基于底棲動物的水質生物學評價
——以江蘇駱馬湖為例

張慶吉，王金東，王明明，蔡永久，龔志軍，秦伯強*

(1.南京大學地理與海洋科學學院，江蘇 南京 210023；2.中國科學院南京地理與湖泊研究所，湖泊與環境國家重點實驗室，江蘇 南京 210008；3.江蘇省駱運水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800；4.宿遷市水利局，江蘇 宿遷 223800)

城市化和工業的快速發展使得湖泊水環境受到嚴重威脅，水體富營養化成為湖泊水環境問題的焦點[1-3]。駱馬湖(34°0′—34°14′ N、118°6′—118°16′ E)位于江蘇省北部，為宿遷、新沂兩市共轄，地處徐連經濟帶中部，與連云港、徐州、淮陰等大中城市較近，交通便捷，區位優勢明顯[4]。作為淮河流域第三大湖泊、江蘇省第四大湖泊[5]，同時還是國家南水北調東線輸水工程的主要調節湖泊之一[4-5]，其水環境質量對調水用水安全和生態健康具有重要影響。對駱馬湖進行的水質監測和生物學評價的歷史研究表明，20世紀以來駱馬湖水環境變化較大[6]，尤其是近十年的人類活動對水環境存在較大干擾。

底棲動物影響著水生態系統中營養物質的分解與循環，對環境變化反應敏感[7]。同時，底棲動物種類繁多，對水質污染的反應范圍廣，生活場所固定，生活周期長，能夠反映較長一段時間內水體狀況[8]。并且底棲動物群落中不同物種對環境變化的敏感性差異較大，群落組成與結構往往受水質影響發生變化，因此被廣泛應用于生物監測和水質評價。2014年以來，駱馬湖經歷了采砂、圍網養殖、調水等影響，湖泊水環境與水生態系統可能出現更多的不確定性[9-12]?，F利用2018年1—11月底棲動物和水質逐月監測數據，對駱馬湖水環境狀況進行分析，以期為駱馬湖生態環境保護與管理提供科學支撐。

1 研究方法

1.1 采樣時間

2018年1—11月。

1.2 采樣點位

根據駱馬湖的形態、圍網養殖、采砂和水生植被分布以及出湖入湖河流等情況共設置10個監測點位，分別為北部湖區5個點位(LM1、LM2、LM4、LM5、LM8)，南部湖區5個點位(LM3、LM6、LM7、LM9、LM10)，具體采樣點位示意見圖1。

圖1 駱馬湖采樣點位分布示意

1.3 樣品采集、處理與分析

底棲動物樣品采集用面積為1/20 m2的改良彼得森采泥器，每個樣點采集3次，采用網孔徑為0.45 mm尼龍篩網進行洗滌，剩余物帶回實驗室進行分樣。將洗凈的樣品置入白色盤中，加入清水，利用尖嘴鑷、吸管、毛筆、放大鏡等工具進行挑揀工作。挑揀出的各類動物，分別放入已裝好固定液的50 mL塑料瓶中，直到采樣點采集到的標本全部檢完，標本投入7%福爾馬林中固定。把每個采樣點所采到的底棲動物按不同種類準確統計個體數，根據采樣器的開口面積推算出1 m2內的底棲動物數量，包括每種的數量和總數量，樣品稱重獲得的結果換算為1 m2面積上的生物量(g/m2)。絕大部分物種鑒定到種，少數種類鑒定至屬或更高的分類單元[13-15]。

水溫、pH值、溶解氧(DO)和電導率(EC)等水質指標由6600 EDS型多參數水質監測儀(美國YSI公司)現場測定；水深和透明度分別利用SM-5A聲吶測深儀(美國Speedtech公司)和SD20塞氏盤(中國普利特儀器公司)現場測定；總氮(TN)采用《水質 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(GB 11894—89)；總磷(TP)采用《水質 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》(GB 11893—89)；高錳酸鹽指數(CODMn)采用《水質 高錳酸鹽指數的測定》(GB 11892—89)；氟離子(F-)采用《水質 氟化物的測定》(GB 7484—1987)；樣品保存參考《水與廢水監測分析方法》(第四版)[16]。

1.4 數據處理與分析

采用相對重要性指數確定優勢種，該指數的計算將每種生物的個體質量、密度及出現頻率均考慮在內，能夠較為全面地反映出每種生物在整個群落中的地位，其計算公式為：

IIRI=(Wi+Ni)×fi

(1)

式中：IIRI——相對重要性指數;Wi——物種i的生物量占各采樣點大型底棲動物總生物量的百分比；Ni——物種i的密度占各采樣點總密度的百分比[17]；fi——物種i在采樣點出現的相對頻率。

采用Goodnight指數(GBI)、生物學污染指數(BPI)、Shannon-Wiener指數( H′)幾種生物指數評價駱馬湖營養及污染狀況。計算公式如下：

(2)

式中：N1——寡毛類個體數，個；N——樣品中底棲動物總數[18]，個。

(3)

式中：N1——寡毛類、蛭類和搖蚊幼蟲個體數，個/m2;N2——多毛類、甲殼類、除搖蚊幼蟲以外其他的水生昆蟲個體數，個/m2;N3——軟體動物個體數，個/m2。

(4)

式中：ni——物種i的個體數目，個/m2；N——群落中所有種的個體總數，個。

GBI對應評價標準如下：0.6>GBI，為輕污染；0.6≤GBI≤0.8，為中污染；0.8

BPI對應評價標準如下：BPI<0.1，為水質清潔；0.1≤BPI<0.5，為輕污染；0.5 ≤BPI<1.5，為β-中污染；1.5≤BPI≤5.0，為α-中污染；5.0

H′對應評價標準如下： 0≤H′<1.0，為重污染；1.0≤H′<2.0，為中污染；2.0≤H′≤3.0，為輕度污染；3.0< H′，為無污染。

2 結果與分析

2.1 駱馬湖水體各理化指標變化特征

駱馬湖水體各理化指標變化趨勢見圖2(a)-(h)。由圖2可見，ρ(TN)呈現先下降再升高的趨勢，在8月達到最大值4.96 mg/L，其年均值為2.31 mg/L。ρ(TP)年均值為0.05 mg/L，呈先升高再下降趨勢，與ρ(TN)一樣在8月到達最大值0.15 mg/L。ρ(CODMn)呈現逐漸升高后下降，峰值出現時間與ρ(TN)、ρ(TP)一致，最大值為6.69 mg/L，最小值為3.15 mg/L。ρ(F-)總體呈現下降趨勢，最大值為0.86 mg/L，最小值為0.47 mg/L；與ρ(F-)相反，pH值呈現升高趨勢且年均值為9.37。水溫與EC表現一致，均為先升高再下降趨勢，ρ(DO)與水溫變化趨勢相反。

圖2 2018年駱馬湖水體各理化指標變化趨勢

2.2 底棲動物群落結構

2.2.1 底棲動物種類及優勢種

研究期間共鑒定底棲動物27種，屬7個綱。其中節肢動物種類最多(15種)，以昆蟲綱種類占優，共12種，均為搖蚊幼蟲，占總物種數的48%，甲殼類3種，占比12%；環節動物中寡毛綱3種，占比12%，多毛綱和蛭綱各2種，均占比8%；軟體動物物種數為5種，包括腹足綱3種和雙殼綱2種，分別占比12%和8%。 2018年駱馬湖底棲動物優勢種密度、生物量及優勢度見表1。

表1 2018年駱馬湖底棲動物優勢種密度、生物量及優勢度①

由表1可見，駱馬湖底棲動物密度和生物量被少數種類所主導。昆蟲綱的紅裸須搖蚊、多巴小搖蚊和中國長足搖蚊，寡毛綱的霍甫水絲蚓和蘇氏尾鰓蚓，以及腹足綱的紋沼螺密度較高分別占總密度的29.78%，11.14%，7.23%，23.77%，6.85%和13.99%。由于軟體動物個體較大，銅銹環棱螺占據絕對優勢，占總生物量的43.49%?；舾λz蚓、紅裸須搖蚊、蘇氏尾鰓蚓和多巴小搖蚊的出現頻率最高，分別為66.4%，50.0%，44.5%和40.0%，表明其在全湖廣泛分布。研究期間出現頻率低于10%的物種數有20種，占總物種數的74%。綜合底棲動物的密度、生物量以及各物種的出現率，利用IIRI確定優勢種類，結果表明駱馬湖2018年的底棲動物優勢種主要為紅裸須搖蚊、霍甫水絲蚓、銅銹環棱螺、多巴小搖蚊、蘇氏尾鰓蚓、中國長足搖蚊和紋沼螺。

2.2.2 底棲動物群落時空格局

駱馬湖底棲動物年均生物量和密度空間分布格局見圖3(a)(b)。

圖3 2018年駱馬湖底棲動物年均生物量和密度空間分布格局

由圖3(a)可見，調查期間各點位底棲動物生物量差異較大。年均底棲動物總生物量范圍在1.27～96.63 g/m2，年平均總生物量為24.93 g/m2，最高值出現在南湖區的新沂河附近水域(LM5)，其次是西南水域(LM9)，較低值出現在北部水域(LM8)、六塘河出湖水域(LM7)和北部采砂區(LM2)，表現出明顯的南北差異。

由圖3(b)可見，各點位底棲動物年均總密度范圍為70.3～314.6個/m2，密度平均值為174.5個/m2，密度高值出現在西南水域水生植被區(LM9點位)，而湖心敞水區采砂區邊緣(LM3點位)密度最低。此外除西南水域水生植被區(LM9點位)、運河沿岸帶的采砂區邊緣水域(LM1點位)和北部水域采砂區邊緣(LM8點位)密度超出200個/m2外，其他各點位密度均低于200個/m2。

駱馬湖底棲動物優勢類群密度、生物量季節變化分別見圖4(a)(b)(c)(d)和圖5(a)(b)(c)(d)。由圖4可見，2018年駱馬湖底棲動物總密度在各季節間存在一定波動變化，冬季總密度明顯高于其他季節；昆蟲綱在冬季至初春(1—3月)密度較高，寡毛綱在11月和1—2月的密度略高于其他月份，腹足綱密度的季節變化趨勢不明顯。由圖5可見，寡毛綱冬季生物量較高，昆蟲綱的生物量和總生物量呈現類似的變化趨勢。

圖4 2018年駱馬湖底棲動物優勢類群密度季節變化

圖5 2018年駱馬湖底棲動物優勢類群生物量季節變化

2.3 水質生物學評價

基于2018年1—11月的底棲動物監測數據，計算各點位3種生物學指數得分，見圖6(a)(b)(c)。

圖6 駱馬湖底棲動物水質生物學評價

由圖6(a)可見，GBI指數在10個監測點位中得分介于0.07～0.47，平均值為0.31，最高值出現在LM8點位，但各點位得分均低于0.6，處于輕污染狀態。由圖6(b)可見，BPI指數得分介于0.67～3.22，平均值為1.84，得分最低出現在LM9點位，但各點位指數處于0.5～5.0，處于中污染狀態。由圖6(c)可見，H′指數最低值出現在LM2點位，但各點位得分處于1.0～2.0范圍內，屬于中污染狀態。綜合以上評價結果，表明駱馬湖水體現階段處于中污染狀態。

3 討論

3.1 駱馬湖水體環境因子變化特征

駱馬湖屬于過水性湖泊，水質變化受上游來水的影響較大[19]。湖體ρ(TN)年平均值從2014年的1.20 mg/L上升到2018年的2.32 mg/L，這說明駱馬湖水體營養程度逐漸加深[20]。歷史研究表明，駱馬湖水質數據可通過聚類劃分為南北湖區，北部湖區氮磷濃度高于南部湖區，其原因與入湖污染物以及圍網養殖等因素有關[21]。2017年6月駱馬湖開展圍網拆除工作，而后自2017年7月起ρ(TN)變化幅度較大，2017和2018年的7—9月均明顯升高且北部圍網養殖湖區大于南部湖區[22]。除了ρ(TN)外，ρ(CODMn)、pH值、ρ(DO)相比于2014年均產生明顯變化，ρ(CODMn)明顯升高，這可能是圍網內大量養殖殘餌釋放導致的結果，與淀山湖圍網拆除后出現的水體TN、TP濃度增加的現象一致[23]。F-是駱馬湖采砂活動的重要指標[24]，2015年駱馬湖實行禁止湖區采砂政策后ρ(F-)大幅度下降，由2014年的0.88 mg/L顯著下降到2016年的0.66 mg/L，隨之pH值呈現下降趨勢[22]。本研究結果與上述結果一致。

3.2 基于底棲動物的水質評價

基于底棲動物的生物學評價表明，駱馬湖水生態環境質量同蘇南經濟發達地區的太湖和滆湖相比，駱馬湖寡毛綱密度較滆湖和太湖梅梁灣低，密度均值僅為54個/m2，而滆湖和太湖梅梁灣均值分別達到301和4 617個/m2[25-26]。駱馬湖GBI指數得分顯著低于滆湖和太湖梅梁灣，BPI指數顯著低于滆湖，H′指數則顯著高于后2個湖泊[26]。對比分析結果表明，駱馬湖水質好于滆湖和太湖梅梁灣，這與水質監測結果一致[25-26]。此外，與2014年監測結果相比，2018年駱馬湖H′、GBI指數、寡毛類密度和BPI指數有所上升[20]。BPI指數和H′指數對駱馬湖水質的評價結果均為中度污染，但GBI指數對駱馬湖評價結果為輕度污染。3種生物學水質評價指數在部分點位存在不一致性，相比于2014年駱馬湖底棲動物重度污染的監測結果，LM2點位H′指數明顯上升，說明采砂帶來的底質生境破壞現象有所好轉[20]?，F今駱馬湖雖然因采砂帶來的影響有所緩解，但仍需加強外源污染物的管控力度。

對比各評價指數在駱馬湖內的適用程度，相比于2014年，現今BPI指數或可用于駱馬湖整體區域反映多年水生態變化趨勢，但在局部區域不適用。計算BPI指數本質上是將大型底棲動物按照：耐污種、中度耐污種和敏感種分類成3個水平，3個類群密度經過對數轉換后，耐污種作為分子，中等耐污種和敏感種求和作為分母，求得的比值用來評價水質優劣，相對適用于水質有機污染評價[27]。GBI指數僅關注寡毛類單類群物種密度和總體的比值，LM2點位位于北部主采砂區域，該區域全年未發現寡毛類，只發現了少量的搖蚊幼蟲，因此評價結果數值偏低[18]。早期研究表明，早年間采砂活動改變了底棲動物的生境，使顫蚓類難以生存，致使駱馬湖區使用涉及耐污種密度的生物學評價指數判斷采砂相關區域的水質情況可能會低估實際的污染水平如BPI和GBI指數[20]。隨著歷史采砂區域生境的轉好，底棲動物群落有所恢復但多為耐污物種,BPI可能仍具有評價功能，但GBI指數僅針對于寡毛類評價并不全面，因此GBI指數在全湖內可能不適用。采砂區域的H′指數相比于2014年結果有所升高，主要是底質生境有所恢復的結果但其中多為耐污物種仍然需關注。

2018年駱馬湖底棲動物總密度在各季節間存在一定波動變化，冬季總密度明顯高于其他季節，該變化趨勢主要是由昆蟲綱密度的季節性變化所致。昆蟲綱在1—3月密度較高，寡毛綱在11月和1—2月的密度略高于其他月份，這與該類群生活史周期有關[14]。上述結果說明，底棲動物自身的生活史也會對水質生物學評價結果產生影響。另外調水引起的水文條件變化同樣會引起底棲動物群落的改變，在區位相近的東平湖南和四湖結果表明調水帶來的水文脈沖變化會通過水質、沉積物中的重金屬和水深3個層面影響底棲動物群落結構[28]。需要注意的是，結合底棲動物的歷史數據，耐污能力較強的物種逐漸成為駱馬湖的優勢類群，反映了該湖泊富營養化和污染水平有加劇的趨勢，但同時隨著采砂活動的禁止，相比2014年，駱馬湖底棲環境正處于恢復階段，部分水域水底“荒漠化”現象可能正在改善，但富營養化和污染水平正在提高，湖泊健康水平惡化趨勢明顯。對比作為南水北調東線工程重要的調蓄湖泊以及飲用水源地，防治湖泊富營養化和外源污染的相關工作仍需關注。

4 結論

(1)2018年駱馬湖水體ρ(TN)、ρ(DO)呈現先下降再升高的趨勢；ρ(TN)、ρ(TP)和ρ(CODMn)在8月達到峰值，ρ(CODMn)、ρ(TP)呈先升高后下降趨勢；ρ(F-)呈逐漸下降趨勢，水溫和電導率存在明顯季節變化，pH值是呈逐漸升高趨勢。

(2)2018年駱馬湖底棲動物優勢種為紅裸須搖蚊、霍甫水絲蚓、銅銹環棱螺、多巴小搖蚊、蘇氏尾鰓蚓、中國長足搖蚊和紋沼螺等耐污種。

(3)水質評價結果表明，駱馬湖水體為中污染程度。建議制定湖泊管理政策時應考慮在此區域繼續嚴格實行禁止采砂政策，并持續關注外源營養物質的輸入。

致謝

感謝江蘇省駱運水利工程管理處及陳業協助野外采樣，薛靜琛協助室內樣品分析。