基于底栖动物生物完整性的岩溶泉生态健康评估：水文与底质对群落结构的影响

《Global Ecology and Conservation》：Ecological health assessment of karstic springs based on the biological integrity of benthic fauna

本研究针对岩溶泉生态系统敏感性高但缺乏生物完整性评估指标的问题，通过系统监测东欧高地岩溶泉的底栖大型无脊椎动物群落结构，结合水文物理和化学参数分析，揭示了底质类型、水流速度和溶解氧是驱动底栖动物分布的关键环境因子。研究发现泉眼类型（静水池泉/溪流泉）虽影响生物密度但不改变群落组成模式，证实了研究区泉眼处于良好生态状态，为岩溶泉生态健康评估提供了重要的生物指标体系和科学依据。

　　

在全球水资源日益紧张的背景下，地下水作为重要的淡水储备显得尤为珍贵。其中，岩溶泉（karstic springs）作为地下水自然出露地表形成的特殊生态系统，不仅为人类提供优质水源，还维持着独特的生物多样性和生态服务功能。然而，这些敏感的生态系统正面临着人类活动带来的巨大压力，亟需建立有效的生态健康评估方法。传统的水化学监测虽能反映水质状况，却难以全面体现生态系统的整体健康状况。在这种情况下，利用水生生物指标进行生态评估成为重要手段，其中底栖大型无脊椎动物（benthic macroinvertebrates）因其对环境变化的敏感性和生态功能的重要性，被视为理想的指示生物。

尽管欧洲地区对泉眼生态系统已有一定研究，但对东欧地区岩溶泉的生物群落特征及其与环境因子的关系仍知之甚少。波兰卢布林地区的岩溶泉系统作为典型的白垩纪含水层排泄区，包含了静水池泉（limnocrenes）和溪流泉（rheocrenes）两种类型，为研究不同类型岩溶泉的生态特征提供了理想场所。研究人员假设泉眼类型会显著影响底栖动物的群落结构和数量，并试图找出能够评估岩溶泉生态健康的关键指示类群。

为了验证这一假设，研究团队在2020年的春、夏、秋三季对卢布林高地和罗兹托切地区的9个岩溶泉进行了系统监测。这些泉眼分布在海拔188-277米之间，涵盖了不同的水文地质特征。研究采用综合方法，包括水化学参数测定、水文特征测量和底栖动物群落调查。

在技术方法层面，研究主要运用了标准化采样与实验室分析相结合的策略。每月采集水样和底栖动物样本，使用YSI 556 MPS多参数仪现场测定温度、pH、电导率和溶解氧等物理化学参数，通过离子色谱法分析主要离子含量。采用0.25平方米方形金属框限定采样区域，使用250微米孔径筛网收集底栖动物，通过形态学鉴定到属或种水平，并参照标准体系将每个分类单元划分到相应的功能摄食类群（Functional Feeding Groups, FFG）。数据分析采用双因素方差分析（ANOVA）检验泉眼类型和季节对环境变量和生物参数的影响，运用主成分分析（PCA）和冗余分析（RDA）等多元统计方法探究物种与环境因子之间的关系。

3.1 环境变量

水化学分析显示，所有泉眼的碳酸氢根与钙离子摩尔比（HCO₃^-/Ca²⁺）保持在2.80-3.57之间，表明白垩纪含水层具有稳定的地球化学条件。硫酸盐（6.89-27.36 mg·dm^-3）、氯化物（4.37-14.62 mg·dm^-3）以及硝酸盐（5.74-31.16 mg^-·dm^-3）和正磷酸盐（0.02-0.056 mg·dm^-3）的浓度在泉眼类型和季节间均无显著差异，表明研究区域未受到明显的人为影响。方差分析结果显示，泉眼类型在水流速度、电导率、溶解氧、硝酸盐氮以及镁、钙、氯离子和碳酸氢根离子浓度方面存在显著差异。

3.2 大型无脊椎动物群落

研究共记录到底栖大型无脊椎动物20个分类单元，密度范围为208-776 ind·m^-2。静水池泉的密度（296-776 ind·m^-2）显著高于溪流泉（208-376 ind·m^-2）。优势类群包括钩虾科（Gammaridae，占7-84%）、摇蚊科幼虫（Chironomidae，5-57%）和毛翅目（Trichoptera，6-32%）。功能摄食类群分析显示，收集-采集者（Collector-Gatherers, CG）在硬质底质（石块+砾石）泉眼中占54-91%，而在软质底质泉眼中比例较低（7-56%）。收集-过滤者（Collector-Filterers, CF）仅出现在软质底质泉眼（29-65%），刮食者（Scrapers, SCR）在各类型泉眼中均有分布（6-45%），捕食者（Predators, PRD）比例较低（2-25%）。

3.3 排序分析

主成分分析（PCA）显示，57.6%的方差由前两个轴解释（轴1为36.2%，轴2为21.4%），样本按底质类型明显分为三组：石块+砾石、沙质、沙质+淤泥。冗余分析（RDA）表明，所有环境变量共同解释了62.4%的方差，其中底质类型（44%）、水流速度（19%）和溶解氧（20%）是影响大型无脊椎动物分布的显著因子。分析结果将泉眼分为两组：一组以沙质和淤泥底质为主，水流速度和溶解氧较低，与摇蚊幼虫、颤蚓科、栉水虱科等类群相关；另一组以石块和砾石底质为主，水流速度和溶解氧较高，与钩虾科、蜉蝣目和部分毛翅目类群相关。

3.4 基于大型无脊椎动物的岩溶泉分类

根据优势类群和生境参数，研究将岩溶泉分为两种类型：钩虾型泉眼（Gammaridae-type）具有石质和砾石底质，水流速度0.9-4.0 m·s^-1，溶解氧6.0-8.0 mg·dm^-3，功能摄食类群以CG为主；摇蚊型泉眼（Chironomidae-type）底质为沙质和沙泥质，水流速度较低（0.15-0.4 m·s^-1），溶解氧浓度较低（3.0-5.0 mg·dm^-3），CF和SCR类群占优势。

研究结论与讨论部分强调，岩溶泉生态系统维持着相对稳定的地球化学条件，HCO₃^-/Ca²⁺比的稳定性反映了含水层的强大缓冲能力。与常见观点不同，本研究发现软质底质泉眼具有更高的物种丰富度，可能与水生植物（如直茎泽芹Berula erecta）和苔藓垫形成的微生境复杂性有关。底质类型作为主要环境过滤器，通过影响有机质滞留和微生境可利用性，决定了底栖动物的群落组成。水流速度通过影响底质组成和氧气交换间接作用于生物群落，而泉眼涌水量在本研究中未表现出显著影响，表明这些岩溶泉是相对稳定的生态系统。

该研究的重要意义在于首次系统评估了东欧地区岩溶泉的生态健康状况，建立了基于底栖动物群落的分类体系，证实了在缺乏明显人为干扰的情况下，岩溶泉生态系统能够维持良好的生态完整性。研究成果为岩溶泉生态监测和保护提供了科学依据，对全球地下水生态系统管理具有参考价值。特别是提出的钩虾型和摇蚊型泉眼分类体系，为快速评估岩溶泉生态状态提供了实用工具，有助于指导区域水资源保护和生态修复实践。