基于底棲動物群落季節(jié)性變化的北運(yùn)河水環(huán)境監(jiān)測評價(jià)

王 汨，張玥彤，汪 冰，徐宗學(xué)，殷旭旺，王博涵

（1.大連海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院遼寧省水生生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116023；2.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院水沙科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875）

國內(nèi)外對底棲動物的群落有著十分深入的研究[1-2]. 底棲動物扮演著捕食者、分解者、收集者等重要角色，其處于中間的營養(yǎng)層級，在水生態(tài)功能中也起著不可缺少的作用[3-4]. 水生態(tài)系統(tǒng)中環(huán)境變化能夠影響底棲動物的群落結(jié)構(gòu)，其種類的數(shù)量、多樣性、優(yōu)勢種等多個(gè)特征變化都能較好地映射出其生活水質(zhì)的變化[5-6]，因此很多研究者也都利用底棲動物對水環(huán)境的敏感反應(yīng)來監(jiān)測水質(zhì)，并且取得了很好的成果[7-8].

研究一年中底棲動物群落季度性變化，對評價(jià)水體及水生態(tài)系統(tǒng)有著重要意義. 近年來，北運(yùn)河水體受到各種不同程度的污染及威脅，導(dǎo)致其水生態(tài)系統(tǒng)中的環(huán)境惡化十分的明顯，河流中的水生生物群落也發(fā)生了很大的變化[2-6]，但對流經(jīng)北京市的北運(yùn)河的底棲動物的年際變化和水質(zhì)的年際變化調(diào)查研究相對較少，因此，本文開展北京地區(qū)北運(yùn)河的底棲動物與水質(zhì)的年際變化調(diào)查分析，以期更好地了解北運(yùn)河水環(huán)境治理的效果，為北運(yùn)河的河流治理和水生生物多樣性的恢復(fù)提供可靠信息及依據(jù).

1 材料和方法

1.1 北運(yùn)河采樣點(diǎn)位設(shè)置

北運(yùn)河發(fā)源于北京的昌平區(qū)和海淀區(qū)，水流朝向南方流入通州，流經(jīng)河北和天津，最終流入海河，因此北京地區(qū)的北運(yùn)河屬于海河流域的一條支流.北運(yùn)河全長近200 公里，上游水流速較快，下游曲折且泥沙較多，是重要的漕運(yùn)河道，北京地區(qū)的北運(yùn)河水系的功能也有很多，包括泄洪、輸水、調(diào)水等. 本文調(diào)查的點(diǎn)位設(shè)置主要是根據(jù)北運(yùn)河的地貌特征及水文監(jiān)測點(diǎn)位共同參考設(shè)立（圖1）.

圖1 北運(yùn)河采樣點(diǎn)位分布圖Fig.1 The sampling sites distribution in North Canal

1.2 底棲動物采集及環(huán)境因子測定

在不同的采樣點(diǎn)，采集相同平方數(shù)的底棲動物，現(xiàn)場處理采集的樣品，并用酒精固定. 實(shí)驗(yàn)室中將樣本存放在100 mL 的廣口瓶中，再次用酒精固定，進(jìn)行底棲動物的鑒定、解刨、記錄數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[9-13].

按照國家的標(biāo)準(zhǔn)測定方法[9-12]，在現(xiàn)場及實(shí)驗(yàn)室中測定各點(diǎn)位水中的環(huán)境因子，包括：總磷、水溫、溶解氧、總氮等多個(gè)指示性的驅(qū)動因子[9-13]. 測定后匯總整理數(shù)據(jù)[9-14].

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析

根據(jù)整理好的群落數(shù)據(jù)和水環(huán)境因子數(shù)據(jù)，計(jì)算底棲動物的物種數(shù)量、物種群落的密度占比、香農(nóng)威納指數(shù)和均勻度指數(shù)[13-17]. 整理并計(jì)算水環(huán)境因子的相關(guān)性[13-16].

運(yùn)用Canoco 4.5 進(jìn)行主成成分分析和典范對應(yīng)分析，并制圖. 運(yùn)用BioDiversity Pro 進(jìn)行群落多樣性指數(shù)的計(jì)算，在ArcMap 10.2 上進(jìn)行點(diǎn)位的制圖工作[13-17].

2 結(jié)果

2.1 底棲動物群落特征分析

2.1.1 底棲動物群落組成及結(jié)構(gòu)分析

本文共采集到29 種底棲動物物種，春、夏和秋季分別采集到的底棲動物為18 種、19 種和20 種. 蒼白搖蚊（Chironomus pallidivittatus）等物種僅在夏季采集到，扁蛭（Glossiphonia）等物種僅在秋季采集到. 采集到的常見物種有：溪流搖蚊（Chironomus riparius Meigen）、河蜆（Corbicula flu min ea）霍甫水絲蚓（Limnodrilus hoffmeisteri）等. 基眼目在春季和夏季均為7種，秋季為9種.雙翅目在春季是7種，夏季和秋季各是6種，其他類物種數(shù)均較少.春季和秋季采集到的顫蚓目密度較高，分別占77.18%和41.85%，夏季采集到的雙翅目密度最高，占62.07%. 春季雙翅目密度也較高，基眼目和顫蚓目在夏季密度占也比較高，秋季基眼目密度占比較高. 其他類群密度占比較低（圖2）.

圖2 北運(yùn)河底棲動物的群落特征值Fig.2 Species number and percentage of macroinvertebrate in North Canal

通過分析三個(gè)季節(jié)底棲動物群落的數(shù)量及密度，發(fā)現(xiàn)采集到的物種數(shù)相對較少，三個(gè)季節(jié)各采樣點(diǎn)位的物種平均值均為3.00 種；春季采集到的底棲動物各采樣點(diǎn)位的密度平均值最高，平均值為2 333.00 ind./L，夏季和秋季相對較低，平均值分別為1 020.00 ind./L 和270.00 ind./L；反映底棲動物群落的多樣性指數(shù)方面，香農(nóng)威納指數(shù)和均勻度指數(shù)普遍比較低，香農(nóng)威納指數(shù)的平均值僅有1.44、1.33和1.31，數(shù)值在1 ～2 之間，均勻度指數(shù)的均值也僅只有0.54、0.57和0.66（表1）.

表1 北運(yùn)河底棲動物群落特征數(shù)值分析Table 1 The group composition of macroinvertebrates in North Canal

2.2 底棲動物群落與環(huán)境因子的關(guān)系

夏季的水溫較高，春季水溫次之，秋季水溫較低，水體均呈堿性. 春、夏、秋各季節(jié)中測定的水環(huán)境因子含量高低各不相同，秋季氟化物在水中含量較高，夏季較低，溶解氧的含量在秋季最高，在春季含量最低，葉綠素a 則在三個(gè)季節(jié)中的平均含量變化不大，總氮、總磷高錳酸鉀指數(shù)等環(huán)境因子測定出的含量較高.各水環(huán)境因子的平均值如表2所示.

表2 北運(yùn)河節(jié)水環(huán)境因子測定數(shù)值（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差）Table 2 The environment factors in North Canal (Mean±SD)

對春、夏和秋季的水環(huán)境因子進(jìn)行主成份分析，發(fā)現(xiàn)春季的主要因子是高錳酸鉀指數(shù)、總磷、總氮和氨氮；夏季主要的因子是總磷、總氮、高錳酸鉀指數(shù)和溶解氧；秋季的主要因子是氨氮、高錳酸鉀指數(shù)、總氮和溶解氧（如圖3）.

圖3 北運(yùn)河水體環(huán)境因子主成分分析（PCA）Fig.3 Principal component analysis of hydrological environmental factors in North Canal

春、夏和秋季進(jìn)行典范對應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)，春季，氨氮是主要影響底棲動物群落的水環(huán)境因子，氨氮對第一軸的影響呈正相關(guān)性；夏季，總氮和溶解氧是主要影響底棲動物群落的水環(huán)境因子；秋季，氨氮和高錳酸鉀指數(shù)是主要影響底棲動物群落的水環(huán)境因子（如圖4）.

圖4 北運(yùn)河底棲動物群落與水環(huán)境因子的典范對應(yīng)性分析（CCA）Fig.4 Canonical correspondence analysis of species-environmental relationship in North Canal

2.3 北運(yùn)河水生態(tài)健康評價(jià)

底棲動物的群落特征指數(shù)可以反應(yīng)出底棲動物生活的環(huán)境質(zhì)量與狀況，經(jīng)常被用來作為參數(shù)對城市的水生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行評價(jià)（如表3）.本文測得春、夏和秋季的各點(diǎn)位底棲動物群落的香農(nóng)威納指數(shù)分別為1.44、1.33 和1.31，平均值均在1 ～2 之間，僅用香農(nóng)威納指數(shù)法來判定，則三個(gè)季節(jié)中的水體均呈中度污染[18-21].

表3 北運(yùn)河底棲動物群落多樣性指數(shù)的水生態(tài)健康標(biāo)準(zhǔn)Tabel 3 According to diversity index of macroinvertebrates community evaluate ecological health in North Canal

3 討論

3.1 底棲動物群落特征分析

本文調(diào)查共鑒定出29 種物種，秋季采集物種數(shù)最高，為20 種，春季最低，為18 種. 顫蚓目密度在春季和秋季占優(yōu)勢，顫蚓目主要以水絲蚓屬為主；雙翅目密度在夏季占有絕對優(yōu)勢，雙翅目則以搖蚊屬為主. 搖蚊和水絲蚓這兩類底棲動物喜歡生活在污水中，腐殖質(zhì)、微生物、有機(jī)物、無機(jī)物含量豐富的水體很適合這兩類物種，對它們的生長和繁殖都有幫助[18-23]. 這兩類物種較多，說明本文調(diào)查的水體受到了污染.

底棲動物多樣性指數(shù)可以很好地反映底棲動物的群落變化及水體的變化特征，為生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測和評價(jià)提供了指示標(biāo)準(zhǔn)[18-23]. 本次采集的各季節(jié)的底棲動物香農(nóng)威納指數(shù)的平均值均在1 ～2之間，根據(jù)底棲動物群落多樣性指數(shù)的水生態(tài)健康標(biāo)準(zhǔn)，不難發(fā)現(xiàn)，本次調(diào)查的水體呈中度污染. 污染原因可能是因?yàn)槿祟惖幕顒蛹案餍袠I(yè)的廢水的排量較大，且沒有很好地處理城市污水等因素造成的.

3.2 底棲動物群落與環(huán)境因子的關(guān)系

根據(jù)分析結(jié)果可以看出，總氮和溶解氧主要影響的是夏季的底棲動物，高錳酸鉀指數(shù)主要影響的是秋季的底棲動物. 春季水中氨氮含量最高，秋季水中氨氮含量最低，氨氮在水中，主要以氨離子的存在，會影響底棲動物的呼吸作用，氨氮還會影響到底棲動物的攝食，影響生長的速度. 春季和秋季物種體型相對較小，就是氨氮的作用之一[23-25]. 總氮主要影響底棲動物的生存環(huán)境，使水體富營養(yǎng)化，搖蚊和水絲蚓都喜歡生活在這樣的環(huán)境中，夏季搖蚊數(shù)量最高，就是原因之一[21-25]. 溶解氧和高錳酸鉀指數(shù)都能反映水體有機(jī)物的污染程度，溶解氧的含量的大小會直接影響到底棲動物群落的生長繁殖及呼吸作用，溶解氧同樣是水中污染程度的重要的指標(biāo)之一. 高錳酸鉀在秋季的含量最高，同溶解氧一樣，對有機(jī)物的污染有很重要的指示作用，會很影響水體中的底棲動物生活[21-27]，秋季高錳酸鉀指數(shù)對底棲動物的影響較為明顯.