中國北方河流底棲動(dòng)物群落季節(jié)性演替對水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)的影響

劉 蕊，李中宇，趙 然，胡顯安，王麗娜，王業(yè)耀，王備新，金小偉

1.黑龍江省環(huán)境監(jiān)測中心站，黑龍江 哈爾濱 150056 2.中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012 3.佳木斯市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站，黑龍江 佳木斯 154002 4.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)昆蟲系水生昆蟲與溪流生態(tài)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210095

大型底棲動(dòng)物因?qū)Σ煌愋偷奈廴净蛉藶楦蓴_的響應(yīng)都比較敏感，成為廣泛應(yīng)用于河流健康等生態(tài)評價(jià)的指示生物，可以綜合反映長期人類活動(dòng)對河流生態(tài)系統(tǒng)擾動(dòng)的程度[1]。近年來，國內(nèi)的生態(tài)學(xué)者在這方面開展了大量的研究[2-8]，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)也進(jìn)行了積極的嘗試[9-13]。松花江流域水生生物試點(diǎn)監(jiān)測從2012年開始，應(yīng)用底棲動(dòng)物對松花江流域水生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)和研究，發(fā)現(xiàn)各斷面底棲動(dòng)物的物種數(shù)增多，尤其是清潔物種明顯增加，生物學(xué)評價(jià)結(jié)果充分反映出黑龍江省水生態(tài)質(zhì)量的改善成果，趨勢較顯著。同時(shí)圍繞環(huán)境管理的重點(diǎn)工作開展了相關(guān)研究，利用底棲動(dòng)物的群落特征對環(huán)境變化進(jìn)行預(yù)警[14]。

研究中發(fā)現(xiàn)，底棲動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)在春季和秋季季節(jié)更替比較明顯，群落結(jié)構(gòu)變化較大，直接按采樣時(shí)間評價(jià)，結(jié)果存在偏差。為了將群落的演替與污染影響區(qū)分開來，按照底棲動(dòng)物的生活習(xí)性和生活史特點(diǎn)及其在水生態(tài)評價(jià)中的作用，引進(jìn)復(fù)合樣方[15]的理念，按全年檢出物種數(shù)量開展評價(jià)，效果較好。該研究基于在松花江試點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域設(shè)置的47個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，選取2012—2015年108組春季和秋季均完成采集任務(wù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用BMWP指數(shù)[16]進(jìn)行評價(jià)，重點(diǎn)探討底棲動(dòng)物群落的季節(jié)變化和評價(jià)結(jié)果的差異，以期為準(zhǔn)確評價(jià)北方水體水生態(tài)質(zhì)量提供技術(shù)支持，滿足客觀性和科學(xué)性的需要。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域分布在黑龍江、烏蘇里江、興凱湖和松花江干流及其主要支流(包括源頭)。黑龍江以海拉爾河為源頭，全長為4 344 km，是中俄界江；烏蘇里江全長為890 km，是中俄界江，界河段長492 km；興凱湖是中俄界湖，在中國境內(nèi)的面積為1 080 km2；松花江從源頭到三岔河段為嫩江，長為1 370 km，三岔河以下為干流，全長為939 km[17]。除源頭以外，多數(shù)采樣點(diǎn)位于深水河流或湖庫的岸邊帶。區(qū)域內(nèi)界河和界湖受人類活動(dòng)影響較小，保持比較原始的自然狀態(tài)，而松花江流域人類活動(dòng)強(qiáng)度差異較大，源頭區(qū)域人為干擾少，基本處于原生態(tài)狀態(tài)，平原河流受人類活動(dòng)影響較大(尤其是大城市附近)，呈現(xiàn)出相應(yīng)的空間分布特征。

1.2 樣品采集及鑒定

研究區(qū)域共布設(shè)37個(gè)斷面47個(gè)采樣點(diǎn)，斷面代碼及名稱見表1，斷面分布示意圖見圖1。每個(gè)采樣點(diǎn)選取不同的生境用手抄網(wǎng)采集定性樣品，選擇最適合底棲動(dòng)物多樣性的生境設(shè)置基質(zhì)籠，一般每個(gè)采樣點(diǎn)放2個(gè)，放置14 d，采集定量樣品?，F(xiàn)場經(jīng)0.63 mm孔徑的分樣篩進(jìn)行過濾，挑揀，保存至30%酒精中，回實(shí)驗(yàn)室后，換75%酒精固定，直至鑒定結(jié)束。各類生物鑒定到最小分類單位，數(shù)據(jù)按定性和定量合并的結(jié)果統(tǒng)計(jì)[18]，年度按6月和9月平均統(tǒng)計(jì)。

表1 研究區(qū)域斷面代碼及名稱Table 1 Section code and name for survey region

圖1 松花江流域監(jiān)測斷面分布示意圖Fig.1 Locations of sample sites in Songhua River basin

1.3 生物評價(jià)指數(shù)計(jì)算方法

底棲動(dòng)物BMWP指數(shù)[16]計(jì)算公式：

(1)

式中：ti表示第i科的物種的敏感值；n表示科級(jí)分類單位的總數(shù),個(gè)。

采樣點(diǎn)的BMWP指數(shù)得分越高，表明受到的人為活動(dòng)影響越小，評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 BMWP指數(shù)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Evaluation criterion for BMWP index

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析

復(fù)合樣方是指同一采樣點(diǎn)全年多個(gè)不同時(shí)間采集的樣方總和，反映該采樣點(diǎn)的水生態(tài)狀況，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)全年檢出物種數(shù)量和每個(gè)物種檢出量的平均值，簡稱年均值。

采用物種更替率(R)和Jaccard種類相似性指數(shù)[19]對不同季節(jié)底棲動(dòng)物群落的物種變化和群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

R=〔(a+b-2c)/(a+b-c)〕×100%

(2)

式中：a與b分別為2個(gè)樣品的物種數(shù)，c為2個(gè)樣品共同的物種數(shù)。

Jaccard種類相似性系數(shù)的公式為

(3)

式中：a為樣品A的生物種類數(shù)；b為樣品B的生物種類數(shù)；c為樣品A和B的共同種類數(shù)。當(dāng)A、B 2份樣品(2個(gè)調(diào)查地點(diǎn)或2個(gè)斷面)的種類完全相同時(shí)相似性為100%；反之，若不存在共同種，則相似性為0。

2 結(jié)果與討論

2.1 底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)

共鑒定出底棲動(dòng)物179個(gè)分類單位，其中水生昆蟲EPT物種74個(gè)屬，占41.3%；水生昆蟲其他物種50個(gè)科(屬)，占27.9%；軟體動(dòng)物27個(gè)屬(種)，占15.1%；甲殼動(dòng)物10個(gè)屬(種)，占5.6%；環(huán)節(jié)動(dòng)物16個(gè)屬(種)，占8.9%；其他種類2個(gè)屬(種)，占1.1%，見圖2。水生昆蟲和軟體動(dòng)物分布廣泛，并且多數(shù)采樣點(diǎn)以其為優(yōu)勢類群，密度范圍較大(1～9 551個(gè)/籠)。

圖2 底棲動(dòng)物群落組成Fig.2 Composition of benthic macroinvertebrate communities

2.2 不同季節(jié)底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)差異分析

大型底棲動(dòng)物雖然長期生活在水中，但受生活史、氣候、水溫等因素影響，不同季節(jié)采集的物種往往不同，物種數(shù)也存在較大的差異，在松花江流域試點(diǎn)監(jiān)測中得到了證實(shí)。底棲動(dòng)物群落中物種數(shù)季節(jié)變化主要表現(xiàn)為水生昆蟲數(shù)量的變化(以2014年為例)，見圖3。利用Jaccard相似性系數(shù)統(tǒng)計(jì)(表3)，2012—2015年間6、9月群落相似性系數(shù)為8.4%～100%，群落的差異很大，其中78.8%的樣品屬于極不相似和輕度相似；19.4%屬于中度相似。6月監(jiān)測結(jié)果與年均值之間群落的相似性系數(shù)為25%～100%，中度相似占比較多，達(dá)到45.4%，極相似次之，為38.9%；9月監(jiān)測結(jié)果與年均值之間群落相似性多屬于中度相似，達(dá)到62%，其次是極相似，為23.2%?？傮w表現(xiàn)為物種數(shù)越多，相似性越差，尤其是水生昆蟲物種較豐富的采樣點(diǎn)，這種狀況更明顯。

注：每個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)從左至右依次為6月、9月和年均值。圖3 2014年各采樣點(diǎn)物種數(shù)差異比較Fig.3 Comparison of benthic macroinvertebrate communities for each sample sites in 2014

Jaccard指數(shù)/%相似度6月與9月監(jiān)測結(jié)果6月監(jiān)測結(jié)果與年均值9月監(jiān)測結(jié)果與年均值個(gè)數(shù)占比/%個(gè)數(shù)占比/%個(gè)數(shù)占比/%0完全不相似——————1～25極不相似2926.910.910.926～50輕度相似5651.998.3131251～75中度相似2119.44945.4676276～99極相似10.94238.92523.2100完全相似10.976.521.9

注：“—”表示未出現(xiàn)。

6月和9月底棲動(dòng)物群落中物種更替率較高，為20%～91.6%，超過50%的采樣點(diǎn)更替率在60%以上。

2.3 不同季節(jié)水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)結(jié)果差異性分析

應(yīng)用大型底棲動(dòng)物評價(jià)水生態(tài)質(zhì)量的狀況，評價(jià)指數(shù)很多，主要包括生物多樣性指數(shù)(如豐富度指數(shù)、Margalef指數(shù))；分類單元型指數(shù)(如EPT指數(shù))；應(yīng)用底棲動(dòng)物耐污值的FBI指數(shù)；基于科級(jí)敏感值的BMWP指數(shù)及在BMWP指數(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展的ASPT指數(shù)。無論利用哪種評價(jià)方法，結(jié)果的好壞主要取決于采集的物種數(shù)、種類和數(shù)量，研究僅利用BMWP指數(shù)進(jìn)行水生態(tài)評價(jià)的計(jì)算和比較，BMWP指數(shù)是基于底棲動(dòng)物的敏感性建立的，最早被應(yīng)用于對有機(jī)污染的監(jiān)測，目前已在不同國家和地區(qū)廣泛應(yīng)用，并獲得了認(rèn)可[20-22]。該指數(shù)在松花江流域水生生物試點(diǎn)監(jiān)測中得到修訂，通過多年的實(shí)踐驗(yàn)證，該指數(shù)在這一地區(qū)的應(yīng)用比較成熟。冷龍龍等[16]在遼河和太子河的研究中也推薦了這種方法。該評價(jià)方法比較簡單、快速、應(yīng)用方便，對底棲動(dòng)物的鑒定要求較低(一般到科級(jí)水平)，研究團(tuán)隊(duì)的參與人員均能夠達(dá)到要求，有利于提高鑒定的準(zhǔn)確性。BMWP指數(shù)評價(jià)結(jié)果按照物種數(shù)年均值由低到高將采樣點(diǎn)排序，見表4。將各采樣點(diǎn)6、9月和年均值的BMWP值作圖(圖4)，可見，隨著物種數(shù)的增多，BMWP指數(shù)值也增大，6、9月及年均值的BMWP值之間差異越大。

2.4 群落季節(jié)演替對水生態(tài)狀況評價(jià)的影響

底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)多樣性較豐富，可以有效指示短期和長期人為活動(dòng)對河流生態(tài)系統(tǒng)的影響[20，23]，對水環(huán)境污染和水文擾動(dòng)都有很強(qiáng)的指示作用[24-25]，是評價(jià)河流水生態(tài)狀況的生物類群之一。利用底棲動(dòng)物評價(jià)水生態(tài)狀況的過程中，群落演替會(huì)對結(jié)果造成誤判，通過對底棲動(dòng)物群落特征的分析認(rèn)為，這主要是由研究區(qū)域的客觀因素造成的。該區(qū)域物種豐富，底棲動(dòng)物中水生昆蟲占比很大，水生昆蟲的生活史中存在羽化現(xiàn)象，加之北方寒冷，無霜期短，水生昆蟲的羽化時(shí)間比較集中。而受汛期的影響，現(xiàn)實(shí)工作中，樣品的采集一般僅安排在每年的6、9月，出現(xiàn)明顯的季節(jié)更替，因此會(huì)導(dǎo)致低估或誤判水生態(tài)狀況等。

表4 BMWP指數(shù)評價(jià)結(jié)果Table 4 Evaluation result for BMWP index

圖4 BMWP指數(shù)評價(jià)結(jié)果比較Fig.4 Comparison of evaluation result for BMWP index

在樣品采集的過程中群落結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化屬于自然現(xiàn)象，并非因水生態(tài)狀況改變引起，所以研究引進(jìn)復(fù)合樣方的理念，在適宜采集的季節(jié)采樣，并統(tǒng)計(jì)整理成復(fù)合樣方的數(shù)據(jù)(年均值)，按全年檢出的物種數(shù)量和每個(gè)物種檢出量的平均值進(jìn)行評價(jià)，表達(dá)水生態(tài)狀況，能夠減少因物種的季節(jié)更替帶來的低估、誤判，提高水生態(tài)評價(jià)的準(zhǔn)確性。

利用水化學(xué)指標(biāo)評價(jià)水質(zhì)的狀況，是表達(dá)水環(huán)境質(zhì)量的瞬時(shí)狀況，而底棲動(dòng)物群落因受外界脅迫而發(fā)生的變化則是表達(dá)長期、綜合的結(jié)果，同時(shí)也具有一定的滯后性和延后性。除了特殊的急性污染應(yīng)急事故或劇烈的干擾會(huì)導(dǎo)致生物種群的突然死亡或者種群減小以外，通常的環(huán)境壓力脅迫都是低濃度長期作用的結(jié)果，其生物群落的變化往往具有延遲效應(yīng)，所以底棲動(dòng)物反映的生態(tài)狀況是具有階段性的，不宜使用一次數(shù)據(jù)表達(dá)采樣時(shí)間的瞬時(shí)狀況。

3 結(jié)論

鑒于底棲動(dòng)物的生活史特點(diǎn)，不同時(shí)間采集的樣品底棲動(dòng)物群落存在自然的季節(jié)更替，這種更替主要源于水生昆蟲物種數(shù)量的變化，導(dǎo)致評價(jià)的結(jié)果存在差異，越是物種豐富的區(qū)域，這種差異越明顯。

利用底棲動(dòng)物評價(jià)水生態(tài)狀況，宜選擇長時(shí)間段的多個(gè)采集數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)整理后，利用復(fù)合樣方(年均值)的特征，評價(jià)一段時(shí)間(如以年為單位)的水生態(tài)質(zhì)量狀況，提高評價(jià)結(jié)果的客觀性、準(zhǔn)確性。