基于底棲動(dòng)物群落季節(jié)性變化的北運(yùn)河水環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)

王 汨，張玥彤，汪 冰，徐宗學(xué)，殷旭旺，王博涵

（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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116023；2.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院水沙科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875）

國內(nèi)外對(duì)底棲動(dòng)物的群落有著十分深入的研究[1-2]. 底棲動(dòng)物扮演著捕食者、分解者、收集者等重要角色，其處于中間的營養(yǎng)層級(jí)，在水生態(tài)功能中也起著不可缺少的作用[3-4]. 水生態(tài)系統(tǒng)中環(huán)境變化能夠影響底棲動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)，其種類的數(shù)量、多樣性、優(yōu)勢(shì)種等多個(gè)特征變化都能較好地映射出其生活水質(zhì)的變化[5-6]，因此很多研究者也都利用底棲動(dòng)物對(duì)水環(huán)境的敏感反應(yīng)來監(jiān)測(cè)水質(zhì)，并且取得了很好的成果[7-8].

研究一年中底棲動(dòng)物群落季度性變化，對(duì)評(píng)價(jià)水體及水生態(tài)系統(tǒng)有著重要意義. 近年來，北運(yùn)河水體受到各種不同程度的污染及威脅，導(dǎo)致其水生態(tài)系統(tǒng)中的環(huán)境惡化十分的明顯，河流中的水生生物群落也發(fā)生了很大的變化[2-6]，但對(duì)流經(jīng)北京市的北運(yùn)河的底棲動(dòng)物的年際變化和水質(zhì)的年際變化調(diào)查研究相對(duì)較少，因此，本文開展北京地區(qū)北運(yùn)河的底棲動(dòng)物與水質(zhì)的年際變化調(diào)查分析，以期更好地了解北運(yùn)河水環(huán)境治理的效果，為北運(yùn)河的河流治理和水生生物多樣性的恢復(fù)提供可靠信息及依據(jù).

1 材料和方法

1.1 北運(yùn)河采樣點(diǎn)位設(shè)置

北運(yùn)河發(fā)源于北京的昌平區(qū)和海淀區(qū)，水流朝向南方流入通州，流經(jīng)河北和天津，最終流入海河，因此北京地區(qū)的北運(yùn)河屬于海河流域的一條支流.北運(yùn)河全長近200 公里，上游水流速較快，下游曲折且泥沙較多，是重要的漕運(yùn)河道，北京地區(qū)的北運(yùn)河水系的功能也有很多，包括泄洪、輸水、調(diào)水等. 本文調(diào)查的點(diǎn)位設(shè)置主要是根據(jù)北運(yùn)河的地貌特征及水文監(jiān)測(cè)點(diǎn)位共同參考設(shè)立（圖1）.

圖1 北運(yùn)河采樣點(diǎn)位分布圖Fig.1 The sampling sites distribution in North Canal

1.2 底棲動(dòng)物采集及環(huán)境因子測(cè)定

在不同的采樣點(diǎn)，采集相同平方數(shù)的底棲動(dòng)物，現(xiàn)場(chǎng)處理采集的樣品，并用酒精固定. 實(shí)驗(yàn)室中將樣本存放在100 mL 的廣口瓶中，再次用酒精固定，進(jìn)行底棲動(dòng)物的鑒定、解刨、記錄數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[9-13].

按照國家的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法[9-12]，在現(xiàn)場(chǎng)及實(shí)驗(yàn)室中測(cè)定各點(diǎn)位水中的環(huán)境因子，包括：總磷、水溫、溶解氧、總氮等多個(gè)指示性的驅(qū)動(dòng)因子[9-13]. 測(cè)定后匯總整理數(shù)據(jù)[9-14].

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析

根據(jù)整理好的群落數(shù)據(jù)和水環(huán)境因子數(shù)據(jù)，計(jì)算底棲動(dòng)物的物種數(shù)量、物種群落的密度占比、香農(nóng)威納指數(shù)和均勻度指數(shù)[13-17]. 整理并計(jì)算水環(huán)境因子的相關(guān)性[13-16].

運(yùn)用Canoco 4.5 進(jìn)行主成成分分析和典范對(duì)應(yīng)分析，并制圖. 運(yùn)用BioDiversity Pro 進(jìn)行群落多樣性指數(shù)的計(jì)算，在ArcMap 10.2 上進(jìn)行點(diǎn)位的制圖工作[13-17].

2 結(jié)果

2.1 底棲動(dòng)物群落特征分析

2.1.1 底棲動(dòng)物群落組成及結(jié)構(gòu)分析

本文共采集到29 種底棲動(dòng)物物種，春、夏和秋季分別采集到的底棲動(dòng)物為18 種、19 種和20 種. 蒼白搖蚊（Chironomus pallidivittatus）等物種僅在夏季采集到，扁蛭（Glossiphonia）等物種僅在秋季采集到. 采集到的常見物種有：溪流搖蚊（Chironomus riparius Meigen）、河蜆（Corbicula flu min ea）霍甫水絲蚓（Limnodrilus hoffmeisteri）等. 基眼目在春季和夏季均為7種，秋季為9種.雙翅目在春季是7種，夏季和秋季各是6種，其他類物種數(shù)均較少.春季和秋季采集到的顫蚓目密度較高，分別占77.18%和41.85%，夏季采集到的雙翅目密度最高，占62.07%. 春季雙翅目密度也較高，基眼目和顫蚓目在夏季密度占也比較高，秋季基眼目密度占比較高. 其他類群密度占比較低（圖2）.

圖2 北運(yùn)河底棲動(dòng)物的群落特征值Fig.2 Species number and percentage of macroinvertebrate in North Canal

通過分析三個(gè)季節(jié)底棲動(dòng)物群落的數(shù)量及密度，發(fā)現(xiàn)采集到的物種數(shù)相對(duì)較少，三個(gè)季節(jié)各采樣點(diǎn)位的物種平均值均為3.00 種；春季采集到的底棲動(dòng)物各采樣點(diǎn)位的密度平均值最高，平均值為2 333.00 ind./L，夏季和秋季相對(duì)較低，平均值分別為1 020.00 ind./L 和270.00 ind./L；反映底棲動(dòng)物群落的多樣性指數(shù)方面，香農(nóng)威納指數(shù)和均勻度指數(shù)普遍比較低，香農(nóng)威納指數(shù)的平均值僅有1.44、1.33和1.31，數(shù)值在1 ～2 之間，均勻度指數(shù)的均值也僅只有0.54、0.57和0.66（表1）.

表1 北運(yùn)河底棲動(dòng)物群落特征數(shù)值分析Table 1 The group composition of macroinvertebrates in North Canal

2.2 底棲動(dòng)物群落與環(huán)境因子的關(guān)系

夏季的水溫較高，春季水溫次之，秋季水溫較低，水體均呈堿性. 春、夏、秋各季節(jié)中測(cè)定的水環(huán)境因子含量高低各不相同，秋季氟化物在水中含量較高，夏季較低，溶解氧的含量在秋季最高，在春季含量最低，葉綠素a 則在三個(gè)季節(jié)中的平均含量變化不大，總氮、總磷高錳酸鉀指數(shù)等環(huán)境因子測(cè)定出的含量較高.各水環(huán)境因子的平均值如表2所示.

表2 北運(yùn)河節(jié)水環(huán)境因子測(cè)定數(shù)值（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差）Table 2 The environment factors in North Canal (Mean±SD)

對(duì)春、夏和秋季的水環(huán)境因子進(jìn)行主成份分析，發(fā)現(xiàn)春季的主要因子是高錳酸鉀指數(shù)、總磷、總氮和氨氮；夏季主要的因子是總磷、總氮、高錳酸鉀指數(shù)和溶解氧；秋季的主要因子是氨氮、高錳酸鉀指數(shù)、總氮和溶解氧（如圖3）.

圖3 北運(yùn)河水體環(huán)境因子主成分分析（PCA）Fig.3 Principal component analysis of hydrological environmental factors in North Canal

春、夏和秋季進(jìn)行典范對(duì)應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)，春季，氨氮是主要影響底棲動(dòng)物群落的水環(huán)境因子，氨氮對(duì)第一軸的影響呈正相關(guān)性；夏季，總氮和溶解氧是主要影響底棲動(dòng)物群落的水環(huán)境因子；秋季，氨氮和高錳酸鉀指數(shù)是主要影響底棲動(dòng)物群落的水環(huán)境因子（如圖4）.

圖4 北運(yùn)河底棲動(dòng)物群落與水環(huán)境因子的典范對(duì)應(yīng)性分析（CCA）Fig.4 Canonical correspondence analysis of species-environmental relationship in North Canal

2.3 北運(yùn)河水生態(tài)健康評(píng)價(jià)

底棲動(dòng)物的群落特征指數(shù)可以反應(yīng)出底棲動(dòng)物生活的環(huán)境質(zhì)量與狀況，經(jīng)常被用來作為參數(shù)對(duì)城市的水生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)（如表3）.本文測(cè)得春、夏和秋季的各點(diǎn)位底棲動(dòng)物群落的香農(nóng)威納指數(shù)分別為1.44、1.33 和1.31，平均值均在1 ～2 之間，僅用香農(nóng)威納指數(shù)法來判定，則三個(gè)季節(jié)中的水體均呈中度污染[18-21].

表3 北運(yùn)河底棲動(dòng)物群落多樣性指數(shù)的水生態(tài)健康標(biāo)準(zhǔn)Tabel 3 According to diversity index of macroinvertebrates community evaluate ecological health in North Canal

3 討論

3.1 底棲動(dòng)物群落特征分析

本文調(diào)查共鑒定出29 種物種，秋季采集物種數(shù)最高，為20 種，春季最低，為18 種. 顫蚓目密度在春季和秋季占優(yōu)勢(shì)，顫蚓目主要以水絲蚓屬為主；雙翅目密度在夏季占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，雙翅目則以搖蚊屬為主. 搖蚊和水絲蚓這兩類底棲動(dòng)物喜歡生活在污水中，腐殖質(zhì)、微生物、有機(jī)物、無機(jī)物含量豐富的水體很適合這兩類物種，對(duì)它們的生長和繁殖都有幫助[18-23]. 這兩類物種較多，說明本文調(diào)查的水體受到了污染.

底棲動(dòng)物多樣性指數(shù)可以很好地反映底棲動(dòng)物的群落變化及水體的變化特征，為生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)提供了指示標(biāo)準(zhǔn)[18-23]. 本次采集的各季節(jié)的底棲動(dòng)物香農(nóng)威納指數(shù)的平均值均在1 ～2之間，根據(jù)底棲動(dòng)物群落多樣性指數(shù)的水生態(tài)健康標(biāo)準(zhǔn)，不難發(fā)現(xiàn)，本次調(diào)查的水體呈中度污染. 污染原因可能是因?yàn)槿祟惖幕顒?dòng)及各行業(yè)的廢水的排量較大，且沒有很好地處理城市污水等因素造成的.

3.2 底棲動(dòng)物群落與環(huán)境因子的關(guān)系

根據(jù)分析結(jié)果可以看出，總氮和溶解氧主要影響的是夏季的底棲動(dòng)物，高錳酸鉀指數(shù)主要影響的是秋季的底棲動(dòng)物. 春季水中氨氮含量最高，秋季水中氨氮含量最低，氨氮在水中，主要以氨離子的存在，會(huì)影響底棲動(dòng)物的呼吸作用，氨氮還會(huì)影響到底棲動(dòng)物的攝食，影響生長的速度. 春季和秋季物種體型相對(duì)較小，就是氨氮的作用之一[23-25]. 總氮主要影響底棲動(dòng)物的生存環(huán)境，使水體富營養(yǎng)化，搖蚊和水絲蚓都喜歡生活在這樣的環(huán)境中，夏季搖蚊數(shù)量最高，就是原因之一[21-25]. 溶解氧和高錳酸鉀指數(shù)都能反映水體有機(jī)物的污染程度，溶解氧的含量的大小會(huì)直接影響到底棲動(dòng)物群落的生長繁殖及呼吸作用，溶解氧同樣是水中污染程度的重要的指標(biāo)之一. 高錳酸鉀在秋季的含量最高，同溶解氧一樣，對(duì)有機(jī)物的污染有很重要的指示作用，會(huì)很影響水體中的底棲動(dòng)物生活[21-27]，秋季高錳酸鉀指數(shù)對(duì)底棲動(dòng)物的影響較為明顯.