西泉眼水庫(kù)水源地10月大型底棲動(dòng)物群落特征及其與環(huán)境因子的關(guān)系1)

李佳娟 于洪賢 劉曼紅 費(fèi) 滕

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

大型底棲動(dòng)物具有生命周期長(zhǎng)、區(qū)域性強(qiáng)、遷移力弱、分布廣泛、較易辨認(rèn)等特點(diǎn)，在水生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)中發(fā)揮著不可替代的作用［1］。它不僅能夠反映當(dāng)?shù)鼐C合生態(tài)條件，而且能對(duì)生態(tài)環(huán)境的惡化和改善做出迅速響應(yīng)，同時(shí)，采樣比較容易，成本低［2］。此外，大型底棲動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)、優(yōu)勢(shì)種類(lèi)、現(xiàn)存量等參數(shù)還可以反映環(huán)境因子的長(zhǎng)期變化情況［1］，對(duì)此，國(guó)內(nèi)外已有較多的研究［3－9］。研究大型底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)及其與環(huán)境因子之間的關(guān)系可為漁業(yè)的發(fā)展、水體污染評(píng)價(jià)與治理、水域環(huán)境保護(hù)等提供基礎(chǔ)資料和科學(xué)依據(jù)。

西泉眼水庫(kù)是哈爾濱市重要的水源地，位于松花江右岸一級(jí)支流阿什河上游的尚志、五常、阿城3市交界處，距哈爾濱市區(qū)93 km。水庫(kù)始建于1992年，1996年竣工蓄水，總?cè)萘?.78億m3，是黑龍江省最大的水庫(kù)之一，預(yù)計(jì)2013年向哈爾濱市區(qū)供水。水質(zhì)的好壞直接關(guān)系到哈爾濱市近千萬(wàn)居民的飲水安全，因而加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)就顯得尤為必要。自水庫(kù)建成以來(lái)，生態(tài)環(huán)境的改變、農(nóng)藥化肥的大量使用、旅游業(yè)的繁榮已使水庫(kù)水質(zhì)受到很大影響。近年來(lái)，對(duì)西泉眼水庫(kù)水質(zhì)評(píng)價(jià)及富營(yíng)養(yǎng)化狀況的研究報(bào)道較多［10－11］，而對(duì)大型底棲動(dòng)物與環(huán)境因子的關(guān)系研究卻未見(jiàn)報(bào)道。本研究以西泉眼水庫(kù)秋季大型底棲動(dòng)物為對(duì)象，分析庫(kù)內(nèi)大型底棲動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)及其與環(huán)境因子的關(guān)系，為水庫(kù)的保護(hù)與治理提供生物學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 采樣點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)地表水監(jiān)測(cè)的相關(guān)要求，結(jié)合西泉眼水庫(kù)的實(shí)際情況，本研究于2010年10月分別在阿什河入口、黃泥河入口、水庫(kù)中心、雙龜山、大壩出水口、阿什河上游等地設(shè)置采樣點(diǎn)13個(gè)，如圖1所示。

1.2 采樣方法

根據(jù)國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局關(guān)于“水環(huán)境(生物部分)監(jiān)測(cè)規(guī)范”［12］的要求，2010年10月對(duì)西泉眼水庫(kù)各采樣點(diǎn)進(jìn)行大型底棲動(dòng)物采樣，樣品用1/16 m2彼得遜采泥器采集，經(jīng)4%甲醛溶液固定后帶回實(shí)驗(yàn)室，用40目尼龍篩洗凈后置于白瓷盤(pán)中將大型底棲動(dòng)物挑出，用75%乙醇保存，進(jìn)行種類(lèi)鑒定、計(jì)算和稱(chēng)質(zhì)量。相關(guān)化學(xué)指標(biāo)參照國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局頒布的《水和廢水監(jiān)測(cè)方法》［13］進(jìn)行測(cè)定，各采樣點(diǎn)用GPS全球定位系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)定位。

圖1 西泉眼水庫(kù)采樣點(diǎn)示意圖

1.3 數(shù)據(jù)處理

大型底棲動(dòng)物群落劃分采用Bray－Curtis相似性系數(shù)聚類(lèi)分析和多維尺度(MDS)分析［14－16］，在 SPSS16.0 軟件上運(yùn)行;利用典范對(duì)應(yīng)分析(canonical corrspondence analysis，CCA)對(duì)大型底棲動(dòng)物與環(huán)境因子的相互關(guān)系進(jìn)行研究，在CANOCO4.5軟件上運(yùn)行、作圖。

物種多樣性及生物指數(shù)采用物種優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(y)［17］、Margalef種類(lèi)豐富度指數(shù)(d)［18］、Shannon － Wiener多樣性指數(shù)(H)［19］、Pielou 均勻度指數(shù)(J)［20］和 Goodnight－ Whitley 生物指數(shù)(GI)［21］進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析。各指數(shù)計(jì)算式分別為:

式中:N為所有種的個(gè)體總數(shù);ni為第i種的個(gè)體數(shù);fi為該種在各樣品中出現(xiàn)的頻率，當(dāng)y＞0.02時(shí)，該種即為優(yōu)勢(shì)種;S為總種數(shù);n'i為寡毛類(lèi)的個(gè)體數(shù)或密度。

2 結(jié)果與分析

2.1 大型底棲動(dòng)物的種類(lèi)組成和優(yōu)勢(shì)度

本研究共采集到大型底棲動(dòng)物50種(表1)，隸屬3門(mén)4綱10目18科。其中:節(jié)肢動(dòng)物41種，占總數(shù)的82%;環(huán)節(jié)動(dòng)物7種，占14%;軟體動(dòng)物2種，占4%。從表1可以看出:西泉眼水庫(kù)大型底棲動(dòng)物群落主要由搖蚊幼蟲(chóng)和其他水生昆蟲(chóng)組成，而軟體動(dòng)物的種類(lèi)和密度均很少，這是由于軟體動(dòng)物分布稀疏且采樣面積小所致。群落中優(yōu)勢(shì)種為紋石蛾(Hydropsyche sp.)1種、劃蝽(Arctocorisa sp.)1種、中華搖蚊(Chironomus sinicus)、霍甫水絲蚓(Limnodrilus hoffmeisteri)。

2.2 大型底棲動(dòng)物的生物量和密度

各類(lèi)大型底棲動(dòng)物的生物量及各物種棲息密度如表1所示。節(jié)肢動(dòng)物的生物量居明顯優(yōu)勢(shì)，占總量的79.86%;環(huán)節(jié)動(dòng)物次之，占19.58%;軟體動(dòng)物最小，占0.56%。大型底棲動(dòng)物部分種類(lèi)總平均密度的標(biāo)準(zhǔn)差都較平均值大很多，如紋石蛾(Hydropsyche sp.)1種總平均密度標(biāo)準(zhǔn)差(1 103 ind·m－2)為平均密度(363 ind·m－2)的3倍，說(shuō)明大型底棲動(dòng)物在各采樣點(diǎn)的密度差異較大，即大型底棲動(dòng)物在研究區(qū)的分布具有顯著的空間差異性。由表2所示，各采樣點(diǎn)的生物量和密度變化明顯，大型底棲動(dòng)物的高生物量和高密度區(qū)主要分布在10#～13#采樣點(diǎn)(阿什河上游)，更說(shuō)明了物種分布不均。從采樣情況分析，由于水庫(kù)各水域生態(tài)環(huán)境的差異，大型底棲動(dòng)物多分布于入庫(kù)河流的淺水庫(kù)灣，泥沙、礫石底質(zhì)處，而庫(kù)內(nèi)淤泥底質(zhì)處的物種種類(lèi)和密度卻相對(duì)較少。

2.3 西泉眼水庫(kù)大型底棲動(dòng)物群落特征

2.3.1 大型底棲動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)

群落劃分采用Bray－Curtis相似性系數(shù)聚類(lèi)和多維尺度(MDS)分析。從圖2和圖3可以看出，相似性系數(shù)聚類(lèi)圖和MDS圖所得結(jié)果基本一致。13個(gè)采樣點(diǎn)的大型底棲動(dòng)物群落劃分成4個(gè)不同的區(qū)域:區(qū)域Ⅰ包括阿什河入口、黃泥河入口、水庫(kù)中心以及雙龜山，也就是水庫(kù)的主體部分;區(qū)域Ⅱ主要分布在平山西橋、南橋、二道河與阿什河匯合處;區(qū)域Ⅲ和區(qū)域Ⅳ分別分布在鐵路橋和大壩出水口處。經(jīng)MDS圖分析得出的Stress值為0.001 3，具有良好的代表性［16］，這說(shuō)明該數(shù)據(jù)利用MDS圖能夠很好地解釋西泉眼水庫(kù)各采樣點(diǎn)大型底棲動(dòng)物群落的相似性關(guān)系，同時(shí)也能清楚顯示各采樣點(diǎn)大型底棲動(dòng)物群落組成存在的差異。

2.3.2 大型底棲動(dòng)物的生物多樣性

各采樣點(diǎn)的生物指數(shù)和物種多樣性指數(shù)以及區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的Margalef種類(lèi)豐富度指數(shù)(d)、Shannon－Wiener多樣性指數(shù)(H)、Pielou均勻度指數(shù)(J)、Goodnight－Whitley生物指數(shù)(GI)的均值見(jiàn)表3。

表1 西泉眼水庫(kù)大型底棲動(dòng)物的現(xiàn)存量和優(yōu)勢(shì)度

表2 大型底棲動(dòng)物各采樣點(diǎn)密度與生物量

圖2 西泉眼水庫(kù)大型底棲動(dòng)物聚類(lèi)分析圖

圖3 西泉眼水庫(kù)大型底棲動(dòng)物多維尺度分析圖

從多樣性指數(shù)的均值可以看出，大型底棲動(dòng)物群落生物多樣性:區(qū)域Ⅱ＞區(qū)域Ⅰ＞區(qū)域Ⅲ。結(jié)合Bray－Curtis相似性系數(shù)聚類(lèi)和多維排序尺度(MDS)群落結(jié)構(gòu)分析以及底棲動(dòng)物生物指數(shù)和多樣性指數(shù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［18－21］，參照文獻(xiàn)［22］及文獻(xiàn)［23］確定的分類(lèi)單元耐污值，對(duì)西泉眼水庫(kù)3個(gè)區(qū)域的水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。在阿什河上游(區(qū)域Ⅱ)，水環(huán)境受人類(lèi)影響強(qiáng)度較弱，因此其生物多樣性指數(shù)和種類(lèi)豐富度指數(shù)均最大，屬清潔水體;庫(kù)內(nèi)(區(qū)域Ⅰ)和鐵路橋處(區(qū)域Ⅲ)由于捕魚(yú)和漂流現(xiàn)象頻繁，水環(huán)境受人類(lèi)影響較大，因此水質(zhì)相對(duì)較差，均屬輕度污染水體;區(qū)域Ⅳ由于修建大壩，對(duì)水環(huán)境和底質(zhì)都造成了很大的影響，沒(méi)有采集到大型底棲動(dòng)物，因而無(wú)法對(duì)其水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。遲晉峰等［24］對(duì)水庫(kù)水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了化學(xué)指標(biāo)分析，認(rèn)為現(xiàn)狀水質(zhì)不能滿(mǎn)足GB3838—2002中Ⅱ類(lèi)水質(zhì)要求，這與本文研究有所差異，因其通過(guò)多項(xiàng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)價(jià)，而本文僅考慮環(huán)境因素，但總體上反映出西泉眼水庫(kù)水環(huán)境較好。

表3 大型底棲動(dòng)物群落多樣性指數(shù)

2.4 大型底棲動(dòng)物與環(huán)境因子的關(guān)系

不同種類(lèi)大型底棲動(dòng)物對(duì)周?chē)h(huán)境的適應(yīng)性以及耐污力和敏感度皆存在差異［6］。根據(jù)Bray－Curtis相似性系數(shù)聚類(lèi)和多維排序尺度(MDS)群落劃分、入庫(kù)河流及各斷面對(duì)研究區(qū)具有代表性的 2#、4#、6#、8#、9#、10#、11#、12#、13#9 個(gè)采樣點(diǎn)的大型底棲動(dòng)物與水深、溶解氧、氯離子、總磷、總氮、氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量10個(gè)環(huán)境因子進(jìn)行典范對(duì)應(yīng)分析。如圖4所示。

圖4 大型底棲動(dòng)物種類(lèi)與環(huán)境因子的典范對(duì)應(yīng)分析圖

通過(guò)蒙特卡羅檢驗(yàn)(Monte Carlo Peimutation Test)排除貢獻(xiàn)小的因子，影響大型底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的主要因子有高錳酸鹽指數(shù)、總磷、氨氮及亞硝酸鹽氮。排序圖4中，前2個(gè)排序軸的特征值為0.965和0.848;大型底棲動(dòng)物與環(huán)境因子前2個(gè)排序軸的相關(guān)系數(shù)很高，均為1.000;對(duì)于大型底棲動(dòng)物來(lái)說(shuō)，第一、第二排序軸之間的相關(guān)系數(shù)為0，表明這2個(gè)排序軸相互垂直;對(duì)于環(huán)境因子來(lái)說(shuō)，前2個(gè)排序軸的相關(guān)性也為0，說(shuō)明這2個(gè)排序軸也是垂直的，上述結(jié)果均說(shuō)明，排序軸與環(huán)境因子間線性結(jié)合程度較好地反映了物種與環(huán)境因子之間的相互關(guān)系，排序結(jié)果是可信的［20，25］。

在圖4中，與第一軸相關(guān)性較大的環(huán)境因子是氨氮和高錳酸鹽指數(shù)，分別呈負(fù)相關(guān)和正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.477 6和－0.783 2。第一排序軸反映了氨氮的質(zhì)量濃度、高錳酸鹽指數(shù)的變化趨勢(shì)，即排序圖上從左往右，高錳酸鹽指數(shù)逐漸增大，而氨氮的質(zhì)量濃度逐漸降低。與第二軸相關(guān)性較大的環(huán)境因子是總磷、亞硝酸鹽氮，分別呈正相關(guān)和負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.866 8和－0.846 3;其次，溶解氧、五日生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、水深與第二軸的相關(guān)性也比較大，相關(guān)系數(shù)分別為 －0.582 0、0.649 2、0.683 7、0.547 6。第二排序軸反映了溶解氧、五日生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、水深變化趨勢(shì)，即大型底棲動(dòng)物沿著排序抽的方向，從下往上對(duì)溶解氧的需求逐漸降低，對(duì)五日生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)和水深的需求逐漸增加。

3 結(jié)論與討論

本研究表明，不同區(qū)域的大型底棲動(dòng)物在密度、生物量、多樣性及特征種類(lèi)均存在較大差異。在采集到的50種大型底棲動(dòng)物中，水生昆蟲(chóng)居明顯優(yōu)勢(shì)，且大多數(shù)分布在10#～13#點(diǎn)，而1#～8#點(diǎn)以寡毛類(lèi)為主。Bray－Curtis相似性系數(shù)聚類(lèi)分析和MDS分析將13個(gè)采樣點(diǎn)劃分為4個(gè)區(qū)域。區(qū)域Ⅰ(1#～8#)大型底棲動(dòng)物的密度和生物量小，多樣性指數(shù)(d、H)值低，均勻度指數(shù)(J)和Goodnight－Whitley生物指數(shù)(GI)值較高;區(qū)域Ⅱ(11#—13#)和Ⅲ(10#)大型底棲動(dòng)物的密度和生物量都很大，d、H值均相對(duì)較高，J和GI值較低，其中區(qū)域Ⅲ的GI值為0;區(qū)域Ⅳ(9#)沒(méi)有采集到大型底棲動(dòng)物，這些與各區(qū)域環(huán)境因子存在差異是密切相關(guān)的。

區(qū)域Ⅰ分布在阿什河入口、黃泥河入口、水庫(kù)中心及雙龜山。水深在3～18 m之間，水中溶解氧相對(duì)于區(qū)域Ⅱ、Ⅲ低，有機(jī)質(zhì)除總磷外均比區(qū)域Ⅱ低，但是區(qū)域Ⅰ底泥中總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)均超標(biāo)［10］，因此，直接表現(xiàn)為寡毛類(lèi)顫蚓科在該區(qū)的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。區(qū)域Ⅰ大型底棲動(dòng)物的密度小(440 ind·m－2)、種類(lèi)少，主要是由于建庫(kù)時(shí)間較短，不能滿(mǎn)足新物種形成對(duì)時(shí)間的需求。

區(qū)域Ⅱ和區(qū)域Ⅲ分布在平山西橋、南橋，阿什河與二道河匯合處和鐵路橋處，水位均較淺(1 m以下)。水中溶解氧質(zhì)量濃度Ⅰ＜Ⅱ＜Ⅲ，總磷質(zhì)量濃度為Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ，氨氮質(zhì)量濃度為Ⅱ＞Ⅰ＞Ⅲ，其余有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量濃度均大于區(qū)域Ⅰ。這兩個(gè)區(qū)域均分布在阿什河上游，由于水深的減小，大型底棲動(dòng)物的種類(lèi)和數(shù)量有所增加，這與郭維士等［26］在西泉眼水庫(kù)漁業(yè)資源調(diào)查報(bào)告中提到的底棲動(dòng)物的種類(lèi)和數(shù)量隨水深增加而遞減的規(guī)律一致;另一方面，有機(jī)質(zhì)豐富的水體，大型底棲動(dòng)物的種類(lèi)組成和數(shù)量就多［20］。

區(qū)域Ⅳ分布在大壩出水口。該區(qū)域由于修建大壩時(shí)傾倒的大量水泥殘?jiān)练e到水底，將底泥覆蓋，破壞了底質(zhì)環(huán)境，不適于大型底棲動(dòng)物生存;其次，受底質(zhì)較硬等環(huán)境條件的限制，采樣難度加大，從而導(dǎo)致在該區(qū)域未采集到大型底棲動(dòng)物。

此外，大型底棲動(dòng)物的幼蟲(chóng)期對(duì)底質(zhì)環(huán)境是十分敏感的，底質(zhì)環(huán)境的好壞和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的貧富在一定程度上可以直接影響動(dòng)物的生存、發(fā)展及種類(lèi)組成［27］。區(qū)域Ⅰ中，1#～4#采樣點(diǎn)底質(zhì)為含有較多植物碎屑的軟泥;5#～8#采樣點(diǎn)屬淤泥底質(zhì)，區(qū)域Ⅱ底質(zhì)為粗砂和砂礫，區(qū)域Ⅲ底質(zhì)為泥砂和礫砂。區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ、Ⅲ的底質(zhì)類(lèi)型相差很大，因而，大型底棲動(dòng)物的種類(lèi)組成和數(shù)量差異很大;區(qū)域Ⅱ和區(qū)域Ⅲ底質(zhì)類(lèi)型比較相近，因而，除種類(lèi)組成差別較大外，大型底棲動(dòng)物的密度和生物量相差均不大。而要深刻理解影響大型底棲動(dòng)物的關(guān)鍵因素，需要長(zhǎng)期的歷史數(shù)據(jù)積累和比對(duì)分析，以及進(jìn)一步的深入研究。

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