太子河大型底棲動物攝食功能群對河岸帶土地利用類型的響應(yīng)

李麗娟,崇祥玉,盛楚涵,殷旭旺,*,徐宗學(xué),張 遠

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 3 中國環(huán)境科學(xué)研究院,環(huán)境基準與風(fēng)險評估國家重點實驗室,流域水生態(tài)保護技術(shù)研究室,北京 100012

在河流生態(tài)系統(tǒng)中,河岸帶土地利用類型的變化對水環(huán)境和水生生物有著重要影響[1-2]。近幾十年來,世界上大部分地區(qū)的河流生態(tài)系統(tǒng)遭受到嚴重退化,造成其退化的主要原因是周圍人類活動導(dǎo)致河岸土地利用類型發(fā)生變化,進而影響到河流水環(huán)境質(zhì)量和水生生物多樣性[3]。在世界范圍內(nèi)的土地利用類型變化中,農(nóng)業(yè)用地在河岸帶所占比例較大,研究[4]表明農(nóng)業(yè)是全球土地利用類型變化的主要驅(qū)動因素,大量的耕種造成森林和濕地的退化,嚴重威脅了河流生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。因此,研究河岸帶土地利用類型與水環(huán)境和水生生物之間的關(guān)系對于保護河流生態(tài)系統(tǒng)健康尤為重要。已有研究通過水生生物的物種指示作用及群落組成來評估河流生態(tài)系統(tǒng)在時間和空間上的潛在變化[5-6]。

大型無脊椎底棲動物是淡水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是河流生物評價中的重要生物指示類群之一。它們具有生命周期長、遷移能力弱、易于采集和鑒定、對環(huán)境變化響應(yīng)敏感等特點[7-9],被廣泛應(yīng)用于評價人類活動對河流生態(tài)系統(tǒng)的干擾和影響[10-12]。底棲動物功能群是具有相同生態(tài)功能的底棲動物的組合[13-14],近幾十年來,基于其獲取食物來源的形態(tài)學(xué)和行為適應(yīng)的攝食功能群(FFG)分類方法已經(jīng)作為評估環(huán)境條件對水生生物影響的重要工具[15]。FFG既可以反映大型底棲動物的群落結(jié)構(gòu)特征和生境適應(yīng)性特征,也可以反映人類活動的干擾程度及河流生態(tài)系統(tǒng)受損狀況[16-17]。FIERRO等[18]發(fā)現(xiàn)人類活動導(dǎo)致土地利用的改變對河流生物多樣性有很大的影響,尤其是對河岸帶植物多樣性、水環(huán)境質(zhì)量和底棲動物群落結(jié)構(gòu)等方面的改變；底棲動物群落多樣性在原始森林區(qū)最高,在農(nóng)業(yè)用地區(qū)和人工種植林區(qū)最低,且指示種以非昆蟲物種為主；對底棲動物攝食功能群的研究表明收集者功能群豐度在攝食功能群中所占比例最大,但攝食功能群在不同土地利用內(nèi)沒有差異性。Yamada等[19]研究表明底棲動物的群落結(jié)構(gòu)模式和功能群組成有不同的影響因素,即使底棲動物生活在同一個生態(tài)系統(tǒng)中,但其群落結(jié)構(gòu)和功能群組成是由不同機制決定的,主要取決于生態(tài)特性,例如其分散能力和微生境等。Miserendino等[15]研究表明在城鎮(zhèn)用地內(nèi)底棲動物收集者功能群的密度最高,農(nóng)業(yè)用地內(nèi)濾食者功能群和收集者功能群的密度最高,而森林用地內(nèi)濾食者功能群和植食者功能群的密度均較高。

本研究旨在研究流域內(nèi)四種土地利用類型(森林用地、森林耕作用地、耕地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地)對水環(huán)境的影響,重點是評估底棲動物攝食功能群對河岸帶土地利用類型的響應(yīng)關(guān)系,同時提出河岸緩沖區(qū)的合理土地利用方式,以期為當?shù)丨h(huán)境保護機構(gòu)進行有效的河岸管理和水生生物保護提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域和采樣點設(shè)置

太子河流域(122°30′E—124°50′E、40°30′N—41°40′N)位于我國遼寧省東部,干流全長413 km,流域面積13880 km2,屬于溫帶季風(fēng)氣候,四季分明,年內(nèi)溫差較大,降雨多集中在6—8月,占全年總降雨量的71.2%；水系發(fā)源于遼寧省新賓縣境內(nèi)的長白山脈,向西流經(jīng)本溪、遼陽、鞍山三市,在三岔河與渾河匯合形成大遼河后至營口注入渤海[20](圖1)。太子河流域四種土地利用類型的劃分(森林用地、森林耕作用地、耕地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地)參照李麗娟等[21]。于2012年5月,對太子河流域進行底棲動物樣品采集和野外調(diào)查研究,該流域共設(shè)置采樣點位42個,采樣點設(shè)置如圖1。其中,森林用地、森林耕作用地、耕地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地中采樣點位分別為6個、19個、9個、8個。

圖1 太子河42個采樣點在4種土地利用類型中的分布Fig.1 Location of the 42 sampling sites distributed in four land use types of Taizi River

1.2 底棲動物樣品采集與鑒定

于2012年5月,對太子河四種土地利用類型中的42個點位進行底棲動物樣品采集(圖1),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)或彼得遜采泥器(1/16)完成樣品采集,在每個樣點的100 m范圍之內(nèi)隨機采集2個平行樣本,現(xiàn)場挑出底棲動物,并用90%的酒精固定,然后帶回實驗室進行鑒定。參考相關(guān)文獻[22-27],在顯微鏡或解剖鏡下進行分類和計數(shù),樣品盡量鑒定到屬或種。

1.3 水環(huán)境調(diào)查

太子河河岸帶各采樣點水體的電導(dǎo)率(EC)、總?cè)芙夤腆w(TDS)、溶解氧(DO)和pH采用水質(zhì)分析儀(YSI Pro 2000,YSI,美國)現(xiàn)場測定；水深使用流速儀現(xiàn)場測定；底質(zhì)含沙量用底質(zhì)分樣篩網(wǎng)(孔徑分別為16、8、4、2、1 mm)測定；底質(zhì)指數(shù)特征IOS(Index of Substrate,底質(zhì)指數(shù))(巨礫>256 mm,鵝卵石256 mm>64 mm,碎石64 mm>4 mm,淤泥<4 mm)。IOS[28]計算公式：IOS=0.08%V漂石+0.07%V大卵石+0.06%V小卵石+0.05%V大圓石+0.04%V小圓石+0.03%V粗礫+0.02%V細礫+0.01V砂(V為測量出不同底質(zhì)類型的體積：升)；另采集一份2 L水樣,在低溫(4 ℃)條件下送回實驗室,根據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法》[29]測定懸浮物(SS)、CODMn(高錳酸鹽指數(shù))、TP(總磷)、TN(總氮)、NH3-N(氨氮)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)以往研究[15,18-19],根據(jù)食性將底棲動物分為食碎屑者(S)、刮食者(SC)、收集者(GC)、濾食者(FC)和捕食者(P)。用CANOCO4.5軟件對底棲動物攝食功能群和環(huán)境因子進行典范對應(yīng)分析(canonical correspondence analysis,CCA)；用Pcord 5.0進行多響應(yīng)置換過程分析(multi-response permutation procedures,MRPP)和指示種分析(indicator species analysis,ISA)；用BioDiversityPro軟件計算Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)；對不同土地利用類型下的環(huán)境因子和底棲動物群落結(jié)構(gòu)及功能群進行單因素方差分析以及Duncan檢驗,進一步應(yīng)用Pearson和Spearman分析檢驗土地利用類型、環(huán)境因子和底棲動物攝食功能群三者之間的相關(guān)性。單因素方差分析用底棲動物的密度數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,統(tǒng)計分析在SPSS 17.0軟件包上進行。

2 結(jié)果

2.1 太子河流域水環(huán)境質(zhì)量

太子河流域不同土地利用類型下的水環(huán)境參數(shù)比較見文獻[30]。太子河流域水環(huán)境參數(shù)的整體特征(表1)。上下游之間水環(huán)境質(zhì)量相差較大,上游水質(zhì)較好,中下游受污染嚴重,水質(zhì)較差。電導(dǎo)率和總?cè)芙夤腆w最小值分別為58.3 mg/L和52.65 mg/L,出現(xiàn)在上游森林區(qū)域；其最大值分別為1392 mg/L和912.5 mg/L,出現(xiàn)在中下游地區(qū)。溶解氧平均值為9.34 mg/L,最大值為14.7 mg/L,出現(xiàn)在上游地區(qū)；最小值1.9 mg/L,出現(xiàn)在下游城鎮(zhèn)地區(qū)。總磷、總氮和高錳酸鹽指數(shù)最大值出現(xiàn)在下游城鎮(zhèn)區(qū)。

表1 太子河流域水環(huán)境參數(shù)的整體特征Table 1 The status of water quality for 42 sites sampled in the Taizi River watershed

2.2 底棲動物功能群

太子河流域共采集到底棲動物37種,分5綱9目14科,優(yōu)勢種為動蜉、搖蚊屬和水絲蚓屬。多響應(yīng)置換過程分析結(jié)果顯示太子河流域4種土地利用類型之間的底棲動物群落結(jié)構(gòu)具有明顯的空間異質(zhì)性(P=0.002)。

單因素方差分析表明(表2),底棲動物群落中的平均豐度和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)在不同土地利用類型內(nèi)具有極顯著差異(P<0.001),在森林用地中最高,分別為8.86和0.94；平均密度、Pielou均勻度指數(shù)和食碎屑者功能群在不同土地利用類型內(nèi)具有顯著差異(P<0.05)；濾食者、收集者、捕食者和刮食者功能群在不同土地利用類型內(nèi)差異性不顯著(P>0.05)。

表2 不同土地利用類型中的底棲動物功能群比較Table 2 Comparison of macroinvertebrate functional groups under different land use types(MR:mean richness;MD:mean density;H:Shannon-Wiener diversity index;J:Pielou evenness)

數(shù)據(jù)以平均值±標準誤差形式表示

采用指示種分析方法檢測太子河流域指示種分布情況,分析結(jié)果見表3。由表3表明：太子河流域共檢測出7個指示物種,其中動蜉、Polycentropussp.和Neuroclipsissp.是森林用地和森林耕作用地的指示種(P<0.05),分別屬于刮食者(SC)和食碎屑者功能群(S)；梯形多足搖蚊是耕地的指示種(P<0.05),屬于收集者功能群(GC)；霍甫水絲蚓和中華新米蝦是城鎮(zhèn)用地的指示種(P<0.05),屬于收集者功能群(GC)。

表3 太子河流域不同土地利用類型下的指示種分析Table 3 Indicator species of different land use types in the Taizi River Basin

2.3 土地利用類型、水環(huán)境質(zhì)量和底棲動物攝食功能群之間的關(guān)系

太子河土地利用類型與水環(huán)境因子之間的Pearson分析表明(表4),森林用地與EC、TDS、TN、NH3-N、CODMn之間呈顯著負相關(guān)性(P<0.01),與DO、IOS之間呈顯著正相關(guān)性(P>0.01)；森林耕作用地和環(huán)境因子之間無相關(guān)性(P>0.05)；耕地與DO和IOS之間呈顯著負相關(guān)性(P<0.01)；城鎮(zhèn)用地與EC、TDS和TN之間呈正相關(guān)性(P<0.05)。

表4 四種土地利用類型和環(huán)境因子之間的Pearson分析Table 4 Person′s correlation between land use types and water environmental indicators

**代表0.01,*代表0.05

太子河土地利用類型與底棲動物功能群之間的Spearman分析表明(表5),森林用地與食碎屑者(S)、刮食者(SC)和收集者(GC)呈正相關(guān)性(P<0.05),而森林耕作用地和底棲動物功能群之間沒有相關(guān)性(P>0.05)。耕地與食碎屑者(S)、濾食者(FC)之間呈負相關(guān)性(P<0.05),城鎮(zhèn)用地與刮食者(SC)和收集者(GC)之間呈顯著負相關(guān)性(P<0.01)。捕食者與4種土地利用類型之間沒有相關(guān)性(P>0.05)。

表5 四種土地利用和底棲動物功能群之間的Spearman分析Table 5 Spearman nonparametric correlations between macroinvertebrate functional groups and land use types

底棲動物攝食功能群和水環(huán)境因子之間的典范對應(yīng)分析表明(圖2),食碎屑者功能群(S)與IOS(底質(zhì)指數(shù))呈顯著相關(guān)性(P<0.05),濾食者功能群(FC)、收集者功能群(GC)、刮食者功能群(SC)與DO(溶解氧)呈顯著相關(guān)性,捕食者功能群(P)與水環(huán)境因子之間無相關(guān)性(P>0.05)。

圖2 底棲動物功能群和水環(huán)境因子之間的典范對應(yīng)分析Fig.2 Canonical correspondence analysis between macroinvertebrate functional groups and water environmental factors in the Taizi River BasinS:食碎屑者功能群；SC:刮食者功能群；GC:收集者功能群；FC:濾食者功能群；P:捕食者功能群

3 討論

研究表明河岸帶土地利用類型對河流底質(zhì)類型和底棲動物攝食功能群有著重要影響[15],河岸帶為森林用地的河流底質(zhì)類型以石塊、碎石為主,IOS較高；而河岸帶為耕地的河流底質(zhì)類型以泥沙為主,IOS較低,這是由于河岸帶的樹木被大量砍伐用作耕種,河道變寬,流速變緩,河道內(nèi)泥沙淤積嚴重,從而導(dǎo)致含沙量較高,這與Brisbois等人[14]的研究結(jié)果相似。不同的河流底質(zhì)類型影響著底棲動物攝食功能群的分布,Polycentropussp.等食碎屑者功能群(S)喜清潔水體,分布于底質(zhì)類型以石塊為主的森林用地；搖蚊、水絲蚓等收集者功能群(GC)耐污性較強,多分布于底質(zhì)類型以淤泥和沙質(zhì)為主的耕地和城鎮(zhèn)用地。

本研究結(jié)果強調(diào)了不同土地利用類型的底棲動物群落結(jié)構(gòu)具有差異性。太子河流域底棲動物的平均豐度和平均密度在森林用地中最高,

在耕地中最低,Shannon-Wiener多樣性指數(shù)在城鎮(zhèn)用地中最低,說明農(nóng)業(yè)活動和城鎮(zhèn)化會影響到底棲動物群落結(jié)構(gòu)的變化[31]。不同土地利用類型下的指示種分析表明森林用地的指示種為動蜉和Polycentropussp.,森林耕作用地的指示種為Polycentropussp,Cinygmasp和Polycentropussp.,均為清潔水體指示種。耕地的指示種為等葉裸須搖蚊,城鎮(zhèn)用地的指示種為霍甫水絲蚓和中華新米蝦,這與其他研究結(jié)果相類似,例如Solis等[32]研究結(jié)果表明腹足動物和翅亞目是農(nóng)業(yè)用地的指示物種,端足目是蓄水區(qū)的指示物種,不同土地利用類型下底棲動物群落結(jié)構(gòu)具有顯著差異性。

研究表明除食碎屑者功能群外,其他攝食功能群在不同土地利用類型下無顯著差異性。森林用地內(nèi)河流底質(zhì)類型以石塊或卵石為主,枯枝落葉等有機碎屑較多,食碎屑者功能群主要分布在森林用地。而其他攝食功能群在不同土地利用之間無顯著差異性,主要由于自森林耕作用地至城鎮(zhèn)建設(shè)用地人類活動干擾增強,氮磷等有機污染物進入河流,水質(zhì)均受到不同程度污染,底棲動物攝食功能群以收集者功能群和濾食者功能群為主。這與Ferrio等人的研究結(jié)果相近,底棲動物攝食功能群不能夠完全反映不同程度的人類活動對河岸帶土地利用的影響[18]。

太子河流域土地利用類型與環(huán)境因子之間的相關(guān)性分析表明,森林用地與DO、IOS之間呈顯著正相關(guān),與EC、TDS、TN、NH3-N、CODMn之間呈顯著負相關(guān),表明人類活動對森林用地區(qū)干擾較小,水質(zhì)較好,這與Zhang等[16]對太子河河岸帶不同寬度下的森林用地與環(huán)境因子的研究結(jié)果不盡相同。耕地與DO和IOS之間呈顯著負相關(guān),城鎮(zhèn)用地與EC、TDS和TN之間呈正相關(guān),表明耕作活動和城鎮(zhèn)建設(shè)對河流干擾性較強,水質(zhì)受到一定程度的污染,這與丁森等人對太子河源頭土地利用與環(huán)境因子的研究結(jié)果較為一致[33]。河岸帶頻繁的人類活動對河流水環(huán)境質(zhì)量造成了嚴重損害,進而影響到底棲動物群落結(jié)構(gòu)的變化。

已有相關(guān)研究表明收集者功能群和濾食者功能群主要出現(xiàn)在城鎮(zhèn)用地和農(nóng)業(yè)用地[34-35]。太子河流域土地利用類型與底棲動物功能群之間的Spearman分析表明：森林用地與食碎屑者(S)、刮食者(SC)和收集者(GC)呈正相關(guān)；耕地與食碎屑者(S)、濾食者(FC)之間呈負相關(guān)；城鎮(zhèn)用地與刮食者(SC)和收集者(GC)之間呈顯著負相關(guān)。Valdovinos等對智利河流的研究結(jié)果表明原始森林區(qū)食碎屑者功能群的密度和生物量高于人類活動區(qū)[35],這與本研究結(jié)果較為相似。

4 結(jié)論

本文從土地利用類型與底棲動物之間關(guān)系的角度出發(fā),并結(jié)合流域環(huán)境、水文等自然屬性特征,將會使得土地利用劃分更具科學(xué)性和實用性,亦可進一步了解由于人類活動而導(dǎo)致河流生態(tài)環(huán)境健康變化特點及變化趨勢。根據(jù)本研究結(jié)果,建議對太子河上游進行良好保持,對中下游要加強治理,尤其控制中下游河岸帶耕作用地和城鎮(zhèn)用地面積,構(gòu)建和諧健康穩(wěn)定的太子河河流生態(tài)系統(tǒng)。