陸曉晗,曹 宸,李敘勇,*

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

大型底棲動(dòng)物是河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,其生命周期較長(zhǎng)、分布范圍較廣、行動(dòng)較為遲緩,且對(duì)河流生態(tài)環(huán)境變化極為敏感,因此常被用作河流生態(tài)系統(tǒng)健康與完整性評(píng)價(jià)的重要指示生物[1- 3]。目前,針對(duì)底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)與河流生態(tài)質(zhì)量關(guān)系已經(jīng)開(kāi)展大量研究。1995年,Claude和Olivier利用底棲動(dòng)物分類(lèi)與RIVAUD指數(shù)結(jié)合的方法對(duì)瑞士西部29條河流的生物質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)[4]；2009年,Purcell和Bressler等人開(kāi)發(fā)一種基于底棲動(dòng)物的多指標(biāo)城市化生物指標(biāo)來(lái)衡量城市化對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的影響并通過(guò)美國(guó)三個(gè)氣候區(qū)的數(shù)據(jù)驗(yàn)證其實(shí)用意義[5]。近年來(lái),國(guó)內(nèi)河流生態(tài)研究在底棲動(dòng)物方面也取得較大進(jìn)展。2007年,張遠(yuǎn)等人構(gòu)建底棲動(dòng)物生物完整性評(píng)估指數(shù)(B-IBI)對(duì)遼河流域河流健康進(jìn)行評(píng)價(jià)研究[6]；2011年,吳召仕等人調(diào)查分析太湖流域主要河流底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)及其與環(huán)境因子之間的關(guān)系,評(píng)價(jià)各水系的水質(zhì)狀況,其中,相對(duì)重要性指數(shù)及Wright指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果與水質(zhì)化學(xué)指標(biāo)具有很好的一致性[7]；2017年,盛蕭等人采用多種不同的底棲動(dòng)物生物評(píng)價(jià)指數(shù)對(duì)東江流域進(jìn)行河流生態(tài)健康評(píng)價(jià),并研究其適用性,其中,Goodnight-Whitley指數(shù)對(duì)磷污染顯著的水體有較好的指示作用,且其受水體中寡毛類(lèi)物種的數(shù)量限制明顯[8]。

付疃河發(fā)源于山東省日照市五蓮縣韓家窩洛大馬鞍山,經(jīng)東港區(qū),自西向東南方向匯入黃海,其流域面積1040 km2。該流域?qū)倥瘻貛駶?rùn)大陸性氣候,年均溫16.2℃,年均降水923.5 mm,且年際波動(dòng)較為明顯,其降水最大值年份是最小值的2.7倍；因毗鄰大海,其年內(nèi)降水存在顯著差異,汛期(6—9月)降水量占比超過(guò)70%[9],其中流域中下游轄區(qū)為東港區(qū),年均溫12.6℃,年均降水916.0 mm。作為日照市東港區(qū)主要水源,其水資源受日照水庫(kù)、馬陵水庫(kù)等大中型水利工程管控,流域上游自然徑流基本匯入庫(kù)區(qū)存蓄,致使流域下游水資源季節(jié)性匱乏,以農(nóng)業(yè)發(fā)展的農(nóng)村區(qū)域段河流以降水補(bǔ)給與間歇性庫(kù)區(qū)排水補(bǔ)給為主,而位于工商業(yè)發(fā)展的城鎮(zhèn)區(qū)域段河流則以再生水補(bǔ)給與降水補(bǔ)給為主。伴隨工農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)與人為水資源管控強(qiáng)度逐年提升,付疃河流域中下游面臨著農(nóng)業(yè)面源污染、城鎮(zhèn)再生水點(diǎn)源二次污染與河段流通性減弱的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),河流水生生物多樣性銳減,河流生態(tài)系統(tǒng)水環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

本文選取河流底棲動(dòng)物為指示水生生物,對(duì)付疃河流域中下游進(jìn)行水質(zhì)、水生態(tài)調(diào)查研究,對(duì)共計(jì)16個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行河流底棲動(dòng)物及水環(huán)境因子的采樣,基于不同水源結(jié)構(gòu)子流域劃分,開(kāi)展河流水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià),以期為付疃河流域中下游河道治理及生態(tài)管理工作提供科學(xué)依據(jù)。本次研究的主要目標(biāo)：(1)對(duì)付疃河流域中下游不同分區(qū)、不同季節(jié)的底棲動(dòng)物群落分布特征進(jìn)行定性描述及定量分析；(2)對(duì)不同水源結(jié)構(gòu)特征分區(qū)的底棲動(dòng)物生物多樣性及其與水環(huán)境因子相關(guān)性進(jìn)行分析；(3)運(yùn)用不同水質(zhì)生物學(xué)方法對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行水生態(tài)評(píng)價(jià)并探討其適用性。

1 材料與方法

1.1 樣點(diǎn)布設(shè)

考慮付疃河流域中下游土地利用類(lèi)型、河流水源結(jié)構(gòu)特征與降水季節(jié)性分布差異,2018年9—10月在研究區(qū)域內(nèi)共考察布設(shè)16處監(jiān)測(cè)點(diǎn)位,其中付疃河干流(日照水庫(kù)下游至河口)布設(shè)3處為G1—G3,付疃河支流(南湖河N1—N4、崮河內(nèi)香店河與后樓河H1—H5、沙墩河S1—S4)布設(shè)13處,具體位置見(jiàn)圖1。2018年12月、2019年3月、7月及10月在各點(diǎn)位開(kāi)展底棲動(dòng)物樣品采集與水環(huán)境理化指標(biāo)監(jiān)測(cè),每季內(nèi)集中2天完成采樣。

圖1 付疃河流域中下游采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Sampling sites in the middle and lower reaches of Futuan River BasinN1—N4：南湖河4處樣點(diǎn)；H1—H5：后樓河與香店河5處樣點(diǎn)；S1—S4：沙墩河4處樣點(diǎn)；G1—G3：付疃河干流近河口3處樣點(diǎn)

1.2 底棲動(dòng)物樣品采集與鑒定

借助D型網(wǎng)(直邊長(zhǎng)30 cm,孔徑250 μm),在各采樣點(diǎn)采集底泥兩份,均勻混合,取其中一半,經(jīng)過(guò)40目網(wǎng)篩過(guò)篩沖洗,將網(wǎng)內(nèi)殘余采集物裝入聚乙烯封口袋,恒溫冷藏至實(shí)驗(yàn)室,進(jìn)行人工挑揀,裝入50 mL的塑料瓶中,并加入福爾馬林溶液保存。置于六孔盤(pán)中,在顯微鏡和解剖鏡下進(jìn)行鑒定,盡可能鑒定到種,并計(jì)數(shù)和稱(chēng)重。稱(chēng)量時(shí),先用吸水紙吸去樣本表面水分,直到吸水紙表面無(wú)水痕跡為止,用電子天平定量稱(chēng)重,精確到0.0001 g,并將每個(gè)樣品的個(gè)體數(shù)量和生物量換算至每m2的單位含量。軟體動(dòng)物、寡毛類(lèi)、水生昆蟲(chóng)等底棲動(dòng)物物種鑒定參照有關(guān)資料[10- 12]。

1.3 水環(huán)境理化參數(shù)測(cè)定

采用多參數(shù)水質(zhì)分析儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定采樣點(diǎn)水體水溫(T)與pH值,以500 mL塑料瓶恒溫冷藏水質(zhì)樣品至實(shí)驗(yàn)室,并測(cè)定水質(zhì)樣品化學(xué)需氧量(COD；GB11914- 89)、總氮(TN；GB11894- 89)、總磷(TP；GB11893- 89)及氨氮(NH3-N；HJ535—2009)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用典范相關(guān)分析(Canonical Correspondence Analysis,CCA)對(duì)底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)與水環(huán)境理化因子進(jìn)行相關(guān)性的分析。CCA分析又稱(chēng)為多元直接梯度分析,多用于分析物種與環(huán)境因子之間的關(guān)系,基于單峰模型,將對(duì)應(yīng)分析與多元回歸分析相結(jié)合,且每一步的計(jì)算所得的樣方排序坐標(biāo)值都會(huì)與環(huán)境因子進(jìn)行線性回歸[13- 14]。CCA排序?qū)⑼ㄟ^(guò)Canoco 5.0軟件進(jìn)行制圖分析。

采用物種數(shù)量、優(yōu)勢(shì)種、生物多樣性指數(shù)以及重要指示物種作為底棲動(dòng)物的評(píng)價(jià)參數(shù),對(duì)研究區(qū)底棲動(dòng)物的分布情況以及群落結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.4.1多樣性分析

物種數(shù)量包括底棲動(dòng)物的物種密度及生物量,優(yōu)勢(shì)種采用計(jì)算優(yōu)勢(shì)物種優(yōu)勢(shì)度(Y)進(jìn)行篩選,生物多樣性指數(shù)包括Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)、Simpson多樣性指數(shù)(D)、Margalef豐富度指數(shù)(R)以及Pielou均勻度指數(shù)(J)[15- 17]：

Y=Pi×fi

(1)

(2)

(3)

R=(S-1)/lnN

(4)

J=H/Hmax

(5)

式中,Pi為第i類(lèi)底棲動(dòng)物的個(gè)體數(shù)目ni占底棲動(dòng)物個(gè)體總數(shù)目N的比例,即Pi=ni/N；fi為第i種在各個(gè)采樣點(diǎn)出現(xiàn)的頻率,Y≥0.02時(shí),表示該物種為優(yōu)勢(shì)種；S為采樣點(diǎn)的物種總數(shù)；Hmax為Shannon-Wiener多樣性指數(shù)的最大值,即Hmax=lnS。

1.4.2指示物種生物學(xué)分析

研究區(qū)底棲動(dòng)物群落中的優(yōu)勢(shì)種可作為重要指示物種,其耐污值可用于判斷水體的受污染程度。耐污值區(qū)間范圍為[0,10],<3為敏感類(lèi)群,[3,7]為中間類(lèi)群,>7為耐污類(lèi)群[18]。其中,寡毛類(lèi)是一類(lèi)典型的耐污物種,能夠較好地衡量水環(huán)境質(zhì)量,與其相關(guān)的水質(zhì)生物學(xué)指數(shù)有Goodnight-Whitley指數(shù)(IGW)、相對(duì)重要性指數(shù)(BPI)及Wright指數(shù)[19- 21]：

(6)

(7)

Wright指數(shù)=每m2的顫蚓科數(shù)量

(8)

式中,n為寡毛類(lèi)個(gè)體數(shù),N為底棲動(dòng)物個(gè)體總數(shù)目,N1為寡毛類(lèi)、蛭類(lèi)和搖蚊幼蟲(chóng)的個(gè)體數(shù),N2為多毛類(lèi)、甲殼類(lèi)、除搖蚊幼蟲(chóng)以外其他水生昆蟲(chóng)個(gè)體數(shù),N3為軟體動(dòng)物個(gè)體數(shù)。

1.4.3綜合分析

生物多樣性及指示物種生物學(xué)各個(gè)指標(biāo)對(duì)于水環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 多樣性、生物學(xué)指數(shù)-水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果分析

2.1 底棲動(dòng)物群落組成及分布

調(diào)查期間在付疃河流域中下游干、支流16個(gè)點(diǎn)位發(fā)現(xiàn)大型底棲動(dòng)物42種,隸屬于3門(mén)6綱19科。其中,環(huán)節(jié)動(dòng)物分屬3綱5科14種,占33.3%；節(jié)肢動(dòng)物分屬2綱7科20種,占47.6%；軟體動(dòng)物種類(lèi)相對(duì)較少,分屬2綱7科8種,占總數(shù)的19.0%。各采樣點(diǎn)的底棲動(dòng)物種類(lèi)組成及分布情況見(jiàn)附表1。

分別對(duì)各點(diǎn)位的底棲動(dòng)物種群進(jìn)行優(yōu)勢(shì)度計(jì)算,其優(yōu)勢(shì)種群分布情況見(jiàn)表2。霍甫水絲蚓(Limnodrilushoffmeisteri)、水絲蚓屬(Limnodrilussp.)及搖蚊屬(Chironomussp.)在所有點(diǎn)位出現(xiàn)的頻率高于50%,為付疃河流域中下游的廣泛分布物種。不同季節(jié)各區(qū)域的優(yōu)勢(shì)種差異較大,春季N、H、S區(qū)的優(yōu)勢(shì)種大多為搖蚊科,主要有搖蚊屬(Chironomussp.)、直突搖蚊屬(Orthocladiussp.)、粗腹搖蚊(Tanypussp.)、紅裸須搖蚊(Propsilocerusakamusi)等,G區(qū)以顫蚓科較為優(yōu)勢(shì)；夏季N、H區(qū)以田螺科的環(huán)棱螺屬(Bellamyasp.)為最優(yōu)勢(shì)種,S區(qū)以顫蚓科的霍甫水絲蚓(Limnodrilushoffmeisteri)為最優(yōu)勢(shì)種,G區(qū)各點(diǎn)位的優(yōu)勢(shì)種分布差異相對(duì)較大；秋季各點(diǎn)位均以顫蚓科和搖蚊科為主,其中霍甫水絲蚓(Limnodrilushoffmeisteri)及水絲蚓屬(Limnodrilussp.)占優(yōu)勢(shì)程度最大；冬季各點(diǎn)位均以顫蚓科為主,霍甫水絲蚓(Limnodrilushoffmeisteri)占優(yōu)勢(shì)程度最大,搖蚊科優(yōu)勢(shì)度較秋季相對(duì)降低,由于水溫較低,較多點(diǎn)位未發(fā)現(xiàn)底棲動(dòng)物。G3點(diǎn)由于處在河口地區(qū),受海水漲落影響,出現(xiàn)竹蟶科、溪蟹科的特征優(yōu)勢(shì)種。

表2 付疃河流域中下游各季節(jié)優(yōu)勢(shì)種分布

2.2 底棲動(dòng)物群落密度及生物量

從付疃河流域中下游各分區(qū)不同季節(jié)的底棲動(dòng)物總密度來(lái)看(圖2),整體存在春季>冬季>秋季>夏季的變化關(guān)系。對(duì)于不同分區(qū)的不同季節(jié)分布,底棲動(dòng)物總密度在春季的S區(qū)為最高值,超過(guò)8000 個(gè)體/m2,遠(yuǎn)高于其他分區(qū)；最低值出現(xiàn)在夏季的N區(qū),略高于100 個(gè)體/m2。同時(shí),S區(qū)密度在各季節(jié)均為最大,而N區(qū)在各季節(jié)均為最小。

底棲動(dòng)物總生物量(圖2)在整體上沒(méi)有明顯的季節(jié)性變化關(guān)系,最高值出現(xiàn)在秋季的H區(qū),超過(guò)100 g/m2,遠(yuǎn)高于其他分區(qū)各季節(jié)的生物量；最低值出現(xiàn)在夏季的G區(qū),生物量低于0.2 g/m2。此外,N區(qū)在夏季總生物量最高,且相對(duì)其他三個(gè)分區(qū)差距較為明顯,S、G區(qū)均在春季出現(xiàn)最大生物量。

圖2 付疃河流域中下游各季節(jié)底棲動(dòng)物總密度及生物量Fig.2 Total density and biomass of benthic animals in different seasons in the middle and lower reaches of Futuan River Basin

2.3 底棲動(dòng)物與水環(huán)境因子相關(guān)性分析

2.3.1水環(huán)境因子特征分析

依據(jù)日照市政府發(fā)文《日照市水污染防治控制單元達(dá)標(biāo)方案》(2017年印發(fā)),N區(qū)預(yù)計(jì)執(zhí)行地表水Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn),而H、S及G區(qū)預(yù)計(jì)執(zhí)行地表水Ⅴ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)照付疃河流域中下游各分區(qū)不同季節(jié)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)均值(表3),COD均值介于15—40 mg/L,其中N區(qū)在春季對(duì)應(yīng)濃度標(biāo)準(zhǔn)略超Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn),其余季節(jié)介于Ⅱ—Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)范圍,H、S及G區(qū)對(duì)應(yīng)基本滿足Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn),符合規(guī)劃預(yù)期；TN、TP與NH3-N均值整體不樂(lè)觀,其中N、H、S及G區(qū)TN全年均超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值,冬季尤為嚴(yán)重；TP均值呈現(xiàn)季節(jié)性峰值波動(dòng),H、S區(qū)自春至冬逐季升高,而N、G區(qū)在夏季出現(xiàn)峰值；N區(qū)NH3-N季節(jié)性平穩(wěn),均達(dá)Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn),H、S及G區(qū)在秋冬季NH3-N常超Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。

表3 付疃河流域中下游各分區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)均值及標(biāo)準(zhǔn)差

2.3.2底棲動(dòng)物與水環(huán)境因子相關(guān)性分析

對(duì)付疃河流域中下游各分區(qū)的底棲動(dòng)物與水環(huán)境因子進(jìn)行CCA分析(圖3)。N區(qū)水環(huán)境因子對(duì)各門(mén)類(lèi)底棲動(dòng)物分布的解釋程度達(dá)到40.9%,底棲動(dòng)物的總生物量與NH3-N呈正相關(guān)關(guān)系；H區(qū)水環(huán)境因子可解釋各門(mén)類(lèi)底棲動(dòng)物分布情況的73.1%,總體分布情況相關(guān)性不大,與NH3-N有較弱的負(fù)相關(guān)性,但其中節(jié)肢動(dòng)物與NH3-N存在一定的正相關(guān)性,環(huán)節(jié)動(dòng)物則與TP存在較為顯著的正相關(guān)關(guān)系；S區(qū)兩者的相關(guān)程度較弱,水環(huán)境因子僅能解釋底棲動(dòng)物分布的14.5%,其中軟體動(dòng)物與NH3-N、節(jié)肢動(dòng)物與COD分別存在較弱的正相關(guān)性與負(fù)相關(guān)性；G區(qū)的水環(huán)境因子對(duì)底棲動(dòng)物的分布情況可以解釋38.5%,軟體動(dòng)物與TP有一定的正相關(guān)性,而環(huán)節(jié)動(dòng)物與COD也有正相關(guān)關(guān)系的體現(xiàn),環(huán)節(jié)動(dòng)物同時(shí)還與NH3-N存在一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖3 付疃河流域中下游各分區(qū)底棲動(dòng)物與水環(huán)境因子CCA排序圖Fig.3 CCA plots of benthic animals and water environmental factors in each area in the middle and lower reaches of Futuan River BasinCOD：化學(xué)需氧量,Chemical oxygen demand；TN：總氮,Total nitrogen；TP：總磷,Total phosphorus；NH3-N：氨氮,Ammonium；TD：底棲動(dòng)物總密度,Total density；TB：底棲動(dòng)物總生物量,Total biomass；LA：環(huán)節(jié)動(dòng)物,Annelida；M：軟體動(dòng)物,Mollusca；A：節(jié)肢動(dòng)物,Arthropod

2.4 底棲動(dòng)物生物多樣性分析及水質(zhì)生物學(xué)評(píng)價(jià)

2.4.1生物多樣性季節(jié)性分析

根據(jù)生物多樣性指數(shù)計(jì)算結(jié)果(圖4)可知,Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)及Pielou均勻度指數(shù)整體在各個(gè)分區(qū)呈現(xiàn)較為一致的季節(jié)性變化趨勢(shì),然而Pielou指數(shù)變化幅度相對(duì)其他多樣性指數(shù)較弱,較難反映各區(qū)間差異性。

考慮季節(jié)性差異,春季H、S區(qū)較其他季節(jié)的多樣性程度較高,G區(qū)相對(duì)較低；夏季N、S兩區(qū)多樣性程度相對(duì)較高,其中,Margalef指數(shù)所顯示S區(qū)結(jié)果存在差異性；秋季S區(qū)多樣性程度最高,Pielou指數(shù)所得結(jié)果則表明四個(gè)分區(qū)多樣性程度相近；冬季S、G兩區(qū)多樣性程度較高,而H區(qū)相對(duì)較低。S區(qū)在全年均體現(xiàn)出較高的底棲動(dòng)物多樣性程度。

2.4.2水質(zhì)生物學(xué)評(píng)價(jià)

(1)基于生物多樣性指數(shù)的水質(zhì)評(píng)價(jià)

根據(jù)Shannon-Wiener指數(shù)、Margalef指數(shù)及Pielou指數(shù)對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表1),對(duì)各分區(qū)不同季節(jié)水質(zhì)污染程度進(jìn)行評(píng)級(jí)(表4)。4區(qū)間水質(zhì)評(píng)級(jí)季節(jié)性差異不明顯,其中S區(qū)相較其他3區(qū)水質(zhì)情況較好,基本符合地表V類(lèi)水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃,H、G區(qū)在夏秋兩季的水環(huán)境質(zhì)量較差,暫時(shí)難以滿足規(guī)劃需求,而N區(qū)對(duì)應(yīng)Ⅲ類(lèi)水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃,但其水質(zhì)污染程度遠(yuǎn)劣于預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

表4 付疃河流域中下游生物多樣性指數(shù)水質(zhì)等級(jí)評(píng)價(jià)

考慮不同多樣性指數(shù)間差異,水質(zhì)評(píng)級(jí)優(yōu)劣存在明顯差異性,呈現(xiàn)Pielou指數(shù)>Margalef指數(shù)>Shannon-Wiener指數(shù)關(guān)系,即Pielou指數(shù)整體評(píng)價(jià)結(jié)果遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)狀水質(zhì)情況,評(píng)價(jià)結(jié)果難以采信,而Margalef指數(shù)與Shannon-Wiener指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果較為一致。綜合考慮,基于生物多樣性指數(shù)評(píng)價(jià),付疃河流域中下游處于α-中污染至重污染。

(2)基于底棲動(dòng)物指示物種的水質(zhì)評(píng)價(jià)

參考典型底棲動(dòng)物耐污值分布情況[22-25],選取寡毛綱顫蚓科耐污值為10,其中霍甫水絲蚓(Limnodrilushoffmeisteri)為9.4、蘇氏尾鰓蚓(Branchiurasowerbyi)為8.5,腹足綱田螺科為5,其中環(huán)棱螺屬(Bellamyasp.)為6,水生昆蟲(chóng)中搖蚊屬(Chironomussp.)為5.7,直突搖蚊屬(Orthocladiussp.)為4。根據(jù)各分區(qū)優(yōu)勢(shì)種分布情況(表2)可知,春夏季N、H區(qū)底棲動(dòng)物群落以搖蚊科及田螺科為主,其水質(zhì)條件較差；而S區(qū)底棲動(dòng)物群落以顫蚓科為主,對(duì)應(yīng)耐污值較高,其水質(zhì)條件差；秋冬季全區(qū)均以顫蚓科為主,對(duì)應(yīng)付疃河流域中下游水環(huán)境質(zhì)量狀況最為惡劣。

通過(guò)計(jì)算Goodnight-Whitley指數(shù)、相對(duì)重要性指數(shù)及Wright指數(shù)并結(jié)合其對(duì)水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表1),各分區(qū)評(píng)級(jí)結(jié)果見(jiàn)表5。三種水質(zhì)生物學(xué)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果在不同季節(jié)、不同分區(qū)上基本呈現(xiàn)一致的特征規(guī)律。春季S區(qū)水環(huán)境污染程度最為嚴(yán)重,且明顯劣于其他三個(gè)分區(qū)；夏季H、S兩區(qū)均能顯示出較大程度的水質(zhì)污染情況,其中IGW與BPI、Wright指數(shù)所得結(jié)果有所差異,前者S區(qū)水質(zhì)評(píng)價(jià)達(dá)到清潔水平；秋季S區(qū)水質(zhì)污染程度相對(duì)嚴(yán)重,中下游地區(qū)整體水環(huán)境呈現(xiàn)輕至中度污染,分區(qū)差異性不大；冬季S、G區(qū)的水質(zhì)污染程度較為嚴(yán)重。全年N區(qū)水環(huán)境質(zhì)量最高,基本保持輕污染水平,春、夏季提升至清潔水平。

表5 付疃河流域中下游指示物種生物學(xué)指數(shù)水質(zhì)等級(jí)評(píng)價(jià)

3 討論

3.1 底棲動(dòng)物群落分布特征分析

付疃河流域中下游共計(jì)發(fā)現(xiàn)大型底棲動(dòng)物42種,環(huán)節(jié)動(dòng)物與節(jié)肢動(dòng)物為其中的主要門(mén)類(lèi),占總種類(lèi)數(shù)80.9%?；舾λz蚓(Limnodrilushoffmeisteri)與搖蚊屬(Chironomussp.)為出現(xiàn)頻率較高的優(yōu)勢(shì)物種,均為耐污物種[26-27],因此付疃河流域中下游地區(qū)整體河流水環(huán)境呈現(xiàn)一定程度的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象。

從不同區(qū)域的優(yōu)勢(shì)種差異來(lái)看,環(huán)棱螺屬(Bellamyasp.)在夏季N、H兩區(qū)替代顫蚓科及搖蚊科,成為最大的優(yōu)勢(shì)種群,主要由于夏季水溫較高,且N區(qū)地處農(nóng)村區(qū)域,存在季節(jié)性河流捕魚(yú)活動(dòng),鯽魚(yú)、鯉魚(yú)等成年底棲性魚(yú)類(lèi)數(shù)量,客觀促進(jìn)環(huán)棱螺屬(Bellamyasp.)群體快速繁殖與生長(zhǎng)[28]；相對(duì)H區(qū)位于城鎮(zhèn)地區(qū),為滿足沿河娛樂(lè)景觀與防洪需求,河流水位人工調(diào)控頻繁(0.1—1 m),魚(yú)類(lèi)穩(wěn)態(tài)生存環(huán)境已被破壞,環(huán)棱螺屬(Bellamyasp.)基本位于河流生態(tài)系統(tǒng)生物鏈頂層,在夏季適宜水溫大量繁殖與滋生。故N、H兩區(qū)在夏季出現(xiàn)相同優(yōu)勢(shì)種替代現(xiàn)象。

同時(shí),S區(qū)全年底棲動(dòng)物總密度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他三個(gè)分區(qū),主要原因?yàn)镾區(qū)是城鎮(zhèn)中心地區(qū),人類(lèi)活動(dòng)頻繁復(fù)雜,河流分布多處再生水處理廠,以再生水為水源補(bǔ)給方式導(dǎo)致河流TN、TP濃度常年超標(biāo),惡劣的水生態(tài)環(huán)境利于如霍甫水絲蚓(Limnodrilushoffmeisteri)等底棲動(dòng)物耐污種生長(zhǎng)[29- 30]。

底棲動(dòng)物總密度及總生物量存在時(shí)間性變化差異,總密度的季節(jié)變化趨勢(shì)為春季>冬季>秋季>夏季,而總生物量上不存在明顯趨勢(shì),究其原因?yàn)檐涹w動(dòng)物個(gè)體生物量較節(jié)肢動(dòng)物、環(huán)節(jié)動(dòng)物差異明顯,一般為40—150倍,對(duì)總生物量占比有極大影響。夏、秋季底棲動(dòng)物中以田螺科為主的軟體動(dòng)物較多,但其種群個(gè)體相對(duì)較少,同時(shí)由于冬季存在河流封凍,河流流速較低(<0.1 m/s),寡毛類(lèi)底棲動(dòng)物不易受河流徑流侵蝕河床而產(chǎn)生遷移[31],且河流魚(yú)類(lèi)活動(dòng)受水溫較低(0—4℃)影響,對(duì)寡毛類(lèi)底棲動(dòng)物攝食活動(dòng)較夏、秋季弱化,其種群密度保持較高水平,加之春季伴隨氣溫回暖,以搖蚊科為主的水生昆蟲(chóng)大量孵化滋生[32],如：直突搖蚊屬(Orthocladiussp.)、紅裸須搖蚊(Propsilocerusakamusi),導(dǎo)致種群密度逐級(jí)放大,這可能引起夏、秋季底棲動(dòng)物總密度低于春、冬季的現(xiàn)象。

3.2 底棲動(dòng)物與水環(huán)境因子相關(guān)性分析

底棲動(dòng)物的群落分布特征與河流水環(huán)境因子存在密切關(guān)系。N區(qū)執(zhí)行地表水Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn),H、S及G區(qū)執(zhí)行Ⅴ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn),實(shí)際監(jiān)測(cè)表明付疃河流域中下游各個(gè)分區(qū)全年TN超標(biāo)較為嚴(yán)重,而NH3-N超標(biāo)現(xiàn)象則出現(xiàn)在H、S、G區(qū)的部分季節(jié),這種差異可能是由不同分區(qū)的水源結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致,其中N區(qū)以自然徑流為主,農(nóng)業(yè)化肥污染以面源污染方式進(jìn)入水體,使水中氮元素含量增加[33]；同時(shí),N區(qū)農(nóng)村生活污水、畜禽廢水等點(diǎn)源輸入致使河流COD、TP濃度全年偏高,且伴隨夏季用水高峰,其對(duì)應(yīng)營(yíng)養(yǎng)元素濃度達(dá)到峰值[34]。而H、S、G區(qū)主要以再生水為重要補(bǔ)給源,雖再生水廠處理工藝已達(dá)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn),且河流沿程人工濕地逐級(jí)構(gòu)建與完善,但常年累月高濃度營(yíng)養(yǎng)鹽(TN、TP與NH3-N)排放水體,已突破河流濕地自?xún)襞c水生植被吸附能力,加重藻類(lèi)春夏季滋生蔓延,為耐污性底棲動(dòng)物給予足量食物來(lái)源,為其繁殖增生提供支持[35- 36]。

結(jié)合不同分區(qū)底棲動(dòng)物與水環(huán)境因子的相關(guān)性分析,可推斷出不同門(mén)類(lèi)物種在分區(qū)內(nèi)所占優(yōu)勢(shì)程度的不同也可導(dǎo)致相關(guān)性結(jié)果間的差異。顫蚓科為代表的環(huán)節(jié)動(dòng)物在水體以有機(jī)質(zhì)為攝入主食,考慮有機(jī)質(zhì)濃度與COD、TP存在正相關(guān)性,故其與COD、TP體現(xiàn)出一定的正相關(guān)性,而節(jié)肢動(dòng)物與軟體動(dòng)物與所選4個(gè)水環(huán)境因子的相關(guān)性相對(duì)較弱,主要是由于其優(yōu)勢(shì)程度較環(huán)節(jié)動(dòng)物更小,相較而言難以體現(xiàn)較明顯的相關(guān)性。同時(shí),不同門(mén)類(lèi)物種及總量與NH3-N均有差異較大的相關(guān)性結(jié)果,可能是由于NH3-N的有毒有害物質(zhì)成分對(duì)環(huán)節(jié)動(dòng)物影響較大,不利于其生長(zhǎng)[37],故在以環(huán)節(jié)動(dòng)物為主的分區(qū)(H區(qū))內(nèi)總量與NH3-N可呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性,而在以軟體動(dòng)物為主的分區(qū)(N區(qū))內(nèi)則呈現(xiàn)出正相關(guān)性。除上述所選的營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)外,底棲動(dòng)物的分布還可能與物理指標(biāo)如水深、流速、電導(dǎo)率及底質(zhì)類(lèi)型等有關(guān)[38- 40],在后續(xù)研究需考慮物理因子對(duì)其影響的定量分析,以加強(qiáng)研究結(jié)果對(duì)于水生態(tài)管理的完整性。

3.3 水質(zhì)生物學(xué)評(píng)價(jià)

針對(duì)付疃河流域中下游地區(qū)水質(zhì)狀況,本次研究選取了生物多樣性指標(biāo)(Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)及Pielou均勻度指數(shù))與重要指示物種相關(guān)水質(zhì)生物學(xué)指標(biāo)(Goodnight-Whitley指數(shù)、相對(duì)重要性指數(shù)及Wright指數(shù))進(jìn)行等級(jí)評(píng)價(jià)。

付疃河流域中下游四個(gè)分區(qū)的底棲動(dòng)物生物多樣性存在一定差異,主要由不同水源結(jié)構(gòu)及底質(zhì)類(lèi)型特征導(dǎo)致。N區(qū)河流處于自然徑流狀態(tài),河床底質(zhì)保持泥砂質(zhì),河流連通性及水文狀況年內(nèi)基本一致[41],故N區(qū)底棲動(dòng)物多樣性在季節(jié)性上呈現(xiàn)相似分布；G區(qū)為干流下游至河口地區(qū),接納各處支流匯入,因毗鄰入海口,受海洋潮汐、上游來(lái)水以及季節(jié)性降水波動(dòng)多重影響,其底棲動(dòng)物的季節(jié)性變化更具復(fù)雜性和獨(dú)特性[42]；H、S兩區(qū)水源結(jié)構(gòu)基本一致,但S區(qū)比H區(qū)生物多樣性較高,可能是由于兩區(qū)河床底質(zhì)存在差異,其中S區(qū)以卵石、人工投石與灰砂質(zhì)殘?jiān)鼮橹?H區(qū)以灰砂質(zhì)殘?jiān)踪|(zhì)為主,底棲動(dòng)物可能更適宜于更復(fù)雜多樣的水生環(huán)境[43]。

從底棲動(dòng)物的水質(zhì)生物學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看,付疃河流域中下游大致處于中污染的水平,還無(wú)法很好地滿足水生生物生存環(huán)境需求以及人類(lèi)社會(huì)景觀服務(wù)等更深層次的需求。根據(jù)不同水源結(jié)構(gòu)分區(qū)的水生態(tài)狀況分析來(lái)看,針對(duì)農(nóng)村地區(qū)和城鎮(zhèn)地區(qū),需完善實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),分別對(duì)其分散式農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)及工業(yè)、生活污水直排現(xiàn)象進(jìn)行管控,并加強(qiáng)人工濕地建設(shè),做好尾水處理工作。針對(duì)河口地區(qū),加強(qiáng)對(duì)于河口濕地公園的建設(shè),充分利用海水潮汐影響,維護(hù)河口生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

生物多樣性指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,Shannon-Wiener指數(shù)、Margalef指數(shù)評(píng)級(jí)偏差,而Pielou指數(shù)評(píng)級(jí)偏優(yōu),其結(jié)果差異主要由計(jì)算方式的不同導(dǎo)致,多樣性指數(shù)未考慮各物種在水體之中的差異性,季節(jié)性水量變化帶來(lái)的大量底棲動(dòng)物物種密度變化也會(huì)造成污染指數(shù)的突然上升,但并非是真正的水質(zhì)下降現(xiàn)象,因此多樣性指數(shù)所得結(jié)果在付疃河流域往往會(huì)趨向嚴(yán)重,而Pielou均勻度指數(shù)則消除了物種數(shù)量突增、突降的情況,結(jié)果會(huì)偏優(yōu)；而對(duì)于基于底棲動(dòng)物指示物種的水質(zhì)評(píng)價(jià)(Goodnight-Whitley指數(shù)、相對(duì)重要性指數(shù)及Wright指數(shù))基本一致,主要是由于付疃河流域中下游水體中寡毛類(lèi)、搖蚊類(lèi)物種優(yōu)勢(shì)度較高,能夠較大程度地反映水環(huán)境狀況,3種指示物種法均從這個(gè)角度來(lái)定量化水體受污染程度,因此適用性也較高,若考慮采用單一評(píng)價(jià)方式,均不能客觀反映水源結(jié)構(gòu)多變的河流水質(zhì)評(píng)價(jià)[44]。因此,在考慮構(gòu)建以底棲動(dòng)物為代表的河流水生態(tài)評(píng)價(jià)體系時(shí),建議融入水源結(jié)構(gòu)與河床底質(zhì)差異的定量分析,以弱化生物評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)方式間客觀差異,以期得到更全面準(zhǔn)確的水生態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果,從而為河流的生態(tài)管理提供更有力的理論依據(jù)支持。

4 結(jié)論

(1)付疃河流域中下游共鑒定出底棲動(dòng)物42種,總密度季節(jié)性變化趨勢(shì)為春季>冬季>秋季>夏季,各點(diǎn)位群落特征存在差異,出現(xiàn)水絲蚓屬(Limnodrilussp.)、搖蚊屬(Chironomussp.)及環(huán)棱螺屬(Bellamyasp.)等典型耐污種。

(2)付疃河流域中下游底棲動(dòng)物分布特征與河流水源結(jié)構(gòu)及水環(huán)境因子有關(guān),其中環(huán)節(jié)動(dòng)物與COD、TP有顯著正相關(guān)性,各門(mén)類(lèi)與NH3-N相關(guān)性差異較大,除所選4個(gè)營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)外,還需結(jié)合物理指標(biāo)進(jìn)一步解釋兩者相關(guān)性。

(3)生物多樣性指標(biāo)中Shannon-Wiener指數(shù)、Margalef指數(shù)評(píng)級(jí)偏差,Pielou指數(shù)評(píng)級(jí)偏優(yōu),指示物種水質(zhì)生物學(xué)評(píng)價(jià)(Goodnight-Whitley指數(shù)、相對(duì)重要性指數(shù)及Wright指數(shù))在付疃河流域中下游得到的結(jié)果相對(duì)一致,基本呈中污染的平均狀態(tài)。水質(zhì)生物學(xué)評(píng)價(jià)仍需與河流物理指標(biāo)的定量評(píng)價(jià)相結(jié)合。