太子河流域大型底棲動物功能攝食類群與環(huán)境要素的關系

沈洪艷，曹志會，劉軍偉，王文歡，張 遠

（1.河北科技大學環(huán)境科學與工程學院，河北 石家莊050080；2.河北省藥用分子化學實驗室，河北 石家莊 050080；3.中國環(huán)境科學研究院，北京 100012）

太子河流域大型底棲動物功能攝食類群與環(huán)境要素的關系

沈洪艷1，2*，曹志會1，2，劉軍偉1，2，王文歡1，張 遠3

（1.河北科技大學環(huán)境科學與工程學院，河北 石家莊050080；2.河北省藥用分子化學實驗室，河北 石家莊 050080；3.中國環(huán)境科學研究院，北京 100012）

根據2009年8月太子河流域野外調查數據，分析了大型底棲動物的5個主要功能攝食類群的組成，包括直接收集者（gc）、捕食者（pr）、過濾收集者（fc）、撕食者（sh）和刮食者（sc），研究結果表明，太子河大型底棲動物以gc為主，占底棲動物總個體數的85.5%，其次為fc、sh、sc和pr，分別占總個體數的6.0%、3.0%、5.5%和0.0%，并且gc對人為干擾的耐受性較強，pr、sh、sc對環(huán)境條件變化較為敏感.通過5種功能攝食類群的相對豐度與水質因子相關分析，分析結果表明，海拔、水溫、電導率、總氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮與gc相關性較大；而海拔、水溫、電導率、pH值、總氮、亞硝態(tài)氮與pr、sc和sh相關性較大.將土地利用格局與5種功能攝食類群進行逐步回歸分析，結果表明，農田和河灘對gc影響顯著；而農田對pr、sc和sh影響顯著.

大型底棲動物；功能攝食類群；太子河；人為干擾；水質因子；土地利用格局

由于全球工業(yè)化、城市化發(fā)展迅猛，目前，世界各國的河流都遭受了不同程度的干擾和損害，出現了形態(tài)結構破壞、水質惡化及生境退化等一系列生態(tài)功能衰退問題［1］.全球河流健康狀況的退化已經成為21世紀人類生存和發(fā)展面臨的重大危機，并引起了國際社會的廣泛關注和重視［2-5］.

大型底棲動物是河流中分布最廣泛的類群之一［6］，是水生生態(tài)系統食物鏈中有機物、營養(yǎng)源（如樹葉碎屑、藻類等）和更高營養(yǎng)級生物之間的主要連接體［7］.他們對外界脅迫的響應比較敏感，其在河流、湖泊、水庫等水體中的群落結構、物種豐富度、不同功能攝食類群的結構特征以及耐污類群和敏感類群的比例等都可以從不同的側面反映水質的好壞，從而可以有效地指示水生生態(tài)系統的健康［7］.

功能攝食類群對研究生物群落結構和功能組成有著重要的作用［8］.功能攝食類群的概念最初由Cummins［9］在20世紀70年代提出，根據其理論的劃分，將大型底棲動物類群劃分為以下5個主要的功能攝食類群：（1） 刮食者（sc），其主要食物來源是各種固著生活的生物類群，如著生藻類等；（2） 撕食者（sh），其主要食物來源是各種凋落物和粗有機顆粒物（CPOM，有機物粒徑＞1mm）；（3）直接收集者（gc），其主要食物來源是收集河底的各種細有機顆粒物（FPOM，指＞0.45um且＜1mm的有機物粒徑）；（4） 過濾收集者（fc），其主要食物來源是水流中的各種細有機顆粒物；（5） 捕食者（pr），其主要食物來源是捕食其它水生動物.

功能攝食類群的組成差異隨河流本身地理尺度的差異［10］、營養(yǎng)物質輸入的差異等各種因素的改變而表現出自身的特征.本文以太子河流域為研究對象，通過對人為干擾活動敏感的功能攝食類群的分析，采用逐步回歸方程篩選對功能攝食類群影響顯著的水質因子，并通過Mann-Whitney U檢驗對不同分組之間大型底棲動物群落物種特征參數及環(huán)境要素進行對比分析，篩選出對大型底棲動物群落和分布影響較大的水質因子和土地格局，為河流健康參照條件的確定提供重要理論基礎.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況及樣點設置

太子河流域是大遼河水系兩條主要支流之一，位于我國遼寧省東南部（122°19′E～124°48′E，40°36′N～41°37′N）.河流全長413km，流域面積1.39×104km2.太子河流域位于暖溫帶濕潤—半濕潤氣候區(qū)，年內溫差較大，最高氣溫22～24℃左右，最低氣溫為-9～-17℃，年蒸發(fā)量為734～1018mm，年降水量約655～954mm.太子河流域屬大陸性季風氣候，自然植被多為落葉闊葉林.太子河流域上游地區(qū)為植被保護較好的低山丘陵，平均覆蓋率達到50%以上；中下游為土地開發(fā)程度高的平原區(qū)，植被覆蓋率較低.

圖1 太子河流域采樣點分布Fig.1 Sampling sites of Taizi River basin

為識別影響太子河流域大型底棲動物的河流環(huán)境要素、棲境要素和底棲動物適宜度，通過實地考察，在太子河干流以及流域內12條支流（太子河北支、太子河南支、小湯河西支、清河、三道河、細河、蘭河、北沙河、南沙河、柳河、五道河、海城河）共設置了70個樣點.太子河各支流分布及詳細樣點分別見圖1.將上述70個樣點分為4個組，具體見表1.

表1 太子河流域采樣點分組Table 1 Groups of sampling sites in Taizi River basin

功能攝食類群研究選擇2009年8月份太子河流域野外調查數據.

1.2 采樣方法

在本研究中，主要采用索伯網［11］和D型手網作為大型底棲動物的采樣工具.索伯網用于定量采集，網徑為60目，采樣面積為0.09m2.每個點用索伯網隨機進行3次采樣.D-型網在本研究中用于定性采集，網徑為60目網，樣框本身取半圓形，半圓框半徑約為0.25m，底邊約為0.3m.

在太子河全流域70個樣點采集生物樣本，在各樣點的樣品采集工作完成后，加70 %的酒精將樣品保存并放入封口瓶中密封，然后放入整理箱中.在實驗室將樣本鑒定分類，分為5個不同的功能攝食類群.在實驗室內對每一瓶底棲動物樣品進行精挑選，去除枯枝敗葉和細沙，僅保留大型底棲動物的幼蟲，并將樣品置于80 %的酒精中保存.精挑選工作結束后，參照相關著作［12-13］進行大型底棲動物的鑒定工作，在鑒定的同時計錄每一種大型底棲動物的個體數.

在本研究中，大多數大型底棲動物的物種鑒定到種或屬；部分雙翅目物種鑒定到科；太子河流域和太子河南、北支的搖蚊鑒定到亞科，參照點的搖蚊鑒定到屬；除一些特殊的，較易辨認的寡毛類被鑒定出來（如顫蚓和霍夫水絲蚓等），大多數寡毛類僅鑒定到綱［14-16］.

1.3 生境棲息地特征調查

根據鄭丙輝等［17-18］提出的河流棲息地評價指標，從棲息地的復雜性、底質組成情況、速度-深度結合特性、河水水量的狀況、堤岸的穩(wěn)定性、河道變化情況、水質狀況、植被多樣性、人類活動強度和河岸土地利用類型10個方面對生境棲息地特征進行現場調查，通過目測進行評分.每個指標滿分為20分，4個級別的分值范圍分別為20～16（好）、15～11（較好）、10～6（一般）、5～1（差）.

1.4 太子河流域水質參數的測定

現場測定的指標：電導率（EC）、水溫（Temp）、pH值、溶解氧（DO）、透明度（Trans）.水樣帶回實驗室后測定的指標：重碳酸鹽）、堿度（Alk）、懸浮物（SS）、總溶解性固體（TDS）、BOD5、總氮（TN）、總磷（TP）、正磷酸鹽）.

水樣的保存和預處理都嚴格按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》中的相關實驗方法進行.為了減小誤差，以上樣品均重復2次測定，進行數據分析時取其平均值.

1.5 太子河流域土地利用類型獲取

為精確反映太子河流域河道附近土地利用特征，采用遙感影像為2.5m分辨率的全色和10m分辨率的多光譜，在解譯2009年8月SPOT5遙感影像獲取土地利用圖的基礎上進行了幾何精校正，在ERDAS軟件下將全色和多光譜影像融合，得到了2.5m分辨率的融合影像.利用融合影像目視解譯獲得研究區(qū)的土地利用覆蓋圖，對不能確定的植被類型進行野外調查確認.遙感數據分析提取到的7類主要土地利用類型為森林、農田、裸地、草地、河灘、坑塘和居民地.

1.6 數據分析

根據生境數據中人為干擾情況的程度（按照人為干擾情況從輕到重，劃分為excellent， good，normal， bad 4個等級［17-18］，劃分標準和分值見表2）對5個功能攝食類群進行非參數分析［19］.根據每一種攝食類群的相對豐度，計算其在不同人為干擾條件下的均值和標準差，以箱線圖的形式展示出來.

表2 河流棲息地人為干擾程度劃分標準與分值Table 2 Criteria and score of human disturbance in river habitat

（2） 采用逐步回歸方程篩選對功能攝食類群影響顯著的水質因子.在結果中，R為回歸系數，R2越高，表示回歸方程的預測結果越可信.P值表示極端結果出現概率，P值越小，表明回歸方程越可信.其中P值＜0.05時，表示顯著相關，P值＜0.01時，表示極顯著相關.

（3） 通過Mann-Whitney U檢驗對不同分組之間大型底棲動物群落物種特征參數及環(huán)境要素進行對比分析.Mann-Whitney U檢驗是最常用的一種非參數檢驗方法.應用指示種分析提取各組中對群落結構具有指示作用的物種，指示種的計算值為0～100，當一個物種只在某一組內出現同時在該組所有樣點中均有分布時，其指示種值達到最大.指示種的顯著性檢驗利用蒙特卡羅隨機化過程進行.

2 結果和分析

2.1 太子河流域大型底棲動物功能攝食類群基本信息

由表3可見，太子河流域四組70個樣點中，底棲動物5種功能攝食類群有較大差異.從上游到下游，底棲動物的5種功能攝食類群所占比例由大到小分別如下：fc為1組＞2組＞3組（4組），變現為從上游到下游迅速降低的趨勢.gc為3組＞4組＞2組＞1組，表現為從上游到下游逐漸增加的趨勢.pr和sc排序一樣，即1組＞2組＞4組＞3組，除3組為受人為干擾嚴重的河段外，其他3組表現為從上游到下游降低趨勢.sh為2組＞1組＞4組＞3組，表現為2組最高，在其他3組中該類群在底棲動物5種功能攝食類群所占的比例最小.

由以上結果可以看出，1組fc、gc、sc 3種功能攝食類群最多，屬于受人類干擾少的水體.2組sh所占比例最大，為12.1%，遠高于其他3組.3組缺少sc和sh 2個類群，gc所占比例為各組中最高的，達到99.5%.4組gc所占比例在4個組中較高，為95.8%，僅次于3組.上述結果表明，河流底棲動物功能攝食類群中占主流的是gc和fc，其次是sc、pr，最后是sh.

根據非參數分析，太子河全流域5種功能攝食類群隨人為干擾由輕到重相對豐度變化有以下特點：gc占總個體數的85.5%，且隨著人為干擾程度的加重，相對豐度有上升的趨勢.fc占總個體數的6.0%，且在不同人為干擾條件下沒有顯著變化趨勢.sh、sc和pr分別占總個體數的3.0%、5.5%和0.0%.pr、sc、sh隨人為干擾程度的加重有下降趨勢，表明對人為干擾較為敏感.

由表4可見，4組70個樣點中，1組物種個數最多，2組其次.3組和4組差別不大.1組和2組耐污物種數接近，3組和4組比較，差別不大.但3組耐污物種個體數多于4組，主要是3組和4組雖然均處于下游，但是3組受人類干擾更為嚴重所致.從上游到下游敏感物種數逐漸減少.上游香農指數最大，其次是中游，下游最小.均勻度指數變化特點為1組最佳，2組和4組接近，3組最差.

表3 太子河流域大型底棲動物功能攝食類群情況Table 3 The data of every functional feeding group in Taizi River basin

表4 太子河流域大型底棲動物物種情況統計Table 4 The data of macroinvertebrates species in Taizi River basin

續(xù)表4

根據70個樣點的底棲動物5種功能攝食類群的物種調查結果，太子河流域大型底棲動物優(yōu)勢種多為耐污性較強的種群，主要有寡毛類（Oligochaeta spp.）、直突搖蚊亞科（Orthocladinae spp.）、搖蚊亞科（Chironominae spp.），相對豐度分別為61.67%、9.64%和5.31%.這些耐污物種在功能攝食類群的劃分上均屬于直接收集者（gc）.寡毛類、直突搖蚊亞科、搖蚊亞科和四節(jié)蜉在太子河流域分布廣泛且數量眾多.寡毛類是耐污物種，直突搖蚊亞科、搖蚊亞科和四節(jié)蜉屬于中度耐污物種，表明太子河流域受到了不同程度的人為干擾.值得注意的是下游部分點位寡毛類個體數量眾多，多達上萬只，反映出太子河下游區(qū)域受人為干擾尤為嚴重.

2.2 太子河流域大型底棲動物功能攝食類群空間分布特征與人為干擾的關系

由表5可見，隨著上游到下游人為活動干擾的增強，底棲動物物種數顯著下降，表現為1組＞2組＞3組＞4組，敏感類群物種數的降低趨勢也與之相同.EPT物種數、襀翅目物種數、蜉蝣目物種數、毛翅目物種數、端足目和軟體動物物種數也表現為相似的變化趨勢，即從上游到下游顯著降低，下游區(qū)3組和4組間無顯著差異，且耐污類群相對豐度與之呈相反的變化趨勢.敏感類群翅目只在上游區(qū)分布較廣，其上游區(qū)物種數均顯著高于其它3組.物種個體數變化特點為：3組最高，4組最少.出現此情況是因為3組寡毛類數量眾多，而2組則是由于搖蚊科個體數過多所致.

表5 太子河流域大型底棲動物群落參數在不同樣點組間的差異分析（Mann-Whitney U 檢驗）Table 5 Difference analysis of macroinvertebrates parameters in different groups in Taizi River basin （Mann-Whitney U test）

圖2 fc、pr、gc、sc隨人為干擾程度加重的變化情況Fig.2 Changes of fc， pr， sc and sh with human disturbance degree aggravating

由圖2和圖3可見，gc所占比重最高，占各種人為干擾條件下的50%以上，且隨著人為干擾程度的加重，相對豐度有上升的趨勢.其次，fc在人為干擾條件下有下降趨勢，但趨勢不顯著；pr、sc、sh隨人為干擾程度的加重有下降的趨勢，表明對人為干擾較為敏感.

圖3 sh隨人為干擾程度加重的變化情況Fig.3 Changes of gc with human disturbance degree aggravating

2.3 太子河流域環(huán)境要素在不同組間的差異

由表6可知，太子河流域四組樣點環(huán)境要素差異較大.本次研究的河流環(huán)境要素包括物理生境要素、基本水化要素、有機物、營養(yǎng)鹽、棲息地要素、土地利用類型6個方面.通過4組間的差異分析發(fā)現，上中游區(qū)域河流海拔高、水溫低，流速較大，森林覆蓋面積大，棲息地生境、水化要素、營養(yǎng)鹽等均良好，屬于受人為活動影響強度較低的區(qū)域，而物種調查的結果也證明了這點，即上中游區(qū)域物種數相對較多，耐污物種所占比例相對較少.下游區(qū)域水化要素變差，有機物濃度升高，營養(yǎng)鹽增加，棲息地環(huán)境變差，農業(yè)種植和城鎮(zhèn)建設面積顯著增加，顯示河流受人為干擾增強，如下游河流無機離子、有機物、營養(yǎng)鹽均顯著高于上中游，溶解氧顯著低于上中游，水質較差.生境棲息地特征調查結果也顯示隨著人為活動強度的增加，下游區(qū)棲境復雜性和堤岸穩(wěn)定性顯著差于上中游區(qū)，導致棲息地遭到嚴重破壞，棲息地評分顯示為較差狀態(tài).物種調查結果顯示下游區(qū)域大型底棲動物功能攝食類群群落結構退化嚴重，物種數大為減少，敏感物種消失，耐污物種個體數大量增加.

表6 太子河流域環(huán)境要素在不同分組間的差異分析（Mann-Whitney U 檢驗）Table 6 Difference analysis of environmental elements in different groups in Taizi River basin （Mann-Whitney U test）

續(xù)表6

2.4 太子河流域大型底棲動物功能攝食類群分布與水質因子的關系

太子河流域水質因子與功能攝食類群相對豐度逐步回歸分析見表7.太子河流域水質因子與功能攝食類群相對豐度逐步回歸分析前將水質因子分為3組，即：（1）水文參數，包括海拔、水溫、流速；（2）水質參數，包括電導率、pH值；（3）營養(yǎng)鹽參數，主要考察與氨氮相關的水質因素，包括總氮、總磷、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮.為了去除干擾，每組水質因子在進入逐步回歸分析前都進行相關分析，保留相關性高的水質因子.

通過5種功能攝食類群相對豐度與水質因子的回歸分析可知，海拔、水溫、電導率、總氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮與gc相關性較大；而海拔、水溫、電導率、pH值、總氮、亞硝態(tài)氮與pr、sc和sh相關性較大.

表7 太子河流域水質因子與功能攝食類群相對豐度逐步回歸分析Table 7 Step wise regression analyses between the water quality factors and the relative abundance of functional feeding groups in Taizi River basin

2.5 大型底棲動物功能攝食類群分布與土地利用因素的關系

太子河流域70個樣點土地利用類型統計結果見表8.土地利用格局因子（各種土地利用類型在總面積中所占比例）和5種功能攝食類群的逐步回歸分析結果見表9.在進行逐步回歸分析之前，首先進行各種土地利用類型的相關性分析，發(fā)現農田和森林呈顯著負相關，為去除干擾，保留農田而去除森林，而裸地占得比例較小，故采用農田、河灘、居民地、坑塘、草地5種土地利用類型進行分析.

表8 太子河流域土地利用類型統計（%）Table 8 The data of land use pattems in Taizi River basin （%）

由土地利用格局因子（各種土地利用類型在總面積中所占比例）和5種功能攝食類群進行的逐步回歸分析可以看出，對gc影響顯著的是農田、河灘；對pr、sc和sh影響顯著的是農田.其中農田的百分比對gc、sc和sh均有預測作用，但是與gc呈現正相關的趨勢，而與其他幾種功能攝食類群呈現負相關.這與gc中耐污種較多，適應森林較少而開發(fā)程度較高且農田較多的環(huán)境有關系.

3 結論

3.1 在太子河流域采集的底棲動物中，gc所占比重最大，占所有樣點總個體數的85.5%，gc對人為干擾的耐受性較強，物種調查顯示寡毛類、搖蚊是其優(yōu)勢種.fc、sh、sc、pr所占比例分別為6.0%、3.0%、5.5%、0.其中pr、sc、sh對環(huán)境的惡化較為敏感.

表9 土地利用格局與功能攝食類群相對豐度逐步回歸分析Table 9 Stepwise regression analyses between the land use patterns and the relative abundance of functional feeding groups

3.2 太子河流域四組樣點物理生境要素、基本水化要素、有機物、營養(yǎng)鹽、棲息地要素、土地利用類型差異較大.上中游區(qū)域環(huán)境要素良好，屬于受人為活動影響強度較低的區(qū)域，下游區(qū)域環(huán)境要素較差，物種調查結果與此一致.

3.3 五種功能攝食類群相對豐度與水質因子的回歸分析表明，對gc影響比較大的有海拔、水溫、電導率、總氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮.其中gc對海拔和水溫最敏感，回歸方程的相關系數達到了0.421.對pr、sc、sh影響較大的有海拔、水溫、電導率、pH、總氮、亞硝態(tài)氮.

3.4 大型底棲動物功能攝食類群分布與土地利用格局的回歸分析表明，農田、河灘對gc影響顯著；農田對pr、sc和sh影響顯著.其中農田的百分比對gc、sc和sh均有預測作用，其與gc呈現正相關趨勢，而與其他幾種功能攝食類群呈現負相關.這與gc中耐污種較多，適應開發(fā)程度較高且農田較多的環(huán)境有關系.

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Relationship between functional feeding groups of macroinvertebrates and environmental factors in Taizi River basin.

SHEN Hong-yan1，2*， CAO Zhi-hui1，2， LIU Jun-wei1，2， WANG Wen-huan1， ZHANG Yuan3
（1.School of Environmental Science and Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang 050080， China；2.Medical molecular chemistry lab of Hebei Province， Shijiazhuang 050080， China；3.Chinese Research Academy of Environmental Sciences， Beijing 100012， China）.

China Environmental Science， 2015，35（2）：579～590

According to the data obtained from field investigation in Taizi River basin during August 2009， five main functional feeding groups were analyzed， including collector-gatherers （gc）， predator （pr）， collector-filterers （fc），shredders （sh） and scrapers （sc）. Gc represented a significant dominant in the macroinvertebrates community， which accounting for 85.5% of the total number of benthic animal individuals； followed by fc， sh， sc and pr， which accounting for 6.0%， 3.0%， 5.5% and 0.0% respectively. Gc had a strong tolerance to human disturbance， while pr， sh and sc were more sensitive to the change of environmental state. Through the correlation analysis between the relative abundance of five functional feeding groups and water quality factors， the result showed that gc was correlated with altitude， water temperature， conductivity， total nitrogen， nitrate and nitrite， while pr， sc and sh were correlated with altitude， temperature，conductivity， pH， total nitrogen and nitrite. Furthermore， through stepwise regression analysis between land use patterns and five functional feeding groups， the farmland and beachland had significant influence factors on gc， while farmland had significant effects on pr， sc and sh.

macroinvertebrates；functional feeding groups；Taizi River；artificial interference；water quality factors；land use pattern

X171.5

A

1000-6923（2015）02-0579-12

沈洪艷（1971-），女，天津人，教授，博士，主要研究方向為污染物環(huán)境行為及效應.發(fā)表論文76篇.

2014-06-30

國家自然基金（41373096）；國家環(huán)保公益課題（201509041-05）；河北省自然基金（B2014208068）；河北省藥用分子化學實驗室開放基金資助；河北省環(huán)保廳公益課題；河北省重點學科建設基金項目資助

* 責任作者， 教授， shy0405@sina. com