阿什河底棲動(dòng)物群落特征及影響因子

趙 然，顧 平，劉 允

1．黑龍江省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，黑龍江 哈爾濱 150056 2．中國環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

阿什河是松花江右岸的一級(jí)支流，于哈爾濱市東郊匯入松花江。河流全長為213 km[1]，沿岸曾經(jīng)遍布植物，水草肥美，對(duì)提高城市生態(tài)效應(yīng)、防風(fēng)固沙、保護(hù)植物多樣性都有著非常重要的作用，被稱為哈爾濱東部的綠色長廊。20世紀(jì)90年代初期，東北粗放型的經(jīng)濟(jì)增長導(dǎo)致上游小作坊工業(yè)廢水、畜禽養(yǎng)殖廢水、沿岸村鎮(zhèn)生活污水及農(nóng)業(yè)面源污水等未經(jīng)處理直接排入河中，僅有的2座污水處理廠遠(yuǎn)不能達(dá)到處理需求，阿什河中下游地區(qū)沿岸帶面目全非，成為松花江干流的主要污染源，嚴(yán)重影響著兩岸的生態(tài)環(huán)境[2]，阿什河全境包含了從Ⅰ類到劣Ⅴ類各種類型水質(zhì)。作為黑龍江省內(nèi)唯一存有劣V類水質(zhì)斷面的主要河流，阿什河一直受到環(huán)保及科研部門的高度關(guān)注。

淡水大型底棲無脊椎動(dòng)物是一種長期生活在河流、湖泊和水庫水體中的生物群落，是淡水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[3]，作為水生態(tài)系統(tǒng)的重要初級(jí)消費(fèi)者，其群落分布及種群構(gòu)成能夠反映水質(zhì)的相對(duì)狀態(tài)，對(duì)其開展相關(guān)研究，對(duì)了解水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能具有重要的意義[4]。因其具有物種豐富、分布廣泛、生活周期長、遷徙能力差、生存場(chǎng)所固定、生活習(xí)性穩(wěn)定、相對(duì)易于采集及對(duì)生境變化的敏感性較高等優(yōu)勢(shì)[5]，常將其作為水生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的重要生物類群對(duì)象，其群落結(jié)構(gòu)組成及分布狀況是水生態(tài)系統(tǒng)健康與否的重要生物指示器[6-8]。

研究通過調(diào)查阿什河底棲動(dòng)物群落構(gòu)成，分析水化學(xué)因子對(duì)其分布規(guī)律的影響，找出同一生物區(qū)系不同水環(huán)境狀況下影響生物群落構(gòu)成的主要限制因子，為以生物方式評(píng)價(jià)阿什河水質(zhì)狀況，并以此為基礎(chǔ)從生物學(xué)角度提出阿什河治理方法提供技術(shù)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 采樣點(diǎn)設(shè)置

根據(jù)阿什河理化現(xiàn)狀、污染特征及水生生物群落生長主要影響因子等，結(jié)合阿什河流域的實(shí)際情況，從上游至下游設(shè)置5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，分別為三號(hào)橋、西泉眼水庫下(上游人為干擾較小的清潔斷面)、交界鎮(zhèn)、伏爾加莊園(中游人為干擾逐漸加大的過度斷面)、先鋒路(下游人為干擾較大的劣Ⅴ類斷面)。

1.2 底棲動(dòng)物和水樣采集與分析

2016年8、9月對(duì)5個(gè)采樣點(diǎn)的底棲動(dòng)物和水樣進(jìn)行了2次采集。水樣和底棲動(dòng)物采集、保存和分析分別參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第四版增補(bǔ)版)》[9]和《河流水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)指南》(試行版)的要求進(jìn)行。采樣點(diǎn)信息見表1，具體分布如圖1所示。

表1 采樣點(diǎn)信息Table 1 The information of sampling position

圖1 采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 The distribution diagram of sampling point

底棲動(dòng)物鑒定依據(jù)現(xiàn)有分類資料，除雙翅目、半翅目鑒定到科級(jí)外，其他鑒定到屬級(jí)。

化學(xué)需氧量(CODCr)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、氨氮(NH3-N)等水化學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)分析方法及水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)[10]。

生物群落與環(huán)境因子間的關(guān)系采用典范對(duì)應(yīng)分析(CCA)，分析過程運(yùn)用Canoco for Windows 4.5軟件和Canodraw 4.5[11]，其中生物數(shù)據(jù)采用log(x+1)進(jìn)行轉(zhuǎn)換以符合正態(tài)分布。

2 結(jié)果與討論

2.1 群落組成

5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面共采集、鑒定出底棲動(dòng)物97個(gè)分類單位(物種名錄見附錄A)，其中水生昆蟲EPT物種41種，占42.3%；水生昆蟲其他物種29種，占29.9%；軟體動(dòng)物14種，占14.4%；甲殼動(dòng)物2種，占2.1%；環(huán)節(jié)動(dòng)物10種，占10.3%(圖2)?？傮w上水生昆蟲分布廣，種類和數(shù)量多，是多數(shù)斷面的優(yōu)勢(shì)類群。源頭以指示清潔的襀翅目、蜉蝣目和建巢毛翅目種類占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)；中游多以蜉蝣目和毛翅目的種類為優(yōu)勢(shì)種；軟體動(dòng)物分布較廣泛，甲殼動(dòng)物和環(huán)節(jié)動(dòng)物種類較少。下游納污河段以耐污染的環(huán)節(jié)動(dòng)物為優(yōu)勢(shì)類群，其他物種極少分布。

圖2 阿什河底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of macroinvertebrate communities in the Ashi River

2.2 影響底棲動(dòng)物群落的環(huán)境因子

底棲動(dòng)物群落數(shù)據(jù)的云趨勢(shì)對(duì)應(yīng)性分析(DCA)表明第一軸梯度長度為2.838個(gè)單元的標(biāo)準(zhǔn)方差，9個(gè)樣品的DCA排序及分析結(jié)果顯示，第二軸的特征值為0.707，低于第一軸的特征值0.973，最高梯度長度值為3.892個(gè)單元標(biāo)準(zhǔn)方差，說明這些數(shù)據(jù)的單峰響應(yīng)模型對(duì)分析結(jié)果的反應(yīng)顯著，可以用于下一步的CCA分析中。

采用蒙特卡洛置換測(cè)試(Monte Carlo permutation test)對(duì)水質(zhì)理化指標(biāo)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果表明CODMn、總磷(TP)濃度和溶解氧(DO)濃度被認(rèn)定為在此研究區(qū)域內(nèi)，對(duì)底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)影響作用最為明顯的3種理化參數(shù)(P<0.01)。表2中具有很高的λ1/λ2值的均為該次分析中的顯著因子。

表2 CCA分析中理化參數(shù)的顯著性測(cè)試Table 2 Significance testing of physical and chemical parameters in CCA

注：λ1/λ2 為第一軸和第二軸特征值的比值。

重金屬全程均未檢出，農(nóng)藥殘留(如仲丁威、草達(dá)滅等)僅在下游微量檢出，故未進(jìn)行相關(guān)性分析。

CCA分析中每一個(gè)帶有箭頭的線段表示的是環(huán)境因子，向量的長度表示環(huán)境因子在主軸上的作用，箭頭所在象限表示環(huán)境因子與排序軸的正負(fù)相關(guān)性，箭頭在排序軸上垂線的長度表示相關(guān)性的大小，同時(shí)箭頭與排序軸的夾角越大，相關(guān)性越小。

圖3為斷面和理化因子的相關(guān)性關(guān)系排序圖。

注：1～9表示8、9月對(duì)應(yīng)的5個(gè)斷面，1和2代表8、9月的三號(hào)橋斷面，依此類推，9代表2016年9月的先鋒路斷面。圖3 典范對(duì)應(yīng)分析結(jié)果(環(huán)境變量與采樣點(diǎn))Fig.3 The results of canonical correspondence analysis (environmental variables and sample points)

由圖3可以看出，排序軸根據(jù)各斷面種類分布狀況及其斷面的理化因子的變化，將所有斷面大體分為3個(gè)區(qū)域，其中位于上游清潔區(qū)域的三號(hào)橋斷面在8、9月的樣品和西泉眼水庫下斷面8月的樣品分析結(jié)果顯示與DO呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，與有機(jī)物和營養(yǎng)鹽呈負(fù)相關(guān)；伏爾加莊園斷面9月的樣品分析結(jié)果顯示與營養(yǎng)鹽和有機(jī)物都有很強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系；其他各個(gè)樣品與所有理化因子均有一定的相關(guān)性，但相關(guān)關(guān)系不顯著，只有8月的交界鎮(zhèn)斷面與DO有較為顯著的正相關(guān)關(guān)系。

圖4為物種和理化因子的CCA排序結(jié)果。

注：拉丁文縮寫表示用于分析的底棲動(dòng)物種類代碼。圖4 典范對(duì)應(yīng)分析結(jié)果(環(huán)境變量與種類)Fig.4 The results of canonical correspondence analysis (environmental variables and varieties)

由圖4可以看出，根據(jù)營養(yǎng)鹽分布情況，種類大體分成4組(C1～C4)，其中C1組尾鰓蚓屬與TP有較強(qiáng)的相關(guān)性；C2組的絲蟌屬、網(wǎng)基色蟌屬和吻蛭屬3個(gè)種類與CODMn、NH3-N和TP均有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，表明豐富的營養(yǎng)鹽給這些耐污物種提供了充足的養(yǎng)料，促進(jìn)了其種群發(fā)育；C3組與所有對(duì)種群有較大影響的理化參數(shù)的相關(guān)關(guān)系不顯著，理化參數(shù)對(duì)其種群分布的影響較小，只有環(huán)棱螺屬與CODMn有一定的正相關(guān)關(guān)系；C4類群中種類多為毛翅目和蜉蝣目的清潔指示物種(如短脈紋石蛾屬、鋸形蜉屬等)，與DO有很強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，與其他理化參數(shù)都呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明清潔指示物種對(duì)水體中DO的充足與否和其他污染物質(zhì)含量均反映出較強(qiáng)的敏感性。

通過分析西泉眼水庫下、交界鎮(zhèn)、阿什河口內(nèi)3個(gè)斷面2014—2016年水質(zhì)歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，3年中上述斷面監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)值除BOD5、NH3-N略有下降外，其他指標(biāo)均呈小幅波動(dòng)趨勢(shì)，水質(zhì)基本穩(wěn)定，因此可以斷定底棲動(dòng)物呈現(xiàn)出的狀態(tài)為水質(zhì)長期較為穩(wěn)定條件下的作用結(jié)果。

綜上所述，從種群空間分布與理化指標(biāo)的關(guān)系中可以看出，上游三號(hào)橋和西泉眼水庫下斷面水質(zhì)為Ⅰ～Ⅱ類水質(zhì)，隨DO升高清潔指示種群豐富度有所上升。下游污染區(qū)域，有機(jī)污染物(特別是好氧污染物質(zhì))增加，DO降低，清潔物種逐漸消失，與營養(yǎng)鹽和有機(jī)物有很強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系的相對(duì)耐污物種逐漸占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位。

從種類分布和理化因子相關(guān)性中發(fā)現(xiàn)，相對(duì)清潔種類也與DO表現(xiàn)出很強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。由此斷定反映水體好氧有機(jī)污染程度的DO和CODMn指標(biāo)為影響阿什河底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)最為明顯的主要限制因子。

3 結(jié)論

通過對(duì)阿什河沿線5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的大型無脊椎底棲動(dòng)物調(diào)查，共發(fā)現(xiàn)大型無脊椎底棲動(dòng)物97個(gè)分類單位，水生昆蟲是多數(shù)斷面的優(yōu)勢(shì)類群。種群空間變化差異顯著，種群與環(huán)境相關(guān)性分析結(jié)果表明，DO和CODMn是影響阿什河大型無脊椎底棲動(dòng)物種群構(gòu)成的主要限制因子。

建議加大阿什河下游污染地區(qū)好氧有機(jī)污染物的治理力度，此舉將有效改善阿什河水質(zhì)，進(jìn)而提高水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。