猫跳河流域底栖动物群落结构与水质生物评价

马 卓 荦，凌 耀 忠，黄 文 达

(1.中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510610； 2.水利部珠江水利委员会 水生态工程中心，广东 广州 510610)

0 引 言

底栖动物尤其是大型底栖动物对环境反应敏感且易于调查，因此常常被作为指示物种进行水质生物评价和河流健康评价。发达国家对利用底栖动物进行水质生物评价的研究开展较早，并建立了一系列以底栖动物为指示物种的评价体系，如美国的生物完整性指数(Index of Biological Integrity，IBI)[1]、快速生物监测规程(Rapid Bioassessment Protocols，RBPs)[2]，英国的河流无脊椎动物预测和分类计划(River Invertebrate Prediction and Classification System，RIVPACS)[3]，澳大利亚的溪流状态指数(Index of Stream Condition，ISC)[4]等。这些评价指标及标准的建立，使得利用底栖动物群落结构对水环境进行评价有了科学依据。

中国也开展了对底栖动物的群落结构及影响因素的相关研究[5-7]。其中，有部分研究借鉴国外经验，用底栖动物作为指示物种来评价河流水质受污染程度[8-9]，同时积极探索相关评价方法、指标及标准在国内的应用[10]。目前，国内应用于底栖动物水质生物评价的方法较多，如个体密度和生物量[11]、Shannon-Wiener指数[8，12]、BMWP指数[13-14]、底栖动物完整性指数(B-IBI)[15-16]、Goodnight生物指数及Wright指数[17]等，这些方法和指标考虑了中国水系和生物特点，对于中国水质生物评价工作具有较强的指导意义。

尽管基于底栖动物群落结构的水质生物评价工作已广泛开展，但由于中国幅员辽阔，已开展相关工作的河流只是少部分，大部分流域尤其是欠发达地区的小流域尚未覆盖到。本文所研究的猫跳河发源于安顺市西秀区，在贵阳市修文县汇入乌江，是乌江的一级支流、长江的二级支流，流域总面积3 246 km2，总河长179 km，干流上已建成红枫湖、百花湖两个大型水库。近年来随着流域内开发活动增强，猫跳河越来越多地受到水环境污染威胁。为摸清猫跳河流域水生态环境状况，本研究用底栖动物作为指示物种，对猫跳河水污染状况进行评价，以期为猫跳河流域综合管理策略的制定与实践提供理论基础和科学依据。另外，猫跳河是长江水系的重要组成部分，详细调研其生态环境现状可为更广阔流域的水生态保护与修复工作提供参考。

1 材料与方法

1.1 采样地点及时间

为全面科学评价猫跳河流域的底栖动物群落，采样地点覆盖了猫跳河的干流及7条一级支流，共设置了38个调查位点(见图1)。采样时间为2019年8月。

图1 猫跳河流域调查位点分布Fig.1 Distribution of sampling site in Maotiao River Basin

1.2 样品采集方法

在所选定采样位点的100 m范围之内，使用口径为25 cm×25 cm的D型抄网(60目)，随机采集水草区、急流区、缓流区的样本。在现场经过60目筛网过筛冲洗，将网内所有采集物装入聚乙烯封口袋，加入10%福尔马林溶液固定后带回实验室进行种类鉴定、计数、称重和个体大小的测量[18]。

1.3 数据处理及分析

1.3.1鉴 定

鉴定工作在显微镜和解剖镜下完成，底栖动物标本一般鉴定到种或属，部分鉴定到科。底栖动物的分类鉴定主要参考资料包括AquaticOligochaetaoftheWorld[19]、AquaticInsectsofChinaUsefulForMonitoringWaterQuality[20]、IdentificationManualfortheLarvalChironomidae(Diptera)ofNorthandSouthCarolina[21]以及《中国小蚓类研究》[22]《中国经济动物志：淡水软体动物》[23]《中国动物志：软体动物门，双壳纲》[24]《中国动物志：环节动物门，蛭纲》[25]等。

1.3.2优势度

优势度计算公式如下：

(1)

式中：Y为优势度指数，ni为第i种底栖动物个体数，N为底栖动物总个体数，fi为该物种在各个位点出现的频率。当Y>0.02时，该物种为群落中的优势种。

1.3.3密 度

数量密度为单位面积内底栖动物的个体数，单位为ind/m2；生物量密度为单位面积内底栖动物的生物量，单位为g/m2。

1.3.4Shannon-Wiener多样性指数[26]

(2)

式中：H′为多样性指数；n为底栖动物总个体数；S为底栖动物种类数；ni为第i种底栖动物个体数。

1.3.5Pielou均匀度指数[27]

(3)

式中：J为Pielou均匀度指数；H′为多样性指数；Hmax=log2S，为最大多样性指数。

1.4 水质的生物学评价指标及标准

根据猫跳河流域生态环境特点，参考相关研究，选取Shannon-Wiener多样性指数和BMWP记分系统进行水质生物评价。

1.4.1Shannon-Wiener多样性指数

根据《河流水生态环境质量评价技术指南(试行)》[28]中提出的标准，Shannon-Wiener多样性指数>3.0为清洁，3.0～2.0为轻度污染，2.0～1.0为中污染，1.0～0为重污染，0为严重污染。

1.4.2BMWP记分系统

BMWP记分系统基于不同的底栖动物对有机污染(如富营养化)有不同的敏感性/耐受性，按照各个类群的耐受程度给予分值，按照分值分布范围，对监测位点水质状况进行评价。BMWP分值越大表明水质越好。BMWP得分>100为清洁，100～71为轻度污染，70～41为中污染，40～11为重污染，10～0为严重污染。底栖动物BMWP得分计算公式如下：

BMWP=∑ti

(4)

式中：ti是调查样点中出现的物种i的科一级敏感值，该指标根据大型底栖动物耐污特性的差异，从最不敏感至最敏感依次给予1～10的分值，对样点中所出现物种的科级敏感值求和即为该样点BMWP得分。本研究所采用的科级敏感值是在《河流水生态环境质量评价技术指南(试行)》[28]基础上，参考国内及本地区底栖动物耐污性的相关研究[12，18]，并结合专家经验进行了修订并应用(见表1)。

表1 大型底栖动物类敏感值Tab.1 Sensivity of macrozoobenthos groups

2 结果与分析

2.1 底栖动物群落结构

2.1.1种类组成

本次调查共记录底栖动物82种，隶属于4门7纲51科，其中扁形动物门有1科1种，占底栖动物总种数的1%；环节动物门有4科9种，占总种数的11%；软体动物门有10科19种，占总种数的24%；甲壳动物有2科2种，占总种数的2%；水生昆虫有34科51种，占总种数的62%，水生昆虫的种数占据明显优势。

2.1.2优势种

调查发现，猫跳河流域底栖动物主要优势种为苏氏尾鳃蚓Branchiurasowerbyi、巨毛水丝蚓Limnodrilusgrandisetosus、霍甫水丝蚓Limnodrilushoffmeisteri、萝卜螺属Radixsp.、环棱螺属Bellamyasp.、河蚬Corbiculafluminea、米虾属Caridinasp.、四节蜉属Baetissp.、扁蜉属Heptageniasp.、摇蚊属Chironomussp.。

2.1.3密 度

从统计结果来看(见表2)，猫跳河流域各位点底栖动物个体密度变化范围为2～1 246 ind/m2，总平均个体密度为84 ind/m2，其中，水生昆虫的平均个体密度最高，其次为环节动物；底栖动物生物量密度变化范围为0.02～197.39 g/m2，总平均生物量密度为11.01 g/m2，其中软体动物的平均生物量密度最高。猫跳河干流底栖动物平均个体密度低于支流，主要是由于支流暗流河S38位点的个体密度为本次调查最高值(1 246 ind/m2)，且远高于其他位点，其主要物种为小蜉属Ephemerellasp.。猫跳河干流底栖动物平均生物量密度高于支流，主要因为本次调查干流各位点发现的软体动物较多，而软体动物普遍个体较大，从而抬高了生物量密度。

表2 猫跳河底栖动物平均密度Tab.2 Density of zoobenthos in Maotiao River

2.1.4多样性及均匀度

从多样性统计结果来看(见表3)，猫跳河全流域各位点的Shannon-Wiener多样性指数在0.11～3.01之间，平均值为1.57，大部分小于2.0；Pielou均匀度指数在0.05～0.97之间，平均值为0.66。猫跳河干流各位点平均Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数均高于支流。

表3 猫跳河底栖动物多样性及均匀度Tab.3 Shannon-Wiener index and Pielou index of zoobenthos in Maotiao River

2.2 水质生物学评价

Shannon-Wiener多样性指数水质评价结果表明：猫跳河干流及支流普遍受到了污染，仅有1个位点为清洁状态，轻度污染位点为9个，中污染位点为20个，重污染位点为8个。其中干流(含水库)有1个清洁位点，轻度污染及以上位点占比为29%；支流无清洁位点，轻度污染及以上位点占比为21%(见表4)。

BMWP记分水质评价结果表明：猫跳河干流及支流全部属于污染状态，且大部分为重污染甚至严重污染，其中中污染位点5个，重污染位点30个，严重污染位点3个。其中干流(含水库)中污染及以上位点占比为13%，支流中污染及以上位点占比为14%。

3 讨 论

根据陈浒等[12，29]的研究，猫跳河所属的乌江流域贵州段河流底质环境类型丰富，底栖动物物种较多，共发现有132种底栖动物，多于本次研究发现的82种，这主要由于前者调查的地理范围比本次研究更加广阔，所发现的物种数量也相应增多。在群落组成方面，乌江流域以软体动物和水生昆虫占优势，分别占底栖动物总种数的28.03%和53.78%，与本次猫跳河流域调查结果的24%和62%比较接近。乌江流域调查发现，狭萝卜螺Radixtagoiis、卵萝卜螺Radixovata、闪蚬Corbiculanitens、隐摇蚊Cryptochironomussp.是流域的广布种，本文作调查后猫跳河流域底栖动物的优势种与该调查相似，也包含了萝卜螺属、河蚬、摇蚊属等。上述结果表明猫跳河的底栖动物群落结构跟其干流乌江类似，以水生昆虫和软体动物为主。

陈浒等[12,29]对乌江流域贵州段的调查研究中涉及有猫跳河，其调查位点位于猫跳河河口处，靠近本次调查的S16位点。该研究在猫跳河发现有4种底栖动物，全部为软体动物，主要为闪蚬、狭萝卜螺、大脐圆扁螺Hippeutisumbilicalis，本次研究调查后同样发现有4种底栖动物，除了河蚬Corbiculafluminea与沼蛤Limnoperna fortunei这2种软体动物外，还有2种扁蜉科Heptageniidae水生昆虫。在生物多样性方面，陈浒等[12，29]的调查中，猫跳河Shannon-Wiener多样性指数为1.40，与本次研究S16位点调查结果的1.71接近，均表明位点所代表的河段受到了一定程度污染。

表4 猫跳河生物指数和水质评价Tab.4 Bio-index and assessment of water quality at different sites in Maotiao River

本次水质生物评价结果显示猫跳河全流域大多处于受污染状态，一方面是由于猫跳河所在的乌江流域处于全球汞矿化带中[30]，矿产的开发和生产影响到河流水质和沉积物，对底栖动物的生存极为不利[29]。另一方面，猫跳河流域内生产活动强度较大，城乡污水及含有农药化肥的农田退水排放也对水质产生了不利影响，进而影响到了底栖动物栖息。此外，根据池仕运等[31]对乌江水生生物状况的研究，水电站工程的建设活动及频繁的航运也会对水生生态系统造成破坏，而猫跳河的水电开发程度较高，干流已建成7座梯级电站，梯级电站的建设与运行改变了原有的天然生境结构和水文过程，使得部分敏感物种逐渐消失。

从猫跳河干流(含水库)与支流对比来看，干流各位点Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数的平均值均高于支流，同时干流各位点的Shannon-Wiener多样性指数水质评价结果好于支流，表明支流受污染情况比干流更严重。这可能由于猫跳河各支流沿岸较干流沿岸开发程度高，分布有较多的居民点和农田，而干流沿岸多高山峡谷，人烟稀少，对河流造成的直接污染程度较轻。但由于污染物通过各支流最终汇入到干流中，同样使干流也受到了污染，进而影响到底栖动物生存。猫跳河流域水质污染的超标因子为总氮，而总氮主要来源于农业面源、畜禽养殖等[32]，因此加强农业面源和畜禽养殖的污染治理是改善猫跳河流域水质的有效途径。

本次研究采用《河流水生态环境质量评价技术指南(试行)》[28]中推荐的Shannon-Wiener多样性指数和BMWP记分2种方法进行水质生物学评价。从评价结果来看，二者之间存在一定差异，采用BMWP记分评价得到的结果普遍劣于Shannon-Wiener多样性指数评价的结果。这可能由于Shannon-Wiener多样性指数以全部物种的多寡和数量的多少为基础，并未考虑到敏感种的重要性，若采集的样品中有较多的耐污种，则会使得评价结果比实际偏好。BMWP记分为科级敏感值的累计值，敏感种的多少对评价结果贡献较大，能较好体现敏感种在水质生物评价中的重要性。BMWP记分方法近年来在国内逐渐开始应用，具有计算简便、易于操作、成本较低等特点，且被证明具有较强的适用性[13]。但考虑到不同流域底栖动物在群落组成上有地区性差异，敏感种所代表的科也会有所不同，因此需在评价前结合调查采样结果及相关研究成果对底栖动物科级敏感值表进行补充和修正，以便提高评价的适用性和准确性。

4 结 语

调查河流底栖动物群落结构并进行水质生物评价，对制定流域环境管理策略有重要意义。本研究全面调查了长江二级支流、乌江一级支流猫跳河流域的底栖动物，共发现有82种底栖动物，其中软体动物与水生昆虫占大部分，与乌江流域底栖动物群落结构较为类似。Shannon-Wiener多样性指数和BMWP记分两种方法的水质生物学评价结果表明猫跳河流域各河段大多处于污染状态，污染的原因主要有矿产开发、城乡生活污水排放、农业污染排放、梯级水电站建设等，其中农业面源、畜禽养殖等是主要的污染物来源。猫跳河支流的受污染程度高于干流河道，是因为支流沿岸的开发程度较干流沿岸更高。下一步需要针对污染源的类型和分布制定相应的猫跳河流域治理对策及管理措施，最终推进长江大保护战略的实施。