(整理)底栖动物与环境因子的关系及水质评价

底栖动物与环境因子的关系及水质评价

摘要：底栖动物对环境条件的适应性及对污染等不利因素的耐受力和敏感度都各不相同，可以利用底栖动物的这些特征来反映水体的质量状况，帮助我们进行水质的评价与监测。各类环境因子的变化都会引起底栖动物的密度、生物量，以及群落结构的特点，研究底栖动物与环境因子的关系具有一定意义。水质评价具有一定的历史，我国目前已熟练运用多重水质评价方法，对于我国的水质监测有积极的意义。

关键词：底栖动物；群落结构；环境因子；水质评价

前言

底栖动物是一个庞杂的生态类群，其所包括的种类及其生活方式较浮游动物复杂得多，常见的底栖动物有水蚯蚓、摇蚊幼虫、螺、蚌、河蚬、虾、蟹和水蛭等。主要包括水栖寡毛类、软体动物和水生昆虫幼虫等。数底栖动物长期生活在底泥中，具有区域性强，迁移能力弱等特点，对于环境污染及变化通常少有回避能力，其群落的破坏和重建需要相对较长的时间；且多数种类个体较大，易于辨认。同时，不同种类底栖动物对环境条件的适应性及对污染等不利因素的耐受力和敏感程度不同；根据上述特点，利用底栖动物的种群结构、优势种类、数量等参量可以确切反应水体的质量状况。对此，我国科研人员已经在各类水体中做过测试和研究。因此，本文主要探讨底栖动物与环境因子的关系，以及相关的水质评价。

1.底栖动物与环境因子的关系

1.1影响底栖动物的密度、生物量的因素

底栖动物的密度、生物量不仅与其本身的特性有关，还与环境条件有着一定的关系。虽然不同的时空尺度对大型底栖动物群落起主要影响的环境因子不尽相同，但各种环境因子基本上可归纳为3 类: 1) 物理因素，包括水深、温度和盐度等; 2) 富营养化因素，包括N、P 等元素以及沉积物中的总有机碳含量等; 3) 底质类型，如沉积物粒度参数等（廖等，2011）【１】。

从整个底栖动物群落来看，生物量和能量的峰值出现在7月,分别为48.23gWW·m-2和241.16kJ·m-2，而数量的峰值则出现在5月,为40lind．·m-2。二者出现差异的原因为，夏季水生昆

虫的羽化使底栖动物数量减少，但水生昆虫个体小、生物量少(数量级为10-3 gWW-ind.-1)，在底栖动物生物量中所占比例很小(全年平均0.8％),水生昆虫数量的减少并未使底栖动物生物量受到多大影响；相反,夏季水温升高,饵料丰富，正是软体动物生长的高峰,由于底栖动物的生物量基本上由软体动物所决定(全年平均占76.4％)．所以夏季出现底栖动物生物量和能量的峰值(孙等，2001)【２】。

从环境因子看，pH 值和COD 对枯水期大型底栖动物的分布影响最为显著，其次Cu、Pb 和Zn 等重金属也有一定影响。Cu、Pb 和pH 值是影响丰水期大型底栖动物分布的关键环境因子（迟等，2010）【３】。靠近深圳河河口的潮滩底栖动物群落与红树林区附近潮滩底栖动物群落结构有明显的差异，群落结构组成随盐度梯度而呈现连续的变化。因此，盐度的不同可能是造成深圳湾底栖动物群落空间差异的一个重要因素（厉等，2003）【４】。氮和磷的含量水平是水体营养程度的一个重要指标。水体中氮、磷等营养元素含量的不同对底栖动物也有影响，其中氮为主要制约因子．正常情况下，当氮为10 mg·L-1以下时，磷的制约作用才明显，如对东湖3 个区底栖动物现存量与各区域水中营养元素含量的年平均值进行分析，得出底栖动物现存量与总氮的关系可用直线回归方程表示。总氮在河流和湖泊中作为重要的营养盐指标能够显著地影响大型底栖动物的物种组成和分布（高等，2011）【５】。

1.2影响个别物种分布的因素

个别物种对某些环境因子具有一定的耐受性，因而它们的数量与分布对于判断水体中各类指标起着作用。南湖底栖动物种类较少，优势种突出，水丝蚓(重污染或重度富营养化水体的指示种)和尾鳃蚓(中污染或中度富营养化水体的指示种)的数量约占底栖动物个体数量的66％，羽摇蚊幼虫(典型的富营养化水体指示种)的数量约占21％．它们都具有很强的耐缺氧能力和喜有机质的生态习性，这表明南湖水体已受到严重的有机污染，属于典型的富营养化湖泊底栖动物群落组成充分体现了南湖作为温带富营养化湖泊的特征（孙等，2001）【６】。

从种类组成看，蠓类、摇蚊和大蚊等类群耐污性较强，主要分布在污染样点，与COD 和重金属呈正相关性，而耐污能力差的腹足纲、毛翅目以及蜉蝣目昆虫则分布在清洁样点，与COD 和重金属呈负相关性。童晓立等证实，在横石水河受污染河段，收集到4种底栖动物，其中以摇蚊在数量上占绝对优势。颜玲等证实，在横石水河用网袋收集的大型底栖动物有摇蚊、毛翅目、蜉蝣目以及螺类等36 种，这与本研究收集到的大型底栖动物种类组成基本一致（迟等，2010）【７】。

1.3对群落的影响

大型底栖动物是海洋生态系统的重要组成部分。它通过参与碳、氮、硫等元素的生物地球化学循环，共同维系着海洋生态系统的结构与功能。大型底栖动物通过摄食、掘穴和建管等活动与周围环境相互影响，其群落变化常被作为评价海域生态环境质量状况的重要指标（廖等，2011）【８】。

水质的差异直接或间接影响底栖动物群落结构，包括影响底层氧含量、有机质含量等。氧含量往往直接决定底栖动物的分布和密度，而过量外源营养输入往往导致沉积物中有机质含量升高，进而导致氧含量较低。还有其它环境因素影响着底栖群落结构，如生境的异质性，在调查中发现许多河道到两岸均为水泥和石头堤坝，同自然堤岸相比显著降低了生境的复杂性，并限制了水生植物的生长。河道水流的速度也会影响底栖动物的种类组成，流速较慢的河道更有利于有机质的沉积，不利于沉积物表层的复氧，相对而言较快的流速可能更有助于提高水底的氧含量，从而可供更多的个体共存。此外堤岸坡度、稳定性、底质的组成都可能会影响底栖动物的组成（吴等，2011）【９】。

2.水质评价

2.1水质评价介绍

水质评价指按照评价目标，选择相应的水质参数、水质标准和评价方法，对水体的质量利用价值及水的处理要求作出评定。水质评价是合理开发利用和保护水资源的一项基本工作。根据不同评价类型，采用相应的水质标准。评价水环境质量，采用地面水环境质量标准；评价养殖水体的质量，采用渔业用水水质标准；评价集中式生活饮用水取水点的水源水质，用地面水卫生标准；评价农田灌溉用水，采用农田灌溉水质标准。一般都以国家或地方政府颁布的各类水质标准作为评价标准。在无规定水质标准情况下，可采用水质基准或本水系的水质背景值作为评价标准。通过水质评价可以了解水体质量的过去、现在和未来发展趋势、变化规律。水质评价的作用是从水的质量来判断开发利用水资源和维护生态系统平衡的可能性和必要性，为各级政府和有关部门加强水资源的管理、制订社会发展规划、确定大中型工程项目、制定流域水资源管理的有关法规和条例、制定水资源保护的具体措施等，提供水资源利用和保护的科学依据。

2.2水质评价方法

水质评价包括天然水化学特征评价、水质变化趋势分析、水质污染评价。水化学特征评价指矿化度评价、总硬度评价、水化学类型评价和天然劣质水状况评价；水质变化趋势分析指某一项目或某几项目在一段时间的变化趋势，污染是上升、降低还是无趋势；水质污染评价包括水质感官性指标评价、水质生物学指标评价和水质化学指标评价。水质感官性指标评价是通过人体感觉器官直接判断水质的方法，水质感官性指标包括水的颜色、味道、透明度、浑浊度等，方法简单，易为群众接受，但精度差，只能对水质做出初步的粗略判断，不能准确指出污染的原因和程度。水质生物学指标评价是根据人类活动造成环境变化的生态效应原理判断水质的方法，是对整个环境质量的综合反应，是长期环境质量累积的结果，但不能显示出造成生态破坏的物质及其数量，因生物种类的差异，区域之间的环境质量难于对比。水质化学指标评价是根据水中化学指标的含量，对水体的质量满足某种要求判断水质的方法，这类评价方法能准确指明导致水质恶化的原因、成分和范围，但所监测的化学成分、时间和空间有限，评价标准和方法的不成熟，所进行的评价也有一定的局限性。因此，水质评价应根据具体情况，采用不同的评价方法，一般来说，水质感官性指标评价可适用于群众联防，发现问题，及时报警，水质生物学指标评价适用于水质长期综合累积影响评价，水质化学指标评价可用于常规评价。

目前的水质评价以水质化学指标评价为主，是最常用的评价，因为目前的监测以化学指标监测为主，水污染绝大多数是由人类活动向天然水体排放污染物所致，现在经常提到的和以下讨论的水质评价就指水质化学指标评价。国内外水质评价方法多种多样，分水质单项评价和所选项目的综合评价，单项评价是指某项水质指标与相应评价标准比较，是否达到或满足相应标准，综合评价是指综合考虑所选项目的评价，如综合水质指数法（布朗水质指数、普拉特水质指数、罗斯水质指数、内梅罗水质指数等）、数理统计法、模糊数学法和地图叠加法等，但目前国内还没有一个统一的方法，采用较多的方法是地图叠加法，也就是取单项水质评价类别的最高值作为综合评价的水质类别。（王等，2011）【１０】

2.2.1单因子指数评价方法

《地表水环境质量标准》（GB3838- 2002）规定: “地表水环境质量评价应根据应实现的水域功能类别，选取相应类别标准，进行单因子评价，评价结果应说明水质达标情况，超标的应说明超标项目和超标倍数”。单因子评价法首先要确定该水体评价标准，将各参数浓度与评价标准相比，根据比值是否大于1 来评价该水体是否达到了相应的水质标准，并判定评价指标的水质类别，以最

差的水质类别作为水质综合评价的结果。该方法简单明了，可直接了解水质状况与评价标准之间的关系，是目前环境监测系统划分水质类别的评价方法。单因子指数的计算公式为:

G=MAX （Gi ）

式中：

Gi 为i项污染物的水质类别。

2.2.2综合污染指数评价方法

综合指数评价法是对各污染指标的相对污染指数进行统计，得出代表水体污染程度的数值，该方法用以确定污染程度和主要污染物，并对水污染状况进行综合判断。在一般情况下综合污染指数评价方法的应用，是假设各参与评价因子对水质的贡献基本相同，采用各评价因子标准指数加和的算术平均值进行计算，同时也反映了多个水质参数与相应标准之间的综合对应关系，但其结果与单因子评价方法一样是相对值，评价标准不同，计算的水质指数值也不相同。综合污染指数评价方法的计算公式为:

式中:

Ci 为i项污染物的浓度值，C0 为i项污染物的评价标准，Pi为i项污染物的污染指数。综合污染指数的评价分级方法见表1。

2.2.3水质标识指数评价方法

综合水质标识指数法是以单因子水质标识指数为基础，以一组有机污染指标和富营养化指标综合评价河流水质，综合水质标识指数的组成为:

WQI=X1.X2 X3 X4，

式中：

X1 为河流总体的综合水质级别;X2 为综合水质在X1 类水质变化区间内所处位置;X3 为参与综合水质评价的水质指标中，劣于水环境功能区目标的单项指标个数;X4为综合水质类别与水体功能区类别的比较结果，如果综合水质类别好于或达到功能区类别，则X4=0;如果X4=1，说明综合水质劣于功能区1个类别等依此类推。综合水质标识指数X1.X2 的计算公式为:

式中：

n 为参加综合水质评价的水质单项指标的数目，P1，P2，…Pn 分别为第1、2…，n个水质因子的单因子水质指数。

在河流水质评价中，将河流消除黑臭前后的综合水质标识指数进行比较，确定了水质黑臭的临界点，即X1.X2=7.0。由此，能够对Ⅰ~Ⅴ类水、劣Ⅴ类水不黑臭、劣Ⅴ类水黑臭进行全面完整的连续性刻画，如表2 所示。

2.2.4模糊综合评价法

所谓模糊评价,就是根据给出的评价标准和实测值,经过模糊变换对事物作出评价的种方法。个事物往往具有多种属性,故评价事物必须同时考虑各种因素,但很多问题往往难以用个简单的数值表示,即常常带有模糊性,这时就应该采用模糊综合评价。

模糊综合评价可以用数学模式来表示：

B=A·R

式中：

A——输入,它是由参加评价因子的权重经归一化处理得到的1个1×n阶行矩阵;

R——“模糊变换器”,它是由各单因子评价行矩阵组成的1个n×m 阶模糊关系矩阵;

B——输出,是要求的综合评判结果,它是1个1×m阶矩阵的形式。

2.3几种评价方法的比较

2.3.1选取水质评价指标及评价数据

以图们江干流某监测断面2004－2008 年五年监测数据为例，根据《地表水环境质量标准（GB3838- 2002）规定的溶解氧、高锰酸盐指数等24项基本监测项目作为指标筛选对象，将各项指标的污染分担率进行排序，污染分担率较高的监测因子为氨氮、石油类、BOD5、CODMn、挥发酚等，综合各因子的污染分担率以及图们江干流有机污染严重的污染特征，拟选取CODMn、BOD5、氨氮、挥发酚和石油类作为主要水质评价因子进行分析，其年均值监测数据及单因子指数（水质类别）如表3；水质单因子及综合污染指数评价结果如表4；水质单因子及综合标识指数评价结果如表5。综合水质标识指数符号意义如图1 所示。

2.3.2评价结果比较分析

由表3~5评价结果可知，单因子指数法评价方法是按国家规定的地表水分类标准进行评价，仅表示了水质类别。综合污染指数是相对标准值计算的结果，综合反映了河流污染状况，可以比较污染程度，但不能说明水质类别。综合水质标识指数对水质进行定性和定量评价，对同类水体及劣V 类的河流也可以进行水质评价和比较，其第一位表示的是综合水质类别，与目前判定的水质类别差别较大，后两位表示的水质功能区达标情况，表示方法相对专业。

2.3.3结论

a.单因子评价法以最差水质指标所属类别作为综合水质类别，评价结论表现为过保护。

b.污染指数法能够直观判断综合水质是否达到功能区目标，但是不能判断综合水质类别。

c.当综合水质为劣Ⅴ类时，单因子指数法和综合污染指数法的评价结论无法比较趋势变化，而水质标识指数法解决了劣Ⅴ类水质的连续性描述问题，能够对劣Ⅴ类水质进行科学合理的定性与定量评价。

2.4展望

底栖动物的生活习性和生理特性，以及它们的群落结构和分布都可以帮助我们研究了解水质环境的状况，研究底栖动物与环境因子的关系正是为了方便我们对水质作出更为准确的评价，帮助我们治理和监管水环境。目前，我国的水质评价还处在发展阶段，还需要进一步地深入研究、探讨。现今，我国已经能够纯熟运用多种评价方法，并且在水质评价方面取得了一定的成就，相信在未来一定能够建立更加完善的评价系统，为开发利用水资源和维护生态系统平衡打下坚实的基础。

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