貓跳河流域底棲動物群落結構與水質生物評價

馬 卓 犖，凌 耀 忠，黃 文 達

(1.中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣東 廣州 510610； 2.水利部珠江水利委員會 水生態工程中心，廣東 廣州 510610)

0 引 言

底棲動物尤其是大型底棲動物對環境反應敏感且易于調查，因此常常被作為指示物種進行水質生物評價和河流健康評價。發達國家對利用底棲動物進行水質生物評價的研究開展較早，并建立了一系列以底棲動物為指示物種的評價體系，如美國的生物完整性指數(Index of Biological Integrity，IBI)[1]、快速生物監測規程(Rapid Bioassessment Protocols，RBPs)[2]，英國的河流無脊椎動物預測和分類計劃(River Invertebrate Prediction and Classification System，RIVPACS)[3]，澳大利亞的溪流狀態指數(Index of Stream Condition，ISC)[4]等。這些評價指標及標準的建立，使得利用底棲動物群落結構對水環境進行評價有了科學依據。

中國也開展了對底棲動物的群落結構及影響因素的相關研究[5-7]。其中，有部分研究借鑒國外經驗，用底棲動物作為指示物種來評價河流水質受污染程度[8-9]，同時積極探索相關評價方法、指標及標準在國內的應用[10]。目前，國內應用于底棲動物水質生物評價的方法較多，如個體密度和生物量[11]、Shannon-Wiener指數[8，12]、BMWP指數[13-14]、底棲動物完整性指數(B-IBI)[15-16]、Goodnight生物指數及Wright指數[17]等，這些方法和指標考慮了中國水系和生物特點，對于中國水質生物評價工作具有較強的指導意義。

盡管基于底棲動物群落結構的水質生物評價工作已廣泛開展，但由于中國幅員遼闊，已開展相關工作的河流只是少部分，大部分流域尤其是欠發達地區的小流域尚未覆蓋到。本文所研究的貓跳河發源于安順市西秀區，在貴陽市修文縣匯入烏江，是烏江的一級支流、長江的二級支流，流域總面積3 246 km2，總河長179 km，干流上已建成紅楓湖、百花湖兩個大型水庫。近年來隨著流域內開發活動增強，貓跳河越來越多地受到水環境污染威脅。為摸清貓跳河流域水生態環境狀況，本研究用底棲動物作為指示物種，對貓跳河水污染狀況進行評價，以期為貓跳河流域綜合管理策略的制定與實踐提供理論基礎和科學依據。另外，貓跳河是長江水系的重要組成部分，詳細調研其生態環境現狀可為更廣闊流域的水生態保護與修復工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 采樣地點及時間

為全面科學評價貓跳河流域的底棲動物群落，采樣地點覆蓋了貓跳河的干流及7條一級支流，共設置了38個調查位點(見圖1)。采樣時間為2019年8月。

圖1 貓跳河流域調查位點分布Fig.1 Distribution of sampling site in Maotiao River Basin

1.2 樣品采集方法

在所選定采樣位點的100 m范圍之內，使用口徑為25 cm×25 cm的D型抄網(60目)，隨機采集水草區、急流區、緩流區的樣本。在現場經過60目篩網過篩沖洗，將網內所有采集物裝入聚乙烯封口袋，加入10%福爾馬林溶液固定后帶回實驗室進行種類鑒定、計數、稱重和個體大小的測量[18]。

1.3 數據處理及分析

1.3.1鑒 定

鑒定工作在顯微鏡和解剖鏡下完成，底棲動物標本一般鑒定到種或屬，部分鑒定到科。底棲動物的分類鑒定主要參考資料包括AquaticOligochaetaoftheWorld[19]、AquaticInsectsofChinaUsefulForMonitoringWaterQuality[20]、IdentificationManualfortheLarvalChironomidae(Diptera)ofNorthandSouthCarolina[21]以及《中國小蚓類研究》[22]《中國經濟動物志：淡水軟體動物》[23]《中國動物志：軟體動物門，雙殼綱》[24]《中國動物志：環節動物門，蛭綱》[25]等。

1.3.2優勢度

優勢度計算公式如下：

(1)

式中：Y為優勢度指數，ni為第i種底棲動物個體數，N為底棲動物總個體數，fi為該物種在各個位點出現的頻率。當Y>0.02時，該物種為群落中的優勢種。

1.3.3密 度

數量密度為單位面積內底棲動物的個體數，單位為ind/m2；生物量密度為單位面積內底棲動物的生物量，單位為g/m2。

1.3.4Shannon-Wiener多樣性指數[26]

(2)

式中：H′為多樣性指數；n為底棲動物總個體數；S為底棲動物種類數；ni為第i種底棲動物個體數。

1.3.5Pielou均勻度指數[27]

(3)

式中：J為Pielou均勻度指數；H′為多樣性指數；Hmax=log2S，為最大多樣性指數。

1.4 水質的生物學評價指標及標準

根據貓跳河流域生態環境特點，參考相關研究，選取Shannon-Wiener多樣性指數和BMWP記分系統進行水質生物評價。

1.4.1Shannon-Wiener多樣性指數

根據《河流水生態環境質量評價技術指南(試行)》[28]中提出的標準，Shannon-Wiener多樣性指數>3.0為清潔，3.0～2.0為輕度污染，2.0～1.0為中污染，1.0～0為重污染，0為嚴重污染。

1.4.2BMWP記分系統

BMWP記分系統基于不同的底棲動物對有機污染(如富營養化)有不同的敏感性/耐受性，按照各個類群的耐受程度給予分值，按照分值分布范圍，對監測位點水質狀況進行評價。BMWP分值越大表明水質越好。BMWP得分>100為清潔，100～71為輕度污染，70～41為中污染，40～11為重污染，10～0為嚴重污染。底棲動物BMWP得分計算公式如下：

BMWP=∑ti

(4)

式中：ti是調查樣點中出現的物種i的科一級敏感值，該指標根據大型底棲動物耐污特性的差異，從最不敏感至最敏感依次給予1～10的分值，對樣點中所出現物種的科級敏感值求和即為該樣點BMWP得分。本研究所采用的科級敏感值是在《河流水生態環境質量評價技術指南(試行)》[28]基礎上，參考國內及本地區底棲動物耐污性的相關研究[12，18]，并結合專家經驗進行了修訂并應用(見表1)。

表1 大型底棲動物類敏感值Tab.1 Sensivity of macrozoobenthos groups

2 結果與分析

2.1 底棲動物群落結構

2.1.1種類組成

本次調查共記錄底棲動物82種，隸屬于4門7綱51科，其中扁形動物門有1科1種，占底棲動物總種數的1%；環節動物門有4科9種，占總種數的11%；軟體動物門有10科19種，占總種數的24%；甲殼動物有2科2種，占總種數的2%；水生昆蟲有34科51種，占總種數的62%，水生昆蟲的種數占據明顯優勢。

2.1.2優勢種

調查發現，貓跳河流域底棲動物主要優勢種為蘇氏尾鰓蚓Branchiurasowerbyi、巨毛水絲蚓Limnodrilusgrandisetosus、霍甫水絲蚓Limnodrilushoffmeisteri、蘿卜螺屬Radixsp.、環棱螺屬Bellamyasp.、河蜆Corbiculafluminea、米蝦屬Caridinasp.、四節蜉屬Baetissp.、扁蜉屬Heptageniasp.、搖蚊屬Chironomussp.。

2.1.3密 度

從統計結果來看(見表2)，貓跳河流域各位點底棲動物個體密度變化范圍為2～1 246 ind/m2，總平均個體密度為84 ind/m2，其中，水生昆蟲的平均個體密度最高，其次為環節動物；底棲動物生物量密度變化范圍為0.02～197.39 g/m2，總平均生物量密度為11.01 g/m2，其中軟體動物的平均生物量密度最高。貓跳河干流底棲動物平均個體密度低于支流，主要是由于支流暗流河S38位點的個體密度為本次調查最高值(1 246 ind/m2)，且遠高于其他位點，其主要物種為小蜉屬Ephemerellasp.。貓跳河干流底棲動物平均生物量密度高于支流，主要因為本次調查干流各位點發現的軟體動物較多，而軟體動物普遍個體較大，從而抬高了生物量密度。

表2 貓跳河底棲動物平均密度Tab.2 Density of zoobenthos in Maotiao River

2.1.4多樣性及均勻度

從多樣性統計結果來看(見表3)，貓跳河全流域各位點的Shannon-Wiener多樣性指數在0.11～3.01之間，平均值為1.57，大部分小于2.0；Pielou均勻度指數在0.05～0.97之間，平均值為0.66。貓跳河干流各位點平均Shannon-Wiener多樣性指數和Pielou均勻度指數均高于支流。

表3 貓跳河底棲動物多樣性及均勻度Tab.3 Shannon-Wiener index and Pielou index of zoobenthos in Maotiao River

2.2 水質生物學評價

Shannon-Wiener多樣性指數水質評價結果表明：貓跳河干流及支流普遍受到了污染，僅有1個位點為清潔狀態，輕度污染位點為9個，中污染位點為20個，重污染位點為8個。其中干流(含水庫)有1個清潔位點，輕度污染及以上位點占比為29%；支流無清潔位點，輕度污染及以上位點占比為21%(見表4)。

BMWP記分水質評價結果表明：貓跳河干流及支流全部屬于污染狀態，且大部分為重污染甚至嚴重污染，其中中污染位點5個，重污染位點30個，嚴重污染位點3個。其中干流(含水庫)中污染及以上位點占比為13%，支流中污染及以上位點占比為14%。

3 討 論

根據陳滸等[12，29]的研究，貓跳河所屬的烏江流域貴州段河流底質環境類型豐富，底棲動物物種較多，共發現有132種底棲動物，多于本次研究發現的82種，這主要由于前者調查的地理范圍比本次研究更加廣闊，所發現的物種數量也相應增多。在群落組成方面，烏江流域以軟體動物和水生昆蟲占優勢，分別占底棲動物總種數的28.03%和53.78%，與本次貓跳河流域調查結果的24%和62%比較接近。烏江流域調查發現，狹蘿卜螺Radixtagoiis、卵蘿卜螺Radixovata、閃蜆Corbiculanitens、隱搖蚊Cryptochironomussp.是流域的廣布種，本文作調查后貓跳河流域底棲動物的優勢種與該調查相似，也包含了蘿卜螺屬、河蜆、搖蚊屬等。上述結果表明貓跳河的底棲動物群落結構跟其干流烏江類似，以水生昆蟲和軟體動物為主。

陳滸等[12,29]對烏江流域貴州段的調查研究中涉及有貓跳河，其調查位點位于貓跳河河口處，靠近本次調查的S16位點。該研究在貓跳河發現有4種底棲動物，全部為軟體動物，主要為閃蜆、狹蘿卜螺、大臍圓扁螺Hippeutisumbilicalis，本次研究調查后同樣發現有4種底棲動物，除了河蜆Corbiculafluminea與沼蛤Limnoperna fortunei這2種軟體動物外，還有2種扁蜉科Heptageniidae水生昆蟲。在生物多樣性方面，陳滸等[12，29]的調查中，貓跳河Shannon-Wiener多樣性指數為1.40，與本次研究S16位點調查結果的1.71接近，均表明位點所代表的河段受到了一定程度污染。

表4 貓跳河生物指數和水質評價Tab.4 Bio-index and assessment of water quality at different sites in Maotiao River

本次水質生物評價結果顯示貓跳河全流域大多處于受污染狀態，一方面是由于貓跳河所在的烏江流域處于全球汞礦化帶中[30]，礦產的開發和生產影響到河流水質和沉積物，對底棲動物的生存極為不利[29]。另一方面，貓跳河流域內生產活動強度較大，城鄉污水及含有農藥化肥的農田退水排放也對水質產生了不利影響，進而影響到了底棲動物棲息。此外，根據池仕運等[31]對烏江水生生物狀況的研究，水電站工程的建設活動及頻繁的航運也會對水生生態系統造成破壞，而貓跳河的水電開發程度較高，干流已建成7座梯級電站，梯級電站的建設與運行改變了原有的天然生境結構和水文過程，使得部分敏感物種逐漸消失。

從貓跳河干流(含水庫)與支流對比來看，干流各位點Shannon-Wiener多樣性指數和Pielou均勻度指數的平均值均高于支流，同時干流各位點的Shannon-Wiener多樣性指數水質評價結果好于支流，表明支流受污染情況比干流更嚴重。這可能由于貓跳河各支流沿岸較干流沿岸開發程度高，分布有較多的居民點和農田，而干流沿岸多高山峽谷，人煙稀少，對河流造成的直接污染程度較輕。但由于污染物通過各支流最終匯入到干流中，同樣使干流也受到了污染，進而影響到底棲動物生存。貓跳河流域水質污染的超標因子為總氮，而總氮主要來源于農業面源、畜禽養殖等[32]，因此加強農業面源和畜禽養殖的污染治理是改善貓跳河流域水質的有效途徑。

本次研究采用《河流水生態環境質量評價技術指南(試行)》[28]中推薦的Shannon-Wiener多樣性指數和BMWP記分2種方法進行水質生物學評價。從評價結果來看，二者之間存在一定差異，采用BMWP記分評價得到的結果普遍劣于Shannon-Wiener多樣性指數評價的結果。這可能由于Shannon-Wiener多樣性指數以全部物種的多寡和數量的多少為基礎，并未考慮到敏感種的重要性，若采集的樣品中有較多的耐污種，則會使得評價結果比實際偏好。BMWP記分為科級敏感值的累計值，敏感種的多少對評價結果貢獻較大，能較好體現敏感種在水質生物評價中的重要性。BMWP記分方法近年來在國內逐漸開始應用，具有計算簡便、易于操作、成本較低等特點，且被證明具有較強的適用性[13]。但考慮到不同流域底棲動物在群落組成上有地區性差異，敏感種所代表的科也會有所不同，因此需在評價前結合調查采樣結果及相關研究成果對底棲動物科級敏感值表進行補充和修正，以便提高評價的適用性和準確性。

4 結 語

調查河流底棲動物群落結構并進行水質生物評價，對制定流域環境管理策略有重要意義。本研究全面調查了長江二級支流、烏江一級支流貓跳河流域的底棲動物，共發現有82種底棲動物，其中軟體動物與水生昆蟲占大部分，與烏江流域底棲動物群落結構較為類似。Shannon-Wiener多樣性指數和BMWP記分兩種方法的水質生物學評價結果表明貓跳河流域各河段大多處于污染狀態，污染的原因主要有礦產開發、城鄉生活污水排放、農業污染排放、梯級水電站建設等，其中農業面源、畜禽養殖等是主要的污染物來源。貓跳河支流的受污染程度高于干流河道，是因為支流沿岸的開發程度較干流沿岸更高。下一步需要針對污染源的類型和分布制定相應的貓跳河流域治理對策及管理措施，最終推進長江大保護戰略的實施。