封得华 李萌 王瑾 孟云飞 李庆南 殷旭旺

DOI：10.3969/j.issn.1004-6755.2018.12.012

摘要：为了对济南市流域大型底栖动物群落生物完整性的探究，于2014年春季、夏季和秋季在济南市全流域31个采样站位进行3次大型底栖动物群落样品采集和水体环境因子的野外采样调查。通过分类、鉴定、数据整理与分析，计算得到3次大型底栖动物生完整性评价指数（B-IBI），分析济南市大型底栖动物群落结构和生物完整性指数在时间和空间上的差异，进而对济南市水生态健康状况进行评价。结果显示，济南南部山区位于并渡口-卧虎山水库这条支流大型底栖动物物群落结构比较完整，生物多样性较高，生态环境状况比较健康;济南市主城区人为干扰程度较大，大型底棲动物群落结构破坏严重，生态环境状况较差。

关键词：济南流域;底栖动物群落;生物完整性评价

大型底栖动物是湖泊和河流中最常用的环境条件生物指示类群（Bonada等，2006）[1];大型无脊椎动物对多种环境压力源敏感，可以作为生态系统整体状况的指标，由于大型底栖动物对水环境敏感，对河流健康状况外显性强，因此得到大部分学者认可，并对大型底栖动物群落生态学开展研究[2-4]，尽管它们最常用于诊断营养物污染（Johnson等，2013）[5]，使其成为许多水生生态系统中的优秀生物指示类群;在河流评估中很受欢迎，但是大型底栖动物在湿地生物监测中的表现并不尽如人意，受季节性缩减影响较大。湿地大型底栖动物对环境压力因素的敏感性研究相对较少，国外研究表明大型底栖动物作为湿地生态系统生物指示作用得出了相互矛盾的结果（Batzer等，2013）[6]。研究大型底栖动物生物完整性，就能间接反映相应区域水域健康状况。

大型底栖动物的状况被广泛用作水域生态环境评估的指标。底栖生物具有良好的生态指示作用，因为它们相对活动性较差，无法避免水、沉积物质量恶化，寿命相对较长，对压力有明显反应，具体取决于它们特异性敏感性、耐受性水平。它们还在下伏沉积物和上覆水柱之间循环养分和物质方面起着关键作用。生物完整性指数也是一种高效、科学的生境质量评价的体系。生物完整性底栖指数（B-IBI）开发并用于济南市水生态环境评估。该指数包括各种底栖社区指标（物种丰度、生物量、多样性、敏感类群、耐受类群等），许多研究表明该指数被证实是一种敏感而强大的工具，用于总结大型底栖动物群落的状况。

本研究利用大型底栖动物生物完整性指数（B-IBI）作为评价生态系统健康的体系，并研究大型底栖动物指标体系在时间上的差异，综合3次水生态调查的结果确定生态完整性评价的指标体系，分析济南市水生态健康状况在时间和空间上的差异。

1材料和方法

1.1底栖动物样品采集

济南流域设定采样调查三次，主要集中在2014年的春季、夏季和秋季;每次采样设定调查站位31个（图1），31个调查站位的经度、纬度和海拔高度选用MAGELLAN全球定位系统（eXplorist-200）进行定位。

在各个水生态调查站位选取流域河流上、下游100 m范围内，采集底栖动物样品分为定性和定量样品。定性样品采用D形网采集，定性样品采用索伯网进行采集。定量采集样品要有代表性，在具体采样点的不同生境，不同水深、流速的区域随机采集样品1～2份，收集到的样品经过60目筛绢网进行过滤冲洗，淘掉多余泥沙，把剩余样品转移到白瓷盘中，以肉眼可见为标准，把底栖动物活体全部调入到样品瓶中，倒入大于80%的酒精进行固定，密封样品带回实验室进行鉴定。鉴定24 h内加入用10%甲醛进行保存，方便后期鉴定和复查。

1.2水环境因子的测定

济南流域水体理化因子测定，pH测定采用便携式pH计;电导率（Cond）、水温（Temp）、盐度（Saline）、溶解氧（DO）和饱和度（Satu）在现场用水质分析仪（YSI85）进行测定;用流速仪（FP-111）现场测定流速（Velo）和水深（Depth）;采用底质分样筛（孔径为1、2、4、8、16 mm）测定底质含沙量（Sand）;在各样站位采集2个平行水样（2 L），在低温下保存，并在48 h内带回实验室，依据标准方法（国家环境保护总局，2002），在实验室测定水化学指标：总磷（TP）、总氮（TN）、悬浮物（SS）、总溶解固体（TDS）、碱度（Alk）、硅酸盐（SiO2-4）、硬度（TD）和高锰酸盐指数（CODMn）。

1.3数据分析和处理

大型底栖动物数据和水体理化因子数据在实验室鉴定、测定完成后，按照标准格式录入Excel表格，利用Canoco4.5对环境因子进行主成分分析（PCA），再在SPSS 20.0对主成分分析筛选得到的环境因子进行偏相关分析（PCT），进一步对环境因子进行筛选，如果出现显著相关（P<0.05）的两个水体理化因子，从中仅保留一个。进行PCA、PCT时，所有水体理化数据均通过（Log[x+1]）对数据进行标准化处理。

大型底栖动物生物完整性评价体系的构建，应在营养级组成、群落结构、敏感种群落结构、耐污种群落结构等的基础上选择候选指标，再进一步根据济南大型底栖动物群落结构特征筛选能出具有代表性的指标作为济南大型底栖动物生物完整性的候选指标;利用箱体图对大型底栖动物生物完整指标进行判别，详见文献（殷旭旺等，2012; Barbour等，1999）[7-8]，对判别筛选得到的指标进行相关性分析，最终筛选出与客观实际情况相吻合的指标作为核心指标。

参考站位和受损站位的确定，根据实际现场生态调查以及历史资料、文献记载，我们把生态环境较好、水质质量较高、生物多样性较高，人为干扰程度较低等生境质量较好的站位做参考站位（Barbour等，1999;王备新等，2005）[8-9];其他的人为干扰程度较大、生物多样性较低、生境质量较差的站位作为受损站位;同时我们依据PCA指标分析结果，最终确定济南流域B-IBI评价的参照站位。最后对各个站位的每个指标类型进行5%、25%、50%、75%分位数的计算累加求平均值做为每个站位生物完整性指数，在对这些生物完整性指数进行进行5%、25%、50%、75%分位数的计算，对每个站位进行四个等级健康、较好、一般、较差的划分。

济南流域生态调查站位设置和大型底栖动物群落结构图在ArcMap 9.3上完成;主成分分析（PCA）在软件Canoco4.5上进行，相关性分析在软件SPSS 20.0上进行。

2B-IBI体系的建立和健康评价结果

依据三次采样各自水化主成分分析（图2），最终确定济南流域差异显著且稳定度高的环境因子有浊度、氯离子、电导率、硫酸盐、碳酸氢根、碱度、硬度。

通过异显著且稳定度高的环境因子间的偏相关性分析（表1），浊度与其它因子之间的相关性最低。其它六个因子相关性较高（r>0.5）。最终在所筛选的指标中，选取浊度和电导率作为双项指标，其25%分位数分别为4.6度和572 ms/m。以小于25%分位数为界定标准，筛选出济南流域清洁区域参考站位最终选取依据差异显著且稳定度高的环境因子综合选定为W1、W3、W6、W7、和W9。

參照相关研究（慕林青等，2018）[10]，并结合济南水生态系统的特点以及研究目标，选取能反映种类个体数量比例、营养级组成指数、群落丰富度、生物耐污能力和小生境质量等五大类共24个指标;根据济南市实际参考站位和受损站位生态调查的结果，进一步对24个候选指标进行筛选，筛选出对人类活动干扰呈现正相关和负相关的指标作为构建生物完整性体系的指标类型。

济南市3次水生态调查，大型底栖动物生物完整性指数经过箱体图判别，进入Pearson相关性分析检验的参数结果如下（图3）：春季大型底栖动物完整性指数判别结果为EPT分类单元数、水生昆虫分类单元数、蜉蝣目个体百分比、摇蚊分类单元数、香浓维纳多样性指数。夏季大型底栖动物完整性指数判别结果为优势分类单元数、其它双翅目个体数、EPT分类单元数、蜉蝣目个体百分比、香浓维纳多样性指数。秋季大型底栖动物完整性指数判别结果为其它双翅目个体数、EPT分类单元数、蜉蝣目个体百分比、水生昆虫分类单元数、毛翅目分类单元数、收集者百分比、杂食者百分比、Bi指数。

根据大型底栖动物生物完整性评价，结果显示（图4），济南市整体水域生态健康状况一般，济南市是一座很古老的城市，整体社会发展水平较高，人口密度大，工农业发展较高，人为干扰程度较大，导致济南市整体水生态环境破坏严重，生物多样性丧失严重，水生态健康状况堪忧。根据评价结果，可见济南市顾小庄浮桥、梁王庄、板桥和主城区区域水生态健康状况最差，这些站位为调查采集到大型底栖动物;而在小清河源头、并渡口和黄巢水库调查采集到了敏感种东方蜉（Ephemera orientalis）等EPT生物类群，说明这些区域生物多样性较高，生境质量较高，水生态健康状况较好。春季和夏季评价结果显示，生态状况比较接近，由于经过一个冬天低气温的影响，夏季整体水平高于春季;而秋季水生态健康评价整体水平在三个季节中最差。

3讨论

大型底栖动物对外界环境质量变化比较敏感，而且活动能力较差，群落结构时空差异比较明显。利用大型底栖动物生物完整对水生态健康评价，能科学、高效的反映水域生态健康状况;与其它水生生物类群相比，其移动速度慢、对水环境变化更加敏感，当水环境发生变化时，底栖动物类群内部结构会发生明显变化，而且经过采样定量物种鉴定，肉眼可见，辨识度高，更具有可操作性，因此利用底栖动物作为水体健康评价，评价结果更为客观准确。

图4济南市水生态底栖动物健康评价变化趋势

通过济南底栖动物健康评价结果来看，济南南部山区水生态健康状况良好，对于这一区域， 从底栖动物角度，要保护好优势清洁物种，尤其是济南底栖动物蜉蝣目和毛翅目的物种，其物种和密度的变化，能够直接反应水体健康状况转化，因此应加大该流域底栖清洁物种的保护力度，做好底栖清洁物种展示宣传工作。对于济南北部底栖动物健康评价低的区域，应加强综合治理力度。该区域底栖动物优势物种为摇蚊和水丝蚓，这两大类群能够适应低溶解氧的水体，对于富营养化水体具有一定的耐污性，对于该类型流域，应从大型底栖动物生存的环境入手，首先应确定所在流域污染类型和污染源，明确是由工厂排污引起的点源污染还是农业生产引起的面源污染，或者是城市生活污水乱排导致的，从根本上查清污染存在问题，大力开展环境工程，建立完善水处理系统，联合各执法部门，取缔非法排污点，彻底改善本区域水环境状况，努力把五类、劣五类水体转化为二、三类水体，还济南人民一个健康美丽的水生态体系。

参考文献：

[1] Bonada N，Prat N，Resh V H，et al.Developments in aquatic insect biomonitoring：a comparative analysis of recent approaches [J].Annu.Rev.Entomol.2006，51：495–523.

[2] Hughes D L . Rapid bioassessment of stream health[J]. Rapid Bioassessment of Stream Health， 2010.

[3] Barlow N . The Diatoms： Applications for the Environmental and Earth Sciences[J]. Quaternary Science Reviews， 2002， 30（7）：1011-1011.

[4] Sumcker NJ，Vis ML.Using diatoms to assess human impacts on streams benefitsfrom multiple-habitat sampling [J].Hydrobiologia，2010，654：93-109.

[5] Johnson，R C，Jin H S，Carreiro M M，et al.Macroinvertebrate community structure，secondary production and trophic-level dynamics in urban streams affected by non-point-source pollution [J].Freshw.Biol，2013，58，843-857.

[6] Batzer D P.The seemingly intractable ecological responses of invertebrates in North American Wetlands：a review [J].Wetlands，2013，33，1–15.

[7] 殷旭旺，渠晓东，李庆南，等.基于着生藻类的渭河流域水生态系统健康评价研究[J].生态学报，2012，32（6）：1677-1691.

[8] Barbour M T ， Faulkner C ， Usepa B . Rapid Bioassessment Protocols For Use in Streams and Wadeable Rivers[J]. Qualidade Da Agua， 1989.

[9] 王备新，杨莲芳，胡本进，等.应用底栖动物完整性指数B-IBI评价溪流健康[J].生态学报，2005，25（6）：1481-1490.

[10] 慕林青，刘培斌，高晓薇，等.永定河北京段生态系统健康评价及修复模式研究[J].北京水务，2018（04）：16-20.