石臼湖江蘇段底棲動物群落結(jié)構(gòu)及與水環(huán)境因子的關(guān)系

尹子龍，楊源浩，郭劉超，胡曉東

（江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210017）

底棲動物是水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，與水體環(huán)境是相互依存、相互影響的統(tǒng)一體，具有分布廣泛、生命周期較長、形體較易辨認、對污染的逃避能力弱和對環(huán)境變化較為敏感等特征，其群落結(jié)構(gòu)是預(yù)測環(huán)境質(zhì)量變化的重要指標，廣泛應(yīng)用于生物監(jiān)測和生態(tài)評價[1,2]。

石臼湖江蘇境內(nèi)湖區(qū)位于南京市西南部，有直供當?shù)鼐用裆钣盟?、促進社會經(jīng)濟發(fā)展和維護生態(tài)環(huán)境平衡等重要作用。本研究以2017 年生態(tài)調(diào)查數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析石臼湖水域底棲動物群落結(jié)構(gòu)及與水環(huán)境因子的關(guān)系，并由此反映出石臼湖水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

石臼湖又名北湖，歷史上曾經(jīng)是古丹陽湖的一部分，是長江下游唯一的直接通江湖泊；位于長江右岸、水陽江入江尾閭，地處南京市域西南部，湖區(qū)東北、東南及西部片區(qū)行政分屬江蘇省溧水縣、高淳縣和安徽省當涂縣。石臼湖匯水區(qū)域內(nèi)主要入湖河道有新橋河、天生橋河、石固河、中流河、博望河和姑溪河等。石臼湖屬于構(gòu)造型淡水湖泊，湖盆呈不規(guī)則四邊形，東西向最長約22 km，南北向最寬約14 km，湖泊面積214.7 km2，正常蓄水位5.04 m，相應(yīng)庫容3.4×109m3。石臼湖主要功能為防洪調(diào)蓄、水資源供給、維護生態(tài)、漁業(yè)養(yǎng)殖、旅游等[3-5]。

1.2 采樣點設(shè)置

根據(jù)石臼湖在江蘇省境內(nèi)湖區(qū)的水文條件、湖盆形狀（據(jù)地圖或水下地形圖判定）和湖水滯留時間，同時兼顧入湖河流、出湖河流、水產(chǎn)養(yǎng)殖和受外源（點源、面源）影響水域等諸多因素。在江蘇省境內(nèi)湖區(qū)共設(shè)置了12 個采樣點，于2017 年1 月—12月期間逐月在石臼湖江蘇省境內(nèi)湖區(qū)采集樣品（圖1）。

圖1 石臼湖江蘇段底棲動物采樣點Fig.1 Sampling sites of enthos in Shijiu Lake

1.3 采樣方法及水化學(xué)指標的測定

用面積為1/20 m2的改良彼得生采泥器采集底棲動物樣品，每個采樣點采集3 次，采集的底泥用網(wǎng)徑為0.45 mm 尼龍篩網(wǎng)沖洗，剩余物帶回實驗室進行樣品篩選，挑揀出各采樣點的各類底棲動物，放入含固定液的50 mL 塑料瓶中。準確地統(tǒng)計每個采樣點所采集到的底棲動物種類和個體數(shù)，用分析天平分別稱重，推算出1 m2內(nèi)的個體數(shù)量以及生物量（g/m2）[6]。底棲動物鑒定參照相關(guān)文獻鑒定書籍[7-9]。

水環(huán)境因子檢測水樣采用5 L 采水器在水下0.5 m 處采集。透明度（SD）采用塞奇氏盤測定，濁度（NTU）、電導(dǎo)率（Cond）、pH、溶解氧（DO）和葉綠素a（chl a）等采用YSI-6600 多功能水質(zhì)分析儀現(xiàn)場測定；總氮（TN）、總磷（TP）和氨氮濃度（NH4-N）及高錳酸鹽指數(shù)（KMnO4）等水化學(xué)指標依據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法》測定[10]。

1.4 底棲動物評價水質(zhì)方法

對底棲無脊椎動物群落結(jié)構(gòu)的調(diào)查研究，可以客觀地分析和評價湖泊營養(yǎng)狀況。采用以下幾種生物指數(shù)試評價石臼湖營養(yǎng)及污染狀況[11-14]。

Goodnight 指數(shù)、BPI 生物學(xué)指數(shù)和Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)計算方法如下，具體指數(shù)對應(yīng)的水質(zhì)評價結(jié)果見表1。

表1 各種生物指數(shù)評價標準Tab.1 The evaluation criteria of various biological indices

式中：N1—寡毛類、蛭類和搖蚊幼蟲個體數(shù)；N2—多毛類、甲殼類、除搖蚊幼蟲以外其他的水生昆蟲個體數(shù)；N3—軟體動物個體數(shù)。

式中：ni—第i 個種的個體數(shù)，N—群落中所有種的個體總數(shù)。

1.5 冗余分析

選擇RDA 分析之前，借助Canoco for windows 4.5 軟件先用species-sample 資料做DCA 分析，分析結(jié)果中Lengths of gradient 第一軸的大小，如果數(shù)值大于4.0，CCA 的結(jié)果要好于RDA；如果數(shù)值在3.0～4.0，選RDA 或CCA 按具體情況分析，如果數(shù)值小于3.0，RDA 的結(jié)果要好于CCA。計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Log 值小于3.0，所以選擇了RDA。之后用Canoco for windows 4.5 軟件對物種數(shù)據(jù)和相關(guān)環(huán)境因子數(shù)據(jù)進行RDA 分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 石臼湖水環(huán)境特征

石臼湖水環(huán)境因子情況見表2、圖2。方差分析結(jié)果表明，石臼湖各環(huán)境因子全年變化明顯，水溫、透明度、濁度、電導(dǎo)率、溶解氧、總氮、氨氮和高錳酸鹽指數(shù)等均呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化；水深和pH 相對其他環(huán)境因子變化較小。

表2 石臼湖環(huán)境因子年均變化情況Tab.2 Annual changes in environmental factors in Shijiu Lake

2.2 底棲動物群落結(jié)構(gòu)

2.2.1 底棲動物種類組成

2017 年1 月—12 月期間,在石臼湖中共鑒定出底棲動物20 種（屬）（表3），其中搖蚊科幼蟲種類最多，共8 種；寡毛類次之，共6 種；軟體動物種類較少，共3 種；其他共鑒定出3 種，包括蛭類2 種、蜻蜓目1 種。底棲動物密度組成主要為搖蚊幼蟲與寡毛類，其中搖蚊幼蟲密度占底棲動物總密度的60.12%，寡毛類密度占底棲動物總密度的35.60%；底棲動物生物量組成主要為軟體動物，軟體動物生物量占底棲動物總生物量的78.20%。

表3 2017 年石臼湖底棲動物密度和生物量Tab.3 Density and biomass of benthols in Shijiu Lake in 2017

2.2.2 底棲動物優(yōu)勢種

石臼湖中底棲動物的密度和生物量被少數(shù)種類所主導(dǎo)。密度方面，寡毛類的顫蚓Tubifex sp.和蘇氏尾鰓蚓Branchiura sowerbyi，搖蚊科幼蟲的黃色羽搖蚊Chironomus flaviplumus、紅裸須搖蚊Propsilocerus akamusi 以及中華裸須搖蚊Propsilocerus sinicus 優(yōu)勢度較高。生物量方面，由于軟體動物個體較大，梨形環(huán)棱螺Bellamya purrificata、中華圓田螺Cipangopaludina cathayensis 和河蜆Corbicula fluminea 在總生物量中占據(jù)絕對優(yōu)勢，黃色羽搖蚊、紅裸須搖蚊所占比重次之。從20 個物種的出現(xiàn)頻率來看，顫蚓、蘇氏尾鰓蚓、管水蚓Aulodrilus sp.、克拉泊水絲蚓Limnodrilus claparedeianus、黃色羽搖蚊、紅裸須搖蚊等6 個種類是石臼湖底棲動物的常見種，在石臼湖大部分采樣點均采集到。優(yōu)勢度指數(shù)分析表明：石臼湖底棲動物優(yōu)勢種為蘇氏尾鰓蚓、顫蚓、黃色羽搖蚊和紅裸須搖蚊[15,16]。

2.2.3 底棲動物密度與生物量分布

石臼湖底棲動物年平均密度和年平均生物量的空間分布見圖3。由圖3 可知，年均生物量比年均密度空間差異性更大。但年均密度和年均生物量的最高值均出現(xiàn)在石臼湖北部沿岸區(qū)域，且年均密度高值主要分布在sjh-1、sjh-2、sjh-3 以及sjh-6 等采樣點，年均密度最高值分布在石臼湖北部湖區(qū)；年均生物量高值集中在sjh-1、sjh-5、sjh-6 以 及sjh-12 等采樣點，年均生物量高值主要分布在湖區(qū)各沿岸地帶，而在湖區(qū)中心水域，密度和生物量相對較低；密度和生物量的空間分布格局與石臼湖的地理位置以及功能區(qū)劃有密切關(guān)系。

圖3 石臼湖底棲動物密度和生物量空間分布Fig.3 Spatial distribution of benthic density and biomass in Shijiu Lake

各類群底棲動物在各采樣點占比可以看出：各采樣點的寡毛類和搖蚊幼蟲年均密度占比較高，軟體動物占比相對較低；但年均生物量則相反，各采樣點的軟體動物占比較高，寡毛類和搖蚊幼蟲占比相對較低；這主要受不同類群的底棲動物生態(tài)特征影響。寡毛類和搖蚊幼蟲個體小，數(shù)量多；軟體動物個體大，數(shù)量少；寡毛類和搖蚊幼蟲密度占比較高，但軟體動物個體遠大，在采集到軟體動物的采樣點，生物量要遠大于其他采樣點。

2.3 水質(zhì)狀況評價

利用全年底棲動物監(jiān)測數(shù)據(jù)計算了石臼湖的各生物學(xué)指數(shù)（表4）。除個別采樣點外，石臼湖各采樣點的Goodnight 指數(shù)和BPI 指數(shù)均較高，表明石臼湖整體呈中污染狀態(tài)；石臼湖各采樣點Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)整體較低，也證明了這一點，表明湖區(qū)生物種類較少，也表明石臼湖水質(zhì)整體處于中污染狀態(tài)。

表4 2017 年石臼湖底棲動物各生物學(xué)指數(shù)Tab.4 The biological indices of benthos in Shijiu Lake in 2017

2.4 底棲動物與水環(huán)境因子的關(guān)系

各采樣點底棲動物優(yōu)勢種密度數(shù)據(jù)和水化學(xué)因子數(shù)據(jù)通過lg（x+1）處理，使之更趨于正態(tài)分布后，首先采用Canoco for Windows 4.5 軟件進行DCA分析[17-19]。DCA 分析結(jié)果表明，SD 值為2.728，SD值＜3，因此，對物種數(shù)據(jù)和相關(guān)環(huán)境因子數(shù)據(jù)進行RDA 分析（圖4）。圖中SP1～SP4 分別為黃色羽搖蚊、紅裸須搖蚊、蘇氏尾鰓蚓和顫蚓。

圖4 石臼湖底棲動物優(yōu)勢種RDA 分析Fig.4 RDA Analysis of dominant species of benthos in Shijiu Lake

不同水環(huán)境因子對底棲動物優(yōu)勢種影響不同。RDA 結(jié)果表明，第一軸、第二軸共解釋了屬種累計方差值的20.3%，環(huán)境變量對物種的解釋量達到90.5%；總磷質(zhì)量濃度、氨氮質(zhì)量濃度、水深和pH 對底棲動物優(yōu)勢種影響較大，黃色羽搖蚊同水深呈顯著正相關(guān)，同總磷質(zhì)量濃度與氨氮質(zhì)量濃度呈明顯負相關(guān)；蘇氏尾鰓蚓和顫蚓同水深呈顯著負相關(guān)，同總磷質(zhì)量濃度與氨氮質(zhì)量濃度呈明顯正相關(guān)；紅裸須搖蚊同pH 呈顯著正相關(guān)，與透明度與總氮質(zhì)量濃度也成正相關(guān)關(guān)系，但沒有明顯呈負相關(guān)。

3 討論

3.1 石臼湖底棲動物水質(zhì)評價情況

綜合石臼湖底棲動物Goodnight 指數(shù)、BPI 指數(shù)和Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)三種生物學(xué)指數(shù)評價結(jié)果，表明石臼湖整體處于中污染狀態(tài)，石臼湖湖區(qū)污染情況分區(qū)較為明顯，湖區(qū)中心區(qū)域污染較輕，環(huán)湖沿岸帶污染較為嚴重。石臼湖底棲動物年均密度和年均生物量的最高值也均出現(xiàn)在石臼湖北部沿岸帶湖區(qū)，與三種生物學(xué)指數(shù)的空間分布格局較為一致，而在湖心區(qū)，年均密度和年均生物量相對較低.底棲動物年均密度和年均生物量的空間分布格局與石臼湖的湖區(qū)地理位置有密切關(guān)系。湖區(qū)污染相對較重的區(qū)域，底棲動物密度及生物量也較高。其中sjh-2 采樣點位于天生橋河的入湖口，河流沿岸分布大量的村鎮(zhèn)以及圍塘養(yǎng)殖場，人類生產(chǎn)生活污染物隨水流匯入石臼湖中，入湖口附近污染狀況加重；南部sjh-7、sjh-11 以及sjh-12 等采樣點位于蛇山北部，大量漁船在sjh-7 附近水域以及航道停泊，同時sjh-11、sjh-12 附近仍分布大量圍網(wǎng)養(yǎng)殖，生產(chǎn)生活加重石臼湖自然生態(tài)環(huán)境承載能力。搖蚊幼蟲密度季節(jié)性變化較大，軟體動物密度季節(jié)性變化不明顯，其主要原因與各自的生長習性有關(guān)。冬、春季是搖蚊幼蟲的主要生長期，隨著季節(jié)變化，溫度升高，搖蚊幼蟲逐漸羽化，變?yōu)閾u蚊成蟲離開水體，密度也是相同變化趨勢。生物量差異主要與軟體動物有關(guān)，軟體動物生物量遠大于其他底棲動物，在各采樣點所占比重較大。在石臼湖水體污染較重區(qū)域均顯示為底棲動物耐污種占據(jù)優(yōu)勢。底棲動物的群落結(jié)構(gòu)及生物學(xué)指標均表明了石臼湖的污染現(xiàn)狀。

3.2 石臼湖底棲動物與水環(huán)境因子相關(guān)性

不同研究區(qū)域內(nèi)影響底棲動物的環(huán)境因素各不相同，不同種類底棲動物對不同環(huán)境因素的耐受性不同，同一環(huán)境因素對不同類型的底棲動物的影響也不同；不同研究區(qū)域?qū)ν活愋偷讞珓游锏挠绊懸蛩匾部赡懿煌Ｑ芯勘砻鳎河绊懝衙惙植嫉闹饕蛩厥侨芙庋鹾縖20-22]；但也有研究認為影響寡毛類分布的主要因素是電導(dǎo)率[21]；還有研究認為水深是影響靜水生態(tài)系統(tǒng)底棲動物群落結(jié)構(gòu)的主要因素。水深不同，水環(huán)境因子也會發(fā)生變化，間接影響底棲動物的分布[24,25]。全年的RDA 分析表明，與石臼湖底棲動物優(yōu)勢種相關(guān)的水環(huán)境因子主要有總磷質(zhì)量濃度、氨氮質(zhì)量濃度、水深、pH 和透明度。其中寡毛類同水深呈顯著負相關(guān)，同總磷質(zhì)量濃度與氨氮質(zhì)量濃度呈明顯正相關(guān)；兩種搖蚊幼蟲有所不同，黃色羽搖蚊同水深呈顯著正相關(guān)，同總磷質(zhì)量濃度與氨氮質(zhì)量濃度呈明顯負相關(guān)；紅裸須搖蚊同pH 呈顯著正相關(guān)，與透明度與總氮質(zhì)量濃度也成正相關(guān)，但沒有明顯呈負相關(guān)的環(huán)境因子。一般認為，搖蚊幼蟲的密度是判斷水體富營養(yǎng)化的重要指標[26]。在營養(yǎng)水平較高的水體中，通常是顫蚓類和搖蚊幼蟲等耐污種類為優(yōu)勢種；而隨著水體營養(yǎng)水平的升高，軟體動物的數(shù)量下降[27]。本研究中，優(yōu)勢種都是寡毛類和搖蚊幼蟲等耐污能力較強的物種，軟體動物的數(shù)量整體較少，也說明石臼湖的營養(yǎng)水平較高，存在富營養(yǎng)化的風險。

本研究結(jié)果表明，石臼湖水質(zhì)整體較差，處于中度污染狀態(tài)，北部沿岸區(qū)域污染相對較重。結(jié)合底棲動物種類組成、三種生物學(xué)指數(shù)和RDA 多元統(tǒng)計分析結(jié)果，蘇氏尾鰓蚓、顫蚓等耐污能力較強的種類在石臼湖優(yōu)勢度較高，更說明石臼湖水生態(tài)環(huán)境存在水質(zhì)惡化的風險，相關(guān)管理部門應(yīng)加以重視。建議持續(xù)進行水質(zhì)生態(tài)實時監(jiān)測，加強宣傳教育，強化管理，減少污染源，爭取從源頭控制污染。