2012—2019年松花江干流底栖动物群落变化及其对水环境因子的响应

于宗灵,董英莉,袁 欣,徐昨非,马 煜,王业耀,金小伟

1.黑龙江省生态环境监测中心,黑龙江 哈尔滨 150056 2.黑龙江省齐齐哈尔生态环境监测中心,黑龙江 齐齐哈尔 161000 3.北京师范大学水科学研究院,北京 100875 4.中国环境监测总站,国家环境保护环境监测质量控制重点实验室,北京 100012

河流生态系统是陆地生态系统及水生态系统间物质循环和能量流动的重要载体,健康的河流生态系统是维持该流域生物多样性及流域可持续发展的关键,但河流生态系统的脆弱性和敏感性导致其易受到自然和人为活动的干扰[1-2]。在多重胁迫协同作用下,水生生物参与了淡水和陆地生态系统间物质循环和能量流动等关键生态过程,其群落结构、物种生长和繁殖等受到人类和自然环境的干扰,呈现显著的差异和变化[3],也会进一步对河流的生态系统健康造成影响。

松花江是东北地区的重要河流,水生生物多样性十分丰富,是中国重要的种质资源库。近几年,该流域水质主要受营养盐和有机污染物等影响[4]。底栖动物既能够促进水体中有机物的分解,又是鱼类的天然优质饵料,其生物量还可以作为预测渔业产量的关键指标。在水生态环境监测方面,底栖动物可以作为水体有机污染状况的指示生物,起到“水下哨兵”的作用[5]。底栖动物群落组成受水质、气候变化和人类活动等影响,且表现较为敏感[6],长时间序列的水生态系统健康评估研究能够反映出其演变规律及水环境污染状况[7-8]。因此,常将底栖动物作为指示生物应用在河流健康评价之中[9-13]。

近年来,已有部分研究利用底栖动物评价了松花江流域部分水体水生态环境质量状况[14-17],但多数研究是针对短时间或短距离河段的报道。当前,鲜见学者对松花江干流底栖动物进行长时间序列群落结构的演变规律研究及其与水环境因子的响应分析,而这种研究恰恰能更直观有效地体现该流域水生态环境的质量变化趋势及治理成效[18]。由于监测成本高昂以及监测方法规范性要求高,长时间尺度水生生物的监测数据往往很难获取。笔者基于2012—2019年松花江干流水生态监测结果,分析了底栖动物群落结构特征及年际间变化规律,在此基础上运用冗余分析(RDA)来解释底栖动物群落结构与水环境因子变量之间的关系,为松花江的水生态保护提供更为科学的参考。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况

松花江的地理坐标为119°52′ ～ 129°31′E、41° 42′～ 51° 38′N,是黑龙江在中国境内的最大支流,是中国七大河之一,流经黑龙江省、吉林省和内蒙古自治区,流域面积为55.72万km2,年径流量为762亿m3,年均降水量为500 mm左右,降水量整体呈现山区大、平原区小的特征[19]。松花江有南北两源,北源发源于大兴安岭的支脉伊勒呼里山的嫩江,南源发源于长白山天池的西流松花江,干流自三岔河汇合流至同江镇河口,全长为939 km,流经肇源、扶余、哈尔滨、巴彦、木兰、方正、依兰、佳木斯、桦川、富锦、同江等,于同江市东北约7 km处由右岸注入黑龙江,河宽多为500～600 m,最宽处可达1 300 m[20]。该研究在松花江的干流设11个断面(即D1～D11),多数断面分左和右2个监测点位,共计21个点位(图1)。

图1 松花江干流采样断面示意Fig.1 Sampling sections in the mainstream of the Songhua River

1.2 指标选取和样品采集

水质理化指标主要为水温(WT)、pH、溶解氧(DO)、生化需氧量(BOD5)、化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)和总磷(TP)。其中NH3-N、TN和TP是表征水体营养浓度的指标;DO、COD和BOD5是表征水体有机污染状况的指标[21-23]。生物学指标包括底栖动物种类组成、群落结构和密度。

2012—2019年,每年的6、9月初均进行一次采样,结果取均值作为最终统计数据。干流河宽水急,监测河流的岸边带底质多为夹杂着石块的泥沙硬质,底栖动物定性样品多数采用手抄(D)网法和翻拣法收集[24-25]。定量采样时,选用400 μm的D网在采样点沿岸河段上、下游100 m范围内采集样品,每个采样点采样面积共计1 m2。采集到的底栖动物样本经筛选、挑拣后,于实验室内鉴定并计数。种类鉴别参照相关图谱和文献资料[26-27]。

1.3 数据处理

使用Biological Monitoring Working Party (BMWP)记分系统和生物学污染指数(BPI)来表征底栖动物的物种多样性。BMWP记分系统利用底栖动物的定性监测数据,依据不同类群底栖动物对污染物的耐受性差异对水生态环境质量进行评价;BPI利用底栖动物的定量监测数据,从指示类群分布特征的角度对水生态环境质量进行评价。详细公式如下[28],等级划分标准见表1。

表1 生物评价指标等级划分标准[31]Table 1 Classification standards for BMWP and BPI[31]

1)BMWP记分系统

BMWP=∑Fi

式中:BMWP表示BMWP指数值,Fi表示科i的BMWP的分值。

2)BPI

BPI = lg(N1+ 2)/[lg(N2+ 2) + lg(N3+ 2)]

式中:BPI表示生物学污染指数,N1表示蛭类、寡毛类及摇蚊幼虫的个体数量,N2表示多毛类、甲壳类、除摇蚊幼虫以外其他水生昆虫个体数量,N3表示软体动物的个体数量。

3)优势度指数(Y)[29]

Y= (ni/N)×Fi

式中:Y表示优势度指数,ni表示第i种的总个体数量,N表示各采样点的所有物种个体数量的总数,Fi表示第i种物种在各个采样点出现的频率。当Y≥0.02时,认为该底栖动物为该调查频次的优势种。

该研究应用SPSS 22.0软件对生物指数进行分析,利用Canoco 5.0对底栖动物的物种数据及水环境因子之间的趋势对应(DCA)关系进行分析,最大长度均小于3.0,故选择应用冗余分析(RDA)完成研究,分析过程中将底栖动物的数量和环境因子的相关数据进行lg(x+1)转换,以保证获得正态分布数据[30]。

2 结果

2.1 理化因子

2012—2019年松花江干流水质状态总体趋好(图2),8年间水温略有上升,pH呈波动变化状态,DO整体呈平稳上升趋势,与“十二五”期间比,“十三五”期间除TN略有升高外,NH3-N、BOD5、TP和COD大体呈下降趋势。温度平均值为12.39 ℃,最高值为13.91 ℃(2019年),最低值为10.82 ℃(2015年);pH为7.37～7.76,年际差异较小;8年间DO保持在较高水平,平均值为8.71 mg/L,最高值出现在2019年,最低值出现在2013年;BOD5平均值为2.57 mg/L,最高值出现在2012年,自2015年后该值呈逐年下降趋势,最低值出现在2018年;NH3-N平均值为0.53 mg/L,总体呈下降趋势,最高值出现在2013年,最低值出现在2019年;COD平均值为18.61 mg/L,最高值出现在2012年,最低值出现在2016年;TP平均值为0.13 mg/L,最高值出现在2013年,最低值出现在2016年,呈先升高再降低再略升高的趋势;TN平均值为2.11 mg/L,2018年最高,2015年最低。

图2 2012—2019年松花江干流主要水质指标变化趋势Fig.2 Variations of the water quality indices in the mainstream of the Songhua River from 2012 to 2019

2.2 底栖动物群落结构

2012—2019年松花江干流共鉴定出底栖动物246个分类单元,隶属于4门、9纲、25目、58科、69属,其中水生昆虫EPT物种有99个分类单元,占40.24%;水生昆虫其他物种有68个分类单元,占27.64%;软体动物有36个分类单元,占14.63%;环节动物有25个分类单元,占10.16%;甲壳动物有18个分类单元,占7.32%。松花江干流底栖动物8年间物种丰富度总体呈上升趋势,其中2016年最高(80个分类单元)。各年均以水生昆虫种类丰富度最高,软体动物、环节动物和甲壳动物在干流分布也较广泛,见图3(a)和图3(b)。优势种类主要以喜在清洁水体中生活的蜉蝣目和毛翅目为主,如小蜉属Ephemerella、小寡脉蜉属Oligoneuriella、扁蜉属Heptagenia、等蜉属Isonychia、纹石蛾科Hydropsychidae和缺叉多距石蛾属Polycentropus等。

调查期间松花江干流底栖动物密度变化范围为2.86×103～8.98×103个/m2,见图3(c)。

8年间总平均密度为5.97×103个/m2,其中水生昆虫平均密度为4.28×103个/m2,占总平均密度的71.69%;软体动物平均密度为1.21×103个/m2,占总平均密度的20.27%;环节动物和甲壳动物平均密度为0.48×103个/m2,占总平均密度的8.04%。水生昆虫密度最高值出现在2016年(7.56×103个/m2),最低值出现在2012年(1.23×103个/m2),软体动物密度最高值出现在2017年(1.94×103个/m2),最低值出现在2012年(0.84×103个/m2)。8年间底栖动物密度呈上升趋势,除2017年受暴雨影响外,其余年份底栖动物的种类组成总体提高。监测结果显示,软体动物、甲壳动物及环节动物有向水生昆虫变化的趋势,群落结构相对稳定且以水生昆虫占比最多,群落中的敏感水生昆虫(如部分蜉蝣目和毛翅目)的种类占比有所提高,而具有一定耐污性的种类(如圆田螺属和田螺属等)物种多样性有所降低,同时个体数量也明显减少,结果显示监测期间水生态状态稳步变好。

2.3 优势类群

2012—2019年松花江干流底栖动物优势种类以水生昆虫为主,其中尤以指示清洁的EPT物种(如蜉蝣目和毛翅目)种类及数量占比最高,其次为水生昆虫其他物种(如双翅目等),占比也较高,而软体动物、甲壳动物及环节动物部分种类也作为优势类群出现在不同年份。耐污较强的环节动物(如寡毛纲和蛭纲)的部分物种优势度随时间推移明显降低,而水生昆虫的种类及优势度始终保持在较高水平,部分EPT种类优势度还有上升,说明监测区域水生态状况较好。底栖动物组成和数量分析结果显示,8年来优势类群主要为节肢动物门的昆虫纲,其中蜉蝣目优势种类有15属,毛翅目优势种类有13属,双翅目优势种类有8属,蜻蜓目1属和鞘翅目1属;其次为软体动物门的腹足纲腹足目有7属;节肢动物门的软甲纲十足目为6属;环节动物门的寡毛纲近孔寡毛目3属;环节动物门的蛭纲吻蛭目2属。

优势类群排在前十且出现次数和优势度较高的为节肢动物门小蜉属Ephemerella、小寡脉蜉属Oligoneuriella、扁蜉属Heptagenia、等蜉属Isonychia、纹石蛾科Hydropsychidae、缺叉多距石蛾属Polycentropus、摇蚊科Chironomidae、短脉纹石蚕属Cheumatopsyche、纹石蚕属Hydropsyche和软体动物门的圆田螺属Cipangopaludina。优势度排在前三且年际间差异明显的优势类群为纹石蚕属Hydropsyche、小蜉属Ephemerella和小寡脉蜉属Oligoneuriella(图4)。

图4 2012—2019年松花江干流底栖动物主要优势类群及优势度Fig.4 Main dominant groups and dominance of macroinvertebrates in the mainstream of the Songhua River from 2012 to 2019

各年均有出现且占绝对优势的为小蜉属Ephemerella,优势度由“十二五”期间的0.248～0.625降至“十三五”期间的0.095～0.457;小寡脉蜉属Oligoneuriella优势度为0.102～0.483,优势度最高值出现在2017年,其次为2012年,最低值出现在2013年,优势度呈波动状态;扁蜉属Heptagenia优势度为0.059～0.214,除2017年,其他年份优势度变化波动不大;等蜉属Isonychia优势度为0.022～0.462,优势度最高值出现在2012年,其余7年优势度波动不大;纹石蛾科Hydropsychidae优势度为0.052～0.257,8年间优势度有所变化但不大;缺叉多距石蛾属Polycentropus优势度为0.092～0.335,呈先下降再升高再下降的趋势;摇蚊科Chironomidae优势度为0.117～0.311,除2012年外,其余年份优势度呈上升趋势;圆田螺属Cipangopaludina优势度为0.071～0.295,优势度总体呈先上升再下降的趋势。历年优势物种以蜉蝣目、毛翅目和双翅目为主,其次为腹足目和十足目的物种,主要以指示清洁至中污染的习见种类为主(表2)。

表2 2012—2019年松花江干流底栖动物优势类群及优势度Table 2 Dominant groups and dominance of macroinvertebrates in the mainstream of the Songhua River from 2012 to 2019

2.4 松花江干流底栖动物水质生物学评价

笔者使用BMWP记分系统和BPI的年均结果来评价干流水质状态(表1),评价结果多数为“中等”及以上,8年间评价结果趋于稳定,且下游评价结果好于上游(图5)。从空间断面来看,松花江干流中上游断面的生物指数较低,最低值出现在D3断面,该点位BMWP记分系统和BPI结果均为最低,该点水质处于“较差至中等”水平,见图5(b)和图5(d)。松花江干流下游断面生物指数高于上游,D8～D10断面指数值在8年间均处于较高水平,下游点位水体处于“良好至优秀”水平。从不同时间来看,2013、2015、2016年BMWP记分系统评价较好,最佳结果出现在2015年;2014—2019年的BPI评价较好,最佳评价结果出现在2015年。8年间BMWP记分系统和BPI评价的结果有所差异,略呈波动性变化,见图5(a)和图5(c)。

图5 2012—2019年松花江干流底栖动物评价指数Fig.5 Average diversity index of macroinvertebrates in the mainstream of the Songhua River from 2012 to 2019

2.5 底栖动物与环境因子的关系

对水环境因子及底栖动物的群落结构相关指标进行RDA分析,前2轴特征值比为0.182和0.098,底栖动物的物种和水环境因子间排序轴的相关系数可达0.812和0.631,环境和物种关系的累计比率则可达到82.1%,说明排序图可以很好地反映出水环境因子与底栖动物群落结构相关指标的关系。笔者运用蒙特卡洛单因子检验法对8个水质理化因子进行检验,选出P<0.05的水环境因子并进行分析。2012年主要受BOD5(P=0.006)、COD(P=0.013)和TP(P=0.028)等影响;2013年主要受BOD5(P=0.005)、NH3-N(P=0.019)和DO(P=0.023)等影响;2014年主要受TN(P=0.012)、TP(P=0.022)和COD(P=0.028)等影响;2015年主要受NH3-N(P=0.011)、DO(P=0.019)和TN(P=0.039)等影响;2016年主要受TN(P=0.002)、BOD5(P=0.011)和pH(P=0.025)等影响;2017年主要受TP(P=0.008)、COD(P=0.019)和pH(P=0.024)等影响;2018年主要受BOD5(P=0.007)、DO(P=0.011)和TN(P=0.019)等影响;2019年主要受NH3-N(P=0.019)、TN(P=0.016)和DO(P=0.011)等影响(表3)。从排序可知不同年份底栖动物群落结构与环境因子、空间因子之间的变化趋势(图6),8年间11个采样点的物种分布均受到NH3-N的影响,其中除2013、2015、2016年两者呈负相关以外,其余年份两者均呈显著正相关。2012年COD、BOD5、DO和TP与2轴负相关,NH3-N与1轴正相关。8年间松花江干流底栖动物群落结构始终受到含氮化合物的影响,但随时间推移,影响因子也有所变化。总体看来,相较于其他指标,NH3-N、TN、TP、DO、BOD5和COD是这一区域对底栖动物分布影响更大的环境因子。

表3 基于RDA的多尺度环境因子对底栖动物群落结构空间变异的解释结果Table 3 Percentage variance in macroinvertebrates accounted for all environmental factors at multiple spatial scales by RDA

注:S01～S56代表用于分析的主要底栖动物物种。S01.Aeshna Fabricius;S02.Phryganeidae;S03.Baetidae;S04.Branchiura;S05.Caenis;S06.Caenis sinensis;S07.Cheumatopsyche;S08.Chironomidae;S09.Chironominae;S10.Chironomus;S11.Cinygmina;S12.Cipangopaludina;S13.Ephemerella;S14.Ephemerellidae;S15.Ephoron;S16.Eubasilissa;S17.Gammarus;S18.Glossiphonia;S19.Heptagenia;S20.Heptageniidae;S21.Hirudinea;S22.Hydropsyche;S23.Hydropsychidae;S24.Isonychia;S25.Isonychiidae;S26.Lachlania;S27.Limnodrilus;S28.Macrobrachium;S29.Macronema;S30.Macroplea;S31.Neureclipsis;S32.Goeridae;S33.Oligoneuriella;S34.Oligoneuriella pallida;S35.Palaemon;S36.Palaemon modestus;S37.Palaemonetes;S38.Palaemonidae;S39.Parafossarulus striatulus;S40.Pelopia;S41.Pentaneura;S42.Plectrocnemia;S43.Polycentropodidae;S44.Polycentropus;S45.Potamanthus;S46.Potamyia;S47.Semisulcospira;S48.Semisulcospira amurensis;S49.Semisulcospira cancellata;S50.Simuliidae;S51.Tanypodiinae;S52.Tipulidae;S53.Triaenodes;S54.Tubificidae;S55.Viviparus;S56.Viviparus chui。图6 2012—2019年松花江干流底栖动物与环境因子RDAFig.6 RDA analysis of macroinvertebrates and environment factors in the mainstream of the Songhua River from 2012 to 2019

调查水域中的优势类群主要为昆虫纲、软甲纲、腹足纲、寡毛纲和蛭纲,其中上游河段的优势类群主要为圆田螺属Cipangopaludina、尾鳃蚓属Branchiura、小寡脉蜉属Oligoneuriella、纹石蛾科Hydropsychidae和摇蚊科Chironomidae等,且与NH3-N、TN和TP呈显著相关性,上游河段优势物种有喜清洁的EPT物种,也有耐污染、生命力强的软体动物和环节动物。下游河段的优势种类要多于上游河段,以蜉蝣目、毛翅目和双翅目等为主,EPT的丰富度是下游好于上游,优势类群主要为等蜉属Isonychia、细蜉属Caenis、似动蜉属Cinygmina、缘脉石蚕属Plectrocnemia、低头石蚕属Neureclipsis、摇蚊科Chironomidae、羽摇蚊属Chironomus、东北田螺Viviparuschui和黑龙江短沟蜷Semisulcospiraamurensis等,且随时间变化与DO呈显著正相关。在空间变化上,不同采样点位的营养程度有所差异,从图5可知,相似度较高的点位为D2、D3和D4,D5、D6和D7,D8、D9和D10,D1和D11。其中D2～D6点位主要受NH3-N、TN、TP、BOD5和pH影响,D1、D7～D11点位主要受NH3-N、DO、COD和BOD5影响,监测期间各点位物种分布以水生昆虫为主,尤以EPT物种为多,下游水体水生态状态好于上游。

3 讨论

3.1 松花江干流底栖动物群落特征

底栖动物作为河流生态健康评价体系里较为重要的生物类群,以水生昆虫的占比最高,可达95%以上[32]。日常监测的水生昆虫以襀翅目、蜉蝣目和毛翅目(简称EPT物种)分布最为广泛,对干扰表现敏感,多被用于河流生态评价的研究之中。其除了可以反映水体受污染的程度外,还可以表征河流的水生态系统随季节变化的规律以及水生态健康修复的效果[33]。松花江流域底栖动物研究起步晚,2010年后相关研究才迈入快速发展时期,成果增多,研究方向较之前广泛。运用底栖动物来评价研究区水生态时空变化状态较为普遍,但多数研究仅局限在松花江城市段或者研究周期较短,对于整个干流多时空变化的研究甚少。张静[34]等2008年(除冬季外)对松花江近哈尔滨段7个典型断面的底栖动物进行采样及分析,结果显示水生昆虫最多,其次为软体动物、环节动物和甲壳动物;郭洁[35]等2015—2017年秋季对松花江流域佳木斯段5个断面进行采样、调查,共鉴定出底栖动物59个分类单元,水生昆虫占比最多,优势种主要为指示清洁的扁蜉属Heptagenia和短脉纹石蚕Cheumatopsyche等;赵然等[15]2015年夏季和秋季对松花江干流9个点位进行底栖动物采样调查,结果显示,水生昆虫有30个种类(占75.0%),占绝对优势,软体动物有5个种类,占12.5%;李中宇等[14]对松花江干流2012—2015年底栖动物分布规律及理化评价差异进行研究,结果显示,干流上游物种数明显多于下游,水生昆虫多,敏感物种EPT自2013年后有所增加。以上研究成果显示,松花江流域底栖动物以水生昆虫为主,下游密度及物种数均高于上游。笔者通过对松花江干流11个断面连续8年的监测发现,底栖动物有246个分类单元,隶属于4门、9纲、25目、58科、69属,其中水生昆虫EPT物种有99个分类单元,占40.26%;水生昆虫其他物种有68个分类单元,占27.64%;软体动物有36个分类单元,占14.63%;环节动物有25个分类单元,占10.16%;甲壳动物有18个分类单元,占7.32%,为近年来松花江干流底栖群落的长时间序列时空变化特征调查提供了较为有利的参考(图6)。

松花江干流底栖动物的数量较多且生物多样性丰富,但上游有部分点位仍受不同程度的人为扰动(包括点源及面源污染),导致相应点位底栖动物总个体数量以及物种多样性呈逐渐降低趋势。尤其以D3断面最明显,其受人为干扰严重,水质恶化,底栖动物密度较低、物种数量较少,优势种以耐污力更强的寡毛类及部分软体动物为主。D2、D4和D5等断面相对于下游而言,物种数较少、密度较低,但较D3断面要好一些。D1断面及下游点位多远离城市,周围是草地及农田,区域底质以泥沙夹杂着卵石、砾石等为主,其为底栖动物提供了良好的摄食、繁衍以及庇护的场所,优势种类主要为EPT物种等(如蜉属Isonychia、细蜉属Caenis、似动蜉属Cinygmina、缘脉石蚕属Plectrocnemia和褐纹石蚕属Eubasilissa等),这些物种都是对环境变化敏感的种类。底栖群落监测结果显示,松花江干流水质状况整体较好,下游水质较上游清洁,有机污染程度较低[4,14]。

3.2 松花江干流水质生物学评价

河流水质生物学评价方法在不同尺度的研究中差异较大,欧盟水框架指令(WFD)发展形成了300多个独立的生物评估系统[36]。目前中国引入了生物完整性概念,学者们探索研究了水生态监测技术与综合评价方法,着力以建立在科学基础之上的最有效的指标反映水生态状况的变化,建立具有流域特色的评价指标和评价标准[37]。但现有水生态监测与评价体系距发达国家现有技术水平、实现流域水生态环境科学管理仍有一定的距离。

多数国家在底栖动物参与水生态评价研究中选用单一指标和比较直观的指示物种法,对小流域研究则多选用多指标来进行综合评价,不同评价方法没有明显优势与劣势,更多是综合考虑人类活动干扰梯度以及环境管理需求的一种权衡[38-39],通过计算相关生物学参数及指标,来构建指标与环境压力间的关系,进而评估该监测水体的水生态健康情况[40]。笔者采用BMWP记分系统和BPI来共同评价水体污染程度及变化趋势,SOLDNER等[41]、MONAGHAN等[42]认为BMWP记分系统与理化指标有很好的相关性,HILSENHOFF等[43]指出BPI更适合评价受到有机污染的河流。

2012—2019年的水质评价结果多数为“中等”及以上,且下游断面普遍好于上游。佳木斯段的D8～D10断面指数值始终处在较高水平,个别断面可达到“优秀”水平,上游部分断面离城市近,水质多数处于“中等”水平。受污染最严重的D3断面 8年间水质处于“较差至中等”水平,干流上段属于松花江干流哈尔滨段,人类生活和工农业生产影响了该段生物的分布,生物评价结果比下游差。近年,随着水污染防治措施的实施(如优化产业结构、科学布局,构建优良工业景观生态系统,推进污水处理产业化,重视城市水资源优化配置等),水污染防治取得较大进步,污染水体得到一定改善。调查时段内评价结果比较稳定,干流下游评价结果明显好于上游,生物评价结果好于单一理化评价结果,生物评价结果与群落结构状况相一致。

3.3 松花江干流底栖动物和水环境因子的响应关系

底栖动物分布受到多种水环境因子影响,因此会表现出较强的空间异质性,但区域环境不同,影响底栖动物分布的水环境因子也不同。主要栖息于水-土界面层或者沉积物中的生物,同时会受到水环境及底质环境的双重影响,影响因素通常包括化学因子、物理因子和生物因子等[44]。

笔者通过RDA冗余分析发现,WT、pH、DO、TN、NH3-N、BOD5、COD和TP共同驱动着底栖动物群落结构的变化,这些关键环境因子中,N、P、COD、BOD5和DO是影响底栖动物分布的首要因子。笔者研究团队之前研究表明,DO、TP、NH3-N和TN等是松花江干流藻类群落分布的重要影响因素[4],陈威等[45]研究结果显示,pH、WT、TN和DO等是影响松花江哈尔滨段藻类群落分布的重要环境因子。可见,不同生物类群对水环境因子的响应存在一定差异。

现有研究显示,水环境与底栖动物的群落结构呈显著相关。刘祥等[21]对淮河流域底栖动物与水环境因子关系进行了研究,结果发现,当COD浓度达到168.56 mg/L时,底栖动物种类和数量会明显减少,水体中仅存在少量耐污的种类(如水丝蚓)。水体中营养盐的含量与底栖动物种类及生物量也具有密切关系,营养元素流入将会加剧水体富营养化,直接导致某些底栖动物消失[22]。水温直接影响着水生昆虫生长,不仅导致水生昆虫数量的变化,也影响着水生昆虫种群分布的情况。pH会影响底栖动物出生率及成活率,导致多样性变化[46]。DO直接影响底栖动物分布,不同的生物类群对DO的需求也呈现差异性,底栖动物空间分布和生物量均与水体中DO有着显著正相关性[13]。COD和BOD5是表征水体有机污染的化学因子,氮、磷则是表征水体富营养状态的指标,DO值升高则说明水体状态较好。笔者研究发现,松花江干流底栖动物中水生昆虫优势种多与DO显著正相关,与BOD5和COD显著负相关,不同年份中与氮、磷也存在着显著相关性,说明该流域水生昆虫多数适合在低BOD5、COD,高DO的环境下生存。

8年间松花江干流水温略有上升,pH呈波动状态,DO整体呈平稳上升趋势,与“十二五”期间相比,“十三五”期间除TN略有升高外,NH3-N、BOD5、TP和COD大体呈下降趋势。2012—2019年,松花江干流水体状态总体为改善趋势,且下游水质状态好于上游。D2、D3和D4断面处于城市附近,来自城市及周边区域的生产废水、生活垃圾和生活污水等对河流水质影响较大;D5、D6和D7断面周边以农业种植为主,农药、化肥及散落在河道附近的畜禽粪便和堆肥中的物质进入河流中,可能影响水质;D1、D8、D9、D10和D11断面植被覆盖度较高,河流缓冲带距离大,底质多由泥沙、卵石和砾石等组成,人类活动影响较小,有利于底栖动物生存。

上游断面多数受COD、BOD5、TN和TP影响,优势类群主要由水生昆虫、寡毛类和软体动物组成,且与COD、BOD5和营养盐呈显著相关性,与部分污染种类呈显著正相关;中下游断面多数受DO、pH和NH3-N影响,优势类群则出现更多水生昆虫EPT物种,且与DO呈正相关,与N呈负相关。

近几年来,松花江水系出现三大污染问题(甲基汞污染、有机污染和冰封期水质恶化),无机污染物主要是NH3-N、TN和TP,其来源主要为工业污水、生活污水、化肥农药、水土流失及流域内所释放的沉积物等。作为七大流域之一的松花江,分布着多个城市饮用水水源地,松花江的水资源、水生态和水环境状态备受关注。从治理角度出发,需要严格控制含磷生活污水和有机污染物排入松花江,提高人民群众的环境保护意识,规范并控制生产生活行为,加强流域环境管理,促进水环境保护的科学研究,将底栖动物纳入水生态评价体系中。

4 结论

1)2012—2019年松花江干流共鉴定出底栖动物246个分类单元,其中占比最多的为水生昆虫EPT物种,其次为水生昆虫其他物种,然后是软体动物、环节动物和甲壳动物。优势种既有指示清洁的蜉蝣目和毛翅目(如小蜉属Ephemerella和缺叉多距石蛾属Polycentropus等),也有耐污性一般的软体动物(如圆田螺属Cipangopaludina、东北田螺Viviparuschui等)和耐污能力较强的颤蚓科Tubificidae。

2)生物指数评价显示,松花江干流水质为“中等”及以上,上游多为“中等至良好”,下游多为“良好至优秀”;RDA结果显示,8年间松花江干流底栖动物群落结构始终受到含氮化合物的影响,但随时间推移,影响因子也有所变化。总体看来,NH3-N、TN、TP、DO、BOD5和COD是影响这一区域底栖动物分布的重要环境因子。