里下河地区典型湖泊大型底栖动物与环境因子的相关性分析

朱苏葛,刘　凌,罗　娟,杨艳青,燕文明

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京　210098;2.长江水利委员会长江科学院,湖北 武汉　430010)

里下河地区典型湖泊大型底栖动物与环境因子的相关性分析

朱苏葛1, 2,刘凌1,罗娟1, 2,杨艳青1,燕文明1

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京210098;2.长江水利委员会长江科学院,湖北 武汉430010)

摘要：为揭示里下河地区湖泊大型底栖动物群落现状及其主要的环境影响因子,于2013年4月对里下河地区4个典型浅水湖泊的大型底栖动物群落进行了调查,并测定分析相关水质环境因子；对大型底栖动物群落与环境因子进行冗余分析,找出了对大型底栖动物群落影响较大的环境因子。结果表明:研究区域湖泊均处于富营养化状态,大型底栖动物群落分布趋向于单一化,铜锈环棱螺和霍甫水丝蚓是该地区典型湖泊的主要优势物种。冗余分析排序中,排序轴前两轴特征值较大,为0.168和0.115,合计0.283,分别解释了42.6%和31.8%的物种-环境变异,-P、Chl-a和DO是对大型底栖动物密度影响较大的环境因子。

关键词：大型底栖动物;浅水湖泊;环境因子;冗余分析;里下河地区

里下河地区是江苏省的主要粮食生产基地,随着社会、经济的迅速发展,里下河湿地受人类活动干扰愈来愈强烈,对该地区湖泊的调查、治理工作显得尤为重要。有学者对里下河地区湿地资源利用进行了研究[1-2],但关于里下河地区人类活动对水生态环境干扰方面的研究较少,里下河地区湖泊底栖生物群落结构及其对环境胁迫响应关系方面的研究尚未见报道。大型底栖动物在湖泊生态系统的物质循环和能量流动中起着重要作用,如加速水底碎屑的分解、促进水体自净等[3]。大型底栖动物对环境变化较为敏感,由于其生活史较长,活动范围小,所以大型底栖动物群落结构、优势种类和多样性指数等生物参数对环境状况有很好的指示作用[4]。

表1　研究区域特征

底栖动物对湖泊营养水平的响应效应受到许多研究人员的关注。龚志军等[5]对武汉东湖营养水平不同的4个湖区的底栖动物群落与生物多样性进行了研究,发现水体富营养化导致底栖动物多样性水平明显降低。蔡永久等[6]对长江中下游地区4类不同营养水平湖泊的大型底栖动物群落结构和多样性进行了研究,结果表明随着水体营养水平的提高,底栖动物群落逐渐被耐污种类所主导。熊金林等[7]对4个污染程度不同的湖泊的底栖动物群落结构进行了研究,发现随着污染程度的加剧,底栖动物结构的丰富性明显降低,尤其是软体动物受到较为明显的影响。

本研究以淮河流域里下河腹部地区小型富营养化湖泊群中大纵湖、得胜湖、蜈蚣湖、九龙口为研究对象,于2013年4月进行大型底栖动物的采样调查,对大型底栖动物群落组成、优势物种进行调查,利用冗余分析法[8]对大型底栖动物与环境因子的相关关系进行了研究，旨在为里下河地区湖泊水质生物监测和评价提供科学依据,并为未来水生态环境保护提供参考。

1研究方法

1.1样品采集与测定

选取大纵湖、得胜湖、蜈蚣湖、九龙口作为研究对象,研究区域位于湖泊密集的里下河腹部地区(图1),不同湖泊的地理位置、自然环境各不相同,研究区域特征见表1。

图1　里下河地区范围及研究区域示意图

根据湖泊面积大小均匀布设样点,其中大纵湖布设9个采样点,点位记为1～9,其余3个湖泊分别各布设3个采样点,蜈蚣湖为点位10～12、得胜湖为13～15、九龙口为16～18。

用1/16 m2改良Peterson采泥器,在每个采样点采集3次。后将所得的泥样混合,置于60目尼龙筛中,迅速将沉积物冲洗干净,剩余物置于白瓷盘中将底栖动物活体逐一挑出，并保存于80%的乙醇溶液中,在实验室中对样品进行种类鉴定,鉴定到尽可能低的分类单元,然后计算单位面积的生物密度。

透明度SD用赛氏盘测定;pH值、盐度、DO、Chl-a在各采样点用YSI-6600V2型多参数水质监测仪进行水样的现场测定;CODMn的测定方法参照《水和废水监测分析方法》[9];氮磷营养盐指标用微量流动式注射分析仪(Skalar-SA1000)测定;底质粒径采用全自动激光粒度分析仪(LS13320)进行测量;沉积物粒度实测数据采用伍登-温特华斯(Udden-Wentworth)的粒度分级方案进行分析,并依据福克(Folk)分类方法对研究区域沉积物粒度进行分类命名[10]。在进行多元统计分析过程中,底质粒径以哑变量的形式进入排序。

1.2分析数据处理

1.2.1富营养化指数

采用修正的营养状态指数[11]来进行里下河腹部地区各典型湖泊水体富营养化的评价:

(1)

(2)

式中:ρ(Chl-a)为藻类质量浓度;CSD为水体透明度值;ρ(TP)为总磷质量浓度;ITSI(Chl-a)为藻类营养状态指数;ITSI(SD)为透明度营养状态指数;ITSI(TP)为总磷营养状态指数。本文所采用的ITSI为三者的平均值。

表2　研究区域水体环境因子特征及Kruskal-Wallis非参数检验结果

1.2.2相对重要性指数

采用相对重要性指数[12]确定各个湖泊的优势种,该指数的计算将每种生物的个体质量、丰度及出现频率均考虑在内,能够较为全面地反映出每种生物在整个群落中的地位,其计算公式为

(4)

式中:IIRI为相对重要性指数；W为某一种类的生物量占各采样点大型底栖动物总生物量的百分比;N为该种类的密度占各采样点总密度的百分比;F为该种类在各采样点出现的相对频率。

1.2.3多元统计分析

利用CANOCO4.5软件进行多元相关分析,主要采用的是非约束线性模型的主成分分析(principal component analysis,PCA)和约束线性模型的冗余分析(redundancy analysis,RDA)。在进行生物数据(生物密度和生物参数)与环境因子多元相关分析前,首先要对生物数据进行非约束排序,排序结果显示4个排序轴均小于3,选用线性模型比较合理[8],因此在约束排序中选用冗余分析。

对生物密度进行冗余分析时去除在18个采样点中只出现1次的物种数据，以减小误差,并对余下的生物密度数据进行对数转换。生物密度数据在排序前进行中心化,进行冗余分析时,对生物密度数据又做了误差方差标准化处理,在这种情况下,CANOCO4.5软件会单独计算每个物种的多少方差能够被环境变量所解释,误差方差的倒数被当作物种的权重。这样,物种被环境因子所解释的越多,该物种在最终的分析中的权重也越大[13]。冗余分析中环境变量的筛选采用向前引入法(α=0.05),基于蒙特卡洛置换检验约束模型的显著性(n=9 999)。

2结果分析

2.1理化指标

对各湖环境因子进行主成分分析结果,见图2。主成分分析的前两轴的方差解释率为67.52%,第一主成分轴主要反映了湖泊的营养盐水平,DO、pH和CODMn与氮磷营养盐浓度呈显著负相关关系。第二主成分轴主要反映了水体和沉积物的有机质含量,CODMn和Chl-a在第二轴上得分较高。从图2中可看出,同一湖泊不同区域环境因子水平较为接近,不同湖泊环境因子水平差异显著。

图2　研究区域环境因子主成分分析

2.2底栖动物组成和相对重要性指数

大纵湖、得胜湖、蜈蚣湖、九龙口4个湖泊的18个采样点采集到的底栖动物共有3门6纲11目15科32属35种,其中寡毛类2种,软体动物双壳类7种,腹足类6种,摇蚊科幼虫13种,水蛭类3种,其他底栖动物4种。

表4　冗余分析中底栖动物的代号和种类

研究区生物类群密度比例见图3。由图3可知,各主要生物类群在不同湖泊的密度比例相差较大，其中,大纵湖各生物类群密度分布较为均匀,蜈蚣湖和九龙口则以某一类群占据绝对优势。

图3　研究区域底栖动物主要类群总密度比例

计算研究区域的各物种的相对重要性指数IIRI,为方便起见,所有数据皆乘以103,可得大纵湖相对重要性指数较高的前两位为铜锈环棱螺和长角涵螺,IIRI分别为218.24和106.76;得胜湖相对重要性指数较高的前两位为河蚬和霍甫水丝蚓,IIRI分别为213.65和118.95;蜈蚣湖的铜锈环棱螺相对重要性指数最高,IIRI为572.61,明显远高于其他物种;九龙口的霍甫水丝蚓相对重要性指数最高,IIRI为421.99,明显高于其他物种。

2.3底栖动物群落与环境因子之间的关系

表3　底栖动物群落与筛选后的环境因子的

图4　大型底栖动物生物密度与手动选择后的环境因子冗余分析排序

3结果与讨论

高等水生植物对大型底栖动物影响也十分显著。大纵湖为草型湖泊,采样时间为春季,湖泊中大型水生植物种类丰富,氮磷营养盐水平在4个湖泊中相对较低,底栖生物种类相对较丰富,生物多样性高,生物类群主要由按摄食功能群分为刮食者的腹足纲组成。梁彦龄等[17]研究表明，在草型湖泊中,刮食者丰度占绝对优势。这与本研究的结论相符。丰富的水生植物对维持大型底栖动物多样性方面起着极为重要的作用,大量的水生植物直接改变了湖泊生态系统的空间结构,并增加了空间、食源的异质性。螺类与水生植物存在互惠共利的关系,植物为螺类提供空间和食源,螺类的牧食去除植物表面附着生物层,有利于植物生长[18]。藻型湖泊的功能摄食类群主要以收集者为主[19]，得胜湖、蜈蚣湖和九龙口为藻型湖泊,大型水生植物生物量小,底栖动物生物多样性偏低,优势种多为小个体的耐污种。研究表明,沉水植被丰富的水域有利于甲壳类动物生存。冗余分析结果显示,甲壳类动物与Chl-a呈负相关。雷泽湘等[20]对太湖的大型水生植被的研究表明,无草区水体Chl-a质量浓度为有草区的3倍左右,Chl-a与大型水生植物生物量呈反比,因为甲壳类动物在藻型湖泊中缺乏多层次的食物来源和有效的隐蔽场所[21],生物密度较草型湖泊中的明显偏低,与本研究结果相符。

底质类型是影响底栖动物分布的主要因素之一。本研究中,软体动物生物密度在底质粒度较粗区域较高,而摇蚊幼虫、寡毛类动物等小个体动物则相反。富营养化会对沉积物粒径大小产生影响。富营养化程度高的湖泊底质有机质含量高,底质偏细[22],这可能是耐污能力相对较强的物种与较细底质类型正相关的原因,而相关性不显著可能是因为本次研究中各采样点的底质类型差异并不大。底质类型对河蚬影响较大，蔡永久等[14]对太湖研究时发现,河蚬在粒径较粗的区域丰度高,而在淤泥底质、富营养化严重的区域密度低，这与本文的结果相符。本研究在得胜湖东南部采集获得大量河蚬样本,对照底质状况进行分析,发现得胜湖东南部底质较粗,属于粉砂质砂。得胜湖虽然整体处于富营养化状态,但较粗的底质可能有利于河蚬掘穴固定栖居,从而使得河蚬的生物量保持较高水平。

4结论

b. 高等水生植物对大型底栖动物群落结构有一定的影响,沉水植物较为丰富的大纵湖大型底栖动物生物多样性较高,而其余湖泊大型底栖动物种类较为单一。

c. 本研究中,底质类型对大型底栖动物群落结构影响不显著,但软体动物生物密度在底质粒度较粗区域较高,摇蚊幼虫、寡毛类等小个体动物则相反。

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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

基金项目:国家自然科学基金(51279060,41301531);江苏省水利科技项目(2012023)

作者简介:朱苏葛(1991—),男,硕士研究生,研究方向为水生态环境保护与修复。E-mail:339122341@qq.com 通信作者:刘凌,教授。E-mail:lingliu_hhu@hhu.edu.cn

中图分类号：X524

文献标志码：A

文章编号：1004-6933(2016)03-0099-06

(收稿日期：2015-06-11编辑：王芳)