漓江大型底棲無脊椎動(dòng)物及其與水環(huán)境的關(guān)系

楊青瑞,陳求穩(wěn)

(中國科學(xué)研究院生態(tài)環(huán)境研究中心,北京 100085)

大型底棲動(dòng)物是河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,維持其物種多樣性對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的健康發(fā)展具有重要意義。大型底棲動(dòng)物壽命較長,遷移能力有限,其生長、繁殖、群落演替和群落結(jié)構(gòu)的變化與水環(huán)境因子有著密切的關(guān)系,水質(zhì)、水深、水溫、底質(zhì)、高等水生植物分布等是決定大型底棲動(dòng)物種類分布的重要環(huán)境因子[1-7]。研究大型底棲生物分布能夠直接反映水環(huán)境現(xiàn)狀,為河流生態(tài)系統(tǒng)的健康評(píng)價(jià)提供參考。近年來,大型底棲無脊椎動(dòng)物以其獨(dú)特的優(yōu)越性而被廣泛應(yīng)用于水生態(tài)影響評(píng)價(jià)。夏愛軍等[8]曾利用底棲生物Goodnight生物指數(shù)和Shannon-Wiener指數(shù)很好地評(píng)價(jià)了長江江蘇段水質(zhì)狀況;王建國等[9]利用大型底棲無脊椎動(dòng)物耐污值評(píng)價(jià)了廬山地區(qū)水質(zhì)污染變化趨勢。

本研究以漓江為對(duì)象,在整個(gè)流域范圍內(nèi)選取代表性的江段,定量采集大型底棲無脊椎動(dòng)物標(biāo)本,并測定主要的水文和水環(huán)境指標(biāo),探討大型底棲無脊椎動(dòng)物與環(huán)境因子之間的關(guān)系,試圖在流域尺度上研究大型底棲動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)變化及其影響因子,為評(píng)價(jià)漓江上游水庫為下游河道枯季航運(yùn)補(bǔ)水所造成的水生態(tài)影響提供理論基礎(chǔ)及相關(guān)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況及樣點(diǎn)設(shè)置

漓江位于廣西壯族自治區(qū)東部,屬珠江水系,發(fā)源于“華南第一峰”桂北越城嶺貓兒山。漓江上游主流稱為六峒河;由溶江鎮(zhèn)匯靈渠水,流經(jīng)靈川、桂林、陽朔,至平樂,匯入西江,全長 214km,流域面積為12285km2。從桂林到陽朔約83km的水程稱為漓江。漓江是世界上規(guī)模最大、風(fēng)景最美的巖溶山水游覽區(qū),林豐木秀,空氣清新,生態(tài)環(huán)境極佳。由于獨(dú)特的喀斯特地貌,漓江流量季節(jié)性變化劇烈,在12～12000m3/s之間,枯季嚴(yán)重影響航運(yùn)。為了保障枯水期漓江兩岸的用水和航運(yùn),同時(shí)改善河道水生態(tài)狀況,擬分3期實(shí)施水庫調(diào)節(jié),使枯水期桂林站流量分別達(dá)到30m3/s,45m3/s和60m3/s,目前第1期補(bǔ)水目標(biāo)30m3/s已經(jīng)通過青獅潭水庫實(shí)現(xiàn)。

本研究于2009年8—9月間選取漓江上、中、下游3個(gè)江段(分別為甘棠江段、大圩江段、福利江段),其中上游甘棠江段長7km,沿岸植被茂盛,河底水草豐富,底質(zhì)以卵石和淤泥為主;中游大圩江段長6km,底質(zhì)以鵝卵石為主;下游福利江段長7 km,沿岸植被稀少,主要為人工栽植的鳳尾竹,底質(zhì)以沙石為主。研究江段全長20km,隨機(jī)設(shè)置150個(gè)采樣點(diǎn),分不同生境采集大型底棲無脊椎動(dòng)物,研究其空間分布及其與水環(huán)境條件變化的關(guān)系。

1.2 樣本采集

對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行定量采樣,依據(jù)不同生境,當(dāng)水深小于或等于0.5m時(shí),采用Surber網(wǎng)(0.09 m2,40目)取樣;當(dāng)水深大于0.5m時(shí),采用Peterson改良式采泥器(1/20m2)取樣,現(xiàn)場用網(wǎng)目為250μ m的篩子篩洗樣品,挑選出大型底棲無脊椎動(dòng)物,放入100mL標(biāo)本瓶中,浸入5%的甲醛溶液,帶回實(shí)驗(yàn)室,在解剖鏡下鑒定、計(jì)數(shù)[10-11],最后用吸水紙吸干底棲動(dòng)物表面的液體,用精度為0.00001的天平稱其濕質(zhì)量。共采集樣點(diǎn)150個(gè),其中上游54個(gè),中游48個(gè),下游48個(gè)。

1.3 環(huán)境因子測定

參考相關(guān)文獻(xiàn)中所報(bào)道的指標(biāo)[12],分別選取水溫(T)、電導(dǎo)率(κ)、鹽度(Sal)、濁度(TUR)、溶解氧(DO)、pH、水深(H)、流速(v)、總磷(TP)、總氮(TN)、化學(xué)需氧量(CODMn)、底質(zhì)類型作為本研究的環(huán)境因子。T,κ,Sal,TUR,DO,pH均用便攜式Y(jié)SI6600現(xiàn)場測定;v采用螺旋式流速儀進(jìn)行測定;H用直尺測定;另外,每個(gè)采樣點(diǎn)采集水樣1000mL,帶回實(shí)驗(yàn)室后分別采用GB 3838—2002[13]中規(guī)定的鉬酸銨分光光度法、堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法和高錳酸鹽法測定TP,TN,CODMn。

1.4 參數(shù)選擇

本研究分別以Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson指數(shù)、均勻度、優(yōu)勢度和豐富度指數(shù)等5個(gè)參數(shù)分析漓江大型底棲無脊椎動(dòng)物的空間分布特征。Shannon-Wiener指數(shù)H′=-∑pilog2pi,式中pi為第i種物種個(gè)體數(shù)占全部樣本個(gè)體數(shù)的比例,pi=ni/N,ni為第i種物種的個(gè)體數(shù),N為所有物種的總個(gè)體數(shù)[14]。Simpson指數(shù)[14]D=1-∑pi2。均勻度[15]J=H′/(log2S),H′為 Shannon-Wiener指數(shù) ,S為樣品中物種類數(shù)。優(yōu)勢度[16]Y=(ni/N)fi,fi為第i種物種在各站位出現(xiàn)的頻率,以Y＞0.02作為優(yōu)勢種。豐富度指數(shù)[14]D′=(S-1)lgN。

1.5 相關(guān)性分析

通過反復(fù)比選,本研究最終采用典范對(duì)應(yīng)分析方法研究底棲大型無脊椎動(dòng)物與水環(huán)境因子的關(guān)系。典范對(duì)應(yīng)分析是基于對(duì)應(yīng)分析發(fā)展而來的一種排序方法,將對(duì)應(yīng)分析與多元回歸分析相結(jié)合,每一步計(jì)算均與環(huán)境因子進(jìn)行回歸。其基本思路是在對(duì)應(yīng)分析的迭代過程中,每次得到的樣方排序坐標(biāo)值均與環(huán)境因子進(jìn)行多元線性回歸。該方法要求2個(gè)數(shù)據(jù)矩陣,一個(gè)是物種數(shù)據(jù)矩陣,一個(gè)是環(huán)境數(shù)據(jù)矩陣。首先計(jì)算出1組樣方排序值和種類排序值,然后用回歸分析方法將樣方排序值與環(huán)境因子結(jié)合起來,這樣得到的樣方排序值既反映了樣方種類組成對(duì)群落的作用,也反映了環(huán)境因子的影響,再用樣方排序值加權(quán)平均求種類排序值,使種類排序值也與環(huán)境因子相關(guān)。該方法的最大優(yōu)點(diǎn)是把樣方、對(duì)象與環(huán)境因子的排序結(jié)果表示在同一排序圖上。

采用SPSS17.0對(duì)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用CANOCO4.5軟件進(jìn)行典范對(duì)應(yīng)分析。

2 分析結(jié)果

2.1 空間分布特征

本次調(diào)查采集樣本7315個(gè),共有18個(gè)物種,隸屬于 6綱 13科,昆蟲綱 8種,腹足綱8種,甲殼綱1種,瓣鰓綱1種。按照公式Y(jié)=(ni/N)fi對(duì)物種優(yōu)勢度進(jìn)行計(jì)算,當(dāng)Y＞0.02該物種為優(yōu)勢種。結(jié)果表明,紋石蠶、黑龍江短溝蜷為漓江上、中游優(yōu)勢種;紋石蠶、黑龍江短溝蜷、河蜆為漓江下游優(yōu)勢種;紋石蠶、黑龍江短溝蜷為整個(gè)漓江水系優(yōu)勢種,見表1。從表1中可以看出,物種Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson指數(shù)、均勻度均呈現(xiàn)出下游大于中游、中游大于上游的趨勢;而物種豐富度指數(shù)呈現(xiàn)出下游小于中游、中游小于上游的趨勢。

表1 漓江大型底棲生物多樣性指數(shù)

張益峰[17]對(duì)漓江水域的調(diào)查結(jié)果表明,底棲動(dòng)物物種數(shù)為93個(gè),平均密度和生物量分別為1903.8個(gè)/m2和146.2g/m2,漓江干流中蝦和螺類的生物量較大。曹艷霞等[18]對(duì)漓江流域干支流的底棲動(dòng)物分布也進(jìn)行了調(diào)查,總物種數(shù)為169個(gè),昆蟲綱占所有底棲動(dòng)物種類的84.61%,甲殼綱、軟體動(dòng)物類、寡毛類等種類個(gè)體數(shù)占底棲動(dòng)物總量的15.39%;漓江干流多樣性指數(shù)的平均值為2.248,干流上的均勻度指數(shù)平均值為0.871。干流物種組成以雙翅目搖蚊科、螺類以及寡毛類種類最多。通過對(duì)比3次調(diào)查的結(jié)果發(fā)現(xiàn),在不同年份漓江干流底棲動(dòng)物的種類組成有差異,但優(yōu)勢種狀況基本保持不變。

對(duì)漓江水系大型底棲無脊椎動(dòng)物的密度和生物量空間分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果表明:漓江上游物種密度范圍為11～1011個(gè)/m2,均值為104個(gè)/m2;中游物種密度范圍為11～1 180個(gè)/m2,均值為163個(gè)/m2;下游物種密度范圍為 11～1 980個(gè)/m2,均值為187個(gè)/m2。上游生物量范圍為 0.013～329.380g/m2,均值為19.738g/m2;中游生物量范圍為0.002～394.450g/m2,均值為34.303g/m2;下游生物量范圍為0.009～681.250g/m2,均值為52.818g/m2。由此可見,大型底棲無脊椎動(dòng)物的平均密度和平均生物量也呈現(xiàn)出下游大于中游、中游大于上游的趨勢。

2.2 關(guān)鍵影響因子

為了探討不同環(huán)境因子對(duì)漓江水系大型底棲無脊椎動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)和分布的影響,將大型底棲無脊椎動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)與11個(gè)環(huán)境因子進(jìn)行典范對(duì)應(yīng)分析,見表2。建立2個(gè)矩陣,1個(gè)是大型底棲無脊椎動(dòng)物矩陣,另1個(gè)是環(huán)境因子矩陣。CCA排序圖中,前2個(gè)排序軸的特征值分別為0.455和0.144,前兩軸能夠解釋物種與環(huán)境因子間總變異量的69.8%。11個(gè)環(huán)境因子中,電導(dǎo)率與第1軸呈最大負(fù)相關(guān)(-0.773 3),其次為鹽度(-0.7674)、化學(xué)需氧量(-0.4411)、總磷(-0.422 0)、水溫(-0.4158);濁度與第1軸呈最大正相關(guān)(0.415 3);水深與第2軸呈最大負(fù)相關(guān)(-0.3071)。綜上所述,水溫、電導(dǎo)率、鹽度、濁度、水深、總磷、化學(xué)需氧量為影響漓江大型底棲無脊椎動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)和分布的主要環(huán)境因子。

表2 漓江11種環(huán)境因子監(jiān)測結(jié)果

3 結(jié) 語

用于河流健康評(píng)價(jià)的生物包括細(xì)菌、浮游動(dòng)物、藻類、高等水生植物、魚類和大型底棲無脊椎動(dòng)物等[19]。目前大型底棲無脊椎動(dòng)物的應(yīng)用最為廣泛,其特點(diǎn)是種類多、生活周期長;活動(dòng)場所比較固定,易于采集;不同種類對(duì)水質(zhì)的敏感性差異大,受外界干擾后群落結(jié)構(gòu)的變化趨勢可以反映水環(huán)境變化的性質(zhì)和程度。大型底棲動(dòng)物的分布特征受棲息環(huán)境、季節(jié)變化以及人類活動(dòng)等綜合因素的影響,這些因素不僅影響底棲動(dòng)物生物量和棲息密度的時(shí)空分布,而且改變了群落的結(jié)構(gòu)特征。研究表明,紋石蠶、黑龍江短溝蜷為漓江水系的優(yōu)勢種,這2種底棲生物均為清水指示種,表明目前漓江的水質(zhì)狀況良好。

非生物因素中的水溫、電導(dǎo)率、鹽度、濁度、水深、總磷、化學(xué)需氧量為影響漓江大型底棲無脊椎動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)和分布的主要環(huán)境因子,這一結(jié)果與其他學(xué)者的研究結(jié)論類似。研究結(jié)果對(duì)于分析漓江枯季航運(yùn)補(bǔ)水對(duì)下游生態(tài)環(huán)境的影響具有重要意義,今后將重點(diǎn)研究水庫運(yùn)行引起的水溫、鹽度等關(guān)鍵環(huán)境因子的變化,評(píng)價(jià)環(huán)境因子變化對(duì)底棲生物生境的影響及其導(dǎo)致的底棲生物空間分布的變化。

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