基于大型底棲動物群落生物指數(shù)的清河水環(huán)境模糊綜合評價

陳佳勃，趙瑞辰，王艷杰*，李法云，3

（1.遼寧石油化工大學(xué)生態(tài)環(huán)境研究院，遼寧 撫順 113001；2.遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧 撫順 113001；3.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長沙 410128）

人類活動對河流生態(tài)系統(tǒng)的影響越來越大，因此能夠通過適宜的監(jiān)測和評估方法對河流質(zhì)量進行評價是非常重要的，有利于在了解河流狀態(tài)的基礎(chǔ)上對河流進行保護和管理[1]。大型底棲動物在河流生態(tài)系統(tǒng)功能中起著關(guān)鍵作用，是能量流動和物質(zhì)循環(huán)過程中的主要環(huán)節(jié)之一，也是歐洲水框架指令中評估河流生態(tài)狀況的重要水生生物類群之一[2]。大型底棲動物主要生活在河流底質(zhì)中，具有移動能力差、生活范圍廣及生活史相對較長等特點，與水質(zhì)理化指標(biāo)相比，能夠更持續(xù)地反映長時間段的河流水質(zhì)理化特征及物理生境的變化，因此，利用大型底棲動物進行河流水環(huán)境評價，可以降低水質(zhì)理化指標(biāo)的監(jiān)測頻次，同時達到綜合體現(xiàn)一個時期河流水環(huán)境狀況的目的[3-4]。

河流水質(zhì)生物評價通常以研究區(qū)域的生物群落特征為基礎(chǔ)，通過生物指數(shù)的計算與等級劃分來評價河流水質(zhì)狀態(tài)[5-8]，基于大型底棲動物的生物評價指數(shù)主要包括Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、FBI（Family biotic index）指數(shù)、BPI（Biotic pollution in?dex）生物學(xué)污染指數(shù)、Goodnight-Whitley修正指數(shù)和敏感性指數(shù)等[9-11]。通常根據(jù)研究區(qū)域類型選擇幾種代表性生物指數(shù)進行水質(zhì)生物評價，一般要包含體現(xiàn)大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)特征、多樣性以及物種耐污程度的生物指數(shù)[12-13]。由于不同指數(shù)的量綱以及考慮的側(cè)重點不同，通常在評價結(jié)果上存在差異，為了改善這種情況，可以采用一些處理或分析方法，將不同指數(shù)綜合分析，進行水質(zhì)生物評價。模糊綜合評價法以選定的參數(shù)作為評價因子，根據(jù)分級標(biāo)準通過模糊矩陣建立、評價因子權(quán)重和歸一化處理、矩陣運算得到不同等級的隸屬度，再根據(jù)最大隸屬度原則得到模糊綜合評價結(jié)果[14]。池仕運等[15]運用綜合生物指數(shù)法和模糊綜合評價法對沙潁河進行水質(zhì)生物學(xué)評價，通過對比分析，模糊綜合評價法的評價結(jié)果更為合理。本研究中，根據(jù)清河流域的特點，從大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)組成、多樣性、耐污性3個方面選擇6個生物指數(shù)（Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、FBI指數(shù)和敏感性指數(shù)）作為評價因子，運用模糊綜合評價法對清河流域枯水期和豐水期的水環(huán)境狀況進行生物評價，將模糊綜合評價法與河流水質(zhì)生物評價相結(jié)合，以符合流域特征的大型底棲動物生物指數(shù)為基礎(chǔ)，進行綜合量化計算與分析，計算過程與數(shù)據(jù)結(jié)果更加客觀，既能直觀地反映河流水質(zhì)狀況，又可避免單一生物指數(shù)評價中因側(cè)重點不同對評價結(jié)果產(chǎn)生的影響，從而為流域水生態(tài)保護和管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域清河位于遼寧省東北部，是遼河的一級支流，流域面積5 674.28 km2，河流長度217 km。清河流域?qū)贉貛Ъ撅L(fēng)氣候，最大平均降水量和河流流量在8月，旱季從11月一直持續(xù)到3月（秋冬季節(jié)），區(qū)域內(nèi)年均降雨量692 mm，年均氣溫6.5℃。清河流域地勢以丘陵和山地為主，植被覆蓋度相對較高，區(qū)域內(nèi)有兩個水庫，清河水庫和南城子水庫，河流包括清河及主要支流寇河、碾盤河、馬仲河等，除森林植被外，還包含農(nóng)業(yè)用地。本研究在清河流域布設(shè)16個采樣點（圖1），在2011年5月（枯水期）和8月（豐水期）進行大型底棲動物調(diào)查。

1.2 大型底棲動物樣品采集

在清河的16個采樣點分別使用索伯網(wǎng)（40 cm×40 cm，425 μm）采集大型底棲動物樣品，綜合考慮河流底質(zhì)類型、底質(zhì)粒徑、河流流速、水深等主要因素，每個采樣點選擇3個典型的微生境進行樣品采集，將索伯網(wǎng)置于選好的位置，下邊框固定在河流水底，挑選索伯網(wǎng)下邊框內(nèi)的石塊置于桶內(nèi)并洗凈，然后攪動邊框內(nèi)底質(zhì)，使大型底棲動物順流進入索伯網(wǎng)中，然后將網(wǎng)內(nèi)的生物清洗到采樣桶內(nèi)，過40目篩，加70%的乙醇溶液保存在500 mL塑料瓶中。將采集的樣品進行分揀，參考相關(guān)資料在解剖鏡和顯微鏡下鑒定[16-17]。

圖1 清河流域采樣點分布圖Figure 1 Sampling sites in Qing River basin

1.3 數(shù)據(jù)處理

將大型底棲動物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行整理和計算，得到清河流域各采樣點的大型底棲動物物種豐度、生物密度以及6個生物指數(shù)。

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（H′）：

式中：S為物種豐度；Pi為第i種個體數(shù)占樣品總個體數(shù)N的比例。

式中：ni為第 i科的個體數(shù)；ti為第 i科的耐污值[18]。

敏感性指數(shù)（I）：

式中：ni為第i種的個體數(shù)；NI為敏感性種類的種數(shù)，耐污值≤3[19]。

采用Mann-Whitney U檢驗法對不同水期的大型底棲動物生物指數(shù)進行差異性檢驗。運用模糊綜合評價法對水質(zhì)污染狀態(tài)進行評價，以大型底棲動物生物指數(shù)為評價因子建立因子集合評價集，再確立單因素隸屬函數(shù)，構(gòu)建模糊矩陣R和評價因子權(quán)重矩陣A，經(jīng)過矩陣運算得到模糊綜合評價矩陣B（B=A×R），并根據(jù)最大隸屬度原則確定水質(zhì)污染狀態(tài)。大型底棲動物群落特征和生物指數(shù)分析、Mann-Whitney U檢驗和矩陣計算在Origin、SPSS和Excel中完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 清河大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)特征

清河流域共采集到大型底棲動物57類，隸屬于3門4綱32科，枯水期共采集大型底棲動物40種，豐水期50種。所采集的大型底棲動物中水生昆蟲比例較大，占底棲動物總數(shù)84.2%，豐水期水生昆蟲比例比枯水期高4.15%。豐水期蜉蝣目和毛翅目的生物種類及所占百分比增加，雙翅目比例相對降低?？菟趦?yōu)勢生物類群主要為雙翅目搖蚊科（Chironomidae），豐水期優(yōu)勢類群發(fā)生變化，蜉蝣目的四節(jié)蜉科（Baeti?dae）、扁蜉科（Heptageniidae）、二尾蜉科（Siphluridae）和毛翅目的紋石蛾科（Hydropsychidae）、沼石蛾科（Limnephilidae）百分比增大，搖蚊科（Chironomidae）的優(yōu)勢度降低。

大型底棲動物物種豐度是指一個群落或生境中采樣面積內(nèi)的生物物種數(shù)，是衡量生物群落整體特征的主要參數(shù)，物種豐度的變化能夠反映環(huán)境條件的影響。生物密度指單位面積內(nèi)的大型底棲動物個體總數(shù)，單位為個·m-2。清河流域不同采樣點位枯水期和豐水期大型底棲動物物種豐度及生物密度變化見圖2和圖3?？菟诖笮偷讞珓游镂锓N豐度最高值和最低值分別為24和6，出現(xiàn)在S15和S14點位，枯水期各點位物種豐度均值為13。豐水期物種豐度最高值和最低值分別為35和7，出現(xiàn)在S9和S5點位，枯水期各點位物種豐度均值為17?？菟诤拓S水期大型底棲動物物種豐度無顯著性差異（Z=-1.551，P=0.121）。除S1、S3和S5外，其他各點位豐水期物種豐度均大于枯水期?？菟诖笮偷讞珓游锷锩芏茸罡咧岛妥畹椭捣謩e為1402個·m-2和58個·m-2，枯水期各點位間生物密度差異較大。豐水期大型底棲動物生物密度最高值和最低值分別為928個·m-2和229個·m-2，與枯水期相比，豐水期各點位間生物密度差異變小。枯水期和豐水期大型底棲動物生物密度均值分別為518個·m-2和494個·m-2，兩水期無顯著性差異（Z=-0.452，P=0.651）。

2.2 不同水期清河流域大型底棲動物多樣性變化

通過計算清河流域枯水期和豐水期的6個生物指數(shù)，分析研究區(qū)域不同水期的大型底棲動物變化特征見圖4。枯水期大型底棲動物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)平均值為1.81±0.40，最大值與最小值相差1.21。豐水期大型底棲動物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)平均值為2.23±0.24，最大值與最小值相差1.01?？菟诤拓S水期大型底棲動物Shannon-Wiener多樣性呈顯著性差異（Z=-2.809，P=0.005），其中枯水期不同點位的大型底棲動物Shannon-Wiener多樣性差異相對較大?？菟诤拓S水期大型底棲動物Margalef豐富度指數(shù)平均值分別為2.14±0.52和2.79±0.77，豐水期各點位豐富度最大值與最小值相差較大，差值為2.55，枯水期差值為1.90，兩水期之間大型底棲動物Margalef豐富度差異顯著（Z=-2.356，P=0.018）?？菟诖笮偷讞珓游颯impson多樣性指數(shù)平均值為3.54±1.30，低于豐水期的Simpson多樣性（3.67±1.21），枯水期和豐水期Simpson多樣性最大值與最小值差值相差較小，分別為3.80和3.81，兩水期之間Simpson多樣性無顯著性差異（Z=-0.547，P=0.585）?？菟诤拓S水期大型底棲動物Pielou均勻度指數(shù)平均值相差較小，分別為0.67±0.14和0.64±0.07，枯水期最大值與最小值相差0.46，豐水期相差0.27。兩水期大型底棲動物Pielou均勻度差異不顯著（Z=-0.604，P=0.546）。大型底棲動物FBI指數(shù)均值表現(xiàn)為枯水期（5.86±0.34）大于豐水期（5.70±0.74），枯水期和豐水期最大、最小FBI差值分別為1.30和2.46。兩水期FBI指數(shù)差異不顯著（Z=-0.999，P=0.318）?？菟诖笮偷讞珓游锩舾行灾笖?shù)平均值為7.87±3.98，最大值與最小值相差11.50，豐水期敏感性指數(shù)平均值（27.16±19.60）和最大值與最小值差值（51.21）明顯大于枯水期，兩水期呈顯著性差異（Z=-3.58，P=0.001）。

圖2 清河流域枯水期與豐水期大型底棲動物物種豐度Figure 2 Species abundance of macroinvertebrates in dry and wet season of Qing River basin

圖3 清河流域枯水期與豐水期大型底棲動物生物密度Figure 3 Macroinvertebrates density in dry and wet season of Qing River basin

圖4 清河流域大型底棲動物生物指數(shù)特征Figure 4 Characteristics of macroinvertebrate community indices in Qing River basin

2.3 清河流域模糊數(shù)學(xué)綜合評價

大型底棲動物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Mar?galef豐富度指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、FBI指數(shù)、敏感性指數(shù)6個生物指數(shù)的評價等級分為4級（表1）。根據(jù)各評價因子分級標(biāo)準和實際值，得出其在不同等級的隸屬度，組成模糊矩陣R，再通過超標(biāo)加權(quán)法計算各指標(biāo)的權(quán)重，經(jīng)過歸一化處理得到權(quán)重矩陣A，將R和A進行運算得到綜合評價結(jié)果[20]。

表1 大型底棲動物生物指數(shù)評價標(biāo)準Table 1 Grading standards of benthic macroinvertebrates indices

通過對枯水期6個生物指數(shù)評價因子的模糊矩陣建立以及權(quán)重矩陣的運算，得到了各點位在清潔、輕度污染、中度污染和重度污染4個水質(zhì)等級的隸屬度，經(jīng)過隸屬度比較得到模糊綜合評價結(jié)果（表2）。枯水期水體呈清潔狀態(tài)的點位為S9和S15，所占比例為12.5%，其中S9位于清河上游源頭附近，河流生境、水質(zhì)條件優(yōu)越，卵石底質(zhì)，為敏感性和耐污值低的大型底棲動物類群生存提供了適宜條件，S15位于清河二級支流葉赫河的南城子水庫下游，該點位植被覆蓋度較高，河岸緩沖帶距離大，人類活動影響小，有利于大型底棲動物生存，物種多樣性及豐富度相對較高，敏感性生物類群比例較大，經(jīng)過矩陣建立與隸屬度計算，該點位在清潔等級的隸屬度較大。水體呈輕度污染狀態(tài)的點位為S6和S8，占所有采樣點的12.5%，分別位于清河支流寇河和碾盤河，兩個點位均位于人居區(qū)上游，水質(zhì)及生境狀況較好，大型底棲動物群落多樣性較高，相對于清潔點，敏感性指數(shù)分別降低3.73%和1.42%。枯水期呈中度污染狀態(tài)的采樣點位有12個，占總體樣點的75%，枯水期時河流水量較小，部分村落和農(nóng)田附近存在生活垃圾、畜禽糞便散落和堆放的現(xiàn)象，對河流水質(zhì)影響較大，耐污值較低的生物類群比例降低或消失。枯水期S1～S5、S7、S10～S14和S16點位處于中度污染狀態(tài)，其中S1、S2～S5和S14位于昌圖縣、西豐縣和開原市附近，來自城市及周邊區(qū)域的廢水、生活垃圾及污水等對河流水質(zhì)影響較大。S7、S10～S13和S16周邊以農(nóng)業(yè)為主，枯水期河流水量較小，河岸帶植被剛開始生長，不能起到緩沖和攔截作用，散落在河道附近的生活垃圾、畜禽糞便及農(nóng)業(yè)耕種前的堆肥等物質(zhì)進入河流中[31]，影響水質(zhì)，對大型底棲動物敏感類群影響較大，導(dǎo)致枯水期敏感性指數(shù)較低，這也成為制約模糊綜合評價結(jié)果的重要因子。一段時間內(nèi)河流水環(huán)境條件的變化影響大型底棲動物的群落特征，同時也能夠通過生物的變化來反映階段性水環(huán)境狀況，實現(xiàn)水質(zhì)生物學(xué)評價[32-34]。

表2 枯水期不同點位水體污染狀態(tài)的隸屬度和模糊綜合評價Table 2 Membership degrees and fuzzy comprehensive evaluation of water pollution at different sites in dry season

清河流域豐水期的水體污染狀態(tài)（表3）與枯水期相比變化較大，其中清潔狀態(tài)點位有3個，除S9和S15點位外，又增加了S6，占總體樣點的比例提高到18.75%，清潔點主要位于清河及支流寇河上游和南城子水庫附近，采樣點的生境條件較好，河流底質(zhì)以卵石為主，河岸帶植被豐富，河流中具備一定的水生植物和河岸帶植被的枯落物，有利于大型底棲動物覓食，河水流速和深度適中，使得水中溶解氧含量豐富，為大型底棲動物，尤其是耐污值較低、敏感型生物種類的生存提供適宜條件[35]。豐水期輕度污染狀態(tài)的點位增幅較大，由枯水期的2個點位增加到7個點位，所占比例也達到43.75%。輕度污染樣點主要位于清河支流上游和清河水庫的入庫河流，豐水期河流水量增大，使得河水覆蓋部分的底質(zhì)比例增加，為大型底棲動物提供了更多的生存空間[35]，同時，豐水期水生植物及河岸帶周圍植物生長更加茂盛，有利于增加大型底棲動物的種類和數(shù)量。與枯水期相比，豐水期中度污染點位所占百分比下降37.5%，其中S7、S10～S13和S16由枯水期的中度污染變成輕度污染狀態(tài)，這些點主要位于清河干流和支流中上游，豐水期河流水量增大，河岸帶植被及水生植物長勢良好，能夠有效攔截和凈化進入河流的污染物，對河流水質(zhì)起到保護作用。S1～S5、S14位于清河支流馬仲河、寇河和清河水庫下游，枯水期和豐水期都呈中度污染狀態(tài)，其中S1在馬仲河下游，有來自于昌圖縣及附近村鎮(zhèn)的廢水，S5點在西豐縣下游，河流水質(zhì)受到污水和廢棄物的影響，S2～S4在寇河S5的下游，其生境條件受到挖沙和鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水影響較大，S14在水庫下游，距離開原市較近，河道的生境適宜性降低，進而也影響大型底棲動物物種組成，使FBI指數(shù)增大和敏感性指數(shù)降低，在模糊綜合評價中權(quán)重和隸屬度較大，水質(zhì)呈中度污染狀態(tài)。水環(huán)境受到人類活動的直接或間接影響[36]。城鄉(xiāng)生活污水排放、垃圾的無序堆放、畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)藥及化肥的施用、挖沙等對河流水環(huán)境造成一定影響，使水中污染物、氮、磷等增加，挖沙會導(dǎo)致水體渾濁，影響具鰓生物的呼吸[37-38]。采用模糊綜合評價法對水體污染或健康狀態(tài)進行評價，將多個水質(zhì)指標(biāo)、生物指標(biāo)或水生態(tài)健康評價指標(biāo)進行轉(zhuǎn)化和計算，最終得到綜合性的隸屬度值，評價結(jié)果更客觀全面，能夠有效克服單因子評價和主觀分析方法的不足[15，39-40]。伍名群[39]采用熵權(quán)法賦權(quán)對清水江流域水質(zhì)進行模糊綜合評價，充分考慮了多樣本間的聯(lián)系并削弱異常值的影響，評價結(jié)果更合理。池仕運等[15]采用綜合生物指數(shù)法和模糊綜合評價法以大型底棲動物生物指數(shù)為基礎(chǔ)對沙潁河干流進行水質(zhì)生物學(xué)評價，通過對比分析發(fā)現(xiàn)，模糊綜合評價法強化了指標(biāo)實測值與水質(zhì)污染程度隸屬度的函數(shù)量化關(guān)系，使評價結(jié)果更符合實際情況。

表3 豐水期不同點位水體污染狀態(tài)的隸屬度和模糊綜合評價Table 3 Membership degrees and fuzzy comprehensive evaluation of water pollution at different sites in wet season

3 結(jié)論

（1）清河流域豐水期大型底棲動物物種豐度均值高于枯水期，生物密度為枯水期大于豐水期，兩水期之間物種豐度和生物密度無顯著性差異，優(yōu)勢生物種類不同。

（2）大型底棲動物Shannon-Wiener多樣性、Mar?galef豐富度和敏感性指數(shù)在枯水期和豐水期之間變化較大，差異顯著。清河及主要支流上游生物多樣性較高且敏感性類群比例較大，下游、鄉(xiāng)鎮(zhèn)及城區(qū)附近的生物類群多樣性降低，耐污值高的生物比例增加。

（3）模糊綜合評價結(jié)果表明，清河枯水期水體呈清潔、輕度污染和中度污染的樣點比例分別為12.5%、12.5%和75%。豐水期水體呈清潔（18.75%）和輕度污染（43.75%）狀態(tài)的樣點增加，中度污染（37.5%）狀態(tài)的比例降低。清河干流及支流上游點位水環(huán)境狀況相對較好，明顯優(yōu)于城區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等人居區(qū)及下游區(qū)域。