利用水生昆虫对阿什河上游秋季水质的生物学评价1)

李亚俊 吴梦婷 张 宇 梁靖媚 刘曼红

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

阿什河是松花江右岸的一级支流，流域总面积为3 581 km2，干流河道曲线长213 km。流经尚志、五常、阿城等市县，于哈尔滨市东郊注入松花江。阿什河有南北两源，本研究区域属于南源，发源于尚志市帽儿山镇的大青山东坡尖砬子沟，平均海拔311 m，地理坐标为东经 127°30'27.1″～ 127°39'23.1″，北纬 45°16'38.7″～45°24'59.5″。大陆性季风气候，四季较为分明。植被属长白植物区系，现有主要植被类型是以硬阔混交林为主的天然次生林和种类繁多的草本植物［1］。阿什河上游一直是帽儿山镇和周边村屯居民重要的用水水源，其水质的好坏直接关系到众多居民的饮水安全，加强水质监测非常必要。

水生昆虫是指一类某个或几个发育阶段必须在水中或与水体有关的环境中完成的昆虫，其作为大型底栖无脊椎动物的一类，具有种类多、数量大、肉眼可见、分布广泛和生活习性专一等特点，尤其是EPT水生昆虫(E:蜉蝣目;P:襀翅目;T:毛翅目)，对生境有特定的要求。因此，水生昆虫经常被作为反映森林生态系统溪流水环境变化的重要指示生物［2］。国外利用水生昆虫和其他大型底栖无脊椎动物评价河流和溪流水质已经有了相当长的历史［3－6］，近些年来国内也已经有了大量的研究［7－11］。Guo等［12］和李金国［13］等在不同土地利用类型方式下，对帽儿山低级溪流中水生昆虫的群落特征及其水质进行了生物学评价，但只将水生昆虫鉴定到科。本研究则将物种鉴定到属、种，以进一步对该水源区水生昆虫群落进行监测、分析及合理评价，为阿什河上游生态环境、水质变化及水污染防治提供依据。

1 材料与方法

1.1 采集点环境

在阿什河上游设置9个采集点(S1～S9)，见图1。上游段为S1(老爷岭)、S2(尖砬子沟)河水清澈见底，水流急，河底以圆石和小鹅卵石为主，岸边有植被覆盖;S3(十号桥)和S4(三号桥)水流平缓，底质为圆石和砂粒，圆石下有机质非常丰富;S5(头号桥)和S6(红明桥)采集点水流平缓，水浅，河底砂粒成分较多，岸边无植被覆盖;采集点S7靠近富民屯，S8靠近李家粉坊，海拔均较低，且水流平缓，这两处采样点经常受到居民的生活垃圾和周围农田的有机污染;S9(上牌)在帽儿山钢铁厂排污口的下游，该样点受工业废水的污染较大。

图1 阿什河上游采样点示意图

1.2 样品采集与处理

采样于2010年10月(秋季)进行，水生昆虫的采集参考Barbour［5］的方法，并做了改进。水生昆虫的定量采集用索伯网(Surber)(0.3 m×0.3 m，40 目尼龙纱)，结合D形抄网(直径0.3 m，40目尼龙纱)半定量取样。半定量采样法的特点是在相对限定的时间和采样范围内，完成采样区域内各种小栖境的采集，以尽可能获得更多的代表性种类，减少采样误差对评价准确性的影响。索伯网主要用于定量取样，用刷子刷下粘附在石块上的水生昆虫并收集到网内;D形抄网的采集长度为5 m，采样面积约1.5 m2，主要用于生物定性取样和EP，T丰富度分析;同时，根据实际情况采集目测样(用于生物定性分析)，即在采样点附近拣取石块，采集附着的水生昆虫。昆虫标本在野外迅速检出后立即保存于75%的乙醇中。在实验室内对采集的水生昆虫样本进行整理归类。物种鉴定借鉴Morse［4］、Merritt［14］和周长发［15］等的文献，大多样本鉴定至种，少数鉴定至科、属、区分到种，并计数。数据在Excel中统计分析，计算各采样点的水生昆虫种类、密度和生物指数等。

1.3 数据处理

本研究的优势种分析利用 Lampitt等［16］的方法，其公式为:

y=(ni/N)fi。

当y＞0.02时，该种即为优势种。

式中:N为所有种个体总数;ni为第i种的个体数。

1.4 水生昆虫取食功能群的划分

功能群用以描述在群落中功能相似的所有物种的集合，其组成及其之间的相互作用对群落生产力及其稳定性具有重要影响［17］。在水生生态系统中，以水生昆虫为主的大型底栖无脊椎动物对物质分解起重要作用，尤其是维持溪流生态系统功能的完整性有着至关重要的作用［18－19］。本文采用 Cummins等［20］关于水生昆虫取食功能群的划分方法，将水虫昆虫的聚集功能群分为6种类型，分别为:直接收集者、过滤收集者、刮食者、撕食者、牧食者和捕食者，并按照Vannote等［21］的方法把直接收集者和过滤收集者统一为收集者。

1.5 水质的评价方法

研究中根据生物与环境相互作用的原理，利用3种广泛使用水生昆虫的多种生物指数，即EP，T(E:蜉蝣目;P:襀翅目;T:毛翅目)丰富度指数［22］、科级水平生物指数(FB，I)［3］和生物指数(BI)［23］对阿什河上游各样点水质进行评价。BI指数是一个用来分析生物群落与水质关系的参数，它考虑到了生物的生理反应，引入了生物的耐污值。所谓的耐污值就是某类水生昆虫对水质污染的敏感程度，一般以0～10来表示，数值越大，耐污能力越强。该方法在评价水质时，既考虑了生物种类多样性和个体数量，又考虑到生物本身对污染忍耐能力的差异。中国东北水体还未见对水生昆虫的耐污值的研究，为此本文中的耐污值采用 Hilsenhoff［3］、Lenat［22］和王建国等［24］的研究结果。

2 结果与分析

2.1 水生昆虫群落特征

阿什河上游9个采样点共收集水生昆虫1410只，鉴定出水生昆虫41种(表1)，隶属于5目，19科，33属。毛翅目、襀翅目和蜉蝣目为3大优势类群，其个体数量之和占水生昆虫总数的73.18%(表2)。其中:蜉蝣目为6科，占所有科数的31.58%;毛翅目7科，占所有科数的36.84%;襀翅目仅1科(绿襀科)，占5.26%;双翅目3 科，占15.79%;半翅目2科(划蝽科和蝎蝽科)，占10.53%。其中:毛翅目种类最多，共14种，占水生昆虫全部种类的34.15%;其次是蜉蝣目，共13种，占31.71%;双翅目9种，占21.95%;襀翅目3种和半翅目2种，见表3。物种分析得到亚美蜉属(Ameletus sp.1)、斑纹角石蛾(Stenopsyche marmorata)、纹石蛾属(Hydropsyche sp.1)、小划蝽(Corixa substriata)、花翅前突摇蚊(Procladius choreus)和大蚊属(Tipula sp.1)的优势度指数y均大于0.02，为阿什河上游的优势种。

表1 水生昆虫名录

表2 水生昆虫各目、科、种数及所占的比例

由表3可知，阿什河上游各采样点水生昆虫的密度和物种数量存在一定差异，说明水生昆虫群落特征与其栖息的环境密不可分。本研究中，水生昆虫的密度和物种数量最大点为S3(密度为2 467 ind./m2，物种数为17种)，该样点水流平缓，底质为小鹅卵石和砂粒，小鹅卵石下面腐烂的枯枝落叶较多，为摇蚊科幼虫提供了很好的栖境;S1样点水生昆虫的密度最小，为44 ind./m2，只发现2种(Ameletus sp.1 和 Baetis sp.1)，该采样点海拔 386 m，位于老爷岭上，溪流底质为大的圆石，水流湍急，急流的冲刷使大石下的有机质较少，其生境可能使水生昆虫难于栖息。S6采样点水生昆虫的密度较小(444 ind./m2)，而该点的物种数量却很大(13种)。环境分析表明，S6采样点位于红明桥，水面宽约25 m，水流平缓，距离附近村子很近，居民经常在河里从事洗衣服等日常活动，水体的富营养物质含量丰富，水生昆虫的物种多样性也随之增加。随着海拔下降，S5～S9采样点水生昆虫的密度和物种数都有所下降。分析表明:S5位于富民屯，是夏季阿什河漂流的起点，经营者为了使游客达到顺利漂流的目的，将该段溪流中大石块基本清除掉了，因此S5、S6、S7样点为小石块和砂粒底质;S9(上牌)样点位于钢铁厂的下游，水质混浊，为漂流的终点，工厂排出的废水等因素可能是导致水生昆虫丰富度下降的主要原因。

表3 各采样点物种密度和物种数

2.2 水生昆虫摄食功能群组成

研究中对阿什河上游水生昆虫的总数量进行了统计，通过水生昆虫的摄食功能群分析可知:收集者(61.13%)、捕食者(20.14%)和刮食者(15.60%)是主要的摄食功能群，这可能与溪流中枯枝落叶较多、营养物质较为丰富有关，而牧食者(2.70%)和撕食者(0.43%)的丰富度比较小，见表4。

表4 阿什河上游水生昆虫摄食功能群组成比例

2.3 水质生物评价

基于水生昆虫评价水环境的优越性，选用丰富度指数(EP，T)、生物指数(BI)和科级水平生物指数(FB，I)对阿什河上游不同采集点的水质进行评价，结果见表5。由表5可见，科级水平生物指数(FB，I)的评价结果是，样点S5和S9为极清洁水。利用BI的评价结果是:只有S1、S2和S5样点为极清洁，为最好的水质;S4、S6、S7、S9样点很好;水质一般为样点S3和S8，表明这两个采样点水质有较明显的有机污染。EP，T丰富度评价最好的样点是S2和S4，为很好的水体。EP，T丰富度指数和BI指数评价水质的结果基本吻合，仅在清洁度次序上略有差异。综合EP，T、BI两种生物指数的评价结果，阿什河上游水质处于好到很好的过渡状态。

表5 3种生物指数对阿什河上游水质的评价结果

3 结论与讨论

2010年秋季，对阿什河上游的调查共获底栖水生昆虫1 410只，隶属于5目19科33属41种，毛翅目、襀翅目和蜉蝣目为东北山区溪流水生昆虫的3大优势类群，其个体数量之和占水生昆虫总数的73.18%(表2)。可见，毛翅目、襀翅目和蜉蝣目3大敏感类群广布于我国南方［8］和北方溪流中，毛翅目的科、属、种类最为丰富。毛翅目幼虫是水生昆虫中种类极为丰富的类群之一，可生活于各种类型的清洁水体中，对水质污染反应灵敏，是水质监测的重要指示生物［25］。

在不同的水域中生活的水生昆虫的多样性，主要决定于水的理化条件，如:温度、矿物质、有机质和pH值等，因而，水体中生活的不同适应性的昆虫种类可反映出水体的污染状况;在同一水域中，水生昆虫群落结构的变化反映水质变化的程度。因此，水生昆虫被广范用来监测和评价水体污染情况［10，26］。

以往的研究发现，利用科级生物指数(FB，I)进行水质评价，科级水平的耐污值比其属、种级的要大［24］。本研究中也发现，FB，I与 EP，T丰富度指数、BI指数评价的结果相比偏差较大，因此，FB，I指数不适合评价阿什河上游水体。EP，T丰富度指数仅以蜉蝣目、襀翅目和毛翅目3个敏感类群的种类作为评价标准，方法简单易行，适用于水流湍急和石砾河床的山区河川。BI生物指数既考虑不同种类水生昆虫的耐污能力的差异，又考虑种的个体数，增加了评价的准确性。秋天和冬天，大部分溪流的流量和流速都会变得很小，许多水生昆虫以卵滞育越冬，以幼虫态生活在水体中的种类比较少。在这种情况下计算出来的 BI值就会比夏季的偏低，对此，Lenat［27］建议，在山区，秋季和冬季的BI值都需要加上0.4～0.5以后再进行评价，可以提高评价结果的准确性。本次研究时间是秋季，水温较低(4.0～4.9℃)，但研究中没有对BI值进行修订，而是直接用BI值进行评价，其结果比较符合阿什河上游实际水质状况。为提高评价结果的准确性，下一步研究中将尝试利用修订后的BI值对阿什河上游的水质进行评价。

利用BI指数的评价结果是，只有样点S1、S2和S5为极清洁，为最好的水质，而水质一般为样点S3和S8(表3)。花翅前突摇蚊和亚美蜉属都是污水的指示生物［4］，在样点S3中大量出现，表明该采集点水质有较明显的有机污染。经分析表明，阿什河上游溪流受到旅游季节漂流、居民生活污水、工业排污等的干扰很大，这种随机的人类活动干扰，是使不同级别溪流水质存在一定差异的原因［12］。

本次的研究结果显示，EP，T和BI指数可以作为阿什河上游水质评价的两种生物指数，评价结果为:阿什河上游秋季水质处于很好到好的过渡状态。

水体的有机污染改变了水生昆虫摄食功能的组成，最终导致摄食功能群分布非常不均。幼虫的生长除了受到水体底质的影响，还受溪流两岸营养物质的影响［28－30］。所以，还需要做的工作是:对水体的有机污染等理化因子进行监测，探讨水生昆虫与环境之间的相关性，进一步完善生物监测的准确性。

［1］ 牟溥，王庆成，Anne E Hershey，等.土地利用、溪流级别与溪流河水理化性质的关系［J］.生态学报，2004，24(7):1486－1492.

［2］ Mayumi Y，Kaoru M.Comparison of sampling methods for aquatic insect indicators of forest condition in terms of collection efficiency［J］.Bulletin of FFPRI，2004，3(3):213－219.

［3］ Hilsenhoff W L.Rapid field assessment of organic pollution with a family level biotic index［J］.North American Benthological Society，1988，7(1):65－68.

［4］ Morse J C，Yang Liang Fang，Tian Li Xin.Aquatic insects of China useful for monitoring water quality［M］.Nanjing:HoHai University Press，1994.

［5］ Barbour M T，Gerritsen J，Griffith G E，et al.A framework for biological criteria for Florida streams using benthic macroinvertebrates［J］.Journal of North American Benthological Society，1996，15(2):185－211.

［6］ Darciliof B，Daniel F B，Mariana E，et al.A multimetric index based on benthic macroinvertebrates for evaluation of Atlantic Forest streams at Rio de Janeiro State，Brazi［J］.Hydrobiologia，2007，575:83－94.

［7］ 杨潼，胡德良.利用底栖大型无脊椎动物对湘江干流污染的生物学评价［J］.生态学报，1986，6(3):262－273.

［8］ 杨莲芳，李佑文，戚道光，等.九华河水生昆虫群落结构和水质生物评价［J］.生态学报，1992，12(1):8－15.

［9］ 柯欣，杨莲芳，孙长海，等.安徽丰溪河水生昆虫多样性及其水质生物评价［J］.南京农业大学学报，1996，19(3):37－43.

［10］ 杜瑞卿，王庆林，张征田，等.EPT昆虫群落分布与环境因子的相关性［J］.昆虫学报，2008，51(3):336－341.

［11］ 单林娜，李冰冰，王亚南，等.沙河上游水系底栖水生昆虫群落构成及水质生物评价［J］.安徽农业科学，2010，38(23):12641－12642.

［12］ Guo Baoqin，Wang Qingcheng，Yu Hongli，et al.Stream water quality and its influencing factor in lower order streams in upriver sections of Ashihe River［J］.Journal of Forestry Research，2005，16(3):181－186.

［13］ 李金国，王庆成，严善春，等.凉水、帽儿山低级溪流中水生昆虫的群落特征及水质生物评价［J］.生态学报，2007，27(12):5008－5018.

［14］ Merritt R W，Cummins K W.An introduction to the aquatic insects of North American［M］.Dubuque:Kendall/Hunt Publishing，1996:521－632.

［15］ 周长发.中国大陆蜉蝣目分类研究［D］.天津:南开大学，2002:44－121.

［16］ Lampitt S，Wishner E，Turley M，et al.Marine snow studies in the Northeast Atlantic Ocean:distribution，composition and roles as a food source for migrating plankton［J］.Marine Biology，1993，116(4):689－702.

［17］ Grime J P.Biodiversity and ecosystem function:the debate deepens［J］.Science，1997，277:1260－1261.

［18］ Early S K，Newell R L，Medina V F.Use of macroinvertebrate and chemical indices to assess water quality of an irrigation waster way［J］.Journal of Freshwater Ecology，2002，17(2):191－197.

［19］ Wallace J B，Webster J R.The role of macroinvertebrates in stream ecosystem function［J］.Annual Review of Entomology，1996，41:115－139.

［20］ Cummins K W，Klug M J.Feeding ecology of stream invertebrates［J］.Annual Review of Ecology and Systematics，1979，10:147－172.

［21］ Vannote R L，Minshall G W，Cummins K W，et al.The river continuum concept［J］.Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences，1980，37:130－137.

［22］ Lenat D R，Smock L A，Penrose D L.The use of benthic macroinvertebrates as indicators of environmental quality//［G］Worf D L.Biological Monitoring for Environmental Effects［M］.Toronto:Lexington Books，1980:97－112.

［23］ Chutter F M.An empirical biotic index of the quality of water in South African streams and rivers［J］.Water Research，1972，6:19－30.

［24］ 王建国，黄恢柏，杨明旭，等.庐山地区底栖无脊椎动物耐污值与水质生物学评价［J］.应用与环境生物学报，2003，9(3):279－284.

［25］ 杨维芳，杨莲芳.黄纹鳞石蛾和宽羽拟石蛾生物学观察(毛翅目:完须亚目)［J］.南京农业大学学报，2002，25(1):61－65.

［26］ 黄小清，蔡笃程.水生昆虫在水质生物监测与评价中的应用［J］.华南热带农业大学学报，2006，12(2):72－75.

［27］ Lenat D R.A biotic index for the southeastern United States:derivation and list of tolerance values，with criteria for assigning water quality ratings［J］.Journal of the North American Benthological Society，1993，12(3):279－290.

［28］ Fiance S B.Effect of pH on the biology and distribution of Ephemerella funeralis(Ephemeroptera)［J］.Oikos，1978，31:332－339.

［29］ Malley，D F.Decreased survival and calcium uptake by the crayfish Orconectes virilis in low pH［J］.Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences，1980，37:364－372.

［30］ Rodgers D W.Ambient pH and calcium concentration as modifiers of growth and calcium dynamics of brook trout，Salvelinus fontinalis［J］.Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences，1984，41:1774－1780.