王 齊, 張俊華, 李紅濤*, 張文敏, 陶 敏, 田 勇, 左家林

(1.武漢中科瑞華生態(tài)科技股份有限公司， 湖北 武漢 430080； 2.印江縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局， 貴州 印江 555200)

0 引言

【研究意義】印江河又稱(chēng)邛江河，屬長(zhǎng)江流域?yàn)踅涤野兑患?jí)支流，流域面積1 245 km2。印江河段設(shè)有泉水魚(yú)國(guó)家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)，總面積687 hm2，河流長(zhǎng)64 km，其中，核心區(qū)面積329 hm2，河流長(zhǎng)31 km，實(shí)驗(yàn)區(qū)面積358 hm2，河流長(zhǎng)33 km。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和城鎮(zhèn)建設(shè)，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)印江河段的干擾日漸增強(qiáng)，印江河水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能受到一定程度影響。底棲動(dòng)物是指生活史的全部或者部分時(shí)間棲息于水體底部的無(wú)脊椎動(dòng)物群，其種類(lèi)豐富，生命周期較長(zhǎng)[1-2]，在生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)中具有重要的生態(tài)學(xué)功能，是河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[3-4]。探明印江河底棲動(dòng)物的群落時(shí)空分布及與水環(huán)境因子的關(guān)系，對(duì)該流域的管理意義重大。【前人研究進(jìn)展】河流水質(zhì)的監(jiān)測(cè)更多的是注重物理、化學(xué)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)，但這些監(jiān)測(cè)手段只能反映瞬時(shí)的污染物濃度；同時(shí)現(xiàn)有分析手段很難監(jiān)測(cè)出復(fù)合污染產(chǎn)生的復(fù)雜效應(yīng)。底棲動(dòng)物種類(lèi)多，生活周期長(zhǎng)，活動(dòng)場(chǎng)所比較固定，易于采集，不同種類(lèi)對(duì)水質(zhì)的敏感性差異大，受外界干擾后群落結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)可以預(yù)測(cè)。底棲動(dòng)物監(jiān)測(cè)是利用底棲動(dòng)物群落、種群或生物個(gè)體對(duì)環(huán)境污染所產(chǎn)生的反應(yīng)以生物學(xué)方法對(duì)水環(huán)境質(zhì)量狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)。底棲動(dòng)物監(jiān)測(cè)方法大體上是測(cè)量活體生物對(duì)人為壓力的靈敏度，包括種群數(shù)量、群落及生態(tài)系統(tǒng)的變化，個(gè)體及系統(tǒng)發(fā)育與繁殖的變化等形式。通過(guò)對(duì)底棲動(dòng)物的監(jiān)測(cè)，可以評(píng)價(jià)河流水質(zhì)現(xiàn)狀及變化趨勢(shì)，反映水污染治理成效，能夠?yàn)榄h(huán)境保護(hù)管理部門(mén)制定水環(huán)境政策和法規(guī)提供依據(jù)。特別是底棲動(dòng)物的時(shí)空分布特征與環(huán)境因子的關(guān)系是水生態(tài)監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容[5-8]。底棲動(dòng)物長(zhǎng)期生活在水體底部，與環(huán)境因子聯(lián)系密切，在不同時(shí)節(jié)水環(huán)境因子會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，對(duì)底棲動(dòng)物的生長(zhǎng)和繁殖造成一定的影響，導(dǎo)致生境中底棲動(dòng)物的種類(lèi)組成、豐度等存在差異性[9-11]。【研究切入點(diǎn)】目前關(guān)于印江河底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的研究鮮見(jiàn)報(bào)道，其底棲動(dòng)物的時(shí)空分布及其與環(huán)境因子的關(guān)系尚不明確，不利于印江河的生態(tài)環(huán)境保護(hù)。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】分別于2020年平水期(4月)和豐水期(8月)對(duì)印江河底棲動(dòng)物進(jìn)行調(diào)查采樣，對(duì)底棲動(dòng)物的種類(lèi)進(jìn)行鑒定，并采用主成分法分析底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)與水環(huán)境因子的相關(guān)性，明確印江河底棲動(dòng)物的時(shí)空分布特征及其與水環(huán)境因子的關(guān)系，為印江河生態(tài)保護(hù)管理提供基礎(chǔ)資料和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

在印江河共設(shè)置12個(gè)采樣位點(diǎn)(表1)，覆蓋印江河泉水魚(yú)國(guó)家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)全部水域的干流及支流。核心區(qū)位點(diǎn)為G03～G08共6個(gè)，實(shí)驗(yàn)區(qū)位點(diǎn)為CJH、GCH01～GCH03以及G01和G02共6個(gè)。分別于2020年平水期(4月)和豐水期(8月)在各位點(diǎn)進(jìn)行底棲動(dòng)物及水質(zhì)樣品的采集。

表1 印江河泉水魚(yú)國(guó)家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)位點(diǎn)信息

1.1.1 底棲動(dòng)物樣品 采用索伯網(wǎng)作為底棲動(dòng)物定量采樣工具[12]，采樣面積為0.09 m2。底棲動(dòng)物采集后經(jīng)0.4 mm的圓形金屬篩網(wǎng)過(guò)濾，放樣品瓶中固定后帶回實(shí)驗(yàn)室鑒定[13-15]。

1.1.2 水質(zhì)樣品 水質(zhì)采用采水器進(jìn)行采集，每個(gè)采樣點(diǎn)每個(gè)指標(biāo)各采水樣1 L。水質(zhì)檢測(cè)指標(biāo)包括總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、化學(xué)需氧量(COD)、溶解氧(DO)、電導(dǎo)率(CON)、pH和水溫(WT)。溶解氧(DO)、電導(dǎo)率(CON)、pH和水溫(WT)采用多參數(shù)水質(zhì)分析儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，其余指標(biāo)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采樣固定保存后帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定?？偟捎脡A性過(guò)硫酸鉀紫外光度法(GB 11894—89)測(cè)定，氨氮采用納氏試劑分光光度法(GB 7479—87)測(cè)定，總磷采用鉬酸銨分光光度法(GB 11893—89)測(cè)定，化學(xué)需氧量采用快速消解分光光度法(HJ/T 399—2007)測(cè)定。

1.2 分析方法

1.2.1 底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)分析 底棲動(dòng)物種類(lèi)的優(yōu)勢(shì)度(Y)、Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)(H')、Margalef豐富度指數(shù)(dM)和相似性指數(shù)(C)分別通過(guò)以下公式計(jì)算[16-19]：

Y=(ni/N)fi

dM=(S-1)/LnN

C= 2c/(a+b)

式中，ni為樣品中第i種的個(gè)體數(shù)，N為總個(gè)體數(shù)，fi為第i種底棲動(dòng)物出現(xiàn)的頻率，S為總物種數(shù)，a和b分別為兩個(gè)位點(diǎn)的物種數(shù)，c為共有物種數(shù)。

1.2.2 底棲動(dòng)物分布與水環(huán)境因子的關(guān)系 采用Canoco for Windows 4.5進(jìn)行主成成分分析，通過(guò)排序圖分析底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)及其與水環(huán)境因子的關(guān)系[20]。物種頻率數(shù)據(jù)和水環(huán)境因子數(shù)據(jù)除pH外均進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化處理，轉(zhuǎn)化公式為y=lg(x+1)，其中，y為轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，x為原指標(biāo)數(shù)據(jù)。先對(duì)物種頻率數(shù)據(jù)和水環(huán)境因子數(shù)據(jù)進(jìn)行除趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析(Detrended Correspondence Analysis，DCA)，確定最大梯度長(zhǎng)度，選定分析模型，當(dāng)最大梯度長(zhǎng)度大于4時(shí)采用典型相關(guān)分析(Canonical Correlation Analysis，CCA)；小于3則采用冗余分析(Redundancy Analysis，RDA)；當(dāng)介于3和4之間時(shí)采用CCA和RDA均可[21]。

2 結(jié)果與分析

2.1 印江河的水質(zhì)環(huán)境

從表2看出，印江河平水期(4月)水溫普遍低于豐水期(8月)，溶氧濃度高于豐水期。在平水期除G07、G05、GCH01、GCH02以及CJH位點(diǎn)外，其他位點(diǎn)的水質(zhì)指標(biāo)均符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中的三類(lèi)水質(zhì)；而在豐水期，除G01、G02、G07和G08位點(diǎn)外，其他位點(diǎn)的水質(zhì)指標(biāo)均符合GB 3838—2002中的三類(lèi)水質(zhì)。總體看，印江河的水質(zhì)狀況良好。

表2 印江河平水期(4月)與豐水期(8月)的水環(huán)境參數(shù)

2.2 印江河底棲動(dòng)物的群落組成與分布特征

2.2.1 底棲動(dòng)物群落組成 從表3看出，印江河平水期(4月)12個(gè)樣點(diǎn)共鑒定出底棲動(dòng)物91屬(種)，隸屬于4門(mén)7綱34科，其中，節(jié)肢動(dòng)物門(mén)65屬(種)，占87.84%；環(huán)節(jié)動(dòng)物門(mén)2種，占2.70%；扁形動(dòng)物門(mén)1種，占1.35%；軟體動(dòng)物門(mén)6種，占8.11%。印江河豐水期(8月)共鑒定出底棲動(dòng)物46屬(種)，隸屬于4門(mén)7綱34科，其中，節(jié)肢動(dòng)物門(mén)38種，占82.61%；環(huán)節(jié)動(dòng)物門(mén)2種，占4.35%；扁形動(dòng)物門(mén)1種，占2.17%；軟體動(dòng)物門(mén)5種，占10.87%?？傮w看，不論是平水期還是豐水期，底棲動(dòng)物的種類(lèi)組成均以節(jié)肢動(dòng)物門(mén)和軟體動(dòng)物門(mén)為主；平水期的底棲動(dòng)物種類(lèi)數(shù)比豐水期豐富。

表3 印江河平水期及豐水期底棲動(dòng)物名錄

續(xù)表3

續(xù)表3

2.2.2 底棲動(dòng)物的優(yōu)勢(shì)種 底棲動(dòng)物的優(yōu)勢(shì)度>0.02的為優(yōu)勢(shì)種。從表4看出，平水期印江河的優(yōu)勢(shì)種為扁蜉屬、四節(jié)蜉屬、三叉寬基蜉、小蜉屬、溪泥甲屬、斑點(diǎn)流粗腹搖蚊和雙叉巨吻沼蚊；豐水期優(yōu)勢(shì)種為黃河花蜉、扁蜉屬、三叉寬基蜉、小蜉屬、溪泥甲屬和貴州擬米蝦。平水期和豐水期共同的優(yōu)勢(shì)種為扁蜉屬、溪泥甲屬、三叉寬基蜉和小蜉屬，蜉蝣目為主要種類(lèi)。

表4 印江河平水期與豐水期底棲動(dòng)物群落優(yōu)勢(shì)種的優(yōu)勢(shì)度

2.2.3 底棲動(dòng)物的密度與生物量 從表5看出，印江河平水期底棲動(dòng)物密度在266.67～7 300.00 ind/m2，以CJH位點(diǎn)密度最高，G06位點(diǎn)密度最低；豐水期底棲動(dòng)物密度在92.59～1 011.11 ind/m2，以CJH位點(diǎn)密度最高，G05位點(diǎn)密度最低。平水期印江河底棲動(dòng)物生物量在1.83～52.04 g/m2，以CJH位點(diǎn)最高，GCH02位點(diǎn)最低；豐水期底棲動(dòng)物生物量在0.07～15.58 g/m2，以G06位點(diǎn)最高，G05位點(diǎn)最低，其中，CJH位點(diǎn)底棲動(dòng)物的密度在平水期和豐水期均最高，豐水期G05位點(diǎn)底棲動(dòng)物的密度和生物量均最低。表明，印江河平水期底棲動(dòng)物的密度和生物量普遍高于豐水期。

表5 印江河平水期與豐水期底棲動(dòng)物的密度與生物量

2.2.4 生物多樣性 生物多樣性指數(shù)是衡量生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境狀態(tài)的重要評(píng)價(jià)參數(shù)。由表6看出，平水期印江河底棲動(dòng)物的豐富度指數(shù)(H′)和香農(nóng)多樣性指數(shù)(dM)高于豐水期，平水期H′為1.03～2.32，平均1.96；dM為2.10～3.95，平均3.17；豐水期H′為1.44～2.84，平均1.96；dM為1.94～3.37，平均2.26。從空間分布角度看，底棲動(dòng)物的dm和H′的變化趨勢(shì)一致，其中，G06位點(diǎn)的H′和dM在平水期和豐水期波動(dòng)比較大。表明，印江河底棲動(dòng)物群落的物種豐富程度高于豐水期。

表6 印江河底棲動(dòng)物香農(nóng)多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)的時(shí)空分布

2.2.5 相似性指數(shù) 印江河平水期底棲動(dòng)物相似性指數(shù)平均值為0.338，豐水期為0.435。從表7看出，G04和G03樣點(diǎn)在平水期的相似性指數(shù)最高，為0.666 7，共有14種相似物種；G06和G03在豐水期的相似性指數(shù)最高，為0.685 7，共有12種相似物種。相似性指數(shù)越高，表明物種多樣性指數(shù)越低，印江河豐水期底棲動(dòng)物相似性指數(shù)總體高于平水期，說(shuō)明豐水期的生物多樣性較低，與前述生物多樣性指數(shù)結(jié)論一致。

表7 印江河平水期和豐水期樣點(diǎn)間底棲動(dòng)物的相似性指數(shù)

2.3 印江河底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)與水環(huán)境因子的關(guān)系

除趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析(DCA)表明，4個(gè)軸中最大梯度長(zhǎng)度在平水期和豐水期分別為2.58和2.01，均小于3。因此，研究采用線性模型(冗余分析，RDA)分析印江河底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的關(guān)系。

從圖1可知，平水期水環(huán)境因子對(duì)底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的相關(guān)性大小為總磷(TP)>化學(xué)需氧量(COD)>總氮(TN)>氨氮(NH3-N)>水溫(WT)>溶解氧(DO)>電導(dǎo)率(CON)>pH，豐水期水環(huán)境因子對(duì)底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的相關(guān)性大小為溶解氧(DO)>氨氮(NH3-N)>化學(xué)需氧量(COD)>電導(dǎo)率(CON)>水溫(WT)>pH >總氮(TN)>總磷(TP)。從箭頭所處象限看，平水期CON、WT和DO與第一排序軸為正相關(guān)，COD、TP、TN、NH3-N和pH與第一排序軸為負(fù)相關(guān)；豐水期環(huán)境因子均與第一排序軸為正相關(guān)。

圖1 平水期和豐水期環(huán)境因子與底棲動(dòng)物屬種的冗余分析雙軸圖

3 討論

3.1 底棲動(dòng)物群落的時(shí)空分布特征

印江河底棲動(dòng)物具有較高的物種多樣性，在2020年平水期(4月)和豐水期(8月)2次共采集到底棲動(dòng)物91屬(種)，其中，平水期74屬(種)，豐水期46屬(種)；底棲動(dòng)物以節(jié)肢動(dòng)物門(mén)為主，分別占87.84%和82.61%。一般而言，水質(zhì)較好、污染較輕的水體中底棲動(dòng)物的種類(lèi)以水生昆蟲(chóng)為主[22]。研究表明，印江河大多數(shù)位點(diǎn)的水質(zhì)為Ⅲ類(lèi)，水體中底棲動(dòng)物的種類(lèi)也主要以水生昆蟲(chóng)為主，與前人研究結(jié)論一致。從底棲動(dòng)物群落分布的時(shí)間尺度看，底棲動(dòng)物相似性指數(shù)平均值平水期為0.33，豐水期為0.43，說(shuō)明豐水期的底棲動(dòng)物多樣性低于平水期，與香農(nóng)多樣性指數(shù)反映結(jié)果一致。平水期底棲動(dòng)物密度、生物量、物種數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)及豐富度指數(shù)均高于豐水期，可能是由于平水期水體溶氧含量相對(duì)較高，有利于浮游動(dòng)植物大量繁殖，為底棲動(dòng)物生長(zhǎng)和繁殖提供充足的食物來(lái)源[23]；在豐水期，一些對(duì)流速高敏感的種類(lèi)減少或消失[24]。從底棲動(dòng)物群落分布的空間尺度看，不同區(qū)域人類(lèi)活動(dòng)差異會(huì)造成底棲動(dòng)物的空間異質(zhì)性[25]，其中，G06位點(diǎn)位于印江縣城中心，受生活污水和防洪堤岸影響較大，因此該位點(diǎn)底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)波動(dòng)較大，特別是物種數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)及豐富度指數(shù)變化較大。研究表明，物種豐富度隨河流級(jí)別(一級(jí)支流、二級(jí)支流、三級(jí)支流、四級(jí)支流等)變化而變化，其中，以中間級(jí)別支流的物種豐富度最大[26]，本研究結(jié)果與其類(lèi)似，從河流上游至下游，印江河實(shí)驗(yàn)區(qū)一級(jí)支流的物種豐富度和香農(nóng)多樣性指數(shù)總體相對(duì)較高，而干流的則相對(duì)較低。

3.2 底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)與水環(huán)境因子的關(guān)系

水環(huán)境因子對(duì)底棲動(dòng)物的生長(zhǎng)、繁殖以及群落結(jié)構(gòu)有著顯著影響，不同時(shí)期對(duì)底棲動(dòng)物分布影響顯著的環(huán)境因子不同[27-29]。研究表明，平水期總磷(TP)是影響底棲動(dòng)物分布相關(guān)的主要環(huán)境因子(F=2.4，P=0.008)，豐水期溶解氧(DO)是影響底棲動(dòng)物分布相關(guān)的主要環(huán)境因子(F=1.8，P=0.024)。其他環(huán)境因子與底棲動(dòng)物的分布不顯著。豐水期水溫較高，導(dǎo)致溶氧含量下降，而平水期水位較低，水流量小，TP含量相對(duì)較高，因此TP和DO分別成為平水期和豐水期對(duì)底棲動(dòng)物分布有顯著影響的環(huán)境因子。位于縣城中心的G06位點(diǎn)波動(dòng)比較大，其在豐水期物種數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)及豐富度指數(shù)均顯著高于平水期，該位點(diǎn)豐水期較平水期增加三叉寬基蜉和小蜉屬等蜉蝣目種類(lèi)，這些蜉蝣目種類(lèi)均與TP和氨氮(NH3-N)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而軟體動(dòng)物門(mén)的凸旋螺與TP和NH3-N呈正相關(guān)關(guān)系。對(duì)比水質(zhì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，平水期G06位點(diǎn)的TP和NH3-N均大于豐水期，表明TP和NH3-N對(duì)印江河不同時(shí)期的生物多樣性指數(shù)及物種種類(lèi)具有重要影響。有研究表明，氮磷元素對(duì)底棲動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)存在顯著影響，TP含量升高會(huì)導(dǎo)致底棲動(dòng)物豐度下降[30-31]；NH3-N含量是影響底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因子[32]。因此推測(cè)，TP和NH3-N含量升高可能導(dǎo)致印江河中清潔指示的底棲動(dòng)物種類(lèi)減少，而耐污值較高的軟體動(dòng)物門(mén)種類(lèi)增加，同時(shí)降低生物多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)。

4 結(jié)論

印江河平水期(4月)和豐水期(8月)有大型底棲動(dòng)物91屬(種)，其中，平水期74屬(種)，豐水期46屬(種)。平水期和豐水期優(yōu)勢(shì)種均以蜉蝣目種類(lèi)為主。印江河平水期底棲動(dòng)物的種類(lèi)、生物量、密度、多樣性指數(shù)及豐富度指數(shù)普遍高于豐水期。人類(lèi)活動(dòng)影響大的區(qū)域底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)波動(dòng)較大，不同采樣位點(diǎn)底棲動(dòng)物的種類(lèi)、生物量和密度具有明顯的空間異質(zhì)性。總磷(TP)和溶解氧(DO)分別是平水期和豐水期影響底棲動(dòng)物群落種類(lèi)組成的主要環(huán)境因子。