第13卷第2期2021年3月
Vol. 13 ,No.2March 2021
环境监控与预警
Environmental Monitoring and Forewarning
• 特约来稿 *
* D01：10.3969/j. issn.1674—6732.2021.02.001
收稿日期：2020 - 10 - 12 ；修订日期：2020 - 11 -21基金项目：国家自然科学基金资助项目%41771052)
作者简介：盛天进% 1996―)，男，硕士在读，研究方向为河流生态修复评价* 通讯作者：王备新 E-mai ： wangbeixin@ njau. edu. cn
浙江浦阳江大型底栖无脊椎动物物种多样性和生态
功能恢复研究
盛天进1 ,EVANCE MBAO 1，吴聪1，郑帅帅2，徐旻2，王备新"
(1.南京农业大学植物保护学院，江苏 南京 210095 $ 2•浦江县环境监测中心，浙江 金华 322200)
摘要：为科学评估河流修复效果，研究修复河流中底栖动物物种多样性和生态功能恢复特征，以浙江省浦江县浦阳江干
流为研究对象，分别对2个近自然河段#2个城区修复河段和3个郊区修复河段在修复后1,3 ,4和5年的水质和底栖动物
只轮不反恢复状况进行调查研究$采用广义最小二乘法% GLS )模型探索底栖动物物种多样性(总物种丰富度# EPT 丰富度和
Shannon-Wieneo 多样性指数)和功能多样性［功能丰富度#功能均匀度和Rao 的二次U 指数(RaQ)］与恢复年份和修复河 段类型的相关性$结果表明，修复后河流的NI - N 和TP 浓度显著低于修复前% p K 0.001)，修复河段和整个调查河段的
底栖动物物种多样性和功能多样性总体上随修复年份的增加呈上升趋势$ GLS 模型分析结果表明，相对于修复河段类型,
修复年份对河流修复效果起着更为重要的作用"此外，郊区河段对修复后RaQ 功能多样性指数的改变作用显著%P K
0.001 )$提出，修复河段底栖动物多样性的恢复与恢复年份和河段受到的干扰类型密切相关$
关键词：底栖动物；河流恢复；物种多样性；功能多样性；广义最小二乘法；浦阳江中图分类号：X513 ；XM20.4
文献标志码：A
文章编号：1674 -6732 (2021) 02 -0001 -08
A Study on Recovery of Macroinvertebrate Species Diversity and Ecological Function in
Puyangjiang River , Zhejiang Province
SHENG Tian-jin 1 , EVANCE MBAO 1 ,WU Cong 1 , ZHENG Shuai-shuat 2 ,XU Min 2 ,WANG Bei-xin 1!
% 1. College of Plant Protection , Nanjing Agricultural University , Nanjing , Jiangsu 210095 , China ； 2. Pujiang
Environmental Mooitoring Center , Jinhua , Zhejiang 322200 , China )
Abstraci : Puyangjiang rivvo, which locates in Zhejiang Province , was chon as reerch object to scientifically evvluato the effect of rivvr restoration , and to study macroinverteRrates specie- diversity and
function restoration characteristics. The rearch
focud on the water qualito and the restoration status of benthos of the survvyed reaches , including 2 near - natural reaches , 2
restored reaches in urban area and 3 restored reaches in rurat area, and 1 years, 3 years, 4 years and 5 years later after the invvlvvd ctions were restored. Generalized least squares % GLS) model was adopted to study how the Benthic animat species diversite % totat
species richness , EPT richness and Shannon Wiener diversite) and functional diversite indiccs % functional richness, functional ewnness and Rao's quadratic entropy indea) ie ccrrelated with recovery years and the types of restored reach. Our results rewaled
the ccnccntration of NH 3 - N and TP after restoration was significantly improved % p K 0. 00
1 ) and the species diversite and
functional diversito of benthic ccmmunities enhanccd in the restored reaches and the whole surveyed stream ament with increa of restoration years. Moreever, GLS model demonstrated that the years of restoration played a more irnportant role than the types of restoration in the effect of river restoration , and suburban reach played a significant and positive role in RaoQ %p K 0. 001 ) . Our
study indicates the restoration years and types of disturbancc are two important factors that affect reccvera of macroinvertebrato species diversita and functional diversita in restored reaches.
Key wortt : Benthic macroinvertebrato ； Stream restoration ； Species diversita ； Functional diversita ； GLS ； Puyangjiang River
1
0前言
河流是地球上重要的水生生物栖息地，在地球表面的覆盖率不足1%，却孕育了全球10%的生物'1（，
同时河流也是受污染和人类活动干扰最严重的水生态系统之一'2"3自20世纪以来，生活和工业污水排放、河流库坝工程建设、水资源过度开采和河流渠道化直接影响了河流物理生境、化学和生物完整性，导致河流生态系统功能和服务功能退化'4（。修复受损河流生态系统成为世界各国重要的生态恢复实践内容之一$为恢复河流受损的生态和服务功能，1990—2003年仅美国就实施了37000多个河流修复项目'5（$Szalkiewicz等'6（对来自欧盟19个国家的119个河流恢复项目研究发现，恢复1km2河流生态系统的平均成本约3100万欧元$du等'7（预测,2020年黑龙江、吉林和内蒙古仅工业废水投资成本分别需要73.9,3.07和1.82亿元$随着河流恢复项目数量和关注度的日益增加，如何科学评价恢复效果和恢复目标的实现与否，包括评价指标、评价标准和评价时间设定等，是当前河流环境管理工作的重要内容之一$底栖动物是广泛应用于评价水生态质量的主要生物类群，也是评价河流生态恢复实践效果的重要生物类群，但选择何种指标开展评价，仍在不断的摸索之中$如Rubin等'8（在分析了2010年前发表的26篇文献后，统计出群落多度与密度、物种丰富度、多样性指数和群落组成是最常用于评价河流恢复成功与否的指标$但是近年来，群落物种性状与群落功能多样性开始逐渐成为河流恢复评价指标的重要组成部分，一方面是对于恢复的响应更直接，另一方面是能部分地反映生态系统功能的恢复'9（$同时England等'10（认为群落物种指标、物种性状与功能指标的联合使用才能科学地评价河流是否成功恢复$
位于浙江省浦江县的浦阳江在2013年以前的水质等级为污染严重的劣V类，水生态功能基本丧失$为恢
复浦阳江河流健康,2013—2016年浦江县政府累计投入50多亿元，通过工业和生活污染源控制、农村和畜禽养殖污染控制和河道生态修复等手段，浦阳江的水质和水生态环境质量得到了明显改善$现基于2016—2020年浦江县境内的浦阳江上游近自然河段、城区修复河段和郊区修复河段底栖动物监测数据，分析底栖动物群落组成与功能的恢复动态变化以及影响底栖动物群落组成与功能变化的驱动因子，揭示生态恢复前%2011—2013年）与恢复后%2016—2020年）河流水质恢复效果，以期为浦阳江及类似修复河流的管理和修复效果评估提供科学依据和参考$
1材料与方法
1.1研究区概况
浦阳江流域地处浙江省中部，为浦江县最大水系，属钱塘江一级支流，发源于浦江县的天灵岩南麓，经浦江县流入诸暨市的安华水库，直至萧山闻家堰汇入钱塘江$浦阳江流域为亚热带季风气候，年均降水量为1512.8mm，其主干流长49.61km，流域面积492.62km2$浦阳江干流上游主要为林业用地，中游段流经浦江县城区，下游段两岸基本为果林和农田，部分为苗圃$
1.2采样D位
在浦阳江干流上共设置7个调查样点，采样点位分布见图1$其中:2个样点位于干流上游近自然河段（N
1和N2）,2个样点位于中游城区修复河段%X1和U2）,3个样点位于下游郊区修复河段%S1、S2和S3）$上游河段是浦阳江流域受人类活动最小的河段，水质通常在"类，河道生境近自然；干流中下游的城区和郊区河段则是生态修复的重点区域，并于2016年完成了清淤、河道生境重建和生态护岸等修复工作$
119°50'0"东120。0'0"东普特英语学习网
N
浦江县
'S3,
S2
N：上游近自然河段
U：中游城区修复河段
S：下游郊区修复河段L
510km
图1浦阳江流域采样点位分布
1.3环境指标和底栖动物
1.3.1环境指标测定
从浦江县环境监测中心获取2011—2013年浦阳江中下游河段不同采样点位的总磷％TP）和氨氮
2—
(NH'-N)数据，并计算每年的平均值$2016—2020年每年开展1次野外采样(2018和2020年水样未采集,2017年底栖生物数据缺失)，每个采样点位采集急流生境水样600mL，密封并低温保存在黑暗条件下$水样送至实验室，严格参照《水和废水监测分析方法(第四版)》［11(测定p(TP)和p(NH-N)$用中下游5个采样点位的数据计算2016#2017和2019年TP和NH3-N的年均值$ 1.3.2底栖动物采集与鉴定
2016—2020年，在100m的采样河段内，采用多生境采样法采集20个D形网样方，样方按100m河段生境类型(急流、缓流、地质组成和水生植被等)的出现比例分配［12($每个D型网(底边宽30cm, 60目孔径)采集面积为0.09m2，每个河段的总采样面积为1.8m2$所有样方去除大石块和枯枝落叶，经40目孔
径分样筛洗净后合成一个样本，保存在95%酒精或5%~8%的甲醛溶液中。在实验室中对每个样本的底栖动物进行挑拣、计数，并鉴定到尽可能低的分类单元，绝大多数物种鉴定到属或种，少数类群进行了较粗的分类鉴定(寡毛和涡虫到纲级，部分鞘翅目和全部半翅目到科级［13-14()$
1.4数据处理与分析
1.4.1物种多样性和功能多样性
选择总物种丰富度、蜉/目+績翅目+毛翅目(EPT)丰富度和香农-维纳多样性指数(H+)表征底栖群落物种多样性特征，计算公式如下：
H'=-"(+/0)log2(+/0)(1)
式中：+—第/个分类单元个体数;0—样品中底栖动物总个体数$
选择功能丰富度指数(Functional Richnes s, FRic)#功能均匀度指数(Functional Evennes s, FEve)和Rao的二次爛指数(Raoh Quadratic Entropy,RaoQ)表征底栖群落功能多样性特征$ FRic代表物种占据功能性状的空间量,FRic值越大说明该生物性状占据的对应生态位越多［15(; FEve描述的是物种所占据的整个功能空间内丰度分布的均匀度，较低的FEve值说明生态系统的生态位没有得到充分利用'16］;RaoQ值包含关于功能空间和物种相对丰度的综合信息'17］，反应功能多样性中的功能离散度
'18］，计算公式如下：
SF
FRic=卞(2)
body是什么意思式中:SF.——群落中物种所占据的生态位空间；C——所有群落中性状.占据生态位空间［16 d°t(「J)=
槡(*2+(E-E)2+…+(叫一;)2
(3)
EW%dc t
(J J)
F+Wj
PEW%=
EW%
7S-1
":G%
%=1
FEve
S-1
"min(PEW%
J=1占
1
S-1
1
S-1
(4)
(5)
(6)
1-
式中:dist(l,j)——物种l和物种j之间的欧氏距离;*一；多维性状空间中物种l和j的功能性状；EW%——分支长；W,W,——分别为物种I和物种j 的相对丰度;PEW%一一分支权重;S—一物种数［19］$
S-1S
RaoQ=""血))(7)
l=1j=i+1
式中:-------物种l和j功能特征间的距离; ),)——分别为物种z和j在样点中的相对多度；S—样点中的物种数目［20］$
其中功能性状选取庇护所材料(无庇护所、复合网状、细颗粒和木头、叶片)#外骨骼保护性结构(虫体gfg
柔软、轻微骨化、骨化良好)、呼吸方式(体壁、枝状_、气氧呼吸)、体长、体型(流线型、非流线型)、底质选择(沉积性底质、沉积性和冲刷型底质、冲刷型底质)、运动习性(掘穴者、攀爬者、匍匐者、附着者、游泳者、滑行者)、取食类型(集食者、滤食者、刮食者、捕食者、撕食者)8个生态学参数进行表征［21］$ 1.4.2统计分析
使用广义最小二乘法［22］(Generalized Leesi-Square,GLS)识别底栖动物物种与功能恢复是否与修复河段(城区和郊区)有关$GLS是一种广义线性回归方法，用于处理重复测量数据，并允许模型误差具有不等方差或在观测值之间相互关联$在包含2个解释变量(恢复时间即年份和恢复类型)的模型上使用限制最大似然比(Restricted Maximum Likelihood,REML)来评估每个物种和功能参数中几个可能的残差方差和相关结构，使用最小赤池系数(Akaike Information Criterion,AIC)选择最佳残差方差结构［18］，随后通过似然比检验(< ratio)确定不同残差方差结构之间的差异程度$修
3—
复前后的！TP)和p(NH'-N)用单因素方差分析%One-way ANOVA)进行显著性差异检验$基础数据分析在Excel中完成，环境理化数据、底栖群落物种和功能指数制图在GraphPad Prism8进行，在R语言(版本号3.6.3)中，通过FD功能包中的dbFD功能计算功能多样性指数, nlme包进行GLS分析$
2结果分析
2.1环境因子
根据国家《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)'23(，修复前的TP属于#—劣V类,NH3-N 属于劣V类水；修复后的TP#NH3-N均属于"一$类$单因素方差分析表明，修复后的p(TP)(p< 0.001)和p(NH3-N)(p<0.001)均显著低于修复前，见图2(a)(b)$
图2浦阳江流域修复河段修复前后”(TP)和
"(NH3-N)
2.2底栖动物群落组成
4次调查共采集到27630头大型底栖无脊椎动物，鉴定出4门7纲18目73科152属171个分类单元$昆虫纲多样性最高(141个分类单元, 85.26%)，其次为腹足纲(13个分类单元, 5.19%)$2016—2020年物种丰富度总体呈逐年上升趋势,2016年为51个分类单元,2018—2020年分别为76,98和76个分类单元$从优势物种看,2016,2019和2020年均为细蜉属(Caenis sp.),2018年为米虾属(Caridina sp.)$
2.3底栖动物物种多样性与生态功能恢复
2.3.1物种多样性的恢复
2016—2020年，浦阳江上游河段和修复河段物种多样性统计结果见图3(a)(b)(c)$修复河段(城区和郊区)和上游近自然河段的物种丰富度、EPT丰富度和Hi旨数均呈上升趋势，但修复河段的值均低于
上游河段$GLS模型分析结果见表2，与2016年相比,2018—2020年群落物种结构多样性年际间值的上升趋势是显著的，如物种丰富度(p<0.001)# EPT丰富度(p二0.005)和Hi旨数(p二0.045)，而年际间的显著变化与近自然河段(p<0.001)和郊区修复河段(p>0.38)年际间的变化有关$
20
隸
鋁
H
o
o
o
Oobama
6
会计从业资格证培训4
2
15
105
图3上游河段和修复河段2016—2020年
物种多样性
表2GLS模型中固定变量(恢复年份和修复河段)
与物种多样性的相关性①
指数L-ratio年份和河段标准误差t P
物种丰富度 3.55截距 2.87 4.550.00
2018 2.29 1.600.12
2019 2.298.460.00
2020 2.29 3.120.01
郊区修复河段 2.660.080.94
近自然河段 3.696.340.00 Hi旨数无截距0.197.850.00
20180.21 1.470.16
20190.21 3.070.01
20200.21 1.360.19
郊区修复河段0.180.850.40
近自然河段0.20 3.750.00 EPT丰富度 4.03截距0.99 2.310.03
2018 1.020.320.5
2019 1.02 3.510.00
2020 1.02 2.370.03
郊区修复河段0.880.900.38
近自然河段 1.666.1/0.00①加黑数据表示显著性相关
—4
—
2.3.2功能多样性的恢复
2016—2020年，浦阳江上游河段和修复河段功能多样性统计结果见图4%a)(b)(c)。近自然河段、修复河段的功能多样性指数从2016—2020年总体上呈上升趋势，其中FRic近自然河段高于修复河段，但是FE［近自然河段低于修复河段。RaQ指数中，近自然河段略高于城区修复河段，在2018和2020年则略低于郊区修复河段。GLS模型分析结果见表3，与2016年相比，2019—2020年FRic、FEve和RaoQ指数的总体上升趋势显著(p< 0.01)，这种变化的机制在不同指数间略有差异, FRic主要与近自然河段有关(p<0.001),RaoQ指数则同时与郊区修复河段(p<0.001)和近自然河段(p<0.01)显著相关。
(a)上游近自然河段(b)城区修复河段(c)郊区修复河段
年度
图4上游河段和修复河段2016—2020年
功能多样性
3讨论
3.1浦阳江修复后水质的改善
生态修复后的浦阳江水质得到了明显改善，无论城区还是郊区修复河段的TP和NI-N均分别从《GB3838—2002》的#类和劣V类提升到"类和$类，预示生态修复后的浦阳江水质得到了有效改善，这可能得益于浦阳江修复是在全流域层面开展的。浦阳江的修复措施主要包括修复河段排污口整治，建立污水处理厂，关停并整治排污较严
表3GLS模型中固定变量(恢复年份和修复河段)与
每个功能多样性的相关性①
变量参数L-ratic年份和河段标准误差t P
FRic0.72截距31.180.890.39
201821.94 3.220.00
201921.949.580.00
戕害202021.94 4.570.00
俄语
郊区修复河段30.260.900.38
近自然河段30.485.780.00
FEvv23.26截距0.005080.550.00
g ho st20180.04 2.430.02
20190.030.370.71
20200.03-3.960.00
郊区修复河段0.031.900.07
近自然河段0.04-1.580.13
RaoQ25.77截距 1.2214.710.00
2018 1.520.960.35
20190.0671.780.00
20200.91 1.610.12
郊区修复河段 1.16 4.310.00
近自然河段 1.21 3.090.01①加黑数据表示显著性相关
重的水晶加工厂，雨污分流及水生植被恢复措施等，有效防止了城区和郊区河段附近点源和面源的污染，降低了污染源的输入。刘朔孺等'24(认为城镇化发展导致不透水表面积增加，降低了城镇土壤的保水能力和透水性，造成大部分污染物不能随水下渗到地下，而是直接带着地表污染物随雨水等汇入河道，对河流生态环境造成明显的负面影响。修复后高浓度污染物的显著降低(如NI-N和TP)，也可能归因于浦阳江大面积人工湿地的建设和完善的污水处理系统，清除了水体中的氮、磷等物质，这与Yang等'25(的观点一致。
3.2底栖动物物种多样性和生态功能恢复
从底栖动物组成来看,2016,2018—2020年，每年的水生昆虫多样性均最高，但所占比例有所不同，分别占总物种数的73.54%,81.58%,75.51%和91.93%，这与其他研究结果一致'26-28而随着修复年份的增加，非水生昆虫(寡毛纲、涡虫纲、水蛭纲、腹足纲和甲壳纲)所占比例有所下降，这可能是因为非水生昆虫受到扩散限制，而具有陆生阶段的水生昆虫有较强扩散能力。Milner等'29(研究发现毛翅目、
蜉/目和摇蚊科等成虫具有飞行能力的水生昆虫具有强大的扩散能力，通常在栖息地重建后的短时间内达到，而非水生昆虫则至少需要20年的时间才能定居。另有研究发现，一些非水
excite翻译—5
—
