蚂蚁河大型底栖无脊椎动物及其与环境响应关系研究

石金磊，王立权，李铁男，张 柠，赵文超

(1.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

河流水生生态系统是自然界的一个重要组成部分[1]，除了直接提供人类所需的淡水资源外，它还在维持生物能源循环和提供其他生态服务方面发挥着重要作用[2]。这些年以来，由于社会经济的高速发展，造成了人类对河流水生态系统资源的肆意浪费，同时河流水生态系统服务恶化的问题也变得愈发严重[3]。作为水生生物群里的一个重要组成部分，大型底栖生物由于具有加速河道残骸的分解以及促进物质交换和净化水质的功能，在生态指标和水质评估研究中被广泛应用[4]。随着河流水域生态系统健康评估理论的不断发展，人们认识到对大型底栖动物的环境适宜性评估是有效保护和管理底栖动物多样性的基础和关键。因此，开展内陆河地区大型底栖动物环境研究可为保护当地水生生物多样性提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区情况

蚂蚁河是松花江右岸的一条较大支流，位于黑龙江省南部。他发源于张广才岭的西坡并流经三个县(市)，即尚志市、延寿县、方正县，在方正县北端与松花江汇合，与通河县相对，总长280.08 km。流域总面积10 847.40 km2。蚂蚁河三面环山，河水在源头后呈东西走向，然后转向西北，到尚志市的苇河镇，然后在尚志市附近转向东北，当河流到达延寿县的边界时，流向再次改变，向北和东北方向流动，河流呈现出字母“L”的形状。尚志段地貌为东南至西北环型高、中间低的阶梯特征。方正县属于丘陵——低山区地形。东、西部块断侵蚀中山山地和低山丘陵。

1.2 设置采样点及样品收集与处理

在这项研究中，我们选取了受人类活动干扰强度不同的河流生态系统地点，同时还结合河流系统和其形态特征、河床基质的不同类型、水电站建设以及工业和农业污染，此次调查将蚂蚁河分为方正县至延寿县、延寿县至尚志市、尚志市至亚布力镇等3个调查河段。根据控制性、代表性原则，水生生物和水体理化性质调查需要，调查时间为2019年10月。每个河段内设置2～5个采样点，位置见表1。

表1 蚂蚁河大型底栖无脊椎动物调查采样点

分别使用1/60 m2彼得逊采泥器和抄网(直径50 cm)定量和定性地收集大型底栖生物，根据采样河段的生境特征，在每个采样段的不同位置重复收集2～3次，并取平均值[5]。现场测量的物理和化学指标包括电阻率、pH值、电导率、水温、底质、溶解氧浓度、盐度和溶解性总固体浓度数据；实验室内测定亚硝酸盐氮、总磷、总氮、BOD5、氨氮、CODMn以及COD等化学指标。根据地表水的环境质量标准，对水样进行预处理和保存。为了避免控制采样的误差，上述样品重复4次，在数据分析时取平均值。根据底质粒径分类标准[6]，将底质分为粗砾(8～16 mm)、细砾(4～8 mm)和砂(<4 mm)。

1.3 数据处理与分析

1.3.1 优势度及多样性指数

为了确定研究地区的主要物种，使用了生物指标，如香农—威纳(Shannon-Wiener)多样性指数、Pielou均匀度指数和Margalef丰富度指数来量化每个采样点的生物多样性。在香农—威纳(Shannon-Wiener)多样性指数的基础上，使用Pielou均匀度指数同质性指数来估计群落样本中所有物种的个体数量分布和同质性程度[7]。

一个物种的优势是通过优势公式来衡量的，该公式基于大型底栖生物的出现频率和该物种的个体数量，优势度Y如式(1)：

(1)

式中：ni为采样中某类物种的数量；N为采样中总体物种的数量；fi为采样中某类物种的出现频率。当某类物种优势度Y>0.02时，该物种即为优势种群[8-9]。

香农—威纳(Shannon-Wiener)多样性指数H′如式(2)：

(2)

式中：S为采样区域内的底栖动物种类数。香农—威纳(Shannon-Wiener)多样性指数越大，物种群落结构不确定性越大，物种多样性越高[10]。

用于评估生物群落中物种丰度程度的Margalef丰度指数[11]dM如式(3)：

(3)

Pielou均匀度指数J如式(4)：

(4)

1.3.2 典范对应分析

典范对应分析(CCA)是探究大型底栖动物与环境因子相关性常用的一种重要的单峰模型排序方法[12-14]。本研究以蚂蚁河延寿上游15个采样点的大型底栖动物的生物密度作为物种矩阵(20×15)，以各采样点的水温、氨氮、温度、底质、pH值和溶解氧等环境因子作为环境因子矩阵(20×9)。除pH值外，数据在分析前标准化处理为lg(1+x)。Canoco 4.5软件用于物种数据的CCA分析和环境因子数据的分析，对地块进行排序[7]。

2 结果与分析

2.1 大型底栖动物种类组成

2.1.1 物种组成及优势种

综合底栖动物密度在15个采样点出现频率，以优势度Y>0.02的物种视为优势种[5]。蜉蝣目中的小蜉、扁蜉，蜻蜓目中的虎蜓，双翅目中的羽摇蚊幼虫，颤蚓目中的中华颤蚓、水丝蚓及颚蛭目中的水蛭为蚂蚁河的优势种，Y分别为0.026、0.020、0.060、0.032、0.125、0.047和0.028。出现频率前7位的广布种分别为中华颤蚓、虎蜓、羽摇蚊幼虫、水丝蚓、扁蜉、水蛭和小蜉，出现频率分别为100.00%、87.06%、81.18%、75.29%、55.29%、37.69%和23.39%。其中中华颤蚓在研究区内出现的次数和其物种优势度均最高，分别为100.00%和0.125。

表2 蚂蚁河各采样点动物分布情况

2.1.2 群落分布及多样性

7个断面共采集到大型底栖动物890个，以目为标准对其进行分类，可分为蜉蝣目、蜻蜓目、毛翅目和三翅目4类。采样鉴定结果表明不同河流间大型底栖动物的群落结构有显著差异[7]，见图1。

图1 蚂蚁河底栖动物的生物量分布

将采样区域的总的物种丰度转化为单位面积等效丰度，生物密度取多个采样点的平均密度。同时以河段为研究对象，在统计物种出现频率和总个体数的基础上，计算香农—威纳(Shannon-Wiener)多样性指数、丰富度指数、均匀度指数等生物指数[7]。

2.2 主要环境因子特征

采样河段主要环境因子(水体理化参数)见表3。六团镇与沿河镇各采样点处流速相对较急，溶氧含量较尚志市断面高。

表3 采样河段水体理化参数

2.3 物种分布与主要环境因子关系

在这些大型底栖动物中选择了15种，并分析了它们与环境因素的关系。其中，物种-采样点关系见图2。在排序图中，进行对蚂蚁河采样点中入选的大型底栖物种除趋势对应分析，轴线中最大梯度长度(LOG)为2.68<3，即进行典范对应分析(CCA)。蚂蚁河每个采样点的底栖动物物种密度与9个主要环境因素使用CCA分析，通过分析得到的9个主要环境因素全部反映了97.9%物种密度的信息。坐标轴1与坐标轴2的特征值分别为0.5587和0.3768，其物种的密度与环境因素的相关程度达到了0.9895和0.9988。坐标轴1～轴4共同反映出85.66%的物种信息和93.56%的物种—环境相关程度，其中坐标轴1的贡献最大，占物种—环境相关程度的57.56%。

图2 底栖动物群落结构与环境因子的CCA排序图

3 讨 论

3.1 主要环境因子

CCA排序结果表明蜉蝣目等优势物种的生物密度与流速之间存在很好的正相关关系，生物密度较大(29～86个/m2)。延寿断面的采样点处水流普遍较缓，流速范围在0.35～0.39 m/s之间，颤蚓目物种数量较多。底质是大型底栖动物成长、繁殖的载体，为底栖动物提供多样的栖息和避难场所。在水流条件相似的情况下，底质是影响河流大型底栖动物群落结构的关键栖息地环境因子[15]。其次各采样点处pH值相差不大，均为弱碱性水质。

3.2 大型底栖动物与主要环境因子的关系

本次研究区域的地理位置处高纬度地区，采样期间的室外温度变化在17.3～32.5℃范围之内，水温变化在16.7～28.7 ℃范围之内。CAA排序图表明，其中颤蚓目、颚蛭目的物种密度对水温变化较敏感。底栖动物的物种密度对底质的变化有着较强的响应关系，研究区内底质粒径范围较小，从泥到沙石均有分布。调查发现，在延寿断面(H13)位置处中华颤蚓物种密度最大，在三门于家屯断面的(H15)处中华颤蚓物种较少。而断面(H15)位于灌区附近，河床由泥构成，且河道周边没有水生植物分布。

4 结 论

(1)本次研究共发现大型底栖动物共有15种，其中蜉蝣目有4种，占26.67%；毛翅目、双翅目、颤蚓目和半翅目各有2种，共占总数的53.33%；蜻蜓目、颚蛭目和積翅目均为1种，共占总数的20%。

(2)综合考虑基于典范相关分析得出，水温、溶解氧浓度、pH值等是影响蚂蚁河延寿以上研究断面大型底栖动物群落分布的主要环境因子，不同的大型底栖动物物种对环境压力的适应和反应是不同的，可见保护生态环境对维持大型底栖动物多样性很重要。