侯湘然,潘保柱,侯易明,胡 恩,賀 瑤,馮治遠(yuǎn)

(1:西安理工大學(xué),西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710048) (2:陜西省環(huán)境科學(xué)研究院,西安 710061)

無定河流域位于黃土高原與毛烏素沙地過渡帶,流域內(nèi)溝壑縱橫,底質(zhì)較為疏松,夏季多暴雨,導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)水土流失嚴(yán)重,是黃河流域水土流失和沙化最嚴(yán)重的支流之一,其生態(tài)環(huán)境具有脆弱性和波動(dòng)性[1]。無定河流域是黃河中游典型的風(fēng)水兩相復(fù)合侵蝕區(qū),也是黃土高原水土保持措施實(shí)施的重點(diǎn)區(qū)域,流域內(nèi)按水土流失類型可分為河源梁澗區(qū)、風(fēng)沙區(qū)和黃土丘陵溝壑區(qū)[2],其中無定河上游主要為風(fēng)沙區(qū),以風(fēng)力侵蝕為主,中下游主要為黃土丘陵溝壑區(qū),以水力侵蝕為主[3]。多年來,流域內(nèi)采取了一系列如淤地壩等水土保持措施,具有滯洪攔泥、減少溝道產(chǎn)沙以及淤地造田的作用[4]。長(zhǎng)期以來,受自然和人為因素的綜合作用[5-6],無定河流域具有水少沙多的特點(diǎn),在此流域開展生態(tài)健康評(píng)價(jià)對(duì)整個(gè)黃河流域的生態(tài)保護(hù)具有重要科學(xué)意義。

在河流生態(tài)健康評(píng)價(jià)中,采用生物完整性指數(shù)(index of biotic integrity,IBI)評(píng)價(jià)水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況是目前應(yīng)用較為廣泛的方法[7]。IBI方法體系最初由Karr[8]在1981年提出,以魚類為研究對(duì)象,建立了以魚類為主的生物完整性指數(shù)(fish-index of biotical integrity,F-IBI),隨后逐漸被應(yīng)用于大型底棲無脊椎動(dòng)物[9]、浮游生物[10]、高等維管束植物[11]等生物。底棲動(dòng)物具有種類多、生活周期長(zhǎng)、遷移能力有限、便于采集等特點(diǎn),且不同種類對(duì)水質(zhì)的敏感性差異大,對(duì)環(huán)境的長(zhǎng)期變化有著很好的指示作用,因此底棲動(dòng)物的完整性指數(shù)(benthic-index of biotical integrity,B-IBI)被廣泛地應(yīng)用于河湖健康評(píng)價(jià)。我國(guó)對(duì)B-IBI的研究始于2000年以后,王備新等[12]以安徽黃山地區(qū)的溪流為研究區(qū)域,首次在我國(guó)對(duì)B-IBI指標(biāo)的構(gòu)建及其與理化指標(biāo)的關(guān)系進(jìn)行研究。張遠(yuǎn)等[13]以遼河流域的河流為研究區(qū)域,對(duì)B-IBI指標(biāo)體系的構(gòu)建方法、指標(biāo)選擇和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究,為我國(guó)北方河流的IBI評(píng)價(jià)提供依據(jù)。張葵等[14]以新疆伊犁河為研究區(qū)域,從時(shí)間尺度上對(duì)B-IBI指標(biāo)體系的構(gòu)建進(jìn)行研究。以往研究B-IBI指標(biāo)的構(gòu)建多集中于山區(qū)河流,而對(duì)水土流失嚴(yán)重區(qū)域的研究尚未見報(bào)道,無定河作為黃河流域水土流失最嚴(yán)重的支流之一,地貌復(fù)雜且具有代表性,對(duì)無定河流域構(gòu)建B-IBI指標(biāo)評(píng)價(jià)體系,可探究水土流失對(duì)底棲動(dòng)物群落特征的影響,也可為類似流域河流健康評(píng)價(jià)提供借鑒價(jià)值。

本研究對(duì)無定河流域開展了底棲動(dòng)物群落調(diào)查,旨在厘清無定河流域底棲動(dòng)物群落特征,構(gòu)建大型底棲動(dòng)物生物完整性指數(shù)并進(jìn)行健康評(píng)價(jià),以期為無定河流域以及類似水土流失嚴(yán)重區(qū)域的生態(tài)健康狀況評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)概況

無定河為黃河的一級(jí)支流,位于中國(guó)陜西省北部,是陜西榆林地區(qū)最大的河流,也是陜西輸出粗沙最多的河流,它發(fā)源于白于山北麓,流經(jīng)定邊、靖邊、米脂、綏德和清澗縣,由西北向東南注入黃河,總體呈西北高、東南低的趨勢(shì)。無定河干流全長(zhǎng)491 km,流域面積30261 km2,海拔556～1824 m,地處半濕潤(rùn)、半干旱地區(qū)交界帶,為溫帶大陸性季風(fēng)氣候,雨熱同期[1]。流域位于毛烏素沙漠東南緣,黃土高原北部,下墊面環(huán)境復(fù)雜,流域內(nèi)溝壑縱橫、土壤沙化、氣候干旱、植被稀少、植物覆蓋度低,是黃河流域水土流失和沙化最嚴(yán)重的支流之一[15]。

本研究于2021年春季(4月)和秋季(10月)對(duì)無定河上、中、下游及其6條典型支流:海流兔河(HLTH)、蘆河(LH)、榆溪河(YXH)、馬湖峪河(MHYH)、大理河(DLH)、淮寧河(HNH),以及3個(gè)淤地壩:南溝大壩(NG)、榆林溝淤地壩(YLG)、韭園溝淤地壩(JYG),共40個(gè)樣點(diǎn)開展系統(tǒng)的水生態(tài)調(diào)查。研究區(qū)域及調(diào)查河流見圖1。

圖1 無定河流域采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of sampling sites in the Wuding River Basin

1.2 樣品采集與鑒定

底棲動(dòng)物樣本采集參照《河流水生生物調(diào)查指南》[16]。樣品用篩網(wǎng)孔徑420 μm、網(wǎng)口寬度0.3 m的手持D型網(wǎng)在河流淺灘處采集,淤地壩底棲動(dòng)物用采泥器采集。每個(gè)采樣點(diǎn)采集5個(gè)平行樣,每個(gè)平行樣的采集面積為0.3 m2。所有樣品用河水淘洗后裝入密封袋,在室內(nèi)置于白瓷盤中進(jìn)行分揀,并將分揀好的底棲動(dòng)物標(biāo)本放入裝有75%濃度酒精的樣本瓶中固定,帶回實(shí)驗(yàn)室。在實(shí)驗(yàn)室中,利用解剖鏡和顯微鏡對(duì)底棲動(dòng)物樣品進(jìn)行物種鑒定、計(jì)數(shù)、稱重。鑒定工作參照相關(guān)專業(yè)書籍及資料,將樣品盡量鑒定至種,少數(shù)不能鑒定到種的樣品,將其鑒定至科或?qū)賉17-20],并確定底棲動(dòng)物耐污值、敏感值及功能攝食類群[21-23],以便為后續(xù)的指數(shù)計(jì)算提供參考。

1.3 參照點(diǎn)的選取

參照點(diǎn)的選擇是影響生物完整性評(píng)價(jià)質(zhì)量的關(guān)鍵因素,根據(jù)采樣實(shí)際狀況,選擇生境接近自然狀況,人類活動(dòng)干擾較少,河床結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的樣點(diǎn)作為參照點(diǎn)。參照點(diǎn)的篩選一般按照采樣點(diǎn)的被干擾程度,可以分為極小干擾點(diǎn)、輕微干擾點(diǎn),極小干擾點(diǎn)是指幾乎沒有受到任何干擾,顯示最原始河流景觀狀態(tài)的樣點(diǎn),輕微干擾點(diǎn)是指有輕微人類干擾跡象,顯示現(xiàn)有最佳物理、化學(xué)和生物棲息地條件的樣點(diǎn),標(biāo)準(zhǔn)因地區(qū)而異[24]。由于無定河流域人類活動(dòng)強(qiáng)度普遍較高,幾乎無法找到極小干擾點(diǎn),因此,本研究結(jié)合鄭丙輝等[25]的評(píng)價(jià)方法,根據(jù)底質(zhì)、棲息地復(fù)雜性、速度和深度結(jié)合特性、堤岸穩(wěn)定性、河道變化、河水水量狀況、植被多樣性、水質(zhì)狀況、人類活動(dòng)強(qiáng)度、河岸土地利用類型10項(xiàng)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行棲息地質(zhì)量評(píng)分(附表Ⅰ、Ⅱ),每項(xiàng)滿分20分,總分200分,基于棲息地質(zhì)量評(píng)分結(jié)果和研究區(qū)域?qū)嶋H情況,選擇大于等于115分的采樣點(diǎn)作為參照點(diǎn)。最終選擇無定河上游WD-1、WD-2、WD-3,無定河中游WD-8,馬湖峪河MHYH-2、MHYH-3共6個(gè)采樣點(diǎn)作為參照點(diǎn)。

1.4 B-IBI指數(shù)體系的構(gòu)建

構(gòu)建B-IBI指數(shù)體系的基本步驟[26-27]:(1)確定候選生物指數(shù);(2)通過分布范圍、判別能力和相關(guān)關(guān)系分析對(duì)生物指數(shù)進(jìn)行篩選;(3)確定每種生物指標(biāo)值及B-IBI指數(shù)計(jì)算方法;(4)確定底棲動(dòng)物生物完整性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1.4.1 選取候選指數(shù) 參考相關(guān)文獻(xiàn)[28],并根據(jù)無定河流域水生態(tài)條件,選取27個(gè)B-IBI指標(biāo)體系的候選生物指數(shù)(表1),包括反映群落豐富度的指數(shù)7個(gè)、反映底棲動(dòng)物種類個(gè)體數(shù)量比例的指數(shù)8個(gè)、反映生物耐污能力的指數(shù)5個(gè)、反映營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)的指數(shù)5個(gè),以及反映多樣性指數(shù)的指數(shù)2個(gè)。

1.4.2 分布范圍分析 確定候選生物指數(shù)后,對(duì)參照點(diǎn)的指數(shù)分布范圍進(jìn)行分析,并對(duì)以下幾種指數(shù)予以剔除:對(duì)于隨著干擾增強(qiáng)而值變小的指數(shù),如果值過小,說明受干擾后指數(shù)可變范圍過窄,則無法準(zhǔn)確區(qū)分出水體的干擾程度,不適于參與B-IBI指標(biāo)體系構(gòu)建;對(duì)于隨著干擾增加而值變大的指數(shù),如果值波動(dòng)程度過大,也會(huì)導(dǎo)致該指數(shù)無法準(zhǔn)確反映水體的受干擾程度,同樣不適于參與B-IBI指標(biāo)體系構(gòu)建。若指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差過大,說明數(shù)據(jù)分散,指數(shù)不穩(wěn)定,也不適于參與B-IBI指標(biāo)體系構(gòu)建[29]。

1.4.3 判別能力分析 根據(jù)Barbour等[30]的評(píng)判方法,利用箱形圖法分析上述篩選后的候選指數(shù)在參照點(diǎn)與受損點(diǎn)的分布情況,比較各指數(shù)在參照點(diǎn)和受損點(diǎn)的箱體IQ(即25%～75%分位數(shù)范圍)重疊情況,并分別賦予不同的分值:IQ=3,表示參照點(diǎn)和受損點(diǎn)箱體沒有重疊;IQ=2,表示參照點(diǎn)和受損點(diǎn)部分重疊,但各自中位數(shù)在對(duì)方箱體范圍之外;IQ=1,表示僅有一個(gè)中位數(shù)在對(duì)方箱體范圍之內(nèi);IQ=0,表示各自的中位數(shù)都在對(duì)方箱體范圍內(nèi)。最后保留IQ≥2的指數(shù)進(jìn)行下一步分析。

1.4.4 相關(guān)性分析 對(duì)余下的指數(shù)進(jìn)行Spearman相關(guān)分析,若兩個(gè)候選指數(shù)Spearman相關(guān)系數(shù) |r|>0.75,則表明兩個(gè)指數(shù)相關(guān)性較高,反映的信息重疊較大,根據(jù)兩個(gè)候選指數(shù)反映信息的重要程度,選擇其中一個(gè)[31]。經(jīng)過以上3步分析篩選,最終確定出構(gòu)成B-IBI 指數(shù)體系的核心指數(shù)。

1.4.5 生物指數(shù)分值計(jì)算 采用比值法[32]統(tǒng)一評(píng)價(jià)量綱,對(duì)核心指數(shù)值的評(píng)分方法進(jìn)行擬定:對(duì)于受到干擾而值降低的指數(shù),以95%分位數(shù)為最佳期望值,各參數(shù)的分值為參數(shù)實(shí)際值除以最佳期望值;對(duì)于受到干擾而值增加的指數(shù),以5%分位數(shù)為最佳期望值,分值=(最大值-實(shí)際值)/(最大值-最佳期望值)。

1.4.6 健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 將各指數(shù)的分值用比值法計(jì)算后,再對(duì)分值進(jìn)行加和,得到B-IBI值,計(jì)算結(jié)果以參照點(diǎn)B-IBI值分布的25%分位數(shù)作為健康評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn),對(duì)小于25%分位數(shù)的分布范圍進(jìn)行四等分,得到5個(gè)范圍,對(duì)應(yīng)5個(gè)等級(jí),即健康、亞健康、一般、較差、極差。

2 結(jié)果

2.1 底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)

無定河流域共鑒定到底棲動(dòng)物125種(附表Ⅲ),其中春季105種,隸屬于4門7綱26科,包括:環(huán)節(jié)動(dòng)物3科6屬11種,占物種總數(shù)的10.5%;軟體動(dòng)物2科2屬2種,占1.9%;水生昆蟲18科60屬89種,占84.8%;其他動(dòng)物(節(jié)肢動(dòng)物門的蛛形綱1科1屬1種、甲殼綱1科1屬1種,線形動(dòng)物門1科1屬1種)3科3屬3種,占2.8%。春季全流域底棲動(dòng)物平均密度為181 ind./m2,平均生物量為0.760 g/m2。秋季底棲動(dòng)物67種,隸屬4門8綱27科,包括:環(huán)節(jié)動(dòng)物3科4屬5種,占物種總數(shù)的7.5%;軟體動(dòng)物2科2屬2種,占3%;水生昆蟲18科40屬56種,占83.6%;其他動(dòng)物(節(jié)肢動(dòng)物門蛛形綱1科1屬1種、軟甲綱1科1屬1種、甲殼綱1科1屬1種,線形動(dòng)物門1科1屬1種)4科4屬4種,占5.9%。秋季全流域底棲動(dòng)物平均密度為94 ind./m2,平均生物量為0.454 g/m2?？傮w上無定河流域底棲動(dòng)物種類較多,在春秋兩季的底棲動(dòng)物種類組成中,水生昆蟲均為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)類群,其中雙翅目搖蚊科物種多樣性最高。

2.2 B-IBI指數(shù)體系

2.2.1 生物指數(shù)分布范圍分析 計(jì)算春季27個(gè)指數(shù)在6個(gè)參照點(diǎn)的分布情況(附表Ⅳ),M2、M4、M10、M16、M22、M25這6個(gè)指數(shù)的25%分位數(shù)、中位數(shù)、75%分位數(shù)均為0,說明隨著干擾增強(qiáng),其值基本無法變動(dòng),不予考慮,M19標(biāo)準(zhǔn)差過大,說明數(shù)據(jù)分散,指數(shù)不穩(wěn)定,也不適于參與 B-IBI指數(shù)體系構(gòu)建,對(duì)剩余20個(gè)指數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

計(jì)算秋季27個(gè)指數(shù)在6個(gè)參照點(diǎn)的分布情況(附表Ⅴ),M16、M25這兩個(gè)參數(shù)的25%分位數(shù)、中位數(shù)、75%分位數(shù)均為0,說明隨著干擾增強(qiáng),其值基本無法變動(dòng),不予考慮,M19標(biāo)準(zhǔn)差過大,說明數(shù)據(jù)分散,指數(shù)不穩(wěn)定,也不適于參與 B-IBI指數(shù)體系構(gòu)建,對(duì)剩余24個(gè)指數(shù)進(jìn)行下一步分析。

2.2.2 判別能力分析 選擇箱形圖IQ≥2的指數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究,對(duì)春季20個(gè)指數(shù)進(jìn)行箱形圖分析(附圖Ⅰ),各指標(biāo)值在參照點(diǎn)和受損點(diǎn)的頻數(shù)分布結(jié)果顯示,M1、M5、M6、M8、M26、M27等6個(gè)參數(shù)滿足IQ≥2,進(jìn)入下一輪篩選。對(duì)秋季24個(gè)指數(shù)進(jìn)行箱形圖分析(附圖Ⅱ),各指標(biāo)值在參照點(diǎn)和受損點(diǎn)的頻數(shù)分布結(jié)果顯示,指數(shù)M5、M6、M21、M26、M27等5個(gè)參數(shù)滿足IQ≥2,進(jìn)入下一輪篩選。

2.2.3 相關(guān)性分析 分別對(duì)兩個(gè)季節(jié)經(jīng)過判別能力篩選后的指數(shù)進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析(附表Ⅵ、Ⅶ)。春季結(jié)果顯示,M1、M5、M6之間呈顯著相關(guān)(|r|>0.75),且均為反映群落豐富度的指數(shù),而M1(總分類單元數(shù))包含的信息更多,保留M1;M8、M26、M27之間呈顯著相關(guān),M26和M27均為反映多樣性的指數(shù),保留M26;M8雖然與M26相關(guān)系數(shù)較高(|r|=0.781),考慮到M8(優(yōu)勢(shì)分類單元個(gè)體相對(duì)豐度)為反映種類個(gè)體數(shù)量比例的指數(shù),在完整性評(píng)價(jià)體系構(gòu)建中較為重要,本研究中予以保留。即確定保留M1、M8、M26等3個(gè)指數(shù)來構(gòu)建春季B-IBI指數(shù)體系。秋季結(jié)果顯示,M5、M6、M26之間呈顯著相關(guān),M5和M6均為表示群落組成結(jié)構(gòu)的指數(shù),而M5(雙翅目分類單元數(shù))包含的信息相對(duì)較多,保留M5;M26和M27均為反映多樣性的指數(shù),刪掉M26。即確定保留M5、M21、M27等3個(gè)指數(shù)來構(gòu)建秋季B-IBI指數(shù)體系。

2.2.4 生物指數(shù)分值計(jì)算及健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 根據(jù)各指數(shù)值在參照點(diǎn)所有采樣點(diǎn)的分布,確定計(jì)算各指數(shù)分值的比值法的計(jì)算公式(附表Ⅷ),并依次計(jì)算各采樣點(diǎn)的指數(shù)分值。

將各指數(shù)的分值用比值方法計(jì)算后,再對(duì)分值進(jìn)行加和,得到B-IBI的指數(shù)值,以參照點(diǎn)25%分位數(shù)為健康評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn),對(duì)小于25%分位數(shù)的分布范圍進(jìn)行四等分。春季參照點(diǎn) B-IBI指數(shù)值的25%分位數(shù)為2.48,因此比值法 B-IBI評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)為:B-IBI值>2.48為健康;1.861.80為健康;1.35

2.3 B-IBI指標(biāo)體系的評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)得出無定河流域河流健康評(píng)價(jià)結(jié)果(表2),春季40個(gè)采樣點(diǎn)中有5個(gè)處于健康狀態(tài),14個(gè)處于亞健康狀態(tài),12個(gè)處于一般狀態(tài),7個(gè)處于較差狀態(tài),2個(gè)處于極差狀態(tài)。秋季無定河流域采樣點(diǎn)中有13個(gè)處于健康狀態(tài),10個(gè)處于亞健康狀態(tài),9個(gè)處于一般狀態(tài),3個(gè)處于較差狀態(tài),5個(gè)處于極差狀態(tài)。

表2 無定河流域各河段B-IBI評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.2 B-IBI results for each sampling sites in the Wuding River Basin

春季無定河上、中游整體處于健康-亞健康狀態(tài),其中,上游中段和中游后半段均為健康狀態(tài),其余河段樣點(diǎn)為亞健康狀態(tài);無定河下游處于亞健康-一般狀態(tài)。支流及淤地壩中,海流兔河處于亞健康-一般狀態(tài);蘆河和馬湖峪河均處于健康-亞健康狀態(tài);榆溪河處于一般-較差狀態(tài);大理河處于亞健康-一般-較差狀態(tài);南溝大壩、榆林溝淤地壩處于一般-較差狀態(tài)?；磳幒?、韭園溝淤地壩處于一般-較差-極差狀態(tài)。

秋季無定河上游處于健康-亞健康狀態(tài);無定河中游多為健康狀態(tài),后半段存在一般狀態(tài);無定河下游處于健康-亞健康-一般狀態(tài)。支流及淤地壩中,海流兔河和大理河處于健康-極差狀態(tài);蘆河處于亞健康-一般狀態(tài);榆溪河、馬湖峪河和淮寧河均處于健康或亞健康狀態(tài);南溝大壩處于亞健康-一般-較差狀態(tài);榆林溝淤地壩處于一般-極差狀態(tài);韭園溝淤地壩處于較差-極差狀態(tài)。

用箱形圖法分析兩個(gè)季節(jié)參照點(diǎn)與受損點(diǎn)B-IBI值的分布情況(圖2),分別對(duì)春秋兩季參照點(diǎn)與受損點(diǎn)的B-IBI值進(jìn)行Mann-Whitney U非參數(shù)檢驗(yàn),結(jié)果表明春秋兩季河流參照點(diǎn)與受損點(diǎn)之間B-IBI值均存在顯著差異(P<0.05),兩個(gè)季節(jié)參照點(diǎn)的B-IBI值均顯著高于受損點(diǎn),表明本研究所構(gòu)建的無定河流域 B-IBI 健康評(píng)價(jià)體系適用性良好。

圖2 兩個(gè)季節(jié)參照點(diǎn)與受損點(diǎn)的B-IBI分值箱型圖Fig.2 Box plots of B-IBI scores for two seasons between reference and impaired sites

2.4 不同水土流失類型區(qū)對(duì)底棲動(dòng)物群落特征及完整性評(píng)價(jià)的影響

研究區(qū)域主要涉及黃河中游典型的風(fēng)沙區(qū)和黃土丘陵溝壑區(qū)兩個(gè)水土流失類型區(qū),計(jì)算兩個(gè)區(qū)域在春秋兩季的平均密度和物種數(shù),由于春秋兩季的B-IBI健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不同,根據(jù)評(píng)價(jià)等級(jí)進(jìn)行百分制賦分,即將評(píng)價(jià)結(jié)果的“健康、亞健康、一般、較差、極差”分別賦予“100、80、60、40、20”的分值,并計(jì)算兩個(gè)區(qū)域在春秋兩季的B-IBI百分制平均值。對(duì)兩個(gè)區(qū)域在春秋兩季以及春秋兩季在兩個(gè)區(qū)域的密度、物種數(shù)和B-IBI百分制分值分別進(jìn)行Mann-Whitney U非參數(shù)檢驗(yàn)(表3),根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果,風(fēng)沙區(qū)的密度和物種數(shù)在春、秋兩季具有顯著差異(P<0.05)。

表3 底棲動(dòng)物密度、物種數(shù)及完整性評(píng)價(jià)在不同水土流失類型區(qū)的差異性檢驗(yàn)Tab.3 The difference test of benthic density, species number and integrity evaluation in different soil and water loss areas

3 討論

無定河流域不同季節(jié)的底棲動(dòng)物群落特征表明,無定河流域春季底棲動(dòng)物物種數(shù)、密度和生物量皆高于秋季。在物種數(shù)上,水生昆蟲由春季的89種減少至秋季的56種,主要減少的物種隸屬于搖蚊科,這可能是因?yàn)榇杭練鉁鼗厣?有利于搖蚊生長(zhǎng),物種數(shù)顯著提高[33],而秋季因?yàn)榻?jīng)歷過夏季的集中降雨,黃土土質(zhì)疏松易受降水侵蝕[1],流域內(nèi)水土流失較為嚴(yán)重,河床穩(wěn)定性降低,底棲動(dòng)物生境被破壞后未能完全恢復(fù),從而導(dǎo)致秋季水生昆蟲物種數(shù)較少[34-35]。在現(xiàn)存量上,無定河流域整體上底棲動(dòng)物密度和生物量春季要高于秋季,除了春季氣溫回升有利于底棲動(dòng)物生長(zhǎng)外[36],還可能歸因于搖蚊在秋季經(jīng)歷羽化遷出[37],導(dǎo)致數(shù)量減少。從空間尺度上看,無定河干流底棲動(dòng)物物種數(shù)上游多于中、下游,支流中處于無定河上游的支流馬湖峪河物種數(shù)較多,淤地壩水體物種數(shù)最少。底棲動(dòng)物物種組成空間差異可能歸因于流域內(nèi)地形地貌及土地利用狀況的差異,無定河上游河道主要為風(fēng)沙地貌,地表物質(zhì)以粗顆粒風(fēng)沙為主,地形較為平坦,水力侵蝕相對(duì)較少[38],而中下游主要位于黃土丘陵溝壑區(qū),水力侵蝕加劇,同時(shí)河岸兩邊耕地面積占比較大,水土流失嚴(yán)重[15],農(nóng)業(yè)面源污染的影響相應(yīng)增加,致使水生生物多樣性下降。榆溪河底棲動(dòng)物物種數(shù)最低,是因?yàn)橛芟邮艿搅宿r(nóng)業(yè)面源污染,并且河流經(jīng)過城區(qū),生產(chǎn)生活污水也對(duì)其造成一定的污染。

本研究對(duì)無定河流域兩個(gè)季節(jié)進(jìn)行了B-IBI健康評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)結(jié)果顯示秋季無定河流域整體的健康狀況要稍好于春季,可能歸因于春季雖然河床穩(wěn)定,但是河流流動(dòng)性差,且搖蚊種類較多,而秋天為雨季后期,河流相對(duì)流量大,搖蚊種類減少,蜉蝣目、毛翅目種類增加,因此秋季的健康狀況要稍好于春季。基于B-IBI健康評(píng)價(jià)結(jié)果,有12個(gè)采樣點(diǎn)在兩個(gè)季節(jié)里均處于亞健康及以上狀態(tài),底棲動(dòng)物生物完整性比較穩(wěn)定,這些采樣點(diǎn)位于無定河干流上游全段、中游上半段以及中、上游部分支流,如蘆河中段和馬湖峪河全段,這些河段的特點(diǎn)是河岸較為穩(wěn)定,渠道化較少,水質(zhì)較為清澈,人類活動(dòng)干擾較少。評(píng)價(jià)結(jié)果處于較差及以下狀態(tài)的樣點(diǎn)大多位于無定河下游支流和淤地壩水體,這些河段距離城鎮(zhèn)和農(nóng)田較近,土質(zhì)疏松,人類活動(dòng)強(qiáng)度大,并且兩個(gè)季節(jié)的評(píng)價(jià)結(jié)果改變較大,生物完整性不穩(wěn)定。淤地壩作為修筑在水土流失嚴(yán)重區(qū)域的人工堤壩,因其底層泥沙淤積厚度深,生境單一,故僅少數(shù)直接收集者如搖蚊幼蟲及寡毛類存活。

本研究表明,無定河流域的水土流失現(xiàn)象對(duì)流域內(nèi)底棲動(dòng)物群落特征有顯著影響(P<0.05),且底棲動(dòng)物的群落特征在風(fēng)沙區(qū)受到的季節(jié)性影響更大。風(fēng)沙區(qū)以風(fēng)力侵蝕為主,而黃土丘陵溝壑區(qū)則以水力侵蝕為主[2],流域內(nèi)集中降雨及水力侵蝕主要集中在7-8月[39-40],秋季相較春季而言,受到了洪水過程的影響。在春季,底棲動(dòng)物的密度和物種數(shù)都表現(xiàn)為風(fēng)沙區(qū)高于黃土丘陵溝壑區(qū),表明此時(shí)風(fēng)沙區(qū)的水生態(tài)狀態(tài)較黃土丘陵溝壑區(qū)更穩(wěn)定。而在秋季,底棲動(dòng)物的密度和物種數(shù)在兩個(gè)區(qū)域均顯著下降,且風(fēng)沙區(qū)結(jié)果低于黃土丘陵溝壑區(qū),表明風(fēng)沙區(qū)在經(jīng)歷集中降雨后,底棲動(dòng)物的群落受到的影響更大,而黃土丘陵溝壑區(qū)由于長(zhǎng)年累月經(jīng)受水力侵蝕的影響,下降幅度相對(duì)較小,同時(shí)也歸因于下游黃土丘陵溝壑區(qū)集中了大量的淤地壩,有效攔蓄了入河泥沙,降低了高強(qiáng)度的水力侵蝕[41]。

無定河流域具有水少沙多、暴雨集中、土質(zhì)疏松、天然植被稀少、自然侵蝕強(qiáng)烈的特點(diǎn),并且有不同類型的水土流失區(qū),構(gòu)建此類流域底棲動(dòng)物生物完整性指數(shù)的難點(diǎn)主要在于參照點(diǎn)的選擇和指數(shù)體系的構(gòu)建。參照點(diǎn)的選擇是生物完整性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵步驟[42],以往的研究中選擇參照點(diǎn)的方法不盡相同[43-45],基本依據(jù)水質(zhì)質(zhì)量、現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估人類干擾強(qiáng)度和河岸帶土地利用類型來選擇。本研究中無定河流域?qū)儆邳S土高原區(qū)域,是水土保持的重點(diǎn)治理區(qū),經(jīng)過夏季水文過程后,會(huì)導(dǎo)致水土流失和河床淤積,因此,在參照點(diǎn)的選擇過程中,除了要選擇人類干擾強(qiáng)度小的樣點(diǎn)之外,還要考慮選擇經(jīng)過豐水期后未受水土流失影響或影響較小的樣點(diǎn)。無定河上游上半河段附近基本為草地和未利用土地,且屬于風(fēng)沙區(qū),水力侵蝕較少,無定河中游和馬湖峪河的部分采樣點(diǎn)附近草地居多,遠(yuǎn)離居民區(qū)[46],故選擇無定河上游3個(gè)采樣點(diǎn)、中游1個(gè)采樣點(diǎn)以及馬湖峪河2個(gè)采樣點(diǎn)作為參照點(diǎn)。根據(jù)春秋兩季參照點(diǎn)和受損點(diǎn)B-IBI值的Mann-Whitney U非參數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果,參照點(diǎn)與受損點(diǎn)之間B-IBI值存在顯著差異,兩個(gè)季節(jié)參照點(diǎn)的B-IBI值均顯著高于受損點(diǎn),表明本研究所構(gòu)建的無定河流域B-IBI健康評(píng)價(jià)體系適用性較好。鄭丙輝[25]研究中采用的生境打分法包括了10項(xiàng)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn),在類似水土流失較為嚴(yán)重的河流選擇參照點(diǎn)時(shí),建議評(píng)分應(yīng)側(cè)重于堤岸穩(wěn)定性、河道變化等方面。

在生物完整性評(píng)價(jià)中,指數(shù)體系的構(gòu)建也同樣非常重要。本研究選取了M1(總分類單元數(shù))、M8(優(yōu)勢(shì)分類單元個(gè)體相對(duì)豐度)和M26(Shannon-Wiener指數(shù))3個(gè)核心指數(shù)構(gòu)成無定河流域春季B-IBI指數(shù)體系,選取M11(雙翅目分類單元數(shù))、M21(濾食者個(gè)體相對(duì)豐度)和M27(Simpson指數(shù))3個(gè)核心指數(shù)構(gòu)成無定河流域秋季B-IBI指數(shù)體系,兩季度B-IBI健康評(píng)價(jià)體系的核心指數(shù)和B-IBI值的差異性表明,在類似黃土高原等水土流失嚴(yán)重區(qū)域中,對(duì)水生生物開展多季節(jié)調(diào)查具有重要意義。在構(gòu)建無定河流域底棲動(dòng)物生物完整性指數(shù)體系的過程中,搖蚊是兩個(gè)季度底棲動(dòng)物物種組成的主要類群,無定河流域作為典型的生態(tài)脆弱地區(qū),由于區(qū)域內(nèi)生境的不穩(wěn)定性,更適合搖蚊這類個(gè)體小、繁殖快、生活周期短的類群恢復(fù)和繁衍,因此,在生物完整性指標(biāo)的選擇時(shí),需要考慮流域內(nèi)主要類群的相關(guān)參數(shù),類似本文中對(duì)于雙翅目中搖蚊類群的選擇,更能反映流域生物完整性的特點(diǎn)。此外,M1、M8、M11、M26和M27等能夠表征物種豐富度、優(yōu)勢(shì)種和多樣性的指數(shù)也是無定河完整性構(gòu)建的核心參數(shù),這在以往河流中也常被用到[43,47-50]。同時(shí),在開展生物完整性研究時(shí),還需要關(guān)注水土流失區(qū)域的季節(jié)性變化,建議在一個(gè)水文年內(nèi)至少進(jìn)行兩次調(diào)查來進(jìn)行研究,并盡量避開一些干擾性較強(qiáng)的季節(jié)(如夏季),以保證評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。

根據(jù)對(duì)無定河流域的底棲動(dòng)物群落特征分析和B-IBI評(píng)價(jià)結(jié)果,對(duì)黃土高原地區(qū)的生態(tài)治理提供以下幾條建議:(1)無定河流域上游底棲動(dòng)物生物完整性處于亞健康及以上狀態(tài),評(píng)價(jià)結(jié)果相對(duì)較好,該區(qū)域主要位于風(fēng)沙區(qū),應(yīng)持續(xù)推行退耕還林等政策,在降低風(fēng)力侵蝕的同時(shí),還要注意改善河道周圍植被狀況,提高水土保持能力,確保源頭的水質(zhì)水量;(2)中下游干支流完整性評(píng)價(jià)等級(jí)較低,該區(qū)域主要位于黃土丘陵溝壑區(qū),應(yīng)加強(qiáng)水土保持措施,如在水力侵蝕嚴(yán)重區(qū)域增加淤地壩的修建,并對(duì)已有淤地壩進(jìn)行維護(hù)和改進(jìn),提高攔蓄入河泥沙的能力;(3)中下游支流,如榆溪河等,底棲動(dòng)物物種數(shù)較少,應(yīng)加強(qiáng)農(nóng)業(yè)面源污染治理,控制周邊污水排放,相關(guān)部門做好宣傳教育,工業(yè)廢水和居民生活污水必須經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后排放,以改善水質(zhì),提高底棲動(dòng)物生境質(zhì)量。

4 結(jié)論

無定河流域共鑒定底棲動(dòng)物125種,春季鑒定出105種,秋季鑒定出67種。春季物種數(shù)、密度和生物量均明顯高于秋季,歸因于春季氣溫開始回升,水生昆蟲大量繁殖,而部分搖蚊在秋季經(jīng)歷羽化遷出。基于B-IBI健康評(píng)價(jià)體系,春季47.5%的樣點(diǎn)處于亞健康及以上狀態(tài),秋季57.5%的樣點(diǎn)處于亞健康及以上狀態(tài),其中多集中分布在干流上游和中游上半段及上、中游支流,主要原因是這些河段河岸較為穩(wěn)定,人類活動(dòng)影響較小。在不同水土流失類型區(qū)域,底棲動(dòng)物群落特征和生物完整性評(píng)價(jià)具有顯著性差異。本研究對(duì)黃土高原區(qū)域、多沙河流區(qū)域內(nèi)底棲動(dòng)物生物完整性指數(shù)的構(gòu)建具有重要意義。

5 附錄

附表Ⅰ～Ⅷ和附圖Ⅰ～Ⅱ見電子版(DOI: 10.18307/2024.0138)。