朱蘇葛,劉　凌,羅　娟,楊艷青,燕文明

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京　210098;2.長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院,湖北 武漢　430010)

里下河地區(qū)典型湖泊大型底棲動(dòng)物與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

朱蘇葛1, 2,劉凌1,羅娟1, 2,楊艷青1,燕文明1

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京210098;2.長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院,湖北 武漢430010)

摘要：為揭示里下河地區(qū)湖泊大型底棲動(dòng)物群落現(xiàn)狀及其主要的環(huán)境影響因子,于2013年4月對(duì)里下河地區(qū)4個(gè)典型淺水湖泊的大型底棲動(dòng)物群落進(jìn)行了調(diào)查,并測(cè)定分析相關(guān)水質(zhì)環(huán)境因子；對(duì)大型底棲動(dòng)物群落與環(huán)境因子進(jìn)行冗余分析,找出了對(duì)大型底棲動(dòng)物群落影響較大的環(huán)境因子。結(jié)果表明:研究區(qū)域湖泊均處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài),大型底棲動(dòng)物群落分布趨向于單一化,銅銹環(huán)棱螺和霍甫水絲蚓是該地區(qū)典型湖泊的主要優(yōu)勢(shì)物種。冗余分析排序中,排序軸前兩軸特征值較大,為0.168和0.115,合計(jì)0.283,分別解釋了42.6%和31.8%的物種-環(huán)境變異,-P、Chl-a和DO是對(duì)大型底棲動(dòng)物密度影響較大的環(huán)境因子。

關(guān)鍵詞：大型底棲動(dòng)物;淺水湖泊;環(huán)境因子;冗余分析;里下河地區(qū)

里下河地區(qū)是江蘇省的主要糧食生產(chǎn)基地,隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,里下河濕地受人類活動(dòng)干擾愈來(lái)愈強(qiáng)烈,對(duì)該地區(qū)湖泊的調(diào)查、治理工作顯得尤為重要。有學(xué)者對(duì)里下河地區(qū)濕地資源利用進(jìn)行了研究[1-2],但關(guān)于里下河地區(qū)人類活動(dòng)對(duì)水生態(tài)環(huán)境干擾方面的研究較少,里下河地區(qū)湖泊底棲生物群落結(jié)構(gòu)及其對(duì)環(huán)境脅迫響應(yīng)關(guān)系方面的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。大型底棲動(dòng)物在湖泊生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)中起著重要作用,如加速水底碎屑的分解、促進(jìn)水體自凈等[3]。大型底棲動(dòng)物對(duì)環(huán)境變化較為敏感,由于其生活史較長(zhǎng),活動(dòng)范圍小,所以大型底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)、優(yōu)勢(shì)種類和多樣性指數(shù)等生物參數(shù)對(duì)環(huán)境狀況有很好的指示作用[4]。

表1　研究區(qū)域特征

底棲動(dòng)物對(duì)湖泊營(yíng)養(yǎng)水平的響應(yīng)效應(yīng)受到許多研究人員的關(guān)注。龔志軍等[5]對(duì)武漢東湖營(yíng)養(yǎng)水平不同的4個(gè)湖區(qū)的底棲動(dòng)物群落與生物多樣性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)水體富營(yíng)養(yǎng)化導(dǎo)致底棲動(dòng)物多樣性水平明顯降低。蔡永久等[6]對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)4類不同營(yíng)養(yǎng)水平湖泊的大型底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)和多樣性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明隨著水體營(yíng)養(yǎng)水平的提高,底棲動(dòng)物群落逐漸被耐污種類所主導(dǎo)。熊金林等[7]對(duì)4個(gè)污染程度不同的湖泊的底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)隨著污染程度的加劇,底棲動(dòng)物結(jié)構(gòu)的豐富性明顯降低,尤其是軟體動(dòng)物受到較為明顯的影響。

本研究以淮河流域里下河腹部地區(qū)小型富營(yíng)養(yǎng)化湖泊群中大縱湖、得勝湖、蜈蚣湖、九龍口為研究對(duì)象,于2013年4月進(jìn)行大型底棲動(dòng)物的采樣調(diào)查,對(duì)大型底棲動(dòng)物群落組成、優(yōu)勢(shì)物種進(jìn)行調(diào)查,利用冗余分析法[8]對(duì)大型底棲動(dòng)物與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了研究，旨在為里下河地區(qū)湖泊水質(zhì)生物監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù),并為未來(lái)水生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供參考。

1研究方法

1.1樣品采集與測(cè)定

選取大縱湖、得勝湖、蜈蚣湖、九龍口作為研究對(duì)象,研究區(qū)域位于湖泊密集的里下河腹部地區(qū)(圖1),不同湖泊的地理位置、自然環(huán)境各不相同,研究區(qū)域特征見(jiàn)表1。

圖1　里下河地區(qū)范圍及研究區(qū)域示意圖

根據(jù)湖泊面積大小均勻布設(shè)樣點(diǎn),其中大縱湖布設(shè)9個(gè)采樣點(diǎn),點(diǎn)位記為1～9,其余3個(gè)湖泊分別各布設(shè)3個(gè)采樣點(diǎn),蜈蚣湖為點(diǎn)位10～12、得勝湖為13～15、九龍口為16～18。

用1/16 m2改良Peterson采泥器,在每個(gè)采樣點(diǎn)采集3次。后將所得的泥樣混合,置于60目尼龍篩中,迅速將沉積物沖洗干凈,剩余物置于白瓷盤中將底棲動(dòng)物活體逐一挑出，并保存于80%的乙醇溶液中,在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)樣品進(jìn)行種類鑒定,鑒定到盡可能低的分類單元,然后計(jì)算單位面積的生物密度。

透明度SD用賽氏盤測(cè)定;pH值、鹽度、DO、Chl-a在各采樣點(diǎn)用YSI-6600V2型多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行水樣的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定;CODMn的測(cè)定方法參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[9];氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)用微量流動(dòng)式注射分析儀(Skalar-SA1000)測(cè)定;底質(zhì)粒徑采用全自動(dòng)激光粒度分析儀(LS13320)進(jìn)行測(cè)量;沉積物粒度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采用伍登-溫特華斯(Udden-Wentworth)的粒度分級(jí)方案進(jìn)行分析,并依據(jù)?？?Folk)分類方法對(duì)研究區(qū)域沉積物粒度進(jìn)行分類命名[10]。在進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)分析過(guò)程中,底質(zhì)粒徑以啞變量的形式進(jìn)入排序。

1.2分析數(shù)據(jù)處理

1.2.1富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)

采用修正的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)[11]來(lái)進(jìn)行里下河腹部地區(qū)各典型湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化的評(píng)價(jià):

(1)

(2)

式中:ρ(Chl-a)為藻類質(zhì)量濃度;CSD為水體透明度值;ρ(TP)為總磷質(zhì)量濃度;ITSI(Chl-a)為藻類營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);ITSI(SD)為透明度營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);ITSI(TP)為總磷營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。本文所采用的ITSI為三者的平均值。

表2　研究區(qū)域水體環(huán)境因子特征及Kruskal-Wallis非參數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果

1.2.2相對(duì)重要性指數(shù)

采用相對(duì)重要性指數(shù)[12]確定各個(gè)湖泊的優(yōu)勢(shì)種,該指數(shù)的計(jì)算將每種生物的個(gè)體質(zhì)量、豐度及出現(xiàn)頻率均考慮在內(nèi),能夠較為全面地反映出每種生物在整個(gè)群落中的地位,其計(jì)算公式為

(4)

式中:IIRI為相對(duì)重要性指數(shù)；W為某一種類的生物量占各采樣點(diǎn)大型底棲動(dòng)物總生物量的百分比;N為該種類的密度占各采樣點(diǎn)總密度的百分比;F為該種類在各采樣點(diǎn)出現(xiàn)的相對(duì)頻率。

1.2.3多元統(tǒng)計(jì)分析

利用CANOCO4.5軟件進(jìn)行多元相關(guān)分析,主要采用的是非約束線性模型的主成分分析(principal component analysis,PCA)和約束線性模型的冗余分析(redundancy analysis,RDA)。在進(jìn)行生物數(shù)據(jù)(生物密度和生物參數(shù))與環(huán)境因子多元相關(guān)分析前,首先要對(duì)生物數(shù)據(jù)進(jìn)行非約束排序,排序結(jié)果顯示4個(gè)排序軸均小于3,選用線性模型比較合理[8],因此在約束排序中選用冗余分析。

對(duì)生物密度進(jìn)行冗余分析時(shí)去除在18個(gè)采樣點(diǎn)中只出現(xiàn)1次的物種數(shù)據(jù)，以減小誤差,并對(duì)余下的生物密度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換。生物密度數(shù)據(jù)在排序前進(jìn)行中心化,進(jìn)行冗余分析時(shí),對(duì)生物密度數(shù)據(jù)又做了誤差方差標(biāo)準(zhǔn)化處理,在這種情況下,CANOCO4.5軟件會(huì)單獨(dú)計(jì)算每個(gè)物種的多少方差能夠被環(huán)境變量所解釋,誤差方差的倒數(shù)被當(dāng)作物種的權(quán)重。這樣,物種被環(huán)境因子所解釋的越多,該物種在最終的分析中的權(quán)重也越大[13]。冗余分析中環(huán)境變量的篩選采用向前引入法(α=0.05),基于蒙特卡洛置換檢驗(yàn)約束模型的顯著性(n=9 999)。

2結(jié)果分析

2.1理化指標(biāo)

對(duì)各湖環(huán)境因子進(jìn)行主成分分析結(jié)果,見(jiàn)圖2。主成分分析的前兩軸的方差解釋率為67.52%,第一主成分軸主要反映了湖泊的營(yíng)養(yǎng)鹽水平,DO、pH和CODMn與氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。第二主成分軸主要反映了水體和沉積物的有機(jī)質(zhì)含量,CODMn和Chl-a在第二軸上得分較高。從圖2中可看出,同一湖泊不同區(qū)域環(huán)境因子水平較為接近,不同湖泊環(huán)境因子水平差異顯著。

圖2　研究區(qū)域環(huán)境因子主成分分析

2.2底棲動(dòng)物組成和相對(duì)重要性指數(shù)

大縱湖、得勝湖、蜈蚣湖、九龍口4個(gè)湖泊的18個(gè)采樣點(diǎn)采集到的底棲動(dòng)物共有3門6綱11目15科32屬35種,其中寡毛類2種,軟體動(dòng)物雙殼類7種,腹足類6種,搖蚊科幼蟲(chóng)13種,水蛭類3種,其他底棲動(dòng)物4種。

表4　冗余分析中底棲動(dòng)物的代號(hào)和種類

研究區(qū)生物類群密度比例見(jiàn)圖3。由圖3可知,各主要生物類群在不同湖泊的密度比例相差較大，其中,大縱湖各生物類群密度分布較為均勻,蜈蚣湖和九龍口則以某一類群占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

圖3　研究區(qū)域底棲動(dòng)物主要類群總密度比例

計(jì)算研究區(qū)域的各物種的相對(duì)重要性指數(shù)IIRI,為方便起見(jiàn),所有數(shù)據(jù)皆乘以103,可得大縱湖相對(duì)重要性指數(shù)較高的前兩位為銅銹環(huán)棱螺和長(zhǎng)角涵螺,IIRI分別為218.24和106.76;得勝湖相對(duì)重要性指數(shù)較高的前兩位為河蜆和霍甫水絲蚓,IIRI分別為213.65和118.95;蜈蚣湖的銅銹環(huán)棱螺相對(duì)重要性指數(shù)最高,IIRI為572.61,明顯遠(yuǎn)高于其他物種;九龍口的霍甫水絲蚓相對(duì)重要性指數(shù)最高,IIRI為421.99,明顯高于其他物種。

2.3底棲動(dòng)物群落與環(huán)境因子之間的關(guān)系

表3　底棲動(dòng)物群落與篩選后的環(huán)境因子的

圖4　大型底棲動(dòng)物生物密度與手動(dòng)選擇后的環(huán)境因子冗余分析排序

3結(jié)果與討論

高等水生植物對(duì)大型底棲動(dòng)物影響也十分顯著。大縱湖為草型湖泊,采樣時(shí)間為春季,湖泊中大型水生植物種類豐富,氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽水平在4個(gè)湖泊中相對(duì)較低,底棲生物種類相對(duì)較豐富,生物多樣性高,生物類群主要由按攝食功能群分為刮食者的腹足綱組成。梁彥齡等[17]研究表明，在草型湖泊中,刮食者豐度占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。這與本研究的結(jié)論相符。豐富的水生植物對(duì)維持大型底棲動(dòng)物多樣性方面起著極為重要的作用,大量的水生植物直接改變了湖泊生態(tài)系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu),并增加了空間、食源的異質(zhì)性。螺類與水生植物存在互惠共利的關(guān)系,植物為螺類提供空間和食源,螺類的牧食去除植物表面附著生物層,有利于植物生長(zhǎng)[18]。藻型湖泊的功能攝食類群主要以收集者為主[19]，得勝湖、蜈蚣湖和九龍口為藻型湖泊,大型水生植物生物量小,底棲動(dòng)物生物多樣性偏低,優(yōu)勢(shì)種多為小個(gè)體的耐污種。研究表明,沉水植被豐富的水域有利于甲殼類動(dòng)物生存。冗余分析結(jié)果顯示,甲殼類動(dòng)物與Chl-a呈負(fù)相關(guān)。雷澤湘等[20]對(duì)太湖的大型水生植被的研究表明,無(wú)草區(qū)水體Chl-a質(zhì)量濃度為有草區(qū)的3倍左右,Chl-a與大型水生植物生物量呈反比,因?yàn)榧讱ゎ悇?dòng)物在藻型湖泊中缺乏多層次的食物來(lái)源和有效的隱蔽場(chǎng)所[21],生物密度較草型湖泊中的明顯偏低,與本研究結(jié)果相符。

底質(zhì)類型是影響底棲動(dòng)物分布的主要因素之一。本研究中,軟體動(dòng)物生物密度在底質(zhì)粒度較粗區(qū)域較高,而搖蚊幼蟲(chóng)、寡毛類動(dòng)物等小個(gè)體動(dòng)物則相反。富營(yíng)養(yǎng)化會(huì)對(duì)沉積物粒徑大小產(chǎn)生影響。富營(yíng)養(yǎng)化程度高的湖泊底質(zhì)有機(jī)質(zhì)含量高,底質(zhì)偏細(xì)[22],這可能是耐污能力相對(duì)較強(qiáng)的物種與較細(xì)底質(zhì)類型正相關(guān)的原因,而相關(guān)性不顯著可能是因?yàn)楸敬窝芯恐懈鞑蓸狱c(diǎn)的底質(zhì)類型差異并不大。底質(zhì)類型對(duì)河蜆影響較大，蔡永久等[14]對(duì)太湖研究時(shí)發(fā)現(xiàn),河蜆在粒徑較粗的區(qū)域豐度高,而在淤泥底質(zhì)、富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重的區(qū)域密度低，這與本文的結(jié)果相符。本研究在得勝湖東南部采集獲得大量河蜆樣本,對(duì)照底質(zhì)狀況進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)得勝湖東南部底質(zhì)較粗,屬于粉砂質(zhì)砂。得勝湖雖然整體處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài),但較粗的底質(zhì)可能有利于河蜆掘穴固定棲居,從而使得河蜆的生物量保持較高水平。

4結(jié)論

b. 高等水生植物對(duì)大型底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)有一定的影響,沉水植物較為豐富的大縱湖大型底棲動(dòng)物生物多樣性較高,而其余湖泊大型底棲動(dòng)物種類較為單一。

c. 本研究中,底質(zhì)類型對(duì)大型底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)影響不顯著,但軟體動(dòng)物生物密度在底質(zhì)粒度較粗區(qū)域較高,搖蚊幼蟲(chóng)、寡毛類等小個(gè)體動(dòng)物則相反。

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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

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(51279060,41301531);江蘇省水利科技項(xiàng)目(2012023)

作者簡(jiǎn)介:朱蘇葛(1991—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)樗鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)。E-mail:339122341@qq.com 通信作者:劉凌,教授。E-mail:lingliu_hhu@hhu.edu.cn

中圖分類號(hào)：X524

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-6933(2016)03-0099-06

(收稿日期：2015-06-11編輯：王芳)