夏季扎龙湿地底栖动物双向指示种(TWINSPAN)分类与水质生物监测

基金项目 2009 年黑龙江省林业厅科技资助项目 作者简介 谭景旺 1987 男 硕士研究生 水域生态监测方向 E mail jingwang 003 通信作者 于洪贤 教授 东北林业大学野生动物资源学院 Email China yhx 夏季扎龙湿地底栖动物双向指示种 TWINSPAN 分类与水质生物监 测 谭景旺 于洪贤 东北林业大学野生动物资源学院 黑龙江 哈尔滨 摘要 2011年夏季对扎龙湿地夏季底栖动物种群结构和水质状况进行了综合研究 期间应用双向指示种 TWINSPAN 分析技术 以7个采样点的数据为基础 对各采样点进行了归纳分类 结果显示 扎龙地区 水域可以划分为3个类型 6 翁海排干和7 东升水库污生指数 IBP 最小 水质最好 其次为2 采样点 水质稍差 为轻度污染 1 3 4 5 水质较前两组差 3 扎龙湖 和5 龙湖 样点已达到 中污 染 但根据污生指数评价标准分析 扎龙湿地整体水质属于轻污染 关键词 扎龙湿地 大型底栖动物 群落结构 双向指示种 中图分类号 X 824 文献标识码 A Community Structure of Macrozoobenthos and TWINSPAN Classification in Zhalong Wetland in Summer TAN Jing wang YU Hong xian College of Wildlife Resources Northeast Forestry University Harbin China Abstract The population structure of benthic fauna and water quality status were surveyed in the Zhalong Wetland in summer in 2011 and two way indicator species TWINSPAN analysis techniques are used to categorize the sampling points based on the data of the seven sampling points The results showed that the Zhalong Wetland waters was divided into three types 1 the minimum pollution Seng Index IBP and the best water quality at the 6th point Weng Hai Paigan and the 7th point Dongsheng reservoir 2 sight worse water quality as light pollution at the 2nd sampling point and 3 worse water quality than the other groups at 1 3 4 5 points Based on the biological pollution index evaluation standards the water quality at Zhalong area as a whole was found to be light pollution even though the medium pollution was observed at No 3 Zhalong Lake and No 5th Long Lake Keywords Zhalong Nature Reserve macrozoobentho community structure two way indicator species classification 自 Williams 等用计算机成功地将样方进行分类以来 计算机技术便开始在生态学领 域普及 1 1975 年 Hill 等发明了一种重要的多元分类方法 将样点进行分类 命名为指 示种分析 后来被修改为双向指示种分类 即 TWINSPAN 分类 这一方法能够轻松同时进行 样地和物种分类 TWINSPAN 分类技术得到的分类结果较为真实 使这一方法被广泛接受 且 Hill 等又编制了分类的国际通用程序 使其成为主要的分类方法而广为运用 近年来 双向指示种分类法被广泛应用于陆地生态学和海洋学等多个领域 起初 TWINSPAN 主要应用 在陆生植被的分类上 目前 也有一些国内外学者将此方法应用于水生生物领域 包括浮 游动物 底栖动物的分类和样地划分 2 6 底栖动物对环境的变化敏感度大 一旦水体受 到污染 底栖动物的群落结构及多样性将会随之改变 因此 以底栖动物的种类和群落结 2 构作为水环境评价指标在水质监测过程中得到了广泛的应用 7 10 相关报道也较多 而对 于底栖动物群落结构及多样性差异在不同污染程度的湖泊中的比较研究较少 11 12 扎龙湿地位于我国松嫩平原北部 属湿地生态系统 是我国最大的以鹤类等大型水禽 珍稀鸟类为主体的国家级自然保护区 保护区总面积约 21 万 hm2 核心区约 5 万 hm2 缓 冲区 14 8 万 hm2 实验区 1 2 万 hm2 13 14 扎龙湿地生物种类繁多 高等植物超过 525 种 隶属于 69 个科 256 个属 野生动物种类多样 其中鸟类约 265 种 隶属于 16 目 48 科 鱼类有 51 种 15 还有大量水生生物包括原生动物 轮虫 枝角类 桡足类 软体动物 环节动物和节肢动物等 底栖动物主要由寡毛类 软体动物和水生昆虫三大类组成 是水 体中青鱼 Mylopharyngodon piceus 鲤 Cyprinus carpio 等鱼类的天然饵料 是重要的 渔业资源 16 17 夏季鹤类的主要动物性食物是小型鱼类 甲壳类 螺类 昆虫及其幼虫等 因此大型底栖动物是维系鹤类数量的重要因素 大型底栖动物是湿地生态系统的重要组 成部分 对维持生态系统稳定性有着重要的作用 底栖动物在水域中的活动空间狭小 生 物群落能很好地反映水环境的变化 18 20 近年来 扎龙自然保护区周边农业及旅游事业的发展和当地居民的生活垃圾排放量逐 年增加 保护区各地受到不同程度污染 为此 研究了不同地理位置 湖泊底质的七个样 点的底栖动物分类和污染程度 以期了解底栖动物在不同污染样地的群落结构 优势种组 成 密度及生物多样性等差异 探讨底栖动物群落结构的多样性在污染程度不同的水体中 的变化 便于有关部门对同类样地的统一治理 也进一步验证双向指示种分析在底栖动物 群落结构分类中的可行性 1 材料与方法 1 11 1 采样点设置 本研究在扎龙湿地自然保护区共设置了 7 个采样点 图 1 分别为 1 克钦湖边 2 克钦湖度假村 3 扎龙湖边 4 土木可小桥 5 龙湖 6 翁海排干 7 东升水 库 采样点主要设在实验区和缓冲区 其中 1 2 4 分布于缓冲区 3 5 6 7 位于 实验区 图 1 采样点分布示意图 Fig 1 Sampling point distribution diagram 注 1 克钦湖边 2 克钦湖度假村 3 扎龙湖边 4 土木可小桥 5 龙湖 6 翁海排干 7 东升水库 采样时间 2011年7月 采样点主要设置在湖泊和河流中 其中1 2 3 5 是湖泊类型水域 4 6 7 属 于河流类型水域 实验过程中监测每个样点的各项理化指标值 并记录采样地的环境概况 表1 3 表1 1 采样点环境概况 Tab 1 Environment situation of sampling points 采样点经纬度水深 m 概况水温 1 克钦湖边 N47 17 4 5 E124 18 15 5 0 7 边上有芦苇和很多的鱼苗 15 2 克钦湖度假村 N47 17 16 5 E124 18 39 5 1 2 底质泥沙 水浑浊 15 3 扎龙湖边 N47 11 44 7 E124 13 58 6 0 29 周边有水草 泥沙底质 15 4 吐莫柯小桥 N47 10 39 7 E124 13 57 0 0 9 水清见底 底质淤泥 周围有大量植物 15 5 龙湖 N47 10 48 6 E124 12 44 1 1 14 水底有大量水草 16 6 翁海排干 N47 14 28 9 E124 14 22 1 0 4 淤泥底质 浑浊 周围有少量芦苇 16 7 东升水库 N47 18 7 9 E124 27 34 4 0 6 沉水植物为主 水体温度低 淤泥底质 10 1 21 2 底栖动物样品采集 保存及鉴定 2011 年 7 月在扎龙湿地采集大型底栖动物样品 定量样本使用改良的 Peterson 采泥 器 1 16m2 采集 用采泥器结合 D 型抄网采集定性样品 现场用 D 型抄网对泥样进行初步 清洗 用广口塑料瓶盛装 用 10 的福尔马林溶液固定 在样品采集的 48 小时内回到实验 室用 40 目不锈钢网筛过滤 分检出动物 然后整理采集的底栖动物样本 保存于 75 的 酒精中待鉴定 按照文献 21 23 鉴定大型底栖动物样本 分别将样本中的水生昆虫鉴定至属 区分到种 寡毛类和软体动物需要鉴定至种 并计录 将数据录入 Excel 表中待统计分 析 1 31 3 生物学污染指数 IBP 24 IBP lg N1 2 lg N2 2 lg N3 2 式中 N1为寡毛类 Oligochaeta 蛭类 Hirudinea 和摇蚊幼虫 Chironomidae 个体数量 N2为多毛类 Annelida 甲壳类 Crustacea 除摇蚊幼 虫以外的其他水生昆虫的个体数量 N3为软体类 Mollusca 个体数量 评价标准 IBP 0 1 表示水体清洁 0 1 IBP 0 5 表示水体轻污染 0 5 IBP 1 5 表示水体处于 中度污染 1 5 IBP 5 表示水体处于 中度污染 IBP 5 表示水体重度污染 未发现生物表明 水体严重污染 2 结果与分析 2 12 1 扎龙湿地大型底栖动物的群落特征 经鉴定 记录和统计 夏季在扎龙湿地共发现大型底栖动物 3 门 6 纲 36 种 表 2 其 中节肢动物门 15 种 包括昆虫纲 13 种 甲壳纲 2 种 软体动物门 17 种 包括腹足纲 14 种 瓣鳃纲 3 种 环节动物门 4 种 其中寡毛纲 2 种 蛭纲 2 种 表2 各采样点大型底栖动物主要类群所占的百分比 Tab 2 The percentage of predominantly large zoobentho groups in each sampling points 采样点昆虫纲腹足纲寡毛纲蛭纲甲壳纲瓣鳃纲 1 19 5170 732 4204 882 44 4 2 66 6700033 330 3 50500000 4 086 6706 676 670 5 36 3620 7400 740 6 0 597 7500 250 251 25 7 8 269000 870 870 平均值 25 8965 340 451 116 680 53 整体上看 扎龙湿地中的昆虫纲和腹足纲物种优势明显 如 1 腹足纲为 73 73 其 次是昆虫纲为 19 51 2 昆虫纲为 66 67 而没有发现腹足纲 3 昆虫纲和腹足纲各 50 4 腹足纲为 86 67 而 5 6 7 的腹足纲都在 50 以上 昆虫纲的种类数也较多 由此 可见 虽然一些样点没有出现腹足纲或昆虫纲动物 但整体上昆虫纲和腹足纲仍然是扎龙 湿地的优势类群 在瓣鳃纲中发现了三种 圆顶珠蚌 Unio dougladiae 湖球蚬 Sphae rium cacustre 短褶矛蚌 Lanceolaria grayana 分别在 1 和 6 中 蛭纲中有两种 分 别是裸泽蛭 Helobdella nuda 和宽身舌蛭 Glossiphonia lata 数量都很少 5 6 7 底栖动物种类较多 5 和 6 以同型巴蜗牛 Brddybaena similaris 为主要优势种 分别占 62 和 97 75 7 主要是乌苏里圆田螺 Cipangopaludina ussuriensis 和中国圆田螺 Cipa ngopaludina chinensis 1 和 2 都为克钦湖中样点 湖水泛白 呈碱性 底质白色泥沙 湖区周边芦苇丛生 主要是甲壳类和腹足类 还有少量寡毛类 因此 夏季扎龙湿地整体 底栖动物群落主要是由软体动物 水生昆虫和部分其他大型底栖动物组成 且种类比较丰 富 扎龙湿地大型底栖动物群落平均密度及生物量见表3 其中平均密度 D 为1975个 m2 变化范围为48 6576个 m2 密度大小顺序为D6 D7 D5 D1 D3 D4 D2 各个样点差 异很大 其中D6 最大 为6576个 m2 D2 最小 为48个 m2 6 是水稻田的排水干流 是存 在大量以水稻茎叶为食的同型巴蜗牛 Brddybaena similaris 的主要原因 2 为旅游度 假场所 对底栖动物丰度影响比较明显 大型底栖动物平均生物量 B 为3 64g m2 变化范 围在0 01 12 11g m2之间 各样点生物量大小的顺序为 B7 B6 B5 B1 B4 B3 B2 表3 扎龙湿地底栖动物群落特征 Tab 3 The community features of macrozoobenthos in Zhalong Wetland 采样点 密度 个 m2 生物量 g m2 1 6401 29 2 480 099 3 4800 97 4 2400 6 5 21602 13 6 65768 25 5 7 368012 11 平均 1974 863 64 2 22 2 水质生物学评价 软体动物和水生昆虫是扎龙湿地夏季的优势种 在水体中大量出现 可作为指示生物 来评价扎龙湿地夏季水体污染的情况 根据评价标准 运用生物学污染指数 IBP 来分析 大型底栖动物对扎龙湿地水质状况的指示作用 由表 3 可知 各样点的 IBP 评价结果为 2 5 为 中度污染 其他属轻污染 夏季扎龙湿地水质总体上属于轻度污染 临近 中 度污染 所以 有关部门应及时加强保护和环境监测 管理 防止水质恶化 表4 水质生物评价结果 Tab 4 The biological evaluation of the water quality 采样点I IBP 水质评价 1 克钦湖边 0 47 轻污染 2 克钦湖度假村 0 30 轻污染 3 扎龙湖边 0 80 中度污染 4 吐莫柯小桥 0 28 轻污染 5 龙湖 0 64 中度污染 6 翁海排干 0 19 轻污染 7 东升水库 0 18 轻污染 平均值 0 41 轻污染 2 32 3 TWINSPAN分类结果及污染指标 从图 2 和表 5 可知 扎龙湿地可大致分为 3 个类型 第一类为 6 翁海排干和 7 东升水 库等敞水区 水流平缓 位于扎龙自然保护区最外圈 受到人类生活 旅游影响少 水质 相对较好 但也有轻度污染 第二类为克钦湖度假村 水较深 水流缓 相对封闭 污生 指数低 水质污染较轻 第三类以扎龙湖为中心 距离扎龙旅游区最近的几处水域 污染 相对严重 已达到 中度污染 从结果来看 扎龙湿地水质均属于轻度污染 部分水域已 经达到 中度污染 表 6 表 5 TWINSPAN分类结果 Tab 5 The result of TWINSPAN classification and contamination index 底栖动物名称 拉丁名 半球多脉扁螺 Polypylis hemisphaerula 5555 000 曲旋沼螺 Parafossarulus anomalospiralis 5555 000 狭萝卜螺 Radix lagotis 5 55 000 短褶矛蚌 Lanceolaria grayana 5 000 花翅摇蚊 Chironomus kiinensis 5 5 000 6 云集多足摇蚊 Chironomidae nubifer 5 000 杂色大粗腹摇蚊 Macropelopia notata 5 000 鲁古水摇蚊 Hydrobaenus lugubris 5 000 异伪长足摇蚊 Apsectrotanpyus sp 1 5 000 浅白雕翅摇蚊 Glyptotendipes pauens 5 000 蜻蜓目 Mortonagrion selenion 5 000 蜉蝣目 Potamanthellus edmundsi 5 000 生米蜉 Ephemera shengmi 5 000 克拉伯水丝蚓 Limnodrilus claparedeianus 5 000 霍甫水丝蚓 Limnodrilus hoffmeisteri 5 000 锯齿长臂虾 Palaemon serrifer 55 5 001 纹沼螺 Parafossarulus striatulus 01 狭萝卜螺 Radix lagotis 55 5 01 方格短钩蜷 Semisulcospira cancellata 5 5 10 同型巴蜗牛 Brdybaena similaris 55 10 异翅目 Hesperocorixa valgaris 5 5 10 宽身舌蛭 Glossiphonia lata 5 5 10 中国圆田螺 Cipangopaludina chinensis 5 11 赤豆螺 Bithynia fuchsianus 5 11 乌苏里圆田螺 Cipangopaludina ussuriensis 5 11 梨形环棱螺 Bellamya purificata 5 11 折叠萝卜螺 Radix plicatula 5 11 黑龙江短钩蜷 Semisulcospira amurensis 5 11 截口土蜗 Galba truncatula 5 11 圆顶珠蚌 Unio douglasiae 5 11 湖球蚬 Sphaerium cacustre 5 11 弓石娥科一种 Arctopsyche sp 5 11 多巨石蛾科一种 Polycentropus sp 5 11 黄色多足摇蚊 Polypedilum flavum 5 11 秀丽白虾 Leander modestus 55 11 裸泽蛭 Helobdella nuda 55 11 01111 7 图2 扎龙底栖动物群落TWINSPAN分类树状图 Fig 2 The classification tree diagram of Zhalong Wetland benthos community by TWINSPAN analyze 表6 采样点分类及特征描述 Tab 6 Classification and characteristics description of sampling point 类别特征描述站点污生指数 IBP 第一类泥沙底质 水浑浊 20 3 10 47 30 8 40 29 第二类 边上有大量芦苇 水底有大量水 草 淤泥底质 除 1 外均清澈 50 65 60 19 第三类 周围有少量芦苇 沉水植物 为主 淤泥底质 水浑浊 70 18 3 讨论 3 13 1 TWINSPAN 分析的优缺点 由于多元分析技术将所有信息都利用上 使得其在诸多分类方法中占有理论上的优点 能够形成最严格的分类 经过对比不同分类方法和对各项指标的综合运用 生态学家们 普遍认为双向指示种分析比较完善 系统 先进 25 Christine 等利用 TWINSPAN 分析 对美国俄亥俄州沿岸溪流里的硅藻进行了分类 结果表明 35 个采样点能够划分为 4 类 不 同类群之间的差异性显著 26 Georged 等也运用 TWINSPAN 对肯尼亚的奈洛比河附生硅藻 进行分类表明 上 中 下游的硅藻存在显著性差异 27 曹勇等四种聚类方法和 TWINSPA N 分类法对英国伦敦泰晤士河中大型底栖动物进行分析比较 结果发现 用 TWINSPAN 分类 较好 而用 UPGMA 分类效果稍差 28 Salomoni 等发现 用 TWINSPAN 分析能明显区分开巴 西格拉夫河中不同抗污能力的硅藻 29 本研究中 TWINSPAN 能够将污染最轻的 6 和 7 采 样点分离出来划分为一组 将 2 采样点划分为一组 其它污染程度接近的三个点分在一组 表明 TWINSPAN 能够合理揭示底栖动物与水环境之间的关系 在把水质污染状况相近的样 点分为一类的同时 又将生境存在显著差异的样点分离开 用 TWINSPAN 程序进行分类时 删除了一些数量稀少的种类 这些稀有物种有时恰恰 能更直观地反映水质的好坏 如曹勇等就曾发现 进行多元分类时 剔除的物种对环境反 映更强烈 代表性突出 尤其是对江河干流小型水体 因此 TWINSPAN 分析结果会存在一 定的偏差 28 另外 TWINSPAN 在对环境因子的分析上也存在一些异议 George 等用 TWIN SPAN 分析表明水中的亚硝酸盐 硝酸盐 温度 总溶解物等理化指标呈显著相关性 但结 果与其他环境因子相关性却很差 27 Christine 等也发现 美国俄亥俄州沿岸溪流里硅藻 的 TWINSPAN 分类结果与环境因子之间的相关性差异并不显著 26 3 23 2 底栖动物对扎龙湿地水质的指示评价 8 河流上下游的水质波动 会显著影响相联系的湖泊 泡沼 水库等集水区域中底栖动 物群落 30 31 调查研究发现 夏季扎龙湿地大型底栖动物以软体动物为主 腹足纲的数量 是绝对优势类群 占总种数量的 86 8 水生昆虫中摇蚊幼虫只有 6 种 但从分布特征看 腹足纲分布比较集中 大部分位于 6 7 水域 而在缓冲区内的其它各点出现数量相对 较少 且 6 7 皆为人工改造水域 与扎龙湿地整体水域特征相差很大 为扎龙湿地整体 中的两个特殊水体结构 其中 6 为农田排水系统 多数以水稻茎叶为食的软体动物同型巴 蜗牛由农田排出 躯壳常年埋于淤泥中 造成实验采取的软体动物数量急剧增加 7 为水 库出水口 人为修筑水坝使水位升高 使其有别于扎龙整体水域类型 许多人工养殖的田 螺从出水口流到河流中 且 6 7 水体位于扎龙湿地实验区的最外围 对扎龙湿地内部生 物影响较小 扎龙湿地位于高寒地区 水深平均只有 0 75 m 且流动性河流相对较少 许 多大型底栖动物都不能安全过冬 在扎龙湿地 软体动物密度偏高 分布集中 生物量偏 多 所以从扎龙地区生物的整体分布 全年温度变化 水深 生活习性及人为影响等多方 面原因来看 一年多世代的摇蚊幼虫在分布上占据优势 且数量逐渐增多 成为扎龙地区 整体优势种 这与我国其他湿地相差较大 自 1919 年起 生态学家们便将摇蚊作为区分水 体营养类型的指标 Thienemann 等认为 摇蚊幼虫的种类和数量主要取决于底质的有机质 和溶氧量 32 33 羽摇蚊 Chironomus plumosus 和前突摇蚊属 Procladius sp 只适应富 营养化的水体 因此 就发展趋势和环境因素看 摇蚊幼虫会在春冬两季成为整个扎龙湿 地水质监测的主要指示种 扎龙湿地位于我国松嫩平原北部 物种丰富 鸟类有 260 多种 其中国家重点保护鸟 类就有 35 种 是我国最大的以鹤类等大型水禽珍稀鸟类为主体的国家级自然保护区 许多 大型鸟类在此繁殖 多种南北迁徙鸟类在这里停歇 研究表明 大型底栖动物的分布决定 了鸟类分布的格局 34 而扎龙湿地大型底栖动物的种类丰富 对扎龙湿地迁徙鸟类 特 别是鹤类有重要意义 水生昆虫 EPT E 蜉蝣目 P 襀翅目 T 毛翅目 对生存环境有特定的要求 只能 在清洁水体中生存 研究发现 扎龙湿地中清水的指示生物数量很少 在毛翅目中只发现 两种 即多距石蛾科一种 Polycentropus sp 和弓石蛾科一种 Arctopsyche sp 蜉蝣目只 有一种 即 Potamanthellus edmundsi 从清水指示生物数量上来看 扎龙湿地整体水 环境正在逐渐恶化 本文利用生物学污染指数和 TWINSPAN 分类对扎龙湿地水体污染状况进行评价与分类 两种方法的分类结果一致 都将水质污染程度相近的样点分在一起 但运用的理化指标 很少 在下一步的研究中会通过与一些相关的理化指标 BOD COD TP TN 等相结 合 更加科学合理地利用大型底栖动物进行水质的生物学监测 9 参考文献 1 王本洋 余世孝 计算植被生态学及其解决方案 J 中山大学学报 自然科学版 2004 43 3 75 79 2 渠晓东 曹明 邵美玲 等 雅砻江 锦屏段 及其主要支流的大型底栖动物 J 应用生态学报 2007 18 1 158 162 3 Osore M K W Tackx M L M Daro M H The effect of rainfall and tidal rhythm on the community structure and abundance of the zooplankton of Gazi Bay Kenya J Hydrobiologia 1997 356 1 3 117 126 4 Tiemey D Kelly Quinn M Bracken J J The faunal communities of upland streams in the eastern region of Ireland with reference to a forestation impacts J Hydrobiologia 1998 389 1 3 ll5 130 5 Schenkov J Komarek D Zahrrd Kovrs Oligochaeta of the Morava and Odra River basins Czech Republic L species distribution and community composition J Hydrobiologia 2001 463 1 3 235 240 6 Caffrey J M Monahan C Tierney D Factors influencing the distribution of aquatic plant 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