沁河山西段大型底棲動(dòng)物多樣性及水質(zhì)生物評(píng)價(jià)

惠曉梅,王愛花,李超*,任宇澤,郭新亞,寇竹娟

(1.山西省生態(tài)環(huán)境研究中心,山西 太原 030009;2.山西省生態(tài)環(huán)境廳自然生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境保護(hù)處,山西 太原 030024)

0 引言

大型底棲動(dòng)物作為河流中重要的生物之一,不僅在一定程度上凈化水體、反映水環(huán)境條件變化[1],還可以反映流域土地利用現(xiàn)狀[2]。作為水生態(tài)良好指示生物,諸多學(xué)者也非常重視大型底棲動(dòng)物在不同污染程度水體中的結(jié)構(gòu)組成特征[3],并試圖通過水體中底棲動(dòng)物的多樣性特征進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià),如采用不同的生物多樣性指數(shù)包括Shannon-Wiener指數(shù)[4]、Margalef豐富度指數(shù)[5]以及基于污染耐受性和敏感性計(jì)算的生物指數(shù)BMWP、ASPT、BI指數(shù)等[6-10]。針對(duì)我國(guó)水環(huán)境問題越來越突出的現(xiàn)狀,開展了較多相關(guān)研究[11-12],如王備新等[13]根據(jù)我國(guó)東部7個(gè)省市的底棲動(dòng)物數(shù)據(jù)與相應(yīng)的水質(zhì)等級(jí),確定了81個(gè)分類單元的耐污值,王軍[14]利用生物指數(shù)對(duì)新疆額爾齊斯河進(jìn)行了水質(zhì)評(píng)價(jià),并探明不同底棲動(dòng)物物種受不同環(huán)境因子的影響,徐夢(mèng)珍[15]研究了不同總氮濃度下各底棲動(dòng)物的出現(xiàn)頻率,得到不同底棲動(dòng)物對(duì)應(yīng)的水質(zhì)類型。

沁河作為山西省重要的河流之一,是晉城市最大的河流,其河流水生態(tài)現(xiàn)狀對(duì)社會(huì)發(fā)展至關(guān)重要。受工業(yè)、農(nóng)業(yè)污染、水資源過度開采、采砂開挖等人類活動(dòng)的影響,河流自然生境遭到破壞,各類水生生物種類、數(shù)量、結(jié)構(gòu)隨之發(fā)生改變[16-17]。雖然近年來開始關(guān)注水體污染治理,但主要是針對(duì)理化因子如化學(xué)需氧量、氨氮、總磷等是否符合地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),忽略了河流內(nèi)生物群落結(jié)構(gòu)的重要作用。2015年4月,國(guó)務(wù)院印發(fā)的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃(國(guó)發(fā)〔2015〕17號(hào))》,將水污染防治提升至水生態(tài)環(huán)境安全的高度;2015年底,山西省人民政府發(fā)布的《山西省水污染防治工作方案(晉政發(fā)〔2015〕59號(hào))》中,將大力推進(jìn)流域生態(tài)保護(hù)作為其中重要部分,提出了開展山西省各大河流(汾河、沁河、桑干河、滹沱河、沁河)水生生物多樣性調(diào)查評(píng)估工作,積極保護(hù)水生生物多樣性的要求。因此,為了解沁河山西段水生態(tài)現(xiàn)狀,于2017年針對(duì)沁河山西省段大型底棲動(dòng)物進(jìn)行了3次調(diào)查,時(shí)間分別為5月6日-9日、7月20日-23日、10月17日-19日,在分析其物種組成特性、多樣性現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,采用8種生物指數(shù)進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià),評(píng)估沁河水質(zhì)生物評(píng)價(jià)適用性,為河流環(huán)境監(jiān)測(cè)、污染控制、生態(tài)修復(fù)、生物多樣性保護(hù)等工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)位

沁河屬黃河一級(jí)支流,發(fā)源于山西省境內(nèi)長(zhǎng)治市沁源縣,從澤州縣山里泉流入河南省[18]。流域面積13 532 km2,在山西省境內(nèi)為12 304 km2。流域內(nèi)年降水量550 mm～750 mm,上游沁源縣、陽城縣以西、澤州縣以東為降水高值區(qū)。

根據(jù)底棲動(dòng)物棲息生境的多樣性進(jìn)行采樣河段選擇,從河流形態(tài)、水文、水質(zhì)、底質(zhì)類型、周邊土地利用類型等方面綜合考慮,共布設(shè)8個(gè)采樣河段(圖1),各河段命名符號(hào)規(guī)則從上游到下游干流按照G+序號(hào)依次編號(hào),支流以支流名稱首字母命名。由于沁河在山西境內(nèi)基本為石質(zhì)山區(qū)和土石山區(qū),各采樣河段除G2底質(zhì)以細(xì)砂為主外,其余均為卵石、碎石。各河段除G4外,水生植物分布較少,G4處存在較多狐尾藻和穿葉眼子菜。

注:G1:北石渠村,G2:麻池溝,G3:南莊,G4:石室村,G5:下韓王村,G6:后灘村,DS:南坪上村,D:圪針掌村Fig.1 Sampling sites distribution of macroinvertebrate圖1 大型底棲動(dòng)物采樣點(diǎn)位分布

1.2 采樣方法

大型底棲動(dòng)物的采集結(jié)合定性和定量的方法進(jìn)行。沁河山西段的自然河道屬于山溪性河流,水深較淺,因此定性采集采用D型網(wǎng),以考察河段底棲動(dòng)物的物種數(shù);定量采用索伯網(wǎng)(30 cm×30 cm),各個(gè)河段在3次調(diào)查中均隨機(jī)采集3個(gè)樣方?，F(xiàn)場(chǎng)將采集的泥樣置于40目網(wǎng)篩中,在清水中搖蕩,去除枯葉、樹枝、石塊等雜物后,再倒入白瓷盤中分揀。將分揀出的底棲動(dòng)物用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的甲醛溶液固定,帶回實(shí)驗(yàn)室鑒定、分類、計(jì)數(shù)[19-21],并采用千分之一電子天平進(jìn)行生物量測(cè)定。各河段水深(h)、流速(v)、水溫(T)、透明度(SD)分別采用測(cè)深桿、便攜式流速儀、溫度計(jì)、透明度管測(cè)定,各采樣河段水環(huán)境質(zhì)量等級(jí)參照山西省生態(tài)環(huán)境廳發(fā)布的沁河5月、7月和10月地表水水質(zhì)類別劃分。

1.3 分析方法

(1)各采樣河段的優(yōu)勢(shì)物種以相對(duì)數(shù)量占比大于10%確定。整條河流的優(yōu)勢(shì)種綜合考慮物種數(shù)量、重量及出現(xiàn)頻率的相對(duì)重要性指數(shù)(IRI)[22]來確定,當(dāng)IRI大于等于500時(shí),為優(yōu)勢(shì)種,公式為:

IRI=(N%+W%)×F%

(1)

式中,N%為個(gè)體數(shù)量比例,W%為重量比例,F%為出現(xiàn)該物種的頻率。

(2)生物多樣性采用Shannon-Wiener指數(shù)[4]和Margalef豐富度指數(shù)dM[5]進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中,dM指數(shù)表示物種的豐度,H指數(shù)體現(xiàn)物種分布的均勻性,計(jì)算公式及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

(3)水質(zhì)評(píng)價(jià)采用8個(gè)生物指數(shù)進(jìn)行,包括Shannon-Wiener指數(shù)H、Margalef指數(shù)dM、Goodnight-Whitley生物指數(shù)GI[23]、生物污染指數(shù)BPI、生物監(jiān)測(cè)記分BMWP指數(shù)[24]、科級(jí)生物指數(shù)FBI、ASPT指數(shù)[25]、BI指數(shù)。其中,GI指數(shù)重點(diǎn)關(guān)注耐污物種寡毛類的比例,BPI指數(shù)以寡毛綱、蛭綱、搖蚊幼蟲的占比大小評(píng)價(jià)水質(zhì),BMWP指數(shù)考慮河段中出現(xiàn)的所有科水平上的物種耐污值總和,ASPT指數(shù)是在BMWP基礎(chǔ)上除以總的科級(jí)單元數(shù),FBI指數(shù)計(jì)入了各物種的數(shù)量,BI指數(shù)是以種或?qū)偎缴系奈锓N耐污值[12-13]計(jì)算所得。表1列出了各指數(shù)的計(jì)算公式、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以及對(duì)應(yīng)的水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。以山西省生態(tài)環(huán)境廳發(fā)布的沁河山西段地表水水質(zhì)類別為標(biāo)準(zhǔn),分析生物指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確率,即評(píng)價(jià)水體類型一致的河段數(shù)占總河段數(shù)的比例。

表1 生物指數(shù)公式及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 群落結(jié)構(gòu)特征

2.1.1 物種組成

在沁河山西段共采集到底棲動(dòng)物38種,分屬4門7綱17目31科,表2為各底棲動(dòng)物物種名錄,其中,節(jié)肢動(dòng)物門有26種,環(huán)節(jié)動(dòng)物門3種,軟體動(dòng)物門8種,扁形動(dòng)物門1種。沁河山西段底棲動(dòng)物平均密度為165個(gè)/m2,平均生物量為22.29 g/m2。昆蟲綱的相對(duì)密度占比最大,為43.1%,甲殼綱次之;雙殼綱的相對(duì)生物量占比最大,為64.5%;寡毛綱和渦蟲綱占比最少,其中,渦蟲綱僅在5月調(diào)查到。

2.1.2 優(yōu)勢(shì)種

從IRI值(表3)看出,沁河山西段在不同時(shí)間大型底棲動(dòng)物優(yōu)勢(shì)種存在差異:3個(gè)月份優(yōu)勢(shì)物種數(shù)依次遞減,5月、7月份優(yōu)勢(shì)種均包括紅斑蜉;7月、10月份優(yōu)勢(shì)種均包括中華鋸齒米蝦,尤其在10月份,中華鋸齒米蝦的平均密度達(dá)到114個(gè)/m2(10月份沁河大型底棲動(dòng)物平均密度為161個(gè)/m2);河蜆在3個(gè)月份均為優(yōu)勢(shì)種。從各河段優(yōu)勢(shì)種分布(圖2)中可以發(fā)現(xiàn),5月、7月份中以紅斑蜉為優(yōu)勢(shì)種的河段較10月份多;7月、10月以中華鋸齒米蝦為優(yōu)勢(shì)種的河段分布于G4上游;以河蜆、銅銹環(huán)棱螺為優(yōu)勢(shì)種的河段集中在中下游。

表2 沁河山西段底棲動(dòng)物物種名錄

表3 沁河山西段大型底棲動(dòng)物5、7、10月份優(yōu)勢(shì)種

Fig.2 Changes of dominant species in different months in different sampling reaches圖2 各采樣河段不同月份優(yōu)勢(shì)種變化圖

2.1.3 密度及生物量時(shí)空變化

5月份大型底棲動(dòng)物物種數(shù)、密度及生物量最大(圖3),分別為31種、232個(gè)/m2和33.4 g/m2,其中,昆蟲綱相對(duì)密度占比最大,達(dá)67.0%;7月份密度及生物量最少,分別為101個(gè)/m2和16.26 g/m2,同樣地,昆蟲綱相對(duì)密度占比最大,為48.4%;10月份密度及生物量分別為161個(gè)/m2和17.17 g/m2,甲殼綱相對(duì)密度占比最大,為71.3%,昆蟲綱僅占5.35%。3個(gè)月份中均為雙殼綱相對(duì)生物量占比最大。

Fig.3 Time variation of macroinvertebrate density and biomass in Qin River of Shanxi圖3 沁河山西段底棲動(dòng)物密度及生物量時(shí)間變化

各采樣河段大型底棲動(dòng)物密度為11個(gè)/m2～442個(gè)/m2,生物量為1.23 g/m2～110.54 g/m2。從圖4可以看出,G3、G6河段平均密度及生物量均較高,G1、G4河段處平均密度較高,但生物量較低,G2、DS、D河段的密度及生物量均較低。

Fig.4 Spatial variation of macroinvertebrate density and biomass in Qin River of Shanxi圖4 沁河山西段底棲動(dòng)物密度及生物量空間變化

2.1.4 多樣性特征

表4為各河段Shannon-Wiener指數(shù)(H)、Margalef豐富度指數(shù)(dM)值,可以看出,沁河山西段H和dM平均值為1.20、1.55,按照生物多樣性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),大型底棲動(dòng)物物種并不豐富,多樣性一般。并且各個(gè)季節(jié)的H和dM值均在1.0～2.0之間,5月份H和dM均值略高于7、10月,其多樣性較好于7、10月。

各采樣河段中,干流G2河段H和dM值最高,分別為1.58、2.04,其物種豐度及多樣性較其余河段好。G4、D河段的多樣性指數(shù)值也較高,其中,D河段在5月份H和dM值均大于2.0。G1河段最低,僅為0.68、0.99,該河段在7月、10月多樣性指數(shù)值均低于1.0,在此期間調(diào)查到大量中華鋸齒米蝦,而其余物種數(shù)量較少,因此物種豐度及多樣性最差。DS河段的兩個(gè)多樣性指數(shù)在不同月份H和dM值也較低。

表4 各采樣河段三個(gè)月份中多樣性指數(shù)

2.2 水質(zhì)生物評(píng)價(jià)

表5為各河段不同月份山西省生態(tài)環(huán)境廳發(fā)布的地表水水質(zhì)類別以及生物指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果,可以看出:各采樣河段在3個(gè)月份的水質(zhì)類別均為Ⅰ～Ⅲ類,地表水水質(zhì)類別以及生物指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果均顯示5月份水環(huán)境質(zhì)量較其余月份好,G4以上河段以及D采樣河段水環(huán)境較好于其余河段。但不同指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果存在差異,H、dM顯示河段水體為中污染狀態(tài)居多,GI評(píng)價(jià)結(jié)果顯示各個(gè)河段均為輕污染,BPI除5月份的G1、G3、G6為中污染外,其余均呈現(xiàn)輕污染、清潔水體,而BMWP、ASPT在7月、10月的評(píng)價(jià)結(jié)果為重中污染居多。根據(jù)表6計(jì)算的各生物指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果與環(huán)保廳發(fā)布的地表水質(zhì)類別準(zhǔn)確度中看出,各指數(shù)評(píng)價(jià)準(zhǔn)確度并不高,其中,dM指數(shù)最高,為58.3%,其余均低于50%。基于物種耐污性的BMWP、ASPT、FBI、BI4個(gè)生物指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果中,FBI指數(shù)的準(zhǔn)確率相對(duì)較高,為41.7%,ASPT指數(shù)最低,僅為4.2%。

表5 生物指數(shù)評(píng)價(jià)及水環(huán)境質(zhì)量結(jié)果

表6 不同生物指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確度

3 討論

3.1 底棲動(dòng)物群落時(shí)空變化

傅鵬[26]在2010年調(diào)查的沁河山西段大型底棲動(dòng)物優(yōu)勢(shì)種主要為搖蚊幼蟲、水黽、中華鋸齒米蝦、淡水溪蟹、中華圓田螺、河蜆等。本次調(diào)查結(jié)果顯示,沁河山西段大型底棲動(dòng)物優(yōu)勢(shì)種包括紋石蠶、紅斑蜉、箭蜓科稚蟲、水黽、中華鋸齒米蝦、背角無齒蚌、河蜆,這可能是由于同一河流在不同采樣河段以及采樣時(shí)間,大型底棲動(dòng)物的生境狀況會(huì)存在差異,因此出現(xiàn)不同的結(jié)果。沁河山西段大型底棲動(dòng)物空間分布規(guī)律表現(xiàn)為,沁源縣下游(G2)、支流端氏河(DS)、丹河(D)底棲動(dòng)物密度、生物量較低,安澤縣、沁水縣、陽城縣(G1、G3-G6)河段底棲動(dòng)物密度、生物量較高,這是由于沁源縣下游(G2)處河床底質(zhì)為細(xì)砂,而砂質(zhì)河床不能給底棲動(dòng)物提供較為穩(wěn)定的生境[27],不利于底棲動(dòng)物的生存;并且大型底棲動(dòng)物分布受水量影響較大[28],支流端氏河(DS)、丹河(D)采樣處水量季節(jié)性變化顯著,加之端氏河上游植被覆蓋較差,不能為底棲動(dòng)物匯集較多食物碎屑或營(yíng)養(yǎng)鹽,因此以上河段采集到的底棲動(dòng)物分布較少;而安澤縣、沁水縣、陽城縣等干流河段上游來水較為穩(wěn)定,可為底棲動(dòng)物提供穩(wěn)定的生境,加之岸帶豐富的水草、大量農(nóng)田以及周邊城鎮(zhèn)、村莊生活污水的匯入也為底棲動(dòng)物提供了豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),因而底棲動(dòng)物較豐富。底棲動(dòng)物多樣性時(shí)間變化規(guī)律顯示,5月份的密度、生物量、多樣性較好于7月、10月份,這是由于水溫的升高可以促進(jìn)底棲動(dòng)物的生長(zhǎng)[29],5月份沁河流域氣溫開始持續(xù)回升,底棲動(dòng)物物種較為活躍,而10月份水溫較低(5月、7月、10月平均水溫分別為16.5℃、29.4℃、11.2℃),抑制了底棲動(dòng)物的繁殖。

3.2 水質(zhì)生物評(píng)價(jià)

采用多樣性指數(shù)以及基于生物污染敏感性計(jì)算的指數(shù)是當(dāng)前評(píng)價(jià)水體環(huán)境較為便捷、快速的方法,并在我國(guó)河流水質(zhì)評(píng)價(jià)中得到了較好的應(yīng)用[30]。如韓托[31]在沁河晉城地區(qū)的溪蟹調(diào)查中指出,在沁水縣上游的河流中溪蟹生存較好,下游以及丹河高平段基本無溪蟹生存,顯示了沁水縣上游水環(huán)境較下游及丹河高平段良好的現(xiàn)狀。本研究結(jié)果顯示,5月份除G4外,各河段優(yōu)勢(shì)種均包括清潔物種紋石蠶或紅斑蜉[21],這與山西省生態(tài)環(huán)境廳發(fā)布的沁河山西段5月份水質(zhì)類型總體好于其余月份具有一致性;G6河段處生活污水排污口上游未受污染的水體中采集到紅斑蜉,而在排污口以下河流中僅采集到搖蚊幼蟲一種,該物種為典型的耐污種[32]，這說明生物評(píng)價(jià)結(jié)果在一定程度上可以反映水體質(zhì)量現(xiàn)狀。王丑明[33]指出,Shannon-Wiener指數(shù)與BI指數(shù)結(jié)果具有一定差異,沈宏[34]在相關(guān)研究中得到GI指數(shù)與BPI指數(shù)的結(jié)果并不一致,冷龍龍[35]也認(rèn)為BMWP、ASPT、BP等不同的生物評(píng)價(jià)指數(shù)雖然可以有效指示河流富營(yíng)養(yǎng)化狀況,但對(duì)不同污染指標(biāo)(COD、NH3-H、TN等)的指示不同。本次采用的8個(gè)生物指數(shù)進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)中,生物指數(shù)結(jié)果與理化因子的評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確度均較低,除Margalef指數(shù)外,其余指數(shù)的一致性率均低于50%，原因是多方面的,如Shannon-Wiener指數(shù)、Margalef指數(shù)僅考慮了采樣點(diǎn)處物種的個(gè)體比例,未考慮物種本身對(duì)環(huán)境的耐受性;GI指數(shù)僅考慮了寡毛類在底棲動(dòng)物中的比例,其評(píng)價(jià)結(jié)果顯示各個(gè)河段均為輕污染,在污染程度并不大的河流中并不適合作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[36]。在有關(guān)研究中也指出,即使耐污值較大的底棲動(dòng)物也可能存在于干凈的水體中[15],如小蜉科、搖蚊科、蠓科、椎實(shí)螺科、蜆科等,在本次調(diào)查中G3河段既存在清潔物種紅斑蜉,還存在較多耐污種搖蚊幼蟲,并且不同地區(qū)的物種耐污性存在一定的差異。此外,研究中采樣河段與生態(tài)環(huán)境廳所布設(shè)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)站,在位置以及監(jiān)測(cè)時(shí)間上存在差異,這就導(dǎo)致參考的水質(zhì)類型與實(shí)際并不一致,如理化因子評(píng)價(jià)結(jié)果顯示沁河各個(gè)河段均在Ⅲ類水體以內(nèi),但在實(shí)際調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn),沁河下游G6河段存在生活污水排污口,采用快速試劑檢測(cè)到該處的TN濃度超過1.5 mg/L,實(shí)際顯示該河段水質(zhì)較差。諸多研究也指出生物指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果還受人類活動(dòng)對(duì)生境(如河床、水量等)的影響[37-38]。沁河山西段上游G1河段存在人為采砂、取石等現(xiàn)象,支流端氏河DS河段在7月份由于受修橋影響,部分河道底質(zhì)硬化，這表明采用生物指數(shù)評(píng)價(jià)水環(huán)境需要結(jié)合采樣河段的實(shí)際環(huán)境進(jìn)行分析,未來仍需進(jìn)一步對(duì)底棲動(dòng)物與水環(huán)境的潛在聯(lián)系進(jìn)行深入研究,為預(yù)警河流生態(tài)的變化提供更為準(zhǔn)確的信息[39-40]。