城鎮(zhèn)化對西苕溪大型底棲動物群落的影響

俞建，于海燕，丁寧，韓鳴花

(1. 浙江省環(huán)境監(jiān)測中心，浙江 杭州 310012；2. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210095)

·解析評價·

城鎮(zhèn)化對西苕溪大型底棲動物群落的影響

俞建1，于海燕1，丁寧2，韓鳴花2

(1. 浙江省環(huán)境監(jiān)測中心，浙江 杭州 310012；2. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210095)

于2004—2010年5月對西苕溪流域20個參照點(diǎn)，5個中度干擾點(diǎn)以及2個重度干擾點(diǎn)的底棲動物進(jìn)行了調(diào)查，共鑒定出74科190屬226個種；受干擾后，底棲動物群落物種豐富度、EPT物種豐富度、Shannon-wiener多樣性指數(shù)和B-IBI指數(shù)顯著下降，BI指數(shù)顯著升高。CCA分析結(jié)果表明，參照、中度和重點(diǎn)干擾樣點(diǎn)的底棲動物群落差異明顯。城鎮(zhèn)化引起的溪流水溫上升、營養(yǎng)鹽升高、泥沙輸入量增多和堤岸固化是導(dǎo)致溪流底棲動物群落退化的主要原因。

生物多樣性；大型底棲無脊椎動物；城鎮(zhèn)化；西苕溪流域

城鎮(zhèn)化過程導(dǎo)致溪流生態(tài)系統(tǒng)功能退化在我國普遍存在。城鎮(zhèn)化改變了溪流附近的土地利用類型，從點(diǎn)源和面源層次上增加了進(jìn)入溪流的污染物[1]。城鎮(zhèn)工業(yè)廢水與生活污水(如洗滌劑、糞便等)排放造成的集中點(diǎn)源污染化在目前各類污染源中最普遍，也是當(dāng)前城市河流黑臭的主要原因。

溪流大型底棲無脊椎動物是在水質(zhì)生物評價和水生態(tài)系統(tǒng)健康評價中應(yīng)用最廣泛的的指示生物，城鎮(zhèn)化引起的溪流生物多樣性的下降是個復(fù)雜的過程，其對城鎮(zhèn)化的響應(yīng)是多種機(jī)制共同作用的結(jié)果[2]。單獨(dú)研究某個環(huán)境因子不足以充分反映城鎮(zhèn)化對溪流生物多樣性的影響。只有通過研究不同干擾程度下的溪流內(nèi)底棲動物群落特征，底棲動物與河道內(nèi)物理生境、水質(zhì)、流速和流量等環(huán)境因子間的關(guān)系，才能科學(xué)地說明城鎮(zhèn)化對溪流大型底棲無脊椎動物多樣性的影響及可能的機(jī)制?，F(xiàn)于2004—2010年5月對西苕溪中上游流域底棲動物進(jìn)行了調(diào)查。

1 研究方法

1.1 樣點(diǎn)設(shè)定

西苕溪中上游流域位于東經(jīng)119°14′—120°29′，北緯30°23′—31°11′，布設(shè)27個采樣點(diǎn)，進(jìn)行底棲動物和水環(huán)境數(shù)據(jù)的野外采集，見圖1。

根據(jù)樣點(diǎn)上游流域內(nèi)的森林覆蓋率，居民地利用率，農(nóng)田利用率，并結(jié)合實(shí)地考察[3]，考慮其上游沒有水利發(fā)電站等的影響，制定參照點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)，見表1。采樣點(diǎn)包括20個參照點(diǎn)，5個中度干擾點(diǎn)和2個重點(diǎn)干擾點(diǎn)。中度干擾樣點(diǎn)位于城市以及城市邊緣區(qū)域，采樣點(diǎn)上游約100 m處均建有溢流式低壩(2～3 m)，受到一定的城鎮(zhèn)化干擾；重度干擾樣點(diǎn)位于城市中心，2岸嚴(yán)重渠道化，周圍河岸帶完全退化且有明顯和大量的居民生活污水等排入，水體有異味。

表1 確定參照點(diǎn)環(huán)境參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1.2 底棲動物采集

在100 m長的采樣區(qū)域內(nèi)，選取5個樣點(diǎn)[3]，包括3個急流樣點(diǎn)和2個緩流樣點(diǎn)，用索伯網(wǎng)(40目紗，0.093 m2)采集，采樣總面積為0.465 m2。所采標(biāo)本直接在野外用40目銅篩篩選，并用5%～10% 的福爾馬林液固定后帶回實(shí)驗(yàn)室鑒定。標(biāo)本一般鑒定到屬或種，并記錄每個分類單元(屬、種)的個體數(shù)。

1.3 水體理化指標(biāo)測定

DO、電導(dǎo)率、pH值和溫度用HANNA水質(zhì)檢測儀(HI98129、HI9147)現(xiàn)場測定。按文獻(xiàn)[4]采集水樣帶回實(shí)驗(yàn)室測定，TN采用紫外分光光度法、TP采用鉬藍(lán)法、COD采用高錳酸鉀法[5]測定。

1.4 棲境指標(biāo)的測定

參考Barbour等的方法[6]對底質(zhì)進(jìn)行測量。參照Hauer等的方法[7]，在100 m的河段內(nèi)，平均設(shè)5個斷面，測量寬度取平均值。同時將每個斷面分成不同間隔(每個間隔的寬度不得>3 m)測量深度。用數(shù)字桿式流速計測定流速，在每個間隔內(nèi)測量水體流速。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)共計算了7個多樣性指數(shù)：總物種豐富度(Total taxa richness)、EPT物種豐富度(EPT taxa richness)、優(yōu)勢度指數(shù)(Simpson index)、多樣性指數(shù)(Shannon-Wiener index)、均勻度指數(shù)(Pielou index)、BI指數(shù)(Biotic index)、B-IBI指數(shù)(Benthic index of biotic integrity)[7]。數(shù)據(jù)采用Excel 2003進(jìn)行整理。采用SPSS 18.0統(tǒng)計軟件，利用最小顯著性差異(LSD)多重比較方法分析。大型底棲動物群落與環(huán)境因子之間的關(guān)系采用CCA分析，在Canoco for Windows 4.53軟件中完成。

2 結(jié)果分析

2.1 城鎮(zhèn)化強(qiáng)度和水體理化指標(biāo)

重度干擾溪流所在流域內(nèi)的不透水地表面積比56%遠(yuǎn)高于中度干擾溪流8%，而參照溪流則沒有，見表2。森林用地89%百分比重度干擾溪流最小僅為1%，中度干擾溪流的農(nóng)田用地百分比是重度干擾溪流的2倍多。另外，中度干擾溪流的TN、TP、COD和溫度要高于參照溪流，重度干擾溪流的TN、TP、COD也明顯高于中度干擾溪流。

表2 不同干擾類型溪流的理化性質(zhì)①

①平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2.2 底棲無脊椎動物群落組成

共采集到4門7綱74科190屬226個分類單元。其中昆蟲綱和甲殼綱共10目66科共214種，在所有底棲動物種類中占的比例最大。昆蟲綱中蜉蝣目為優(yōu)勢目，包括12科27屬44種，占所有昆蟲綱種類的21.26%，蜉蝣目中優(yōu)勢科為四節(jié)蜉科和細(xì)裳蜉科，優(yōu)勢屬為四節(jié)蜉屬和寬基蜉屬。

2.3 城鎮(zhèn)干擾與參照溪流底棲動物群落結(jié)構(gòu)比較

參照溪流與中度干擾溪流的Simpson 優(yōu)勢度指數(shù)和均勻度指數(shù)差異不顯著，見圖2(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)。

由圖2可見，參照溪流的物種豐富度、EPT物種豐富度、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、B-IBI指數(shù)顯著高于中度干擾溪流。參照溪流的BI指數(shù)顯著低于中度干擾溪流。

R—參照溪流；M—中度干擾溪流；S—重度干擾溪流。

參照與重度干擾溪流除均勻度指數(shù)沒有顯著差異外，其他群落參數(shù)均有顯著差異。參照溪流的物種豐富度、EPT物種豐富度、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、B-IBI指數(shù)均顯著高于重度干擾溪流。Simpson優(yōu)勢度指數(shù)、BI指數(shù)，參照溪流顯著低于重度干擾溪流。

中度干擾溪流與重度干擾溪流的Simpson優(yōu)勢度指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、B-IBI指數(shù)沒有顯著差異。重度干擾溪流的物種豐富度、EPT物種豐富度、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)顯著低于中度干擾溪流，BI指數(shù)顯著高于中度干擾溪流。

2.4 底棲動物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的CCA分析

選擇了14個環(huán)境因子，分別為：COD、TN、TP、溫度、pH值、DO、電導(dǎo)率、海拔、流速、森林用地百分比、沙和淤泥百分比、礫石百分比、卵石百分比、大石塊百分比，與物種組成進(jìn)行CCA分析。通過手動篩選去除了一些無效的變量(p>0.05)。最終7個環(huán)境變量：海拔、大石塊百分比、沙和淤泥百分比、TN、DO、溫度和pH值進(jìn)入下一步分析。

CCA排序結(jié)果表明，海拔的相關(guān)性與第1軸的關(guān)系最大，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.86，且為負(fù)相關(guān)。大石塊百分比與第1軸顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.67。沙和淤泥百分比與第2軸顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.60。TN與第2軸顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.56。DO與第3軸顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.64，表3。

表3 環(huán)境因子與CCA排序軸之間的相關(guān)系數(shù)

CCA排序的結(jié)果表明，參照點(diǎn)、中度干擾和重度干擾樣點(diǎn)能很好地區(qū)分。參照樣點(diǎn)組有較高的海拔和水體DO，以及較低的營養(yǎng)鹽(TN和TP)。中度干擾樣點(diǎn)組與溫度、pH值相關(guān)性較大，主要是中度干擾樣點(diǎn)組上游均建有低壩，壩下游水體的溫度受上游水壩影響，變化較明顯。此樣點(diǎn)組受城鎮(zhèn)化干擾強(qiáng)度較重度干擾樣點(diǎn)組小，TN和TP低于重度干擾溪流；總物種豐富度、EPT物種豐富度、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)顯著高于重度干擾溪流。

重度干擾樣點(diǎn)組與TN、沙和淤泥百分比高度相關(guān)。重度干擾樣點(diǎn)組是受城鎮(zhèn)化高度干擾的溪流，堤岸嚴(yán)重渠道化，生活污水直接排入，導(dǎo)致TN顯著上升(9.12±4.79)，底質(zhì)幾乎全部淤泥化。重度干擾樣點(diǎn)組的大型底棲動物種類最少，均以耐污的搖蚊和水絲蚓為主。

3 討論

研究發(fā)現(xiàn)，受城鎮(zhèn)化干擾樣點(diǎn)溪流由于土地利用改變、水壩建造、生活垃圾污染等影響，導(dǎo)致周圍植被覆蓋度降低，溪流底質(zhì)多樣性退化，使得水體中TN、TP、COD、電導(dǎo)率明顯上升，而水體中的DO值明顯下降，水生生態(tài)系統(tǒng)功能穩(wěn)定性和完整性受到損害，底棲動物的群落生物多樣性和完整性逐漸降低[9]。參照溪流物種豐富度、EPT物種豐富度、多樣性指數(shù)、B-IBI指數(shù)最高，中度干擾溪流其次，重度干擾溪流最低。受人為干擾程度越大，BI指數(shù)越高。當(dāng)干擾到一定程度時，敏感物種逐漸消失，某些耐污種增多，優(yōu)勢度指數(shù)上升。

CCA分析表明，海拔、底質(zhì)中大石塊百分比、沙和淤泥百分比以及水體中的TN、DO等指標(biāo)對西苕溪大型底棲無脊椎動物的分布作用比較大，這與Pearson相關(guān)性分析的結(jié)果是類似的。7個環(huán)境因子變量解釋了27.4%的大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)變化。城鎮(zhèn)化對溪流生態(tài)系統(tǒng)的影響是多種因子(水流、污染物和物理?xiàng)掣淖?共同作用的結(jié)果[10-11]。很難隔離單獨(dú)一個因子的影響。這些因子的綜合作用產(chǎn)生了環(huán)境因子的梯度變化，在生物群落影響之間，通過敏感種類的減少，耐污種類的增加，物種豐富度減少，導(dǎo)致群落多樣性的顯著減少，群落結(jié)構(gòu)完整性的顯著下降。

對照CAA分析結(jié)果以及國外有關(guān)城鎮(zhèn)化對溪流生態(tài)系統(tǒng)影響機(jī)制的研究結(jié)果，分析本實(shí)驗(yàn)所調(diào)查的城鎮(zhèn)化對溪流底棲動物多樣性的可能機(jī)制：(1) 大石塊百分比顯著下降，底質(zhì)多樣性下降，溪流底部的沉積物增多，淤泥化現(xiàn)象明顯，適宜在大石塊、卵石等生活的底棲動物多樣性下降，適合在細(xì)軟淤泥中生活的水絲蚓、搖蚊大量發(fā)生[12-13]；(2) 城鎮(zhèn)化發(fā)展產(chǎn)生的重金屬污染物和水體中可溶解性TN、TP的增多，直接導(dǎo)致對水質(zhì)較為敏感的底棲動物如EPT昆蟲大幅度減少[14-15]；(3)河畔林的砍伐改變了進(jìn)入溪流的外來能源(落葉的種類和數(shù)量)，使以外來能源為主的底棲動物多樣性下降[7]，底棲動物群落結(jié)構(gòu)尤其是優(yōu)勢種發(fā)生改變。因此，控制水體養(yǎng)分的濃度、增加溶解氧和減少水體電導(dǎo)率是維持城鎮(zhèn)溪流生態(tài)系統(tǒng)的正常結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能以及保護(hù)和恢復(fù)大型底棲無脊椎動物多樣性可行手段之一[16]，當(dāng)然應(yīng)當(dāng)結(jié)合其他環(huán)境因子，例如保持周邊生境的完整性、增加河岸帶植被的蔭庇度等來恢復(fù)和保護(hù)溪流生態(tài)系統(tǒng)的健康以及完整[7，17]，以此維持水生生物尤其是大型底棲無脊椎動物的多樣性。

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Influence of Urbanization on Benthic Macroinvertebrate in Xitiaoxi Watershed

YU Jian1， YU Hai-yan1， DING Ning2， HAN Ming-hua2

(1.ZhejiangEnvironmentalMonitoringCenter，Hangzhou，Zhejiang310012，China； 2.NanjingAgriculturalUniversity，Nanjing，Jiangsu210095，China)

Urbanization is of great impact on stream ecosystem health. We sampled 20 reference sites， 5 moderately disturbed sites and 2 heavily disturbed sites in May from 2004 and 2010 in Xitiaoxi watershed. We identified a total of 226 species which belonged to 190 genera and 74 families. We found significant decrease in taxa richness of benthic macroinvertebrate， EPT taxa richness， Shannon-Wiener diversity index and B-IBI index in disturbed sites， and a significant increase of BI index. Canonical Correspondence Analysis (CCA) well separated the benthic macroinvertebrate communities of the reference， moderately and heavily disturbed sites. The urbanization related factors， such as water temperature increase， nutrients enrichment， high load of fine sediments and bank stabilization greatly contributed to the decline of benthic macroinvertebrae diversity.

Biodiversity； Benthic macroinvertebrate； Urbanization； Xitiaoxi watershed

2016-08-12；

2016-08-16

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(30840345)

俞建(1974—)，男，高級工程師，碩士，主要從事生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作。

826

B

1674-6732(2016)06-0045-04