玛瑙河大型底栖动物时空分布特征及水环境评价研究

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为响应我国生态文明建设战略需要,亟需开展生态水利学研究,将传统水利与生态环境保护相结合,在保持生态系统健康稳定的前提下合理开发利用水资源,实现社会经济高质量发展。基于大型底栖动物的指示物种法,是水生态环境健康评价的有效方法,而大型底栖动物功能摄食类群的监测对物种与水环境关系机制及河流营养物质循环等生态系统过程的研究至关重要。目前,有关河流大型底栖动物功能摄食类群的研究成果较少,基于大型底栖动物功能摄食类群生态效应的水环境评价方法仍处于探索阶段。近年来,内陆中小型河流的水环境状况正越来越受到广泛的关注,而长江流域开展大规模生态治理措施,也对玛瑙河流域水环境提出新的要求。因此,探寻更准确、便捷的玛瑙河水环境评价方法,进一步明确基于大型底栖动物功能摄食类群生态效应的评价方法对此类中小型河流水环境评价的适用性,将有利于我国中小型河流水利经济的可持续发展。本研究以玛瑙河干流为研究对象,于2021年1月、4月、7月和10月四个季度分别对其进行水体理化因子监测和大型底栖动物分布特征分析,调查记录流域生境状况和环境特征,并对其进行目测评分。采用RDA(Redundancy Analysis,冗余分析)探究大型底栖动物群落结构的影响因素,分析不同季度的水环境状况及大型底栖动物物种和功能摄食类群分布的主要影响因子。筛选玛瑙河流域的指示物种和指示因子,通过生境适宜度模型建立大型底栖动物群落的生境适宜性曲线,计算玛瑙河全季度生境适宜度指数,进行基于生境适宜性的水环境评价;计算各点位的摄食均匀度指数和功能摄食类群参数,基于大型底栖动物功能摄食类群的生态效应进行水环境质量评价。最后将两种评价结果分别与玛瑙河干流水质断面监测结果和生境调查结果对比研究,从评价方法的准确性和敏感性方面,探究其对长江流域小型支流水环境评价的适用性。研究结果表明:(1)玛瑙河干流大型底栖动物群落结构特征玛瑙河干流大型底栖动物以昆虫纲种类最多,水蛭纲种类最少,群落结构特征在春季更加复杂稳定。大型底栖动物密度及生物量随水深的增加大致递减,密度组成主要以腹足纲占优势,生物量组成以腹足纲和双壳纲占绝对优势。玛瑙河大型底栖动物共分为5个功能摄食类群,其中刮食者相对丰度最大,收集者最小,密度和生物量均以刮食者占主要优势,其次为撕食者和滤食者。刮食者主要分布于玛瑙河上游,滤食者主要分布于中游,收集者主要分布于中上游,捕食者和撕食者无明显分布规律。大型底栖动物物种的Shannon-Wiener多样性指数和Simpson多样性指数均为4月(29)7月(29)10月(29)1月,Margalef丰富度指数为7月(29)4月(29)10月(29)1月,Pielou均匀度指数为1月(29)4月(29)7月(29)10月;功能摄食类群的Shannon-Wiener多样性指数为4月(29)7月(29)1月(29)10月,Pielou均匀度指数的平均值为1月(29)7月(29)4月(29)10月。玛瑙河大型底栖动物物种及功能摄食类群的生物多样性在各季度均处于一般水平。(2)大型底栖动物群落结构与环境因子相关性水体理化因子分析结果显示,玛瑙河Turb(浊度)波动幅度较大,整体流速较慢,水深较浅,水体呈弱碱性,生境状况在丰水期相对较好,而枯水期相对较差。生境目测评分变化趋势在时间上相似,而在空间上存在明显差异,总体呈“波浪状”,Q3和Q8生境状况总体得分较高,Q1、Q5、Q7和Q10得分较低,其中以Q7生境状况评分最低。影响玛瑙河干流大型底栖动物物种分布的8个主要环境因子为Cond(电导率)、Turb、PO43-(正磷酸盐)、CODMn(高锰酸钾指数)、pH、WT(水温)、TN(总氮)和水质状况。其中,1月影响大型底栖动物物种分布的主要环境因子为Cond,4月为Turb、PO43-、CODMn和pH,7月为WT和水质状况,10月为TN。影响程度玛瑙河干流功能摄食类群分布的主要环境因子包括Cond、Vel(流速)、NH3-N(氨氮)、TP(总磷)、Turb、PO43-、CODMn、河床底质和河道变化9类。其中,1月影响大型底栖动物功能摄食类群分布的主要环境因子为河道变化,4月为Turb、PO43-、CODMn和河床底质,7月为TP,10月为Cond、Vel和NH3-N。(3)水环境质量评价及适用性分析玛瑙河干流指示因子TN、pH、Turb和PO43-对指示物种铜锈环棱螺的最适值分别为1.232 mg/L、8.11、6.73 NTU和0.172 mg/L。生境适宜性评价结果显示水环境质量时间上为7月(29)4月(29)10月(29)1月,空间上为下游(29)上游(29)中游,Q2、Q3、Q5、Q7和Q10在部分季节污染较为严重。参数分析结果显示,玛瑙河干流冬季物质循环、沿岸物质输入及CPOM(粗颗粒有机物)输入/FPOM(细颗粒有机物)输入最低,生境稳定性最高;春季物质循环及沿岸物质输入最高;夏季初级生产力、纵向物质输入和生境稳定性最低,而CPOM输入/FPOM输入最高;秋季纵向物质输入最高。空间上物质循环、纵向物质输入和生境稳定性均为上游(29)中游(29)下游,沿岸物质输入为下游(29)上游(29)中游,CPOM输入/FPOM输入为下游(29)中游(29)上游。摄食均匀度指数评价结果显示水环境总体质量为1月(29)4月(29)7月(29)10月,Q1、Q2和Q10部分季节水环境质量问题突出。对比两种评价方法,生境适宜性评价较为费时费力,评价结果可能受指示物种特性的影响,但整体敏感性和准确性更高,基本适用于玛瑙河干流各时期、各河段的水环境质量评价;功能摄食类群生态效应评价对河流物质循环过程体现更直观,可操作性更强,采样及计算步骤简单省力,但评价结果准确性受功能摄食类群鉴定和划分结果的影响较大,对玛瑙河干流冬季和中游水环境的指数评价结果与实际情况偏差较大,评价结果整体偏高。两种评价方法从不同方面反映了玛瑙河干流的水环境现状,但各自存在不同程度的偏差,建议将其结合使用,或与生境调查结果结合分析。
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