小清河流域春季底栖动物功能摄食类群与水环境因子的关系

2019-01-02 01:38:01 河北渔业 2019年12期

汪峰 单彪 于涛 王帅帅

摘 要:为了研究济南地区小清河流域内底栖动物群落结构分布特征,于2015年春季(5月)对小清河流域13个样点的底栖动物群落结构和水环境理化因子特征进行了野外调查,分析流域内底栖动物功能摄食类群组成和空间结构特征,采用典范对应分析法分析底栖动物群结构特征、分布范围及其与环境因子的关系。结果表明:春季采集到底栖动物23种,密度平均值为1.19×103 ind·m-2,香农威纳指数平均值为1.14,均匀度指数平均值为0.65。依据食性将底栖动物划分为刮食者、撕食者、收集者、滤食者和捕食者,其中刮食者占绝对优势。典范对应分析表明,春季影响小清河流域底栖动物功能摄食类群的主要环境因子是总磷和总氮。综合分析,得出结论:小清河流域水体污染较为严重,水体呈中度污染。

关键词:小清河流域;底栖动物;功能摄食类群;环境因子

底栖动物群落是一个庞大且复杂的的水生态类群,其种类及生活方式,要比浮游生物要复杂得多,底栖动物群落作为水生生物中重要的组成部分之一[1-2],其群落结构特征对各生态功能起到不可或缺的作用,一直以来在评价河流生态系统中起着十分重要作用[3-4]。近些年来,底栖动物群落经常作为评价水体环境的指示生物[5-6]。不同类型的底栖动物对水体环境条件的适应性及对污染等不利因素的敏感程度不同,底栖动物的种群结构、优势种类等特征能够准确地反应出水体质量状况[7-9]。

底栖动物功能摄食类群这一观点是由Cummins[10]提出的,通过Bodes[11]等科研学者的努力,功能摄食类群的分类已完善。底栖动物功能摄食类群包括群落结构特征和生存环境的适应性特征两方面。目前,我国针对底栖动物功能摄食类群的报道并不多,仅對部分地区进行了研究[12-13]。因此,本研究于春季(5月)流经济南地区的小清河流域进行了调查研究,找出主要影响小清河流域底栖动物功能摄食类群的主要环节因子,并尝试应用基于功能摄食类群的参数对小清河流域进行生态系统评价。

1 材料和方法

1.1 采样地区概况及点位设置

小清河流域位于山东省济南中部,河流生态系统类型复杂,其流域两岸植被相对较少,底质主要为砂石底,水流流速相对缓慢,部分地区有泥沙淤积。在本研究中,为了能够更好地区分小清河流域底栖动物群落结构的空间差异,根据小清河的自然地理地貌,在济南市区及周边各县城共设定13个采样点位(见图1)。

1.2 底栖动物样品采集及水环境因子的测定

在每个所选定的采样点位的100 m范围之内,一采样人员使用索伯网随机采集2个平行底栖动物样本,采集后的样品收集好后,现场用75%的酒精固定样品。样品带回实验室后,将肉眼可见的底栖动物与砂石、石块等杂质分开,放置于100 mL样品瓶中,用75%的酒精固定保存,在显微镜或解剖镜下进行分类和计数,依据底栖动物相关文献资料,样品尽量鉴定到种[14-17]。

在每个采样点位现场用水质分析仪(YSI ProPlus 85)测定水温(Temp)、浊度(SS)、pH、溶解氧(DO)和电导率(Cond),并记录数据。在每一个采样点位采集2 L的混合水样,采集后低温保存,48小时内送回检测室,根据国家标准方法对水中硬度(TD)、碱度(ALK)、总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH+4)和高锰酸钾指数(CODMn)的含量进行测定[18-19]。

1.3 数据处理与分析

采用柱状图分析底栖动物群落及功能摄食类群特征。筛选出的水环境参数和底栖动物功能摄食类群数据在Canoco 4.5软件上进行典范对应分析(Canonical correspondence analysis,CCA)。

进行CCA分析前,除pH外,其他水环境数据和底栖动物功能摄食类群密度数据进行数据对数转换[log(x + 1)][20]。

柱状图分析在WPS 2012上进行,DCA和CCA在Canoco4.5上进行,香农威纳指数计算在Biodiversity pro上进行,小清河流域采样点位图在ArcMap 10.2上进行。

2 结果与分析

2.1 底栖动物群落结构特征及其功能摄食类群划分

2.1.1 底栖动物物种组成及其群落结构 小清河流域春季共鉴定出底栖动物物种数为6目23种,均以软体动物门和节肢动物门为主。常见种为霍甫水丝蚓(Limnodrilus hoffmeisteri)、克拉伯水丝蚓(Limnodrilus claparedianus)、溪流摇蚊(Chironomus riparius Meigen)、卵萝卜螺(Radix ovata)和豆螺(Radix fuchsiana)等。就物种数而言,基眼目物种数最高,为10种,占总物种数的43.48%,其次为双翅目,物种数为4种,占总物种数的17.39%,颤蚓目和十足目物种数均为3种,占总物种数的13.04%,真瓣鳃目和无吻蛭目物种数相对较低,分别为2种和1种,分别占总物种数的8.70%和4.35%。就密度而言,基眼目密度最高,其密度占总密度的61.12%,其次为颤蚓目,其密度占总密度的26.78%,双翅目密度占总密度的9.93%,十足目、真瓣鳃目和无吻蛭目密度相对较低,分别占总密度的1.14%、093%和0.10%(图2)。

就全流域而言,小清河流域各采样点位中底栖动物物种数相对较少,平均值为3.69种,物种数最高点位于Q1,底栖动物物种数为7种,最低点位于Q4;底栖动物物种密度平均值为1.19×103 ind·m-2,底栖动物密度最高点位于Q9,密度为6.30×103 ind·m-2,最低点位于Q7;底栖动物香农威纳指数平均值为1.14,香农威纳指数最高点位于Q13,香农威纳指数为1.80,最低点位于Q9;底栖动物均匀度指数平均值为0.65,均匀度指数最高点位于Q4,最低点位于Q9(图3)。

2.1.2 底栖动物功能摄食类群划分 根据采集到的底栖动物的食性类型的不同,并参考Cummins和Bode等人[10-13]对底栖动物功能摄食类群的分类方法,将小清河流域底栖动物划分为以下5类摄食类群(表1)。

小清河流域春季共划分出为5种底栖动物功能摄食类群。图4为小清河流域底栖动物功能摄食类群各类种类和密度分析。就底栖动物功能摄食类群各种类而言,刮食者和收集者种类较多,分别为10种和4种,占总物种数的43.48%和1739%;撕食者、滤食者和捕食者种类相对较少,均为3种,占总物种数的13.04%。而从底栖动物功能摄食类群各类密度来看:刮食者占绝对优势,占总密度的61.12%;其次为滤食者,占总密度的26.78%;收集者密度占总密度9.93%;捕食者和撕食者密度相对较少,占总密度的1.14%和1.03%。

图4 小清河流域浮游植物功能群各类数目和密度分析

2.2 底栖动物功能摄食类群及其与水环境因子的相关性

小清河流域春季测定出的水环境因子数值如表2所示,结果表明,小清河流域春季水温平均为20.87 ℃,水体呈碱性,pH平均值为8.03,浑浊浊度平均值为19.32 mg/L,电导率平均值较高,为1 167.50 ms/m,溶解氧含量相对较低,平均值为6.89 mg/L,水中氨氮和总磷含量平均值为130 mg/L和0.58 mg/L,总氮和高锰酸钾指数含量相对较高,平均值分别为6.26 mg/L和4.99 mg/L。

2.3 底栖动物功能摄食类群与水环境因子的相关性

对小清河流域春季水环境因子主成份分析结果表明:筛选出两主轴变化分数较高且对两轴影响较大的主要水环境因子为SS、NH+4、CODMn、TP、TN(图5)。

选择底栖动物功能摄食类群密度和环境因子做CCA分析,结果(图6)显示:TP(P=0.02)和TN(P=0.04)是主要影响小清河流域底栖动物功能摄食类群的水环境因子,两者并对第二轴影响较为显著。TN主要对撕食者、滤食者和捕食者起到一定影响作用,TP主要对捕食者和收集者起到一定影响作用。SS、NH+4和CODMn对底栖动物功能摄食类群也有一定影响(图6)。

3 讨论

3.1 底栖动物功能摄食类群及功能摄食类群评价分析

通过对小清河流域底栖动物群落的调查得出,春季底栖动物群落以软体动物门和节肢动物门为主。春季鉴定出的底栖动物物种数相对较少,仅有23种,各点位物种平均值仅为3.69种。小清河流域水量较少,水流速较慢,底栖动物的主体群落结构以摇蚊幼虫等为主。春季底栖动物密度平均值为1.19×103 ind·m-2,以水中双翅目幼虫为主,春季是摇蚊科幼虫繁殖最为旺盛时期,导致采集到摇蚊科幼虫密度呈现大幅升高。采集到的黏附者也相对较多,常见物种为豆螺等等,基眼目依靠有力的附肢和吸盘得以生存,使得采集到的生物密度较高[11,20-22]。

小清河流域共划分出5类功能摄食类群。刮食者物种和密度明显高于其他类群,春季水文条件相对较好,浮游藻类和着生藻类繁殖速度较快迅速,为刮食者提供了丰富的食物来源,导致其种类和密度相对较高。小清河流域流速较慢,沉积的有机碎屑较多,满足了收集者摄食要求,适合收集者生活;研究表明撕食者的分布能够反映出河岸带植被的情况[21-23]和树叶等[7,21]在河底的堆积情况,由于小清河流域流域河岸带农田、植被覆盖率较低,枯枝树叶堆积较少,导致撕食者相对较少;滤食者和捕食者密度主要受到小清河流域水流速及食物影响,导致物种数相对较少[9-12]。

3.2 底栖动物功能摄食类群与环境因子的关系

本次研究中,底栖动物功能摄食类群与水体环境因子进行相关性分析,结果显示:小清河流域受人类的干扰较大,城市内生活污水及工业废水排放较多,流域内水体含沙量极大,水体浊度相对较高,水体透明度较低,对底栖动物功能摄食类群生存有一定的影响。总磷和总氮是主要影响春季小清河流域的主要环境因子,研究表明,水中氮磷含量的多少,直接影响到底栖动物功能摄食类群的生长繁殖[3,5,13]。总磷主要对捕食者起到正相关性,对收集者呈负相关性,总氮主要滤食者起到正相关性,对撕食者和捕食者起到负相关性。春季水中高锰酸钾指数较高,使水体中的有机物质较高,一定程度上影響底栖动物功能摄食类群生存与繁殖。研究表明,水体中溶解氧的含量的多少直接影响底栖动物的生存,含量较低可能会引起底栖动物的死亡。春季水中溶解氧含量较低,可能是导致春季底栖动物功能摄食类群物种数量较少的原因[23-25]。

参考文献:

[1] PEDERSEN M L,FRIBERG N,SKRIVER J,et al.Larsen S E.Restoration of Skjern River and its valley-Short-term effects on river habitats,macrophytes and macroinvertebrates[J].Ecological Engineering,2007,30(2):145-156.

[2] 徐兆礼,王云龙,陈亚瞿,等.长江口最大浑浊带区底栖动物的生态研究[J].中国水产科学,1995,2(1):39-48.

[3] 殷旭旺,徐宗学,高欣,等.渭河流域底栖动物群落结构及其环境因子的关系[J].应用生态学报,2013,24(1):218-226.

[4] BROWN S C,SMITH K,BATZER D.Macroinvertebrate responses to wetland restoration in northern New York[J].Environmental Entomology,1997,26(5):1016-1024.

[5] 张远,徐成斌,马溪平,等.辽河流域河流底栖动物完整性评价指标与标准[J].环境科学学报,2007,27(6):919-927.

[6] 渠晓东,刘志刚,张远.标准化方法筛选参照点构建大型底栖动物生物完整性指数[J].生态学报,2012,32(15):4661-4672.

[7] 王备新,杨莲芳,胡本进,等.应用底栖动物完整性指数B-IBI评价溪流健康.生态学报,2005,25(6):1481-1490.

[8] 陆强,陈慧丽,邵晓阳,等.杭州西溪湿地大型底栖动物群落特征及与环境因子的关系[J].生态学报,2013,33( 9) : 2803-2815

[9] 殷旭旺,李庆南,朱美桦,等.渭河丰、枯水期底棲动物群落特征及综合健康评价[J].生态学报,2015.35(14):4784-4796

[10] CUMMINS K W.Structure and function of stream ecosystems[J].BioScience,1974,24:631-641.

[11] 苏玉,王东伟,文航,等.太子河流域本溪段水生生物的群落特征及其主要水质影响因子分析[J].生态环境学报,2010(19): 1801-1808.

[12] 王博涵,吴丹,张吉,等.济南河流大型底栖动物摄食功能群多样性及时空动态[J].生态学报,2017,37(21):7128-7139.

[12] 蒋万祥,蔡庆华,唐涛,等.香溪河水系底栖动物功能摄食类群生态学[J].生态学报,2009,29(10):207-218.

[14] 国家环境保护总局.水和废水监测分析方法 [M]. 4版.北京:中国环境科学出版社,2002:20-60

[15] 韩茂森,束蕴芳.1995.中国淡水生物图谱[M].北京:海洋出版社:40-200

[16] 赵文.水生生物学[M]. 北京:中国农业出版社,2005:50-320

[17] 殷旭旺,徐宗学,鄢娜,等.渭河流域河流着生藻类的群落结构与生物完整性研究[J].环境科学学报,2013,33(2):518-527.

[18] 王博涵,李晨,姜力文,等.济南地区河流轮虫群落结构的时空动态研究[J].水生态学杂志,2016,37(3):93-101.

[19] 王博涵,李文香,项珍龙,等.济南地区河流浮游植物功能群与环境因子的关系[J].大连海洋大学学报,2015,30(5):524-530.

[20] 殷旭旺,张远,渠晓东,等.浑河水系着生藻类的群落结构与生物完整性[J].应用生态学报,2011,22(10):2732-2740.

[21] 吴召仕,蔡永久,陈宇炜,等.太湖流域主要河流大型底栖动物群落结构及水质生物学评价[J].湖泊科学,2011,23(5):686-694.

[22] 赵进勇,董哲仁,孙东亚.河流生物栖息地评估研究进展[J].科技导报(北京),2008,26(17):82-88.

[23] 渠晓东,刘志刚,张远.标准化方法筛选参照点构建大型底栖动物生物完整性指数[J].生态学报,2012(32): 4661-4672.

[24] 李斌,申恒伦,张敏,等.香溪河流域梯形水库大型底栖动物群落变化及其与环境关系[J].生态学杂志,2013,32(8):2070-2076.

[25] 王银东,熊邦喜,陈才保,等.环境因子对底栖动物生命活动的影响[J].浙江海洋学院学报,2005,24(3):253-257.

(收稿日期:2019-10-29)

基金项目:济南市水生态时空变异驱动机制及自动监测模式;山东省水利厅、山东省财政厅“水生态文明试点科技支撑计划”(SSTWMZCJH-SD02)。

作者简介:汪峰(1977—)男,工程师,主要从事水资源监测工作。E-mail:[email protected]

通信作者:王帅帅(1989—)男, 助理工程师,主要从事水环境监测工作。E-mail:[email protected]