遼河流域大型底棲動物耐污值

趙 瑞, 高 欣, 丁 森, 張 遠,* , 渠曉東, 劉思思

1 中國環(huán)境科學研究院, 環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室, 北京 100012 2 中國環(huán)境科學研究院, 流域水生態(tài)研究室, 北京 100012 3 中國水利水電科學研究院, 水環(huán)境研究所, 北京 100038

遼河流域大型底棲動物耐污值

趙 瑞1,2, 高 欣1,2, 丁 森1,2, 張 遠1,2,*, 渠曉東3, 劉思思1,2

1 中國環(huán)境科學研究院, 環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室, 北京 100012 2 中國環(huán)境科學研究院, 流域水生態(tài)研究室, 北京 100012 3 中國水利水電科學研究院, 水環(huán)境研究所, 北京 100038

大型底棲動物耐污值是構建河流生物評價指標的基礎。受自然地理區(qū)域影響，同一分類單元的耐污值會出現地域上的差異，因此計算和修訂適用于某一研究區(qū)域的耐污值是準確評價該區(qū)域河流健康狀況的前提。目前尚未有針對我國北方河流大型底棲動物耐污值計算和修訂的報道，基于2009年春季、秋季和2010年夏季在遼河流域308個樣點的大型底棲動物數據，采用Simpson多樣性指數的水質分級標準對所有樣點的水質等級進行了劃分，并利用累積分位數法計算獲得了遼河流域大型底棲動物195個分類單元的耐污值；同時參考專家經驗和相關文獻核定了其余71個分類單元的耐污值。依據耐污值敏感特征劃分標準，遼河流域大型底棲動物優(yōu)勢類群以敏感種和一般耐污種為主，兩者幾乎占到總分類單元數的84%，耐污類群種類較少，僅占16%。其中敏感類群有齒蛉科Corydalidae，襀科Perlidae，原石蛾科Rhyacophilidae，細裳蜉科Leptophlebiidae等；一般耐污類群有紋石蛾科Hydropsychidae，四節(jié)蜉科Baetidae，扁蜷螺科Planorbidae等；耐污類群有顫蚓科Tubificidae、石蛭科Erpobdellidae等。

大型底棲動物; 耐污值; 遼河流域

耐污值(TV)是指生物在時間和空間上對環(huán)境壓力的耐受性，反映了生物在環(huán)境壓力干擾下其生存和繁殖相對能力的高低[1]。在河流生態(tài)學領域，耐污值最早是作為河流生物監(jiān)測指標的重要組分而被提出[2-3]，主要應用于大型底棲動物監(jiān)測評價體系，所涉及指標如Hilsenhoff生物指數(HBI)[4]、北卡羅來納州生物指數(NCBI)[5]、敏感性/耐污性的豐富度綜合指數[6]等。隨著耐污值計算方法的不斷改進[5-7]，研究者發(fā)現不同地理區(qū)域大型底棲動物耐污值存在差異。對于全球分布的大型底棲動物來說，受氣候、地理特征等環(huán)境因子影響，同一科所包含的屬或同一屬所包含的種在大尺度地理區(qū)域間會有所不同[5]，進而會影響到同一科/屬的耐污值發(fā)生變化。美國國家環(huán)境保護局(USEPA，United States Environmental Protection Agency)在綜合考慮地理區(qū)域影響的基礎上，分別建立了美國西北部、中西部、東南部、中西部偏北和沿大西洋中部海岸區(qū)5個區(qū)域的大型底棲動物耐污值體系[6]。

目前，我國大型底棲動物耐污值的研究報道多集中于中南部地區(qū)，如：江西廬山、安徽南部山區(qū)、秦淮河和長江三角洲等[8-9]，而我國北方地區(qū)的相關報道較少[10]。此外，以往的耐污值研究過于依賴專家經驗，或參與構建耐污值的樣本數量過少。針對上述大型底棲動物耐污值研究中的不足，本研究基于2009—2010年遼河全流域大型底棲動物基礎數據，初步推導了遼河流域大型底棲動物主要分類單元耐污值，為整個遼河流域水質生物評價提供理論依據和數據支持，也為我國東北地區(qū)大型底棲動物耐污值數據庫的建立提供數據支撐。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

遼河流域位于中國東北地區(qū)南部(116°30′E—125°47′E，38°43′N—45°00′N)，河流全長1345 km，流域面積約22.0×104km2。遼河流域年降水量 350—1000 mm，降水分布極不均勻，降水量自東南向西北逐漸減少，且多集中于 6—9 月，約占全年降水量的 70%，屬溫帶、暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候。遼河流域上游為山丘區(qū)，植被差，覆蓋率在30%以下，水土流失嚴重，是風沙干旱嚴重區(qū)，東部為丘陵區(qū)，森林茂密，植被覆蓋率高，中下游為平原區(qū)。遼河流域土地利用類型以農田為主(38.29%)，草地(23.65%)和林地(24.3%)次之，裸地(6.45%)，城市用地(4.43%)和水田(4.4%)所占比例最少，其中草地和林地主要分布在遼河流域的東南、西南和西北的一級河流區(qū)，這些區(qū)域的棲境狀況也最佳。遼河流域各支流源頭區(qū)域的水質和棲境狀況良好，中下游河段COD和BOD5含量較高，受工業(yè)污染影響較大[11]。

1.2 大型底棲動物樣品采集

2009年春季、秋季和2010年夏季，在遼河流域共設置308個樣點(圖1)，開展大型底棲動物野外監(jiān)測。利用索伯網(面積0.3 m×0.3 m，孔徑0.5 mm)，選擇不同生境類型的采樣斷面收集3個平行樣品，將樣品沖洗并用60目篩網過濾，放入500 mL廣口瓶，加75%酒精保存。在實驗室條件下，利用體式顯微鏡(Olympus SZ61)將絕大多數物種鑒定到種或屬，搖蚊鑒定到亞科，寡毛類和線蟲鑒定到綱。

圖1 遼河流域樣點圖

1.3 水質級別劃分

我國已有的多樣性指數水質劃分標準是黃玉瑤等[12]提出的，王備新等[9]在計算我國東部地區(qū)大型無脊椎動物耐污值時，根據Lenat[5]提出的五級水質劃分標準，對我國的Shannon-Wiener多樣性指數(H′)水質劃分標準進行了調整，即：H′≥4，極清潔；H′≥3，清潔；H′≥2，輕污；H′≥1，中污；H′<1，重污。本研究利用H′進行水質劃分發(fā)現樣點在各水質級別分布不均勻，而用修訂過的Simpson多樣性指數(D′)劃分的結果較好，故本研究采用D′劃分水質級別并賦分[13](表1)。

表1 水質級別劃分標準及賦分

1.4 耐污值計算方法

1.4.1 分類單元和豐富度值的轉化

依據大型底棲動物分類單元在不同水質級別中出現的個體數將其分為4個類型，并賦予4個不同的豐富度值(表2)。

表2 個體數和豐富度值間的轉化方法

1.4.2 初始耐污值(PTV)確定方法

PTV的確定包含以下幾個關鍵步驟：

(1)為水質級別賦分，最清潔賦1分；清潔賦2分；輕污賦3分；中污賦4分；重污賦5分(表1)；

(2)以Hydropsycheorientalis為例，按照表2的方法將其在各樣點的個體數轉化為豐富度值；

(3)計算H.orientalis在各水質級別中的總豐富度，同時計算相應的平均豐富度值如其在最清潔水體中總豐富度值為144，樣本數22，平均豐富度值為144/22=6.55(表3)；

(4)計算H.orientalis在5個水質級別的平均豐富度的累積百分位數(表3)

1)累加H.orientalis的5個水質級別的平均豐富度值得總平均豐富度值

6.55+5.05+2.61+1.40+0.73=16.34

2)計算H.orientalis在每個水質級別中的累積百分位數

最清潔

6.55/16.34=40%

清潔

(6.55+5.05)/16.34=45%

輕污

(6.55+5.05+2.61)/16.34=87%

中污

(6.55+5.05+2.61+1.40)/16.34=96%

重污

(6.55+5.05+2.61+1.40+0.73)/16.34=100%

統(tǒng)計H.orientalis在所有樣點出現的次數為98。

表3 H. orientalis在不同水質級別下的平均豐富度值和累積百分位數

參考Lenat[5]的方法，確定計算H.orientalis初始耐污值的累積百分位數具體原則如下：分類單元被采集到的次數大于10，以75%分位數值作為初始耐污值； 5—10次，以50%分位數值為初始耐污值；少于5次，不參加統(tǒng)計，結合文獻資料，采用專家觀點的方法確定耐污值。其計算公式如下：

PTV=L1+(A-N1)/(N2-N1)×(L2-L1)

式中，L1為上個水質級別的分值；L2為下個水質級別的分值；N1為L1所對應的百分位數；N2為L2所對應的百分位數。A為75%或50%。

依據以上原則，H.orientalis的出現次數為98，應采用75%分位數對應值作為初始耐污值，從表3可知，75%分位數位于清潔(45%)和輕污(87%)之間，清潔的分值為2，輕污的分值為3，將L1=2，L2=3，N1=45%，N2=87%，代入上式計算其初始耐污值PTV為2.3。

1.4.3 耐污值(TV)的確定

采用上述方法確定的初始耐污值的分布范圍一般位于1—4.5。根據公式：TV=2×(1.43×PTV-1.43)將初始耐污值轉換為目前通用的耐污值(分布范圍為0—10)。通過上述計算獲得H.orientalis的TV為3.6。

1.5 耐污特征的劃分

根據大型底棲動物耐污值的高低，可將其分為3類[14]：TV≤3，敏感類群(Intolerant group)；3—7，一般耐污類群(Intermediate group)；TV≥7，耐污類群(Tolerant group)。

2 結果

2.1 大型底棲動物群落結構

在遼河流域共調查采集大型底棲動物236屬(種)，共計403039頭，隸屬于4門12綱31目102科。其中節(jié)肢動物門(Arthropoda)8目178種，占底棲動物總數的60%，軟體動物門(Mollusca)5目32種，占11%， 環(huán)節(jié)動物門(Annelida)4目25種，占8%，扁形動物門(Platyhelminthes)1目1種，占2%。

2.2 水質級別劃分

利用修訂過的Simpson指數(D′)對遼河流域308個樣點進行水質級別劃分，其中水質級別屬于污染較輕的樣點(最清潔、清潔、輕污)占54.5%，污染較重點位(中污、重污)樣點占到45.5%，樣點比例表明適合耐污值的計算(表3)。

2.3 大型底棲動物主要分類單元耐污值

本研究獲得了遼河流域195個大型底棲動物分類單元的耐污值(附錄I)，包括昆蟲綱廣翅目1科1屬，蜻蜓目4科5屬，襀翅目3科5屬，毛翅目10科13屬，蜉蝣目8科17屬，鞘翅目6科5屬，半翅目2科1屬，雙翅目12科3亞科18屬，彈尾目1科，端足目1科1屬，十足目1科1屬，基眼目1科3屬，中腹足目4科5屬，蚌目1科1屬，顫蚓目3科4屬，蛭綱3科5屬，蛛形綱1科1屬，渦蟲綱1科1屬。采用專家觀點的方法給出了71科、屬級的耐污值。

遼河流域耐污值較高的類群有顫蚓科Tubificidae(5—9.9)和石蛭科Erpobdellidae(7.8—8.6)。敏感類群有齒蛉科Corydalidae(2.1)，襀科Perlidae(1.3—2.1)，原石蛾科Rhyacophilidae(0.6—3)，細裳蜉科Leptophlebiidae(0.4—1.7)等，一般耐污類群有紋石蛾科Hydropsychidae(3.7—5.3)，四節(jié)蜉科Baetidae(3.4—6.2)，扁蜷螺科Planorbidae(3.7—5.5)等。大型底棲動物以敏感種和中度耐污種為主，兩者占到總分類單元個數的84%，而耐污類群種類較少，僅占16%。

3 討論

選取適合的方法和標準對樣點水質級別進行劃分是準確計算大型底棲動物耐污值的前提。Lenat[5]采用EPT分類單元數作為水質級別的劃分標準，其將EPT分類單元數大于41的點位水質級別劃分為清潔。本研究發(fā)現遼河流域所有樣點EPT值相對較低，即便水質條件和棲境狀況最好的點位，其EPT分類單元數也不超過27。王備新等[9]報道了我國東部地區(qū)祁門歷溪雙河口、七陽坑和唐云里的EPT值分別為18、14和17；本研究組在廣西紅水河上游長洲河的EPT值為16(未發(fā)表數據)。因此，不難推測美國與中國本底EPT物種豐富度的差異是導致Lenat的水質級別劃分標準不適用于本研究區(qū)域的原因之一。此外，美國水質級別劃分標準是以不同水生態(tài)區(qū)域為基礎，這需要大量樣本數支持，但目前較難實現大樣本數據的獲取，利用EPT進行水質級別劃分對于小樣本數據并不適用。因此，在中國開展長期的水生生物監(jiān)測可更準確地開展水質生物評價，也是與國際已有研究成果進行比較的基礎。

在對我國東部河流底棲動物耐污值的研究中，王備新等[9]改用多樣性指數進行水質級別劃分，并將以往的4級標準改為5級，以便于與美國分類單元耐污值進行對比。同樣，本研究將Simpson多樣性指數4級劃分標準改為5級，對樣點進行水質級別劃分，所計算遼河流域大型底棲動物耐污值比較準確可信。但本研究所采用的方法仍存在不足，例如只采用Simpson多樣性指數進行樣點的水質級別劃分，而沒有考慮到河流生態(tài)特征的縱向差異性，用一套標準來劃分源頭區(qū)與下游區(qū)的水質等級并不合理。美國對此是按照水生態(tài)區(qū)為基礎，制定了不同生態(tài)區(qū)的河流水質級別劃分標準[5]。因此，中國亟需建立基于水生態(tài)區(qū)的河流管理模式，進而建立合理的基于生物學的河流水質級別劃分標準。

耐污值作為反映生物耐受外界環(huán)境干擾的一種生物屬性，有一定的穩(wěn)定性，它是與外界環(huán)境特征長期相互作用的結果。王備新等[9]研究發(fā)現生活在不同地理區(qū)的同一生物類群，假如其環(huán)境特征差異較大，會導致其耐污值發(fā)生變化。Lenat在對美國北卡州大型底棲動物耐污值的研究中，考慮到了不同類型河流中大型底棲動物在分類單元組成及耐污性方面的差異，分別計算了不同類型河流大型底棲動物的耐污值[5]。在此基礎上，美國EPA也建立了5個不同地區(qū)的大型底棲動物分類單元耐污值體系[6]。Bressler等[1]在對密西西比河大型底棲動物耐污值的研究中也提到了地區(qū)差異性的問題，底質組成、水文情勢等都可能是引起大型底棲動物耐污值變化的因素。例如，某物種分別出現在沙質底的河流以及受人為干擾后變?yōu)樯迟|底的河流，后者由于存在人類干擾，河流的健康狀況有所下降，物種耐受能力相對升高，因此該物種在前者的耐污值就會低于后者。本研究所計算的耐污值與我國東部地區(qū)間存在一定差異，這與南北方地貌、氣候、水文條件密切相關。比如某些冷水性物種，在南方僅分布在高山溪流區(qū)，而在北方地區(qū)分布較廣，從而表現出耐受性相對較強。例如直突搖蚊亞科大多數物種屬冷水性[15]，在遼河流域TV是6.9，而在我國東部地區(qū)TV是4.0。底棲動物的分布有一定的地域性，同一科屬所包含的種類不同，每個種類對污染的耐受能力不同，導致不同地區(qū)同一科屬級分類單元耐污值存在差異；即便是不同地理區(qū)域的同一物種，其耐污能力可能隨環(huán)境不同而發(fā)生變化，因此耐污值的計算和應用應具有區(qū)域性的特點[1,5,9]。本研究中大型底棲動物的耐污值均是根據2009年和2010年兩年在遼河流域所獲數據而計算的，故推薦于我國東北地區(qū)使用。

目前計算耐污值的方法日趨完善，除Lenat[5]的計算方法外，Bressler[1]還采用了PCA對密西西比河大型底棲動物耐污值進行了研究，并與之前北卡州Lenat的計算結果進行了比較，最終修訂了部分物種的耐污值。同時，美國EPA探討了目前國際上普遍使用的PCA[1]、EPT[5]、GAM[16]以及預測模型[17]等方法的適用性，提出使用這些方法的前提要有大量的環(huán)境和生物數據作為基礎，且能夠表征該地區(qū)河流的干擾梯度。此外，PCA、GAM和預測模型法在計算大型底棲動物耐污值時準確性更強，因此這些方法在我國未來大型底棲動物耐污值研究中應予以重視。

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附錄 I 遼河流域大型底棲無脊椎動物分類單元耐污值與同一分類單元在中國東部地區(qū)、美國 5 個地區(qū)耐污值的比較( LR，遼河；EC，中國東部地區(qū)；NC，北卡州；WI，威斯康星州；OH，俄亥俄州；DI，愛達荷州；MACS，大西洋海岸中部溪流工作組)

Appendix I Tolerance values of macroinvertebrate taxa in Liao River, and the value of the same taxon in the Eastern area of China and NC(North Carolina, Southeast, WI (Wisconsin，Upper Midwest), OH (Ohio, Midwest), ID(Idaho DEP, Northwest), and MACS (Mid-Atlantic Coastal Streams

Tolerance values of macroinvertebrate taxa in Liao River basin

ZHAO Rui1,2, GAO Xin1,2, DING Sen1,2, ZHANG Yuan1,2,*, QU Xiaodong3, LIU Sisi1,2

1StateKeyLaboratoryofEnvironmentalCriteriaandRiskAssessment,ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012,China2LaboratoryofRiverineEcologicalConservationandTechnology,ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012,China3DepartmentofWaterEnvironment,ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100038,China

Tolerance represents the relative capacity of aquatic organisms to survive and reproduce under different levels of environmental stress. Tolerance values (TVs) of macroinvertebrates are broadly used for calculating metrics applied in bioassessment. Variability among TVs may be related to regional differences in macroinvertebrate sensitivity to pollution; whether the calculations and amendments of TVs are appropriate for one region is the basis for accurate evaluation of river health condition. Two methods, namely, expert opinion and statistical analysis, have been used to derive the TVs of macroinvertebrate taxa. The TVs currently used in bioassessment of northern rivers in China were acquired from relevant literature and expert opinion. The bioassessment results, however, will be more accurate if the TVs are derived from statistical analysis. The objective of the current study was to derive the TVs appropriate for macroinvertebrate taxa in northeastern rivers in China. Macroinvertebrate data from 308 samples were collected in spring and autumn in 2009 and summer in 2010 in the Liao River basin. Using the revised Simpson index, we assigned the water quality into five categories as: ≥ 10, excellent; ≥ 6, good; ≥ 3, good-fair; ≥ 2, fair; and < 2, poor. Different scores were marked to different water quality: excellent, 1; good, 2; good-fair, 3; fair, 4 and poor, 5. Macroinvertebrates were grouped and coded based on abundance at each site: < 1 ind./sample = 0; 1—2 ind./sample = 1; 3—9 ind./sample = 3; and ≥ 10 ind./sample = 10. The average abundance values for each taxon were calculated for each of the five water quality classes. The average abundance values were converted into a cumulative percentile: the 75thpercentile value was used for a taxon that had > 10 records and the 50thpercentile value was used for a taxon that had 5—10 records. This yielded preliminary tolerance values of 0.0—4.5, which were transformed to final tolerance values on a 0—10 scale. A total of 195 macroinvertebrate taxa TVs were calculated, including one genus in one family for each Megaloptera, Amphipoda, Decapoda, Basommatophora, Unionoida, Tubificida, Hirudinea, Turbellaria, and Arachnida; one family of Collembola; two families (including one taxon at genus-level) of Hemiptera; five genera in three families of Plecoptera; five genera in four families of Odonata; five genera in four families of Mesogastropoda; six families (including five taxa at genus-level) of Coleoptera; 13 genera in 10 families of Trichoptera; 17 genera in eight families of Ephemeroptera; and 18 genera and three sub-families in 12 families of Diptera. The other 71 TVs were derived from expert opinion and relevant literature. TVs were classified according to sensitivity as: TV ≤ 3, intolerant; 3 < TV < 7, intermediate; and TV ≥ 7, tolerant. The dominant macroinvertebrate families in the Liao River basin were divided into the three groups as follows: intolerant group, including Corydalidae (2.1), Perlidae (1.3—2.1), Rhyacophilidae (0.6—3.0), and Leptophlebiidae (0.4—1.7); intermediate group, including Hydropsychidae (3.7—5.3), Baetidae (3.4—6.2), and Planorbidae (3.7—5.5); and tolerant group, including Tubificidae (5.0—9.9) and Erpobdellidae (7.8—8.6). The intolerant and intermediate groups comprised nearly 84% of the total taxa, while the tolerant group comprised only 16% of the total taxa. We suggest that TVs can be used to assess the water quality of streams and rivers in northern China.

macroinvertebrates; tolerance value; Liao River basin

分類單元TaxaLRECNCWIIDOHMACS節(jié)肢動物門Arthropoda昆蟲綱Insecta廣翅目Megaloptera齒蛉科Corydalidae2.13.80黃石蛉Protohermesgrandis2.1星齒嶺屬Protohermesspp.2.13.8泥蛉科Sialidae4.5*4泥蛉屬Sialisspp.4.5*蜻蜓目Odonata蟌科Coenagrionidae7.4996.19蔚藍細蟌Cercionsexlineatum7.5*Enllagmacivile5*春蜓科Gomphidae1.52.71施春蜓屬Sieboldiusspp.3.5*小葉春蜓屬Gomphidiaspp.5.2新月戴春蜓Davidiuslunatus2.2擴腹春蜓屬Stylurusspp.1長唇春蜓Anisogomphusmaacki0.7葉春蜓屬Ictinogomphusspp.3.5*蜻科Libellulidae9.48.5色蟌科Claopterygidae0.72.4日本色蟌Calopteryxjaponica0.7扇蟌科Platicnymidae4.5*9扇蟌屬platycnemisspp.4.5*襀翅目Plecoptera襀科Perlidae1.81.211石蠅屬Neoperlaspp.2.11.613.1大山石蠅屬Oyamiaspp.1.3網襀科Perlodidae1.42石蠅屬Isoperlaspp.0Megrcysochracea1.9Eccopturaspp.3.5*綠襀科Chloroperlidae211蘇瓦襀屬Suwalliaspp.201毛翅目Trichoptera紋石蛾科Hydropsychidae53.744短脈紋石蛾屬Cheumatopsychespp.4.53.86.5552.95東方側枝紋石蛾Hydropsycheorientalis3.3缺尾高原紋石蛾Hydropsychekozha-ntschikovi4.6紋石蛾Hydropsycheyaeyamensis3.1紋石蛾屬Hydropsychespp.4.344旋刺枝紋石蛾Hydropsychenevae3.7Arctopsychespp.41角石蛾科Stenopsychidae1.74.7條紋角石蛾Stenopsychemarmorata1.7角石蛾屬Stenopsychespp.1.74.7原石蛾科Rhyacophilidae1.810原石蛾屬Rhyacophilaspp.1.80

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07501-001-04); 中歐環(huán)境可持續(xù)發(fā)展計劃(DCI-ASIE/2013/323-261); 國家自然科學基金(2010KYYW06); 國家自然科學基金(41401066)

2013-11-08;

2014-09-09

10.5846/stxb201311082699

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhangyuan@craes.org.cn

趙瑞, 高欣, 丁森, 張遠, 渠曉東, 劉思思.遼河流域大型底棲動物耐污值.生態(tài)學報,2015,35(14):4797-4809.

Zhao R, Gao X, Ding S, Zhang Y, Qu X D, Liu S S. Tolerance values of macroinvertebrate taxa in Liao River basin.Acta Ecologica Sinica,2015,35(14):4797-4809.