深圳大鵬半島主要河流底棲動物群落結(jié)構(gòu)及水質(zhì)生物學評價

陳皓陽，趙 瑞，李靜納，魏麗麗，童曉立

(華南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院昆蟲學系，廣州 510642)

大型底棲動物是河流生態(tài)系統(tǒng)中最常見、最重要的生物類群之一，在河流生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動以及物質(zhì)循環(huán)中扮演重要角色，對維持河流生態(tài)系統(tǒng)的平衡起著十分重要的作用(Wallace and Webster，1996；Dodds，2002)。此外，因大型底棲動物生活史長，移動能力弱，易于采集，且對多種人為干擾和污染導致的水環(huán)境的變化相當敏感，在許多研究中常將其作為水質(zhì)健康評價的指示生物(蔡永久等，2014；Huangetal.，2015；Kaboréetal.，2016)。因此，大型底棲動物是了解河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的關(guān)鍵類群，且作為水生生態(tài)系統(tǒng)食物鏈的重要環(huán)節(jié)，對維持河流生態(tài)系統(tǒng)完整性有著至關(guān)重要的作用。

大鵬半島位于深圳東南部海岸，三面環(huán)海，由北半島、南半島及其間的頸部連接地帶組成，形似啞鈴，屬于山地性半島，是深圳市目前面積最大、保存最為完好的生態(tài)區(qū)域。其中以古火山遺跡及海岸地貌為特征的大鵬半島國家地質(zhì)公園位于半島的中南部。獨特的火山地質(zhì)地貌，使得半島上的河流具有“短小且呈放射狀入?！钡奶攸c，各河流之間相對獨立，且最長的河流不超過10 km。這類河流的生態(tài)系統(tǒng)承載力通常比較低，自凈能力也較弱，河流一旦受到污染或河道形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，其生態(tài)系統(tǒng)很容易遭受破壞，并導致底棲動物多樣性下降(Dodds，2002；Giorgioetal.，2016)。由于大鵬半島河流底棲動物的資源狀況迄今尚未進行過系統(tǒng)性本底調(diào)查，因此，本研究的主要目的旨在了解大鵬半島河流底棲動物的本底資源，分析其群落結(jié)構(gòu)并進行水質(zhì)生物學評價，為大鵬半島的河道改造及河流生境的恢復與管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣點概況

依據(jù)大鵬半島上河流的長度及生境特點，于2013年5月選擇了主要的4條河流(葵涌河、王母河、鵬城河和東涌河)作為調(diào)查對象?？亢游挥诳挎?zhèn)，全長約6 km，由2條二級溪流組成，其中一條源自葵涌西北面的豐樹山，另一條源自葵涌東北面的深水田。2條河流均流經(jīng)葵涌鎮(zhèn)，在虎地排匯合往南匯入大海；王母河位于大鵬鎮(zhèn)，源自大鵬鎮(zhèn)西北面的福疊山，全長約8 km。王母河貫穿整個大鵬鎮(zhèn)，往東南方向在龍岐路附近的水頭村匯入大海；鵬城河位于大鵬鎮(zhèn)，源自打馬瀝水庫，全長約3 km，在較場尾附近匯入大海；東涌河位于南澳鎮(zhèn)，源自大石里水庫，全長約5 km，流經(jīng)國家地質(zhì)公園，受人為干擾活動較少，在東涌村附近匯入大海。本研究在上述河流共設(shè)置15個調(diào)查樣點(圖1，表1)進行大型底棲動物的種類調(diào)查，并采用便攜式流速儀(EW-FFLOW32101)和卷尺對各采樣點的平均流速、水深及河寬等數(shù)據(jù)進行了測定。各樣點的底質(zhì)類型則根據(jù)各種底質(zhì)在索伯網(wǎng)中所占比例大小來確定(Barbouretal.，1999)。

1.2 樣品采集方法

在采樣河段30 m范圍內(nèi)，根據(jù)生境特點，采用索伯網(wǎng)(0.09 m2，80目孔徑)對大型底棲動物進行定量采樣，每個樣點重復采樣3～4次。同時使用D形網(wǎng)進行定性采集，采集范圍盡量涵蓋樣點的各種生境。在采樣現(xiàn)場將采獲的標本直接放入裝有80%乙醇的封口袋中，帶回室內(nèi)將大型底棲動物揀出，存放在85%乙醇中，并在解剖鏡下進行鑒定和計數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析

香農(nóng)-維納多樣性指數(shù)(Shannon and Weaver，1950)

式中：N表示樣本中屬或種的個體總數(shù)，S表示樣本中總物種數(shù)，ni表示第i屬或種的個體數(shù)。本文采用5級水質(zhì)生物評價標準(王備新和楊蓮芳，2004)見表2。

表1 大鵬半島河流各樣點環(huán)境特征

表2 Shannon-Weiner多樣性指數(shù)和BI生物指數(shù)水質(zhì)評價標準

生物指數(shù)(Hilsenhoff, 1987, 1988; Lenat, 1993)

式中：N表示樣本中屬或種的個體總數(shù)，S表示樣本中總物種數(shù)，ni表示第i屬或種的個體數(shù)，Ti表示第i屬或種的耐污值。耐污值的范圍為0～10，數(shù)值越大，代表耐污能力越強。本文采用的耐污值和生物指數(shù)(BI)評價水質(zhì)的標準(表2)是在參考國內(nèi)外相應類群耐污值的基礎(chǔ)上(Hilsenhoff, 1987, 1988; Lenat, 1993; Reshetal., 1995; 王備新和楊蓮芳, 2004; 吳東浩等, 2011)，根據(jù)廣東省北江、東江和流溪河等流域的實際調(diào)查數(shù)據(jù)修訂而成的(唐三保，2005；段波，2009；李真，2011)。

優(yōu)勢度公式(徐兆禮和陳亞瞿，1989)

Y=(ni/N)·fi

式中：ni為第i種的個體數(shù)，fi為第i種在各位點出現(xiàn)的頻率，N為出現(xiàn)的總個體數(shù)。當Y≥0.02時該種為優(yōu)勢種。

2 結(jié)果與分析

2.1 底棲動物群落組成與分布

在深圳大鵬半島4條河流的15個采樣點共采獲大型底棲動物971頭，隸屬3門7綱12目21科35種(表3)，其中水生昆蟲26種(占底棲動物種類數(shù)74.3%)。底棲動物的主要類群分別為雙翅目(占總個體數(shù)的59%)、寡毛類(占16%)和蜉蝣目(占13%)，常見類群為淡水螺類(占8%)和水蛭(占2%)，其余均為稀有類群。在4條主要河流中，東涌河底棲動物種類最多，達23種，葵涌河次之(表3)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大鵬半島底棲動物的種類分布極不均勻，大多數(shù)水生昆蟲種類，特別是EPT(蜉蝣目+襀翅目+毛翅目)敏感類群主要集中在水質(zhì)清澈的葵涌河源頭豐樹山和東涌河的木棉樹樣點，其中東涌河木棉樹樣點的底棲動物的多樣性指數(shù)最高(表5)，且多數(shù)為耐污能力較低的清潔種類，如蜉蝣目(如臺灣四節(jié)蜉Beatistaiwanensis，畢氏扁四節(jié)蜉Platybaetisbishopi和宜興亞非蜉Afronurusyixingensis等)、襀翅目(如石蠅Perlasp.)和毛翅目(如經(jīng)石蛾Ecnomussp.)。而流經(jīng)市區(qū)的大部分河段底棲動物物種多樣性則顯著降低，主要以富營養(yǎng)型水體的代表，如搖蚊幼蟲、蚊科幼蟲、霍氏水絲蚓和顫蚓等耐污種類為主。

2.2 大鵬半島主要河流底棲動物的優(yōu)勢種

根據(jù)優(yōu)勢度(Y)的統(tǒng)計結(jié)果(表4)，大鵬半島4條主要河流的優(yōu)勢種介于5～8種之間，其中直突搖蚊亞科、長足搖蚊亞科和霍氏水絲蚓是這些河流的共有優(yōu)勢種。但東涌河比其它河流多了3種對水質(zhì)變化較敏感的優(yōu)勢種：臺灣四節(jié)蜉Baetistaiwanensis、大圖四節(jié)蜉Beatistatuensis和真黎氏蜉Liebebiellavera。盡管4條河流的大型底棲動物優(yōu)勢種存在一定差異，但大多數(shù)河流主要以分布廣泛且具較強生態(tài)適應性和耐有機污染的搖蚊幼蟲、蚊科幼蟲、霍氏水絲蚓和顫蚓等優(yōu)勢種為主。這些優(yōu)勢種所處樣點的河段多受生活污水和工業(yè)廢水的影響，其河床底質(zhì)以富含有機質(zhì)的淤泥為主，水質(zhì)已變黑發(fā)臭。結(jié)果顯示這些河段的水體呈現(xiàn)富營養(yǎng)化的趨勢。

2.3 水質(zhì)生物學評價

在15個采樣河段中，由于龍岐路、較場尾和東涌樣點接近入?？?，受潮汐影響，水體已呈半咸水狀態(tài)，河岸植被也開始出現(xiàn)紅樹林植物(如秋茄)及其伴生植物(如厚藤)，屬于淡水和海水的交錯地帶，除了少數(shù)耐鹽性較強的搖蚊外，其他水生昆蟲已無法生存，僅采獲一些沙蠶、鉤蝦等潮間帶海洋底棲生物。因此，上述3個樣點的數(shù)據(jù)未參與本文的水質(zhì)生物學評價。

從表5中可以看出，Shannon-Weiner多樣性指數(shù)與生物指數(shù)(BI)的水質(zhì)評價結(jié)果差異較大。根據(jù)Shannon-Weiner多樣性指數(shù)的評價結(jié)果，除地質(zhì)公園和東涌河2個樣點的水質(zhì)為輕污染外，其它樣點的水質(zhì)均為中污染。而生物指數(shù)(BI)的評價結(jié)果顯示，石場村、銀葵路、王母河上游、公園路4個樣點與Shannon-Weiner指數(shù)評價結(jié)果一致，均為中污染；葵涌河的源頭豐樹山樣點和東涌河木棉樹樣點的水質(zhì)處于清潔狀態(tài)；深水田(葵涌河另一支流的源頭)、東涌河的地質(zhì)公園樣點及鵬城河樣點為輕污染；而葵新南、虎地排和文化廣場3個樣點的水質(zhì)為重污染。

表3 大鵬半島底棲動物種類分布與組成

表4 大鵬半島主要河流底棲動物優(yōu)勢種及優(yōu)勢度(Y≥0.02)

表5 大鵬半島主要河流的水質(zhì)生物學評價

3 結(jié)論與討論

本次調(diào)查在大鵬半島的主要河流中共采獲35種大型底棲動物，與我們之前在周邊地區(qū)(深圳龍崗河和惠州西枝江等)底棲動物種類的調(diào)查結(jié)果(未發(fā)表資料)相比，大鵬半島主要河流的底棲動物物種多樣性并不貧乏，但物種豐富度高的樣點主要集中在葵涌河源頭豐樹山和東涌河木棉樹等樣點，而王母河各樣點和葵涌河中、下游樣點的底棲動物優(yōu)勢類群和常見類群仍以廣泛分布且具較強生態(tài)適應性和耐有機污染的搖蚊幼蟲、蚊科幼蟲、霍甫水絲蚓、顫蚓和水蛭為主，生物多樣性明顯減少。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這些樣點所處的河段多為生活污水和工業(yè)廢水的主要受納區(qū)域，水體已變黑發(fā)臭，河床底質(zhì)以富含有機質(zhì)的淤泥為主，呈富營養(yǎng)化的趨勢。有研究表明，水體富營養(yǎng)化是導致大型底棲動物生物多樣性下降的原因(Duanetal., 2011)。

根據(jù)Shannon-Weiner多樣性指數(shù)的評價結(jié)果(表5)，大鵬半島主要河流的12個有效樣點中，只有東涌河2個樣點的水質(zhì)為輕污染，其它樣點的水質(zhì)均為中污染。但該評價結(jié)果與采樣現(xiàn)場的實際情況并不相符，例如，葵涌河所有樣點的香農(nóng)-維納多樣性指數(shù)值介于1.55～1.92，按該指數(shù)的評價標準其水質(zhì)均處于中污染狀態(tài)。但葵涌河源頭的豐樹山樣點水質(zhì)清澈見底，底棲動物種類豐富度最高，達14種，且以耐污能力較弱的清潔種類居多。而下游的虎地排樣點的水質(zhì)已變黑發(fā)臭，底棲動物種類雖然也有12種之多，但主要以耐污種為主，而且密度很高，如搖蚊亞科和霍氏水絲蚓的密度分別為318.5 ind/m2和107.4 ind/m2。顯然這2個樣點的實際水質(zhì)狀況并不在同一級別。而生物指數(shù)(BI)的評價結(jié)果顯示(表5)，葵涌河的源頭豐樹山樣點和東涌河木棉樹樣點的水質(zhì)為清潔狀態(tài)，深水田(葵涌河另一支流的源頭)、東涌河的地質(zhì)公園樣點及鵬城河樣點為輕污染，其余7個流經(jīng)市區(qū)和工業(yè)區(qū)的樣點分別為中污染(4個)和重污染(3個)，表明生活污水和工業(yè)廢水的直接排放對大鵬半島市區(qū)河段的底棲動物群落結(jié)構(gòu)及水質(zhì)已造成不同程度的影響。相比之下，生物指數(shù)評價結(jié)果比較客觀地反映出大鵬半島主要河流底棲動物群落結(jié)構(gòu)的變化及水質(zhì)的實際情況。香農(nóng)-維納多樣性指數(shù)是評價生物群落多樣性高低的重要參數(shù)，適用范圍很廣，過去也曾廣泛應用于水質(zhì)生物學評價(黃玉瑤和滕德興，1982；任淑智，1991)。但香農(nóng)-維納多樣性指數(shù)僅僅能反映群落結(jié)構(gòu)的變化，卻無法體現(xiàn)群落中耐污種和清潔種的組成差異，這是該指數(shù)在水質(zhì)生物學評價應用中的缺陷。目前香農(nóng)-維納多樣性指數(shù)已不再建議單獨用于水質(zhì)生物學評價(吳東浩等，2011)。而生物指數(shù)的優(yōu)點是既考慮了生物本身耐污能力的差異，又兼顧了物種多樣性，同時又便于計算，結(jié)果簡明易懂，是一個應用前景良好、值得推廣的水質(zhì)生物學評價方法。

此外，由于河道改造工程，大鵬半島大多數(shù)河流的河道都經(jīng)過裁彎取直，護岸多經(jīng)過石材水泥硬化處理，有些甚至是“三面光”河道。這種河道硬化的處理措施雖然充分發(fā)揮了其行洪功能，保障了河道兩岸人民的生命財產(chǎn)安全，但也會改變河流的水文特征和自然形態(tài)，進而導致其生態(tài)功能受損。首先，河流渠道化增加了洪水的頻率和強度，使得底棲動物難以在短時間內(nèi)找到合適的庇護地，導致其數(shù)量減少(Colemanetal., 2011)，同時也削弱了河岸帶植被對河流的凈化作用，間接增加了水體污染的風險( Wangetal., 2012)。河流自然形態(tài)的變化，造成河流生境(如深潭、淺灘)的復雜性和異質(zhì)性降低(Greenwoodetal., 2012)。而生境異質(zhì)性的喪失又會導致生物多樣性減少，從而對有機物生產(chǎn)和營養(yǎng)傳遞等生態(tài)系統(tǒng)的功能造成影響(Weberetal., 2017)。同時也限制了河水與地下水的交換，加快了河道中水資源的流失(Royetal.，2003；Smith and Lamp，2008；Daviesetal.，2010)。河流形態(tài)多樣性是維持河流生物多樣性的基礎(chǔ)，而水生生物群落多樣性則是生態(tài)系統(tǒng)健康的保障(董哲仁，2003)。在自然河流中，不同生境的底棲動物群落組成往往具有明顯差異。相比于順直河道，蜿蜒的河段往往能提高生境的異質(zhì)性，進而能增加底棲動物的多樣性和物種豐富度(Nakamuraetal., 2014)。因此，根據(jù)大鵬半島河流的特點，目前在河道的改造和治理工作中，除了考慮其供水、泄洪和排污等社會經(jīng)濟功能外，還應該注意對河流自然形態(tài)的保護，防止河道渠道化，增加河流生境的復雜性和異質(zhì)性(Violinetal., 2011; Palmeretal., 2015)。