徐州城市河流和湖泊的大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)及影響因子分析

李朝, 蔡琨, 杜娟, 楊靖, 李勇, 胡紅娟

1. 江蘇省徐州市環(huán)境監(jiān)測中心站, 徐州 221002

2. 江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心, 南京 210036

徐州城市河流和湖泊的大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)及影響因子分析

李朝1, 蔡琨2, 杜娟1, 楊靖1, 李勇1, 胡紅娟1

1. 江蘇省徐州市環(huán)境監(jiān)測中心站, 徐州 221002

2. 江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心, 南京 210036

對徐州市京杭運河市區(qū)段和市區(qū)湖泊云龍湖進(jìn)行了大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)及影響因子的比較研究。結(jié)果顯示：城市河流和湖泊生態(tài)系統(tǒng)中, 大型底棲動物種類較少、群落結(jié)構(gòu)相對簡單, 其中城市河流大型底棲動物的組成主要為水棲寡毛類和軟體動物, 城市湖泊大型底棲動物主要組成為水棲寡毛類和搖蚊幼蟲。除 Margalef物種豐富度指數(shù)外, 河流與湖泊的其他群落指數(shù)相差不大。聚類分析將兩類生態(tài)系統(tǒng)中的大型底棲動物群落明顯分為兩組。CCA結(jié)果顯示云龍湖大型底棲動物群落的主要影響因子是 pH和溶解氧, 京杭運河徐州市區(qū)段大型底棲動物群落的主要影響因子是總磷和化學(xué)需氧量。

大型底棲動物; 城市河流; 城市湖泊; 徐州

城市河流和湖泊作為城市生態(tài)系統(tǒng)中水元素最主要的兩個載體, 發(fā)揮著景觀、運輸、休憩等多種功能, 是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。城市生態(tài)系統(tǒng)是人類活動作為主導(dǎo)的生態(tài)系統(tǒng), 城市中的河流和湖泊在人為活動的干擾下, 其水生生物的物種組成、群落結(jié)構(gòu)和自然生態(tài)系統(tǒng)中的河流、湖泊有很大的不同, 同時這兩類水生態(tài)系統(tǒng)之間的水生生物物種組成和群落結(jié)構(gòu)上也有很大的不同。

大型底棲動物是水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,近年來在水質(zhì)監(jiān)測方面發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。本研究通過對徐州市云龍湖和京杭運河市區(qū)段大型底棲動物的比較分析, 探究兩種水生態(tài)系統(tǒng)中大型底棲動物群落及其環(huán)境影響因子的異同, 進(jìn)而為利用大型底棲動物進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測和評價提供理論和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 采樣點位設(shè)置

2014年9月份分別對徐州市京杭運河市區(qū)段和市區(qū)湖泊云龍湖進(jìn)行了大型底棲動物調(diào)查。

京杭運河是南水北調(diào)東線工程的調(diào)水河流之一,徐州全境長度為 207 km, 工程運行后, 河水由南向北經(jīng)駱馬湖流向微山湖, 除承擔(dān)調(diào)水工程外, 京杭運河在徐州境內(nèi)還主要承擔(dān)航運和灌溉等功能。本次調(diào)查以與地表水國控斷面位置相同的原則, 共對京杭運河徐州市區(qū)段布設(shè)了 4個監(jiān)測點位, 分別為藺家壩、洞山西、解臺閘和紅旗新村。

云龍湖位于徐州市區(qū)內(nèi)西南部, 水面面積為6.76 km2, 東、西、南三面環(huán)山, 北部平坦地區(qū)為濱湖公園, 湖中有四個較大的人工島, 東北角建有娛樂游船碼頭。云龍湖是徐州市區(qū)最大的湖泊, 同時也是人為開發(fā)活動最為強烈的湖泊, 承載著徐州市區(qū)重要的景觀、人文、娛樂、體育等功能。近年來政府不斷加大對云龍湖景區(qū)的資金投入, 開展了拓寬環(huán)湖路, 修筑水上樂園等項目。本次在云龍湖選取東湖東北、東湖中心和西湖西南三個采樣點(圖1)。

1.2 樣品采集與處理

采用1/16 m2彼得遜采泥器采集大型底棲動物,每個采樣點各采兩個樣, 采泥器在沉入水體的底質(zhì)后, 將底質(zhì)表層的泥樣夾取到采泥器中。現(xiàn)場將所采的泥樣過40目篩子淘洗, 將篩內(nèi)所得物裝入塑料袋后加入濃度為 10%—15%福爾馬林溶液密封, 帶回實驗室, 在白瓷盤上仔細(xì)挑揀其中的大型底棲動物。挑出的大型底棲動物用濃度為8%的福爾馬林溶液固定, 在顯微鏡和解剖鏡下分類鑒定計數(shù)。依照分類鑒定相關(guān)材料和書籍, 在保證準(zhǔn)確的前提下,將底棲動物鑒定至盡可能低的分類單元[2-4]。

圖1 采樣點位圖Fig. 1 Spatial distribution of sampling sites

1.3 水質(zhì)理化指標(biāo)的測定

在大型底棲動物采集的同時, 采集一定的水樣,在4℃冷藏保存, 帶回實驗室, 并在2小時內(nèi)分析其中的pH、溶解氧(DO)、化學(xué)需氧量(CODMn)、總磷(TP)和總氮(TN)等理化指標(biāo), 水質(zhì)采集和分析全部按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版增補版)[5]進(jìn)行。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 群落相關(guān)指數(shù)

本研究選用的群落相關(guān)指數(shù)及計算公式如下：

物種優(yōu)勢度指數(shù)(Y)[6]

Margalef物種豐富度指數(shù)[6]

Shannon-Wiener指數(shù)[7]

Pielou均勻度指數(shù)[6]

式中, Pi 為第 i 種的個體數(shù)與樣品中的總個數(shù)的比值, Fi為種 i在研究區(qū)內(nèi)各站位出現(xiàn)的頻率, S 為總種類數(shù), N 為總個體數(shù)。

1.4.2 群落結(jié)構(gòu)分析

由于采集到的物種多度相差較大, 對物種多度數(shù)據(jù)使用公式 log(x+1)進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換, 組成物種數(shù)據(jù)矩陣[8]; 環(huán)境因子間的測量指標(biāo)往往差別懸殊,將環(huán)境因子數(shù)據(jù)中心化組成環(huán)境數(shù)據(jù)矩陣[9]。采用PC-ORD5.0軟件進(jìn)行 Cluster Analysis聚類分析和CCA排序[10]。

2 結(jié)果

2.1 大型底棲動物物種組成及優(yōu)勢度

本次調(diào)查共發(fā)現(xiàn)大型底棲動物 21種(表 1),其中環(huán)節(jié)動物 7種, 軟體動物 9種, 水生昆蟲 5種。大型底棲動物中優(yōu)勢種(優(yōu)勢度≥0.02)共 15種, 其中克拉泊水絲蚓(Limnodrilus claparedianus)在 7個采樣點都作為優(yōu)勢種出現(xiàn), 在河流中都出現(xiàn)的優(yōu)勢種還有蘇氏尾鰓蚓(Branchiura sowerbyi),在湖泊中都出現(xiàn)的優(yōu)勢種有小搖蚊屬的一種(Microchironomus sp.)和長足搖蚊屬的一種(Tanypus sp.)。總體看來, 河流采樣點的優(yōu)勢種主要為環(huán)節(jié)動物和軟體動物, 湖泊采樣點的優(yōu)勢種主要為環(huán)節(jié)動物和水生昆蟲, 兩種生態(tài)系統(tǒng)在物種組成上有著明顯的不同。

表1 大型底棲動物物種名稱及優(yōu)勢度Tab. 1 Species names and dominance of macrobenthos

2.2 大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)

對河流 4個采樣點和湖泊3個采樣點大型底棲動物的多樣性指數(shù)進(jìn)行比較, Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H’)河流平均值為 2.10略低于湖泊的平均值2.12; Margalef物種豐富度指數(shù)河流平均值為0.72, 高于湖泊平均值的 0.52; Pielou均勻度指數(shù)河流平均值與湖泊的平均值相等, 都為0.76(表2)。可見除 Margalef物種豐富度指數(shù)外, 河流與湖泊的差異并不明顯。

表2 大型底棲動物多樣性指數(shù)Tab. 2 The species diversity indices of macrobenthos communities

2.3 大型底棲動物群落聚類分析

在Cluster Analysis聚類分析圖上(圖2)可以看出,河流的4個采樣點和湖泊的3個采樣點, 群落結(jié)構(gòu)差異性非常明顯, 3個湖泊采樣點大型底棲動物群落非常相似, 河流采樣點中, R1、R2較為相似, R3、R4較為相似。

2.4 大型底棲動物群落與水質(zhì)理化指標(biāo)的關(guān)系

由表3可知, CCA排序前兩軸的特征值分別為0.531和0.474, 物種-環(huán)境相關(guān)系數(shù)分別為1.000和0.978, 前兩軸的物種變異累計百分?jǐn)?shù)為 58.2, 說明排序效果較好。由表 4可以看出, 與排序軸相關(guān)性較大的環(huán)境因子中, pH和溶解氧與第一排序軸正相關(guān), 化學(xué)需氧量和總磷與第一排序軸負(fù)相關(guān), 總磷與第二排序軸負(fù)相關(guān)。

圖3說明, 湖泊3個采樣點受pH和溶解氧的影響較大, 河流各采樣點中, 除總磷和化學(xué)需氧量對R2有一定的影響, 環(huán)境因子對其余3個采樣點影響很小。由圖4可以看出, 物種S3、S4、S18、S19、S20、S21主要受pH和溶解氧影響, 這些物種的優(yōu)勢度在湖泊采樣點中較高; 物種S5、S8、S9、S10、S16、S17主要受化學(xué)需氧量和總磷影響, 這些物種在河流采樣點中有更高的優(yōu)勢度。

圖2 大型底棲動物聚類分析圖Fig. 2 The hierarchical cluster dendrogram of macrobenthos communities in sampling sites

表3 CCA排序結(jié)果Tab. 3 CCA ordination summary

表4 環(huán)境因子與 CCA 排序軸相關(guān)性Tab. 4 Relations between environment factors and axes

3 討論

3.1 底質(zhì)類型對城市河流、湖泊大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)的影響

城市河流和湖泊生態(tài)系統(tǒng)中, 大型底棲動物種類較少、群落結(jié)構(gòu)相對簡單。其中城市河流大型底棲動物的組成主要為水棲寡毛類和軟體動物, 這與蘇州河相關(guān)研究結(jié)果類似[11-12]。城市湖泊大型底棲動物主要組成為水棲寡毛類和搖蚊幼蟲, 這與蔡永久[13]、王琴[14]等人對湖泊大型底棲動物群落的研究結(jié)果類似。除 Margalef物種豐富度指數(shù)外, 河流與湖泊的其他群落指數(shù)相差不大。聚類分析將兩類生態(tài)系統(tǒng)中的大型底棲動物群落明顯分為兩組。

圖4 物種與環(huán)境因子的CCA排序圖Fig. 4 CCA of species

本文雖沒有專門做底質(zhì)對大型底棲動物群落影響的相關(guān)分析, 但是相關(guān)研究認(rèn)為水體的底質(zhì)是影響大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)的一大因素[15]。京杭運河徐州段的主要功能之一是航運, 船上裝載的河砂和煤炭碎渣沿途灑落到河流中, 使得河流底質(zhì)較云龍湖含有大量的河砂和煤渣。粉砂和泥質(zhì)砂類型的沉積物有利于河蜆的生存[16]。R3、R4采樣點周圍有轉(zhuǎn)運河沙的碼頭, 運輸河沙的船只在這一區(qū)域最密集,裝卸河砂時, 掉落到河流底質(zhì)的泥沙也最多, 所以這兩個采樣點大型底棲動物群落中, 有河蜆出現(xiàn)。市區(qū)湖泊云龍湖底質(zhì)構(gòu)成主要是淤泥, 泥沙的粒徑相比京杭運河要小的多, 采樣點位于開闊水域, 區(qū)域內(nèi)沒有水生植物的生長, 這些可能是湖泊采樣點少有采集到軟體動物的原因。粒徑較小的淤泥類底質(zhì), 且有機質(zhì)較為豐富, 有利于水棲寡毛類的生存[17], 所以湖泊大型底棲動物群落中水棲寡毛類的數(shù)量較多。水體富營養(yǎng)化、較低的大型底棲動物多樣性、缺少捕食者以及富含有機質(zhì)的底質(zhì)[18], 這些因素造成湖泊中搖蚊幼蟲個體密度較高。

3.2 城市河流、湖泊大型底棲動物影響因子分析

CCA結(jié)果顯示云龍湖大型底棲動物群落的主要影響因子是 pH和溶解氧, 原因在于不同種類的搖蚊對于pH[19]和溶解氧[20]的耐受范圍是不同的。前突搖蚊屬(Procladius)的種類對溶解氧要求并不十分高,所以這類搖蚊的分布較為廣泛。搖蚊亞科中的長跗搖蚊族的種類常不能耐受嚴(yán)重缺氧的條件, 喜居溶解氧高, 未遭污染的流動水體或寡營養(yǎng)湖泊中。搖蚊族的紅色具腹管的搖蚊, 如搖蚊屬(Chironomus)的幼蟲, 體內(nèi)含有血紅素, 這種血紅素對氧有極大的親和力, 故有無脊血紅素的紅色幼蟲, 比缺少無脊血紅素的非紅色幼蟲更能適應(yīng)在低濃度溶解氧下生活[4]。pH也是影響搖蚊幼蟲生長的環(huán)境因素之一。研究證明, pH 在 7—8之間搖蚊幼蟲成長狀況最好, pH 太高或者太低都會影響搖蚊幼蟲的正常生長[21]。

京杭運河徐州市區(qū)段大型底棲動物群落的主要影響因子是總磷和化學(xué)需氧量, 由于總磷含量和化學(xué)需氧量較高一般伴隨著有機污染和水體富營養(yǎng)化,所以大型底棲動物對水體的有機污染程度有很好的響應(yīng)[22]。水體中過多的營養(yǎng)物質(zhì)會進(jìn)入到沉積物中,水絲蚓以沉積物為食, 并不斷地通過肛門把深層沉積物以蚓糞形式排泄到沉積物表層[23]。

除以上環(huán)境因子外, 相關(guān)研究認(rèn)為水深、鹽度、溫度、總氮[24]、CODCr、透明度、銨氮和電導(dǎo)率[25]對大型底棲動物的分布也有一定影響。

環(huán)境因子對大型底棲動物的影響是一個非常復(fù)雜的過程, 具體的生物學(xué)和生態(tài)學(xué)機理還有待于進(jìn)一步研究。

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Characteristics of macrobenthic community structure and its relationship with environmental factors in the Xuzhou’s urban river and urban lake

LI Zhao1, CAI Kun2, DU Juan1, YANG Jing1, LI Yong1, HU Hongjuan1

1. Xuzhou Environmental Monitoring Center, Xuzhou 221002, China
2. Jiangsu Environmental Monitoring Center, Nangjing 210036, China

This study compared the macrobenthic community structure and its environmental factors between Beijing-Hangzhou grand canal and Yunlong Lake in the urban area of Xuzhou. We found a limited number of macrobenthic species associated with simple community structures in both ecosystems. Aquatic oligochaetes and molluscs were the major macrobenthos in the canal, while aquatic oligochaetes and insects dominated the lake. Except Margalef’s index, there was little difference in species richness indices between the two ecosystems. Mecrobenthic communities were accordingly divided into canal and lake groups by clustering analysis. The canonical correspondence analysis suggested that pH and DO were the major environmental determinants on the macrobenthic communities in Yunlong Lake, while TP and COD were the major determinants in the Xuzhou section of the grand canal.

macrobenthos, Beijing-Hangzhou grand canal, Yunlong Lake, Xuzhou

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.01.009

A

1008-8873(2016)01-061-06

2015-01-08;

2015-03-05

水體污染控制與治理國家科技重大專項(2013ZX07502001-005)

李朝(1985—), 男, 江蘇徐州人, 碩士, 工程師, 主要從事生物監(jiān)測方面的研究, E-mail： lizhaosithaca@163.com

李朝, 蔡琨, 杜娟, 等. 徐州城市河流和湖泊的大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)及影響因子分析[J]. 生態(tài)科學(xué), 2016, 35(1)： 61-66.

LI Zhao, CAI Kun, DU Juan, et al. Characteristics of macrobenthic community structure and its relationship with environmental factors in the Xuzhou’s urban river and urban lake[J]. Ecological Science, 2016, 35(1)： 61-66.