徐州城市河流和湖泊的大型底栖动物群落结构及影响因子分析

李朝, 蔡琨, 杜娟, 杨靖, 李勇, 胡红娟

1. 江苏省徐州市环境监测中心站, 徐州 221002

2. 江苏省环境监测中心, 南京 210036

徐州城市河流和湖泊的大型底栖动物群落结构及影响因子分析

李朝1, 蔡琨2, 杜娟1, 杨靖1, 李勇1, 胡红娟1

1. 江苏省徐州市环境监测中心站, 徐州 221002

2. 江苏省环境监测中心, 南京 210036

对徐州市京杭运河市区段和市区湖泊云龙湖进行了大型底栖动物群落结构及影响因子的比较研究。结果显示：城市河流和湖泊生态系统中, 大型底栖动物种类较少、群落结构相对简单, 其中城市河流大型底栖动物的组成主要为水栖寡毛类和软体动物, 城市湖泊大型底栖动物主要组成为水栖寡毛类和摇蚊幼虫。除 Margalef物种丰富度指数外, 河流与湖泊的其他群落指数相差不大。聚类分析将两类生态系统中的大型底栖动物群落明显分为两组。CCA结果显示云龙湖大型底栖动物群落的主要影响因子是 pH和溶解氧, 京杭运河徐州市区段大型底栖动物群落的主要影响因子是总磷和化学需氧量。

大型底栖动物; 城市河流; 城市湖泊; 徐州

城市河流和湖泊作为城市生态系统中水元素最主要的两个载体, 发挥着景观、运输、休憩等多种功能, 是城市生态系统的重要组成部分。城市生态系统是人类活动作为主导的生态系统, 城市中的河流和湖泊在人为活动的干扰下, 其水生生物的物种组成、群落结构和自然生态系统中的河流、湖泊有很大的不同, 同时这两类水生态系统之间的水生生物物种组成和群落结构上也有很大的不同。

大型底栖动物是水生态系统的重要组成部分,近年来在水质监测方面发挥着越来越重要的作用[1]。本研究通过对徐州市云龙湖和京杭运河市区段大型底栖动物的比较分析, 探究两种水生态系统中大型底栖动物群落及其环境影响因子的异同, 进而为利用大型底栖动物进行水质监测和评价提供理论和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 采样点位设置

2014年9月份分别对徐州市京杭运河市区段和市区湖泊云龙湖进行了大型底栖动物调查。

京杭运河是南水北调东线工程的调水河流之一,徐州全境长度为 207 km, 工程运行后, 河水由南向北经骆马湖流向微山湖, 除承担调水工程外, 京杭运河在徐州境内还主要承担航运和灌溉等功能。本次调查以与地表水国控断面位置相同的原则, 共对京杭运河徐州市区段布设了 4个监测点位, 分别为蔺家坝、洞山西、解台闸和红旗新村。

云龙湖位于徐州市区内西南部, 水面面积为6.76 km2, 东、西、南三面环山, 北部平坦地区为滨湖公园, 湖中有四个较大的人工岛, 东北角建有娱乐游船码头。云龙湖是徐州市区最大的湖泊, 同时也是人为开发活动最为强烈的湖泊, 承载着徐州市区重要的景观、人文、娱乐、体育等功能。近年来政府不断加大对云龙湖景区的资金投入, 开展了拓宽环湖路, 修筑水上乐园等项目。本次在云龙湖选取东湖东北、东湖中心和西湖西南三个采样点(图1)。

1.2 样品采集与处理

采用1/16 m2彼得逊采泥器采集大型底栖动物,每个采样点各采两个样, 采泥器在沉入水体的底质后, 将底质表层的泥样夹取到采泥器中。现场将所采的泥样过40目筛子淘洗, 将筛内所得物装入塑料袋后加入浓度为 10%—15%福尔马林溶液密封, 带回实验室, 在白瓷盘上仔细挑拣其中的大型底栖动物。挑出的大型底栖动物用浓度为8%的福尔马林溶液固定, 在显微镜和解剖镜下分类鉴定计数。依照分类鉴定相关材料和书籍, 在保证准确的前提下,将底栖动物鉴定至尽可能低的分类单元[2-4]。

图1 采样点位图Fig. 1 Spatial distribution of sampling sites

1.3 水质理化指标的测定

在大型底栖动物采集的同时, 采集一定的水样,在4℃冷藏保存, 带回实验室, 并在2小时内分析其中的pH、溶解氧(DO)、化学需氧量(CODMn)、总磷(TP)和总氮(TN)等理化指标, 水质采集和分析全部按照《水和废水监测分析方法》(第四版增补版)[5]进行。

1.4 数据处理

1.4.1 群落相关指数

本研究选用的群落相关指数及计算公式如下：

物种优势度指数(Y)[6]

Margalef物种丰富度指数[6]

Shannon-Wiener指数[7]

Pielou均匀度指数[6]

式中, Pi 为第 i 种的个体数与样品中的总个数的比值, Fi为种 i在研究区内各站位出现的频率, S 为总种类数, N 为总个体数。

1.4.2 群落结构分析

由于采集到的物种多度相差较大, 对物种多度数据使用公式 log(x+1)进行对数转换, 组成物种数据矩阵[8]; 环境因子间的测量指标往往差别悬殊,将环境因子数据中心化组成环境数据矩阵[9]。采用PC-ORD5.0软件进行 Cluster Analysis聚类分析和CCA排序[10]。

2 结果

2.1 大型底栖动物物种组成及优势度

本次调查共发现大型底栖动物 21种(表 1),其中环节动物 7种, 软体动物 9种, 水生昆虫 5种。大型底栖动物中优势种(优势度≥0.02)共 15种, 其中克拉泊水丝蚓(Limnodrilus claparedianus)在 7个采样点都作为优势种出现, 在河流中都出现的优势种还有苏氏尾鳃蚓(Branchiura sowerbyi),在湖泊中都出现的优势种有小摇蚊属的一种(Microchironomus sp.)和长足摇蚊属的一种(Tanypus sp.)。总体看来, 河流采样点的优势种主要为环节动物和软体动物, 湖泊采样点的优势种主要为环节动物和水生昆虫, 两种生态系统在物种组成上有着明显的不同。

表1 大型底栖动物物种名称及优势度Tab. 1 Species names and dominance of macrobenthos

2.2 大型底栖动物群落结构

对河流 4个采样点和湖泊3个采样点大型底栖动物的多样性指数进行比较, Shannon-Wiener多样性指数(H’)河流平均值为 2.10略低于湖泊的平均值2.12; Margalef物种丰富度指数河流平均值为0.72, 高于湖泊平均值的 0.52; Pielou均匀度指数河流平均值与湖泊的平均值相等, 都为0.76(表2)。可见除 Margalef物种丰富度指数外, 河流与湖泊的差异并不明显。

表2 大型底栖动物多样性指数Tab. 2 The species diversity indices of macrobenthos communities

2.3 大型底栖动物群落聚类分析

在Cluster Analysis聚类分析图上(图2)可以看出,河流的4个采样点和湖泊的3个采样点, 群落结构差异性非常明显, 3个湖泊采样点大型底栖动物群落非常相似, 河流采样点中, R1、R2较为相似, R3、R4较为相似。

2.4 大型底栖动物群落与水质理化指标的关系

由表3可知, CCA排序前两轴的特征值分别为0.531和0.474, 物种-环境相关系数分别为1.000和0.978, 前两轴的物种变异累计百分数为 58.2, 说明排序效果较好。由表 4可以看出, 与排序轴相关性较大的环境因子中, pH和溶解氧与第一排序轴正相关, 化学需氧量和总磷与第一排序轴负相关, 总磷与第二排序轴负相关。

图3说明, 湖泊3个采样点受pH和溶解氧的影响较大, 河流各采样点中, 除总磷和化学需氧量对R2有一定的影响, 环境因子对其余3个采样点影响很小。由图4可以看出, 物种S3、S4、S18、S19、S20、S21主要受pH和溶解氧影响, 这些物种的优势度在湖泊采样点中较高; 物种S5、S8、S9、S10、S16、S17主要受化学需氧量和总磷影响, 这些物种在河流采样点中有更高的优势度。

图2 大型底栖动物聚类分析图Fig. 2 The hierarchical cluster dendrogram of macrobenthos communities in sampling sites

表3 CCA排序结果Tab. 3 CCA ordination summary

表4 环境因子与 CCA 排序轴相关性Tab. 4 Relations between environment factors and axes

3 讨论

3.1 底质类型对城市河流、湖泊大型底栖动物群落结构的影响

城市河流和湖泊生态系统中, 大型底栖动物种类较少、群落结构相对简单。其中城市河流大型底栖动物的组成主要为水栖寡毛类和软体动物, 这与苏州河相关研究结果类似[11-12]。城市湖泊大型底栖动物主要组成为水栖寡毛类和摇蚊幼虫, 这与蔡永久[13]、王琴[14]等人对湖泊大型底栖动物群落的研究结果类似。除 Margalef物种丰富度指数外, 河流与湖泊的其他群落指数相差不大。聚类分析将两类生态系统中的大型底栖动物群落明显分为两组。

图4 物种与环境因子的CCA排序图Fig. 4 CCA of species

本文虽没有专门做底质对大型底栖动物群落影响的相关分析, 但是相关研究认为水体的底质是影响大型底栖动物群落结构的一大因素[15]。京杭运河徐州段的主要功能之一是航运, 船上装载的河砂和煤炭碎渣沿途洒落到河流中, 使得河流底质较云龙湖含有大量的河砂和煤渣。粉砂和泥质砂类型的沉积物有利于河蚬的生存[16]。R3、R4采样点周围有转运河沙的码头, 运输河沙的船只在这一区域最密集,装卸河砂时, 掉落到河流底质的泥沙也最多, 所以这两个采样点大型底栖动物群落中, 有河蚬出现。市区湖泊云龙湖底质构成主要是淤泥, 泥沙的粒径相比京杭运河要小的多, 采样点位于开阔水域, 区域内没有水生植物的生长, 这些可能是湖泊采样点少有采集到软体动物的原因。粒径较小的淤泥类底质, 且有机质较为丰富, 有利于水栖寡毛类的生存[17], 所以湖泊大型底栖动物群落中水栖寡毛类的数量较多。水体富营养化、较低的大型底栖动物多样性、缺少捕食者以及富含有机质的底质[18], 这些因素造成湖泊中摇蚊幼虫个体密度较高。

3.2 城市河流、湖泊大型底栖动物影响因子分析

CCA结果显示云龙湖大型底栖动物群落的主要影响因子是 pH和溶解氧, 原因在于不同种类的摇蚊对于pH[19]和溶解氧[20]的耐受范围是不同的。前突摇蚊属(Procladius)的种类对溶解氧要求并不十分高,所以这类摇蚊的分布较为广泛。摇蚊亚科中的长跗摇蚊族的种类常不能耐受严重缺氧的条件, 喜居溶解氧高, 未遭污染的流动水体或寡营养湖泊中。摇蚊族的红色具腹管的摇蚊, 如摇蚊属(Chironomus)的幼虫, 体内含有血红素, 这种血红素对氧有极大的亲和力, 故有无脊血红素的红色幼虫, 比缺少无脊血红素的非红色幼虫更能适应在低浓度溶解氧下生活[4]。pH也是影响摇蚊幼虫生长的环境因素之一。研究证明, pH 在 7—8之间摇蚊幼虫成长状况最好, pH 太高或者太低都会影响摇蚊幼虫的正常生长[21]。

京杭运河徐州市区段大型底栖动物群落的主要影响因子是总磷和化学需氧量, 由于总磷含量和化学需氧量较高一般伴随着有机污染和水体富营养化,所以大型底栖动物对水体的有机污染程度有很好的响应[22]。水体中过多的营养物质会进入到沉积物中,水丝蚓以沉积物为食, 并不断地通过肛门把深层沉积物以蚓粪形式排泄到沉积物表层[23]。

除以上环境因子外, 相关研究认为水深、盐度、温度、总氮[24]、CODCr、透明度、铵氮和电导率[25]对大型底栖动物的分布也有一定影响。

环境因子对大型底栖动物的影响是一个非常复杂的过程, 具体的生物学和生态学机理还有待于进一步研究。

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Characteristics of macrobenthic community structure and its relationship with environmental factors in the Xuzhou’s urban river and urban lake

LI Zhao1, CAI Kun2, DU Juan1, YANG Jing1, LI Yong1, HU Hongjuan1

1. Xuzhou Environmental Monitoring Center, Xuzhou 221002, China
2. Jiangsu Environmental Monitoring Center, Nangjing 210036, China

This study compared the macrobenthic community structure and its environmental factors between Beijing-Hangzhou grand canal and Yunlong Lake in the urban area of Xuzhou. We found a limited number of macrobenthic species associated with simple community structures in both ecosystems. Aquatic oligochaetes and molluscs were the major macrobenthos in the canal, while aquatic oligochaetes and insects dominated the lake. Except Margalef’s index, there was little difference in species richness indices between the two ecosystems. Mecrobenthic communities were accordingly divided into canal and lake groups by clustering analysis. The canonical correspondence analysis suggested that pH and DO were the major environmental determinants on the macrobenthic communities in Yunlong Lake, while TP and COD were the major determinants in the Xuzhou section of the grand canal.

macrobenthos, Beijing-Hangzhou grand canal, Yunlong Lake, Xuzhou

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.01.009

A

1008-8873(2016)01-061-06

2015-01-08;

2015-03-05

水体污染控制与治理国家科技重大专项(2013ZX07502001-005)

李朝(1985—), 男, 江苏徐州人, 硕士, 工程师, 主要从事生物监测方面的研究, E-mail： lizhaosithaca@163.com

李朝, 蔡琨, 杜娟, 等. 徐州城市河流和湖泊的大型底栖动物群落结构及影响因子分析[J]. 生态科学, 2016, 35(1)： 61-66.

LI Zhao, CAI Kun, DU Juan, et al. Characteristics of macrobenthic community structure and its relationship with environmental factors in the Xuzhou’s urban river and urban lake[J]. Ecological Science, 2016, 35(1)： 61-66.