瓯江源头区龙泉溪底栖大型无脊椎动物多样性和群落特征

吕阳奇,刘财鑫,顾天宇,陈 辉,王璐瑶,潘 达,吴 军

1.南京师范大学生命科学学院,江苏 南京 210023 2.生态环境部南京环境科学研究所,江苏 南京 210042

淡水底栖大型无脊椎动物(以下简称底栖动物)是指在内陆淡水(包括流水和静水)水体底质中或水底表面营水生生活的动物类群,它们生活史的全部或大部分时期都在淡水中完成[1]。这些类群在淡水生态系统中分布最广泛,同时也是物种多样性和生物量最丰富的水生生物类群之一,主要包括刺胞动物、扁形动物、线形动物、软体动物、环节动物和节肢动物(如十足类甲壳动物和水生昆虫)等[2-3]。底栖动物群落多样性对维持淡水生态系统的功能完整性(包括物质循环、能量流动,以及指示水生态系统健康状况等方面)具有重要作用[4-5]。

国内对底栖动物群落多样性的调查研究始于20世纪中叶[6],自20世纪80年代以来,底栖动物群落多样性被应用于河流水质的生物监测和评价[7-10]。近年来,河流底栖动物群落多样性及其在河流生态系统的生物评价应用受到越来越广泛的重视。已报道的工作涉及江河一级干流(或江段),如黄河干流、松花江干流、长江镇江段、珠江广州段、瓯江干流的不同江段、渭河干流[11-14]等,二、三级支流乃至溪流,如湖北清江二级支流、浙江永安溪等[15-17]。值得注意的是,位于江河流域上游的山地溪流,是众多对环境变化十分敏感的底栖动物(如淡水涡虫、淡水虾蟹类以及毛翅目、蜉蝣目等水生昆虫)繁衍生息的重要场所,同时也是河流生态系统中最脆弱的部分之一,极易受到气候变化、植被状况、地质灾害及人类活动的干扰和影响。保持山地溪流健康的生态状况,对于保护江河流域的水资源、维持河流生态系统功能的完整性起到极为关键的作用。

龙泉溪发源于浙江省龙泉市、庆元县毗邻的洞宫山区锅帽尖西北麓,从西南向东北贯穿龙泉市境的南部、中部和东北部[18-20]。龙泉溪龙泉段作为瓯江发源地,地理位置的特殊性及水源地功能的重要性,使得该流域在瓯江水系的水生态保护研究中具有重要价值。对该水域水生生物多样性的已有研究涉及鱼类和水生植物[21-23],对底栖动物的多样性仍缺乏了解。对瓯江源头区的研究显示,龙泉溪等瓯江源头区存在一定程度水土流失,其生态健康呈现亚健康状态[20]。可见,对龙泉溪的底栖动物进行调查,并对水环境健康状况进行生物评价更具必要性。该研究联合使用形态分类和DNA条形码技术,通过对龙泉溪底栖动物多样性及其群落结构的调查研究,评估水环境状况,以期为该水域的水生生物多样性保护和水生态系统管理决策提供科学参考。

1 实验部分

1.1 研究区域和样点布设

研究区域位于龙泉市,属龙泉溪中上游流域,该地区密布龙泉溪支流,河流流量大,水位变化悬殊,多种类型的水体造就其丰富的水生生物生境。笔者依据龙泉溪流域各种生态系统类型特点,在研究区域内根据不同水况和生境,结合龙泉溪丘陵格状水系特征,共布设18个具有代表性的采样点(图1)。

1.2 野外调查与样品采集

2021年5月(丰水期)和9月(平水期)分别对龙泉溪底栖动物进行调查。调查以样点布设为基础,参照《生物多样性观测技术导则 淡水底栖大型无脊椎动物》(HJ 710.8—2014)中的方法,对样点周围山涧溪流和天然河道进行采样,采样点涵盖砂石、砾石、泥沙、基岩、有机底质等不同水体底质类型,对样点拍照并记录整理地理信息和生境信息,同时参考段学花等[24]对河床底质的分类,依据河流类型及河床底质中矿物底质(漂石、卵石、砾石、粗沙等)与有机底质(苔藓、大型水生植物、枝叶、有机碎屑等)的组成划分3种生境类型:I型底质以浮泥、卵石及基岩为主,其水面较宽、水流平缓,水体中有丰富的水生植物和有机碎屑;Ⅱ型底质以基岩、砾石和粗沙为主,无明显浮泥,其水面窄、水流湍急,为山溪型河流,水体中有一定水生植物和有机碎屑;Ⅲ型底质以基岩、砾石、卵石及河沙为主,底面无明显可见的水生植物及有机碎屑(表1)。

表1 龙泉溪18个样点的生境条件和干扰情况Table 1 Habitat information and interference situation of 18 sampling sites in Longquan River

主要在可涉水的水体中开展底栖动物定量采集,使用踢网、索伯网定量采集不同生境的底栖动物,在每个样点定量采样3 ～ 4次。同时,使用抄网法、拾取法和翻石法等进行定性采集。将采集到的样品,置于白磁盘中初步分选,根据不同采样方法将样品保存于不同的样品管中,按照样点及采样法进行编号,以体积比为1∶19的乙醇固定标本后带回实验室。

实验室处理包括样品分拣、种类鉴定和计数称量,在确定采集样本的所属分类水平后,统计每种(科、属)底栖动物的个体数,并使用万分位电子天平称量湿重。

1.3 物种鉴定

1.3.1 形态鉴定

对于常见类群或标本完整易于分类的类群,采用传统形态学方法进行种类鉴定。使用可变倍数体视显微镜(Nikon SMZ645,日本)对标本的关键形态特征进行检视和比对,参考国内相关类群的分类资料(如中国动物志、中国经济动物志等)[25-28],或请教相关领域权威专家进行鉴定,所有类群尽可能鉴定到最小分类单元。对于不能通过形态学特征进行精确鉴定的物种,根据采样点信息及共同特征进行分类,置于样品管中编号保存,待进一步使用DNA条形码辅助鉴定。

1.3.2 DNA条形码辅助鉴定

对于形态学分类不能有效鉴定的类群(如带丝蚓目、毛翅目、无吻蛭目),或不能准确鉴定到种的个体(如等足目、鞘翅目、蜻蜓目、十足目、双翅目),则使用DNA条形码技术进行辅助鉴定。首先使用体视显微镜(Nikon SMZ645,日本)拍照,以留存待鉴定物种个体特征的电子信息;使用动物基因组DNA提取试剂盒(通用型,擎科生物科技有限公司)提取个体总基因组DNA;获得的DNA提取液用NanoDrop 2000(Thermo Scientific,美国)进行浓度测定;使用DNA条形码引物LCO1490 (GGTCAACAAATCATAAAGATATTGG)和HCO21 98 (TAAACTTCAGGGTGACCAAAAAA TCA)[29]扩增线粒体COI基因的目的片段并送样测序(中国生工生物工程股份有限公司);留存部分DNA样品置于-40 ℃冰箱作为备份。使用序列拼接软件(ContigExpress)对测序数据进行拼接。将获得的条形码序列上传至National Center for Biotechnology Information (NCBI),进行DNA条形码比对,获得相应的物种信息;根据数据库比对反馈的物种信息,进一步核查该物种形态学资料,对照留存照片中的形态特征进行形态比对,确定该类群分类位置到最小分类单元。

1.4 数据分析

1.4.1 优势种分析

采用Berger-Parker优势度指数 (Y) 确定优势种,定义Y >0.02的种为优势种[30]。

Y = (Ni/N) ×fi

(1)

1.4.2 多样性分析

采用Margalef丰富度指数(dMa)、Simpson优势度指数(D)、Pielou均匀度指数(J)表征各样点的物种多样性。

dMa= (S-1)/lnN

(2)

(3)

J = H′/lnS

(4)

1.4.3 水质生物评价分析

采用Shannon-Wiener多样性指数(H′)和Biotic Index 污染生物指数(BI)进行水质生物学评价[31]。Shannon-Wiener多样性指数水质分级标准参考王备新等的研究[32],将水质分为5个等级:H′ >4时为极清洁,3≤H′≤4时为清洁,2≤H′ <3时为轻度污染,1 ≤H′ <2时为中度污染,0≤ H′ <1时为重度污染。参考秦春燕[33]的研究计算BI值,BI水质分级标准参考王备新[34]的研究,水质共分5个等级:BI≤2.97时为最清洁,2.978.24时为重度污染。

(5)

BI=∑TiNi/N

(6)

式中:Ni为第i种物种的个体数,N为总个体数,fi为该物种在各样点中出现的频率,S为物种数,Pi为第i种物种的相对丰度,Ti为第i个分类单元的耐污值[33-34],定性采集样品(如软甲类)不计入以上数据分析。

1.4.4 统计分析

使用配对样本t检验分析龙泉溪丰水期和平水期底栖动物物种数、个体数量、生物量、平均密度及样点多种生物多样性指数的差异。使用Kolmogorov-Smirnov进行数据正态检验,使用单因素方差分析(ANOVA)检验不同海拔、河流底质下底栖动物在物种数、平均密度、生物量以及多样性指数方面的差异并进行组间多重比较,分析环境因子的影响(点位S3和S10受到严重人为干扰,故未进行统计分析)。

2 结果

2.1 底栖动物物种组成及优势类群

该研究共采集淡水底栖大型无脊椎动物约3 700余只(个),对调查所获样品的鉴定结果汇总,共计获得5门、9纲、19目、68科、124属、165种(部分类群仅鉴定到科级,占比为13.33%)。其中,单独使用形态学分类鉴定得到的物种有11目、43科、118种,单独使用DNA条形码分类鉴定得到的物种有1目、15科、42种,在7目、10属、5种中同时使用了2种方法(图2)。

图2 不同分类阶元中使用形态学分类鉴定和DNA条形码辅助分类鉴定获得的底栖大型无脊椎动物数Fig.2 Number of benthic macroinvertebrate species/family obtained using morphological taxonomic identification and DNA barcoding taxonomic identification at different taxonomic categories

调查获得的底栖动物类群涵盖了扁形动物门Platyhelminthes、线形动物门Nemathelminthes、环节动物门Annelida、软体动物门Mollusca和节肢动物门Arthropoda共5个门类。其中,节肢动物门为绝对优势类群,包括2纲、10目、51科、105属、145种;其次是软体动物门,包括2纲、4目、10科、13属、13种;环节动物门2纲、3目、5科、5属、5种;扁形动物门和线形动物门各1纲、1目、1科、1种。

调查分析显示,龙泉溪底栖大型无脊椎动物种类组成在丰水期和平水期存在差异(表2),丰水期的物种多样性(或属种数量)更为丰富,采集到的底栖大型无脊椎动物共计2 100余个(只),隶属4门、7纲、17目、60科、102属、123种。其中,扁形动物1纲、1目、1科、1种;环节动物2纲、3目、4科、4种;软体动物8种,隶属于2纲、3目、7科;节肢动物110种,隶属于2纲、10目、48科(表2)。平水期采集到的底栖大型无脊椎动物共计1 500余个(只),隶属5门、8纲、17目、52科、84属、104种。其中,扁形动物与线形动物门各1纲、1目、1科、1种;环节动物2纲、2目、3科、3种;软体动物10种,隶属于2纲、4目、9科;节肢动物89种,隶属于2纲、9目、39科(表2)。

表2 不同时期龙泉溪大型底栖动物的个体数、物种数及其占比Table 2 Number of individuals and species of benthic macroinvertebrates and their proportion in Longquan River in different periods

从龙泉溪底栖动物的物种组成来看,丰水期以水生昆虫为主,占全部种类的85.37 %(105种),为绝对优势类群;其次为软体动物,占总物种数的6.50%(8种)。水生昆虫中则以蜉蝣目、双翅目和毛翅目所占的比例较高,合计物种数占全部物种数的67.48%。从采集到的底栖动物个体数量来看,水生昆虫的占比最高,达88.59%,共计1 942只,以蜉蝣目、鞘翅目、毛翅目和双翅目昆虫的占比较高(表2)。平水期物种组成与丰水期相似,水生昆虫占全部物种的81.73%(85种),软体动物占9.62%(10种);从采集到的动物个体数量来看,水生昆虫占比达88.43%(表2)。在丰水期和平水期,不同样点的底栖动物组成存在一定差异(表3和图3)。

表3 底栖动物优势种及其优势度Table 3 Dominant species of benthic macroinvertebrates and their dominance

图3 龙泉溪不同时期各样点底栖大型无脊椎动物物种数Fig.3 Number of benthic macroinvertebrate species at various sites in Longquan River at different times

此外,各样点底栖动物的物种多样性在丰水期和平水期有一定变化。丰水期各样点的底栖动物物种数平均约为18种,其中,种类较多的达到24～26种(S8、S15),种类较少的仅为10种(S5、S7和S10);平水期各样点底栖动物物种数平均约为17种,其中,种类较多的达到29～33种(S12、S3),最低仅有2种(S10)。

优势度指数分析结果显示,龙泉溪底栖动物优势种以水生昆虫为主,包括鞘翅目的狭溪泥甲属1种Stenelmissp.1,毛翅目的纹石蛾属Hydorpsyche和短脉纹石蛾属Cheumatopsyche各1种。除此之外,在丰水期,其优势种还包括1种扁形动物,三角涡虫科1种Dugesiidaesp.;在平水期,其优势种还包括1种软体动物,放逸短沟蜷Semisulcospira libertina,以及3种蜉蝣目昆虫,分别为宜兴宽基蜉Choroterpes yixingensis、黑扁蜉Heptagenia ngi和宜兴亚非蜉Afronurus yixingensis。

2.2 底栖动物生物密度与生物量

分析结果显示,龙泉溪底栖动物的生物密度和生物量在丰水期与平水期均存在一定变化(图4),但两者差异不显著(配对样本t检验结果为生物密度t= 1.080,df=17,P= 0.295;生物量t= -0.555,df=17,P= 0.586)。丰水期的平均生物密度和生物量分别为115.49 ind./m2和1.34 g/m2。其生物密度最高达336.33 ind./m2(样点S17),最低至13.33 ind./m2(S5);生物量最高为8.32 g/m2(S15),最低为0.07 g/m2(S5和S8)。平水期的平均生物密度和生物量分别为97.19 ind./m2、1.72 g/m2。其生物密度最高为203.56 ind./m2(S18),最低为22.22 ind./m2(S10);生物量最高为5.86 g/m2(S3),最低为0.28 g/m2(S1)。平均生物密度在丰水期较高,而平均生物量则在平水期较高。

图4 龙泉溪流域底栖动物生物量和生物密度的时空变化Fig.4 Spatio-temporal variation of biomass and biological density of benthic macroinvertebrates in Longquan River Basin

比较研究发现,龙泉溪底栖动物的生物量和生物密度存在一定的时空变化(图4)。其生物量在山溪上游支流较下游干流更高(如S12与S14相比,S15与S6相比),这种差别在丰水期尤其突出。但是,在个别上游支流处(如S16和S17),生物量并不高,甚至要低于下游(如S15和S13)的生物量,这可能与该处水域的海拔等微生境条件有关(表1),有必要对龙泉溪底栖动物的微生境利用做进一步分析。

值得注意的是,个别上游支流与其下游干流的生物量相比出现了异常(如S10和S6),即上游支流(S10)的生物量在平水期陡然下降,明显低于其下游干流(S6)的生物量。项目组在平水期的调查发现,该处水域(S10)与丰水期时相比,受到了严重的人为活动干扰(表1)。生物密度与生物量有类似的时空变化模式。但生物量高的水域,其生物密度则相对较低(如S12的丰水期生物量与丰水期生物密度);反之亦然,即生物量较低的水域其生物密度相对较高(如S7丰水期生物量与S7丰水期生物密度,S3平水期生物量与 S3平水期生物密度)。

2.3 底栖动物多样性与群落结构

使用Margalef丰富度指数、Simpson优势度指数、Pielou均匀度指数对龙泉溪流域各样点物种多样性进行评估。分析结果显示,龙泉溪底栖动物的多样性较高,Margalef丰富度指数平均值大于3,Simpson优势度指数和Pielou均匀度指数平均值均大于0.7。3种多样性指数在丰水期与平水期均未呈现显著差别(配对样本t检验结果为Margalef指数t=-1.524,df=17,P=0.146;Simpson优势度指数t=-0.919,df=17,P=0.371;Pielou均匀度指数t=-1.682,df=17,P=0.111)。S2、S4、S6、S8、S10、S11样点的丰水期Margalef指数值高于平水期,其他样点的平水期Margalef指数值高于丰水期,见图5(a);S2、S4、S8、S10样点的丰水期Simpson优势度指数值高于平水期,其余样点的平水期Simpson优势度指数值高于丰水期,见图5(b);Pielou均匀度指数值总体呈现出平水期高于丰水期的现象(S2、S4除外),见图5(c)。

图5 龙泉溪丰水期和平水期底栖动物群落的Margalef丰富度指数、Simpson优势度指数和Pielou均匀度指数变化情况Fig.5 Margalef abundance index,Simpson dominance index and Pielou evenness index of benthic macroinvertebrate communities in Longquan River during the high-flow period and the normal-flow period

龙泉溪流域不同点位底栖动物生物多样性指数值差别较大(图5)。Margalef丰富度指数均值为3.24±1.38;Simpson优势度指数均值为0.79±0.15;Pielou均匀度指数均值为0.77±0.12。Margalef丰富度指数在丰水期的最大值出现在S2(dMa=5.06),最小值出现在S7(dMa=1.13);Margalef丰富度指数在平水期的最大值出现在S3(dMa=6.51),最小值出现在S7(dMa=0.56)。Simpson优势度指数在丰水期的最大值出现在S2(D=0.92),最小值出现在S10(D=0.46);在平水期的最大值出现在S13(D=0.94),最小值出现在S10(D=0.33)。Pielou均匀度指数在丰水期的最大值出现在S4(J=0.89),最小值出现在S10(J=0.53);在平水期的最大值出现在S9(J=0.90),最小值出现在S4(J=0.44)。

2.4 海拔等微生境条件对底栖动物群落的影响

对不同海拔梯度上的物种数、平均密度、生物量以及多样性指数进行单因素方差分析发现(表4),海拔对底栖动物物种数(F=0.952,P=0.411)、平均密度(F=1.054,P=0.376)、平均生物量(F=0.955,P=0.410)和生物多样性指数(Margalef丰富度指数F=1.096,P=0.363,Simpson优势度指数F=0.565,P=0.582,Pielou均匀度指数F=1.390,P=0.284)的影响均不显著。

对不同河流生境条件下的物种数、平均密度、生物量以及多样性指数进行单因素方差分析发现(表5),河流类型及底质对底栖动物平均密度(F=5.640,P=0.017)影响显著。但是,对底栖动物物种数(F=2.460,P=0.124)、平均生物量(F=2.035,P=0.170)和生物多样性指数(Margalef丰富度指数F=2.754,P=0.101,Simpson优势度指数F=3.614,P=0.057,Pielou均匀度指数F=2.687,P=0.106)的影响均不显著。

表5 龙泉溪不同河流生境底栖动物群落结构与多样性Table 5 Community structure and diversity of benthic macroinvertebrates in different river habitats of Longquan River

2.5 水质生物评价分析

研究采用Shannon-Wiener指数和Biotic Index指数对龙泉溪不同河段的水质进行了生物评价(图6)。结果显示,在调查的18个样点中,Shannon-Wiener多样性指数显示该水域在丰水期(H′为1.03～2.77)和平水期(H′为0.45 ～ 2.99)均存在不同程度的污染。其中,丰水期很多样点的水体为中度污染(10个样点),轻度污染的样点(8个样点)略少;平水期更多样点为轻度污染(12个样点),中度污染(4个样点)和重度污染的样点(S4和S10)较少。Biotic Index污染生物指数的评价结果则显示,该水域在丰水期(BI为1.91～4.59)和平水期(BI为2.25 ～ 6.08)的水质状况均以清洁为主。其中,丰水期有2个样点(S18和S7)为极清洁,其余为清洁;平水期有4个样点为极清洁(S5、S7、S16和S17),13个样点为清洁,1个样点为轻度污染(S10)。这显示了丰水期水体状况略优于平水期。尽管2种评价方法的评价结果有很大差别,但在个别样点(如S10),2种评价方法均指示存在不同程度的污染,而且平水期的污染程度明显加重。

注:左右半圆分别代表丰水期与平水期。图6 采用Shannon-Wiener多样性指数和Biotic Index污染生物指数对龙泉溪各样点水质生物学的评价结果Fig.6 Water quality evaluation results of various points in Longquan River using the Shannon-Wiener diversity index and Biotic Index

3 讨论

3.1 龙泉溪底栖动物多样性和群落结构

该研究对瓯江源头的龙泉溪进行底栖动物多样性调查,联合使用形态学分类和DNA条形码技术对物种进行分类鉴定,共调查发现龙泉溪底栖动物5门、9纲、19目、68科、124属、165种,其中水生昆虫为绝对优势类群,物种占比高达84.8%(48科、140种)。与已报道的瓯江流域底栖动物相比,该研究调查发现的龙泉溪流域底栖动物多样性显著高于瓯江中下游干流河段的底栖动物多样性(19科、30种,隶属于3门、6纲、13目)[35]。在珠江流域也有相似的现象,处于西江上游的红水河的底栖动物多样性明显高于处于其中下游的柳江和西江[36-38]。比对分析发现,处于源头区的龙泉溪与瓯江中下游河段相比,有13个共有的底栖动物科级类群,分别占龙泉溪和中下游河段所有科级类群的19%和68%;且软体动物的共有种属较多(如河蚬,以及萝卜螺属、环棱螺属和圆田螺属)。值得注意的是,采样方法和采样时间很可能对底栖动物调查结果造成一定影响。该研究所选择的采样时间为5、9月,未包括全部4个季度,很可能因此遗漏一些在秋季后活跃的类群或种类。

进一步分析瓯江不同流域底栖动物群落结构可以发现,源头区与中下游河段在优势类群的占比和组成上差异十分显著。中下游以软体动物为优势类群,其生物量占比高达97.9%,在物种组成上略高于水生昆虫(软体动物占43.3%,水生昆虫占30%)[35]。而在源头区水生昆虫的物种组成占比则远高于软体动物(水生昆虫占84.8%,软体动物占7.9%),同时新增了扁形动物门和线形动物门的物种(表6)。这与底栖动物的不同类群在微生境利用上的特性和差异有关。龙泉溪山溪河流比瓯江中下干流水质更清洁,为喜好洁净水体的水生昆虫、淡水虾蟹和涡虫等类群的生存提供了优越的环境条件。同时,源头区河流水位较浅、底质类型多样、水草繁密,更适合蜻蜓目、蜉蝣目等各类水生昆虫的稚虫(或幼虫)附着。可见,位于瓯江源头的龙泉溪,其水系发达、所处地形地貌独特、河流底质类型多样等特点,造就了该水域以丰富的水生昆虫为优势的底栖动物物种组成。

表6 瓯江源头区和中下游底栖动物物种组成Table 6 Species composition of benthic macroinvertebrates in the source area and middle and lower reaches of the Oujiang River 个

基于多样性指数的分析研究显示,龙泉溪底栖动物群落多样性高,且在丰水期和平水期群落多样性均维持在较高的水平。而在各样点,多样性丰富度、优势度和均匀度出现一定波动,反映了水域微生境条件的变化。调查监测还发现,龙泉溪流域以山地为主,保留了较多的自然特征,生态状况良好,且设有多个饮用水水源保护地,仅有个别样点(或断面)受到河道整修、道路建设等人为活动干扰(如S10和S3),使底栖动物的多样性组成和群落结构受到较大干扰。此外,大量研究显示,底栖动物物种数量和分布格局受温度、底质类型、水体理化性质等气候和环境因子的综合影响与制约[39-40]。笔者分析了海拔、底质类型等河流微生境条件对龙泉溪流域底栖动物多样性分布的影响,结果显示,龙泉溪不同海拔区间的底栖动物多样性无显著差异(尽管其分布密度在高海拔山溪明显低于中低海拔的山溪河流),而不同底质微生境对底栖动物的分布密度则有显著影响,如在富含水生植物、有机碎屑且水流较平缓的山溪河流,底栖动物的分布密度明显更高。当河流生境中底质以基岩为主,无适合附着的水生植物和有机碎屑,或因溪水水流湍急、不利于底栖动物附着时,底栖动物的分布密度较低。而平原型山溪河流,既有可附着的水生植物和基底物质,水流也较平缓,适合底栖动物生存繁衍,因此底栖动物的分布密度高。

龙泉溪流域作为瓯江发源地,其丰富而独特的底栖动物多样性和群落结构特征表明该区域作为瓯江水生生物分布的热点区域,对瓯江流域物种库的形成具有重要意义,对维持区域生态系统的生物多样性和生态功能具有不可忽视的作用。

3.2 基于底栖动物多样性评估龙泉溪的水生态状况

相比于使用水体理化指标开展水环境监测,开展水质状况生物评估和监测的优越性在于利用水生生物对水体状况的敏感性和耐受性,可以整合水环境中的各类污染物及其与水生生物之间的相互作用,从而综合反映水环境长期的健康状况,具有连续监测的功能[10,41-42]。在各类水生生物中,底栖动物具有种类多、活动场所相对固定、生活周期相对适中、不同类群或种类对水体健康状况的敏感性差异较大且易于采集等特点。因此,采用底栖动物为指示生物开展水生态健康状况的评估监测,较理化监测所花费的人力和物力少,更为经济和长效。同时,笔者分析结果显示,龙泉溪底栖动物多样性在不同海拔范围内无显著差异,说明使用底栖动物对龙泉溪进行水质生物评价时受海拔因素影响较小,更具有适用性。

底栖动物应用于水环境生物评估,主要依据群落丰富度和多样性指数以及与物种耐污值有关的指数,群落丰富度和多样性指数单纯以物种多样性指标评价水质的优劣,与物种耐污值有关的指数兼顾了物种多样性指标和不同种类对污染环境的耐受程度,即耐污值的差异[43-44],两类指标往往结合使用。在研究中,通常使用Shannon-Wiener指数(H′)及Biotic Index污染生物指数(BI)来表征研究区域的水质状况[44],H′属于生物群落结构性指数,不考虑底栖群落中敏感和耐污类群组成差异对于评价结果准确性的贡献,而BI则不同,其基于底栖动物耐污值和物种多样性建立,能够较准确地反映出河流水质状况。

笔者采用H′和BI对龙泉溪流域水质状况进行评价,H′评价结果显示,龙泉溪各个采样点都存在污染情况,而BI评价结果表明,龙泉溪流域整体水质清洁程度较高,评价结果存在明显差异。需要注意的是,在H′评价结果中,样点S4、S10在平水期为重度污染,而在笔者的调查过程中发现,尽管S4、S10受到了人为干扰,但污染程度还未达到重度污染。而BI评价结果则显示,在平水期,样点S10为轻度污染,S4为清洁,更符合实际情况。此外,样点S7、S16、S17均为山区自然溪流,周围无明显干扰,基于物种多样性统计得出的H′结果却显示其水质在丰水期属中度污染(图6),而BI结果表明其水质为极清洁或清洁,后者的评价结果与实际的水环境质量状况更加吻合。BI同时考虑了物种多样性和底栖动物耐污值差异,而H′只考虑了物种多样性,因此BI用于龙泉溪流域的水质健康状况评估更加科学。在其他水系的相关研究中,也得到类似的研究结论[17,44]。但是,不同地区的底栖动物耐污值差别较大,该研究参考了中国东部地区的耐污值体系[32],而目前底栖动物耐污值在国内很多地区都存在研究不足的问题,仍需后续进行补充完善。

3.3 联合使用DNA条形码可有力促进水生态健康评估

生物评估及其度量有赖于对生物分类和鉴定的分辨能力。传统的形态学鉴定方法存在一定局限性[45]。由于底栖大型无脊椎动物囊括的动物门类众多,被用作鉴定的形态特征大多具有类群专一性,某些类群的分类检索往往需要高度的专业训练和经验积累;已有的形态分类检索通常仅针对某个特定的发育阶段(如成体)或性别(如雄性)有效;隐存种和表型可塑性等现象的存在,增加了底栖动物形态分类的难度和不确定性[46],因此底栖动物被应用于昆虫、寡毛类等无脊椎动物的辅助分类和鉴定[47-48]。STEIN等[49]分析了DNA条形码在提升底栖大型无脊椎动物的生物评估度量方面的作用,并初步证实DNA条形码鉴定可有效提高分类类群的丰富度,同时提升生物评估对水质状况微小变化的监测能力。

近年来,随着底栖动物研究工作的逐步推进,底栖动物DNA条形码鉴定数据库的数据累积日益加快。各国或地区根据本国和本地区底栖动物的区系特点建立了相应物种的DNA条形码数据库,如ZHOU等[50]建立的加拿大Churchill地区EPT(蜉蝣目+襀翅目昆虫+毛翅目)的DNA条形码数据库,WEBB等[51]建立的北美蜉蝣目昆虫的DNA条形码分类数据库。国内由南京农业大学和南开大学牵头,中国农业大学、南京师范大学等15所高校、科研院所参与,从事底栖动物研究的一些学者专家联合建立了中国淡水大型底栖无脊椎动物条形码数据库,并在不断完善中[52]。这为中国淡水底栖动物多样性调查和水生态状况评估提供了数据支撑。

该研究联合使用了DNA条形码和形态分类方法,对于形态上有显著鉴别特征的类群,使用传统形态学分类会更加高效,但这需要鉴定者有足够的分类功底,学习成本较大;而DNA条形码技术则更多依赖于数据库资料的丰富程度,随着近些年来NCBI等分子数据数据库的广泛使用和越来越多分子数据的上传,使用DNA条形码技术可获得的物种信息也越来越多。因此笔者针对寡毛纲、蛭纲、昆虫纲的双翅目、鞘翅目和蜻蜓目,以及软甲纲动物等难以进行形态学鉴定的类群,使用了DNA条形码技术来辅助鉴定,其结果使底栖动物分类单元的分辨能力在科、种水平上分别提升了28.3%和34.1%,丰富了龙泉溪底栖动物分类支系和物种多样性的资料,能够更加客观地反映龙泉溪水生生物的多样性水平,对提升基于底栖动物多样性开展的水生态健康状况的评估和监测能力起到促进作用。

4 结论

该研究对浙江省丽水市瓯江源头区的龙泉溪进行了底栖动物多样性调查研究,于丰水期和平水期对覆盖龙泉溪主要山溪河流的18个样点进行采样,通过联合使用传统形态分类方法和DNA条形码,共鉴定出底栖动物165种,隶属5门、9纲、19目、68科、124属。调查研究表明,龙泉溪底栖动物群落多样性高,且在丰水期和平水期均维持在较高的水平。对水生态状况的生物评估结果显示,Biotic Index污染生物指数更适合龙泉溪流域的水质健康状况评估,龙泉溪流域整体的水生态状况健康,水质属清洁或极清洁。该研究为瓯江源头区溪流乃至整个流域的生态保护和长期监测提供了必要的本底基础资料。