龍子祠泉域底棲動物群落組成及水質(zhì)生物學(xué)評價

韓明利 ，梁文明 ，張元 ，張大偉 ，崔松林

（1.山西省水產(chǎn)育種養(yǎng)殖科學(xué)實驗中心，山西 清徐 030400；2.山西省水產(chǎn)科學(xué)研究所，山西 太原 030006）

龍子祠泉域為山西省19處巖溶大泉之一，位于山西省臨汾市市區(qū)西南13km的西山山前，泉水出露于西山與臨汾盆地交接處的坡積物中，大多以散流形式溢出地表，流向臨汾盆地，匯入汾河。泉域水溫較恒定，年變幅小于2℃，常年保持在17℃左右，泉水補給來源遠(yuǎn)而穩(wěn)定[1]。龍子祠泉域內(nèi)主要有躍進(jìn)渠和母子河兩條水系。躍進(jìn)渠（又名“七一渠”）由青石砌成，穿村而過，水位深（平均水深超過1.5m），水流速度緩慢，水生植物較少；母子河為發(fā)源于龍子祠泉的自然溪流，由西向東最終匯入汾河。母子河水流較躍進(jìn)渠緩，水位較淺，砂礫型底質(zhì)，兩岸分布大量水生植物，上游優(yōu)勢種群是篦齒眼子菜Potamogeton pectinatus，下游優(yōu)勢種群為空心蓮子草Alternanthera Philoxeroides。母子河也穿村而過，沿河兩岸還分布有水產(chǎn)養(yǎng)殖場及休閑餐飲場所。

多年來，龍子祠泉域水資源開發(fā)為臨汾市經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展作出了積極貢獻(xiàn)，如開采深井、泉域內(nèi)煤炭開采、泉域周邊的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)田灌溉、生活污水處理等。然而，隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，泉域周邊用水量與日俱增，泉水流量明顯下降，尤其是水生態(tài)環(huán)境，如水生生物群落和生物多樣性遭到嚴(yán)重破壞[2]。因此，泉域底棲動物資源調(diào)查為保護(hù)龍子祠泉域水環(huán)境及其水生生物多樣性具有重要的意義。

底棲動物處于水生態(tài)系統(tǒng)食物鏈的中間環(huán)節(jié)，在能量流動和物質(zhì)循環(huán)中起著重要的作用[3]，是海洋、江河流域、湖泊、巖溶泉域及水庫水生態(tài)系統(tǒng)中的重要生物類群。底棲動物在底層攝食、掘穴及爬動，促進(jìn)底泥中有機(jī)碎屑的分解，加速泥水界面的物質(zhì)交換，起到凈化水質(zhì)的作用。與其他生物相比，多數(shù)底棲動物分布廣、生活周期長、遷徙能力弱、易于采集和識別，是水質(zhì)生物學(xué)評價中應(yīng)用最廣泛的一類生物[4,5]。目前底棲動物調(diào)查研究中，多為海域[6]、江河流域[7,8]、湖泊[9]及水庫[10]，而巖溶泉域底棲動物調(diào)查研究卻鮮有報道。

本研究于2016年5月20—26日和7月25—30日對龍子祠泉域底棲動物進(jìn)行調(diào)查，研究龍子祠泉域母子河4個采樣點底棲動物群落組成，利用Margalef豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)和Goodnight-Whitley生物指數(shù)等對這4個采樣點的水質(zhì)進(jìn)行生物學(xué)評價，以期為龍子祠泉域水環(huán)境和水生生物保護(hù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與采樣點設(shè)置

在兩條水系中，躍進(jìn)渠較難進(jìn)行底棲動物標(biāo)準(zhǔn)化采集，因此，本研究以母子河全段為調(diào)查區(qū)域。根據(jù)地理位置、水深、水流速、周邊環(huán)境、水體透明度及人類活動密集程度等因素，從上游到下游沿母子河依次設(shè)置4個采樣點：臨汾水廠、鱘養(yǎng)殖場、官磑村和入汾河口采樣點（圖1）。用GPS定位各采樣點坐標(biāo)，記錄地理位置及現(xiàn)場環(huán)境信息（表1）。

圖1龍子祠泉域采樣點位圖Fig.1 Sampling sites in LongZiCi Karst Spring

臨汾水廠采樣點位于母子河最上游，主要是泥砂底質(zhì)，水較淺，清澈見底，水流速度較快；鱘養(yǎng)殖場采樣點底質(zhì)上層為污泥，下層為砂，較上游水深，約40～50cm，周邊散布有養(yǎng)殖場；官磑村采樣點為礫砂底質(zhì)，水質(zhì)清澈見底，周邊密布村落；入汾河口采樣點位于母子河最下游，底質(zhì)為較厚的污泥，水深約50～60cm，水質(zhì)混濁，透明度不高。上述采樣點中，前3個采樣點水生植物優(yōu)勢種群是篦齒眼子菜Potamogeton pectinatus，入汾河口采樣點水生植物優(yōu)勢種群是空心蓮子草Alternanthera Philoxeroides。

1.2 底棲動物采集方法

用開口為30cm×30cm的蘇泊網(wǎng)采集底棲動物，每個點每次隨機(jī)采集3個平行樣，采集面積共0.27m2。將采集的樣品放入已編號的封口袋中，加入10%福爾馬林溶液固定，帶回實驗室進(jìn)一步挑揀、鑒定、分類、計數(shù)和稱重。個體較大底棲動物，如腹足綱、蜻蜓目等用肉眼觀察，小型底棲動物用解剖鏡或顯微鏡觀察鑒定；稱重前，先用濾紙吸干樣品表面殘留固定液，用感量為0.0001g的電子天平稱重，軟體動物不去殼稱重，對筑巢類水生昆蟲去巢稱重。

1.3 水質(zhì)生物學(xué)評價指標(biāo)

1.3.1 Margalef豐富度指數(shù)（d）[11]

d=（s-1）/InN，式中 s為物種種類數(shù)，N 為底棲動物個體總數(shù)。

表1采樣點坐標(biāo)及現(xiàn)場記錄Tab.1 The coordinates of sampling sites and field records

1.3.2 Shannon-Wiener指數(shù)（H）[12]

1.3.3 Goodnight-Whitley生物指數(shù)（GBI）[13]

上述3種指數(shù)對水質(zhì)評價的標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 3種指數(shù)水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Criteria of three indices of water quality evaluation

1.3.4 敏感種生物指數(shù)[14]：

敏感種生物指數(shù)水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)為：60以上為正常值；10～60為中度污染；10以下為重度污染。

2 結(jié)果與分析

2.1 群落組成

本次調(diào)查共采集底棲動物4門7綱30屬（種）(表3)，其中，節(jié)肢動物門2綱：昆蟲綱和甲殼綱，共有16屬（種）；軟體動物門2綱：腹足綱和瓣鰓綱，共有9屬（種）；環(huán)節(jié)動物門2綱：寡毛綱和蛭綱，共4屬（種）；扁形動物門僅渦蟲綱1綱，1屬（種）。節(jié)肢動物門、軟體動物門、環(huán)節(jié)動物門和扁形動物門底棲動物種類數(shù)占總種類數(shù)比例分別為53.33%、30.00%、13.33%和3.33%。昆蟲綱和環(huán)節(jié)動物門寡毛綱個體數(shù)量最多，軟體動物總生物量最高（圖2）。在4個采樣點中，在臨汾水廠采集到18屬（種），其中昆蟲綱種類最多，有10屬（種），占55.60%；鱘養(yǎng)殖場采集到16屬（種），其中軟體動物占37.50%；官磑村采集到16屬（種），軟體動物和節(jié)肢動物分別占37.50%和43.75%；入汾河口采集到8屬（種），寡毛綱數(shù)量最多，占60.00%。

4個采樣點中，官磑村采集到的底棲動物個體數(shù)最多（3 290.74頭/m3），總生物量最高（89 244.81 mg/m3）；鱘養(yǎng)殖場次之；入汾河口底棲動物個體數(shù)（138.39 頭 /m3），總生物量最低（2 115.56mg/m3）；臨汾水廠底棲動物個體數(shù)相對較多，但個體較小，其總生物量較低（圖3）。

2.2 水質(zhì)評價結(jié)果

圖2 龍子祠泉域7綱底棲動物各類群的總生物個體數(shù)和總生物量Fig.2 The total biological individuals and total biomass of each group of zoobenthosin seven classesin LongZiCi Karst Spring

圖3 龍子祠泉域4采樣點底棲動物總個體數(shù)和總生物量Fig.3 The total number of individuals and total biomass of zoobenthos in four sites in LongZiCi Karst Spring

由表4可知，4個采樣點Margalef豐富度指數(shù)均在2.0到3.0范圍內(nèi)，表明水質(zhì)受到了輕度污染；Shannon-Wiener指數(shù)均小于1，據(jù)此判斷水質(zhì)受到了重度污染；Goodnight-Whitley生物指數(shù)表明，鱘養(yǎng)殖場和入汾河口受到中度污染，而臨汾水廠和官磑村水質(zhì)相對清潔；敏感種生物指數(shù)表明，臨汾水廠和官磑村受到中度污染，而鱘養(yǎng)殖場受到重度污染，入汾河口未采集到蜉蝣目和石蛾類，數(shù)值為0。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境和水質(zhì)生物學(xué)評價指標(biāo)綜合判斷，臨汾水廠和官磑村為中度污染，鱘養(yǎng)殖場和入汾河口為重度污染。

3 討論

3.1 水環(huán)境對底棲動物群落結(jié)構(gòu)的影響

官磑村水質(zhì)較好，底質(zhì)主要為礫砂型。有研究報道，粗砂和細(xì)砂底質(zhì)水體通常底棲動物生物量最低，而礫砂底質(zhì)生物量最高[15]。France對加拿大11個湖泊的比較研究表明，礫砂型底質(zhì)對底棲動物現(xiàn)存量的貢獻(xiàn)很高[16]。上游有些養(yǎng)殖戶養(yǎng)殖廢水中的殘餌、有機(jī)碎屑等順流而下，為該處底棲動物提供了豐富的食物來源。因此在4個采樣點中，官磑村底棲動物個體總數(shù)和總生物量最高。

表3龍子祠泉域各采樣點采集底棲動物種類名錄Tab.3 Composition and distribution of zoobenthos in each sampling site in LongZiCi Karst Spring

調(diào)查期間發(fā)現(xiàn)，鱘養(yǎng)殖場上游還有諸多休閑餐飲場所，生活廢水與養(yǎng)殖廢水中的殘餌等有機(jī)碎屑為底棲動物提供了豐富食物來源，不可避免地污染了水體。該采樣點底質(zhì)上層為黑色污泥，下層為砂。這可能是該采樣點底棲動物個體總數(shù)和總生物量少于官磑村采樣點的主要原因。

表4 水質(zhì)生物學(xué)評價指數(shù)結(jié)果Tab.4 The results of biological assessment of water quality

臨汾水廠處于龍子祠泉源頭，母子河最上游，水產(chǎn)養(yǎng)殖戶較少，水體中營養(yǎng)物質(zhì)含量較少，水流速度快，因此該處底棲動物個體總數(shù)和總生物量較低。

入汾河口采樣點底棲動物個體數(shù)和總生物量最少，主要與該處地理位置和水環(huán)境有關(guān)。入汾河口位于母子河下游最末端，上游各種污染物以不同方式進(jìn)入水體，超出了水體自凈能力，底質(zhì)為較厚的淤泥，呈現(xiàn)富營養(yǎng)化。底棲動物多樣性和豐富度隨底質(zhì)穩(wěn)定性和有機(jī)物增加而增加，但有機(jī)質(zhì)過于豐富反而會導(dǎo)致水體缺氧，底棲動物豐富度下降[15]。

臨汾水廠、鱘養(yǎng)殖場和官磑村采樣點的水生植物主要是沉水植物篦齒眼子菜，而入汾河口采樣點主要是挺水植物空心蓮子草。自然狀態(tài)下，空心蓮子草在富含有機(jī)質(zhì)（如生活污水）的環(huán)境中生長快、種群數(shù)量大、長勢旺盛，在一定程度上也能起到凈化水質(zhì)的作用，但該采樣點因污染嚴(yán)重，水體透明度較低，水生植物生態(tài)型主要是挺水植物，沉水植物稀少，缺少了沉水植物作為必要的躲避及攝食場所，影響了底棲動物生存。

3.2 水質(zhì)生物學(xué)評價

4個采樣點的Margalef豐富度指數(shù)均在2.0～3.0范圍內(nèi)，表明該泉域受到了輕度污染，評價結(jié)果與實際狀況不符。該指數(shù)只與底棲動物數(shù)量和種類數(shù)有關(guān)，與采樣面積和生物量無關(guān)。雖然該指數(shù)能用于評價區(qū)域物種豐富度和水質(zhì)狀況，能較客觀地反映水體污染狀態(tài)和水質(zhì)變化情況[17]，但是不符合該泉域水環(huán)境評價。

Shannon-Wiener指數(shù)在0.5～1.0范圍內(nèi)，表明該泉域這4個采樣點都受到了重度污染，這與實際環(huán)境狀況不符。在底棲動物采集過程中，受地理位置選擇和采集工具的局限，不可避免地會有一部分底棲動物被遺漏。在底棲動物鑒定過程中，由于巖溶泉域的一些底棲動物個體較小，挑揀時也難免遺漏，而且部分底棲動物很難鑒定到種。如果忽略種間個體數(shù)量對底棲動物群落多樣性貢獻(xiàn)的差異顯然不合理[18]。顏京松等[19]應(yīng)用不同生物指數(shù)評價甘肅境內(nèi)黃河干支流枯水期水質(zhì)時也曾提出，Shannon-Wiener指數(shù)用于反映水體污染狀況不夠精確。

Goodnight-Whitley生物指數(shù)分析表明，臨汾水廠和官磑村采樣點水質(zhì)清潔，與實際情況不符，而鱘養(yǎng)殖場采樣點和入汾河口采樣點污染較嚴(yán)重，與實際情況相符。Goodnight-Whitley生物指數(shù)（GBI）主要運用顫蚓類與底棲動物總數(shù)的比值來作評價。顫蚓類屬環(huán)節(jié)動物寡毛類，生活于淤泥中，能耐受有機(jī)物污染引起的缺氧環(huán)境，而且個體較粗大，生活相對固定，常被人們作有機(jī)物污染指示生物。臨汾水廠和官磑村采樣點顫蚓類數(shù)量偏少，而鱘養(yǎng)殖場和入汾河口采樣點底質(zhì)為淤泥，顫蚓類數(shù)量比較豐富，尤其在鱘養(yǎng)殖場采樣點。

敏感種生物指數(shù)分析表明，臨汾水廠和官磑村采樣點水質(zhì)為中度污染，鱘養(yǎng)殖場和入汾河口采樣點為重度污染，該評價結(jié)果與實際情況最為貼切。敏感種生物指數(shù)主要借助蜉蝣目和石蛾類在底棲動物總數(shù)中的比例來評價水質(zhì)。蜉蝣目和毛翅目（石蛾類屬于毛翅目）對水質(zhì)污染均較敏感[20]，在污染水體中存活量減少甚至消失。臨汾水廠位于母子河上游，污染源較少；官磑村位于鱘養(yǎng)殖場下游，養(yǎng)殖戶少，該處篦齒眼子菜較多，底質(zhì)也較好，有大量螺蚌，凈化水質(zhì)的作用較大，所以官磑村采樣點水質(zhì)為中度污染。上述兩個點蜉蝣目和石蛾類底棲動物較多。雖然鱘養(yǎng)殖場采樣點也有大量篦齒眼子菜和大量腹足綱（主要是螺），但該點附近分布有養(yǎng)殖戶，水產(chǎn)動物排出大量糞便、殘餌的自然分解超出了水體的自凈能力范圍，污染較為嚴(yán)重，蜉蝣目和石蛾類底棲動物很少。而入汾河口采樣點沒有采集到蜉蝣目和石蛾類，因為該點位于母子河最下游，上游及周邊大量污染物進(jìn)入，超過了水體自凈能力，造成該處污染尤為嚴(yán)重。

3.3 小結(jié)

龍子祠泉域4個采樣點受人為因素造成的各自水環(huán)境變化和污染程度不同，底棲動物種群、數(shù)量、時空分布存在明顯差異。在不同環(huán)境條件下每種水質(zhì)評價指標(biāo)的結(jié)果不盡相同，適用性也不同。綜合分析發(fā)現(xiàn)，敏感種生物指數(shù)分析最適用于龍子祠泉域水質(zhì)生物學(xué)評價。

本次底棲動物調(diào)查發(fā)現(xiàn)，龍子祠泉域上游水質(zhì)相對較好，鱘養(yǎng)殖場及周邊養(yǎng)殖區(qū)屬人為因素，水產(chǎn)養(yǎng)殖或多或少地破壞了當(dāng)?shù)厮h(huán)境。入汾河口處于母子河最下游，上游各種污染物的排入，污染最為嚴(yán)重，水生植物遭到破壞，底棲動物數(shù)量減少，污染敏感性物種無法生存。鱘養(yǎng)殖場和入汾河口水體較臨汾水廠和官磑村受污染程度大。

本研究以底棲動物為環(huán)境評價生物表明，龍子祠泉域水環(huán)境和水生生物受到了一定程度的威脅，為該泉域水資源環(huán)境及水生生物保護(hù)提供了參考。建議相關(guān)職能部門應(yīng)建立巖溶水資源保護(hù)區(qū)及合理的水資源開發(fā)體系，實行巖溶泉域水資源統(tǒng)一管理和合理配置。