太子河大型底栖动物摄食功能群对河岸带土地利用类型的响应

李丽娟,崇祥玉,盛楚涵,殷旭旺,*,徐宗学,张 远

1 大连海洋大学水产与生命学院,辽宁省水生生物学重点实验室,大连 116023 2 北京师范大学水科学研究院,北京 100875 3 中国环境科学研究院,环境基准与风险评估国家重点实验室,流域水生态保护技术研究室,北京 100012

在河流生态系统中,河岸带土地利用类型的变化对水环境和水生生物有着重要影响[1-2]。近几十年来,世界上大部分地区的河流生态系统遭受到严重退化,造成其退化的主要原因是周围人类活动导致河岸土地利用类型发生变化,进而影响到河流水环境质量和水生生物多样性[3]。在世界范围内的土地利用类型变化中,农业用地在河岸带所占比例较大,研究[4]表明农业是全球土地利用类型变化的主要驱动因素,大量的耕种造成森林和湿地的退化,严重威胁了河流生态系统的健康发展。因此,研究河岸带土地利用类型与水环境和水生生物之间的关系对于保护河流生态系统健康尤为重要。已有研究通过水生生物的物种指示作用及群落组成来评估河流生态系统在时间和空间上的潜在变化[5-6]。

大型无脊椎底栖动物是淡水生态系统的重要组成部分,是河流生物评价中的重要生物指示类群之一。它们具有生命周期长、迁移能力弱、易于采集和鉴定、对环境变化响应敏感等特点[7-9],被广泛应用于评价人类活动对河流生态系统的干扰和影响[10-12]。底栖动物功能群是具有相同生态功能的底栖动物的组合[13-14],近几十年来,基于其获取食物来源的形态学和行为适应的摄食功能群(FFG)分类方法已经作为评估环境条件对水生生物影响的重要工具[15]。FFG既可以反映大型底栖动物的群落结构特征和生境适应性特征,也可以反映人类活动的干扰程度及河流生态系统受损状况[16-17]。FIERRO等[18]发现人类活动导致土地利用的改变对河流生物多样性有很大的影响,尤其是对河岸带植物多样性、水环境质量和底栖动物群落结构等方面的改变；底栖动物群落多样性在原始森林区最高,在农业用地区和人工种植林区最低,且指示种以非昆虫物种为主；对底栖动物摄食功能群的研究表明收集者功能群丰度在摄食功能群中所占比例最大,但摄食功能群在不同土地利用内没有差异性。Yamada等[19]研究表明底栖动物的群落结构模式和功能群组成有不同的影响因素,即使底栖动物生活在同一个生态系统中,但其群落结构和功能群组成是由不同机制决定的,主要取决于生态特性,例如其分散能力和微生境等。Miserendino等[15]研究表明在城镇用地内底栖动物收集者功能群的密度最高,农业用地内滤食者功能群和收集者功能群的密度最高,而森林用地内滤食者功能群和植食者功能群的密度均较高。

本研究旨在研究流域内四种土地利用类型(森林用地、森林耕作用地、耕地和城镇建设用地)对水环境的影响,重点是评估底栖动物摄食功能群对河岸带土地利用类型的响应关系,同时提出河岸缓冲区的合理土地利用方式,以期为当地环境保护机构进行有效的河岸管理和水生生物保护提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域和采样点设置

太子河流域(122°30′E—124°50′E、40°30′N—41°40′N)位于我国辽宁省东部,干流全长413 km,流域面积13880 km2,属于温带季风气候,四季分明,年内温差较大,降雨多集中在6—8月,占全年总降雨量的71.2%；水系发源于辽宁省新宾县境内的长白山脉,向西流经本溪、辽阳、鞍山三市,在三岔河与浑河汇合形成大辽河后至营口注入渤海[20](图1)。太子河流域四种土地利用类型的划分(森林用地、森林耕作用地、耕地和城镇建设用地)参照李丽娟等[21]。于2012年5月,对太子河流域进行底栖动物样品采集和野外调查研究,该流域共设置采样点位42个,采样点设置如图1。其中,森林用地、森林耕作用地、耕地和城镇建设用地中采样点位分别为6个、19个、9个、8个。

图1 太子河42个采样点在4种土地利用类型中的分布Fig.1 Location of the 42 sampling sites distributed in four land use types of Taizi River

1.2 底栖动物样品采集与鉴定

于2012年5月,对太子河四种土地利用类型中的42个点位进行底栖动物样品采集(图1),使用索伯网(Surber net,网口尺寸为30 cm×30 cm,网孔径为500 μm)或彼得逊采泥器(1/16)完成样品采集,在每个样点的100 m范围之内随机采集2个平行样本,现场挑出底栖动物,并用90%的酒精固定,然后带回实验室进行鉴定。参考相关文献[22-27],在显微镜或解剖镜下进行分类和计数,样品尽量鉴定到属或种。

1.3 水环境调查

太子河河岸带各采样点水体的电导率(EC)、总溶解固体(TDS)、溶解氧(DO)和pH采用水质分析仪(YSI Pro 2000,YSI,美国)现场测定；水深使用流速仪现场测定；底质含沙量用底质分样筛网(孔径分别为16、8、4、2、1 mm)测定；底质指数特征IOS(Index of Substrate,底质指数)(巨砾>256 mm,鹅卵石256 mm>64 mm,碎石64 mm>4 mm,淤泥<4 mm)。IOS[28]计算公式：IOS=0.08%V漂石+0.07%V大卵石+0.06%V小卵石+0.05%V大圆石+0.04%V小圆石+0.03%V粗砾+0.02%V细砾+0.01V砂(V为测量出不同底质类型的体积：升)；另采集一份2 L水样,在低温(4 ℃)条件下送回实验室,根据《水和废水监测分析方法》[29]测定悬浮物(SS)、CODMn(高锰酸盐指数)、TP(总磷)、TN(总氮)、NH3-N(氨氮)。

1.4 数据分析

根据以往研究[15,18-19],根据食性将底栖动物分为食碎屑者(S)、刮食者(SC)、收集者(GC)、滤食者(FC)和捕食者(P)。用CANOCO4.5软件对底栖动物摄食功能群和环境因子进行典范对应分析(canonical correspondence analysis,CCA)；用Pcord 5.0进行多响应置换过程分析(multi-response permutation procedures,MRPP)和指示种分析(indicator species analysis,ISA)；用BioDiversityPro软件计算Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数；对不同土地利用类型下的环境因子和底栖动物群落结构及功能群进行单因素方差分析以及Duncan检验,进一步应用Pearson和Spearman分析检验土地利用类型、环境因子和底栖动物摄食功能群三者之间的相关性。单因素方差分析用底栖动物的密度数据进行统计,统计分析在SPSS 17.0软件包上进行。

2 结果

2.1 太子河流域水环境质量

太子河流域不同土地利用类型下的水环境参数比较见文献[30]。太子河流域水环境参数的整体特征(表1)。上下游之间水环境质量相差较大,上游水质较好,中下游受污染严重,水质较差。电导率和总溶解固体最小值分别为58.3 mg/L和52.65 mg/L,出现在上游森林区域；其最大值分别为1392 mg/L和912.5 mg/L,出现在中下游地区。溶解氧平均值为9.34 mg/L,最大值为14.7 mg/L,出现在上游地区；最小值1.9 mg/L,出现在下游城镇地区。总磷、总氮和高锰酸盐指数最大值出现在下游城镇区。

表1 太子河流域水环境参数的整体特征Table 1 The status of water quality for 42 sites sampled in the Taizi River watershed

2.2 底栖动物功能群

太子河流域共采集到底栖动物37种,分5纲9目14科,优势种为动蜉、摇蚊属和水丝蚓属。多响应置换过程分析结果显示太子河流域4种土地利用类型之间的底栖动物群落结构具有明显的空间异质性(P=0.002)。

单因素方差分析表明(表2),底栖动物群落中的平均丰度和Shannon-Wiener多样性指数在不同土地利用类型内具有极显著差异(P<0.001),在森林用地中最高,分别为8.86和0.94；平均密度、Pielou均匀度指数和食碎屑者功能群在不同土地利用类型内具有显著差异(P<0.05)；滤食者、收集者、捕食者和刮食者功能群在不同土地利用类型内差异性不显著(P>0.05)。

表2 不同土地利用类型中的底栖动物功能群比较Table 2 Comparison of macroinvertebrate functional groups under different land use types(MR:mean richness;MD:mean density;H:Shannon-Wiener diversity index;J:Pielou evenness)

数据以平均值±标准误差形式表示

采用指示种分析方法检测太子河流域指示种分布情况,分析结果见表3。由表3表明：太子河流域共检测出7个指示物种,其中动蜉、Polycentropussp.和Neuroclipsissp.是森林用地和森林耕作用地的指示种(P<0.05),分别属于刮食者(SC)和食碎屑者功能群(S)；梯形多足摇蚊是耕地的指示种(P<0.05),属于收集者功能群(GC)；霍甫水丝蚓和中华新米虾是城镇用地的指示种(P<0.05),属于收集者功能群(GC)。

表3 太子河流域不同土地利用类型下的指示种分析Table 3 Indicator species of different land use types in the Taizi River Basin

2.3 土地利用类型、水环境质量和底栖动物摄食功能群之间的关系

太子河土地利用类型与水环境因子之间的Pearson分析表明(表4),森林用地与EC、TDS、TN、NH3-N、CODMn之间呈显著负相关性(P<0.01),与DO、IOS之间呈显著正相关性(P>0.01)；森林耕作用地和环境因子之间无相关性(P>0.05)；耕地与DO和IOS之间呈显著负相关性(P<0.01)；城镇用地与EC、TDS和TN之间呈正相关性(P<0.05)。

表4 四种土地利用类型和环境因子之间的Pearson分析Table 4 Person′s correlation between land use types and water environmental indicators

**代表0.01,*代表0.05

太子河土地利用类型与底栖动物功能群之间的Spearman分析表明(表5),森林用地与食碎屑者(S)、刮食者(SC)和收集者(GC)呈正相关性(P<0.05),而森林耕作用地和底栖动物功能群之间没有相关性(P>0.05)。耕地与食碎屑者(S)、滤食者(FC)之间呈负相关性(P<0.05),城镇用地与刮食者(SC)和收集者(GC)之间呈显著负相关性(P<0.01)。捕食者与4种土地利用类型之间没有相关性(P>0.05)。

表5 四种土地利用和底栖动物功能群之间的Spearman分析Table 5 Spearman nonparametric correlations between macroinvertebrate functional groups and land use types

底栖动物摄食功能群和水环境因子之间的典范对应分析表明(图2),食碎屑者功能群(S)与IOS(底质指数)呈显著相关性(P<0.05),滤食者功能群(FC)、收集者功能群(GC)、刮食者功能群(SC)与DO(溶解氧)呈显著相关性,捕食者功能群(P)与水环境因子之间无相关性(P>0.05)。

图2 底栖动物功能群和水环境因子之间的典范对应分析Fig.2 Canonical correspondence analysis between macroinvertebrate functional groups and water environmental factors in the Taizi River BasinS:食碎屑者功能群；SC:刮食者功能群；GC:收集者功能群；FC:滤食者功能群；P:捕食者功能群

3 讨论

研究表明河岸带土地利用类型对河流底质类型和底栖动物摄食功能群有着重要影响[15],河岸带为森林用地的河流底质类型以石块、碎石为主,IOS较高；而河岸带为耕地的河流底质类型以泥沙为主,IOS较低,这是由于河岸带的树木被大量砍伐用作耕种,河道变宽,流速变缓,河道内泥沙淤积严重,从而导致含沙量较高,这与Brisbois等人[14]的研究结果相似。不同的河流底质类型影响着底栖动物摄食功能群的分布,Polycentropussp.等食碎屑者功能群(S)喜清洁水体,分布于底质类型以石块为主的森林用地；摇蚊、水丝蚓等收集者功能群(GC)耐污性较强,多分布于底质类型以淤泥和沙质为主的耕地和城镇用地。

本研究结果强调了不同土地利用类型的底栖动物群落结构具有差异性。太子河流域底栖动物的平均丰度和平均密度在森林用地中最高,

在耕地中最低,Shannon-Wiener多样性指数在城镇用地中最低,说明农业活动和城镇化会影响到底栖动物群落结构的变化[31]。不同土地利用类型下的指示种分析表明森林用地的指示种为动蜉和Polycentropussp.,森林耕作用地的指示种为Polycentropussp,Cinygmasp和Polycentropussp.,均为清洁水体指示种。耕地的指示种为等叶裸须摇蚊,城镇用地的指示种为霍甫水丝蚓和中华新米虾,这与其他研究结果相类似,例如Solis等[32]研究结果表明腹足动物和翅亚目是农业用地的指示物种,端足目是蓄水区的指示物种,不同土地利用类型下底栖动物群落结构具有显著差异性。

研究表明除食碎屑者功能群外,其他摄食功能群在不同土地利用类型下无显著差异性。森林用地内河流底质类型以石块或卵石为主,枯枝落叶等有机碎屑较多,食碎屑者功能群主要分布在森林用地。而其他摄食功能群在不同土地利用之间无显著差异性,主要由于自森林耕作用地至城镇建设用地人类活动干扰增强,氮磷等有机污染物进入河流,水质均受到不同程度污染,底栖动物摄食功能群以收集者功能群和滤食者功能群为主。这与Ferrio等人的研究结果相近,底栖动物摄食功能群不能够完全反映不同程度的人类活动对河岸带土地利用的影响[18]。

太子河流域土地利用类型与环境因子之间的相关性分析表明,森林用地与DO、IOS之间呈显著正相关,与EC、TDS、TN、NH3-N、CODMn之间呈显著负相关,表明人类活动对森林用地区干扰较小,水质较好,这与Zhang等[16]对太子河河岸带不同宽度下的森林用地与环境因子的研究结果不尽相同。耕地与DO和IOS之间呈显著负相关,城镇用地与EC、TDS和TN之间呈正相关,表明耕作活动和城镇建设对河流干扰性较强,水质受到一定程度的污染,这与丁森等人对太子河源头土地利用与环境因子的研究结果较为一致[33]。河岸带频繁的人类活动对河流水环境质量造成了严重损害,进而影响到底栖动物群落结构的变化。

已有相关研究表明收集者功能群和滤食者功能群主要出现在城镇用地和农业用地[34-35]。太子河流域土地利用类型与底栖动物功能群之间的Spearman分析表明：森林用地与食碎屑者(S)、刮食者(SC)和收集者(GC)呈正相关；耕地与食碎屑者(S)、滤食者(FC)之间呈负相关；城镇用地与刮食者(SC)和收集者(GC)之间呈显著负相关。Valdovinos等对智利河流的研究结果表明原始森林区食碎屑者功能群的密度和生物量高于人类活动区[35],这与本研究结果较为相似。

4 结论

本文从土地利用类型与底栖动物之间关系的角度出发,并结合流域环境、水文等自然属性特征,将会使得土地利用划分更具科学性和实用性,亦可进一步了解由于人类活动而导致河流生态环境健康变化特点及变化趋势。根据本研究结果,建议对太子河上游进行良好保持,对中下游要加强治理,尤其控制中下游河岸带耕作用地和城镇用地面积,构建和谐健康稳定的太子河河流生态系统。