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：為了對濟南市流域大型底棲動物群落生物完整性的探究，于2014年春季、夏季和秋季在濟南市全流域31個采樣站位進行3次大型底棲動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，計算得到3次大型底棲動物生完整性評價指數(shù)（B-IBI），分析濟南市大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)和生物完整性指數(shù)在時間和空間上的差異，進而對濟南市水生態(tài)健康狀況進行評價。結(jié)果顯示，濟南南部山區(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;濟南市主城區(qū)人為干擾程度較大，大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)破壞嚴重，生態(tài)環(huán)境狀況較差。

關(guān)鍵詞：濟南流域;底棲動物群落;生物完整性評價

大型底棲動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，由于大型底棲動物對水環(huán)境敏感，對河流健康狀況外顯性強，因此得到大部分學者認可，并對大型底棲動物群落生態(tài)學開展研究[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]。研究大型底棲動物生物完整性，就能間接反映相應區(qū)域水域健康狀況。

大型底棲動物的狀況被廣泛用作水域生態(tài)環(huán)境評估的指標。底棲生物具有良好的生態(tài)指示作用，因為它們相對活動性較差，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，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、科學的生境質(zhì)量評價的體系。生物完整性底棲指數(shù)（B-IBI）開發(fā)并用于濟南市水生態(tài)環(huán)境評估。該指數(shù)包括各種底棲社區(qū)指標（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)被證實是一種敏感而強大的工具，用于總結(jié)大型底棲動物群落的狀況。

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

1材料和方法

1.1底棲動物樣品采集

濟南流域設(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（圖1），31個調(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）進行定位。

在各個水生態(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)進行采集。定量采集樣品要有代表性，在具體采樣點的不同生境，不同水深、流速的區(qū)域隨機采集樣品1～2份，收集到的樣品經(jīng)過60目篩絹網(wǎng)進行過濾沖洗，淘掉多余泥沙，把剩余樣品轉(zhuǎn)移到白瓷盤中，以肉眼可見為標準，把底棲動物活體全部調(diào)入到樣品瓶中，倒入大于80%的酒精進行固定，密封樣品帶回實驗室進行鑒定。鑒定24 h內(nèi)加入用10%甲醛進行保存，方便后期鑒定和復查。

1.2水環(huán)境因子的測定

濟南流域水體理化因子測定，pH測定采用便攜式pH計;電導率（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個平行水樣（2 L），在低溫下保存，并在48 h內(nèi)帶回實驗室，依據(jù)標準方法（國家環(huán)境保護總局，2002），在實驗室測定水化學指標：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

大型底棲動物數(shù)據(jù)和水體理化因子數(shù)據(jù)在實驗室鑒定、測定完成后，按照標準格式錄入Excel表格，利用Canoco4.5對環(huán)境因子進行主成分分析（PCA），再在SPSS 20.0對主成分分析篩選得到的環(huán)境因子進行偏相關(guān)分析（PCT），進一步對環(huán)境因子進行篩選，如果出現(xiàn)顯著相關(guān)（P<0.05）的兩個水體理化因子，從中僅保留一個。進行PCA、PCT時，所有水體理化數(shù)據(jù)均通過（Log[x+1]）對數(shù)據(jù)進行標準化處理。

大型底棲動物生物完整性評價體系的構(gòu)建，應在營養(yǎng)級組成、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，再進一步根據(jù)濟南大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)特征篩選能出具有代表性的指標作為濟南大型底棲動物生物完整性的候選指標;利用箱體圖對大型底棲動物生物完整指標進行判別，詳見文獻（殷旭旺等，2012; Barbour等，1999）[7-8]，對判別篩選得到的指標進行相關(guān)性分析，最終篩選出與客觀實際情況相吻合的指標作為核心指標。

參考站位和受損站位的確定，根據(jù)實際現(xiàn)場生態(tài)調(diào)查以及歷史資料、文獻記載，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;同時我們依據(jù)PCA指標分析結(jié)果，最終確定濟南流域B-IBI評價的參照站位。最后對各個站位的每個指標類型進行5%、25%、50%、75%分位數(shù)的計算累加求平均值做為每個站位生物完整性指數(shù)，在對這些生物完整性指數(shù)進行進行5%、25%、50%、75%分位數(shù)的計算，對每個站位進行四個等級健康、較好、一般、較差的劃分。

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

2B-IBI體系的建立和健康評價結(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。其它六個因子相關(guān)性較高（r>0.5）。最終在所篩選的指標中，選取濁度和電導率作為雙項指標，其25%分位數(shù)分別為4.6度和572 ms/m。以小于25%分位數(shù)為界定標準，篩選出濟南流域清潔區(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)合濟南水生態(tài)系統(tǒng)的特點以及研究目標，選取能反映種類個體數(shù)量比例、營養(yǎng)級組成指數(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個指標;根據(jù)濟南市實際參考站位和受損站位生態(tài)調(diào)查的結(jié)果，進一步對24個候選指標進行篩選，篩選出對人類活動干擾呈現(xiàn)正相關(guān)和負相關(guān)的指標作為構(gòu)建生物完整性體系的指標類型。

濟南市3次水生態(tài)調(diào)查，大型底棲動物生物完整性指數(shù)經(jīng)過箱體圖判別，進入Pearson相關(guān)性分析檢驗的參數(shù)結(jié)果如下（圖3）：春季大型底棲動物完整性指數(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)、其它雙翅目個體數(shù)、EPT分類單元數(shù)、蜉蝣目個體百分比、香濃維納多樣性指數(shù)。秋季大型底棲動物完整性指數(shù)判別結(jié)果為其它雙翅目個體數(shù)、EPT分類單元數(shù)、蜉蝣目個體百分比、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)大型底棲動物生物完整性評價，結(jié)果顯示（圖4），濟南市整體水域生態(tài)健康狀況一般，濟南市是一座很古老的城市，整體社會發(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，導致濟南市整體水生態(tài)環(huán)境破壞嚴重，生物多樣性喪失嚴重，水生態(tài)健康狀況堪憂。根據(jù)評價結(jié)果，可見濟南市顧小莊浮橋、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。春季和夏季評價結(jié)果顯示，生態(tài)狀況比較接近，由于經(jīng)過一個冬天低氣溫的影響，夏季整體水平高于春季;而秋季水生態(tài)健康評價整體水平在三個季節(jié)中最差。

3討論

大型底棲動物對外界環(huán)境質(zhì)量變化比較敏感，而且活動能力較差，群落結(jié)構(gòu)時空差異比較明顯。利用大型底棲動物生物完整對水生態(tài)健康評價，能科學、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，其移動速度慢、對水環(huán)境變化更加敏感，當水環(huán)境發(fā)生變化時，底棲動物類群內(nèi)部結(jié)構(gòu)會發(fā)生明顯變化，而且經(jīng)過采樣定量物種鑒定，肉眼可見，辨識度高，更具有可操作性，因此利用底棲動物作為水體健康評價，評價結(jié)果更為客觀準確。

圖4濟南市水生態(tài)底棲動物健康評價變化趨勢

通過濟南底棲動物健康評價結(jié)果來看，濟南南部山區(qū)水生態(tài)健康狀況良好，對于這一區(qū)域， 從底棲動物角度，要保護好優(yōu)勢清潔物種，尤其是濟南底棲動物蜉蝣目和毛翅目的物種，其物種和密度的變化，能夠直接反應水體健康狀況轉(zhuǎn)化，因此應加大該流域底棲清潔物種的保護力度，做好底棲清潔物種展示宣傳工作。對于濟南北部底棲動物健康評價低的區(qū)域，應加強綜合治理力度。該區(qū)域底棲動物優(yōu)勢物種為搖蚊和水絲蚓，這兩大類群能夠適應低溶解氧的水體，對于富營養(yǎng)化水體具有一定的耐污性，對于該類型流域，應從大型底棲動物生存的環(huán)境入手，首先應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，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，還濟南人民一個健康美麗的水生態(tài)體系。

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