蓮花洲港不同涵養區域底棲動物群落短期變化研究

葉麗娟，王 珂，劉紹平，段辛斌，陳大慶，鄭永華

(1.中國水產科學研究院長江水產研究所，國家農業科學重慶觀測實驗站，武漢 430223；2.西南大學水產學院，重慶 400715)

長江干線武漢至安慶段6 m水深航道整治工程的實施發揮了長江黃金水道的價值，提高了長江航運整體通過能力，但不可避免地對附近河道水生生境造成了一定的影響。楊雪[1]、葉屬峰等[2]研究表明，航道工程的實施造成了底棲動物、浮游生物密度和生物量的下降。為了平衡開發與保護，武漢至安慶段航道整治工程圍繞“生態優先”的整治原則，以生境修復和生態涵養為目的，設計實施了一系列生態建設工程。其中，在東流水道蓮花洲港建設了生態涵養區，鋪設透水框架和魚巢排等結構，以營造水生生物庇護場所，改善水生生物棲息環境。

涵養工程的實施促進了江段底沙沉積[3，4]。隨著底沙沉積，有機質逐漸富集[5]，水生植物、底棲動物等也得到一定恢復。底棲動物是食物鏈的重要一環。由于各類底棲動物對環境條件的適應性以及對污染程度的耐受力和敏感程度不同，故其種群結構、優勢種類、數量等參數可用來反映水環境質量狀況[6]。隨著生態涵養區實施年份的增加，其涵養效果如何，水環境是否有改善，均可通過底棲動物作為切入點進行研究。

目前，對底棲動物演替的研究已經比較成熟[7-10]，但是對長江涵養工程區域底棲動物的演替并未涉及。本研究通過對長江下游蓮花洲港生態涵養區大型底棲動物的多年調查，揭示底棲動物群落結構的短期變化，并且結合不同構筑物類型，了解不同涵養區域底棲動物群落變化的差異，以期為促進生態涵養區在其他水域推廣和應用提供數據支撐，推動長江航道綠色發展。

1 材料與方法

1.1 研究區域

蓮花洲港生態涵養區位于武漢至安慶段的東流水道，下距安慶市41 km，是武漢至安慶段6 m水深整治工程重點項目之一，該區域整體禁航，并設置了兩處生境改良區。其中，第一處生境改良區為魚巢排區，該區域放置2 m(長)×2 m(寬)×0.5 m(厚)田字形鋼混透空格柵，橫向放置80件、縱向放置25件，各構件相互間隔1 m，形成陣列。第二處生境改良區為透水框架區，該區域放置為“W型”的透水框架帶，透水框架帶與水流方向成30°夾角，長240 m，寬10 m，每平方米三層6架。

1.2 采樣點布設

為探究生態涵養區底棲動物群落的變化，于2019年10月、2020年11月、2021年的10月對東流水道蓮花洲港生態涵養區進行了采樣調查，蓮花洲生態涵養區建設完工于2019年6月，6、7月份為豐水期，采樣難度大，采樣結果不準確，不能很好地解釋底棲動物的變化情況，因此選取了10月份、11月份(平水期)為采樣時間點；為了解不同涵養區底棲動物變化的差異，本研究在生態涵養區設置5個斷面，分別位于洲頭、洲中、洲尾、透水框架區和魚巢排區，共15個采樣點(見表1、圖1)。

圖1 蓮花洲港采樣點圖Fig.1 Sampling sites for macrozoobenthos in Lianhua Island port

表1 蓮花洲港采樣點坐標Tab.1 Coordinates of sampling points in Lianhua Island port

1.3 調查方法

1.3.1 水體理化指標的測定

水溫(WT)、溶解氧(DO)、pH采用YSI水質分析儀(YSI Pro 2000，美國)測定，流速(FV)、透明度(SD)、水深(WD)分別使用旋杯式流速儀[11]、薩氏盤(Secchi)、采泥器繩和卷尺測定。總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)、硝態氮(NO3-N)和化學需氧量(CODCr)等環境因子現場采集水樣后帶回實驗室，通過Hach DR1900可見分光光度計進行測定。

1.3.2 底棲動物的采集與鑒定

使用采樣面積為(1/16)m2的Petersen底樣采集器進行底棲動物的采樣，每個采樣點采集2～3次。采集的底泥使用40目銅篩網進行篩洗，篩洗后的底泥與底棲動物混合物裝入標記后的樣品瓶，之后帶回實驗室進行分揀，分揀出的底棲動物用75%的酒精固定。使用OLYMPUS SZ61解剖鏡和OLYPUS BX51顯微鏡進行底棲動物的鑒定，參考文獻[12，13]將底棲動物鑒定至盡可能低的分類單元，然后計數和稱重。計數時，若樣本損壞，只需記錄頭部。稱量濕重時，先用濾紙吸干樣本表面的水分[14]。

1.4 數據分析

底棲動物群落特征評價采用以下指數：Margalef豐富度指數(D)、ShannonWiener多樣性指數(H′)、Pielou均勻度指數(J)、優勢度(Y)，若Y≥0.02，表明該底棲動物為優勢種[15]。

使用Excel 2016進行數據的整理和基礎計算。運用SPSS 22.0進行單因素方差分析(One-way ANOVA)和雙因素方差分析(Two-way ANOVA)。

2 結果

2.1 環境參數的變化

單因素方差表明(表2)，環境參數DO、TN、FV在不同時間、不同區域呈現顯著性差異。WT、DO、TN、pH、FV、SD均呈現較顯著的年際差異。

表2 2019-2021年調查區域環境參數變化Tab.2 The changes of regional environmental parameters were investigated from 2019 to 2021

其中，不同年份透水框架區流速均小于魚巢排區，魚巢排區、透水框架區FV呈現逐年降低的趨勢，透水框架區透明度在2020年11月、2021年10月均大于魚巢排區。FV、SD可能是影響不同區域、不同時間底棲動物分布差異的主要環境因素。

2.2 物種組成

2019-2021年共采集到大型底棲動物32種，隸屬于6綱(昆蟲綱、甲殼綱、雙殼綱、腹足綱、寡毛綱、多毛綱)3門(環節動物門、節肢動物門、軟體動物門)。不同時間、不同區域底棲動物狀況見表3，結果顯示，總體上底棲動物物種數呈現逐年上升的趨勢。

表3 不同區域、點位數底棲動物物種數變化情況Tab.3 Sampling point diagram of Lianhua Island port

底棲動物優勢種及優勢度如表4所示，從總體上看，2021年甲殼綱的日本大螯蜚(Grandidierellajaponica)為絕對優勢種，且優勢度相對于2019年顯著增大。魚巢排區優勢種由2019年甲殼綱的日本大螯蜚轉變為2021年甲殼綱的日本大螯蜚、昆蟲綱的馬速達多足搖蚊(Polypedilummasudai)、多毛綱的圍沙蠶一種(Perinereissp)；透水框架區底棲動物優勢種種類呈現逐年增加的趨勢，由2019年的1種，增加至2020年的3種，2021年的4種；其他區域底棲動物優勢種種類數目在2020年有所下降，到2021年顯著增加。

表4 不同區域底棲動物優勢種的優勢度Tab.4 The dominance of dominant benthic species in different regions

2.3 密度及生物量的變化

2019-2021年調查結果顯示(見圖2、3)，總體上，2019年10月底棲動物平均密度為13.51 ind/m2，平均生物量為0.04 g/m2；2020年11月底棲動物平均密度為26.31 ind/m2，平均生物量為2.07 g/m2；2021年10月底棲動物平均密度為88.53 ind/m2，平均生物量為2.96 g/m2，大型底棲動物平均密度、平均生物量均呈現逐年上升的趨勢。

圖2 底棲動物不同年份密度變化Fig.2 Changes of benthic density in different year

圖3 底棲動物不同年份生物量變化Fig.3 Changes of benthic biomass in different year

從不同研究區域來看，魚巢排區、透水框架區底棲動物密度和生物量均呈現逐年上升的趨勢。魚巢排區底棲動物生物量2020年出現較大幅度增長，2021年有所下降，但是高于2019年底棲動物生物量水平。其他區域大型底棲動物平均生物量呈現逐年上升的趨勢，底棲動物平均密度2020年有所降低，2021年增加至21.33 ind/m2，且高于2019年和2020年。

2.4 多樣性變化

調查結果顯示(見圖4、5、6)，總體上，2019年10月、2020年11月、2021年10月底棲動物D、H′、J均呈現逐年上升的趨勢。從不同區域來看，魚巢排區、其他區域底棲動物D、H′、J呈現逐年上升的趨勢；透水框架區豐富度指數由2019年的0.74增加至2020年的1.30、2021年的1.14，H′、J呈現逐年上升的趨勢。

圖4 不同區域底棲動物豐富度(D)指數變化Fig.4 Changes in the richness(D)index of benthic animals in different regions

圖5 不同區域底棲動物多樣性指數(H′)變化Fig.5 Changes of benthic diversity index(H′)in different regions

圖6 不同區域底棲動物均勻度(J)指數變化Fig.6 Changes in the evenness(J)index of benthic animals in different regions

魚巢排、透水框架區域D、H′均大于其他區域和總體水平，且透水框架區域指數大于魚巢排區。魚巢排區域J在調查時間內均大于透水框架區、其他區域、總體區域。總體水平、透水框架區、其他區域J差異性不大。

3 討論

3.1 生態涵養的積極意義

底棲動物物種數目、密度和生物量呈現逐年上升的趨勢，可能由于生態涵養區隨著年份的增長，降低了水體平均流速，改變了生物棲息地的底質狀況[16，17]，進而促進了底棲動物的生存。優勢種通常控制群落中的能量流動和物質循環[18]，時間尺度上優勢種的變化與生物群落的演變密切相關[19]。2019年優勢種主要為甲殼綱的日本大螯蜚、昆蟲綱的搖蚊類，且搖蚊類優勢度最大，這是由于在生態涵養區建設初期，生態涵養區涵養效果不明顯，水體流速較快，而昆蟲綱的搖蚊類適應于多種底質[20]，在流水區域占優勢[21]，因此成為主要的優勢種之一。2021年底棲動物優勢種分屬于甲殼綱的日本大螯蜚、多毛綱的圍沙蠶一種，多毛綱代替昆蟲綱成為優勢種是因為小型多毛類主要生活在軟泥底質，與沉積物有機質[22]含量密切相關，蓮花洲港生態涵養區透水框架、魚巢磚的應用，降低了水體流速，促進了有機質的沉積[23，24]，營造了有利于多毛類底棲動物生存的環境。

3.2 不同生態涵養設施導致的生態涵養效果

調查結果顯示不同時期、不同區域采集到的底棲動物物種種類、優勢種差異比較明顯。其中，透水框架區、其他區域2021年底棲動物種類數均大于2019年，段學花[25]研究表明流速對底棲動物群落的現存量和種類組成有較大的影響，本研究環境監測結果顯示透水框架區、其他區域年平均流速逐漸降低，這可能是底棲動物種類變化的主要原因之一。

魚巢排區底棲動物平均密度呈現逐年上升的趨勢，且在2021年10月魚巢排區底棲動物平均密度大于總體平均水平，說明魚巢排區有利于底棲動物的生存，且在2021年效果顯著。透水框架區底棲動物平均密度在2019年低于魚巢排區[26]，2010-2021年均高于魚巢排區，且在2021年10月調查中，底棲動物平均密度顯著大于魚巢排區，這是由于透水框架區營造的水體環境優于魚巢排[27]，且隨著時間效應的影響，透水框架生態涵養效果越來越顯著。 魚巢排區、透水框架區底棲動物生物量均呈現逐年上升的趨勢，進一步驗證了生態涵養區對底棲動物的生態涵養效果，其中，透水框架區底棲動物生物量雖呈逐年顯著增長，但是一直低于總體水平，這一結果與ODUM[28]和JORGENSON等[29]的假設相反，本研究結果顯示東流水道蓮花洲港底棲動物生物量恢復的較慢。而章飛軍等[8]研究表明，系統信息(結構能質)恢復的非常快，生物量最慢，一直到研究末期生物量仍低于對照區，與本研究結果相似，本研究結果顯示，2019年、2020年、2021年透水框架區底棲動物密度均高于其他區域，但底棲動物生物量在2021年仍顯著低于其他區域。

物種種類多樣性與多種環境因素相關，在不同的時間和空間尺度上的自然或人為擾動都會導致底棲動物群落組成和生物多樣性的變化[30]。總體水平上，底棲動物豐富度指數(D)、多樣性指數(H′)、均勻度指數(J)均呈現逐年上升的趨勢，進一步說明生態涵養區改善了底棲動物生存的環境，促進了底棲動物的生存。其他區域底棲動物多樣性指數(H′)、均勻度指數(J)在2019年、2020年均小于總體水平，到2021年數值趨于接近，說明生態涵養區促進了其他區域底棲動物的恢復，且在2021年后底棲動物多樣性指數(H′)、均勻度指數(J)有超越總體水平的趨勢。魚巢排區各指數增長速度較快，透水框架區底棲動物平均密度、平均生物量相對于其他區域較高，但各指數增長速度緩慢，可能由于透水框架創造的水體環境，主要對昆蟲綱、多毛綱、甲殼綱某幾類底棲動物生存有利，也可能是研究年限有限，不能更全面地展現透水框架區對底棲動物的影響。要想進一步探究透水框架各指標的變化，可以對該結構區域進行進一步的監測。