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(dòng)對(duì)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(píng)估方法對(duì)河流質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)是非常重要的,有利于在了解河流狀態(tài)的基礎(chǔ)上對(duì)河流進(jìn)行保護(hù)和管理[1]。大型底棲動(dòng)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(dòng)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(píng)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(dòng)物主要生活在河流底質(zhì)中,具有移動(dòng)能力差、生活范圍廣及生活史相對(duì)較長等特點(diǎn),與水質(zhì)理化指標(biāo)相比,能夠更持續(xù)地反映長時(shí)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(dòng)物進(jìn)行河流水環(huán)境評(píng)價(jià),可以降低水質(zhì)理化指標(biāo)的監(jiān)測頻次,同時(shí)達(dá)到綜合體現(xiàn)一個(gè)時(shí)期河流水環(huán)境狀況的目的[3-4]。
河流水質(zhì)生物評(píng)價(jià)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(jì)算與等級(jí)劃分來評(píng)價(jià)河流水質(zhì)狀態(tài)[5-8],基于大型底棲動(dòng)物的生物評(píng)價(jià)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(jìn)行水質(zhì)生物評(píng)價(jià),一般要包含體現(xiàn)大型底棲動(dòng)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(diǎn)不同,通常在評(píng)價(jià)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(jìn)行水質(zhì)生物評(píng)價(jià)。模糊綜合評(píng)價(jià)法以選定的參數(shù)作為評(píng)價(jià)因子,根據(jù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)通過模糊矩陣建立、評(píng)價(jià)因子權(quán)重和歸一化處理、矩陣運(yùn)算得到不同等級(jí)的隸屬度,再根據(jù)最大隸屬度原則得到模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果[14]。池仕運(yùn)等[15]運(yùn)用綜合生物指數(shù)法和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)沙潁河進(jìn)行水質(zhì)生物學(xué)評(píng)價(jià),通過對(duì)比分析,模糊綜合評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)結(jié)果更為合理。本研究中,根據(jù)清河流域的特點(diǎn),從大型底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)組成、多樣性、耐污性3個(gè)方面選擇6個(gè)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(píng)價(jià)因子,運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)清河流域枯水期和豐水期的水環(huán)境狀況進(jìn)行生物評(píng)價(jià),將模糊綜合評(píng)價(jià)法與河流水質(zhì)生物評(píng)價(jià)相結(jié)合,以符合流域特征的大型底棲動(dòng)物生物指數(shù)為基礎(chǔ),進(jìn)行綜合量化計(jì)算與分析,計(jì)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(píng)價(jià)中因側(cè)重點(diǎn)不同對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生的影響,從而為流域水生態(tài)保護(hù)和管理提供依據(jù)。
研究區(qū)域清河位于遼寧省東北部,是遼河的一級(jí)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(duì)較高,區(qū)域內(nèi)有兩個(gè)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(gè)采樣點(diǎn)(圖1),在2011年5月(枯水期)和8月(豐水期)進(jìn)行大型底棲動(dòng)物調(diào)查。
在清河的16個(gè)采樣點(diǎn)分別使用索伯網(wǎng)(40 cm×40 cm,425 μm)采集大型底棲動(dòng)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(gè)采樣點(diǎn)選擇3個(gè)典型的微生境進(jìn)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(dòng)邊框內(nèi)底質(zhì),使大型底棲動(dòng)物順流進(jìn)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(jìn)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(diǎn)分布圖Figure 1 Sampling sites in Qing River basin
將大型底棲動(dòng)物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和計(jì)算,得到清河流域各采樣點(diǎn)的大型底棲動(dòng)物物種豐度、生物密度以及6個(gè)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(gè)體數(shù)占樣品總個(gè)體數(shù)N的比例。
式中:ni為第 i科的個(gè)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(gè)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(yàn)法對(duì)不同水期的大型底棲動(dòng)物生物指數(shù)進(jìn)行差異性檢驗(yàn)。運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)水質(zhì)污染狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià),以大型底棲動(dòng)物生物指數(shù)為評(píng)價(jià)因子建立因子集合評(píng)價(jià)集,再確立單因素隸屬函數(shù),構(gòu)建模糊矩陣R和評(píng)價(jià)因子權(quán)重矩陣A,經(jīng)過矩陣運(yùn)算得到模糊綜合評(píng)價(jià)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(dòng)物群落特征和生物指數(shù)分析、Mann-Whitney U檢驗(yàn)和矩陣計(jì)算在Origin、SPSS和Excel中完成。
清河流域共采集到大型底棲動(dòng)物57類,隸屬于3門4綱32科,枯水期共采集大型底棲動(dòng)物40種,豐水期50種。所采集的大型底棲動(dòng)物中水生昆蟲比例較大,占底棲動(dòng)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(duì)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(dòng)物物種豐度是指一個(gè)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(dòng)物個(gè)體總數(shù),單位為個(gè)·m-2。清河流域不同采樣點(diǎn)位枯水期和豐水期大型底棲動(dòng)物物種豐度及生物密度變化見圖2和圖3??菟诖笮偷讞珓?dòng)物物種豐度最高值和最低值分別為24和6,出現(xiàn)在S15和S14點(diǎn)位,枯水期各點(diǎn)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(diǎn)位,枯水期各點(diǎn)位物種豐度均值為17??菟诤拓S水期大型底棲動(dòng)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(diǎn)位豐水期物種豐度均大于枯水期??菟诖笮偷讞珓?dòng)物生物密度最高值和最低值分別為1402個(gè)·m-2和58個(gè)·m-2,枯水期各點(diǎn)位間生物密度差異較大。豐水期大型底棲動(dòng)物生物密度最高值和最低值分別為928個(gè)·m-2和229個(gè)·m-2,與枯水期相比,豐水期各點(diǎn)位間生物密度差異變小??菟诤拓S水期大型底棲動(dòng)物生物密度均值分別為518個(gè)·m-2和494個(gè)·m-2,兩水期無顯著性差異(Z=-0.452,P=0.651)。
通過計(jì)算清河流域枯水期和豐水期的6個(gè)生物指數(shù),分析研究區(qū)域不同水期的大型底棲動(dòng)物變化特征見圖4。枯水期大型底棲動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(diǎn)位的大型底棲動(dòng)物Shannon-Wiener多樣性差異相對(duì)較大??菟诤拓S水期大型底棲動(dòng)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(diǎn)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(dòng)物Margalef豐富度差異顯著(Z=-2.356,P=0.018)??菟诖笮偷讞珓?dòng)物Simpson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(dòng)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(dòng)物Pielou均勻度差異不顯著(Z=-0.604,P=0.546)。大型底棲動(dòng)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?dòng)物敏感性指數(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(dòng)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(dòng)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(dòng)物生物指數(shù)特征Figure 4 Characteristics of macroinvertebrate community indices in Qing River basin
大型底棲動(dòng)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(gè)生物指數(shù)的評(píng)價(jià)等級(jí)分為4級(jí)(表1)。根據(jù)各評(píng)價(jià)因子分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際值,得出其在不同等級(jí)的隸屬度,組成模糊矩陣R,再通過超標(biāo)加權(quán)法計(jì)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(jìn)行運(yùn)算得到綜合評(píng)價(jià)結(jié)果[20]。
表1 大型底棲動(dòng)物生物指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Grading standards of benthic macroinvertebrates indices
通過對(duì)枯水期6個(gè)生物指數(shù)評(píng)價(jià)因子的模糊矩陣建立以及權(quán)重矩陣的運(yùn)算,得到了各點(diǎn)位在清潔、輕度污染、中度污染和重度污染4個(gè)水質(zhì)等級(jí)的隸屬度,經(jīng)過隸屬度比較得到模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果(表2)??菟谒w呈清潔狀態(tài)的點(diǎn)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(dòng)物類群生存提供了適宜條件,S15位于清河二級(jí)支流葉赫河的南城子水庫下游,該點(diǎn)位植被覆蓋度較高,河岸緩沖帶距離大,人類活動(dòng)影響小,有利于大型底棲動(dòng)物生存,物種多樣性及豐富度相對(duì)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(jì)算,該點(diǎn)位在清潔等級(jí)的隸屬度較大。水體呈輕度污染狀態(tài)的點(diǎn)位為S6和S8,占所有采樣點(diǎn)的12.5%,分別位于清河支流寇河和碾盤河,兩個(gè)點(diǎn)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(dòng)物群落多樣性較高,相對(duì)于清潔點(diǎn),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(diǎn)位有12個(gè),占總體樣點(diǎn)的75%,枯水期時(shí)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(duì)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??菟赟1~S5、S7、S10~S14和S16點(diǎn)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(duì)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(jìn)入河流中[31],影響水質(zhì),對(duì)大型底棲動(dòng)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(píng)價(jià)結(jié)果的重要因子。一段時(shí)間內(nèi)河流水環(huán)境條件的變化影響大型底棲動(dòng)物的群落特征,同時(shí)也能夠通過生物的變化來反映階段性水環(huán)境狀況,實(shí)現(xiàn)水質(zhì)生物學(xué)評(píng)價(jià)[32-34]。
表2 枯水期不同點(diǎn)位水體污染狀態(tài)的隸屬度和模糊綜合評(píng)價(jià)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(diǎn)位有3個(gè),除S9和S15點(diǎn)位外,又增加了S6,占總體樣點(diǎn)的比例提高到18.75%,清潔點(diǎn)主要位于清河及支流寇河上游和南城子水庫附近,采樣點(diǎn)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(dòng)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(dòng)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(diǎn)位增幅較大,由枯水期的2個(gè)點(diǎn)位增加到7個(gè)點(diǎn)位,所占比例也達(dá)到43.75%。輕度污染樣點(diǎn)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(dòng)物提供了更多的生存空間[35],同時(shí),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(dòng)物的種類和數(shù)量。與枯水期相比,豐水期中度污染點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)入河流的污染物,對(duì)河流水質(zhì)起到保護(hù)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(diǎn)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(jìn)而也影響大型底棲動(dòng)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(píng)價(jià)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(dòng)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(duì)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(huì)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(píng)價(jià)法對(duì)水體污染或健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià),將多個(gè)水質(zhì)指標(biāo)、生物指標(biāo)或水生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)化和計(jì)算,最終得到綜合性的隸屬度值,評(píng)價(jià)結(jié)果更客觀全面,能夠有效克服單因子評(píng)價(jià)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(duì)清水江流域水質(zhì)進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià),充分考慮了多樣本間的聯(lián)系并削弱異常值的影響,評(píng)價(jià)結(jié)果更合理。池仕運(yùn)等[15]采用綜合生物指數(shù)法和模糊綜合評(píng)價(jià)法以大型底棲動(dòng)物生物指數(shù)為基礎(chǔ)對(duì)沙潁河干流進(jìn)行水質(zhì)生物學(xué)評(píng)價(jià),通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),模糊綜合評(píng)價(jià)法強(qiáng)化了指標(biāo)實(shí)測值與水質(zhì)污染程度隸屬度的函數(shù)量化關(guān)系,使評(píng)價(jià)結(jié)果更符合實(shí)際情況。
表3 豐水期不同點(diǎn)位水體污染狀態(tài)的隸屬度和模糊綜合評(píng)價(jià)Table 3 Membership degrees and fuzzy comprehensive evaluation of water pollution at different sites in wet season
(1)清河流域豐水期大型底棲動(dòng)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(dòng)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(píng)價(jià)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)位水環(huán)境狀況相對(duì)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。