蔣萬(wàn)祥,賈興煥,唐 濤,蔡慶華,*

1 棗莊學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院, 棗莊 277160 2 中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所淡水生態(tài)與生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430072 3 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所國(guó)家林業(yè)局杭州灣濕地生態(tài)系統(tǒng)定位研究站, 富陽(yáng) 311400

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底棲動(dòng)物功能攝食類群對(duì)酸性礦山廢水的響應(yīng)

蔣萬(wàn)祥1,2,賈興煥2,3,唐 濤2,蔡慶華2,*

1 棗莊學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院, 棗莊 277160 2 中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所淡水生態(tài)與生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430072 3 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所國(guó)家林業(yè)局杭州灣濕地生態(tài)系統(tǒng)定位研究站, 富陽(yáng) 311400

為研究底棲動(dòng)物功能攝食類群對(duì)酸性礦山廢水的響應(yīng)機(jī)理及高嵐河硫鐵礦對(duì)香溪河生態(tài)環(huán)境的影響狀況,2006年9月、11月及2007年1月、3月、5月、7月對(duì)高嵐河3個(gè)河段12個(gè)樣點(diǎn)(受損河段G1—G3、恢復(fù)河段G4—G8、對(duì)照河段D1—D4)底棲動(dòng)物進(jìn)行了調(diào)研,同時(shí)測(cè)定了各樣點(diǎn)水體金屬含量(Cd、Cr、Cu、Mn、Pb、Zn、Fe、Al、Ca和Mg)、pH值、電導(dǎo)、水溫、總?cè)芙庑怨腆w、鹽度、溶氧、流速、水深、水面寬度等理化指標(biāo)。對(duì)3個(gè)河段底棲動(dòng)物群落功能攝食類群群落結(jié)構(gòu)及理化指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果表明,受酸性礦山廢水的影響,受損河段金屬含量及電導(dǎo)、總固體懸浮物明顯高于對(duì)照河段和恢復(fù)河段,受損河段pH值顯著低于其他河段；而對(duì)照河段和恢復(fù)河段各項(xiàng)理化指標(biāo)不存在明顯差異。共采集底棲動(dòng)物213種,隸屬7綱,59科,四節(jié)蜉(Baetissp.)、側(cè)枝紋石蛾(Ceratopsychesp.)、鋸形蜉(Serratellasp.)和扁蜉(Heptageniasp.)為研究區(qū)域優(yōu)勢(shì)類群；功能攝食類群相對(duì)豐度收集者最大,刮食者和濾食者次之,捕食者和撕食者最小,分別為48.8%、20.6%、17.0%、9.0%、4.7%。受損河段底棲動(dòng)物各功能攝食類群密度和生物多樣性指數(shù)明顯低于對(duì)照河段和恢復(fù)河段,且組成相對(duì)單一；刮食者對(duì)酸性礦山廢水反應(yīng)最為敏感。非度量多維標(biāo)度排序和多響應(yīng)置換過(guò)程分析表明,受損河段底棲動(dòng)物各功能攝食類群群落結(jié)構(gòu)同對(duì)照河段和恢復(fù)河段存在較大差異,而對(duì)照河段和恢復(fù)河段群落結(jié)構(gòu)相似性較高。典型對(duì)應(yīng)分析發(fā)現(xiàn),礦山酸性廢水的排放是影響底棲動(dòng)物功能攝食類群分布的主要因素。

底棲動(dòng)物；功能攝食類群；酸性礦山廢水；高嵐河；香溪河

近年來(lái),在研究生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能時(shí),生態(tài)學(xué)家越來(lái)越把注意力集中在對(duì)生物的非系統(tǒng)分類的分析上。群落生態(tài)學(xué)家正在試圖把生物類群劃分為具有共同功能特征或利用相同資源基礎(chǔ)的類群,他們以生態(tài)學(xué)而不是純粹的分類學(xué)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ),這有助于在生態(tài)學(xué)研究中簡(jiǎn)化群落內(nèi)物種之間的關(guān)系,使得生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性在研究工作中減小[1]。國(guó)際地圈-生物圈計(jì)劃(IGBP)的核心項(xiàng)目“全球變化和陸地生態(tài)系統(tǒng)”研究(Global Change and Terrestrial Ecosystem, GCTE)采用了以生物本身的功能來(lái)劃分類群的概念作為其運(yùn)作計(jì)劃的基礎(chǔ)部分,并且指出可以通過(guò)把物種歸并為有限的幾個(gè)功能類群來(lái)了解生態(tài)系統(tǒng)的基本動(dòng)態(tài)[2]。

酸性礦山廢水是金屬硫化物暴露于空氣和水中時(shí)在硫化細(xì)菌的作用下產(chǎn)生的[3],具有低pH值、高重金屬含量的特征。它往往通過(guò)地表徑流和地下滲透等形式,使得地表水和地下水酸化和鹽化,通常對(duì)生態(tài)區(qū)系產(chǎn)生較大的負(fù)面影響[4]。重金屬元素作為酸性礦山廢水?dāng)y帶的主要環(huán)境污染物,具有難降解、易積累、毒性大等特點(diǎn),并具有通過(guò)食物鏈危害人類健康的潛在危險(xiǎn),備受環(huán)境工作者關(guān)注[5]。

底棲動(dòng)物因具有較高的生物多樣性,移動(dòng)能力弱,對(duì)污染等不利環(huán)境因素沒(méi)有或很少有回避性等特征[6-7],一直是評(píng)價(jià)河流生態(tài)系統(tǒng)健康最為重要的類群[8]。本研究選取香溪河主要支流高嵐河為對(duì)象,就該區(qū)域底棲動(dòng)物功能攝食類群分布格局及其對(duì)酸性礦山廢水的響應(yīng)性進(jìn)行研究,以期為該區(qū)域生物多樣性保護(hù)、水質(zhì)生物學(xué)評(píng)價(jià)及流域綜合管理提供相關(guān)數(shù)據(jù)及理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 樣點(diǎn)概況與設(shè)置

香溪河發(fā)源于神農(nóng)架林區(qū),干流全長(zhǎng)94 km,流域面積3099 km2,是三峽水庫(kù)湖北庫(kù)區(qū)最大的支流,河口距三峽大壩壩首僅32 km,其健康狀況對(duì)三峽水庫(kù)水質(zhì)有直接影響[9-10]。三峽大壩運(yùn)行以來(lái),香溪河因其地理位置的重要性而備受關(guān)注,相關(guān)研究頻見(jiàn)報(bào)道[11-18]。

高嵐硫鐵礦位于香溪河支流高嵐河的上游,雖因三峽大壩的修建于2004年前后停止開(kāi)采,但廢礦產(chǎn)生的酸性廢水仍常年流入高嵐河,致使高嵐河成為一條典型的上源污染型河流[19]。本研究選取3個(gè)河段就底棲動(dòng)物功能攝食類群對(duì)酸性礦山廢水的響應(yīng)進(jìn)行探討：1)自硫鐵礦到高嵐河支流夏陽(yáng)河匯入點(diǎn)為受損河段,選取3個(gè)樣點(diǎn)(G1—G3)；該河段不同程度地被廢礦沉積物覆蓋,污染嚴(yán)重；2)以受污染的夏陽(yáng)河作為對(duì)照河段,選取4個(gè)對(duì)照樣點(diǎn)(D1—D4),其中D1海拔較高,生境特征與硫鐵礦處相似；從夏陽(yáng)河匯入點(diǎn)起選取5個(gè)樣點(diǎn)(G4—G8),作為恢復(fù)河段；由于夏陽(yáng)河等支流的匯入及沉降作用,酸性礦山廢水對(duì)該河段的影響逐漸減小。

1.2 采樣時(shí)間和方法

2006年9 、11月及2007年1、3、5、7月每月中旬用40目網(wǎng)徑、采樣面積0.09 m2的索伯網(wǎng)(surber sampler)順?biāo)鞣较蜓財(cái)嗝娣肿笾杏腋鞑杉?次,將網(wǎng)中的底棲動(dòng)物揀出,分裝到3個(gè)標(biāo)本瓶中,并用10%的福爾馬林液固定,標(biāo)本帶回實(shí)驗(yàn)室后分類[20-21]、計(jì)數(shù),最后用吸水紙吸干底棲動(dòng)物表面液體,用萬(wàn)分之一天平(賽多力斯)稱重(濕重)。由于降雨導(dǎo)致突發(fā)性洪水,2006年9月和2007年5月僅采集G1—G5和D2—D4 8個(gè)樣點(diǎn)底棲動(dòng)物,本研究共采集底棲動(dòng)物標(biāo)本192個(gè)。

1.3 底棲動(dòng)物功能攝食類群劃分

底棲動(dòng)物功能攝食類群(functional feeding groups,FFGs)最初是由Cummins[22]在20世紀(jì)70年代提出,主要分為刮食者(SC),主要以各種營(yíng)固著生活的生物類群為食,如著生藻類等；撕食者(SH),主要以各種凋落物和粗有機(jī)顆粒(CPOM, 粒徑>1mm)為食；收集者(GC),主要取食河底的各種有機(jī)顆粒物；濾食者(FC),以水流中的細(xì)有機(jī)顆粒物(FPOM, 0.45mm<粒徑<1mm)為食；捕食者(PR),以捕食其它水生動(dòng)物為食[23-24]。

1.4 項(xiàng)目測(cè)定與方法

pH值(pH)、電導(dǎo)(Conductivity,Cond)、水溫(Water temperature,WT)、總?cè)芙庑怨腆w(Total dissolved solid,TDS)、鹽度(Salinity,Sal)、溶氧(Dissolved oxygen,DO)用HORIBA W-23多參數(shù)水質(zhì)分析儀測(cè)定,流速(Velocity,V)用LJD型打印式流速儀測(cè)定斷面0.6倍水深處流速,水深(Water depth,Dep)和水面寬度(Water width,Wid)用卷尺測(cè)定。

用干凈的塑料瓶于每個(gè)樣點(diǎn)采集3個(gè)重復(fù)水樣,放于有冰塊的保溫箱中,帶回實(shí)驗(yàn)室后將水樣用0.45 μm的微孔濾膜抽濾,取一定量抽濾后的水樣,配成1%HNO3的溶液,用電感耦合等離子體原子吸收發(fā)射光譜分析儀(ICP-AES)測(cè)量水樣中各種金屬含量。本研究測(cè)量的金屬指標(biāo)有Cd、Cr、Cu、Mn、Pb、Zn、Fe、Al、Ca和Mg。

1.5 數(shù)據(jù)分析

本研究樣點(diǎn)圖制作使用的軟件為ArcGIS 10.0,方差分析使用的軟件為SPSS 11.5,非度量多維標(biāo)度排序和多響應(yīng)置換過(guò)程分析使用的軟件為PC-ORD 4.0,典型對(duì)應(yīng)分析使用的軟件為Canoca 4.5。

圖1 香溪河水系及樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Xiangxi River system and location of the sampling sites P表示硫鐵礦所在地；G1—G8表示高嵐河樣點(diǎn)，D1—D4表示對(duì)照河段樣點(diǎn)

2 結(jié)果與分析

2.1 水體理化指標(biāo)

2.1.1 金屬元素分布規(guī)律

對(duì)高嵐河水體中Cd、Cr、Cu、Mn、Pb、Zn、Fe、Al、Ca和Mg等10種元素含量的分布規(guī)律進(jìn)行分析(表1),結(jié)果表明,除Mg、Ca外,各種金屬含量在受損河段(特別是G1、G2點(diǎn))明顯高于其它河段,各種金屬最高含量均出現(xiàn)在受損河段的G1點(diǎn)。Mg含量最高點(diǎn)出現(xiàn)在高嵐河下游樣點(diǎn),從夏陽(yáng)河匯入點(diǎn)開(kāi)始,其在高嵐河水體中的含量表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)。Ca、Mg含量沿高嵐河并未表現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì),張建立等[25]認(rèn)為是礦山酸性廢水與含Ca、Mg的碳酸鹽礦物接觸發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)所致。

2.1.2 其它理化指標(biāo)分布規(guī)律

對(duì)各樣點(diǎn)pH值(pH)、電導(dǎo)(Cond)、總?cè)芙庑怨腆w(TDS)、鹽度(Sal)、溶解氧(DO)、水溫(WT)、流速(V)、水深(Dep)、水面寬度(Wid)等9項(xiàng)理化指標(biāo)進(jìn)行分析(表2)。結(jié)果表明,電導(dǎo)、總?cè)芙庑怨腆w在G1點(diǎn)含量明顯高于其它樣點(diǎn)；pH值在受損河段表現(xiàn)為較強(qiáng)的酸性,特別是在G1和G2兩個(gè)樣點(diǎn),其平均值分別為3.87和4.83；溶解氧含量在G1和G2點(diǎn)也低于其它樣點(diǎn)。

2.2 底棲動(dòng)物物種組成

本研究共采集底棲動(dòng)物213種,隸屬7綱,59科,4亞科,138屬；水生昆蟲(chóng)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),相對(duì)豐度為96.7%,分類單元數(shù)占總分類單元的91.0%。按照Bunn等[26]把相對(duì)豐度大于5%的類群定義為優(yōu)勢(shì)種,發(fā)現(xiàn)四節(jié)蜉(Baetissp.)、側(cè)枝紋石蛾(Ceratopsychesp.)、鋸形蜉(Serratellasp.)和扁蜉(Heptageniasp.)為研究區(qū)域優(yōu)勢(shì)類群,相對(duì)豐度分別為18.7%、11.3%、9.6%和7.2%。

對(duì)底棲動(dòng)物功能攝食類群進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)收集者相對(duì)豐度最大,其次為刮食者和濾食者,捕食者和撕食者最小,相對(duì)豐度分別為48.8%、20.6%、17%、9%、4.7%。其中,收集者優(yōu)勢(shì)類群為四節(jié)蜉、鋸形蜉、細(xì)蜉(Caenissp.)、直突搖蚊一種(Orthocaldiustvetenia)；刮食者優(yōu)勢(shì)類群為扁蜉、瘤石蛾一種(Lithaxsp.)、高翔蜉(Europesp.)；濾食者優(yōu)勢(shì)類群為側(cè)枝紋石蛾、短脈石蛾(Cheumatopsychesp.)、黑蠅(Simuliumsp.)、弓石蛾(Arctopsychesp.)；捕食者優(yōu)勢(shì)類群為殼粗腹搖蚊(Conchapelopiasp.)、大蚊科一種(Dicranotasp.)、三角渦蟲(chóng)(Dugesiasp.)、幽蟌科一種(Euphaeidae spp.)、流粗腹搖蚊一種(Rheopelopiaacra)、龍虱科一種(DytiscidaeLiodessussp.)、粗腹搖蚊一種(Rheopelopiaparamaculipennis)；撕食者優(yōu)勢(shì)類群為倍叉襀一種(Amphinemurasp.)、擬卷襀一種(Paraleuctrasp.)、委瑞環(huán)足搖蚊(Cricotopusvierriensis)、環(huán)足搖蚊一種(Cricotopuspolitus)、諾蟲(chóng)襀一種(Rhopalopsolesp.)。

表1 不同站位金屬含量平均值/(10-3mg/L)

表2 高嵐河各樣點(diǎn)理化參數(shù)的平均值

2.3 功能攝食類群群落結(jié)構(gòu)特征

2.3.1 功能攝食類群相對(duì)豐度

對(duì)底棲動(dòng)物功能攝食類群相對(duì)豐度空間動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析(圖2),結(jié)果表明,高嵐河上游受損河段各樣點(diǎn)底棲動(dòng)物功能攝食類群相對(duì)比較單一,僅2007年3月份G3號(hào)樣點(diǎn)采集到的底棲動(dòng)物隸屬4個(gè)功能攝食類群,其次是2007年5月和2007年7月,G2號(hào)樣點(diǎn)采集到的底棲動(dòng)物隸屬3個(gè)功能攝食類群,上游其它樣本底棲動(dòng)物所屬功能攝食類群均不超過(guò)兩個(gè),特別是G1點(diǎn),在2006年9月、11月和2007年1月、7月均未采集到大型底棲動(dòng)物；在受損河段采集到的所有樣本中,刮食者僅在2007年3月G3號(hào)樣點(diǎn)出現(xiàn)。

圖2 不同月份各樣點(diǎn)大型底棲動(dòng)物各功能攝食類群的密度相對(duì)豐度 Fig.2 The density relative abundance of Functional Feeding Groups among different sites in different Month

2.3.2 功能攝食類群密度

對(duì)底棲動(dòng)物功能攝食類群密度進(jìn)行分析(圖3),結(jié)果表明,濾食者密度均值在對(duì)照河段、受損河段和恢復(fù)河段分別為425.6、8.2、715.7 個(gè)/m2；收集者密度均值在對(duì)照、受損和恢復(fù)河段分別為1812.8、26.3、1493.7 個(gè)/m2；捕食者密度均值在對(duì)照、受損和恢復(fù)河段分別為388.4、3.7、221.5 個(gè)/m2；刮食者密度均值在對(duì)照、受損和恢復(fù)河段分別為809.1、7.8、579.2 個(gè)/m2；撕食者密度均值在對(duì)照、受損和恢復(fù)河段分別為290.7、5.3、34.9 個(gè)/m2。方差分析(One-Way ANOVA)表明,各功能攝食類群密度在受損河段(G1—G3)明顯低于對(duì)照河段和恢復(fù)河段(P<0.01)；對(duì)照河段和恢復(fù)河段密度差異不顯著(P>0.05)。

圖3 底棲動(dòng)物功能攝食類群密度空間分布Fig.3 The spatial distribution of functional feeding groups density

2.3.3 生物多樣性

對(duì)功能攝食類群生物多樣性進(jìn)行分析(圖4),結(jié)果表明,對(duì)照、受損和恢復(fù)河段濾食者Shannon-Wiener多樣性指數(shù)均值分別為0.73、0.03、0.36；收集者分別為1.18、0.10、1.03；刮食者分別為0.84、0.01、0.84；捕食者分別為1.03、0.01、0.60；撕食者分別為0.25、0.00、0.08。對(duì)照、受損和恢復(fù)河段濾食者物種豐度均值分別為2.94、0.26、1.93；收集者分別為8.56、0.78、6.74；刮食者分別為4.64、0.11、4.17；捕食者分別為4.64、0.22、2.69；撕食者分別為1.55、0.15、0.64。

方差分析表明,收集者、刮食者、捕食者shannon-Wiener多樣性指數(shù)和物種豐富度均表現(xiàn)為對(duì)照河段和恢復(fù)河段均同受損河段差異顯著(P<0.05),對(duì)照河段同恢復(fù)河段差異不顯著(P>0.05)；濾食者shannon-Wiener多樣性指數(shù)和物種豐富度表現(xiàn)為對(duì)照河段>恢復(fù)河段>受損河段(P<0.05)；撕食者shannon-Wiener多樣性指數(shù)和物種豐富度均表現(xiàn)為對(duì)照河段同受損河段和恢復(fù)河段差異顯著(P<0.05),受損河段shannon-Wiener多樣性指數(shù)同恢復(fù)河段差異不顯著(P>0.05),受損河段物種豐富度同恢復(fù)河段差異顯著(P<0.05)。

圖4 功能攝食類群生物多樣性比較Fig.4 Comparison of functional feeding group biodiversityFC: 濾食者 filter-collector; GC: 收集者gather-collector; SC: 刮食者 scraper; PR: 捕食者predator; SH: 撕食者 shredder

2.3.4 非度量多維標(biāo)度排序

根據(jù)6次采樣各樣本大型底棲動(dòng)物功能攝食類群物種組成特點(diǎn)及各分類單元密度均值,對(duì)12個(gè)站位36個(gè)樣點(diǎn)(未采集到底棲動(dòng)物的樣本不參與分析)的各功能攝食類群群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行非度量多維標(biāo)度排序(Non-metric multidimensional scaling, NMS)2維分析(圖5)。結(jié)果表明,各功能攝食類群底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)排序規(guī)律較為一致,即恢復(fù)河段5個(gè)樣點(diǎn)(G4—G8)與對(duì)照河段(D1—D4)距離非常近,而受損河段樣點(diǎn)(G1—G3)與恢復(fù)河段和對(duì)照河段樣點(diǎn)距離較遠(yuǎn)；表明底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)在對(duì)照河段和恢復(fù)河段具有較高的相似性,而受損河段底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)同對(duì)照河段和恢復(fù)河段存在較大差異。應(yīng)用多響應(yīng)置換過(guò)程(multi-response permutation procedures, MRPP)分析進(jìn)一步就底棲動(dòng)物各功能攝食類群群落結(jié)構(gòu)在3個(gè)河段間的差異進(jìn)行分析,結(jié)果表明,受損河段底棲動(dòng)物各功能攝食類群群落結(jié)構(gòu)同對(duì)照河段和恢復(fù)河段差異極為顯著(P<0.01)。

圖5 底棲動(dòng)物功能攝食類群群落結(jié)構(gòu)非度量多維標(biāo)度排序Fig.5 The non-metric multidimensional scaling ordinal configuration of macroinvertebrate functional feeding groups community structure二維解析壓力值 Final stress for 2-dimensional solution: FC=16.9, GC=10.6, SC=11.0, SH=15.1, PR=17.1

2.4 典型對(duì)應(yīng)分析

為明確底棲動(dòng)物功能攝食類群對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng),對(duì)功能攝食類群群落結(jié)構(gòu)同pH值(pH)、水深(Depth)、總固體懸浮物(TDS)、流速(V)、電導(dǎo)(Cond)、水溫(WT)、溶解氧(DO)、鹽度(Sal)、二氧化硅(SiO2)、Cd、Cr、Cu、Mn、Pb、Zn、Fe、Al、Ca和Mg進(jìn)行典型對(duì)應(yīng)分析(CCA)(圖6)。通過(guò)蒙特卡羅檢驗(yàn)(Monte Carlo Permutation Test),排除貢獻(xiàn)小的因子,結(jié)果表明,濾食者受水溫、溶解氧、Zn、pH值和Ca影響最大(P<+0.05)；收集者受水溫、水深、溶解氧、鹽度、Ca和pH值影響最大(P<0.05)；刮食者受水溫、水深、河寬、Zn、Fe、Mn、Ca、總固體懸浮物和溶解氧影響最大(P<0.05)；捕食者受水溫、水深、河寬、溶解氧、鹽度、總固體懸浮物、Cd、Zn、Ca、Mg、pH值影響最大(P<0.05)；撕食者受水溫、水深、河寬、溶解氧、流速、pH值、電導(dǎo)、總固體懸浮物、Ca、Mg和Zn影響最大(P<0.05)。

圖6 底棲動(dòng)物功能攝食類群同環(huán)境因子的典型對(duì)應(yīng)分析Fig.6 CCA ordination diagrams of macroinvertebrates functional feeding groups: site-environment variable

3 討論

功能攝食類群對(duì)研究底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)和功能組成具有重要作用[27]。相對(duì)豐度反映了各站點(diǎn)功能攝食類群組成情況,本研究受損河段底棲動(dòng)物功能攝食類群組成相對(duì)單一是其對(duì)酸性礦山廢水的響應(yīng)；刮食者對(duì)酸性礦山廢水反應(yīng)最為敏感,受損河段僅在2007年3月G3號(hào)樣點(diǎn)出現(xiàn),主要是因?yàn)樵摵佣蔚讓訛閺U礦沉積物覆蓋,水體pH值較低,其主要食物來(lái)源附石性藻類生長(zhǎng)受限。密度是各功能攝食類群實(shí)際分布情況的反映,受損河段底棲動(dòng)物各功能攝食類群密度明顯低于其它河段,表明礦山酸性廢水的排放已經(jīng)對(duì)底棲動(dòng)物的生存產(chǎn)生了非常嚴(yán)重的影響。生物多樣性指數(shù)提供了更多有關(guān)群落方面的信息,多用來(lái)指示環(huán)境的變化[28]。各功能類群Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和物種豐度在受損河段明顯低于其它河段,表明受損河段河流生態(tài)環(huán)境已受到嚴(yán)重破壞；撕食者多樣性指數(shù)在恢復(fù)河段明顯小于對(duì)照河段,是因恢復(fù)河段處于河流的中下游,植被郁閉度較低,河道中枯枝落葉等撕食者食物較之對(duì)照河段明顯減少,限制了撕食者的生存。

非度量多維標(biāo)度排序被認(rèn)為是最好的技術(shù)之一,它用于分析不同樣方群落結(jié)構(gòu)的距離關(guān)系(相似性)十分適宜,直觀地將群落標(biāo)于多維坐標(biāo)中,特別適合連續(xù)梯度變化的群落關(guān)系分析[29]。本研究受損河段底棲動(dòng)物各功能攝食類群群落結(jié)構(gòu)同其它河段存在較大的差異,而恢復(fù)河段群落結(jié)構(gòu)和密度、多樣性指數(shù)等參數(shù)一樣同對(duì)照河段較為相似,表明酸性礦山廢水對(duì)受損河段底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大影響,隨著夏陽(yáng)河等其它河流的匯入,使酸性礦山廢水得以稀釋,生境得到較大的恢復(fù),底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜。

典型對(duì)應(yīng)分析是把CA/RA和多元回歸結(jié)合起來(lái),每一步計(jì)算結(jié)果都與環(huán)境因子進(jìn)行回歸,詳細(xì)的研究生物與環(huán)境的關(guān)系。不同于直接梯度分析,CCA可以結(jié)合多個(gè)環(huán)境因子一起分析從而更好的反映群落與環(huán)境的關(guān)系。本研究底棲動(dòng)物功能攝食類群群落結(jié)構(gòu)同環(huán)境因子典型對(duì)應(yīng)分析表明,除氣候的季節(jié)更替導(dǎo)致水溫、水深等理化因子的改變及底棲動(dòng)物自身的季節(jié)性演替外,不僅酸性礦山廢水?dāng)y帶的金屬元素和低pH值水體對(duì)底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)已經(jīng)產(chǎn)生了較大的影響,由于酸性礦山廢水的排放而導(dǎo)致水體中離子含量增加,溶解性固體含量增加及其沉積作用,及離子氧化對(duì)水體中溶解氧的消耗均對(duì)底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)遭成了較大影響。

河流連續(xù)統(tǒng)(River Continuum Concept, RCC)理論認(rèn)為河流從源頭到河口是一個(gè)連續(xù)、統(tǒng)一的系統(tǒng),這種連續(xù)性不僅是地理空間上的連續(xù),更重要的是沿河縱向有機(jī)物數(shù)量、資源分配、水生攝食功能類群的連續(xù)[30]。通過(guò)比較研究發(fā)現(xiàn),高嵐硫鐵礦產(chǎn)生的酸性礦山廢水對(duì)底棲動(dòng)物功能攝食類群組成、密度、生物多樣性及群落結(jié)構(gòu)均有顯著影響,酸性礦山廢水的排放嚴(yán)重影響了功能攝食類群的連續(xù)性,表明底棲動(dòng)物功能攝食類群對(duì)礦山酸性廢水引起的生態(tài)效應(yīng)的響應(yīng)非常敏感。

致謝：中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所董笑語(yǔ)幫助軟件使用,李鳳清、段樹(shù)桂先生協(xié)助野外采樣,特此致謝。

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Response of macroinvertebrate functional feeding groups to acid mine drainage in the Gaolan River

JIANG Wanxiang1,2, JIA Xinghuan2,3, TANG Tao2, CAI Qinghua2,*

1 College of Life Sciences, Zaozhuang University, Zaozhuang 277160, China 2StateKeyLaboratoryofFreshwaterEcologyandBiotechnology,InstituteofHydrobiology,ChineseAcademyofSciences,Wuhan430072,China3ResearchInstituteofSubtropicalForestry,CAF;WetlandEcosystemResearchStationofHangzhouBay,StateForestryAdministration,Fuyang311400,China

To study the mechanism underlying the responses of macroinvertebrate functional feeding groups to acid mine drainage and the influence of the Gaolan River pyrite on the ecological environment of the Xiangxi River system, macroinvertebrates were quantitatively investigated at 12 sites along 3 sections (Impacted portion: G1—G3, Recovering portion: G4—G8, Control portion: D1—D4) of the Gaolan River in September and November 2006 and January, March, May, and July 2007; a total of 192 macroinvertebrate samples were collected. Simultaneously, water samples were collected at each site and transported to the laboratory, where their concentrations of 10 metallic elements (Cd, Cr, Cu, Mn, Pb, Zn, Fe, Al, Ca, and Mg) were determined using ICP-AES. Other physical and chemical parameters were measured in the field: pH, conductivity, water temperature, total dissolved solid, salinity, and dissolved oxygen were measured using HORIBA W-23; flow velocity was measured using a hydrometric propeller; water depth and width were measured using a band tape. Comparative analyses were performed to study the macroinvertebrates′ functional feeding groups, community structure, and physicochemical parameters among the 3 sections of the Gaolan River. The results showed that metal content, conductance, and total dissolved solids were significantly higher in the impacted section than those in the control and recovering parts, especially at site G1; and there were no significant differences between the control and recovery sections. A total of 213 taxa belonging to 7 classes and 59 families were collected;Baetissp.,Ceratopsychesp.,Serratellasp. andHeptageniasp. were the dominant taxa, with relative abundances of 18.7%, 11.3%, 9.6%, and 7.2%, respectively. Gather-collector was the main functional feeding group in the Xiangxi River system, followed by scraper, predator, and filter-collector. The shredder feeding group only accounted for a small part, with relative abundances of 48.8%, 20.6%, 17.0%, 9.0%, and 4.7%, respectively. A one-way ANOVA was used to compare densities among the 3 river sections, and the main result showed that the functional feeding group density of impacted sites was significantly lower than those of other river sections. The same analysis was also used to analyze the biodiversity of the functional feeding groups among the 3 river sections. The results showed that the Shannon-Wiener diversity and richness of gathering-collectors, scrapers, and predators were lower in the impacted section than in the other 2 sections, but there were no differences between the control and recovering sections; the two indices of filter-collectors were highest in the control section, followed by the recovering section, and lowest in the impacted section. The diversity indices of Shredders in the control portion were significantly higher than those in the other 2 sections. Non-metric multidimensional scaling and multi-response permutation procedure analysis showed that the community structure of the macroinvertebrate functional feeding group in the impacted river section were significantly different from those of the control and recovering sections. Finally, canonical correspondence analysis was used to study the relationship between functional feeding group communities and physicochemical parameters, the results of which showed that acid mine drainage was the main factor impacting the community structures of macroinvertebrates functional feeding groups in the study area.

macroinvertebrate; functional feeding groups; acid mine drainage; Gaolan River; Xiangxi River

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07501002-007)；棗莊學(xué)院國(guó)家級(jí)基金預(yù)研究項(xiàng)目(2014YY03)

2015-04-14;

日期:2016-01-05

10.5846/stxb201504140760

*通訊作者Corresponding author.E-mail: qhcai@ihb.ac.cn

蔣萬(wàn)祥,賈興煥,唐濤,蔡慶華.底棲動(dòng)物功能攝食類群對(duì)酸性礦山廢水的響應(yīng).生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(18):5670-5681.

Jiang W X, Jia X H, Tang T, Cai Q H.Response of macroinvertebrate functional feeding groups to acid mine drainage in the Gaolan River.Acta Ecologica Sinica,2016,36(18):5670-5681.