八里湖大型底棲動物群落結構及水質生物學評價

劉 愛 玲，黃 綿 達，劉 旻 璇，曹 衛 芳，金 磊，周 明 春

(1.修河水文水資源監測中心，江西 九江 332000； 2.南水北調中線干線工程建設管理局 天津分局，天津 300000； 3.生態環境部長江流域生態環境監督管理局 生態環境監測與科學研究中心，湖北 武漢 430071)

0 引 言

底棲動物即大型底棲無脊椎動物，是水生態系統的重要組成部分，其對環境敏感，遷移能力差，可有效地反映水體長期的營養狀態或污染程度，因此常作為重要的指示生物廣泛應用于水質評價和環境監測[1]。

水質生物評價能夠監測生物對污染物質的反應，即通過研究水生生物的種群數量、群落結構組成和水生態系統功能等的動態，分析和判斷水體受污染的性質和程度。因此，在實際應用中將水質生物評價和水質物理化學指標相結合，才能全面反映污染或人為干擾對水質、水生生物和水生態系統的影響。

八里湖位于江西省北部，九江市區西部，屬長江干流中游下段右岸水系，與七里湖、蛟灘湖水面貫為一體。湖泊涉及九江市潯陽區、廬山區和柴桑區。流域東鄰鄱陽湖，南毗博陽河，西靠賽湖，北毗長江[2]。主要河流有十里河和沙河，經城市核心區進入八里湖新區，并匯入八里湖。北部有新開河，溝通八里湖和長江。該湖總集水面積273 km2，湖區南北長、東西窄，呈不規則分布，正常水位17.5 m(吳淞基面)時水面面積約17 km2，岸線總長29 km。

隨著九江市城市發展戰略的轉移，八里湖已逐漸成為城市內湖，水環境問題日益凸顯，其綜合水質已下降為Ⅳ～Ⅴ類[3-4]。近幾年，八里湖多次暴發小面積的藍藻水華，富營養化和水華已成為八里湖面臨的重大生態問題之一，水環境保護面臨較為嚴峻的形勢。目前，八里湖水質監測更多的是注重理化指標，只能反映水體瞬時的污染物濃度，現有分析手段很難監測出復合污染產生的復雜效應，而關于水生生物特別是底棲動物方面的相關研究報道較少。底棲動物能反映環境中各種污染因子對生物的綜合作用和累積效應[5]。鑒于此，本文以八里湖為研究對象，于2020年對其開展了底棲動物的系統調查，分析了底棲動物群落組成、多樣性指數以及底棲動物與環境因子的相關關系，研究底棲動物群落特征及其對水質的指示作用，以期為八里湖生態環境治理提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 采樣時間與樣點布設

2020年春季和秋季，對八里湖底棲動物進行調查，根據八里湖湖泊形態、河流匯入、水面面積等情況，本研究共布設8個采樣點位(八里湖1～8號)，根據地理位置，將整個湖區劃分為湖口區(1號、8號)、湖灣區(3號、5號)和湖心區(2號、4號、6號、7號)；其中湖口區2個點位分別處于十里河入湖口、蛟灘河入湖口和沙河入湖口的匯入處；湖心區點位主要位于湖中心，底質為黑褐色軟底泥。具體點位分布如圖1所示。

1.2 底棲動物樣品采集與鑒定

根據八里湖的水體環境特征，采用開口面積為1/32 m2的彼得森采泥器采集底棲動物定量樣品，樣品經60目不銹鋼網篩過濾，除去細泥，置于白瓷盤中，挑揀出全部底棲動物并置于塑料標本瓶中，加入10%福爾馬林溶液保存并帶回實驗室鏡檢和分析。經鑒定、計數和稱重后換算為單位面積的密度(ind./m2)和生物量(g/m2)。底棲動物種類鑒定參考書目主要有《中國北方搖蚊幼蟲》《底棲動物與河流生態評價》《遼河流域底棲動物監測圖鑒》《中國經濟動物志-淡水軟體動物》《中國蜉蝣概述》《西藏和四條大型河流水棲寡毛類區系研究》以及AquaticinsectsofChinausefulformonitoringwaterquality。

1.3 水質采樣與分析

采用有機玻璃采樣器采集水樣，并帶回實驗室內分析，同時采用便攜式多參數儀YSI和塞氏盤對水體溶解氧、pH、水溫、透明度等理化指標進行現場測定。

1.4 數據處理

1.4.1湖泊水質評價和營養狀態指數計算

1.4.2多樣性指數計算及統計分析

采用Excel 2010和Graphpad Prism對數據進行相關處理和分析；采用SPSS 26.0軟件進行單因素方差分析(ANONA)，運用單因素方差分析中的LSD法進行多重比較，分析八里湖底棲動物密度、生物量在季節和空間上的差異性；采用Canoco 5.0軟件分析大型底棲動物群落結構與環境因子之間的關系。優勢度Y[6-8]、Shannon-Wiener多樣性指數H[6-8]、生物指數BI[6-8]和BMWP指數[9-11]的計算公式如式(1)～(4)所示。

Y=(ni/N)×fi

(1)

式中：ni為某種個體數量；N為所有種的個體總數；fi為第i種類出現的樣點數與總樣點數的比值；以Y≥0.02為優勢種。

(2)

式中：s為整個生物樣所包含的種類數；pi為第i種個體數在全部群落總個體數中的占比。多樣性指數H對應的水質評價標準見表1。

表1 Shannon-wiener多樣性指數H對應的水質標準Tab.1 Water quality standard of Shannon-wiener diversiy index

BI=∑ni×ti/N

(3)

式中：ni是科i的個體數，ti是科i的耐污值，N是總個體數。

表2 BI生物指數對應的水質標準Tab.2 Water quality standard of biotic index

BMWP=∑ti

(4)

式中：ti是樣點中出現的物種i的科一級敏感值，該指標根據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的BMWP得分，得分越高，表明該樣點受到人為干擾活動的影響越小，該指數利用科級分類單元中物種的敏感值，反映水體中水質的清潔程度。

表3 BMWP指數對應的水質標準Tab.3 Water quality standard of BMWP index

2 結 果

2.1 湖泊水質現狀及營養狀態

八里湖水質現場參數監測結果如表4所列。根據水質評價標準和湖泊營養狀態評價標準及分級方法，八里湖春季水質類別為Ⅴ類，超標項目為總磷，水體處于輕度富營養水平；秋季水質類別為劣Ⅴ類，超標項目為總磷和高錳酸鹽指數，水體處于中度富營養水平，如表5所列。

表4 2020年八里湖水質參數監測數據Tab.4 Monitoring data of water quality parameters of Bali Lake in 2020

2.2 大型底棲動物種類組成

由2020年春季和秋季對八里湖8個監測點位底棲動物定量調查分析結果可知，共記錄該類群3門5綱8科13屬16種，其中環節動物門2綱3科6屬8種，占總種類數的50.0%；節肢動物門1綱2科4屬5種，占總種類數的31.2%；軟體動物門2綱3科3屬3種，占總種類數的18.8%，八里湖底棲動物種類名錄如表6所列。

表5 2020年八里湖水質類別(總氮不參評)及營養狀態Tab.5 Water quality category(total nitrogen not included) and nutrition status of Bali Lake in 2020

表6 八里湖底棲動物種類名錄Tab.6 Species list of benthos of Bali Lake

2.3 大型底棲動物密度及生物量

春季，八里湖底棲動物密度為32～2 432 ind./m2，平均密度1 712 ind./m2，其中顫蚓科的平均密度達到1 028 ind./m2(1 000～5 000為中污染)，根據Wright生物指數的評價標準[12]可知，八里湖為中度污染狀態。生物量為2.186～13.507 g/m2，平均生物量為7.196 g/m2。

秋季，八里湖底棲動物密度為480～3 424 ind./m2，平均密度為2 112 ind./m2，其中顫蚓科的平均密度為556 ind./m2(100～999為輕污染)，根據Wright生物指數的評價標準可知，八里湖為輕度污染狀態。生物量為1.024～6.752 g/m2，平均生物量為3.328 g/m2。

密度表現為秋季高于春季，生物量則春季高于秋季，但差異性均不顯著(P值均大于0.05)。春季生物量的主要貢獻者為軟體動物門的河蜆和環棱螺屬。八里湖春季和秋季的底棲動物密度和生物量變化如圖2～5所示。春季和秋季的密度、生物量對比箱線圖如圖6～7所示。

2.4 大型底棲動物優勢種及Shannon-Wiener多樣性指數

春季，八里湖優勢種(Y≥0.02)主要為管水蚓屬(Aulodrilussp.)、水絲蚓屬(Limnodrilussp.)、巨毛水絲蚓(Limnodrilusgrandisetosus)、長足搖蚊屬(Tanypussp.)和裸須搖蚊屬(Propsilocerussp.)，均為耐污種。Shannon-Wiener多樣性指數H值為2.68，即水質狀況為輕度污染。

根據分區的優勢度和Shannon-Wiener多樣性指數H計算結果可知，湖口區的絕對優勢種為管水蚓屬(Y=0.48)，H值為2.08(輕度污染)；湖心區的絕對優勢種為水絲蚓屬(Y=0.28)，H值為2.44(輕度污染)；湖灣區的絕對優勢種為長足搖蚊屬(Y=0.30)，H值為2.43(輕度污染)。

秋季，優勢種(優勢度Y≥0.02)主要為管水蚓屬(Aulodrilussp.)、水絲蚓屬(Limnodrilussp.)和長足搖蚊屬(Tanypussp.)，也均為耐缺氧和喜有機質的耐污種。Shannon-Wiener多樣性指數H值為1.42，即水質狀況為中度污染。同理，湖口區的絕對優勢種為長足搖蚊屬(Y=0.73)，H值為1.48(中度污染)；湖心區的絕對優勢種為長足搖蚊屬(Y=0.76)，H值為1.23(中度污染)；湖灣區的絕對優勢種為長足搖蚊屬(Y=0.66)，H值為1.46(中度污染)。

由單因素方差分析可知，湖口區、湖心區和湖灣區與全湖的Shannon-Wiener多樣性指數H差異性均不顯著，說明群落結構相對穩定。

2.5 大型底棲動物群落結構與環境因子關系

根據八里湖底棲動物密度和水體理化因子數據主成分分析結果，應采用冗余分析(RDA)探究底棲動物群落結構與環境因子的關系，其中軸1和軸2的解釋率分別為83.31%和14.76%。各水體理化因子與八里湖底棲動物密度關系如表7所示，其中NO3-N(P=0.02，F=6.0)、溶解氧(P=0.028，F=7.3)和NH4-N(P=0.038，F=6.7)與底棲動物群落結構顯著相關。此外，根據RDA結果(見圖8)可知，底棲動物中節肢動物門類與TN成正相關，和NO3-N、NH4-N呈顯著正相關，與其他理化因子呈負相關；而軟體動物門和環節動物門與葉綠素a、TP和高錳酸鹽指數呈正相關，與其他理化因子呈負相關。

表7 理化指標冗余分析結果Tab.7 Redundant analysis results of physical and chemical indices

2.6 生物指數BI和BMWP指數

(1) 生物指數BI。基于BI生物指數(見表8)可知，春季和秋季八里湖BI生物指數的平均值分別為7.56和7.11，根據《湖庫水生態環境質量監測與評價技術指南》可知，春季和秋季八里湖水質狀況均為輕度污染狀態。

表8 八里湖春季和秋季BI生物指數Tab.8 Biological index of Bali Lake in spring and autumn

(2) BMWP指數。基于BMWP指數(見表9)可知，春季和秋季八里湖BMWP指數的平均值分別為12.5和7.1，根據《湖庫水生態環境質量監測與評價技術指南》可知，春季八里湖水質狀況為中度污染狀態；秋季八里湖水質狀況為重度污染狀態，即春季水質狀況要優于秋季。

表9 八里湖春季和秋季BMWP指數Tab.9 BMWP index of Bali Lake in spring and autumn

3 討 論

3.1 大型底棲動物群落結構特征及演變規律

本次調查結果表明，八里湖大型底棲動物群落結構以耐污種類的顫蚓屬和搖蚊幼蟲為主，種類數較少，物種多樣性較低，群落結構趨于簡單化并呈現出單一化的趨勢；底棲動物密度秋季高于春季，而生物量則春季高于秋季，但差異性均不顯著，其中生物量貢獻量最大的是河蜆和環棱螺屬，而環棱螺屬的耐污能力較強，對污染敏感度較低，能棲息于多污性和中污性水體[13]。

因不同湖區承載的環境壓力、捕撈和養殖壓力等人類活動的差異，造成不同區域底棲動物空間異質性[14]。但本次研究結果表明，湖口區、湖心區和湖灣區與全湖的Shannon-Wiener多樣性指數H差異性均不顯著，說明群落結構相對較穩定。

八里湖為城中湖，隨著城市工業化的快速發展以及人類活動的強烈干擾，使得湖泊周邊生境發生改變，以硬化的河道為主，湖泊的自凈能力降低，進而影響到了底棲動物的生存環境，致使水體中的優勢種呈現出以耐污種寡毛綱的顫蚓屬和昆蟲綱的搖蚊幼蟲存在，其他種類顯著減少。這也與李朝[15]、蔡永久[16]、王琴[17]等人對城市湖泊大型底棲動物群落結構的研究結果類似。

有研究表明：城市污染排放加劇、湖泊底泥污染負荷持續升高等導致水生生物多樣性下降，群落結構趨于簡單化并呈現出退化趨勢，這可能主要與水體富營養化和底質等因素有關[17]。富營養化顯著改變底棲動物棲息的理化環境，如溶解氧、有機質、沉積物等，生活在其中的底棲動物優勢種從大個體的種類(螺類、蚌類)轉變為小個體的種類(寡毛類和搖蚊幼蟲)，底棲動物多樣性顯著降低，而八里湖春季和秋季分別為輕度富營養和中度富營養狀態，可見隨著富營養化程度的加重，Shannon-Wiener多樣性指數H也由2.68降低為1.42，即物種多樣性顯著降低，也與李娣[18]等的研究結果保持一致。底質也是影響大型底棲動物群落結構的一個重要因素，八里湖底質的主要構成是淤泥，有研究也表明一般粒徑較小的淤泥類底質，有機質較為豐富，也有利于水棲寡毛類如顫蚓科的生存[15]，而八里湖春季的顫蚓科平均密度均大于1 000 ind./m2，實驗結果也與研究觀點趨于一致。

由表10可知：朱利明[19]等研究淀山湖大型底棲動物群落結構與環境因子的關系時共獲得底棲動物47種，優勢種以河蜆為主，但更多仍以棲息密度較高的寡毛類和搖蚊類(耐污種)為主；陳文猛[20]等對邵伯湖6個采樣點位調查共記錄底棲動物16種，優勢種為蘇氏尾鰓蚓、霍甫水絲蚓、紅裸須搖蚊和環棱螺屬，仍為中等耐污種；鄒亮華[21]等對鄱陽湖133個采樣點位調查共記錄底棲動物48種，優勢種為河蜆、銅銹環棱螺和大沼螺； Cai 等[22]研究太湖底棲動物群落結構特征共記錄底棲動物23種，優勢種為霍甫水絲蚓(中等污染水體指示生物)、蘇氏尾鰓蚓和銅銹環棱螺。通過比較分析發現，八里湖與其他同類型湖泊大型底棲動物的群落組成、優勢種組成基本相似，群落組成單一化，物種數較少，清潔指示物種基本不存在，優勢種均以寡毛綱的水絲蚓和搖蚊幼蟲等為主，類比結果說明八里湖水質狀況較差，水體污染較嚴重，也與全年八里湖水質類別為Ⅴ類情況一致。

表10 不同湖泊大型底棲動物群落結構特征Tab.10 Community characteristics of macrobenthos in different lakes

3.2 大型底棲動物與環境因子的關系

朱利明[19]等認為溶解氧是影響寡毛類分布的主要因素，張雷[23]等認為溫度、總氮、氨氮等也對大型底棲動物的群落分布有一定影響。

根據八里湖底棲動物密度和水體理化因子冗余分析結果可知，與底棲動物群落結構相關的主要環境因子為NO3-N、溶解氧和NH4-N，其中節肢動物門類與TN呈正相關關系，與NO3-N和NH4-N呈顯著正相關關系，與其他理化因子呈負相關關系；而軟體動物門和環節動物門與葉綠素a、TP和高錳酸鹽指數呈正相關關系，與其他理化因子呈負相關關系。環節動物門中的顫蚓屬和搖蚊幼蟲等耐污種通常在營養水平高的水體中成為優勢種，而軟體動物的數量會隨著營養水平的升高有下降趨勢[19]。本次研究中，八里湖的優勢種主要為管水蚓屬、水絲蚓屬和長足搖蚊屬等這類耐污能力較強的物種，并且其密度隨著富營養化水平的提高而增加，這與八里湖的的營養狀況也基本保持一致。

3.3 大型底棲動物的水質生物學評價

利用Shannon-Wiener多樣性指數、BI生物指數和BMWP指數對八里湖的水質進行了生物學評價，結果如表11所列。

表11 八里湖底棲動物水質生物學評價Tab.11 Bioassessment of water quality in Bali Lake using zoobenthos

由3種生物指數的評價結果可知，春季Shannon-Wiener多樣性指數H值為2.68，輕度污染；生物指數BI為7.56，輕度污染；BMWP指數為12.5，中度污染；水質類別為Ⅴ類，輕度富營養水平，即生物學評價與水質類別基本一致。秋季Shannon-Wiener多樣性指數H值為1.42，中度污染；生物指數BI為7.11，輕度污染；BMWP指數為7.1，重度污染；水質類別為劣Ⅴ類，中度富營養水平，即生物學評價與水質類別評價也較為一致。

本文選擇Shannon-Wiener指數、生物指數BI和BMWP指數對八里湖水質進行評價，結果表明BMWP指數指示的污染程度稍高于Shannon-Wiener指數和BI生物指數的評價結果，但也有研究表明各種指數的評價結果會存在不一致的情況，如吳召仕等[24]對太湖流域的生物學評價結果，本文與此類似。故經綜合評判，本文中3種生物指數方法評價八里湖處于輕度污染-重度污染狀態。

4 結 論

八里湖共記錄大型底棲動物3門5綱8科13屬16種，種類數較少，其群落結構以耐污種類的顫蚓屬和搖蚊幼蟲為主，物種多樣性較低，群落結構趨于簡單化并呈現出單一化的趨勢。

底棲動物的密度和生物量也隨季節和空間而變化，即密度秋季高于春季，生物量則春季高于秋季，但差異性不顯著；湖口區、湖心區和湖灣區與全湖的Shannon-Wiener多樣性指數H差異性也不顯著，也說明群落結構相對穩定。

八里湖底棲動物密度隨富營養化水平即氮營養元素的增加而呈現升高趨勢，與其他理化因子也具有一定的相關關系。

底棲動物水質生物學評價結果表明八里湖處于輕度污染-重度污染狀態，種類趨于單一化，優勢種以耐污性種類為主(顫蚓科密度超過1 000 ind./m2)，即八里湖整體水質狀況不容樂觀，全年處于Ⅴ類水平。主要原因可能是城鎮化發展導致水質污染以及湖泊早期規模化養殖等加劇了八里湖底棲動物退化。

八里湖作為城市湖泊，現已被開發為4A級風景區，在發展旅游業的同時也需繼續秉承“綠水青山就是金山銀山”的生態環境保護理念。針對目前八里湖的富營養化狀況以及底棲動物水質生物學評價狀況，需引起高度重視。① 可通過治污、截污來減少污水入湖量，降低湖中總氮、總磷含量；② 建立湖泊水生態環境健康體系，尤其是十里河、濂溪河和沙河的來水最終都進入八里湖，應加強這三條河流的森林植被建設和維護，結合農村污染綜合治理，實現清水入湖；③ 初步建議可通過種植大型水生植物或合理投餌養殖實現水體的良好流通交換以逐步緩慢實現湖泊的自動調節能力。