太子河流域水生生物空間格局分析

譚紅武，杜 強，侯和勝，王志坤

(1.中國水利水電科學研究院，北京 100038；2.遼寧師范大學，遼寧 大連 116029；3.遼寧省水利水電科學研究院，遼寧 沈陽 110003)

0 引言

太子河流域是我國北方典型的人工高度調控流域。流域內山地占69%，丘陵占6.1%，平原占24.9%；土地利用以林地和耕地為主，分別占56.76%、32.62%，空間分布與流域地貌格局基本一致。流域內城鎮化、工業化程度均較高，分別為55.76%、58.48%，且以重工業為主。自上而下，分布有本溪、遼陽、鞍山三個工業和人口中心。太子河流域多年平均水資源量34.9億m3，流域總庫容40.33億m3，其中參窩、湯河、觀音閣3座大型水庫總庫容達36.65億m3，干流另建有14座攔河閘壩，總蓄水量達2147萬m3，干流呈以觀音閣水庫、參窩水庫為主節點的“兩庫、三段、多閘壩”的調控格局。受流域內產業結構及點、面源結構及空間分布特征制約，太子河流域中下游存在嚴重的結構性水污染問題。

基于2010年9月太子河流域水生生物及水質的同步監測調查結果，采用去趨勢對應分析（DCA）與聚類分析揭示了各生物類群空間格局，利用去趨勢典型對應分析（DCCA）分析了空間格局與理化影響因子的關系，以期為水質水量優化調配的生態響應評估及水生態功能分區提供基礎。

1 方法與材料

1）斷面布設。2010年9月由中國水利水電科學研究院委托遼寧師范大學生命科學學院完成了太子河流域水生態調查工作。共設置17個斷面，其中干流自上而下包括南口前（南甸）、觀音閣水庫庫中、富家、老官砬子、本溪水文站、二焦斷面、白石砬子、參窩水庫庫中、遼陽水文站、小林子水文站、唐馬寨水文站、小姐廟水文站共12個斷面；支流共有細河的紅廟及橋頭，湯河的二道河、下達河、湯河水庫（庫中）共5個斷面。調查項目主要包括浮游生物、底棲生物及魚類等。其中，2010年9月10—13日進行浮游生物及底棲生物采集，2010年10月10—16日進行河流斷面魚類樣品采集和水庫魚類資料收集。同時，收集了太子河流域干流老官砬子、本溪、二焦、遼陽、小林子、唐馬寨、小姐廟7個常規水質監測斷面的2010年9月份水質監測資料。

2）樣品采集及處理。 按照SL167-96《水庫漁業資源調查規范》、SC/T9102.3-2007《漁業生態環境監測規范 第三部分：淡水》及有關規范的要求，對浮游藻類、浮游動物、底棲生物、魚類進行樣品采集及處理。底棲生物中軟體動物鑒定到種，水生昆蟲（除搖蚊科幼蟲）至少鑒定到科，水生寡毛類和搖蚊科幼蟲至少鑒定到屬，其他生物類群均鑒定到種。

3）數據分析方法。 去趨勢對應分析（DCA）和典型對應分析均是在CA（對應分析）基礎上發展出的梯度分析方法，DCA通過趨勢算法消除了CA中常出現的“弓形效應”，是揭示生物群落空間格局的有效工具[1,2]；CCA將CA和多元回歸結合，實現與環境因子的關系分析[1,2]。去趨勢典型對應分析（DCCA）在CCA基礎上加入去勢算法，更好地揭示生物群落結構與環境因子的關系，已成為90年代以來生物群落梯度分析與環境解釋的趨勢性方法[3]。本文中使用Canoco for windows 4.5軟件對物種數據進行DCA分析，揭示空間格局；使用DCCA揭示物種數據和環境數據間關系。物種矩陣經過 lg（x+1）轉換，環境數據除 pH 外，都進行 lg（x+1）轉換[4]。聚類分析采用SPSS軟件進行。

2 結果

2.1 群落結構特征及空間格局

1）群落結構特征。該次調查共鑒定出藻類126種，其中綠藻門52種、硅藻門33種、藍藻門19種、甲藻門3種、裸藻門9種、金藻門5種、隱藻門3種、黃藻門1種；浮游動物4類、57屬、76種，其中原生動物26種，輪蟲29種，枝角類14種，橈足類7種；底棲動物4門19屬20種，其中環節動物4種、軟體動物2種、節肢動物13種、線形動物們1種。魚類10科34種，其中，七鰓鰻科1種，胡瓜魚科1種，鯉科17種，鰍科4種，青科1種，鯰科1種，鱧科3種虎魚科1種，科1種，刺魚科1種，未知2種，以寬鰭、洛氏鱥、麥穗魚、泥鰍（的數量最多。各斷面生物類群的物種數見圖1。

2）各生物類群總體空間格局特征。

a）太子河流域內水生生物類群分布呈現較強的空間分異特征

圖1 太子河流域各斷面各生物類群物種數

表現為：河道水體與水庫水體差異顯著，尤其是在浮游動物的種數、屬數、生物量及密度水庫均顯著高于河道；太子河干流可劃分為本溪河段及參窩以下河段兩大類，其中，本溪河段內硅藻占優勢，自上而下逐步降低，綠藻逐漸上升；浮游動物、魚類種數自上而下逐漸降低，生物量及密度則自上而下成偏U型；參窩以下河段綠藻占優勢，硅藻則沿程下降；浮游動物種數、屬數變化特征不顯著，總密度、總生物量沿程降低；魚類種數沿程逐漸降低，至小姐廟最低。

各斷面的DCA排序和聚類分析結果見圖2。排序圖上各點位的距離代表了其生物群落結構的相似性。由圖，DCA排序及聚類分析結果均顯示各斷面可劃分為三大類，其中，本溪河段白石砬子以上的各斷面與湯河水庫的二道河、下達河斷面為1類，遼陽、小林子、唐馬寨為1類，白石砬子和小姐廟、細河的橋頭為1類。其結果從多元統計的角度印證了本溪河段及遼陽河段兩大河段總體分區判斷。

b）整體上，沿脅迫強度梯度，各生物類群均呈現由敏感種向耐污種和廣布種的變化趨勢。

對太子河干流2007—2009年及本期常規水質監測結果的評價表明：太子河干流水質上游基本達標，下游嚴重超標，脅迫強度呈沿程逐漸加重的趨勢，超標污染物為有機污染物。沿脅迫梯度，各生物類群呈現由敏感種向耐污種和廣布種變化的趨勢。

c）各生物類群的空間分異的指示作用的強度呈現浮游植物、浮游動物、魚類依次降低的順序。

圖2 太子河流域各河流斷面藻類、浮游動物、魚類綜合數據集DCA及聚類分析圖

對14個河流斷面，就各生物類群各自和整體的物種有無、數量的組合，構建生物群落結構數據集，采用DCA分析其生物群落數據的特征及可解釋能力（見表1）。由表1，藻類、浮游動物、魚類生物群落結構的總特征值依次降低，而前兩軸的可解釋能力依次升高，而藻類、浮游動物、魚類三者的組合生物群落結構的總特征值高于浮游動物，前兩軸的可解釋能力則低于浮游動物。物種有無數據和物種數量的數據的總特征值及前兩軸可解釋能力無顯著差異。總體上各生物類群的空間分異的指示作用強度呈現藻類＞浮游動物＞魚類的順序。

2.2 水質及水生生物分布格局的關系分析利用

CCA對太子河水生生物群落結構分布格局與水質格局的關系進行了分析，其中，選擇了太子河干流有長期觀測數據的7個水文站斷面作為樣方（斷面），水生生物類群選用了藻類、浮游動物、魚類以及三者聯合的物種有無數據，水質數據選用同期9月份水質，進行DCCA分析，結果見圖3。

由圖3（a），太子河干流7斷面的藻類群落結構可劃分為兩大類，即老官砬子、本溪、遼陽、小姐廟為1類，二焦、遼陽、小林子為另一類。主要的水質 影 響 因 子 依 次 為 CODCr，Ta，DO，CODMn，NO3-，NO2-，pH 等。由圖 3（b），太子河干流 7 斷面的浮游動物群落結構中，本溪、二焦、小林子、唐馬寨、小姐廟較為相似，本溪、遼陽與其差異較大。主要的水質影響因子依次為水溫（Tw）、流量（Q）、氨氮等。由圖3（c），太子河干流7斷面的魚類群落結構中，老官砬子、本溪、二焦、遼陽斷面較為相似，小林子、唐馬寨、小姐廟則較為相似。主要的水質影響因子依次為氨氮、DO、電導率（EC）、CODMn等。

表1 太子河流域14個河流斷面的不同類型物種數據集的DCA結果

圖3 太子河干流7斷面藻類樣方-物種-水質三序圖

由圖3（d），藻類-浮游動物-魚類的綜合分布呈現與各單項生物類群分布尤為明顯的從上游到下游的梯度分布特征，除遼陽和小姐廟兩個斷面外，老官砬子、本溪、二焦、小林子、唐馬寨斷面在排序圖上基本呈一直線分布。主要的水質影響因子依次為水溫、DO、氨氮等。

3 結語

1）洪水期末太子河流域水生生物類群呈現顯著的空間分異特征，總體可劃分為本溪河段及蓡窩以下河段，與太子河干流“兩庫、三段、多閘壩”的水工程調配格局相匹配。各生物類群的空間分異的指示強度呈浮游植物＞浮游動物＞魚類順序，總體空間格局呈清晰的由上游指向下游的梯度分布特征。其水質影響因子隨不同生物類群各有差異，但綜合各生物類群的水質主導因子有水溫、DO、氨氮及TSP。水生生物群落結構的空間格局可為太子河流域的水生態功能分區提供堅實的生態學基礎。

2）鑒于生物類群的群落結構的物種有否和物種數量所蘊含的生物格局信息基本相似，暗示著水生生物群落的定性調查較之來繁重的定量調查，同樣可滿足快速生物評價的基本需要，但應盡量采用藻類、浮游動物、魚類、底棲生物等各生物類群的綜合調查。

采用水生生物群落及水流水質理化性質同步監測調查，結合DCCA方法可以揭示二者間關系，但目前選用的水質因子仍顯不足，未來理化因子可添加TN，TP以及必要的物理棲息地指標。

基于多生物類群聯合評價有助于揭示影響流域水生生態系統結構的潛在梯度，在識別出流域內生態良好的參照點的情況下，通過分析不同斷面在不同水質水量調配方案下在排序圖上相互位置的變化情況，可望實現對綜合生態響應效果的客觀評價。

［1］Terbraak C J.F.,Canonical Correspondence analysis-a new eigenvector technique for multivariate direct gradient analysis［J］.Ecology,1986，65（5）：1167-1179.

［2］Dodkins,I.,B.RippeyandP.Hale,Anapplicationofcanonical correspondence analysis for developing quality assessment metrics for river macrophytes［J］.Freshw.Biol.,2005,50∶891-904.

［3］張金屯.數量生態學（第二版）［M］.北京：科學出版社，2011.

［4］Muylaert K,Sabbe K,Vyverman W.Spatial and temporal dynamics of phytoplankton communities in a freshwater tidal estuary(Schelde,Belgium)［J］.Estuarine,Coastal and Shelf Science,2000,50∶673-687.