太子河流域水生生物空间格局分析

谭红武，杜 强，侯和胜，王志坤

(1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.辽宁师范大学，辽宁 大连 116029；3.辽宁省水利水电科学研究院，辽宁 沈阳 110003)

0 引言

太子河流域是我国北方典型的人工高度调控流域。流域内山地占69%，丘陵占6.1%，平原占24.9%；土地利用以林地和耕地为主，分别占56.76%、32.62%，空间分布与流域地貌格局基本一致。流域内城镇化、工业化程度均较高，分别为55.76%、58.48%，且以重工业为主。自上而下，分布有本溪、辽阳、鞍山三个工业和人口中心。太子河流域多年平均水资源量34.9亿m3，流域总库容40.33亿m3，其中参窝、汤河、观音阁3座大型水库总库容达36.65亿m3，干流另建有14座拦河闸坝，总蓄水量达2147万m3，干流呈以观音阁水库、参窝水库为主节点的“两库、三段、多闸坝”的调控格局。受流域内产业结构及点、面源结构及空间分布特征制约，太子河流域中下游存在严重的结构性水污染问题。

基于2010年9月太子河流域水生生物及水质的同步监测调查结果，采用去趋势对应分析（DCA）与聚类分析揭示了各生物类群空间格局，利用去趋势典型对应分析（DCCA）分析了空间格局与理化影响因子的关系，以期为水质水量优化调配的生态响应评估及水生态功能分区提供基础。

1 方法与材料

1）断面布设。2010年9月由中国水利水电科学研究院委托辽宁师范大学生命科学学院完成了太子河流域水生态调查工作。共设置17个断面，其中干流自上而下包括南口前（南甸）、观音阁水库库中、富家、老官砬子、本溪水文站、二焦断面、白石砬子、参窝水库库中、辽阳水文站、小林子水文站、唐马寨水文站、小姐庙水文站共12个断面；支流共有细河的红庙及桥头，汤河的二道河、下达河、汤河水库（库中）共5个断面。调查项目主要包括浮游生物、底栖生物及鱼类等。其中，2010年9月10—13日进行浮游生物及底栖生物采集，2010年10月10—16日进行河流断面鱼类样品采集和水库鱼类资料收集。同时，收集了太子河流域干流老官砬子、本溪、二焦、辽阳、小林子、唐马寨、小姐庙7个常规水质监测断面的2010年9月份水质监测资料。

2）样品采集及处理。 按照SL167-96《水库渔业资源调查规范》、SC/T9102.3-2007《渔业生态环境监测规范 第三部分：淡水》及有关规范的要求，对浮游藻类、浮游动物、底栖生物、鱼类进行样品采集及处理。底栖生物中软体动物鉴定到种，水生昆虫（除摇蚊科幼虫）至少鉴定到科，水生寡毛类和摇蚊科幼虫至少鉴定到属，其他生物类群均鉴定到种。

3）数据分析方法。 去趋势对应分析（DCA）和典型对应分析均是在CA（对应分析）基础上发展出的梯度分析方法，DCA通过趋势算法消除了CA中常出现的“弓形效应”，是揭示生物群落空间格局的有效工具[1,2]；CCA将CA和多元回归结合，实现与环境因子的关系分析[1,2]。去趋势典型对应分析（DCCA）在CCA基础上加入去势算法，更好地揭示生物群落结构与环境因子的关系，已成为90年代以来生物群落梯度分析与环境解释的趋势性方法[3]。本文中使用Canoco for windows 4.5软件对物种数据进行DCA分析，揭示空间格局；使用DCCA揭示物种数据和环境数据间关系。物种矩阵经过 lg（x+1）转换，环境数据除 pH 外，都进行 lg（x+1）转换[4]。聚类分析采用SPSS软件进行。

2 结果

2.1 群落结构特征及空间格局

1）群落结构特征。该次调查共鉴定出藻类126种，其中绿藻门52种、硅藻门33种、蓝藻门19种、甲藻门3种、裸藻门9种、金藻门5种、隐藻门3种、黄藻门1种；浮游动物4类、57属、76种，其中原生动物26种，轮虫29种，枝角类14种，桡足类7种；底栖动物4门19属20种，其中环节动物4种、软体动物2种、节肢动物13种、线形动物们1种。鱼类10科34种，其中，七鳃鳗科1种，胡瓜鱼科1种，鲤科17种，鳅科4种，青科1种，鲶科1种，鳢科3种虎鱼科1种，科1种，刺鱼科1种，未知2种，以宽鳍、洛氏鱥、麦穗鱼、泥鳅（的数量最多。各断面生物类群的物种数见图1。

2）各生物类群总体空间格局特征。

a）太子河流域内水生生物类群分布呈现较强的空间分异特征

图1 太子河流域各断面各生物类群物种数

表现为：河道水体与水库水体差异显著，尤其是在浮游动物的种数、属数、生物量及密度水库均显著高于河道；太子河干流可划分为本溪河段及参窝以下河段两大类，其中，本溪河段内硅藻占优势，自上而下逐步降低，绿藻逐渐上升；浮游动物、鱼类种数自上而下逐渐降低，生物量及密度则自上而下成偏U型；参窝以下河段绿藻占优势，硅藻则沿程下降；浮游动物种数、属数变化特征不显著，总密度、总生物量沿程降低；鱼类种数沿程逐渐降低，至小姐庙最低。

各断面的DCA排序和聚类分析结果见图2。排序图上各点位的距离代表了其生物群落结构的相似性。由图，DCA排序及聚类分析结果均显示各断面可划分为三大类，其中，本溪河段白石砬子以上的各断面与汤河水库的二道河、下达河断面为1类，辽阳、小林子、唐马寨为1类，白石砬子和小姐庙、细河的桥头为1类。其结果从多元统计的角度印证了本溪河段及辽阳河段两大河段总体分区判断。

b）整体上，沿胁迫强度梯度，各生物类群均呈现由敏感种向耐污种和广布种的变化趋势。

对太子河干流2007—2009年及本期常规水质监测结果的评价表明：太子河干流水质上游基本达标，下游严重超标，胁迫强度呈沿程逐渐加重的趋势，超标污染物为有机污染物。沿胁迫梯度，各生物类群呈现由敏感种向耐污种和广布种变化的趋势。

c）各生物类群的空间分异的指示作用的强度呈现浮游植物、浮游动物、鱼类依次降低的顺序。

图2 太子河流域各河流断面藻类、浮游动物、鱼类综合数据集DCA及聚类分析图

对14个河流断面，就各生物类群各自和整体的物种有无、数量的组合，构建生物群落结构数据集，采用DCA分析其生物群落数据的特征及可解释能力（见表1）。由表1，藻类、浮游动物、鱼类生物群落结构的总特征值依次降低，而前两轴的可解释能力依次升高，而藻类、浮游动物、鱼类三者的组合生物群落结构的总特征值高于浮游动物，前两轴的可解释能力则低于浮游动物。物种有无数据和物种数量的数据的总特征值及前两轴可解释能力无显著差异。总体上各生物类群的空间分异的指示作用强度呈现藻类＞浮游动物＞鱼类的顺序。

2.2 水质及水生生物分布格局的关系分析利用

CCA对太子河水生生物群落结构分布格局与水质格局的关系进行了分析，其中，选择了太子河干流有长期观测数据的7个水文站断面作为样方（断面），水生生物类群选用了藻类、浮游动物、鱼类以及三者联合的物种有无数据，水质数据选用同期9月份水质，进行DCCA分析，结果见图3。

由图3（a），太子河干流7断面的藻类群落结构可划分为两大类，即老官砬子、本溪、辽阳、小姐庙为1类，二焦、辽阳、小林子为另一类。主要的水质 影 响 因 子 依 次 为 CODCr，Ta，DO，CODMn，NO3-，NO2-，pH 等。由图 3（b），太子河干流 7 断面的浮游动物群落结构中，本溪、二焦、小林子、唐马寨、小姐庙较为相似，本溪、辽阳与其差异较大。主要的水质影响因子依次为水温（Tw）、流量（Q）、氨氮等。由图3（c），太子河干流7断面的鱼类群落结构中，老官砬子、本溪、二焦、辽阳断面较为相似，小林子、唐马寨、小姐庙则较为相似。主要的水质影响因子依次为氨氮、DO、电导率（EC）、CODMn等。

表1 太子河流域14个河流断面的不同类型物种数据集的DCA结果

图3 太子河干流7断面藻类样方-物种-水质三序图

由图3（d），藻类-浮游动物-鱼类的综合分布呈现与各单项生物类群分布尤为明显的从上游到下游的梯度分布特征，除辽阳和小姐庙两个断面外，老官砬子、本溪、二焦、小林子、唐马寨断面在排序图上基本呈一直线分布。主要的水质影响因子依次为水温、DO、氨氮等。

3 结语

1）洪水期末太子河流域水生生物类群呈现显著的空间分异特征，总体可划分为本溪河段及蓡窝以下河段，与太子河干流“两库、三段、多闸坝”的水工程调配格局相匹配。各生物类群的空间分异的指示强度呈浮游植物＞浮游动物＞鱼类顺序，总体空间格局呈清晰的由上游指向下游的梯度分布特征。其水质影响因子随不同生物类群各有差异，但综合各生物类群的水质主导因子有水温、DO、氨氮及TSP。水生生物群落结构的空间格局可为太子河流域的水生态功能分区提供坚实的生态学基础。

2）鉴于生物类群的群落结构的物种有否和物种数量所蕴含的生物格局信息基本相似，暗示着水生生物群落的定性调查较之来繁重的定量调查，同样可满足快速生物评价的基本需要，但应尽量采用藻类、浮游动物、鱼类、底栖生物等各生物类群的综合调查。

采用水生生物群落及水流水质理化性质同步监测调查，结合DCCA方法可以揭示二者间关系，但目前选用的水质因子仍显不足，未来理化因子可添加TN，TP以及必要的物理栖息地指标。

基于多生物类群联合评价有助于揭示影响流域水生生态系统结构的潜在梯度，在识别出流域内生态良好的参照点的情况下，通过分析不同断面在不同水质水量调配方案下在排序图上相互位置的变化情况，可望实现对综合生态响应效果的客观评价。

［1］Terbraak C J.F.,Canonical Correspondence analysis-a new eigenvector technique for multivariate direct gradient analysis［J］.Ecology,1986，65（5）：1167-1179.

［2］Dodkins,I.,B.RippeyandP.Hale,Anapplicationofcanonical correspondence analysis for developing quality assessment metrics for river macrophytes［J］.Freshw.Biol.,2005,50∶891-904.

［3］张金屯.数量生态学（第二版）［M］.北京：科学出版社，2011.

［4］Muylaert K,Sabbe K,Vyverman W.Spatial and temporal dynamics of phytoplankton communities in a freshwater tidal estuary(Schelde,Belgium)［J］.Estuarine,Coastal and Shelf Science,2000,50∶673-687.