螞蟻河大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物及其與環(huán)境響應(yīng)關(guān)系研究

石金磊，王立權(quán)，李鐵男，張 檸，趙文超

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

河流水生生態(tài)系統(tǒng)是自然界的一個(gè)重要組成部分[1]，除了直接提供人類所需的淡水資源外，它還在維持生物能源循環(huán)和提供其他生態(tài)服務(wù)方面發(fā)揮著重要作用[2]。這些年以來(lái)，由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，造成了人類對(duì)河流水生態(tài)系統(tǒng)資源的肆意浪費(fèi)，同時(shí)河流水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)惡化的問(wèn)題也變得愈發(fā)嚴(yán)重[3]。作為水生生物群里的一個(gè)重要組成部分，大型底棲生物由于具有加速河道殘骸的分解以及促進(jìn)物質(zhì)交換和凈化水質(zhì)的功能，在生態(tài)指標(biāo)和水質(zhì)評(píng)估研究中被廣泛應(yīng)用[4]。隨著河流水域生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估理論的不斷發(fā)展，人們認(rèn)識(shí)到對(duì)大型底棲動(dòng)物的環(huán)境適宜性評(píng)估是有效保護(hù)和管理底棲動(dòng)物多樣性的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。因此，開(kāi)展內(nèi)陸河地區(qū)大型底棲動(dòng)物環(huán)境研究可為保護(hù)當(dāng)?shù)厮锒鄻有蕴峁├碚撝巍?/p>

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)情況

螞蟻河是松花江右岸的一條較大支流，位于黑龍江省南部。他發(fā)源于張廣才嶺的西坡并流經(jīng)三個(gè)縣(市)，即尚志市、延壽縣、方正縣，在方正縣北端與松花江匯合，與通河縣相對(duì)，總長(zhǎng)280.08 km。流域總面積10 847.40 km2。螞蟻河三面環(huán)山，河水在源頭后呈東西走向，然后轉(zhuǎn)向西北，到尚志市的葦河鎮(zhèn)，然后在尚志市附近轉(zhuǎn)向東北，當(dāng)河流到達(dá)延壽縣的邊界時(shí)，流向再次改變，向北和東北方向流動(dòng)，河流呈現(xiàn)出字母“L”的形狀。尚志段地貌為東南至西北環(huán)型高、中間低的階梯特征。方正縣屬于丘陵——低山區(qū)地形。東、西部塊斷侵蝕中山山地和低山丘陵。

1.2 設(shè)置采樣點(diǎn)及樣品收集與處理

在這項(xiàng)研究中，我們選取了受人類活動(dòng)干擾強(qiáng)度不同的河流生態(tài)系統(tǒng)地點(diǎn)，同時(shí)還結(jié)合河流系統(tǒng)和其形態(tài)特征、河床基質(zhì)的不同類型、水電站建設(shè)以及工業(yè)和農(nóng)業(yè)污染，此次調(diào)查將螞蟻河分為方正縣至延壽縣、延壽縣至尚志市、尚志市至亞布力鎮(zhèn)等3個(gè)調(diào)查河段。根據(jù)控制性、代表性原則，水生生物和水體理化性質(zhì)調(diào)查需要，調(diào)查時(shí)間為2019年10月。每個(gè)河段內(nèi)設(shè)置2～5個(gè)采樣點(diǎn)，位置見(jiàn)表1。

表1 螞蟻河大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物調(diào)查采樣點(diǎn)

分別使用1/60 m2彼得遜采泥器和抄網(wǎng)(直徑50 cm)定量和定性地收集大型底棲生物，根據(jù)采樣河段的生境特征，在每個(gè)采樣段的不同位置重復(fù)收集2～3次，并取平均值[5]。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的物理和化學(xué)指標(biāo)包括電阻率、pH值、電導(dǎo)率、水溫、底質(zhì)、溶解氧濃度、鹽度和溶解性總固體濃度數(shù)據(jù)；實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定亞硝酸鹽氮、總磷、總氮、BOD5、氨氮、CODMn以及COD等化學(xué)指標(biāo)。根據(jù)地表水的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)水樣進(jìn)行預(yù)處理和保存。為了避免控制采樣的誤差，上述樣品重復(fù)4次，在數(shù)據(jù)分析時(shí)取平均值。根據(jù)底質(zhì)粒徑分類標(biāo)準(zhǔn)[6]，將底質(zhì)分為粗礫(8～16 mm)、細(xì)礫(4～8 mm)和砂(<4 mm)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

1.3.1 優(yōu)勢(shì)度及多樣性指數(shù)

為了確定研究地區(qū)的主要物種，使用了生物指標(biāo)，如香農(nóng)—威納(Shannon-Wiener)多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)和Margalef豐富度指數(shù)來(lái)量化每個(gè)采樣點(diǎn)的生物多樣性。在香農(nóng)—威納(Shannon-Wiener)多樣性指數(shù)的基礎(chǔ)上，使用Pielou均勻度指數(shù)同質(zhì)性指數(shù)來(lái)估計(jì)群落樣本中所有物種的個(gè)體數(shù)量分布和同質(zhì)性程度[7]。

一個(gè)物種的優(yōu)勢(shì)是通過(guò)優(yōu)勢(shì)公式來(lái)衡量的，該公式基于大型底棲生物的出現(xiàn)頻率和該物種的個(gè)體數(shù)量，優(yōu)勢(shì)度Y如式(1)：

(1)

式中：ni為采樣中某類物種的數(shù)量；N為采樣中總體物種的數(shù)量；fi為采樣中某類物種的出現(xiàn)頻率。當(dāng)某類物種優(yōu)勢(shì)度Y>0.02時(shí)，該物種即為優(yōu)勢(shì)種群[8-9]。

香農(nóng)—威納(Shannon-Wiener)多樣性指數(shù)H′如式(2)：

(2)

式中：S為采樣區(qū)域內(nèi)的底棲動(dòng)物種類數(shù)。香農(nóng)—威納(Shannon-Wiener)多樣性指數(shù)越大，物種群落結(jié)構(gòu)不確定性越大，物種多樣性越高[10]。

用于評(píng)估生物群落中物種豐度程度的Margalef豐度指數(shù)[11]dM如式(3)：

(3)

Pielou均勻度指數(shù)J如式(4)：

(4)

1.3.2 典范對(duì)應(yīng)分析

典范對(duì)應(yīng)分析(CCA)是探究大型底棲動(dòng)物與環(huán)境因子相關(guān)性常用的一種重要的單峰模型排序方法[12-14]。本研究以螞蟻河延壽上游15個(gè)采樣點(diǎn)的大型底棲動(dòng)物的生物密度作為物種矩陣(20×15)，以各采樣點(diǎn)的水溫、氨氮、溫度、底質(zhì)、pH值和溶解氧等環(huán)境因子作為環(huán)境因子矩陣(20×9)。除pH值外，數(shù)據(jù)在分析前標(biāo)準(zhǔn)化處理為lg(1+x)。Canoco 4.5軟件用于物種數(shù)據(jù)的CCA分析和環(huán)境因子數(shù)據(jù)的分析，對(duì)地塊進(jìn)行排序[7]。

2 結(jié)果與分析

2.1 大型底棲動(dòng)物種類組成

2.1.1 物種組成及優(yōu)勢(shì)種

綜合底棲動(dòng)物密度在15個(gè)采樣點(diǎn)出現(xiàn)頻率，以優(yōu)勢(shì)度Y>0.02的物種視為優(yōu)勢(shì)種[5]。蜉蝣目中的小蜉、扁蜉，蜻蜓目中的虎蜓，雙翅目中的羽搖蚊幼蟲(chóng)，顫蚓目中的中華顫蚓、水絲蚓及顎蛭目中的水蛭為螞蟻河的優(yōu)勢(shì)種，Y分別為0.026、0.020、0.060、0.032、0.125、0.047和0.028。出現(xiàn)頻率前7位的廣布種分別為中華顫蚓、虎蜓、羽搖蚊幼蟲(chóng)、水絲蚓、扁蜉、水蛭和小蜉，出現(xiàn)頻率分別為100.00%、87.06%、81.18%、75.29%、55.29%、37.69%和23.39%。其中中華顫蚓在研究區(qū)內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)和其物種優(yōu)勢(shì)度均最高，分別為100.00%和0.125。

表2 螞蟻河各采樣點(diǎn)動(dòng)物分布情況

2.1.2 群落分布及多樣性

7個(gè)斷面共采集到大型底棲動(dòng)物890個(gè)，以目為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行分類，可分為蜉蝣目、蜻蜓目、毛翅目和三翅目4類。采樣鑒定結(jié)果表明不同河流間大型底棲動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)有顯著差異[7]，見(jiàn)圖1。

圖1 螞蟻河底棲動(dòng)物的生物量分布

將采樣區(qū)域的總的物種豐度轉(zhuǎn)化為單位面積等效豐度，生物密度取多個(gè)采樣點(diǎn)的平均密度。同時(shí)以河段為研究對(duì)象，在統(tǒng)計(jì)物種出現(xiàn)頻率和總個(gè)體數(shù)的基礎(chǔ)上，計(jì)算香農(nóng)—威納(Shannon-Wiener)多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)等生物指數(shù)[7]。

2.2 主要環(huán)境因子特征

采樣河段主要環(huán)境因子(水體理化參數(shù))見(jiàn)表3。六團(tuán)鎮(zhèn)與沿河鎮(zhèn)各采樣點(diǎn)處流速相對(duì)較急，溶氧含量較尚志市斷面高。

表3 采樣河段水體理化參數(shù)

2.3 物種分布與主要環(huán)境因子關(guān)系

在這些大型底棲動(dòng)物中選擇了15種，并分析了它們與環(huán)境因素的關(guān)系。其中，物種-采樣點(diǎn)關(guān)系見(jiàn)圖2。在排序圖中，進(jìn)行對(duì)螞蟻河采樣點(diǎn)中入選的大型底棲物種除趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析，軸線中最大梯度長(zhǎng)度(LOG)為2.68<3，即進(jìn)行典范對(duì)應(yīng)分析(CCA)。螞蟻河每個(gè)采樣點(diǎn)的底棲動(dòng)物物種密度與9個(gè)主要環(huán)境因素使用CCA分析，通過(guò)分析得到的9個(gè)主要環(huán)境因素全部反映了97.9%物種密度的信息。坐標(biāo)軸1與坐標(biāo)軸2的特征值分別為0.5587和0.3768，其物種的密度與環(huán)境因素的相關(guān)程度達(dá)到了0.9895和0.9988。坐標(biāo)軸1～軸4共同反映出85.66%的物種信息和93.56%的物種—環(huán)境相關(guān)程度，其中坐標(biāo)軸1的貢獻(xiàn)最大，占物種—環(huán)境相關(guān)程度的57.56%。

圖2 底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的CCA排序圖

3 討 論

3.1 主要環(huán)境因子

CCA排序結(jié)果表明蜉蝣目等優(yōu)勢(shì)物種的生物密度與流速之間存在很好的正相關(guān)關(guān)系，生物密度較大(29～86個(gè)/m2)。延壽斷面的采樣點(diǎn)處水流普遍較緩，流速范圍在0.35～0.39 m/s之間，顫蚓目物種數(shù)量較多。底質(zhì)是大型底棲動(dòng)物成長(zhǎng)、繁殖的載體，為底棲動(dòng)物提供多樣的棲息和避難場(chǎng)所。在水流條件相似的情況下，底質(zhì)是影響河流大型底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵棲息地環(huán)境因子[15]。其次各采樣點(diǎn)處pH值相差不大，均為弱堿性水質(zhì)。

3.2 大型底棲動(dòng)物與主要環(huán)境因子的關(guān)系

本次研究區(qū)域的地理位置處高緯度地區(qū)，采樣期間的室外溫度變化在17.3～32.5℃范圍之內(nèi)，水溫變化在16.7～28.7 ℃范圍之內(nèi)。CAA排序圖表明，其中顫蚓目、顎蛭目的物種密度對(duì)水溫變化較敏感。底棲動(dòng)物的物種密度對(duì)底質(zhì)的變化有著較強(qiáng)的響應(yīng)關(guān)系，研究區(qū)內(nèi)底質(zhì)粒徑范圍較小，從泥到沙石均有分布。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在延壽斷面(H13)位置處中華顫蚓物種密度最大，在三門(mén)于家屯斷面的(H15)處中華顫蚓物種較少。而斷面(H15)位于灌區(qū)附近，河床由泥構(gòu)成，且河道周邊沒(méi)有水生植物分布。

4 結(jié) 論

(1)本次研究共發(fā)現(xiàn)大型底棲動(dòng)物共有15種，其中蜉蝣目有4種，占26.67%；毛翅目、雙翅目、顫蚓目和半翅目各有2種，共占總數(shù)的53.33%；蜻蜓目、顎蛭目和積翅目均為1種，共占總數(shù)的20%。

(2)綜合考慮基于典范相關(guān)分析得出，水溫、溶解氧濃度、pH值等是影響螞蟻河延壽以上研究斷面大型底棲動(dòng)物群落分布的主要環(huán)境因子，不同的大型底棲動(dòng)物物種對(duì)環(huán)境壓力的適應(yīng)和反應(yīng)是不同的，可見(jiàn)保護(hù)生態(tài)環(huán)境對(duì)維持大型底棲動(dòng)物多樣性很重要。