小江流域不同强度河床结构的生态学作用
赵娜1, 王兆印1, 潘保柱2, 李志威1, 段学花3
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. 长江科学院, 武汉 430010
3. 江苏省江阴市水利农机局, 江阴 214431
王兆印, 教授, E-mail:zywang@mail.tsinghua.edu.cn

作者简介: 赵娜(1988-), 女(汉), 河南, 博士研究生。

摘要

小江流域为典型干热河谷区,该区炎热少雨,水土流失严重,生态十分脆弱。该文采用现场测量、野外采样和室内分析相结合的方法,以小江流域不同河床结构强度的河流为研究对象,以底栖动物为指示生物对它们的生态环境现状进行评价,以分析不同强度的河床结构的生态学作用。深沟、吊嘎河和蒋家沟分别代表了小江流域3种不同的河床结构强度, 2005—2011年,分别对这3条河流的底栖动物进行采样分析。就种类数而言,深沟最高,种类达56种; 吊嘎河其次,种类达36种; 蒋家沟最低,种类达18种。研究结果表明: 底栖动物密度同河床结构强度之间关系不大; 物种多样性同河床结构强度之间存在一定的关系。在一定程度上,河床结构越强,物种多样性越丰富,生态越好; 在一定程度上,河床结构强度越大,捕食者的密度越高,生物量越大。

关键词: 河床结构强度; 底栖动物; 生态; 小江流域
中图分类号:TV14;X17 文献标志码:A 文章编号:1000-0054(2014)05-0584-06
Ecological functions of riverbed structures with different strengths in the Xiaojiang River basin
Na ZHAO1, Zhaoyin WANG1, Baozhu PAN2, Zhiwei LI1, Xuehua DUAN3
1. State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
2. Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China
3. Jiangyin Water Resources and Agricultural Machine Bureau, Jiangyin 214431, China
Abstract

The Xiaojiang River basin is a typical dry-hot valley, characterized by high temperatures, little rain and serious soil erosion. The ecology is very fragile there. The ecology was evaluated using field measurements, sampling and indoor identification. Macroinvertebrates were used as indicators to assess the ecology of rivers with different riverbed-structure strengths in this basin using the Shengou River, Diaoga River and Jiangjia River with field investigations conducted from 2005 to 2011. The main purpose was to study the ecology functions of the riverbed structures with different strengths. Shengou River had 56 macroinvertebrate taxa, followed by Diaoga River with 36 taxa and Jiangjia River with 18 taxa. The results show that there is no clear relation between the macroinvertebrate density and riverbed-structure strengths but the biodiversity and the aquatic ecology improve with increasing riverbed-structure strengths, the predator density and biomass also increased to some extent.

Keyword: riverbed-structure strengths; macroinvertebrates; ecology; Xiaojiang River basin

小江流域为典型干热河谷区,该流域气候炎热少雨,水土流失很严重,地质灾害频发,生态环境十分脆弱,此区域的保护和管理研究一直备受关注。关于此区域的研究主要集中在滑坡、植被恢复、土壤等方面[1,2,3], 而对此区域河流生态的研究则少有报道[4], 有必要选取指示物种对该区域的河流生态进行研究。

本研究选取大型底栖无脊椎动物作为指示生物,这是一类典型的河床生物,它们是一类生活史的全部或大部分时间生活于水体底部的个体大于500 μm的水生动物群[5], 通常简称为底栖动物。选择底栖动物作为指示生物的原因主要有2个: 1) 它们寿命较长,迁移能力有限,且包括敏感种,能指示环境的长期变化和河床演变过程; 2) 它们是生态系统中重要的次级生产者,处于食物链的中间环节,是食物链中的一个重要环节[6]。目前,该类群是生态指示与评价中应用较为广泛的类群。

栖息地的稳定性是影响底栖动物群落和河流生态的一个重要因素[7]。牢固的河床结构发育能够有效地减少床面泥沙运动,为底栖动物创造了稳定的栖息环境[8], 对维持良好的河流生态具有重要的意义[9]。对中国13条河流的底栖动物研究发现: 具有牢固河床结构的河流的生态要好于其他河流[10]。对小江流域的河床结构及底栖动物已有初步的研究[4], 并发现: 阶梯深潭系统增强了河床结构强度,有效抑制了河流下切,对河流生态起到很大的改善作用。然而,小江流域河床结构多样,底栖动物群落在不同强度河床上的变化以及不同强度河床的生态现状尚不明确。因此,基于小江流域河流生态管理的需求,开展此研究有着非常重要的意义。

本研究通过现场测量、野外采样和室内分析等方法,阐释不同河流的河床结构强度,分析底栖动物对不同强度河床结构的响应模式,旨在为小江流域河流的生态管理提供科学依据。

1 研究区域及工作方法
1.1 研究区域

小江流域是金沙江右岸支流,位于云南省东北部,流域面积3 043 km, 属于亚热带高原季风气候,平均年气温15 ℃,平均年降水量800 mm[11]。深沟、吊嘎河和蒋家沟是小江的3条支流, 3条河流有着不同强度的河床结构。深沟位于云南省昆明市东川区,有着典型的阶梯深潭结构,河床结构最强; 吊嘎河是小江(金沙江一级支流)上游大白河一级支流,位于云南省会泽县和昆明市东川境内。吊嘎河属于侵蚀下切型河流,河床结构较强。蒋家沟位于云南省昆明市东川区,这里的泥石流发生频率非常高,河床结构最弱。

本研究于2005—2011年对深沟、吊嘎河和蒋家沟开展了系统的生态调查,每条河流上各设5个采样点, 5个采样点的物种组成差异不大。研究区域及采样点布置见图1

1.2 河流基本参数

本次调查中,级配采用野外采样、实验室筛分处理的方法,选中值粒径 D50作为代表。河床结构强度采用 Sp来表示, Sp值是是衡量山区河流河床结构几何形状的参数[12], 其计算公式如下:

Sp=ll--1

式中: l为河床上两点间沿深泓线的曲线距离, l̅为两点间的直线距离。 Sp值越大,河床结构越强,河床越稳定。

推移质运动采用子母槽坑测法测量[11], 计算结果用推移质输沙率 gb表示; 其中深沟的推移质运动基本为0, 没有进行测量。坡降 J用经纬仪进行测量。枯水期流量 Qk通过水文资料获得。小江3条河流的基本参数如表1所示。

表1 小江3条河流的基本参数
1.3 环境参数分析方法

本次调查中,水深采用钢尺测量,水的流速用旋桨式流速仪测定。在样点深度的表、底层取混合水样,带回室内分析。电导率用DDS-11A数字电导率仪测定,总氮的测定方法是碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB 11894-89), 总磷的测定方法是钼氨酸紫外分光光度法(GB 11893-89)[13]。深沟、吊嘎河、蒋家沟采样点的环境参数(均值±标准误差)如表2所示, 3条河流基本上处于自然状态。

表2 采样点的环境参数
1.4 采样方法和数据分析方法

底栖动物用孔径为420 μm的踢网(面积1 m×1 m)采集样本。泥样经孔径为420 μm的钢筛筛洗后,置于白色解剖盘中分捡动物标本,分拣出的底栖动物样本用75%的酒精固定,带回实验室进行镜检分类、计数。湿重的测定方法是: 先用滤纸吸干水分,然后在电子天平上称量。底栖动物功能摄食类群划分标准参照有关资料[14,15]

采用物种丰度 S作为评价底栖动物群落多样性的指标,物种丰度 S为一个群落或生境中采样面积内的生物物种数。另外也对生物密度 D和生物量进行了计算,密度 D为单位面积内的生物个体数,生物量为单位面积的生物湿重。

2 野外采样结果及分析
2.1 底栖动物种类组成以及密度和生物量

表3给出了小江3条河流底栖动物的种类名录,计70种,隶属于45科68属,其中,寡毛纲3种,蛭纲1种,腹足纲4种,蛛形纲1种,甲壳纲1种,昆虫纲60种。3条河流中昆虫种类最多,深沟底栖动物有56种,昆虫占89.3%,吊嘎河底栖动物有36种,昆虫占97.2%,蒋家沟有18种,昆虫占100%。

表3 小江3条河流底栖动物种类名录
2.2 不同种类类群的密度和生物量

图2显示了小江3条河流底栖动物不同种类类群的密度(平均值+标准误差)和生物量(平均值+标准误差)。深沟底栖动物总密度和总生物量分别为669 个/m2、 10.86 g/m2, 节肢动物为优势类群,其密度和生物量分别占总量的98.0%、 84.1%; 吊嘎河底栖动物总密度和总生物量分别为583 个/m2、 1.10 g/m2, 节肢动物为优势类群,其密度和生物量分别占总量的99.9%、 99.99%; 蒋家沟底栖动物全为节肢动物,总密度和总生物量分别为1 880 个/m2、 1.46 g/m2

图2 小江3条河流底栖动物不同种类类群的密度和生物量

2.3 不同功能摄食类群的密度和生物量

将各采样点的底栖动物按功能摄食类群分为5类: 撕食者、过滤收集者、直接收集者、刮食者和捕食者。图3给出了小江3条河流底栖动物不同功能摄食类群的密度(平均值+标准误差)和生物量(平均值+标准误差)。3条河流底栖动物群落中直接收集者密度最大,在深沟、吊嘎河和蒋家沟中分别为250、 253和918 个/m2, 分别占总密度的37.3%、 43.5%和48.8%。深沟捕食者生物量最大,达 7.08 g/m2, 占总生物量的65.2%; 吊嘎河捕食者生物量最大,达0.40 g/m2, 占总量的36.1%; 蒋家沟直接收集者生物量最大,达0.67 g/m2, 占总量的45.7%。

图3 小江3条河流底栖动物不同功能摄食类群的密度和生物量

3 结果讨论

Sp是表征河床结构强度的一个参数,由表1可知, 3条河流的 Sp值大小依次为深沟>吊嘎河>蒋家沟。 Sp值越大,河床结构越稳定[11,12], 由多年观测可知,深沟是多年稳定性河流,吊嘎河是一年稳定性河流,蒋家沟是月稳定性河流。不同强度的河床结构形成了不同的水流条件和水沙条件,水流条件和水沙条件是影响底栖动物的重要环境因素[16,17]。如表1所示,深沟具有典型的阶梯深潭结构,具有交错的急流段和深潭段,水流条件多变,推移质运动很弱,基本为0; 吊嘎河的河床结构较弱,水流条件比较单一,推移质运动较强,为10-4~10-2 kg/(s·m); 蒋家沟河床结构最弱,水流条件最单一,推移质运动剧烈,为10-2~100 kg/(s·m)。深沟、吊嘎河、蒋家沟的泥石流发生频率分别为10 a 1次、 1 a 1次、 1 a 5次以上。

在类群组成上, 3条河流均以水生昆虫为主(表3), 在物种组成上, 3条河流均有较多的喜流水的种类,如四节蜉科、龙虱科等。但是, 3条河流的物种多样性、个体大小、密度和功能摄食类群组成也有其各自的特点。物种丰度是物种多样性的衡量指标之一,物种丰度越大,物种多样性越高。深沟、吊嘎河和蒋家沟的物种丰度分别为56、 36、 18(表3), 物种丰度随着河床结构强度的降低而明显减小。随着河床结构强度的降低,河床侵蚀和淤积发生的概率增加,从而不能够为底栖动物提供比较稳定多样的栖息地环境,物种多样性随之降低。相比另外两条河流,深沟的生物个体比较大,出现了个体较大的蜻蜓目的稚虫。深沟河床结构强度大,具有典型的阶梯深潭系统,增大了河床阻力,消散了水流能量[18,19], 稳定了两岸边坡[20], 因此深沟的泥石流发生频率比较低,生境比较稳定。另外,阶梯深潭系统的生物栖息地多样,能为蜻蜓目稚虫提供局部的缓流区,并且这里物种多样性丰富,底栖动物和水生植物种类较多,有更多的食物来源,所以这里的生物个体比较大。

密度也是物种多样性的衡量指标之一,但是本次调查结果表明密度同河床结构强度不存在明显的关系,蒋家沟的河床结构最弱,河床最不稳定,密度却最大。这个主要是由四节蜉科造成的,蒋家沟四节蜉科的密度达1 820 个/m2, 占总密度的96.8%。刘保元等[21]认为,温度是重要的环境因子,底栖动物的密度和生物量季节变动明显,底栖动物的季节变动规律与其生殖季节及发育越冬过程有较密切的关系。蜉蝣多数以稚虫越冬,在春秋两季羽化,同一品种的蜉蝣常常在同一个时间羽化离开水面,所以四节蜉科大量出现的原因可能是采样的季节刚好处于四节蜉科羽化前期。而深沟的底栖动物物种丰富,物种之间的竞争比较激烈,并且这里出现蜻蜓目稚虫,蜻蜓目稚虫主要捕食蜉蝣目稚虫和摇蚊幼虫[22], 所以四节蜉科在深沟没有大量出现。

在功能摄食类群组成上, 3条河流的捕食者的密度和生物量从大到小依次为: 深沟、吊嘎河、蒋家沟。捕食者的密度和生物量随着河床结构强度的增加而增加。底栖动物捕食者主要捕食无脊椎动物,河床结构强度的增加使得河床的稳定性增加,从而为底栖动物创造更稳定多样的栖息环境,适合更多种类的底栖动物生存,进而给捕食者提供更多的食物来源,所以捕食者的密度和生物量随着河床结构强度的增加而增加。另外,深沟是一个流水生态系统,流水生态系统中的水生昆虫初级消费者的重要食物来源是树木碎片[23,24], 而深沟两岸有发育良好的乔木层和灌木层,为水生昆虫初级消费者提供了丰富的食物来源,进而为捕食者提供丰富的食物来源,因此,深沟的捕食者密度最高,生物量最大。

4 结 论

本文采用现场测量、野外采样和室内分析相结合的方法,以底栖动物为指示生物对深沟、吊嘎河和蒋家沟的水生态现状进行了研究。本文研究可得以下主要结论:

1) 底栖动物密度同河床结构强度之间关系不大;

2) 物种多样性与河床结构强度有一定的关系。一定程度上,河床结构越强,河床越稳定,物种多样性越高,生态条件越好;

3) 一定程度上,捕食者的密度和生物量随着河床结构强度的增加而增加。

The authors have declared that no competing interests exist.

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