沈洪艷，曹志會，王 冰，趙 月，高吉喜，王文歡，張 遠(yuǎn)（.河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050080；2.河北省藥用分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050080；3.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 2002；.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 0002）

農(nóng)田對太子河大型底棲動物群落的影響

沈洪艷1，2，曹志會1，2，王 冰1，2，趙 月1，2，高吉喜3*，王文歡1，張 遠(yuǎn)4（1.河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050080；2.河北省藥用分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050080；3.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 210042；4.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012）

為研究農(nóng)田對大型底棲動物的影響，以太子河南、北支為例，應(yīng)用無度量多維標(biāo)定分析（NMS）和典范對應(yīng)分析（CCA），探討大型底棲動物群落對農(nóng)田的響應(yīng).研究發(fā)現(xiàn):太子河北支物種組成以搖蚊科為主，其次是毛翅目和蜉蝣目，而積翅目相對多度較少；在南支則以蜉蝣目、積翅目和毛翅目物種為主，搖蚊科相對多度有所下降；北支主要的功能攝食類群是直接收集者和過濾收集者，刮食者和捕食者較少，撕食者幾乎沒有，南支各類功能攝食類群均有出現(xiàn)，直接收集者和刮食者較多.太子河南、北支的水溫、pH值、電導(dǎo)、懸浮物（SS）、總?cè)芙庑怨腆w（TDS）和總氮（TN）存在顯著差異，其中北支的水溫、電導(dǎo)和TDS顯著高于南支；兩條支流的水體均為弱堿性水質(zhì)，南支的pH平均值高于北支；北支的SS和TN略高于南支.利用CCA開展土地利用因素對水質(zhì)影響分析的總體結(jié)果表明，在河段和河流廊道尺度，農(nóng)田面積比對第一軸的貢獻(xiàn)率最高，分別為-0.76和-0.79，且水質(zhì)要素-土地利用相關(guān)性在河流廊道尺度上為0.84，而在河段尺度上為0.71.對土地利用類型和物種的CCA分析可以看出，農(nóng)田、河灘、居民用地方向多為耐污和中度耐污類群，且沿農(nóng)田方向物種分布較少.而與此相反的，和旱田軸相反的第四象限內(nèi)多為四節(jié)蜉科（如B.bicaudatus）等敏感類群.

大型底棲動物；群落結(jié)構(gòu)；農(nóng)業(yè)活動；太子河；土地利用類型

農(nóng)業(yè)活動是指人類有意識的利用動植物，以獲得生活所必需的食物和其他物質(zhì)資料的生產(chǎn)活動.隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，人們一味地追求作物高產(chǎn)，化肥農(nóng)藥施用量居高不下，畜禽養(yǎng)殖持續(xù)增長，這些農(nóng)業(yè)活動使得水環(huán)境問題日益突出.農(nóng)業(yè)活動是我國分布廣泛的面源污染，污染機(jī)理主要是農(nóng)田、農(nóng)村生活垃圾和污水中的污染物質(zhì)（主要包括土壤顆粒、土壤有機(jī)肥、化肥農(nóng)藥等有機(jī)污染物）隨地表徑流和地下滲漏過程被攜入水體而引起的水質(zhì)污染［1］.由于農(nóng)業(yè)種植多集中于河道兩岸，因此農(nóng)業(yè)對地勢落差較大而河面較窄的溪流影響可能更加嚴(yán)重［2］.目前，大型底棲動物對農(nóng)業(yè)活動的響應(yīng)研究正在逐漸成為河流生態(tài)研究的熱點(diǎn)之一.農(nóng)業(yè)活動在土地利用上的主要表現(xiàn)形式是農(nóng)田.

農(nóng)業(yè)種植對大型底棲動物的影響主要體現(xiàn)在幾個(gè)方面:氮磷營養(yǎng)鹽富集，棲境退化以及殺蟲劑污染.大型底棲動物對河流氮磷營養(yǎng)物富集呈現(xiàn)補(bǔ)貼—壓力響應(yīng)［3］，在重度富營養(yǎng)條件下，生物量對營養(yǎng)鹽含量呈負(fù)相關(guān)響應(yīng)；在中低度富營養(yǎng)化條件下，趨勢相反.吳東浩等［4］對西苕溪上游大型底棲動物的營養(yǎng)鹽閾值的研究發(fā)現(xiàn)，大型底棲動物的群落結(jié)構(gòu)在總氮和總磷超過閾值時(shí)發(fā)生了嚴(yán)重的退化現(xiàn)象.Gao等［5］指出，水體富營養(yǎng)化導(dǎo)致大型底棲動物的生物多樣性顯著減少和群落結(jié)構(gòu)改變等問題，河流廊道農(nóng)田覆蓋率增加導(dǎo)致河流水文要素改變；而細(xì)小沉積物和藻類生物量的增加是引起大型底棲動物群落改變的關(guān)鍵原因.一般認(rèn)為，農(nóng)業(yè)種植引起的氮磷營養(yǎng)鹽增加、河流殺蟲劑含量和濁度增加是影響大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)的最重要驅(qū)動要素，導(dǎo)致的后果是部分物種個(gè)體數(shù)顯著減少甚至消失，同時(shí)群落敏感性顯著下降［6］.

大型底棲動物是河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，以各種藻類、有機(jī)物顆粒和植被凋落物為食，同時(shí)也是河流中魚類最主要的食物來源，是河流生態(tài)系統(tǒng)中最重要的消費(fèi)者和分解者之一［7］.大型底棲動物多樣性豐富且分布廣泛［8］，不同類群對人為活動的干擾具有不同程度的響應(yīng)，其群落結(jié)構(gòu)的組成可直接反映人為活動的強(qiáng)度.本文以太子河南、北支為研究區(qū)域，著重研究農(nóng)田對大型底棲動物的影響，明晰農(nóng)田對大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)的影響，并篩選出對農(nóng)田較為敏感的生物指標(biāo)和水質(zhì)指標(biāo).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況及樣點(diǎn)設(shè)置

太子河源頭分為南、北兩支，南支發(fā)源于本溪縣的東營坊鄉(xiāng)羊湖溝，北支發(fā)源于新賓滿族自治縣的平頂山鎮(zhèn)鴻雁溝，南、北支流于本溪縣馬家崴子附近匯入觀音閣水庫，同時(shí)也是本溪市重要的飲用水源保護(hù)地.太子河南支全長74km，流域面積900.9km2，北支全長59.5km，流域面積1197.6km2.

太子河流域源頭區(qū)位于暖溫帶濕潤半濕潤大陸季風(fēng)性氣候區(qū)，降雨豐富（多年平均降水量761mm），多集中在6～8月.自然植被類型為落葉闊葉林，森林覆蓋度達(dá)到50%以上.由于太子河南、北支發(fā)源于同一生態(tài)地區(qū)，具有極其相似的氣候、地形、水文特征，因此具有極相似的水體理化特征.但因分處不同的行政區(qū)，造成了兩小流域的土地利用比例具有明顯差異（表1）.北支的農(nóng)田覆蓋率遠(yuǎn)高于南支.因此南、北支不同的開發(fā)強(qiáng)度，造成了兩條支流土地利用的差異，為分析和對比南北兩支的水質(zhì)變化、空間變化成因提供了便利.

為研究農(nóng)田對大型底棲動物的影響，通過實(shí)地考察，對太子河南、北支自源頭以3km為間隔，進(jìn)行樣點(diǎn)的采集工作.除部分河段因處于山區(qū)無法進(jìn)行水樣采集外，共設(shè)置采樣點(diǎn)33個(gè)，其中南支樣點(diǎn)15個(gè)（TN1～TN15），北支樣點(diǎn)18個(gè)（TB01～TB18）.選擇2010年9月16日～10月21日太子河源頭水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，詳細(xì)樣點(diǎn)見圖1.

圖1 太子河南、北支采樣點(diǎn)的位置Fig.1 Locations of sampling sites in north and south tributaries of Taizi River

1.2 采樣方法

采用索伯網(wǎng)［9］和D型手網(wǎng)作為大型底棲動物的采樣工具.索伯網(wǎng)用于定量采集，網(wǎng)徑為60目，采樣面積為0.09m2.每個(gè)點(diǎn)用索伯網(wǎng)隨機(jī)進(jìn)行3次采樣.D-型網(wǎng)在本研究中用于定性采集，網(wǎng)徑為60目網(wǎng)，樣框本身取半圓形，半圓框半徑約為0.25m，底邊約為0.3m.

在各樣點(diǎn)的樣品采集工作完成后，加70 %的酒精將樣品保存并放入封口瓶中密封，然后放入整理箱中.在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對每一瓶底棲動物樣品進(jìn)行精挑選，去除枯枝敗葉和細(xì)沙，僅保留大型底棲動物的幼蟲，并將樣品置于80%的酒精中保存.精挑選工作結(jié)束后，參照文獻(xiàn)［10］進(jìn)行大型底棲動物的鑒定工作，在鑒定的同時(shí)計(jì)錄每一種大型底棲動物的個(gè)體數(shù).在本研究中，大多數(shù)大型底棲動物的物種鑒定到種或?qū)?；部分雙翅目物種鑒定到科；搖蚊鑒定到亞科；除一些特殊的、較易辨認(rèn)的寡毛類被鑒定出來［如顫蚓（Tubificidae）和霍夫水絲蚓（Limnodrilus hoffmeisteri）等］，大多數(shù)寡毛類僅鑒定到綱［10-12］.

1.3 水質(zhì)參數(shù)的測定

電導(dǎo)（EC）、水溫（T）、pH值、溶解氧（DO）、透明度（Trans）現(xiàn)場測定.水樣帶回實(shí)驗(yàn)室后測定的指標(biāo)，包括重碳酸鹽（HC）、堿度（Alk）、懸浮物（SS）、總?cè)芙庑怨腆w（TDS）、五日生化需氧量（BOD5）、化學(xué)需氧量（CODCr）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、氨氮（NH3-N）、硝酸鹽氮（N-N）、亞硝酸氮（N-N）、總氮（TN）、總磷（TP）、正磷酸鹽（P）.

水樣的保存和預(yù)處理都按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》［13］進(jìn)行.為了減小誤差，以上樣品均重復(fù)2次測定，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)取其平均值.

1.4 數(shù)據(jù)獲取

土地利用數(shù)據(jù)采用了河段和廊道雙尺度.河段尺度以采樣點(diǎn)為起點(diǎn)，包括沿河道上游3km，河道兩側(cè)500m的緩沖區(qū)；河流廊道尺度以采樣點(diǎn)為起點(diǎn)，包括河道兩側(cè)500m至河流源頭為緩沖區(qū).土地利用類型主要包括7類:森林、農(nóng)田、裸地、草地、河灘、坑塘和居民用地.

1.5 數(shù)據(jù)分析

計(jì)算各樣點(diǎn)的大型底棲動物物種數(shù)，物種個(gè)體數(shù)，群落組成參數(shù)（蜉蝣目，毛翅目，積翅目和搖蚊科相對多度）和功能攝食類群相對多度.

無度量多維標(biāo)定分析法（NMS）: NMS是一種以樣方間相異距離矩陣為起點(diǎn)，排序決定于相異系數(shù)大小順序的非參數(shù)多元統(tǒng)計(jì)方法.其優(yōu)勢在于可以應(yīng)用于非正態(tài)分布的、隨機(jī)的、不連續(xù)的數(shù)據(jù)形式.NMS分析可在排序圖中集中展示各采樣點(diǎn)間水質(zhì)要素組成的總體相似關(guān)系，組成要素越相似的兩個(gè)點(diǎn)，在NMS排序圖中的距離就越接近，反之亦然［14］.

典范對應(yīng)分析（CCA）: CCA又稱多元直接梯度分析［15］，是基于CA發(fā)展而來的排序方法［16］.CCA的基本思路是將對應(yīng)分析與多元回歸分析相結(jié)合，在對應(yīng)分析的迭代過程中，每次得到的樣方排序坐標(biāo)值均與環(huán)境因子進(jìn)行多元線性回歸.較多元統(tǒng)計(jì)分析方法，CCA雖并不能完全消除拱形效應(yīng)，但有效減少了拱形效應(yīng)的影響.CCA排序圖可直接在排序軸上展示環(huán)境因子對水質(zhì)要素和樣點(diǎn)分布的影響，依據(jù)環(huán)境因子在排序軸上的投影大小代表環(huán)境要素對水質(zhì)要素和樣點(diǎn)分布的影響強(qiáng)度［17］.

NMS和CCA分析前，所有數(shù)據(jù)進(jìn)行Log（x+1）對數(shù)轉(zhuǎn)化.CCA分析前對土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，對|r|＞0.70的土地利用要素進(jìn)行合并［18］，NMS分析采用歐式距離進(jìn)行排序，CCA結(jié)果的顯著性利用蒙特卡羅檢驗(yàn)進(jìn)行.NMS采用PCORD（Version 5mjm），CCA采用CANOCO （Version 4.5）.相關(guān)性檢驗(yàn)和組間差異檢驗(yàn)（Mann-Whitney U test， M-W U）均使用STATISTICA 統(tǒng)計(jì)軟件（Version 7.0）.

2 結(jié)果與分析

2.1 太子河南、北支土地利用特征

太子河南、北支的土地利用特征分析表明，在河段尺度和河流廊道尺度上，南、北支的土地利用均以森林為主，其次為農(nóng)田.在河段尺度上，兩類土地利用比例之和在南、北支流分別達(dá)到79.4%和77.7%；河流廊道尺度上，兩類土地利用比例之和在南、北支流分別達(dá)到74.1%和76.5%（表1）.但兩條支流的農(nóng)業(yè)開發(fā)強(qiáng)度差異顯著，北支農(nóng)田開發(fā)強(qiáng)度顯著高于南支，而南支因人為活動干擾較小，森林覆蓋率顯著高于北支；除森林與農(nóng)田外，河漫灘面積與居民用地面積在南、北支之間也存在顯著差異.

表1 太子河南、北支土地利用比例特征統(tǒng)計(jì)與差異分析（M-W U 檢驗(yàn)）（%）Table 1 Land use proportion characteristic statistics and difference analysis in north and south tributaries of Taizi River （M-W U test）（%）

同時(shí)對南、北支土地利用類型的相關(guān)性檢驗(yàn)表明，在河段尺度上，森林和農(nóng)田、森林和居民用地、農(nóng)田和居民用地的相關(guān)性極顯著（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)分別為-0.92、-0.78和0.61，同時(shí)河漫灘與森林和農(nóng)田的相關(guān)性顯著（P＜0.05）（表2）；在河流廊道尺度上，農(nóng)田和居民用地、農(nóng)田和河漫灘、居民用地和河漫灘、草地和坑塘的相關(guān)性極顯著（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)分別為0.93、0.77、0.71和0.69（表2）.

在河段和河流廊道尺度上，因坑塘的出現(xiàn)比例較低（出現(xiàn)率小于30%），因此在CCA分析前對其剔除.在河段尺度上，考慮到農(nóng)田可能是影響河流水質(zhì)的主要因素，因此剔除與農(nóng)田相關(guān)性|r|＞0.7的森林；在河流廊道尺度上，剔除與農(nóng)田顯著相關(guān)的居民用地和河漫灘（表2）.

表2 不同土地利用類型間的Spearman相關(guān)性檢驗(yàn)Table 2 Spearman correlation test between different land use types

2.2 太子河南、北支環(huán)境參數(shù)基本信息

太子河南、北支的環(huán)境參數(shù)見表3.由表3可見，南、北支磷污染較小，溶解氧含量較高.水體理化因子及棲息地評價(jià)指數(shù)結(jié)果顯示，北支所受農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源影響嚴(yán)重于南支:北支的總氮和電導(dǎo)率顯著高于南支，河岸邊土壤利用類型評價(jià)也表明北支河道兩岸多有農(nóng)田覆蓋，北支水溫顯著高于南支.此外，棲息地評價(jià)結(jié)果也表明南支水量一般，北支的河岸邊農(nóng)田種植及人為活動強(qiáng)度要高于南支，導(dǎo)致棲息地總評分南支好于北支.

2.3 太子河南、北支大型底棲動物群落組成差異分析

2.3.1 物種組成 在太子河源頭的南、北支共采集到大型底棲動物108種，個(gè)體數(shù)為57607個(gè)，經(jīng)鑒定，隸屬于5門（節(jié)肢動物門，環(huán)節(jié)動物門，軟體動物門，扁形動物門，袋形動物門）；9綱（昆蟲綱，甲殼綱，蛛形綱，瓣鰓綱，腹足綱，寡毛綱，蛭綱，線蟲綱，渦蟲綱）；22目，58科，87屬；在所有的生物類群中，最主要的是水生昆蟲，其相對豐度為89.9%，其次是鉤蝦（Gammarus sp），相對豐度為5.9%，再次為渦蟲（Turbellarian），相對豐度為3.3%.其中，太子河北支發(fā)現(xiàn)大型底棲動物79種，39896個(gè).優(yōu)勢種包括搖蚊亞科（Chironominae spp.），四節(jié)蜉（Baetis thermicus），直突搖蚊（Orthocladinae spp.），鉤蝦（Gammarus sp.），網(wǎng)棲石蛾（Hydropsyche nevae），短脈紋石蛾（Cheumatopsyche sp.）.南支發(fā)現(xiàn)大型底棲動物81種，17711個(gè).優(yōu)勢種包括搖蚊亞科（Chironominae spp.），扁蚴蜉（Ecdyonurus viridis），朝大蚊（Antocha sp.），褐蜉（Paraleptophlebia japonica），直突搖蚊亞科（Orthocladinae spp.），鋸型蜉（Serratella rufa）.南、北支的物種相似性指數(shù)結(jié)果為71.9%，同時(shí)最優(yōu)勢物種都是搖蚊亞科，表明南、北支大型底棲動物在物種組成上較一致.

2.3.2 群落組成分析 對太子河南、北支大型底棲動物群落組成和功能攝食類群進(jìn)行了分析（圖2），可以看出，除TB1等源頭點(diǎn)位外，搖蚊科為構(gòu)成太子河北支群落的主要物種，其次是毛翅目和蜉蝣目，而對環(huán)境最敏感的積翅目相對多度較少（圖2a）；功能攝食類群分析表明（圖2b），北支主要的功能攝食類群為直接收集者和過濾收集者，同時(shí)分布有較少量的刮食者和捕食者，而幾乎沒有撕食者的分布，這表明，外源有機(jī)物為北支河道提供了大量的營養(yǎng)物質(zhì)，大型底棲動物已經(jīng)受到了北支河道兩岸農(nóng)業(yè)活動導(dǎo)致的有機(jī)肥流失和土壤有機(jī)物的影響.在南支則以EPT物種（蜉蝣目、積翅目和毛翅目）為主，搖蚊科相對多度相對于北支有所下降（圖2a）.由于EPT對環(huán)境污染較為敏感，且其相對多度是表征河流清潔的重要的生物指標(biāo)之一，由此可說明南支的河流健康程度優(yōu)于北支.南支5種功能攝食類群均有分布，出現(xiàn)較多的是直接收集者和刮食者（圖2b），這表明，南支大型底棲動物的食物來源較為多樣，并且各點(diǎn)位均有撕食者出現(xiàn)，而撕食者主要以枯枝落葉等凋落物為食，可以推斷出南支河道兩岸森林的落葉為其提供了良好的食物來源.

表3 太子河南、北支環(huán)境參數(shù)基本信息Table 3 The basic information of environmental parameters in north and south tributaries of Taizi River

圖2 太子河南、北支大型底棲動物群落組成和功能攝食類群Fig.2 Community compositions and functional feeding groups of macroinvertebrates in north and south tributaries of Taizi River

2.3.3 指示種分析 根據(jù)表4可知，南支的主要指示種是對環(huán)境敏感的物種，如相對豐度較大的石蠅（Oyamia sp.1）和齒角石蛾（P.kisoensis）等物種都屬于耐污值較小的EPT物種，是清潔水體的指示物種.相對來說，北支的指示物種盡管包括蝶石蛾（Psychomyia sp.）和河花蜉（P.huoshanensis）這樣的敏感物種，但還是以中度耐污物種為主，如相對豐度較大的東方蜉（E.orientalis）、蚋（Simulium sp.）和石蛭（Nephelopsis sp.）等，由此可以推斷，人為干擾活動已經(jīng)對北支的底棲動物群落構(gòu)成產(chǎn)生了一定程度上的影響.

表4 大型底棲動物指示種分析Table 4 Analysis of macroinvertebrate bioindicators

2.4 土地利用類型與水質(zhì)參數(shù)的關(guān)系分析

由于土地利用類型對水質(zhì)的影響比較直接［21-22］，因此以下通過土地利用類型與水質(zhì)參數(shù)的關(guān)系進(jìn)一步篩選對大型底棲動物影響顯著的水質(zhì)參數(shù)，并分析這種影響在河段尺度和河流廊道尺度中哪種尺度體現(xiàn)得更明顯.

2.4.1 水質(zhì)特征分析 各樣點(diǎn)主要水質(zhì)參數(shù)的NMS結(jié)果表明，除少數(shù)樣點(diǎn)（如TB1和TB6）外，太子河南支和北支的水質(zhì)總體特征存在明顯差異（圖3）.兩條支流的樣點(diǎn)在NMS排序軸上分屬于不同的象限，除TB1和TB6樣點(diǎn)外，兩條支流各樣點(diǎn)組內(nèi)的距離明顯小于支流間的距離.

對太子河南、北支主要水質(zhì)參數(shù)的比較分析表明，水溫、pH值、電導(dǎo)系、SS、TDS和總氮存在顯著差異（P＜0.05）.其中北支的水溫、電導(dǎo)和TDS顯著高于南支；兩條支流的水體均為弱堿性水質(zhì)，南支的pH值平均值高于北支；北支的懸浮物和總氮略高于南支（表5）.氨氮和總磷在南、北支的總體水平較低，且兩條支流間不存在顯著差異.因此認(rèn)為，南、北支水質(zhì)存在明顯差異，主要體現(xiàn)在水溫、pH值、電導(dǎo)率和TDS等水質(zhì)要素上.

2.4.2 土地利用對水質(zhì)特征的影響分析 利用CCA開展土地利用因素對水質(zhì)影響分析的總體結(jié)果表明，南、北支采樣點(diǎn)在CCA排序軸上分別分布于第一軸的正、負(fù)方向，具有明顯差異；農(nóng)田面積比對第一軸的貢獻(xiàn)率最高（表6），且對環(huán)境軸排序的貢獻(xiàn)率達(dá)到顯著水平（蒙特卡洛檢驗(yàn)P＜0.05），因此是造成太子河南、北支水質(zhì)差異的最主要因素（圖4a，b）.在兩個(gè)尺度的土地利用分析中，第一排序軸的解釋率均較高，分別達(dá)88.3% 和94.8%.

在河段尺度上，CCA排序前兩軸的總體解釋率為95.3%，農(nóng)田面積比對第一軸的貢獻(xiàn)率最高，相關(guān)性最大（r=-0.76）（圖4a，表6）.在河流廊道尺度上，CCA排序軸的總體解釋率為99.3%，農(nóng)田面積比對第一軸的貢獻(xiàn)率與相關(guān)性均最高（r=-0.79）（圖4b，表6）.水質(zhì)要素和土地利用相關(guān)性，水質(zhì)要素-土地利用關(guān)系累積變化百分率均表明，河流廊道尺度的土地利用的總體解釋率優(yōu)于河段尺度，由于造成南、北支土地利用差異的主要因素為農(nóng)田，因此可認(rèn)為對水質(zhì)特征的影響河流廊道尺度的農(nóng)田面積比高于河段尺度.

圖3 太子河南、北支水質(zhì)NMS排序Fig.3 NMS ordination diagram of Water quality in north and south tributaries of Taizi River

表5 太子河南、北支基本水質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)與差異分析（M-W U 檢驗(yàn)）Table 5 Basic water quality parameters statistics and difference analysis in north and south tributaries of Taizi River （M-W U test）

圖4 不同尺度上土地利用與水質(zhì)要素的CCA排序Fig.4 CCA ordination diagram between land use and water quality factors in different scales

2.5 土地利用類型與大型底棲動物的關(guān)系分析在河流廊道尺度上，水質(zhì)因子的差異更加明顯.為進(jìn)一步驗(yàn)證農(nóng)田對大型底棲動物的影響程度，并且查看其他土地利用類型對太子河南、北支的影響，故在河流廊道尺度上分析土地利用類型對大型底棲動物的作用.

在軸一投影最長的為農(nóng)田，且對點(diǎn)位分布影響最大的土地利用類型為農(nóng)田（表6），太子河北支和南支的點(diǎn)位處于軸1的兩側(cè)，TN1～TN3為太子河南支的前3個(gè)點(diǎn)（圖1），森林覆蓋率比較高，這類點(diǎn)處于第四象限.而處于第二象限的多為受農(nóng)田影響較重的點(diǎn)，多為太子河北支的點(diǎn)位.由此可見太子河南、北支雖然森林覆蓋率較高，但是北支受人為開發(fā)影響較重，尤其受農(nóng)田影響高于南支.

表6 河段和河流廊道尺度土地利用在CCA排序軸上的典型相關(guān)系數(shù)矩陣Table 6 The canonical correlation coefficient matrix of land use in river scale and river corridor scale on the CCA sort axis

通過土地利用類型和物種的CCA分析（圖6）可以看出，農(nóng)田用地方向多為耐污和中度耐污類群，如東方蜉（E.orientalis）和石蛭（Nephelopsis sp.），且沿農(nóng)田方向物種分布較少.而與此相反的，和旱田軸相反的第四象限內(nèi)多為四節(jié)蜉科（如B.bicaudatus）等敏感類群，由于農(nóng)田和森林為負(fù)相關(guān)關(guān)系，可以推斷沿森林方向敏感物種較多.

圖5 太子河南、北支土地利用樣點(diǎn)與大型底棲動物的CCA排序Fig.5 CCA ordination diagram between land use sampling sites and macroinvertebrates in north and south tributaries of Taizi River

圖6 太子河南、北支土地利用與大型底棲動物物種的CCA排序Fig.6 CCA ordination diagram between land use and macroinvertebrate species in north and south tributaries of Taizi River

3 討論

太子河源頭南、北支發(fā)源于同一地區(qū)，具有極其相似的氣候、地質(zhì)和水文特征，因此在自然狀態(tài)下，應(yīng)當(dāng)具有相似的水體理化特征［23］，但由于南、北支農(nóng)業(yè)開發(fā)強(qiáng)度的差異，造成南、北支水質(zhì)發(fā)生了明顯改變.大量研究已經(jīng)證明，河岸土地利用類型是導(dǎo)致河流生態(tài)系統(tǒng)退化與水質(zhì)惡化的最主要因素［22，24］，這與本研究中農(nóng)田對水質(zhì)的影響相一致.與平原農(nóng)業(yè)區(qū)不同，山區(qū)的農(nóng)業(yè)開發(fā)主要依靠河流廊道的開墾，并由此造成山地溪流河流廊道森林面積退化，太子河南、北支農(nóng)田面積與森林面積呈顯著的負(fù)相關(guān)即為典型代表（表2）.已有研究表明，由于河流廊道植被覆蓋率的降低，通常會造成河流水溫的晝夜溫差加劇［25-26］，進(jìn)而影響整個(gè)溪流生態(tài)系統(tǒng)；同時(shí)，山區(qū)溪流河流廊道坡度大，地表徑流明顯強(qiáng)于平原，導(dǎo)致弱的降雨過程也可直接影響河流水質(zhì)，如在漢江流域的研究表明，電導(dǎo)率與森林覆蓋率和農(nóng)田面積具有顯著相關(guān)性［27］.

研究表明，太子河源頭區(qū)水體總氮含量總體較高，依據(jù)國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，均為Ⅳ類水.農(nóng)業(yè)面源污染是造成水體富營養(yǎng)的主要因素［28］，尤其是山地溪流地區(qū)較高的坡降，氮、磷等營養(yǎng)元素更易隨地表徑流進(jìn)入水體［29］，導(dǎo)致河流廊道中的營養(yǎng)鹽轉(zhuǎn)移和流失嚴(yán)重［30］.因此，太子河源頭地區(qū)農(nóng)業(yè)化的影響，是造成水體中總氮增加的主因.但相比于總氮，太子河源頭水源的磷總體上較低，推測可能是磷素易被土壤固定［31］，且其淋溶損失較?。?2］外，源頭區(qū)域施肥特征也可能是造成這一現(xiàn)象的因素，其具體形成因素尚需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

土地利用與水質(zhì)特征的CCA排序分析表明，河流廊道尺度土地利用對水質(zhì)的總體解釋率均高于河段尺度（表5）.流域的自然要素、地理要素和總體土地利用特征等共同決定了河流的水質(zhì)特征，大量研究已經(jīng)表明土地利用的構(gòu)成對水質(zhì)參數(shù)的影響程度隨研究區(qū)域尺度的增大而增加［33-34］，與本研究結(jié)果一致.但最新研究也指出，土地利用和人為活動隨著空間位置距樣點(diǎn)越遠(yuǎn)，其對水質(zhì)的作用強(qiáng)度越小，因此對山區(qū)河流，河流廊道尺度的解釋率有時(shí)反而高于流域尺度［35］，針對山地溪流類型，小流域尺度與河流廊道尺度的比較研究尚待開展.

4 結(jié)論

4.1 太子河南、北支地理位置相近，生態(tài)環(huán)境類似，且農(nóng)田和森林的百分比之和在南、北支分別占到75%左右，不同的是，北支農(nóng)田面積的百分比在河段尺度上比南支高16.09%，在河流廊道尺度上高20.54 %，較適合討論農(nóng)田對大型底棲動物的影響.

4.2 太子河源頭南、北支共采集到大型底棲動物108種，57607個(gè)，太子河北支物種組成以搖蚊科為主，其次是毛翅目和蜉蝣目，而積翅目相對多度較少；在南支則以EPT物種（蜉蝣目、積翅目和毛翅目）為主，搖蚊科相對多度有所下降.北支主要的功能攝食類群是直接收集者和過濾收集者，刮食者和捕食者較少，撕食者幾乎沒有，南支各類功能攝食類群均有出現(xiàn)，直接收集者和刮食者較多，表明南支的食物來源較為多樣.

4.3 對太子河南、北支主要水質(zhì)參數(shù)的比較分析表明，水溫、pH值、電導(dǎo)、SS、TDS和總氮存在顯著差異.其中北支的水溫、電導(dǎo)和TDS顯著高于南支；兩條支流的水體均為弱堿性水質(zhì)，南支的pH平均值高于北支；北支的懸浮物和總氮略高于南支.利用CCA開展土地利用因素對水質(zhì)影響分析的總體結(jié)果表明，在河段和河流廊道尺度，農(nóng)田面積比對第一軸的貢獻(xiàn)率最高，分別為-0.76 和-0.79，且水質(zhì)要素-土地利用相關(guān)性在河流廊道尺度上為0.84，而在河段尺度上為0.71，表明在河流廊道尺度上研究土地利用和水質(zhì)的關(guān)系更有說服力.

4.4 對土地利用類型和物種的CCA分析可以看出，農(nóng)田用地方向多為耐污和中度耐污類群，如東方蜉（E.orientalis）和石蛭（Nephelopsis sp），且沿農(nóng)田方向物種分布較少.而與此相反的，和旱田軸相反的第四象限內(nèi)多為四節(jié)蜉科（如B.bicaudatus）等敏感類群，由于農(nóng)田和森林為負(fù)相關(guān)關(guān)系，可以推斷沿森林方向敏感物種較多.

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Effects of farmland on macrobenthic community in Taizi River.

SHEN Hong-yan1，2， CAO Zhi-hui1，2， WANG Bing1，2，ZHAO Yue1，2， GAO Ji-xi3*， WANG Wen-huan1， ZHANG Yuan4（1.School of Environmental Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang 050080， China；2.Medical molecular chemistry lab of Hebei Province， Shijiazhuang 050080， China；3.Nanjing Institute of Environmental Sciences of the Ministry of Environmental Protection of PR China， Nanjing 210042， China；4.Chinese Research Academy of Environmental Sciences， Beijing 100012， China）. China Environmental Science， 2015，35（4）：1205～1215

To study the effects of farmland on macroinvertebrates， macroinvertebrates were collected from the north and south tributaries of Taizi River. And their response to farmland was discussed using non-metric multidimensional scaling analysis （NMS） and canonical correspondence analysis （CCA）. The results show: The north tributary of Taizi River species composition mainly was Chironomidae， followed by Trichoptera and Ephemeroptera， and Hymenoptera in less relative abundance； while the south of tributary mostly were Ephemeroptera， Hymenoptera and Trichoptera， and the relative abundance of Chironomidae declined. Meanwhile， the main functional feeding groups of the north tributary were collector-gatherers and collector-filterers， scrapers and predator were less， almost no shredders； but the south tributary had various functional feeding groups， collector-gatherers and scrapers were more. There were significant differences on water temperature， pH， conductivity， suspended solids （SS）， total dissolved solids （TDS） and total nitrogen （TN） between the north and south tributaries of Taizi River. Water temperature， conductivity and TDS of the north tributary were significantly higher than that of the south tributary； the water of two tributaries was all alkalescent water， and the average pH of the south tributary was higher than that of the north tributary； the SS and TN of the north tributary were slightly higher than that of the south tributary. Using CCA to carry out the land use factors impact on water quality， the resultshowed that farmland area ratio on the first axis of the contribution rate was highest in reach scale and river corridor scale，respectively -0.76 and -0.79； and the correlation between water quality factors and land use was 0.84 on river corridor scale and 0.71 on reach scale. From the CCA analysis between land use types and species can be seen， on the directions of farmland， beach and residential land mostly were tolerance and moderate tolerance groups， but fewer species distribution along the direction of farmland. On the contrary， in the fourth quadrant opposite of the dry land axis mostly were Baetidae （such as B.bicaudatus） and other sensitive groups.

macroinvertebrates；community structure；agricultural activity；Taizi River；land use types

X171.5

A

1000-6923（2015）04-1205-11

沈洪艷（1971-），女，天津人，教授，博士，研究方向?yàn)槲廴疚锃h(huán)境行為及效應(yīng).發(fā)表論文76篇.

2014-08-12

國家自然基金（41373096）；國家環(huán)保公益（201509041-05）；河北省自然基金（B2014208068）；河北省藥用分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)室開放基金；河北省環(huán)保廳公益課題；河北省重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)基金項(xiàng)目

* 責(zé)任作者， 研究員， gix@nies.org