西泉眼水庫水源地10月大型底棲動物群落特征及其與環境因子的關系1)

李佳娟 于洪賢 劉曼紅 費 滕

(東北林業大學，哈爾濱，150040)

大型底棲動物具有生命周期長、區域性強、遷移力弱、分布廣泛、較易辨認等特點，在水生態系統物質循環和能量流動中發揮著不可替代的作用［1］。它不僅能夠反映當地綜合生態條件，而且能對生態環境的惡化和改善做出迅速響應，同時，采樣比較容易，成本低［2］。此外，大型底棲動物的群落結構、優勢種類、現存量等參數還可以反映環境因子的長期變化情況［1］，對此，國內外已有較多的研究［3－9］。研究大型底棲動物群落結構及其與環境因子之間的關系可為漁業的發展、水體污染評價與治理、水域環境保護等提供基礎資料和科學依據。

西泉眼水庫是哈爾濱市重要的水源地，位于松花江右岸一級支流阿什河上游的尚志、五常、阿城3市交界處，距哈爾濱市區93 km。水庫始建于1992年，1996年竣工蓄水，總容量4.78億m3，是黑龍江省最大的水庫之一，預計2013年向哈爾濱市區供水。水質的好壞直接關系到哈爾濱市近千萬居民的飲水安全，因而加強水質監測就顯得尤為必要。自水庫建成以來，生態環境的改變、農藥化肥的大量使用、旅游業的繁榮已使水庫水質受到很大影響。近年來，對西泉眼水庫水質評價及富營養化狀況的研究報道較多［10－11］，而對大型底棲動物與環境因子的關系研究卻未見報道。本研究以西泉眼水庫秋季大型底棲動物為對象，分析庫內大型底棲動物的群落結構及其與環境因子的關系，為水庫的保護與治理提供生物學依據。

1 研究方法

1.1 采樣點布設

根據地表水監測的相關要求，結合西泉眼水庫的實際情況，本研究于2010年10月分別在阿什河入口、黃泥河入口、水庫中心、雙龜山、大壩出水口、阿什河上游等地設置采樣點13個，如圖1所示。

1.2 采樣方法

根據國家環境保護總局關于“水環境(生物部分)監測規范”［12］的要求，2010年10月對西泉眼水庫各采樣點進行大型底棲動物采樣，樣品用1/16 m2彼得遜采泥器采集，經4%甲醛溶液固定后帶回實驗室，用40目尼龍篩洗凈后置于白瓷盤中將大型底棲動物挑出，用75%乙醇保存，進行種類鑒定、計算和稱質量。相關化學指標參照國家環境保護總局頒布的《水和廢水監測方法》［13］進行測定，各采樣點用GPS全球定位系統進行現場定位。

圖1 西泉眼水庫采樣點示意圖

1.3 數據處理

大型底棲動物群落劃分采用Bray－Curtis相似性系數聚類分析和多維尺度(MDS)分析［14－16］，在 SPSS16.0 軟件上運行;利用典范對應分析(canonical corrspondence analysis，CCA)對大型底棲動物與環境因子的相互關系進行研究，在CANOCO4.5軟件上運行、作圖。

物種多樣性及生物指數采用物種優勢度指數(y)［17］、Margalef種類豐富度指數(d)［18］、Shannon － Wiener多樣性指數(H)［19］、Pielou 均勻度指數(J)［20］和 Goodnight－ Whitley 生物指數(GI)［21］進行數據處理和結果分析。各指數計算式分別為:

式中:N為所有種的個體總數;ni為第i種的個體數;fi為該種在各樣品中出現的頻率，當y＞0.02時，該種即為優勢種;S為總種數;n'i為寡毛類的個體數或密度。

2 結果與分析

2.1 大型底棲動物的種類組成和優勢度

本研究共采集到大型底棲動物50種(表1)，隸屬3門4綱10目18科。其中:節肢動物41種，占總數的82%;環節動物7種，占14%;軟體動物2種，占4%。從表1可以看出:西泉眼水庫大型底棲動物群落主要由搖蚊幼蟲和其他水生昆蟲組成，而軟體動物的種類和密度均很少，這是由于軟體動物分布稀疏且采樣面積小所致。群落中優勢種為紋石蛾(Hydropsyche sp.)1種、劃蝽(Arctocorisa sp.)1種、中華搖蚊(Chironomus sinicus)、霍甫水絲蚓(Limnodrilus hoffmeisteri)。

2.2 大型底棲動物的生物量和密度

各類大型底棲動物的生物量及各物種棲息密度如表1所示。節肢動物的生物量居明顯優勢，占總量的79.86%;環節動物次之，占19.58%;軟體動物最小，占0.56%。大型底棲動物部分種類總平均密度的標準差都較平均值大很多，如紋石蛾(Hydropsyche sp.)1種總平均密度標準差(1 103 ind·m－2)為平均密度(363 ind·m－2)的3倍，說明大型底棲動物在各采樣點的密度差異較大，即大型底棲動物在研究區的分布具有顯著的空間差異性。由表2所示，各采樣點的生物量和密度變化明顯，大型底棲動物的高生物量和高密度區主要分布在10#～13#采樣點(阿什河上游)，更說明了物種分布不均。從采樣情況分析，由于水庫各水域生態環境的差異，大型底棲動物多分布于入庫河流的淺水庫灣，泥沙、礫石底質處，而庫內淤泥底質處的物種種類和密度卻相對較少。

2.3 西泉眼水庫大型底棲動物群落特征

2.3.1 大型底棲動物的群落結構

群落劃分采用Bray－Curtis相似性系數聚類和多維尺度(MDS)分析。從圖2和圖3可以看出，相似性系數聚類圖和MDS圖所得結果基本一致。13個采樣點的大型底棲動物群落劃分成4個不同的區域:區域Ⅰ包括阿什河入口、黃泥河入口、水庫中心以及雙龜山，也就是水庫的主體部分;區域Ⅱ主要分布在平山西橋、南橋、二道河與阿什河匯合處;區域Ⅲ和區域Ⅳ分別分布在鐵路橋和大壩出水口處。經MDS圖分析得出的Stress值為0.001 3，具有良好的代表性［16］，這說明該數據利用MDS圖能夠很好地解釋西泉眼水庫各采樣點大型底棲動物群落的相似性關系，同時也能清楚顯示各采樣點大型底棲動物群落組成存在的差異。

2.3.2 大型底棲動物的生物多樣性

各采樣點的生物指數和物種多樣性指數以及區域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的Margalef種類豐富度指數(d)、Shannon－Wiener多樣性指數(H)、Pielou均勻度指數(J)、Goodnight－Whitley生物指數(GI)的均值見表3。

表1 西泉眼水庫大型底棲動物的現存量和優勢度

表2 大型底棲動物各采樣點密度與生物量

圖2 西泉眼水庫大型底棲動物聚類分析圖

圖3 西泉眼水庫大型底棲動物多維尺度分析圖

從多樣性指數的均值可以看出，大型底棲動物群落生物多樣性:區域Ⅱ＞區域Ⅰ＞區域Ⅲ。結合Bray－Curtis相似性系數聚類和多維排序尺度(MDS)群落結構分析以及底棲動物生物指數和多樣性指數的評價標準［18－21］，參照文獻［22］及文獻［23］確定的分類單元耐污值，對西泉眼水庫3個區域的水質進行綜合評價。在阿什河上游(區域Ⅱ)，水環境受人類影響強度較弱，因此其生物多樣性指數和種類豐富度指數均最大，屬清潔水體;庫內(區域Ⅰ)和鐵路橋處(區域Ⅲ)由于捕魚和漂流現象頻繁，水環境受人類影響較大，因此水質相對較差，均屬輕度污染水體;區域Ⅳ由于修建大壩，對水環境和底質都造成了很大的影響，沒有采集到大型底棲動物，因而無法對其水質進行評價。遲晉峰等［24］對水庫水環境質量進行了化學指標分析，認為現狀水質不能滿足GB3838—2002中Ⅱ類水質要求，這與本文研究有所差異，因其通過多項監測項目進行評價，而本文僅考慮環境因素，但總體上反映出西泉眼水庫水環境較好。

表3 大型底棲動物群落多樣性指數

2.4 大型底棲動物與環境因子的關系

不同種類大型底棲動物對周圍環境的適應性以及耐污力和敏感度皆存在差異［6］。根據Bray－Curtis相似性系數聚類和多維排序尺度(MDS)群落劃分、入庫河流及各斷面對研究區具有代表性的 2#、4#、6#、8#、9#、10#、11#、12#、13#9 個采樣點的大型底棲動物與水深、溶解氧、氯離子、總磷、總氮、氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、高錳酸鹽指數、五日生化需氧量10個環境因子進行典范對應分析。如圖4所示。

圖4 大型底棲動物種類與環境因子的典范對應分析圖

通過蒙特卡羅檢驗(Monte Carlo Peimutation Test)排除貢獻小的因子，影響大型底棲動物群落結構的主要因子有高錳酸鹽指數、總磷、氨氮及亞硝酸鹽氮。排序圖4中，前2個排序軸的特征值為0.965和0.848;大型底棲動物與環境因子前2個排序軸的相關系數很高，均為1.000;對于大型底棲動物來說，第一、第二排序軸之間的相關系數為0，表明這2個排序軸相互垂直;對于環境因子來說，前2個排序軸的相關性也為0，說明這2個排序軸也是垂直的，上述結果均說明，排序軸與環境因子間線性結合程度較好地反映了物種與環境因子之間的相互關系，排序結果是可信的［20，25］。

在圖4中，與第一軸相關性較大的環境因子是氨氮和高錳酸鹽指數，分別呈負相關和正相關，相關系數分別為0.477 6和－0.783 2。第一排序軸反映了氨氮的質量濃度、高錳酸鹽指數的變化趨勢，即排序圖上從左往右，高錳酸鹽指數逐漸增大，而氨氮的質量濃度逐漸降低。與第二軸相關性較大的環境因子是總磷、亞硝酸鹽氮，分別呈正相關和負相關，相關系數分別為0.866 8和－0.846 3;其次，溶解氧、五日生化需氧量、高錳酸鹽指數、水深與第二軸的相關性也比較大，相關系數分別為 －0.582 0、0.649 2、0.683 7、0.547 6。第二排序軸反映了溶解氧、五日生化需氧量、高錳酸鹽指數、水深變化趨勢，即大型底棲動物沿著排序抽的方向，從下往上對溶解氧的需求逐漸降低，對五日生化需氧量、高錳酸鹽指數和水深的需求逐漸增加。

3 結論與討論

本研究表明，不同區域的大型底棲動物在密度、生物量、多樣性及特征種類均存在較大差異。在采集到的50種大型底棲動物中，水生昆蟲居明顯優勢，且大多數分布在10#～13#點，而1#～8#點以寡毛類為主。Bray－Curtis相似性系數聚類分析和MDS分析將13個采樣點劃分為4個區域。區域Ⅰ(1#～8#)大型底棲動物的密度和生物量小，多樣性指數(d、H)值低，均勻度指數(J)和Goodnight－Whitley生物指數(GI)值較高;區域Ⅱ(11#—13#)和Ⅲ(10#)大型底棲動物的密度和生物量都很大，d、H值均相對較高，J和GI值較低，其中區域Ⅲ的GI值為0;區域Ⅳ(9#)沒有采集到大型底棲動物，這些與各區域環境因子存在差異是密切相關的。

區域Ⅰ分布在阿什河入口、黃泥河入口、水庫中心及雙龜山。水深在3～18 m之間，水中溶解氧相對于區域Ⅱ、Ⅲ低，有機質除總磷外均比區域Ⅱ低，但是區域Ⅰ底泥中總磷、總氮、高錳酸鹽指數均超標［10］，因此，直接表現為寡毛類顫蚓科在該區的絕對優勢。區域Ⅰ大型底棲動物的密度小(440 ind·m－2)、種類少，主要是由于建庫時間較短，不能滿足新物種形成對時間的需求。

區域Ⅱ和區域Ⅲ分布在平山西橋、南橋，阿什河與二道河匯合處和鐵路橋處，水位均較淺(1 m以下)。水中溶解氧質量濃度Ⅰ＜Ⅱ＜Ⅲ，總磷質量濃度為Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ，氨氮質量濃度為Ⅱ＞Ⅰ＞Ⅲ，其余有機質的質量濃度均大于區域Ⅰ。這兩個區域均分布在阿什河上游，由于水深的減小，大型底棲動物的種類和數量有所增加，這與郭維士等［26］在西泉眼水庫漁業資源調查報告中提到的底棲動物的種類和數量隨水深增加而遞減的規律一致;另一方面，有機質豐富的水體，大型底棲動物的種類組成和數量就多［20］。

區域Ⅳ分布在大壩出水口。該區域由于修建大壩時傾倒的大量水泥殘渣沉積到水底，將底泥覆蓋，破壞了底質環境，不適于大型底棲動物生存;其次，受底質較硬等環境條件的限制，采樣難度加大，從而導致在該區域未采集到大型底棲動物。

此外，大型底棲動物的幼蟲期對底質環境是十分敏感的，底質環境的好壞和營養物質的貧富在一定程度上可以直接影響動物的生存、發展及種類組成［27］。區域Ⅰ中，1#～4#采樣點底質為含有較多植物碎屑的軟泥;5#～8#采樣點屬淤泥底質，區域Ⅱ底質為粗砂和砂礫，區域Ⅲ底質為泥砂和礫砂。區域Ⅰ和區域Ⅱ、Ⅲ的底質類型相差很大，因而，大型底棲動物的種類組成和數量差異很大;區域Ⅱ和區域Ⅲ底質類型比較相近，因而，除種類組成差別較大外，大型底棲動物的密度和生物量相差均不大。而要深刻理解影響大型底棲動物的關鍵因素，需要長期的歷史數據積累和比對分析，以及進一步的深入研究。

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