付疃河流域中下游大型底栖动物群落结构与水质生物学评价

陆晓晗,曹 宸,李叙勇,*

1 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085 2 中国科学院大学, 北京 100049

大型底栖动物是河流生态系统的重要组成部分,其生命周期较长、分布范围较广、行动较为迟缓,且对河流生态环境变化极为敏感,因此常被用作河流生态系统健康与完整性评价的重要指示生物[1- 3]。目前,针对底栖动物群落结构与河流生态质量关系已经开展大量研究。1995年,Claude和Olivier利用底栖动物分类与RIVAUD指数结合的方法对瑞士西部29条河流的生物质量进行评价[4]；2009年,Purcell和Bressler等人开发一种基于底栖动物的多指标城市化生物指标来衡量城市化对河流生态系统的影响并通过美国三个气候区的数据验证其实用意义[5]。近年来,国内河流生态研究在底栖动物方面也取得较大进展。2007年,张远等人构建底栖动物生物完整性评估指数(B-IBI)对辽河流域河流健康进行评价研究[6]；2011年,吴召仕等人调查分析太湖流域主要河流底栖动物群落结构及其与环境因子之间的关系,评价各水系的水质状况,其中,相对重要性指数及Wright指数的评价结果与水质化学指标具有很好的一致性[7]；2017年,盛萧等人采用多种不同的底栖动物生物评价指数对东江流域进行河流生态健康评价,并研究其适用性,其中,Goodnight-Whitley指数对磷污染显著的水体有较好的指示作用,且其受水体中寡毛类物种的数量限制明显[8]。

付疃河发源于山东省日照市五莲县韩家窝洛大马鞍山,经东港区,自西向东南方向汇入黄海,其流域面积1040 km2。该流域属暖温带湿润大陆性气候,年均温16.2℃,年均降水923.5 mm,且年际波动较为明显,其降水最大值年份是最小值的2.7倍；因毗邻大海,其年内降水存在显著差异,汛期(6—9月)降水量占比超过70%[9],其中流域中下游辖区为东港区,年均温12.6℃,年均降水916.0 mm。作为日照市东港区主要水源,其水资源受日照水库、马陵水库等大中型水利工程管控,流域上游自然径流基本汇入库区存蓄,致使流域下游水资源季节性匮乏,以农业发展的农村区域段河流以降水补给与间歇性库区排水补给为主,而位于工商业发展的城镇区域段河流则以再生水补给与降水补给为主。伴随工农业开发与人为水资源管控强度逐年提升,付疃河流域中下游面临着农业面源污染、城镇再生水点源二次污染与河段流通性减弱的生态风险,河流水生生物多样性锐减,河流生态系统水环境质量呈现下降趋势。

本文选取河流底栖动物为指示水生生物,对付疃河流域中下游进行水质、水生态调查研究,对共计16个样点进行河流底栖动物及水环境因子的采样,基于不同水源结构子流域划分,开展河流水生态系统健康评价,以期为付疃河流域中下游河道治理及生态管理工作提供科学依据。本次研究的主要目标：(1)对付疃河流域中下游不同分区、不同季节的底栖动物群落分布特征进行定性描述及定量分析；(2)对不同水源结构特征分区的底栖动物生物多样性及其与水环境因子相关性进行分析；(3)运用不同水质生物学方法对研究区域进行水生态评价并探讨其适用性。

1 材料与方法

1.1 样点布设

考虑付疃河流域中下游土地利用类型、河流水源结构特征与降水季节性分布差异,2018年9—10月在研究区域内共考察布设16处监测点位,其中付疃河干流(日照水库下游至河口)布设3处为G1—G3,付疃河支流(南湖河N1—N4、崮河内香店河与后楼河H1—H5、沙墩河S1—S4)布设13处,具体位置见图1。2018年12月、2019年3月、7月及10月在各点位开展底栖动物样品采集与水环境理化指标监测,每季内集中2天完成采样。

图1 付疃河流域中下游采样点分布图Fig.1 Sampling sites in the middle and lower reaches of Futuan River BasinN1—N4：南湖河4处样点；H1—H5：后楼河与香店河5处样点；S1—S4：沙墩河4处样点；G1—G3：付疃河干流近河口3处样点

1.2 底栖动物样品采集与鉴定

借助D型网(直边长30 cm,孔径250 μm),在各采样点采集底泥两份,均匀混合,取其中一半,经过40目网筛过筛冲洗,将网内残余采集物装入聚乙烯封口袋,恒温冷藏至实验室,进行人工挑拣,装入50 mL的塑料瓶中,并加入福尔马林溶液保存。置于六孔盘中,在显微镜和解剖镜下进行鉴定,尽可能鉴定到种,并计数和称重。称量时,先用吸水纸吸去样本表面水分,直到吸水纸表面无水痕迹为止,用电子天平定量称重,精确到0.0001 g,并将每个样品的个体数量和生物量换算至每m2的单位含量。软体动物、寡毛类、水生昆虫等底栖动物物种鉴定参照有关资料[10- 12]。

1.3 水环境理化参数测定

采用多参数水质分析仪现场测定采样点水体水温(T)与pH值,以500 mL塑料瓶恒温冷藏水质样品至实验室,并测定水质样品化学需氧量(COD；GB11914- 89)、总氮(TN；GB11894- 89)、总磷(TP；GB11893- 89)及氨氮(NH3-N；HJ535—2009)。

1.4 数据分析

采用典范相关分析(Canonical Correspondence Analysis,CCA)对底栖动物群落结构与水环境理化因子进行相关性的分析。CCA分析又称为多元直接梯度分析,多用于分析物种与环境因子之间的关系,基于单峰模型,将对应分析与多元回归分析相结合,且每一步的计算所得的样方排序坐标值都会与环境因子进行线性回归[13- 14]。CCA排序将通过Canoco 5.0软件进行制图分析。

采用物种数量、优势种、生物多样性指数以及重要指示物种作为底栖动物的评价参数,对研究区底栖动物的分布情况以及群落结构特征进行评价。

1.4.1多样性分析

物种数量包括底栖动物的物种密度及生物量,优势种采用计算优势物种优势度(Y)进行筛选,生物多样性指数包括Shannon-Wiener多样性指数(H)、Simpson多样性指数(D)、Margalef丰富度指数(R)以及Pielou均匀度指数(J)[15- 17]：

Y=Pi×fi

(1)

(2)

(3)

R=(S-1)/lnN

(4)

J=H/Hmax

(5)

式中,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；fi为第i种在各个采样点出现的频率,Y≥0.02时,表示该物种为优势种；S为采样点的物种总数；Hmax为Shannon-Wiener多样性指数的最大值,即Hmax=lnS。

1.4.2指示物种生物学分析

研究区底栖动物群落中的优势种可作为重要指示物种,其耐污值可用于判断水体的受污染程度。耐污值区间范围为[0,10],<3为敏感类群,[3,7]为中间类群,>7为耐污类群[18]。其中,寡毛类是一类典型的耐污物种,能够较好地衡量水环境质量,与其相关的水质生物学指数有Goodnight-Whitley指数(IGW)、相对重要性指数(BPI)及Wright指数[19- 21]：

(6)

(7)

Wright指数=每m2的颤蚓科数量

(8)

式中,n为寡毛类个体数,N为底栖动物个体总数目,N1为寡毛类、蛭类和摇蚊幼虫的个体数,N2为多毛类、甲壳类、除摇蚊幼虫以外其他水生昆虫个体数,N3为软体动物个体数。

1.4.3综合分析

生物多样性及指示物种生物学各个指标对于水环境质量的评价标准见表1。

表1 多样性、生物学指数-水环境质量评价标准

2 结果分析

2.1 底栖动物群落组成及分布

调查期间在付疃河流域中下游干、支流16个点位发现大型底栖动物42种,隶属于3门6纲19科。其中,环节动物分属3纲5科14种,占33.3%；节肢动物分属2纲7科20种,占47.6%；软体动物种类相对较少,分属2纲7科8种,占总数的19.0%。各采样点的底栖动物种类组成及分布情况见附表1。

分别对各点位的底栖动物种群进行优势度计算,其优势种群分布情况见表2。霍甫水丝蚓(Limnodrilushoffmeisteri)、水丝蚓属(Limnodrilussp.)及摇蚊属(Chironomussp.)在所有点位出现的频率高于50%,为付疃河流域中下游的广泛分布物种。不同季节各区域的优势种差异较大,春季N、H、S区的优势种大多为摇蚊科,主要有摇蚊属(Chironomussp.)、直突摇蚊属(Orthocladiussp.)、粗腹摇蚊(Tanypussp.)、红裸须摇蚊(Propsilocerusakamusi)等,G区以颤蚓科较为优势；夏季N、H区以田螺科的环棱螺属(Bellamyasp.)为最优势种,S区以颤蚓科的霍甫水丝蚓(Limnodrilushoffmeisteri)为最优势种,G区各点位的优势种分布差异相对较大；秋季各点位均以颤蚓科和摇蚊科为主,其中霍甫水丝蚓(Limnodrilushoffmeisteri)及水丝蚓属(Limnodrilussp.)占优势程度最大；冬季各点位均以颤蚓科为主,霍甫水丝蚓(Limnodrilushoffmeisteri)占优势程度最大,摇蚊科优势度较秋季相对降低,由于水温较低,较多点位未发现底栖动物。G3点由于处在河口地区,受海水涨落影响,出现竹蛏科、溪蟹科的特征优势种。

表2 付疃河流域中下游各季节优势种分布

2.2 底栖动物群落密度及生物量

从付疃河流域中下游各分区不同季节的底栖动物总密度来看(图2),整体存在春季>冬季>秋季>夏季的变化关系。对于不同分区的不同季节分布,底栖动物总密度在春季的S区为最高值,超过8000 个体/m2,远高于其他分区；最低值出现在夏季的N区,略高于100 个体/m2。同时,S区密度在各季节均为最大,而N区在各季节均为最小。

底栖动物总生物量(图2)在整体上没有明显的季节性变化关系,最高值出现在秋季的H区,超过100 g/m2,远高于其他分区各季节的生物量；最低值出现在夏季的G区,生物量低于0.2 g/m2。此外,N区在夏季总生物量最高,且相对其他三个分区差距较为明显,S、G区均在春季出现最大生物量。

图2 付疃河流域中下游各季节底栖动物总密度及生物量Fig.2 Total density and biomass of benthic animals in different seasons in the middle and lower reaches of Futuan River Basin

2.3 底栖动物与水环境因子相关性分析

2.3.1水环境因子特征分析

依据日照市政府发文《日照市水污染防治控制单元达标方案》(2017年印发),N区预计执行地表水Ⅲ类标准,而H、S及G区预计执行地表水Ⅴ类水标准。对照付疃河流域中下游各分区不同季节的水质监测均值(表3),COD均值介于15—40 mg/L,其中N区在春季对应浓度标准略超Ⅳ类标准,其余季节介于Ⅱ—Ⅲ类标准范围,H、S及G区对应基本满足Ⅳ类标准,符合规划预期；TN、TP与NH3-N均值整体不乐观,其中N、H、S及G区TN全年均超过标准值,冬季尤为严重；TP均值呈现季节性峰值波动,H、S区自春至冬逐季升高,而N、G区在夏季出现峰值；N区NH3-N季节性平稳,均达Ⅲ类标准,H、S及G区在秋冬季NH3-N常超Ⅴ类标准。

表3 付疃河流域中下游各分区水质监测均值及标准差

2.3.2底栖动物与水环境因子相关性分析

对付疃河流域中下游各分区的底栖动物与水环境因子进行CCA分析(图3)。N区水环境因子对各门类底栖动物分布的解释程度达到40.9%,底栖动物的总生物量与NH3-N呈正相关关系；H区水环境因子可解释各门类底栖动物分布情况的73.1%,总体分布情况相关性不大,与NH3-N有较弱的负相关性,但其中节肢动物与NH3-N存在一定的正相关性,环节动物则与TP存在较为显著的正相关关系；S区两者的相关程度较弱,水环境因子仅能解释底栖动物分布的14.5%,其中软体动物与NH3-N、节肢动物与COD分别存在较弱的正相关性与负相关性；G区的水环境因子对底栖动物的分布情况可以解释38.5%,软体动物与TP有一定的正相关性,而环节动物与COD也有正相关关系的体现,环节动物同时还与NH3-N存在一定的负相关关系。

图3 付疃河流域中下游各分区底栖动物与水环境因子CCA排序图Fig.3 CCA plots of benthic animals and water environmental factors in each area in the middle and lower reaches of Futuan River BasinCOD：化学需氧量,Chemical oxygen demand；TN：总氮,Total nitrogen；TP：总磷,Total phosphorus；NH3-N：氨氮,Ammonium；TD：底栖动物总密度,Total density；TB：底栖动物总生物量,Total biomass；LA：环节动物,Annelida；M：软体动物,Mollusca；A：节肢动物,Arthropod

2.4 底栖动物生物多样性分析及水质生物学评价

2.4.1生物多样性季节性分析

根据生物多样性指数计算结果(图4)可知,Shannon-Wiener多样性指数、Simpson多样性指数、Margalef丰富度指数及Pielou均匀度指数整体在各个分区呈现较为一致的季节性变化趋势,然而Pielou指数变化幅度相对其他多样性指数较弱,较难反映各区间差异性。

考虑季节性差异,春季H、S区较其他季节的多样性程度较高,G区相对较低；夏季N、S两区多样性程度相对较高,其中,Margalef指数所显示S区结果存在差异性；秋季S区多样性程度最高,Pielou指数所得结果则表明四个分区多样性程度相近；冬季S、G两区多样性程度较高,而H区相对较低。S区在全年均体现出较高的底栖动物多样性程度。

2.4.2水质生物学评价

(1)基于生物多样性指数的水质评价

根据Shannon-Wiener指数、Margalef指数及Pielou指数对水环境质量的评价标准(表1),对各分区不同季节水质污染程度进行评级(表4)。4区间水质评级季节性差异不明显,其中S区相较其他3区水质情况较好,基本符合地表V类水环境标准规划,H、G区在夏秋两季的水环境质量较差,暂时难以满足规划需求,而N区对应Ⅲ类水环境标准规划,但其水质污染程度远劣于预设标准。

表4 付疃河流域中下游生物多样性指数水质等级评价

考虑不同多样性指数间差异,水质评级优劣存在明显差异性,呈现Pielou指数>Margalef指数>Shannon-Wiener指数关系,即Pielou指数整体评价结果远优于现状水质情况,评价结果难以采信,而Margalef指数与Shannon-Wiener指数评价结果较为一致。综合考虑,基于生物多样性指数评价,付疃河流域中下游处于α-中污染至重污染。

(2)基于底栖动物指示物种的水质评价

参考典型底栖动物耐污值分布情况[22-25],选取寡毛纲颤蚓科耐污值为10,其中霍甫水丝蚓(Limnodrilushoffmeisteri)为9.4、苏氏尾鳃蚓(Branchiurasowerbyi)为8.5,腹足纲田螺科为5,其中环棱螺属(Bellamyasp.)为6,水生昆虫中摇蚊属(Chironomussp.)为5.7,直突摇蚊属(Orthocladiussp.)为4。根据各分区优势种分布情况(表2)可知,春夏季N、H区底栖动物群落以摇蚊科及田螺科为主,其水质条件较差；而S区底栖动物群落以颤蚓科为主,对应耐污值较高,其水质条件差；秋冬季全区均以颤蚓科为主,对应付疃河流域中下游水环境质量状况最为恶劣。

通过计算Goodnight-Whitley指数、相对重要性指数及Wright指数并结合其对水环境质量评价标准(表1),各分区评级结果见表5。三种水质生物学指数评价结果在不同季节、不同分区上基本呈现一致的特征规律。春季S区水环境污染程度最为严重,且明显劣于其他三个分区；夏季H、S两区均能显示出较大程度的水质污染情况,其中IGW与BPI、Wright指数所得结果有所差异,前者S区水质评价达到清洁水平；秋季S区水质污染程度相对严重,中下游地区整体水环境呈现轻至中度污染,分区差异性不大；冬季S、G区的水质污染程度较为严重。全年N区水环境质量最高,基本保持轻污染水平,春、夏季提升至清洁水平。

表5 付疃河流域中下游指示物种生物学指数水质等级评价

3 讨论

3.1 底栖动物群落分布特征分析

付疃河流域中下游共计发现大型底栖动物42种,环节动物与节肢动物为其中的主要门类,占总种类数80.9%。霍甫水丝蚓(Limnodrilushoffmeisteri)与摇蚊属(Chironomussp.)为出现频率较高的优势物种,均为耐污物种[26-27],因此付疃河流域中下游地区整体河流水环境呈现一定程度的富营养化现象。

从不同区域的优势种差异来看,环棱螺属(Bellamyasp.)在夏季N、H两区替代颤蚓科及摇蚊科,成为最大的优势种群,主要由于夏季水温较高,且N区地处农村区域,存在季节性河流捕鱼活动,鲫鱼、鲤鱼等成年底栖性鱼类数量,客观促进环棱螺属(Bellamyasp.)群体快速繁殖与生长[28]；相对H区位于城镇地区,为满足沿河娱乐景观与防洪需求,河流水位人工调控频繁(0.1—1 m),鱼类稳态生存环境已被破坏,环棱螺属(Bellamyasp.)基本位于河流生态系统生物链顶层,在夏季适宜水温大量繁殖与滋生。故N、H两区在夏季出现相同优势种替代现象。

同时,S区全年底栖动物总密度均远远高于其他三个分区,主要原因为S区是城镇中心地区,人类活动频繁复杂,河流分布多处再生水处理厂,以再生水为水源补给方式导致河流TN、TP浓度常年超标,恶劣的水生态环境利于如霍甫水丝蚓(Limnodrilushoffmeisteri)等底栖动物耐污种生长[29- 30]。

底栖动物总密度及总生物量存在时间性变化差异,总密度的季节变化趋势为春季>冬季>秋季>夏季,而总生物量上不存在明显趋势,究其原因为软体动物个体生物量较节肢动物、环节动物差异明显,一般为40—150倍,对总生物量占比有极大影响。夏、秋季底栖动物中以田螺科为主的软体动物较多,但其种群个体相对较少,同时由于冬季存在河流封冻,河流流速较低(<0.1 m/s),寡毛类底栖动物不易受河流径流侵蚀河床而产生迁移[31],且河流鱼类活动受水温较低(0—4℃)影响,对寡毛类底栖动物摄食活动较夏、秋季弱化,其种群密度保持较高水平,加之春季伴随气温回暖,以摇蚊科为主的水生昆虫大量孵化滋生[32],如：直突摇蚊属(Orthocladiussp.)、红裸须摇蚊(Propsilocerusakamusi),导致种群密度逐级放大,这可能引起夏、秋季底栖动物总密度低于春、冬季的现象。

3.2 底栖动物与水环境因子相关性分析

底栖动物的群落分布特征与河流水环境因子存在密切关系。N区执行地表水Ⅲ类标准,H、S及G区执行Ⅴ类水标准,实际监测表明付疃河流域中下游各个分区全年TN超标较为严重,而NH3-N超标现象则出现在H、S、G区的部分季节,这种差异可能是由不同分区的水源结构特征导致,其中N区以自然径流为主,农业化肥污染以面源污染方式进入水体,使水中氮元素含量增加[33]；同时,N区农村生活污水、畜禽废水等点源输入致使河流COD、TP浓度全年偏高,且伴随夏季用水高峰,其对应营养元素浓度达到峰值[34]。而H、S、G区主要以再生水为重要补给源,虽再生水厂处理工艺已达一级A标准,且河流沿程人工湿地逐级构建与完善,但常年累月高浓度营养盐(TN、TP与NH3-N)排放水体,已突破河流湿地自净与水生植被吸附能力,加重藻类春夏季滋生蔓延,为耐污性底栖动物给予足量食物来源,为其繁殖增生提供支持[35- 36]。

结合不同分区底栖动物与水环境因子的相关性分析,可推断出不同门类物种在分区内所占优势程度的不同也可导致相关性结果间的差异。颤蚓科为代表的环节动物在水体以有机质为摄入主食,考虑有机质浓度与COD、TP存在正相关性,故其与COD、TP体现出一定的正相关性,而节肢动物与软体动物与所选4个水环境因子的相关性相对较弱,主要是由于其优势程度较环节动物更小,相较而言难以体现较明显的相关性。同时,不同门类物种及总量与NH3-N均有差异较大的相关性结果,可能是由于NH3-N的有毒有害物质成分对环节动物影响较大,不利于其生长[37],故在以环节动物为主的分区(H区)内总量与NH3-N可呈现出负相关性,而在以软体动物为主的分区(N区)内则呈现出正相关性。除上述所选的营养盐指标外,底栖动物的分布还可能与物理指标如水深、流速、电导率及底质类型等有关[38- 40],在后续研究需考虑物理因子对其影响的定量分析,以加强研究结果对于水生态管理的完整性。

3.3 水质生物学评价

针对付疃河流域中下游地区水质状况,本次研究选取了生物多样性指标(Shannon-Wiener多样性指数、Margalef丰富度指数及Pielou均匀度指数)与重要指示物种相关水质生物学指标(Goodnight-Whitley指数、相对重要性指数及Wright指数)进行等级评价。

付疃河流域中下游四个分区的底栖动物生物多样性存在一定差异,主要由不同水源结构及底质类型特征导致。N区河流处于自然径流状态,河床底质保持泥砂质,河流连通性及水文状况年内基本一致[41],故N区底栖动物多样性在季节性上呈现相似分布；G区为干流下游至河口地区,接纳各处支流汇入,因毗邻入海口,受海洋潮汐、上游来水以及季节性降水波动多重影响,其底栖动物的季节性变化更具复杂性和独特性[42]；H、S两区水源结构基本一致,但S区比H区生物多样性较高,可能是由于两区河床底质存在差异,其中S区以卵石、人工投石与灰砂质残渣为主,H区以灰砂质残渣底质为主,底栖动物可能更适宜于更复杂多样的水生环境[43]。

从底栖动物的水质生物学评价结果来看,付疃河流域中下游大致处于中污染的水平,还无法很好地满足水生生物生存环境需求以及人类社会景观服务等更深层次的需求。根据不同水源结构分区的水生态状况分析来看,针对农村地区和城镇地区,需完善实时监测系统,分别对其分散式农业生产活动及工业、生活污水直排现象进行管控,并加强人工湿地建设,做好尾水处理工作。针对河口地区,加强对于河口湿地公园的建设,充分利用海水潮汐影响,维护河口生态系统的稳定性。

生物多样性指标评价结果显示,Shannon-Wiener指数、Margalef指数评级偏差,而Pielou指数评级偏优,其结果差异主要由计算方式的不同导致,多样性指数未考虑各物种在水体之中的差异性,季节性水量变化带来的大量底栖动物物种密度变化也会造成污染指数的突然上升,但并非是真正的水质下降现象,因此多样性指数所得结果在付疃河流域往往会趋向严重,而Pielou均匀度指数则消除了物种数量突增、突降的情况,结果会偏优；而对于基于底栖动物指示物种的水质评价(Goodnight-Whitley指数、相对重要性指数及Wright指数)基本一致,主要是由于付疃河流域中下游水体中寡毛类、摇蚊类物种优势度较高,能够较大程度地反映水环境状况,3种指示物种法均从这个角度来定量化水体受污染程度,因此适用性也较高,若考虑采用单一评价方式,均不能客观反映水源结构多变的河流水质评价[44]。因此,在考虑构建以底栖动物为代表的河流水生态评价体系时,建议融入水源结构与河床底质差异的定量分析,以弱化生物评价指标评价方式间客观差异,以期得到更全面准确的水生态评价结果,从而为河流的生态管理提供更有力的理论依据支持。

4 结论

(1)付疃河流域中下游共鉴定出底栖动物42种,总密度季节性变化趋势为春季>冬季>秋季>夏季,各点位群落特征存在差异,出现水丝蚓属(Limnodrilussp.)、摇蚊属(Chironomussp.)及环棱螺属(Bellamyasp.)等典型耐污种。

(2)付疃河流域中下游底栖动物分布特征与河流水源结构及水环境因子有关,其中环节动物与COD、TP有显著正相关性,各门类与NH3-N相关性差异较大,除所选4个营养盐指标外,还需结合物理指标进一步解释两者相关性。

(3)生物多样性指标中Shannon-Wiener指数、Margalef指数评级偏差,Pielou指数评级偏优,指示物种水质生物学评价(Goodnight-Whitley指数、相对重要性指数及Wright指数)在付疃河流域中下游得到的结果相对一致,基本呈中污染的平均状态。水质生物学评价仍需与河流物理指标的定量评价相结合。