基于大型底棲動物群落生物指數的清河水環境模糊綜合評價

陳佳勃，趙瑞辰，王艷杰*，李法云，3

（1.遼寧石油化工大學生態環境研究院，遼寧 撫順 113001；2.遼寧石油化工大學化學化工與環境學部，遼寧 撫順 113001；3.湖南農業大學資源環境學院，長沙 410128）

人類活動對河流生態系統的影響越來越大，因此能夠通過適宜的監測和評估方法對河流質量進行評價是非常重要的，有利于在了解河流狀態的基礎上對河流進行保護和管理[1]。大型底棲動物在河流生態系統功能中起著關鍵作用，是能量流動和物質循環過程中的主要環節之一，也是歐洲水框架指令中評估河流生態狀況的重要水生生物類群之一[2]。大型底棲動物主要生活在河流底質中，具有移動能力差、生活范圍廣及生活史相對較長等特點，與水質理化指標相比，能夠更持續地反映長時間段的河流水質理化特征及物理生境的變化，因此，利用大型底棲動物進行河流水環境評價，可以降低水質理化指標的監測頻次，同時達到綜合體現一個時期河流水環境狀況的目的[3-4]。

河流水質生物評價通常以研究區域的生物群落特征為基礎，通過生物指數的計算與等級劃分來評價河流水質狀態[5-8]，基于大型底棲動物的生物評價指數主要包括Shannon-Wiener多樣性指數、Margalef豐富度指數、Simpson多樣性指數、Pielou均勻度指數、FBI（Family biotic index）指數、BPI（Biotic pollution in?dex）生物學污染指數、Goodnight-Whitley修正指數和敏感性指數等[9-11]。通常根據研究區域類型選擇幾種代表性生物指數進行水質生物評價，一般要包含體現大型底棲動物群落結構特征、多樣性以及物種耐污程度的生物指數[12-13]。由于不同指數的量綱以及考慮的側重點不同，通常在評價結果上存在差異，為了改善這種情況，可以采用一些處理或分析方法，將不同指數綜合分析，進行水質生物評價。模糊綜合評價法以選定的參數作為評價因子，根據分級標準通過模糊矩陣建立、評價因子權重和歸一化處理、矩陣運算得到不同等級的隸屬度，再根據最大隸屬度原則得到模糊綜合評價結果[14]。池仕運等[15]運用綜合生物指數法和模糊綜合評價法對沙潁河進行水質生物學評價，通過對比分析，模糊綜合評價法的評價結果更為合理。本研究中，根據清河流域的特點，從大型底棲動物群落結構組成、多樣性、耐污性3個方面選擇6個生物指數（Shannon-Wiener多樣性指數、Margalef豐富度指數、Simpson多樣性指數、Pielou均勻度指數、FBI指數和敏感性指數）作為評價因子，運用模糊綜合評價法對清河流域枯水期和豐水期的水環境狀況進行生物評價，將模糊綜合評價法與河流水質生物評價相結合，以符合流域特征的大型底棲動物生物指數為基礎，進行綜合量化計算與分析，計算過程與數據結果更加客觀，既能直觀地反映河流水質狀況，又可避免單一生物指數評價中因側重點不同對評價結果產生的影響，從而為流域水生態保護和管理提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究區域清河位于遼寧省東北部，是遼河的一級支流，流域面積5 674.28 km2，河流長度217 km。清河流域屬溫帶季風氣候，最大平均降水量和河流流量在8月，旱季從11月一直持續到3月（秋冬季節），區域內年均降雨量692 mm，年均氣溫6.5℃。清河流域地勢以丘陵和山地為主，植被覆蓋度相對較高，區域內有兩個水庫，清河水庫和南城子水庫，河流包括清河及主要支流寇河、碾盤河、馬仲河等，除森林植被外，還包含農業用地。本研究在清河流域布設16個采樣點（圖1），在2011年5月（枯水期）和8月（豐水期）進行大型底棲動物調查。

1.2 大型底棲動物樣品采集

在清河的16個采樣點分別使用索伯網（40 cm×40 cm，425 μm）采集大型底棲動物樣品，綜合考慮河流底質類型、底質粒徑、河流流速、水深等主要因素，每個采樣點選擇3個典型的微生境進行樣品采集，將索伯網置于選好的位置，下邊框固定在河流水底，挑選索伯網下邊框內的石塊置于桶內并洗凈，然后攪動邊框內底質，使大型底棲動物順流進入索伯網中，然后將網內的生物清洗到采樣桶內，過40目篩，加70%的乙醇溶液保存在500 mL塑料瓶中。將采集的樣品進行分揀，參考相關資料在解剖鏡和顯微鏡下鑒定[16-17]。

圖1 清河流域采樣點分布圖Figure 1 Sampling sites in Qing River basin

1.3 數據處理

將大型底棲動物基礎數據進行整理和計算，得到清河流域各采樣點的大型底棲動物物種豐度、生物密度以及6個生物指數。

Shannon-Wiener多樣性指數（H′）：

式中：S為物種豐度；Pi為第i種個體數占樣品總個體數N的比例。

式中：ni為第 i科的個體數；ti為第 i科的耐污值[18]。

敏感性指數（I）：

式中：ni為第i種的個體數；NI為敏感性種類的種數，耐污值≤3[19]。

采用Mann-Whitney U檢驗法對不同水期的大型底棲動物生物指數進行差異性檢驗。運用模糊綜合評價法對水質污染狀態進行評價，以大型底棲動物生物指數為評價因子建立因子集合評價集，再確立單因素隸屬函數，構建模糊矩陣R和評價因子權重矩陣A，經過矩陣運算得到模糊綜合評價矩陣B（B=A×R），并根據最大隸屬度原則確定水質污染狀態。大型底棲動物群落特征和生物指數分析、Mann-Whitney U檢驗和矩陣計算在Origin、SPSS和Excel中完成。

2 結果與討論

2.1 清河大型底棲動物群落結構特征

清河流域共采集到大型底棲動物57類，隸屬于3門4綱32科，枯水期共采集大型底棲動物40種，豐水期50種。所采集的大型底棲動物中水生昆蟲比例較大，占底棲動物總數84.2%，豐水期水生昆蟲比例比枯水期高4.15%。豐水期蜉蝣目和毛翅目的生物種類及所占百分比增加，雙翅目比例相對降低。枯水期優勢生物類群主要為雙翅目搖蚊科（Chironomidae），豐水期優勢類群發生變化，蜉蝣目的四節蜉科（Baeti?dae）、扁蜉科（Heptageniidae）、二尾蜉科（Siphluridae）和毛翅目的紋石蛾科（Hydropsychidae）、沼石蛾科（Limnephilidae）百分比增大，搖蚊科（Chironomidae）的優勢度降低。

大型底棲動物物種豐度是指一個群落或生境中采樣面積內的生物物種數，是衡量生物群落整體特征的主要參數，物種豐度的變化能夠反映環境條件的影響。生物密度指單位面積內的大型底棲動物個體總數，單位為個·m-2。清河流域不同采樣點位枯水期和豐水期大型底棲動物物種豐度及生物密度變化見圖2和圖3。枯水期大型底棲動物物種豐度最高值和最低值分別為24和6，出現在S15和S14點位，枯水期各點位物種豐度均值為13。豐水期物種豐度最高值和最低值分別為35和7，出現在S9和S5點位，枯水期各點位物種豐度均值為17。枯水期和豐水期大型底棲動物物種豐度無顯著性差異（Z=-1.551，P=0.121）。除S1、S3和S5外，其他各點位豐水期物種豐度均大于枯水期。枯水期大型底棲動物生物密度最高值和最低值分別為1402個·m-2和58個·m-2，枯水期各點位間生物密度差異較大。豐水期大型底棲動物生物密度最高值和最低值分別為928個·m-2和229個·m-2，與枯水期相比，豐水期各點位間生物密度差異變小。枯水期和豐水期大型底棲動物生物密度均值分別為518個·m-2和494個·m-2，兩水期無顯著性差異（Z=-0.452，P=0.651）。

2.2 不同水期清河流域大型底棲動物多樣性變化

通過計算清河流域枯水期和豐水期的6個生物指數，分析研究區域不同水期的大型底棲動物變化特征見圖4。枯水期大型底棲動物Shannon-Wiener多樣性指數平均值為1.81±0.40，最大值與最小值相差1.21。豐水期大型底棲動物Shannon-Wiener多樣性指數平均值為2.23±0.24，最大值與最小值相差1.01。枯水期和豐水期大型底棲動物Shannon-Wiener多樣性呈顯著性差異（Z=-2.809，P=0.005），其中枯水期不同點位的大型底棲動物Shannon-Wiener多樣性差異相對較大。枯水期和豐水期大型底棲動物Margalef豐富度指數平均值分別為2.14±0.52和2.79±0.77，豐水期各點位豐富度最大值與最小值相差較大，差值為2.55，枯水期差值為1.90，兩水期之間大型底棲動物Margalef豐富度差異顯著（Z=-2.356，P=0.018）。枯水期大型底棲動物Simpson多樣性指數平均值為3.54±1.30，低于豐水期的Simpson多樣性（3.67±1.21），枯水期和豐水期Simpson多樣性最大值與最小值差值相差較小，分別為3.80和3.81，兩水期之間Simpson多樣性無顯著性差異（Z=-0.547，P=0.585）。枯水期和豐水期大型底棲動物Pielou均勻度指數平均值相差較小，分別為0.67±0.14和0.64±0.07，枯水期最大值與最小值相差0.46，豐水期相差0.27。兩水期大型底棲動物Pielou均勻度差異不顯著（Z=-0.604，P=0.546）。大型底棲動物FBI指數均值表現為枯水期（5.86±0.34）大于豐水期（5.70±0.74），枯水期和豐水期最大、最小FBI差值分別為1.30和2.46。兩水期FBI指數差異不顯著（Z=-0.999，P=0.318）。枯水期大型底棲動物敏感性指數平均值為7.87±3.98，最大值與最小值相差11.50，豐水期敏感性指數平均值（27.16±19.60）和最大值與最小值差值（51.21）明顯大于枯水期，兩水期呈顯著性差異（Z=-3.58，P=0.001）。

圖2 清河流域枯水期與豐水期大型底棲動物物種豐度Figure 2 Species abundance of macroinvertebrates in dry and wet season of Qing River basin

圖3 清河流域枯水期與豐水期大型底棲動物生物密度Figure 3 Macroinvertebrates density in dry and wet season of Qing River basin

圖4 清河流域大型底棲動物生物指數特征Figure 4 Characteristics of macroinvertebrate community indices in Qing River basin

2.3 清河流域模糊數學綜合評價

大型底棲動物Shannon-Wiener多樣性指數、Mar?galef豐富度指數、Simpson多樣性指數、Pielou均勻度指數、FBI指數、敏感性指數6個生物指數的評價等級分為4級（表1）。根據各評價因子分級標準和實際值，得出其在不同等級的隸屬度，組成模糊矩陣R，再通過超標加權法計算各指標的權重，經過歸一化處理得到權重矩陣A，將R和A進行運算得到綜合評價結果[20]。

表1 大型底棲動物生物指數評價標準Table 1 Grading standards of benthic macroinvertebrates indices

通過對枯水期6個生物指數評價因子的模糊矩陣建立以及權重矩陣的運算，得到了各點位在清潔、輕度污染、中度污染和重度污染4個水質等級的隸屬度，經過隸屬度比較得到模糊綜合評價結果（表2）。枯水期水體呈清潔狀態的點位為S9和S15，所占比例為12.5%，其中S9位于清河上游源頭附近，河流生境、水質條件優越，卵石底質，為敏感性和耐污值低的大型底棲動物類群生存提供了適宜條件，S15位于清河二級支流葉赫河的南城子水庫下游，該點位植被覆蓋度較高，河岸緩沖帶距離大，人類活動影響小，有利于大型底棲動物生存，物種多樣性及豐富度相對較高，敏感性生物類群比例較大，經過矩陣建立與隸屬度計算，該點位在清潔等級的隸屬度較大。水體呈輕度污染狀態的點位為S6和S8，占所有采樣點的12.5%，分別位于清河支流寇河和碾盤河，兩個點位均位于人居區上游，水質及生境狀況較好，大型底棲動物群落多樣性較高，相對于清潔點，敏感性指數分別降低3.73%和1.42%。枯水期呈中度污染狀態的采樣點位有12個，占總體樣點的75%，枯水期時河流水量較小，部分村落和農田附近存在生活垃圾、畜禽糞便散落和堆放的現象，對河流水質影響較大，耐污值較低的生物類群比例降低或消失。枯水期S1～S5、S7、S10～S14和S16點位處于中度污染狀態，其中S1、S2～S5和S14位于昌圖縣、西豐縣和開原市附近，來自城市及周邊區域的廢水、生活垃圾及污水等對河流水質影響較大。S7、S10～S13和S16周邊以農業為主，枯水期河流水量較小，河岸帶植被剛開始生長，不能起到緩沖和攔截作用，散落在河道附近的生活垃圾、畜禽糞便及農業耕種前的堆肥等物質進入河流中[31]，影響水質，對大型底棲動物敏感類群影響較大，導致枯水期敏感性指數較低，這也成為制約模糊綜合評價結果的重要因子。一段時間內河流水環境條件的變化影響大型底棲動物的群落特征，同時也能夠通過生物的變化來反映階段性水環境狀況，實現水質生物學評價[32-34]。

表2 枯水期不同點位水體污染狀態的隸屬度和模糊綜合評價Table 2 Membership degrees and fuzzy comprehensive evaluation of water pollution at different sites in dry season

清河流域豐水期的水體污染狀態（表3）與枯水期相比變化較大，其中清潔狀態點位有3個，除S9和S15點位外，又增加了S6，占總體樣點的比例提高到18.75%，清潔點主要位于清河及支流寇河上游和南城子水庫附近，采樣點的生境條件較好，河流底質以卵石為主，河岸帶植被豐富，河流中具備一定的水生植物和河岸帶植被的枯落物，有利于大型底棲動物覓食，河水流速和深度適中，使得水中溶解氧含量豐富，為大型底棲動物，尤其是耐污值較低、敏感型生物種類的生存提供適宜條件[35]。豐水期輕度污染狀態的點位增幅較大，由枯水期的2個點位增加到7個點位，所占比例也達到43.75%。輕度污染樣點主要位于清河支流上游和清河水庫的入庫河流，豐水期河流水量增大，使得河水覆蓋部分的底質比例增加，為大型底棲動物提供了更多的生存空間[35]，同時，豐水期水生植物及河岸帶周圍植物生長更加茂盛，有利于增加大型底棲動物的種類和數量。與枯水期相比，豐水期中度污染點位所占百分比下降37.5%，其中S7、S10～S13和S16由枯水期的中度污染變成輕度污染狀態，這些點主要位于清河干流和支流中上游，豐水期河流水量增大，河岸帶植被及水生植物長勢良好，能夠有效攔截和凈化進入河流的污染物，對河流水質起到保護作用。S1～S5、S14位于清河支流馬仲河、寇河和清河水庫下游，枯水期和豐水期都呈中度污染狀態，其中S1在馬仲河下游，有來自于昌圖縣及附近村鎮的廢水，S5點在西豐縣下游，河流水質受到污水和廢棄物的影響，S2～S4在寇河S5的下游，其生境條件受到挖沙和鄉鎮生活污水影響較大，S14在水庫下游，距離開原市較近，河道的生境適宜性降低，進而也影響大型底棲動物物種組成，使FBI指數增大和敏感性指數降低，在模糊綜合評價中權重和隸屬度較大，水質呈中度污染狀態。水環境受到人類活動的直接或間接影響[36]。城鄉生活污水排放、垃圾的無序堆放、畜禽養殖、農藥及化肥的施用、挖沙等對河流水環境造成一定影響，使水中污染物、氮、磷等增加，挖沙會導致水體渾濁，影響具鰓生物的呼吸[37-38]。采用模糊綜合評價法對水體污染或健康狀態進行評價，將多個水質指標、生物指標或水生態健康評價指標進行轉化和計算，最終得到綜合性的隸屬度值，評價結果更客觀全面，能夠有效克服單因子評價和主觀分析方法的不足[15，39-40]。伍名群[39]采用熵權法賦權對清水江流域水質進行模糊綜合評價，充分考慮了多樣本間的聯系并削弱異常值的影響，評價結果更合理。池仕運等[15]采用綜合生物指數法和模糊綜合評價法以大型底棲動物生物指數為基礎對沙潁河干流進行水質生物學評價，通過對比分析發現，模糊綜合評價法強化了指標實測值與水質污染程度隸屬度的函數量化關系，使評價結果更符合實際情況。

表3 豐水期不同點位水體污染狀態的隸屬度和模糊綜合評價Table 3 Membership degrees and fuzzy comprehensive evaluation of water pollution at different sites in wet season

3 結論

（1）清河流域豐水期大型底棲動物物種豐度均值高于枯水期，生物密度為枯水期大于豐水期，兩水期之間物種豐度和生物密度無顯著性差異，優勢生物種類不同。

（2）大型底棲動物Shannon-Wiener多樣性、Mar?galef豐富度和敏感性指數在枯水期和豐水期之間變化較大，差異顯著。清河及主要支流上游生物多樣性較高且敏感性類群比例較大，下游、鄉鎮及城區附近的生物類群多樣性降低，耐污值高的生物比例增加。

（3）模糊綜合評價結果表明，清河枯水期水體呈清潔、輕度污染和中度污染的樣點比例分別為12.5%、12.5%和75%。豐水期水體呈清潔（18.75%）和輕度污染（43.75%）狀態的樣點增加，中度污染（37.5%）狀態的比例降低。清河干流及支流上游點位水環境狀況相對較好，明顯優于城區、鄉鎮等人居區及下游區域。