大型底栖动物群落与环境关系的典范对应分析-以广东横石水河为例

中国环境学会  2011年 03月31日

  迟国梁1, 2 , 童晓立1*
  (1. 华南农业大学资源环境学院昆虫学系, 广州 510642; 2. 华南农业大学热带亚热带生态研究所, 广州 510642)
  迟国梁:广州市天河区五山路483号华南农业大学农学院生态学系611室,电话:13610225645。


  摘要:应用典范对应分析(CCA)对横石水河流域10个样点中的大型底栖动物与环境因子的关系进行了研究。结果表明,物种与环境因子的相关性在90%以上,说明大型底栖动物在横石水河的分布很大程度上受到环境因子的影响。pH值和重金属Cu、Cd、Zn、Pb浓度是影响大型底栖动物分布的主要环境因子,而化学需氧量(COD)和浊度对大型底栖动物分布也有一定程度的影响。从种类水平看,耐污种类如蠓类、摇蚊和大蚊的丰富度与COD和重金属浓度的环境轴呈正相关,而敏感种类如腹足纲、毛翅目以及蜉蝣目昆虫与COD和重金属浓度的环境轴呈负相关。


  关键词:大型底栖动物; 环境因子; 典范对应分析; 酸性矿山废水; 横石水河
   
  大型底栖动物是河流生态系统中最常见、最重要的水生生物类群,它们与河流生态系统的物质循环、能量流动和初级生产力等有密切关系[1]。大型底栖动物群落对水环境的变化相当敏感,当河水受污染后,其群落组成和结构首先发生变化,而且不同种类的大型底栖动物对水体污染具有不同的耐受力。通过大型底栖动物群落结构的调查可以评价水体被污染的程度[2]。因此,大型底栖动物群落与水体环境因子之间的相互关系一直以来都是淡水生态学领域中的研究热点之一。


  目前国际上通常采用典范对应分析(Canonical Correspondence Analysis, 简称CCA)研究生物群落与环境因子的关系。CCA是基于对应分析(CA)发展而来的一种独特的排序方法[3],将对应分析与多元回归分析相结合,每一步计算均与环境因子进行回归, 其排序结果能同时显示采样点、生物种类和环境因子三者之间的关系。国内外的相关研究表明,CCA是分析生物群落与环境因子间复杂关系的有效工具[4~10]。


  广东大宝山矿(北纬24o31′37"N,东经113o42′49"E)是一座大型多金属伴生露天矿床。自20 世纪70 年代开采以来,大量金属硫化物(主要为FeS2)废矿土石暴露于地表,通过氧化作用诱发了环境酸化。大量富含重金属的酸性矿山废水(Acid mine drainage, 简称AMD)常年流入一条长约16 km的3级溪流,在广东翁源县新江镇上坝村附近汇入滃江的主要支流—横石水河。横石水河源于广东翁源、始兴和曲江交界处,全长约70 km,是粤北滃江的主要支流,而滃江最后汇入珠江流域的主要干流—北江。AMD所经之处,河流的生态环境遭受严重破坏,绝大部分沉水植物和挺水植物消失,河床被一层厚厚的黄褐色或红褐色的废矿沉积物所覆盖。AMD的直接排放导致矿区周边地区的水域与农田出现严重的环境污染和生态退化[11]。本研究通过在横石水河流域设置不同的采样点,利用人工基质法采集大型底栖动物,借助CCA方法分析大型底栖动物、采样点及环境因子三者之间的相互关系,明确影响横石水河大型底栖动物群落构成和分布的主要环境因子,为横石水河受损河道的生态恢复和综合治理提供科学依据。


  1 材料与方法


  1.1 研究样点
  在受AMD影响的污染河段上设4个样点:A1、A2、A3和A4,其中样点A1、A2和A3三点距离污染源(即拦泥坝)约3.5 km,A2的上游被尾矿坝所拦截,溪水受污染程度比A1和A3轻,A4距离污染源约16 km;邻近的清洁河段从上游到下游设3个样点:B1、B2和B3,其中样点B3设在横石水河的另一条清洁支流上,以上3个样点均未受到AMD污染,作为清洁组;在两支流汇合后的下游河段设3个样点:C1、C2和C3,其中样点C1和C2设在污染支流与清洁支流交汇后的500 m和1000 m处,而样点C3距离污染源约30 km。共设置10个样点 1.2 研究方法


  1.2.1 采样方法
  依据童晓立等[12],选择2种当地常见树种藜蒴(壳斗科,Castanopsis fissa)和荷木(山茶科,Schima superba)的成熟树叶自然风干5 d后用于实验。以大型底栖动物不易进入,孔径约为0.5 mm的纱网袋作为人工基质袋(规格为20 cm×15 cm)。将供试树叶的表面杂质洗净,每种树叶称取4 g装入网袋作为1袋,将5袋系在一起作为1组(代表5个重复)于2007年1月14日放置在上述10个样点处,用石块压住网袋,以免被水流冲走。每个样点每种树叶各放5组,分别在设样后的第2 d、12 d、50 d、84 d、119 d取回样本。取回后,将树叶上定殖的大型底栖动物挑出,并保存于含75%酒精的标本瓶中,以备鉴定。


  1.2.2 水体理化参数测定
  每次采样时,用便携式水质检测仪(YSI-6600型,美国金泉仪器公司)测定样点的水温、pH值、溶解氧、电导率和氨氮等理化指标。另外,用555 ml矿泉水瓶采集水样两瓶,并做酸化处理(用于测定COD含量的水样用硫酸酸化,用于测定重金属含量的水样用硝酸酸化),带回实验室后,尽快利用重铬酸钾法测定水样的COD,用BSH9原子吸收光谱仪测定Cu、Cd、Pb、Zn重金属含量。


  1.2.3 标本鉴定
  依据《水生生物监测手册》、《中国经济动物志-淡水软体动物》和《Aquatic Insects of China Useful for Monitoring Water Quality》,将软体动物鉴定到种,其余鉴定到科或属。


  1.3 数据统计与分析
  CCA排序采用国际通用软件CANOCA(Verssion 4.5)进行分析。


  2 结果与分析


  2.1 样点水体的理化参数
  各样点在不同时期的理化参数变动不大。受污染的样点A1、A2、A3、A4、C1、C2和C3中,A2点的污染程度较轻,pH值在6.0以上,其余样点均在6.0以下,污染最重的A1点pH值低至3.15。与地表水环境质量国家标准(GB3838-2002)相比,各污染样点的COD和重金属Cd、Zn和Pb含量达到了劣Ⅴ类水标准。位于清洁溪流的样点B1、B2和B3 COD和重金属Cu、Cd和Zn含量等指标均达到了Ⅰ类水标准(表1)。
  表1 各样点的水体理化参数值 (2007.1-2007.5)
  Table 1 Water physicochemical parameters in different sampling sites
  

  样点

 

水温

()

酸碱度

 

电导率

(ms/cm)

总溶解固体

 (g/L)

化学耗氧量

 (mg/L)

(mg/L)

氯离子

 (mg/L)

浊度

(NTU)

(mg/L)

(mg/L)

(mg/L)

(mg/L)

A1

17.36

3.15

1.96

1.58

126.54

0.38

2.68

441.83

6.04

0.25

117.78

1.20

A2

17.10

6.38

0.35

0.21

61.11

0.11

3.86

18.40

0.90

0.04

4.79

0.15

A3

16.96

3.43

1.35

0.98

104.32

0.35

2.89

156.93

3.97

0.16

51.76

0.75

A4

18.80

3.32

1.13

0.78

94.86

0.29

3.88

226.65

2.56

0.09

36.72

0.61

B1

17.56

7.53

0.14

0.09

15.23

0.13

4.68

8.93

0.09

0.00

0.54

0.08

B2

17.57

7.46

0.14

0.10

15.23

0.14

4.38

8.96

0.09

0.00

0.54

0.08

B3

18.26

8.14

0.19

0.12

14.81

0.17

9.17

18.35

0.14

0.00

0.60

0.11

C1

19.44

3.89

0.79

0.57

70.58

0.25

4.05

653.05

2.33

0.09

37.82

0.68

C2

17.95

5.50

0.36

0.24

65.64

0.17

4.91

83.25

1.18

0.05

17.25

0.31

C3

17.81

5.74

0.30

0.19

53.09

0.11

7.19

61.48

0.76

0.03

9.39

0.22

  注: 表中除重金属数据为2次采样的平均值外, 其余数据为5次采样的平均值.


  2.2 CCA分析
  CCA分析的前两轴特征值分别为0.397和0.369,种类与环境因子排序轴的相关系数高达1.000和0.998,且物种-环境关系的累积百分率为57.5,说明排序图较好地反映了大型底栖动物与环境因子之间的关系(表2)。在排序图中,与第一轴相关性较大的前3个环境因子是pH值、重金属Cd和Zn。pH值位于左侧,呈负相关,相关系数为-0.8379;Cd和Zn位于右侧,呈正相关,相关系数分别为0.7768和0.7513。与第二轴相关性较大的环境因子是NH4和水温,两者均位于坐标轴下方,呈负相关,相关系数分别为-0.4901和-0.3670。
  表2 排序轴特征值、种类与环境因子排序轴的相关系数
  Table 3 Eigenvalues for CCA axis and species-environment correlation
  

  项目

 

1

2

3

4

特征值

0.397

0.369

0.310

0.148

种类-环境相关性

1.000

0.998

0.998

1.000

物种数据累积变化百分率

28.4

54.8

76.9

87.5

物种-环境关系累积变化百分率

29.8

57.5

80.7

91.9

  在CCA分析时,对12个环境变量的独立效应进行检测,每个变量的重要性和显著性采用Monte-Carlo假设检验,以P<0.05作为显著性标准,以排除贡献较小的因子。结果显示,pH值、Cu、Pb、Zn、Pb、COD和浊度7个变量为主要影响因子(P<0.05)。以主要环境因子为变量生成新的环境文件,再进行CCA排序。
  在样点与环境因子的CCA排序图中,样点A1因受污染较重,始终无大型底栖动物定殖,因此未能在图中显示。pH值环境轴位于第一轴左侧,与第一轴显著负相关,而4种重金属、COD和浊度位于第一轴右侧,与第一轴显著正相关,由此可以判断第一轴的方向代表了环境从优到劣的变化。沿着第一轴的方向,各样点依次为B3、B1、B2、A2、C3、C2、C1、A4和A3,而样点的排序与酸性矿山废水的污染梯度变化较为吻合(图2A)。
  图2B反映了大型底栖动物与环境因子的关系。首先对大型底栖动物数据进行开平方处理。蠓类Bezzia sp.1(1)、Bezzia sp.2(2)、大蚊Tipula sp.(14)和沼大蚊Antocha sp.(40)远离第一轴而未在排序图中显示。蠓类Bezzia sp.3(3)、直突摇蚊Orthocladius sp. (6)、心突摇蚊Cardiocladius sp. (7)和摇蚊Chironomus sp.2 (9)等种类与重金属Cu、Cd、Zn、Pb和COD呈正相关,与pH值呈负相关,均属于耐污种类,且以直突摇蚊Orthocladius sp. (6)耐污性最强。在第二、三象限,檞豆螺Bithynia misella (46)、纹沼螺Parafossarulus striatulus (47)和闪蚬Corbicula nitens (54)等种类在pH值环境轴附近,与pH值呈正相关,与重金属Cu、Cd、Zn、Pb和COD呈负相关,均属不耐污种类(图2B)。
  人类活动造成的水体酸化对水生生物多样性存在着严重的负面影响[13, 14]。在本研究中,污染河段的上游样点A1、A3的pH在3~3.5之间,远远超出V类水标准的最高允许值,几乎无大型底栖动物定殖。到了距源头约30 km的翁城段C3点,仅采到了摇蚊,而摇蚊在许多报道中被认为是耐酸物种,其他大型底栖动物仍无定殖,说明大宝山矿外排酸性废水严重破坏了横石水河大型底栖动物的群落结构。


  大型底栖动物与环境因子的CCA排序结果表明,底栖动物种类与环境因子的相关性在90%以上,说明底栖动物在横石水河的分布很大程度上受到环境因子的影响,与自身的繁殖力关系不大。从环境因子看,pH值和重金属Cu、Cd、Zn、Pb以及COD和浊度对大型底栖动物的分布影响较为明显,其余环境因子影响较小。蒋万祥等[10]利用CCA分析得出,湖北高岚硫铁矿外排酸性废水污染的高岚河中的大型底栖动物生物多样性受Al、Ca、Cd、Fe、Mg和Mn等金属的影响最大。以上分析结果的差异可能是由河流受污染程度以及所处地区的纬度差异造成的,也可能是采样方法的不同造成的。在本文中采用人工基质-树叶凋落物网袋法,而没有采用索伯网或踢网取样,主要考虑丰水期水位抬升,无法用索伯网取样。
  从种类组成看,蠓类、摇蚊和大蚊等类群耐污性较强,主要分布在污染样点,与COD和重金属呈正相关性,而耐污能力差的腹足纲、毛翅目以及蜉蝣目昆虫则分布在清洁样点,与COD和重金属呈负相关性。童晓立等[12]证实,在横石水河受污染河段,收集到4种底栖动物,其中以摇蚊在数量上占绝对优势。
  酸性矿山废水大量持续汇入横石水河,而酸性废水具有pH值低、重金属含量高等特点[15],从而使横石水河水体理化参数中的pH值和重金属等严重超标,逐步上升为影响大型底栖动物分布的主要环境因子。因此,酸性矿山废水的排放可能是大型底栖动物群落分布特征发生变化的重要诱因,但pH值和重金属对大型底栖动物分布的影响机理目前尚不清楚,有待今后进一步研究。


  参考文献:
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  * 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(30270279, 40871242).
  作者简介: 迟国梁 (1978~), 男, 山东人, 博士, 主要从事淡水生态学和化学生态学研究. E-mail: glchi@scau.edu.cn
  * 通讯作者 Corresponding author, E-mail: xtong@scau.edu.cn
  

 
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