基于不同指示生物的山区河流水质评价研究——以唐家河国家级自然保护区为例

何欣曼，李 锦，曾 燏，张富斌,2，向伶俐，毛 聆，马 佳

(1.西华师范大学生命科学学院，国家淡水渔业工程技术研究中心(武汉)西南分中心，四川南充 637000；2.西华师范大学环境科学与工程学院，四川南充 637009)

水是生命之源，也是人类赖以生存和发展的物质基础。山区河流是水资源的重要组成部分，受人类干扰强度弱，污染少，水质优良，其被保护和科学利用的重要性日益受到全社会的重视。水质评价，是治理水体污染和保护水环境的前提和基础。传统的水质评价方法主要是基于水质理化监测值来评价水质的瞬时状况，难以有效地反映污染物与水环境之间的连续影响和累积作用。水质生物学评价则是利用浮游动物、浮游植物、大型底栖动物和鱼类等指示生物来评价水质状况，其敏感性高、客观性强、能最大程度上反映水环境质量状况，克服了理化检测的局限性和繁琐性，因此在国内外被广泛应用。不同的指示生物代表了食物链的不同环节，对污染物的敏感程度不同，指示生物的选择与水质生物学评价的结果有密切关系，因此如何选择合适、有效的指示生物是水质生物学评价的关键问题之一。但是目前大多数研究者在水质评价研究中，选用的指示生物并不统一，也没有具体的标准和参考，因此有必要深入探究不同流域生物水质评价的最适指示生物。

唐家河国家级自然保护区位于四川省青川县境内，主要保护对象为大熊猫及森林生态系统，区内水系发达，大小支流众多，比降大，水资源丰富，河水湍急、水温低，河床底质类型以鹅卵石为主，为典型的川西山区河流，也是冷水性鱼类优良的栖息地。随着保护区科研活动、旅游业和乡村建设等的快速发展，唐家河保护区河流受到了不同程度的影响，目前相关的研究主要集中在动物、植物、生态旅游建设等方面，而针对水环境质量评价的研究，鲜有报道。因此我们选用浮游植物、浮游动物和底栖动物三类代表性水生生物作为指示生物，在分析其群落特征的基础上，评价典型山区河流唐家河的水质本底状况，同时从指示生物一般标准符合度和水质生物学评价结果准确度两个方面，探讨唐家河山区河流水质生物学评价中的最适指示生物，以期为此类型的山区河流水质生物学评价和唐家河水环境保护提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 采样点位设置

根据生态旅游空间规划、河流地理位置和走向，将唐家河划分为旅游区(S1～S8)、科研交流区(S9～S12)和居民区(S13～S14)三个河段，共设置14个采样点位(图1)，于2019年10月和2020年10月对各样点进行调查采样，每个采样断面经纬度及海拔高度通过全球定位系统(MAGELLAN explorist-200)来记录。

图1 研究区地理位置Fig.1 Geographical location of the study area

1.2 基于指示生物的水质评价

1.2.1 样品采集与处理

5项水质理化因子的测定：使用HACH多参数水质分析仪现场测定溶解氧含量(DO)、水温(WT)和pH，采用便携式多参数水质分析仪测定磷酸盐和氨氮(NH-N)，分析方法参照《国家地表水环境质量监测网监测任务作业指导书(试行)》。

浮游植物和浮游动物样品的定性采集：使用25号(孔径0.064 mm)浮游生物网，在离水面0.5 m处按照“∞”字形缓慢拖拽3～4 min，将网头中的水样转移至标本瓶中，用4%～5%甲醛溶液固定并摇匀。

浮游植物样品定量采集：用采水器采集不同深度混合定量样品1 L，加入体积比为1.5%的鲁氏碘液固定，静置48 h后浓缩到25 mL，观察时摇匀，参考《中国淡水藻类——系统、分类及生态》在显微镜下进行计数和鉴定。

浮游动物样品定量采集：用采水器在水深约0.5 m处采集水样10 L，通过25号浮游生物网过滤，用4%～5%甲醛溶液固定并摇匀。参考《水生生物学》方法在显微镜下进行计数和鉴定。

底栖动物样品采集：主要使用索伯网(开口面积约为500 cm)和D形网(采样边长30 cm)，采集后使用225 孔/cm的网筛在水中清洗，收集到采样瓶中，用5%的福尔马林固定。参考《淡水微型生物与底栖动物图谱》在显微镜和解剖镜下进行计数和鉴定。

1.2.2 水质生物学评价方法

分别利用三类指示生物的Shannon-Wiener物种多样性指数(′)、Margalef物种丰富度指数()以及Pielou均匀度指数()，运用模糊集合逆向关系标准化处理各个生物指数，得到模糊隶属函数μ()，值μ()即为生物污染分指数，再运用环境质量混合加权模式，计算综合生物指数，根据值确定水质污染程度，这克服了单项生物指数评价水质的单一性和不确定性，计算公式如下：

以上是我校开设营养学专业的困境与思考，相信不同的院校会存着或多或少的通病，以及自己的短板。互相借鉴，互相学习，才能促进营养学专业培养的不断进步。健康的促进不能只靠治疗，要靠预防，而营养则是预防医学的利器。

1.3 三类指示生物的适合度比较

为了探究最适合唐家河水质生物学评价的指示生物，我们分别从指示生物的符合度和水质评价结果的准确度两个方面进行比较研究。

符合度比较：将三类指示生物各自的特征与PHILLIPS等和HAUG等所确定的标准特征相比较，来确定符合度高低。因其不涉及指示生物体内污染物浓度的相关内容，所以选定耐受性(累积一定量的污染物不死亡)、生活方式(固着生活，可代表污染区)、数量(足够丰富，能重复采样)、年龄(寿命足够长，存在不同年龄组个体)、生长(个体能提供适量的组织或细胞样品进行分析)、采样(易于采样，实验室培养容易存活)、分布(能在半咸水中存活)等7个标准特征为本研究的比较特征。不同指示生物相关的特征指标通过现场采样、文献查阅和直观性比较等方法获取。

准确度比较：首先通过“多数原则”来确定各样点的水质理论等级，其评价标准如下：在某一样点中三类指示生物的评价等级中有两种及以上结果相同时，该结果为其水质评价的理论等级，当三类指示生物的评价结果都不一样时，则中间等级的评价结果为其水质评价的理论等级(注意此处的水质理论等级只是一种判别方法，并不代表该样点的真实水质评价等级)。然后将三类指示生物的水质评价结果与理论等级相比较，来确定准确度高低，与理论等级差异越小，其准确度越高。最后用Mann-Whitney U秩和检验来比较三类指示生物的水质评价结果与水质理论等级是否存在显著差异(因各样点的水质评价结果为等级差异的顺序变量数据，所以选用非参数统计方法)，统计分析均在SPSS 21.0软件中进行。

2 结果

2.1 三类指示生物的群落结构及组成

唐家河共采集到浮游植物6 门42 科44 属51 种，平均密度为19.21×10ind /L。其中硅藻门为优势类群，有26 种，占浮游植物总种数的51.1%；绿藻门有13种，占总种数25.5%；蓝藻门有3 种，占总种数的5.9%；隐藻门2 种，占总种数的3.8%；裸藻门3 种，占总种数的5.9%；甲藻门4 种，占总种数的7.8%(见图2)。其中出现频率最高的种类有脆杆藻()、针杆藻()、桥弯藻()、异极藻()，几乎存在于所有样点。

浮游动物共4 门9 科12 属19 种，平均密度为13.21 ind/L。其中原生动物为优势类群，有12 种，瓶累枝虫()、淡水薄铃虫()、钟虫()、湖沼砂壶虫()、长筒拟铃虫()等占总种数的632；枝角类3 种，蚤状溞()、角突网纹溞()、长额象鼻溞()共占总种数的158；桡足类2 种，特异荡漂水蚤()、球状许水蚤()共占总种数的105；轮虫有2种，螺形龟甲轮虫()、萼花臂尾轮虫()共占总种数的10.5%(见图2)。

底栖动物共3 门15 科17属23 种，平均密度为135.71 ind/m。其中节肢动物(主要是水生昆虫)为优势类群，有14 属20 种，占总种数的87%；环节动物有2属2种，占总种数的8.7%；软体动物有1属1种，占总种数的4.3%(见图2)。在节肢动物中，毛翅目种类最多有6种，襀翅目和蜉蝣目各有4种，是底栖动物群落结构的主要组成部分。其中小短石蛾属()、短脉纹石蛾属()、纹石蛾属()、四节蜉属()、扁蜉属()、钝襀属()、剑襀属()分布广泛，而环节动物的石蛭属()和扁蛭属()，以及软体动物中的蚬属()分布范围较窄仅在S 7、S14出现过。

图2 三类指示生物的群落组成结构Fig.2 Community composition of three types of indicator organisms

图3 三类指示生物的物种数与平均密度Fig.3 Number of species and average density of three types of indicator organisms FZ代表浮游植物，FD代表浮游动物，DX代表底栖动物，下同

2.2 山区河流的水质评价结果

唐家河水质生物学评价的理论等级为中污染，不同研究区域所受污染程度不完全相同，其中旅游区为中度偏轻污染，科研区为中度偏重污染，居民区为中污染，不同采样点的评价结果也并不完全一致。其中78.57%的采样点(共11个采样点)水质理论等级为不同程度的中污染，14.29%的采样点理论等级为轻污染(S1和S3)，7.14%的采样点为重污染(S10)。水质理化指标测定结果显示，唐家河年平均水温12.2 ℃，pH7.07～8.0，符合典型山区河流水质特征，具体结果见表1和表2。

表1 各采样点水体理化参数Tab.1 Physical and chemical parameters of water bodies at each sampling point

基于不同指示生物的水质评价结果也存在较大差异。整体上看，浮游植物和底栖动物的水质评价结果相同，均表现为不同程度的中污染，浮游动物的水质评价结果则表现为中度偏重度污染，但Mann-Whitney U秩和检验结果表明水质理论等级与三类指示生物的水质评价结果并不存在显著差异。样点上看，基于底栖动物的水质评价结果中，

只有S11的水质评价等级为重污染，其余样点的水质评价等级均为不同程度的中污染；基于浮游植物的水质评价结果中，只有S6的水质评价等级为清洁，S1、S3和S9均为轻污染，S10为重污染，其余9个样点则为不同程度的中污染；基于浮游动物的水质评价结果中，重污染等级的样点最多，有7个，S1、S3和S7均为轻污染，S2、S4、S11以及S13为不同程度的中污染(见表2)。

表2 各样点综合生物指数评价结果Tab.2 Comprehensive biological index evaluation results of each sample point

2.3 三类指示生物的适合度比较

三类指示生物在唐家河水质生物学评价中的适合度存在差异。符合度比较结果表明：底栖动物完全符合所有标准特征，符合度为100%，浮游植物与浮游动物均有3个特征不符合标准特征，符合度仅57.1%(见表3)；准确度比较结果表明：基于底栖动物(DQ)的水质评价结果准确度最高，与理论等级的一致率为64.29%，相差一个等级的比例为28.57%，相差两个等级的比例为7.14%，其次是浮游植物，相差一个等级的占35.72%，相差两个等级的占7.14%，剩下57.14%的结果与理论等级一致，最低的是浮游动物(FD)，与理论等级的一致率仅有28.57%，50%的结果与理论等级相差一级，剩余21.43%相差两级(见图4)。

表3 三类指示生物的一般标准符合度Tab.3 General criteria compliance for the three categories of indicator organisms

图4 不同评价方法与理论等级的整体比较结果Fig.4 Overall comparison results of different evaluation methods and theoretical levels

在不同采样河段中，三类指示生物特征符合度的比较结果与上述结果相同，但在准确度比较结果上存在较大差异。如在旅游区河段中，基于底栖动物的水质评价结果的准确度最高，达到75%，其次是浮游植物，准确度为50%，最低是浮游动物，仅有37.5%；在科研交流区河段中，浮游植物和底栖动物水质评价结果的准确度相同，均为50%，浮游动物最低，仅为25%；在居民区河段中，浮游植物与底栖动物水质评价结果的准确度也相同，均为100%，而浮游动物水质评价准确度与理论等级却完全不同，相差一级与相差两级的比例各占50%(见图5)。

图5 不同评价方法与理论等级的区域比较结果Fig.5 Regional comparison results of different evaluation methods and theoretical levels

基于上述符合度和准确度的比较结果可知，在三类指示生物中，底栖动物100%符合指示生物的标准特征，且整体水质评价的准确度也是最高的，是最适合唐家河山区河流水质评价的指示生物，其次是浮游植物，最后是浮游动物。

3 讨论

3.1 唐家河三类代表性水生生物群落特征

浮游植物是水生态系统中的初级生产者，是水体生产力的重要体现。作为水质评价常用的指示生物，在不同营养型水体中，浮游植物的物种组成以及优势类群存在差异。如接近富营养型水体的汾河太原河段和汤溪水库的浮游植物群落中均以蓝藻门为优势类群，而新西河水库、镇北水库等9座中营养型水库则以硅藻-绿藻为优势类群，在贫营养型水体丹江口水库中，硅藻门为主要优势类群，蓝藻门次之。本研究结果显示唐家河浮游植物以硅藻、绿藻为主要类群，硅藻为绝对优势类群(图2)，群落结构在种类组成上与中-贫营养型水体较为相似。基于浮游植物的水质评价结果显示，S1、S3和S 9的水质评价为轻污染，S6的水质评价为清洁，其他样点多数为β-中污染。唐家河流域位于国家级自然保护区内，各种人为污染相对较少(特别是旅游区，位于自然保护区较深处)，氮、磷等营养盐的输入与输出平衡机制未受到严重的破坏，以硅藻为优势类群的浮游植物，其群落结构特征也与当前水体营养类型相符。

浮游动物作为次级生产力在水生态系统中起着重要的作用，其群落结构受多种环境因子的综合影响，而水温、透明度和pH等环境因子是直接影响浮游动物群落的因子。每一种浮游动物都有最适合其生长繁殖的温度范围，水体中浮游动物的种类和生物量等与温度呈正相关，如轮虫的数量高峰一般在20 ℃以上的水环境中；水体透明度越高，浮游动物的种群数量和丰度就会越低；调查水域的pH值会极大地影响浮游动物的群落分布，如大多数原生动物适宜的pH为6.6～7.5，水质为中性或微碱性，而在微碱性或碱性的水体中，轮虫种类较少。研究区域共采集到浮游动物4门9科12属19种，原生动物为优势类群，其中轮虫仅有2种。唐家河是典型的山区河流，水温常年较低，年平均水温12.2 ℃，水质pH值7.07～8.00，微碱性(表1)，属于原生动物生存的适宜水温和pH，而水体的透明度高，限制了大多数浮游动物的生长和繁殖。同其它两种指示生物相比，其物种数量和丰度均较低，导致综合生物指数偏高，水质评价结果出现较大的偏差。

底栖动物是水生态系统食物链中的重要组成部分，其游泳能力较弱，区域性强，且多生活在底泥中，能反映水体较长时间的变化，是评价和检测水体有机污染的重要指示生物。如受有机污染较为严重的温榆河中，底栖动物以颤蚓科、摇蚊科等耐污种为优势类群；李再培等研究发现松花江底栖动物群落特征与不同河段的有机污染程度高度一致，如未受到有机污染的朱顺屯河段以毛翅目、蜉蝣目以及蜻蜓目为底栖动物优势类群，兼有代表清洁型水体的襀翅目，轻度污染的大顶子山河段的优势种群为毛翅目和蜉蝣目，而重度污染的阿什河、呼兰河则以耐有机污染的颤蚓、石蛭及某些螺类为主。在唐家河底栖动物群落结构中以毛翅目、蜉蝣目和襀翅目为优势种群，样点S7、S14(图2)偶见石蛭、蚬属等耐污种，耐污种的出现表明唐家河水质已受到有机污染。基于底栖动物的水质评价结果也表明，唐家河整体水质受到了有机污染，特别是科研交流区的部分样点(S11、S12)的有机污染较严重，其原因可能是这两个点较其它样点更靠近居民区，受野生动物(动物尸体、粪便等)和人口活动(农业污染、生活污染等)的叠加影响，从而导致该区域部分样点的氨氮含量较高。

3.2 指示生物的选取及评价结果的比较

指示生物的选择是水质生物学评价的关键，但如何选择适宜的指示生物则缺乏相关的统一标准，导致在不同类型水体的水质生物学评价中，不同研究者选择的指示生物差异较大。如在溪流中，蒋小明等选择底栖动物，孟立霞等则选择浮游动物和浮游植物；在大型河流干流中，黄旭蕾等使用底栖动物，而丁一桐等使用浮游动物；在湖泊型河流中，夏莹霏等选择浮游植物，陈丽平等选择底栖动物。甚至在同一类型水体中也会出现选用不同指示生物来开展水质生物学评价的情况，而评价结果也不尽相同。如天津市团泊水库中基于底栖动物的水质评价结果属于中度到重度污染水平，而浮游动物则显示为属于重度污染水平；在松花江哈尔滨段的水质生物学评价研究中，基于大型底栖动物的评价结果为中重度污染，而基于浮游动物的评价结果为中度污染。本研究同时选择三类指示生物，对山区河流唐家河开展水质生物学评价，比较不同指示生物水质评价结果的差异，从符合度和准确度两方面来探讨如何选择最适合此类型流域水质评价的指示生物。

本研究结果显示，唐家河水质生物学评价的理论等级为中污染，整体而言，在三类指示生物中，底栖动物是最适合唐家河水质生物学评价的指示生物，其符合所有指示生物选择的一般标准，且水质生物学评价结果的准确度也最高，为64.29%，其次是浮游植物，最后是浮游动物。其原因可能与唐家河流域特征和水质现状相关，其一，唐家河山区河流水流湍急，浮游动物和浮游植物多无游泳能力，不能抵抗水流冲击，难以全面、准确地反映水质状况；其二，唐家河属于国家级自然保护区，少量氮、磷及有机污染物主要来源于野生动物粪便、旅游业发展以及本地居民日常生活，而底栖动物和浮游植物对此类污染物有较高的敏感性。不同研究区域的水质生物学评价准确度比较结果，也进一步证实了上述推测。如在污染最少的旅游区河段中，基于底栖动物的水质评价结果准确度最高，达到了75%。但随着不同调查区域的水文情势(水流速、水温等)和污染程度的不同，三类指示生物在不同研究区域的评价结果间的一致性关系也出现了变化，如随着污染的增加，基于底栖动物和浮游植物的水质评价结果的准确度，在科研交流区河段和居民区河段则完全相同。

水质生物学评价成本低、综合性高、且能反映水环境质量的长期状况和历史状况，因此其受到越来越多的关注和重视。指示生物的选择对水质生物学评价结果有重要的影响，不同指示生物因本身特性的异同，其对不同类型环境变化(污染物种类、污染事件等)的敏感性有较大差异，会导致水质评价结果不同。本研究以唐家河为研究对象，结果显示底栖动物是流速高、水温低、污染少(有机污染)类型的山区河流水质生物学评价最适宜的指示生物。同时在不同研究河段中，除居民区河段基于浮游植物与底栖动物的准确度与理论等级相同外，其余河段三类指示生物的水质评价结果均同理论等级存在一定的差异。因此，在水质生物学评价研究的工作中，针对水生生物群落多样、水体污染物类型繁多的复杂水体，需要根据水体特性选择多种指示生物来全面、客观地反映水体的真实状况，必要时还可以增加水体重点污染物监测理化指标分析。