的平均值进行评价，表达水生态状况，能够减少因物种的季节更替带来的低估、误判，提高水生态评价的准确性。

利用水化学指标评价水质的状况，是表达水环境质量的瞬时状况，而底栖动物群落因受外界胁迫而发生的变化则是表达长期、综合的结果，同时也具有一定的滞后性和延后性。除了特殊的急性污染应急事故或剧烈的干扰会导致生物种群的突然死亡或者种群减小以外，通常的环境压力胁迫都是低浓度长期作用的结果，其生物群落的变化往往具有延迟效应，所以底栖动物反映的生态状况是具有阶段性的，不宜使用一次数据表达采样时间的瞬时状况。

3 结论

鉴于底栖动物的生活史特点，不同时间采集的样品底栖动物群落存在自然的季节更替，这种更替主要源于水生昆虫物种数量的变化，导致评价的结果存在差异，越是物种丰富的区域，这种差异越明显。

利用底栖动物评价水生态状况，宜选择长时间段的多个采集数据，经统计整理后，利用复合样方(年均值)的特征，评价一段时间(如以年为单位)的水生态质量状况，提高评价结果的客观性、准确性。