基于底栖动物的城市内河水生态状况评价----以圭塘河为例

宋 劼，赵 娜，李志威，潘保柱

(1.长沙理工大学水利工程学院，长沙 410114；2. 水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室， 长沙 410114； 3. 河南科技大学农业装备工程学院，河南 洛阳 471003；4. 西安理工大学水利水电学院，西安 710048)

城市内河是城市生态系统不可或缺的构成部分，对城市人文自然景观、局部小气候的调节有不可忽视的作用。但由于城市人口密集，加上部分区域土地规划及利用方式不合理，对河流生态施加了很大的压力，造成了所谓的“城市河流综合症”[1]，主要表现为：污染，包括点源和非点源污染；水文不连续，由于截污、渠化导致的水量季节性分布不均，严重时甚至出现局部断流；河流形态破坏，主要体现在裁弯取直、人工硬化等外在形态的破坏和泥沙淤积等问题。近年来随着对城市内河生态、景观重要性的认识，逐渐开始了对城市内河的改造[2]。

对河流生态治理的理论探索始于20世纪30年代的欧洲各国，经过约50年的发展，于20世纪80年代左右进入了技术成熟阶段，先后有徳、瑞、美、奥、日等国家进行[3]。国内从2004年左右开始仿照发达国家成熟方案，逐步进入河流生态治理的探索期[4]，但由于对河流生态治理工作的机理性认识不足，且多数工程在完工后便不再进行后续监测，因此缺少有效的信息反馈，无法判别治理工程的成效[5]。

目前我国城市内河生态治理常选取化学指标作为修复是否成功的参考基准，而根据对北京市永定河[6]、转河[7]的河岸生态修复工程进行的研究来看，由于水化学指标具有瞬时性、敏感性，对于一些从水文或底质情况进行改善的生态治理工程而言，工程效果不一定能通过水化学指标反映，需另选其他指标对城市内河生态环境和治理工程的效果进行评估。大型底栖无脊椎动物对生境变化具有较高的敏感性，能对生境因子的变化做出综合响应，适宜用作城市河流综合治理后的监测指标[8]。

大型底栖无脊椎动物(以下简称底栖动物)指的是单个个体尺寸超过0.5 mm，在其寿命周期中所有时期或者其幼虫、稚虫、成虫期的某一段时期生活在河流中或者河床底质中的生物[9]。底栖动物在河流生态系统中主要担任“中间体”的角色[10]，由于自身的能量转化效率较高且体内营养物质存储量高，故作为河流生态系统物质循环的重要载体成为水环境中必不可少的部分[11]。

本文于2016年5-7月对圭塘河全河段进行水生态调查，根据河道分段细化的原则[12]，选取具有代表性的10个样点进行采样，对其中的底栖动物分布和生境特性情况进行调查。本研究的目的共有3个：①对圭塘河的大型无脊椎底栖动物分布情况、河流水文参数和水质指标进行了全面调查；②利用底栖动物对圭塘河水生态健康程度进行评估；③分析河流生态治理工程(如人工阶梯-深潭结构)实施后底栖动物分布特点较未治理河段的差异。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

圭塘河是长沙市内唯一的城市内河，源头为跳马乡鸭巢冲的石燕湖区，在长沙城北汇流于浏阳河，全长28.3 km，平均坡降0.27%[13]，本文选取圭塘河作为典型城市内河研究对象，主要原因包括：其流经区域上游以农业用地为主，下游以城镇用地为主，沿岸无大中型工厂分布，主要污染物来源是农业非点源污染和城市生活污水，该河流自2000年起至2013年已进行多次生态治理，从S5至S8处实行了底泥疏浚、岸坡绿化和坡脚加固，在S6处重点建造了景观亲水带，构造人工阶梯-深潭结构、种植挺水植物。

于2016年5-6月对圭塘河全河段进行水生态调查，主要调查对象为底栖动物的分布情况、河流水文参数及水质参数。本次调查共设置10个采样点，点位分布如图1所示。

图1 各采样点位置示意图Figu.1 Positions of sampling sites

1.2 研究方法

收集以下河流数据包括：①底栖动物，采自河床及岸边浅水带，共计3个样方；②水质指标，根据《水和废水监测分析方法》中的相关规定，选择水温T、电导率(Cond)、浊度(NTU)、pH、溶氧(DO)、总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(CODCr)共计8项参数作为研究指标(国家环保局，2002年)；③河流水文数据，包括河宽、流速、水深、底质类型、岸坡类型。

1.3 采样的仪器与工具

底栖动物的采集：使用孔径为0.48 mm的手持式踢网(kick net)(1 m×1 m)进行半定性采样，每个样方的采集面积为0.33 m2，每个样点选取3个代表性样方，共计采样面积为1 m2。将采集的生物样本进行冲洗后装入样品袋中，保留少量底泥与河水，加入冰袋降温以延长其存活时间。采集物尽快送入实验室进行挑拣，将挑拣后的生物体放入95%的乙醇水溶液中固定保存。在显微镜下进行分类计数，吸干生物体表面的水分后用精密电子天平(型号G&G JJ224BC)称重得生物量[14]。

水样的采集与室内检测：遵循《水和废水监测分析方法》[15]中对相关指标的要求进行水样保存，其中总氮在经碱性过硫酸钾溶液消解后，采用离子色谱法测定。总磷在经中性过硫酸钾溶液消解后，采用可见分光光度法测定，COD采用重铬酸钾法测定。

现场测定的指标：水温、溶解氧采用HACH HQd-40多参数数字化分析仪(LDO10105耐冲击溶解氧探头)测量距水面20～30 cm处数值、pH采用HACH HQd-40多参数数字化分析仪(pHC10101标准型pH探头)、电导率采用HACH HQd-40多参数数字化分析仪(CDC40105耐冲击型电导率探头)，使用HACH 2100P型便携式浊度仪测定浊度，使用皮尺测量河宽，钢尺测量水深，底质和岸坡情况则通过目测获取。

1.4 数据分析

采用物种丰度(taxa richness,S)、生物密度、Shannon-Wiener指数H′、改进Shannon-Wiener指数B、Simpson多样性指数DS以及Margalef丰富度指数dM对圭塘河底栖动物空间分布情况进行评价。

物种丰度S指的是采样点处各样方的底栖动物物种总数。

Shannon-Wiener指数H′[16]：

(1)

式中：S为采样点处各样方的底栖动物物种总数；Pi为第i类底栖动物的个体数目ni占底栖动物个体总数目N的比例，即Pi=ni/N。H′值越大，则该处底栖动物分布的多样化程度越高。

改进的Shannon-Wiener指数B[17]：

(2)

式中：S和Pi代表的物理含义同式(1)中的一致，N为底栖动物的样本总个体数目。这个指标考虑了样本总数对生物多样性的贡献，B值越大，则该处底栖动物分布的多样化程度越高。

生物密度是指在采集区域内的大型底栖动物个体数量总和与采集面积之比，单位为个/m2。

Simpson多样性指数DS[18]：

(3)

式中：DS代表Simpson多样性指数；Pi表示的物理含义同式(1)中的一致。Simpson多样性指数主要用于评价样本区域内某种类底栖动物的占优势程度，数值越大，代表底栖动物占优势程度越低，则该处底栖动物分布的多样化程度越高，生境种类更丰富。

Margalef丰富度指数dM[19]：

dM=(S-1)/lnN

(4)

式中：S、N的物理意义同前。Margalef丰富度指数常用于解释某地区物种多样化程度，能显著区别群落差别性，且其数值高低基本不受采样面积影响。

2 研究结果

2.1 环境参数

表1给出了圭塘河各样点的环境参数，结果表明，河流pH在7～8之间，属弱碱性水，河床底质类型以淤泥和卵石居多，S9下游水体出现黑色悬浮物、底质为腐殖质，呈典型黑臭水体性状。根据《中华人民共和国地表水环境质量标准GB3838-2002》，圭塘河各采样点的水质分级结果，S5及上游处水质属于Ⅳ类，S5～S8处属于Ⅴ类，S9～S10处属于劣Ⅴ类。在S3、S5、S6及S7处均生有大型沉水植物，如眼子菜等。

表1 各样点环境参数Tab.1 Environmental Parameters of Each Sampling Sites

注：w为河宽；h为水深；v为流速；T为水温；DO为水体溶解氧浓度；Cond为水体的电导率；COD为化学需氧量；TN为总氮质量浓度；TP为总磷质量浓度。

2.2 群落结构组成

圭塘河的底栖动物物种组成见表2，全河段共得到底栖动物24种，分属4门9纲24科，其中软体动物3科、寡毛纲2科、水生昆虫13科、十足目3科、蛭纲2科、端足目1科。上游S1为暗渠出水口，生物组成较单一，仅5科，生物量1.648 6 g/m2，优势物种为摇蚊科。至S2点处物种丰度与生物量明显上升至13科、42.692 8 g/m2，优势物种演变为颤蚓科。由于劳动东路段密集排污造成水体污染，至人民路立交桥段(S9)物种丰度与生物量锐减，分别降至3科、1.197 3 g/m2。在与浏阳河的汇流口处(S10)底栖动物数量极少，仅为2科、0.018 2 g/m2。

表2 各采样点底栖动物分类单元组成Tab.2 Taxa Composition of Macroinvertebrates of Each Sampling Site

注：表格中“+”代表在该生物在样点中出现。

2.3 生物指数与多样性评价

圭塘河各样点的物种丰度、生物密度和生物量如表3所示，平均物种丰度为8，平均生物密度为2 103 ind/m2，平均生物量为8.702 1 g/m2，河流上游和汇流口处物种丰度、生物密度和生物量明显较河流中段偏少。计算了Shannon-Wiener指数H′、改进的Shannon-Wiener指数B、Margalef多样性指数dM和Simpson多样性指数DS等生物多样性指数。结果显示：平均Shannon-Wiener指数为0.859，平均Simpson多样性指数为0.441，平均改进的Shannon-Wiener指数为5.215，平均Margalef多样性指数为1.104。各样点物种丰度、生物量和生物多样性指数沿程变化情况见图2所示。

2.4 功能摄食类群

不同种类的底栖动物对营养物质的摄取方式具有显著的差异性，因此，营养物质的丰富度及其分布对底栖动物功能摄食类群的影响至关重要。依照不同底栖动物所需营养物质的种类和摄取方法的不同，底栖动物一般可分为4类不同的功能

表3 各样点物种丰度、生物密度及生物量Tab.3 Taxa Richness and Biodiversity Indics

图2 各样点物种丰度、生物量和生物多样性指数Fig.2 Taxa Richness, Biomass and Biodiversity Indics of Sampling Sites

摄食组(FFGs),即以大颗粒有机物为食的撕食者，以水体中悬浮的小颗粒有机物为食的直接收集者和滤食收集者、以底质附着有机物为食的刮食者和以其他生物为食的捕食者[18]。

圭塘河底栖动物功能摄食类群共有3种：滤食收集者、刮食者和捕食者。对圭塘河各断面的底栖动物基于功能 食类群进行分类后，各点的功能摄食类群个体数量所占比例如图3所示。经统计分析后发现，圭塘河中底栖动物的功能摄食类型的特征较为显著，全河段共有4个类群，常见功能摄食类型为直接收集者，其中有4个样点(S1、S2、S9、S10)的直接收集者占绝对优势，比例在98%以上，中游区段(S3～S7)该比例下降，S4～S7刮食者和捕食者比例上升，而下游S9、S10处生物均属于直接收集者。各功能摄食类群个体数量所占比例如图4所示，总体来说，圭塘河采样河段的功能摄食类群以直接收集者为主，占92.14%，其次为捕食者和刮食者，分别占4.03%和3.69%。

图3 各点功能摄食类群个体数量所占比例Fig.3 Relative Aboundance of Functional Feeding Group of Sampling Sites

图4 各功能摄食类群个体数量所占比例Fig.4 Relative Aboundance of Each Functional Feeding Group

2.5 底栖动物沿程分布特点

所有采样点中底栖动物物种丰度从上游至下游呈现先增大后减小的总体趋势，而生物密度的变化情况则从S1的410 ind/m2，激增至S2的13 196 ind/m2，在S3则跌至418 ind/m2，从S3起至S9的生物密度则在201与1 754 ind/m2之间波动，在S10处锐减至7 ind/m2。优势物种方面，S1、S2、S8的Simpson多样性指数较低，说明存在优势物种，S1处以摇蚊科为优势物种，到S2则转变为颤蚓科，而从S3起至S7，物种丰度、多样性指数较高，优势度较低，而S8由于样点上游有较密集排污口，优势物种变为摇蚊科，而S10则几乎未发现任何底栖动物。S2和S9的生物密度和生物量均产生了剧烈变化，前者是由于样点处生长有大片挺水植物，适宜底栖动物的附着和生存，而后者是由于样点距离城市排污口较近，大量污水使得局部水质极其恶劣，底栖动物数目锐减。

3 讨 论

3.1 城市河流水质及底质退化对底栖动物的影响

圭塘河发源于跳马乡，土地利用方式多以农业用地为主，受农业面源污染影响较大，故从上游起圭塘河便呈现水体富营养化特征，另外由于广泛修建连通城市内河的农田沟渠，使得大量细颗粒泥沙随径流排入圭塘河，造成其上游部分河段泥沙淤积，水体浑浊度较高，生境多样性降低，物种以耐污型物种如摇蚊科和颤蚓科物种组成。河流进入城区后由于裸露土地减少、河岸种植草皮等拦截物，由地表径流进入河道的泥沙量减小，主要污染来源为生活污水。而由于劳动东路集中排放生活污水，使得S9的CODCr含量达88 mg/L，而水中溶解氧含量降至3.17 mg/L，生物量较S8下降56.6%，主要底栖动物为能忍受低氧环境的摇蚊科幼虫，至S10处由于污染物含量极高，分解过程大量消耗水中氧气，造成溶解氧不足，再加上河底覆盖有较厚的黑臭底泥，不适于底栖动物的附着，以致此处未采得底栖动物。

在10个采集样点中，共有3个样点(S4、S5、S6)所处河段在3年内进行过疏挖清淤工程，故这4个样点的生物多样性指数较相邻点位显著增高。在不同底质中，底栖动物平均生物指数排序为：漂石+大卵石>水草+淤泥>淤泥>腐殖质，说明除了水化学参数，底质类型同样对城市河流生境有重要影响[20]。

根据Allan等[21]对美国境内多处水体的研究，仅有38%的底栖动物种群变化可以用水质污染来解释，而根据段学花等[20]的研究，除水质污染外，底质退化也是影响底栖动物种群分布的重要因素。近20年长沙市的城市化和工业化进程加快[22]，大量废水的排放，使得圭塘河中有机物和营养盐的浓度大大超过水体自净能力极限。河道底质由于泥沙淤积而退化，尤其是下游河段底质均为黑臭淤泥，严重影响了底栖动物生存。总体来说，圭塘河底栖动物多样性偏低，这是由水质与底质的共同退化而导致的。

3.2 近自然化治理措施在城市河流修复中的作用

各样点中S6的最高且生物优势度较低，这是由于该处采用了新型的近自然化河流生态治理措施。这种治理措施通过在岸边水位变动区和河道中央投放大小不一的块石并沿岸线种植挺水植物，构成人工的阶梯-深潭系统(图5)，对河流的水流结构进行调整。这种系统主要由漂石、块石、卵石等组成，水从卵石表面和缝隙中通过，由于粗糙度不同，水流结构丰富多变，在工程完工后仍能利用其冲淤特性来改善整治河段的水深、流速和底质状况。阶梯-深潭结构可为底栖动物提供较稳固且多样化的栖息环境，适合不同类型底栖动物长期生存，因此，S6处底栖动物多样性较高。另外，从水化学角度来说，这种结构增大了水体与空气之间的接触面积，增加水体含氧量，进而促进水中有机物的分解，能对富营养化河流的治理起到辅助作用[23]。

图5 人工修筑的阶梯-深潭结构Fig.5 Constructed step-pool structure

3.3 城市河流生态治理措施的综合效果

根据Violin[24]等人的研究，对于污染程度严重的城市河流，在河段尺度下对河流进行生态治理后，治理段与对照段的生物群落分布差异不大，但据本文的观测结果，进行过生态治理的河段(S5～S8)相较于未经治理的对照段，虽水质情况没有明显改善，但各项生物多样性指数均有较明显提高，说明在河段尺度下的生态治理工程仍具有可行性。

在世界范围内，城市河流生态系统的结构与功能都受到不同程度的胁迫，随着城市发展这种作用将愈发显著[25,26]，各国多年来广泛开展对城市内河的生态治理工程，其中不乏成功案例，但也有许多工程效果不甚理想。根据Mueller等[27]的观测结果，尽管一些河流生态治理措施，如恢复蜿蜒度、岸坡绿化等，对恢复河流生物多样性有一定帮助，但总体而言，对河流的治理效果并不符合预期。圭塘河生态治理工程实行多年，目前也面临着生态功能恢复缓慢，水质情况改善效果不佳等问题，对高污染型城市河流的生态治理方案的继续探索仍是必要的。

4 结 语

圭塘河所有样点共采集到底栖动物24种，分属4门9纲24科。其中中游段的物种丰度和生物密度较上下游段明显增高，生物多样性数值明显增大。圭塘河全河段底栖动物种类较少，生物多样性水平较低，主要原因是水体中氮磷元素含量过高进而导致河流的富营养化。圭塘河底栖动物的功能摄食类群特征明显，主要类群为直接收集者、捕食者和刮食者。研究表明，河流生态治理措施对受损城市河流生物的多样性有一定恢复作用，但对水质状况的改善作用不明显。

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