基于底栖动物群落季节性变化的北运河水环境监测评价

王 汨，张玥彤，汪 冰，徐宗学，殷旭旺，王博涵

（1.大连海洋大学水产与生命学院辽宁省水生生物学重点实验室，辽宁大连 116023；2.北京师范大学水科学研究院水沙科学教育部重点实验室，北京 100875）

国内外对底栖动物的群落有着十分深入的研究[1-2]. 底栖动物扮演着捕食者、分解者、收集者等重要角色，其处于中间的营养层级，在水生态功能中也起着不可缺少的作用[3-4]. 水生态系统中环境变化能够影响底栖动物的群落结构，其种类的数量、多样性、优势种等多个特征变化都能较好地映射出其生活水质的变化[5-6]，因此很多研究者也都利用底栖动物对水环境的敏感反应来监测水质，并且取得了很好的成果[7-8].

研究一年中底栖动物群落季度性变化，对评价水体及水生态系统有着重要意义. 近年来，北运河水体受到各种不同程度的污染及威胁，导致其水生态系统中的环境恶化十分的明显，河流中的水生生物群落也发生了很大的变化[2-6]，但对流经北京市的北运河的底栖动物的年际变化和水质的年际变化调查研究相对较少，因此，本文开展北京地区北运河的底栖动物与水质的年际变化调查分析，以期更好地了解北运河水环境治理的效果，为北运河的河流治理和水生生物多样性的恢复提供可靠信息及依据.

1 材料和方法

1.1 北运河采样点位设置

北运河发源于北京的昌平区和海淀区，水流朝向南方流入通州，流经河北和天津，最终流入海河，因此北京地区的北运河属于海河流域的一条支流.北运河全长近200 公里，上游水流速较快，下游曲折且泥沙较多，是重要的漕运河道，北京地区的北运河水系的功能也有很多，包括泄洪、输水、调水等. 本文调查的点位设置主要是根据北运河的地貌特征及水文监测点位共同参考设立（图1）.

图1 北运河采样点位分布图Fig.1 The sampling sites distribution in North Canal

1.2 底栖动物采集及环境因子测定

在不同的采样点，采集相同平方数的底栖动物，现场处理采集的样品，并用酒精固定. 实验室中将样本存放在100 mL 的广口瓶中，再次用酒精固定，进行底栖动物的鉴定、解刨、记录数据并进行数据处理[9-13].

按照国家的标准测定方法[9-12]，在现场及实验室中测定各点位水中的环境因子，包括：总磷、水温、溶解氧、总氮等多个指示性的驱动因子[9-13]. 测定后汇总整理数据[9-14].

1.3 数据处理及分析

根据整理好的群落数据和水环境因子数据，计算底栖动物的物种数量、物种群落的密度占比、香农威纳指数和均匀度指数[13-17]. 整理并计算水环境因子的相关性[13-16].

运用Canoco 4.5 进行主成成分分析和典范对应分析，并制图. 运用BioDiversity Pro 进行群落多样性指数的计算，在ArcMap 10.2 上进行点位的制图工作[13-17].

2 结果

2.1 底栖动物群落特征分析

2.1.1 底栖动物群落组成及结构分析

本文共采集到29 种底栖动物物种，春、夏和秋季分别采集到的底栖动物为18 种、19 种和20 种. 苍白摇蚊（Chironomus pallidivittatus）等物种仅在夏季采集到，扁蛭（Glossiphonia）等物种仅在秋季采集到. 采集到的常见物种有：溪流摇蚊（Chironomus riparius Meigen）、河蚬（Corbicula flu min ea）霍甫水丝蚓（Limnodrilus hoffmeisteri）等. 基眼目在春季和夏季均为7种，秋季为9种.双翅目在春季是7种，夏季和秋季各是6种，其他类物种数均较少.春季和秋季采集到的颤蚓目密度较高，分别占77.18%和41.85%，夏季采集到的双翅目密度最高，占62.07%. 春季双翅目密度也较高，基眼目和颤蚓目在夏季密度占也比较高，秋季基眼目密度占比较高. 其他类群密度占比较低（图2）.

图2 北运河底栖动物的群落特征值Fig.2 Species number and percentage of macroinvertebrate in North Canal

通过分析三个季节底栖动物群落的数量及密度，发现采集到的物种数相对较少，三个季节各采样点位的物种平均值均为3.00 种；春季采集到的底栖动物各采样点位的密度平均值最高，平均值为2 333.00 ind./L，夏季和秋季相对较低，平均值分别为1 020.00 ind./L 和270.00 ind./L；反映底栖动物群落的多样性指数方面，香农威纳指数和均匀度指数普遍比较低，香农威纳指数的平均值仅有1.44、1.33和1.31，数值在1 ～2 之间，均匀度指数的均值也仅只有0.54、0.57和0.66（表1）.

表1 北运河底栖动物群落特征数值分析Table 1 The group composition of macroinvertebrates in North Canal

2.2 底栖动物群落与环境因子的关系

夏季的水温较高，春季水温次之，秋季水温较低，水体均呈碱性. 春、夏、秋各季节中测定的水环境因子含量高低各不相同，秋季氟化物在水中含量较高，夏季较低，溶解氧的含量在秋季最高，在春季含量最低，叶绿素a 则在三个季节中的平均含量变化不大，总氮、总磷高锰酸钾指数等环境因子测定出的含量较高.各水环境因子的平均值如表2所示.

表2 北运河节水环境因子测定数值（平均值±标准差）Table 2 The environment factors in North Canal (Mean±SD)

对春、夏和秋季的水环境因子进行主成份分析，发现春季的主要因子是高锰酸钾指数、总磷、总氮和氨氮；夏季主要的因子是总磷、总氮、高锰酸钾指数和溶解氧；秋季的主要因子是氨氮、高锰酸钾指数、总氮和溶解氧（如图3）.

图3 北运河水体环境因子主成分分析（PCA）Fig.3 Principal component analysis of hydrological environmental factors in North Canal

春、夏和秋季进行典范对应分析发现，春季，氨氮是主要影响底栖动物群落的水环境因子，氨氮对第一轴的影响呈正相关性；夏季，总氮和溶解氧是主要影响底栖动物群落的水环境因子；秋季，氨氮和高锰酸钾指数是主要影响底栖动物群落的水环境因子（如图4）.

图4 北运河底栖动物群落与水环境因子的典范对应性分析（CCA）Fig.4 Canonical correspondence analysis of species-environmental relationship in North Canal

2.3 北运河水生态健康评价

底栖动物的群落特征指数可以反应出底栖动物生活的环境质量与状况，经常被用来作为参数对城市的水生态系统进行评价（如表3）.本文测得春、夏和秋季的各点位底栖动物群落的香农威纳指数分别为1.44、1.33 和1.31，平均值均在1 ～2 之间，仅用香农威纳指数法来判定，则三个季节中的水体均呈中度污染[18-21].

表3 北运河底栖动物群落多样性指数的水生态健康标准Tabel 3 According to diversity index of macroinvertebrates community evaluate ecological health in North Canal

3 讨论

3.1 底栖动物群落特征分析

本文调查共鉴定出29 种物种，秋季采集物种数最高，为20 种，春季最低，为18 种. 颤蚓目密度在春季和秋季占优势，颤蚓目主要以水丝蚓属为主；双翅目密度在夏季占有绝对优势，双翅目则以摇蚊属为主. 摇蚊和水丝蚓这两类底栖动物喜欢生活在污水中，腐殖质、微生物、有机物、无机物含量丰富的水体很适合这两类物种，对它们的生长和繁殖都有帮助[18-23]. 这两类物种较多，说明本文调查的水体受到了污染.

底栖动物多样性指数可以很好地反映底栖动物的群落变化及水体的变化特征，为生态环境的监测和评价提供了指示标准[18-23]. 本次采集的各季节的底栖动物香农威纳指数的平均值均在1 ～2之间，根据底栖动物群落多样性指数的水生态健康标准，不难发现，本次调查的水体呈中度污染. 污染原因可能是因为人类的活动及各行业的废水的排量较大，且没有很好地处理城市污水等因素造成的.

3.2 底栖动物群落与环境因子的关系

根据分析结果可以看出，总氮和溶解氧主要影响的是夏季的底栖动物，高锰酸钾指数主要影响的是秋季的底栖动物. 春季水中氨氮含量最高，秋季水中氨氮含量最低，氨氮在水中，主要以氨离子的存在，会影响底栖动物的呼吸作用，氨氮还会影响到底栖动物的摄食，影响生长的速度. 春季和秋季物种体型相对较小，就是氨氮的作用之一[23-25]. 总氮主要影响底栖动物的生存环境，使水体富营养化，摇蚊和水丝蚓都喜欢生活在这样的环境中，夏季摇蚊数量最高，就是原因之一[21-25]. 溶解氧和高锰酸钾指数都能反映水体有机物的污染程度，溶解氧的含量的大小会直接影响到底栖动物群落的生长繁殖及呼吸作用，溶解氧同样是水中污染程度的重要的指标之一. 高锰酸钾在秋季的含量最高，同溶解氧一样，对有机物的污染有很重要的指示作用，会很影响水体中的底栖动物生活[21-27]，秋季高锰酸钾指数对底栖动物的影响较为明显.