鴨綠江與圖們江流域大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)的比較研究

霍堂斌，王野，栗鐵柱，姜作發(fā)

(1．中國水產(chǎn)科學(xué)研究院 黑龍江水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)部黑龍江流域漁業(yè)資源與環(huán)境重點(diǎn)野外科學(xué)觀測試驗(yàn)站，黑龍江 哈爾濱150070;2．東北農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040)

大型底棲動物是河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組分，其在河流生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動中具有不可替代的作用，是了解河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和健康狀況的關(guān)鍵類群［1-2］。大型底棲動物具有生命周期長、遷移能力差、分布廣泛和對環(huán)境干擾反應(yīng)敏感等特點(diǎn)，對其的研究目前已廣泛應(yīng)用于水質(zhì)和環(huán)境監(jiān)測中［3-4］。20世紀(jì)50年代大型底棲動物研究已被應(yīng)用到水質(zhì)生物學(xué)評價和水生態(tài)系統(tǒng)健康評價中［5-6］，中國于20世紀(jì)90年代開始，陸續(xù)開展了對黃 河［7］、珠 江［8］、長 江［9-13］、遼 河［14］、松 花江［15-17］、黑龍江［18］和嫩江［19］等流域水質(zhì)生物學(xué)評價工作。關(guān)于鴨綠江和圖們江大型底棲動物的研究，僅見劉保元等［20］對圖們江底棲動物的調(diào)查以及于力等［21］對2個水域水生昆蟲的調(diào)查。20世紀(jì)70年代末，劉保元等［20］最早應(yīng)用大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)來評價圖們江的水污染狀況。本研究中，以鴨綠江和圖們江大型底棲動物為研究對象，分析了兩個流域內(nèi)大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，旨在反映鴨綠江和圖們江水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查流域概況

鴨綠江位于吉林省東南部和遼寧省東部，是中朝兩國界河，發(fā)源于長白山天池胭脂峰南側(cè)，于丹東東港市大東溝注入黃海，全長為859 km。鴨綠江支流眾多，中上游較大支流主要分布在左岸的朝鮮側(cè)，有虛川江、長津江、厚洲川江、慈城江、禿魯江、渭源江;中國側(cè)只有八道溝河、三道溝河等。下游河段較大支流主要分布在右岸的中國側(cè)，有渾江、蒲石河、愛河;朝鮮側(cè)只有忠滿江［22］。鴨綠江流域總面積為64 500 km2，在中國側(cè)的流域面積為32 500 km2。

圖們江地處中、朝、俄三國交界，發(fā)源于長白山主峰，于敬信鄉(xiāng)防川“土”字界碑處出境，后注入日本海。圖們江干流全長為525 km，中朝界河段為510 km，土字界牌以下15 km為朝俄界河。流域面積為33 168．45 km2，中國境內(nèi)河長為495 km，流域面積為22 861 km2。圖們江流域 (中國境內(nèi))主要支流有渾春河、嘎呀河、布爾哈通河、海蘭河、大汪清河等［23］。

1.2 樣品的采集與處理

于2013年5—6月，開展了鴨綠江和圖們江流域大型底棲動物調(diào)查工作。鴨綠江和圖們江共設(shè)置38個調(diào)查斷面，其中鴨綠江21個斷面，圖們江17個斷面 (圖1)。泥底斷面定量樣本采用1/16 m2彼得遜采泥器，泥樣用40目和60目分樣篩過濾;鵝卵石及石礫底質(zhì)斷面刷取石頭表面大型底棲動物后用不銹鋼網(wǎng)篩過濾，測量石頭附著面的面積并進(jìn)行定量計(jì)算。樣品先用體積分?jǐn)?shù)為4%的甲醛溶液固定，帶回實(shí)驗(yàn)室后再移入體積分?jǐn)?shù)為75%的酒精中保存，以備鑒定和統(tǒng)計(jì)。

圖1 鴨綠江和圖們江調(diào)查斷面分布圖Fig.1 Distribution of sampling sections in Yalüjiang River and Tumen River

1.3 數(shù)據(jù)分析

1．3．1 優(yōu)勢種 相對重要性指數(shù) (IRI)［24］的計(jì)算公式為

其中:W為相對生物量，即某一物種的生物量占總生物量的百分比;N為相對豐度，即該物種的豐度占總豐度的百分比;F為該物種出現(xiàn)的頻率。IRI＞1000的物種定為優(yōu)勢種;IRI=100～1000的物種為重要種;IRI=10～100的物種為常見種;IRI＜10 的物種為少見種［25］。

1．3．2 生物多樣性指數(shù) 用K-優(yōu)勢度曲線［26］來評估各調(diào)查斷面不同季節(jié)大型底棲動物的多樣性，同時結(jié)合以下3個多樣性指數(shù)比較大型底棲動物的多樣性。

其中:S為總物種數(shù);Pi為i物種的個體數(shù)占總個體數(shù)的比例;ni為i物種的個體數(shù);N為所有種的個體總數(shù)。

1.4 水質(zhì)的生物學(xué)評價指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)鴨綠江和圖們江大型底棲動物群落的特點(diǎn)及取樣數(shù)據(jù)，選擇以下生物指數(shù)進(jìn)行水質(zhì)評價。

1．4．1 BI生物指數(shù)［10］計(jì)算公式為

其中:ni為第i分類單元 (屬或種)的個體數(shù);ai為第i分類單元 (屬或種)的耐污值;N為各分類單元 (屬或種)的個體總和;S為種類數(shù)。

水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn):BI=0．00～3．50時，水質(zhì)極清潔;BI=3．51～4．50 時，很清潔;BI=4．51～5．50時，清潔;BI=5．51～6．50 時，一般;BI=6．51～7．50時，輕度污染;BI=7．51～8．50時，污染;BI=8．51～10．00 時，嚴(yán)重污染［30］。

1．4．2 Shannon-Wiener指數(shù) 水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn):H'＞3時，水質(zhì)清潔;H'=2～3時，輕度污染;H'=1～2時，中度污染;H'=0～1時，重度污染［30］。

2 結(jié)果與分析

2.1 鴨綠江和圖們江大型底棲動物的群落結(jié)構(gòu)

2．1．1 種類組成 調(diào)查期間，共采集到大型底棲動物103種 (表1)，隸屬于14目44科。鴨綠江

大型底棲動物79種，隸屬于14目36科，其中水生昆蟲62種，分屬7目25科，占總數(shù)的78．48%;甲殼動物2種，1目2科;軟體動物10種，3目6科;環(huán)節(jié)動物4種，2目2科;扁形動物1種，1目1科。圖們江大型底棲動物61種，隸屬于14目30科，其中水生昆蟲50種，分屬7目22科，占總數(shù)81．97%;甲殼動物1種，1目1科;軟體動物5種，3目4科;環(huán)節(jié)動物4種，2目2科;扁形動物1種，1目1科。鴨綠江和圖們江共有種37種，隸屬于14目22科，其中，水生昆蟲29種，分屬7目15科，占總數(shù)78．38%;甲殼動物1種，1目1科，占總數(shù)2．70%;軟體動物3種，3目3科，占總數(shù)8．11%;環(huán)節(jié)動物3種，2目2科，占總數(shù)8．11%;扁形動物1種，1目1科，占總數(shù)2．70%。

表1 鴨綠江和圖們江大型底棲動物名錄Tab.1 Species list of macrozoobenthos in Yalüjiang River and Tumen River

2．1．2 優(yōu)勢種 調(diào)查發(fā)現(xiàn)，鴨綠江重要種主要有耳蘿卜螺Radix auricularia、寬身舌蛭 Glossiphonia lata、 Choroterpes trifurcata、 Isonychia japonica、Ephemerella sp．EA、日本扁蜉蝣Rhithrogena japonica、灰紋石蛾 Hydropsyche ulmeri、鉤蝦 Gammarus sp．和渦蟲Stenostomum sp．。圖們江重要種主要有Ecdyonurus kibunensis、Ephemerella trispina、Gumaga sp．、灰紋石蛾 Hydropsyche ulmeri、倒毛搖蚊屬一種Microtendipes sp．、分齒恩非搖蚊Einfeldia dissidens和鉤蝦 Gammarus sp．。鴨綠江和圖們江共有重要種僅有灰紋石蛾Hydropsyche ulmeri和鉤蝦Gammarus sp．2 種。

2．1．3 密度和生物量 從表2可見:鴨綠江大型底棲動物總平均密度為93．72 ind．/m2，總平均生物量為27．05 g/m2;圖們江大型底棲動物總平均密度為 7．78 ind．/m2，總平均生物量為 1．19 g/m2。從總平均密度和生物量來看，鴨綠江均高于圖們江，而且均以水生昆蟲最高，鴨綠江以扁形動物平均密度最低，圖們江則以甲殼類平均密度最低。

2．1．4 物種多樣性 從表3可見，鴨綠江大型底棲動物Shannon-Weiner指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)均值均高于圖們江，Simpson指數(shù)均值略低于圖們江。

從圖2可見，鴨綠江K-優(yōu)勢度曲線位于圖們江曲線之下，且曲線長于圖們江曲線，說明鴨綠江物種的個體分布更均勻，這與表3多樣性指數(shù)分析結(jié)果相吻合。

2.2 功能攝食類群分析

參照多位研究者提出的大型底棲動物功能攝食類群的劃分規(guī)則［31-35］，對大型底棲動物功能攝食類群進(jìn)行劃分。在采集到的103種大型底棲動物中，功能攝食類群中刮食者種類最多，共計(jì)為45種，撕食者4種，收集者18種，捕食者36種 (表4)。鴨綠江和圖們江多數(shù)調(diào)查斷面底質(zhì)均為鵝卵石和石礫，大型底棲動物功能攝食類群均為刮食者最多，撕食者種類最少。

表2 鴨綠江和圖們江大型底棲動物的平均密度及生物量±S.D.)Tab.2 Densityand biomassofmacrozoobenthosin Yalüjiang River and Tumen River

表2 鴨綠江和圖們江大型底棲動物的平均密度及生物量±S.D.)Tab.2 Densityand biomassofmacrozoobenthosin Yalüjiang River and Tumen River

水域waters底棲動物macrozoobenthos平均密度 /(ind．·m-2)mean density平均生物量 /(g·m-2)mean biomass水生昆蟲 82．33±69．34 23．88±27．03鴨綠江 甲殼動物 3．34±21．6 1．07±1．44 Yalüjiang 軟體動物 3．67±12．72 1．23±6．60 River 環(huán)節(jié)動物 2．40±7．76 0．84±1．17扁形動物 1．98±5．82 0．03±0．00水生昆蟲 5．84±5．46 0．87±1．69圖們江 甲殼動物 0．11±0．40 0．04±0．10 Tumen 軟體動物 0．50±1．12 0．19±0．93 River 環(huán)節(jié)動物 0．70±2．60 0．09±0．21扁形動物 0．63±4．98 0．0001±0．000

表3 大型底棲動物的多樣性指數(shù)±S.D.)Tab.3 Diversity index of macrozoobenthic community

表3 大型底棲動物的多樣性指數(shù)±S.D.)Tab.3 Diversity index of macrozoobenthic community

水域waters Shannon-Wiener指數(shù)H'Pielou均勻度指數(shù)D Simpson指數(shù)J鴨綠江 2．14±0．81 0．71±0．18 0．42±0．14圖們江 1．84±1．12 0．64±0．33 0．47±0．33

圖2 鴨綠江和圖們江大型底棲動物的K-優(yōu)勢度曲線Fig.2 K-dominance curves of biomass of macrozoobenthos in Yalüjiang and Tumen River

2.3 大型底棲動物水質(zhì)生物學(xué)評價

從表5、表6可見，BI生物指數(shù)和Shannon-Wiener指數(shù)的水質(zhì)評價結(jié)果差異較大，BI生物指數(shù)比Shannon-Wiener指數(shù)的水質(zhì)評價結(jié)果要好。

表4 大型底棲動物的功能攝食類群Tab.4 Functional feeding groups of macrozoobenthos

在鴨綠江21個斷面中，有1個斷面未采集到大型底棲動物，其他斷面的BI生物指數(shù)水質(zhì)評價結(jié)果表明，清潔以上斷面占75%，其中極清潔斷面1個，很清潔斷面10個，清潔斷面4個，一般斷面2個，輕度污染斷面3個 (表5);在圖們江17個斷面中，有3個斷面未采集到大型底棲動物，其他斷面BI生物指數(shù)水質(zhì)評價結(jié)果表明:清潔以上斷面占50%，其中極清潔斷面1個，很清潔斷面3個，清潔斷面3個，一般斷面4個，輕度污染斷面1個，污染斷面2個 (表6)。Shannon-Wiener指數(shù)的水質(zhì)評價結(jié)果表明:鴨綠江清潔以上斷面占5%，其中清潔斷面1個，輕度污染斷面11個，中度污染斷面4個，重污染斷面3個 (表5);圖們江清潔以上斷面占7%，其中清潔斷面1個，輕度污染斷面7個，中度污染斷面6個 (表6)。

表5 鴨綠江各斷面的生物指數(shù)和水質(zhì)評價Tab.5 Bio-index and assessment of water quality at different sections in Yalüjiang River

平均 4．75 清潔 2．11 輕度污染

表6 圖們江各斷面的生物指數(shù)和水質(zhì)評價Tab.6 Bio-index and assessment of water quality at different sections in Tumen River

3 討論

關(guān)于鴨綠江和圖們江大型底棲動物的研究相對較少，劉保元等［20］于20世紀(jì)70年代末對圖們江底棲動物進(jìn)行過調(diào)查，共采集水生昆蟲161種。于力等［21］于20世紀(jì)80—90年代對發(fā)源于長白山的松花江、鴨綠江、圖們江和牡丹江等上游的水生昆蟲進(jìn)行了調(diào)查，在鴨綠江、圖們江采集水生昆蟲分別為66種和64種，均高于本研究調(diào)查水生昆蟲的62和50種。于力等［21］在圖們江崇善采樣點(diǎn)采集到水生昆蟲57種，這可能是由于近年來人為干擾強(qiáng)度增加，以及本研究僅在春夏交接時期進(jìn)行調(diào)查，致使一些偶見種未采集到等原因所致。在采集到的103種大型底棲動物中，功能攝食類群中刮食者種類最多，共計(jì)45種。鴨綠江和圖們江多數(shù)調(diào)查斷面底質(zhì)為鵝卵石和石礫，所以大型底棲動物功能攝食類群均是以刮食者種類最多，撕食者種類最少。鴨綠江和圖們江共有重要種僅有灰紋石蛾Hydropsyche ulmeri和鉤蝦 Gammarus sp．2種。

從平均密度和生物量分析，鴨綠江均高于圖們江，而且均以水生昆蟲最高，鴨綠江平均密度以扁形動物最低，圖們江則是以甲殼類最低。鴨綠江大型底棲動物Shannon-Weiner指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)平均值均高于圖們江，而Simpson指數(shù)平均值與圖門江接近。多樣性指數(shù)與大型底棲動物的密度和種類組成直接相關(guān)［36-37］，從K-優(yōu)勢度曲線可以看出，鴨綠江所有站點(diǎn)均位于圖們江曲線之下，且曲線明顯長于圖們江曲線，這說明鴨綠江物種的個體分布更均勻，這與多樣性指數(shù)分析結(jié)果相吻合。

利用大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)來反映水體污染狀況，評價水環(huán)境質(zhì)量具有其獨(dú)特的優(yōu)越性，目前已被很多國家廣泛應(yīng)用于水環(huán)境監(jiān)測和評價中。1972年，Chutter［38］首次提出 BI生物指數(shù)并應(yīng)用于水質(zhì)生物評價中，目前BI生物指數(shù)已成為美國水質(zhì)生物評價中最常用的生物指數(shù)之一。本研究中，采用BI生物指數(shù)和Shannon-Wiener指數(shù)對鴨綠江和圖們江水質(zhì)進(jìn)行評價，二者的評價結(jié)果差異較大，BI生物指數(shù)比Shannon-Wiener指數(shù)的水質(zhì)評價結(jié)果要好。這可能是由于Shannon-Wiener多樣性指數(shù)，主要以物種的多寡和數(shù)量的多少為基礎(chǔ)，沒有考慮各物種 (類群)的耐污值，當(dāng)耐污種替代敏感種，同時耐污物種密度較高時，水質(zhì)的評價結(jié)果就會比實(shí)際值高;而BI生物指數(shù)既考慮了大型底棲動物本身的耐污值，又考慮了物種的密度，因此，增強(qiáng)了評價的可靠性。BI生物指數(shù)水質(zhì)評價結(jié)果表明，鴨綠江水質(zhì)為斷面清潔以上水平占75%，圖們江水質(zhì)為斷面清潔以上水平占50%，總體來看，鴨綠江和圖們江多數(shù)斷面水質(zhì)較為清潔。

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