濟(jì)南流域大型底棲動(dòng)物群落生物完整性評價(jià)

封得華 李萌 王瑾 孟云飛 李慶南 殷旭旺

DOI：10.3969/j.issn.1004-6755.2018.12.012

摘要：為了對濟(jì)南市流域大型底棲動(dòng)物群落生物完整性的探究，于2014年春季、夏季和秋季在濟(jì)南市全流域31個(gè)采樣站位進(jìn)行3次大型底棲動(dòng)物群落樣品采集和水體環(huán)境因子的野外采樣調(diào)查。通過分類、鑒定、數(shù)據(jù)整理與分析，計(jì)算得到3次大型底棲動(dòng)物生完整性評價(jià)指數(shù)（B-IBI），分析濟(jì)南市大型底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)和生物完整性指數(shù)在時(shí)間和空間上的差異，進(jìn)而對濟(jì)南市水生態(tài)健康狀況進(jìn)行評價(jià)。結(jié)果顯示，濟(jì)南南部山區(qū)位于并渡口-臥虎山水庫這條支流大型底棲動(dòng)物物群落結(jié)構(gòu)比較完整，生物多樣性較高，生態(tài)環(huán)境狀況比較健康;濟(jì)南市主城區(qū)人為干擾程度較大，大型底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境狀況較差。

關(guān)鍵詞：濟(jì)南流域;底棲動(dòng)物群落;生物完整性評價(jià)

大型底棲動(dòng)物是湖泊和河流中最常用的環(huán)境條件生物指示類群（Bonada等，2006）[1];大型無脊椎動(dòng)物對多種環(huán)境壓力源敏感，可以作為生態(tài)系統(tǒng)整體狀況的指標(biāo)，由于大型底棲動(dòng)物對水環(huán)境敏感，對河流健康狀況外顯性強(qiáng)，因此得到大部分學(xué)者認(rèn)可，并對大型底棲動(dòng)物群落生態(tài)學(xué)開展研究[2-4]，盡管它們最常用于診斷營養(yǎng)物污染（Johnson等，2013）[5]，使其成為許多水生生態(tài)系統(tǒng)中的優(yōu)秀生物指示類群;在河流評估中很受歡迎，但是大型底棲動(dòng)物在濕地生物監(jiān)測中的表現(xiàn)并不盡如人意，受季節(jié)性縮減影響較大。濕地大型底棲動(dòng)物對環(huán)境壓力因素的敏感性研究相對較少，國外研究表明大型底棲動(dòng)物作為濕地生態(tài)系統(tǒng)生物指示作用得出了相互矛盾的結(jié)果（Batzer等，2013）[6]。研究大型底棲動(dòng)物生物完整性，就能間接反映相應(yīng)區(qū)域水域健康狀況。

大型底棲動(dòng)物的狀況被廣泛用作水域生態(tài)環(huán)境評估的指標(biāo)。底棲生物具有良好的生態(tài)指示作用，因?yàn)樗鼈兿鄬顒?dòng)性較差，無法避免水、沉積物質(zhì)量惡化，壽命相對較長，對壓力有明顯反應(yīng)，具體取決于它們特異性敏感性、耐受性水平。它們還在下伏沉積物和上覆水柱之間循環(huán)養(yǎng)分和物質(zhì)方面起著關(guān)鍵作用。生物完整性指數(shù)也是一種高效、科學(xué)的生境質(zhì)量評價(jià)的體系。生物完整性底棲指數(shù)（B-IBI）開發(fā)并用于濟(jì)南市水生態(tài)環(huán)境評估。該指數(shù)包括各種底棲社區(qū)指標(biāo)（物種豐度、生物量、多樣性、敏感類群、耐受類群等），許多研究表明該指數(shù)被證實(shí)是一種敏感而強(qiáng)大的工具，用于總結(jié)大型底棲動(dòng)物群落的狀況。

本研究利用大型底棲動(dòng)物生物完整性指數(shù)（B-IBI）作為評價(jià)生態(tài)系統(tǒng)健康的體系，并研究大型底棲動(dòng)物指標(biāo)體系在時(shí)間上的差異，綜合3次水生態(tài)調(diào)查的結(jié)果確定生態(tài)完整性評價(jià)的指標(biāo)體系，分析濟(jì)南市水生態(tài)健康狀況在時(shí)間和空間上的差異。

1材料和方法

1.1底棲動(dòng)物樣品采集

濟(jì)南流域設(shè)定采樣調(diào)查三次，主要集中在2014年的春季、夏季和秋季;每次采樣設(shè)定調(diào)查站位31個(gè)（圖1），31個(gè)調(diào)查站位的經(jīng)度、緯度和海拔高度選用MAGELLAN全球定位系統(tǒng)（eXplorist-200）進(jìn)行定位。

在各個(gè)水生態(tài)調(diào)查站位選取流域河流上、下游100 m范圍內(nèi)，采集底棲動(dòng)物樣品分為定性和定量樣品。定性樣品采用D形網(wǎng)采集，定性樣品采用索伯網(wǎng)進(jìn)行采集。定量采集樣品要有代表性，在具體采樣點(diǎn)的不同生境，不同水深、流速的區(qū)域隨機(jī)采集樣品1～2份，收集到的樣品經(jīng)過60目篩絹網(wǎng)進(jìn)行過濾沖洗，淘掉多余泥沙，把剩余樣品轉(zhuǎn)移到白瓷盤中，以肉眼可見為標(biāo)準(zhǔn)，把底棲動(dòng)物活體全部調(diào)入到樣品瓶中，倒入大于80%的酒精進(jìn)行固定，密封樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行鑒定。鑒定24 h內(nèi)加入用10%甲醛進(jìn)行保存，方便后期鑒定和復(fù)查。

1.2水環(huán)境因子的測定

濟(jì)南流域水體理化因子測定，pH測定采用便攜式pH計(jì);電導(dǎo)率（Cond）、水溫（Temp）、鹽度（Saline）、溶解氧（DO）和飽和度（Satu）在現(xiàn)場用水質(zhì)分析儀（YSI85）進(jìn)行測定;用流速儀（FP-111）現(xiàn)場測定流速（Velo）和水深（Depth）;采用底質(zhì)分樣篩（孔徑為1、2、4、8、16 mm）測定底質(zhì)含沙量（Sand）;在各樣站位采集2個(gè)平行水樣（2 L），在低溫下保存，并在48 h內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法（國家環(huán)境保護(hù)總局，2002），在實(shí)驗(yàn)室測定水化學(xué)指標(biāo)：總磷（TP）、總氮（TN）、懸浮物（SS）、總?cè)芙夤腆w（TDS）、堿度（Alk）、硅酸鹽（SiO2-4）、硬度（TD）和高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）。

1.3數(shù)據(jù)分析和處理

大型底棲動(dòng)物數(shù)據(jù)和水體理化因子數(shù)據(jù)在實(shí)驗(yàn)室鑒定、測定完成后，按照標(biāo)準(zhǔn)格式錄入Excel表格，利用Canoco4.5對環(huán)境因子進(jìn)行主成分分析（PCA），再在SPSS 20.0對主成分分析篩選得到的環(huán)境因子進(jìn)行偏相關(guān)分析（PCT），進(jìn)一步對環(huán)境因子進(jìn)行篩選，如果出現(xiàn)顯著相關(guān)（P<0.05）的兩個(gè)水體理化因子，從中僅保留一個(gè)。進(jìn)行PCA、PCT時(shí)，所有水體理化數(shù)據(jù)均通過（Log[x+1]）對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

大型底棲動(dòng)物生物完整性評價(jià)體系的構(gòu)建，應(yīng)在營養(yǎng)級(jí)組成、群落結(jié)構(gòu)、敏感種群落結(jié)構(gòu)、耐污種群落結(jié)構(gòu)等的基礎(chǔ)上選擇候選指標(biāo)，再進(jìn)一步根據(jù)濟(jì)南大型底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)特征篩選能出具有代表性的指標(biāo)作為濟(jì)南大型底棲動(dòng)物生物完整性的候選指標(biāo);利用箱體圖對大型底棲動(dòng)物生物完整指標(biāo)進(jìn)行判別，詳見文獻(xiàn)（殷旭旺等，2012; Barbour等，1999）[7-8]，對判別篩選得到的指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，最終篩選出與客觀實(shí)際情況相吻合的指標(biāo)作為核心指標(biāo)。

參考站位和受損站位的確定，根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場生態(tài)調(diào)查以及歷史資料、文獻(xiàn)記載，我們把生態(tài)環(huán)境較好、水質(zhì)質(zhì)量較高、生物多樣性較高，人為干擾程度較低等生境質(zhì)量較好的站位做參考站位（Barbour等，1999;王備新等，2005）[8-9];其他的人為干擾程度較大、生物多樣性較低、生境質(zhì)量較差的站位作為受損站位;同時(shí)我們依據(jù)PCA指標(biāo)分析結(jié)果，最終確定濟(jì)南流域B-IBI評價(jià)的參照站位。最后對各個(gè)站位的每個(gè)指標(biāo)類型進(jìn)行5%、25%、50%、75%分位數(shù)的計(jì)算累加求平均值做為每個(gè)站位生物完整性指數(shù)，在對這些生物完整性指數(shù)進(jìn)行進(jìn)行5%、25%、50%、75%分位數(shù)的計(jì)算，對每個(gè)站位進(jìn)行四個(gè)等級(jí)健康、較好、一般、較差的劃分。

濟(jì)南流域生態(tài)調(diào)查站位設(shè)置和大型底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)圖在ArcMap 9.3上完成;主成分分析（PCA）在軟件Canoco4.5上進(jìn)行，相關(guān)性分析在軟件SPSS 20.0上進(jìn)行。

2B-IBI體系的建立和健康評價(jià)結(jié)果

依據(jù)三次采樣各自水化主成分分析（圖2），最終確定濟(jì)南流域差異顯著且穩(wěn)定度高的環(huán)境因子有濁度、氯離子、電導(dǎo)率、硫酸鹽、碳酸氫根、堿度、硬度。

通過異顯著且穩(wěn)定度高的環(huán)境因子間的偏相關(guān)性分析（表1），濁度與其它因子之間的相關(guān)性最低。其它六個(gè)因子相關(guān)性較高（r>0.5）。最終在所篩選的指標(biāo)中，選取濁度和電導(dǎo)率作為雙項(xiàng)指標(biāo)，其25%分位數(shù)分別為4.6度和572 ms/m。以小于25%分位數(shù)為界定標(biāo)準(zhǔn)，篩選出濟(jì)南流域清潔區(qū)域參考站位最終選取依據(jù)差異顯著且穩(wěn)定度高的環(huán)境因子綜合選定為W1、W3、W6、W7、和W9。

參照相關(guān)研究（慕林青等，2018）[10]，并結(jié)合濟(jì)南水生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn)以及研究目標(biāo)，選取能反映種類個(gè)體數(shù)量比例、營養(yǎng)級(jí)組成指數(shù)、群落豐富度、生物耐污能力和小生境質(zhì)量等五大類共24個(gè)指標(biāo);根據(jù)濟(jì)南市實(shí)際參考站位和受損站位生態(tài)調(diào)查的結(jié)果，進(jìn)一步對24個(gè)候選指標(biāo)進(jìn)行篩選，篩選出對人類活動(dòng)干擾呈現(xiàn)正相關(guān)和負(fù)相關(guān)的指標(biāo)作為構(gòu)建生物完整性體系的指標(biāo)類型。

濟(jì)南市3次水生態(tài)調(diào)查，大型底棲動(dòng)物生物完整性指數(shù)經(jīng)過箱體圖判別，進(jìn)入Pearson相關(guān)性分析檢驗(yàn)的參數(shù)結(jié)果如下（圖3）：春季大型底棲動(dòng)物完整性指數(shù)判別結(jié)果為EPT分類單元數(shù)、水生昆蟲分類單元數(shù)、蜉蝣目個(gè)體百分比、搖蚊分類單元數(shù)、香濃維納多樣性指數(shù)。夏季大型底棲動(dòng)物完整性指數(shù)判別結(jié)果為優(yōu)勢分類單元數(shù)、其它雙翅目個(gè)體數(shù)、EPT分類單元數(shù)、蜉蝣目個(gè)體百分比、香濃維納多樣性指數(shù)。秋季大型底棲動(dòng)物完整性指數(shù)判別結(jié)果為其它雙翅目個(gè)體數(shù)、EPT分類單元數(shù)、蜉蝣目個(gè)體百分比、水生昆蟲分類單元數(shù)、毛翅目分類單元數(shù)、收集者百分比、雜食者百分比、Bi指數(shù)。

根據(jù)大型底棲動(dòng)物生物完整性評價(jià)，結(jié)果顯示（圖4），濟(jì)南市整體水域生態(tài)健康狀況一般，濟(jì)南市是一座很古老的城市，整體社會(huì)發(fā)展水平較高，人口密度大，工農(nóng)業(yè)發(fā)展較高，人為干擾程度較大，導(dǎo)致濟(jì)南市整體水生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重，生物多樣性喪失嚴(yán)重，水生態(tài)健康狀況堪憂。根據(jù)評價(jià)結(jié)果，可見濟(jì)南市顧小莊浮橋、梁王莊、板橋和主城區(qū)區(qū)域水生態(tài)健康狀況最差，這些站位為調(diào)查采集到大型底棲動(dòng)物;而在小清河源頭、并渡口和黃巢水庫調(diào)查采集到了敏感種東方蜉（Ephemera orientalis）等EPT生物類群，說明這些區(qū)域生物多樣性較高，生境質(zhì)量較高，水生態(tài)健康狀況較好。春季和夏季評價(jià)結(jié)果顯示，生態(tài)狀況比較接近，由于經(jīng)過一個(gè)冬天低氣溫的影響，夏季整體水平高于春季;而秋季水生態(tài)健康評價(jià)整體水平在三個(gè)季節(jié)中最差。

3討論

大型底棲動(dòng)物對外界環(huán)境質(zhì)量變化比較敏感，而且活動(dòng)能力較差，群落結(jié)構(gòu)時(shí)空差異比較明顯。利用大型底棲動(dòng)物生物完整對水生態(tài)健康評價(jià)，能科學(xué)、高效的反映水域生態(tài)健康狀況;與其它水生生物類群相比，其移動(dòng)速度慢、對水環(huán)境變化更加敏感，當(dāng)水環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，底棲動(dòng)物類群內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生明顯變化，而且經(jīng)過采樣定量物種鑒定，肉眼可見，辨識(shí)度高，更具有可操作性，因此利用底棲動(dòng)物作為水體健康評價(jià)，評價(jià)結(jié)果更為客觀準(zhǔn)確。

圖4濟(jì)南市水生態(tài)底棲動(dòng)物健康評價(jià)變化趨勢

通過濟(jì)南底棲動(dòng)物健康評價(jià)結(jié)果來看，濟(jì)南南部山區(qū)水生態(tài)健康狀況良好，對于這一區(qū)域， 從底棲動(dòng)物角度，要保護(hù)好優(yōu)勢清潔物種，尤其是濟(jì)南底棲動(dòng)物蜉蝣目和毛翅目的物種，其物種和密度的變化，能夠直接反應(yīng)水體健康狀況轉(zhuǎn)化，因此應(yīng)加大該流域底棲清潔物種的保護(hù)力度，做好底棲清潔物種展示宣傳工作。對于濟(jì)南北部底棲動(dòng)物健康評價(jià)低的區(qū)域，應(yīng)加強(qiáng)綜合治理力度。該區(qū)域底棲動(dòng)物優(yōu)勢物種為搖蚊和水絲蚓，這兩大類群能夠適應(yīng)低溶解氧的水體，對于富營養(yǎng)化水體具有一定的耐污性，對于該類型流域，應(yīng)從大型底棲動(dòng)物生存的環(huán)境入手，首先應(yīng)確定所在流域污染類型和污染源，明確是由工廠排污引起的點(diǎn)源污染還是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)引起的面源污染，或者是城市生活污水亂排導(dǎo)致的，從根本上查清污染存在問題，大力開展環(huán)境工程，建立完善水處理系統(tǒng)，聯(lián)合各執(zhí)法部門，取締非法排污點(diǎn)，徹底改善本區(qū)域水環(huán)境狀況，努力把五類、劣五類水體轉(zhuǎn)化為二、三類水體，還濟(jì)南人民一個(gè)健康美麗的水生態(tài)體系。

參考文獻(xiàn)：

[1] Bonada N，Prat N，Resh V H，et al.Developments in aquatic insect biomonitoring：a comparative analysis of recent approaches [J].Annu.Rev.Entomol.2006，51：495–523.

[2] Hughes D L . Rapid bioassessment of stream health[J]. Rapid Bioassessment of Stream Health， 2010.

[3] Barlow N . The Diatoms： Applications for the Environmental and Earth Sciences[J]. Quaternary Science Reviews， 2002， 30（7）：1011-1011.

[4] Sumcker NJ，Vis ML.Using diatoms to assess human impacts on streams benefitsfrom multiple-habitat sampling [J].Hydrobiologia，2010，654：93-109.

[5] Johnson，R C，Jin H S，Carreiro M M，et al.Macroinvertebrate community structure，secondary production and trophic-level dynamics in urban streams affected by non-point-source pollution [J].Freshw.Biol，2013，58，843-857.

[6] Batzer D P.The seemingly intractable ecological responses of invertebrates in North American Wetlands：a review [J].Wetlands，2013，33，1–15.

[7] 殷旭旺，渠曉東，李慶南，等.基于著生藻類的渭河流域水生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)研究[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2012，32（6）：1677-1691.

[8] Barbour M T ， Faulkner C ， Usepa B . Rapid Bioassessment Protocols For Use in Streams and Wadeable Rivers[J]. Qualidade Da Agua， 1989.

[9] 王備新，楊蓮芳，胡本進(jìn)，等.應(yīng)用底棲動(dòng)物完整性指數(shù)B-IBI評價(jià)溪流健康[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，25（6）：1481-1490.

[10] 慕林青，劉培斌，高曉薇，等.永定河北京段生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)及修復(fù)模式研究[J].北京水務(wù)，2018（04）：16-20.