城鎮化對湟水河上游水質和底棲動物群落結構的影響

李 寧,陳阿蘭,楊春江,孫瑜旸,馬國良,馬 琪

青海大學,西寧 810016

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城鎮化對湟水河上游水質和底棲動物群落結構的影響

李 寧*,陳阿蘭,楊春江,孫瑜旸,馬國良,馬 琪

青海大學,西寧 810016

湟水河；城鎮化；大型底棲無脊椎動物；不透水地表面積比(PIA)

青藏高原是亞洲多條大江大河的發源地,境內河流縱橫,湖泊星羅棋布,被稱為“中華水塔”。同時青藏高原植被覆蓋度低,土層薄,水土流失嚴重,生態環境脆弱、敏感,在城鎮化的過程中尤其要關注對于高原水生態環境的監測和保護。

青藏高原城鎮化自20世紀90年代開始發展迅速,牧區興建居民點,農區撤村并鄉、撤鄉并鎮,城市規模不斷擴大[1- 2]。然而城市化作為衡量一個國家發展水平的重要標志,在一定程度上增大了人類社會與生態環境之間的相互作用,從而引發了一系列的社會-環境-生態問題。城鎮化過程中造成包括建筑物、道路、廣場、居民區等不透水地表面積比(PIA)迅速增加,農田、林地和草地面積迅速下降,自然河道的渠道化改造。土壤接納降水量急劇下降,地表徑流系數和徑流量增加,極端降水時間增多。平時基流量大幅減少,暴雨后河水暴漲,沖刷堤岸,城市段河流淤積物增加[3]。降雨后富含氮磷等成分的雨水和城市生活污水通過地表徑流和城市管網排入溪流。加之城市附近的工礦企業排放的工業污水,造成河流氮磷等營養鹽及有毒化學品進入河流。隨著城市溪流水文變化的加劇以及溪流生境和水質的退化,溪流水生生物豐富度急劇下降,敏感物種大量消失,耐污種類密度急劇增加[4]。

衡量流域內城鎮化強度大小的指標可用流域內不透水地表面積比例(PIA)表示,即流域內城市住宅、工業、商業、道路等占用土地面積占流域總面積的比例,用以研究城鎮化對溪流水生生物的影響。研究表明,PIA與底棲動物群落之間存在著線性或非線性的關系,隨著PIA值的升高,底棲動物多樣性開始持續下降,當PIA增大到一定閾值后,底棲動物多樣性會保持基本不變或持續下降[5- 8]。

本文以青藏高原黃河重要支流湟水河為例,探討高原地區城鎮化對溪流水質和生物的影響,并以PIA作為城鎮化強度的量化指標,分析其與底棲動物群落間的關系,為我國西北高原地區城鎮化建設過程中的規劃管理、溪流生態保護與修復提供科學數據。

1 研究地區、內容與方法

1.1 研究地區概況

湟水河為黃河上游最大的支流,源頭為青藏高原祁連山脈的包呼圖山,海拔4400 m,于甘肅永靖縣匯入黃河,全長349 km。其上游為源頭至西寧市小峽口段,河流長184 km,小峽口海拔2178 m,湟水河上游跨越青藏高原和黃土高原(36.55°—37.29°N,100.80°—101.92°E),流域總面積16100 km2,流域內地勢西北高、東南低,高山深谷。氣候屬于典型大陸性氣候,垂直變化明顯,且地域差異大。愈向上游氣溫愈低,降水量增大,蒸發量減小,多潮濕沼澤地。流域年平均氣溫0.6℃—7.9℃,年均降水量500 mm,局部地區可達600 mm。湟水干流谷地6—9月降水占全年降水量的70%左右,且多暴雨。無霜期西北部山區為31 d,東南部丘陵區為130—180 d。

圖1 湟水河上游27個采樣點分布 Fig.1 locations of 27 sampling sites in the upstream of Huangshui River

湟水河為羽狀水系,發源于祁連山脈及其支脈,高山大川,源頭人跡罕至,地理隔絕明顯。為保證多樣性數據采樣的完整性,設湟水河流域源頭參照樣點7個,其中干流樣點1個,一級支流6個。湟水河源頭至西寧市段城鎮化程度逐漸增強,從牧區村鎮、牧業區縣城、農區村鎮、農區縣城、西寧市郊至城鎮化程度最高的西寧市,干擾樣點設置原則為：在每一城鎮及其上游3—5 km和下游1 km各設1個采樣點,各支流匯入點設1個采樣點,共20個干擾樣點(圖1)。

1.2 流域內土地利用類型計算

從青海省國土資源廳獲得研究區域2010年第二次土地利用狀況調查土地利用類型數據,結合30 m分辨率的TM影像監督分類結果,獲得研究區域內不同的土地利用類型。然后將研究區域DEM格式轉換為SWAT格式,提取河網與不同低級流域的界限,再將河網、流域及不同土地利用類型的圖層進行疊加,利用ArcGIS 10.2劃分每個采樣點上游流域的邊界,并利用1∶50000的電子地圖對這些邊界進行校正。將流域內土地利用類型按照草地、林地、耕地和城市用地4個類群進行分類匯總,并進行量化,最后計算出草地、林地、耕地和城市用地面積。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 水體理化指標測定

1.3.2 大型底棲無脊椎動物

1.4 數據處理

多樣性指數和豐富度指數計算參照Shannon[16]及Ganfin[17]的方法,用Duncan檢驗對數據進行參照和干擾樣點間環境和生物參數的方差分析和差異顯著性檢驗(α=0.05)。環境變量和生物指標與土地利用類型間的Spearman 秩相關分析在SPSS 22.0軟件中進行。不透水地表面積比(PIA)與生物指標進行曲線擬合在Origin 8.0軟件中完成。

2 結果分析

2.1 理化指標與土地利用的關系

2.2 底棲動物群落與土地利用的關系

2.2.1 底棲動物群落組成及數量

調查共采集到大型底棲動物31科58屬60個分類單元,共5738頭。其中昆蟲綱7目46個分類單元,占所有底棲動物種類的76.67%,昆蟲個體數共4301頭,占所有底棲動物數量的74.96%。軟體動物門2個分類單元(3.3%)；環節動物門、甲殼綱各1個分類單元(1.67%)。

2.2.2 生物指標與土地利用關系

總分類單元數、Shannon多樣性指數、豐富度指數、EPT(%)及捕食者(%)、撕食者(%)、濾食者(%)、刮食者(%)、敏感類群(%)與PIA呈顯著負相關,與林地(%)和草地(%)呈顯著正相關。但BI指數、集食者(%)、耐污類群(%)、寡毛綱(%)與PIA呈顯著正相關,與草地(%)和林地(%)呈顯著負相關(表2)。

表1 采樣點環境變量值及其與土地利用的關系

*P<0.05; **P<0.01

表2 采樣點底棲動物群落參數與土地利用的關系

EPT: 水生昆蟲中蜉蝣目Ephemeroptera、襀翅目Plechopetra和毛翅目Trichopetra;*P<0.05; **P<0.01

總分類單元數、豐富度指數、Shannon多樣性指數和EPT(%)與PIA進行線性或指數擬合結果見圖2。隨著PIA值的升高,4項指標呈現明顯的下降趨勢,Shannon多樣性指數、豐富度指數與PIA呈顯著的線性關系,兩項值持續下降并趨于零；總分類單元數、EPT(%)則呈非線性關系。前者下降后穩定在一定范圍內,而EPT(%)在PIA達到約40%是則完全消失。

圖2 總分類單元數、Shannon多樣性指數、豐富度及EPT與PIA的關系Fig.2 Relationships between total number of taxa, Shannon diversity index, richness index, EPT individuals and PIA

除集食者外,底棲動物取食功能類群與PIA呈現顯著的非線性關系,隨著PIA值升高,集食者數量持續增加,捕食者、撕食者、刮食者和濾食者的數量卻隨PIA值升高快速下降直至全部消失(圖3)。

敏感類群(%)、寡毛綱(%)與PIA同樣呈現顯著的非線性關系,而BI指數和耐污類群(%)與PIA 呈現顯著的線性關系。隨著PIA值的升高,BI指數、寡毛綱(%)和耐污類群(%)持續升高。敏感類群(%)在PIA值升至6%時即降低到最低水平并保持穩定(圖4)。

3 討論

3.1 理化指標與PIA的關系

3.2 生物指標與PIA的關系

本研究表明,首先,總分類單元數、EPT(%)和捕食者(%)、撕食者(%)、濾食者(%)、刮食者(%)及敏感

圖3 底棲動物取食功能團與PIA的關系Fig.3 Relationships between functional groups of macrobenthos and PIA

圖 4 敏感類群、BI指數、寡毛綱和耐污類群與PIA關系Fig.4 Relationships between sensitive taxa, BI index, oligochaeta, tolerance taxa and PIA

類群(%)與PIA呈顯著負相關,與林地(%)、草地(%)呈顯著正相關。而BI指數、集食者(%)、耐污類群(%)和寡毛綱(%)與PIA呈顯著正相關,與草地(%)、林地(%)呈顯著負相關。這與Walsh等[3]提出的觀點一致。即隨著城鎮化強度的增加,水體中的底棲動物敏感類群減少,耐污類群增加,寡毛綱逐漸成為優勢類群。其次,從取食功能類群方面來看,隨著PIA值的升高,溪流中的藻類等周叢生物數量減少,食物缺乏導致刮食者數量減少；由于流速降低及水文條件的改變,撕食者、濾食者和捕食者的數量也不斷減少,但水中有機碎屑沉積和增加導致了集食者增多[20-21]。第三,從生物指標與PIA之間曲線擬合來看,劉東曉[18]的研究顯示均為非線性關系,而本研究顯示底棲動物生物指標中Shannon多樣性指數、豐富度指數、集食者(%)、耐污類群(%)和BI指數與PIA呈現線性相關,與King[7]等和Walsh[3]等的結論基本一致。分析原因,青藏高原溪流的特點是海拔高、水溫低、污染少,水體中營養物質少,地理隔絕現象明顯,底棲生物種類較少,但數量相對較高,對于干擾反應表現出線性的關系。而對于非線性的關系而言,表明PIA對生物指標的影響存在著一個閾值。當PIA值升高到6%時,底棲生物中的敏感類群(%)迅速降低到很低的水平直至消失(圖4)。這與Beach[22]和Stepenuck[23]等提出的PIA大于10%或在8%—12%時,底棲動物群落就有可能發生突變的結論基本一致,但本研究顯示其閾值更低,上述結論都還有待于今后更多的數據予以驗證。

4 結論

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Impacts of urbanization on water quality and macrobenthos community structure upstream in the Huangshui River

LI Ning*, CHEN Alan, YANG Chunjiang, SUN Yuyang, MA Guoliang, MA Qi

QinghaiUniversity,Xining810016,China

Huangshui River; urbanization; macro-benthic invertebrate; percentage of impervious area (PIA)

國家自然科學地方基金資助項目(31560601)；青海省自然基金資助項目(2014-ZJ- 905)

2016- 03- 12; 網絡出版日期:2017- 02- 17

10.5846/stxb201603120438

*通訊作者Corresponding author.E-mail: newlining@sina.com

李寧,陳阿蘭,楊春江,孫瑜旸,馬國良,馬琪.城鎮化對湟水河上游水質和底棲動物群落結構的影響.生態學報,2017,37(10):3570- 3576.

Li N, Chen A L, Yang C J, Sun Y Y, Ma G L, Ma Q.Impacts of urbanization on water quality and macrobenthos community structure upstream in the Huangshui River.Acta Ecologica Sinica,2017,37(10):3570- 3576.