八里湖大型底栖动物群落结构及水质生物学评价

刘 爱 玲，黄 绵 达，刘 旻 璇，曹 卫 芳，金 磊，周 明 春

(1.修河水文水资源监测中心，江西 九江 332000； 2.南水北调中线干线工程建设管理局 天津分局，天津 300000； 3.生态环境部长江流域生态环境监督管理局 生态环境监测与科学研究中心，湖北 武汉 430071)

0 引 言

底栖动物即大型底栖无脊椎动物，是水生态系统的重要组成部分，其对环境敏感，迁移能力差，可有效地反映水体长期的营养状态或污染程度，因此常作为重要的指示生物广泛应用于水质评价和环境监测[1]。

水质生物评价能够监测生物对污染物质的反应，即通过研究水生生物的种群数量、群落结构组成和水生态系统功能等的动态，分析和判断水体受污染的性质和程度。因此，在实际应用中将水质生物评价和水质物理化学指标相结合，才能全面反映污染或人为干扰对水质、水生生物和水生态系统的影响。

八里湖位于江西省北部，九江市区西部，属长江干流中游下段右岸水系，与七里湖、蛟滩湖水面贯为一体。湖泊涉及九江市浔阳区、庐山区和柴桑区。流域东邻鄱阳湖，南毗博阳河，西靠赛湖，北毗长江[2]。主要河流有十里河和沙河，经城市核心区进入八里湖新区，并汇入八里湖。北部有新开河，沟通八里湖和长江。该湖总集水面积273 km2，湖区南北长、东西窄，呈不规则分布，正常水位17.5 m(吴淞基面)时水面面积约17 km2，岸线总长29 km。

随着九江市城市发展战略的转移，八里湖已逐渐成为城市内湖，水环境问题日益凸显，其综合水质已下降为Ⅳ～Ⅴ类[3-4]。近几年，八里湖多次暴发小面积的蓝藻水华，富营养化和水华已成为八里湖面临的重大生态问题之一，水环境保护面临较为严峻的形势。目前，八里湖水质监测更多的是注重理化指标，只能反映水体瞬时的污染物浓度，现有分析手段很难监测出复合污染产生的复杂效应，而关于水生生物特别是底栖动物方面的相关研究报道较少。底栖动物能反映环境中各种污染因子对生物的综合作用和累积效应[5]。鉴于此，本文以八里湖为研究对象，于2020年对其开展了底栖动物的系统调查，分析了底栖动物群落组成、多样性指数以及底栖动物与环境因子的相关关系，研究底栖动物群落特征及其对水质的指示作用，以期为八里湖生态环境治理提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 采样时间与样点布设

2020年春季和秋季，对八里湖底栖动物进行调查，根据八里湖湖泊形态、河流汇入、水面面积等情况，本研究共布设8个采样点位(八里湖1～8号)，根据地理位置，将整个湖区划分为湖口区(1号、8号)、湖湾区(3号、5号)和湖心区(2号、4号、6号、7号)；其中湖口区2个点位分别处于十里河入湖口、蛟滩河入湖口和沙河入湖口的汇入处；湖心区点位主要位于湖中心，底质为黑褐色软底泥。具体点位分布如图1所示。

1.2 底栖动物样品采集与鉴定

根据八里湖的水体环境特征，采用开口面积为1/32 m2的彼得森采泥器采集底栖动物定量样品，样品经60目不锈钢网筛过滤，除去细泥，置于白瓷盘中，挑拣出全部底栖动物并置于塑料标本瓶中，加入10%福尔马林溶液保存并带回实验室镜检和分析。经鉴定、计数和称重后换算为单位面积的密度(ind./m2)和生物量(g/m2)。底栖动物种类鉴定参考书目主要有《中国北方摇蚊幼虫》《底栖动物与河流生态评价》《辽河流域底栖动物监测图鉴》《中国经济动物志-淡水软体动物》《中国蜉蝣概述》《西藏和四条大型河流水栖寡毛类区系研究》以及AquaticinsectsofChinausefulformonitoringwaterquality。

1.3 水质采样与分析

采用有机玻璃采样器采集水样，并带回实验室内分析，同时采用便携式多参数仪YSI和塞氏盘对水体溶解氧、pH、水温、透明度等理化指标进行现场测定。

1.4 数据处理

1.4.1湖泊水质评价和营养状态指数计算

1.4.2多样性指数计算及统计分析

采用Excel 2010和Graphpad Prism对数据进行相关处理和分析；采用SPSS 26.0软件进行单因素方差分析(ANONA)，运用单因素方差分析中的LSD法进行多重比较，分析八里湖底栖动物密度、生物量在季节和空间上的差异性；采用Canoco 5.0软件分析大型底栖动物群落结构与环境因子之间的关系。优势度Y[6-8]、Shannon-Wiener多样性指数H[6-8]、生物指数BI[6-8]和BMWP指数[9-11]的计算公式如式(1)～(4)所示。

Y=(ni/N)×fi

(1)

式中：ni为某种个体数量；N为所有种的个体总数；fi为第i种类出现的样点数与总样点数的比值；以Y≥0.02为优势种。

(2)

式中：s为整个生物样所包含的种类数；pi为第i种个体数在全部群落总个体数中的占比。多样性指数H对应的水质评价标准见表1。

表1 Shannon-wiener多样性指数H对应的水质标准Tab.1 Water quality standard of Shannon-wiener diversiy index

BI=∑ni×ti/N

(3)

式中：ni是科i的个体数，ti是科i的耐污值，N是总个体数。

表2 BI生物指数对应的水质标准Tab.2 Water quality standard of biotic index

BMWP=∑ti

(4)

式中：ti是样点中出现的物种i的科一级敏感值，该指标根据底栖动物耐污特性的差异，从最不敏感至最敏感依次给予1～10的分值，对样点中所出现物种的科级敏感值求和即为该样点的BMWP得分，得分越高，表明该样点受到人为干扰活动的影响越小，该指数利用科级分类单元中物种的敏感值，反映水体中水质的清洁程度。

表3 BMWP指数对应的水质标准Tab.3 Water quality standard of BMWP index

2 结 果

2.1 湖泊水质现状及营养状态

八里湖水质现场参数监测结果如表4所列。根据水质评价标准和湖泊营养状态评价标准及分级方法，八里湖春季水质类别为Ⅴ类，超标项目为总磷，水体处于轻度富营养水平；秋季水质类别为劣Ⅴ类，超标项目为总磷和高锰酸盐指数，水体处于中度富营养水平，如表5所列。

表4 2020年八里湖水质参数监测数据Tab.4 Monitoring data of water quality parameters of Bali Lake in 2020

2.2 大型底栖动物种类组成

由2020年春季和秋季对八里湖8个监测点位底栖动物定量调查分析结果可知，共记录该类群3门5纲8科13属16种，其中环节动物门2纲3科6属8种，占总种类数的50.0%；节肢动物门1纲2科4属5种，占总种类数的31.2%；软体动物门2纲3科3属3种，占总种类数的18.8%，八里湖底栖动物种类名录如表6所列。

表5 2020年八里湖水质类别(总氮不参评)及营养状态Tab.5 Water quality category(total nitrogen not included) and nutrition status of Bali Lake in 2020

表6 八里湖底栖动物种类名录Tab.6 Species list of benthos of Bali Lake

2.3 大型底栖动物密度及生物量

春季，八里湖底栖动物密度为32～2 432 ind./m2，平均密度1 712 ind./m2，其中颤蚓科的平均密度达到1 028 ind./m2(1 000～5 000为中污染)，根据Wright生物指数的评价标准[12]可知，八里湖为中度污染状态。生物量为2.186～13.507 g/m2，平均生物量为7.196 g/m2。

秋季，八里湖底栖动物密度为480～3 424 ind./m2，平均密度为2 112 ind./m2，其中颤蚓科的平均密度为556 ind./m2(100～999为轻污染)，根据Wright生物指数的评价标准可知，八里湖为轻度污染状态。生物量为1.024～6.752 g/m2，平均生物量为3.328 g/m2。

密度表现为秋季高于春季，生物量则春季高于秋季，但差异性均不显著(P值均大于0.05)。春季生物量的主要贡献者为软体动物门的河蚬和环棱螺属。八里湖春季和秋季的底栖动物密度和生物量变化如图2～5所示。春季和秋季的密度、生物量对比箱线图如图6～7所示。

2.4 大型底栖动物优势种及Shannon-Wiener多样性指数

春季，八里湖优势种(Y≥0.02)主要为管水蚓属(Aulodrilussp.)、水丝蚓属(Limnodrilussp.)、巨毛水丝蚓(Limnodrilusgrandisetosus)、长足摇蚊属(Tanypussp.)和裸须摇蚊属(Propsilocerussp.)，均为耐污种。Shannon-Wiener多样性指数H值为2.68，即水质状况为轻度污染。

根据分区的优势度和Shannon-Wiener多样性指数H计算结果可知，湖口区的绝对优势种为管水蚓属(Y=0.48)，H值为2.08(轻度污染)；湖心区的绝对优势种为水丝蚓属(Y=0.28)，H值为2.44(轻度污染)；湖湾区的绝对优势种为长足摇蚊属(Y=0.30)，H值为2.43(轻度污染)。

秋季，优势种(优势度Y≥0.02)主要为管水蚓属(Aulodrilussp.)、水丝蚓属(Limnodrilussp.)和长足摇蚊属(Tanypussp.)，也均为耐缺氧和喜有机质的耐污种。Shannon-Wiener多样性指数H值为1.42，即水质状况为中度污染。同理，湖口区的绝对优势种为长足摇蚊属(Y=0.73)，H值为1.48(中度污染)；湖心区的绝对优势种为长足摇蚊属(Y=0.76)，H值为1.23(中度污染)；湖湾区的绝对优势种为长足摇蚊属(Y=0.66)，H值为1.46(中度污染)。

由单因素方差分析可知，湖口区、湖心区和湖湾区与全湖的Shannon-Wiener多样性指数H差异性均不显著，说明群落结构相对稳定。

2.5 大型底栖动物群落结构与环境因子关系

根据八里湖底栖动物密度和水体理化因子数据主成分分析结果，应采用冗余分析(RDA)探究底栖动物群落结构与环境因子的关系，其中轴1和轴2的解释率分别为83.31%和14.76%。各水体理化因子与八里湖底栖动物密度关系如表7所示，其中NO3-N(P=0.02，F=6.0)、溶解氧(P=0.028，F=7.3)和NH4-N(P=0.038，F=6.7)与底栖动物群落结构显著相关。此外，根据RDA结果(见图8)可知，底栖动物中节肢动物门类与TN成正相关，和NO3-N、NH4-N呈显著正相关，与其他理化因子呈负相关；而软体动物门和环节动物门与叶绿素a、TP和高锰酸盐指数呈正相关，与其他理化因子呈负相关。

表7 理化指标冗余分析结果Tab.7 Redundant analysis results of physical and chemical indices

2.6 生物指数BI和BMWP指数

(1) 生物指数BI。基于BI生物指数(见表8)可知，春季和秋季八里湖BI生物指数的平均值分别为7.56和7.11，根据《湖库水生态环境质量监测与评价技术指南》可知，春季和秋季八里湖水质状况均为轻度污染状态。

表8 八里湖春季和秋季BI生物指数Tab.8 Biological index of Bali Lake in spring and autumn

(2) BMWP指数。基于BMWP指数(见表9)可知，春季和秋季八里湖BMWP指数的平均值分别为12.5和7.1，根据《湖库水生态环境质量监测与评价技术指南》可知，春季八里湖水质状况为中度污染状态；秋季八里湖水质状况为重度污染状态，即春季水质状况要优于秋季。

表9 八里湖春季和秋季BMWP指数Tab.9 BMWP index of Bali Lake in spring and autumn

3 讨 论

3.1 大型底栖动物群落结构特征及演变规律

本次调查结果表明，八里湖大型底栖动物群落结构以耐污种类的颤蚓属和摇蚊幼虫为主，种类数较少，物种多样性较低，群落结构趋于简单化并呈现出单一化的趋势；底栖动物密度秋季高于春季，而生物量则春季高于秋季，但差异性均不显著，其中生物量贡献量最大的是河蚬和环棱螺属，而环棱螺属的耐污能力较强，对污染敏感度较低，能栖息于多污性和中污性水体[13]。

因不同湖区承载的环境压力、捕捞和养殖压力等人类活动的差异，造成不同区域底栖动物空间异质性[14]。但本次研究结果表明，湖口区、湖心区和湖湾区与全湖的Shannon-Wiener多样性指数H差异性均不显著，说明群落结构相对较稳定。

八里湖为城中湖，随着城市工业化的快速发展以及人类活动的强烈干扰，使得湖泊周边生境发生改变，以硬化的河道为主，湖泊的自净能力降低，进而影响到了底栖动物的生存环境，致使水体中的优势种呈现出以耐污种寡毛纲的颤蚓属和昆虫纲的摇蚊幼虫存在，其他种类显著减少。这也与李朝[15]、蔡永久[16]、王琴[17]等人对城市湖泊大型底栖动物群落结构的研究结果类似。

有研究表明：城市污染排放加剧、湖泊底泥污染负荷持续升高等导致水生生物多样性下降，群落结构趋于简单化并呈现出退化趋势，这可能主要与水体富营养化和底质等因素有关[17]。富营养化显著改变底栖动物栖息的理化环境，如溶解氧、有机质、沉积物等，生活在其中的底栖动物优势种从大个体的种类(螺类、蚌类)转变为小个体的种类(寡毛类和摇蚊幼虫)，底栖动物多样性显著降低，而八里湖春季和秋季分别为轻度富营养和中度富营养状态，可见随着富营养化程度的加重，Shannon-Wiener多样性指数H也由2.68降低为1.42，即物种多样性显著降低，也与李娣[18]等的研究结果保持一致。底质也是影响大型底栖动物群落结构的一个重要因素，八里湖底质的主要构成是淤泥，有研究也表明一般粒径较小的淤泥类底质，有机质较为丰富，也有利于水栖寡毛类如颤蚓科的生存[15]，而八里湖春季的颤蚓科平均密度均大于1 000 ind./m2，实验结果也与研究观点趋于一致。

由表10可知：朱利明[19]等研究淀山湖大型底栖动物群落结构与环境因子的关系时共获得底栖动物47种，优势种以河蚬为主，但更多仍以栖息密度较高的寡毛类和摇蚊类(耐污种)为主；陈文猛[20]等对邵伯湖6个采样点位调查共记录底栖动物16种，优势种为苏氏尾鳃蚓、霍甫水丝蚓、红裸须摇蚊和环棱螺属，仍为中等耐污种；邹亮华[21]等对鄱阳湖133个采样点位调查共记录底栖动物48种，优势种为河蚬、铜锈环棱螺和大沼螺； Cai 等[22]研究太湖底栖动物群落结构特征共记录底栖动物23种，优势种为霍甫水丝蚓(中等污染水体指示生物)、苏氏尾鳃蚓和铜锈环棱螺。通过比较分析发现，八里湖与其他同类型湖泊大型底栖动物的群落组成、优势种组成基本相似，群落组成单一化，物种数较少，清洁指示物种基本不存在，优势种均以寡毛纲的水丝蚓和摇蚊幼虫等为主，类比结果说明八里湖水质状况较差，水体污染较严重，也与全年八里湖水质类别为Ⅴ类情况一致。

表10 不同湖泊大型底栖动物群落结构特征Tab.10 Community characteristics of macrobenthos in different lakes

3.2 大型底栖动物与环境因子的关系

朱利明[19]等认为溶解氧是影响寡毛类分布的主要因素，张雷[23]等认为温度、总氮、氨氮等也对大型底栖动物的群落分布有一定影响。

根据八里湖底栖动物密度和水体理化因子冗余分析结果可知，与底栖动物群落结构相关的主要环境因子为NO3-N、溶解氧和NH4-N，其中节肢动物门类与TN呈正相关关系，与NO3-N和NH4-N呈显著正相关关系，与其他理化因子呈负相关关系；而软体动物门和环节动物门与叶绿素a、TP和高锰酸盐指数呈正相关关系，与其他理化因子呈负相关关系。环节动物门中的颤蚓属和摇蚊幼虫等耐污种通常在营养水平高的水体中成为优势种，而软体动物的数量会随着营养水平的升高有下降趋势[19]。本次研究中，八里湖的优势种主要为管水蚓属、水丝蚓属和长足摇蚊属等这类耐污能力较强的物种，并且其密度随着富营养化水平的提高而增加，这与八里湖的的营养状况也基本保持一致。

3.3 大型底栖动物的水质生物学评价

利用Shannon-Wiener多样性指数、BI生物指数和BMWP指数对八里湖的水质进行了生物学评价，结果如表11所列。

表11 八里湖底栖动物水质生物学评价Tab.11 Bioassessment of water quality in Bali Lake using zoobenthos

由3种生物指数的评价结果可知，春季Shannon-Wiener多样性指数H值为2.68，轻度污染；生物指数BI为7.56，轻度污染；BMWP指数为12.5，中度污染；水质类别为Ⅴ类，轻度富营养水平，即生物学评价与水质类别基本一致。秋季Shannon-Wiener多样性指数H值为1.42，中度污染；生物指数BI为7.11，轻度污染；BMWP指数为7.1，重度污染；水质类别为劣Ⅴ类，中度富营养水平，即生物学评价与水质类别评价也较为一致。

本文选择Shannon-Wiener指数、生物指数BI和BMWP指数对八里湖水质进行评价，结果表明BMWP指数指示的污染程度稍高于Shannon-Wiener指数和BI生物指数的评价结果，但也有研究表明各种指数的评价结果会存在不一致的情况，如吴召仕等[24]对太湖流域的生物学评价结果，本文与此类似。故经综合评判，本文中3种生物指数方法评价八里湖处于轻度污染-重度污染状态。

4 结 论

八里湖共记录大型底栖动物3门5纲8科13属16种，种类数较少，其群落结构以耐污种类的颤蚓属和摇蚊幼虫为主，物种多样性较低，群落结构趋于简单化并呈现出单一化的趋势。

底栖动物的密度和生物量也随季节和空间而变化，即密度秋季高于春季，生物量则春季高于秋季，但差异性不显著；湖口区、湖心区和湖湾区与全湖的Shannon-Wiener多样性指数H差异性也不显著，也说明群落结构相对稳定。

八里湖底栖动物密度随富营养化水平即氮营养元素的增加而呈现升高趋势，与其他理化因子也具有一定的相关关系。

底栖动物水质生物学评价结果表明八里湖处于轻度污染-重度污染状态，种类趋于单一化，优势种以耐污性种类为主(颤蚓科密度超过1 000 ind./m2)，即八里湖整体水质状况不容乐观，全年处于Ⅴ类水平。主要原因可能是城镇化发展导致水质污染以及湖泊早期规模化养殖等加剧了八里湖底栖动物退化。

八里湖作为城市湖泊，现已被开发为4A级风景区，在发展旅游业的同时也需继续秉承“绿水青山就是金山银山”的生态环境保护理念。针对目前八里湖的富营养化状况以及底栖动物水质生物学评价状况，需引起高度重视。① 可通过治污、截污来减少污水入湖量，降低湖中总氮、总磷含量；② 建立湖泊水生态环境健康体系，尤其是十里河、濂溪河和沙河的来水最终都进入八里湖，应加强这三条河流的森林植被建设和维护，结合农村污染综合治理，实现清水入湖；③ 初步建议可通过种植大型水生植物或合理投饵养殖实现水体的良好流通交换以逐步缓慢实现湖泊的自动调节能力。