喀斯特洞穴大型底棲動物群落結構與環(huán)境因子的關系
——以貴州惠水3個洞穴為例*

吳永英，杜維鋒，張思強，徐承香，楊愛軍，陳思旗，楊瑞雪，姜雪梅

(貴州師范大學生命科學學院,貴州貴陽 550025)

大型底棲動物是指生活史的全部或大部分時間生活在水體底部的無脊椎動物群，是淡水生態(tài)系統(tǒng)的重要生物類群，主要包括渦蟲類、環(huán)節(jié)動物、軟體動物、水生昆蟲以及甲殼類等[1]。大型底棲動物處于水生生態(tài)系統(tǒng)食物鏈的中間環(huán)節(jié)，既以小型底棲動物和有機碎屑為食，又被魚類等經(jīng)濟動物所捕食，也可以促進有機碎屑分解和調節(jié)泥與水界面的物質交換，在水生生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)和能量流動中發(fā)揮著重要作用[2,3]。此外，底棲動物生活環(huán)境相對固定，具有對水體環(huán)境變化十分敏感、易采集和易鑒別等特點，因此被廣泛用作水域生態(tài)健康監(jiān)測和水質生物學評價[4,5]。

喀斯特洞穴是一種相對封閉的地下生態(tài)系統(tǒng)，光照強度低、食物匱乏等是其顯著特點[6]。在洞穴水域生態(tài)系統(tǒng)中，底棲動物是主要的生物類群，在物質分解和維持生態(tài)系統(tǒng)功能的完整性上有著至關重要的作用。國外對洞穴底棲動物的研究較深入，主要涉及洞穴底棲動物分類[7]、食物來源[8,9]、生理[10,11]、適應性進化[12,13]以及對有機污染的響應[14]等。此外，國外對洞穴底棲動物群落結構與環(huán)境因子關系的研究也較多，主要涉及的環(huán)境因子有溶解氧、水溫、水體pH、沉積物有機質等[15,16]。相較國外而言，我國對洞穴底棲動物的研究還處于起步階段，主要涉及底棲動物分類和區(qū)系分析等[17-19]，對洞穴內底棲動物群落結構及其與環(huán)境因子關系的研究則更少，僅有對浙江壽昌江附近喀斯特洞穴內大型底棲動物物種組成和群落多樣性的研究[20]，尚無關于貴州惠水喀斯特洞穴底棲動物群落結構及其與環(huán)境關系的研究報道。因此，本研究選擇貴州省惠水縣3個典型喀斯特洞穴作為研究對象，分析洞穴底棲動物的群落組成、現(xiàn)存量、生物多樣性特征，并且運用Spearman相關性分析洞穴部分環(huán)境因子與底棲動物群落結構的關系，同時基于底棲動物生物學指數(shù)對洞穴水質作出評價，旨在為洞穴動物多樣性保護、小流域生態(tài)學研究和洞穴資源的開發(fā)利用提供基礎數(shù)據(jù)，了解不同季節(jié)洞穴底棲動物群落組成的變化，以期為當?shù)卮迕竦亩囱ㄓ盟踩峁┛茖W依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地點和采樣時間

本文選取貴州省惠水縣的龍洞、牛洞和龍?zhí)抖醋鳛檠芯繉ο?，選取的標準為冬、夏兩季均有水流，且洞穴規(guī)模較大，人能進入洞中采樣。于2020年8月(夏季)和2021年1月(冬季)對龍洞、牛洞和龍?zhí)抖催M行大型底棲動物的調查，并用eTrex Venture GPS定位每個洞穴的地理位置。各洞穴環(huán)境概況如下：

龍洞位于羨塘鎮(zhèn)桃源村，地理位置為25°49′31.79″ N，106°48′12.63″ E，海拔893 m。該洞穴位于桃源村莊附近，人為干擾較強，弱光帶和有光帶有人為修建的水渠，用于引流洞穴水作為生活用水和進行農田灌溉。

牛洞位于抵季鄉(xiāng)雅洲村，地理位置為25°50′11.24″ N，106°41′49.41″ E，海拔971 m。洞穴常年有流水，水面清澈。附近村民使用該洞穴水作為生活用水、進行農田灌溉和水產養(yǎng)殖。

龍?zhí)抖次挥跀嗌兼?zhèn)青山村，地理位置為25°51′14.19″ N，106°41′28.76″ E，海拔977 m。該洞穴水流較大，洞口有人為修建的堤壩。調查時發(fā)現(xiàn)附近村民經(jīng)常來此洞穴釣魚，且該水源被用作當?shù)氐墓喔扔盟陀糜谒a養(yǎng)殖。

1.2 樣品采集及環(huán)境因子測定

大型底棲動物采集及鑒定：根據(jù)每個光帶的生境選擇采樣點，使用D形網(wǎng)(30 cm×30 cm，網(wǎng)孔為0.5 mm)逆水流采集大型底棲動物，一般各樣點采樣5-10 min[1]，將收集物放入60目網(wǎng)篩中，人工挑出活體大型底棲動物標本，放入盛有75%酒精的塑料瓶，在實驗室參考《中國經(jīng)濟動物志·淡水軟體動物》[21]、《淡水無脊椎動物系統(tǒng)分類、生物及生態(tài)學》[22]等進行分類鑒定。用電子秤(精密度為0.000 1 g)稱量每個種類所有個體的質量(濕重)，最后計算出其生物量(gm-2)。

光照強度：使用PM6612光照度計測量洞穴光照強度，并將每個洞穴劃分為有光帶(光照度>10 lx)、弱光帶(光照度0.1-10 lx)和黑暗帶(光照度<0.1 lx)[23]。

沉積物：在各光帶水域底部分別進行梅花點混合采集沉積物，每袋沉積物約1 kg，帶回實驗室進行干燥處理之后，用重鉻酸鉀容量法測定沉積物有機質[24]。

水體環(huán)境因子的測定和水樣采集：使用LB-2000型便攜式多參數(shù)水體分析儀現(xiàn)場測定溶解氧(DO)、濁度(TUB)和水溫(WT)，用酸堿試紙測定水體酸堿度(pH值)。在采集動物樣品前，每個光帶采集水樣1 500 mL裝入聚乙烯塑料瓶，低溫保存，且48 h內帶回實驗室，參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[25]測量總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 優(yōu)勢種

采用優(yōu)勢度指數(shù)(Y)確定每個樣點的底棲動物優(yōu)勢種[26]。

Y=(Ni/N)×fi，

式中：N為樣品中生物總個體數(shù)，Ni為第i種的生物個體數(shù)，fi為該種出現(xiàn)的頻率。當Y≥0.02 時，即為底棲動物優(yōu)勢種。

1.3.2 群落生物多樣性指數(shù)

測度群落結構的特征指數(shù)主要有底棲動物Shannon-Wiener指數(shù)(H′)、Margalef指數(shù)(D)及Pielou指數(shù)(J′)[27]，其公式如下：

D=(S-1)/lnN,

式中：S為樣品中物種數(shù)；Pi為第i種底棲動物占總的底棲動物個體的比例，即Pi=Ni/N；N為樣品中生物總個體數(shù)。

1.4 水質生物學評價指標及標準

應用Shannon-Wiener指數(shù)(H′)、Margalef指數(shù)(D)和科級水平生物指數(shù)(Family-Level Biotic Index,FBI)進行水質生物健康評價，評價標準見表1[1,28]。

表1 生物學指數(shù)的水質評價標準Table 1 Water quality evaluation standard of biological index

式中：F為總的科數(shù)，ni為第i科的個體數(shù)，ti為第i科的耐污值，N為樣品中生物總個體數(shù)。

2 結果與分析

2.1 洞穴底棲動物群落結構

2.1.1 底棲動物物種組成及優(yōu)勢種

2020年8月(夏季)和2021年1月(冬季)對龍洞、牛洞和龍?zhí)抖催M行大型底棲動物的調查，共采集到大型底棲動物1 398頭，經(jīng)鑒定共39種，隸屬4門5綱10目31科(表2)。夏季38種，冬季20種，共有種19種，其中節(jié)肢動物門Arthropoda物種數(shù)最多，有31種，占比79.49%，包括昆蟲綱 Insecta 29種和甲殼綱Crustacea 2種；軟體動物門Mollusca次之，有6種，占比15.38%；環(huán)節(jié)動物門Annelida和扁形動物門Platyhelminthes最少，各門僅有1種，分別占比2.56% (圖1，圖2)?？傮w表明洞穴大型底棲動物以節(jié)肢動物門為主，昆蟲綱主要是蜉蝣目Ephemeroptera、襀翅目Plecoptera、毛翅目Trichoptera (EPT類)和雙翅目Diptera，甲殼綱主要為十足目Decapoda。

表2 洞穴大型底棲動物名錄Table 2 List of macrobenthos in caves

續(xù)表

Continued table

圖1 龍洞、牛洞和龍?zhí)抖吹讞珓游锔黝惾悍N數(shù)百分比Fig.1 Percentage of benthic species in various groups in Long Cave,Niu Cave and Longtan Cave

圖2 龍洞、牛洞和龍?zhí)抖垂?jié)肢動物各類群物種數(shù)百分比Fig.2 Percentage of arthropod species in various groups in Long Cave,Niu Cave and Longtan Cave

按照調查的3個洞穴來看，優(yōu)勢種由節(jié)肢動物和軟體動物組成，不同季節(jié)同一洞穴，優(yōu)勢種不同，同一季節(jié)不同洞穴之間的優(yōu)勢種也不同，即使有的種類相同，優(yōu)勢度也有差異(表3)。夏季：龍洞優(yōu)勢種有5種，分別為河螺Rivulariasp.、四節(jié)蜉Baetissp.、多距石蛾Pohycentropussp.、搖蚊科Chironomidae 1種、蚋科Simuliidae 1種；牛洞有5種，分別為豆螺Bithyniasp.、原二翅蜉Procloensp.、襀科Perlidae 1種、庫蚊Culicinaesp.、新米蝦Neocaridinasp.；龍?zhí)抖磧H有2種，為河螺和四節(jié)蜉。冬季：龍洞的優(yōu)勢種僅有菱跗搖蚊Clinoyanypussp.；牛洞有2種，分別為豆螺和新米蝦；龍?zhí)抖从?種，分別為河螺、扁蜉Heptageniasp.、四節(jié)蜉、新米蝦。

表3 龍洞、牛洞和龍?zhí)抖吹膬?yōu)勢種及其優(yōu)勢度指數(shù)(Y)Table 3 Dominant species and their dominance index (Y) in Long Cave,Niu Cave and Longtan Cave

2.1.2 底棲動物季節(jié)變化

從季節(jié)上看，夏季龍洞、牛洞和龍?zhí)抖吹拇笮偷讞珓游镂锓N數(shù)均多于冬季。夏季物種數(shù)較高的樣點是牛洞、龍?zhí)抖春妄埗吹挠泄鈳?NC1、LTC1、LC1)，分別有24種、22種和12種，其主要組成是EPT類水生昆蟲和軟體動物。冬季物種數(shù)最高的是龍?zhí)抖吹挠泄鈳?LTC1)，有12種，其次是牛洞有光帶(NC1)，有11種，而龍洞有光帶(LC1)僅采集到2種，其中菱跗搖蚊個體數(shù)占比高達99.21%；夏季洞穴大型底棲動物密度最高為48.47 ind.m-2，冬季最高為46.14 ind.m-2，均位于牛洞有光帶(NC1)，3個洞穴的弱光帶和黑暗帶采集到的大型底棲動物極少或無，所以導致弱光帶和黑暗帶密度低；夏季洞穴大型底棲動物生物量最高為2.38 gm-2，冬季為1.70 gm-2，也均位于牛洞有光帶(NC1)。獨立樣本T檢驗表明，3個洞穴的大型底棲動物物種數(shù)、密度和生物量在夏、冬兩季之間均無顯著差異(P>0.05)，但均為夏季>冬季。

2.1.3 底棲動物空間分布

從空間上看(圖3)，牛洞有光帶的大型底棲動物密度最高(47.27 ind.m-2)，龍洞有光帶次之(22.08 ind.m-2)，密度最低的為龍?zhí)抖春诎祹?0.20 ind.m-2)。洞穴大型底棲動物的生物量主要取決于甲殼綱和腹足綱Gastropoda，其中大型底棲動物生物量較大的是2.04 gm-2、1.66 gm-2，分別位于牛洞有光帶(NC1)和龍洞弱光帶(LC2)。3個洞穴大型底棲動物密度在光帶之間的變化規(guī)律均為有光帶>弱光帶>黑暗帶，而生物量的變化是無規(guī)律的。

圖3 龍洞、牛洞、龍?zhí)抖创笮偷讞珓游锏拿芏群蜕锪縁ig.3 Density and biomass of macrobenthos in Long Cave,Niu Cave and Longtan Cave

2.1.4 底棲動物群落的生物多樣性變化

夏、冬兩季洞穴大型底棲動物的Shannon-Wiener指數(shù)(H′)、Margalef指數(shù)(D)及Pielou指數(shù)(J′)空間分布差異性較大(表4)，3個洞穴的有光帶(LC1、NC1、LTC1)兩季均表現(xiàn)出較高的生物指數(shù)，而龍洞黑暗帶(LC3)和龍?zhí)抖慈豕鈳?LTC2)的生物指數(shù)均為0。生物指數(shù)大致呈現(xiàn)有光帶>弱光帶>黑暗帶的趨勢，但龍?zhí)抖聪募臼怯泄鈳?黑暗帶>弱光帶。夏季3個洞穴大型底棲動物多樣性差距較小，均是有光帶生物多樣性最高，H′值為0.00-2.44，D值為0.00-4.05，J′值為0.00-1.00，其中牛洞有光帶(NC1)的H′值和D值均最大，龍?zhí)抖春诎祹?LTC3)J′值最大；冬季所有樣點中，H′值為0.00-1.74，D值為0.00-2.17，J′值為0.00-0.86，其中龍?zhí)抖从泄鈳?LTC1)的H′值和D值均最大，牛洞弱光帶(NC2)的J′值最大，而且龍洞的底棲動物多樣性指數(shù)明顯低于其他兩個洞穴。

2.2 底棲動物群落結構與環(huán)境因子的關系

根據(jù)夏季和冬季對大型洞穴底棲動物及環(huán)境因子的調查，對大型底棲動物的群落結構與環(huán)境因子之間進行Spearman相關性分析(表5和表6)。

表4 洞穴大型底棲動物生物多樣性指數(shù)Table 4 Biodiversity index of macrobenthos in caves

表5 夏季洞穴大型底棲動物與環(huán)境因子相關性分析Table 5 Correlation analysis between macrobenthos and environmental factors in summer

表6 冬季洞穴大型底棲動物與環(huán)境因子的相關性分析Table 6 Correlation analysis between macrobenthos and environmental factors in winter

綜合表5和表6，光照強度在夏、冬兩季均影響洞穴大型底棲動物的多樣性，是影響群落結構的主要環(huán)境因子。夏季：Shannon-Wiener指數(shù)和Margalef指數(shù)、密度、物種數(shù)均與光照強度(LI)呈顯著正相關(P<0.05)，密度、生物量與沉積物有機質(SOM)呈顯著正相關(P<0.05)，密度與濁度(TUB)呈顯著負相關。冬季：密度和物種數(shù)與光照強度(LI)呈顯著正相關(P<0.05)，生物量和密度與總氮(TN)呈顯著正相關(P<0.05)，Pielou指數(shù)與溫度(WT)呈顯著負相關(P<0.05)。

2.3 水質生物評價

使用Shannon-Wiener指數(shù)、Margalef指數(shù)及FBI對3個洞穴進行夏季和冬季的水質評價(表7)。Shannon-Wiener指數(shù)評價結果顯示：龍洞夏季和冬季分別為輕污染和重污染，牛洞則為輕污染和中污染，龍?zhí)抖淳鶠橹形廴?；而使用Margalef指數(shù)評價，龍洞兩個水期差別較大，冬季和夏季分別為輕污染和重污染，牛洞為清潔和輕污染，龍?zhí)抖礊榍鍧嵑洼p污染；FBI評價顯示，每個洞穴不同季節(jié)的水質均一致，龍洞輕污染，而牛洞和龍?zhí)抖淳鶠榍鍧嵥健?/p>

表7 洞穴水質生物學評價指數(shù)結果Table 7 Results of biological evaluation of water quality in cave

3 討論

3.1 洞穴底棲動物群落結構特征

有學者對張家界洞穴外溪的大型底棲動物進行調查，其結果是水生昆蟲為優(yōu)勢類群，相對豐度高達97.05%[29]；薛俊增等[20]對浙江壽昌江附近的喀斯特洞穴底棲動物的調查中，洞穴底棲動物的物種組成主要是軟體動物和水生昆蟲。這與本次調查的3個洞穴結果一致，洞穴大型底棲動物優(yōu)勢種主要為水生昆蟲類、螺類和甲殼類。雖然本次調查的3個洞穴都位于貴州省惠水縣，但存在一定的地理隔離，水流也不貫通，所以造成3個洞穴的大型底棲動物優(yōu)勢種不同。

Death[30]對新西蘭3個洞穴底棲動物的研究中，結論是洞內底棲動物的密度始終低于洞外。在洞穴陸生動物的研究中，洞穴動物的生物多樣性沿著有光帶、弱光帶、黑暗帶呈遞減趨勢[31]，本研究中洞穴大型底棲動物群落結構與其基本一致，3個洞穴不同光帶的底棲動物密度變化規(guī)律均為有光帶>弱光帶>黑暗帶。與貴州烏江流域相比[32]，洞穴大型底棲動物密度、生物量和物種數(shù)均較低，甚至洞穴的弱光帶和黑暗帶底棲動物數(shù)量極少或無，而有光帶相對較多，主要是由水生昆蟲組成。

夏、冬兩季調查中，龍洞的物種數(shù)差異較大，夏季采集到12種，且物種分布較均勻。調查時發(fā)現(xiàn)，龍洞有光帶大部分地面均有流水且有一些鵝卵石、枯枝、樹葉等，這些條件為底棲動物提供了食物和良好的棲息環(huán)境，而冬季龍洞有光帶僅采集到2種，且菱跗搖蚊屬占比為99.21%，原因可能是冬季調查前，洞穴情況被當?shù)卮迕袢藶槠茐?，造成物種數(shù)急劇減少；牛洞和龍?zhí)抖次锓N數(shù)差異較小，洞穴弱光帶和黑暗帶物種數(shù)均無太大變化，冬季有光帶的物種數(shù)較夏季減少；在洞穴外大型底棲動物研究中，大型底棲動物密度和生物量的季節(jié)性變化主要與底棲動物群落結構和不同類群的生活史特點有關[33,34]，如搖蚊幼蟲主要在春季至秋季的適宜溫度下繁殖，在夏季羽化離水后現(xiàn)存量小[35]，龍洞搖蚊幼蟲符合上述規(guī)律。洞穴大型底棲動物的生物量并不是有光帶多于弱光帶和黑暗帶，這是由于本次調查的洞穴底棲動物生物量主要取決于螺類和甲殼類，而甲殼類在弱光帶和黑暗帶密度雖很小，但其個體較大，所以導致龍洞弱光帶(LC2)和牛洞黑暗帶(NC3)的生物量較大。

3.2 底棲動物群落結構與環(huán)境因子的關系

在洞外水生生態(tài)系統(tǒng)的研究中，沉積物有機質、水溫、溶解氧、水體pH值、營養(yǎng)水平等環(huán)境因子對大型底棲動物群落結構有重要影響[36,37],而在喀斯特洞穴內，光照強度和食物是影響大型底棲動物群落結構的重要因素[20]。外國學者測量洞穴內巖石表面的葉綠素a和褐色素，其結果是隨著光照強度的降低而減少，同時洞穴黑暗處巖石表面無附生植物且有機質層極少，沒有適合作為底棲動物食物的底棲物質，這些條件的改變極大地減少了底棲動物物種數(shù)和密度[30]。光照強度降低還會使洞穴中初級生產者無法進行光合作用[38]，而初級光合產物是大多數(shù)食物網(wǎng)的基礎，并且洞穴中很少有以化學自養(yǎng)的方式提供能量，因此地下系統(tǒng)必須依靠外部輸入食物[39]。在本研究中，光照強度在夏、冬兩季對洞穴大型底棲動物群落結構均有顯著正相關性(P<0.05)，是影響底棲動物的關鍵環(huán)境因子。在新西蘭北部河流，Towns[40]對一段河床進行人工遮陽，其結果導致了底棲動物物種豐度的變化，該實驗驗證了光照強度對底棲動物群落的影響。

除此之外，洞穴大型底棲動物群落結構還受到其他因素的影響，如沉積物有機質、溫度、溶解氧等[15,16]。大型底棲動物與沉積物有密切聯(lián)系，其原因是底棲動物生活史的大部分時間都要與沉積物接觸，水體表層沉積物有助于底棲動物捕食、躲避敵害等，而且還能為其產卵和繁殖提供條件[41,42]。夏季調查期間水流量較大，在一些樣點水流湍急，導致水體渾濁，這也可能是影響大型底棲動物分布的因素之一。本研究得出，在夏季,洞穴大型底棲動物密度、生物量與沉積物有機質呈顯著正相關(P<0.05)，密度與濁度(TUB)呈顯著負相關(P<0.05)，而在冬季無顯著相關性。在淀山湖的研究中，底棲動物群落結構與總氮(TN)呈顯著正相關(P<0.05)[27]，搖蚊是耐污的類群，其分布與水體營養(yǎng)水平有著密切的關系[43]。本研究中，搖蚊有2種為優(yōu)勢種，其原因可能是對營養(yǎng)水平較高的水體有耐性，導致其密度伴隨總氮升高而增加。

3.3 水質生物學評價

采用Shannon-Wiener指數(shù)和Margalef指數(shù)對洞穴水質進行評價，結果顯示，3個洞穴均受到不同程度的污染，且在冬季時龍洞水質達到重污染，與實際調查水質情況不符。FBI評價結果表明，夏季和冬季水質評價結果均一致，龍洞水質為輕污染，牛洞和龍?zhí)抖此|為清潔，該評價結果與實際水質情況最為貼近。其原因是洞穴水質較好，未見排污、人為破壞等因素對洞穴水質有嚴重污染的現(xiàn)象，適合用于貴州惠水洞穴的水質評價。Shannon-Wiener指數(shù)和Margalef指數(shù)只考慮底棲動物群落的物種數(shù)，而不考慮其群落組成的差異性，并且洞穴底棲動物生物多樣性指數(shù)低，所以采用這兩種評價指數(shù)評價洞穴水質具有一定的局限性。在龍子祠泉域的水質評價中，Shannon-Wiener指數(shù)不適合用于泉域的水質評價[44]，陸曉晗等[26]也提出Margalef指數(shù)對付疃河流域水質評價有偏差。FBI評價法不僅考慮了底棲動物本身的耐污值,而且也考慮了物種的個體數(shù)，從而增強了評價的可靠性，如牛洞的優(yōu)勢種新米蝦是耐污指數(shù)相對較低物種，而FBI就考慮到了耐污值和數(shù)量，因此可更好地對洞穴水質進行評價。

4 結論

本研究在貴州省惠水縣的龍洞、牛洞、龍?zhí)抖?個洞穴共采集到大型底棲動物39種，主要有渦蟲類、軟體動物、水生昆蟲和甲殼類等。優(yōu)勢種12種，主要由軟體動物和節(jié)肢動物組成。洞穴大型底棲動物的物種數(shù)、密度和生物量在夏季和冬季無顯著差異，但總體表現(xiàn)為夏季>冬季。

洞穴大型底棲動物群落結構受洞穴環(huán)境因子的影響。夏季影響洞穴大型底棲動物群落結構的主要環(huán)境因子為光照強度、沉積物有機質和濁度；冬季影響洞穴大型底棲動物群落結構的主要環(huán)境因子為光照強度、總氮和溫度。

Shannon-Wiener指數(shù)、Margalef指數(shù)對夏季和冬季洞穴水質的評價結果差異較大。FBI對夏季和冬季洞穴水質的評價結果一致，其中龍洞均為輕污染，牛洞和龍?zhí)抖淳鶠榍鍧嵥?。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)BI的評價結果與實際情況更符合，更適合洞穴水的水質評價。