螞蟻河大型底棲無脊椎動物及其與環(huán)境響應(yīng)關(guān)系研究

石金磊，王立權(quán)，李鐵男，張 檸，趙文超

(1.黑龍江大學 水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

河流水生生態(tài)系統(tǒng)是自然界的一個重要組成部分[1]，除了直接提供人類所需的淡水資源外，它還在維持生物能源循環(huán)和提供其他生態(tài)服務(wù)方面發(fā)揮著重要作用[2]。這些年以來，由于社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，造成了人類對河流水生態(tài)系統(tǒng)資源的肆意浪費，同時河流水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)惡化的問題也變得愈發(fā)嚴重[3]。作為水生生物群里的一個重要組成部分，大型底棲生物由于具有加速河道殘骸的分解以及促進物質(zhì)交換和凈化水質(zhì)的功能，在生態(tài)指標和水質(zhì)評估研究中被廣泛應(yīng)用[4]。隨著河流水域生態(tài)系統(tǒng)健康評估理論的不斷發(fā)展，人們認識到對大型底棲動物的環(huán)境適宜性評估是有效保護和管理底棲動物多樣性的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。因此，開展內(nèi)陸河地區(qū)大型底棲動物環(huán)境研究可為保護當?shù)厮锒鄻有蕴峁├碚撝巍?/p>

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)情況

螞蟻河是松花江右岸的一條較大支流，位于黑龍江省南部。他發(fā)源于張廣才嶺的西坡并流經(jīng)三個縣(市)，即尚志市、延壽縣、方正縣，在方正縣北端與松花江匯合，與通河縣相對，總長280.08 km。流域總面積10 847.40 km2。螞蟻河三面環(huán)山，河水在源頭后呈東西走向，然后轉(zhuǎn)向西北，到尚志市的葦河鎮(zhèn)，然后在尚志市附近轉(zhuǎn)向東北，當河流到達延壽縣的邊界時，流向再次改變，向北和東北方向流動，河流呈現(xiàn)出字母“L”的形狀。尚志段地貌為東南至西北環(huán)型高、中間低的階梯特征。方正縣屬于丘陵——低山區(qū)地形。東、西部塊斷侵蝕中山山地和低山丘陵。

1.2 設(shè)置采樣點及樣品收集與處理

在這項研究中，我們選取了受人類活動干擾強度不同的河流生態(tài)系統(tǒng)地點，同時還結(jié)合河流系統(tǒng)和其形態(tài)特征、河床基質(zhì)的不同類型、水電站建設(shè)以及工業(yè)和農(nóng)業(yè)污染，此次調(diào)查將螞蟻河分為方正縣至延壽縣、延壽縣至尚志市、尚志市至亞布力鎮(zhèn)等3個調(diào)查河段。根據(jù)控制性、代表性原則，水生生物和水體理化性質(zhì)調(diào)查需要，調(diào)查時間為2019年10月。每個河段內(nèi)設(shè)置2～5個采樣點，位置見表1。

表1 螞蟻河大型底棲無脊椎動物調(diào)查采樣點

分別使用1/60 m2彼得遜采泥器和抄網(wǎng)(直徑50 cm)定量和定性地收集大型底棲生物，根據(jù)采樣河段的生境特征，在每個采樣段的不同位置重復收集2～3次，并取平均值[5]。現(xiàn)場測量的物理和化學指標包括電阻率、pH值、電導率、水溫、底質(zhì)、溶解氧濃度、鹽度和溶解性總固體濃度數(shù)據(jù)；實驗室內(nèi)測定亞硝酸鹽氮、總磷、總氮、BOD5、氨氮、CODMn以及COD等化學指標。根據(jù)地表水的環(huán)境質(zhì)量標準，對水樣進行預處理和保存。為了避免控制采樣的誤差，上述樣品重復4次，在數(shù)據(jù)分析時取平均值。根據(jù)底質(zhì)粒徑分類標準[6]，將底質(zhì)分為粗礫(8～16 mm)、細礫(4～8 mm)和砂(<4 mm)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

1.3.1 優(yōu)勢度及多樣性指數(shù)

為了確定研究地區(qū)的主要物種，使用了生物指標，如香農(nóng)—威納(Shannon-Wiener)多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)和Margalef豐富度指數(shù)來量化每個采樣點的生物多樣性。在香農(nóng)—威納(Shannon-Wiener)多樣性指數(shù)的基礎(chǔ)上，使用Pielou均勻度指數(shù)同質(zhì)性指數(shù)來估計群落樣本中所有物種的個體數(shù)量分布和同質(zhì)性程度[7]。

一個物種的優(yōu)勢是通過優(yōu)勢公式來衡量的，該公式基于大型底棲生物的出現(xiàn)頻率和該物種的個體數(shù)量，優(yōu)勢度Y如式(1)：

(1)

式中：ni為采樣中某類物種的數(shù)量；N為采樣中總體物種的數(shù)量；fi為采樣中某類物種的出現(xiàn)頻率。當某類物種優(yōu)勢度Y>0.02時，該物種即為優(yōu)勢種群[8-9]。

香農(nóng)—威納(Shannon-Wiener)多樣性指數(shù)H′如式(2)：

(2)

式中：S為采樣區(qū)域內(nèi)的底棲動物種類數(shù)。香農(nóng)—威納(Shannon-Wiener)多樣性指數(shù)越大，物種群落結(jié)構(gòu)不確定性越大，物種多樣性越高[10]。

用于評估生物群落中物種豐度程度的Margalef豐度指數(shù)[11]dM如式(3)：

(3)

Pielou均勻度指數(shù)J如式(4)：

(4)

1.3.2 典范對應(yīng)分析

典范對應(yīng)分析(CCA)是探究大型底棲動物與環(huán)境因子相關(guān)性常用的一種重要的單峰模型排序方法[12-14]。本研究以螞蟻河延壽上游15個采樣點的大型底棲動物的生物密度作為物種矩陣(20×15)，以各采樣點的水溫、氨氮、溫度、底質(zhì)、pH值和溶解氧等環(huán)境因子作為環(huán)境因子矩陣(20×9)。除pH值外，數(shù)據(jù)在分析前標準化處理為lg(1+x)。Canoco 4.5軟件用于物種數(shù)據(jù)的CCA分析和環(huán)境因子數(shù)據(jù)的分析，對地塊進行排序[7]。

2 結(jié)果與分析

2.1 大型底棲動物種類組成

2.1.1 物種組成及優(yōu)勢種

綜合底棲動物密度在15個采樣點出現(xiàn)頻率，以優(yōu)勢度Y>0.02的物種視為優(yōu)勢種[5]。蜉蝣目中的小蜉、扁蜉，蜻蜓目中的虎蜓，雙翅目中的羽搖蚊幼蟲，顫蚓目中的中華顫蚓、水絲蚓及顎蛭目中的水蛭為螞蟻河的優(yōu)勢種，Y分別為0.026、0.020、0.060、0.032、0.125、0.047和0.028。出現(xiàn)頻率前7位的廣布種分別為中華顫蚓、虎蜓、羽搖蚊幼蟲、水絲蚓、扁蜉、水蛭和小蜉，出現(xiàn)頻率分別為100.00%、87.06%、81.18%、75.29%、55.29%、37.69%和23.39%。其中中華顫蚓在研究區(qū)內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)和其物種優(yōu)勢度均最高，分別為100.00%和0.125。

表2 螞蟻河各采樣點動物分布情況

2.1.2 群落分布及多樣性

7個斷面共采集到大型底棲動物890個，以目為標準對其進行分類，可分為蜉蝣目、蜻蜓目、毛翅目和三翅目4類。采樣鑒定結(jié)果表明不同河流間大型底棲動物的群落結(jié)構(gòu)有顯著差異[7]，見圖1。

圖1 螞蟻河底棲動物的生物量分布

將采樣區(qū)域的總的物種豐度轉(zhuǎn)化為單位面積等效豐度，生物密度取多個采樣點的平均密度。同時以河段為研究對象，在統(tǒng)計物種出現(xiàn)頻率和總個體數(shù)的基礎(chǔ)上，計算香農(nóng)—威納(Shannon-Wiener)多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)等生物指數(shù)[7]。

2.2 主要環(huán)境因子特征

采樣河段主要環(huán)境因子(水體理化參數(shù))見表3。六團鎮(zhèn)與沿河鎮(zhèn)各采樣點處流速相對較急，溶氧含量較尚志市斷面高。

表3 采樣河段水體理化參數(shù)

2.3 物種分布與主要環(huán)境因子關(guān)系

在這些大型底棲動物中選擇了15種，并分析了它們與環(huán)境因素的關(guān)系。其中，物種-采樣點關(guān)系見圖2。在排序圖中，進行對螞蟻河采樣點中入選的大型底棲物種除趨勢對應(yīng)分析，軸線中最大梯度長度(LOG)為2.68<3，即進行典范對應(yīng)分析(CCA)。螞蟻河每個采樣點的底棲動物物種密度與9個主要環(huán)境因素使用CCA分析，通過分析得到的9個主要環(huán)境因素全部反映了97.9%物種密度的信息。坐標軸1與坐標軸2的特征值分別為0.5587和0.3768，其物種的密度與環(huán)境因素的相關(guān)程度達到了0.9895和0.9988。坐標軸1～軸4共同反映出85.66%的物種信息和93.56%的物種—環(huán)境相關(guān)程度，其中坐標軸1的貢獻最大，占物種—環(huán)境相關(guān)程度的57.56%。

圖2 底棲動物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的CCA排序圖

3 討 論

3.1 主要環(huán)境因子

CCA排序結(jié)果表明蜉蝣目等優(yōu)勢物種的生物密度與流速之間存在很好的正相關(guān)關(guān)系，生物密度較大(29～86個/m2)。延壽斷面的采樣點處水流普遍較緩，流速范圍在0.35～0.39 m/s之間，顫蚓目物種數(shù)量較多。底質(zhì)是大型底棲動物成長、繁殖的載體，為底棲動物提供多樣的棲息和避難場所。在水流條件相似的情況下，底質(zhì)是影響河流大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵棲息地環(huán)境因子[15]。其次各采樣點處pH值相差不大，均為弱堿性水質(zhì)。

3.2 大型底棲動物與主要環(huán)境因子的關(guān)系

本次研究區(qū)域的地理位置處高緯度地區(qū)，采樣期間的室外溫度變化在17.3～32.5℃范圍之內(nèi)，水溫變化在16.7～28.7 ℃范圍之內(nèi)。CAA排序圖表明，其中顫蚓目、顎蛭目的物種密度對水溫變化較敏感。底棲動物的物種密度對底質(zhì)的變化有著較強的響應(yīng)關(guān)系，研究區(qū)內(nèi)底質(zhì)粒徑范圍較小，從泥到沙石均有分布。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在延壽斷面(H13)位置處中華顫蚓物種密度最大，在三門于家屯斷面的(H15)處中華顫蚓物種較少。而斷面(H15)位于灌區(qū)附近，河床由泥構(gòu)成，且河道周邊沒有水生植物分布。

4 結(jié) 論

(1)本次研究共發(fā)現(xiàn)大型底棲動物共有15種，其中蜉蝣目有4種，占26.67%；毛翅目、雙翅目、顫蚓目和半翅目各有2種，共占總數(shù)的53.33%；蜻蜓目、顎蛭目和積翅目均為1種，共占總數(shù)的20%。

(2)綜合考慮基于典范相關(guān)分析得出，水溫、溶解氧濃度、pH值等是影響螞蟻河延壽以上研究斷面大型底棲動物群落分布的主要環(huán)境因子，不同的大型底棲動物物種對環(huán)境壓力的適應(yīng)和反應(yīng)是不同的，可見保護生態(tài)環(huán)境對維持大型底棲動物多樣性很重要。