湖泊科学   2017, Vol. 29 Issue (6): 1444-1454.  DOI: 10.18307/2017.0616.
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研究论文

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顾晓昀, 徐宗学, 王汨, 殷旭旺, 刘麟菲, 张欣, 左德鹏, 北运河水系底栖动物群落结构与水环境质量评价. 湖泊科学, 2017, 29(6): 1444-1454. DOI: 10.18307/2017.0616.
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GU Xiaoyun, XU Zongxue, WANG Mi, YIN Xuwang, LIU Linfei, ZHANG Xin, ZUO Depeng. Macroinvertebrates community structure and water quality assessment in the North Canal River Basin, Beijing, China. Journal of Lake Sciences, 2017, 29(6): 1444-1454. DOI: 10.18307/2017.0616.
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基金项目

北京市水生态监测调查与研究项目资助

作者简介

顾晓昀(1992~), 女, 硕士研究生; E-mail:guxiaoyun92@163.com

通信作者

徐宗学, E-mail:zxxu@bnu.edu.cn

文章历史

2016-09-14 收稿
2017-02-07 收修改稿

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北运河水系底栖动物群落结构与水环境质量评价
顾晓昀 1,2, 徐宗学 2, 王汨 1, 殷旭旺 1, 刘麟菲 2, 张欣 1,2, 左德鹏 2     
(1: 大连海洋大学水产与生命学院, 辽宁省水生生物重点实验室, 大连 116023)
(2: 北京师范大学水科学研究院, 水沙科学教育部重点实验室, 北京 100875)
摘要:为全面了解北运河水系的底栖动物群落结构和水环境质量,于2015年5月对北运河水系33个样点的底栖动物和水体理化性质进行了调查,分别采用综合水质标识指数法和底栖动物BI指数法对北运河水系进行水质评价,并通过Kolmogorov-Smirnov检验判断正态性,用Pearson相关分析方法对两种评价结果进行比较和分析.结果表明:北运河水系共采集到底栖动物23种,隶属于3门4纲6目11科11属,以水生昆虫和软体动物为主,整个水系底栖动物群落结构单一;底栖动物BI指数法的评价结果显示,72%的采样点水质为中污染(Ⅳ)或重污染(Ⅴ);综合水质标识指数法的评价结果显示,超过57%的采样点水质为Ⅳ类及以下;根据K-S检验,两组评价得分均符合正态分布;Pearson相关分析显示两种评价结果呈显著正相关.两种评价结果总体上呈现出相同的趋势,均显示北运河水系整体水质状况较差,干流水质状况优于支流,上游水质状况优于下游,温榆河上游、坝河下游、通惠河上游和凉水河的水质状况较差,温榆河源头和坝河上游的水质状况较好.两种评价结果在个别点位存在一定差异,具体表现为基于水体理化因子的评价结果稍优于水质生物评价结果,造成这种差异的原因是两种评价方法在时空尺度上存在差异.针对城市化水平较高、人类活动干扰较强的北运河水系,同时采用这两种评价方法有助于全面了解其复杂的水环境质量.
关键词底栖动物    群落结构    BI指数    综合水质标识指数    水环境质量评价    北运河    
Macroinvertebrates community structure and water quality assessment in the North Canal River Basin, Beijing, China
GU Xiaoyun 1,2, XU Zongxue 2, WANG Mi 1, YIN Xuwang 1, LIU Linfei 2, ZHANG Xin 1,2, ZUO Depeng 2     
(1: Liaoning Provincial Key Laboratory for Hydrobiology, College of Fisheries and Life Science, Dalian Ocean University, Dalian 116023, P. R. China)
(2: Key Laboratory of Water and Sediment Science, Ministry of Education, College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, P. R. China)
Abstract: Macroinvertebrates as a biological indicator of aquatic health condition plays an important role in the protection and management of water ecological environment. Macroinvertebrates and water quality were investigated on the basis of samples collected at 33 sampling sites in the North Canal River Basin in May 2015. The community structure of macroinvertebrates was analyzed. The comprehensive water quality identification index and Biotic Index of macroinvertebrates were used to assess the water quality in the North Canal River Basin. The results obtained by using these two methods were compared each other by using the Kolmogorov-Smirnov test and Pearson correlation analysis. In this study, a total of 23 species of macroinvertebrates belonging to 3 phylum, 4 class, 6 order, 11 family and 11 genera were identified in the North Canal River Basin, which mainly represented by aquatic insects and molluscs. The community structure of macroinvertebrates in the whole basin was simple. The result of Biotic Index showed that 72% of the sampling sites were moderately(Ⅳ) or seriously(Ⅴ) polluted and comprehensive water quality identification index showed that more than 57% of the sampling sites were worse than Class Ⅳ. The K-S test showed that the results were confirmed to normal distribution and Pearson correlation analysis exhibited that the results of these two methods had a significant positive correlation. The two results had the same tendency generally. Depending on the results, the water quality in the North Canal River Basin was poor. The main stream was better than the tributaries and the upstream was better than the downstream. The water quality in the upstream of the Wenyu River, the downstream of the Ba River, the upstream of the Tonghui River and the Liangshui River were poor while the headwater of the Wenyu River and the upstream of the Ba River were excellent. The result of comprehensive water quality identification index was a little better than that of Biotic Index. This was attributed to the reason that the two assessment methods focused on different spatial and temporal scales. In the North Canal River Basin with high urbanization level and strong human disturbance, the complex water ecological condition could be better understood with both assessment methods at the same time.
Keywords: Macroinvertebrates    community structure    Biotic Index    comprehensive water quality identification index    water quality assessment    North Canal River    

水环境质量评价是水环境管理的一项基础性工作, 合理的评价方法可以准确描述河流的水质状况, 以满足水环境管理和决策需要[1-4].在我国城市河流水质评价研究中, 综合水质标识指数法具有较好的评价效果和应用前景[5-6].随着近年来河流健康状况的不断恶化, 水环境污染物质的日益复杂, 传统的基于水体理化因子的评价方法对水环境质量的反映较为片面, 已不能够满足河流水质评价的要求.

基于水生生物的水质评价方法不仅能反映环境中各种污染因子对生物的综合作用, 而且能反映水体中污染物的累积效应, 对水环境的长期影响作出反应[7-8], 具有传统方法所不可替代的优越性.在水质生物评价的研究中, 水生生物的选择是一项重要环节[9].底栖动物作为维系水生态系统结构和功能的重要部分, 对水生态系统中营养物质的分解和循环有显著影响[10].底栖动物具有生活场所相对固定、生命周期长、对环境变化敏感, 且缺乏有力回避等特点, 其群落结构可较好地反映河流水环境健康状况, 因而常被用来作为水生态系统健康的指示生物[11-13].在基于底栖动物的水质评价研究中, BI(Biotic Index)指数的应用较为广泛, 国内相关研究主要集中在辽宁省[13]、安徽省南部山区[7]、江苏省南京秦淮河[14]和长江三角洲地区[8]等, 在这些地区均取得了较好的评价效果.

北运河水系覆盖北京市9个区, 北京市70 %以上人口在此流域内工作生活, 是北京市人口最多、城市化水平最高的流域.因此, 北运河水系是受人类活动干扰较强烈的地区, 水环境状况相对复杂.近年来, 北运河水环境质量的相关研究主要集中在水质指数[15]、污染物时空变化特征[16]、浮游动植物的多样性指数和均匀度指数[17-18]、底栖动物的Trent指数和IBI指数[19-20]等方面.这些研究多数基于水体理化因子或水生生物中的一个类群[6, 21-23], 这使得评价结果难以全面反映环境质量现状, 而同时采用两种评价方法并进行比较的研究相对较少[24-26].

基于以上背景, 本文以北京市北运河水系为例, 从水质和水生生物两个方面出发, 采用综合水质标识指数法和底栖动物BI指数法评价北运河水系的水质状况, 并将两种评价结果进行对比, 以期从不同的角度认识北运河水系的水环境健康状况, 使得评价结果更具合理性, 同时为改善和管理北运河水系的水生态系统健康状况提供基础数据.

1 研究区域及方法 1.1 研究区域

北京市地处海河流域, 辖区内从东到西分布有蓟运河、潮白河、北运河、永定河和大清河五大水系, 北运河水系是唯一发源于北京市境内的水系[27](图 1).北运河地处潮白河和永定河之间, 发源于北京市昌平县燕山南麓, 北京市境内干流包括上游温榆河段(图 2).北运河上游自沙河闸起, 沙河闸上有南沙河、北沙河和东沙河汇入, 自沙河闸向东及东南流至通州, 先后接纳了蔺沟、清河、坝河、通惠河等.北运河下游始于通州北关闸, 沿途有凉水河和港沟河汇入, 于通州杨洼闸出北京市界, 凤河和龙河在北京市界外入北运河[28].北运河水系属暖温带半干旱半湿润季风气候, 地形以平原为主(图 1), 植被类型主要是暖温带落叶阔叶林, 年平均气温为11~12℃, 多年平均降雨量643 mm, 降雨主要集中在6—9月, 多年平均径流量为4.81×108 m3[29].作为北京市的主要排洪通道, 北运河每年承纳北京市区约90 %的排洪量[30].

图 1 北运河水系区位和高程 Fig.1 Location and elevation of the North Canal River Basin
图 2 北运河水系采样点分布 Fig.2 Distribution of sampling sites in the North Canal River Basin
1.2 研究方法 1.2.1 底栖动物样品采集与鉴定

2015年5月, 在北运河水系设立了33个采样点开展底栖动物调查(图 2).为了使采样点尽可能准确反映现实的水环境质量状况, 布点原则主要依据水系内的人类活动干扰强度, 即人类活动干扰越强, 采样点越密集.此外, 采样点要能够代表点位附近河段尺度的水域自然特征.由于水系内昌平区、海淀区、朝阳区和中心城区的人口密度较大, 人类活动干扰较强, 因此采样点大多集中在这几个区内.用MAGELLAN全球定位系统(eXplorist-200)记录采样点的经纬度.在以所选采样点为中心、50 m为半径的圆形区域内, 使用1/16 m2的彼得森采泥器采集1个泥样, 将采集到的泥样用60目的网筛筛洗, 并转入白磁盘中.在采样现场用人工挑拣的方法, 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95 %的酒精溶液保存待检[9].转入实验室后, 依据相关的文献资料[31-34], 在显微镜或解剖镜下进行分类和计数, 样品尽量鉴定到属或种.

1.2.2 水体理化因子测定

采用便携式水质监测仪(YSI 85)现场测定溶解氧(DO)浓度.根据GB 3838—2002《地表水环境质量标准》, 在实验室内测定水样的氨氮(NH3-N)、五日生化需氧量(BOD5)、高锰酸盐指数(CODMn)、总氮(TN)、总磷(TP)浓度.

1.2.3 底栖动物BI指数法

底栖动物BI指数是利用水体中指示生物的种类、数量及其对水污染的敏感性建立的表示水环境质量的数值[14], 该指数于1972年由Chutter最先提出. BI指数的计算公式为:

$ \mathit{BI}{\rm{ = }}\sum\limits_{\mathit{i} = 1}^\mathit{n} {\frac{{{\mathit{n}_\mathit{i}} \cdot {\mathit{t}_\mathit{i}}}}{\mathit{N}}} $ (1)

式中, ni为第i个分类单元(通常为属级或种级)的个体数;ti为第i个分类单元的耐污值;N为样本总个体数.底栖动物的耐污值参考文献[7, 35].

参考Karr等[36-39]使用的水质生物评价指数值与分值的转换方法, 计算BI指数水质评价分级标准.具体选择方法为:应用所有样点的BI值, 通过频数分析, 以5 %分位数对应的值作为标准[7-8], 小于该值表示水质最清洁(Ⅰ), 对大于该值至最大值的分布范围四等分, 分值从小到大依次分别代表清洁(Ⅱ)、轻污染(Ⅲ)、中污染(Ⅳ)和重污染(Ⅴ).

1.2.4 综合水质标识指数法

综合水质标识指数法以单因子水质标识指数法为基础, 不仅可以对河流Ⅰ~Ⅴ类水体进行评价, 也可以对劣Ⅴ类水体进行详细评价和比较[6],将恶臭对水质的不利影响考虑其中,适用范围广,且易于操作施行[40],是目前最优选的评价方法之一.

综合水质标识指数可以完整反映综合水质类别、水质状况以及与水环境功能区类别的比较结果等相关信息,由同济大学徐祖信提出,其计算方法主要分为2部分[5, 40].

1) 单因子水质标识指数的计算:

单因子水质标识指数P由一位整数、小数点后二位或三位有效数字组成,可表示为:

$ {\mathit{P}_\mathit{i}} = {\mathit{X}_1}.{\mathit{X}_2}{\mathit{X}_3} $ (2)

式中,X1为第i项水质指标的水质类别;X2为实测数据在X1类水质变化区间中所处的位置,根据公式按四舍五入原则计算;X3为水质类别与功能区划设定类别的比较结果.

2) 综合水质标识指数的计算:

综合水质标识指数由一位整数和三位或四位小数位组成,其结构为:

$ {\mathit{I}_{\text{wq}}} = {\mathit{X}_1}.{\mathit{X}_2}{\mathit{X}_3}{\mathit{X}_{\rm{4}}} $ (3)

式中,X1为河流总体的综合水质类别;X2为综合水质在X1类水质变化区间内所处的位置;X3为参与综合水质评价的水质指标中,劣于目标水环境功能区的单项指标个数;X4为综合水质类别与水体功能区类别的比较结果.

由于本研究只需用到X1X2的计算,故这里对于X3X4的计算不作具体介绍. X1.X2的计算公式为:

$ {\mathit{X}_1}.{\mathit{X}_2} = \frac{1}{\mathit{m}}\sum {\left( {{{\mathit{P'}}_{\rm{1}}} + {{\mathit{P'}}_{\rm{2}}} + \ldots + {{\mathit{P'}}_\mathit{m}}} \right)} $ (4)

式中,m为参加综合水质评价的水质单项指标个数;P1′、P2′、Pm′分别为第1、2、m个水质因子对应的单因子水质标识指数中的一位整数和小数点后第一位.

根据综合水质标识指数法的水质评价分级标准(表 1)可以方便快捷地对水质状况作出较准确的评价.

表 1 综合水质标识指数法的分级标准 Tab.1 Water quality classification criterion on the basis of comprehensive water quality identification index
1.2.5 相关分析

针对底栖动物BI指数法和综合水质标识指数法的水质评价结果,用SPSS 17.0软件进行相关分析,得到相关系数r和显著性水平P值.两种评价结果在分析之前均先进行Kolmogorov-Smirnov正态检验,并根据检验结果判断相关分析所用方法.

2 结果 2.1 底栖动物群落结构

北运河水系共鉴定出底栖动物23种(附表),隶属于3门4纲6目11科11属,以水生昆虫和软体动物为主.其中水生昆虫10种,占43.5 %;软体动物11种,占47.8 %;环节动物2种,占8.7 %.水生昆虫主要由双翅目摇蚊组成,常见种为溪流摇蚊(Chironomus riparius).软体动物常见种为梨形环棱螺(Bellamya purificata)、狭耳萝卜螺(Radix tagotis)和拟沼螺(Assimineidae sp.)(附表).北运河整个水系底栖动物群落结构单一,物种种类数较少,且呈现中心低、南北高的分布趋势(图 3).

附表 2015年5月北运河水系底栖动物调查物种名录 Appendix Species list of macroinvertebrates occurred in the North Canal River Basin in May 2015
图 3 北运河水系底栖动物种类数分布 Fig.3 Spatial pattern of species richness on macroinvertebrates in the North Canal River Basin
2.2 基于底栖动物BI指数法的水质评价

根据前述的BI指数水质评价分级标准确定方法,本研究计算得到的BI指数最小值为2.50,最大值为9.60,5 %分位数为2.50,故BI指数的水质评价分级标准如表 2所示.

表 2 底栖动物BI指数法的水质评价分级标准 Tab.2 Water quality classification criterion on the basis of Biotic Index of macroinvertebrates

在北运河水系设立的33个点位中,2个为清洁(Ⅱ),占总点位的比例为6 %;7个为轻污染(Ⅲ),占21 %;8个为中污染(Ⅳ),占24 %;16个为重污染(Ⅴ),占48 %;无最清洁(Ⅰ)水质的点位(图 4a).从全流域来看,总体水质状况较差,基本呈现为干流的水质状况优于支流,上游的水质状况优于下游.其中,温榆河上游、坝河下游、通惠河上游和凉水河的水质状况较差,水质等级多为中污染(Ⅳ)和重污染(Ⅴ),而温榆河源头和坝河上游的水质状况较好,永定河引水渠下段(B30)、团城湖(B43)的水质状况均较其他支流好.

图 4 北运河水系两种水质评价方法的评价类别分布 Fig.4 Assessment clasfication distribution of two water quality assessment methods in the North Canal River Basin
2.3 基于综合水质标识指数法的水质评价

根据前述的综合水质标识指数法的水质评价分级标准,北运河水系的33个点位中,Ⅱ类水有10个,占总点位的比例为30 %;Ⅲ类水有4个,占12 %;Ⅳ类水有3个,占9 %;Ⅴ类水有3个,占9 %;劣Ⅴ类但不黑臭有7个,占21 %;劣Ⅴ类并黑臭有6个,占18 %;无Ⅰ类水水质的点位(图 4b).北运河水系整体的水质状况为一般,基本格局呈现为干流的水质状况优于支流,上游的水质状况优于下游.水质状况较差的河段包括温榆河中游、坝河下游、通惠河上游、凉水河和凤河,鲁疃闸(B10)、东玉河(B22)、沙窝(B40)、南花园(B47)、马驹桥(B27)、凤河营闸(B28)的水质状况最差,温榆河源头和坝河上游的水质状况集中较好.

2.4 两种水质评价结果的对比

底栖动物BI指数法和综合水质标识指数法的水质评价结果如表 3所示,两种评价结果存在一定的相似性.对两种评价结果分别进行K-S正态检验,发现BI指数评价得分(Z=0.895,P=0.400)和综合水质标识指数评价得分(Z=0.812,P=0.524)均符合正态分布.对两种评价结果进行Pearson相关分析,发现两组分值呈显著正相关(r=0.573,P<0.001),表明底栖动物BI指数法与综合水质标识指数法的评价结果具有较高的一致性.

表 3 北运河水系两种水质评价结果的对比 Tab.3 Comparison between the two water quality assessment results in the North Canal River Basin
3 讨论

北运河水系地处北京市中心区域,从西北方向横跨北京市至东南方向,人口稠密,城市化水平高,是北京市境内受人类活动干扰最强烈的水域之一.

有研究表明,水生昆虫摇蚊主要以细菌和藻类为食,对水质净化有重要作用,而寡毛类喜欢生活在腐殖质丰富、有机污染严重的水域中,是水质污染程度的重要指示生物[32].高彩凤[41]对北运河水系底栖动物的调查结果显示,该水系的底栖动物有17种,以寡毛类和软体动物为主,水生昆虫种类极少,且典型的寡毛类如霍甫水丝蚓(Limnodrilus hoffmeisteri)、克拉伯水丝蚓(Limnodrilus claparedianus)、管水蚓(Aulodrilus bretscher)和苏氏尾鳃蚓(Branchiura sowerbyi)均是该水系的优势种.本次调查中共鉴定出底栖动物23种,以水生昆虫和软体动物为主,且呈现出群落结构单一的特点.与高彩凤[41]的调查结果相比,本次调查中底栖动物的种类数有所增加,且群落组成呈现出水生昆虫种类数增加,寡毛类种类数减少的态势,可以推测北运河水系的水环境质量得到了一定程度的改善.由于寡毛类是水体有机污染的重要指示物种[42],因此寡毛类的减少还可以间接推测北运河水系水质变好的贡献因素之一是有机污染的缓解,这与综合水质标识指数法的评价结果大体一致.

通过分析综合水质标识指数法和底栖动物BI指数法的评价结果,可以发现,北运河水系中水质状况集中较好的区域为坝河上游,这可能与近些年北京市政府着手治理坝河,兴建坝河湿地公园,重建城市景观河道有关,这些措施都使得坝河附近的水生态环境优化,水质状况得到好转[43].温榆河作为北运河上游,自沙河水库至通州区北关拦河闸,跨越了北京市昌平区、顺义区和通州区,其中,昌平区的东南部处于城乡结合部,人口增长较快,且沿线尚未铺设污水管线,大量的生活污水未经处理就直接排入河道,造成该地区成为温榆河水质状况相对较差的河段[44].总体来看,两种水质评价方法得到的北运河水系水质状况相近,均为中污染和重污染,这与高彩凤[41]通过浮游植物、浮游动物和底栖动物的生物多样性指数得到的春季水质在中—重污染之间的结论一致,与张光锦通过层次分析法得到的北运河生态状况总体为亚健康的结论大体一致[45].

无论采用哪种水质评价方法,其目的都是了解水体水质状况,衡量水环境健康程度,从而有目的地管理和保护水资源,因此底栖动物BI指数法和综合水质标识指数法应该是相辅相成的[24].在本研究中,两种评价结果总体趋势相同,但个别点位仍存在差异,具体表现为综合水质标识指数法的评价结果稍优于底栖动物BI指数法,这与周笑白等[24]和焦柯伟等[46]的研究结果较一致.依据周笑白等在太湖的研究成果,基于水体理化因子和水生生物的水质评价方法在时空尺度上存在差异[24].

从时间尺度来看,水体理化因子表征的是采样点瞬时的水环境质量,其值受温度、水量、风力等环境因素影响较大,因此基于水体理化因子的水质评价结果是瞬时水质状况.相比之下,底栖动物的种类和数量表征的是采样点长期的水环境综合质量,是在长时间的累积效应下逐步形成的,因此基于生物的水质评价结果是长期的平均水质状况.近年来,随着生活水平的提高,人们对于生态环境也提出了更高的要求. 2001年,天津市开始实施北运河综合治理工程[47];2008年,北京市首次通过了《北运河流域水系综合治理规划》[48].这些措施使得北运河水系的整体水环境质量有了显著改善,因此水质状况出现好转. Bertrand Millet等的研究表明,当环境发生一定变化时,生物并不会作出即时响应,生物对环境变化的响应通常具有滞后性[49].北运河水系地处北京市中心,人口众多,经济发达,生活和工业废污水排放量大,水环境变化剧烈,栖息生境遭到严重破坏,不利于底栖动物的附着;底栖动物在水生态系统中等级较高,移动能力较弱,只能被动耐受环境中的变化[50];北运河水系的地形以平原为主,地势平坦,河流的人工渠道化现象严重,导致流域内水体流动缓慢,更新周期较长,不利于底栖动物快速感知水环境的变化[51].这些因素都导致生物健康状况对水质状况变化的反映具有滞后性,因此基于生物的水质评价结果并未表现出较大转变,仍然劣于基于水体理化因子的水质评价结果.

从空间尺度来看,基于水体理化因子的水质评价主要关注水体中的营养盐和污染物质浓度是否超过环境阈值[24],因此其评价结果仅针对水体本身.而长期生活在水环境中的底栖动物,不仅反映了水体质量,还体现了生境质量(底质、栖境复杂性、植被多样性、人类活动强度、土地利用方式等),因此其评价结果涉及的范围更广.水质生物评价结果劣于基于水体理化因子的水质评价结果说明,虽然北运河水系的水质状况近些年有所改善,但水生态系统的整体质量并未显著提高.综上所述,基于水体理化因子的方法适宜评价短时间内的单一水质状况,而基于水生生物的方法适宜评价长时间内的综合水质状况,这两种评价方法能从不同角度反映水环境质量,满足管理部门对水环境进行保护和治理的不同尺度需求.

对于城市河流,单纯从某一个角度评价难以全面衡量其复杂多变的水环境质量,考虑多方面因素、运用多种方法、整合不同时空尺度,将会是未来城市河流水质评价的发展趋势.此外,本研究的底栖动物耐污值是从文献中获取的,有研究表明,耐污值本身会因底栖动物所处地域的差异而发生改变[52],因此水质生物评价结果可能会受耐污值准确性的影响.关于如何确定北运河水系的底栖动物耐污值,有待于进一步的研究.

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