珠江重要河流底棲動物水質生物學評價

王旭濤, 謝　昭,劉　威,徐　盛

(1.珠江水資源保護科學研究所,廣東 廣州　510611; 2.南京農業大學昆蟲系,江蘇 南京　210095)

珠江重要河流底棲動物水質生物學評價

王旭濤1, 謝昭2,劉威1,徐盛2

(1.珠江水資源保護科學研究所,廣東 廣州510611; 2.南京農業大學昆蟲系,江蘇 南京210095)

摘要：2011年和2012年調查了珠江流域66個樣點的底棲動物和水化學指標,利用2011年北江11個樣點和郁江17個樣點的底棲動物群落和水化學指標,采用主成分分析法獲得綜合環境因子(主成分1和主成分2)。分析36個候選底棲動物參數與環境因子間的相關性,結合參數的分布范圍,確定適于珠江流域開展河流生態系統生物學質量評價的3個底棲動物參數:雙翅目百分比、刮食者百分比和BI指數,進而構建了珠江流域河流生物學質量評價的綜合生物指數及評價等級(清潔、輕度污染、中度污染和重度污染)。66個樣點的綜合生物指數評價結果顯示,珠江流域河流生物學質量以輕度至中度污染為主,占80.3%,清潔占13.6%,重度污染占有6%。研究表明,在珠江流域應用底棲動物開展中大型河流水質生物學評價具有良好的應用前景。

關鍵詞：大型底棲無脊椎動物;綜合生物指數;生物學評價;珠江

水質生物評價自1902年德國科學家Kolkwita和Marsson首次應用至今,歷經了100多年的發展,提出了許多成功的水質生物學評價參數[1]。大型底棲動物因其生活周期長、行動緩慢、分布廣泛、個體較大、易于采集和識別、對環境變化敏感等特點,已成為水質生物學評價中應用最廣泛的類群[2]。自20世紀70年代以來,北美和歐洲已廣泛應用大型底棲動物群落結構對河流水質進行評價[3-6]。國內雖然也有相關方面的研究[7-11],但相比國外而言,比較欠缺。

總體而言,水質生物學評價方法一般分為變量分析法 (variate method) 和度量分析法 (metric method)。變量分析法主要從生態學角度考慮,通過建立預測模型來進行水質生物學評價。此類方法的理論基礎是:在參照條件下,生物群落結果相似。該方法在英國和澳大利亞使用較為廣泛,如英國的BEAST模型和澳大利亞的AusRivAS模型[3,12-13]。相比變量分析法,度量分析法具有計算簡單、評價直觀、易于被相關環保部門接受等特點。此類方法的基礎是選取合適的生物參數,但一般情況下,單一的生物指數只能反映生物群落結構及功能的單個方面,不能進行全面而準確的評價。因此,自20世紀90年代初北美國家開始使用多個生物參數綜合評價水質[3-4,12,14]后，國內也出現了一些相應研究[15-16]。多度量指數評價方法中的生物參數篩選,一般采用參照組和干擾組進行對比和判別分析。此方法雖已發展得較為成熟,但仍然有一定的限制,如有些人為干擾嚴重的流域難以找到充足的參照樣點。為此,筆者嘗試通過結合受損河流水體理化指標和底棲動物群落,以生物參數對環境因子的響應為依據,篩選出合適的生物指數,進而針對研究區域進行水質生物學評價。

1研究方法

1.1研究區域概況

珠江是我國境內第3大河流,是西江、北江、東江和珠江三角洲諸河的總稱,干流全長2 129 km,流域面積35.5萬km2。珠江流域地處亞熱帶,年平均溫度在14～22℃,年平均降雨量1 200～2 200 mm,降雨量分布呈由東向西逐步減少的特點,且降雨年內分配不均,地區分布差異和年際變化較大。

1.2生物數據采集

2011年10月對北江的11個樣點和郁江的17個樣點進行大型底棲無脊椎動物采集，2012年3月對北江的13個樣點、東江的16個樣點、桂江的9個樣點進行大型底棲無脊椎動物采集。在100 m長的采集河段,用D形網(40目,直徑0.3 m)采集5個小樣方,總采集面積約為1.5 m2。小樣方數的分配依據采集河段內各種小生境(水草區、靜水區、流水區等)出現的比例合理分配。采集的樣本在野外用40目鋼篩篩選,并用10%的福爾馬林溶液固定后帶回實驗室。室內鑒定時,根據鑒定資料盡可能鑒定至屬，區分到種。

1.3水體理化指標測定

1.4數據分析

參照相關參考文獻,計算了36個對干擾反應比較敏感的、涵蓋了底棲動物群落組成與結構豐度、多度、取食功能團和多樣性指數等底棲動物參數(表1)。對11個水體理化指標進行Spearman秩相關分析,剔除顯著相關(|r|>0.70,p<0.05)的冗余參數。對篩選后剩余指標進行主成分分析,得到主成分1和主成分2。將36個底棲動物參數和環境因子(主成分1和主成分2得分)進行Spearman秩相關分析,得到能與環境因子較好響應的底棲動物參數。最后通過得到的底棲動物參數對樣點進行生物評價。其中,Spearman秩相關分析在SPSS 20.0中進行,PCA分析在PRIMER v 6.0 中進行。因為僅2011年10月北江和郁江的28個樣點具有完整的理化參數,所以本文采用2011年10月北江和郁江的28個樣點的數據來建立底棲動物綜合指數和水質評價等級,進而對珠江流域66個樣點進行水質生物學評價,評估珠江流域河流生態系統的生物學質量現狀。

表1　36個候選底棲動物參數

2結果與分析

2.1水體化學組成

用于構建底棲動物綜合指數的28個樣點的水體化學特征見表2。根據GB 3838—2002《地表水環境質量標準》,28個采樣點的DO質量濃度在Ⅰ類到Ⅳ類水之間;NH3-N質量濃度均在I類水到Ⅴ類水之間;TP質量濃度均為Ⅱ類或Ⅲ類水;CODMn質量濃度均在I類到Ⅲ類水之間。

表2　28個采樣點11個水體化學指標的最大值、最小值、平均值

2.2底棲動物群落組成

2011年10月北江和郁江28個樣點共獲得54個大型底棲無脊椎動物分類單元,其中昆蟲綱19個分類單元,包括鞘翅目3個,蜻蜓目6個,蜉蝣目6個,毛翅目1個,雙翅目3個;甲殼綱4個;軟體動物24個;環節動物門6個,包括蛭綱3個,多毛綱1個,寡毛綱2個和扁形動物門1個。

2.3底棲動物綜合指數構建

圖1　28個采樣點水化學指標的主成分排序

將36個生物參數和環境因子進行spearman相關性分析,得到5個生物參數與環境干擾呈顯著相關,這5個生物參數分別是M12軟體動物百分比、M15雙翅目百分比、M24刮食者百分比、M31耐污類群百分比和M33BI指數。其中M12與M24顯著相關(r=0.89),M31與M33顯著相關(r=0.93)。考慮生物參數盡可能涵蓋底棲動物群落信息,結合生物參數值的分布范圍和環境指示性,剔除M12和M31,最終確定M15雙翅目百分比、M24刮食者百分比和M33BI指數作為珠江流域河流生物質量評價的綜合指數構成指數。

2.4綜合指數的計算及評價等級

采用Karr等提出的5、3、1生物指數記分法統一雙翅目百分比、刮食者百分比和BI指數的評價量綱[16](表3)。其中雙翅目百分比和BI指數值隨干擾的增強而增加,以小于20%分位數計為5,大于80%分位數計為1,介于20%～80%之間計為3;刮食者百分比則隨干擾增強而減小,以大于80%分位數計為5,小于20%分位數計為1,介于20%～80%之間計為3。分值越大,表示環境質量越好。累加上述3個指數的分值,即為綜合指數的分值,最高為15,最低為3。采用四分法確定綜合指數評價水質的4個等級:清潔(13～15)、輕度污染(10～12)、中等污染(7～9)和重度污染(3～6)。

表3　3個生物指數的分值計算方法

2.5珠江流域河流生態系統生物學質量評價

應用本文構建的綜合指數及評價等級,并以霍堂賓等[17]提出的群落多樣性水質評價的方法與結果作為參照對比,對珠江流域河流生態系統的生物學質量進行綜合評價，評價結果分別見表4和表5。北江11個采樣點和郁江17個采樣點的綜合指數評價結果表明,北江水體生物學質量以輕度和中度污染為主,占63.6%;清潔的只有1個樣點;重度污染樣點3個,占27.3%。郁江水體生物學質量要好于北江,沒有重度污染樣點,清潔樣點也只有1個;輕度污染樣點5個,占29.41%;中度污染樣點11個,占64.71%。香農多樣性指數的評價結果表明,北江的生物學質量同樣以輕度至中度污染為主,占72.7%,重度污染樣點也為3個,占27.3%。郁江的生物學質量也好于北江,其清潔樣點1個;輕度污染樣點7個,占41.2%;中度污染樣點8個,占47.15;重度污染樣點僅1個。

表4　2011年北江和郁江28個點位綜合生物指數和香濃多樣性指數水質生物學評價結果

注：B為北江,Y為郁江。

表5　2012年北江、東江、桂江38個點位綜合指數和香農多樣性指數水質生物學評價結果

注：B為北江,D為東江,G為桂江。

2012年北江、東江和桂江的38個點位綜合指數評價結果表明,北江水體生物學質量較好,清潔樣點和輕度污染樣點共7個(其中清潔樣點3個),占53.8%;中度污染樣點6個,占46.2%;沒有重度污染樣點。東江水體生物學質量以清潔和輕度污染為主,共9個樣點，占56.3%;中度污染樣點6個,占37.5%;重度污染樣點僅為1個。桂江水體生物學質量也以清潔和輕度污染為主,共同7個樣點，占77.8%;中度污染樣點僅2個,無重度污染樣點。多樣性指數的評價結果表明,北江水體生物學質量同樣以清潔—輕度污染為主,共7個樣點;中度污染和重度污染樣點分別為4個和2個。東江和桂江的多樣性指數評價結果總體上與綜合指數評價結果相同,僅在具體樣點的等級上面存在一些差異。

綜上所述,珠江流域水體的生物學質量以輕度和中度污染為主,清潔和重度污染的比例都比較少。從綜合指數的評價結果看,66個樣點中,輕度和中度污染樣點共53個,占80.3%;清潔樣點9個,占13.6%;重度污染樣點4個,占6%。從多樣性評價結果看,輕度和中度污染樣點同樣為53個,占80.3%;清潔樣點和重度污染樣點分別為6個和7個,分別占9.1%和11.1%。

3討論

水體生物學質量是評價水生態系統健康狀況的主要評價指標之一。底棲動物作為最常用的水生態健康評價的指示生物,已廣泛應用于各類水體的生物學質量評價。但從水體類型看,主要是應用于可涉水溪流和湖泊,應用于不可涉水河流的研究與實踐都非常少，而本文研究的水體以不可涉水河流為主。通常不可涉水河流與可涉水河流除了水深差異外,在底質組成和水流速度等物理棲息生境方面也存在明顯差異,同樣,底棲動物群落組成與結構也有較明顯不同。另外,可涉水河流一般都位于流域的中下游,受人類活動干擾的影響也較大,基本上沒有合適的參照樣點,即受人類活動干擾極小的樣點很少存在。在這種情況下,如何科學構建一個可靠的底棲動物綜合指數,是水生態健康評價目前面臨的一個重要挑戰。

筆者通過分析生物參數與環境因子的響應關系,結合生物參數的分布范圍和指示性,最終確定了雙翅目百分比、刮食者百分比和BI指數作為珠江流域河流生物質量評價的綜合指數的構成指數。與通常的溪流底棲動物綜合指數的構成指數6個以上相比,至少少了一半。分析這種結果出現的可能原因有:①大河底棲動物種類和數量相對溪流要少得多,且目前采用的底棲動物采樣方法可能不是十分適合大河,導致采樣時偶然性的影響比較大;②大河普遍已受到人類活動干擾且干擾程度較重,底棲動物群落以中等耐污物種為主且較單一,導致很多生物參數與環境關系的響應不顯著;③由于影響底棲動物群落組成與結構的物理和化學因子很多,限于可用數據量的局限性,本文只用了部分水體化學屬性,僅能代表影響底棲動物群落組成與結構的部分干擾因子。

雖然本文只用3個底棲動物參數來構成適合珠江流域開展河流生物學質量評價的綜合指數,但是從實踐的結果看,本文所建立的綜合評價指數還是較好地反映了珠江流域目前水體生物質量現狀,即總體上處于輕度至中度污染水平,與單獨用香農多樣性指數評價結果在總體趨勢上是一致的,但在具體點位的健康等級上仍存在較大差異,如2011年的評價結果中,綜合指數評價結果中3個重度污染點與多樣性指數評價的4個重度污染點,僅一個吻合;綜合指數評價結果中2個清潔點為B13和Y5,但多樣性指數評價結果的清潔點為Y7。只有10個采樣點位兩種評價方法結果一致。2012年的38個采樣點中綜合指數評價結果為7個清潔點,1個重度污染點;多樣性指數評價結果有5個清潔點,3個重度污染點。其中18個點位兩種評價方法結果一致。比較兩種評價結果存在差異的點位,表明通過流域綜合評價指數評價的結果要優于單獨通過香農多樣性指數評價的結果,如2011年的B24、Y10、Y11及2012年的B11、B25、D12、G9等點位,這些點位的物種種類較少,但是以耐污能力較差的清潔種為主,這種狀況下香農多樣性指數較低,但綜合指數較高;而對于2011年的B16、Y7以及2012年的D4、G10等點位,雖然物種種類較多,但是以耐污能力較高的耐污種為主,這種狀況下香農多樣性指數較高,而綜合指數較低,因此這兩種狀況下綜合性指數的評價結果均更為合理。

參考文獻：

[1] HERING D,MOOG O,SANDIN L,et al.Overview and application of the AQEM assessment system[J].Hydrobiologia,2004,516:1-20.

[2] BONADA N,PRAT N,RESH V H,et al.Developments in aquatic insect biomonitoring：a comparative analysis of recent approaches[J].Annual Review of Entomology,2006,51：495-523.

[3] BARBOUR M T,GERRITSEN J,GRIFFITH G E,et al.A framework for biological criteria for Florida streams using benthic macroinvertebrates[J].Journal of the North American Benthological Society,1996,15(2)：185-211.

[4] MAXTED J R,BARBOUR M T,GERRITSEN J,et al.Assessment framework for mid-Atlantic coastal plain streams using benthic macroinvertebrates[J].Journal of the North American Benthological Society,2000,19 (1)：128-144.

[5] BEREZINA N A.Water quality estimation in the Kotorosl’River Basin based on zoobenthos composition[J].Water Resources,2000,27(6)：654-662.

[6] MORENO P,CALLISTO M.Benthic macroinvertebrates in the watershed of an urban reservoir in Southeastern Brazil[J].Hydrobiologia,2006,560(1)：311-321.

[7] 渠曉東,劉志剛,張遠.標準化方法篩選參照點構建大型底棲動物生物完整性指數[J].生態學報,2012,32(15):4661-4672.(QU Xiaodong,LIU Zhigang,ZHANG Yuan.Discussion on the standardized method of reference sites selection for establishing the benthic-index of biotic integrity[J].Acta Ecologica Sinica,2012,32(15)：4661-4672.(in Chinese))

[8] 耿世偉,渠曉東,張遠,等.大型底棲動物生物評價指數比較與應用[J].環境科學,2012(7):2281-2287.(GENG Shiwei,QU Xiaodong,ZHANG Yuan,et al.Comparison and application of biological indices of macroinvertebrates in river health assessment[J].Environment Science,2012(7):2281-2287.(in Chinese))

[9] 丁建華,楊威,金顯文,等.贛江下游流域大型底棲動物群落結構及水質生物學評價[J].湖泊科學,2012,24(4):593-599.(DING Jianhua,YANG Wei,JIN Xianwen,et al.Community structure of macrozoobenthos and biological evaluation of water quality in lower reaches of Ganjiang River[J].Journal of Lake Sciences,2012,24(4):593-599.(in Chinese))

[10] 蔡琨,張杰,徐兆安,等.應用底棲動物完整性指數評價太湖生態健康[J].湖泊科學,2014,26(1):74-82.(CAI Kun,ZHANG Jie,XU Zhao’an,et al.Application of a benthic index of biotic integrity for the ecosystem health assessment of Lake Taihu[J].Journal of Lake Sciences,2014,26(1):74-82.(in Chinese))

[11] 吳東浩,汪軍濤,張詠,等.連云港主要河流大型底棲無脊椎動物水質生物評價[J].環境監測管理與技術,2010(1):29-32.(WU Donghao,WANG Juntao,ZHANG Yong,et al.River water bioassessment with benthic macroinvertebrate in Lianyungang,Jiangsu Province[J].The Administration and Technique of Environmental Monitoring,2010(1):29-32.(in Chinese))

[12] RESH V H,NORRIS R H,BARBOUR M T.Design and implementation of rapid assessment approaches for water resource monitoring using benthic macroinvertebrates[J].Australian Journal of Ecology,1995,20(1)：108-121.

[13] 王備新,楊蓮芳.大型底棲無脊椎動物水質快速生物評價的研究進展[J].南京農業大學學報,2001(4):107-111.(WANG Beixin,YANG Lianfang.Advances in rapid bio-assessment of water quality using benthic macroinvertebrates[J].Journal of Nanjing Agricultural University,2001(4):107-111.(in Chinese))

[14] REYNOLDSON T B,NORRIS R H,RESH V H,et al.The reference condition：a comparison of multimetric and multivariate approaches to assess water-quality impairment using benthic macroinvertebrates[J].Journal of the North American Benthological Society,1997,16(16)：833-852.

[15] 王博,劉全儒,周云龍,等.東江干流底棲動物群落結構與水質生物學評價[J].水生態學雜志,2011,32(5):43-49.(WANG Bo,LIU Quanru,ZHOU Yunlong,et al.The community structure of zoobenthos and bioassessment of water quality of the Dongjiang River[J].Journal of Hydroecology,2011,32(5):43-49.(in Chinese))

[16] 戴紀翠,倪晉仁.底棲動物在水生生態系統健康評價中的作用分析[J].生態環境,2008,17(6):2107-2111.(DAI Jicui,NI Jinren.Roles of benthos in the aquatic ecosystem health assessment[J].Ecology and Environment,2008,17(6):2107-2111.(in Chinese))

[17] 霍堂斌,劉曼紅,姜作發,等.松花江干流大型底棲動物群落結構與水質生物評價[J].應用生態學報,2012,23(1):247-254.(HUO Tangbin,LIU Manhong,JIANG Zuofa,et al.Macrobenthos community structure of macrobenthos and bioassessment of water quality in main stream of Songhua River[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2012,23(1):247-254.(in Chinese))

Bioassessment of water quality using benthic macroinvertebrates in major rivers of Pearl River Basin

WANG Xutao1, XIE Zhao2, LIU Wei1, XU Sheng2

(1.ScientificInstituteofPearlRiverWaterResourcesProtection,Guangzhou510611,China;2.DepartmentofEntomology,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,China)

Abstract：Benthic macroinvertebrates and hydrochemical indices were collected from 66 sampling sites in the Pearl River Basin in the years 2011 and 2012. The benthic macroinvertebrate communities and hydrochemical indices from 11 sites of the Beijiang River and 17 sites of the Yujiang River in the year 2011 were investigated, and the integrated environmental factors (PC1 and PC2) were obtained through principle analysis. Based on analysis of the correlation between 36 candidate parameters and the environmental factors, and the distribution of the parameters, three indices applicable to bioassessment of the river ecosystem in the Pearl River Basin were determined, including the percentage of diptera taxa, the percentage of scrapers, and the biotic index (BI). Then, the integrated biotic index was determined and the grading scales were classified into non-pollution, slight pollution, moderate pollution, and heavy pollution categories. The assessment of integrated biotic indices from 66 sampling sites shows that the biological conditions of 80.3% of the rivers had the status of slight to moderate pollution, 13.6% of the rivers had the status of non-pollution, and 6% of the rivers had the status of heavy pollution in the Pearl River Basin. This study demonstrates the applicability of bioassessment of water quality in medium-and large-sized rivers of the Pearl River Basin using benthic macroinvertebrates.

Key words：benthic macroinvertebrate; integrated biotic index; bioassessment; Pearl River

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.03.018

基金項目:水利部公益性行業科研專項(201001021, 201301047)

作者簡介:王旭濤(1981—),男,工程師,碩士,主要從事水生態調查與評價研究。E-mail: awuhu@126.com

中圖分類號：X826

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)03-0094-05

(收稿日期：2015-05-20編輯：彭桃英)