img

官方微信

高级检索

中国沙漠, 2025, 45(2): 284-293 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00012

黄河甘肃段上游及洮河大型底栖动物群落结构特征及影响因素

王昱,1,2, 袁兴鹏1, 李浩霖3, 张英4, 苗天4, 田苗1, 信雅玲1, 胡飞燕1

1.兰州理工大学,能源与动力工程学院,甘肃 兰州 730050

2.兰州理工大学,西北低碳城镇支撑技术协同创新中心,甘肃 兰州 730050

3.北京工业大学,北京 100124

4.甘肃省水环境监测中心,甘肃 兰州 730000

Community structure and influencing factors characteristics of macrozoobenthos in the upper Yellow RiverGansu sectionand Taohe River

Wang Yu,1,2, Yuan Xingpeng1, Li Haolin3, Zhang Ying4, Miao Tian4, Tian Miao1, Xin Yaling1, Hu Feiyan1

1.College of Energy and Power Engineering /, Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China

2.Northwest Collaborative Innovation Center for Low Carbon Town Support Technology, Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China

3.Beijing University of Technology,Beijing 100124,China

4.Gansu Water Environment Monitoring Center,Lanzhou 730000,China

收稿日期: 2024-11-26   修回日期: 2025-02-03  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  52169015
甘肃省重点研发计划项目.  23YFFA0020
甘肃省2024年水利科研与技术推广项目.  23GSLK032

Received: 2024-11-26   Revised: 2025-02-03  

作者简介 About authors

王昱(1979—),男,甘肃永昌人,博士,教授,主要从事生态水文及水力学方面的研究E-mail:wangyu-mike@163.com , E-mail:wangyu-mike@163.com

摘要

为探究黄河流域上游干支流大型底栖动物群落结构特征及差异性,于2023年7—8月对甘肃境内黄河干流及支流洮河18个采样点大型底栖动物的组成及数量进行了调查研究。采得大型底栖动物77种,其中节肢动物、软体动物、环节动物的物种数分别为62、11、4种。干、支流采集到的大型底栖动物分别为32、66种,共有物种为21种。就整个研究区域而言,优势种为异钩虾(Anisogammarus sp.)、卵萝卜螺(Radix ovata)、耳萝卜螺(Radix auricularia)。研究区域内大型底栖动物现存量空间差异性显著,密度表现为支流>干流,生物量表现为支流<干流。大型底栖动物功能摄食类群参数表明,干流在物质纵向输送能力方面参数为0,而支流各项参数较为完整。独立样本t检验表明大型底栖动物Margalef丰富度指数在干支流之间具有极显著性差异(P<0.01),表现为支流大型底栖动物丰富度显著高于干流。Pearson相关性分析和冗余分析(RDA)结果表明,在诸多环境因子中,溶解氧、水温、溶解性总固体、盐度、海拔、pH对黄河流域干支流底栖动物的分布影响较大。

关键词: 黄河流域 ; 干流 ; 支流 ; 大型底栖动物 ; 生物多样性

Abstract

This study investigates the characteristics of macrozoobenthos community structure in the upper reaches of the Yellow River Basin, as well as the distribution variability between the mainstem and tributaries. A total of 18 sampling sites on the main stream of the Yellow River and its tributary Taohe River in Gansu were investigated in July-August 2023 to study the composition and quantity of macrozoobenthos. Seventy-seven species of macrozoobenthos were collected, including 62 species of arthropods, 11 species of mollusks, and 4 species of annelids. The numbers of macrozoobenthos collected from the main stream and its tributaries were 32 and 66 species respectively, and there were 21 common species. Across the entire study area, the dominant species were Anisogammarus sp., Radix ovata, and Radix auricularia. Significant spatial variability in macrozoobenthos was observed in the study area. The density of macrozoobenthos in tributaries was higher than that in the mainstem, while the biomass in tributaries was lower than in the mainstem.Functional feeding taxa analysis revealed that longitudinal transport capacity in the mainstem was zero, while the tributaries exhibited a more comprehensive range of parameters. Independent samples t-tests showed that the macrozoobenthos Margalef richness index was highly significant (P<0.01) between the mainstem and tributaries, indicating that macrozoobenthos richness was significantly higher in tributaries than in the mainstem. Pearson correlation analysis and redundancy analysis (RDA) demonstrated that among various environmental factors, dissolved oxygen (DO), water temperature (WT), total dissolved solids (TDS), salinity, altitude, and pH had a greater impact on the distribution of benthic animals in both the main stream and tributaries of the Yellow River Basin.

Keywords: Yellow River Basin ; main stream ; tributary ; macrozoobenthos ; biodiversity

PDF (2076KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

王昱, 袁兴鹏, 李浩霖, 张英, 苗天, 田苗, 信雅玲, 胡飞燕. 黄河甘肃段上游及洮河大型底栖动物群落结构特征及影响因素. 中国沙漠[J], 2025, 45(2): 284-293 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00012

Wang Yu, Yuan Xingpeng, Li Haolin, Zhang Ying, Miao Tian, Tian Miao, Xin Yaling, Hu Feiyan. Community structure and influencing factors characteristics of macrozoobenthos in the upper Yellow RiverGansu sectionand Taohe River. Journal of Desert Research[J], 2025, 45(2): 284-293 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00012

0 引言

河流作为地球水循环的重要组成,不仅为人类生存发展提供了物质基础,也是水生态系统结构与功能的重要载体1-2。水生生物作为河流水生态系统中的关键成员,与河流生态系统的物质循环以及能量流动紧密相关3-4,其多样性状况是反映人类活动对河流影响的最佳方式5。同一流域内不同层级河流之间由于地理环境的差异以及人类开发利用程度的不同,干流和支流之间一方面具有显著的生物差异,另一方面又存在紧密的生物联系6。怒江流域由于干支流生境差异支流水生生物多样性高于干流;而汉江流域则是因为干流水电开发、采石挖砂等人类活动影响严重,受损程度远超支流,导致水生生物数量少于支流7。干支流水生生物差异性能够直观揭示人类活动对河流生态系统的扰动程度,在一定程度上表征了河流健康状况。深入研究干支流之间水生生物分布的差异性及复杂成因,将干流和支流的水生态状况相互对照比较,明确两者受损程度的差异,可以为干流或支流水生态修复提供重要参考依据,对未来流域保护治理有着重要意义。大型底栖动物作为水生生物中较为常见的生物类群,是河流水生态系统中的重要组分,在河流生态学研究中备受关注8。其不仅能够加速有机碎屑的分解,还是鱼类的重要食物来源,在水生态系统物质循环和能量流动中起承上启下的关键作用9-10。此外,大型底栖动物还展现出丰富的物种多样性,具有分布广泛、生活习性相对稳定、对环境变化较敏感等特点,其群落结构特征能够体现出河流水生态的健康状况,是良好的环境指示生物,国内外常用于评价河流健康11-13。因此,分析干支流大型底栖动物群落结构差异性,掌握河流水生态系统受损程度,对流域水生态系统修复有着重要意义。

黄河流域是中国第二大流域,作为“两屏三带”中生态屏障的关键组成14,在保障生态平衡和促进经济发展等方面具有十分重要的战略地位。黄河流域甘肃段位于黄河上游,作为国家重要的生态安全屏障空间,是黄河流域重要的水源涵养地和补给区12,更是支撑黄河流域生态保护和高质量发展国家战略的关键区域。由于上游区域内生态环境脆弱,部分干支流河段水资源开发程度高,以及沿河污染源较多15,河流生态遭到破坏,生物多样性减少等问题日益突出16。为促进黄河流域高质量发展,进一步修复该区域河流水生态健康,迫切需要明晰干支流水生态健康差异性。目前针对黄河流域上游干支流的生态健康差异性研究集中于径流变化和水环境等方面17-18,关于生物多样性的内容较少。因此,为探究黄河流域上游干支流水生态系统健康状况差异性及其复杂成因,本研究选取地理位置、开发利用程度等方面与黄河干流较为相似的支流洮河,通过对黄河干流及支流洮河上大型底栖动物群落结构的调查,针对沿途不同生境下底栖动物的分布差异性展开研究,进而阐明影响其分布的关键因素,为该区域进一步的生态修复及治理提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黄河流域上游甘肃段地处青藏高原和黄土高原交会地带(33°—38°N、100°—109°E),流域面积14.32万km2[19,占黄河流域总面积的19%20。黄河在甘肃先是流经青藏高原从甘南流入甘肃,绕玛曲县后流出,再次流经青藏高原后从积石山县进入甘肃境内。甘肃境内包括黄河干流、洮河、湟水、渭河、泾河、北洛河6个水系21。上游玛曲段属于主要的产流区以及水资源涵养区,海拔在3 500 m左右,区域内植被覆盖程度较高,以牧业为主,人类活动影响较小。下游段兰州市作为甘肃省省会,人口密集,工农业较为发达,河流受人类活动干扰大。洮河作为黄河上游第二大支流,是黄河上游地区来水量最大的支流,发源于甘肃、青海两省交界处的西倾山东麓,于永靖县境内注入黄河干流刘家峡水库22。流域内地形地貌及海拔气候与黄河干流具有较高的相似性。洮河上中游植被状况较好,以牧业和林业发展为主,下游黄土高原土质疏松,水土流失严重,为黄河输送了大量泥沙,在物质输送方面有着紧密联系,并且年输水量约占黄河干流兰州以上天然来水量的17%23

1.2 采样点布设

本研究选取黄河流域上游段干支流作为研究对象,并结合河流特征及人类活动影响等情况,选择底栖动物生长繁殖的高峰期,于2023年7—8月在黄河干流上游段及支流洮河上具有不同生境、流速、水深的地方布设具有代表性的18个采样点(图1)。样点类型涵盖了一级支流入河口、城镇聚集区、农业灌溉区等典型水体区域。其中干流10个采样点,支流8个,依次命名为G1~G10和Z1~Z8。其中样点G1~G5和Z1~Z5海拔均在2 000 m以上,干流采样点中G6为刘家峡水库,G9为银滩湿地公园;支流采样点中Z5为九甸峡水库,Z7为临洮湿地公园。

图1

图1   研究区概况

注:基于自然资源部标准地图服务网站标准地图(审图号:GS(2016)1600号)制作,底图边界无修改

Fig.1   Overview map of the study area


1.3 样品采集与分析

采样过程中在采样点上下游100 m范围内,利用定性、定量相结合的方法采集底栖动物。黄河流域水流速度快且水量大,受水深限制,调查集中于岸边浅滩处,并且为减小采样误差,在每个区域重复采集5次合为一个样品,采样深度为30 cm。在水库等不可涉水河段采集用彼得逊采泥器(1/16 m2)定量采集,在沿岸带及岸边使用手抄网和徒手定性采集,采样面积不少于0.5 m2。在实际采样中,为避免因时间差异而导致的监测指标变异,采集工作在一天当中的相近时段进行。现场利用60目筛网对采集样本进行冲洗筛选,随后将样本用10%的福尔马林溶液固定,并运送至实验室鉴定。用滤纸吸干样本表面的固定液,在高精度电子秤上称其湿重,并将结果换算成单位面积的密度(只·m-2)和生物量(g·m-28。现场使用哈希(HQ40d型)便携式水质分析仪测量的环境因子有电导率(EC)、水温(WT)、溶解性总固体(TDS)、溶解氧含量(DO)、pH值和盐度(Salinity)。

1.4 数据处理

1.4.1 生物指数

Shannon-Wiener多样性指数(H')、Pielou均匀度指数(J)、Margalef丰富度指数(dM)、优势度指数(Y)公式为24

H'=-i=1s(ni/N)ln(ni/N)
J=H'/lnS
dM=(S-1)/lnN
Y=ni /N)·fi

式中: ni 为第i种物种个体数;N为样品总个体数;S为种类数;Y为优势度;fi 为第i种物种出现的频率。Y>0.02的种类为优势种。

1.4.2 功能摄食类群参数

根据河流大型底栖动物的摄食类型,参照相关资料25-26的划分规则,将黄河流域干支流大型底栖动物分为5种功能摄食类群(FFGs)。根据大型底栖动物FFGs参数27,从4个方面分别对黄河流域干支流进行评价(表1)。

表1   黄河流域干支流大型底栖动物FFGs分类及生态系统属性

Table 1  FFGs classification and ecosystem attributes of macrozoobenthos in the main and tributary streams of the Yellow River Basin

FFGS分类标准项目FFGs参数生态系统属性
刮食者以各种营固着生活的生物类群为食物质循环F1刮食者密度初级生产力
F2刮食者密度与滤食者、收集者之和比率自养作用/异养作用
收集者以河底的各种有机物颗粒为食F3撕食者密度和收集者密度之和分解能力
F4生物量次级生产力
滤食者以水流中的细颗粒物为食物质纵向输送能力F5滤食者密度纵向输送能力
F6滤食者与撕食者和收集者之和的比率相对纵向输送能力
撕食者以各种凋零物和粗有机颗粒为食沿程物质输入F7撕食者密度沿岸物质输入量
F8撕食者密度与总密度之比相对物质输入量
捕食者以捕食其他水生动物为食其他F9捕食者密度与总密度之比粗有机颗粒/细有机颗粒
F10刮食者和滤食者之和与撕食者和收集者之和的比率生境稳定性

新窗口打开| 下载CSV


1.4.3 统计分析

底栖动物种类及丰度等基础数据在Excel2021中进行统计分析,使用SPSS23.0软件对底栖动物生物指数和环境因子进行独立样本t检验和Pearson相关性分析;在CANOCO5.0软件中对底栖动物生物指数和环境因子进行除趋势对应分析(DCA),若其梯度长度<3,运用冗余分析(RDA),若梯度长度>4,采用典型相关分析(CCA),若梯度长度为3~4,则两种方法均可,然后通过蒙得卡罗筛选检验法筛选有效的环境因子组合,对物种数据进行解释。为优化分析,在分析前对数据进行lg(x+1)转换。

2 结果与分析

2.1 底栖动物群落组成

于黄河流域甘肃段干支流18个采样点进行的两次调查中,共采集到77种底栖动物,隶属于3门6纲16目43科,节肢动物62种,占80.5%,软体动物11种,占14.3%,环节动物4种,占5.2%。干流共采集到底栖动物32种,占41.6%,其中玛曲段14种、兰州段27种。支流采集到底栖动物66种,占85.7%(表2)。干支流各采样点底栖动物存在较大的空间差异,Z5样点(支流)采集到的底栖动物最多,共23种,G2和G3样点(干流)物种最少,仅有3种,总体表现为支流物种较干流更为丰富。干流和支流共有的物种多达21种,占干流总物种的65.6%,表明干支流物种具有较高的相似性。

表2   黄河上游干支流底栖动物物种组成

Table 2  Composition of macrozoobenthos species in the main stream and tributary of the upper Yellow River

种类干流支流种类干流支流
蜉蝣目24端足目12
鞘翅目913十足目12
双翅目310基眼目47
毛翅目04柄眼目01
半翅目47中腹足目11
襀翅目13吻蛭目01
鳞翅目10咽蛭目11
蜻蜓目38颤蚓目12

新窗口打开| 下载CSV


2.2 群落结构

黄河上游干流底栖动物的总密度和总生物量分别为366只·m-2和22.138 g·m-2,支流底栖动物的总密度和总生物量分别为382只·m-2和17.0734 g·m-2 图2)。独立样本t检验分析表明,干支流大型底栖动物密度(P=0.299)和生物量(P=0.920)均无显著性差异,但支流密度大于干流,而生物量小于干流。主要是因为在干流采集到较多的软体动物,软体动物个体生物量一般较大,对整体生物量的贡献大,从而使得总生物量表现出干流大于支流。由于河流生境、水质、海拔等方面的不同,底栖动物的分布有着很大的空间差异。节肢动物在所有样点中皆有分布;软体动物在干流部分样点没有采集到,支流所有样点均有,环节动物只在干支流极少数样点采集到。

图2

图2   干支流底栖动物密度和生物量

Fig.2   Density and biomass of macrozoobenthos in main and tributary streams


运用Margalef丰富度指数(dM)、Pielou均匀度指数(J)和Shannon-Wiener多样性指数(H')分析干支流中各样点底栖动物物种多样性(图3)。在黄河干流中dMH'J的均值分别为1.623、2.121和0.830,范围分别在0.692~3.257、1.122~3.374和0.703~0.880。支流中dMH'J的均值分别为3.720、2.168和0.791,范围分别在2.511~5.161、1.271~2.706和0.552~0.888。干支流中dMH'从上游到下游均表现为上升趋势,J沿程变化较小。独立样本t检验分析表明,干支流大型底栖动物H'P=0.863)和JP=0.410)均无显著性差异。而dM在干支流之间具有极显著性差异(P<0.01),表现为支流大型底栖动物丰富度显著高于干流。

图3

图3   干支流生物指数

Fig.3   Biological index of the main and tributary streams


2.3 优势类群

底栖动物优势种可以很好地反映其群落结构特征。在整个研究区域内,异钩虾(Anisogammarus sp.)、卵萝卜螺(Radix ovata)、耳萝卜螺(Radix auricularia)3种为优势物种,优势度(Y)分别为0.026、0.055和0.033(表3)。干流优势种为4种,优势度最高的物种为卵萝卜螺(Y=0.061)。支流优势种为6种,优势度最高的物种为异钩虾(Y=0.116)。支流优势物种(6种)多于干流优势物种(4种),表明支流底栖动物群落结构较干流更为稳定、复杂。

表3   各区域优势种

Table 3  Species dominant in each region

类群优势种优势度值(Y
整个流域干流支流
节肢动物 Arthropoda钩虾(Gammarus sp.)0.024
异钩虾(Anisogammarus sp.)0.0260.116
青步甲(Chlaenius sp.)0.029
黑色蟌(Agrion atratum)0.030
摇蚊(Chironomus sp.)0.021
蠋步甲(Dolichus halensis)0.034
横纹划蝽(Sigara substriata)0.033
软体动物 Mollusca卵萝卜螺(Radix ovata)0.0550.0610.047
耳萝卜螺(Radix auricularia)0.0330.054

新窗口打开| 下载CSV


2.4 功能摄食类群

干支流底栖动物功能摄食类群组成包括捕食者、收集者、刮食者、滤食者、撕食者5种。从种类数上看,干流上捕食者(20种)>收集者(6种)>刮食者(3种)与撕食者(3种)。支流上捕食者最多(36种),占54.6%;其次为收集者(19种),占28.8%;滤食者最少(2种),占3.0%。由此可见,支流上底栖动物大部分功能类群的现存量高于干流,并且干支流底栖动物的功能摄食类群具有捕食者最多,收集者、刮食者和撕食者居中,滤食者最少的共同特征。

对FFGs各项参数分析结果表明,干流的初级生产力(F1)、自养作用/异养作用(F2)、次级生产力(F4)、沿岸物质输入量(F7)、相对物质输入量(F8)和生境稳定性(F10)明显大于支流;分解能力(F3)小于支流;干支流的粗有机颗粒/细有机颗粒参数(F9)相差不大(表4)。干流在物质纵向输送能力方面参数为0,支流各项功能摄食类群参数较为完整。

表4   干支流底栖动物FFGs参数

Table 4  Variation of metrics based on macrozoobenthos FFGS in the mainstem and tributaries

河流物质循环物质纵向输送沿岸物质输送其他
F1F2F3F4F5F6F7F8F9F10
干流1092.027222.1400180.050.451.52
支流950.7313217.0750.0460.020.390.76

新窗口打开| 下载CSV


综合上述分析,黄河流域甘肃段水生态系统健康状况整体较好。干流的物质纵向输送能力为0,可能与人类活动有关,干流上水利设施的建设在很大程度上破坏了河流生态连通性,改变了水动力条件,导致栖境逐渐单一化,并对FFGs群落产生扰动。这也从另一方面体现出了黄河流域甘肃段干支流底栖动物群落结构的差异性。

2.5 底栖动物与环境因子相关性

由于流域内干支流的最终交汇,其环境因子有着很大的相似性。干支流上游海拔均在3 000 m以上,沿河流往下,在G10处海拔达到最低为1 477.1 m。水温变化整体表现为从上游到下游逐渐升高;pH相对其他环境因子空间变化较小;干支流电导率(EC)、溶解性总固体(TDS)均表现为从上游到下游逐渐增大;盐度(Salinity)值波动较小(表5)。对干支流环境变量进行独立样本t检验分析发现,所有环境因子之间无显著性差异(P>0.05)。

表5   干支流河流环境特征

Table 5  Environmental characteristics of the main and tributary streams

河流海拔/mWT/℃pHEC/(μs·cm-1)DO/(mg·L-1)TDS/(mg·L-1)Salinity/‰
干流均值±标准差2496±939.220.41±3.668.36±0.09468.2±135.276.91±0.69212.2±56.650.218±0.05
范围1477.1~347715.2~25.98.16~8.43255~7716~7.9122~3060.12~0.3
支流均值±标准差2286.15±395.8418.96±2.018.39±0.1377±25.836.96±0.21181.51±12.680.18±0.03
范围1772.1~308615.1~21.88.18~8.48336~4216.73~7.28161.6~2020.12~0.21

新窗口打开| 下载CSV


底栖动物生物量与溶解性总固体(TDS)、水温(WT)呈显著正相关性;Pielou均匀度指数(J)与WT呈显著负相关性;Shannon-Wiener多样性指数(H')与溶解氧(DO)、盐度(Salinity)呈显著正相关性;物种数、密度、生物量及Shannon-Wiener多样性指数(H')与海拔呈显著负相关性。其余指标与底栖动物结构相关性不强,与底栖动物群落结构相关性最高变量为海拔(表6)。

表6   底栖动物与环境因子相关性分析

Table 6  Correlation analysis between macrozoobenthos and environmental factors

海拔/mWT/℃pHEC/(μs·cm-1)DO/(mg·L-1)TDS/(mg·L-1)Salinity/‰
物种-0.562*0.030-0.162-0.0920.2520.095-0.092
密度-0.590**0.183-0.0520.150.2850.3180.066
生物量-0.622**0.485*0.2640.3930.2380.531*0.327
H-0.593**0.364-0.0790.4150.509*0.4430.549*
dM-0.4400.037-0.198-0.0930.2480.087-0.067
J0.124-0.497*-0.445-0.0240.079-0.1370.084

注:** 在 0.01级别(双尾)相关性显著;* 在0.05级别(双尾)相关性显著。

新窗口打开| 下载CSV


对底栖动物与环境因子之间进行DCA分析,结果显示最大轴梯度值(2.60)<3,因此采用RDA分析。前两轴的特征值分别为0.2921和0.1385,物种与环境因子排序轴的相关系数高达0.8807和0.8844,物种与环境因子关系的累计百分率为75.73%,其中第一轴的贡献率最大,达51.38%(图4)。这说明排序图较好地反映了物种与环境因子之间的关系(表7)。剔除高度相关的环境因子,剩余环境因子有海拔、WT、pH、DO、TDS、Salinity。蒙特卡罗置换检验(表8)筛选出影响底栖动物分布的主要环境因子是海拔(F=4.9,P=0.004)、pH(F=2.2,P=0.036)和WT(F=2.4,P=0.026)。第一轴、第二轴的特征值分别为0.2921、0.4306,物种与排序轴的相关系数为0.8807和0.8844,两者关系的累计百分率为75.73%,表明排序图能够较好地反映二者之间的关系。最终结果与Pearson相关性分析基本一致。

图4

图4   底栖动物与环境因子RDA排序图

Fig.4   RDA ordination diagram of macrozoobenthos versus environmental factors


表7   底栖动物与环境因子的RDA分析结果

Table 7  RDA analysis results of macrozoobenthos and environmental factors

项目轴1轴2轴3轴4
特征值0.29210.13850.07650.036
物种-环境因子相关系数0.88070.88440.75470.7473
物种变量累计百分比29.2143.0650.7154.31
物种-环境变量累计百分比51.3875.7389.1995.52

新窗口打开| 下载CSV


表8   底栖动物与环境因子的蒙特卡罗检验结果

Table 8  Monte Carlo test results of macrozoobenthos and environmental factors

环境指标FP
海拔4.90.004
WT2.40.026
pH2.20.036
Salinity1.70.118
TDS0.90.406
DO0.90.466

新窗口打开| 下载CSV


3 讨论

3.1 黄河上游干支流底栖动物群落结构差异性

相较于同一流域内的干流,支流河道两岸的有机质及营养物质易于补充和累积,更适合底栖动物的生存28。本次调查发现,黄河上游干支流底栖动物群落结构存在较大的差异,大型底栖动物的种类和优势种均表现为支流大于干流,说明支流相较于干流有着更为复杂、稳定的底栖动物群落结构以及更为丰富的生境12。干支流底栖动物密度和生物量变化趋势不一致,干流的密度低于支流,而生物量比支流高,是因为干流出现了更多的软体动物,软体动物个体生物量一般较大,对整体生物量的贡献大,从而使得干流生物量大于支流,这与干支流所处地理位置差异以及人类开发利用程度的不同有关。黄河干流在甘肃境内流经兰州、白银等重要城市,沿河城镇分布多,人口密度大,工农业较为发达,对河流污染比较严重,并且由于地貌、植被变化以及土地利用方式的影响,河流生境遭到严重扰动29,不利于底栖动物的生长。从功能组成上看,黄河流域干支流大型底栖动物的摄食类型以捕食者和收集者为主。捕食者处于较高营养级,食物的可利用性大和竞争相对较少,物种丰富度高且相对丰度变化不大,较多的收集者则反映了河流底部有机颗粒等营养物的沉积30。黄河上游河段滤食者类群的缺失现象,导致河段纵向输送能力方面参数为0,反映了其生态系统纵向物质输送能力和纵向连通性受损的状况。主要是因为滤食者以水流中的细有机颗粒为食,进食方式单一,受食物和河流流速影响较大31,黄河干流泥沙含量大,流速高,不利于滤食者类群生存。另外黄河干流水资源丰富,开发利用程度高,在上游建有龙羊峡、拉西瓦、李家峡、公伯峡、积石峡、刘家峡等大量水库32,梯级水库的建设阻碍了河流的连通性,破坏了河流原有生境,造成物种多样性锐减33。支流洮河上建有国家自然保护区和国家湿地公园等重要生态区域,在人类活动积极影响下,洮河国家自然保护区成为中国西北地区生物多样性最富集的区域,也是西部天然生物物种的重要基因库34。河流中大量水生植物的存在不仅增强了河流底质的稳定性,还为底栖动物提供了丰富的食物与栖息场所,使得洮河比黄河干流更适合底栖动物的生存。

3.2 黄河上游大型底栖动物群落结构与环境因子的关系

底栖动物群落结构与环境因子之间的关系极为紧密,随着研究区域的变化,影响底栖动物分布的因子也随之改变35,并且在自然环境因素和人类活动的共同作用下,不同河段上的生物多样性存在差异。在黄河流域上游甘肃段,通过两种相关性分析发现DO、WT、TDS、盐度、海拔、pH对底栖动物群落结构影响较为显著。温度对任何生物的生长发育都是至关重要的,适宜的温度是生物繁殖的根本前提,温度的变化将直接或间接影响其群落结构36。整个研究区域内,海拔从最高点(3 477 m)逐渐降低到最低点(1 477.1 m),有着巨大的海拔梯度差异。由于大型底栖动物迁移能力弱,导致海拔成为影响底栖动物分布的天然屏障。黄河流域甘南段海拔均在3 000 m左右,河床比降大,流速快,有机物难以聚集,不利于底栖动物生存,另外高海拔地区温度和光照也是造成底栖动物群落结构单一的重要原因37-38。随着海拔降低,水流流速逐渐平缓,水草更加丰富,为底栖动物提供了更为适宜的栖息环境,底栖动物种类数量随之增加,在样点Z5处底栖动物种类数高达23种,总体上以双翅目、蜻蜓目和基眼目居多。支流河段的海拔普遍低于干流,物种也比干流更为丰富,表明海拔是影响底栖动物群落结构的重要因素。pH值对凋落物的分解速率有着重要影响,进而改变大型底栖动物的取食行为,最终影响大型底栖动物的物种多样性和摄食功能群的分布。研究发现DO浓度能够直接影响底栖动物的生存,尤其是双壳类对溶解氧有较高要求39。通过Pearson相关性分析发现,DO与物种多样性成正相关性。在银滩湿地公园和临洮湿地公园由于大量水生植物的光合作用,水体中的DO浓度达到最高值,促进了生物新陈代谢、生长繁殖等生命活动,两处样点底栖动物物种数均处于较高水平,并且多为需氧型大型底栖动物。另外TDS也影响着底栖动物的分布,通过冗余分析发现TDS与底栖动物群落结构有着较高的相关性。兰州作为甘肃省经济中心,有着化工、农副产品加工等大量企业,工业废水的排放使得TDS增加,TDS含量会影响水体的透明度,进而影响底栖动物的食物来源等40,致使该河段底栖动物物种较少。同时当水中溶解大量颗粒物时,Salinity和EC也会随之增大,从而影响底栖动物的生存41,进一步说明了人类活动对底栖动物群落结构影响巨大。

4 结论

本次黄河流域上游干支流调查共采集到77种大型底栖动物,干流采集到32种,支流采得66种。密度表现为支流(382只·m-2)>干流(366只·m-2);生物量表现为支流(17.0734 g·m-2)<干流(22.138 g·m-2);Margalef丰富度指数(dM)均值表现为支流(3.720)>干流(1.623);Shannon-Wiener多样性指数(H')均值表现为支流(2.168)>干流(2.121)。整体上表现为支流大型底栖动物较干流更为丰富多样,群落结构更加复杂。

通过对环境因子进行了独立样本t检验发现,干支流之间并无显著性差异(P>0.05)。运用Pearson相关性分析和冗余分析(RDA)对底栖动物生物指数与环境因子之间的关系分析表明,影响黄河上游干支流大型底栖动物分布的主要环境因子有溶解性总固体(TDS)、水温(WT)、Salinity、溶解氧(DO)、海拔、pH。其中生物量与溶解性总固体(TDS)、水温(WT)呈显著正相关;Shannon-Wiener多样性指数(H')与溶解氧(DO)、Salinity呈显著正相关;而Pielou均匀度指数(J)与WT呈显著负相关;物种数、密度、生物量及Shannon-Wiener多样性指数(H')与海拔呈显著负相关。

本研究从底栖动物群落结构特征方面分析黄河流域上游干支流的差异性发现,受人类活动影响程度的不同,底栖动物群落结构呈现出支流优于干流,支流水生态系统较干流更为健康。未来黄河流域保护应重点关注上游水资源开发利用和城镇居民对河流的影响,通过控制水资源开发以及减少沿河污染源来保护生物多样性,以达到保护黄河上游重要水源涵养区的目的。研究结果可为黄河流域上游生态修复与治理提供一定的参考依据。

参考文献

许继军景唤.

河流生态修复理念与技术研究进展

[J].农业现代化研究,2022434):691-701.

[本文引用: 1]

Wu QKe LWang Jet al.

Satellites reveal hotspots of global river extent change

[J].Nature Communications,2023141):1587.

[本文引用: 1]

李良杨扬乔永民.

东江干流及其源头支流大型底栖动物群落结构特征与环境指示评价

[J].生态科学,2013323):313-317.

[本文引用: 1]

陈皓阳赵瑞李静纳.

深圳大鹏半岛主要河流底栖动物群落结构及水质生物学评价

[J].环境昆虫学报,2020421):101-110.

[本文引用: 1]

Morley S AKarr J R.

Assessing and restoring the health of urban streams in the Puget Sound Basin

[J].Conservation Biology,2002166):1498-1509.

[本文引用: 1]

张志远张思九林育青.

怒江源区不同层级河流底栖动物群落结构特征及影响因子分析

[J].环境科学学报,20234311):350-361.

[本文引用: 1]

侯易明潘保柱蒋小明.

汉江上游干流和秦岭南麓典型支流的底栖动物群落特征及水质生物评价

[J].湖泊科学,2020324):1140-1153.

[本文引用: 1]

傅海霞张玉洲黄书雅.

徽水河底栖动物群落结构季节动态及构建机制

[J].长江流域资源与环境,2024336):1239-1249.

[本文引用: 2]

王昱刘娟娟冯起.

黑河流域底栖动物群落结构及水质评价

[J].中国环境科学,2020403):1305-1319.

[本文引用: 1]

Covich A PPalmer M ACrowl T A.

The role of benthic invertebrate species in freshwater ecosystems zoobenthic species influence energy flows and nutrient cycling

[J].BioScience,1999492):119-127.

[本文引用: 1]

Wallace J BWebster J R.

The role of macroinvertebrates in stream ecosystem function

[J].Annual Review of Entomology,199641):115-139.

[本文引用: 1]

王昱王旭冯起.

黄河甘肃段底栖动物群落结构及水质评价

[J].中国沙漠,2023434):146-156.

[本文引用: 2]

田震敖偲成李先福.

高黎贡山南段河流生态系统健康评价

[J].水生态学杂志,2023441):25-33.

[本文引用: 1]

计伟刘海江高吉喜.

黄河流域生态质量时空变化分析

[J].环境科学研究,2021347):1700-1709.

[本文引用: 1]

赵茜潘福霞李斌.

基于环境DNA技术的黄河流域下游山区河流大型底栖动物群落多样性特征及其影响要素分析

[J].湖泊科学,2024362):523-536.

[本文引用: 1]

李海生.

黄河流域生态环境问题系统识别与展望

[J].环境科学研究,2024371):1-10.

[本文引用: 1]

王学良李洪源陈仁升.

变化环境下1956-2020年黄河兰州站以上干支流径流演变特征及驱动因素研究

[J].地球科学进展,2022377):726-741.

[本文引用: 1]

张胜武葛宇梦李小胜.

黄河流域新型城镇化与水生态环境耦合协调的时空格局及影响因素

[J].中国沙漠,2024443):172-181.

[本文引用: 1]

李雪迎杨曦乔琦.

黄河流域甘肃段工业行业水污染物空间排放特征

[J].环境科学,2022435):2459-2466.

[本文引用: 1]

周文霞王星星.

黄河流域甘肃段高质量发展时空格局演变研究

[J].人民黄河,2022444):4-9.

[本文引用: 1]

戴文渊玛久草陈亦晨.

黄河流域甘肃段水生态安全驱动力分析及动态演变

[J].干旱区研究,20244110):1662-1671.

[本文引用: 1]

陈明霞.

洮河流域水电梯级开发存在的问题及环境保护对策

[J].水资源与水工程学报,2011223):174-176.

[本文引用: 1]

张洪波黄强刘晓黎.

甘肃洮河流域水资源可持续利用问题的探讨

[J].西北水电,20053):7-11.

[本文引用: 1]

陈丽王东波君珊.

拉萨河流域大型底栖动物群落结构及其与环境因子的关系

[J].生态学报,2019393):757-769.

[本文引用: 1]

韩洁宋蒙蒙张杰.

浑河流域大型底栖动物摄食功能群对栖息地环境的选择适应性

[J].生态学报,2019396):2013-2020.

[本文引用: 1]

燕文明姚琦蔡永久.

基于大型底栖动物功能摄食类群的太湖流域河流生态系统功能特征

[J].生态学杂志,2024434):982-992.

[本文引用: 1]

Yoshimura CTockner KOmura Tet al.

Species diversity and functional assessment of macroinvertebrate communities in Austrian rivers

[J].Limnology,200672):63-74.

[本文引用: 1]

Wei MZhang NZhang Yet al.

Integrated assessment of river health based on water quality,aquatic life and physical habitat

[J].Journal of Environmental Sciences,2009218):1017-1027.

[本文引用: 1]

Davies P JWright I AFindlay S Jet al.

Impact of urban development on aquatic macroinvertebrates in south eastern Australia:degradation of in-stream habitats and comparison with non-urban streams

[J].Aquatic Ecology,2010444):685-700.

[本文引用: 1]

鲍思敏张凯丁城志.

澜沧江下游补远江大型底栖动物群落结构的时空分布及其影响因素

[J].湖泊科学,2024362):536-550.

[本文引用: 1]

邹泓光孔维静杜彩丽.

贵州打邦河夏季大型底栖动物群落功能摄食类群特征

[J].应用与环境生物学报,2024302):402-411.

[本文引用: 1]

吴巍王嘉玮刘挺.

梯级水电开发下黄河上游龙-刘河段DOC时空分布特征及通量研究

[J].水资源与水工程学报,2022333):106-114.

[本文引用: 1]

Tagliaferro MMiserendino M LLiberoff Aet al.

Dams in the last large Free-Flowing Rivers of Patagonia,the Santa Cruz River,environmental features,and macroinvertebrate community

[J].Limnologica,2013436):500-509.

[本文引用: 1]

李群赵辉赵成章.

洮河国家湿地公园主要植物群落多样性对土壤环境因子的响应

[J].生态学报,2022427):2674-2684.

[本文引用: 1]

杨紫薇董晓健秦勤.

京杭运河镇江段水系大型底栖动物分布多样性与环境因子相关性评价

[J].环境生态学,202466):83-87.

[本文引用: 1]

Cooper M JUzarski D GBurton T M.

Macroinvertebrate community composition in relation to anthropogenic disturbance,vegetation,and organic sediment depth in four Lake Michigan drowned river-mouth wetlands

[J].Wetlands,2007274):894-903.

[本文引用: 1]

Loayza-Muro R AElias‐Letts RMarticorena-Ruiz J Ket al.

Metal-induced shifts in benthic macroinvertebrate community composition in Andean high altitude streams

[J].Environmental Toxicology and Chemistry,20102912):2761-2768.

[本文引用: 1]

Mishra A SNautiyal PSemwal V P.

Distributional patterns of benthic macro-invertebrate fauna in the glacier fed rivers of Indian Himalaya

[J].Our Nature,2013111):36-44.

[本文引用: 1]

邹亮华邹伟张庆吉.

鄱阳湖大型底栖动物时空演变特征及驱动因素

[J].中国环境科学,2021416):2881-2892.

[本文引用: 1]

刘惠秋李晓东杨清.

基于浮游植物完整性指数的雅鲁藏布江中上游河流水生态健康评价

[J].干旱区资源与环境,2023379):109-117.

[本文引用: 1]

Cantin ABeisner B EGunn J Met al.

Effects of thermocline deepening on lake plankton communities

[J].Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences,2011682):260-276.

[本文引用: 1]

/