2012—2019年松花江干流底棲動物群落變化及其對水環境因子的響應

于宗靈,董英莉,袁 欣,徐昨非,馬 煜,王業耀,金小偉

1.黑龍江省生態環境監測中心,黑龍江 哈爾濱 150056 2.黑龍江省齊齊哈爾生態環境監測中心,黑龍江 齊齊哈爾 161000 3.北京師范大學水科學研究院,北京 100875 4.中國環境監測總站,國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室,北京 100012

河流生態系統是陸地生態系統及水生態系統間物質循環和能量流動的重要載體,健康的河流生態系統是維持該流域生物多樣性及流域可持續發展的關鍵,但河流生態系統的脆弱性和敏感性導致其易受到自然和人為活動的干擾[1-2]。在多重脅迫協同作用下,水生生物參與了淡水和陸地生態系統間物質循環和能量流動等關鍵生態過程,其群落結構、物種生長和繁殖等受到人類和自然環境的干擾,呈現顯著的差異和變化[3],也會進一步對河流的生態系統健康造成影響。

松花江是東北地區的重要河流,水生生物多樣性十分豐富,是中國重要的種質資源庫。近幾年,該流域水質主要受營養鹽和有機污染物等影響[4]。底棲動物既能夠促進水體中有機物的分解,又是魚類的天然優質餌料,其生物量還可以作為預測漁業產量的關鍵指標。在水生態環境監測方面,底棲動物可以作為水體有機污染狀況的指示生物,起到“水下哨兵”的作用[5]。底棲動物群落組成受水質、氣候變化和人類活動等影響,且表現較為敏感[6],長時間序列的水生態系統健康評估研究能夠反映出其演變規律及水環境污染狀況[7-8]。因此,常將底棲動物作為指示生物應用在河流健康評價之中[9-13]。

近年來,已有部分研究利用底棲動物評價了松花江流域部分水體水生態環境質量狀況[14-17],但多數研究是針對短時間或短距離河段的報道。當前,鮮見學者對松花江干流底棲動物進行長時間序列群落結構的演變規律研究及其與水環境因子的響應分析,而這種研究恰恰能更直觀有效地體現該流域水生態環境的質量變化趨勢及治理成效[18]。由于監測成本高昂以及監測方法規范性要求高,長時間尺度水生生物的監測數據往往很難獲取。筆者基于2012—2019年松花江干流水生態監測結果,分析了底棲動物群落結構特征及年際間變化規律,在此基礎上運用冗余分析(RDA)來解釋底棲動物群落結構與水環境因子變量之間的關系,為松花江的水生態保護提供更為科學的參考。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區域概況

松花江的地理坐標為119°52′ ～ 129°31′E、41° 42′～ 51° 38′N,是黑龍江在中國境內的最大支流,是中國七大河之一,流經黑龍江省、吉林省和內蒙古自治區,流域面積為55.72萬km2,年徑流量為762億m3,年均降水量為500 mm左右,降水量整體呈現山區大、平原區小的特征[19]。松花江有南北兩源,北源發源于大興安嶺的支脈伊勒呼里山的嫩江,南源發源于長白山天池的西流松花江,干流自三岔河匯合流至同江鎮河口,全長為939 km,流經肇源、扶余、哈爾濱、巴彥、木蘭、方正、依蘭、佳木斯、樺川、富錦、同江等,于同江市東北約7 km處由右岸注入黑龍江,河寬多為500～600 m,最寬處可達1 300 m[20]。該研究在松花江的干流設11個斷面(即D1～D11),多數斷面分左和右2個監測點位,共計21個點位(圖1)。

圖1 松花江干流采樣斷面示意Fig.1 Sampling sections in the mainstream of the Songhua River

1.2 指標選取和樣品采集

水質理化指標主要為水溫(WT)、pH、溶解氧(DO)、生化需氧量(BOD5)、化學需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)和總磷(TP)。其中NH3-N、TN和TP是表征水體營養濃度的指標;DO、COD和BOD5是表征水體有機污染狀況的指標[21-23]。生物學指標包括底棲動物種類組成、群落結構和密度。

2012—2019年,每年的6、9月初均進行一次采樣,結果取均值作為最終統計數據。干流河寬水急,監測河流的岸邊帶底質多為夾雜著石塊的泥沙硬質,底棲動物定性樣品多數采用手抄(D)網法和翻揀法收集[24-25]。定量采樣時,選用400 μm的D網在采樣點沿岸河段上、下游100 m范圍內采集樣品,每個采樣點采樣面積共計1 m2。采集到的底棲動物樣本經篩選、挑揀后,于實驗室內鑒定并計數。種類鑒別參照相關圖譜和文獻資料[26-27]。

1.3 數據處理

使用Biological Monitoring Working Party (BMWP)記分系統和生物學污染指數(BPI)來表征底棲動物的物種多樣性。BMWP記分系統利用底棲動物的定性監測數據,依據不同類群底棲動物對污染物的耐受性差異對水生態環境質量進行評價;BPI利用底棲動物的定量監測數據,從指示類群分布特征的角度對水生態環境質量進行評價。詳細公式如下[28],等級劃分標準見表1。

表1 生物評價指標等級劃分標準[31]Table 1 Classification standards for BMWP and BPI[31]

1)BMWP記分系統

BMWP=∑Fi

式中:BMWP表示BMWP指數值,Fi表示科i的BMWP的分值。

2)BPI

BPI = lg(N1+ 2)/[lg(N2+ 2) + lg(N3+ 2)]

式中:BPI表示生物學污染指數,N1表示蛭類、寡毛類及搖蚊幼蟲的個體數量,N2表示多毛類、甲殼類、除搖蚊幼蟲以外其他水生昆蟲個體數量,N3表示軟體動物的個體數量。

3)優勢度指數(Y)[29]

Y= (ni/N)×Fi

式中:Y表示優勢度指數,ni表示第i種的總個體數量,N表示各采樣點的所有物種個體數量的總數,Fi表示第i種物種在各個采樣點出現的頻率。當Y≥0.02時,認為該底棲動物為該調查頻次的優勢種。

該研究應用SPSS 22.0軟件對生物指數進行分析,利用Canoco 5.0對底棲動物的物種數據及水環境因子之間的趨勢對應(DCA)關系進行分析,最大長度均小于3.0,故選擇應用冗余分析(RDA)完成研究,分析過程中將底棲動物的數量和環境因子的相關數據進行lg(x+1)轉換,以保證獲得正態分布數據[30]。

2 結果

2.1 理化因子

2012—2019年松花江干流水質狀態總體趨好(圖2),8年間水溫略有上升,pH呈波動變化狀態,DO整體呈平穩上升趨勢,與“十二五”期間比,“十三五”期間除TN略有升高外,NH3-N、BOD5、TP和COD大體呈下降趨勢。溫度平均值為12.39 ℃,最高值為13.91 ℃(2019年),最低值為10.82 ℃(2015年);pH為7.37～7.76,年際差異較小;8年間DO保持在較高水平,平均值為8.71 mg/L,最高值出現在2019年,最低值出現在2013年;BOD5平均值為2.57 mg/L,最高值出現在2012年,自2015年后該值呈逐年下降趨勢,最低值出現在2018年;NH3-N平均值為0.53 mg/L,總體呈下降趨勢,最高值出現在2013年,最低值出現在2019年;COD平均值為18.61 mg/L,最高值出現在2012年,最低值出現在2016年;TP平均值為0.13 mg/L,最高值出現在2013年,最低值出現在2016年,呈先升高再降低再略升高的趨勢;TN平均值為2.11 mg/L,2018年最高,2015年最低。

圖2 2012—2019年松花江干流主要水質指標變化趨勢Fig.2 Variations of the water quality indices in the mainstream of the Songhua River from 2012 to 2019

2.2 底棲動物群落結構

2012—2019年松花江干流共鑒定出底棲動物246個分類單元,隸屬于4門、9綱、25目、58科、69屬,其中水生昆蟲EPT物種有99個分類單元,占40.24%;水生昆蟲其他物種有68個分類單元,占27.64%;軟體動物有36個分類單元,占14.63%;環節動物有25個分類單元,占10.16%;甲殼動物有18個分類單元,占7.32%。松花江干流底棲動物8年間物種豐富度總體呈上升趨勢,其中2016年最高(80個分類單元)。各年均以水生昆蟲種類豐富度最高,軟體動物、環節動物和甲殼動物在干流分布也較廣泛,見圖3(a)和圖3(b)。優勢種類主要以喜在清潔水體中生活的蜉蝣目和毛翅目為主,如小蜉屬Ephemerella、小寡脈蜉屬Oligoneuriella、扁蜉屬Heptagenia、等蜉屬Isonychia、紋石蛾科Hydropsychidae和缺叉多距石蛾屬Polycentropus等。

調查期間松花江干流底棲動物密度變化范圍為2.86×103～8.98×103個/m2,見圖3(c)。

8年間總平均密度為5.97×103個/m2,其中水生昆蟲平均密度為4.28×103個/m2,占總平均密度的71.69%;軟體動物平均密度為1.21×103個/m2,占總平均密度的20.27%;環節動物和甲殼動物平均密度為0.48×103個/m2,占總平均密度的8.04%。水生昆蟲密度最高值出現在2016年(7.56×103個/m2),最低值出現在2012年(1.23×103個/m2),軟體動物密度最高值出現在2017年(1.94×103個/m2),最低值出現在2012年(0.84×103個/m2)。8年間底棲動物密度呈上升趨勢,除2017年受暴雨影響外,其余年份底棲動物的種類組成總體提高。監測結果顯示,軟體動物、甲殼動物及環節動物有向水生昆蟲變化的趨勢,群落結構相對穩定且以水生昆蟲占比最多,群落中的敏感水生昆蟲(如部分蜉蝣目和毛翅目)的種類占比有所提高,而具有一定耐污性的種類(如圓田螺屬和田螺屬等)物種多樣性有所降低,同時個體數量也明顯減少,結果顯示監測期間水生態狀態穩步變好。

2.3 優勢類群

2012—2019年松花江干流底棲動物優勢種類以水生昆蟲為主,其中尤以指示清潔的EPT物種(如蜉蝣目和毛翅目)種類及數量占比最高,其次為水生昆蟲其他物種(如雙翅目等),占比也較高,而軟體動物、甲殼動物及環節動物部分種類也作為優勢類群出現在不同年份。耐污較強的環節動物(如寡毛綱和蛭綱)的部分物種優勢度隨時間推移明顯降低,而水生昆蟲的種類及優勢度始終保持在較高水平,部分EPT種類優勢度還有上升,說明監測區域水生態狀況較好。底棲動物組成和數量分析結果顯示,8年來優勢類群主要為節肢動物門的昆蟲綱,其中蜉蝣目優勢種類有15屬,毛翅目優勢種類有13屬,雙翅目優勢種類有8屬,蜻蜓目1屬和鞘翅目1屬;其次為軟體動物門的腹足綱腹足目有7屬;節肢動物門的軟甲綱十足目為6屬;環節動物門的寡毛綱近孔寡毛目3屬;環節動物門的蛭綱吻蛭目2屬。

優勢類群排在前十且出現次數和優勢度較高的為節肢動物門小蜉屬Ephemerella、小寡脈蜉屬Oligoneuriella、扁蜉屬Heptagenia、等蜉屬Isonychia、紋石蛾科Hydropsychidae、缺叉多距石蛾屬Polycentropus、搖蚊科Chironomidae、短脈紋石蠶屬Cheumatopsyche、紋石蠶屬Hydropsyche和軟體動物門的圓田螺屬Cipangopaludina。優勢度排在前三且年際間差異明顯的優勢類群為紋石蠶屬Hydropsyche、小蜉屬Ephemerella和小寡脈蜉屬Oligoneuriella(圖4)。

圖4 2012—2019年松花江干流底棲動物主要優勢類群及優勢度Fig.4 Main dominant groups and dominance of macroinvertebrates in the mainstream of the Songhua River from 2012 to 2019

各年均有出現且占絕對優勢的為小蜉屬Ephemerella,優勢度由“十二五”期間的0.248～0.625降至“十三五”期間的0.095～0.457;小寡脈蜉屬Oligoneuriella優勢度為0.102～0.483,優勢度最高值出現在2017年,其次為2012年,最低值出現在2013年,優勢度呈波動狀態;扁蜉屬Heptagenia優勢度為0.059～0.214,除2017年,其他年份優勢度變化波動不大;等蜉屬Isonychia優勢度為0.022～0.462,優勢度最高值出現在2012年,其余7年優勢度波動不大;紋石蛾科Hydropsychidae優勢度為0.052～0.257,8年間優勢度有所變化但不大;缺叉多距石蛾屬Polycentropus優勢度為0.092～0.335,呈先下降再升高再下降的趨勢;搖蚊科Chironomidae優勢度為0.117～0.311,除2012年外,其余年份優勢度呈上升趨勢;圓田螺屬Cipangopaludina優勢度為0.071～0.295,優勢度總體呈先上升再下降的趨勢。歷年優勢物種以蜉蝣目、毛翅目和雙翅目為主,其次為腹足目和十足目的物種,主要以指示清潔至中污染的習見種類為主(表2)。

表2 2012—2019年松花江干流底棲動物優勢類群及優勢度Table 2 Dominant groups and dominance of macroinvertebrates in the mainstream of the Songhua River from 2012 to 2019

2.4 松花江干流底棲動物水質生物學評價

筆者使用BMWP記分系統和BPI的年均結果來評價干流水質狀態(表1),評價結果多數為“中等”及以上,8年間評價結果趨于穩定,且下游評價結果好于上游(圖5)。從空間斷面來看,松花江干流中上游斷面的生物指數較低,最低值出現在D3斷面,該點位BMWP記分系統和BPI結果均為最低,該點水質處于“較差至中等”水平,見圖5(b)和圖5(d)。松花江干流下游斷面生物指數高于上游,D8～D10斷面指數值在8年間均處于較高水平,下游點位水體處于“良好至優秀”水平。從不同時間來看,2013、2015、2016年BMWP記分系統評價較好,最佳結果出現在2015年;2014—2019年的BPI評價較好,最佳評價結果出現在2015年。8年間BMWP記分系統和BPI評價的結果有所差異,略呈波動性變化,見圖5(a)和圖5(c)。

圖5 2012—2019年松花江干流底棲動物評價指數Fig.5 Average diversity index of macroinvertebrates in the mainstream of the Songhua River from 2012 to 2019

2.5 底棲動物與環境因子的關系

對水環境因子及底棲動物的群落結構相關指標進行RDA分析,前2軸特征值比為0.182和0.098,底棲動物的物種和水環境因子間排序軸的相關系數可達0.812和0.631,環境和物種關系的累計比率則可達到82.1%,說明排序圖可以很好地反映出水環境因子與底棲動物群落結構相關指標的關系。筆者運用蒙特卡洛單因子檢驗法對8個水質理化因子進行檢驗,選出P<0.05的水環境因子并進行分析。2012年主要受BOD5(P=0.006)、COD(P=0.013)和TP(P=0.028)等影響;2013年主要受BOD5(P=0.005)、NH3-N(P=0.019)和DO(P=0.023)等影響;2014年主要受TN(P=0.012)、TP(P=0.022)和COD(P=0.028)等影響;2015年主要受NH3-N(P=0.011)、DO(P=0.019)和TN(P=0.039)等影響;2016年主要受TN(P=0.002)、BOD5(P=0.011)和pH(P=0.025)等影響;2017年主要受TP(P=0.008)、COD(P=0.019)和pH(P=0.024)等影響;2018年主要受BOD5(P=0.007)、DO(P=0.011)和TN(P=0.019)等影響;2019年主要受NH3-N(P=0.019)、TN(P=0.016)和DO(P=0.011)等影響(表3)。從排序可知不同年份底棲動物群落結構與環境因子、空間因子之間的變化趨勢(圖6),8年間11個采樣點的物種分布均受到NH3-N的影響,其中除2013、2015、2016年兩者呈負相關以外,其余年份兩者均呈顯著正相關。2012年COD、BOD5、DO和TP與2軸負相關,NH3-N與1軸正相關。8年間松花江干流底棲動物群落結構始終受到含氮化合物的影響,但隨時間推移,影響因子也有所變化?？傮w看來,相較于其他指標,NH3-N、TN、TP、DO、BOD5和COD是這一區域對底棲動物分布影響更大的環境因子。

表3 基于RDA的多尺度環境因子對底棲動物群落結構空間變異的解釋結果Table 3 Percentage variance in macroinvertebrates accounted for all environmental factors at multiple spatial scales by RDA

注:S01～S56代表用于分析的主要底棲動物物種。S01.Aeshna Fabricius;S02.Phryganeidae;S03.Baetidae;S04.Branchiura;S05.Caenis;S06.Caenis sinensis;S07.Cheumatopsyche;S08.Chironomidae;S09.Chironominae;S10.Chironomus;S11.Cinygmina;S12.Cipangopaludina;S13.Ephemerella;S14.Ephemerellidae;S15.Ephoron;S16.Eubasilissa;S17.Gammarus;S18.Glossiphonia;S19.Heptagenia;S20.Heptageniidae;S21.Hirudinea;S22.Hydropsyche;S23.Hydropsychidae;S24.Isonychia;S25.Isonychiidae;S26.Lachlania;S27.Limnodrilus;S28.Macrobrachium;S29.Macronema;S30.Macroplea;S31.Neureclipsis;S32.Goeridae;S33.Oligoneuriella;S34.Oligoneuriella pallida;S35.Palaemon;S36.Palaemon modestus;S37.Palaemonetes;S38.Palaemonidae;S39.Parafossarulus striatulus;S40.Pelopia;S41.Pentaneura;S42.Plectrocnemia;S43.Polycentropodidae;S44.Polycentropus;S45.Potamanthus;S46.Potamyia;S47.Semisulcospira;S48.Semisulcospira amurensis;S49.Semisulcospira cancellata;S50.Simuliidae;S51.Tanypodiinae;S52.Tipulidae;S53.Triaenodes;S54.Tubificidae;S55.Viviparus;S56.Viviparus chui。圖6 2012—2019年松花江干流底棲動物與環境因子RDAFig.6 RDA analysis of macroinvertebrates and environment factors in the mainstream of the Songhua River from 2012 to 2019

調查水域中的優勢類群主要為昆蟲綱、軟甲綱、腹足綱、寡毛綱和蛭綱,其中上游河段的優勢類群主要為圓田螺屬Cipangopaludina、尾鰓蚓屬Branchiura、小寡脈蜉屬Oligoneuriella、紋石蛾科Hydropsychidae和搖蚊科Chironomidae等,且與NH3-N、TN和TP呈顯著相關性,上游河段優勢物種有喜清潔的EPT物種,也有耐污染、生命力強的軟體動物和環節動物。下游河段的優勢種類要多于上游河段,以蜉蝣目、毛翅目和雙翅目等為主,EPT的豐富度是下游好于上游,優勢類群主要為等蜉屬Isonychia、細蜉屬Caenis、似動蜉屬Cinygmina、緣脈石蠶屬Plectrocnemia、低頭石蠶屬Neureclipsis、搖蚊科Chironomidae、羽搖蚊屬Chironomus、東北田螺Viviparuschui和黑龍江短溝蜷Semisulcospiraamurensis等,且隨時間變化與DO呈顯著正相關。在空間變化上,不同采樣點位的營養程度有所差異,從圖5可知,相似度較高的點位為D2、D3和D4,D5、D6和D7,D8、D9和D10,D1和D11。其中D2～D6點位主要受NH3-N、TN、TP、BOD5和pH影響,D1、D7～D11點位主要受NH3-N、DO、COD和BOD5影響,監測期間各點位物種分布以水生昆蟲為主,尤以EPT物種為多,下游水體水生態狀態好于上游。

3 討論

3.1 松花江干流底棲動物群落特征

底棲動物作為河流生態健康評價體系里較為重要的生物類群,以水生昆蟲的占比最高,可達95%以上[32]。日常監測的水生昆蟲以襀翅目、蜉蝣目和毛翅目(簡稱EPT物種)分布最為廣泛,對干擾表現敏感,多被用于河流生態評價的研究之中。其除了可以反映水體受污染的程度外,還可以表征河流的水生態系統隨季節變化的規律以及水生態健康修復的效果[33]。松花江流域底棲動物研究起步晚,2010年后相關研究才邁入快速發展時期,成果增多,研究方向較之前廣泛。運用底棲動物來評價研究區水生態時空變化狀態較為普遍,但多數研究僅局限在松花江城市段或者研究周期較短,對于整個干流多時空變化的研究甚少。張靜[34]等2008年(除冬季外)對松花江近哈爾濱段7個典型斷面的底棲動物進行采樣及分析,結果顯示水生昆蟲最多,其次為軟體動物、環節動物和甲殼動物;郭潔[35]等2015—2017年秋季對松花江流域佳木斯段5個斷面進行采樣、調查,共鑒定出底棲動物59個分類單元,水生昆蟲占比最多,優勢種主要為指示清潔的扁蜉屬Heptagenia和短脈紋石蠶Cheumatopsyche等;趙然等[15]2015年夏季和秋季對松花江干流9個點位進行底棲動物采樣調查,結果顯示,水生昆蟲有30個種類(占75.0%),占絕對優勢,軟體動物有5個種類,占12.5%;李中宇等[14]對松花江干流2012—2015年底棲動物分布規律及理化評價差異進行研究,結果顯示,干流上游物種數明顯多于下游,水生昆蟲多,敏感物種EPT自2013年后有所增加。以上研究成果顯示,松花江流域底棲動物以水生昆蟲為主,下游密度及物種數均高于上游。筆者通過對松花江干流11個斷面連續8年的監測發現,底棲動物有246個分類單元,隸屬于4門、9綱、25目、58科、69屬,其中水生昆蟲EPT物種有99個分類單元,占40.26%;水生昆蟲其他物種有68個分類單元,占27.64%;軟體動物有36個分類單元,占14.63%;環節動物有25個分類單元,占10.16%;甲殼動物有18個分類單元,占7.32%,為近年來松花江干流底棲群落的長時間序列時空變化特征調查提供了較為有利的參考(圖6)。

松花江干流底棲動物的數量較多且生物多樣性豐富,但上游有部分點位仍受不同程度的人為擾動(包括點源及面源污染),導致相應點位底棲動物總個體數量以及物種多樣性呈逐漸降低趨勢。尤其以D3斷面最明顯,其受人為干擾嚴重,水質惡化,底棲動物密度較低、物種數量較少,優勢種以耐污力更強的寡毛類及部分軟體動物為主。D2、D4和D5等斷面相對于下游而言,物種數較少、密度較低,但較D3斷面要好一些。D1斷面及下游點位多遠離城市,周圍是草地及農田,區域底質以泥沙夾雜著卵石、礫石等為主,其為底棲動物提供了良好的攝食、繁衍以及庇護的場所,優勢種類主要為EPT物種等(如蜉屬Isonychia、細蜉屬Caenis、似動蜉屬Cinygmina、緣脈石蠶屬Plectrocnemia和褐紋石蠶屬Eubasilissa等),這些物種都是對環境變化敏感的種類。底棲群落監測結果顯示,松花江干流水質狀況整體較好,下游水質較上游清潔,有機污染程度較低[4,14]。

3.2 松花江干流水質生物學評價

河流水質生物學評價方法在不同尺度的研究中差異較大,歐盟水框架指令(WFD)發展形成了300多個獨立的生物評估系統[36]。目前中國引入了生物完整性概念,學者們探索研究了水生態監測技術與綜合評價方法,著力以建立在科學基礎之上的最有效的指標反映水生態狀況的變化,建立具有流域特色的評價指標和評價標準[37]。但現有水生態監測與評價體系距發達國家現有技術水平、實現流域水生態環境科學管理仍有一定的距離。

多數國家在底棲動物參與水生態評價研究中選用單一指標和比較直觀的指示物種法,對小流域研究則多選用多指標來進行綜合評價,不同評價方法沒有明顯優勢與劣勢,更多是綜合考慮人類活動干擾梯度以及環境管理需求的一種權衡[38-39],通過計算相關生物學參數及指標,來構建指標與環境壓力間的關系,進而評估該監測水體的水生態健康情況[40]。筆者采用BMWP記分系統和BPI來共同評價水體污染程度及變化趨勢,SOLDNER等[41]、MONAGHAN等[42]認為BMWP記分系統與理化指標有很好的相關性,HILSENHOFF等[43]指出BPI更適合評價受到有機污染的河流。

2012—2019年的水質評價結果多數為“中等”及以上,且下游斷面普遍好于上游。佳木斯段的D8～D10斷面指數值始終處在較高水平,個別斷面可達到“優秀”水平,上游部分斷面離城市近,水質多數處于“中等”水平。受污染最嚴重的D3斷面 8年間水質處于“較差至中等”水平,干流上段屬于松花江干流哈爾濱段,人類生活和工農業生產影響了該段生物的分布,生物評價結果比下游差。近年,隨著水污染防治措施的實施(如優化產業結構、科學布局,構建優良工業景觀生態系統,推進污水處理產業化,重視城市水資源優化配置等),水污染防治取得較大進步,污染水體得到一定改善。調查時段內評價結果比較穩定,干流下游評價結果明顯好于上游,生物評價結果好于單一理化評價結果,生物評價結果與群落結構狀況相一致。

3.3 松花江干流底棲動物和水環境因子的響應關系

底棲動物分布受到多種水環境因子影響,因此會表現出較強的空間異質性,但區域環境不同,影響底棲動物分布的水環境因子也不同。主要棲息于水-土界面層或者沉積物中的生物,同時會受到水環境及底質環境的雙重影響,影響因素通常包括化學因子、物理因子和生物因子等[44]。

筆者通過RDA冗余分析發現,WT、pH、DO、TN、NH3-N、BOD5、COD和TP共同驅動著底棲動物群落結構的變化,這些關鍵環境因子中,N、P、COD、BOD5和DO是影響底棲動物分布的首要因子。筆者研究團隊之前研究表明,DO、TP、NH3-N和TN等是松花江干流藻類群落分布的重要影響因素[4],陳威等[45]研究結果顯示,pH、WT、TN和DO等是影響松花江哈爾濱段藻類群落分布的重要環境因子?？梢?不同生物類群對水環境因子的響應存在一定差異。

現有研究顯示,水環境與底棲動物的群落結構呈顯著相關。劉祥等[21]對淮河流域底棲動物與水環境因子關系進行了研究,結果發現,當COD濃度達到168.56 mg/L時,底棲動物種類和數量會明顯減少,水體中僅存在少量耐污的種類(如水絲蚓)。水體中營養鹽的含量與底棲動物種類及生物量也具有密切關系,營養元素流入將會加劇水體富營養化,直接導致某些底棲動物消失[22]。水溫直接影響著水生昆蟲生長,不僅導致水生昆蟲數量的變化,也影響著水生昆蟲種群分布的情況。pH會影響底棲動物出生率及成活率,導致多樣性變化[46]。DO直接影響底棲動物分布,不同的生物類群對DO的需求也呈現差異性,底棲動物空間分布和生物量均與水體中DO有著顯著正相關性[13]。COD和BOD5是表征水體有機污染的化學因子,氮、磷則是表征水體富營養狀態的指標,DO值升高則說明水體狀態較好。筆者研究發現,松花江干流底棲動物中水生昆蟲優勢種多與DO顯著正相關,與BOD5和COD顯著負相關,不同年份中與氮、磷也存在著顯著相關性,說明該流域水生昆蟲多數適合在低BOD5、COD,高DO的環境下生存。

8年間松花江干流水溫略有上升,pH呈波動狀態,DO整體呈平穩上升趨勢,與“十二五”期間相比,“十三五”期間除TN略有升高外,NH3-N、BOD5、TP和COD大體呈下降趨勢。2012—2019年,松花江干流水體狀態總體為改善趨勢,且下游水質狀態好于上游。D2、D3和D4斷面處于城市附近,來自城市及周邊區域的生產廢水、生活垃圾和生活污水等對河流水質影響較大;D5、D6和D7斷面周邊以農業種植為主,農藥、化肥及散落在河道附近的畜禽糞便和堆肥中的物質進入河流中,可能影響水質;D1、D8、D9、D10和D11斷面植被覆蓋度較高,河流緩沖帶距離大,底質多由泥沙、卵石和礫石等組成,人類活動影響較小,有利于底棲動物生存。

上游斷面多數受COD、BOD5、TN和TP影響,優勢類群主要由水生昆蟲、寡毛類和軟體動物組成,且與COD、BOD5和營養鹽呈顯著相關性,與部分污染種類呈顯著正相關;中下游斷面多數受DO、pH和NH3-N影響,優勢類群則出現更多水生昆蟲EPT物種,且與DO呈正相關,與N呈負相關。

近幾年來,松花江水系出現三大污染問題(甲基汞污染、有機污染和冰封期水質惡化),無機污染物主要是NH3-N、TN和TP,其來源主要為工業污水、生活污水、化肥農藥、水土流失及流域內所釋放的沉積物等。作為七大流域之一的松花江,分布著多個城市飲用水水源地,松花江的水資源、水生態和水環境狀態備受關注。從治理角度出發,需要嚴格控制含磷生活污水和有機污染物排入松花江,提高人民群眾的環境保護意識,規范并控制生產生活行為,加強流域環境管理,促進水環境保護的科學研究,將底棲動物納入水生態評價體系中。

4 結論

1)2012—2019年松花江干流共鑒定出底棲動物246個分類單元,其中占比最多的為水生昆蟲EPT物種,其次為水生昆蟲其他物種,然后是軟體動物、環節動物和甲殼動物。優勢種既有指示清潔的蜉蝣目和毛翅目(如小蜉屬Ephemerella和缺叉多距石蛾屬Polycentropus等),也有耐污性一般的軟體動物(如圓田螺屬Cipangopaludina、東北田螺Viviparuschui等)和耐污能力較強的顫蚓科Tubificidae。

2)生物指數評價顯示,松花江干流水質為“中等”及以上,上游多為“中等至良好”,下游多為“良好至優秀”;RDA結果顯示,8年間松花江干流底棲動物群落結構始終受到含氮化合物的影響,但隨時間推移,影響因子也有所變化?？傮w看來,NH3-N、TN、TP、DO、BOD5和COD是影響這一區域底棲動物分布的重要環境因子。