高 峰，向 勁，謝宜興，鄧智勇，陳家法，謝玉坤，歐東升，王崇瑞

(1.湖南省水產科學研究所，長沙 410153；2.湖南省水產原種場，長沙 410153；3.湖南張家界大鯢國家級自然保護區(qū)事務中心，湖南張家界 427400)

20世紀以來，人口快速擴張使得生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)進入了“人類紀元”，即人類成為自然的主導者[1]。由此帶來的全球變化(包括土地利用的改變，生境破碎化和全球氣候變化等)對生態(tài)系統(tǒng)的生物及非生物特征產生了顯著的影響[2]。

大鯢(Andriasdavidianus)隸屬兩棲綱有尾目隱鰓鯢科，是國家Ⅱ級重點保護野生動物，世界自然保護聯(lián)盟(International Union for Conservation of Nature，IUCN)將其列為極危(critically endangered)物種。大鯢作為世界上現(xiàn)存體型最大的兩棲動物[3]，也是我國兩棲動物的代表物種，其主要分布在長江和珠江中上游及漢水上游深山峽谷的溪流中，在陸地和淡水生態(tài)系統(tǒng)間的物質交換、營養(yǎng)循環(huán)和能量流動方面發(fā)揮著重要的作用[4]。

張家界位于武陵山區(qū)東北部，湖南省西北部，具有獨特的自然景觀和氣候特征，是我國重要的野生大鯢原生棲息地之一[5]。隨著改革開放，社會經濟飛速發(fā)展，張家界地區(qū)的旅游業(yè)成為該地區(qū)的主要支柱產業(yè)，盡管當地采取了一系列生態(tài)資源保護措施，但大量的人類活動勢必對該地區(qū)溪流濕地生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性造成壓力[6]，為監(jiān)測其對野生大鯢及生境的影響，研究者主要圍繞大鯢生境及種群分布[7]、繁殖行為[8]、活動節(jié)律[9]、棲息地水質[10]、餌料魚豐度、底棲動物群落結構[11]等方面的變化開展了一系列調查研究。

大型無脊椎動物是濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，作為食物鏈的中間環(huán)節(jié)，它既是其它水生動物的天然餌料，也是更小型生物的捕食者，還能通過呼吸作用、鉆蝕、攝食有機質等行為促進物質循環(huán)與能量流動，在提高生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性中發(fā)揮著重要作用。同時，大型無脊椎動物遷移能力相對較差，對環(huán)境污染及變化通常少有回避能力，因此濕地生態(tài)系統(tǒng)的自然演變和受污染狀況也能通過大型無脊椎動物的群落結構變化體現(xiàn)出來[12]。由于大型無脊椎動物的群落結構相對穩(wěn)定且采樣方便易鑒定，研究大型無脊椎動物群落結構變化動態(tài)成為水生態(tài)監(jiān)測與研究工作的重要方式[13]。

目前，大型無脊椎動物已廣泛應用于國內外大型河流、湖泊、溪流等多種水體的評價和相關研究[14-16]，但關于大型無脊椎動物對大鯢棲息生境的評價研究卻十分罕見，僅王崇瑞等[17]于2013、2014年采用大型無脊椎動物生態(tài)群落特征對張家界大鯢自然棲息地進行了評價。本研究于2020年8月對張家界大鯢歷史和現(xiàn)有棲息地河段進行了大型無脊椎動物群落調查，通過分析大型無脊椎動物群落及其與環(huán)境因子相關性，對12個歷史和現(xiàn)有大鯢棲息地河段進行生境評價，為野生大鯢及其生境保護和修復提供數據支持與科學依據。

1 材料與方法

1.1 采樣區(qū)域

本次12個采樣點(S1～S12)，S1～S9均設置在湖南張家界大鯢國家級自然保護區(qū)內的歷史或現(xiàn)有的大鯢出苗點溪流或河段，S10～S12位于張家界市內沅水水系支流源頭，因有大鯢分布，作為大鯢核心區(qū)來對待。2020年8月，分別對12個大鯢歷史或現(xiàn)存出苗點河段的大型無脊椎動物進行了調查。采樣點具體信息見表1和圖1。

表1 采樣點基本信息Tab.1 The information of sampling sites

1.2 樣品采集與測定

采用40目的索伯網(Surber sampler，0.09 m2)進行大型無脊椎動物采集，采集時先將索伯網放置于水流下方，然后將水流上方的大型石塊仔細清洗，并攪動底質至10 cm深度，使大型無脊椎動物隨水流進入網中。每個樣點重復采集3～5次，混合保存。采集的底質樣本經40目尼龍篩清洗后倒入廣口瓶，并于當日以解剖盤進行分檢。將采集到的大型無脊椎動物以90%的乙醇溶液固定后帶回實驗室，進行鏡檢鑒定、分類、計數和稱重步驟前清洗樣品并吸干表面水分。其中，鏡檢使用體式解剖鏡與生物顯微鏡，使用0.000 1 g的電子天平稱量。參考文獻[18-20]鑒定至屬或種水平。

采用梅特勒-托利多SevenGoTMpH-SG2測定每個采樣點的水溫和pH，采用ISY-ProQuatro便攜式水質分析儀(美國維賽公司)測定溶氧和氧化還原電位，其余指標按照地表水環(huán)境質量標準[21]進行測定。

1.3 數據處理與結果分析

1.3.1 大型無脊椎動物群落特征

在分析各樣點大型無脊椎動物群落特征過程中，根據每個物種出現(xiàn)的頻率及數量，計算物種優(yōu)勢度指數[22]：

(1)

式(1)中：Y為物種優(yōu)勢度，ni為第i種生物的數量，N為所有生物的數量之和，fi為第i種生物的出現(xiàn)頻率。當Y>0.02時，該物種即為群落中的優(yōu)勢種生物。

圖1 大型無脊椎動物采樣點分布Fig.1 The Sampling sites of macroinvertebrates

采用大型無脊椎豐度/生物量比較曲線(Abundance Biomass Comparison Curve，簡稱ABC曲線)進行生境穩(wěn)定性描述[23]，將豐度與生物量的貢獻度分別由大到小排列，A曲線為豐度累積貢獻度的連線，B曲線為生物量累計貢獻度的連線，兩曲線與坐標軸所圍面積的差值為W值，表示群落受干擾程度，公式為：

(2)

式(2)中Ai為第i種生物的豐度，Bi為第i種生物的生物量，S為生物總種類數。W值越大代表生境受干擾越少，群落穩(wěn)定性越強，當W值小于0時，表示生境受到較多干擾，群落穩(wěn)定性較低。

群落的生物多樣性采用香農-威納(Shannon-Wiener)指數進行描述[24、25]：

(3)

式(3)中S為大型無脊椎動物種類數，Pi為第i種生物的個體在全部個體中的比例。當H′<1時，表示重度污染，H′值在1～3范圍內表示中度污染，H′>3表示輕度污染或無污染。總體來說，H′值越大，群落中物種多樣性越高。

考慮到采樣地點為較潔凈的水源性水流，且各樣點之間未連通或屬于不同支流，本研究圍繞不同大型無脊椎動物的耐污能力差異，采用BI(Biotic Index)指數進行生態(tài)污染等級評價[26、27]：

(4)

式(4)中N為群落總豐度，ni與ti分別表示第i種生物的數量及耐污值參數。當BI ≤ 4.2，表最清潔狀態(tài)；4.28.5，表重污染狀態(tài)。即BI值越小，群落受到生物污染的程度越輕。

1.4 統(tǒng)計分析

以WPS Excel軟件整理調查數據，圖表制作主要使用Origin Pro 2021軟件進行。

采用SPSS 20.0軟件對大型無脊椎動物群落進行Pearson分層聚類[28]，根據物種數量特征，同一類群落的個體相似性較強，類間個體差異性相對較大，在未先驗知的情況下對群落親疏程度進行自動分類[29]。

采用Canoco 5.0軟件分析大型無脊椎動物與水環(huán)境因子的相關性，由于重金屬離子在絕大部分樣點未被檢出，選擇水溫(T)、pH、溶氧(DO)、氧化還原電位(ORP)、懸浮物(SS)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、高錳酸鹽指數(CODMn)、鈣(Ca)及總大腸桿菌(MPN)共11種水質數據與8種大型無脊椎動物優(yōu)勢種豐度值分別置于不同數據表中，對物種進行對數標準化處理[30]，然后進行DCA分析以確定選用線性模型(RDA)或單峰模型(CCA)進行群落—環(huán)境相關性分析，采用蒙特卡羅方法選擇貢獻度相對較高的環(huán)境變量構建模型。

2 結果與分析

2.1 水環(huán)境因子

大型無脊椎動物采樣點水質結果見表2。各點平均水溫為(23.09±3.55)℃，水溫最低點出現(xiàn)于S1，僅19.6 ℃，最高點出現(xiàn)于S11，為29.6 ℃；水體中溶氧含量穩(wěn)定，且處于較高水平；汞、砷、鉛、鎘、銅、鋅及六價鉻含量極低，在絕大部分樣點未被檢出，該區(qū)域水質符合地表水Ⅰ類標準；根據CODMn、NH3-N、MPN對各樣點的水質進行劃分，該區(qū)域基本處于Ⅰ-Ⅱ類，其中CODMn僅在S12為Ⅱ類，其它樣點均為Ⅰ類，TN在各點位差異較大，分布于Ⅰ類與劣Ⅴ類水之間；TP在大多數點位屬于Ⅱ類水質，僅在S1為劣Ⅴ類。整體來說，該研究水域屬于Ⅱ類水質，但部分點位呈現(xiàn)出富營養(yǎng)化風險。

表2 張家界大鯢棲息地水體理化參數空間分布Tab.2 Spatial distribution of physical and chemical parameters of water

2.2 大型無脊椎動物群落結構

2.2.1 種類組成

共采集到大型無脊椎動物85屬種(部分未分類到種)，隸屬于5門8綱15目。其中扁形動物門與線形動物門各有1種屬、分別占比1.18%，環(huán)節(jié)動物門與軟體動物門各4種屬、分別占比4.7%，節(jié)肢動物門種類最多，共有75種屬、占比高達88.2%。

12個采樣點共采集大型無脊椎動物4 283個，根據各種屬的總個數與出現(xiàn)頻率，得到優(yōu)勢度Y>0.02的優(yōu)勢種屬共8種，均隸屬于昆蟲綱(表3)。

2.2.2 豐度與生物量

本次調查中，大型無脊椎動物的豐度與生物量在各點呈現(xiàn)出較大差異，平均豐度為1 301.79 ind./m2，其中S11最高，為8 122.22 ind/m2，S2最低，僅70.37 ind/m2(圖2a)。生物量平均值為14.32 g/m2，其中S1最高，為73.61 g/m2，S6最低，僅0.92 g/m2(圖2b)。

表3 優(yōu)勢種屬及其優(yōu)勢度Tab.3 Dominant species and degree of dominance

圖2 研究區(qū)域的大型無脊椎動物密度與生物量分布Fig.2 Density and biomass distribution of benthic animals in the study area

2.2.3 豐度生物量比較曲線

基于大型無脊椎動物群落的豐度與生物量差異，以豐度生物量比較曲線(ABC曲線)對各采樣點生態(tài)受干擾情況進行比較(圖3)。樣點S1、S2、S3、S4、S8、S10及S12呈現(xiàn)出同一特征，生物量曲線的起始位置明顯高于豐度曲線起始位置，且曲線間無交叉重疊，生物量曲線始終位于豐度曲線上方，表示大型無脊椎動物群落未受到明顯的干擾；樣點S5、S6、S7及S9的曲線的生物量曲線也位于豐度曲線上方，但兩曲線的起點或整體相隔較近，表示受到的較弱的干擾；S11生物量曲線起點位置低于豐度曲線，后交叉重疊至一起，表示該群落中大型無脊椎動物整體占比較少，即該樣點受到了一定程度的干擾。

圖3中各樣點的W值排列特征與ABC曲線特征基本一致。僅樣點S11為負數，W值為-0.073，其余樣點的W值均為正數，與群落生物量曲線起點位于豐度上方相對應。表示除S11之外，其余樣點的大型無脊椎動物均在群落中占有相應比重，其中W最大值出現(xiàn)于S2、為0.698，說明該點受干擾程度最小。對W值進行排序，樣點受干擾程度從大到小的結果為：S11

2.2.4 各樣點的生境健康評價

大型無脊椎動物群落多樣性指數在1.45～3.03之間，平均值為2.34?？傮w來說(圖4a)，僅S1的H′值>3，為輕度污染或無污染狀態(tài)，其余樣點均為中污染狀態(tài)，其中S10、S11相對較嚴重。

圖4b為各樣點的大型無脊椎動物群落BI指數，BI指數平均值為3.88，最大值出現(xiàn)于S11，為5.58，最小值出現(xiàn)于S10，為1.86。根據BI指數評價閾值進行劃分，S1、S2、S3、S4、S6、S10及S12均為最清潔狀態(tài)，S5、S7、S9及S11相對稍差，但仍屬于清潔狀態(tài)。

2.3 大型無脊椎動物群落結構與環(huán)境因子相關性分析

將物種豐度、生物量、ABC曲線法W值、BI指數、Shannon指數H′這5個能反映大型無脊椎動物群落結構特征的參數與環(huán)境因子進行Pearson相關性分析(圖5)，豐度與高錳酸鹽指數呈顯著負相關，與NH3-N呈極顯著負相關；生物量與水溫呈顯著正相關；W值與高錳酸鹽指數呈顯著正相關，與NH3-N呈極顯著正相關；H′則主要與水溫呈正相關關系。

將大型無脊椎物種優(yōu)勢種與水環(huán)境因子進行DCA分析，第一軸梯度值小于3，因此選用RDA進行分析。鑒于環(huán)境因子多于進行分析的物種數量，會導致RDA分析結果的準確度降低，因此采用前置選擇(forward selection)篩選出解釋度較高的8個環(huán)境因子進行分析。冗余分析結果中，第一、二軸的特征值分別為0.414 6和0.169 3，解釋度合計為58.39%。各項環(huán)境因子中，僅懸浮物濃度對大型無脊椎動物有顯著影響(F=3.3，P=0.016)，造成物種分布差異的貢獻率為35.6%。RDA分析圖中(圖6)，大型無脊椎動物豐度特征整體呈現(xiàn)出3個群體的特點。群體1為直突搖蚊屬，與TP和TN正相關，與pH、MPN、SS、NH3-N負相關；群體2包括短脈紋石蛾屬、四節(jié)蜉屬、多足搖蚊屬及側枝紋石蛾屬，與水溫和TP正相關，而受到SS、MPN及NH3-N等因子較強的負面效應；群體3為扁蜉屬、無突搖蚊屬和倒毛搖蚊屬，與水溫正相關，與SS、NH3-N、MPN及CODMn表現(xiàn)出負相關性。

圖3 各采樣點的ABC曲線特征及W值Fig.3 ABC curve features and W values of each sampling point A曲線(紅色)為豐度累積貢獻度的連線，B曲線(藍色)為生物量累計貢獻度的連線。

圖4 各采樣點的Shannon-Wiener指數(a)與BI指數等級(b)Fig.4 Shannon-Wiener index and BI index grades of each sampling point a為Shannon-Wiener指數；b為BI指數。

圖5 大型無脊椎動物群落特征與環(huán)境因子的相關性分析熱圖Fig.5 Heat map of correlation analysis between benthic community characteristics and environmental factors “A”表示大型無脊椎動物豐度，“B”表示大型無脊椎動物生物量，“BI”表示BI指數，“W”表示ABC曲線法W值，“Shannon”表示Shannon-Wiener指數。

圖6 大型無脊椎動物優(yōu)勢種與環(huán)境因子的RDA的排序圖Fig.6 RDA ranking of dominant macroinvertebrate species and environmental factors Hep sp.表示扁蜉屬；Mic sp.表示倒毛搖蚊屬；Che sp.表示短脈紋石蛾屬；Abl sp.表示無突搖蚊屬；Bae sp.表示四節(jié)蜉屬；Pol sp.表示多足搖蚊屬；Cer sp.表示側枝紋石蛾屬；Ort sp.表示直突搖蚊屬。

2.4 大型無脊椎動物群落相似度分析

基于各樣點底棲生物的種類及其對應豐度，按照群落特征的近似程度進行Paerson分層聚類(圖7)。由于相似性距離較遠，S5點未被顯示于聚類圖中。在2類聚類結果中，S2自成一類，與其它樣點的差異較大。當細化聚類結果后，S10的獨立性相對較高，其次為S6及S11。進一步細化分類，S1、S3、S8為一類，S9與S12歸為一類，S4與S7為一類，其中S1、S3、S8與S9、S12相對較近。

圖7 大型無脊椎動物群落特征聚類分析樹狀圖Fig.7 Cluster analysis tree of macroinvertebrate community characteristics

3 討論

3.1 大型無脊椎動物群落分布特征

在湖北神農架、流溪河上游及河南省西峽大鯢自然保護區(qū)等典型溪流地區(qū)，由于緯度、水溫、水源等原因，均表現(xiàn)出昆蟲綱占主要優(yōu)勢的特征[31、32]，本研究的調查結果與此一致，昆蟲綱在大型無脊椎動物中占絕對優(yōu)勢，且8種優(yōu)勢種均隸屬于節(jié)肢動物門昆蟲綱。有研究結果顯示，昆蟲綱是野生幼鯢的重要天然餌料[33]，推斷其對調查區(qū)域中大鯢種群恢復有重要影響。大型無脊椎動物豐度的變化范圍為70.37～8 122.22 ind./m2，生物量的變化范圍為0.92～73.61 g/m2，豐度及生物量在各樣點均表現(xiàn)出較大差異。主要是由于各樣點的水源較獨立且相互連通較少，從而導致營養(yǎng)鹽、理化指標等生境因子差異較大[13]。

目前基于大型無脊椎動物群落特征的水生態(tài)評價方法較多，但各自的適用范圍及特點存在差異[34]。ABC曲線的W值來自大型無脊椎動物豐度與生物量的相對比值，主要用于描述群落中個體的相對大小，以評價大型無脊椎動物的群落成熟度或生態(tài)恢復程度。Shannon指數H′是以大型無脊椎動物個體的不定性預測評估群落的整體穩(wěn)定性，樣品數量越多則預測越準確。BI指數則是基于不同種類大型無脊椎動物對污染的耐受度及敏感度差異，評價群落受污染情況[35]。三種評價方法中，各樣點評價結果基本吻合，主要為S11及S5、S7、S8、S9的水環(huán)境質量相對較低。王備新等[36]在秦淮河上游進行大型無脊椎動物調查時發(fā)現(xiàn)，多種生態(tài)評價方法的效果較單一使用Shannon指數方法更接近實際情況。本研究中也發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，BI指數較另兩種方法的水質評價結果更好，顯示所有樣點為清潔狀態(tài)。由于BI指數是基于生物耐污能力差異的評價方法，因此表明，研究區(qū)域并未受到大型無脊椎動物高敏感度污染物的直接干擾，而是有部分樣點特別是S11等主要受到環(huán)境波動的間接干擾，而導致水生態(tài)現(xiàn)狀相對較差。

3.2 大型無脊椎動物的主要環(huán)境驅動因子

大型無脊椎動物對不同理化因子變化的敏感度存在較大的種間差異，因而不同大型無脊椎動物群落在水環(huán)境指標發(fā)生變化時也會產生差異化演變[37，38]。群落特征與環(huán)境因子的相關性分析熱圖顯示，CODMn和NH3-N對大型無脊椎動物表現(xiàn)出顯著性抑制效果(P<0.05)。此外，隨著水溫升高，大型無脊椎動物生物量和群落Shannon指數H′值隨之升高，這一結果與王盡文等[39]的研究結論一致?？傮w來說，張家界大鯢棲息地大型無脊椎動物群落變化的主要驅動因子為CODMn和NH3-N，其次為水溫。

RDA分析結果顯示，環(huán)境因子對大型無脊椎動物的優(yōu)勢種分布產生了顯著影響。懸浮物是濕地中污染物對水生態(tài)環(huán)境造成物理、化學以及生物作用的重要途徑，在水生生物完成地球化學循環(huán)作用的過程中發(fā)揮著重要的遷移轉化作用[40]，其對水生生物群落的影響是多種效應疊加的結果[41]。黃翠等[42]指出懸浮物與大型無脊椎生物無直接關聯(lián)，但是對大型無脊椎動物的重要餌料——浮游生物有明顯的抑制作用，譚穎等[43]也提出了懸浮物主要是以降低水生生物初級生產力的方式影響底棲生物生長。本研究調查結果中，短脈紋石蛾屬、無突搖蚊屬、四節(jié)蜉屬、多足搖蚊屬及側枝紋石蛾等優(yōu)勢種均屬于濾食性生物，懸浮物或是通過抑制其天然餌料(浮游生物等)的生長從而間接與上述優(yōu)勢種產生負相關關系。已有研究表明，旅游干擾引起了懸浮物濃度提高，但是懸浮物的組成種類及占比有待進一步調查研究[44]。由于高錳酸鹽指數及氨氮、總磷等營養(yǎng)鹽的含量整體相對較低，且與懸浮物濃度未表現(xiàn)出相關性，推測張家界大鯢棲息地中水質懸浮物增長的主要原因為水土侵蝕造成的泥沙含量升高。RDA分析圖中，懸浮物濃度與群體2呈負相關關系，由于群體2的4種優(yōu)勢種中有3種為EPT物種[45]，因此認為，懸浮物濃度較低是EPT物種生長的重要環(huán)境條件。此外，直突搖蚊屬與總氮、總磷呈現(xiàn)出較明顯的正相關關系，而同屬搖蚊科的倒毛搖蚊屬則與總氮、總磷呈負相關，說明隸屬于同科的不同種類大型無脊椎動物對水生態(tài)條件的敏感性也存在較大差異[46]。

3.3 張家界大鯢棲息地的水質評價

王崇瑞等[17]2013與2014年1月在該地區(qū)的調查結果顯示，大型無脊椎動物的平均密度為1 640.7 ind./m2、平均生物量為11.78 g/m2。本次調查發(fā)現(xiàn)大型無脊椎動物的平均密度有所降低，平均生物量有所提高，推測采樣的季節(jié)差異為造成這一變化的原因[43]。根據ABC曲線方法，本次調查中顯示大型無脊椎動物群落受到中等干擾的S11(騾子塔)，在2013年的調查結果中即為中等干擾狀態(tài)，由于周邊廣布采石場與涉水工程，水土侵蝕引起懸浮物濃度過高的水生態(tài)威脅不容忽視。此外，Shannon指數H′在各樣點平均值與前次調查基本一致，說明張家界大鯢棲息地水生態(tài)環(huán)境在近年來整體處于較穩(wěn)定狀態(tài)。參照殷夢光等[47]的研究結果，棲息地水生態(tài)環(huán)境并不是目前影響調查地區(qū)野生大鯢種群數量恢復的主要因素。

由于植被組成、光照條件及土壤理化性質存在差異，導致洞穴內、外的大型無脊椎動物群落特征產生明顯差異[11]。調查結果中S5(黃龍洞)與其它樣點的聚類距離較遠，說明在張家界大鯢棲息地，洞穴內、外的生境差異也造成了大型無脊椎動物的群落結構特征呈現(xiàn)較大區(qū)別。有研究發(fā)現(xiàn)，重度旅游干擾會影響大鯢洞穴分布及棲息地生境質量[10]，本次調查中水生態(tài)結果較差的S11(騾子塔)與位于張家界森林公園核心景區(qū)的S4(金鞭溪紫草潭)、S7(八眼泉)表現(xiàn)出一定程度的群落相似性，同時，S5和S7的ABC曲線與BI指數結果均低于各樣點平均水平，說明隨著近年旅游熱度的持續(xù)上漲，張家界森林公園核心景區(qū)中有部分溪流濕地的水生態(tài)環(huán)境受到了影響。后續(xù)的生態(tài)研究工作中有必要進一步開展系統(tǒng)化監(jiān)測，為該地區(qū)生態(tài)保護管理工作提供更為豐富的科學依據。