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北江大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)及水質(zhì)的生物評(píng)價(jià)

2017-08-31 12:24:27黎征武毛建忠王旭濤鄧培雁
水資源保護(hù) 2017年4期
關(guān)鍵詞:物種水質(zhì)生物

曹 然,黎征武,毛建忠,盛 蕭,王旭濤, 鄧培雁

(1.華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院,廣東 廣州 510631; 2.云南省水文水資源局,云南 昆明 650106;3. 珠江流域水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心, 廣東 廣州 510611)

北江大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)及水質(zhì)的生物評(píng)價(jià)

曹 然1,黎征武1,毛建忠2,盛 蕭1,王旭濤3, 鄧培雁1

(1.華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院,廣東 廣州 510631; 2.云南省水文水資源局,云南 昆明 650106;3. 珠江流域水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心, 廣東 廣州 510611)

對(duì)北江25個(gè)采樣點(diǎn)的大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物進(jìn)行采樣調(diào)查,并根據(jù)大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)特征對(duì)水質(zhì)進(jìn)行生物評(píng)價(jià)。研究中共采集到大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物46屬,分別隸屬于15目31科,其中水生昆蟲(chóng)30屬,占65.22%;軟體動(dòng)物8屬,占17.39%;環(huán)節(jié)動(dòng)物6屬,占13.04%;甲殼動(dòng)物2屬,占4.35%。出現(xiàn)頻率最高的3個(gè)種屬分別為多足搖蚊屬(Polypedilum)、巴蛭屬(Barbronia)以及蘇氏尾鰓蚓(Branchiurasowerbyi)。應(yīng)用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Margalef多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、生物學(xué)污染指數(shù)BPI (biotic pollution index)、BI(biotic index)、FBI(family biotic index)、Goodnight-Whitley修正指數(shù)(GBI)7種生物指數(shù)對(duì)北江水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明:與20世紀(jì)80年代的評(píng)價(jià)結(jié)果相比,北江的大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物在種類(lèi)和數(shù)量等多方面均發(fā)生了較大的變化,生物多樣性減少,耐污種所占比例增加,水質(zhì)理化參數(shù)惡化;7種生物指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果存在一定的差異,部分指數(shù)之間存在較高的相關(guān)性,FBI指數(shù)和BPI指數(shù)的準(zhǔn)確性和科學(xué)性更強(qiáng),適用于北江水質(zhì)的生物評(píng)價(jià)。在25個(gè)采樣點(diǎn)中,6個(gè)采樣點(diǎn)水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為較差或極差,16個(gè)采樣點(diǎn)水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)為一般,3個(gè)采樣點(diǎn)水質(zhì)等級(jí)為良好,整體水質(zhì)屬于一般的水平。人類(lèi)活動(dòng)對(duì)河流的水質(zhì)狀況造成了一定的影響。從水質(zhì)生物學(xué)的角度衡量,北江水質(zhì)整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物;群落結(jié)構(gòu)特征;生物評(píng)價(jià);水質(zhì);北江

近年來(lái),生物評(píng)價(jià)法已成為河流健康評(píng)估中常用的一種重要方法[1]。大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物長(zhǎng)期生活在河流底部,是河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成成分,具有生活周期長(zhǎng)、遷移能力弱、地區(qū)性強(qiáng)等特點(diǎn)[2]。其對(duì)河流水質(zhì)的變化十分敏感[3],因此,以大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的生物評(píng)價(jià)指數(shù)能夠更加準(zhǔn)確地反映河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。

歐美發(fā)達(dá)國(guó)家在河流生物評(píng)價(jià)方面的研究開(kāi)展較早,現(xiàn)已提出數(shù)十種基于大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物的評(píng)價(jià)指數(shù)用于河流水質(zhì)評(píng)價(jià)[4-5],其評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性也已得到廣泛認(rèn)可。而我國(guó)在此方面的研究處于起步階段,在實(shí)際應(yīng)用中仍以國(guó)外成熟指數(shù)為基礎(chǔ)開(kāi)展評(píng)價(jià)工作。目前國(guó)內(nèi)外使用較為廣泛的指數(shù)有BMWP (biological monitoring working party)[6]、ASPT (average score per taxon)[7]、B-IBI (benthic index of biological integrity)[8]、BI (biotic index)[9]、FBI (family biotic index)[10]、MMI (multimetric macroinvertebrate index)[11]、BPI (biotic pollution index)[12]、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)[13]、Margalef多樣性指數(shù)[14]、Simpson多樣性指數(shù)[15]、Pielou均勻度指數(shù)[16]以及Goodnight-Whitley修正指數(shù)(GBI)[17]。不同指數(shù)的使用條件和適用范圍都有所不同,在進(jìn)行河流水質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí),應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)不同方法進(jìn)行比較,并選擇合適的指數(shù),以保證評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確可靠[18]。

目前針對(duì)北江水質(zhì)評(píng)價(jià)的研究較匱乏,難以對(duì)北江水質(zhì)及污染狀況做出合理評(píng)價(jià)。蘇炳之等[19]曾在1985年采用大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物指數(shù)對(duì)北江進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià),但年代久遠(yuǎn),評(píng)價(jià)選用的指數(shù)數(shù)量較少,評(píng)價(jià)結(jié)果可信度不足。筆者基于北江的大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物調(diào)查數(shù)據(jù)和水質(zhì)數(shù)據(jù),分析比較Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Margalef多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、BPI、BI、FBI、GBI 7種指數(shù)在北江水質(zhì)評(píng)價(jià)中的實(shí)際應(yīng)用效果,探究北江大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的變化情況和空間分布特征,以期為北江的水質(zhì)監(jiān)測(cè)提供科學(xué)可靠的生物評(píng)價(jià)結(jié)果,從而深入了解北江河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。

1 區(qū)域概況與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況與采樣點(diǎn)

北江發(fā)源于江西省信豐縣石碣大茅山,地跨江西、廣東兩省,是珠江流域的第二大水系。北江屬亞熱帶季風(fēng)型氣候,季風(fēng)影響顯著,陽(yáng)光充足,熱量豐富。集水面積52 068 km2,干流全長(zhǎng)573 km,一級(jí)支流包括墨江、錦江、武江、南水、滃江、連江、潖江、濱江和綏江等。基于北江各段地形地貌及污染源分布狀況,共設(shè)25個(gè)采樣點(diǎn),覆蓋北江干流及所有一級(jí)支流,采樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。

圖1 北江采樣點(diǎn)分布示意圖

1.2 樣品的采集、處理與分析

采樣在枯水期進(jìn)行,樣品采集參照國(guó)際通用的采樣方法,在每個(gè)采樣點(diǎn)水深小于1.5 m、長(zhǎng)度100 m的采樣區(qū)域內(nèi),選用直徑0.3 m、孔徑500 μm的D型尼龍紗網(wǎng)以掃網(wǎng)法采集大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物樣品,共采集長(zhǎng)度為10 m,總面積為3 m2的樣方。采樣時(shí),按樣點(diǎn)內(nèi)各種小生存環(huán)境(水草、靜水區(qū)、流水區(qū)及底質(zhì))出現(xiàn)比例分配小樣方數(shù)[20]。將D型網(wǎng)采集到的底泥樣本倒入水桶,輕輕攪動(dòng)使底棲動(dòng)物與底泥分離,過(guò)300 μm孔徑篩網(wǎng),重復(fù)上述步驟至水桶中目測(cè)無(wú)底棲動(dòng)物存在,再將篩得的底質(zhì)樣本倒入裝清水的白瓷盤(pán)仔細(xì)挑揀。采集到的大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物樣品裝入廣口瓶中,加體積分?jǐn)?shù)為8%的甲醛溶液固定保存后帶回實(shí)驗(yàn)室鏡檢計(jì)數(shù)。室內(nèi)鑒定時(shí),大部分物種鑒定至科或?qū)?少數(shù)根據(jù)相關(guān)資料鑒定至屬或種。

同時(shí)采集河流水樣,依據(jù)《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第4版)》[21],現(xiàn)場(chǎng)使用便攜式多參數(shù)水質(zhì)測(cè)量?jī)x(YSI)測(cè)定水溫、pH值、DO、BOD、CODMn、TN、NH3-N、TP 8項(xiàng)水質(zhì)理化指標(biāo)。

1.3 水質(zhì)生物評(píng)價(jià)方法

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)[22]、Margalef多樣性指數(shù)[23]、Pielou均勻度指數(shù)[16]、BPI[24]、BI[25]、FBI[26]、GBI[17]的計(jì)算公式分別為

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:H為Shannon-Wiener多樣性指數(shù)值;dM為Margalef多樣性指數(shù)值;J為Pielou均勻度指數(shù)值;IBP為BPI值;IB為BI值;IFB為FBI值;IGB為GBI值;N是樣本總個(gè)體數(shù);Ni為物種i的個(gè)體數(shù);Pi為物種i的個(gè)體數(shù)占樣本總個(gè)體數(shù)的比例;S為物種豐富度;N1為寡毛綱、蛭綱和搖蚊科個(gè)體總數(shù);N2為多毛綱、甲殼綱及除搖蚊科以外的其他水生昆蟲(chóng)的個(gè)體總數(shù);N3為軟體動(dòng)物門(mén)個(gè)體總數(shù);ti是物種i的耐污值;nj是科j的個(gè)體數(shù);Noil為樣本中寡毛綱個(gè)體總數(shù)。

1.4 評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合已有研究成果[15,18,27],7種大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物指數(shù)評(píng)價(jià)水質(zhì)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

7種大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物評(píng)價(jià)指數(shù)的正態(tài)性檢驗(yàn)利用K-S檢驗(yàn),其評(píng)價(jià)指數(shù)均符合正態(tài)分布,故采用Pearson相關(guān)性分析方法對(duì)指數(shù)間的相關(guān)性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。所有分析方法均利用SPSS 19. 0軟件操作完成。

表1 生物評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)與分布

2.1.1 物種組成

調(diào)查中采集到的底棲動(dòng)物共15目31科46屬,分別隸屬于節(jié)肢動(dòng)物門(mén)的昆蟲(chóng)綱和甲殼綱、軟體動(dòng)物門(mén)的腹足綱和瓣鰓綱以及環(huán)節(jié)動(dòng)物門(mén)的蛭綱和寡毛綱。其中,水生昆蟲(chóng)共6目17科30屬,占物種總數(shù)的65.22%;軟體動(dòng)物共4目8科8屬,占物種總數(shù)的17.39%;環(huán)節(jié)動(dòng)物3目4科6屬,占物種總數(shù)的13.04%;甲殼動(dòng)物2目2科2屬,占物種總數(shù)的4.35%。25個(gè)采樣點(diǎn)中,出現(xiàn)頻率最高的3個(gè)種屬分別為多足搖蚊屬(Polypedilum)、巴蛭屬(Barbronia)以及蘇氏尾鰓蚓(Branchiurasowerbyi)。

2.1.2 群落結(jié)構(gòu)

在物種組成方面,各采樣點(diǎn)的種群結(jié)構(gòu)特征也不盡相同。將所有物種歸為水生昆蟲(chóng)、環(huán)節(jié)動(dòng)物、軟體動(dòng)物和甲殼動(dòng)物4大類(lèi),北江各采樣點(diǎn)的大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)分布見(jiàn)圖2。其中,以水生昆蟲(chóng)為主的采樣點(diǎn)可達(dá)15個(gè),以環(huán)節(jié)動(dòng)物為主的采樣點(diǎn)有8個(gè)。由此可以看出,水生昆蟲(chóng)和環(huán)節(jié)動(dòng)物為北江底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)中的主要組成部分。

圖2 各采樣點(diǎn)大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)分布

2.1.3 數(shù)量變化

由調(diào)查結(jié)果可以看出,各采樣點(diǎn)的大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物個(gè)體總數(shù)存在較大的差異。在25個(gè)采樣點(diǎn)中,S10采樣點(diǎn)采集到的大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物數(shù)量最多,達(dá)到601只,其次是S21采樣點(diǎn)的367只,其余采樣點(diǎn)的大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物數(shù)量均在200只以下,最少的是S23、S24采樣點(diǎn),僅有11只。整體來(lái)看,大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物的個(gè)體總數(shù)從S1至S25采樣點(diǎn)呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì),具體分布見(jiàn)圖3。

表2 北江各采樣點(diǎn)水質(zhì)生物評(píng)價(jià)結(jié)果

圖3 各采樣點(diǎn)大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物個(gè)體總數(shù)分布

2.1.4 物種豐富度

北江各采樣點(diǎn)物種豐富度的分布見(jiàn)圖4。所有采樣點(diǎn)的平均物種豐富度為7種,最大值出現(xiàn)在S21采樣點(diǎn),為17種,最小值出現(xiàn)在S15、S16、S24 3個(gè)采樣點(diǎn),物種豐富度僅為3種。

圖4 各采樣點(diǎn)底棲動(dòng)物物種豐富度分布

2.2 水質(zhì)生物評(píng)價(jià)

各采樣點(diǎn)水質(zhì)生物評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)7種大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果,可以得到北江的水質(zhì)屬于一般的水平。25個(gè)采樣點(diǎn)中水質(zhì)等級(jí)為極差有2個(gè),水質(zhì)等級(jí)為較差有4個(gè),水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)為一般的采樣點(diǎn)有16個(gè),水質(zhì)等級(jí)為良好的采樣點(diǎn)有3個(gè),沒(méi)有水質(zhì)極佳的采樣點(diǎn)。

2.3 水質(zhì)理化指標(biāo)

水質(zhì)理化指標(biāo)能夠反映河流水質(zhì)的瞬時(shí)狀態(tài)。對(duì)北江的水質(zhì)理化指標(biāo)進(jìn)行分析,根據(jù)GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。可以看出,DO、BOD、CODMn3個(gè)理化指標(biāo)滿足Ⅰ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),而TP、NH3-N、TN 3個(gè)指標(biāo)分別滿足Ⅱ類(lèi)、Ⅲ類(lèi)和Ⅴ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),表明北江水體已受到氮、磷污染的影響。綜合各個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看,北江水質(zhì)基本滿足Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。北江各水質(zhì)理化指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值見(jiàn)表3。

表3 北江水質(zhì)理化指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值 mg/L

2.4 不同生物評(píng)價(jià)指數(shù)比較

所選的7種大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物指數(shù)對(duì)北江水質(zhì)的生物評(píng)價(jià)結(jié)果分布情況見(jiàn)圖5。雖然部分指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果分布存在相似之處,如BI和FBI等,但大部分指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果總體上仍有較大差異,對(duì)河流整體水質(zhì)的評(píng)價(jià)結(jié)果也不盡相同。如Shannon-Wiener指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果中占比重最大的等級(jí)為極差,Margalef指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果中占比重最大的等級(jí)為較差,FBI和BPI的評(píng)價(jià)結(jié)果中占比重最大的等級(jí)為一般,BI的評(píng)價(jià)結(jié)果中占比重最大的等級(jí)為良好,而Pielou均勻度指數(shù)和GBI的評(píng)價(jià)結(jié)果中占比重最大的等級(jí)為極佳。

圖5 不同生物評(píng)價(jià)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果分布

對(duì)7個(gè)指數(shù)分別成對(duì)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析,以定量描述不同指數(shù)間評(píng)價(jià)結(jié)果的相關(guān)性,分析結(jié)果見(jiàn)表4。其中,BI、FBI、GBI之間具有極高的相關(guān)性,Shannon-Wiener指數(shù)、Margalef指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)和BPI之間也均具有較高的相關(guān)性。除此之外,7個(gè)指數(shù)之間無(wú)其他顯著相關(guān)性。

表4 各生物評(píng)價(jià)指數(shù)之間的Pearson相關(guān)系數(shù)

注: **為p<0.01;*為p<0.05;相關(guān)系數(shù)大于0.4表示兩者具有顯著相關(guān)性。

在BI、FBI、GBI 3個(gè)指數(shù)中,GBI與BI和FBI呈顯著負(fù)相關(guān),而B(niǎo)I和FBI均以物種的耐污值為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算,總體呈顯著正相關(guān)。在Shannon-Wiener指數(shù)、Margalef指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)和BPI 4個(gè)指數(shù)中,BPI與其他3個(gè)指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān),而Shannon-Wiener指數(shù)與Margalef指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)之間則具有較高的正相關(guān)性,Margalef指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)也呈顯著正相關(guān),但相關(guān)性相對(duì)較弱。

3 討 論

大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物在種類(lèi)、數(shù)量等方面的變化是河流生態(tài)健康狀況的重要指標(biāo),其群落結(jié)構(gòu)能夠反映出人類(lèi)活動(dòng)對(duì)環(huán)境造成的負(fù)面影響[28]。北江的底棲動(dòng)物以水生昆蟲(chóng)為主要類(lèi)群,軟體動(dòng)物也占據(jù)較高的比例。搖蚊科、顫蚓科以及蛭綱的底棲動(dòng)物出現(xiàn)頻率較高,在大部分采樣點(diǎn)均有出現(xiàn)。搖蚊科和顫蚓科的物種均為典型的耐污種,對(duì)有機(jī)污染有較強(qiáng)的耐受能力,這表明北江各采樣點(diǎn)均已受到不同程度的污染。在物種多樣性方面,北江的平均物種豐富度僅為7種,處于一個(gè)較低的水平,體現(xiàn)出北江的河流生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差,容易受到人類(lèi)活動(dòng)和環(huán)境變化的干擾。蘇炳之等[19,29]曾在20世紀(jì)80年代對(duì)北江底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查,并對(duì)北江水質(zhì)做了初步評(píng)價(jià),他們?cè)诒苯?個(gè)采樣點(diǎn)共采集到底棲動(dòng)物73屬85種,其中河蜆、淡水殼菜、日本沼蝦、中華圓田螺等物種為優(yōu)勢(shì)種,評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,當(dāng)時(shí)的北江已經(jīng)受到了一定程度的污染,并對(duì)底棲動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)造成了影響。相比之下,筆者采集到的物種類(lèi)別有所減少,物種多樣性水平降低,顫蚓、搖蚊等耐污種所占的比例增加,表明北江受到有機(jī)污染的影響加劇,北江水質(zhì)呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì)。

綜合比較其他學(xué)者在東江[12]、秦淮河[20]、松花江[15]、上海世博園后灘濕地[30]、湖北省大型湖泊[31]等國(guó)內(nèi)多個(gè)地區(qū)各類(lèi)水體的相關(guān)研究成果,可以發(fā)現(xiàn),不同地區(qū)的底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)與水體水質(zhì)之間的響應(yīng)關(guān)系也存在諸多相似之處。不同種屬的底棲動(dòng)物對(duì)各種污染物的耐受能力和敏感程度均不相同,特定種群在數(shù)量、類(lèi)別方面的變化及出現(xiàn)頻率的差異與水質(zhì)等級(jí)之間聯(lián)系密切。在各類(lèi)水體中,水生昆蟲(chóng)在種類(lèi)和數(shù)量上優(yōu)勢(shì)明顯,但多數(shù)昆蟲(chóng)綱生物對(duì)水質(zhì)優(yōu)劣的指示作用并不顯著,僅以搖蚊科生物作為各類(lèi)污染水體中的優(yōu)勢(shì)類(lèi)群,對(duì)有機(jī)污染有較強(qiáng)的指示性。以寡毛綱為代表的軟體動(dòng)物雖然在底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)中僅占據(jù)很小的比例,但該類(lèi)群的底棲動(dòng)物耐污性強(qiáng),常常成為污染水體的優(yōu)勢(shì)物種。在對(duì)湖北省大型湖泊底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn),軟體動(dòng)物作為優(yōu)勢(shì)物種經(jīng)常出現(xiàn)在面積較大的湖泊中,且物種類(lèi)別豐富,而搖蚊幼蟲(chóng)和寡毛綱生物則多為小型湖泊的優(yōu)勢(shì)種,其物種數(shù)也相對(duì)較少[31]。分析表明,水體有機(jī)污染加劇對(duì)河流、湖泊的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)會(huì)造成影響,水體DO、有機(jī)物濃度等指標(biāo)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變[32],這使得水體中的優(yōu)勢(shì)生物類(lèi)群逐漸向寡毛綱、搖蚊科等適應(yīng)能力更強(qiáng)的物種轉(zhuǎn)變,物種多樣性水平也大幅降低。因此,進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí),在使用水質(zhì)理化指標(biāo)和生物評(píng)價(jià)指數(shù)的基礎(chǔ)上,可以同時(shí)參考底棲動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)組成和物種豐富度進(jìn)行分析,能夠幫助研究者對(duì)各類(lèi)水體的水質(zhì)狀況有更加全面、科學(xué)的認(rèn)知。

通過(guò)不同水質(zhì)理化指標(biāo)對(duì)北江水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)的結(jié)果表明,北江水質(zhì)已受到氮、磷污染的影響,出現(xiàn)了水體富營(yíng)養(yǎng)化的現(xiàn)象。從水質(zhì)等級(jí)的評(píng)定結(jié)果來(lái)看,生物評(píng)價(jià)指數(shù)和水質(zhì)理化指標(biāo)對(duì)北江水質(zhì)的評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致。比較而言,兩種方法在本質(zhì)上仍存在著一定的差異。水質(zhì)理化指標(biāo)在水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用已較為成熟,其評(píng)價(jià)結(jié)果精確度高,易于量化,可以通過(guò)建立統(tǒng)一的水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同水體的水質(zhì)進(jìn)行比較和管理[33]。但水質(zhì)理化指標(biāo)具有較強(qiáng)的隨機(jī)性,一次采樣僅能代表該時(shí)段的瞬時(shí)水質(zhì),其評(píng)價(jià)結(jié)果的代表性和科學(xué)性需要進(jìn)一步驗(yàn)證。生物評(píng)價(jià)注重水質(zhì)對(duì)水生生物和河流生態(tài)系統(tǒng)的影響,能夠體現(xiàn)污染物在較長(zhǎng)時(shí)段內(nèi)對(duì)河流水質(zhì)的累積影響,評(píng)價(jià)結(jié)果更為準(zhǔn)確和科學(xué)。而生物評(píng)價(jià)也存在一定的不足,其評(píng)價(jià)結(jié)果更傾向于定性描述水質(zhì)狀況,難以給出定量分析。因此,在實(shí)際應(yīng)用中,可將兩種方法結(jié)合使用,優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),能夠提高評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性和可靠性,系統(tǒng)、全面地評(píng)價(jià)河流水質(zhì)狀況。

采用大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物評(píng)價(jià)指數(shù)評(píng)價(jià)河流水質(zhì)時(shí),選用的指數(shù)不同,得到的評(píng)價(jià)結(jié)果往往存在一定的差異。筆者選擇了7種國(guó)內(nèi)外常用的生物評(píng)價(jià)指數(shù)分別對(duì)北江水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià),綜合評(píng)價(jià)結(jié)果認(rèn)為北江的水質(zhì)屬于一般的水平。根據(jù)各個(gè)指數(shù)的單一評(píng)價(jià)結(jié)果也可以看出,北江的物種多樣性水平較低,耐污種在底棲動(dòng)物群落中占據(jù)一定優(yōu)勢(shì)。該結(jié)果與通過(guò)底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的變化特征推斷得到的水質(zhì)等級(jí)基本一致。

由于生物評(píng)價(jià)指數(shù)構(gòu)建的基礎(chǔ)依據(jù)和計(jì)算原理不同,所選用的7種指數(shù)得到的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果存在一定程度上的不同。由相關(guān)性分析可以看出,Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Margalef多樣性指數(shù)以及Pielou均勻度指數(shù)以群落結(jié)構(gòu)和物種豐富度為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算,3個(gè)指數(shù)之間具有較高的相關(guān)性,其評(píng)價(jià)結(jié)果主要反映的是河流生態(tài)系統(tǒng)在物種多樣性方面的好壞程度,并未考慮不同物種耐污能力、敏感性的差異以及群落結(jié)構(gòu)中耐污種和清潔種的比例變化,對(duì)水質(zhì)的變化沒(méi)有直觀的反映,在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)與其他類(lèi)別的生物指數(shù)相結(jié)合,綜合評(píng)價(jià)河流水質(zhì)及健康狀況。BI和FBI之間具有極高的相關(guān)性,2個(gè)指數(shù)以底棲動(dòng)物對(duì)河流污染狀況的耐受程度為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算,同時(shí)考慮了物種多樣性和不同生物耐污能力的差異,對(duì)河流水質(zhì)的評(píng)價(jià)更為準(zhǔn)確和科學(xué)。且相比BI而言,FBI對(duì)物種類(lèi)別的劃分更加細(xì)致,其評(píng)價(jià)結(jié)果與真實(shí)水平也更為接近,可信度相對(duì)較高。GBI的計(jì)算主要考慮寡毛綱生物的物種分布,而在北江的底棲動(dòng)物群落中,水生昆蟲(chóng)在種類(lèi)上和數(shù)量上均占據(jù)著較大優(yōu)勢(shì),由于北江部分河段的生境不適合寡毛綱生物的生存,寡毛綱生物的分布受到一定影響,在多個(gè)采樣點(diǎn)分布極少或未曾出現(xiàn),因此GBI的評(píng)價(jià)結(jié)果也受到一定影響,準(zhǔn)確性存在一定偏差。BPI則綜合考慮了不同物種的影響,同時(shí)對(duì)物種類(lèi)別和耐污能力均予以考量,評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性也得到了提高。總體來(lái)看,FBI和BPI更加適用于北江的水質(zhì)生物評(píng)價(jià)。

利用大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物指數(shù)進(jìn)行水質(zhì)生物評(píng)價(jià)也有其局限性。BI、FBI等在計(jì)算時(shí)使用物種耐污值作為依據(jù),但我國(guó)在物種耐污值方面的研究長(zhǎng)期處于落后的水平,對(duì)于局部地區(qū)耐污值的研究?jī)H見(jiàn)王備新等[34]對(duì)我國(guó)東部地區(qū)、王建國(guó)等[35]對(duì)廬山地區(qū)、邢樹(shù)威等[36]對(duì)遼寧地區(qū)、趙瑞等[37]對(duì)遼河流域等相關(guān)研究工作,針對(duì)其他江河流域進(jìn)行水質(zhì)生物評(píng)價(jià)時(shí)需要參考國(guó)內(nèi)外其他地區(qū)相關(guān)研究的耐污值數(shù)據(jù)。由于地理位置和生活環(huán)境的不同以及人類(lèi)活動(dòng)的影響,物種耐污值在不同地區(qū)之間均存在一定差異,這會(huì)對(duì)河流水質(zhì)生物評(píng)價(jià)的最終結(jié)果造成很大的影響,評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性也需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

對(duì)北江的25個(gè)采樣點(diǎn)的大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物的生物評(píng)價(jià)的結(jié)果表明,北江水質(zhì)整體水平一般,物種多樣性水平相對(duì)較低,底棲動(dòng)物以多足搖蚊屬、巴蛭屬以及蘇氏尾鰓蚓為主。Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Margalef多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、BPI、BI、FBI、GBI 7種生物評(píng)價(jià)指數(shù)中,FBI和BPI的準(zhǔn)確性和科學(xué)性更強(qiáng),適用于北江水質(zhì)的生物評(píng)價(jià)。與20世紀(jì)80年代的評(píng)價(jià)結(jié)果相比,耐污種所占的比例增加,北江的水質(zhì)整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

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Benthic macroinvertebrate community structure and bioassessment of water quality of Beijiang River

CAO Ran1, LI Zhengwu1, MAO Jianzhong2, SHENG Xiao1, WANG Xutao3, DENG Peiyan1(1.SchoolofChemistryandEnvironment,SouthChinaNormalUniversity,Guangzhou510631,China;

2.HydrologyandWaterResourcesBureauofYunnanProvince,Kunming650106,China;3.PearlRiverWaterEnvironmentMonitoringCenter,Guangzhou510611,China)

Water quality bioassessment was conducted based on the community structure of benthic macroinvertebrates investigated at 25 sampling sites in the Beijiang River. In this study, 46 genera of macroinvertebrates belonging to 31 families and 15 orders were identified, among which aquatic insects (30 genera), mollusks (eight genera), annelids (six genera), and crustaceans (two genera) accounted for 65.22%, 17.39%, 13.04%, and 4.35% of the total, respectively.Polypedilum,Barbronia, andBranchiurasowerbyiwere the dominant species among all the benthic macroinvertebrates. The Shannon-Wiener index, Margalef index, Pielou index, biotic pollution index (BPI), biotic index (BI), family biotic index (FBI), and Goodnight-Whitley modified index (GBI) were used to comprehensively evaluate the water quality of the Beijiang River. The results show that the variety and the number of macroinvertebrates during the study period had changed remarkably compared with those in the 1980s. The biodiversity had decreased, the proportion of pollution-tolerant species had increased, and the water quality had deteriorated according to physical and chemical parameters. The evaluation results of the seven biological indices showed a certain difference. Some of the indices had significant correlations between each other. The BPI and FBI indices were more adaptable to the water quality bioassessment of the Beijiang River due to their accuracy and rationality. The water quality was at low or extremely low levels at six sites, at moderate levels at 16 sites, and at high levels at three sites, indicating that the water quality at all the 25 sites was at a moderate level on the whole. Human activities had some influence on the water quality of the river. The overall water quality of the Beijiang River showed a downward trend based on water quality bioassessment.

benthic macroinvertebrates; community structure features; biological assessment; water quality; Beijiang River

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.04.013

廣東省水利科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2014-16)

曹然(1993—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)榄h(huán)境生態(tài)學(xué)。E-mail: ryan.cao@foxmail.com

鄧培雁,教授,博士。E-mail: dpy213@126.com

X826

A

1004-6933(2017)04-0080-08

2016-09-10 編輯:王 芳)

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