杭州地区3种典型水体环境水生昆虫群落特征及环境影响因子分析

丁艳娟，徐凤娇，季政权，许敏赟，王洛飞，胡耀文，唐 斌，王世贵

(杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江 杭州 311121)

近年来，我国经济发展迅速，国内生产总值不断攀升，GDP总量仅次于美国[1].经济快速发展的同时也带来了许多环境污染问题，包括大气污染、固体废物污染、水体污染等，中国每年需要投入大量人力和财力来应对这些污染[2].水是我们生活中不可或缺的资源，是生命之源，而淡水资源的人为破坏以及不合理利用使得水体污染越来越严重[3].就浙江省而言，省内河流污染源主要是直接或间接排入水体的工业废水、生活污水，其中工业废水是影响我省河流水质的主要污染源[4-6].

水体污染不仅会影响人类的生活，还会对生活在水中的水生昆虫产生直接影响.水生昆虫主要包括蜻蜓目Odonata、襀翅目Plecoptera、毛翅目Trichoptera、半翅目Hemiptera等多种昆虫，它们终身或半终身都生活在水体中，因此水体的质量直接影响到水生昆虫的群落结构及其时空动态变化[7].前期有研究表明，水生昆虫受到溶解氧含量、总氮、总磷的影响较大[8-9].同时由于工业废水、生活废水的大量排放以及杀虫剂的大量使用，导致重金属成为威胁水体质量的重要因素[10-11]，而国内水体重金属污染主要包括镉(Cd) 、铜( Cu) 、铅( Pb) 、锌( Zn) 、铬( Cr) 、汞( Hg) 等[12].大量毒理实验结果显示，重金属会在水生动物体内富集并影响其生长发育，产生基因毒性，影响其生态构成等[13-15].

另一方面，由于水生昆虫对水体质量的敏感性，在监测水体质量方面有很大的作用，世界各国和各地区都相继发展出适合本地区利用水生昆虫作为生物指示法来监测水质变化的方法[7-8,16-17].水生昆虫的种群数量，种群分布以及群落特征极易受到水体质量的影响，因此水生昆虫可以长期动态的监测水体质量.目前，蜉蝣目Ephemeroptera，襀翅目，毛翅目，蜻蜓目的大量昆虫已被广泛用于水质监测[18-19].该研究以杭州市3种典型水体环境——西溪湿地、虎山水库、农田水系(萧山区文伟村水稻田)为研究对象，了解不同类型水体水生昆虫的群落特征，并采用适合的生物评价方法，对水质进行生物评价，为浙江省进一步研究水生昆虫在水生生态系统中的作用提供基础数据和理论支持.

1 材料与方法

1.1 采样点与样品采集

本次试验选取了杭州地区3种典型水体——西溪湿地、虎山水库、农田水系(萧山区文伟村水稻田)(图1)，每个水体环境各选5个样点，共计15个样点，于2015年7月至2015 年9月每月采样1 次.取样时首先取水样检测其理化指标，同步使用D形抄网MY-031对样点的水生昆虫进行半定量采集取样[20]，解剖镜下鉴定至科级水平.

图1 采样点分布Fig.1 Sketch of the sampling positions

1.2 各水体环境因子的测定

在采样现场测定水温、气温、湿度、盐度、电导率、pH 和溶解氧等理化指标.pH值用笔式酸度计(HI98127) 测定，其余用哈希HQ40D型溶氧分析仪测定.在各样点用2.5 L 有机玻璃采水器采集水样，用于总氮、总磷、化学需氧量及重金属浓度的测定.总氮采用碱解扩散法(HJ636-2012)测定，总磷采用钼酸铵分光光度法(GB 11893-89)测定，化学需氧量采用重铬酸盐法测定(GB11914-89).重金属铜离子、锌离子、镉离子及6价铬浓度采用原子吸收分光光度法测定.

1.3 群落特征分析及水质生物评价

本文运用生态学研究中常用的Margalef、Pielou、Simpson、Shannon-Wiener 4种多样性指数描述群落内种类多样性[21]，并运用群落相似性系数分析污染地区的污染程度及其对生物的影响程度[22-23]，运用BI指数来分析生物群落与水质的关系[24-25].

Margalef多样性指数公式为：D′=(S-1)/LnN.D′值为0～1说明水体是重度污染，1～2是α-中污染，2～3是β-中度污染，大于3表明水体轻污染或无污染.该指数反映了水生昆虫的丰富程度，指数越高说明该水生昆虫的种类越丰富.

Pielou多样性指数公式为：E=H/Hmax.E值为0～0.3说明水体是重度污染，0.3～0.4是α-中污染，0.4～0.5是β-中度污染，大于0.5表明水体轻污染或无污染.该指数反映了各物种个体数目分配的均匀程度，指数越大越均匀.

Simpson多样性指数公式为：Dc=1-∑Pi2.Dc值为0～1说明水体严重污染，1～2是重污染，2～3是中度污染，3～6为轻度污染，大于6表明水体轻污染或无污染.该指数反映了优势度物种的大小，指数越大表示优势度物种越小.

Shannon-wiener多样性指数公式为：H′=-∑[(Ni/N)ln(Ni/N)](Ni为某物种的个体数，N为所有物种的个体数).H′值为0～1说明水体是重度污染，1～2是α-中污染，2～3是β-中度污染，大于3表明水体轻污染或无污染.该指数也反映了群落的复杂程度，指数越大群落越复杂.

群落相似性系数公式为：S= 2c/(a+b)(S为相似性系数；a为样本A中的种数；b为样本B中的种数；c为两个样本中共有的种数).该指数反映了两个群落之间组成的相似程度.根据北美山地溪流底栖动物共有分类单元水质评价标准对所得数据进行分析，相似性系数大于70%说明不同水质对水生昆虫群落没有影响，相似性系数大于50%且小于70%表明不同水质对昆虫群落产生轻微影响，小于50%大于30%则表明水质对昆虫群落产生中度影响，而小于30%说明水质对昆虫群落产生严重影响[23].

BI指数公式为：BI=∑ni*ai/N(ni为第i个分类单元的个体数；ai为第i个分类单元的耐污值；N为各分类单元的个体总数).该指数通过统计分析某地区底栖生物对水质污染的敏感程度，来反映水体的污染程度，指数越高污染程度越大.秦春燕等通过实验确定了BI指数溪流水质级别评价体系：小于2.73极清洁，2.73—4.55清洁，4.56—6.38中等，6.39—8.21一般，大于8.21差[26].

1.4 数据分析

实验数据采用Statistical Program for Social Sciences和Statistica 6.0进行分析统计分析，用SigmaPlot10.0作图.

2 结果与分析

2.1 3种典型水体水生昆虫的群落特征

2.1.1 不同类型水体水生昆虫的群落组成

本次调查在西溪湿地、虎山水库、农田水系(萧山区文伟村水稻田)3种杭州市典型水体环境共计15个采样点进行采样，共采集水生昆虫标本1840只，分别隶属于6目65科，其中蜻蜓目17科、鞘翅目13科、半翅目17科、双翅目10科、蜉蝣目7科、毛翅目1科.经鉴定，西溪湿地采集到的科目数最多，共采集6目31科557个标本；其次为虎山水库，共采集5目20科253个标本；农田水系所采集的个体数量最多但是科目数最少，共采集5目14科1030个标本.不同类型水体的水生昆虫各科数量百分比见图2.由图2可见，农田水系中双翅目个体数量占据绝对优势；虎山水库中，优势类群的前3位依次是蜻蜓目、鞘翅目和半翅目；在西溪湿地中，蜻蜓目也占绝对优势.

表1 杭州市3种典型水体水生昆虫科及个体数的百分比Tab.1 The percentage of the number of aquatic insects and their families in three kinds of typical water systems in Hangzhou

图2 各水体水生昆虫群落结构Fig.2 Community composition of aquatic insects in different water bodies图3 各水体多样性指数Fig.3 Diversity index of each water body

2.1.2 不同类型水体水生昆虫多样性指数分析

群落物种多样性是群落组织独特的生物学特征，它反映了群落特有的物种组成和个体丰度特征.西溪湿地鉴定有31科，多样性和丰富度较其他两个地区要高，其次为虎山水库，农田水系最低(图3).虎山水库Simpson指数最高，其次为西溪湿地，说明相对虎山水库和西溪湿地，前两者空间异质性较大.从均匀度指数来看，虎山水库和西溪湿地指数相近，农田水体最低.根据Simpson多样性指数，3个水体均为严重污染；根据Shannon-wiener多样性指数得出，农田水系为α-中度污染，虎山水库与西溪湿地为β-中度污染；根据Margalef多样性指数，农田水系为α-中度污染，虎山水库与西溪湿地为轻度污染；根据Pielou多样性指数，农田水系为β-中度污染，虎山水库与西溪湿地为轻度污染.综合评价结果，农田水系为中度污染，虎山水库和西溪湿地为中度-轻度污染.

2.1.3 不同类型水体水生昆虫群落相似性系数分析

根据北美山地溪流底栖动物共有分类单元水质评价标准，不同类型水体水生昆虫之间的群落相似性系数结果见图4.由图4可见，虎山水库和西溪湿地群落相似性系数介于50%～70%之间，说明两者的水质有轻微的差别，对水生昆虫群落组成产生了轻微的影响.农田水体与虎山水库及西溪湿地在夏季群落相似性系数介于30%～50%之间，说明两者的水质对水生昆虫的群落组成产生了中等程度的影响.

图4 各水体夏季群落相似性系数Fig.4 Community similarity coefficient of each water body in summer图5 各水体BI指数Fig.5 BI index of each water body

2.1.4 不同类型水体水生昆虫群落BI指数分析

按照山地溪流BI指数水质评价标准，不同类型水体水生昆虫群落BI指数计算结果及水质生物评价结果见图5.由图5可见，夏季农田水系、虎山水库和西溪湿地的水质均为严重污染.

2.2 环境参数

理化分析结果表明不同水体之间水质差异较大(表2).农田水系的电导率、DO和COD明显高于西溪湿地和虎山水库，虎山水库的DO高于西溪湿地，而西溪湿地的COD高于虎山水库.从 TN、TP 来看，农田水系远远高于其他水体，这说明农田水系的富营养化水平要远远高于其他两个水体.西溪湿地和虎山水库均受到一定的水体富营养化污染.

表2 西溪湿地、虎山水库和农田水系夏季水体理化特征Tab.2 Physical and chemical characteristics of Xixi wetland, Hushan Reservoir and farmland water system in summer

2.3 各水体重金属离子浓度分析

图6表明各水体重金属浓度不同.根据农田灌溉水质标准(GB 5084-2005)得出农田水系的Cu2+、Zn2+、Cd2+和Cr6+含量都达到农田灌溉水的标准，但Cu2+和Cr6+的含量较靠近农田灌溉水质标准所规定的最高标准.根据地表水环境质量标准(GB 3838-2002)得出虎山水库在重金属含量方面达Ⅱ类水质，主要适用于集中式生活饮用水地表水源地二级保护区.西溪湿地Cu2+、Zn2+、Cd2+达到地表水环境质量标准Ⅱ类水质标准，但Cr6+浓度超标，达到Ⅴ类水质标准，属于农业用水区及一般景观要求水域范畴.

图6 各水体重金属浓度Fig.6 Concentration of heavy metals in each water body

3 讨 论

水生昆虫对水体质量非常敏感，其种群分布及群落结构都会受到水质状况的影响[27].在农田水系中，优势类群为双翅目和蜻蜓目，虎山水库和西溪湿地的优势类群为蜻蜓目、鞘翅目和半翅目，这与秦春燕等的调查结果类似[28].蜉蝣目、襀翅目和毛翅目3个类群的水生昆虫分布最广、研究最多、对水质最敏感的3个目，简称EPT[23,29].本次调查在3个典型水体环境中共采集到水生昆虫1840只，分别隶属于6目65科.结果显示仅在西溪湿地发现蜉蝣目和毛翅目两类，在虎山水库中仅发现蜉蝣目一类，而在农田水系中没有发现这3类水生昆虫.

生物多样性结果显示，3个典型水体的Margalef 丰富度指数和Shannon-Wiener多样性指数均表现为西溪湿地>虎山水库>农田水体，这与张又等对巢湖流域的8个水系生物多样性的研究结果一致[30].综合分析可知，西溪湿地和虎山水库受到了β-中度污染，而农田水系受到了α-中度污染[31-32].西溪湿地生境保存较完整稳定，覆盖自然植被，包括树木、林下灌木或非木本大型植物，种类丰富，覆盖度高，没有水土流失迹象.相反，农田水体的生境遭到较大程度的破坏，受侵蚀严重，临近岸带的区域受耕作影响严重[33].由于农田水系污染较严重，其与其余水系的相似性也最低，说明其对昆虫群落分布影响更大.由此可见，不同类型水体的生境条件影响水生昆虫的种类和数量.而不同的生物指数只反映生物群落特征的某一侧面，本文选取了群落结构、功能与有关的指数和与生物耐污能力有关的BI指数，能更全面地对水质进行评价，增加了评价的有效性[34].BI指数评价表明3种类型水体在夏季各月份水质污染均较严重.这个结果和多样性指数的结果不一致.BI指数引进了水生昆虫的耐污值，更能准确地反映水体的水质标准，对水质评价要求较高[35]，群落相似性系数则是比较两者之间的相似程度，与Shannon-Weiner多样性指数和BI指数的量纲不一致，难以得出简单明确的综合评价结果.3种水体的EPT丰富度指数与BI指数评价结果基本吻合，西溪湿地的污染程度低于虎山水库和农田水系，但都达不到清洁水平.

不同水域中的水生昆虫的多样性主要取决于水体的理化条件，如：温度、pH、溶解氧等，因此，水体中生活的不同种水生昆虫群落可以反映该水域的污染状况.TN、TP两个因子主要反映了水体的污染水平和营养状态[36-37].吴东浩等研究发现，氨氮是影响西苕溪底栖动物分布的关键环境因子[38].龚志军在研究东湖中发现随着营养状态的增加，底栖动物多样性逐渐降低，而寡毛类和摇蚊幼虫的数量呈增加的趋势[39]，我们在调查农田水系时也发现营养状态越高的水体中摇蚊数量越多.本研究中各水体水质差异较大，主要表现为水质理化指标差异较大.水质的差异直接或间接影响水生昆虫的群落结构，包括影响底层氧含量等，而氧含量往往直接决定了水生昆虫的分布和密度[40].另外，从COD值来看，农田水系COD值远大于地表水标准的劣五类水质标准，同时农田水系的TN、TP值也明显高于另外两个水系，呈现富营养化.重金属是水体污染中最严重的一类污染物，它不仅会影响水生生物的生长发育，还会通过食物链传递进而影响人类健康[41].重金属可以扰乱水生昆虫的正常生理功能，影响其生长发育，进一步影响水生昆虫的种群结构[42-43].研究表明，重金属Cu、Zn、Cd、Cr、Hg等是重要的水体重金属污染物，其中水生生物对Cu和Zn最为敏感[44-45].本研究检测了3种水体的Cu、Zn、Cd、Cr金属离子浓度，农田水系Cu2+和Cr6+的浓度较高，推测是来自化肥污染；虎山水库重金属含量未超标，符合饮用水标准；而西溪湿地Cr6+浓度超标，达到V类水质标准.总的来看，3种水体中Cu和Zn离子含量与其水生昆虫多样性及结构特征保持一致.本研究主要检测了水体理化因素与水生昆虫的关系，未来还需要对水生昆虫的环境因子进行全面分析，才能明确影响水生昆虫的关键因素.