橡胶林种植对纳板河水生态的影响
赵娜1, 2, 王兆印1 , 徐梦珍1, 周雄冬1, 张晨笛1    
1. 清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室, 北京 100084;
2. 河南科技大学 农业工程学院, 洛阳 471003
摘要:西双版纳位于云南省南部, 是国际上生物多样性保护的热点地区之一。橡胶林的大面积种植改变了该区域河流的水力、泥沙和水质状况, 研究橡胶林种植对该区域河流生态的影响对于区域生态安全和资源可持续利用具有重要的意义。该文采用野外采样、现场测量和室内鉴定分析相结合的方法, 以底栖动物为水生态指示生物, 以纳板河为研究河流, 对它的生态环境现状进行评价, 分析了橡胶林种植对河流水生态的影响。结果表明: 橡胶林种植对研究河段的水质影响不大, 调查河段水质级别均为Ⅱ级; 随着橡胶林种植强度的增加, 底栖动物的多样性降低, 群落中相对敏感的物种(蜉蝣目、毛翅目和襀翅目)所占比例降低, 双翅目的比例增加; 底栖动物功能摄食类群组成也随橡胶林种植强度发生变化, 随橡胶林种植强度的增加, 撕食者的比例增加, 捕食者的比例减小。
关键词纳板河    水生态    底栖动物    橡胶林种植    
Influence of rubber cultivation on the aquatic ecology of the Naban River
ZHAO Na1, 2, WANG Zhaoyin1 , XU Mengzhen1, ZHOU Xiongdong1, ZHANG Chendi1    
1. State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
2. College of Agricultural Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China
Abstract: Xishuangbanna in southern Yunnan is one of the global hotspots of biodiversity protection. Large-scale rubber cultivation has altered the river conditions by changing the hydraulics, sediment conditions, and water quality. Research about the influence of rubber cultivation on the aquatic ecology is very important for regional ecology and sustainable utilization of resources in this region. Field sampling, measurements and indoor identification were used in this research with the Naban River chosen as the research stream. Macroinvertebrates were used as indicators to assess the ecological status of the river and the influence of rubber cultivation on the ecology. The results show that the rubber cultivation has little impact on the water quality in the survey section with Grade Ⅱwater quality. With the increase of rubber cultivation intensity, the biodiversity of macroinvertebrates trended to decrease. The abundance ratio of sensitive species (Ephemeroptera, Trichoptera and Plecoptera) to the total macroinvertebrates trended to decrease. The abundance ratio of Diptera trended to increase. With the increase of rubber cultivation intensity, the abundance ratio of shredders trended to increase. The abundance ratio of predators trended to decrease.
Key words: Naban River    aquatic ecology    macroinvertebrates    rubber cultivation    

西双版纳位于云南省南部,是国际上重要的生物多样性保护的热点地区之一。自上个世纪60年代起,由于经济发展的需要,中国在西双版纳地区进行了大规模的橡胶林种植。截止到2007年,橡胶林种植面积同有林地面积的比例已经达到了27.06%[1],成为西双版纳地区的主要林型。橡胶林种植改变了了热带雨林系统,这种土地利用方式的改变导致了原有生态系统服务功能的丧失,比如营养的循环、侵蚀的控制等[2]。以往关于西双版纳地区橡胶林的研究主要集中在土地利用变化以及其对热带雨林的影响等[3, 4],针对水生生态系统的报道甚少。

橡胶林涵养水分能力低,并且林间空隙大,加快了水分的流失,因此,造成了西双版纳地区河流流量降低[5]; 橡胶林下植被结构简单,侵蚀力大[6],土壤侵蚀增加,进入河流的泥沙量也增加; 另外,橡胶林种植所施的化肥和农药随着雨水冲刷进入河流中,也会造成河流的污染。这些环境的变化对水生态系统的影响尚不明确。本文采用大型底栖无脊椎动物作为水生态指示物种,以纳板河为研究河流,比较不同橡胶林种植强度的河段中底栖动物群落的差异,以揭示橡胶林种植对河流水生态的影响,为西双版纳地区河流的科学管理和生态保护提供指导。

1 研究区域及方法

纳板河自然保护区(22°04 ′N—22°17 ′N,100°32 ′E—100°44 ′E)位于西双版纳州,面积为266 km2,地势西北高,东南低,最高海拔2 304 m,最低海拔539 m,自然环境复杂。该区域属于热带雨林气候,年平均气温18~22 ℃,年降雨量1 100~1 600 mm,雨热同季[7]。纳板河自北向南穿过纳板河自然保护区中部,流入澜沧江,是保护区内的一条主要河流。

2012年10月,对纳板河主流及其支流糯有河共7个断面进行了野外测量和底栖动物采样(图 1)。其中,采样点S1和S2位于支流糯有河上,采样点S3—S7位于主流纳板河上。采样点海拔在600~800 m之间,各采样点环境要素见表 1。表中橡胶林种植强度为控制流域内橡胶林种植面积比例。

图 1 研究区域及采样点
表 1 各采样点的环境参数
采样点海拔
H/m
河宽
B/m
底质中值粒
D50/mm
水深
h/cm
流速V/
(m·s-1)
水温
T/℃
河水透明
度hSD/m
橡胶林种
植强度/%
糯有河S17595.18016~220.5~0.819.40.711.4
糯有河S27104.01308~300.5~1.119.50.722.8
纳板河S37557.31006~150.4~0.819.20.704.7
纳板河S47205.77010~300.8~1.323.70.606.9
纳板河S56996.510010~150.7~1.123.70.585.6
纳板河S66498.0608~200.5~0.921.30.579.9
纳板河S76265.0608~150.3~0.522.80.2914.7

溶解氧采用HACH HQd-40便携式手持溶氧仪现场测定。在采样点的表、底层取水样混合,带回室内分析水质。总氮(TN)的测定方法是碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB11894-89),总磷(TP)的测定方法是钼氨酸紫外分光光度法(GB11893-89),化学耗氧量(COD)的测定方法是高锰酸钾法,5日生化需氧量(BOD5)的测定方法是稀释接种法(GB7488-87)[8, 9]

在各样点,用孔径为420 μm的踢网(面积1 m×1 m)采集河床底质中的底栖动物样本。采样时,在各断面选取3个代表性生境,每处采样面积为$\frac{1}{3}{{\rm{m}}^2}$,总采样面积为1 m2。底质泥沙经筛洗后装入密封袋,带回实验室分捡动物标本,将分拣出的底栖动物样本放进样本瓶内,加入75%的酒精溶液进行固定,随后在显微镜下进行分类、计数。底栖动物功能摄食类群划分标准参照有关资料[10, 11]

采用物种丰度(taxa richness,S)、 改进Shannon-Wiener指数B、 EPT物种丰富度指数对底栖动物多样性进行评价。

物种丰度S指各采样点的底栖动物种类数。

改进的Shannon-Wiener指数B[12]

$B{\rm{ = }} - \ln N\sum\limits_{i = 1}^S {{P_i}\ln {P_i}} $ (1)

其中: Pi= ni/N ,表示第i种物种个数ni占样本总数N的比例。

EPT物种丰富度指数是指水体中蜉蝣目、毛翅目和襀翅目的物种数目之和,常被用作环境评价中。群落中,EPT指数越高,水生态条件一般越好。

此外,采用除趋势对应分析(detrended correspondence analysis,DCA)方法分析了各样点的底栖动物群落差异。

DCA是一种间接排序方法,该方法将样本在二维或三维空间加以排列,使排列结果能够客观地反映分析对象间的相似关系[13]。在DCA排序图中,底栖动物组成相似的样点一般会聚到一起,底栖动物组成差异较大的样点则分开较远[14]。软件Canoco 4.53用于样本的除趋势对应分析,为消除量纲的影响,数据经过了 lg (x+1) 的预处理。

2 结果与讨论 2.1 水质等级

根据地表水环境质量标准(GB3838-2002)对各采样点的水质进行了划分[9],各采样点的水化学参数及综合水质如表 2所示。表 2中,DO为溶解氧质量浓度,TN为总氮质量浓度,TP为总磷质量浓度,COD为化学耗氧量,BOD5为5日生化需氧量。7个样点的水质良好,均为Ⅱ级,表明橡胶林的种植对水质的影响不明显。出现这个结果的可能原因是橡胶林施肥、打除草剂等活动频率比较低(1次/a),而西双版纳雨水充足,这些农药和化肥很快会随水流流入河流中并且流向下游; 加之,河水自净化能力强,整体水质状况良好。

表 2 采样点的水化学参数
采样
水化学参数质量浓度/(mg·L-1)水质
DOTNTPCODBOD5
S18.370.220.0331.552.2Ⅱ级
S28.500.230.0411.78Ⅱ级
S38.540.170.0351.75Ⅱ级
S47.870.180.0392.192.9Ⅱ级
S57.850.210.0292.03Ⅱ级
S67.780.220.0312.16Ⅱ级
S77.960.270.0451.36Ⅱ级
2.2 底栖动物及河流生态

表 3给出了纳板河底栖动物种类名录,7个采样点共采集到底栖动物84种,隶属于49科77属; 纳板河底栖动物以水生昆虫为主,有77种,占总种数的91.6%。在物种组成上,7个点出现较多喜流水物种,如四节蜉科、扁蜉科、鱼蛉科等山区河流典型物种。

表 3 纳板河底栖动物种类名录
种(属)数
S1S2S3S4S5S6S7
注: ud表示没有鉴定到属或种, 括号内是属数。
扁形动物涡虫纲一科ud000ud00
线虫动物线虫纲一科000000ud
环节动物石蛭科0001000
仙女虫科1000000
软体动物瓶螺科0010000
田螺科0001000
节肢动物螨形目一科udududud000
四节蜉科2232332
扁蜉科3211222
细裳蜉科3221210
河花蜉科2010000
小蜉科1110100
新蜉科0210002
细蜉科0000010
大蜓科1000000
箭蜓科1100000
扇蟌科0001000
泥甲科(1)(1)(1)(1)0(1)0
长角泥甲科1211011
扁泥甲科ud00ud0ud0
龙虱科0(1)00(1)00
沼甲科0(1)00000
水龟甲科ud0ud000ud
豉甲科00(1)0000
象甲科00(1)00(1)0
隐翅虫科0ud00000
鱼蛉科ududududududud
潜水蝽科1111110
宽肩蝽科1101110
黾蝽科0010000
水蝽科1000000
石蝇科1100120
网襀科1000000
螟蛾科1101000
管石蛾科1110000
纹石蛾科4123223
长角石蛾科1000000
舌石蛾科1000000
齿角石蛾科0101000
角石蛾科0001100
小石蛾科0000100
蚋科1111110
蝇科0001000
舞虻科0010000
蠓科0000001
毛蠓科1000000
网纹科1101110
大蚊科1212211
摇蚊科(4)(3)(5)(3)(3)(5)(6)
2.3 采样点分类及多样性

图 2给出了7个采样点的DCA排序图,这7个点明显被分为3组: 第一组(S1、 S2、 S3),第二组(S4、 S5、 S6),第三组(S7)。由图 2可见,这3组的底栖动物群落结构存在差异。对于第一组,S1和S2位于支流糯有河,S3位于主流靠上游,3个点控制面积内橡胶林种植面积比例为1.4%~4.7%,河水透明度高; 第二组S4、 S5和S6位于中游,控制面积内橡胶林种植面积比例为5.6%~9.9%,河水透明度较高; 而第三组S7靠近下游,控制面积内橡胶林种植面积比例为14.7%,该点水质浑浊,河水透明度最低(表 1)。可见,从第一组样点到第三组样点控制面积内的橡胶林种植强度逐渐增加,底栖动物组成能很好地反映样点的环境状况: 环境条件相似的样点中,底栖动物组成也相似。

图 2 各采样点的除趋势对应分析(DCA)排序图

表 4给出了各采样点底栖动物的密度(D)和多样性指数(SB)以及每组的平均密度($\bar D$)和平均多样性指数($\bar S$$\bar B$ )。7个点之间的密度差别很大,密度最高为650个/m2,最低为68个/m2。至于SB这2个多样性指数,S1点均为最高,S7点的均最低; 而且,第一组(S1、 S2、 S3)的多样性指数基本都高于第二组(S4、 S5、 S6),第二组的多样性指数都高于第三组(S7)。

表 4 各采样点密度和多样性指数
采样
DSB$\bar D$$\bar S$$\bar B$
个·m-2个·m-2
S11214215.95
S21663213.781303514.28
S31043013.11
S43652813.43
S51172512.081832612.73
S6682612.68
S76502110.516502110.51
2.4 种类组成和功能摄食类群组成

图 3分别给出了上述3组样点中底栖动物各种类的密度组成,随着橡胶林种植强度的不同,3组样点中的底栖动物组成差异显著。随着橡胶林种植强度的增加,蜉蝣目、毛翅目和襀翅目所占比例之和逐渐减小,由71.1%减少到28.3%; 而双翅目的比例则逐渐增加,由12.8%增加到70.9%。第一组、第二组和第三组样点的平均EPT指数分别为15、 11和9,同第一组相比,第三组的EPT指数降低了40%。可见,随着橡胶林种植强度的增加,底栖动物的群落结构发生了很大变化,优势物种由敏感性物种(蜉蝣目、毛翅目和襀翅目)[15]演变为忍耐性物种(双翅目)[11]。美国北卡罗来纳州的研究也表明,受人类活动的影响,敏感性物种的丰度有所降低,忍耐性物种的丰度有所提高[16]

图 3 底栖动物各种类的密度组成

按功能摄食类群将底栖动物划分为5类: 撕食者、过滤收集者、直接收集者、刮食者和捕食者。图 4给出了3组样点底栖动物各功能摄食类群的密度组成。3组样点的底栖动物功能摄食类群组成有一些共有的特征,收集者(过滤收集者和直接收集者)所占比例最高,均超过了65%。这与纳板河流域森林密布、植被覆盖率高有关,大量的植物碎屑和藻类为收集者提供了丰富的食物来源。撕食者以粗有机颗粒为食,尽管食物来源也很充足,但是撕食者所占的比例则很少,均低于25.8%,这同拥有同样气候的香港地区的一些河流研究结果类似[17]

图 4 底栖动物各功能摄食类群的密度组成

3组样点的底栖动物功能摄食类群组成也有差异: 橡胶林种植对撕食者和捕食者的影响比较明显,随着橡胶林种植强度的增加,撕食者的比例逐渐增加,捕食者的比例逐渐减小。捕食者以其他物种为食,所以捕食者需要更长时间达到栖息稳定[18]。稳定性高的栖息环境有利于捕食者的生长,而高强度的橡胶林种植引起的环境改变可能会导致底栖动物栖息地的不稳定,因此,捕食者的变化可能是由于栖息地稳定性的不同导致的。第三组样点的刮食者所占比例极低,仅有0.8%,这可能与第三组样点的水质浑浊、含沙量高有关。水中的悬浮泥沙颗粒及其落淤会破坏着生藻类的细胞壁,影响藻类的生长,进而影响刮食者的食物来源[19, 20]

2.5 河流综合管理

研究表明,橡胶林种植对纳板河水质的影响不明显,但是随着橡胶林种植强度的增加,河流的生态状况呈递减趋势。橡胶林种植主要通过以下方式影响河流生态: 橡胶林的种植引起了河流流量下降[5],水量的减少造成了水位的降低,可能导致河岸带湿地面积的减少,从而影响到水生栖息地; 橡胶林植被结构单一,层次较少,土壤侵蚀量大。由于土壤侵蚀增加,进入河流的泥沙量增加,从而造成高产沙量和高浑浊度,也影响到水生栖息地; 此外,细颗粒泥沙侵入河床的卵石底质中,造成了潜流层空隙的嵌入和底质渗透度降低,破坏了水生栖息地。在橡胶林种植园开展合理的间作种植可以部分减少橡胶种植的负面效应,比如,同传统橡胶种植模式相比,间作种植能减少三分之一的水土流失[21]。西双版纳作为一个生态热点区域,保护该区域的水生态健康至关重要,为此建议在橡胶林处采用合理间作种植模式来增加植被覆盖率,减少水土流失,保护水生栖息地,在维持河流生态健康的同时,也保证了经济收益。

3 结 论

本文采用野外采样、现场测量和室内鉴定分析相结合的方法,以底栖动物为指示生物对纳板河的水生态进行了研究,分析了橡胶林种植对水生态的影响,得到如下主要结论:

1) 橡胶林种植对纳板河水质的影响不大,调查河段水质级别均为Ⅱ级,但是大面积橡胶林的种植造成了河流流量的降低,增加了土壤侵蚀,这些均对水生栖息地产生了影响,从而对底栖动物群落造成不利影响;

2) 随着橡胶林种植强度的增加,底栖动物的多样性降低,蜉蝣目、毛翅目和襀翅目的比例降低,双翅目的比例增加,优势物种由敏感性物种演变为耐受性物种; 随着橡胶林种植强度的增加,底栖动物功能摄食类群也发生变化,撕食者的比例增加,捕食者的比例减小。

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