漓江大型底栖无脊椎动物及其与水环境的关系

杨青瑞,陈求稳

(中国科学研究院生态环境研究中心,北京 100085)

大型底栖动物是河流生态系统的重要组成部分,维持其物种多样性对河流生态系统结构和功能的健康发展具有重要意义。大型底栖动物寿命较长,迁移能力有限,其生长、繁殖、群落演替和群落结构的变化与水环境因子有着密切的关系,水质、水深、水温、底质、高等水生植物分布等是决定大型底栖动物种类分布的重要环境因子[1-7]。研究大型底栖生物分布能够直接反映水环境现状,为河流生态系统的健康评价提供参考。近年来,大型底栖无脊椎动物以其独特的优越性而被广泛应用于水生态影响评价。夏爱军等[8]曾利用底栖生物Goodnight生物指数和Shannon-Wiener指数很好地评价了长江江苏段水质状况;王建国等[9]利用大型底栖无脊椎动物耐污值评价了庐山地区水质污染变化趋势。

本研究以漓江为对象,在整个流域范围内选取代表性的江段,定量采集大型底栖无脊椎动物标本,并测定主要的水文和水环境指标,探讨大型底栖无脊椎动物与环境因子之间的关系,试图在流域尺度上研究大型底栖动物的群落结构变化及其影响因子,为评价漓江上游水库为下游河道枯季航运补水所造成的水生态影响提供理论基础及相关数据。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况及样点设置

漓江位于广西壮族自治区东部,属珠江水系,发源于“华南第一峰”桂北越城岭猫儿山。漓江上游主流称为六峒河;由溶江镇汇灵渠水,流经灵川、桂林、阳朔,至平乐,汇入西江,全长 214km,流域面积为12285km2。从桂林到阳朔约83km的水程称为漓江。漓江是世界上规模最大、风景最美的岩溶山水游览区,林丰木秀,空气清新,生态环境极佳。由于独特的喀斯特地貌,漓江流量季节性变化剧烈,在12～12000m3/s之间,枯季严重影响航运。为了保障枯水期漓江两岸的用水和航运,同时改善河道水生态状况,拟分3期实施水库调节,使枯水期桂林站流量分别达到30m3/s,45m3/s和60m3/s,目前第1期补水目标30m3/s已经通过青狮潭水库实现。

本研究于2009年8—9月间选取漓江上、中、下游3个江段(分别为甘棠江段、大圩江段、福利江段),其中上游甘棠江段长7km,沿岸植被茂盛,河底水草丰富,底质以卵石和淤泥为主;中游大圩江段长6km,底质以鹅卵石为主;下游福利江段长7 km,沿岸植被稀少,主要为人工栽植的凤尾竹,底质以沙石为主。研究江段全长20km,随机设置150个采样点,分不同生境采集大型底栖无脊椎动物,研究其空间分布及其与水环境条件变化的关系。

1.2 样本采集

对采样点进行定量采样,依据不同生境,当水深小于或等于0.5m时,采用Surber网(0.09 m2,40目)取样;当水深大于0.5m时,采用Peterson改良式采泥器(1/20m2)取样,现场用网目为250μ m的筛子筛洗样品,挑选出大型底栖无脊椎动物,放入100mL标本瓶中,浸入5%的甲醛溶液,带回实验室,在解剖镜下鉴定、计数[10-11],最后用吸水纸吸干底栖动物表面的液体,用精度为0.00001的天平称其湿质量。共采集样点150个,其中上游54个,中游48个,下游48个。

1.3 环境因子测定

参考相关文献中所报道的指标[12],分别选取水温(T)、电导率(κ)、盐度(Sal)、浊度(TUR)、溶解氧(DO)、pH、水深(H)、流速(v)、总磷(TP)、总氮(TN)、化学需氧量(CODMn)、底质类型作为本研究的环境因子。T,κ,Sal,TUR,DO,pH均用便携式YSI6600现场测定;v采用螺旋式流速仪进行测定;H用直尺测定;另外,每个采样点采集水样1000mL,带回实验室后分别采用GB 3838—2002[13]中规定的钼酸铵分光光度法、碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法和高锰酸盐法测定TP,TN,CODMn。

1.4 参数选择

本研究分别以Shannon-Wiener指数、Simpson指数、均匀度、优势度和丰富度指数等5个参数分析漓江大型底栖无脊椎动物的空间分布特征。Shannon-Wiener指数H′=-∑pilog2pi,式中pi为第i种物种个体数占全部样本个体数的比例,pi=ni/N,ni为第i种物种的个体数,N为所有物种的总个体数[14]。Simpson指数[14]D=1-∑pi2。均匀度[15]J=H′/(log2S),H′为 Shannon-Wiener指数 ,S为样品中物种类数。优势度[16]Y=(ni/N)fi,fi为第i种物种在各站位出现的频率,以Y＞0.02作为优势种。丰富度指数[14]D′=(S-1)lgN。

1.5 相关性分析

通过反复比选,本研究最终采用典范对应分析方法研究底栖大型无脊椎动物与水环境因子的关系。典范对应分析是基于对应分析发展而来的一种排序方法,将对应分析与多元回归分析相结合,每一步计算均与环境因子进行回归。其基本思路是在对应分析的迭代过程中,每次得到的样方排序坐标值均与环境因子进行多元线性回归。该方法要求2个数据矩阵,一个是物种数据矩阵,一个是环境数据矩阵。首先计算出1组样方排序值和种类排序值,然后用回归分析方法将样方排序值与环境因子结合起来,这样得到的样方排序值既反映了样方种类组成对群落的作用,也反映了环境因子的影响,再用样方排序值加权平均求种类排序值,使种类排序值也与环境因子相关。该方法的最大优点是把样方、对象与环境因子的排序结果表示在同一排序图上。

采用SPSS17.0对调查数据进行统计分析,采用CANOCO4.5软件进行典范对应分析。

2 分析结果

2.1 空间分布特征

本次调查采集样本7315个,共有18个物种,隶属于 6纲 13科,昆虫纲 8种,腹足纲8种,甲壳纲1种,瓣鳃纲1种。按照公式Y=(ni/N)fi对物种优势度进行计算,当Y＞0.02该物种为优势种。结果表明,纹石蚕、黑龙江短沟蜷为漓江上、中游优势种;纹石蚕、黑龙江短沟蜷、河蚬为漓江下游优势种;纹石蚕、黑龙江短沟蜷为整个漓江水系优势种,见表1。从表1中可以看出,物种Shannon-Wiener指数、Simpson指数、均匀度均呈现出下游大于中游、中游大于上游的趋势;而物种丰富度指数呈现出下游小于中游、中游小于上游的趋势。

表1 漓江大型底栖生物多样性指数

张益峰[17]对漓江水域的调查结果表明,底栖动物物种数为93个,平均密度和生物量分别为1903.8个/m2和146.2g/m2,漓江干流中虾和螺类的生物量较大。曹艳霞等[18]对漓江流域干支流的底栖动物分布也进行了调查,总物种数为169个,昆虫纲占所有底栖动物种类的84.61%,甲壳纲、软体动物类、寡毛类等种类个体数占底栖动物总量的15.39%;漓江干流多样性指数的平均值为2.248,干流上的均匀度指数平均值为0.871。干流物种组成以双翅目摇蚊科、螺类以及寡毛类种类最多。通过对比3次调查的结果发现,在不同年份漓江干流底栖动物的种类组成有差异,但优势种状况基本保持不变。

对漓江水系大型底栖无脊椎动物的密度和生物量空间分布进行统计,结果表明:漓江上游物种密度范围为11～1011个/m2,均值为104个/m2;中游物种密度范围为11～1 180个/m2,均值为163个/m2;下游物种密度范围为 11～1 980个/m2,均值为187个/m2。上游生物量范围为 0.013～329.380g/m2,均值为19.738g/m2;中游生物量范围为0.002～394.450g/m2,均值为34.303g/m2;下游生物量范围为0.009～681.250g/m2,均值为52.818g/m2。由此可见,大型底栖无脊椎动物的平均密度和平均生物量也呈现出下游大于中游、中游大于上游的趋势。

2.2 关键影响因子

为了探讨不同环境因子对漓江水系大型底栖无脊椎动物群落结构和分布的影响,将大型底栖无脊椎动物群落结构与11个环境因子进行典范对应分析,见表2。建立2个矩阵,1个是大型底栖无脊椎动物矩阵,另1个是环境因子矩阵。CCA排序图中,前2个排序轴的特征值分别为0.455和0.144,前两轴能够解释物种与环境因子间总变异量的69.8%。11个环境因子中,电导率与第1轴呈最大负相关(-0.773 3),其次为盐度(-0.7674)、化学需氧量(-0.4411)、总磷(-0.422 0)、水温(-0.4158);浊度与第1轴呈最大正相关(0.415 3);水深与第2轴呈最大负相关(-0.3071)。综上所述,水温、电导率、盐度、浊度、水深、总磷、化学需氧量为影响漓江大型底栖无脊椎动物群落结构和分布的主要环境因子。

表2 漓江11种环境因子监测结果

3 结 语

用于河流健康评价的生物包括细菌、浮游动物、藻类、高等水生植物、鱼类和大型底栖无脊椎动物等[19]。目前大型底栖无脊椎动物的应用最为广泛,其特点是种类多、生活周期长;活动场所比较固定,易于采集;不同种类对水质的敏感性差异大,受外界干扰后群落结构的变化趋势可以反映水环境变化的性质和程度。大型底栖动物的分布特征受栖息环境、季节变化以及人类活动等综合因素的影响,这些因素不仅影响底栖动物生物量和栖息密度的时空分布,而且改变了群落的结构特征。研究表明,纹石蚕、黑龙江短沟蜷为漓江水系的优势种,这2种底栖生物均为清水指示种,表明目前漓江的水质状况良好。

非生物因素中的水温、电导率、盐度、浊度、水深、总磷、化学需氧量为影响漓江大型底栖无脊椎动物群落结构和分布的主要环境因子,这一结果与其他学者的研究结论类似。研究结果对于分析漓江枯季航运补水对下游生态环境的影响具有重要意义,今后将重点研究水库运行引起的水温、盐度等关键环境因子的变化,评价环境因子变化对底栖生物生境的影响及其导致的底栖生物空间分布的变化。

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