里下河地區(qū)典型湖泊大型底棲動物與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

朱蘇葛,劉　凌,羅　娟,楊艷青,燕文明

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室,江蘇 南京　210098;2.長江水利委員會長江科學(xué)院,湖北 武漢　430010)

里下河地區(qū)典型湖泊大型底棲動物與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

朱蘇葛1, 2,劉凌1,羅娟1, 2,楊艷青1,燕文明1

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室,江蘇 南京210098;2.長江水利委員會長江科學(xué)院,湖北 武漢430010)

摘要：為揭示里下河地區(qū)湖泊大型底棲動物群落現(xiàn)狀及其主要的環(huán)境影響因子,于2013年4月對里下河地區(qū)4個典型淺水湖泊的大型底棲動物群落進行了調(diào)查,并測定分析相關(guān)水質(zhì)環(huán)境因子；對大型底棲動物群落與環(huán)境因子進行冗余分析,找出了對大型底棲動物群落影響較大的環(huán)境因子。結(jié)果表明:研究區(qū)域湖泊均處于富營養(yǎng)化狀態(tài),大型底棲動物群落分布趨向于單一化,銅銹環(huán)棱螺和霍甫水絲蚓是該地區(qū)典型湖泊的主要優(yōu)勢物種。冗余分析排序中,排序軸前兩軸特征值較大,為0.168和0.115,合計0.283,分別解釋了42.6%和31.8%的物種-環(huán)境變異,-P、Chl-a和DO是對大型底棲動物密度影響較大的環(huán)境因子。

關(guān)鍵詞：大型底棲動物;淺水湖泊;環(huán)境因子;冗余分析;里下河地區(qū)

里下河地區(qū)是江蘇省的主要糧食生產(chǎn)基地,隨著社會、經(jīng)濟的迅速發(fā)展,里下河濕地受人類活動干擾愈來愈強烈,對該地區(qū)湖泊的調(diào)查、治理工作顯得尤為重要。有學(xué)者對里下河地區(qū)濕地資源利用進行了研究[1-2],但關(guān)于里下河地區(qū)人類活動對水生態(tài)環(huán)境干擾方面的研究較少,里下河地區(qū)湖泊底棲生物群落結(jié)構(gòu)及其對環(huán)境脅迫響應(yīng)關(guān)系方面的研究尚未見報道。大型底棲動物在湖泊生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動中起著重要作用,如加速水底碎屑的分解、促進水體自凈等[3]。大型底棲動物對環(huán)境變化較為敏感,由于其生活史較長,活動范圍小,所以大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)、優(yōu)勢種類和多樣性指數(shù)等生物參數(shù)對環(huán)境狀況有很好的指示作用[4]。

表1　研究區(qū)域特征

底棲動物對湖泊營養(yǎng)水平的響應(yīng)效應(yīng)受到許多研究人員的關(guān)注。龔志軍等[5]對武漢東湖營養(yǎng)水平不同的4個湖區(qū)的底棲動物群落與生物多樣性進行了研究,發(fā)現(xiàn)水體富營養(yǎng)化導(dǎo)致底棲動物多樣性水平明顯降低。蔡永久等[6]對長江中下游地區(qū)4類不同營養(yǎng)水平湖泊的大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)和多樣性進行了研究,結(jié)果表明隨著水體營養(yǎng)水平的提高,底棲動物群落逐漸被耐污種類所主導(dǎo)。熊金林等[7]對4個污染程度不同的湖泊的底棲動物群落結(jié)構(gòu)進行了研究,發(fā)現(xiàn)隨著污染程度的加劇,底棲動物結(jié)構(gòu)的豐富性明顯降低,尤其是軟體動物受到較為明顯的影響。

本研究以淮河流域里下河腹部地區(qū)小型富營養(yǎng)化湖泊群中大縱湖、得勝湖、蜈蚣湖、九龍口為研究對象,于2013年4月進行大型底棲動物的采樣調(diào)查,對大型底棲動物群落組成、優(yōu)勢物種進行調(diào)查,利用冗余分析法[8]對大型底棲動物與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系進行了研究，旨在為里下河地區(qū)湖泊水質(zhì)生物監(jiān)測和評價提供科學(xué)依據(jù),并為未來水生態(tài)環(huán)境保護提供參考。

1研究方法

1.1樣品采集與測定

選取大縱湖、得勝湖、蜈蚣湖、九龍口作為研究對象,研究區(qū)域位于湖泊密集的里下河腹部地區(qū)(圖1),不同湖泊的地理位置、自然環(huán)境各不相同,研究區(qū)域特征見表1。

圖1　里下河地區(qū)范圍及研究區(qū)域示意圖

根據(jù)湖泊面積大小均勻布設(shè)樣點,其中大縱湖布設(shè)9個采樣點,點位記為1～9,其余3個湖泊分別各布設(shè)3個采樣點,蜈蚣湖為點位10～12、得勝湖為13～15、九龍口為16～18。

用1/16 m2改良Peterson采泥器,在每個采樣點采集3次。后將所得的泥樣混合,置于60目尼龍篩中,迅速將沉積物沖洗干凈,剩余物置于白瓷盤中將底棲動物活體逐一挑出，并保存于80%的乙醇溶液中,在實驗室中對樣品進行種類鑒定,鑒定到盡可能低的分類單元,然后計算單位面積的生物密度。

透明度SD用賽氏盤測定;pH值、鹽度、DO、Chl-a在各采樣點用YSI-6600V2型多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀進行水樣的現(xiàn)場測定;CODMn的測定方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[9];氮磷營養(yǎng)鹽指標用微量流動式注射分析儀(Skalar-SA1000)測定;底質(zhì)粒徑采用全自動激光粒度分析儀(LS13320)進行測量;沉積物粒度實測數(shù)據(jù)采用伍登-溫特華斯(Udden-Wentworth)的粒度分級方案進行分析,并依據(jù)?？?Folk)分類方法對研究區(qū)域沉積物粒度進行分類命名[10]。在進行多元統(tǒng)計分析過程中,底質(zhì)粒徑以啞變量的形式進入排序。

1.2分析數(shù)據(jù)處理

1.2.1富營養(yǎng)化指數(shù)

采用修正的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)[11]來進行里下河腹部地區(qū)各典型湖泊水體富營養(yǎng)化的評價:

(1)

(2)

式中:ρ(Chl-a)為藻類質(zhì)量濃度;CSD為水體透明度值;ρ(TP)為總磷質(zhì)量濃度;ITSI(Chl-a)為藻類營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);ITSI(SD)為透明度營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);ITSI(TP)為總磷營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。本文所采用的ITSI為三者的平均值。

表2　研究區(qū)域水體環(huán)境因子特征及Kruskal-Wallis非參數(shù)檢驗結(jié)果

1.2.2相對重要性指數(shù)

采用相對重要性指數(shù)[12]確定各個湖泊的優(yōu)勢種,該指數(shù)的計算將每種生物的個體質(zhì)量、豐度及出現(xiàn)頻率均考慮在內(nèi),能夠較為全面地反映出每種生物在整個群落中的地位,其計算公式為

(4)

式中:IIRI為相對重要性指數(shù)；W為某一種類的生物量占各采樣點大型底棲動物總生物量的百分比;N為該種類的密度占各采樣點總密度的百分比;F為該種類在各采樣點出現(xiàn)的相對頻率。

1.2.3多元統(tǒng)計分析

利用CANOCO4.5軟件進行多元相關(guān)分析,主要采用的是非約束線性模型的主成分分析(principal component analysis,PCA)和約束線性模型的冗余分析(redundancy analysis,RDA)。在進行生物數(shù)據(jù)(生物密度和生物參數(shù))與環(huán)境因子多元相關(guān)分析前,首先要對生物數(shù)據(jù)進行非約束排序,排序結(jié)果顯示4個排序軸均小于3,選用線性模型比較合理[8],因此在約束排序中選用冗余分析。

對生物密度進行冗余分析時去除在18個采樣點中只出現(xiàn)1次的物種數(shù)據(jù)，以減小誤差,并對余下的生物密度數(shù)據(jù)進行對數(shù)轉(zhuǎn)換。生物密度數(shù)據(jù)在排序前進行中心化,進行冗余分析時,對生物密度數(shù)據(jù)又做了誤差方差標準化處理,在這種情況下,CANOCO4.5軟件會單獨計算每個物種的多少方差能夠被環(huán)境變量所解釋,誤差方差的倒數(shù)被當(dāng)作物種的權(quán)重。這樣,物種被環(huán)境因子所解釋的越多,該物種在最終的分析中的權(quán)重也越大[13]。冗余分析中環(huán)境變量的篩選采用向前引入法(α=0.05),基于蒙特卡洛置換檢驗約束模型的顯著性(n=9 999)。

2結(jié)果分析

2.1理化指標

對各湖環(huán)境因子進行主成分分析結(jié)果,見圖2。主成分分析的前兩軸的方差解釋率為67.52%,第一主成分軸主要反映了湖泊的營養(yǎng)鹽水平,DO、pH和CODMn與氮磷營養(yǎng)鹽濃度呈顯著負相關(guān)關(guān)系。第二主成分軸主要反映了水體和沉積物的有機質(zhì)含量,CODMn和Chl-a在第二軸上得分較高。從圖2中可看出,同一湖泊不同區(qū)域環(huán)境因子水平較為接近,不同湖泊環(huán)境因子水平差異顯著。

圖2　研究區(qū)域環(huán)境因子主成分分析

2.2底棲動物組成和相對重要性指數(shù)

大縱湖、得勝湖、蜈蚣湖、九龍口4個湖泊的18個采樣點采集到的底棲動物共有3門6綱11目15科32屬35種,其中寡毛類2種,軟體動物雙殼類7種,腹足類6種,搖蚊科幼蟲13種,水蛭類3種,其他底棲動物4種。

表4　冗余分析中底棲動物的代號和種類

研究區(qū)生物類群密度比例見圖3。由圖3可知,各主要生物類群在不同湖泊的密度比例相差較大，其中,大縱湖各生物類群密度分布較為均勻,蜈蚣湖和九龍口則以某一類群占據(jù)絕對優(yōu)勢。

圖3　研究區(qū)域底棲動物主要類群總密度比例

計算研究區(qū)域的各物種的相對重要性指數(shù)IIRI,為方便起見,所有數(shù)據(jù)皆乘以103,可得大縱湖相對重要性指數(shù)較高的前兩位為銅銹環(huán)棱螺和長角涵螺,IIRI分別為218.24和106.76;得勝湖相對重要性指數(shù)較高的前兩位為河蜆和霍甫水絲蚓,IIRI分別為213.65和118.95;蜈蚣湖的銅銹環(huán)棱螺相對重要性指數(shù)最高,IIRI為572.61,明顯遠高于其他物種;九龍口的霍甫水絲蚓相對重要性指數(shù)最高,IIRI為421.99,明顯高于其他物種。

2.3底棲動物群落與環(huán)境因子之間的關(guān)系

表3　底棲動物群落與篩選后的環(huán)境因子的

圖4　大型底棲動物生物密度與手動選擇后的環(huán)境因子冗余分析排序

3結(jié)果與討論

高等水生植物對大型底棲動物影響也十分顯著。大縱湖為草型湖泊,采樣時間為春季,湖泊中大型水生植物種類豐富,氮磷營養(yǎng)鹽水平在4個湖泊中相對較低,底棲生物種類相對較豐富,生物多樣性高,生物類群主要由按攝食功能群分為刮食者的腹足綱組成。梁彥齡等[17]研究表明，在草型湖泊中,刮食者豐度占絕對優(yōu)勢。這與本研究的結(jié)論相符。豐富的水生植物對維持大型底棲動物多樣性方面起著極為重要的作用,大量的水生植物直接改變了湖泊生態(tài)系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu),并增加了空間、食源的異質(zhì)性。螺類與水生植物存在互惠共利的關(guān)系,植物為螺類提供空間和食源,螺類的牧食去除植物表面附著生物層,有利于植物生長[18]。藻型湖泊的功能攝食類群主要以收集者為主[19]，得勝湖、蜈蚣湖和九龍口為藻型湖泊,大型水生植物生物量小,底棲動物生物多樣性偏低,優(yōu)勢種多為小個體的耐污種。研究表明,沉水植被豐富的水域有利于甲殼類動物生存。冗余分析結(jié)果顯示,甲殼類動物與Chl-a呈負相關(guān)。雷澤湘等[20]對太湖的大型水生植被的研究表明,無草區(qū)水體Chl-a質(zhì)量濃度為有草區(qū)的3倍左右,Chl-a與大型水生植物生物量呈反比,因為甲殼類動物在藻型湖泊中缺乏多層次的食物來源和有效的隱蔽場所[21],生物密度較草型湖泊中的明顯偏低,與本研究結(jié)果相符。

底質(zhì)類型是影響底棲動物分布的主要因素之一。本研究中,軟體動物生物密度在底質(zhì)粒度較粗區(qū)域較高,而搖蚊幼蟲、寡毛類動物等小個體動物則相反。富營養(yǎng)化會對沉積物粒徑大小產(chǎn)生影響。富營養(yǎng)化程度高的湖泊底質(zhì)有機質(zhì)含量高,底質(zhì)偏細[22],這可能是耐污能力相對較強的物種與較細底質(zhì)類型正相關(guān)的原因,而相關(guān)性不顯著可能是因為本次研究中各采樣點的底質(zhì)類型差異并不大。底質(zhì)類型對河蜆影響較大，蔡永久等[14]對太湖研究時發(fā)現(xiàn),河蜆在粒徑較粗的區(qū)域豐度高,而在淤泥底質(zhì)、富營養(yǎng)化嚴重的區(qū)域密度低，這與本文的結(jié)果相符。本研究在得勝湖東南部采集獲得大量河蜆樣本,對照底質(zhì)狀況進行分析,發(fā)現(xiàn)得勝湖東南部底質(zhì)較粗,屬于粉砂質(zhì)砂。得勝湖雖然整體處于富營養(yǎng)化狀態(tài),但較粗的底質(zhì)可能有利于河蜆掘穴固定棲居,從而使得河蜆的生物量保持較高水平。

4結(jié)論

b. 高等水生植物對大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)有一定的影響,沉水植物較為豐富的大縱湖大型底棲動物生物多樣性較高,而其余湖泊大型底棲動物種類較為單一。

c. 本研究中,底質(zhì)類型對大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)影響不顯著,但軟體動物生物密度在底質(zhì)粒度較粗區(qū)域較高,搖蚊幼蟲、寡毛類等小個體動物則相反。

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Correlation analysis between macrozoobenthos and environmental factors in lakes of Lixia River Area

ZHU Suge1, 2, LIU Ling1, LUO Juan1, 2, YANG Yanqing1, YAN Wenming1

(1.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China；2.ChangjiangRiverScientificResearchInstituteofChangjiangWaterResourcesCommission,Wuhan430010,China)

Abstract：To explore the current situation of the macrozoobenthic communities and related environmental factors in lakes of the Lixia River Area, investigations on the macrozoobenthic communities in four classic shallow lakes were carried out in April 2013, and the related environmental factors were measured and analyzed. The redundancy analysis was conducted between the macrozoobenthic communities and environmental factors to find out the environmental factors which had more influence on the macrozoobenthic communities. Results show that lakes in the area are in eutrophication state, the distribution of macrozoobenthic community trends to be simplified, Bellamya aeruginosa and Limnodrilus hoffmeistteri are dominant species in the area. In the sort of redundancy analysis, the eigenvalues of the first two axes are larger, which are 0.168 and 0.115, summing to 0.283，and they explain 42.6% and 31.8% of the species-environment variation. -P, Chl-a, and DO were the main environmental factors influencing the density of macrozoobenthic.

Key words：macrozoobenthic; shallow lake; environmental factor; redundancy analysis; Lixia River Area

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.03.019

基金項目:國家自然科學(xué)基金(51279060,41301531);江蘇省水利科技項目(2012023)

作者簡介:朱蘇葛(1991—),男,碩士研究生,研究方向為水生態(tài)環(huán)境保護與修復(fù)。E-mail:339122341@qq.com 通信作者:劉凌,教授。E-mail:lingliu_hhu@hhu.edu.cn

中圖分類號：X524

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)03-0099-06

(收稿日期：2015-06-11編輯：王芳)