底栖动物是湖泊等水生态系统的重要生物类群，在物质循环和能量流动中发挥着积极的作用，有些类群还是水生态修复工程中使用较多的先锋物种^[1-2]。因其具有对环境敏感，迁移能力差等特点，也是监测评价水体环境健康状况的重要指示物^[3]。湖泊底栖动物的种类组成、分布特征、种群数量及生物多样性受到多种环境因素的共同作用，包括水环境理化特性、底质条件、沉积物营养盐含量、水生生物等诸多因素^[4-7]，其中水环境理化指标与底栖动物的相关性得到了较为广泛的研究^[8-9]。湖泊表层沉积物是底栖动物生长和栖息的直接环境，其组成特征及各理化因子对底栖动物群落的结构和功能有着重要影响。且有研究表明，相对于水体环境因子，沉积物因子对底栖动物的影响更为显著^{[7, 10]}。

沉湖位于湖北省武汉市蔡甸区西南部，是沉湖湿地自然保护区的主要湖泊之一。由于围湖造田、水产养殖等人为活动，其生态系统遭到严重破坏，富营养化程度日益严重。2017年沉湖拆除围网后，水质指标未见明显好转，反而有加重的趋势。目前对沉湖水体富营养化、生物多样性、深层沉积物等都有相关研究^[11-13]，但对沉湖底栖动物仅在2009年有零星报道^[14]。关于退渔还湿后沉湖底栖动物与环境因子的关系，特别是与表层沉积物营养盐关系的研究相对较少。本研究通过对沉湖底栖动物和表层沉积物营养盐开展周期性的调查，分析底栖动物群落与沉积物营养盐的关系，以期为沉湖富营养化的控制与治理提供参考，同时为退渔还湿型浅水湖泊的研究积累数据。

1 研究方法 1.1 样品采集与测定方法

根据沉湖形态特征，共设置5个采样点位(S1—S5)，沉湖采样点分布示意见图 1。于2022—2023年春(5月)、夏(8月)、秋(10月)、冬(1月)季分别调查底栖动物并采集沉湖表层沉积物样品。

底栖动物样品采用1/16彼得逊采泥器采集湖泊表层沉积物，现场经底栖生物网清洗后带回实验室，置白磁盘挑拣出活体并用75%酒精溶液固定。随后在显微镜或解剖镜下进行分类计数并称重，并根据采样面积换算成物种密度(ind./m²)和生物量(g/m²)。

同时用彼得逊采泥器采集表层沉积物(水深1.14~1.52 m)样品，取部分泥样装入自封袋冷藏保存带回实验室，自然风干研磨过筛(100目)，测定沉积物总氮(TN)、总磷(TP)和有机质(OM)的质量分数^[15]。

1.2 优势度、物种多样性计算与数据分析

本研究采用物种优势度(Y)来确定沉湖底栖动物的优势种^[16]，采用香农-维纳(Shannon-Wiener)多样性指数(H′)、皮耶罗(Pielou)均匀度指数(J)和Margalef指数(D)^{[7, 17]}分析底栖动物的群落特征，计算公式如下：

$ Y=\frac{N_i}{N} f_i $

(1)

$ H^{\prime}=-\sum \frac{N_i}{N} \ln \frac{N_i}{N} $

(2)

$ J=\frac{H^{\prime}}{\ln S} $

(3)

$ D=\frac{S-1}{\ln N} $

(4)

式中：N_i——采样点某个物种i的个体数；N——采样点底栖动物所有种的总数量；f_i——某个物种i出现的样点数与总样点数的比值；S——采样点所包含的物种数；Y>0.02为优势种。

1.3 水质生物学评价

经H′、J和D 3种多样性指数和Goodnight-Whitley修正指数(GBI)、生物学污染指数(BPI)2种生物指数^[18-19]数据分析发现，J在沉湖各采样点评价结果为清洁，GBI指示该湖春、夏、秋三季处于清洁状态^[17]，这明显不符合沉湖的污染现状，因此本研究采用H′、D和BPI 3种生物学指数进行沉湖水质的评价，评价标准见表 1。

1.4 沉积物评价

采用有机污染指数法(OI)、污染指数法(PI)分别对沉湖表层沉积物营养盐的污染状况进行评价，计算公式如下^[20-21]：

$ \mathrm{OI}=\frac{\mathrm{OM}}{1.724}+0.95 \times \mathrm{TN} $

(5)

$ \mathrm{PI}=\frac{C_i}{C_{i s}} $

(6)

式中：OI——有机指数；C_i——评价因子i的实测值，mg/kg；C_is——评价因子i的标准值，mg/kg，TP的C_is取420 mg/kg。

OI对应的评价标准如下：OI < 0.05，清洁；0.05≤OI < 0.2，较清洁；0.2≤OI < 0.5，尚清洁；OI≥0.5，有机污染。

PI对应的评价标准如下：PI < 0.5，清洁；0.5≤PI < 1，轻度污染；1≤PI < 1.5，中度污染；PI≥1.5，重度污染。

1.5 数据分析

原始数据采用Excel 2021进行计算，利用Origin 2024b进行绘图，运用SPSS 19.0统计软件进行单变量双因素方差分析法(Two-way ANOVA)分析底栖动物密度、生物量和多样性指数及沉积物营养盐的时空差异；使用皮尔森(Pearson)相关系数探讨底栖动物群落与沉积物营养盐的相关性。

2 结果与分析 2.1 底栖动物 2.1.1 物种组成

沉湖底栖动物名录及优势种见表 2。

由表 2可见，沉湖春、夏、秋、冬季共采集到底栖动物14种，隶属2门3纲。其中春季采集到底栖动物8种、夏季4种、秋季3种、冬季5种。沉湖底栖动物优势种存在明显的季节变化。其中，春季的优势种为弯铗摇蚊(Cryptotendipes sp.)、刺铗长足摇蚊(Tanypus punctipennis)、颤蚓(Tubifex sp.)、霍甫水丝蚓(Limnodrilus hoffmeisteri)；夏季优势种为羽摇蚊幼虫(Chironomus plumosus)、前突摇蚊(Procladius sp.)、长跗摇蚊(Tanytarsus sp.)、水丝蚓(Limnodrilus sp.)；秋季优势种为羽摇蚊幼虫、长跗摇蚊；冬季优势种为羽摇蚊幼虫、前突摇蚊、红裸须摇蚊(Propsilocerus akamusi)、霍甫水丝蚓、尾鳃蚓(Branchiura sp.)。综合4次调查情况来看，沉湖优势种为霍甫水丝蚓、长跗摇蚊、羽摇蚊幼虫、刺铗长足摇蚊、前突摇蚊。

2.1.2 底栖动物密度、生物量和多样性指数的时空差异

沉湖底栖动物密度、生物量、多样性指数时空差异见图 2(a)(b)(c)。

由图 2(a)可见，底栖动物的密度范围为576~15 936 ind./m²，平均值为2 798.4 ind./m²。春季底栖动物平均密度为1 126.4 ind./m²，夏季底栖动物平均密度为1 632 ind./m²，秋季底栖动物平均密度为1 510.4 ind./m²，冬季底栖动物平均密度为6 924.8 ind./m²。春季和冬季底栖动物密度的主要贡献者为寡毛类，夏季和秋季主要贡献者为水生昆虫(摇蚊类)。底栖动物密度有明显的季节差异，冬季密度明显高于其他季节(P < 0.05)；各采样点位的底栖动物密度无明显的空间差异(P>0.05)。

由图 2(b)可见，底栖动物的生物量范围为0.34~113.72 g/m²，平均值为13.12 g/m²。春季沉湖底栖动物平均生物量为3.14 g/m²；夏季底栖动物平均生物量为1.37 g/m²；秋季底栖动物平均生物量为1.93 g/m²；冬季底栖动物平均生物量为46.18 g/m²。底栖动物生物量的变化趋势与密度相似，冬季生物量明显高于其他季节(P < 0.05)；各采样点位的底栖动物生物量无明显的空间差异(P>0.05)。

由图 2(c)可见，调查期间沉湖底栖动物H′、J、D范围分别为0.61~1.32，0.71~0.99，0.13~0.69。H′和D有明显的季节差异(P < 0.05)，S2采样点位的底栖动物3种多样性指数与S4、S5点位存在明显的差异(P < 0.05)。

2.2 沉积物

调查期间沉湖各点位沉积物营养盐的分布情况见表 3。

由表 3可见，沉湖各点位表层沉积物中ω(TN)排序依次为S5＞S4＞S3＞S1＞S2，S5点位的ω(TN)显著高于S3、S1和S2点位(P < 0.05)。沉湖各点位表层沉积物中ω(TP)排序依次为S5＞S4＞S3＞S2＞S1，S5点位的ω(TP)显著高于S3、S2和S1点位(P < 0.05)。沉湖各点位表层沉积物中ω(OM)排序依次为S5＞S4＞S1＞S3＞S2，各采样点位的ω(OM)无显著性差异。相关性分析结果显示，沉积物TN和TP存在显著正相关(P < 0.05)，OM与TN、TP相关性不显著(P> 0.05)。

2.3 底栖动物群落和表层沉积物营养盐的关系

底栖动物群落与表层沉积物营养盐的相关性见表 4。由表 4可见，底栖动物群落3种多样性指数、密度、生物量，摇蚊类和寡毛类的密度、生物量与沉积物TN、TP均不存在显著相关性(P> 0.05)，H′、D与OM呈显著负相关(P < 0.05)。

2.4 沉湖底层环境污染评价

通过有机污染指数法和TP单项污染指数法对沉湖调查区域表层沉积物的营养盐状况进行评价，结果见图 3。由图 3可见，表层沉积物OI值范围为0.53~1.50，5个采样点均处于有机污染水平。各采样点表层沉积物的TP单项污染指数(PI)值范围为1.93~2.42，5个采样点位均处于重度污染水平。

沉湖底栖动物3种生物学指数评价结果见图 4。由图 4可见，底栖动物的H′结果显示，S2点位为中度污染，其他点位为重度污染；D结果显示，各点位为重度污染状态；BPI显示，沉湖处于重度污染状态。

3 讨论 3.1 沉湖底栖动物组成

在本调查年度，沉湖出现的底栖动物中节肢动物占比最多，其次为环节动物，其中以水生昆虫(摇蚊类)、寡毛类处于绝对优势地位，而体型较大的软体动物仅采集到空壳。沉湖虽采取了退渔还湿措施，但目前仍处于无沉水植物生长、生境相对单一的中富营养藻型湖泊^[22-23]。沉湖底栖动物调查结果同长江中下游及湖北省内的富营养化湖泊结果一致^[22-23]，群落主要由耐污性强的小个体种类(寡毛类)和摇蚊类等组成，多样性指数低，有趋于简单化的演替趋势。

调查期间，春季和冬季寡毛类密度和生物量占比较高，夏季和秋季以摇蚊类占比最高。密度和生物量在不同季节波动的主要原因是：(1)水生昆虫(摇蚊类)丰度夏、秋季高于其他季节，表明夏、秋季是沉湖摇蚊类的重要繁殖期，而在温度较低的季节处于滞育状态的摇蚊类在竞争中处于相对弱势^[24-25]；(2)红裸须摇蚊为冬季的优势种，当水温＞19 ℃时，会迁移至采集深度以外^[26-27]；(3)寡毛类丰度春季和冬季较高，特别是冬季数量和生物量有显著增加，寡毛类在春季繁殖期后随即死亡，导致夏季数量急剧降低，而冬季沉湖水体底部较低的水温有利于寡毛类在竞争中占据优势地位^[28-29]；(4)未采集到对营养盐富集和缺氧环境敏感的螺蚌类，与沉湖退渔还湿后底质营养成分高、悬浮颗粒物增加(影响底层光强和溶解氧浓度)、沉水植被尚未恢复等有关，前期大量死亡的软体动物在短时间内恢复较为困难^[16]。

3.2 底栖动物分布与表层沉积物营养盐的关系

关于底栖动物群落和环境因子的关系，有研究表明，水体富营养化程度越高，对底栖动物的影响越显著^[30]，底栖动物随水深度增加其多度逐渐下降^[31]，寡毛类对低溶解氧的耐受性更强^[32]等。表层沉积物是底栖动物生长发育繁殖的场所，其营养物质(TN、TP、OM)含量对底栖动物群落有着重要影响^[33]。本年度调查结果显示，TN和TP与底栖动物多样性指数、密度、生物量相关性不显著，与淀山湖等湖泊底栖动物与TN和TP存在显著的相关性不同^{[4, 7]}，可能与沉湖表层沉积物ω(TN)和ω(TP)较高有关；仅OM与底栖动物多样性指数(H′和D)呈显著负相关，可能与作为主要食物来源的有机质^[34]对耐污种摇蚊类和寡毛类的生长有促进作用，但沉湖表层沉积物有机质过于丰富会导致环境缺氧，底栖动物的丰富度明显下降^[35]。物种多样性单峰分布理论也表明，中度营养水平的生境中具备最高的物种多样性，随营养程度增加物种多样性降低^[36]。本研究调查显示，各采样点沉积物TN、TP、OM均处于富营养化水平，影响底栖动物多样性的关键沉积物因子为有机质，反映了沉湖底栖动物群落结构随营养状态增加趋于简单化的演替趋势。

3.3 沉湖污染评价

H′、D和BPI指数可以科学评价生境状态，在水体环境质量评价中得到了广泛应用，但由于原理不同，不同指数给出的评价结果也会存在差异。本研究结果显示，除S2点位的H′＞1.0，显示为中度污染，其他指数均表明各采样点位为重度污染。基于底栖动物的水质生物学评价结果与沉湖2022年水质监测评价结果基本一致(https://www.caidian.gov.cn/zwgk/xxgkml/zdly/hjbh/hjzljcxx/)。沉湖表层沉积物中的TN、TP、OM质量分数处于较高水平，表层沉积物5个采样点均处于有机污染水平和重度污染水平。在采取退渔还湿等措施有效控制外源性营养盐的前提下，沉积物是沉湖潜在的污染源，有较大的安全风险。综合底栖动物H′、D和BPI及与表层沉积物TN、TP、OM相关的指标对沉湖底层环境质量进行污染评价，结果表明沉湖处于中—重度污染状态。

4 结论

(1) 本调查周期内，沉湖共鉴定出底栖动物14种，隶属2门3纲。种类组成上节肢动物占优势，其次是环节动物；优势种为霍甫水丝蚓、长跗摇蚊、羽摇蚊幼虫、刺铗长足摇蚊和前突摇蚊；优势种随季节发生一定程度的变化，由春季的摇蚊类逐步转变为冬季的寡毛类；冬季底栖动物密度和生物量明显高于其他季节；春季底栖动物的H′、D较高。

(2) 沉湖表层沉积物中TN和TP存在显著正相关，TN、TP质量分数存在显著空间差异，底栖动物多样性指数(H′和D)与OM呈显著负相关。

(3) 综合底栖动物H′、D和BPI及沉积物氮、磷、有机质相关的评价指数显示，沉湖处于中—重度污染状态。