渭河豐、枯水期底棲動物群落特征及綜合健康評價

殷旭旺, 李慶南, 朱美樺, 宋 佳, 武 瑋, 徐宗學(xué)，*

1 大連海洋大學(xué), 水產(chǎn)與生命學(xué)院, 遼寧省水生生物學(xué)重點實驗室, 大連 116023 2 北京師范大學(xué), 水科學(xué)研究院, 北京 100875

渭河豐、枯水期底棲動物群落特征及綜合健康評價

殷旭旺1, 李慶南1, 朱美樺1, 宋 佳1, 武 瑋2, 徐宗學(xué)2，*

1 大連海洋大學(xué), 水產(chǎn)與生命學(xué)院, 遼寧省水生生物學(xué)重點實驗室, 大連 116023 2 北京師范大學(xué), 水科學(xué)研究院, 北京 100875

以渭河為研究范例，分別于豐水期(2011年10月)和枯水期(2012年4月)對渭河全流域范圍內(nèi)45個樣點的底棲動物群落進(jìn)行跟蹤調(diào)查，并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用豐、枯水期底棲動物生物完整性評價指數(shù)(B-IBI)對渭河流域水生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行綜合健康評價。結(jié)果表明，渭河流域底棲動物群落結(jié)構(gòu)具有明顯的空間異質(zhì)性，枯水期底棲動物群落結(jié)構(gòu)單一，物種數(shù)量、生物量和香農(nóng)多樣性明顯少于豐水期，但單位密度差異不顯著。綜合健康評價結(jié)果表明，渭河上游、洛河中上游地區(qū)的健康狀況較好，而渭河中下游、涇河全流域及洛河下游地區(qū)的健康狀況較差。相關(guān)分析顯示，渭河全流域范圍內(nèi)豐水期和枯水期底棲動物群落的B-IBI得分呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性，表明在不同水文過程時期，渭河全流域大尺度范圍內(nèi)底棲動物群落的生物完整性特征較為一致。在河流豐、枯水期，底棲動物群落結(jié)構(gòu)的變化趨勢并對比分析了渭河流域不同區(qū)域水生態(tài)系統(tǒng)健康水平差異的原因。

生物完整性; 底棲動物; 主成分分析; 典范對應(yīng)分析; 群落結(jié)構(gòu)

河流生態(tài)學(xué)研究中，水生生物的調(diào)查與分析是重要環(huán)節(jié)[1]，其中大型底棲動物是研究的熱點和焦點[2]。大型底棲動物是河流生境中分布最廣泛的物種之一，也是河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[3-4]。大型底棲動物通常以藻類、有機(jī)顆粒和凋落物為食[5]，并為河流中魚類提供食物來源，對河流生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動起重要的作用[6]。大型底棲動物的群落組成決定了河流中物質(zhì)循環(huán)和能量流動的方式[7]，因而大型底棲動物群落生態(tài)學(xué)研究對河流的保護(hù)、利用和管理具有指導(dǎo)作用[8]。

在河流健康評價研究中，生物完整性評價(IBI)應(yīng)用得較為廣泛[9-11]，目前已經(jīng)成為國內(nèi)河流健康評價研究的主要手段。在相對集中的時間段內(nèi)，對某流域進(jìn)行1次水生生物采樣調(diào)查，構(gòu)建生物完整性評價體系，進(jìn)而完成全流域的健康評價，是目前國內(nèi)通常采取的研究方法[12-14]。然而，一次調(diào)查結(jié)果存在較大偶然性，尤其是在受水文過程(如水量)變化影響顯著的河流生態(tài)系統(tǒng)，這種偶然性便更為突出。重復(fù)的采樣調(diào)查，特別是在不同的水文過程時期進(jìn)行采樣調(diào)查，將會使評價的結(jié)果更具準(zhǔn)確性和重復(fù)性[15]?；诖四繕?biāo)，本研究調(diào)查了黃河最大的一條支流——渭河在豐水期和枯水期底棲動物的群落結(jié)構(gòu)特征，并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用生物完整性評價體系對渭河流域水生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行健康評價。希望以此為例，為我國河流底棲動物健康評價指標(biāo)和方法的建立提供參考，并對渭河流域水生態(tài)系統(tǒng)健康的維護(hù)及管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料和方法

1.1 底棲動物樣品采集

渭河(東經(jīng)103° 50′—110° 40′，北緯33° 40′—37° 25′，圖1)全長818 km，有涇河和洛河兩大支流，全流域面積13.43×104km2。渭河流域自然狀況及流域特點詳見相關(guān)研究。本研究中，渭河流域設(shè)定45個調(diào)查站位，其中渭河23個，涇河13個，洛河9個(圖1)，分別于2011年10月(豐水期)和2012年4月(枯水期)進(jìn)行采樣調(diào)查。用MAGELLAN全球定位系統(tǒng)(eXplorist-200)記錄采樣點的經(jīng)緯度和海拔高度(Elev，m)。在所選定點位的100 m范圍之內(nèi)，使用索伯網(wǎng)(Surber net，網(wǎng)口尺寸為30 cm× 30 cm，網(wǎng)孔徑為500 μm)隨機(jī)采集2個平行樣本，現(xiàn)場用90%的酒精固定。樣品帶回實驗室后，將肉眼可見的底棲動物與石塊、碎屑等雜質(zhì)分離，并置于100 mL樣品瓶中，用95%的酒精固定保存，在顯微鏡或解剖鏡下進(jìn)行分類和計數(shù)，依據(jù)相關(guān)的文獻(xiàn)資料[16-21]，樣品盡量鑒定到屬或種。

圖1 渭河流域采樣點位示意圖

1.2 水體理化性質(zhì)的測定

1.3 數(shù)據(jù)分析和處理

1.3.1 底棲動物群落結(jié)構(gòu)特征和水環(huán)境因子分析

各樣點的底棲動物計算以下群落特征參數(shù)：物種種類、密度和香農(nóng)多樣性指數(shù)′(H′=-∑Pi×log2Pi,式中Pi為群落中第i個物種個體數(shù)占總個體數(shù)的百分比)。對各樣點水環(huán)境參數(shù)首先進(jìn)行主成分分析(PCA)。對各樣點水環(huán)境參數(shù)和底棲動物群落進(jìn)行典范對應(yīng)分析(CCA)。進(jìn)行PCA、CCA時，所有水體理化數(shù)據(jù)(pH值除外)和底棲動物相對多度數(shù)據(jù)均進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換(log10[x+1])。

1.3.2 底棲動物完整性(B-IBI)評價指標(biāo)體系

為構(gòu)建渭河流域底棲動物生物完整性(B-IBI)評價體系，應(yīng)用了分屬于5類屬性(物種群落豐富度、物種個體數(shù)量比例、生物耐污能力、生物營養(yǎng)級組成、小生境質(zhì)量)，且對環(huán)境變化較為敏感的29個指標(biāo)作為侯選指標(biāo)，對此29個侯選指標(biāo)進(jìn)行分布范圍、判別能力和相關(guān)性分析的篩選。分布范圍的篩選指若某指標(biāo)在超過95%的樣點得分均為零，則放棄該指標(biāo)。判別能力的篩選是比較各候選指標(biāo)在參照點位和受損點位的數(shù)值在百分之25—75分位數(shù)范圍內(nèi)重疊的情況，利用箱體圖進(jìn)行判別的標(biāo)準(zhǔn)詳見相關(guān)文獻(xiàn)。對箱體圖判別篩選出的參數(shù)兩兩進(jìn)行Pearson相關(guān)性檢驗，相關(guān)系數(shù)|r|≥0.9的兩個指標(biāo)中僅取其一。

本研究中，參照點位的選擇依據(jù)實地水質(zhì)及水文地貌情況，以人類干擾較少，水環(huán)境理化質(zhì)量較高，且流域生境保持較為完整的區(qū)域作為參照點位。采用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化方法[8]評判后，渭河流域B-IBI 評價的參照點位選定為W1、W5、W10、W12、W14和W16(圖1)。

通過以上分析，確定B-IBI評價的核心參數(shù)，根據(jù)所有點位核心參數(shù)的分布范圍，對核心參數(shù)進(jìn)行賦分。本研究中使用四分法進(jìn)行賦分通過對核心參數(shù)的賦分，累加得到最終的B-IBI得分。以參照點位B-IBI得分值分布的25th分位數(shù)作為健康評價的標(biāo)準(zhǔn),點位的B-IBI分值大于25th分位數(shù)值，則表示該站點受到的干擾很小，是健康的；對小于25th分位數(shù)值的分布范圍，進(jìn)行四等分，確定出健康、較好、一般、較差、極差5個等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)。

在國內(nèi)以往的B-IBI評價，通常對河流的健康狀況只進(jìn)行一次評價，而很少考慮到河流不同的水文過程時期(如豐水期和枯水期)的問題，為了更客觀的評價渭河流域健康情況，本文將豐水期和枯水期渭河流域各調(diào)查點位的B-IBI評價結(jié)果進(jìn)行比較和整合，即在兩次調(diào)查中同點位出現(xiàn)高、低級別時選擇折中；出現(xiàn)相鄰級別中選擇降級，最終確立渭河流域各個點位健康狀況。

1.3.3 數(shù)據(jù)分析

用SPSS 12.0進(jìn)行數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析，PCA、CCA在Canoco4.5上進(jìn)行，箱體圖分析在Sigmaplot 10.0和OriginPro 7.5上進(jìn)行。

2 結(jié)果

2.1 豐水期和枯水期底棲動物群落結(jié)構(gòu)特征

渭河流域共計采到底棲動物102種，其中豐水期采集到93種；枯水期采集到44種，隸屬于7綱16目56科。水生昆蟲91種，占78.4%；軟體動物12種，占10.3%；環(huán)節(jié)動物9種，占7.8%；甲殼動物4種，占3.4%。水生昆蟲主要由EPT類(E：Ephemeroptera；P：Plecoptera；T：Trichoptera)和雙翅目的搖蚊幼蟲組成，其中EPT類水生昆蟲共16種，常見種為韋氏四節(jié)蜉(Baetisvaillanti)、鋸形蜉屬1種(Serratellasp.)、細(xì)裳蜉屬1種(Leptophlebiasp.)、動蜉屬1種(Cinygmasp.)、大襀科1種(Pteronarcyidae)、紋石蛾科1種(Hydropsychidae)、舌石蛾科1種(Glossosomatidae)。搖蚊幼蟲共17種，常見種為三帶環(huán)足搖蚊(Cricotopustrifasciatus)、Alotanypusvenustus和半折搖蚊(Chironomussemireductus)。軟體動物常見種為橢圓蘿卜螺(Radixswinhoei)、卵蘿卜螺(Radixovata)和半球多脈扁螺(Polypylishemisphaerula)。

渭河流域底棲動物的種類數(shù)表現(xiàn)為支流多于干流(圖2A)。從季節(jié)上看，豐水期渭河水系、涇河水系和洛河水系底棲動物種數(shù)要多于枯水期。豐水期時全流域單個站位物種數(shù)最高為25種，位于渭河干流的W12站位，該站位大型底棲動物全部為水生昆蟲，其中喜清潔水體的EPT類水生昆蟲共12種，占48%?？菟跁r全流域單個站位物種數(shù)最高為9種，位于涇河源頭的J6站位，該站位底棲動物主要以小蜉科和搖蚊科的清潔種為主。

圖2 渭河流域豐水期和枯水期底棲動物群落結(jié)構(gòu)特征

渭河全流域底棲動物密度均較低(圖2B)，渭河流域底棲動物密度較高的區(qū)域位于渭河干流及支流，而密度較低的區(qū)域集中于涇河全流域及洛河下游。從季節(jié)上看，豐水期渭河水系、涇河水系和洛河水系底棲動物密度要明顯高于枯水期。豐水期時全流域單個站位密度最高為3318 個/m2，位于渭河的W1站位。渭河源頭點位W1主要以附石性的水生昆蟲為主，包括韋氏四節(jié)蜉和紋石蛾，三帶環(huán)足搖蚊在該點位密度同樣較大，達(dá)到739 個/m2?？菟谌饔騿蝹€站位密度最高為11111 ind./m2，位于渭河下游的W18站位，該站位僅存在克拉伯水絲蚓一個物種，為典型耐污種。

渭河中上游河段豐水期底棲動物生物量明顯高于枯水期(圖2C)，而進(jìn)入枯水期，下游河段生物量明顯增加，這主要由于枯水期關(guān)中河段克拉伯水絲蚓密度大幅增加所致，最高值可達(dá)95 g/m2，位于渭河下游的W18站位。涇河和洛河也表現(xiàn)出豐水期底棲動物生物量高于枯水期的趨勢，而涇河和洛河干流底棲動物生物量的下降在枯水期較為明顯。

渭河全流域底棲動物群落的多樣性也表現(xiàn)為支流高于干流的趨勢(圖2D)，渭河、涇河和洛河的上游物種多樣性高于下游。從季節(jié)上看，豐水期渭河水系、涇河水系和洛河水系底棲動物雖然在種類、密度上明顯高于枯水期。豐水期時全流域單個站位多樣性最高為洛河源頭點位L2，主要優(yōu)勢類群為雙翅目的水生昆蟲，該點位物種數(shù)為19種，雙翅目水生昆蟲為10種，占52.6%?？菟谌饔騿蝹€站位多樣性最高為W1，其主要優(yōu)勢類群也是雙翅目的水生昆蟲，該點位物種數(shù)為5種，雙翅目水生昆蟲為3種，占60%。

箱體圖分析可以看出，渭河全流域范圍內(nèi)，豐水期底棲動物的物種數(shù)量、生物量和香農(nóng)多樣性指數(shù)都顯著高于枯水期，而底棲動物密度在兩個季節(jié)無明顯差異(圖3)。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，渭河全流域在豐水期和枯水期底棲動物群落的物種數(shù)量(Mann-Whitney U檢驗，Z=-5.644，P<0.001)、生物量(Mann-Whitney U檢驗，Z=-5.037，P<0.001)和香農(nóng)多樣性(Mann-Whitney U檢驗，Z=-5.939，P<0.001)都存在顯著差異，而底棲動物群落的密度在兩個季節(jié)差異不明顯(Mann-Whitney U檢驗，Z=-0.360，P=0.719)，從而支持了箱體圖分析的結(jié)果。

渭河流域豐水期、枯水期水文環(huán)境因子主成份分析(PCA)結(jié)果表明，豐水、枯水兩季PCA兩軸分別解釋數(shù)據(jù)承載量的58.2%和66%。流域主要的水環(huán)境因子在兩季表現(xiàn)出一致驅(qū)動性。豐水期兩主軸變化分?jǐn)?shù)大于0.6的水文環(huán)境因子為河寬、流量、電導(dǎo)率、鹽度、總?cè)芙夤腆w、堿度、硬度；枯水期兩軸變化分?jǐn)?shù)大于0.6的水文環(huán)境因子為電導(dǎo)率、堿度、硬度、懸浮物、流量和河寬(圖4)。兩季共同水文環(huán)境驅(qū)動因子為河寬、流量、電導(dǎo)率、堿度和硬度。

圖3 渭河流域豐水期和枯水期全流域底棲動物群落結(jié)構(gòu)特征的比較分析

渭河流域豐水、枯水期底棲動物典范對應(yīng)分析(CCA)結(jié)果顯示(圖5)，渭河流域豐水、枯水兩季底棲動物群落結(jié)構(gòu)與水生態(tài)因子對應(yīng)關(guān)系有所差異。豐水期底棲動物數(shù)量多，種類豐富，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其中秀麗白蝦、蟌科和扁泥甲科與流量和河寬具明顯的響應(yīng)關(guān)系，長角泥科的物種對堿度響應(yīng)關(guān)系明顯，雙翅目的蚋科、水虻科、沼蠅科對電導(dǎo)率和硬度響應(yīng)關(guān)系明顯。而枯水期底棲動物種類數(shù)量減少，群落結(jié)構(gòu)也發(fā)生了較大變化，污染物及底質(zhì)營養(yǎng)物質(zhì)產(chǎn)生積累，底棲動物群落對驅(qū)動因子的響應(yīng)性降低，一些耐污種類對驅(qū)動因子的響應(yīng)性增強(qiáng)，如克拉伯水絲蚓在枯水期水量小、河面窄的流域大量繁殖，因此該物種在枯水期對物理形態(tài)因子河寬和流速響應(yīng)關(guān)系顯著，此外，卵蘿卜螺、霍甫水絲蚓和等翅石蛾則對水化學(xué)因子電導(dǎo)率、硬度和堿度響應(yīng)明顯。

2.2 B-IBI體系的建立和健康評價結(jié)果

結(jié)合區(qū)域特點及研究目標(biāo)，利用參照點和受損點的調(diào)查數(shù)據(jù)計算各個候選生物指標(biāo)值，分析候選指標(biāo)對人類干擾的反應(yīng)，挑選出隨人類干擾單向增大或減小的指標(biāo)，構(gòu)建候選生物指標(biāo)集(表1)。通過箱體圖分析，渭河流域共有9個B-IBI參數(shù)(圖6)進(jìn)入Pearson相關(guān)性檢驗，其中豐水期篩選出7個、枯水期篩選出5個。兩次重疊的指標(biāo)為2個，分別是，EPT分類單元數(shù)、雙翅目個體相對豐度。經(jīng)Pearson相關(guān)性檢驗(表2，表3)，最終豐水期篩選出EPT分類單元數(shù)、敏感類群分類單元數(shù)、蜉蝣目個體相對豐度、耐污個體相對豐度4個參數(shù)；枯水期篩選出總分類單元數(shù)、EPT分類單元數(shù)、搖蚊個體相對豐度、收集者個體相對豐度4個參數(shù)為構(gòu)建渭河流域B-IBI體系的核心參數(shù)?；贐-IBI的渭河水生態(tài)系統(tǒng)健康標(biāo)準(zhǔn)見表4所示。

圖4 渭河流域豐水期、枯水期水文環(huán)境因子主成分分析(PCA)

圖5 渭河流域豐水期、枯水期底棲動物典范對應(yīng)性分析Fig.5 Canonical correspondence analysis between macroinvertebrates and hydrological environmental factors of Wei River Basin in the wet and dry seasonDolic: 長足虻科；Saldi: 跳蝽科；Strat: 水虻科；Tetan: 沼蠅科；Pelec: 扁蚊科；Velii: 寬肩黽科；Simul: 蚋科；Argyr: 水蛛科；Radix: 卵蘿卜螺；Polyp: 半球多脈扁螺；Chlae: 龍虱科；Clept: 長角泥蟲科；Macro: 長角泥蟲科；Velii: 寬肩黽科；Ectop: 扁泥甲科；Argia: 蟌科；E.mode: 秀麗白蝦；L.clapa: 克拉伯水絲蚓；Sympo: 高田似波搖蚊；Limno: 霍甫水絲蚓；Procl: 花翅前突搖蚊；Baeti: 四節(jié)蜉科；Tipul: 大蚊科；Aesch: 蜓；Epith: 虎蜻；Rheot: 流長跗搖蚊；Dolop: 等翅石蛾屬

表1 候選生物參數(shù)及對干擾的反應(yīng)

表2 豐水期渭河流域7個底棲動物生物完整性(B-IBI)候選參數(shù)指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)

圖6 渭河流域9個候選B-IBI參數(shù)在參照點位和受損點位的箱體分布圖Fig.6 Box-plots of 9 candidate B-IBI metrics between reference and impaired sites in Wei River BasinM：豐水期；m：枯水期

表3 枯水期渭河流域5個底棲動物生物完整性(B-IBI)候選參數(shù)指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)

表4 基于底棲動物生物完整性指數(shù)(B-IBI)的渭河流域水生態(tài)健康標(biāo)準(zhǔn)

渭河流域底棲動物生物完整性評價(B-IBI)結(jié)果見表5所示。B-IBI結(jié)果顯示，渭河流域上游位于渭源市至天水市的渭河干流及其右岸支流、寶雞至西安渭河右岸支流以及洛河中上游地區(qū)，水生態(tài)健康程度較高；涇河全流域水生態(tài)健康程度一般；水生態(tài)系統(tǒng)健康程度較差或極差的區(qū)域主要位于：渭河干流天水市至寶雞市河段、渭河干流關(guān)中平原河段。渭河全流域范圍內(nèi)豐水期和枯水期底棲動物群落的B-IBI得分呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性(Person Correlation，r=0.308，P=0.040)，表明在不同水文過程時期，渭河全流域大尺度范圍內(nèi)底棲動物群落的生物完整性特征較為一致。

表5 渭河流域水生態(tài)系統(tǒng)健康評價結(jié)果

3 討論

渭河是黃河最大支流，常年來由于降水量的不同，使得該區(qū)域水量變化較大，河水水量是保證水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能正常運轉(zhuǎn)的必要因素，Glecik最早提出基本生態(tài)需水量的概念[23]，指出基本生態(tài)需水量是維系生態(tài)系統(tǒng)基本功能的水量。底棲動物是水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成類群，對河流水量變化反應(yīng)敏感。在河水水量發(fā)生改變時，底棲動物的種類組成、群落結(jié)構(gòu)都會隨之發(fā)生變化。從本次調(diào)查的結(jié)果中可以看出，渭河流域豐水期發(fā)現(xiàn)底棲動物93種，而到了枯水期則只剩下44種；底棲動物單個站點的最高密度則從3318 個/m2下降到739 個/m2。與此同時，空間群落結(jié)構(gòu)也發(fā)生明顯的變化。通過CCA對渭河流域豐水和枯水兩季底棲動物和水文因子的相關(guān)性分析，渭河流域底棲動物的主體群落結(jié)構(gòu)逐漸從粘附者主導(dǎo)過渡到搖蚊幼蟲和寡毛類等耐污種為主導(dǎo)。

目前國內(nèi)對不同水文過程時期(豐水期和枯水期)河流底棲動物方面的研究較少，最近一項針對遼河流域的研究顯示[24]，遼河流域枯水期(5月份)的底棲動物種類數(shù)最大值、最小值及中值均小于豐水期(8月份)。渭河流域底棲動物在枯水期、豐水期兩季種類、生物量、多樣性變化上和遼河流域表現(xiàn)出相同的特征，但因為地理區(qū)域的差異性，其密度變化則呈現(xiàn)出不同的結(jié)果。渭河流域枯水期的生物密度與豐水期差異不明顯，略有下降趨勢；而遼河流域枯水期的生物密度則明顯大于豐水期，且變幅較大[24]。渭河干流地區(qū)水土流失嚴(yán)重，河底淤積大量泥沙，流域內(nèi)的涇河和洛河水系的底質(zhì)又是以基巖(bedrocks)為主，由于水流速度大，侵蝕作用強(qiáng)，所以很少有河流沖積物覆蓋[25]，有時甚至在河床中露出基巖，致使底棲動物很難固著并生活其上，進(jìn)而在豐水期、枯水期兩季轉(zhuǎn)換中，底棲動物密度呈現(xiàn)出下降趨勢。遼河流域的底棲動物類群中，雙翅目種類為優(yōu)勢類群[26]，雖然其他種類密度有下降趨勢，但由于該流域枯水期河流營養(yǎng)鹽濃度加大，水中雙翅目幼蟲，尤其是搖蚊科幼蟲數(shù)量處于繁殖旺盛時期，使得遼河流域枯水期生物總密度呈現(xiàn)大幅升高。

國外近些年對不同水文過程時期河流底棲動物方面的研究集中在河流水量變化引起河流底棲動物群落內(nèi)在結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化[27-30]。以上研究多集中在平原區(qū)的河流，其研究結(jié)果表明，從豐水期到枯水期，底棲動物群落結(jié)構(gòu)由濾食者轉(zhuǎn)變?yōu)槭占吆筒杉?。渭河流?jīng)秦嶺山脈、六盤山脈和關(guān)中平原，流域地理狀況復(fù)雜，使得渭河流域底棲動物顯現(xiàn)出較為獨特的群落結(jié)構(gòu)模式。在豐水期，渭河流域水體中含大量的泥沙，水量充沛，底棲動物群落結(jié)構(gòu)主要為蜉蝣目等粘附者，依靠有力的附肢、吸盤和粘附性蟲巢得以生存；進(jìn)入枯水期，流域水量驟減，一些區(qū)域甚至出現(xiàn)斷流，致使局部區(qū)域營養(yǎng)鹽濃度驟增，導(dǎo)致底棲動物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生重大演變，一些搖蚊幼蟲和寡毛類等耐污性強(qiáng)的物種大量繁殖，并逐漸占據(jù)優(yōu)勢地位。

在國內(nèi)外B-IIBI評價中，通常采用一次評價[31]或者年跟蹤評價[32]，而在相同點位從季節(jié)水量變化角度考察B-IBI評價體系的穩(wěn)定性的研究較少。本研究分別在豐水期和枯水期，用底棲動物構(gòu)建B-IBI評價體系，通過豐水期和枯水期兩次評價，去除因季節(jié)變動干擾而導(dǎo)致的評價誤差，來評價渭河流域的健康狀況。盡管渭河流域的某些站位的B-IBI狀況在豐水期和枯水期有較大出入，但在全流域范圍內(nèi)底棲動物群落的生物完整性特征較為一致，表明大尺度范圍內(nèi)流域生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況不會明顯受河流水文狀態(tài)的影響。此外，本研究結(jié)果表明，在豐水期和枯水期兩次指標(biāo)篩選中，相同的參考指標(biāo)有兩個，分別是EPT分類單元數(shù)和雙翅目個體相對豐度，因而推測在渭河流域底棲動物指標(biāo)參數(shù)中，這兩個指標(biāo)最為穩(wěn)定，可以列為今后渭河流域底棲動物評價的核心指標(biāo)。在豐水期和枯水期IBI評價中，評級未發(fā)生改變的點位為15個，占總點位的33.3%，這些點位底棲動物類群不受豐、枯水期影響，在生物完整性評價中具有一定的穩(wěn)定性。在最終評價中被評降級的點位達(dá)25個，占總點位的55.6%，這些點位大部分集中在中、下游地區(qū)，渭河流域下游污染嚴(yán)重，生物群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，健康狀況受水量擾動影響，導(dǎo)致評級下降。鑒于本研究的結(jié)果，我們建議應(yīng)加大對渭河中、下游河流生態(tài)系統(tǒng)的治理，控制污水排放量，最終構(gòu)建一個和諧穩(wěn)定的渭河流域生態(tài)系統(tǒng)。

[1〗 Cai Q H, Tang T, Liu J K. Several research hotspots in river ecology. Chinese Journal of Applied Ecology, 2003, 14(9): 1573-1577.

[2] Zhang Y, Zhao R, Kong W J, Geng S W, Bentsen C N, Qu X D. Relationships between macroinvertebrate communities and land use types within different riparian widths in three headwater streams of Taizi River, China. Journal of Freshwater Ecology, 2013, 28(3): 307-328.

[3] 張遠(yuǎn), 徐成斌, 馬溪平, 張錚, 王俊臣. 遼河流域河流底棲動物完整性評價指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn). 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2007, 27(6): 919-927.

[4] Barbour M T, Gerritsen J, Snyder B D, Stribling J B. Rapid Bioassessment Protocols for Use in Streams and Wadeable Rivers: Periphyton, Benthic Macroinvertebrates and Fish. 2nd ed. EPA 841-0B-99-002. Washington DC: US Environmental Protection Agency, Office of Water, 1999.

[5] Rosi-Marshall E J, Wallace J B. Invertebrate food webs along a stream resource gradient. Freshwater Biology, 2002, 47(1): 129-141.

[6] Heino J, Muotka H, Mykr? R, Paavola R, H?m?l?inen H, Koskenniemi E. Defining macroinvertebrate assemblage types of headwater streams: implications for bioassessment and conservation. Ecological Applications, 2003, 13(3): 842-852.

[7] Townsend C R, Thompson R M, McIntosh A R, Kilroy C, Edwards E, Scarsbrook M R. Disturbance, resource supply and food-web architecture in streams. Ecology Letters, 1998, 1(3): 200-209.

[8] Hughes D L, Brossett M P, Gore J A, Olson J R. Rapid Bioassessment of Stream Health. New York: CRC Press, 2010.

[9] 渠曉東, 劉志剛, 張遠(yuǎn). 標(biāo)準(zhǔn)化方法篩選參照點構(gòu)建大型底棲動物生物完整性指數(shù). 生態(tài)學(xué)報, 2012, 32(15): 4661-4672.

[10] 殷旭旺, 渠曉東, 李慶南, 劉穎, 張遠(yuǎn), 孟偉. 基于著生藻類的太子河流域水生態(tài)系統(tǒng)健康評價. 生態(tài)學(xué)報, 2012, 32(6): 1677-1691.

[11] 王備新, 楊蓮芳, 胡本進(jìn), 單林娜. 應(yīng)用底棲動物完整性指數(shù)B-IBI評價溪流健康. 生態(tài)學(xué)報, 2005, 25(6): 1481-1490.

[12] 裴雪姣, 牛翠娟, 高欣, 徐琛. 應(yīng)用魚類完整性評價體系評價遼河流域健康. 生態(tài)學(xué)報, 2010, 30(21): 5736-5746.

[13] 殷旭旺, 張遠(yuǎn), 渠曉東, 劉穎, 李慶南, 孟偉. 渾河水系著生藻類的群落結(jié)構(gòu)與生物完整性. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2011, 22(10): 2732-2740.

[14] 殷旭旺, 徐宗學(xué), 鄢娜, 武瑋, 宋進(jìn)喜. 渭河流域河流著生藻類的群落結(jié)構(gòu)與生物完整性研究. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2013, 33(2): 518-527.

[15] Dolédec S, Statzner B. Responses of freshwater biota to human disturbances: contribution of J-NABS to developments in ecological integrity assessments. Journal of the North American Benthological Society, 2010, 29(1): 286-311.

[16] Thorp J H, Covich A P. Ecology and Classification of North American Freshwater Invertebrates. 2nd ed. New York: Academic Press, 2001.

[17] 王楨瑞. 中國動物志—軟體動物門—雙殼綱. 北京: 科學(xué)出版社, 2002.

[18] Chen D N, Zhang G Q. Fauna Sinica Phylum Mollusca Class Gastropoda. Beijing: Science Press, 2002.

[19] Wang Z R. Fauna sinica Phylum Mollusca Class Bivalvia. Beijing: Science Press, 2002.

[20] Yang T. Fauna Sinica Annelida Hiruclinea. Beijing: Science Press, 2002.

[21] Merritt R W, Cummins K W, Berg M B. An Introduction to the Aquatic Insects of North American. 4th Edition. Kendall: Hunt Publishing, 2008.

[22] 國家環(huán)境保護(hù)總局. 水和廢水監(jiān)測分析方法 (第四版). 北京: 中國環(huán)境科學(xué)出版社, 2002.

[23] Gleick P H. Water in crisis: paths to sustainable water use. Ecological Applications, 1998, 8(3): 571-579.

[24] 王艷杰. 遼河流域底棲動物群落特征與生境指標(biāo)關(guān)系[D]. 沈陽: 遼寧大學(xué), 2012.

[25] Dewson Z S, James A B W, Death R G. A review of the consequences of decreased flow for instream habitat and macroinvertebrates. Journal of the North American Benthological Society, 2007, 26(3): 401-415.

[26] Purdy S E, Moyle P B, Tate K W. Montane meadows in the Sierra Nevada: comparing terrestrial and aquatic assessment methods. Environmental Monitoring and Assessment, 2012, 184(11): 6967-6986.

[27] 增強(qiáng), 楊勁松, 李岳. 川渝地區(qū)基巖性河流定向鉆穿越探討. 天然氣與石油, 2008, 26(2): 38-64.

[28] Graeber D, Pusch M T, Lorenz S, Brauns M. Cascading effects of flow reduction on the benthic invertebrate community in a lowland river. Hydrobiologia, 2013, 717(1): 147-159.

[29] Laliberté E, Legendre P. A distance-based framework for measuring functional diversity from multiple traits. Ecology, 2010, 91(1): 299-305.

[30] 蘇玉, 王東偉, 文航, 孫金華, 黃藝. 太子河流域本溪段水生生物的群落特征及其主要水質(zhì)影響因子分析. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2010, 19(8): 1801-1808.

[31] State Environmental Protection Administration of China. Monitoring and Determination Methods for Water and Waste Water. 4th ed. Beijing: China Environmental Science Press, 2002.

[32] Teels B M, Mazanti L E, Rewa C A. Using an IBI to assess effectiveness of mitigation measures to replace loss of a wetland-stream ecosystem. Wetlands, 2004, 24(2): 375-384.

Community structure and biological integrity of macroinvertebrates in the wet and dry seasons of Wei River basin, China

YIN Xuwang1, LI Qingnan1, ZHU Meihua1, SONG Jia1, WU Wei2, XU Zongxue2,*

1LiaoningProvincialKeyLaboratoryforHydrobiology,CollegeofFisheriesandLifeScience,DalianOceanUniversity,Dalian116023,China2CollegeofWaterSciences,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China

Biological community structures have long been used to assess the impact of human activity on running waters. Although there were several studies using macroinvertebrate to assess the river conditions, the influence of hydrological factors, e.g. rate of flow, on community structure of macroinvertebrate and river health received little attention. In the present work, we investigated the community structure of macroinvertebrate and characteristics of environmental factors among 45 sampling sites in the Wei River Basin, Northwest China during wet season (October, 2011) and dry season (April, 2012). We also assessed the stream conditions of Wei River in the wet and dry seasons based on the Index of Biological Integrity (B-IBI). The results indicated that there was great heterogeneity in the structure of macroinvertebrate community in Wei River. The common species wereBaetisvaillanti,Serratellasp.,Leptophlebiasp.,Cinygmasp., Pteronarcyidae, Hydropsychidae, Glossosomatidae,Cricotopustrifasciatus,Alotanypusvenustus,Chironomussemireductus,Radixswinhoei,RadixovataandPolypylishemisphaerula. The structure of macroinvertebrate community in dry season is simplified. The results of boxing analysis showed that species richness, biomass and Shannon index were significantly higher in wet season than in dry season in the Wei River basin. However, the density of macroinvertebrate was similar in both seasons. The results of B-IBI showed that upstream of Wei River was of excellent ecological integrity, while the midstream and downstream of Wei River were in severe impairment. Though the biological integrity of macroinvertebrates in Jing River and downstream of Luo River was in severe impairment, the upstream of Luo River was in relatively good biological integrity. The score of B-IBI all over the Wei River basins showed positive correlations between wet and dry season. In this paper, we also discussed the influence of water flow and flux on the dynamic characteristics of macroinvertebrate community in wet and dry season. Moreover, the possible reasons that caused the difference in biological integrity of macroinvertebrate community in the Wei River Basin were further discussed.

biological integrity；macroinvertebrates；principal component analysis；canonical correspondence analysis；community structure

國家自然科學(xué)基金(51079123); 國家“水體污染控制與治理”重大科技專項(2009ZX07212-002-003); 渭河流域生態(tài)基流及其保障措施研究(2009DFA22980)

2013-11-11;

2014-09-09

10.5846/stxb201311112712

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zxxu@bnu.edu.cn

殷旭旺, 李慶南, 朱美樺, 宋佳, 武瑋, 徐宗學(xué).渭河豐、枯水期底棲動物群落特征及綜合健康評價.生態(tài)學(xué)報,2015,35(14):4784-4796.

Yin X W, Li Q N, Zhu M H, Song J, Wu W, Xu Z X.Community structure and biological integrity of macroinvertebrates in the wet and dry seasons of Wei River basin, China.Acta Ecologica Sinica,2015,35(14):4784-4796.