1 引言(Introduction)

河流是重要的自然生态系统之一, 在人类社会的发展中起着非常重要的作用(Fan et al., 2015).但随着城市的现代化建设, 加剧了水生态环境的恶化, 河流健康问题越来越严重.而小河流的生态系统健康往往被忽视, 但小河流的健康又直接影响和决定着大江大河的生态系统健康(王兰兰, 2017).因此, 研究小河流的健康状况具有重要的意义.

大型底栖动物是河流食物链的重要组成部分, 对河流生态系统的物质循环和能量流动起着不可估量的作用, 且能够敏锐的感知水生生态系统的环境变化并在群落组成和分布上做出相应的反应, 适宜作为河流健康评价的指示生物(Karr, 1999；Bonada et al., 2006).而我国利用底栖动物群落结构对河流水质进行评价主要集中在黄河、淮河、珠江以及长江中下游等大流域, 如顾晓昀等(2017)研究了北运河水系；王丑明等(2016)研究了洞庭湖流域；赵瑞等(2019)研究了广西北江流域；张宇航等(2019)研究了永定河流域；王昱等(2020)研究了黑河流域；王硕等(2018)研究了漓江流域；郭洁等(2018)研究了松花江流域.在中小河流的研究中利用甚少, 特别是涉及长江中上游及其支流的研究(苏华武等, 2008；江晶等, 2009；成豪, 2015).相比于大型河流, 中小型河流具有数量多、流域尺度小、与人类生活联系更紧密、生态环境脆弱、数据资料缺乏等特点(王兰兰, 2017).因此, 对中小型河流的水质评估对大流域的管理尤为重要.

对于中小型河流, 仅利用水质对其评价不能反映河流实际情况.指示物种法是一种常见的河流健康评价方法(王备新, 2003；王敏等, 2012), 其评价过程简便, 评价结果灵敏, 是一种较优的快速评价法.而对于我国大江大河的健康评价常常运用单一指示物种法, 如Shannon-Wiener多样性指数(Frey, 1977)、耐污值法(赵瑞, 2019)或FBI科级生物指数(刘林峰等, 2018)等, 使用单一的方法很难满足精度的问题, 且同时采用多种评价方法进行比较的研究相对较少, 仅顾晓昀等利用Berger-Parker优势度指数法、底栖动物BI指数和综合水质标识指数法对比评价了北京市北运河水系健康(顾晓昀等, 2017).因此, 以大型底栖动物为指示物种, 利用多种方法对中小河流的健康状态进行比较评价能更准确的表征河流的健康状态.

基于此, 本文选取长江一级支流桥边河为研究对象, 分析大型底栖动物在时间和空间上的群落结构分布特征, 基于大型底栖动物利用多种评价方法来评价河流的健康状况, 以期为桥边河流域水质生物评价提供理论依据, 从而深入了解桥边河流域生态系统的健康状况, 为保护长江生境提供新的思路.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 研究区域

桥边河位于长江中游下段, 系长江右岸的一级支流.桥边河主河道长40 km, 流域面积295 km².发源于点军与长阳交界的土城红岩湾, 流经土城乡、桥边镇、点军街道3个乡镇街道和电子信息产业园, 于点军区点军街道朱市街社区注入长江.流域总体为中低山区与江汉盆地过渡带, 地势为西北高东南低, 流域内山势平缓, 最高海拔为1168 m, 最低海拔为55 m, 高差1113 m.桥边河属山溪性河流, 河流弯曲系数1.6, 主要支流包括三涧溪和长岭河等支流.桥边河流域处北半球亚热带暖湿季风气候区, 水文气象要素呈明显的垂直分布, 形成了一种同流域而不同气候的特定环境.

本研究于2019年1月(枯水期)和2019年8月(丰水期)分别对桥边河流域进行了采样, 根据研究区域特点, 沿桥边河流域源头至入江口共设置8个采样点, 基本覆盖整个流域内的生境特点, 主要包括S1位于桥边河源头较窄处, 约2 m宽, 有车溪自然保护风景区, 属于自然河段, 底质以大卵石为主；S2位于土城乡上游, 有王家坝水库汇入, 底质以卵石和砾石为主, S3位于土城乡下游, 属于农村地区, 河道变宽, 约3 m, 碎石较多；S4样点位于其支流三涧溪入河口下游, 河边有较多树木, 河面逐渐加宽约5 m, 石块较多；S5样点位于桥边镇上游, 水流较急, 底质以沙石为主；S6位于桥边镇下游, 两岸杂草较少, 水流较缓, 底质以沙石为主, 居住人口较密；S7位于支流长岭河入河口, 岸边杂草较多, 以石块和碎石为主；S8位于桥边河入江口, 地势平缓, 具体采样点分布见图 1.

2.2 大型底栖动物采集

在以所选采样点为中心、50 m为半径的圆形区域内, 采用索伯网(网径40目)进行底栖动物样品采集, 选择不同生境类型的采样断面收集3个平行样品, 将采集到的泥样利用网筛筛洗, 并转入白瓷盘中.现场利用人工挑拣的方法, 将肉眼可见的底栖动物样品转入200 mL的广口塑料瓶中, 并加入75%的酒精溶液保存待检.转入实验室后, 依据相关的文献资料(Brinkhurst et al., 1971；刘月英等, 1979；Morse et al., 1994), 在显微镜或解剖镜下进行分类和计数, 样品鉴定到种.

2.3 统计分析方法 2.3.1 大型底栖动物分布特征计算方法

① Shannon-Wiener多样性指数：

(1)

② FBI指数：

(2)

式中, n_i为第i种的总个体数, t_i为第i种的耐污值, N为群落中所有物种的个体总数, S为总种类数.

③ 优势度计算公式：

(3)

式中, f_i为第i种底栖动物在各采样点出现的次数, 其余同上.当Y≥0.02时, 物种为优势种(刘艳, 2019).

2.3.2 底栖动物耐污值计算

耐污值(TV, Tolerance value)是指生物对污染因子的忍耐力.根据相关文献(赵瑞, 2015)介绍的方法进行耐污值的计算.一般以0~10表示, 耐污值越高, 表明生物的耐污能力越强；越低, 则越敏感.耐污值的高低同时也反映了生物对水环境污染的敏感性.根据底栖动物耐污值的高低, 将底栖动物分成3类：TV≤3为敏感类群；3~7为中间类群；TV≥7为耐污类群.

3 结果(Results) 3.1 大型底栖动物群落结构

2019年1月(枯水期)和2019年8月(丰水期)两次调查共采集到底栖动物584个, 隶属于3门6纲13目28种, 详细的桥边河大型底栖动物组成见表 1.其中昆虫纲种类最多, 占总物种数的32.14%, 其次为腹足纲和甲壳纲, 分别占总物种数的28.57%和21.43%.

1月共采获并鉴定大型底栖动物17个分类单元, 283个, 隶属于2门4纲, 其中昆虫纲6种, 占比为35.29%, 主要由毛翅目、双翅目和蜉蝣目构成, 分别占昆虫纲个数的33.33%、25%和25%；腹足纲5种, 占比29.41%；甲壳纲4种, 占比23.52%；双壳纲2种, 占比11.76%.昆虫纲和甲壳纲种数占总种数的58.81%, 二者构成了桥边河流域冬季底栖动物的主要类群.夏季共采获并鉴定大型底栖动物301个，共16个分类单元, 隶属于3门6纲, 其中昆虫纲4种, 占比25%；甲壳纲3种, 占比18.75%；腹足纲5种, 占比为31.25%；双壳纲2种, 占比6.25%；寡毛纲和蛭纲都为1种, 占比6.25%.与1月相比, 8月底栖动物种类增加.枯水期优势类群为昆虫纲；丰水期则为腹足纲, 但昆虫纲也占主要类群.详细的桥边河流域底栖动物物种组成见图 2.

通过分析两次采样的实验鉴定结果, 桥边河流域底栖动物河蚬和谭氏泥蟹出现频次最高, 根据优势度的计算方法、优势种的确定可知, 桥边河流域的优势物种在不同的季节差异明显, 枯水期和丰水期季节出现的优势物种不一样, 并且同一优势种在不同的季节的优势度也有差别.

枯水期的优势种有双壳纲的河蚬(Y=5.15)、圆顶珠蚌(Y=0.15), 甲壳纲的谭氏泥蟹(Y=0.13), 腹足纲的方格短沟蜷(Y=0.65)、梨形环棱螺(Y=0.31)和耳萝卜螺(Y=0.03), 昆虫纲的纹石蛾(Y=0.03)和细蜉科(Y=0.02), 优势度大于0.001的物种为12种.丰水期的优势物种有双壳纲的河蚬(Y=2.06), 甲壳纲的谭氏泥蟹(Y=0.26)和日本沼虾(Y=0.80), 腹足纲的方格短沟蜷(Y=0.36)、梨形环棱螺(Y=0.76)和扁旋螺(Y=0.04), 昆虫纲的蟌科稚虫(Y=0.04)优势度大于0.001的物种为13种.其中2个季节共有的物种有河蚬、谭氏泥蟹和方格短沟蜷3种, 河蚬和方格短沟蜷优势度为枯水期高于丰水期, 谭氏泥蟹则相反.

3.2 水质生物评价 3.2.1 Shannon-Wiener多样性指数分析

应用Shannon-Wiener多样性指数(Shannon, 1948)分析桥边河大型底栖动物群落特征.比较桥边河流域8个采样点的底栖动物群落多样性平均值(图 3), 枯水期(1月)的底栖动物群落多样性为0.42~1.31, 其中最高的是S7(H=1.31), 其次是S5(H=1.09)和S1(H=1.05).最低的是S4, 该采样点的平均多样性指数仅有0.42.在丰水期(8月)的采样中, 底栖动物群落多样性为0.75~1.57, 其中最高的是S2(H=1.57), 其次是S4(H=1.38)以及S7(H=1.22), 最低的是S8(H=0.75).枯水期和丰水期两季的底栖动物多样性差异表明, 其中多样性指数差异最为显著的是S4, S1处的底栖动物群落多样性几乎一样.整体来说, 在枯水期, 桥边河的Shannon-Wiener指数上中游段变化幅度较小, 且均略小于下游段.而在丰水期, Shannon-Wiener指数是上游段>中游段>下游段, 与枯水期差别较大.

该指数不仅可以直观表征底栖动物群落的复杂程度以及稳定性, 还可用于水质评价及河流生态健康评估.根据参考我国已有的多样性指数水质级别划分标准：H≥3, 清洁；H≥2, 轻污染：H≥1, 中污染；0＜H＜1, 重污染；H=0, 严重污染.可知桥边河水质评价结果均为中污-重污.

为探明桥边河的河流健康状况, 利用Arc GIS 10.2对桥边河水质健康评价结果进行反距离插值运算.得到河流健康指数在整个流域上的空间分布状况, 插值运算结果见图 4.

3.2.2 耐污值法

根据耐污值的计算方法, 通过对不同水质级别赋分, 丰富度和个体数之间的转换, 平均丰富度值的累积百分位数计算和物种出现频次统计后, 分别计算桥边河流域底栖动物的枯水期和丰水期的耐污值, 其中包括枯水期的17种主要底栖动物类群和丰水期的16种主要底栖动物类群的耐污值, 如表 2所示.

在桥边河流域底栖动物耐污值研究中, 除上述统计的耐污值的种类外, 其余的属种由于出现的频次小于5次而无法统计.因此, 表中所列出的底栖动物的种类就是桥边河流域的底栖动物的优势类群.也可看出, 流域内底栖动物的种类虽然较多, 但是优势种却比较集中.在表 2中, 耐污群种(TV≥7)基本没有, 耐污值基本都在2.5~6.5左右.耐污值较高的类群有双壳纲的河蚬(5.5~6.5), 一般耐污类群有腹足纲的梨形环棱螺(4.78)和方格短沟蜷(4.72), 敏感类群的有甲壳纲的谭氏泥蟹(2.29~3.32).

底栖动物对环境的变化非常敏感, 一旦水体受到污染, 底栖动物的群落结构和多样性也将会受到影响(Mandaville, 2002).桥边河上游地区主要有蜉蝣科幼虫以及水生甲壳虫的幼虫等一些敏感类群和蟹类, 多分布在清洁水体；中游主要分布有河蚬、方格短沟蜷和梨形环棱螺等半耐污物种, 多分布在中污染区；下游除了有以上物种, 还出现肺螺类、水丝蚓等强耐污种, 一般分布在污染较严重的区域.可知, 桥边河水质状况为上游最好, 其次是中间, 最差的是下游.对耐污值法计算结果进行单项插值运算, 得到的插值结果如图 5所示.

3.2.3 FBI科级生物指数

采用FBI科级生物指数(刘林峰等, 2018)进行水质生物评价.参考我国已有的多样性指数水质级别划分标准, 其评价标准为：0~3.75极清洁(Ⅰ)；3.76~4.25很清洁(Ⅱ)；4.26~5.00清洁(Ⅲ)；5.01~5.75一般(Ⅳ)；5.76~6.50轻污染(Ⅴ)；6.51~7.25污染(Ⅵ)；7.26~10.00严重污染(Ⅶ).对桥边河丰枯期不同河段进行水质生物评价, 其结果如表 3所示.对FBI指数结果进行单项插值运算, 得到的插值结果如图 6所示.

评价结果表明桥边河的FBI指数在丰水期和枯水期均是上游段 < 中游段 < 下游段, 水质状况均表现为上游情况最好, 下游较差, 且丰水期的水质状况整体比枯水期好.其中枯水期上游段FBI指数评价结果达到一般污染, 与丰水期差别较大, 丰水期上游段水质达到清洁水平；枯水期下游水质达到轻度污染, 而在丰水期下游评价结果为一般污染；两个时段中游均为一般污染, 但枯水期的FBI指数略大于丰水期.综上, 3种评价方法最终评价结果见表 4.

4 讨论(Discussion) 4.1 桥边河底栖动物群落结构特征

桥边河是长江的支流之一, 丰水期和枯水期的流量变化明显, 而底栖动物群落结构沿程的变化主要受物理条件如底质、水深、流速等；水化学条件如水温、溶解氧等以及生物条件如水生植物等影响(贺玉晓等, 2019).本文对枯水期和丰水期两次8个不同的点位的底栖动物进行采集并分析, 底栖动物的种类和多样性出现季节性差异, 但并不显著.本次研究中, 种类数表现为丰水期>枯水期, 这表明桥边河丰水期的生境条件(如流量、水温、底质等)可能更有利于这些种群的生长和繁殖.这与广西贝江(赵瑞, 2019)底栖动物季节变化特点一致.有相关文献表明底栖动物群落结构的变化也会受水环境因子的影响(孟云飞等, 2019), 桥边河丰水期底栖动物的种类数量变化可能与夏季水温升高有关.而沉积环境的异质性、食物来源和底栖动物自身繁殖等多种因素都影响着生物的分布(Clark, 1994), 要真正了解桥边河流域底栖动物的群落演替动态, 需要进行连续多次的采样调查并进行分析.而两次主要差异在于丰水期多了寡毛纲和蛭纲两个种类, 而有研究表明这两种物种一般喜欢生活在污染较严重的水域中, 耐污能力较强, 也是水质污染程度的重要指示物种(吴召仕等, 2011).这可能是因为丰水期水量大, 流速也较大, 而下游入江口底质主要以淤泥为主, 使得水中杂质难以沉淀, 水质变差, 局部出现耐污群种.通过图 3发现不同时期多样性指数存在明显差异, 三涧溪最为显著, 这可能与三涧溪枯水期和丰水期河流径流量差别较大有关.

桥边河敏感类群蜉蝣目主要分布在靠近源头上游处, 其原因可能是源头无大的集中城镇, 并有1处生态敏感区王家坝水库饮用水源保护区, 虽然上游段也有1处三峡车溪土家族民俗旅游区, 但上游段均处在红线区, 保护较好, 则外源污染较少, 因此上游源头底栖动物多为敏感类群.而水丝蚓等耐污种类群主要分布中下游, 且下游出现强耐污群种, 其影响因素可能是中下游桥边镇以及点军区居住人口加多, 分析发现桥边镇附近有大片农田和一定规模的畜牧业, 并在附近发现少量废弃农药瓶, 在施肥过程中, 大量含氮、磷的猪粪沼泽液体流入河道内, 导致水体污染严重.下游入江口位置, 附近有大量居民, 流域内还有集中工业园区, 区域污水处理强度不够, 加之沿岸城镇生活污水汇入, 上游污染物随河流输移在下游堆积, 点军街办段又处于平原区河流, 河道内流速缓慢, 导致下游污染物聚集(李柏山, 2013), TP、CODMn和TN浓度均增高, 这与潘超(2018)的研究一致, 而这易造成水体缺氧和富营养化(李晋鹏等, 2018), 使得群落结构以耐污群种为主.

4.2 水质生物学评价

根据宜昌市水利局和环保局对桥边河S2(王家坝水库入河口)、S7(长岭河入河口)、S8(桥边河入江口)进行全年水质因子(pH、水温、溶解氧、电导率、浊度、氨氮、COD_Mn、总磷、叶绿素)变化检测, 并按照GB 3838—2002《地表水环境质量标准》对桥边河流域健康状况进行评价(http://61.136.146.170:7070/page/index.html?ap=3), 1月和8月评价结果见表 5.枯水期桥边河1月监测点S7和S8健康状况较差, 均为劣Ⅴ类水, S2健康状况较好, 为Ⅰ类水；8月全流域健康状况较好, 健康评价结果均为Ⅱ类水.

而本研究采用、耐污值法和FBI对桥边河流域水质状况进行评价, 评价结果存在差异, Shannon-Wiener多样性指数评价结果表明水质状况大多属于中污-重污；耐污值法结果表明水质从上游到下游逐渐变差, 属于轻污-中污；FBI评价结果表明桥边河流域整体水质状况清洁-轻污.而这3类指数评价结果中, 与实际水质状况相比可见, FBI评价结果最精准, 且有文献表明Shannon-Wiener指数反映水质污染实际状况不够精确, 忽视了不同种类对污染的忍耐能力和敏感性差异, 该研究结果也和前人已有研究一致(吴东浩等, 2011；王丑明, 2016；顾晓昀等, 2017)；耐污值法由于计算得到的耐污种在底栖动物群落中占据一定优势, 该结果与通过底栖动物群落结构的变化特征推断得到的水质状况基本一致.本研究基于FBI科级生物指数的水质生物学评价结果表明, 桥边河水生态质量从上游到下游逐渐下降, 且丰水期质量相比枯水期整体好.桥边河上游人口较少, 无集中城镇, 中下游区域人口聚集, 加之下游工业园区的影响, 环境相对较差.桥边河水体污染主要应考虑点源污染, 由于枯水期地表径流较少, 工业园区、污水处理厂以及生活污水排入, 外加上人为因素干扰, 大量污水进入水体, 来水流量小难以稀释污水且水体自净能力较差, 而丰水期流量和流速均较大, 所以导致丰水期的水质优于枯水期.中小河流在枯水期会有河道断流的环境问题, 这将导致利用大型底栖动物指示物种法进行河流健康评价的结果有所偏差.因此, 在枯水期, 针对中小河流健康评价工作, 为了更能体现河流实际情况, 应考虑多个指标, 并通过指标权重进行计算.而丰水期, 利用底栖动物指示物种法评价过程简单, 评价结果更准确.

5 结论(Conclusions)

1) 2019年1月(枯水期)和2019年8月(丰水期)两次调查共采集到底栖动物584个, 隶属于3门6纲13目28种.不同时期采集的底栖动物的群落有差别, 但没有显著差异.

2) 利用底栖动物评价水生态状况, Shannon-Wiener指数法、耐污值法和FBI科级生物指数法评价结果对比显示, 耐污值法和FBI指数法较优于Shannon-Wiener指数法, 能考虑不同种类对污染的忍耐能力和敏感性差异, 可以很好的规避其缺点.而FBI指数法和耐污值法的评价结果相差不大, 但与流域水质实际情况对比, FBI指数法操作过程简单, 结果灵敏, 建议今后的中小河流健康评价工作多利用大型底栖动物指示物种法的时候多考虑FBI指数.

3) 该河流的的物种和生物多样性也可以作为我国低级河流的本底值, 为评价长江中上游及其支流的研究提供背景参考.