甌江源頭區龍泉溪底棲大型無脊椎動物多樣性和群落特征

呂陽奇,劉財鑫,顧天宇,陳 輝,王璐瑤,潘 達,吳 軍

1.南京師范大學生命科學學院,江蘇 南京 210023 2.生態環境部南京環境科學研究所,江蘇 南京 210042

淡水底棲大型無脊椎動物(以下簡稱底棲動物)是指在內陸淡水(包括流水和靜水)水體底質中或水底表面營水生生活的動物類群,它們生活史的全部或大部分時期都在淡水中完成[1]。這些類群在淡水生態系統中分布最廣泛,同時也是物種多樣性和生物量最豐富的水生生物類群之一,主要包括刺胞動物、扁形動物、線形動物、軟體動物、環節動物和節肢動物(如十足類甲殼動物和水生昆蟲)等[2-3]。底棲動物群落多樣性對維持淡水生態系統的功能完整性(包括物質循環、能量流動,以及指示水生態系統健康狀況等方面)具有重要作用[4-5]。

國內對底棲動物群落多樣性的調查研究始于20世紀中葉[6],自20世紀80年代以來,底棲動物群落多樣性被應用于河流水質的生物監測和評價[7-10]。近年來,河流底棲動物群落多樣性及其在河流生態系統的生物評價應用受到越來越廣泛的重視。已報道的工作涉及江河一級干流(或江段),如黃河干流、松花江干流、長江鎮江段、珠江廣州段、甌江干流的不同江段、渭河干流[11-14]等,二、三級支流乃至溪流,如湖北清江二級支流、浙江永安溪等[15-17]。值得注意的是,位于江河流域上游的山地溪流,是眾多對環境變化十分敏感的底棲動物(如淡水渦蟲、淡水蝦蟹類以及毛翅目、蜉蝣目等水生昆蟲)繁衍生息的重要場所,同時也是河流生態系統中最脆弱的部分之一,極易受到氣候變化、植被狀況、地質災害及人類活動的干擾和影響。保持山地溪流健康的生態狀況,對于保護江河流域的水資源、維持河流生態系統功能的完整性起到極為關鍵的作用。

龍泉溪發源于浙江省龍泉市、慶元縣毗鄰的洞宮山區鍋帽尖西北麓,從西南向東北貫穿龍泉市境的南部、中部和東北部[18-20]。龍泉溪龍泉段作為甌江發源地,地理位置的特殊性及水源地功能的重要性,使得該流域在甌江水系的水生態保護研究中具有重要價值。對該水域水生生物多樣性的已有研究涉及魚類和水生植物[21-23],對底棲動物的多樣性仍缺乏了解。對甌江源頭區的研究顯示,龍泉溪等甌江源頭區存在一定程度水土流失,其生態健康呈現亞健康狀態[20]?？梢?對龍泉溪的底棲動物進行調查,并對水環境健康狀況進行生物評價更具必要性。該研究聯合使用形態分類和DNA條形碼技術,通過對龍泉溪底棲動物多樣性及其群落結構的調查研究,評估水環境狀況,以期為該水域的水生生物多樣性保護和水生態系統管理決策提供科學參考。

1 實驗部分

1.1 研究區域和樣點布設

研究區域位于龍泉市,屬龍泉溪中上游流域,該地區密布龍泉溪支流,河流流量大,水位變化懸殊,多種類型的水體造就其豐富的水生生物生境。筆者依據龍泉溪流域各種生態系統類型特點,在研究區域內根據不同水況和生境,結合龍泉溪丘陵格狀水系特征,共布設18個具有代表性的采樣點(圖1)。

1.2 野外調查與樣品采集

2021年5月(豐水期)和9月(平水期)分別對龍泉溪底棲動物進行調查。調查以樣點布設為基礎,參照《生物多樣性觀測技術導則 淡水底棲大型無脊椎動物》(HJ 710.8—2014)中的方法,對樣點周圍山澗溪流和天然河道進行采樣,采樣點涵蓋砂石、礫石、泥沙、基巖、有機底質等不同水體底質類型,對樣點拍照并記錄整理地理信息和生境信息,同時參考段學花等[24]對河床底質的分類,依據河流類型及河床底質中礦物底質(漂石、卵石、礫石、粗沙等)與有機底質(苔蘚、大型水生植物、枝葉、有機碎屑等)的組成劃分3種生境類型:I型底質以浮泥、卵石及基巖為主,其水面較寬、水流平緩,水體中有豐富的水生植物和有機碎屑;Ⅱ型底質以基巖、礫石和粗沙為主,無明顯浮泥,其水面窄、水流湍急,為山溪型河流,水體中有一定水生植物和有機碎屑;Ⅲ型底質以基巖、礫石、卵石及河沙為主,底面無明顯可見的水生植物及有機碎屑(表1)。

表1 龍泉溪18個樣點的生境條件和干擾情況Table 1 Habitat information and interference situation of 18 sampling sites in Longquan River

主要在可涉水的水體中開展底棲動物定量采集,使用踢網、索伯網定量采集不同生境的底棲動物,在每個樣點定量采樣3 ～ 4次。同時,使用抄網法、拾取法和翻石法等進行定性采集。將采集到的樣品,置于白磁盤中初步分選,根據不同采樣方法將樣品保存于不同的樣品管中,按照樣點及采樣法進行編號,以體積比為1∶19的乙醇固定標本后帶回實驗室。

實驗室處理包括樣品分揀、種類鑒定和計數稱量,在確定采集樣本的所屬分類水平后,統計每種(科、屬)底棲動物的個體數,并使用萬分位電子天平稱量濕重。

1.3 物種鑒定

1.3.1 形態鑒定

對于常見類群或標本完整易于分類的類群,采用傳統形態學方法進行種類鑒定。使用可變倍數體視顯微鏡(Nikon SMZ645,日本)對標本的關鍵形態特征進行檢視和比對,參考國內相關類群的分類資料(如中國動物志、中國經濟動物志等)[25-28],或請教相關領域權威專家進行鑒定,所有類群盡可能鑒定到最小分類單元。對于不能通過形態學特征進行精確鑒定的物種,根據采樣點信息及共同特征進行分類,置于樣品管中編號保存,待進一步使用DNA條形碼輔助鑒定。

1.3.2 DNA條形碼輔助鑒定

對于形態學分類不能有效鑒定的類群(如帶絲蚓目、毛翅目、無吻蛭目),或不能準確鑒定到種的個體(如等足目、鞘翅目、蜻蜓目、十足目、雙翅目),則使用DNA條形碼技術進行輔助鑒定。首先使用體視顯微鏡(Nikon SMZ645,日本)拍照,以留存待鑒定物種個體特征的電子信息;使用動物基因組DNA提取試劑盒(通用型,擎科生物科技有限公司)提取個體總基因組DNA;獲得的DNA提取液用NanoDrop 2000(Thermo Scientific,美國)進行濃度測定;使用DNA條形碼引物LCO1490 (GGTCAACAAATCATAAAGATATTGG)和HCO21 98 (TAAACTTCAGGGTGACCAAAAAA TCA)[29]擴增線粒體COI基因的目的片段并送樣測序(中國生工生物工程股份有限公司);留存部分DNA樣品置于-40 ℃冰箱作為備份。使用序列拼接軟件(ContigExpress)對測序數據進行拼接。將獲得的條形碼序列上傳至National Center for Biotechnology Information (NCBI),進行DNA條形碼比對,獲得相應的物種信息;根據數據庫比對反饋的物種信息,進一步核查該物種形態學資料,對照留存照片中的形態特征進行形態比對,確定該類群分類位置到最小分類單元。

1.4 數據分析

1.4.1 優勢種分析

采用Berger-Parker優勢度指數 (Y) 確定優勢種,定義Y >0.02的種為優勢種[30]。

Y = (Ni/N) ×fi

(1)

1.4.2 多樣性分析

采用Margalef豐富度指數(dMa)、Simpson優勢度指數(D)、Pielou均勻度指數(J)表征各樣點的物種多樣性。

dMa= (S-1)/lnN

(2)

(3)

J = H′/lnS

(4)

1.4.3 水質生物評價分析

采用Shannon-Wiener多樣性指數(H′)和Biotic Index 污染生物指數(BI)進行水質生物學評價[31]。Shannon-Wiener多樣性指數水質分級標準參考王備新等的研究[32],將水質分為5個等級:H′ >4時為極清潔,3≤H′≤4時為清潔,2≤H′ <3時為輕度污染,1 ≤H′ <2時為中度污染,0≤ H′ <1時為重度污染。參考秦春燕[33]的研究計算BI值,BI水質分級標準參考王備新[34]的研究,水質共分5個等級:BI≤2.97時為最清潔,2.978.24時為重度污染。

(5)

BI=∑TiNi/N

(6)

式中:Ni為第i種物種的個體數,N為總個體數,fi為該物種在各樣點中出現的頻率,S為物種數,Pi為第i種物種的相對豐度,Ti為第i個分類單元的耐污值[33-34],定性采集樣品(如軟甲類)不計入以上數據分析。

1.4.4 統計分析

使用配對樣本t檢驗分析龍泉溪豐水期和平水期底棲動物物種數、個體數量、生物量、平均密度及樣點多種生物多樣性指數的差異。使用Kolmogorov-Smirnov進行數據正態檢驗,使用單因素方差分析(ANOVA)檢驗不同海拔、河流底質下底棲動物在物種數、平均密度、生物量以及多樣性指數方面的差異并進行組間多重比較,分析環境因子的影響(點位S3和S10受到嚴重人為干擾,故未進行統計分析)。

2 結果

2.1 底棲動物物種組成及優勢類群

該研究共采集淡水底棲大型無脊椎動物約3 700余只(個),對調查所獲樣品的鑒定結果匯總,共計獲得5門、9綱、19目、68科、124屬、165種(部分類群僅鑒定到科級,占比為13.33%)。其中,單獨使用形態學分類鑒定得到的物種有11目、43科、118種,單獨使用DNA條形碼分類鑒定得到的物種有1目、15科、42種,在7目、10屬、5種中同時使用了2種方法(圖2)。

圖2 不同分類階元中使用形態學分類鑒定和DNA條形碼輔助分類鑒定獲得的底棲大型無脊椎動物數Fig.2 Number of benthic macroinvertebrate species/family obtained using morphological taxonomic identification and DNA barcoding taxonomic identification at different taxonomic categories

調查獲得的底棲動物類群涵蓋了扁形動物門Platyhelminthes、線形動物門Nemathelminthes、環節動物門Annelida、軟體動物門Mollusca和節肢動物門Arthropoda共5個門類。其中,節肢動物門為絕對優勢類群,包括2綱、10目、51科、105屬、145種;其次是軟體動物門,包括2綱、4目、10科、13屬、13種;環節動物門2綱、3目、5科、5屬、5種;扁形動物門和線形動物門各1綱、1目、1科、1種。

調查分析顯示,龍泉溪底棲大型無脊椎動物種類組成在豐水期和平水期存在差異(表2),豐水期的物種多樣性(或屬種數量)更為豐富,采集到的底棲大型無脊椎動物共計2 100余個(只),隸屬4門、7綱、17目、60科、102屬、123種。其中,扁形動物1綱、1目、1科、1種;環節動物2綱、3目、4科、4種;軟體動物8種,隸屬于2綱、3目、7科;節肢動物110種,隸屬于2綱、10目、48科(表2)。平水期采集到的底棲大型無脊椎動物共計1 500余個(只),隸屬5門、8綱、17目、52科、84屬、104種。其中,扁形動物與線形動物門各1綱、1目、1科、1種;環節動物2綱、2目、3科、3種;軟體動物10種,隸屬于2綱、4目、9科;節肢動物89種,隸屬于2綱、9目、39科(表2)。

表2 不同時期龍泉溪大型底棲動物的個體數、物種數及其占比Table 2 Number of individuals and species of benthic macroinvertebrates and their proportion in Longquan River in different periods

從龍泉溪底棲動物的物種組成來看,豐水期以水生昆蟲為主,占全部種類的85.37 %(105種),為絕對優勢類群;其次為軟體動物,占總物種數的6.50%(8種)。水生昆蟲中則以蜉蝣目、雙翅目和毛翅目所占的比例較高,合計物種數占全部物種數的67.48%。從采集到的底棲動物個體數量來看,水生昆蟲的占比最高,達88.59%,共計1 942只,以蜉蝣目、鞘翅目、毛翅目和雙翅目昆蟲的占比較高(表2)。平水期物種組成與豐水期相似,水生昆蟲占全部物種的81.73%(85種),軟體動物占9.62%(10種);從采集到的動物個體數量來看,水生昆蟲占比達88.43%(表2)。在豐水期和平水期,不同樣點的底棲動物組成存在一定差異(表3和圖3)。

表3 底棲動物優勢種及其優勢度Table 3 Dominant species of benthic macroinvertebrates and their dominance

圖3 龍泉溪不同時期各樣點底棲大型無脊椎動物物種數Fig.3 Number of benthic macroinvertebrate species at various sites in Longquan River at different times

此外,各樣點底棲動物的物種多樣性在豐水期和平水期有一定變化。豐水期各樣點的底棲動物物種數平均約為18種,其中,種類較多的達到24～26種(S8、S15),種類較少的僅為10種(S5、S7和S10);平水期各樣點底棲動物物種數平均約為17種,其中,種類較多的達到29～33種(S12、S3),最低僅有2種(S10)。

優勢度指數分析結果顯示,龍泉溪底棲動物優勢種以水生昆蟲為主,包括鞘翅目的狹溪泥甲屬1種Stenelmissp.1,毛翅目的紋石蛾屬Hydorpsyche和短脈紋石蛾屬Cheumatopsyche各1種。除此之外,在豐水期,其優勢種還包括1種扁形動物,三角渦蟲科1種Dugesiidaesp.;在平水期,其優勢種還包括1種軟體動物,放逸短溝蜷Semisulcospira libertina,以及3種蜉蝣目昆蟲,分別為宜興寬基蜉Choroterpes yixingensis、黑扁蜉Heptagenia ngi和宜興亞非蜉Afronurus yixingensis。

2.2 底棲動物生物密度與生物量

分析結果顯示,龍泉溪底棲動物的生物密度和生物量在豐水期與平水期均存在一定變化(圖4),但兩者差異不顯著(配對樣本t檢驗結果為生物密度t= 1.080,df=17,P= 0.295;生物量t= -0.555,df=17,P= 0.586)。豐水期的平均生物密度和生物量分別為115.49 ind./m2和1.34 g/m2。其生物密度最高達336.33 ind./m2(樣點S17),最低至13.33 ind./m2(S5);生物量最高為8.32 g/m2(S15),最低為0.07 g/m2(S5和S8)。平水期的平均生物密度和生物量分別為97.19 ind./m2、1.72 g/m2。其生物密度最高為203.56 ind./m2(S18),最低為22.22 ind./m2(S10);生物量最高為5.86 g/m2(S3),最低為0.28 g/m2(S1)。平均生物密度在豐水期較高,而平均生物量則在平水期較高。

圖4 龍泉溪流域底棲動物生物量和生物密度的時空變化Fig.4 Spatio-temporal variation of biomass and biological density of benthic macroinvertebrates in Longquan River Basin

比較研究發現,龍泉溪底棲動物的生物量和生物密度存在一定的時空變化(圖4)。其生物量在山溪上游支流較下游干流更高(如S12與S14相比,S15與S6相比),這種差別在豐水期尤其突出。但是,在個別上游支流處(如S16和S17),生物量并不高,甚至要低于下游(如S15和S13)的生物量,這可能與該處水域的海拔等微生境條件有關(表1),有必要對龍泉溪底棲動物的微生境利用做進一步分析。

值得注意的是,個別上游支流與其下游干流的生物量相比出現了異常(如S10和S6),即上游支流(S10)的生物量在平水期陡然下降,明顯低于其下游干流(S6)的生物量。項目組在平水期的調查發現,該處水域(S10)與豐水期時相比,受到了嚴重的人為活動干擾(表1)。生物密度與生物量有類似的時空變化模式。但生物量高的水域,其生物密度則相對較低(如S12的豐水期生物量與豐水期生物密度);反之亦然,即生物量較低的水域其生物密度相對較高(如S7豐水期生物量與S7豐水期生物密度,S3平水期生物量與 S3平水期生物密度)。

2.3 底棲動物多樣性與群落結構

使用Margalef豐富度指數、Simpson優勢度指數、Pielou均勻度指數對龍泉溪流域各樣點物種多樣性進行評估。分析結果顯示,龍泉溪底棲動物的多樣性較高,Margalef豐富度指數平均值大于3,Simpson優勢度指數和Pielou均勻度指數平均值均大于0.7。3種多樣性指數在豐水期與平水期均未呈現顯著差別(配對樣本t檢驗結果為Margalef指數t=-1.524,df=17,P=0.146;Simpson優勢度指數t=-0.919,df=17,P=0.371;Pielou均勻度指數t=-1.682,df=17,P=0.111)。S2、S4、S6、S8、S10、S11樣點的豐水期Margalef指數值高于平水期,其他樣點的平水期Margalef指數值高于豐水期,見圖5(a);S2、S4、S8、S10樣點的豐水期Simpson優勢度指數值高于平水期,其余樣點的平水期Simpson優勢度指數值高于豐水期,見圖5(b);Pielou均勻度指數值總體呈現出平水期高于豐水期的現象(S2、S4除外),見圖5(c)。

圖5 龍泉溪豐水期和平水期底棲動物群落的Margalef豐富度指數、Simpson優勢度指數和Pielou均勻度指數變化情況Fig.5 Margalef abundance index,Simpson dominance index and Pielou evenness index of benthic macroinvertebrate communities in Longquan River during the high-flow period and the normal-flow period

龍泉溪流域不同點位底棲動物生物多樣性指數值差別較大(圖5)。Margalef豐富度指數均值為3.24±1.38;Simpson優勢度指數均值為0.79±0.15;Pielou均勻度指數均值為0.77±0.12。Margalef豐富度指數在豐水期的最大值出現在S2(dMa=5.06),最小值出現在S7(dMa=1.13);Margalef豐富度指數在平水期的最大值出現在S3(dMa=6.51),最小值出現在S7(dMa=0.56)。Simpson優勢度指數在豐水期的最大值出現在S2(D=0.92),最小值出現在S10(D=0.46);在平水期的最大值出現在S13(D=0.94),最小值出現在S10(D=0.33)。Pielou均勻度指數在豐水期的最大值出現在S4(J=0.89),最小值出現在S10(J=0.53);在平水期的最大值出現在S9(J=0.90),最小值出現在S4(J=0.44)。

2.4 海拔等微生境條件對底棲動物群落的影響

對不同海拔梯度上的物種數、平均密度、生物量以及多樣性指數進行單因素方差分析發現(表4),海拔對底棲動物物種數(F=0.952,P=0.411)、平均密度(F=1.054,P=0.376)、平均生物量(F=0.955,P=0.410)和生物多樣性指數(Margalef豐富度指數F=1.096,P=0.363,Simpson優勢度指數F=0.565,P=0.582,Pielou均勻度指數F=1.390,P=0.284)的影響均不顯著。

對不同河流生境條件下的物種數、平均密度、生物量以及多樣性指數進行單因素方差分析發現(表5),河流類型及底質對底棲動物平均密度(F=5.640,P=0.017)影響顯著。但是,對底棲動物物種數(F=2.460,P=0.124)、平均生物量(F=2.035,P=0.170)和生物多樣性指數(Margalef豐富度指數F=2.754,P=0.101,Simpson優勢度指數F=3.614,P=0.057,Pielou均勻度指數F=2.687,P=0.106)的影響均不顯著。

表5 龍泉溪不同河流生境底棲動物群落結構與多樣性Table 5 Community structure and diversity of benthic macroinvertebrates in different river habitats of Longquan River

2.5 水質生物評價分析

研究采用Shannon-Wiener指數和Biotic Index指數對龍泉溪不同河段的水質進行了生物評價(圖6)。結果顯示,在調查的18個樣點中,Shannon-Wiener多樣性指數顯示該水域在豐水期(H′為1.03～2.77)和平水期(H′為0.45 ～ 2.99)均存在不同程度的污染。其中,豐水期很多樣點的水體為中度污染(10個樣點),輕度污染的樣點(8個樣點)略少;平水期更多樣點為輕度污染(12個樣點),中度污染(4個樣點)和重度污染的樣點(S4和S10)較少。Biotic Index污染生物指數的評價結果則顯示,該水域在豐水期(BI為1.91～4.59)和平水期(BI為2.25 ～ 6.08)的水質狀況均以清潔為主。其中,豐水期有2個樣點(S18和S7)為極清潔,其余為清潔;平水期有4個樣點為極清潔(S5、S7、S16和S17),13個樣點為清潔,1個樣點為輕度污染(S10)。這顯示了豐水期水體狀況略優于平水期。盡管2種評價方法的評價結果有很大差別,但在個別樣點(如S10),2種評價方法均指示存在不同程度的污染,而且平水期的污染程度明顯加重。

注:左右半圓分別代表豐水期與平水期。圖6 采用Shannon-Wiener多樣性指數和Biotic Index污染生物指數對龍泉溪各樣點水質生物學的評價結果Fig.6 Water quality evaluation results of various points in Longquan River using the Shannon-Wiener diversity index and Biotic Index

3 討論

3.1 龍泉溪底棲動物多樣性和群落結構

該研究對甌江源頭的龍泉溪進行底棲動物多樣性調查,聯合使用形態學分類和DNA條形碼技術對物種進行分類鑒定,共調查發現龍泉溪底棲動物5門、9綱、19目、68科、124屬、165種,其中水生昆蟲為絕對優勢類群,物種占比高達84.8%(48科、140種)。與已報道的甌江流域底棲動物相比,該研究調查發現的龍泉溪流域底棲動物多樣性顯著高于甌江中下游干流河段的底棲動物多樣性(19科、30種,隸屬于3門、6綱、13目)[35]。在珠江流域也有相似的現象,處于西江上游的紅水河的底棲動物多樣性明顯高于處于其中下游的柳江和西江[36-38]。比對分析發現,處于源頭區的龍泉溪與甌江中下游河段相比,有13個共有的底棲動物科級類群,分別占龍泉溪和中下游河段所有科級類群的19%和68%;且軟體動物的共有種屬較多(如河蜆,以及蘿卜螺屬、環棱螺屬和圓田螺屬)。值得注意的是,采樣方法和采樣時間很可能對底棲動物調查結果造成一定影響。該研究所選擇的采樣時間為5、9月,未包括全部4個季度,很可能因此遺漏一些在秋季后活躍的類群或種類。

進一步分析甌江不同流域底棲動物群落結構可以發現,源頭區與中下游河段在優勢類群的占比和組成上差異十分顯著。中下游以軟體動物為優勢類群,其生物量占比高達97.9%,在物種組成上略高于水生昆蟲(軟體動物占43.3%,水生昆蟲占30%)[35]。而在源頭區水生昆蟲的物種組成占比則遠高于軟體動物(水生昆蟲占84.8%,軟體動物占7.9%),同時新增了扁形動物門和線形動物門的物種(表6)。這與底棲動物的不同類群在微生境利用上的特性和差異有關。龍泉溪山溪河流比甌江中下干流水質更清潔,為喜好潔凈水體的水生昆蟲、淡水蝦蟹和渦蟲等類群的生存提供了優越的環境條件。同時,源頭區河流水位較淺、底質類型多樣、水草繁密,更適合蜻蜓目、蜉蝣目等各類水生昆蟲的稚蟲(或幼蟲)附著?？梢?位于甌江源頭的龍泉溪,其水系發達、所處地形地貌獨特、河流底質類型多樣等特點,造就了該水域以豐富的水生昆蟲為優勢的底棲動物物種組成。

表6 甌江源頭區和中下游底棲動物物種組成Table 6 Species composition of benthic macroinvertebrates in the source area and middle and lower reaches of the Oujiang River 個

基于多樣性指數的分析研究顯示,龍泉溪底棲動物群落多樣性高,且在豐水期和平水期群落多樣性均維持在較高的水平。而在各樣點,多樣性豐富度、優勢度和均勻度出現一定波動,反映了水域微生境條件的變化。調查監測還發現,龍泉溪流域以山地為主,保留了較多的自然特征,生態狀況良好,且設有多個飲用水水源保護地,僅有個別樣點(或斷面)受到河道整修、道路建設等人為活動干擾(如S10和S3),使底棲動物的多樣性組成和群落結構受到較大干擾。此外,大量研究顯示,底棲動物物種數量和分布格局受溫度、底質類型、水體理化性質等氣候和環境因子的綜合影響與制約[39-40]。筆者分析了海拔、底質類型等河流微生境條件對龍泉溪流域底棲動物多樣性分布的影響,結果顯示,龍泉溪不同海拔區間的底棲動物多樣性無顯著差異(盡管其分布密度在高海拔山溪明顯低于中低海拔的山溪河流),而不同底質微生境對底棲動物的分布密度則有顯著影響,如在富含水生植物、有機碎屑且水流較平緩的山溪河流,底棲動物的分布密度明顯更高。當河流生境中底質以基巖為主,無適合附著的水生植物和有機碎屑,或因溪水水流湍急、不利于底棲動物附著時,底棲動物的分布密度較低。而平原型山溪河流,既有可附著的水生植物和基底物質,水流也較平緩,適合底棲動物生存繁衍,因此底棲動物的分布密度高。

龍泉溪流域作為甌江發源地,其豐富而獨特的底棲動物多樣性和群落結構特征表明該區域作為甌江水生生物分布的熱點區域,對甌江流域物種庫的形成具有重要意義,對維持區域生態系統的生物多樣性和生態功能具有不可忽視的作用。

3.2 基于底棲動物多樣性評估龍泉溪的水生態狀況

相比于使用水體理化指標開展水環境監測,開展水質狀況生物評估和監測的優越性在于利用水生生物對水體狀況的敏感性和耐受性,可以整合水環境中的各類污染物及其與水生生物之間的相互作用,從而綜合反映水環境長期的健康狀況,具有連續監測的功能[10,41-42]。在各類水生生物中,底棲動物具有種類多、活動場所相對固定、生活周期相對適中、不同類群或種類對水體健康狀況的敏感性差異較大且易于采集等特點。因此,采用底棲動物為指示生物開展水生態健康狀況的評估監測,較理化監測所花費的人力和物力少,更為經濟和長效。同時,筆者分析結果顯示,龍泉溪底棲動物多樣性在不同海拔范圍內無顯著差異,說明使用底棲動物對龍泉溪進行水質生物評價時受海拔因素影響較小,更具有適用性。

底棲動物應用于水環境生物評估,主要依據群落豐富度和多樣性指數以及與物種耐污值有關的指數,群落豐富度和多樣性指數單純以物種多樣性指標評價水質的優劣,與物種耐污值有關的指數兼顧了物種多樣性指標和不同種類對污染環境的耐受程度,即耐污值的差異[43-44],兩類指標往往結合使用。在研究中,通常使用Shannon-Wiener指數(H′)及Biotic Index污染生物指數(BI)來表征研究區域的水質狀況[44],H′屬于生物群落結構性指數,不考慮底棲群落中敏感和耐污類群組成差異對于評價結果準確性的貢獻,而BI則不同,其基于底棲動物耐污值和物種多樣性建立,能夠較準確地反映出河流水質狀況。

筆者采用H′和BI對龍泉溪流域水質狀況進行評價,H′評價結果顯示,龍泉溪各個采樣點都存在污染情況,而BI評價結果表明,龍泉溪流域整體水質清潔程度較高,評價結果存在明顯差異。需要注意的是,在H′評價結果中,樣點S4、S10在平水期為重度污染,而在筆者的調查過程中發現,盡管S4、S10受到了人為干擾,但污染程度還未達到重度污染。而BI評價結果則顯示,在平水期,樣點S10為輕度污染,S4為清潔,更符合實際情況。此外,樣點S7、S16、S17均為山區自然溪流,周圍無明顯干擾,基于物種多樣性統計得出的H′結果卻顯示其水質在豐水期屬中度污染(圖6),而BI結果表明其水質為極清潔或清潔,后者的評價結果與實際的水環境質量狀況更加吻合。BI同時考慮了物種多樣性和底棲動物耐污值差異,而H′只考慮了物種多樣性,因此BI用于龍泉溪流域的水質健康狀況評估更加科學。在其他水系的相關研究中,也得到類似的研究結論[17,44]。但是,不同地區的底棲動物耐污值差別較大,該研究參考了中國東部地區的耐污值體系[32],而目前底棲動物耐污值在國內很多地區都存在研究不足的問題,仍需后續進行補充完善。

3.3 聯合使用DNA條形碼可有力促進水生態健康評估

生物評估及其度量有賴于對生物分類和鑒定的分辨能力。傳統的形態學鑒定方法存在一定局限性[45]。由于底棲大型無脊椎動物囊括的動物門類眾多,被用作鑒定的形態特征大多具有類群專一性,某些類群的分類檢索往往需要高度的專業訓練和經驗積累;已有的形態分類檢索通常僅針對某個特定的發育階段(如成體)或性別(如雄性)有效;隱存種和表型可塑性等現象的存在,增加了底棲動物形態分類的難度和不確定性[46],因此底棲動物被應用于昆蟲、寡毛類等無脊椎動物的輔助分類和鑒定[47-48]。STEIN等[49]分析了DNA條形碼在提升底棲大型無脊椎動物的生物評估度量方面的作用,并初步證實DNA條形碼鑒定可有效提高分類類群的豐富度,同時提升生物評估對水質狀況微小變化的監測能力。

近年來,隨著底棲動物研究工作的逐步推進,底棲動物DNA條形碼鑒定數據庫的數據累積日益加快。各國或地區根據本國和本地區底棲動物的區系特點建立了相應物種的DNA條形碼數據庫,如ZHOU等[50]建立的加拿大Churchill地區EPT(蜉蝣目+襀翅目昆蟲+毛翅目)的DNA條形碼數據庫,WEBB等[51]建立的北美蜉蝣目昆蟲的DNA條形碼分類數據庫。國內由南京農業大學和南開大學牽頭,中國農業大學、南京師范大學等15所高校、科研院所參與,從事底棲動物研究的一些學者專家聯合建立了中國淡水大型底棲無脊椎動物條形碼數據庫,并在不斷完善中[52]。這為中國淡水底棲動物多樣性調查和水生態狀況評估提供了數據支撐。

該研究聯合使用了DNA條形碼和形態分類方法,對于形態上有顯著鑒別特征的類群,使用傳統形態學分類會更加高效,但這需要鑒定者有足夠的分類功底,學習成本較大;而DNA條形碼技術則更多依賴于數據庫資料的豐富程度,隨著近些年來NCBI等分子數據數據庫的廣泛使用和越來越多分子數據的上傳,使用DNA條形碼技術可獲得的物種信息也越來越多。因此筆者針對寡毛綱、蛭綱、昆蟲綱的雙翅目、鞘翅目和蜻蜓目,以及軟甲綱動物等難以進行形態學鑒定的類群,使用了DNA條形碼技術來輔助鑒定,其結果使底棲動物分類單元的分辨能力在科、種水平上分別提升了28.3%和34.1%,豐富了龍泉溪底棲動物分類支系和物種多樣性的資料,能夠更加客觀地反映龍泉溪水生生物的多樣性水平,對提升基于底棲動物多樣性開展的水生態健康狀況的評估和監測能力起到促進作用。

4 結論

該研究對浙江省麗水市甌江源頭區的龍泉溪進行了底棲動物多樣性調查研究,于豐水期和平水期對覆蓋龍泉溪主要山溪河流的18個樣點進行采樣,通過聯合使用傳統形態分類方法和DNA條形碼,共鑒定出底棲動物165種,隸屬5門、9綱、19目、68科、124屬。調查研究表明,龍泉溪底棲動物群落多樣性高,且在豐水期和平水期均維持在較高的水平。對水生態狀況的生物評估結果顯示,Biotic Index污染生物指數更適合龍泉溪流域的水質健康狀況評估,龍泉溪流域整體的水生態狀況健康,水質屬清潔或極清潔。該研究為甌江源頭區溪流乃至整個流域的生態保護和長期監測提供了必要的本底基礎資料。