劉小雪,桑國(guó)慶,王海軍,劉 馳,武 瑋
(1.濟(jì)南大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,山東 濟(jì)南 250022;2.山東省水文局,山東 濟(jì)南 250002;3.濟(jì)寧市水利事業(yè)發(fā)展中心,山東 濟(jì)寧 272109)
大型底棲動(dòng)物是生活于或大部分時(shí)間生活于水體底部的水生動(dòng)物類群,是湖泊生態(tài)系統(tǒng)生物群落中必不可少的成員[1],它們的群落特征和時(shí)空分布等可以反映湖泊生態(tài)變化規(guī)律。自然環(huán)境變化和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平在改變大型底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮著著舉足輕重的作用[2-3]。相對(duì)于浮游生物和魚類等生物類群,大型底棲動(dòng)物具有活動(dòng)場(chǎng)所比較固定、遷移能力弱及便于采集的特點(diǎn),且對(duì)水質(zhì)的變化反應(yīng)較為敏銳,一旦外界環(huán)境發(fā)生改變,其群落特征變化趨勢(shì)通??梢赃M(jìn)行預(yù)測(cè),是水環(huán)境監(jiān)測(cè)的有效生物指標(biāo),近年來(lái)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中得到了普遍應(yīng)用[4-5]。
相比歐美發(fā)達(dá)國(guó)家,我國(guó)大型底棲動(dòng)物研究起步較晚[6]。近年來(lái)我國(guó)學(xué)者對(duì)大型底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)特征與湖泊水質(zhì)進(jìn)行了大量研究,并取得了較大進(jìn)展。朱利明等[7]、張超文等[8]、喬雪等[9]分別研究了淀山湖、洪澤湖、明珠湖大型底棲動(dòng)物群落特征與水質(zhì)的關(guān)系。雷呈[10]對(duì)鄱陽(yáng)湖豐水期大型底棲動(dòng)物進(jìn)行研究,通過建立大型底棲動(dòng)物完整性評(píng)價(jià)體系,評(píng)估鄱陽(yáng)湖生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。龍振宇[11]通過對(duì)吉林省西部中小型湖泊的調(diào)查,探討豐水期和平水期大型底棲動(dòng)物物種組成、時(shí)空變化與環(huán)境因子的相關(guān)性。王芳花[12]將生活在云南省的2種不同類型湖泊大型底棲動(dòng)物的群落特征進(jìn)行對(duì)比,剖析環(huán)境因子在改變大型底棲動(dòng)物結(jié)構(gòu)特征與空間變化方面發(fā)揮著重要作用。
當(dāng)前,對(duì)微山湖的底棲動(dòng)物結(jié)構(gòu)特征同水質(zhì)關(guān)系[13]的報(bào)道相對(duì)較少。1959年山東大學(xué)曾組織對(duì)南四湖(含微山湖)大型底棲動(dòng)物的初步探究。1983—1984年,山東省濟(jì)寧市有關(guān)部門研究了南四湖(含微山湖)水生生物物種[14]。還有學(xué)者針對(duì)微山湖小型底棲動(dòng)物群落特征[15],以及南四湖(含微山湖)大型底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)[16-17]進(jìn)行研究。
微山湖作為我國(guó)南水北調(diào)東線工程重要的調(diào)蓄湖泊和輸水通道,受調(diào)水工程和人類活動(dòng)影響,微山湖的生態(tài)環(huán)境發(fā)生了較大變化。本文中通過對(duì)微山湖大型底棲動(dòng)物群落特征調(diào)查,探討其與環(huán)境因子的關(guān)系,可為監(jiān)測(cè)和研究調(diào)水工程對(duì)微山湖生態(tài)系統(tǒng)的影響提供背景資料,旨在為保護(hù)和深入探究微山湖大型底棲動(dòng)物的群落特征和功能提供參考。
微山湖位于沂沭泗流域西部,水域面積約為1 266 km2,是我國(guó)北方著名的大型淡水湖泊[14]。湖面向北與昭陽(yáng)湖、獨(dú)山湖、南陽(yáng)湖依次連接,被統(tǒng)稱為南四湖。微山湖是南水北調(diào)東線工程關(guān)鍵的中轉(zhuǎn)調(diào)蓄站,自韓莊閘引長(zhǎng)江水入微山湖,于2013年12月正式通水,平均輸水流量為125 m3/s,通水前的微山湖處于中污染狀態(tài)[13]。微山湖物產(chǎn)豐饒,常年出產(chǎn)蓮、蟹、魚、鴨等多種物產(chǎn),并且生物資源也相對(duì)豐富,擁有獨(dú)特的自然濕地生態(tài)系統(tǒng)。
在微山湖湖區(qū)布設(shè)了8個(gè)采樣點(diǎn),于2018年10月(秋季)、12月(冬季)和2019年3月(春季)、7月(夏季)進(jìn)行大型底棲動(dòng)物樣本和水質(zhì)采集。采樣點(diǎn)設(shè)置如圖1所示。
圖1 微山湖采樣點(diǎn)設(shè)置圖
水質(zhì)數(shù)據(jù)采集。使用多參數(shù)水質(zhì)分析儀現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)定溶解氧(DO)、pH、水溫(WT)和溶解性總固體(TDS),使用塞氏盤現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)采樣點(diǎn)位的透明度(SD)?,F(xiàn)場(chǎng)使用容積為5 L有機(jī)玻璃采水器,在底層(距離水底0.5 m)和表層(距離水面0.5 m)采集水樣,并進(jìn)行混合,放入冷藏箱中冷藏保存,于48 h內(nèi)送檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)測(cè)定總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、懸浮物(SS)和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)的濃度。
大型底棲動(dòng)物采集。采用彼德森采泥器(采泥面積為1/16 m2),將大型底棲動(dòng)物和底泥、植物等一起采集,放入12號(hào)自封袋內(nèi)。當(dāng)天用孔徑為500 μm不銹鋼網(wǎng)篩篩洗,用鑷子把大型底棲動(dòng)物逐一撿出,再用體積分?jǐn)?shù)為5%的甲醛溶液滴定,送檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行樣品鑒定。
1.4.1 生物多樣性指數(shù)
采用物種多樣性指數(shù)、物種均勻度指數(shù)和優(yōu)勢(shì)度等指標(biāo)來(lái)剖析微山湖大型底棲動(dòng)物的組成特點(diǎn)、群落特征和優(yōu)勢(shì)種情況。
Shannon-Wiener多樣性指數(shù)H′的表達(dá)式為
(1)
Pielou均勻度指數(shù)J的表達(dá)式為
J=H′/log2S,
(2)
優(yōu)勢(shì)度Y的表達(dá)式為
Y=(ni/N)fi,
(3)
式中:ni為樣品中第i種的個(gè)體數(shù);S為總種類數(shù);N為總個(gè)體數(shù);fi為第i種在采樣點(diǎn)中出現(xiàn)的頻率。Y>0.02時(shí),定作優(yōu)勢(shì)種[18]。
1.4.2 多元分析
基于統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品與服務(wù)解決方案SPSS 22軟件雙因素方差方法進(jìn)行研究,確定大型底棲動(dòng)物結(jié)構(gòu)組成的時(shí)空差異。聚類分析中選擇Euclidean距離,并利用相似性分析(ANOSIM)檢驗(yàn)群落劃分是否顯著。微山湖大型底棲動(dòng)物種類組成和環(huán)境因子的關(guān)系是通過約束排序(constrained ordination)方法進(jìn)行剖析[19]。物種矩陣通過轉(zhuǎn)換[20],經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)包括8個(gè)采樣點(diǎn)的10個(gè)環(huán)境因子和4種大型底棲生物類群(A為昆蟲綱,B為腹足綱,C為瓣鰓綱,D為寡毛綱)。首先進(jìn)行除趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析(DCA)來(lái)確定模型,如果4個(gè)軸中的最大梯度大于4,則適合單峰模型(典范對(duì)應(yīng)分析,CCA)進(jìn)行分析;若最大梯度小于3時(shí),宜采用線性模型(冗余分析,RDA);若最大梯度為3~4時(shí),2種模型均可采用。環(huán)境變量的顯著性由Monte Carlo檢驗(yàn)確定,采用生態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)多變量統(tǒng)計(jì)分析軟件CANOCO 5.0進(jìn)行分析。
1.4.3 水質(zhì)的生物學(xué)評(píng)價(jià)
微山湖水質(zhì)評(píng)價(jià)采用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)H′和Pielou均勻度指數(shù)J。Shannon-Wiener多樣性指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[21]如下:H′>3,水質(zhì)為優(yōu);H′≥2~3,水質(zhì)為良好;H′≥1~2,水質(zhì)為輕度污染;H′≥0.5~1,水質(zhì)為中污染;H′=0~0.5,水質(zhì)為重污染。Pielou均勻度指數(shù)水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[22]如下:J>0.80,水質(zhì)為優(yōu);J≥0.61~0.80,水質(zhì)為良好;J≥0.41~0.60,水質(zhì)為輕污染;J=0.21~0.41,水質(zhì)為中污染;J<0.21,水質(zhì)為重污染。
研究結(jié)果顯示,在微山湖調(diào)查到大型底棲動(dòng)物共18種,包含3門4綱10科,2018、2019年各有16、13種,均由環(huán)節(jié)動(dòng)物門、軟體動(dòng)物門、節(jié)肢動(dòng)物門構(gòu)成。其中,種類數(shù)量最多的為軟體動(dòng)物(10種),占比為55.6%,其次為節(jié)肢動(dòng)物(5種)、環(huán)節(jié)動(dòng)物(3種),占比分別為27.8%、16.6%,如表1所示。
表1 微山湖大型底棲動(dòng)物物種組成與出現(xiàn)頻率
優(yōu)勢(shì)度分析表明,大型底棲動(dòng)物優(yōu)勢(shì)種為豆螺(Bithyniasp.)、梨形環(huán)棱螺(Bellamyapurificata)、紅裸須搖蚊(Propsilocerusakamusi)和直緣耳蘿卜螺(Radixclessini)。第1個(gè)物種在4次采樣中數(shù)量最多,排在第1位,后3個(gè)物種均在第2—4位。
微山湖大型底棲動(dòng)物空間和季節(jié)的聚類分析結(jié)果見圖2。由圖可知,不同季節(jié)和采樣點(diǎn)微山湖大型底棲動(dòng)物物種構(gòu)成無(wú)明顯差異。
微山湖大型底棲動(dòng)物的生物量及生物個(gè)體面密度的時(shí)空分布如圖3所示。由圖可以看出,微山湖大型底棲動(dòng)物的生物量及生物個(gè)體面密度在不同季節(jié)及采樣點(diǎn)都存在著較大差異。時(shí)間分布上,秋季的生物量是159 g/m2,是四季最高的,而冬季生物量最小,為98.5 g/m2;夏季的生物個(gè)體面密度最高,為742 m-2,冬季的最低,為332 m-2。空間分布上,生物量最大在南部6號(hào)點(diǎn),為148.88 g/m2,湖東部4號(hào)點(diǎn)生物量最小,為21.84 g/m2;湖東北部3號(hào)點(diǎn)的生物個(gè)體面密度最高,為712 m-2,湖東部4號(hào)點(diǎn)的最低,為148 m-2。
由DCA結(jié)果可知,各排序軸的最大梯度長(zhǎng)度分別為全年(0.46)、秋季(1.51)、冬季(1.20)、春季(1.67)和夏季(1.47),都小于3,因此可以選用RDA進(jìn)行剖析大型底棲動(dòng)物和環(huán)境因子的關(guān)系,結(jié)果見圖4。
全年RDA關(guān)系見圖4(a),通過將各類群大型底棲動(dòng)物密度和環(huán)境因子進(jìn)行轉(zhuǎn)換,并經(jīng)過Monte Carlo置換檢驗(yàn),預(yù)選出符合條件的環(huán)境因子,顯示為WT(顯著性水平P=0.002,F(xiàn)檢驗(yàn)值σF=7.5)、NH3-N(P=0.048,σF=3.0)、SS(P=0.078,σF=2.7)、TP(P=0.28,σF=1.2)、TN(P=0.454,σF=0.9)、DO(P=0.488,σF=0.9)和TDS(P=0.674,σF=0.6)。大型底棲動(dòng)物密度在軸1與軸2的解釋率分別為14.4%、5.5%,累計(jì)解釋率為19.9%。由圖中箭頭長(zhǎng)度可看出,環(huán)境因子和大型底棲動(dòng)物種類的相關(guān)性由大到小依次為WT、NH3-N、DO、TP、TDS、SS、TN。由箭頭與排序軸夾角得出,TN、DO、TDS和SS與軸1為正相關(guān),且相關(guān)性由大到小依次為DO、TDS、SS、TN;WT、NH3-N、TP均與軸1呈負(fù)相關(guān)。
通過RDA分析每個(gè)季節(jié)大型底棲動(dòng)物和環(huán)境因子的關(guān)系,為秋季、冬季、春季和夏季。秋季與大型底棲動(dòng)物群落特征有關(guān)的環(huán)境因子為NH3-N(P=0.01,σF=7.8)、DO(P=0.042,σF=3.8)和CODMn(P=0.438,σF=1.0),累計(jì)解釋率為91.4%。由圖4(b)中箭頭長(zhǎng)度可看出,環(huán)境因子與大型底棲動(dòng)物種類之間的相關(guān)性由大到小依次為NH3-N、DO、CODMn、WT。由箭頭與排序軸夾角得出,NH3-N與軸1呈正相關(guān);DO、CODMn、WT與軸1呈負(fù)相關(guān),且相關(guān)性由大到小依次為WT、CODMn、DO。
冬季與大型底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)相關(guān)的環(huán)境因子為pH(P=0.122,σF=4.2)、SS(P=0.036,σF=4.7)和CODMn(P=0.064,σF=8.1),累計(jì)解釋率為94.4%。由圖4(c)箭頭長(zhǎng)度可知,環(huán)境因子與大型底棲動(dòng)物種類之間的相關(guān)性由大到小依次為CODMn、SS、pH、TDS。由箭頭與排序軸夾角得出,其中SS與軸1呈正相關(guān);TDS、CODMn、pH均與軸1呈負(fù)相關(guān)。
春季與大型底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)相關(guān)的環(huán)境因子為TDS(P=0.054,σF=3.4)、pH(P=0.19,σF=2.1)和CODMn(P=0.036,σF=3.6),累計(jì)解釋率為87.9%。由圖4(d)箭頭長(zhǎng)度可看出,環(huán)境因子與大型底棲動(dòng)物種類之間的相關(guān)性由大到小依次為CODMn、pH、TDS、TP。由箭頭與排序軸夾角得出,CODMn、TP與軸1呈正相關(guān),且CODMn的相關(guān)性大于TP的;TDS、pH均與軸1呈負(fù)相關(guān)。
夏季與大型底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)相關(guān)的環(huán)境因子為TDS(P=0.314,σF=1.4)、NH3-N(P=0.302,σF=1.3)和SD(P=0.27,σF=1.5),累計(jì)解釋率為67.1%。從圖4(e)箭頭長(zhǎng)度可得,環(huán)境因子與大型底棲動(dòng)物種類之間的相關(guān)性由大到小依次為TDS、SD、pH、NH3-N。由箭頭與排序軸夾角得出,SD、NH3-N與軸1呈正相關(guān),且SD的相關(guān)性大于pH的;TDS、NH3-N均與軸1呈負(fù)相關(guān)。
微山湖水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果見圖5。綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)表明,微山湖水質(zhì)呈現(xiàn)出中度富營(yíng)養(yǎng)化的是8號(hào)采樣點(diǎn),其余采樣點(diǎn)的水質(zhì)為輕度富營(yíng)養(yǎng)化,而整體綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)平均為53.71,是輕度富營(yíng)養(yǎng)化。Shannon-Wiener多樣性指數(shù)計(jì)算值為1.41,水質(zhì)為輕污染狀態(tài),而Pielou均勻度指數(shù)是0.76,水質(zhì)為良好。
對(duì)水質(zhì)的評(píng)價(jià)結(jié)果Shannon-Wiener多樣性指數(shù)與Pielou均勻度指數(shù)顯示出一定差異,Shannon-Wiener多樣性指數(shù)對(duì)于8個(gè)取樣點(diǎn)評(píng)價(jià)是輕污染,但Pielou均勻度指數(shù)與之不同:2、7號(hào)點(diǎn)水質(zhì)為優(yōu),其他取樣點(diǎn)評(píng)價(jià)為良好。
在調(diào)查中,豆螺(Bithyniasp.)、梨形環(huán)棱螺(Bellamyapurificata)、紅裸須搖蚊(Propsilocerusakamusi)和直緣耳蘿卜螺(Radixclessini)是微山湖現(xiàn)階段的優(yōu)勢(shì)種,在時(shí)空分布上大型底棲動(dòng)物物種組成未有明顯的差異。根據(jù)大型底棲動(dòng)物現(xiàn)存量來(lái)看,生物個(gè)體面密度和生物量的變化趨勢(shì)基本相同:從時(shí)間尺度上來(lái)看,生物個(gè)體面密度及生物量最高值分別在夏季和秋季,冬季和春季比較低,其中在夏季和秋季軟體動(dòng)物占主導(dǎo)地位,結(jié)合優(yōu)勢(shì)種現(xiàn)存量進(jìn)一步進(jìn)行分析表明,大型底棲動(dòng)物個(gè)體面密度和生物量的變化主要與螺有關(guān)。螺的繁殖期為每年3—10月,在6—7月達(dá)到最高峰[23],生物個(gè)體面密度和生物量分別在夏季和秋季達(dá)到了最大值,隨著魚類捕食數(shù)量的增加,螺的數(shù)量開始減少,進(jìn)入冬季大個(gè)體的螺開始死亡,因此,螺的個(gè)體面密度及生物量在夏季、秋季較高,冬季最低。在空間尺度上,2、4號(hào)采樣點(diǎn)生物個(gè)體面密度及生物量較低,原因可能是它們位于航道附近,與其他采樣點(diǎn)相比,航道定期清淤,沉水植物被清理,導(dǎo)致大型底棲動(dòng)物的生長(zhǎng)繁殖受到了直接或間接影響。
通過對(duì)全年和四季的RDA圖分析,與微山湖大型底棲動(dòng)物群落特征有關(guān)的環(huán)境因子主要有WT、DO、TDS、NH3-N和CODMn。不同種類的大型底棲動(dòng)物所受的環(huán)境因子影響不同,其中昆蟲綱和腹足綱主要受NH3-N、DO、TDS、CODMn影響;瓣鰓綱受NH3-N、DO、pH影響;寡毛綱受NH3-N、WT、TDS、CODMn影響。研究結(jié)果表明,軟體動(dòng)物的數(shù)量對(duì)微山湖大型底棲動(dòng)物現(xiàn)存量具有顯著影響,而水體營(yíng)養(yǎng)水平也與軟體動(dòng)物的數(shù)量呈負(fù)相關(guān)[24]。在本研究中,隨著富營(yíng)養(yǎng)化水平的提高,微山湖大型底棲動(dòng)物個(gè)體面密度及生物量減少,與微山湖水體的營(yíng)養(yǎng)狀況基本一致。
本文中基于Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)評(píng)估微山湖水質(zhì)狀況,總體評(píng)價(jià)結(jié)果分別是輕污染和良好,2個(gè)結(jié)果之間存在一定的差異。結(jié)合綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)表明,微山湖是輕度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài),Shannon-Wiener多樣性指數(shù)的評(píng)價(jià)更加適合微山湖水質(zhì)評(píng)價(jià)。唐俊等[25]采用浮游動(dòng)物進(jìn)行水質(zhì)生物學(xué)評(píng)價(jià)表明,微山湖水質(zhì)為中等營(yíng)養(yǎng)水平。陳靜[26]采用總氮、總磷含量對(duì)微山湖水域營(yíng)養(yǎng)水平評(píng)價(jià),顯示微山湖水體處于中營(yíng)養(yǎng)化。李艷紅等[27]運(yùn)用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法表明,微山湖是貧營(yíng)養(yǎng)級(jí)狀態(tài)。本研究利用大型底棲動(dòng)物對(duì)水質(zhì)的評(píng)價(jià)結(jié)果與水化學(xué)、浮游動(dòng)物和綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果較為相似,但總體水質(zhì)評(píng)價(jià)較好,可能是南水北調(diào)東線工程自2013年開通以來(lái),水體每年會(huì)進(jìn)行更新,在一定程度上促進(jìn)了微山湖水質(zhì)好轉(zhuǎn)。
1)在對(duì)微山湖的4次調(diào)查中共發(fā)現(xiàn)了18種大型底棲動(dòng)物,其中豆螺(Radixfuchsianasp.)是第一優(yōu)勢(shì)種,其次是梨形環(huán)棱螺(Bellamyapurificata)、直緣耳蘿卜螺(Radixclessini)和紅裸須搖蚊(Propsilocerusakamusi)。微山湖大型底棲動(dòng)物各類群種類數(shù)量所占比例差別較大,結(jié)合優(yōu)勢(shì)種現(xiàn)存量進(jìn)一步分析表明,在微山湖軟體動(dòng)物的種類很大程度影響著大型底棲動(dòng)物的生物量和生物個(gè)體面密度。
2)基于Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)方法對(duì)微山湖水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)結(jié)果存在一定差異,結(jié)合綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)表明,微山湖水體處于輕度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài),Shannon-Wiener多樣性指數(shù)更適用于微山湖水質(zhì)評(píng)價(jià)。
3)WT、DO、TDS、NH3-N和CODMn是影響微山湖大型底棲動(dòng)物群落特征的關(guān)鍵因子。軟體動(dòng)物的數(shù)量主要由水體富營(yíng)養(yǎng)化水平?jīng)Q定,富營(yíng)養(yǎng)化對(duì)微山湖大型底棲動(dòng)物群落具有顯著影響。
4)后期將進(jìn)一步研究微山湖大型底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)與水質(zhì)變化,分析調(diào)水工程對(duì)微山湖生態(tài)系統(tǒng)的影響,為保護(hù)和深入研究微山湖大型底棲動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)和功能提供參考。