城郊湖泊大型底棲動物群落結構及其與環(huán)境因子的關系

摘 要：對武漢市5個城郊湖泊的底棲動物群落組成及與水環(huán)境因子的關系進行了研究.調查中共檢出底棲動物29種，主要優(yōu)勢種為霍甫水絲蚓（Limnodrilus hoffmeisteri）、環(huán)棱螺（Bellamya sp.）和水絲蚓（Limnodrilus sp.），均為喜有機質的耐污種；水體理化指標表明5個湖泊呈高度富營養(yǎng)化，除葉綠素a質量濃度之外，各湖的理化因子間存在顯著性差異.典范分析（CCA）與冗余分析（RDA）分析表明，水體中的總氮（TN）和總磷（TP）與環(huán)節(jié)動物密度正相關，與軟體動物呈負相關；透明度（SC）與各湖泊優(yōu)勢種相關性差異較大；葉綠素a則對優(yōu)勢種影響較弱或無明顯影響.基于底棲動物指示物種進行水質評價結果顯示，Wright指數(shù)評級偏優(yōu)，Goodnight-Whitley生物指數(shù)及BPI相對重要性指數(shù)近似，調查的5個城郊湖泊處于輕污染至β-中污染，與水質調查的結果相近.研究有助于準確掌握武漢市城郊湖泊生態(tài)系統(tǒng)的特征和狀態(tài)，為城郊湖泊資源的合理利用和生態(tài)修復提供科學依據.

關鍵詞：城郊湖泊;底棲動物;水環(huán)境因子;指示物種

中圖分類號：X524 文獻標志碼：A文章編號：1000-2367（2025）03-0035-07

湖泊生態(tài)系統(tǒng)具有調節(jié)氣候、提供生物棲息地等多種作用^［1］.大型底棲動物作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)中一個重要生物類群，因其獨特的生態(tài)特征而顯得尤為重要.它們擁有較長的生命周期、較弱的遷移能力、對環(huán)境變化敏感等特點，使得大型底棲動物成為反映湖泊生態(tài)環(huán)境健康狀態(tài)的生物指示器^［2-4］.在實際研究中，大型底棲動物在水質評價中廣泛應用，例如，馬陶武等^［5］利用大型底棲動物綜合生物指數(shù)評價了太湖水質，張翔等^［6］研究了太湖湖濱帶大型底棲動物群落結構與水質的緊密關系.近年來，隨著人類活動的不斷增加，湖泊水環(huán)境面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，其中水體富營養(yǎng)化問題尤為突出.這一現(xiàn)象不僅嚴重破壞了湖泊生態(tài)系統(tǒng)的平衡，也對大型底棲動物的群落結構產生了深遠的影響^［7-8］.因此，深入探討大型底棲動物群落結構與水環(huán)境因素之間的關系，對于湖泊水生態(tài)保護十分必要.

隨著城市的快速發(fā)展，人們對于城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)的影響不斷增加，一些原本位于城郊的湖泊逐步被城市包圍，這些湖泊富營養(yǎng)化問題日益顯現(xiàn)^［9-10］.但關于這些城郊湖泊底棲動物群落結構的研究卻相對匱乏.對這些湖泊的底棲動物群落結構進行調查，可以加深對城郊湖泊生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的理解，有助于準確掌握城郊湖泊生態(tài)系統(tǒng)的特征和狀態(tài).同時，探究城郊湖泊水環(huán)境因子與底棲動物群落結構之間的關系，可以進一步揭示城郊湖泊生態(tài)系統(tǒng)的運行機制，為城郊湖泊資源的科學合理利用和生態(tài)修復提供科學依據.

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域及樣點

研究聚焦武漢市黃陂區(qū)和漢南區(qū)的5個城郊湖泊，它們均處于北亞熱帶季風性氣候帶，區(qū)域內年降水量高，夏季高溫、雨熱同季.這些湖泊歷史上曾受大面積圍墾和水產養(yǎng)殖等人類活動影響，但自2015年《武漢市湖泊保護條例》實施以來，湖泊形態(tài)和面積變化較小，大規(guī)模的水產養(yǎng)殖已經逐步被取締，湖泊進入生態(tài)恢復階段.黃陂區(qū)安汊湖（114°9′23″E，30° 27′38″N）面積0.65 km²，平均水深0.85 m，布設樣點8個；黃陂區(qū)姚子海（114° 5′28″E，30° 21′20″N）面積1.8 km²，平均水深2.08 m，布設樣點10個；漢南區(qū)項家汊（114° 21′54″E，30° 45′31″N）面積0.70 km²，平均水深0.92 m，布設樣點6個；漢南區(qū)桂子湖（114° 27′2″E，30° 47′26″N）面積0.12 km²，平均水深3.11 m，布設樣點7個；漢南區(qū)西邊湖（114° 11′48″E，30° 46′25″N）面積0.46 km²，平均水深0.86 m，布設樣點13個.結合湖泊藍線與湖灣分布特點，樣點布設采用均勻布點法，并盡可能將樣點布設至所有湖灣.

1.2 樣品采集與分析

樣品采集與分析于2022年5月進行.使用塞氏盤現(xiàn)場測定樣點透明度（SC），其他指標帶回實驗室測試分析.其中，化學需氧量（COD）使用快速測定法，氨氮（NH₃-N）使用納氏試劑比色法，總氮（TN）使用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，總磷（TP）使用鉬酸銨分光光度法，葉綠素a（Chl a）使用分光光度法進行測定.底棲動物采樣點同水樣調查樣點，利用1/16彼得遜采泥器采集湖泊沉積物，用底棲生物網清洗后，帶回實驗室挑揀和固定.通過顯微鏡和解剖鏡觀察，將底棲動物鑒定到種，部分未定物種鑒定至屬.計數(shù)和稱重后，換算成每平方米的個體數(shù)量和生物量.

1.3 數(shù)據處理

1.3.1 相對重要性指數(shù)計算

使用相對重要性指數(shù)來確定湖泊中底棲動物中的優(yōu)勢物種^［7］.

I_IRI=（W_i+N_i）×F_i，

式中，I_IRI：相對重要指數(shù)；W_i：相對生物量，即某物種的生物量在總生物量中的比例；N_i：相對豐度，即某物種豐度在總豐度的比例；F_i：該物種出現(xiàn)的頻率百分比.

劃分標準：優(yōu)勢種：I_IRI＞1 000，重要種：500＜I_IRI≤1 000，常見種：200＜I_IRI≤500，一般種：100＜I_IRI≤200，少有種：I_IRI≤100.

1.3.2 指示物種生物學計算

指示物種生物學計算公式和評價標準如下^［11-13］.

①Goodnight-Whitley生物指數(shù)：

I_GW=（n/N）×100%，

式中，I_GW：Goodnight-Whitley生物指數(shù)；n：寡毛類個體數(shù)；N：底棲動物總個體數(shù).I_GW＞80%，表明水體受到重污染；80%≥I_GW＞60%，表明水體受到中等污染；60%≥I_GW＞30%，表明水質受到輕污染；30%≥I_GW，表明水質狀況良好.

②BPI生物學污染指數(shù)：

I_BPI=（lg（N₁+2）/lg（N₂+2）+lg（N₃+2）），

式中，I_BPI：BPI生物學污染指數(shù)；N₁：寡毛類、蛭類以及搖蚊幼蟲個體數(shù)；N₂：其他水生昆蟲個體數(shù)（除去多毛類、甲殼類、搖蚊幼蟲以外）；N₃：軟體動物個體數(shù).

I_BPI＞5.0，說明水體受到重污染；5.0≥I_BPI＞0.5，說明水體受到中污染；0.5≥I_BPI＞0.1，說明水體受到輕污染；；0.1≥I_BPI，說明水質狀況良好.

③Wright指數(shù)：I_W=每平方米寡毛類的數(shù)量，單位為ind./m².

I_W＞5 000，說明水體受到重污染；5 000≥I_W＞1 000，說明水體受到中污染；1 000≥I_W＞100，說明水體受到輕污染；100≥I_W，說明水質狀況良好.

1.3.3 數(shù)據統(tǒng)計

使用Microsoft Excel 2020、Origin 2022對水化指標進行數(shù)據處理、制作圖表，運用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進行單因素方差分析（One-way ANOVA），使用軟件Canoco 5對底棲動物密度-環(huán)境因子進行典范分析（CCA）和冗余分析（RDA）等^［14］.

2 結果及分析

2.1 城郊湖泊水體理化性質

根據本次調查結果顯示，5個城郊湖泊平均透明度（SC）處于（0.29±0.12） m至（0.70±0.49） m之間，除姚子海SC較高，其余湖泊SC均小于0.50 m.TN質量濃度在（0.87±0.41） mg/L至（3.19±1.17） mg/L之間，TP質量濃度在（0.13±0.01） mg/L至（0.28±0.05） mg/L之間，NH₃-N質量濃度在（0.25±0.32） mg/L至（0.72±0.21） mg/L之間，COD質量濃度在（12.71±0.76） mg/L至（18.31±1.55） mg/ L之間，葉綠素a質量濃度在（12.13±3.28） μg/L至（19.80 ±4.99） μg/L之間；綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TLI）在（60±2.17）至（68±1.59）之間，見圖1所示.表明這些水體均處于中度富營養(yǎng)化狀態(tài)（60＜TLI≤70）， TP均處于地表水Ⅴ類或劣Ⅴ類水質.

單因素方差分析表明，5個湖泊在SC、水深和營養(yǎng)鹽等理化因子上存在顯著差異（P＜0.05，見附錄表S1所示）；而葉綠素a質量濃度差異不顯著，可能因為水體營養(yǎng)鹽質量濃度高，足夠維持藻類生長，導致湖泊之間藻類葉綠素a差異不顯著（附錄表S1）.

2.2 城郊湖泊底棲動物群落結構

5個城郊湖泊共采集并鑒定出底棲動物3門29種，其中，姚子海共鑒定底棲動物3門14種，安汊湖共鑒定底棲動物2門5種，項家汊共鑒定底棲動物2門8種，桂子湖共鑒定底棲動物3門11種，西邊湖共鑒定底棲動物2門10種（附錄表S2）.5個湖泊底棲動物平均密度為363.24 ind./m²，其中，姚子海925.30 ind./m²，安汊湖127.72 ind./m²，項家汊446.60 ind./m²，桂子湖176.00 ind./m²，西邊湖140.60 ind./m².

根據底棲動物相對重要性指數(shù)計算結果，姚子海中霍甫水絲蚓（Limnodrilus hoffmeisteri）為優(yōu)勢種，水絲蚓（Limnodrilus sp.）為重要種，蘇氏尾鰓蚓（Branchiura sowerbyi）為一般種，其余物種為少有種；安汊湖中環(huán)棱螺（Bellamya sp.）為優(yōu)勢種，大沼螺（Parafossarulus eximius）為重要種，長角涵螺（Alocinma longicornis）為常見種，其余物種為少有種；項家汊中水絲蚓為優(yōu)勢種，小搖蚊（Microchironomus sp.）為重要種，前突搖蚊（Procladius sp.）為常見種，舌蛭（Glossiphonia sp.）、黃色羽搖蚊（Chironomus flaviplumus）、中國長足搖蚊（Tanypus chinensis）為一般種，其余物種為少有種；桂子湖中水絲蚓為優(yōu)勢種，長角涵螺、多足搖蚊（Polypedilum sp.）為常見種，其余物種為少見種；西邊湖中水絲蚓為優(yōu)勢種，蘇氏尾鰓蚓為重要種，舌蛭及前突搖蚊為常見種，其余物種為少見種（見附錄表S3）.

5個湖泊中，環(huán)節(jié)動物門顫蚓科的水絲蚓出現(xiàn)頻次最高，節(jié)肢動物門昆蟲綱的搖蚊科種類最多，兩者均為典型的耐污種.這些數(shù)據表明這些城郊湖泊的底棲動物主要為耐污種，水質污染可能比較嚴重.安汊湖的主要優(yōu)勢種為環(huán)棱螺，為一般耐污類群，而非耐污性更強的寡毛綱和昆蟲綱，其可能的原因是安汊湖已開展了生態(tài)修復，水生植物以人工種植的苦草為主且具有較高的生物量和蓋度.

2.3 環(huán)境因子對底棲動物密度的影響

典范分析（CCA）和冗余分析（RDA）的結果見附錄表S4.在姚子海軸1和軸2對物種的解釋率分別為67.56%和14.69%，葉綠素a對底棲動物種群密度貢獻度最高，為41.9%；在安汊湖軸1和軸2對物種的解釋率分別為85.56%和13.87%，SC對底棲動物種群密度貢獻度最高，為62.9%；在項家汊由于CCA分析結果不理想，改用RDA分析，軸1和軸2對物種的解釋率分別為66.98%和19.33%，特卡洛置換檢驗結果表明水質的4個指標影響了底棲動物種群密度（P＜0.05）；在桂子湖軸1和軸2對物種的解釋率分別為43.71%和29.56%，TN對底棲動物種群密度貢獻度最高，為39.6%（P＜0.05）；在西邊湖軸1和軸2對物種的解釋率分別為33.71%和32.42%，SC對底棲動物種群密度貢獻度最高，為29.8%.

通過篩選的環(huán)境因子（見附錄表S4），得出了5個湖泊中各物種與環(huán)境因子之間的關系（見附錄圖S1）.TN和TP與姚子海、桂子湖和西邊湖的優(yōu)勢種呈負相關，與安汊湖的優(yōu)勢種呈正相關；TP與項家汊的優(yōu)勢種呈負相關.TN和TP是導致水體富營養(yǎng)化的重要因素，當它們含量過高時，則導致底棲動物多樣性的下降.葉綠素a與安汊湖、桂子湖的優(yōu)勢種呈負相關性，與項家汊的優(yōu)勢種呈正相關性，對姚子海和西邊湖的優(yōu)勢種無明顯作用.SC與姚子海，桂子湖和西邊湖的優(yōu)勢種呈負相關性，對其余湖泊的優(yōu)勢種則無明顯作用.

2.4 城郊湖泊底棲動物對湖泊水環(huán)境質量評價

利用Goodnight-Whitley生物指數(shù)、BPI生物學污染指數(shù)和Wright指數(shù)，對上述城郊湖泊水質進行評判，結果見表1所示.根據I_GW指數(shù)得分，安汊湖（＜30%）和項家汊（＜30%）為清潔狀態(tài)，桂子湖（30%～60%）和西邊湖（30%～60%）為輕污染狀態(tài)，姚子海（＞60%～80%）為中污染狀態(tài)；根據I_BPI指數(shù)得分，安汊湖（0.1～0.5）為輕污染狀態(tài)，項家汊、桂子湖和西邊湖［0.5～1.5）為β-中污染狀態(tài)，姚子海［1.5～5.0）為α-中污染狀態(tài)；根據Wright 指數(shù)得分，安汊湖、項家汊、桂子湖和西邊湖（＜100 ind./m²）為清潔狀態(tài)，姚子海（100～999 ind./m²）為輕污染狀態(tài).因此，根據上述泊底棲動物對湖泊水環(huán)境質量評價結果，除安汊湖為清潔或輕污染外，其余4個湖泊均為中污染.

3 討 論

3.1 城郊湖泊底棲動物與水質的關系

目前已有多項研究表明，湖泊中底棲動物群落結構與水質之間存在緊密關系^{［4，15-16］}.底棲動物能夠分解和消耗沉積物中的有機質，從而調節(jié)水-沉積物界面之間的物質交換過程^［17］，這一過程有助于改善水體質量，減少有機污染物的積累.同時水質狀況也直接影響著底棲動物的種類、數(shù)量和分布^［5］.不同種類的底棲動物對水質的要求不同，一些底棲動物對水質較為敏感^［18］.本研究中，5個城郊湖泊歷史上均遭受嚴重圍墾和大規(guī)模水產養(yǎng)殖，匯集了流域內農田種植和水產養(yǎng)殖形成的面源污染，水體營養(yǎng)鹽水平高，呈現(xiàn)為地表水劣V類，藻類大量繁殖，導致底棲動物群落的種類組成和數(shù)量發(fā)生顯著變化，對環(huán)境敏感的類群消失，而耐污類群的優(yōu)勢地位突出^{［15，19］}.5個城郊湖泊中，底棲動物的優(yōu)勢種（霍甫水絲蚓、環(huán)棱螺和水絲蚓）、重要種和常見種均為富營養(yǎng)化水體中常見耐污類群，這種群落結構特征也表明了目前5個湖泊富營養(yǎng)化程度嚴重（如附錄圖S1所示）.

TN、TP和葉綠素a等水體理化因子均可影響底棲動物群落結構^［20-22］.本研究中，TN、TP等理化因子與各個湖泊中底棲動物優(yōu)勢類群表現(xiàn)出了復雜的對應關系.CCA及RDA分析表明，主要優(yōu)勢種霍甫水絲蚓、水絲蚓與TN和TP關系不顯著；環(huán)棱螺與TN呈正相關，與TP相關性不大；葉綠素a對主要優(yōu)勢種的密度呈現(xiàn)較低的相關性；透明度SC對主要優(yōu)勢種的密度產生負影響或無明顯影響.形成這些差異的原因，一方面是水體TP等營養(yǎng)的增加可能會導致底棲動物的食物來源發(fā)生變化.一些底棲動物可能依賴于水中的浮游植物或其他有機物質為食，而營養(yǎng)鹽濃度的增加可能會促進這些生物的生長，從而增加底棲動物的食物供應，例如水絲蚓等.另一方面，過高的營養(yǎng)鹽濃度也可能導致水體中的藻類過度繁殖，降低水體的透明度，影響底棲動物的呼吸和覓食，例如軟體動物等.總的來說，武漢市5個城郊湖泊的底棲動物群落結構與水質關系緊密，水質富營養(yǎng)化是導致其以耐污種為主要類群的重要原因.

3.2 城郊湖泊底棲動物對湖泊水環(huán)境質量評價

研究表明底棲動物中的主要優(yōu)勢種能夠作為指示物種，以寡毛類為代表的具有耐污能力的物種，可以對水質進行較好地監(jiān)測與衡量^［23-24］.其中，I_GW指數(shù)評價為清潔、輕污染和中污染；I_BPI指數(shù)評價為輕污染、β-中污染和α-中污染；I_W指數(shù)評價為清潔和輕污染.I_GW，I_BPI指數(shù)污染等級較高，主要是由于這兩個指數(shù)均表征了一段歷史積累下的綜合結果，表明這5個城郊湖泊經歷了長時間的污染；I_W指數(shù)污染等級較低，則是由于I_W指數(shù)為寡毛類物種密度，在調查的湖泊中寡毛類物種占總物種數(shù)目的比例較高，但其底棲動物整體密度較低，因此污染指數(shù)等級低.

5個城郊湖泊底棲動物對湖泊水環(huán)境質量評價結果與這5個湖泊水質狀況整體一致.水質評價為Ⅴ類和劣Ⅴ類，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TLI）評價為中度富營養(yǎng)化.因此，利用底棲動物生物學指數(shù)（I_GW指數(shù)、I_BPI指數(shù)和I_W指數(shù)）評價湖泊水環(huán)境質量，并不能完全與水質評價和綜合營養(yǎng)狀態(tài)一一對應.這主要是由于底棲動物尤其是耐污種，其對水質的響應具有一定的耐受范圍，同時其群落結構變化具有滯后性，即底棲動物群落結構是一段時間積累的結果，而單次調查的水質指標具有瞬時性，受溫度、光照、風速和地理位置等因子的影響劇烈，不能夠完全代表湖泊水質狀況.生物指數(shù)-水質結果的差異，需要長時間多頻次的調查，才能反映水體水質狀況.

4 結 論

1）5個城郊湖泊采集到的大型底棲動物中，主要優(yōu)勢種分別為霍甫水絲蚓、環(huán)棱螺和水絲蚓，結構單一、物種豐富度低、耐污類群占據優(yōu)勢；5個城郊湖泊水體理化因子顯著差別，但湖泊水質均高度富營養(yǎng)化，藻類濃度差異不顯著.

2）CCA及RDA分析得出葉綠素a、TN、TP和SC等對各湖底棲動物種群密度有重要影響，與湖泊中底棲動物優(yōu)勢種密度關系顯著.SC越大，耐污優(yōu)勢種密度會降低，對環(huán)境較敏感的物種密度提高；葉綠素a、TN和TP含量越高，水體污染越嚴重，底棲動物密度越低.

3）基于底棲動物對湖泊水環(huán)境質量評價，得出調查的5個城郊湖泊水質處于輕污染至β-中污染，與水質調查結果相近，表明利用底棲動物指數(shù)評價武漢市城郊湖泊水環(huán)境質量準確有效.

附錄見電子版（DOI：10.16366/j.cnki.1000-2367.2024.03.15.0002）.

參 考 文 獻

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The relationships between macroinvertebrate community structure and water

environmental factors in suburban lakes：a case study in Wuhan CityChen Xuan^1，2， Meng Jianjun^1，2， Sun Cong^1，2， Wang Jian^1，2， Deng Ping³，

Dai Yutai⁴， Han Xiaofang⁵， Li Lixue⁵

（1. Wuhan Municipal Construction Group Co.， Ltd.， Wuhan 430015， China; 2. Wuhan Ecological Environment Design and Research

Institute Co.， Ltd.， Wuhan 430050， China; 3. Wuhan Academy of Agricultural Sciences， Wuhan 430070， China;

4. College of Resources and Environment， Hubei University， Wuhan 430062， China; 5. School of

Environment and Health， Jianghan University， Wuhan 430056， China）

Abstract： This study investigates the composition of macroinvertebrate communities and their relationships with water environmental factors in five suburban lakes located in the outskirts of Wuhan. A total of 29 species of macroinvertebrates were collected， with dominant species being Limnodrilus hoffmeisteri， Bellamya sp.， Limnodrilus sp.， all of which are organic matter tolerant species. The physicochemical indicators of the water bodies showed that the five lakes were highly eutrophic， and there were significant differences in the physicochemical factors among the lakes， except for the concentration of chlorophyll a. Canonical correspondence analysis（CCA） and redundancy analysis（RDA） showed that total nitrogen（TN） and total phosphorus（TP） in the water were positively correlated with densities of annelids， but negatively correlated with mollusks. Transparency（SC） showed significant differences in correlations with dominant species among lakes， while Chlorophyll a had weak or no apparent influence on the dominant species. When assessing water quality based on macroinvertebrate indicator species， it was found that the Wright index rating was slightly favorable， and the Goodnight-Whitley index and the BPI（biotic index of pollution） were relatively important， indicating that the water quality of the surveyed five suburban lakes ranged from light pollution to β-moderate pollution， consistent with the results of water quality surveys. This study is helpful to understand accurately the characteristics and status of suburban lake ecosystems of Wuhan City， providing scientific basis for the rational utilization and ecological restoration of suburban lake resources in Wuhan City.

Keywords： suburban lakes; macroinvertebrate; water environmental factors; indicator species

［責任編校 劉洋 趙曉華］