于宗靈,董英莉,袁 欣,徐昨非,馬 煜,王業(yè)耀,金小偉

1.黑龍江省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,黑龍江 哈爾濱 150056 2.黑龍江省齊齊哈爾生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,黑龍江 齊齊哈爾 161000 3.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院,北京 100875 4.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站,國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012

河流生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)及水生態(tài)系統(tǒng)間物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的重要載體,健康的河流生態(tài)系統(tǒng)是維持該流域生物多樣性及流域可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵,但河流生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性和敏感性導(dǎo)致其易受到自然和人為活動(dòng)的干擾[1-2]。在多重脅迫協(xié)同作用下,水生生物參與了淡水和陸地生態(tài)系統(tǒng)間物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)等關(guān)鍵生態(tài)過(guò)程,其群落結(jié)構(gòu)、物種生長(zhǎng)和繁殖等受到人類和自然環(huán)境的干擾,呈現(xiàn)顯著的差異和變化[3],也會(huì)進(jìn)一步對(duì)河流的生態(tài)系統(tǒng)健康造成影響。

松花江是東北地區(qū)的重要河流,水生生物多樣性十分豐富,是中國(guó)重要的種質(zhì)資源庫(kù)。近幾年,該流域水質(zhì)主要受營(yíng)養(yǎng)鹽和有機(jī)污染物等影響[4]。底棲動(dòng)物既能夠促進(jìn)水體中有機(jī)物的分解,又是魚(yú)類的天然優(yōu)質(zhì)餌料,其生物量還可以作為預(yù)測(cè)漁業(yè)產(chǎn)量的關(guān)鍵指標(biāo)。在水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)方面,底棲動(dòng)物可以作為水體有機(jī)污染狀況的指示生物,起到“水下哨兵”的作用[5]。底棲動(dòng)物群落組成受水質(zhì)、氣候變化和人類活動(dòng)等影響,且表現(xiàn)較為敏感[6],長(zhǎng)時(shí)間序列的水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估研究能夠反映出其演變規(guī)律及水環(huán)境污染狀況[7-8]。因此,常將底棲動(dòng)物作為指示生物應(yīng)用在河流健康評(píng)價(jià)之中[9-13]。

近年來(lái),已有部分研究利用底棲動(dòng)物評(píng)價(jià)了松花江流域部分水體水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況[14-17],但多數(shù)研究是針對(duì)短時(shí)間或短距離河段的報(bào)道。當(dāng)前,鮮見(jiàn)學(xué)者對(duì)松花江干流底棲動(dòng)物進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列群落結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律研究及其與水環(huán)境因子的響應(yīng)分析,而這種研究恰恰能更直觀有效地體現(xiàn)該流域水生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量變化趨勢(shì)及治理成效[18]。由于監(jiān)測(cè)成本高昂以及監(jiān)測(cè)方法規(guī)范性要求高,長(zhǎng)時(shí)間尺度水生生物的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)往往很難獲取。筆者基于2012—2019年松花江干流水生態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果,分析了底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)特征及年際間變化規(guī)律,在此基礎(chǔ)上運(yùn)用冗余分析(RDA)來(lái)解釋底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)與水環(huán)境因子變量之間的關(guān)系,為松花江的水生態(tài)保護(hù)提供更為科學(xué)的參考。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

松花江的地理坐標(biāo)為119°52′ ～ 129°31′E、41° 42′～ 51° 38′N,是黑龍江在中國(guó)境內(nèi)的最大支流,是中國(guó)七大河之一,流經(jīng)黑龍江省、吉林省和內(nèi)蒙古自治區(qū),流域面積為55.72萬(wàn)km2,年徑流量為762億m3,年均降水量為500 mm左右,降水量整體呈現(xiàn)山區(qū)大、平原區(qū)小的特征[19]。松花江有南北兩源,北源發(fā)源于大興安嶺的支脈伊勒呼里山的嫩江,南源發(fā)源于長(zhǎng)白山天池的西流松花江,干流自三岔河匯合流至同江鎮(zhèn)河口,全長(zhǎng)為939 km,流經(jīng)肇源、扶余、哈爾濱、巴彥、木蘭、方正、依蘭、佳木斯、樺川、富錦、同江等,于同江市東北約7 km處由右岸注入黑龍江,河寬多為500～600 m,最寬處可達(dá)1 300 m[20]。該研究在松花江的干流設(shè)11個(gè)斷面(即D1～D11),多數(shù)斷面分左和右2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位,共計(jì)21個(gè)點(diǎn)位(圖1)。

圖1 松花江干流采樣斷面示意Fig.1 Sampling sections in the mainstream of the Songhua River

1.2 指標(biāo)選取和樣品采集

水質(zhì)理化指標(biāo)主要為水溫(WT)、pH、溶解氧(DO)、生化需氧量(BOD5)、化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)和總磷(TP)。其中NH3-N、TN和TP是表征水體營(yíng)養(yǎng)濃度的指標(biāo);DO、COD和BOD5是表征水體有機(jī)污染狀況的指標(biāo)[21-23]。生物學(xué)指標(biāo)包括底棲動(dòng)物種類組成、群落結(jié)構(gòu)和密度。

2012—2019年,每年的6、9月初均進(jìn)行一次采樣,結(jié)果取均值作為最終統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。干流河寬水急,監(jiān)測(cè)河流的岸邊帶底質(zhì)多為夾雜著石塊的泥沙硬質(zhì),底棲動(dòng)物定性樣品多數(shù)采用手抄(D)網(wǎng)法和翻揀法收集[24-25]。定量采樣時(shí),選用400 μm的D網(wǎng)在采樣點(diǎn)沿岸河段上、下游100 m范圍內(nèi)采集樣品,每個(gè)采樣點(diǎn)采樣面積共計(jì)1 m2。采集到的底棲動(dòng)物樣本經(jīng)篩選、挑揀后,于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)鑒定并計(jì)數(shù)。種類鑒別參照相關(guān)圖譜和文獻(xiàn)資料[26-27]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Biological Monitoring Working Party (BMWP)記分系統(tǒng)和生物學(xué)污染指數(shù)(BPI)來(lái)表征底棲動(dòng)物的物種多樣性。BMWP記分系統(tǒng)利用底棲動(dòng)物的定性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),依據(jù)不同類群底棲動(dòng)物對(duì)污染物的耐受性差異對(duì)水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià);BPI利用底棲動(dòng)物的定量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),從指示類群分布特征的角度對(duì)水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。詳細(xì)公式如下[28],等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 生物評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)[31]Table 1 Classification standards for BMWP and BPI[31]

1)BMWP記分系統(tǒng)

BMWP=∑Fi

式中:BMWP表示BMWP指數(shù)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表示生物學(xué)污染指數(shù),N1表示蛭類、寡毛類及搖蚊幼蟲(chóng)的個(gè)體數(shù)量,N2表示多毛類、甲殼類、除搖蚊幼蟲(chóng)以外其他水生昆蟲(chóng)個(gè)體數(shù)量,N3表示軟體動(dòng)物的個(gè)體數(shù)量。

3)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(Y)[29]

Y= (ni/N)×Fi

式中:Y表示優(yōu)勢(shì)度指數(shù),ni表示第i種的總個(gè)體數(shù)量,N表示各采樣點(diǎn)的所有物種個(gè)體數(shù)量的總數(shù),Fi表示第i種物種在各個(gè)采樣點(diǎn)出現(xiàn)的頻率。當(dāng)Y≥0.02時(shí),認(rèn)為該底棲動(dòng)物為該調(diào)查頻次的優(yōu)勢(shì)種。

該研究應(yīng)用SPSS 22.0軟件對(duì)生物指數(shù)進(jìn)行分析,利用Canoco 5.0對(duì)底棲動(dòng)物的物種數(shù)據(jù)及水環(huán)境因子之間的趨勢(shì)對(duì)應(yīng)(DCA)關(guān)系進(jìn)行分析,最大長(zhǎng)度均小于3.0,故選擇應(yīng)用冗余分析(RDA)完成研究,分析過(guò)程中將底棲動(dòng)物的數(shù)量和環(huán)境因子的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行l(wèi)g(x+1)轉(zhuǎn)換,以保證獲得正態(tài)分布數(shù)據(jù)[30]。

2 結(jié)果

2.1 理化因子

2012—2019年松花江干流水質(zhì)狀態(tài)總體趨好(圖2),8年間水溫略有上升,pH呈波動(dòng)變化狀態(tài),DO整體呈平穩(wěn)上升趨勢(shì),與“十二五”期間比,“十三五”期間除TN略有升高外,NH3-N、BOD5、TP和COD大體呈下降趨勢(shì)。溫度平均值為12.39 ℃,最高值為13.91 ℃(2019年),最低值為10.82 ℃(2015年);pH為7.37～7.76,年際差異較小;8年間DO保持在較高水平,平均值為8.71 mg/L,最高值出現(xiàn)在2019年,最低值出現(xiàn)在2013年;BOD5平均值為2.57 mg/L,最高值出現(xiàn)在2012年,自2015年后該值呈逐年下降趨勢(shì),最低值出現(xiàn)在2018年;NH3-N平均值為0.53 mg/L,總體呈下降趨勢(shì),最高值出現(xiàn)在2013年,最低值出現(xiàn)在2019年;COD平均值為18.61 mg/L,最高值出現(xiàn)在2012年,最低值出現(xiàn)在2016年;TP平均值為0.13 mg/L,最高值出現(xiàn)在2013年,最低值出現(xiàn)在2016年,呈先升高再降低再略升高的趨勢(shì);TN平均值為2.11 mg/L,2018年最高,2015年最低。

圖2 2012—2019年松花江干流主要水質(zhì)指標(biāo)變化趨勢(shì)Fig.2 Variations of the water quality indices in the mainstream of the Songhua River from 2012 to 2019

2.2 底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)

2012—2019年松花江干流共鑒定出底棲動(dòng)物246個(gè)分類單元,隸屬于4門、9綱、25目、58科、69屬,其中水生昆蟲(chóng)EPT物種有99個(gè)分類單元,占40.24%;水生昆蟲(chóng)其他物種有68個(gè)分類單元,占27.64%;軟體動(dòng)物有36個(gè)分類單元,占14.63%;環(huán)節(jié)動(dòng)物有25個(gè)分類單元,占10.16%;甲殼動(dòng)物有18個(gè)分類單元,占7.32%。松花江干流底棲動(dòng)物8年間物種豐富度總體呈上升趨勢(shì),其中2016年最高(80個(gè)分類單元)。各年均以水生昆蟲(chóng)種類豐富度最高,軟體動(dòng)物、環(huán)節(jié)動(dòng)物和甲殼動(dòng)物在干流分布也較廣泛,見(jiàn)圖3(a)和圖3(b)。優(yōu)勢(shì)種類主要以喜在清潔水體中生活的蜉蝣目和毛翅目為主,如小蜉屬Ephemerella、小寡脈蜉屬Oligoneuriella、扁蜉屬Heptagenia、等蜉屬Isonychia、紋石蛾科Hydropsychidae和缺叉多距石蛾屬Polycentropus等。

調(diào)查期間松花江干流底棲動(dòng)物密度變化范圍為2.86×103～8.98×103個(gè)/m2,見(jiàn)圖3(c)。

8年間總平均密度為5.97×103個(gè)/m2,其中水生昆蟲(chóng)平均密度為4.28×103個(gè)/m2,占總平均密度的71.69%;軟體動(dòng)物平均密度為1.21×103個(gè)/m2,占總平均密度的20.27%;環(huán)節(jié)動(dòng)物和甲殼動(dòng)物平均密度為0.48×103個(gè)/m2,占總平均密度的8.04%。水生昆蟲(chóng)密度最高值出現(xiàn)在2016年(7.56×103個(gè)/m2),最低值出現(xiàn)在2012年(1.23×103個(gè)/m2),軟體動(dòng)物密度最高值出現(xiàn)在2017年(1.94×103個(gè)/m2),最低值出現(xiàn)在2012年(0.84×103個(gè)/m2)。8年間底棲動(dòng)物密度呈上升趨勢(shì),除2017年受暴雨影響外,其余年份底棲動(dòng)物的種類組成總體提高。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,軟體動(dòng)物、甲殼動(dòng)物及環(huán)節(jié)動(dòng)物有向水生昆蟲(chóng)變化的趨勢(shì),群落結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定且以水生昆蟲(chóng)占比最多,群落中的敏感水生昆蟲(chóng)(如部分蜉蝣目和毛翅目)的種類占比有所提高,而具有一定耐污性的種類(如圓田螺屬和田螺屬等)物種多樣性有所降低,同時(shí)個(gè)體數(shù)量也明顯減少,結(jié)果顯示監(jiān)測(cè)期間水生態(tài)狀態(tài)穩(wěn)步變好。

2.3 優(yōu)勢(shì)類群

2012—2019年松花江干流底棲動(dòng)物優(yōu)勢(shì)種類以水生昆蟲(chóng)為主,其中尤以指示清潔的EPT物種(如蜉蝣目和毛翅目)種類及數(shù)量占比最高,其次為水生昆蟲(chóng)其他物種(如雙翅目等),占比也較高,而軟體動(dòng)物、甲殼動(dòng)物及環(huán)節(jié)動(dòng)物部分種類也作為優(yōu)勢(shì)類群出現(xiàn)在不同年份。耐污較強(qiáng)的環(huán)節(jié)動(dòng)物(如寡毛綱和蛭綱)的部分物種優(yōu)勢(shì)度隨時(shí)間推移明顯降低,而水生昆蟲(chóng)的種類及優(yōu)勢(shì)度始終保持在較高水平,部分EPT種類優(yōu)勢(shì)度還有上升,說(shuō)明監(jiān)測(cè)區(qū)域水生態(tài)狀況較好。底棲動(dòng)物組成和數(shù)量分析結(jié)果顯示,8年來(lái)優(yōu)勢(shì)類群主要為節(jié)肢動(dòng)物門的昆蟲(chóng)綱,其中蜉蝣目?jī)?yōu)勢(shì)種類有15屬,毛翅目?jī)?yōu)勢(shì)種類有13屬,雙翅目?jī)?yōu)勢(shì)種類有8屬,蜻蜓目1屬和鞘翅目1屬;其次為軟體動(dòng)物門的腹足綱腹足目有7屬;節(jié)肢動(dòng)物門的軟甲綱十足目為6屬;環(huán)節(jié)動(dòng)物門的寡毛綱近孔寡毛目3屬;環(huán)節(jié)動(dòng)物門的蛭綱吻蛭目2屬。

優(yōu)勢(shì)類群排在前十且出現(xiàn)次數(shù)和優(yōu)勢(shì)度較高的為節(jié)肢動(dòng)物門小蜉屬Ephemerella、小寡脈蜉屬Oligoneuriella、扁蜉屬Heptagenia、等蜉屬Isonychia、紋石蛾科Hydropsychidae、缺叉多距石蛾屬Polycentropus、搖蚊科Chironomidae、短脈紋石蠶屬Cheumatopsyche、紋石蠶屬Hydropsyche和軟體動(dòng)物門的圓田螺屬Cipangopaludina。優(yōu)勢(shì)度排在前三且年際間差異明顯的優(yōu)勢(shì)類群為紋石蠶屬Hydropsyche、小蜉屬Ephemerella和小寡脈蜉屬Oligoneuriella(圖4)。

圖4 2012—2019年松花江干流底棲動(dòng)物主要優(yōu)勢(shì)類群及優(yōu)勢(shì)度Fig.4 Main dominant groups and dominance of macroinvertebrates in the mainstream of the Songhua River from 2012 to 2019

各年均有出現(xiàn)且占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的為小蜉屬Ephemerella,優(yōu)勢(shì)度由“十二五”期間的0.248～0.625降至“十三五”期間的0.095～0.457;小寡脈蜉屬Oligoneuriella優(yōu)勢(shì)度為0.102～0.483,優(yōu)勢(shì)度最高值出現(xiàn)在2017年,其次為2012年,最低值出現(xiàn)在2013年,優(yōu)勢(shì)度呈波動(dòng)狀態(tài);扁蜉屬Heptagenia優(yōu)勢(shì)度為0.059～0.214,除2017年,其他年份優(yōu)勢(shì)度變化波動(dòng)不大;等蜉屬Isonychia優(yōu)勢(shì)度為0.022～0.462,優(yōu)勢(shì)度最高值出現(xiàn)在2012年,其余7年優(yōu)勢(shì)度波動(dòng)不大;紋石蛾科Hydropsychidae優(yōu)勢(shì)度為0.052～0.257,8年間優(yōu)勢(shì)度有所變化但不大;缺叉多距石蛾屬Polycentropus優(yōu)勢(shì)度為0.092～0.335,呈先下降再升高再下降的趨勢(shì);搖蚊科Chironomidae優(yōu)勢(shì)度為0.117～0.311,除2012年外,其余年份優(yōu)勢(shì)度呈上升趨勢(shì);圓田螺屬Cipangopaludina優(yōu)勢(shì)度為0.071～0.295,優(yōu)勢(shì)度總體呈先上升再下降的趨勢(shì)。歷年優(yōu)勢(shì)物種以蜉蝣目、毛翅目和雙翅目為主,其次為腹足目和十足目的物種,主要以指示清潔至中污染的習(xí)見(jiàn)種類為主(表2)。

表2 2012—2019年松花江干流底棲動(dòng)物優(yōu)勢(shì)類群及優(yōu)勢(shì)度Table 2 Dominant groups and dominance of macroinvertebrates in the mainstream of the Songhua River from 2012 to 2019

2.4 松花江干流底棲動(dòng)物水質(zhì)生物學(xué)評(píng)價(jià)

筆者使用BMWP記分系統(tǒng)和BPI的年均結(jié)果來(lái)評(píng)價(jià)干流水質(zhì)狀態(tài)(表1),評(píng)價(jià)結(jié)果多數(shù)為“中等”及以上,8年間評(píng)價(jià)結(jié)果趨于穩(wěn)定,且下游評(píng)價(jià)結(jié)果好于上游(圖5)。從空間斷面來(lái)看,松花江干流中上游斷面的生物指數(shù)較低,最低值出現(xiàn)在D3斷面,該點(diǎn)位BMWP記分系統(tǒng)和BPI結(jié)果均為最低,該點(diǎn)水質(zhì)處于“較差至中等”水平,見(jiàn)圖5(b)和圖5(d)。松花江干流下游斷面生物指數(shù)高于上游,D8～D10斷面指數(shù)值在8年間均處于較高水平,下游點(diǎn)位水體處于“良好至優(yōu)秀”水平。從不同時(shí)間來(lái)看,2013、2015、2016年BMWP記分系統(tǒng)評(píng)價(jià)較好,最佳結(jié)果出現(xiàn)在2015年;2014—2019年的BPI評(píng)價(jià)較好,最佳評(píng)價(jià)結(jié)果出現(xiàn)在2015年。8年間BMWP記分系統(tǒng)和BPI評(píng)價(jià)的結(jié)果有所差異,略呈波動(dòng)性變化,見(jiàn)圖5(a)和圖5(c)。

圖5 2012—2019年松花江干流底棲動(dòng)物評(píng)價(jià)指數(shù)Fig.5 Average diversity index of macroinvertebrates in the mainstream of the Songhua River from 2012 to 2019

2.5 底棲動(dòng)物與環(huán)境因子的關(guān)系

對(duì)水環(huán)境因子及底棲動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行RDA分析,前2軸特征值比為0.182和0.098,底棲動(dòng)物的物種和水環(huán)境因子間排序軸的相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.812和0.631,環(huán)境和物種關(guān)系的累計(jì)比率則可達(dá)到82.1%,說(shuō)明排序圖可以很好地反映出水環(huán)境因子與底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)相關(guān)指標(biāo)的關(guān)系。筆者運(yùn)用蒙特卡洛單因子檢驗(yàn)法對(duì)8個(gè)水質(zhì)理化因子進(jìn)行檢驗(yàn),選出P<0.05的水環(huán)境因子并進(jìn)行分析。2012年主要受BOD5(P=0.006)、COD(P=0.013)和TP(P=0.028)等影響;2013年主要受BOD5(P=0.005)、NH3-N(P=0.019)和DO(P=0.023)等影響;2014年主要受TN(P=0.012)、TP(P=0.022)和COD(P=0.028)等影響;2015年主要受NH3-N(P=0.011)、DO(P=0.019)和TN(P=0.039)等影響;2016年主要受TN(P=0.002)、BOD5(P=0.011)和pH(P=0.025)等影響;2017年主要受TP(P=0.008)、COD(P=0.019)和pH(P=0.024)等影響;2018年主要受BOD5(P=0.007)、DO(P=0.011)和TN(P=0.019)等影響;2019年主要受NH3-N(P=0.019)、TN(P=0.016)和DO(P=0.011)等影響(表3)。從排序可知不同年份底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子、空間因子之間的變化趨勢(shì)(圖6),8年間11個(gè)采樣點(diǎn)的物種分布均受到NH3-N的影響,其中除2013、2015、2016年兩者呈負(fù)相關(guān)以外,其余年份兩者均呈顯著正相關(guān)。2012年COD、BOD5、DO和TP與2軸負(fù)相關(guān),NH3-N與1軸正相關(guān)。8年間松花江干流底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)始終受到含氮化合物的影響,但隨時(shí)間推移,影響因子也有所變化?？傮w看來(lái),相較于其他指標(biāo),NH3-N、TN、TP、DO、BOD5和COD是這一區(qū)域?qū)Φ讞珓?dòng)物分布影響更大的環(huán)境因子。

表3 基于RDA的多尺度環(huán)境因子對(duì)底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)空間變異的解釋結(jié)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棲動(dòng)物物種。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。圖6 2012—2019年松花江干流底棲動(dòng)物與環(huán)境因子RDAFig.6 RDA analysis of macroinvertebrates and environment factors in the mainstream of the Songhua River from 2012 to 2019

調(diào)查水域中的優(yōu)勢(shì)類群主要為昆蟲(chóng)綱、軟甲綱、腹足綱、寡毛綱和蛭綱,其中上游河段的優(yōu)勢(shì)類群主要為圓田螺屬Cipangopaludina、尾鰓蚓屬Branchiura、小寡脈蜉屬Oligoneuriella、紋石蛾科Hydropsychidae和搖蚊科Chironomidae等,且與NH3-N、TN和TP呈顯著相關(guān)性,上游河段優(yōu)勢(shì)物種有喜清潔的EPT物種,也有耐污染、生命力強(qiáng)的軟體動(dòng)物和環(huán)節(jié)動(dòng)物。下游河段的優(yōu)勢(shì)種類要多于上游河段,以蜉蝣目、毛翅目和雙翅目等為主,EPT的豐富度是下游好于上游,優(yōu)勢(shì)類群主要為等蜉屬Isonychia、細(xì)蜉屬Caenis、似動(dòng)蜉屬Cinygmina、緣脈石蠶屬Plectrocnemia、低頭石蠶屬Neureclipsis、搖蚊科Chironomidae、羽搖蚊屬Chironomus、東北田螺Viviparuschui和黑龍江短溝蜷Semisulcospiraamurensis等,且隨時(shí)間變化與DO呈顯著正相關(guān)。在空間變化上,不同采樣點(diǎn)位的營(yíng)養(yǎng)程度有所差異,從圖5可知,相似度較高的點(diǎn)位為D2、D3和D4,D5、D6和D7,D8、D9和D10,D1和D11。其中D2～D6點(diǎn)位主要受NH3-N、TN、TP、BOD5和pH影響,D1、D7～D11點(diǎn)位主要受NH3-N、DO、COD和BOD5影響,監(jiān)測(cè)期間各點(diǎn)位物種分布以水生昆蟲(chóng)為主,尤以EPT物種為多,下游水體水生態(tài)狀態(tài)好于上游。

3 討論

3.1 松花江干流底棲動(dòng)物群落特征

底棲動(dòng)物作為河流生態(tài)健康評(píng)價(jià)體系里較為重要的生物類群,以水生昆蟲(chóng)的占比最高,可達(dá)95%以上[32]。日常監(jiān)測(cè)的水生昆蟲(chóng)以襀翅目、蜉蝣目和毛翅目(簡(jiǎn)稱EPT物種)分布最為廣泛,對(duì)干擾表現(xiàn)敏感,多被用于河流生態(tài)評(píng)價(jià)的研究之中。其除了可以反映水體受污染的程度外,還可以表征河流的水生態(tài)系統(tǒng)隨季節(jié)變化的規(guī)律以及水生態(tài)健康修復(fù)的效果[33]。松花江流域底棲動(dòng)物研究起步晚,2010年后相關(guān)研究才邁入快速發(fā)展時(shí)期,成果增多,研究方向較之前廣泛。運(yùn)用底棲動(dòng)物來(lái)評(píng)價(jià)研究區(qū)水生態(tài)時(shí)空變化狀態(tài)較為普遍,但多數(shù)研究?jī)H局限在松花江城市段或者研究周期較短,對(duì)于整個(gè)干流多時(shí)空變化的研究甚少。張靜[34]等2008年(除冬季外)對(duì)松花江近哈爾濱段7個(gè)典型斷面的底棲動(dòng)物進(jìn)行采樣及分析,結(jié)果顯示水生昆蟲(chóng)最多,其次為軟體動(dòng)物、環(huán)節(jié)動(dòng)物和甲殼動(dòng)物;郭潔[35]等2015—2017年秋季對(duì)松花江流域佳木斯段5個(gè)斷面進(jìn)行采樣、調(diào)查,共鑒定出底棲動(dòng)物59個(gè)分類單元,水生昆蟲(chóng)占比最多,優(yōu)勢(shì)種主要為指示清潔的扁蜉屬Heptagenia和短脈紋石蠶Cheumatopsyche等;趙然等[15]2015年夏季和秋季對(duì)松花江干流9個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行底棲動(dòng)物采樣調(diào)查,結(jié)果顯示,水生昆蟲(chóng)有30個(gè)種類(占75.0%),占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),軟體動(dòng)物有5個(gè)種類,占12.5%;李中宇等[14]對(duì)松花江干流2012—2015年底棲動(dòng)物分布規(guī)律及理化評(píng)價(jià)差異進(jìn)行研究,結(jié)果顯示,干流上游物種數(shù)明顯多于下游,水生昆蟲(chóng)多,敏感物種EPT自2013年后有所增加。以上研究成果顯示,松花江流域底棲動(dòng)物以水生昆蟲(chóng)為主,下游密度及物種數(shù)均高于上游。筆者通過(guò)對(duì)松花江干流11個(gè)斷面連續(xù)8年的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),底棲動(dòng)物有246個(gè)分類單元,隸屬于4門、9綱、25目、58科、69屬,其中水生昆蟲(chóng)EPT物種有99個(gè)分類單元,占40.26%;水生昆蟲(chóng)其他物種有68個(gè)分類單元,占27.64%;軟體動(dòng)物有36個(gè)分類單元,占14.63%;環(huán)節(jié)動(dòng)物有25個(gè)分類單元,占10.16%;甲殼動(dòng)物有18個(gè)分類單元,占7.32%,為近年來(lái)松花江干流底棲群落的長(zhǎng)時(shí)間序列時(shí)空變化特征調(diào)查提供了較為有利的參考(圖6)。

松花江干流底棲動(dòng)物的數(shù)量較多且生物多樣性豐富,但上游有部分點(diǎn)位仍受不同程度的人為擾動(dòng)(包括點(diǎn)源及面源污染),導(dǎo)致相應(yīng)點(diǎn)位底棲動(dòng)物總個(gè)體數(shù)量以及物種多樣性呈逐漸降低趨勢(shì)。尤其以D3斷面最明顯,其受人為干擾嚴(yán)重,水質(zhì)惡化,底棲動(dòng)物密度較低、物種數(shù)量較少,優(yōu)勢(shì)種以耐污力更強(qiáng)的寡毛類及部分軟體動(dòng)物為主。D2、D4和D5等斷面相對(duì)于下游而言,物種數(shù)較少、密度較低,但較D3斷面要好一些。D1斷面及下游點(diǎn)位多遠(yuǎn)離城市,周圍是草地及農(nóng)田,區(qū)域底質(zhì)以泥沙夾雜著卵石、礫石等為主,其為底棲動(dòng)物提供了良好的攝食、繁衍以及庇護(hù)的場(chǎng)所,優(yōu)勢(shì)種類主要為EPT物種等(如蜉屬Isonychia、細(xì)蜉屬Caenis、似動(dòng)蜉屬Cinygmina、緣脈石蠶屬Plectrocnemia和褐紋石蠶屬Eubasilissa等),這些物種都是對(duì)環(huán)境變化敏感的種類。底棲群落監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,松花江干流水質(zhì)狀況整體較好,下游水質(zhì)較上游清潔,有機(jī)污染程度較低[4,14]。

3.2 松花江干流水質(zhì)生物學(xué)評(píng)價(jià)

河流水質(zhì)生物學(xué)評(píng)價(jià)方法在不同尺度的研究中差異較大,歐盟水框架指令(WFD)發(fā)展形成了300多個(gè)獨(dú)立的生物評(píng)估系統(tǒng)[36]。目前中國(guó)引入了生物完整性概念,學(xué)者們探索研究了水生態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)與綜合評(píng)價(jià)方法,著力以建立在科學(xué)基礎(chǔ)之上的最有效的指標(biāo)反映水生態(tài)狀況的變化,建立具有流域特色的評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[37]。但現(xiàn)有水生態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)體系距發(fā)達(dá)國(guó)家現(xiàn)有技術(shù)水平、實(shí)現(xiàn)流域水生態(tài)環(huán)境科學(xué)管理仍有一定的距離。

多數(shù)國(guó)家在底棲動(dòng)物參與水生態(tài)評(píng)價(jià)研究中選用單一指標(biāo)和比較直觀的指示物種法,對(duì)小流域研究則多選用多指標(biāo)來(lái)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),不同評(píng)價(jià)方法沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì),更多是綜合考慮人類活動(dòng)干擾梯度以及環(huán)境管理需求的一種權(quán)衡[38-39],通過(guò)計(jì)算相關(guān)生物學(xué)參數(shù)及指標(biāo),來(lái)構(gòu)建指標(biāo)與環(huán)境壓力間的關(guān)系,進(jìn)而評(píng)估該監(jiān)測(cè)水體的水生態(tài)健康情況[40]。筆者采用BMWP記分系統(tǒng)和BPI來(lái)共同評(píng)價(jià)水體污染程度及變化趨勢(shì),SOLDNER等[41]、MONAGHAN等[42]認(rèn)為BMWP記分系統(tǒng)與理化指標(biāo)有很好的相關(guān)性,HILSENHOFF等[43]指出BPI更適合評(píng)價(jià)受到有機(jī)污染的河流。

2012—2019年的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果多數(shù)為“中等”及以上,且下游斷面普遍好于上游。佳木斯段的D8～D10斷面指數(shù)值始終處在較高水平,個(gè)別斷面可達(dá)到“優(yōu)秀”水平,上游部分?jǐn)嗝骐x城市近,水質(zhì)多數(shù)處于“中等”水平。受污染最嚴(yán)重的D3斷面 8年間水質(zhì)處于“較差至中等”水平,干流上段屬于松花江干流哈爾濱段,人類生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響了該段生物的分布,生物評(píng)價(jià)結(jié)果比下游差。近年,隨著水污染防治措施的實(shí)施(如優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、科學(xué)布局,構(gòu)建優(yōu)良工業(yè)景觀生態(tài)系統(tǒng),推進(jìn)污水處理產(chǎn)業(yè)化,重視城市水資源優(yōu)化配置等),水污染防治取得較大進(jìn)步,污染水體得到一定改善。調(diào)查時(shí)段內(nèi)評(píng)價(jià)結(jié)果比較穩(wěn)定,干流下游評(píng)價(jià)結(jié)果明顯好于上游,生物評(píng)價(jià)結(jié)果好于單一理化評(píng)價(jià)結(jié)果,生物評(píng)價(jià)結(jié)果與群落結(jié)構(gòu)狀況相一致。

3.3 松花江干流底棲動(dòng)物和水環(huán)境因子的響應(yīng)關(guān)系

底棲動(dòng)物分布受到多種水環(huán)境因子影響,因此會(huì)表現(xiàn)出較強(qiáng)的空間異質(zhì)性,但區(qū)域環(huán)境不同,影響底棲動(dòng)物分布的水環(huán)境因子也不同。主要棲息于水-土界面層或者沉積物中的生物,同時(shí)會(huì)受到水環(huán)境及底質(zhì)環(huán)境的雙重影響,影響因素通常包括化學(xué)因子、物理因子和生物因子等[44]。

筆者通過(guò)RDA冗余分析發(fā)現(xiàn),WT、pH、DO、TN、NH3-N、BOD5、COD和TP共同驅(qū)動(dòng)著底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的變化,這些關(guān)鍵環(huán)境因子中,N、P、COD、BOD5和DO是影響底棲動(dòng)物分布的首要因子。筆者研究團(tuán)隊(duì)之前研究表明,DO、TP、NH3-N和TN等是松花江干流藻類群落分布的重要影響因素[4],陳威等[45]研究結(jié)果顯示,pH、WT、TN和DO等是影響松花江哈爾濱段藻類群落分布的重要環(huán)境因子。可見(jiàn),不同生物類群對(duì)水環(huán)境因子的響應(yīng)存在一定差異。

現(xiàn)有研究顯示,水環(huán)境與底棲動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)呈顯著相關(guān)。劉祥等[21]對(duì)淮河流域底棲動(dòng)物與水環(huán)境因子關(guān)系進(jìn)行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)COD濃度達(dá)到168.56 mg/L時(shí),底棲動(dòng)物種類和數(shù)量會(huì)明顯減少,水體中僅存在少量耐污的種類(如水絲蚓)。水體中營(yíng)養(yǎng)鹽的含量與底棲動(dòng)物種類及生物量也具有密切關(guān)系,營(yíng)養(yǎng)元素流入將會(huì)加劇水體富營(yíng)養(yǎng)化,直接導(dǎo)致某些底棲動(dòng)物消失[22]。水溫直接影響著水生昆蟲(chóng)生長(zhǎng),不僅導(dǎo)致水生昆蟲(chóng)數(shù)量的變化,也影響著水生昆蟲(chóng)種群分布的情況。pH會(huì)影響底棲動(dòng)物出生率及成活率,導(dǎo)致多樣性變化[46]。DO直接影響底棲動(dòng)物分布,不同的生物類群對(duì)DO的需求也呈現(xiàn)差異性,底棲動(dòng)物空間分布和生物量均與水體中DO有著顯著正相關(guān)性[13]。COD和BOD5是表征水體有機(jī)污染的化學(xué)因子,氮、磷則是表征水體富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的指標(biāo),DO值升高則說(shuō)明水體狀態(tài)較好。筆者研究發(fā)現(xiàn),松花江干流底棲動(dòng)物中水生昆蟲(chóng)優(yōu)勢(shì)種多與DO顯著正相關(guān),與BOD5和COD顯著負(fù)相關(guān),不同年份中與氮、磷也存在著顯著相關(guān)性,說(shuō)明該流域水生昆蟲(chóng)多數(shù)適合在低BOD5、COD,高DO的環(huán)境下生存。

8年間松花江干流水溫略有上升,pH呈波動(dòng)狀態(tài),DO整體呈平穩(wěn)上升趨勢(shì),與“十二五”期間相比,“十三五”期間除TN略有升高外,NH3-N、BOD5、TP和COD大體呈下降趨勢(shì)。2012—2019年,松花江干流水體狀態(tài)總體為改善趨勢(shì),且下游水質(zhì)狀態(tài)好于上游。D2、D3和D4斷面處于城市附近,來(lái)自城市及周邊區(qū)域的生產(chǎn)廢水、生活垃圾和生活污水等對(duì)河流水質(zhì)影響較大;D5、D6和D7斷面周邊以農(nóng)業(yè)種植為主,農(nóng)藥、化肥及散落在河道附近的畜禽糞便和堆肥中的物質(zhì)進(jìn)入河流中,可能影響水質(zhì);D1、D8、D9、D10和D11斷面植被覆蓋度較高,河流緩沖帶距離大,底質(zhì)多由泥沙、卵石和礫石等組成,人類活動(dòng)影響較小,有利于底棲動(dòng)物生存。

上游斷面多數(shù)受COD、BOD5、TN和TP影響,優(yōu)勢(shì)類群主要由水生昆蟲(chóng)、寡毛類和軟體動(dòng)物組成,且與COD、BOD5和營(yíng)養(yǎng)鹽呈顯著相關(guān)性,與部分污染種類呈顯著正相關(guān);中下游斷面多數(shù)受DO、pH和NH3-N影響,優(yōu)勢(shì)類群則出現(xiàn)更多水生昆蟲(chóng)EPT物種,且與DO呈正相關(guān),與N呈負(fù)相關(guān)。

近幾年來(lái),松花江水系出現(xiàn)三大污染問(wèn)題(甲基汞污染、有機(jī)污染和冰封期水質(zhì)惡化),無(wú)機(jī)污染物主要是NH3-N、TN和TP,其來(lái)源主要為工業(yè)污水、生活污水、化肥農(nóng)藥、水土流失及流域內(nèi)所釋放的沉積物等。作為七大流域之一的松花江,分布著多個(gè)城市飲用水水源地,松花江的水資源、水生態(tài)和水環(huán)境狀態(tài)備受關(guān)注。從治理角度出發(fā),需要嚴(yán)格控制含磷生活污水和有機(jī)污染物排入松花江,提高人民群眾的環(huán)境保護(hù)意識(shí),規(guī)范并控制生產(chǎn)生活行為,加強(qiáng)流域環(huán)境管理,促進(jìn)水環(huán)境保護(hù)的科學(xué)研究,將底棲動(dòng)物納入水生態(tài)評(píng)價(jià)體系中。

4 結(jié)論

1)2012—2019年松花江干流共鑒定出底棲動(dòng)物246個(gè)分類單元,其中占比最多的為水生昆蟲(chóng)EPT物種,其次為水生昆蟲(chóng)其他物種,然后是軟體動(dòng)物、環(huán)節(jié)動(dòng)物和甲殼動(dòng)物。優(yōu)勢(shì)種既有指示清潔的蜉蝣目和毛翅目(如小蜉屬Ephemerella和缺叉多距石蛾屬Polycentropus等),也有耐污性一般的軟體動(dòng)物(如圓田螺屬Cipangopaludina、東北田螺Viviparuschui等)和耐污能力較強(qiáng)的顫蚓科Tubificidae。

2)生物指數(shù)評(píng)價(jià)顯示,松花江干流水質(zhì)為“中等”及以上,上游多為“中等至良好”,下游多為“良好至優(yōu)秀”;RDA結(jié)果顯示,8年間松花江干流底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)始終受到含氮化合物的影響,但隨時(shí)間推移,影響因子也有所變化?？傮w看來(lái),NH3-N、TN、TP、DO、BOD5和COD是影響這一區(qū)域底棲動(dòng)物分布的重要環(huán)境因子。