环境科学  2014, Vol. 35 Issue (10): 3952-3958   PDF    
引用本文
马秀娟, 沈建忠, 王腾, 王海生, 黄丹, 孙广文, 龚成. 天鹅洲故道底栖动物群落特征及水质生物学评价[J]. 环境科学, 2014, 35(10): 3952-3958.
MA Xiu-juan, SHEN Jian-zhong, WANG Teng, WANG Hai-sheng, HUANG Dan, SUN Guang-wen, GONG Cheng. Macrozoobenthos Community Structure and Water Quality Evaluation of Tian’e Zhou Oxbows[J]. Environmental Science, 2014, 35(10): 3952-3958.
天鹅洲故道底栖动物群落特征及水质生物学评价
马秀娟1, 沈建忠1 , 王腾1, 王海生1, 黄丹1, 孙广文1, 龚成2    
1. 华中农业大学水产学院, 武汉 430070;
2. 湖北长江天鹅洲白暨豚国家级自然保护区管理处, 湖北石首 434400
收稿日期: 2014-3-5; 修订日期: 2014-4-18.
基金项目： 世界自然基金会项目（2985）；湖北长江天鹅洲白暨豚国家级自然保护区管理处委托项目
作者简介：马秀娟（1985~），女，硕士研究生，主要研究方向为生态学，E-mail：maxiujuan264@163.com
通讯联系人,沈建忠,E-mail:jzhsh@mail.hzau.edu.cn
摘要：于2011年1月、5月、7月和10月按季度对天鹅洲长江故道底栖动物进行采样调查，并根据底栖动物群落结构对水质进行了生物学评价. 结果表明：天鹅洲故道底栖动物有30种，其中水生昆虫14种，占46.67%；寡毛类8种，占26.67%；软体动物6种，占20.00%；其它类2种，占6.67%. 优势种类为菱附摇蚊（Clinotanypus）、指突隐摇蚊（Cryptochironomus digitatus）、克拉泊水丝蚓（Limnodrilus claparedeianus）、霍甫水丝蚓（Limnodrilus hoffmeisteri）. 底栖动物年均密度为558.37ind ·m-2，最大密度出现在冬季，春季最低；底栖动物年均生物量为14.03 g ·m-2，最大生物量出现在秋季，春季最低. 10个采样点中，其中8号年均密度最大，为1986.00 ind ·m-2，7号年均生物量最大，为50.22 g ·m-2，而6号年均密度和生物量都最小，分别为98.00 ind ·m-2和0.85g ·m-2. 利用Shannon-Wiener多样性指数（H'）、Margalef丰富度指数（d）、科级生物指数（FBI）和综合生物污染指数（BI）对故道水质进行综合评价，显示故道水体处于中-重污染（Ⅲ-Ⅳ），相比2003~2004年（Ⅱ）其水质污染状况有所下降.
关键词： 底栖动物     天鹅洲故道     密度和生物量     水质评价    
Macrozoobenthos Community Structure and Water Quality Evaluation of Tian’e Zhou Oxbows
MA Xiu-juan1, SHEN Jian-zhong1 , WANG Teng1, WANG Hai-sheng1, HUANG Dan1, SUN Guang-wen1, GONG Cheng2    
1. College of Fisheries, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China;
2. Baiji National Natural Reserve of the Tian'e Zhou Oxbow in Yangtze River, Shishou 434400, China
Abstract: A quarterly investigation of the macrozoobenthos community in Tian'e Zhou Yangtze Oxbows was conducted during January 2011 to October 2011. And water quality was assessed based on the benthic macroinvertebrate community structure. It shows that, a total of 30 macrozoobenthos species were found, among which, Insecta (14 species), Mollusca (6 species), Oligochaeta (8 species) and others (2 species) accounted for 46.67%, 20.00%, 26.67%, and 6.67% of the total, respectively. The dominant species were Clinotanypus, Cryptochironomus digitatus, Limnodrilus claparedeianus, and Limnodrilus hoffmeisteri. The average annual density and biomass of macrozoobenthos were 558.37 ind ·m-2, and 14.03 g ·m-2, respectively. The density of macrozoobenthos was highest in the winter and lowest in the spring, the biomass was highest in the autumn and lowest in the spring. In ten sampling points, No. 8 had the highest density, 1986.00 ind ·m-2, No. 7 had the highest biomass, 50.22 g ·m-2, and No. 6 had the lowest density and biomass, 98.00 ind ·m-2 and 0.85 g ·m-2. The evaluation with Shannon-Wiener diversity index (H'), Margalef richness index (d), Family-level biotic index (FBI), and integrated pollution index (BI) indicated that the overall water quality of the Tian'e Zhou Oxbow was moderate-heavy pollution (Ⅲ-Ⅳ). As compared to that in 2003-2004 (Ⅱ), the water quality of Tian'e Zhou Oxbow was somewhat decreased.
Key words: macrozoobenthos     Tian’e Zhou Oxbow     density and biomass     water quality    

底栖动物在水生态系统中具有多种生态功能，它可以加速水底碎屑的分解以提高水体的自净能力，同时也是水生态系统营养生态位的重要环节，是鱼类的天然活饵料，在水生态系统的物质循环和能量流动中起着重要的作用. 底栖动物生活在水底，生活环境相对固定，并且具有生命周期长、 迁移能力差、 区域性强等特点，底栖动物不同种属对生境条件及污染等不利因素的耐受力和敏感程度不同，其种群结构、 优势种类、 现存量等参数可以反映环境因素的长期变化，因而对环境变化具有良好的指示作用[1,2].

天鹅洲(29°47′~29°51′N，112°33′~112°37′E)位于湖北省石首市下游约20 km长江北岸，江汉平原南缘，南与石首城区隔江相望，距荆州市约60 km，由于长江裁弯取直，形成了长江故道[3]，故道全长20.9 km，水面约13.7 km2. 1998年修筑沙滩子大堤后，天鹅洲失去了与长江的季节性连通，涨落幅度变小，漫滩萎缩，主要功能为渔业和自然保护，建有江豚和麋鹿保护区. 近年来，长江故道生态健康面临着江湖阻隔和过度利用等因素的威胁，而水环境的变化使得故道水体中生物群落结构也会随之改变，而底栖动物这个重要的生态类群，可指示环境的长期变化，因此对底栖动物这个生态类群的研究对天鹅洲水体环境污染预防和水质改善有着重要的意义.

近年来对天鹅洲长江故道的水质进行监测的研究很多，如1996年吴利桥等[4]对天鹅洲水体理化、 生物因子的监测； 1999年何绪刚等[5]对天鹅洲水体的氮磷元素含量的研究； 刘绍平等[6]和潘保柱等[7]对天鹅洲底栖动物群落组成及物种多样性的研究. 本研究根据2011年在天鹅洲长江故道对底栖动物群落的周年采样调查，分析底栖动物的群落结构特征及生物多样性，以期为故道水质监测提供直接可靠的生物学评价，为故道生态修复保护和故道渔业资源合理利用的可持续发展提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 采样点的设置

参照文献[8]，并根据故道的形态、 水深、 底质等环境特征，在水体的中心区、 沿岸区等地，采用GPS定位共设置10个采样点. 其分布为：1号沙嘴、 2号新堤水厂、 3号鹅棚、 4号渡口、 5号鱼池、 6号保护区站点、 7号下口鱼池、 8号郑家台、 9号天鹅渡口、 10号下口，具体采样点位见图 1. 调查在2011年1月(冬季)、 2011年5月(春季)、 2011年7月(夏季)、 2011年10月(秋季)进行，按季度分别采样.

图 1 天鹅洲长江故道采样点分布示意Fig. 1 Distribution of the sampling standing in Tian'e Zhou Yangtze Oxbow
1.2 样品采集及处理

采样工具为1/16 m2彼得森采泥器，每个采样点采样2~3次，取其平均值，泥样用40目(0.35 mm孔径)的网筛进行分选，剩余物带回实验室，置于白瓷盘中分类挑选出样品. 水生昆虫和软体动物先用5%福尔马林固定，24 h后转移到75%的酒精保存，寡毛类用10%的福尔马林溶液固定.

利用解剖镜和显微镜对标本进行鉴定、 数量统计，生物量以鲜重计，天平称量，精确至0.001 g，最后将每个样点的个体数量和重量根据每个样点的采样次数折算成密度(ind ·m-2)和生物量(g ·m-2)的平均值. 标本鉴定参照国内外相关文献进行[9, 10, 11].

1.3 优势种的确定

相对重要指数可作为底栖动物优势种的指标参数，它综合考虑了底栖动物的密度、 生物量及分布状况，本研究种以重要值大于5%的种类拟为优势种. 根据各站点调查数据，按照下列公式计算各站底栖动物的重要值：

重要值=(相对密度+相对频率)/2

式中，相对密度即某底栖动物的密度占样品中所有底栖动物密度的比例； 相对频度即某底栖动物的频度占所有底栖动物频度的比例[12].

1.4 数据分析方法 1.4.1 底栖动物种类组成相似性比较

相似性指数S=2c/(a+b)[13]：比较故道水体各个采样点的底栖动物群落相似性. 式中，c为2个比较采样点共同出现的种类数； a为2个比较采样点中第1个点出现的种类数； b为第2个点出现的种类数. 相似性指数S值在0~0.25为极不相似，在0.25~0.5为中等不相似，在0.5~0.75为中等相似，在0.75~1.0为极为相似.

1.4.2 底栖动物群落组成多样性分析

利用Margalef丰富度指数[14]：d=(S－1)/lnN、 Shannon-Wiener多样性指数[15]：H′=－=1 (ni/N)log2(ni/N)等进行底栖动物群落组成的多样性分析. 式中，ni为第i类物种的个数，s为样本底栖动物种类数，N为样本中底栖动物的总个数.

各指数的评价标准为：H′等于0为严重污染，0~1之间为重污染，1~2之间为中污染，2~3之间为轻污染，大于3为清洁[16,17]. d值等于0为严重污染，0~1之间为重污染，1~2之间为中污染，2~3.5之间为轻污染，大于3.5为清洁[18].

1.4.3 故道水质污染状况分析

利用科级生物指数(family-level biotic index，FBI)[19, 20, 21]：FBI=niti/N及综合污染指数BI=P2i/Pi[22]进行底栖动物群落对水质影响的分析. 式中ni为第i分类单元的个体数； ti为第i分类单元的耐污值[23]； N为各分类单元的个体总和； s为分类单位个数. 将各采样点的生物多样性指数及生物指数值结合起来，然后对照标准值，用线性插值法得出分指数Pi.

评价标准为：FBI＜5.5最清洁、 5.5~6.6轻污染、 6.6~7.7中污染、 7.7~8.8重污染、>8.8严重污染[24]. BI=0为清洁、 BI=0.25为轻污染、 BI=0.5为中污染、 BI=0.75为重污染、 BI=1为严重污染[25].

2 结果与讨论 2.1 种类组成 2.1.1 种类组成分布及优势种类

4次采集获底栖动物经鉴定共30种，其中水生昆虫14种，寡毛类8种，软体动物6种，分别占总数的46.67%、 26.67%、 20.00%. 以重要值大于5%的种类拟为优势种，故道底栖动物的优势种为菱附摇蚊(Clinotanypus)、 指突隐摇蚊(Cryptochironomus digitatus)、 克拉泊水丝蚓(Limnodrilus claparedeianus)、 霍甫水丝蚓(Limnodrilus hoffmeisteri)，其重要值分别为37.0%、 20.0%、 79.0%、 70.0%. 底栖动物种类组成分布上呈现明显的空间变化(表 1).

表 1 天鹅洲长江故道底栖动物种类及分布1)Table 1 Species composition and distribution of zoobenthos in Tian'e Zhou Yangtze Oxbow
2.1.2 种类在各站点之间的相似性

天鹅洲故道各个采样点底栖动物群落相似性系数如表 2所示. 从中可知，故道各采样点之间底栖动物种类组成的相似性系数变幅在0.14~0.77之间. 其中8号和5号之间，8号和6号之间为极不相似； 1号和2号之间，3号和4号之间为极为相似； 其他各点为中等相似和中等不相似. 这种结果表明底栖动物群落结构的差异主要源于不同种类底栖动物在各采样点的分布及密度差异.

表 2 天鹅洲长江故道底栖动物各点之间相似性系数Table 2 Similarity index of zoobenthos among sampling sites in Tian'e Zhou Yangtze Oxbow
2.2 密度和生物量 2.2.1 密度和生物量季节变化

天鹅洲长江故道各季度底栖动物年均密度表现为冬季(1 406.67 ind ·m-2)>秋季(333.60 ind ·m-2)>夏季(280.00 ind ·m-2)>春季(229.60 ind ·m-2)； 底栖动物年均生物量表现为秋季(25.77 g ·m-2)>冬季(19.73 g ·m-2)>夏季(6.65 g ·m-2)>春季(4.07 g ·m-2)，见表 3.

表 3 天鹅洲故道底栖动物密度和生物量的季节变化Table 3 Seasonal varation of zoobenthos density and biomass of in Tian'e Zhou Oxbow

从全年密度组成上看，水生昆虫对密度的贡献最大，占底栖动物总密度的73.06%，但各个季节水生昆虫所占比例有所不同，冬季最高，为87.96%； 春、 夏季次之，分别为50.27%和35.43.27%； 春季最低，为26.41%.

从全年生物量组成上看，软体动物对生物量的贡献最大，占大型底栖动物总生物量的75.27%； 但各个季节软体动物所占比例有所不同，秋季最高，为89.52%； 夏、 冬季次之，分别为73.83%和62.04%； 春季最低，为60.44%.

2.2.2 密度和生物量水平分布

天鹅洲各采样点大型底栖动物的总体密度和生物量由于底质、 水深等不同而变化，各采样点底栖动物年均密度和生物量见表 4，密度变化幅度为98.00~1 986.00 ind ·m-2； 生物量变化幅度为0.85~50.22g ·m-2.

表 4 天鹅洲故道各采样点底栖动物的年均密度和生物量Table 4 Density and biomass of zoobenthos of each sampling site in Tian'e Zhou Oxbow

10个采样点中，8号底质为黄色淤泥，氧化很好，底栖动物主要由摇蚊幼虫组成，年均密度最大，为1 986.00 ind ·m-2； 7号底质为泥沙，底栖动物中采集到许多软体动物，由于软体动物个体较大，年均生物量最大，为50.22g ·m-2. 其中6号底质为黑色淤泥，有机碎屑较多，底栖动物主要由寡毛类组成，年均密度和生物量都最小，分别为98.00ind ·m-2和0.85g ·m-2.

2.3 水质评价

根据2011年1~10月间4次采样底栖动物观测数据(表 5)，通过4种生物指数进行评价得到天鹅洲长江故道水质污染状况为中-重污染(Ⅲ-Ⅳ).

表 5 天鹅洲故道各季节水体生物指数值及水质评价等级1)Table 5 Seasonal of biological index and water assessment in Tian'e Zhou Oxbow

天鹅洲长江故道10个采样点的4种生物指数值和所属水质等级见表 6，其中有3个样点为轻污染(1号、 7号、 8号)，有4个采样点为中污染(2号、 3号、 5号、 9号)，有3个采样点为重污染(4号、 6号、 10号).

表 6 天鹅洲10个采样点水体生物指数值及水质评价等级1)Table 6 Biological index and water assessment at 10 stations in Tian'e Zhou Oxbow

从各采样点看，1号沙嘴、 7号下口鱼池、 8号郑家台，底质多为淤泥、 水透明度较好、 或有水草(菹草)分布、 水的净化能力较强，水质较好. 2号新堤水厂、 3号鹅棚、 5号鱼池、 9号天鹅渡口，底质多为有机碎屑或为黑色淤泥、 水草分布也较少，降低了水体的自净作用，其中2号由于水厂排污量较大，从而影响了该区域水质，3号沿岸水域人工饲养着大量鸭、 鹅的经济禽类，大量的禽类排泄物排入水体，影响水体环境. 4号渡口、 6号保护区站点、 10号下口污染严重，其中4号渡口处受燃油渡船的污染较多，使得该区域水质很差，6号采样点是保护区站点，离天鹅洲入故道排污入水口冯家谭泵站很近[26]，该处水较深，底质为黑色的淤泥，受污染程度较大，10号采样点为下口，离沙滩子大坝的天鹅洲闸较近，天鹅洲闸是唯一通江口，因而长江主干道水体的流入使得该处的营养物质更加丰富.

2.4 底栖动物群落结构与水质状况分析

底栖动物种类及密度生物量变化对水质状况有一定影响. 将本研究与2003年及1987年研究结果进行比较可以看出(表 7)，这20多年来，天鹅洲长江故道底栖动物在种类及数量上发生的变化具体表现为：①优势种由中污染指示种(内摇蚊属、 尾鳃蚓属、 田螺属)变为中-重污染指示种(隐摇蚊属、 水丝蚓属、 沼螺属)； ②底栖动物中寡毛类平均密度所占比例显著增大，从2003年的11.11%增大到2011年的30.64%，而水生昆虫平均密度所占比例减少，从2003年的87.93%减少到68.35%. 由此表明，2011年天鹅洲长江故道水质状况较2003年有所恶化.

表 7 2003年和2011年天鹅洲故道种类数、 底栖动物密度和生物量变化Table 7 Species richness,density and biomass of macrobenthos in 2003 and 2011 in Tian'e Zhou Oxbow

天鹅洲长江故道底栖动物种类及密度生物量的变化可能与采样点底质状况和采样点水深有关. 李学军等[27]调查天鹅洲长江故道时认为，天鹅洲故道为开敞式水体，水文环境变化剧烈，一般周围污染比较小，水质较清洁，底质多为黄泥，全年透明度在60~210 cm，水深在2~14 m. 江永明等[28]对天鹅洲的水质的模糊综合评价为Ⅰ-Ⅱ级水质，体现了水体交换对水质的好坏有较大的影响，与天鹅洲故道受保护有显著的关系. 2011年对天鹅洲长江故道底栖动物的调查表明，由于故道有局部地区水底沉积物中含较多死亡植物碎屑，这种底质环境更适合寡毛类的生长，寡毛类现存量增多，而同时底质中植物碎屑的增厚，一定程度上抑制了水生植物的生长和繁殖，降低了水体的自净作用，水质污染状况加重，并且水质溶解氧的含量相对减少，因而水生昆虫现存量降低. 这可能与2011年由于干旱导致天鹅洲长江故道水位显著下降有关.

3 结论

(1)天鹅洲长江故道底栖动物共计30种，水生昆虫类14种，寡毛类8种，软体动物6种. 从优势种类组成看，天鹅洲故道底栖动物的优势种类为水生昆虫类的菱附摇蚊、 指突隐摇蚊，寡毛类的克拉泊水丝蚓、 霍甫水丝蚓，这些种类均属于中-重污染指示种类，表明水体呈现中-重污染状态.

(2)天鹅洲故道底栖动物年均密度和生物量分别为558.37ind ·m-2和14.03g ·m-2，与2003年底栖动物群落结构相比，水生昆虫平均密度所占比例减少，从2003年的87.93%减少到2011年的68.35%，寡毛类平均密度所占比例显著增大，从2003年的11.11%增大到2011年的30.64%，表明故道水质状况有所恶化.

(3)根据故道水质生物学评价分析，故道底栖动物群落Shannon-Wiener多样性指数平均值2.66，为Ⅱ类水质； Margalef丰富度指数平均值2.21，为Ⅱ类水质； 科级生物指数平均值7.67，为Ⅳ类水质； 利用综合生物污染指数对故道水质进行综合评价得出BI平均值0.55，为(Ⅲ-Ⅳ)类水质，可见故道水体处于中-重污染，总体上看故道水质较差.

致谢：采样过程得到华中农业大学水产学院渔业资源课题组的帮助，在此表示感谢.

参考文献
[1] 陈浒, 林陶, 秦樊鑫. 乌江流域大型底栖动物群落结构及其水质生物评价[J]. 水生态学杂志, 2011, 3 (6): 5-11.
[2] 段学花, 王兆印, 徐梦珍. 底栖动物与河流生态评价[M]. 北京: 清华大学出版社, 2010.
[3] 卢小琴, 张通. 石首市天鹅洲湿地资源保护与生态旅游开发[J]. 安徽农学通报, 2009, 15 (13): 167-169.
[4] 吴利桥, 翟良安, 李谷, 等. 天鹅洲鱼类种质资源库环境质量评价[J]. 中国水产科学, 1996, 3 (2): 94-102.
[5] 何绪刚, 罗静波, 黄晓南, 等. 天鹅洲长江故道水体氮、磷营养元素变化规律的研究[J]. 水利渔业, 1999, 19 (5): 54-55.
[6] 刘绍平, 陈大庆, 黄木桂, 等. 老江河底栖动物变化动态及渔业利用[J]. 湖北农学院学报, 1999, 19 (1): 31-34.
[7] 潘保柱, 王海军, 梁小民, 等. 长江故道底栖动物群落结构特征及资源衰退原因分析[J]. 湖泊科学, 2008, 20 (6): 806-813.
[8] 黄祥飞. 湖泊生态调查观测与分析[M]. 北京: 中国标准出版社, 1999. 92-94.
[9] Epler J H. Identification manual for the larval Chironomidae (Diptera) of North and South Carolina[M]. Human Health and Ecological Criteria Division, 2001.
[10] Fitter R S R, Manuel R. Collins photo guide to lakes, rivers, streams and ponds of Britain and North-West Europe[M]. London: Harper Collins, 1994.
[11] John C M, Yang L, Tian L X. Aquatic insects of China useful for monitoring water quality[M]. Nanjing: Hohai University Press, 1994.
[12] 胡忠军, 刘其根, 陈立婧, 等. 上海崇明明珠湖摇蚊幼虫群落结构特征及其对水质的指示作用[J]. 应用生态学报, 2009, 20 (4): 929-936.
[13] 张世海.淀山湖底栖动物群落结构及水质评价[A].见:资源、环境与可持续发展[C]. 2009年上海研究生学术论坛,2009.360-363.
[14] Margalef D R. Information theory in ecology[J]. Gener Syst, 1957, (3): 36-71.
[15] Shannon C E, Weaver W. The Mathematical Theory of Communication[M]. Urbana, University Illinois Press, 1963.
[16] 李中宇, 胡显安, 王岚. 从底栖动物群落看江水污染情况[J]. 黑龙江环境通报, 2001, 25 (2): 67-68.
[17] 张光贵. 用综合生物指数法评价水质[J]. 环境监测管理与技术, 2000, 12 (5): 27-29.
[18] 颜京松, 游贤文, 苑省三. 以底栖动物评价甘肃境内黄河干支流枯水期的水质[J]. 环境科学, 1980, 1 (4): 14-20.
[19] Hilsenhoff W L. A modification of the biotic index of organic stream pollution to remedy problems and permit its use throughout the year[J]. Great Lakes Entomologist, 1998, 31: 1-12.
[20] 张玉平, 由文辉, 焦俊鹏. 长江口九段沙湿地底栖动物群落研究[J]. 上海水产大学学报, 2006, 15 (2): 169-172.
[21] 王备新, 杨莲芳. 我国底栖动物BI指数水质生物评价标准的初步建立[J]. 中国农业科技导报, 2003, 5: 42-43
[22] 戴友芝, 唐受印, 张建波. 洞庭湖底栖动物种类分布及水质生物学评价[J]. 生态学报, 2000, 20 (2): 277-282.
[23] 王建国, 黄恢柏, 杨明旭, 等. 庐山地区底栖大型无脊椎动物耐污值与水质生物学评价[J]. 应用与环境生物学报, 2003, 9 (3): 279-284.
[24] 陈瑞明. 截污后武汉东湖底栖动物群落结构及环境质量评价[D]. 武汉: 华中农业大学, 2004.
[25] 吉红, 梁朝军, 高俊. 津河的底栖动物现状及水质评价研究[J]. 西北农林科技大学学报(自然科学版), 2006, 34 (3): 42-48.
[26] 黄丹, 沈建忠, 胡少迪, 等. 长江天鹅洲故道浮游动物群落结构及水质评价[J]. 长江流域资源与环境, 2014, 23 (3): 328-334.
[27] 李学军, 李思发, 杨和荃. 长江天鹅洲故道和老河故道水生生物多样性的比较研究[J]. 生物多样性, 1996, 4 (4): 211-216.
[28] 江永明, 倪朝辉, 樊启学, 等. 天鹅洲、黑瓦屋长江故道湿地水质的模糊综合评价[J]. 淡水渔业, 2006, 36 (6): 16-20.