里下河地區典型湖泊大型底棲動物與環境因子的相關性分析

朱蘇葛,劉　凌,羅　娟,楊艷青,燕文明

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京　210098;2.長江水利委員會長江科學院,湖北 武漢　430010)

里下河地區典型湖泊大型底棲動物與環境因子的相關性分析

朱蘇葛1, 2,劉凌1,羅娟1, 2,楊艷青1,燕文明1

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京210098;2.長江水利委員會長江科學院,湖北 武漢430010)

摘要：為揭示里下河地區湖泊大型底棲動物群落現狀及其主要的環境影響因子,于2013年4月對里下河地區4個典型淺水湖泊的大型底棲動物群落進行了調查,并測定分析相關水質環境因子；對大型底棲動物群落與環境因子進行冗余分析,找出了對大型底棲動物群落影響較大的環境因子。結果表明:研究區域湖泊均處于富營養化狀態,大型底棲動物群落分布趨向于單一化,銅銹環棱螺和霍甫水絲蚓是該地區典型湖泊的主要優勢物種。冗余分析排序中,排序軸前兩軸特征值較大,為0.168和0.115,合計0.283,分別解釋了42.6%和31.8%的物種-環境變異,-P、Chl-a和DO是對大型底棲動物密度影響較大的環境因子。

關鍵詞：大型底棲動物;淺水湖泊;環境因子;冗余分析;里下河地區

里下河地區是江蘇省的主要糧食生產基地,隨著社會、經濟的迅速發展,里下河濕地受人類活動干擾愈來愈強烈,對該地區湖泊的調查、治理工作顯得尤為重要。有學者對里下河地區濕地資源利用進行了研究[1-2],但關于里下河地區人類活動對水生態環境干擾方面的研究較少,里下河地區湖泊底棲生物群落結構及其對環境脅迫響應關系方面的研究尚未見報道。大型底棲動物在湖泊生態系統的物質循環和能量流動中起著重要作用,如加速水底碎屑的分解、促進水體自凈等[3]。大型底棲動物對環境變化較為敏感,由于其生活史較長,活動范圍小,所以大型底棲動物群落結構、優勢種類和多樣性指數等生物參數對環境狀況有很好的指示作用[4]。

表1　研究區域特征

底棲動物對湖泊營養水平的響應效應受到許多研究人員的關注。龔志軍等[5]對武漢東湖營養水平不同的4個湖區的底棲動物群落與生物多樣性進行了研究,發現水體富營養化導致底棲動物多樣性水平明顯降低。蔡永久等[6]對長江中下游地區4類不同營養水平湖泊的大型底棲動物群落結構和多樣性進行了研究,結果表明隨著水體營養水平的提高,底棲動物群落逐漸被耐污種類所主導。熊金林等[7]對4個污染程度不同的湖泊的底棲動物群落結構進行了研究,發現隨著污染程度的加劇,底棲動物結構的豐富性明顯降低,尤其是軟體動物受到較為明顯的影響。

本研究以淮河流域里下河腹部地區小型富營養化湖泊群中大縱湖、得勝湖、蜈蚣湖、九龍口為研究對象,于2013年4月進行大型底棲動物的采樣調查,對大型底棲動物群落組成、優勢物種進行調查,利用冗余分析法[8]對大型底棲動物與環境因子的相關關系進行了研究，旨在為里下河地區湖泊水質生物監測和評價提供科學依據,并為未來水生態環境保護提供參考。

1研究方法

1.1樣品采集與測定

選取大縱湖、得勝湖、蜈蚣湖、九龍口作為研究對象,研究區域位于湖泊密集的里下河腹部地區(圖1),不同湖泊的地理位置、自然環境各不相同,研究區域特征見表1。

圖1　里下河地區范圍及研究區域示意圖

根據湖泊面積大小均勻布設樣點,其中大縱湖布設9個采樣點,點位記為1～9,其余3個湖泊分別各布設3個采樣點,蜈蚣湖為點位10～12、得勝湖為13～15、九龍口為16～18。

用1/16 m2改良Peterson采泥器,在每個采樣點采集3次。后將所得的泥樣混合,置于60目尼龍篩中,迅速將沉積物沖洗干凈,剩余物置于白瓷盤中將底棲動物活體逐一挑出，并保存于80%的乙醇溶液中,在實驗室中對樣品進行種類鑒定,鑒定到盡可能低的分類單元,然后計算單位面積的生物密度。

透明度SD用賽氏盤測定;pH值、鹽度、DO、Chl-a在各采樣點用YSI-6600V2型多參數水質監測儀進行水樣的現場測定;CODMn的測定方法參照《水和廢水監測分析方法》[9];氮磷營養鹽指標用微量流動式注射分析儀(Skalar-SA1000)測定;底質粒徑采用全自動激光粒度分析儀(LS13320)進行測量;沉積物粒度實測數據采用伍登-溫特華斯(Udden-Wentworth)的粒度分級方案進行分析,并依據?？?Folk)分類方法對研究區域沉積物粒度進行分類命名[10]。在進行多元統計分析過程中,底質粒徑以啞變量的形式進入排序。

1.2分析數據處理

1.2.1富營養化指數

采用修正的營養狀態指數[11]來進行里下河腹部地區各典型湖泊水體富營養化的評價:

(1)

(2)

式中:ρ(Chl-a)為藻類質量濃度;CSD為水體透明度值;ρ(TP)為總磷質量濃度;ITSI(Chl-a)為藻類營養狀態指數;ITSI(SD)為透明度營養狀態指數;ITSI(TP)為總磷營養狀態指數。本文所采用的ITSI為三者的平均值。

表2　研究區域水體環境因子特征及Kruskal-Wallis非參數檢驗結果

1.2.2相對重要性指數

采用相對重要性指數[12]確定各個湖泊的優勢種,該指數的計算將每種生物的個體質量、豐度及出現頻率均考慮在內,能夠較為全面地反映出每種生物在整個群落中的地位,其計算公式為

(4)

式中:IIRI為相對重要性指數；W為某一種類的生物量占各采樣點大型底棲動物總生物量的百分比;N為該種類的密度占各采樣點總密度的百分比;F為該種類在各采樣點出現的相對頻率。

1.2.3多元統計分析

利用CANOCO4.5軟件進行多元相關分析,主要采用的是非約束線性模型的主成分分析(principal component analysis,PCA)和約束線性模型的冗余分析(redundancy analysis,RDA)。在進行生物數據(生物密度和生物參數)與環境因子多元相關分析前,首先要對生物數據進行非約束排序,排序結果顯示4個排序軸均小于3,選用線性模型比較合理[8],因此在約束排序中選用冗余分析。

對生物密度進行冗余分析時去除在18個采樣點中只出現1次的物種數據，以減小誤差,并對余下的生物密度數據進行對數轉換。生物密度數據在排序前進行中心化,進行冗余分析時,對生物密度數據又做了誤差方差標準化處理,在這種情況下,CANOCO4.5軟件會單獨計算每個物種的多少方差能夠被環境變量所解釋,誤差方差的倒數被當作物種的權重。這樣,物種被環境因子所解釋的越多,該物種在最終的分析中的權重也越大[13]。冗余分析中環境變量的篩選采用向前引入法(α=0.05),基于蒙特卡洛置換檢驗約束模型的顯著性(n=9 999)。

2結果分析

2.1理化指標

對各湖環境因子進行主成分分析結果,見圖2。主成分分析的前兩軸的方差解釋率為67.52%,第一主成分軸主要反映了湖泊的營養鹽水平,DO、pH和CODMn與氮磷營養鹽濃度呈顯著負相關關系。第二主成分軸主要反映了水體和沉積物的有機質含量,CODMn和Chl-a在第二軸上得分較高。從圖2中可看出,同一湖泊不同區域環境因子水平較為接近,不同湖泊環境因子水平差異顯著。

圖2　研究區域環境因子主成分分析

2.2底棲動物組成和相對重要性指數

大縱湖、得勝湖、蜈蚣湖、九龍口4個湖泊的18個采樣點采集到的底棲動物共有3門6綱11目15科32屬35種,其中寡毛類2種,軟體動物雙殼類7種,腹足類6種,搖蚊科幼蟲13種,水蛭類3種,其他底棲動物4種。

表4　冗余分析中底棲動物的代號和種類

研究區生物類群密度比例見圖3。由圖3可知,各主要生物類群在不同湖泊的密度比例相差較大，其中,大縱湖各生物類群密度分布較為均勻,蜈蚣湖和九龍口則以某一類群占據絕對優勢。

圖3　研究區域底棲動物主要類群總密度比例

計算研究區域的各物種的相對重要性指數IIRI,為方便起見,所有數據皆乘以103,可得大縱湖相對重要性指數較高的前兩位為銅銹環棱螺和長角涵螺,IIRI分別為218.24和106.76;得勝湖相對重要性指數較高的前兩位為河蜆和霍甫水絲蚓,IIRI分別為213.65和118.95;蜈蚣湖的銅銹環棱螺相對重要性指數最高,IIRI為572.61,明顯遠高于其他物種;九龍口的霍甫水絲蚓相對重要性指數最高,IIRI為421.99,明顯高于其他物種。

2.3底棲動物群落與環境因子之間的關系

表3　底棲動物群落與篩選后的環境因子的

圖4　大型底棲動物生物密度與手動選擇后的環境因子冗余分析排序

3結果與討論

高等水生植物對大型底棲動物影響也十分顯著。大縱湖為草型湖泊,采樣時間為春季,湖泊中大型水生植物種類豐富,氮磷營養鹽水平在4個湖泊中相對較低,底棲生物種類相對較豐富,生物多樣性高,生物類群主要由按攝食功能群分為刮食者的腹足綱組成。梁彥齡等[17]研究表明，在草型湖泊中,刮食者豐度占絕對優勢。這與本研究的結論相符。豐富的水生植物對維持大型底棲動物多樣性方面起著極為重要的作用,大量的水生植物直接改變了湖泊生態系統的空間結構,并增加了空間、食源的異質性。螺類與水生植物存在互惠共利的關系,植物為螺類提供空間和食源,螺類的牧食去除植物表面附著生物層,有利于植物生長[18]。藻型湖泊的功能攝食類群主要以收集者為主[19]，得勝湖、蜈蚣湖和九龍口為藻型湖泊,大型水生植物生物量小,底棲動物生物多樣性偏低,優勢種多為小個體的耐污種。研究表明,沉水植被豐富的水域有利于甲殼類動物生存。冗余分析結果顯示,甲殼類動物與Chl-a呈負相關。雷澤湘等[20]對太湖的大型水生植被的研究表明,無草區水體Chl-a質量濃度為有草區的3倍左右,Chl-a與大型水生植物生物量呈反比,因為甲殼類動物在藻型湖泊中缺乏多層次的食物來源和有效的隱蔽場所[21],生物密度較草型湖泊中的明顯偏低,與本研究結果相符。

底質類型是影響底棲動物分布的主要因素之一。本研究中,軟體動物生物密度在底質粒度較粗區域較高,而搖蚊幼蟲、寡毛類動物等小個體動物則相反。富營養化會對沉積物粒徑大小產生影響。富營養化程度高的湖泊底質有機質含量高,底質偏細[22],這可能是耐污能力相對較強的物種與較細底質類型正相關的原因,而相關性不顯著可能是因為本次研究中各采樣點的底質類型差異并不大。底質類型對河蜆影響較大，蔡永久等[14]對太湖研究時發現,河蜆在粒徑較粗的區域豐度高,而在淤泥底質、富營養化嚴重的區域密度低，這與本文的結果相符。本研究在得勝湖東南部采集獲得大量河蜆樣本,對照底質狀況進行分析,發現得勝湖東南部底質較粗,屬于粉砂質砂。得勝湖雖然整體處于富營養化狀態,但較粗的底質可能有利于河蜆掘穴固定棲居,從而使得河蜆的生物量保持較高水平。

4結論

b. 高等水生植物對大型底棲動物群落結構有一定的影響,沉水植物較為豐富的大縱湖大型底棲動物生物多樣性較高,而其余湖泊大型底棲動物種類較為單一。

c. 本研究中,底質類型對大型底棲動物群落結構影響不顯著,但軟體動物生物密度在底質粒度較粗區域較高,搖蚊幼蟲、寡毛類等小個體動物則相反。

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Correlation analysis between macrozoobenthos and environmental factors in lakes of Lixia River Area

ZHU Suge1, 2, LIU Ling1, LUO Juan1, 2, YANG Yanqing1, YAN Wenming1

(1.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China；2.ChangjiangRiverScientificResearchInstituteofChangjiangWaterResourcesCommission,Wuhan430010,China)

Abstract：To explore the current situation of the macrozoobenthic communities and related environmental factors in lakes of the Lixia River Area, investigations on the macrozoobenthic communities in four classic shallow lakes were carried out in April 2013, and the related environmental factors were measured and analyzed. The redundancy analysis was conducted between the macrozoobenthic communities and environmental factors to find out the environmental factors which had more influence on the macrozoobenthic communities. Results show that lakes in the area are in eutrophication state, the distribution of macrozoobenthic community trends to be simplified, Bellamya aeruginosa and Limnodrilus hoffmeistteri are dominant species in the area. In the sort of redundancy analysis, the eigenvalues of the first two axes are larger, which are 0.168 and 0.115, summing to 0.283，and they explain 42.6% and 31.8% of the species-environment variation. -P, Chl-a, and DO were the main environmental factors influencing the density of macrozoobenthic.

Key words：macrozoobenthic; shallow lake; environmental factor; redundancy analysis; Lixia River Area

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.03.019

基金項目:國家自然科學基金(51279060,41301531);江蘇省水利科技項目(2012023)

作者簡介:朱蘇葛(1991—),男,碩士研究生,研究方向為水生態環境保護與修復。E-mail:339122341@qq.com 通信作者:劉凌,教授。E-mail:lingliu_hhu@hhu.edu.cn

中圖分類號：X524

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)03-0099-06

(收稿日期：2015-06-11編輯：王芳)