河流和湖泊底棲動物分布的影響因素及稀有種去除對多樣性指數(shù)的影響.pdf

1、淡水生態(tài)系統(tǒng)在人類社會中扮演著非常重要的角色。由于城市生活用水和工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，人為干擾嚴(yán)重影響了水質(zhì)，淡水生態(tài)系統(tǒng)遭受了嚴(yán)重的破壞，引起生態(tài)系統(tǒng)的退化。對河流進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)和健康評估，是有效恢復(fù)淡水生態(tài)系統(tǒng)健康的前提和基礎(chǔ)，已成為近年來生態(tài)學(xué)的熱點研究。底棲動物在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)作為一種常用的生物學(xué)評價手段，而我國學(xué)者也逐步開始利用大型底棲無脊椎動物作為評價水質(zhì)的指示生物，引進(jìn)國外成熟的評估體系對我國各類淡水生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行生物學(xué)評價。但目前

2、大多評價體系對數(shù)據(jù)需求量大，需要大量基礎(chǔ)工作的累積，學(xué)術(shù)性、專業(yè)性強，建模要求高。我國自然環(huán)境多樣性高、人為擾動復(fù)雜，探究國內(nèi)影響底棲動物分布模式的因素，建立適用于我國的底棲動物評價體系有重要意義。
　　徒駭河、馬頰河是流經(jīng)山東北部的兩條重要的河流?！笆濉逼陂g，徒駭河、馬頰河流域開展了大規(guī)模污水治理與濕地修復(fù)工程，河流水質(zhì)逐步改善中。本文以徒駭河、馬頰河、趙牛河人工濕地為研究案例，在調(diào)查河流水系分布、水質(zhì)與底質(zhì)、生境要素等的基

3、礎(chǔ)上，依據(jù)多年底棲動物群落特征的數(shù)據(jù)，深入分析了徒駭河、馬頰河流域乃至全國湖泊的底棲動物群落對環(huán)境特征的響應(yīng):通過文獻(xiàn)調(diào)研與群落調(diào)查，依據(jù)徒駭河、馬頰河水文特征與底棲動物群落結(jié)構(gòu)，建立以指示物種為主的河流健康評價體系，并對趙牛河人工濕地生態(tài)恢復(fù)作用進(jìn)行了評估，同時從物種豐富度出發(fā)，分析底棲動物群落與多種環(huán)境因素的關(guān)系，驗證橋梁建設(shè)對河流生態(tài)系統(tǒng)的健康具有重要影響。考慮到河流與湖泊之間的相互影響，本文還拓展研究內(nèi)容，利用多年來中國范圍內(nèi)湖

4、泊底棲動物研究的數(shù)據(jù)，對中國的62個湖泊底棲動物的豐富度與多種湖泊環(huán)境因素進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性分析，揭示大尺度上湖泊底棲動物的種-流域面積分布模式。在研究過程中發(fā)現(xiàn)底棲動物研究存在采樣與計數(shù)工作量大，物種鑒別困難，稀有種去除具有爭議的現(xiàn)狀，因此本文利用2001-2015年已發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)，建立全國范圍的底棲動物數(shù)據(jù)庫并構(gòu)建假想模型，分析稀有種在生物學(xué)指數(shù)中的地位，驗證多種底棲動物指數(shù)對稀有種去除的響應(yīng)機制。本文主要研究結(jié)果如下:
　　

5、流域調(diào)查結(jié)果顯示，徒駭河、馬頰河干流共收集到底棲動物16種，趙牛河人工濕地采集到18種，干流與人工濕群落物種組成差異較大，由于優(yōu)勢種不同，各樣點底棲動物群落多度、豐富度差異也很大。趙牛河人工濕地對底棲動物群落有明顯的恢復(fù)作用。盡管采取了多種生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)手段，但目前國際常用的評價體系不適用于徒駭河、馬頰河流域生態(tài)系統(tǒng)退化較嚴(yán)重的區(qū)域。為建立適用于徒駭河、馬頰河流域的底棲動物評價體系，通過人工濕地示范工程進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)前后的比較，依據(jù)當(dāng)?shù)厮|(zhì)

6、、水文學(xué)特征等因素，以趙牛河人工濕地為參照體系建立了適用于徒駭河、馬頰河的底棲動物指示物種的評價體系。
　　對徒駭河、馬頰河干流橋梁附近的底棲動物群落與未受橋墩影響的群落進(jìn)行對比的結(jié)果顯示，在已經(jīng)遭受人為干擾的徒駭河與馬頰河，橋墩引起的河岸淤積會進(jìn)一步影響底棲動物的群落結(jié)構(gòu)。橋下點與參照點群落結(jié)構(gòu)有顯著相關(guān)性，其中密度、生物量豐富度、與香農(nóng)-威納多樣性指數(shù)相關(guān)性分別達(dá)到(0.961、0.931、0.930與0.603)，并且橋下點

7、與參照點底棲動物的群落在密度與生物量上的分配十分接近，但是底棲動物的豐富度與物種組成有顯著的差異。淤積引起的生境片段化會導(dǎo)致底棲動物群落結(jié)構(gòu)的退化，因此為保證河流生態(tài)環(huán)境的健康，在橋梁建設(shè)過程中底棲動物生境的保護(hù)問題值得關(guān)注。
　　通過對底棲動物多樣性與湖區(qū)面積、水容量、流域面積、平均水深、平均礦化度、平均氣溫與平均降雨量對國內(nèi)62個湖泊的環(huán)境與生物特征進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果表明底棲動物與流域面積、湖區(qū)面積、水容量有顯著相關(guān)性，其中

8、與流域面積的相關(guān)性最為顯著(R2=0.380，p＜0.001)。僅有東部地區(qū)的湖泊的底棲動物豐富度與湖泊水量呈正相關(guān)(R2=0.220，p＜0.001);東部、西部湖泊的湖區(qū)面積均與底棲動物豐富度呈正相關(guān)(R2=0.280，p＜0.001;R2=0.533，p=0.002)，但西部未受干擾的地區(qū)相關(guān)性更顯著。底棲動物多樣性在人為擾動較少的湖泊，與湖泊面積的相關(guān)性更顯著;而在人為擾動較多的湖泊則與水容量相關(guān)性更顯著。這表明東部地區(qū)的湖泊的

9、底棲動物群落的豐富度更易受到湖水容量變化帶來的影響，而處于自然狀態(tài)下的底棲動物群落則有可能對洪水與干旱產(chǎn)生的水量變化有一定的抵抗能力。此外，大尺度上底棲動物物種豐富度分布模式與經(jīng)典種面積曲線定義的分布規(guī)律不同，雖然底棲動物物種豐富度與湖泊面積和其流域面積均有顯著相關(guān)性，但總體來講，不論在東部、西部地區(qū)還是全國范圍內(nèi)，流域面積的大小與物種豐富度的相關(guān)性更顯著，形成了種-流域面積的分布特征。底棲動物多樣性與環(huán)境因素的關(guān)系是研究底棲動物群落結(jié)

10、構(gòu)的重要視角，它能為底棲動物多樣性研究與保護(hù)工作的開展提供重要的理論支持。
　　基于不同生物學(xué)指數(shù)對稀有種去除會產(chǎn)生不同響應(yīng)的假設(shè)，本文利用15年已發(fā)表底棲動物的數(shù)據(jù)建立假想模型，對香農(nóng)-威納多樣性指數(shù)、辛普森多樣性指數(shù)、馬格列夫多樣性指數(shù)、均勻度、BMWP評分系統(tǒng)(Biological MonitoringWorking Party)與ASPT(Average Score Per Taxon)評分系統(tǒng)進(jìn)行假想模型的測試。假想模型

11、的結(jié)果表明與其他生物學(xué)指數(shù)相比，常見種在辛普森多樣性指數(shù)占據(jù)極高的地位。僅考慮物種多樣性的馬格列夫與底棲動物專用的BMWP指標(biāo)中有一定的比重，而在稀有種在經(jīng)典的香農(nóng)-威納多樣性指數(shù)占有較小的比重。經(jīng)典的多樣性指數(shù)更注重群落的均勻程度，在隨著稀有種去除，均勻程度會略微增加并超過真實值。而ASPT評分系統(tǒng)對稀有種去除沒有產(chǎn)生有規(guī)律的響應(yīng)。在該研究的基礎(chǔ)上，利用南四湖5年的底棲動物群落結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)對香農(nóng)多樣性指數(shù)的響應(yīng)進(jìn)行驗證，結(jié)果表明在利用香農(nóng)

12、多樣性指數(shù)進(jìn)行生物學(xué)評估時，適度的稀有種去除不會對香農(nóng)多樣性指數(shù)結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。通過理論與實地研究結(jié)合所得出生物學(xué)指數(shù)對稀有種去除的響應(yīng)，能有效的減少在物種采集、鑒定時的工作量，顯著提高工作效率，對改善當(dāng)前中國眾多淡水生態(tài)系統(tǒng)缺乏底棲動物群落數(shù)據(jù)的局面有重要的作用。
　　綜上所述，本文從人為擾動、環(huán)境因素、方法優(yōu)化等多方面對底棲動物進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。通過徒駭河、馬頰河流域的底棲動物群落的案例建立了適用于已退化生態(tài)系統(tǒng)的河流生態(tài)健