基于底栖动物群落的时空特征分析 群落驱动要素及河流健康状况

杨增元 相 华 王志远 张子森

底栖动物是河流生态系统中重要的生态类群，在水生态系统中作用巨大，是微生物、藻类、鱼和鸟类之间重要的营养纽带，在水底起着加速碎屑分解、促进泥水界面物质交换和水体自净的作用，是河流生态系统物质循环和能量代谢重要的环节，也是了解河流生态系统结构和功能及健康状况的关键类群。底栖动物生存周期长，栖息地点稳定，易于采集，对环境变化敏感，可反映河流综合生态条件，因此被广泛应用于水环境质量监测。

鉴于底栖动物在水生态系统有着巨大的作用，同时也被广泛用于水环境质量监测的指标。该研究利用济南市3次底栖动物和环境因子采样数据，分析底栖动物和环境因子的相关性，并对河流健康进行评价。通过底栖动物评价得出的健康状况，为相关部门制定水生态防护措施提供科学依据。

一、研究区概况及采样点分布

济南市位于山东省中西部，南依泰山，北跨黄河，背山面水，分别与西南部的聊城、北部的德州和滨州、东部的淄博、南部的泰安和莱芜交界。从地形上济南市可分为三带：北部临黄带，中部山前平原带，南部丘陵山区带。三个区域水网密集，水生态系统类型复杂，代表性的水生态类型有泉水、河流、水库、湖泊、湿地、城市水控闸坝等。根据研究区具体状况，选取了48处采样点。

二、数据采集

上述48处采样点分别于2015年5月、9月、10月进行了三次调查采样和环境因子监测。采样点位用MAGELLAN全球定位系统（eXplorist-200）记录地理坐标和海拔高度（Elev，m）。采集样品主要包括水质及底栖动物两大类。水质分为野外和实验室测定两大环节，野外所测指标有水温（Temp）、电导率（Cond）、盐度（Saline）、溶解氧（DO）、浊度（SS）、pH、水深（Depth）和流速（Velo）。实验室测定指标有钙（Ca）、氯化物（Cl-）、硫酸盐、碳酸盐、重碳酸盐、总氮（TN）、氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐氮、化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD5）、砷（As）、铬（Cr）、汞（Hg）、锌（Zn）、锰（Mn）、镉（Ge）、铅（Pb）、铜（Cu）、铁（Fe）、氟化物（F-）、硒（Se）、总磷（TP）、碱度（Alk）、硬度（TD）和高锰酸盐指数（CODMn）。底栖动物采样使用的定量采样工具主要包括索伯网和彼得逊采泥器，两者采样方法不同。

1.使用索伯网采集

索伯网是进行河流底栖动物采样的常用工具，根据采样需求，可选用40目或60目、采样框尺寸0.3m×0.3m或0.5m×0.5m的，主要适用于水深小于30cm的山溪型河流或河流的浅水区。

2.使用彼得逊采泥器采集

彼得逊采泥器依据采样框面积分为三种：1/8m2、1/16m2、1/32m2，具体采样框应根据采样需求选择不同的面积。主要适用于采集以淤泥和细沙为主的软底质生境。

三、数据分析

利用野外所测的环境因子和底栖动物进行相关性分析，对济南城市河流健康做出评价。

CCA典型相关分析（canonical correlation analysis），利用综合变量对之间的相关关系来反映两组指标之间的整体相关性的多元统计分析方法。基本原理是：为了从总体上把握两组指标之间的相关关系，分别在两组变量中提取有代表性的两个综合变量U1和V1（分别为两个变量组中各变量的线性组合），利用这两个综合变量之间的相关关系来反映两组指标之间的整体相关性。

基于底栖动物的水生态系统健康评价中，采用生物完整性（B-IBI）指数进行评价。生物完整性是指可定量描述人类干扰与生物特性之间的关系，且对干扰反应敏感的一组生物指数。

四、分析结果

采用上述分析方法和数据，分别绘制不同月份底栖动物与各项因子CCA分布图及底栖动物健康指数月变化图，见图 1～10。

图1 济南市5月底栖动物与物理因子CCA分布图

图2 济南市9月底栖动物与物理因子CCA分布图

图3 济南市10月底栖动物与物理因子CCA分布图

图4 济南市5月底栖动物与化学因子CCA分布图

图5 济南市9月底栖动物与化学因子CCA分布图

图6 济南市10月底栖动物与化学因子CCA分布图

图7 济南市5月底栖动物与水文因子CCA分布图

图8 济南市9月底栖动物与水文因子CCA分布图

图9 济南市10月底栖动物与水文因子CCA分布图

图1为济南市5月底栖动物与物理因子CCA分析结果，以p＜0.05差异显著的标准进行Monte-Carlo筛选，筛选出对济南市底栖动物分布与物流因子差异不显著，差异相对显著的物理因子为pH（p=0.276）。其中位于济南顾小庄浮桥于pH因子响应关系明显，对应的敏感底栖动物物种为中华小长臂虾。

图10 济南市底栖动物健康指数对比图（依次为5月、9月、10月）

图2为济南市9月底栖动物与物理因子CCA分析结果，以p＜0.05差异显著的标准进行Monte-Carlo筛选，筛选出对济南市底栖动物分布差异显著的物理因子为电导率（p=0.026）。其中位于济南陈屯桥于pH因子响应关系明显，对应的敏感底栖动物物种为左旋螺。

图3为济南市10月底栖动物与物理因子CCA分析结果，以p＜0.05差异显著的标准进行Monte-Carlo筛选，10月济南市底栖动物分布差异显著的物理因子不显著，相对显著的因子为气温（p=0.192）。其中位于济南泺口于10月气温因子响应关系明显，对应的敏感底栖动物物种为短沟蜷。

图4为济南市5月底栖动物与化学因子CCA分析结果，以p＜0.05差异显著的标准进行Monte-Carlo筛选，筛选出对济南市浮游植物分布差异显著的化学因子为钾离子（p=0.042）。济南石河对钾离子响应关系明显，主要的敏感底栖动物物种为霍甫水丝蚓。

图5为济南市9月底栖动物与化学因子CCA分析结果，以p＜0.05差异显著的标准进行Monte-Carlo筛选，筛选出对济南市浮游植物分布差异显著的化学因子为钠离子（p=0.002）。济南明辉路桥对钠离子响应关系明显，主要的敏感底栖动物物种为直缘萝卜螺。

图6为济南市10月底栖动物与化学因子CCA分析结果，以p＜0.05差异显著的标准进行Monte-Carlo筛选，筛选出对济南市浮游植物分布差异显著的化学因子为高锰酸钾指数（p=0.042）和亚硝酸盐（p=0.030）。济南鸭旺口对高锰酸钾指数响应关系明显，主要的敏感底栖动物物种为笋锥螺。

图7为济南市5月底栖动物与水文地貌因子CCA分析结果，以p＜0.05差异显著的标准进行Monte-Carlo筛选，筛选结果显示，济南市底栖动物的水文地貌因子相对差异不显著，对应济南市底栖动物的水文地貌因子相对差异显著的水文地貌因子为流速（p=0.148）。其中济南顾小庄浮桥对流速响应关系明显，中华小长臂虾对水体流速具有响应性。

图8为济南市9月底栖动物与水文地貌因子CCA分析结果，以p＜0.05差异显著的标准进行Monte-Carlo筛选，筛选结果显示，对应济南市底栖动物的水文地貌因子相对差异显著的水文地貌因子为水深（p=0.048）。其中济南顾小庄浮桥对流量响应关系明显，秀丽白虾对水体流量具有响应性。

图9为济南市10月底栖动物与水文地貌因子CCA分析结果，以p＜0.05差异显著的标准进行Monte-Carlo筛选，筛选结果显示，济南10月无对应济南市底栖动物的水文地貌因子，相对差异显著的水文地貌因子为流量。其中济南顾小庄浮桥对流量响应关系明显，秀丽白虾对水体流量具有响应性。

从图10可以看出，5月底栖动物健康评价（B-IBI）显示，济南南部山区底栖动物健康状况较好，济南城区周边底栖动物健康状况不佳。济南市梁府庄、板桥、顾小庄浮桥区域底栖动物健康评价结果偏低。最好的区域位于并渡口和黄巢水库附近，在这一流域典型清洁物种东方蜉（EpHemera orientalis）各个季节均有发现。进入9月，底栖动物健康评价（B-IBI）显示结果大体规律和5月相同，但南部区域部分点位由良好转为一般，整体状况略差于5月。10月，除并渡口、卧虎山流域和东部区域整体状况较好，其他区域整体底栖动物健康状况偏差，很多点位底栖动物物种多样性明显降低。

五、结论

该研究基于济南城市河流底栖动物野外采样的工作，利用典型相关法和栖息地适应性指数法，对底栖动物与环境因子进行相关性分析。评价结果显示：5月，济南南部山区底栖动物健康状况较好，城区周边底栖动物健康状况不佳，梁府庄、板桥、顾小庄浮桥区域底栖动物健康评价结果偏低，最好的区域位于并渡口和黄巢水库附近，在这一流域典型清洁物种东方蜉（EpHemera orientalis）各个季节均有发现；9月，南部区域部分点位由良好转为一般，整体状况略差于5月；10月，并渡口、卧虎山水库流域和东部区域整体状况较好，其他区域整体状况偏差，很多点位底栖动物物种多样性明显降低。通过底栖动物评价河流健康状况，可为相关部门制定或完善水生态防护措施提供科学依据。

本文所用的数据是野外实际采样获取的，相对真实、可靠，但在采样过程中，难免会出现不确定性和随机性，未来需要在不确定性和随机性方面继续进行改进■