汾河太原段底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)與水質(zhì)生物學(xué)評(píng)價(jià)

李安萍,高晉華

（太原師范學(xué)院生物系,山西太原030031）

汾河太原段底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)與水質(zhì)生物學(xué)評(píng)價(jià)

李安萍,高晉華

（太原師范學(xué)院生物系,山西太原030031）

2014年5月（豐水期）和10月（枯水期）,對(duì)汾河太原段大型底棲動(dòng)物群落進(jìn)行調(diào)查.結(jié)果顯示：①大型底棲動(dòng)物有46種,隸屬于4門6綱27科；②優(yōu)勢(shì)種為霍甫水絲蚓（Limnodrilus hoffmeisteri）、蘇氏尾鰓蚓（Branchiura dowerbyi）、蘿卜螺（Radix sp.）、銅銹環(huán)棱螺（Bellamya aeruginosa）、裸須搖蚊（Propsilocerusi sp.）、黃色羽搖蚊（Chironomus flaviplumus）.豐水期的優(yōu)勢(shì)種增加了東方蜉（Ephemera sp.）和紋石蠶（Hydropsy chidae）；③底棲動(dòng)物的平均密度和平均生物量分別為226.15ind.／m2和10.526g／m2,按照耐污值來劃分以耐污種群和中等耐污種群為主,共計(jì)占86.95%.④大型底棲動(dòng)物的密度（P＝0.416）與生物量（P＝0.917）差異不顯著.Spearman相關(guān)性分析顯示,水生昆蟲的分布與水體透明度和DO呈極顯著正相關(guān),而與TN和TP有顯著負(fù)相關(guān)；而寡毛類的分布與DO和透明度有顯著負(fù)相關(guān)；軟體動(dòng)物的分布與環(huán)境因子的關(guān)系不顯著.⑤利用底棲動(dòng)物HBI生物指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果表明,汾河太原段水質(zhì)狀況較差,大部分樣點(diǎn)處于中污染——重污染狀態(tài).

底棲動(dòng)物；群落結(jié)構(gòu)；環(huán)境因子；水質(zhì)評(píng)價(jià)；汾河太原段

汾河全長716km,自北向南縱貫山西全省27個(gè)縣市.年均徑流量25.27×108m3,養(yǎng)育了全省41%的人口［1］.汾河太原段包括汾河上游的婁煩、古交以及汾河中游的太原和清徐4個(gè)縣市,自北向南由婁煩縣的汾河水庫出口處入太原境區(qū),于清徐縣韓武出境,是太原市的主要水系［2］.

以往汾河太原段水質(zhì)的研究主要集中在基于水體理化指標(biāo)監(jiān)測(cè)的調(diào)查分析與污染防治對(duì)策方面［2,4－8］；利用浮游藻類群落特征分析汾河太原段水質(zhì)狀況［3,9］.有關(guān)汾河大型底棲動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)及其對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)迄今未見報(bào)道.本研究于2014年5月（豐水期）和10月（枯水期）,對(duì)汾河太原段底棲動(dòng)物進(jìn)行初步調(diào)查與分析,并運(yùn)用生物指標(biāo)和理化指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析,探討底棲動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)特征及其與水環(huán)境的關(guān)系,旨在為水環(huán)境的保護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),為汾河生態(tài)保護(hù)提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

汾河太原段全長188km,據(jù)河段與市區(qū)的相對(duì)位置,將汾河太原段劃分為進(jìn)入城區(qū)之前的上游段、城區(qū)內(nèi)的中游段以及通過城區(qū)的下游段［6］.汾河太原上游段主要水利工程有汾河水庫和汾河二庫.汾河中游段上蘭村附近建有汾河一壩取水樞紐水利工程,用于太原市一壩灌區(qū)的灌溉和工業(yè)用水.此外,太原城區(qū)段的治理美化工程、全程20.5km。包括柴村橋至勝利橋6.9km的人工濕地,勝利橋至祥云橋13.6km的蓄水工程.美化工程位于汾河干流,太原市南北中軸線上,成為改善市區(qū)生態(tài)環(huán)境一道亮麗的風(fēng)景區(qū).通過太原城區(qū)進(jìn)入下游段,在清徐縣境內(nèi)建有汾河二壩,此壩為汾河的第二處攔河閘壩,分東西兩條干渠向汾河灌區(qū)引水灌田.

1.2 采樣點(diǎn)及采樣時(shí)間

根據(jù)汾河太原段的自然地理及生態(tài)環(huán)境特征,選取2014年的5月（豐水期）和10月（枯水期）作為采樣時(shí)間,在汾河太原段干流從婁煩的汾河水庫到清徐二壩選定8個(gè)典型的采樣點(diǎn)對(duì)大型底棲動(dòng)物進(jìn)行定性和定量采集.樣點(diǎn)為進(jìn)入城區(qū)之前上游段的婁煩縣新建村（S1）、汾河水庫碼頭（S2）、汾河水庫下方壩內(nèi)（S3）和古交灘上橋（S4）；城區(qū)內(nèi)的中游段包括汾河上蘭村（S5）、柴村橋（S6）、祥云橋（S7）；以及通過城區(qū)的下游段清徐二壩（S8）見圖1.

圖1 汾河太原段采樣點(diǎn)分布示意圖

1.3 樣品采集與處理

底棲動(dòng)物樣品采集使用索伯網(wǎng)（60目,0.063m2）定量采集和D型抄網(wǎng)（直徑0.3m）進(jìn)行定性采集底棲動(dòng)物.泥樣經(jīng)40目／cm的銅篩篩洗后,倒入白瓷盤中挑選,并用10%的甲醛或70%酒精固定后分類裝入樣本瓶中,帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行鏡檢分類、計(jì)數(shù)、鑒定并稱重.稱重前先用濾紙吸干固定液,用1／10 000電子天平進(jìn)行稱重,其中軟體動(dòng)物不去殼稱重.水質(zhì)指標(biāo)采用SD150多參數(shù)測(cè)定儀現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定樣點(diǎn)的溫度、pH和溶氧量.化學(xué)指標(biāo)按照有關(guān)文獻(xiàn)中的規(guī)范方法測(cè)定包括總磷、總氮和高錳酸鉀鹽指數(shù).測(cè)定方法參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》［10］.

1.4 數(shù)據(jù)處理

固定的底棲動(dòng)物進(jìn)行分類鑒定后,把每個(gè)采樣點(diǎn)所采集到的底棲動(dòng)物按不同種類準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)個(gè)體數(shù),并計(jì)算單位面積的密度和生物量.計(jì)算底棲動(dòng)物的多樣性指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度和生物指數(shù)并評(píng)價(jià)水質(zhì).公式分別為：多樣性指數(shù)指數(shù)（H′）,水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：H′為0（無底棲動(dòng)物）,嚴(yán)重污染；H′為0～1,重污染；H′為1～2,中度污染；H′為2～3,輕度污染；H′＞3,清潔；Margalef物種豐富度指數(shù)（D）,水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：D為0～1,重度污染；D為1～2,中度污染；D為2～3,輕度污染；D＞3清潔；Hilsenhoff生物指數(shù)（HBI）,水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：HBI＜5.5,清潔；HBI為5.51～6.6,輕污染；HBI為6.61～7.7,中污染；HBI為7.71～8.8,重污染；HBI＞8.8,嚴(yán)重污染［11］.

利用相對(duì)重要性指數(shù)（index of relative importance,IRI）確定底棲動(dòng)物優(yōu)勢(shì)種類,其計(jì)算公式為IRI＝（RB＋RD）×F.式中,RB為相對(duì)生物量,即某一物種的生物量占大型底棲動(dòng)物總生物量的百分比；RD為相對(duì)密度,即該物種密度占大型底棲動(dòng)物總密度的百分比；F為該物種出現(xiàn)的頻率［12］.

數(shù)據(jù)分析采用Excel 2010和Spss17.0完成.大型底棲動(dòng)物密度、生物量差異的檢驗(yàn)用Spss17.0配對(duì)樣本t檢驗(yàn)分析（paired sample T test）.底棲動(dòng)物與環(huán)境因子關(guān)系的分析采用Spearman相關(guān)性分析進(jìn)行.

2 結(jié)果與分析

2.1 種類組成與優(yōu)勢(shì)物種

調(diào)查中共采集到底棲動(dòng)物4門6綱27科46種.其中節(jié)肢動(dòng)物28種,包括2綱6目16科.水生昆蟲26種,其中搖蚊科幼蟲11種,甲殼類2種；環(huán)節(jié)動(dòng)物9種,包括2綱4目5科,寡毛綱5種,蛭綱有4種；軟體動(dòng)物8種,包括2綱3目5科,其中腹足綱7種,雙殼類僅采到1種；扁形動(dòng)物1種,為渦蟲綱.

根據(jù)大型底棲無脊椎動(dòng)物耐污值（TV）的高低,將其分為3類：TV≤3.0為敏感種群；3.0～7.0為中等耐污種群；TV≥7.0的為耐污種群［13,14］.在采集到的46種底動(dòng)物中,敏感類群6種,中等耐污種群21種,耐污種群19種.根據(jù)底棲動(dòng)物出現(xiàn)頻率由多到少依次為昆蟲綱占56.52%,軟體動(dòng)物占17.39%,其他為15.22%,寡毛綱占10.87%.豐水期和枯水期采集到的底棲動(dòng)物種類數(shù)分別為44種和29種.不同的采樣點(diǎn)大型底棲動(dòng)物的物種數(shù)存在時(shí)間和空間上變化.

利用相對(duì)重要性指數(shù)確定優(yōu)勢(shì)種類,豐水期和枯水期共同的優(yōu)勢(shì)種為銅銹環(huán)棱螺（Bellamyaaeruginosa）、霍甫水絲蚓（Limnodrilushoffmeisteri）、蘇氏尾鰓蚓（Branchiuradowerbyi）、黃色羽搖蚊（Chironomus flaviplumus）、蘿卜螺（Radixsp.）、裸須搖蚊（Propsilocerusisp.）、中華顫蚓（Tubifexsinicus）和單向蚓（Haplotaxissp.）優(yōu)勢(shì)種在豐水期與枯水期存在差異,豐水期的優(yōu)勢(shì)種增加了東方蜉（Ephemerasp.）和紋石蠶（Hydropsychidae）.

2.2 底棲動(dòng)物的密度與生物量

調(diào)查期間8個(gè)采樣點(diǎn)汾河大型底棲動(dòng)物的平均密度為226.15ind·m－2,各采樣點(diǎn)的變化范圍為60.53～363.16ind·m－2.各采樣點(diǎn)平均密度大小排序?yàn)镾4＞S5＞S7＞S6＞S2＞S1＞S3＞S8.其中,S4（灘上橋）和S7（祥云橋）的密度以寡毛類占優(yōu)勢(shì)；S5（上蘭村）以水生昆蟲的密度為最高.

汾河底棲動(dòng)物的平均生物量為10.526g·m－2,各樣點(diǎn)的變化范圍為0.375～26.458g·m－2.各采樣點(diǎn)生物量大小排序?yàn)镾5＞S8＞S2＞S1＞S7＞S6＞S4＞S3.各采樣點(diǎn)生物量的變化與軟體動(dòng)物密度的高低密切相關(guān).

表1 汾河太原段各采樣點(diǎn)水質(zhì)生物學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果

汾河太原段大型底棲動(dòng)物密度和生物量差異不顯著（密度,P＝0.416；生物量,P＝0.917）.可以看出,總密度的變化趨勢(shì)與寡毛類一致,而生物量的變化趨勢(shì)與螺類一致.

2.3 水質(zhì)生物學(xué)評(píng)價(jià)

利用底棲動(dòng)物作為環(huán)境監(jiān)測(cè)的指示生物,目前已廣泛應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估及水體污染狀況評(píng)價(jià)［15－18］.本研究采用Shannon－Weiner生物指數(shù)（H′）、Margalef物種豐富度指數(shù)（D）和Hilsenhoff生物指數(shù)（HBI）,綜合豐水期和枯水期監(jiān)測(cè)結(jié)果,對(duì)汾河太原段水質(zhì)生物綜合評(píng)價(jià)結(jié)果見表3.從采樣時(shí)段來看,豐水期的水質(zhì)略好于枯水期.另外,從各指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果來看,Shannon與Margalef多樣性指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果為清潔－中污；但Margalef多樣性指數(shù)在清徐二壩（S8）為重污染；而Hilsenhoff生物指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果中污－重污染所占的比重較大.對(duì)汾河水質(zhì)的評(píng)價(jià)結(jié)果與Shannon和Margalef多樣性指數(shù)比較明顯偏高.

2.4 底棲動(dòng)物與環(huán)境因子的關(guān)系

河流生態(tài)環(huán)境中的水溫、水深、透明度、PH、DO、TN等環(huán)境因子對(duì)大型底棲動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)有著重要的影響［20－21］.本研究結(jié)果顯示,汾河太原段水生昆蟲的分布與水體透明度和DO有極顯著正相關(guān),而與TN有極顯著負(fù)相關(guān),與TP有著顯著負(fù)相關(guān)；而寡毛類的分布與DO有極顯著負(fù)相關(guān),與透明度有顯著負(fù)相關(guān)；軟體動(dòng)物的分布與環(huán)境因子的關(guān)系度不大,與王軍（2014年）對(duì)新疆額爾齊斯河底棲動(dòng)物研究結(jié)果一致［19］；其他種類的底棲動(dòng)物分布與透明度有極顯著正相關(guān),與DO有顯著正相關(guān)而與TN有顯著負(fù)相關(guān).底棲動(dòng)物與環(huán)境因子的Spearman相關(guān)性分析結(jié)果,見表2.

表2 大型底棲動(dòng)物與環(huán)境因子的Spearman相關(guān)性分析

3 討論與結(jié)論

3.1 汾河理化指標(biāo)

調(diào)查期間,枯水期采樣時(shí)間為秋季,其水溫較春季豐水期的高.化學(xué)需氧量（COD）是衡量水污染狀況的重要指標(biāo),反映水體受有機(jī)物污染的程度.化學(xué)需氧量數(shù)值越大,水體污染越嚴(yán)重.本次調(diào)查豐水期的COD平均為3.397mg·L－1,枯水期COD平均為3.892mg·L－1.由于汾河自然徑流量小,自我凈化能力差,導(dǎo)致枯水期化學(xué)需氧量高于豐水期化學(xué)需氧量.就采樣斷面看,無論是豐水期還是枯水期清徐二壩的COD最高,表明此樣點(diǎn)水體環(huán)境質(zhì)量較差,說明汾河太原段在進(jìn)入市區(qū)段以后由于沿岸工廠等污染源的匯入增加了有機(jī)污染物的含量,此外二級(jí)壩的建設(shè)也使得上游水流中污染物得不到有效擴(kuò)散和自凈降解.

本次研究表明大型底棲動(dòng)物水生昆蟲與水的透明度成顯著正相關(guān),所以水體透明度的下降會(huì)對(duì)大型底棲動(dòng)物的組成和分布產(chǎn)生影響.研究顯示,總磷濃度在豐水期平均0.040 8mg·L－1,枯水期平均0.046 9mg·L－1；總氮濃度的在豐水期平均3.504 1mg·L－1,枯水期平均3.798 3mg·L－1.古交灘上橋、清徐二壩的總氮和總磷含量明顯高于其他各樣點(diǎn),可能與周邊排放增多,污染增加有關(guān).溶氧量豐水期普遍高于枯水期,豐水期平均17.325mg·L－1,枯水期平均15.075mg·L－1.而在枯水期的柴村橋和祥云橋段溶解氧最低,能夠耐受低氧甚至缺氧環(huán)境寡毛類數(shù)量占明顯優(yōu)勢(shì)［22］.調(diào)查顯示,各采樣點(diǎn)多種污染物指標(biāo)大多以枯水期較高,豐水期相對(duì)較低.各樣點(diǎn)pH值均高于7.87～8.87之間,水體明顯偏堿性,豐水期與枯水期并無明顯差異.

3.2 底棲動(dòng)物的群落特征

本次調(diào)查共獲得底棲動(dòng)物46種,其中節(jié)肢動(dòng)物28種,環(huán)節(jié)動(dòng)物9種,軟體動(dòng)物8種,扁形動(dòng)物僅1種.表明現(xiàn)階段汾河太原段底棲動(dòng)物種類豐富度不高.

汾河太原段的上游段S1（新建村）和S3（水庫下方壩內(nèi)）兩個(gè)斷面處水源地保護(hù)區(qū),有清水的補(bǔ)給.河水較寬,水質(zhì)清澈,且無工業(yè)廢水和生活污水的直接排放.透明度達(dá)到和超過130cm以上,底質(zhì)以大型卵石和礫石為主,適合附著藻類和苔蘚植物的生長,大型水生昆蟲種類如蜉蝣幼蟲、蜻蜓幼蟲出現(xiàn),紋石蠶幼蟲數(shù)量明顯占優(yōu).S2為汾河水庫碼頭,是人類干擾頻繁的地區(qū),淤泥沉積深厚、水生植被缺乏,導(dǎo)致軟體動(dòng)物螺蚌類難覓蹤跡.而S5（上蘭村）屬于汾河上游,離汾河二庫較近,故總體水質(zhì)良好.上蘭段底質(zhì)以礫石為主,適合隱藏在石塊下的渦蟲和蛭類生存,岸邊底泥生活著大型的水生昆蟲,所以生物多樣性較高.S4（灘上橋）雖然處于太原市上游,其地面和地下水都是太原市水源地的補(bǔ)給源.其特殊的地理位置和水文地質(zhì)條件,意味著汾河古交段的水質(zhì)直接影響著其下游汾河二庫的水質(zhì),從而影響太原市飲用水源地的水質(zhì).由于前些年焦化、煉鐵、煤礦等產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,導(dǎo)致污染加重［6］.汾河進(jìn)入太原城區(qū)后河道經(jīng)過固化處理、減小糙率、整修堤防等建成了集防洪排污、園林綠化、旅游觀光為一體的美化工程.段學(xué)花等（2010）指出,河道渠化、裁彎取直和清障減糙等都不利于大型底棲動(dòng)物類群生存,只有增加河水在陸地上的流動(dòng)時(shí)間才能為水生生物的繁衍生息提供更好的棲息條件［14］,這也可能是汾河太原段底棲動(dòng)物物種數(shù)豐富較低的原因之一.S8（清徐二壩）調(diào)查期間一直處于修建之中,這對(duì)結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生一定的影響.

3.3 生物學(xué)評(píng)價(jià)

本文采用Shannon－Weiner生物指數(shù)（H′）、Margalef物種豐富度指數(shù)（D）和Hilsenhoff生物指數(shù)（HBI）評(píng)價(jià)汾河太原段水質(zhì).由于各指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不同,出現(xiàn)了一定的差異（表3）.Shannon－Weiner生物指數(shù)多用于反映群落結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和對(duì)環(huán)境的反饋功能.指數(shù)值的大小與物種數(shù)和均勻度有關(guān).Margalef物種豐富度指數(shù)同樣只考慮物種數(shù)目和樣品個(gè)數(shù),并認(rèn)為各物種在種群中地位平等,對(duì)各物種耐污值未作考慮.二者用于水質(zhì)的生物學(xué)評(píng)價(jià)具有一定的缺陷）［24－25］.HBI生物指數(shù)既考慮了底棲動(dòng)物密度,又考慮了物種本身的耐污能力,因此增加了評(píng)價(jià)的可靠性.

本次調(diào)查以耐污種群和中等耐污種群為主,分別占41.30%和45.65%,敏感種群僅占13.05%.其中4個(gè)優(yōu)勢(shì)種的耐污值≥8.在汾河太原段進(jìn)入城區(qū)中游和下游段,各斷面以耐污種類為主,HBI生物指數(shù)顯示這些斷面多為重污染.與利用Shannon－Wiener多樣性指數(shù)評(píng)價(jià)的水質(zhì)級(jí)別比較受到有機(jī)污染的水體的級(jí)別高于HBI的評(píng)價(jià)級(jí)別.本次研究汾河太原段水質(zhì)由輕污—中污；而上游段古交灘上橋水質(zhì)為重污染,中游段和下游段水質(zhì)較差也基本為重污染.

本研究采用HBI生物指數(shù)研究汾河太原段水體質(zhì)量與基于理化數(shù)據(jù)對(duì)汾河太原段水質(zhì)研究基本一致,說明本研究選用的生物指數(shù)能反映汾河太原段的水質(zhì)狀況.而利用大型底棲動(dòng)物群落特征,采用底棲動(dòng)物多樣性指數(shù)研究汾河太原段水體質(zhì)量的規(guī)律還有待于進(jìn)一步研究.

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Community Structure of Macrozoobenthos and Bioassessment of Water Quality in Fenhe River

LI Anping,GAO Jinhua
（Department of Biology Taiyuan Normal University,Taiyuan 030031,China）

In May（the wet season）and October（the dry season）2014,macrozoobenthic assemblages were investigated in Fenhe River of Tai Yuan.The results showed that：①During the investigation,4phylums 6classes 27farmilies 46taxa were collected.②Limnodrilus hoffmeisteri、Branchiura dowerbyi、Radix sp、Bellamya aeruginosa、Propsilocerusi sp.Chironomus flaviplumus dominated the community with high abundance and biomass.Ephemera sp.and Hydropsy chidae were increased during the wet season.③Average density and biomass of macrozoobenthos were 226.15ind·m－2and 10.526g·m－2,respectively.Divided by the value of tolerance,stain tolerance and moderate stain tolerance population were the dominants totaling 86.95%.④The density（P＝0.416）and biomass（P＝0.917）of macrozoobenthos showed no significant difference.Spearman correction analysis showed that the distribution of aquatic insects was correlated positively with water transparency and dissolved oxygen and had a negative relation with total nitrogen and total phosphorus.Oligochaeta was correlated negative relation with transparency and dissolved oxygen,There was no significant relationship between the distribution of Mollusca and environmental factors.⑤Based on BI biological index of macrozoobenthos,water quality in Fenhe River was assessed.The results indicated that the water quality of majority sampling sites in Taiyuan segment of Fenhe River was suffered moderate to serious pollution.

macrozoobentos；community structure；environmental factors；water quality assessment；Fenhe River of Taiyuan

1672－2027（2016）04－0081－06

Q958

A

2016－08－27

山西省科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目（2013091004－0106）.

李安萍（1962－）,女,山西太原人,碩士,太原師范學(xué)院生物系副教授,主要從事動(dòng)物學(xué)和動(dòng)物生態(tài)學(xué)研究.