基于底棲動(dòng)物群落的時(shí)空特征分析 群落驅(qū)動(dòng)要素及河流健康狀況

楊增元 相 華 王志遠(yuǎn) 張子森

底棲動(dòng)物是河流生態(tài)系統(tǒng)中重要的生態(tài)類群，在水生態(tài)系統(tǒng)中作用巨大，是微生物、藻類、魚和鳥類之間重要的營養(yǎng)紐帶，在水底起著加速碎屑分解、促進(jìn)泥水界面物質(zhì)交換和水體自凈的作用，是河流生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量代謝重要的環(huán)節(jié)，也是了解河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能及健康狀況的關(guān)鍵類群。底棲動(dòng)物生存周期長，棲息地點(diǎn)穩(wěn)定，易于采集，對環(huán)境變化敏感，可反映河流綜合生態(tài)條件，因此被廣泛應(yīng)用于水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測。

鑒于底棲動(dòng)物在水生態(tài)系統(tǒng)有著巨大的作用，同時(shí)也被廣泛用于水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的指標(biāo)。該研究利用濟(jì)南市3次底棲動(dòng)物和環(huán)境因子采樣數(shù)據(jù)，分析底棲動(dòng)物和環(huán)境因子的相關(guān)性，并對河流健康進(jìn)行評價(jià)。通過底棲動(dòng)物評價(jià)得出的健康狀況，為相關(guān)部門制定水生態(tài)防護(hù)措施提供科學(xué)依據(jù)。

一、研究區(qū)概況及采樣點(diǎn)分布

濟(jì)南市位于山東省中西部，南依泰山，北跨黃河，背山面水，分別與西南部的聊城、北部的德州和濱州、東部的淄博、南部的泰安和萊蕪交界。從地形上濟(jì)南市可分為三帶：北部臨黃帶，中部山前平原帶，南部丘陵山區(qū)帶。三個(gè)區(qū)域水網(wǎng)密集，水生態(tài)系統(tǒng)類型復(fù)雜，代表性的水生態(tài)類型有泉水、河流、水庫、湖泊、濕地、城市水控閘壩等。根據(jù)研究區(qū)具體狀況，選取了48處采樣點(diǎn)。

二、數(shù)據(jù)采集

上述48處采樣點(diǎn)分別于2015年5月、9月、10月進(jìn)行了三次調(diào)查采樣和環(huán)境因子監(jiān)測。采樣點(diǎn)位用MAGELLAN全球定位系統(tǒng)（eXplorist-200）記錄地理坐標(biāo)和海拔高度（Elev，m）。采集樣品主要包括水質(zhì)及底棲動(dòng)物兩大類。水質(zhì)分為野外和實(shí)驗(yàn)室測定兩大環(huán)節(jié)，野外所測指標(biāo)有水溫（Temp）、電導(dǎo)率（Cond）、鹽度（Saline）、溶解氧（DO）、濁度（SS）、pH、水深（Depth）和流速（Velo）。實(shí)驗(yàn)室測定指標(biāo)有鈣（Ca）、氯化物（Cl-）、硫酸鹽、碳酸鹽、重碳酸鹽、總氮（TN）、氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽氮、化學(xué)需氧量（COD）、生化需氧量（BOD5）、砷（As）、鉻（Cr）、汞（Hg）、鋅（Zn）、錳（Mn）、鎘（Ge）、鉛（Pb）、銅（Cu）、鐵（Fe）、氟化物（F-）、硒（Se）、總磷（TP）、堿度（Alk）、硬度（TD）和高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）。底棲動(dòng)物采樣使用的定量采樣工具主要包括索伯網(wǎng)和彼得遜采泥器，兩者采樣方法不同。

1.使用索伯網(wǎng)采集

索伯網(wǎng)是進(jìn)行河流底棲動(dòng)物采樣的常用工具，根據(jù)采樣需求，可選用40目或60目、采樣框尺寸0.3m×0.3m或0.5m×0.5m的，主要適用于水深小于30cm的山溪型河流或河流的淺水區(qū)。

2.使用彼得遜采泥器采集

彼得遜采泥器依據(jù)采樣框面積分為三種：1/8m2、1/16m2、1/32m2，具體采樣框應(yīng)根據(jù)采樣需求選擇不同的面積。主要適用于采集以淤泥和細(xì)沙為主的軟底質(zhì)生境。

三、數(shù)據(jù)分析

利用野外所測的環(huán)境因子和底棲動(dòng)物進(jìn)行相關(guān)性分析，對濟(jì)南城市河流健康做出評價(jià)。

CCA典型相關(guān)分析（canonical correlation analysis），利用綜合變量對之間的相關(guān)關(guān)系來反映兩組指標(biāo)之間的整體相關(guān)性的多元統(tǒng)計(jì)分析方法。基本原理是：為了從總體上把握兩組指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系，分別在兩組變量中提取有代表性的兩個(gè)綜合變量U1和V1（分別為兩個(gè)變量組中各變量的線性組合），利用這兩個(gè)綜合變量之間的相關(guān)關(guān)系來反映兩組指標(biāo)之間的整體相關(guān)性。

基于底棲動(dòng)物的水生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)中，采用生物完整性（B-IBI）指數(shù)進(jìn)行評價(jià)。生物完整性是指可定量描述人類干擾與生物特性之間的關(guān)系，且對干擾反應(yīng)敏感的一組生物指數(shù)。

四、分析結(jié)果

采用上述分析方法和數(shù)據(jù)，分別繪制不同月份底棲動(dòng)物與各項(xiàng)因子CCA分布圖及底棲動(dòng)物健康指數(shù)月變化圖，見圖 1～10。

圖1 濟(jì)南市5月底棲動(dòng)物與物理因子CCA分布圖

圖2 濟(jì)南市9月底棲動(dòng)物與物理因子CCA分布圖

圖3 濟(jì)南市10月底棲動(dòng)物與物理因子CCA分布圖

圖4 濟(jì)南市5月底棲動(dòng)物與化學(xué)因子CCA分布圖

圖5 濟(jì)南市9月底棲動(dòng)物與化學(xué)因子CCA分布圖

圖6 濟(jì)南市10月底棲動(dòng)物與化學(xué)因子CCA分布圖

圖7 濟(jì)南市5月底棲動(dòng)物與水文因子CCA分布圖

圖8 濟(jì)南市9月底棲動(dòng)物與水文因子CCA分布圖

圖9 濟(jì)南市10月底棲動(dòng)物與水文因子CCA分布圖

圖1為濟(jì)南市5月底棲動(dòng)物與物理因子CCA分析結(jié)果，以p＜0.05差異顯著的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行Monte-Carlo篩選，篩選出對濟(jì)南市底棲動(dòng)物分布與物流因子差異不顯著，差異相對顯著的物理因子為pH（p=0.276）。其中位于濟(jì)南顧小莊浮橋于pH因子響應(yīng)關(guān)系明顯，對應(yīng)的敏感底棲動(dòng)物物種為中華小長臂蝦。

圖10 濟(jì)南市底棲動(dòng)物健康指數(shù)對比圖（依次為5月、9月、10月）

圖2為濟(jì)南市9月底棲動(dòng)物與物理因子CCA分析結(jié)果，以p＜0.05差異顯著的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行Monte-Carlo篩選，篩選出對濟(jì)南市底棲動(dòng)物分布差異顯著的物理因子為電導(dǎo)率（p=0.026）。其中位于濟(jì)南陳屯橋于pH因子響應(yīng)關(guān)系明顯，對應(yīng)的敏感底棲動(dòng)物物種為左旋螺。

圖3為濟(jì)南市10月底棲動(dòng)物與物理因子CCA分析結(jié)果，以p＜0.05差異顯著的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行Monte-Carlo篩選，10月濟(jì)南市底棲動(dòng)物分布差異顯著的物理因子不顯著，相對顯著的因子為氣溫（p=0.192）。其中位于濟(jì)南濼口于10月氣溫因子響應(yīng)關(guān)系明顯，對應(yīng)的敏感底棲動(dòng)物物種為短溝蜷。

圖4為濟(jì)南市5月底棲動(dòng)物與化學(xué)因子CCA分析結(jié)果，以p＜0.05差異顯著的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行Monte-Carlo篩選，篩選出對濟(jì)南市浮游植物分布差異顯著的化學(xué)因子為鉀離子（p=0.042）。濟(jì)南石河對鉀離子響應(yīng)關(guān)系明顯，主要的敏感底棲動(dòng)物物種為霍甫水絲蚓。

圖5為濟(jì)南市9月底棲動(dòng)物與化學(xué)因子CCA分析結(jié)果，以p＜0.05差異顯著的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行Monte-Carlo篩選，篩選出對濟(jì)南市浮游植物分布差異顯著的化學(xué)因子為鈉離子（p=0.002）。濟(jì)南明輝路橋?qū)︹c離子響應(yīng)關(guān)系明顯，主要的敏感底棲動(dòng)物物種為直緣蘿卜螺。

圖6為濟(jì)南市10月底棲動(dòng)物與化學(xué)因子CCA分析結(jié)果，以p＜0.05差異顯著的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行Monte-Carlo篩選，篩選出對濟(jì)南市浮游植物分布差異顯著的化學(xué)因子為高錳酸鉀指數(shù)（p=0.042）和亞硝酸鹽（p=0.030）。濟(jì)南鴨旺口對高錳酸鉀指數(shù)響應(yīng)關(guān)系明顯，主要的敏感底棲動(dòng)物物種為筍錐螺。

圖7為濟(jì)南市5月底棲動(dòng)物與水文地貌因子CCA分析結(jié)果，以p＜0.05差異顯著的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行Monte-Carlo篩選，篩選結(jié)果顯示，濟(jì)南市底棲動(dòng)物的水文地貌因子相對差異不顯著，對應(yīng)濟(jì)南市底棲動(dòng)物的水文地貌因子相對差異顯著的水文地貌因子為流速（p=0.148）。其中濟(jì)南顧小莊浮橋?qū)α魉夙憫?yīng)關(guān)系明顯，中華小長臂蝦對水體流速具有響應(yīng)性。

圖8為濟(jì)南市9月底棲動(dòng)物與水文地貌因子CCA分析結(jié)果，以p＜0.05差異顯著的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行Monte-Carlo篩選，篩選結(jié)果顯示，對應(yīng)濟(jì)南市底棲動(dòng)物的水文地貌因子相對差異顯著的水文地貌因子為水深（p=0.048）。其中濟(jì)南顧小莊浮橋?qū)α髁宽憫?yīng)關(guān)系明顯，秀麗白蝦對水體流量具有響應(yīng)性。

圖9為濟(jì)南市10月底棲動(dòng)物與水文地貌因子CCA分析結(jié)果，以p＜0.05差異顯著的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行Monte-Carlo篩選，篩選結(jié)果顯示，濟(jì)南10月無對應(yīng)濟(jì)南市底棲動(dòng)物的水文地貌因子，相對差異顯著的水文地貌因子為流量。其中濟(jì)南顧小莊浮橋?qū)α髁宽憫?yīng)關(guān)系明顯，秀麗白蝦對水體流量具有響應(yīng)性。

從圖10可以看出，5月底棲動(dòng)物健康評價(jià)（B-IBI）顯示，濟(jì)南南部山區(qū)底棲動(dòng)物健康狀況較好，濟(jì)南城區(qū)周邊底棲動(dòng)物健康狀況不佳。濟(jì)南市梁府莊、板橋、顧小莊浮橋區(qū)域底棲動(dòng)物健康評價(jià)結(jié)果偏低。最好的區(qū)域位于并渡口和黃巢水庫附近，在這一流域典型清潔物種東方蜉（EpHemera orientalis）各個(gè)季節(jié)均有發(fā)現(xiàn)。進(jìn)入9月，底棲動(dòng)物健康評價(jià)（B-IBI）顯示結(jié)果大體規(guī)律和5月相同，但南部區(qū)域部分點(diǎn)位由良好轉(zhuǎn)為一般，整體狀況略差于5月。10月，除并渡口、臥虎山流域和東部區(qū)域整體狀況較好，其他區(qū)域整體底棲動(dòng)物健康狀況偏差，很多點(diǎn)位底棲動(dòng)物物種多樣性明顯降低。

五、結(jié)論

該研究基于濟(jì)南城市河流底棲動(dòng)物野外采樣的工作，利用典型相關(guān)法和棲息地適應(yīng)性指數(shù)法，對底棲動(dòng)物與環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)性分析。評價(jià)結(jié)果顯示：5月，濟(jì)南南部山區(qū)底棲動(dòng)物健康狀況較好，城區(qū)周邊底棲動(dòng)物健康狀況不佳，梁府莊、板橋、顧小莊浮橋區(qū)域底棲動(dòng)物健康評價(jià)結(jié)果偏低，最好的區(qū)域位于并渡口和黃巢水庫附近，在這一流域典型清潔物種東方蜉（EpHemera orientalis）各個(gè)季節(jié)均有發(fā)現(xiàn)；9月，南部區(qū)域部分點(diǎn)位由良好轉(zhuǎn)為一般，整體狀況略差于5月；10月，并渡口、臥虎山水庫流域和東部區(qū)域整體狀況較好，其他區(qū)域整體狀況偏差，很多點(diǎn)位底棲動(dòng)物物種多樣性明顯降低。通過底棲動(dòng)物評價(jià)河流健康狀況，可為相關(guān)部門制定或完善水生態(tài)防護(hù)措施提供科學(xué)依據(jù)。

本文所用的數(shù)據(jù)是野外實(shí)際采樣獲取的，相對真實(shí)、可靠，但在采樣過程中，難免會(huì)出現(xiàn)不確定性和隨機(jī)性，未來需要在不確定性和隨機(jī)性方面繼續(xù)進(jìn)行改進(jìn)■