黄河甘肃段底栖动物群落结构及水质评价

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00024

黄河甘肃段底栖动物群落结构及水质评价

王昱^,¹^,², 王旭¹, 冯起², 刘蔚², 贺昱华¹, 朱家乐¹, 王昱鹏³

1.兰州理工大学能源与动力工程学院/甘肃省生物质能与太阳能互补供能系统重点实验室，甘肃兰州 730050

2.中国科学院西北生态环境资源研究院内陆河流域生态水文重点实验室，甘肃兰州 730000

3.酒泉市肃州区洪临灌区临水水利管理所，甘肃酒泉 735000

Macrobenthos community structure and water quality evaluation in Gansu section of Yellow River Basin

Wang Yu^,¹^,², Wang Xu¹, Feng Qi², Liu Wei², He Yuhua¹, Zhu Jiale¹, Wang Yupeng³

1.School of Energy and Power Engineering / Key Laboratory of Biomass Energy and Solar Energy Complementary Energy Supply System of Gansu Province，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China

2.Key Laboratory of Inland River Basin Ecology and Hydrology，Northwest Institute of Ecological Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

3.Linshui Water Conservancy Management Office of Honglin Irrigation District，Jiuquan 735000，Gansu，China

收稿日期: 2022-10-01 修回日期: 2023-03-14

基金资助:

国家自然科学基金项目.  52169015
甘肃省自然科学基金项目.  21JR7RA227
甘肃省2022年水利科研与技术推广项目.  22GSLK038

Received: 2022-10-01 Revised: 2023-03-14

作者简介 About authors

王昱（1979—），男，甘肃永昌人，博士，教授，主要从事生态水文及水力学方面的研究E-mail：wangyu-mike@163.com , E-mail：wangyu-mike@163.com

摘要

为探究人类活动对黄河上游水生态系统的影响程度，于2021年8月对黄河甘肃段10个采样点的底栖动物群落和水体理化性质进行了调查研究。本次采样共鉴定出底栖动物32种，其中节肢动物25种（78.13%），软体动物5种（15.63%），环节动物2种（6.25%）；对整个研究区域而言，优势种为横纹划蝽（Sigara substriata）、短脚溪泥甲（Ampumixis sp.）、秀丽白虾（Palaemon modestus）、钩虾（Gammarus sp.）、耳萝卜螺（Radix Auricularia）和卵萝卜螺（Radix ovata）等6种；底栖动物现存量空间差异性显著，表现为下游段（271只·m^-2、18.0105 g·m^-2）>上游段（95只·m^-2、4.1275 g·m^-2）；Shannon-Wiener多样性指数、Margalef丰富度指数均表现为下游段大于上游段，而Pielou均匀度指数沿程变化较小。BI指数和综合污染指数水质评价结果较为一致，黄河甘肃段上游段水质整体优于下游段水质，且Y6样点水质最佳；黄河甘肃段水质总体达到II类和III类地表水标准，河流经水库和湿地净化后，水质有显著提升。水温和高锰酸钾盐是影响黄河甘肃段底栖动物群落结构的关键环境因子。库区和湿地水环境最优，上游自然河段水质优于下游自然河段，但下游段生物多样性及丰度高于上游段。

关键词： 黄河甘肃段 ; 底栖动物 ; 环境因子 ; 水质评价

Abstract

To explore the impact of human activities on the aquatic ecosystem in the upper reaches of the Yellow River， the species composition， inhabit density， biomass， dominant species and the aquatic physiochemical parameters were investigated in August 2021 of the Gansu section of the Yellow River. A total of 32 macrozoobenthos species including 25 species of arthropods （78.13%）， 5 species of mollusks （15.63%） and 2 species of annelids （6.25%） were identified. The dominant species were Sigara substriata， Ampumixis sp.， Palaemon modestus， Gammarus sp.， Radix Auricularia and Radix ovata in the whole study area. An obvious spatial heterogeneity in existing stock， with the values the density and biomass to be 271 ind.·m² and 18.0105 g·m² in the downstream section， and 95 ind.·m² and 4.1275 g·m² in the upstream section， respectively. The Shannon-Wiener diversity index and Margalef richness index were showed the downstream section greater than the upstream section， but the Pielou evenness index have little change along the way. The water quality was observed better in the upstream section sites than in the downstream section sites based on the evaluation results of integrated biological index and comprehensive pollution index， and the best water quality site is Y6. The water quality of Gansu section of the Yellow River generally reaches the limit of Class II surface water， the water quality of rivers is significantly improved after being purified by reservoirs and wetlands. According to the correlation matrix analysis between macrozoobenthos and environmental factors and RDA analysis， altitude and potassium permanganate are the key environmental factors affecting the benthos community structure in Gansu section of the Yellow River. Comprehensive macrozoobenthos community structure and water quality analysis， it shows that the water environment in the reservoir area and wetland is the best water. The water quality in the upstream natural reach is better than that in the downstream natural reach， but the biodiversity and abundance in the downstream reach are higher than that in the upstream reach.

Keywords： Gansu section of the Yellow River ; macrozoobenthos ; environmental factors ; water quality assessme

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本文引用格式

王昱, 王旭, 冯起, 刘蔚, 贺昱华, 朱家乐, 王昱鹏. 黄河甘肃段底栖动物群落结构及水质评价. 中国沙漠[J], 2023, 43(4): 146-156 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00024

Wang Yu, Wang Xu, Feng Qi, Liu Wei, He Yuhua, Zhu Jiale, Wang Yupeng. Macrobenthos community structure and water quality evaluation in Gansu section of Yellow River Basin. Journal of Desert Research[J], 2023, 43(4): 146-156 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00024

0 引言

黄河流经中国的核心经济地带，在维护生态安全和推动经济发展等方面发挥着重要作用^［1-2］。黄河流域健康稳定的水生态系统是沿黄地区生态保护和高质量发展的核心^［3］。底栖动物作为维持河流水生态系统健康的关键成员^［4-5］，对水环境的长期变化有着很好的指示作用，可以有效了解河流生态系统结构、功能及健康状况^［6］。另外，绝大多数底栖动物具有迁移能力较弱、生活周期长的特点，相较于浮游生物等可以稳定地反映生态系统的变化及受到的影响因素，综合反映水体长期的健康状况，使得其在生态系统评价中的应用越来越广泛^［7-9］。目前，利用底栖动物作为高海拔河流水生态评估关键指标的调查稀缺且零散。因此，研究底栖动物群落结构与水环境因子之间的关系，不仅可以了解河流生态系统的结构功能及健康状况，还可对高原地区水质生物评价及水生态系统动态平衡提供重要理论依据。

黄河甘肃段是重要的水源涵养区和补给区^［10］，其水生态健康状况是实现黄河流域高质量发展的关键所在^［11］。黄河在甘肃境内“两进两出”，先流经人烟稀少、海拔较高的甘南高原，之后进入青海省经过龙羊峡、拉西瓦、李家峡、公伯峡等大型梯级电站^［12］，再汇入甘肃省永靖县刘家峡水库后经兰州市穿城而过。由于人类活动干扰强度不同，上游甘南段河流生态受影响较小，河道受干扰程度较低，而下游段流经梯级电站，筑坝蓄水使得河流生态发生巨大的改变。此外，河流海拔的降低、生境特征的改变也可能导致周边环境因子随之变化，从而对生物群落结构与物种分布产生变动，构成了不同海拔高度多样的物种分布^［13］。目前，对于黄河流域底栖动物群落结构与水环境响应关系的研究多在黄河主要支流^［14-15］和黄河三角洲^［16-17］，而对黄河上游高海拔地区底栖动物群落结构与水环境的研究较少^［18-20］。为此，通过在黄河甘肃段沿程进行底栖动物群落结构与水环境因子的调查，探索底栖动物分布和水质状况在不同人类活动下的沿程变化，利用底栖动物生物指数和水体理化指标，评估黄河甘肃段水生态的健康状况，阐明不同生境条件下影响底栖动物群落结构特征与多样性的关键因素，为黄河甘肃段的水生态保护与综合评价提供科学数据与理论支撑。

1 材料与方法

1.1　研究区概况

黄河甘肃段是青藏高原向黄土高原的过渡地区，位于33°06′—37°38′N、100°46′—105°34′E，干流长913 km，约占黄河干流全长的1/6，流域面积为14.4万km²，多年平均径流总量为383.17亿m^3［21］；境内地势南高北低，海拔从3 500 m左右的甘南高原，到兰州降至1 500 m，落差较大。上游甘南高原草地面积广阔，以高寒草甸草地为主形成复杂多样的草地类型，下游以黄土沟壑丘陵地貌为主，总体黄土广布，岩性疏松，地形较为破碎。属于温带半湿润半干旱季风气候区，太阳辐射较强，气候干燥，昼夜温差大，多年平均温度为2~9 ℃，≥10 ℃的年活动积温为2 000~3 500℃，年降水量为110~800 mm，且自南向北逐渐递减。黄河每年在甘肃获得补水约139亿m³，60%的水量产自兰州以上，甘肃境内分为黄河干流、洮河、湟水、渭河、泾河、北洛河6个水系，水力资源极为丰富，以刘家峡为代表的水电站在甘肃省沿黄河干流有8座^［22］。

黄河在甘肃境内分为不连续的上、下游两段，上游段流经甘南藏族自治州，是黄河主要的产流区、水源涵养区、生态功能补给区，被国家列为限制开发区域，当地是一个藏族聚居的纯牧业地区，人口稀少，土地利用以天然放牧为主，农业种植很少；下游段兰州白银地区是甘肃省的经济、文化和科教中心，人口相对密集，工农业较发达^［23-24］，沿程经刘家峡水库，补给水源来自黄河支流洮河、湟水、庄浪河、大夏河、祖厉河的汇入。

1.2　采样点布设

黄河上游地处高寒区，受西南季风影响，6—9月为丰水期，降水占全年的75%以上^［25］，而枯水期水量与植被稀少，气温较低，底栖动物存量难以支撑调查和分析，因此选择适宜底栖动物生长和繁殖的8月进行采样。结合黄河甘肃段不同区域的河流环境特征，选取上游段甘南地区作为受人类活动影响较小的区域，下游段兰州市周边作为受人类活动影响较大的区域进行对比分析。沿途共布设10个采样点（图1），依次命名为Y1~Y10，其中甘肃段上游5个（Y1~Y5，其中Y1、Y2为干流支沟，Y3~Y5为干流右岸），甘肃段下游5个（Y6~Y10，其中，Y6为刘家峡水库，Y7和Y10为干流右岸，Y8为湟水与黄河交汇处，Y9为银滩湿地公园）。于2021年8月对黄河甘肃段区域的水质及底栖动物状况进行调查分析。

图1

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图1 采样点分布

Fig.1 Distribution of sampling sites

1.3　样品采集与分析

现场测量的环境因子有经纬度、流速、海拔、水温（WT）、气温，以及使用哈希（HQ40d型）便携式水质分析仪测定的pH值、电导率（EC）、溶解性总固体（TDS）、溶解氧含量（DO）和盐度；同时采集1 000 mL水样，使用浓硫酸将水样pH调至≤2固定后，置于4 ℃保温箱带回实验室，参照国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》^［26］测定总氮（TN）、总磷（TP）、氨氮（NH₃-N）、高锰酸钾盐和COD_cr等水体理化因子。为减小系统误差，每个环境因子均重复测定3次，取其平均值。

根据各河段的生境特点，选取流速、水深和植被覆盖组成较有代表性的区域，利用定性与定量相结合对底栖动物进行采集，在每个采样点的不同位置使用D型手持抄网和索伯网重复采集2~3次。采集的样品经60目筛网过滤、冲洗分拣，用10%的福尔马林溶液固定后，依据《水生生物监测手册》《辽河流域底栖动物监测图鉴》《淡水微型生物与底栖动物图谱》等图书以及王备新等^［27］对底栖动物种类的调查研究，将带回实验室的物种鉴定至尽可能低的分类单元，部分受损物种鉴定至较低的分类即可。用滤纸吸干样本表面的固定液，置于电子秤（精度为0.0001）上称其湿重，之后将结果折算成单位面积的密度（只·m^-2）和生物量（g·m^-2）^［28］。

1.4　数据处理

利用物种数、密度、生物量、Shannon-Wiener多样性指数（H'）、Margalef丰富度指数（d_M ）、Pielou均匀度指数（J）、优势度指数（Y）等生物指数对黄河甘肃段不同生境底栖动物群落结构进行分析评价；采用BI指数与综合污染指数（P）评估该河段水质的健康状况。

对底栖动物群落与环境因子进行相关矩阵和除趋势对应分析（DCA）讨论之间的联系，依据除趋势对应分析结果得到的排序轴长度，若梯度长度<3，选择冗余分析（RDA）；若3<梯度长度<4，选择典范对应分析（CCA）。此外，利用蒙特卡洛检验，筛选出最佳的环境因子组合；为了优化分析，需对物种数据和环境因子数据进行lg（x+1）转化。

1.4.1　生物指数

采用Shannon-Wiener多样性指数（H'）、Margalef丰富度指数（d_M ）和Pielou均匀度指数（J）和优势度指数（Y）。生物指数与相应的水质等级标准见表1。

Y = (n_{i} / N) \cdot f_{i}

（1）

H^{'} = - \sum_{i = 1}^{s} (n_{i} / N) l n (n_{i} / N)

（2）

d_{M} = (S - 1) / l n N

（3）

J = (- \sum_{i = 1}^{s} (n_{i} / N) l n (n_{i} / N)) / l n S

（4）

式中：Y为优势度； $n_{i}$ 为第i种物种个体数；N为样品总个体数； $f_{i}$ 为第i种物种出现的频率；S为种类数。Y>0.02的种类为优势种。

表1 基于生物指数的水质等级评价标准^［29］

Table 1 Biological index and graded standards of water quality^［29］

生物指数

清洁

轻污染

中污染

重污染

Shannon-Wiener

多样性指数（H'）

H' >3

2≤H'≤3

1≤H'≤2

H'<1

Margalef

丰富度指数（d_M ）

d_M >3

2<d_M ≤3

1<d_M ≤2

d_M ≤1

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1.4.2　 BI 指数

利用BI指数评估该研究区域水质的健康状况：

B I = \sum_{i = 1}^{n} n_{i} \times \frac{t_{i}}{N}

（5）

式中： $n_{i}$ 为第i个分类单元的个体数； $t_{i}$ 为第i个分类单元的耐污值；N为样本总个体数。评价标准参见表2。

表2 基于 BI 指数的水质等级评价标准^［30］

Table 2 Evaluation standard of BI index^［30］

BI指数
<2.97	2.98~4.72	4.73~6.48	6.49~8.24	>8.24
最清洁	清洁	轻污染	中污染	重污染

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1.4.3　污染指数

污染指数包括单因子污染指数、综合污染指数与年内水质指数。

单因子污染指数是一种常用的水质评价方法，利用实测数据和标准对比分类评价水质，评价标准采用《地表水环境质量标准》（GB/T 3838—2002）II类和III类水质标准，计算公式为：

P_{i} = \frac{C_{i}}{C_{s i}}

（6）

式中： $C_{i}$ 为第 $i$ 个水质因子的检测浓度值，mg·L^-1； $C_{s i}$ 为第 $i$ 个水质因子的标准浓度值，mg·L^-1。

综合污染指数法是评价水质的一种重要方法，可更全面、综合评价水质污染状况，本文采用综合污染指数（P）进行水质综合评价^［31］：

P = \frac{1}{n} \sum_{i = 1}^{n} P_{i}

（7）

式中：n为污染物个数；P_i 为第i个水质因子的平均污染指数。评价标准见表3。

表3 基于综合污染指数的水质等级评价标准^［32］

Table 3 Evaluation standard of comprehensive pollution index^［32］

综合污染指数
≤0.20	0.21~0.40	0.41~0.70	0.71~1.00	1.0~2.0
清洁	尚清洁	轻度污染	中度污染	重污染

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2 结果与分析

2.1　底栖动物群落结构

2.1.1　物种组成及分布

调查期间在黄河甘肃段10个采样点共采集到底栖动物32种，隶属3门6纲13目23科（表4）。其中节肢动物分属3纲9目18科25种，占78.1%；软体动物1纲2目3科5种，占15.6%；环节动物2纲2目2科2种，占6.3%。本次调查采集到底栖动物366只，总生物量为22.1380 g·m^-2，各样点底栖动物现存量分布具有较大差异，上游段总密度和生物量分别为95只·m^-2和4.1275 g·m^-2，下游段总密度和生物量分别为271只·m^-2和18.0105 g·m^-2，其中Y6样点密度最大，为100只·m^-2，Y10样点生物量最大，为5.9781 g·m^-2（图2）。

表4 各样点底栖动物组成

Table 4 Composition of benthos at each sampling point

类别	物种	上游河段采样点					下游河段采样点
类别	物种	Y1	Y2	Y3	Y4	Y5	Y6	Y7	Y8	Y9	Y10
节肢动物	龙虱科	+		+			+	+
	潜蝽科	+					+
	摇蚊科	+		+	+			+
	大蚊科					+			+
	划蝽科	+	+	+			+
	黾蝽科						+	+		+	+
	纹石蛾科							+			+
	齿蛉科					+
	水虻科					+	+	+
	细蜉科									+	+
	象甲科						+			+
	石蝇科						+				+
	步甲科		+	+	+	+	+	+	+		+
	秀丽白虾						+	+	+	+
	蜓科						+			+
	泥甲科			+
	箭蜓科							+
	钩虾科							+	+		+
	春蜓科									+	+
	四节蜉科						+				+
软体动物	耳萝卜螺	+					+			+	+
	狄萝卜螺						+
	卵萝卜螺
	中华圆田螺								+	+
	扁卷螺						+		+
	肺螺类(无壳螺)						+		+	+
	田螺科								+	+
环节动物	石蛭科		+	+
	颤蚓科				+

+代表该物种存在。

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图2

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图2 底栖动物密度和生物量的空间变化

Fig.2 Spatial variations of density and biomass of macrozoobenthos

各采样点底栖动物物种组成空间差异较大。上游段物种相对匮乏，有14种（43.80%），下游段物种丰富，有25种（78.10%）。Y6物种最多，共16种，占50.0%，其次为Y7样点共10种，占31.30%，而在Y2和Y3采集到底栖动物最少，仅3种，占9.40%，表明下游段底栖动物物种数远远高于上游段。各样点密度变化幅度为13~100只·m^-2，变化趋势为下游段（271只·m^-2，占74.04%）>上游段（95只·m^-2，占25.96%）。节肢动物在所有采样点均采集到，环节动物仅在上游段发现，而软体动物除在上游河段Y1样点发现外，其余均在下游段分布，这说明底栖动物种类分布具有十分明显的区域性差异。上游段底栖动物多样性较差且物种较为单一，节肢动物占绝大部分且全部由昆虫纲组成，而软体动物与环节动物极少，软体动物仅在Y1样点处发现，Y5样点全部为节肢动物；下游段物种较丰富，虽无环节动物存在，但除节肢动物外，所有样点均有软体动物发现且数量较多，并且生物密度与生物量远高于上游。

2.1.2　优势种组成与分布

不同河段优势种的表现不同，且同一优势种在不同河段上的优势度也存在差异（表5）。黄河甘肃段现存主要优势种为节肢动物和软体动物，就整个研究区域而言，优势种种类较少，横纹划蝽、短脚溪泥甲、秀丽白虾、钩虾、耳萝卜螺和卵萝卜螺等6种为优势物种，其中横纹划蝽仅在上游干流和支流为优势种，在下游未表现出优势度，而秀丽白虾、钩虾、卵萝卜螺仅在下游为优势种，这种分布表现出明显的区域性差异。上游段耳萝卜螺仅在Y1样点为优势种，其余样点优势种均为节肢动物，且耳萝卜螺优势度值较低（Y=0.02），说明上游段底栖动物群落结构中优势种以划蝽科为主；下游段优势种共有5种，节肢动物中昆虫纲中仅有短脚溪泥甲表现为优势种，其余优势种均为长臂虾科和钩虾科，随着下游软体动物数量的增多，耳萝卜螺与卵萝卜螺也表现出较高的优势度值。一般认为，优势种种类越多且优势度越小，则群落结构越稳定、复杂，黄河甘肃段优势种分布趋势下游段（5种）>上游段（3种），表明下游段底栖动物群落结构稳定程度与复杂程度均高于上游段。

表5 优势种组成与分布

Table 5 Composition and distribution of dominant specie

类群	优势种	各采样点优势度值（Y）
类群	优势种	Y1	Y2	Y3	Y4	Y5	Y6	Y7	Y8	Y9	Y10
节肢动物	横纹划蝽	0.176	0.109	0.095
	短脚溪泥甲	0.020					0.024			0.273
	秀丽白虾							0.08		0.077
	钩虾								0.108		0.059
软体动物	耳萝卜螺	0.020					0.021
软体动物	卵萝卜螺							0.08		0.086	0.140

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2.1.3　群落物种多样性

黄河甘肃段底栖动物Shannon-Wiener多样性指数、Margalef丰富度指数与Pielou均匀度指数空间分布差异较大，Pielou均匀度指数变化较小（图3）。其中Shannon-Wiener多样性指数1.12~3.37，上下游变化幅度较大，上游段平均值为1.71，下游段平均值为2.53；Margalef丰富度指数0.69~3.26，与Shannon-Wiener多样性指数变化趋势大体一致，上游段平均值为1.13，下游段平均值为2.12；而Pielou均匀度指数0.70~0.88，上游段平均值为0.85，下游段平均值为0.81，整体变化趋势平稳，所采样点的均匀度指数相差较小。综合3种生物指数分析表明，黄河甘肃段下游底栖动物生物多样性和丰富度显著高于上游，但在物种分布上，各物种个体数目分配的均匀程度差别较小。

图3

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图3 各采样点底栖动物生物指数

Fig.3 Macrozoobenthic diversity index at each sample site

2.2　基于 BI 指数的水质评价

采样点BI指数最大值为6.21，最小值为3.48。所采河段BI指数为3.48~6.75，表明所采样点水质健康状况处于清洁到轻污染之间，除下游Y6和Y9样点为“清洁”外，其余样点均为“轻污染”（图4）。上游BI指数均值为5.59，下游BI指数均值为5.67，所有样点BI指数均未达到“中污染”程度。

图4

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图4 基于BI指数的水质评价

Fig.4 BI index of water quality assessment

2.3　基于水体理化指标的水质评价

所采河段pH值变化范围为8.79~9.60，均值为9.16，呈碱性，仅Y4、Y7和Y8样点符合《地表水环境质量标准》（GB/T3838—2002）III类规定，其余样点均不符合，上游段pH平均值为9.21，下游段pH平均值为9.10。DO为5.57~7.90 mg·L^-1，均值为6.59 mg·L^-1，属于I类和II类标准，波动变化范围较小。WT为15.20~25.90 ℃，上下游河段海拔沿程变化较大，加之地貌不同，WT波动较大。TDS为92.10~306.00 mg·L^-1，均值为190.66 mg·L^-1；EC为193.80~629.00 μS·cm^-1，均值为391.84 μS·cm^-1；盐度为0.09‰~0.30‰，均值为0.19‰。

黄河甘肃段研究区域总磷（TP）浓度0.003~0.180 mg·L^-1，属于I、II、III类水标准限值规定，所采样点上下游波动幅度较大，上游段均值为0.113 mg·L^-1，下游段均值为0.002 mg·L^-1；总氮（TN）浓度为0.073~2.637 mg·L^-1，I~V类标准均有，采样点波动幅度大，上游段均值为0.58 mg·L^-1，下游段均值为1.90 mg·L^-1；NH₃-N浓度范围为0.089~1.477 mg·L^-1，其中Y2、Y8点和Y10点为III类标准，其余样点均属于I、II类标准，上游段均值为0.266 mg·L^-1，下游段均值为0.784 mg·L^-1，沿程波动幅度大；高锰酸钾盐浓度2.667~5.905 mg·L^-1，上游段均值为5.15 mg·L^-1，下游段均值为3.28 mg·L^-1，上游段样点均属于III类标准，下游段样点均属于II类标准；COD_cr浓度为1.2~5.6 mg·L^-1，沿程波动幅度较小，上游段均值为3.94 mg·L^-1，下游段均值为3.36 mg·L^-1，均属于I类标准。综上各项指标所述，黄河甘肃段水环境质量主要为I、II、III类。

3 讨论

3.1　底栖动物群落结构特征

研究区域不同河段物种分布的差异性与河流沿程生境类型及环境因子所发生的梯度变化有关^［33］。上游段平均海拔3 200 m，步甲科占绝对优势，划蝽科次之，耳萝卜螺仅在Y1样点发现，Y1样点处水流缓慢且河床较浅，水温高于上游其余样点，这种生境条件为耳萝卜螺的栖息提供了庇护所；Y3、Y4和Y5样点均为黄河干流，Y4和Y5样点处河宽约250 m，水流湍急，河道中水草及浮游植物稀少；Y3样点为黄河九曲第一湾风景区周边，并且有支流白河汇入，植被覆盖度显著高于Y4与Y5样点，因此，Y3样点的生物多样性与丰富度在上游段达到最高。就上游段干流支沟而言，作为优势种的短脚溪泥甲通常出现在岸边缓流带的岩石缝隙，而寡毛类的水丝蚓则出现在干流泥沙丰富的区域。到了下游段，河流平均海拔降至1 500 m左右，平均水温相比上游低7 ℃，由于刘家峡水库及银滩湿地公园的建设使得河流生境发生了巨大的改变，昆虫纲中秀丽白虾和钩虾开始出现，随着水流冲刷作用的减弱，也为适应静水环境的椎实螺科、扁卷螺等生存提供了有利条件^［34］，使得基眼目数量上升并占据主导地位。黄河甘肃段底栖动物物种数稀少，以水生昆虫中的步甲科、划蝽科、钩虾科和长臂虾科以及软体动物中的椎实螺科为优势种，这与宋玉珍等^［35］调查的黄河兰州段底栖动物和殷旭旺等^［36］调查的渭河底栖动物中摇蚊幼虫分布广泛存在差异。摇蚊幼虫作为耐污种，可能近年来随着黄河干流水质的改善，丰度有所下降，在本次调查中数量较低，这与贾秋红等^［37］和褚可成等^［38］对黄河兰州段底栖动物的调查结果一致。另外，水库下游自然河段物种数及多样性较水库上游有所增加，这与王玥劼等^［39］在小浪底水库建成前后对大型底栖动物调查结论一致。对比拉萨河^［40］、雅鲁藏布江干支流^［41-42］和金沙江上中游^［43］这类高海拔、高寒地区河流的研究也发现，底栖动物群落均以水生昆虫占主导地位，而软体动物的存在主要为椎实螺科和扁卷螺等，这与本次采样分析结果相同。

3.2　水质评价

依据表1，通过计算Shannon-Wiener多样性指数和Margalef丰富度指数得到各样点水质评价结果，分别取上游和下游生物指数平均数进行评价，则Shannon-Wiener多样性指数评价结果为上游“中污染”，下游“轻污染”，Margalef丰富度指数评价结果为上游“重污染”，下游“中污染”（表6）。Pielou指数在黄河甘肃段沿程变化较小，因此Pielou指数不适合作为评价的指标，这与黄旭蕾等^［15］应用大型底栖无脊椎动物对黄河干流进行水质评价所得出的结论相同。BI指数评价结果表明，仅有2处样点达到清洁水平（图4），上游水质评价为轻污染，下游水质评价为清洁-轻污染，BI指数随河段逐渐降低说明水质状况沿程提高。

表6 基于生物指数的水质评价

Table 6 Biological index of water quality assessment

生物指数	采样点
生物指数	Y1	Y2	Y3	Y4	Y5	Y6	Y7	Y8	Y9	Y10
多样性指数（H'）	中污染	中污染	轻污染	中污染	轻污染	清洁	轻污染	中污染	轻污染	轻污染
丰富度指数（d_M ）	重污染	重污染	中污染	重污染	中污染	清洁	轻污染	中污染	中污染	中污染

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对黄河甘肃段水体理化指标的评价结果为，综合水质达到II类标准，这与张莉红^［44］、赵梦瑶等^［45］、魏晓燕等^［46］对黄河甘肃段不同样点水质分析的结论有相似之处。通过综合污染指数法对水质评价所得到的结果表明（表7），Y4和Y10样点为处于中污染，其余样点为轻污染，总体评价为轻污染。上游受人类活动影响较小，水体pH高于下游，除水库与湿地外，上游自然河道溶解氧含量也高于下游，对比发现，河流经库区与湿地后水质虽短暂提升，但在经过城市后，水体受TN和NH₃-N污染也显著增强。

表7 各采样点基于综合污染指数的水质评价

Table 7 Comprehensive pollution index of water quality evaluation

采样点	单项污染指数					综合污染指数P	等级划分
采样点	S_TP	S_TN	$S_{N H_{3} - N}$	S_{高锰酸钾盐}	S_CODcr	综合污染指数P	等级划分
Y1	0.276	0.631	0.369	0.921	0.347	0.509	轻污染
Y2	0.898	0.364	0.448	0.730	0.267	0.541	轻污染
Y3	0.562	0.652	0.317	0.874	0.233	0.528	轻污染
Y4	0.632	0.696	0.970	0.984	0.240	0.704	中污染
Y5	0.700	0.830	0.340	0.785	0.227	0.576	轻污染
Y6	0.155	0.645	0.593	0.667	0.293	0.470	轻污染
Y7	0.155	1.119	0.491	0.953	0.213	0.586	轻污染
Y8	0.264	0.982	0.804	0.849	0.373	0.654	轻污染
Y9	0.760	0.713	1.005	0.762	0.080	0.664	轻污染
Y10	0.349	1.319	0.984	0.866	0.160	0.736	中污染
均值	0.475	0.795	0.632	0.839	0.243	0.597	轻污染

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对比几种评价结果发现，Shannon-Wiener多样性指数和Margalef丰富度指数在水质评价中不够准确，夸大了水质污染程度。尽管底栖动物的群落结构是环境效应长期累积的表现，但其受自然环境因素影响较大，尤其在海拔超过3 000 m的河段运用多样性指数和丰富度指数进行水质评价时具有强烈的干扰，因此不适合作为本区域水质评价的参考指标。BI指数是基于底栖动物群落中不同物种耐污值评价的指标，评价结果相对准确，可选为本次评价的依据。结合水体理化指标来看，综合污染指数法相比BI指数更加精准，但评价结果显示的受污染程度也较高，主要由单因子污染指标影响，总体来看两种方法对水质评价的趋势相似。

3.3　底栖动物群落结构与环境因子的关系

Shannon-Wiener多样性指数（H'）、Margalef丰富度指数（d_M ）与盐度呈正相关；生物量与水温（WT）、总氮（TN）呈显著正相关，与氨氮（NH₃-N）呈正相关；密度与总磷（TP）呈负相关；物种数、密度、生物量、Shannon-Wiener多样性指数（H'）、Margalef丰富度指数（d_M ）均与高锰酸钾盐指数呈负相关；其余生物指数与水体理化因子之间未表现出相关性（表8）。与底栖动物群落结构相关性最高变量为高锰酸钾盐。

表8 底栖动物群落结构与环境因子的相关矩阵分析

Table 8 Correlation matrix analysis of macrozoobenthic community structure and environmental factors

	pH	DO	WT	盐度	TP	TN	NH₃-N	高锰酸钾盐	COD
物种数	-0.006	0.495	0.366	0.625	-0.593	0.433	-0.147	-0.702^*	-0.109
密度	0.052	0.329	0.409	0.251	-0.676^*	0.439	0.189	-0.699^*	0.150
生物量	-0.116	-0.124	0.795^**	0.199	-0.597	0.836^**	0.718^*	-0.743^*	-0.282
H'	-0.026	0.548	0.429	0.715^*	-0.569	0.400	-0.158	-0.737^*	-0.192
d_M	-0.108	0.466	0.373	0.743^*	-0.528	0.453	-0.189	-0.676^*	-0.172
J	0.180	0.350	-0.316	0.199	0.336	-0.514	-0.473	-0.057	-0.122

**. 在 0.01 水平（双侧）上显著相关；*. 在 0.05 水平（双侧）上显著相关。

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选取与相关矩阵中相同环境因子进行约束性分析。计算得物种单峰影响值梯度SD为2.8（SD<3），因此运用冗余分析（RDA）来探究底栖动物群落与环境因子之间的关系。蒙特卡洛置换检验筛选出于影响底栖动物分布的主导因子为WT，其次是TP（F=2.6，P=0.03）和COD_cr（F=2.9，P=0.048），其余环境因子与底栖动物分布关系不显著（P>0.05）。通过RDA分析可看出，异足目、端足目、十足目与NH₃-N呈正相关，基眼目、蜉蝣目、蜻蜓目与盐度、TDS呈正相关，咽蛭目与COD_cr呈正相关，半翅目与pH、DO呈正相关，其余物种与环境因子相关性并不强（图5）。另外，通过建立相关矩阵和RDA分析两种方法得到的相关性结论接近，证明研究区域底栖动物群落结构与环境因子联系十分紧密，利用物种分布可以很好地指示河流生境的沿程变化；其余个别指标相关性不足，可能与黄河甘肃段上、下游生境不同，群落结构组成差异较大有关。

两种相关性方法结果表明，黄河甘肃段底栖动物群落结构受自然环境与人类活动双重影响。高海拔地区水温较低，底栖动物以耐寒物种为主，通过对比发现，鞘翅目对于各类水生态环境的适应力较强，而基眼目对水温较为敏感，钩虾作为典型的冷水性种，较高的水温会抑制其生长。相关矩阵表明WT和TN浓度的升高对底栖动物生物量有着显著的促进作用，使得下游段采集到的生物体型相比上游段大。对于水质而言，上游段TN、NH₃-N明显低于下游段，下游段水库和人工湿地调节作用，降低了来自上游TP和高锰酸钾盐的累计量，为甲壳纲和螺类的栖息提供了有利条件。本次采样中耐污种的分布受不同环境因素影响，上游段水体受污染程度低，所发现的环节耐污种大多分布在泥沙含量较高的干流，而下游水体氮磷含量高，耐污种以钩虾、肺螺类和蜻蜓幼虫等为主。同时，在研究中还要考虑水体浊度、底质组成、植被类型、样点周围人类活动等多种环境因子对底栖动物群落结构的影响，例如浊度是通过影响光照透射率影响附着藻类和浮游植物的生长，从而影响以此为生的底栖动物^［47］。这充分说明底栖动物与环境因子之间的联系并不由单一指标决定，而是存在主因素和次因素的影响。

4 结论

本次黄河甘肃段采样共调查到底栖动物32种，分别为节肢动物25种，软体动物5种，环节动物2种；密度与生物量表现为下游段>上游段，Shannon-Wiener多样性指数（H'）和Margalef丰富度指数（d_M ）均表现出下游段显著高于上游段，Pielou均匀度指数（J）沿程变化不大，说明底栖动物群落结构较为稳定。

黄河甘肃段上、下游段底栖动物多样性与现存量差异较大，运用BI指数和综合污染指数相结合得到的水质评价结果较为准确，利用水体理化指标进行水质评价时可将高锰酸钾盐作为主要判断指标。本文研究表明，所采样点综合水质符合地表水II、III类水标准值限定，上游自然河段水质优于下游，水质最优样点为Y6刘家峡库区。

底栖动物和环境因子的相关矩阵及RDA分析表明，黄河甘肃段底栖动物分布与WT、TN、TP、NH₃-N、高锰酸钾盐之间存在相关性，其中水温和高锰酸钾是关键因子；随着海拔的降低，生物多样性及丰度逐渐提高，水中营养盐浓度升高，耐污种数量增多。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

黄建平，张国龙，于海鹏，等.

黄河流域近40年气候变化的时空特征

［J］.水利学报，2020，51（9）：1048-1058.