汾河太原段底栖动物群落结构与水质生物学评价

李安萍,高晋华

（太原师范学院生物系,山西太原030031）

汾河太原段底栖动物群落结构与水质生物学评价

李安萍,高晋华

（太原师范学院生物系,山西太原030031）

2014年5月（丰水期）和10月（枯水期）,对汾河太原段大型底栖动物群落进行调查.结果显示：①大型底栖动物有46种,隶属于4门6纲27科；②优势种为霍甫水丝蚓（Limnodrilus hoffmeisteri）、苏氏尾鳃蚓（Branchiura dowerbyi）、萝卜螺（Radix sp.）、铜锈环棱螺（Bellamya aeruginosa）、裸须摇蚊（Propsilocerusi sp.）、黄色羽摇蚊（Chironomus flaviplumus）.丰水期的优势种增加了东方蜉（Ephemera sp.）和纹石蚕（Hydropsy chidae）；③底栖动物的平均密度和平均生物量分别为226.15ind.／m2和10.526g／m2,按照耐污值来划分以耐污种群和中等耐污种群为主,共计占86.95%.④大型底栖动物的密度（P＝0.416）与生物量（P＝0.917）差异不显著.Spearman相关性分析显示,水生昆虫的分布与水体透明度和DO呈极显著正相关,而与TN和TP有显著负相关；而寡毛类的分布与DO和透明度有显著负相关；软体动物的分布与环境因子的关系不显著.⑤利用底栖动物HBI生物指数评价结果表明,汾河太原段水质状况较差,大部分样点处于中污染——重污染状态.

底栖动物；群落结构；环境因子；水质评价；汾河太原段

汾河全长716km,自北向南纵贯山西全省27个县市.年均径流量25.27×108m3,养育了全省41%的人口［1］.汾河太原段包括汾河上游的娄烦、古交以及汾河中游的太原和清徐4个县市,自北向南由娄烦县的汾河水库出口处入太原境区,于清徐县韩武出境,是太原市的主要水系［2］.

以往汾河太原段水质的研究主要集中在基于水体理化指标监测的调查分析与污染防治对策方面［2,4－8］；利用浮游藻类群落特征分析汾河太原段水质状况［3,9］.有关汾河大型底栖动物的群落结构及其对水质评价迄今未见报道.本研究于2014年5月（丰水期）和10月（枯水期）,对汾河太原段底栖动物进行初步调查与分析,并运用生物指标和理化指标进行相关性分析,探讨底栖动物的群落结构特征及其与水环境的关系,旨在为水环境的保护提供基础数据,为汾河生态保护提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

汾河太原段全长188km,据河段与市区的相对位置,将汾河太原段划分为进入城区之前的上游段、城区内的中游段以及通过城区的下游段［6］.汾河太原上游段主要水利工程有汾河水库和汾河二库.汾河中游段上兰村附近建有汾河一坝取水枢纽水利工程,用于太原市一坝灌区的灌溉和工业用水.此外,太原城区段的治理美化工程、全程20.5km。包括柴村桥至胜利桥6.9km的人工湿地,胜利桥至祥云桥13.6km的蓄水工程.美化工程位于汾河干流,太原市南北中轴线上,成为改善市区生态环境一道亮丽的风景区.通过太原城区进入下游段,在清徐县境内建有汾河二坝,此坝为汾河的第二处拦河闸坝,分东西两条干渠向汾河灌区引水灌田.

1.2 采样点及采样时间

根据汾河太原段的自然地理及生态环境特征,选取2014年的5月（丰水期）和10月（枯水期）作为采样时间,在汾河太原段干流从娄烦的汾河水库到清徐二坝选定8个典型的采样点对大型底栖动物进行定性和定量采集.样点为进入城区之前上游段的娄烦县新建村（S1）、汾河水库码头（S2）、汾河水库下方坝内（S3）和古交滩上桥（S4）；城区内的中游段包括汾河上兰村（S5）、柴村桥（S6）、祥云桥（S7）；以及通过城区的下游段清徐二坝（S8）见图1.

图1 汾河太原段采样点分布示意图

1.3 样品采集与处理

底栖动物样品采集使用索伯网（60目,0.063m2）定量采集和D型抄网（直径0.3m）进行定性采集底栖动物.泥样经40目／cm的铜筛筛洗后,倒入白瓷盘中挑选,并用10%的甲醛或70%酒精固定后分类装入样本瓶中,带回实验室进行镜检分类、计数、鉴定并称重.称重前先用滤纸吸干固定液,用1／10 000电子天平进行称重,其中软体动物不去壳称重.水质指标采用SD150多参数测定仪现场现场测定样点的温度、pH和溶氧量.化学指标按照有关文献中的规范方法测定包括总磷、总氮和高锰酸钾盐指数.测定方法参照《水和废水监测分析方法》［10］.

1.4 数据处理

固定的底栖动物进行分类鉴定后,把每个采样点所采集到的底栖动物按不同种类准确统计个体数,并计算单位面积的密度和生物量.计算底栖动物的多样性指数、优势度和生物指数并评价水质.公式分别为：多样性指数指数（H′）,水质评价标准为：H′为0（无底栖动物）,严重污染；H′为0～1,重污染；H′为1～2,中度污染；H′为2～3,轻度污染；H′＞3,清洁；Margalef物种丰富度指数（D）,水质评价标准为：D为0～1,重度污染；D为1～2,中度污染；D为2～3,轻度污染；D＞3清洁；Hilsenhoff生物指数（HBI）,水质评价标准为：HBI＜5.5,清洁；HBI为5.51～6.6,轻污染；HBI为6.61～7.7,中污染；HBI为7.71～8.8,重污染；HBI＞8.8,严重污染［11］.

利用相对重要性指数（index of relative importance,IRI）确定底栖动物优势种类,其计算公式为IRI＝（RB＋RD）×F.式中,RB为相对生物量,即某一物种的生物量占大型底栖动物总生物量的百分比；RD为相对密度,即该物种密度占大型底栖动物总密度的百分比；F为该物种出现的频率［12］.

数据分析采用Excel 2010和Spss17.0完成.大型底栖动物密度、生物量差异的检验用Spss17.0配对样本t检验分析（paired sample T test）.底栖动物与环境因子关系的分析采用Spearman相关性分析进行.

2 结果与分析

2.1 种类组成与优势物种

调查中共采集到底栖动物4门6纲27科46种.其中节肢动物28种,包括2纲6目16科.水生昆虫26种,其中摇蚊科幼虫11种,甲壳类2种；环节动物9种,包括2纲4目5科,寡毛纲5种,蛭纲有4种；软体动物8种,包括2纲3目5科,其中腹足纲7种,双壳类仅采到1种；扁形动物1种,为涡虫纲.

根据大型底栖无脊椎动物耐污值（TV）的高低,将其分为3类：TV≤3.0为敏感种群；3.0～7.0为中等耐污种群；TV≥7.0的为耐污种群［13,14］.在采集到的46种底动物中,敏感类群6种,中等耐污种群21种,耐污种群19种.根据底栖动物出现频率由多到少依次为昆虫纲占56.52%,软体动物占17.39%,其他为15.22%,寡毛纲占10.87%.丰水期和枯水期采集到的底栖动物种类数分别为44种和29种.不同的采样点大型底栖动物的物种数存在时间和空间上变化.

利用相对重要性指数确定优势种类,丰水期和枯水期共同的优势种为铜锈环棱螺（Bellamyaaeruginosa）、霍甫水丝蚓（Limnodrilushoffmeisteri）、苏氏尾鳃蚓（Branchiuradowerbyi）、黄色羽摇蚊（Chironomus flaviplumus）、萝卜螺（Radixsp.）、裸须摇蚊（Propsilocerusisp.）、中华颤蚓（Tubifexsinicus）和单向蚓（Haplotaxissp.）优势种在丰水期与枯水期存在差异,丰水期的优势种增加了东方蜉（Ephemerasp.）和纹石蚕（Hydropsychidae）.

2.2 底栖动物的密度与生物量

调查期间8个采样点汾河大型底栖动物的平均密度为226.15ind·m－2,各采样点的变化范围为60.53～363.16ind·m－2.各采样点平均密度大小排序为S4＞S5＞S7＞S6＞S2＞S1＞S3＞S8.其中,S4（滩上桥）和S7（祥云桥）的密度以寡毛类占优势；S5（上兰村）以水生昆虫的密度为最高.

汾河底栖动物的平均生物量为10.526g·m－2,各样点的变化范围为0.375～26.458g·m－2.各采样点生物量大小排序为S5＞S8＞S2＞S1＞S7＞S6＞S4＞S3.各采样点生物量的变化与软体动物密度的高低密切相关.

表1 汾河太原段各采样点水质生物学评价结果

汾河太原段大型底栖动物密度和生物量差异不显著（密度,P＝0.416；生物量,P＝0.917）.可以看出,总密度的变化趋势与寡毛类一致,而生物量的变化趋势与螺类一致.

2.3 水质生物学评价

利用底栖动物作为环境监测的指示生物,目前已广泛应用于生态系统健康评估及水体污染状况评价［15－18］.本研究采用Shannon－Weiner生物指数（H′）、Margalef物种丰富度指数（D）和Hilsenhoff生物指数（HBI）,综合丰水期和枯水期监测结果,对汾河太原段水质生物综合评价结果见表3.从采样时段来看,丰水期的水质略好于枯水期.另外,从各指数的评价结果来看,Shannon与Margalef多样性指数评价结果为清洁－中污；但Margalef多样性指数在清徐二坝（S8）为重污染；而Hilsenhoff生物指数的评价结果中污－重污染所占的比重较大.对汾河水质的评价结果与Shannon和Margalef多样性指数比较明显偏高.

2.4 底栖动物与环境因子的关系

河流生态环境中的水温、水深、透明度、PH、DO、TN等环境因子对大型底栖动物的群落结构有着重要的影响［20－21］.本研究结果显示,汾河太原段水生昆虫的分布与水体透明度和DO有极显著正相关,而与TN有极显著负相关,与TP有着显著负相关；而寡毛类的分布与DO有极显著负相关,与透明度有显著负相关；软体动物的分布与环境因子的关系度不大,与王军（2014年）对新疆额尔齐斯河底栖动物研究结果一致［19］；其他种类的底栖动物分布与透明度有极显著正相关,与DO有显著正相关而与TN有显著负相关.底栖动物与环境因子的Spearman相关性分析结果,见表2.

表2 大型底栖动物与环境因子的Spearman相关性分析

3 讨论与结论

3.1 汾河理化指标

调查期间,枯水期采样时间为秋季,其水温较春季丰水期的高.化学需氧量（COD）是衡量水污染状况的重要指标,反映水体受有机物污染的程度.化学需氧量数值越大,水体污染越严重.本次调查丰水期的COD平均为3.397mg·L－1,枯水期COD平均为3.892mg·L－1.由于汾河自然径流量小,自我净化能力差,导致枯水期化学需氧量高于丰水期化学需氧量.就采样断面看,无论是丰水期还是枯水期清徐二坝的COD最高,表明此样点水体环境质量较差,说明汾河太原段在进入市区段以后由于沿岸工厂等污染源的汇入增加了有机污染物的含量,此外二级坝的建设也使得上游水流中污染物得不到有效扩散和自净降解.

本次研究表明大型底栖动物水生昆虫与水的透明度成显著正相关,所以水体透明度的下降会对大型底栖动物的组成和分布产生影响.研究显示,总磷浓度在丰水期平均0.040 8mg·L－1,枯水期平均0.046 9mg·L－1；总氮浓度的在丰水期平均3.504 1mg·L－1,枯水期平均3.798 3mg·L－1.古交滩上桥、清徐二坝的总氮和总磷含量明显高于其他各样点,可能与周边排放增多,污染增加有关.溶氧量丰水期普遍高于枯水期,丰水期平均17.325mg·L－1,枯水期平均15.075mg·L－1.而在枯水期的柴村桥和祥云桥段溶解氧最低,能够耐受低氧甚至缺氧环境寡毛类数量占明显优势［22］.调查显示,各采样点多种污染物指标大多以枯水期较高,丰水期相对较低.各样点pH值均高于7.87～8.87之间,水体明显偏碱性,丰水期与枯水期并无明显差异.

3.2 底栖动物的群落特征

本次调查共获得底栖动物46种,其中节肢动物28种,环节动物9种,软体动物8种,扁形动物仅1种.表明现阶段汾河太原段底栖动物种类丰富度不高.

汾河太原段的上游段S1（新建村）和S3（水库下方坝内）两个断面处水源地保护区,有清水的补给.河水较宽,水质清澈,且无工业废水和生活污水的直接排放.透明度达到和超过130cm以上,底质以大型卵石和砾石为主,适合附着藻类和苔藓植物的生长,大型水生昆虫种类如蜉蝣幼虫、蜻蜓幼虫出现,纹石蚕幼虫数量明显占优.S2为汾河水库码头,是人类干扰频繁的地区,淤泥沉积深厚、水生植被缺乏,导致软体动物螺蚌类难觅踪迹.而S5（上兰村）属于汾河上游,离汾河二库较近,故总体水质良好.上兰段底质以砾石为主,适合隐藏在石块下的涡虫和蛭类生存,岸边底泥生活着大型的水生昆虫,所以生物多样性较高.S4（滩上桥）虽然处于太原市上游,其地面和地下水都是太原市水源地的补给源.其特殊的地理位置和水文地质条件,意味着汾河古交段的水质直接影响着其下游汾河二库的水质,从而影响太原市饮用水源地的水质.由于前些年焦化、炼铁、煤矿等产业的迅速发展,导致污染加重［6］.汾河进入太原城区后河道经过固化处理、减小糙率、整修堤防等建成了集防洪排污、园林绿化、旅游观光为一体的美化工程.段学花等（2010）指出,河道渠化、裁弯取直和清障减糙等都不利于大型底栖动物类群生存,只有增加河水在陆地上的流动时间才能为水生生物的繁衍生息提供更好的栖息条件［14］,这也可能是汾河太原段底栖动物物种数丰富较低的原因之一.S8（清徐二坝）调查期间一直处于修建之中,这对结果也会产生一定的影响.

3.3 生物学评价

本文采用Shannon－Weiner生物指数（H′）、Margalef物种丰富度指数（D）和Hilsenhoff生物指数（HBI）评价汾河太原段水质.由于各指数评价标准不同,出现了一定的差异（表3）.Shannon－Weiner生物指数多用于反映群落结构的复杂程度和对环境的反馈功能.指数值的大小与物种数和均匀度有关.Margalef物种丰富度指数同样只考虑物种数目和样品个数,并认为各物种在种群中地位平等,对各物种耐污值未作考虑.二者用于水质的生物学评价具有一定的缺陷）［24－25］.HBI生物指数既考虑了底栖动物密度,又考虑了物种本身的耐污能力,因此增加了评价的可靠性.

本次调查以耐污种群和中等耐污种群为主,分别占41.30%和45.65%,敏感种群仅占13.05%.其中4个优势种的耐污值≥8.在汾河太原段进入城区中游和下游段,各断面以耐污种类为主,HBI生物指数显示这些断面多为重污染.与利用Shannon－Wiener多样性指数评价的水质级别比较受到有机污染的水体的级别高于HBI的评价级别.本次研究汾河太原段水质由轻污—中污；而上游段古交滩上桥水质为重污染,中游段和下游段水质较差也基本为重污染.

本研究采用HBI生物指数研究汾河太原段水体质量与基于理化数据对汾河太原段水质研究基本一致,说明本研究选用的生物指数能反映汾河太原段的水质状况.而利用大型底栖动物群落特征,采用底栖动物多样性指数研究汾河太原段水体质量的规律还有待于进一步研究.

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Community Structure of Macrozoobenthos and Bioassessment of Water Quality in Fenhe River

LI Anping,GAO Jinhua
（Department of Biology Taiyuan Normal University,Taiyuan 030031,China）

In May（the wet season）and October（the dry season）2014,macrozoobenthic assemblages were investigated in Fenhe River of Tai Yuan.The results showed that：①During the investigation,4phylums 6classes 27farmilies 46taxa were collected.②Limnodrilus hoffmeisteri、Branchiura dowerbyi、Radix sp、Bellamya aeruginosa、Propsilocerusi sp.Chironomus flaviplumus dominated the community with high abundance and biomass.Ephemera sp.and Hydropsy chidae were increased during the wet season.③Average density and biomass of macrozoobenthos were 226.15ind·m－2and 10.526g·m－2,respectively.Divided by the value of tolerance,stain tolerance and moderate stain tolerance population were the dominants totaling 86.95%.④The density（P＝0.416）and biomass（P＝0.917）of macrozoobenthos showed no significant difference.Spearman correction analysis showed that the distribution of aquatic insects was correlated positively with water transparency and dissolved oxygen and had a negative relation with total nitrogen and total phosphorus.Oligochaeta was correlated negative relation with transparency and dissolved oxygen,There was no significant relationship between the distribution of Mollusca and environmental factors.⑤Based on BI biological index of macrozoobenthos,water quality in Fenhe River was assessed.The results indicated that the water quality of majority sampling sites in Taiyuan segment of Fenhe River was suffered moderate to serious pollution.

macrozoobentos；community structure；environmental factors；water quality assessment；Fenhe River of Taiyuan

1672－2027（2016）04－0081－06

Q958

A

2016－08－27

山西省科技基础条件平台建设项目（2013091004－0106）.

李安萍（1962－）,女,山西太原人,硕士,太原师范学院生物系副教授,主要从事动物学和动物生态学研究.