XX核電廠鄰近海域大型底棲動物群落變化和污染指數評價

李益云　石志洲　樊立靜　黃文　鄭碧琪　夏永健

摘要：為充分掌握XX核電廠運營后其鄰近海域大型底棲動物群落的變化情況，文章通過大型底棲生物污染指數（MPI）評價海域生態(tài)環(huán)境質量，并探討對核電取水安全存在潛在風險的大型底棲動物，為核電廠建立循環(huán)冷卻水系統(tǒng)取水安全預警平臺奠定基礎。研究結果表明：在溫排水干擾的背景下，至2015年研究海域大型底棲動物的種類組成、生物量和密度均未產生明顯的規(guī)律性變化;優(yōu)勢種有17種，主要隸屬多毛類環(huán)節(jié)動物和軟體動物，生態(tài)組以干擾敏感種（EG Ⅰ）和干擾不敏感種（EG Ⅱ）為主;研究海域的環(huán)境質量總體處于清潔到輕度污染的水平，夏季航次的環(huán)境質量優(yōu)于冬季航次，但二者無顯著性差異;對核電取水安全存在潛在風險的生物包括海地瓜、棘刺錨參、棒錐螺、爪哇擬塔螺和小莢蟶。

關鍵詞：海洋生物;底棲動物;海洋生態(tài)系統(tǒng);優(yōu)勢種;溫排水

中圖分類號：P735;X826 文獻標志碼：A 文章編號：1005-9857（2020）02-0066-08

Abstract：In order to fully grasp the change of macrobenthos community in the adjacent sea area after the operation of XX nuclear power plant，this paper analyzed the pollution index of macrobenthos to reflect the change trend of its ecological environment quality，discussed the biological categories with potential risks to the safety of nuclear power water intake，and laid the foundation for the establishment of the water intake safety early warning platform of the circulating cooling water system in the nuclear power plant.The results showed that the species composition，biomass and density of macrobenthic did not produce obvious regular changes in the context of temperature drainage disturbance until 2015 year.IRI value of more than 1 000 dominant species of 17 species，mainly under the genus of polychaetes and mollusks.The ecological groups were mainly composed of interfering sensitive species （EG Ⅰ） and interfering indifferent species （EG Ⅱ）.The results of MPI evaluation showed that the environmental quality of the study area was in a clean to slight contamination levels and the environmental quality of the summer voyages was better than that of the winter voyages，but there was no significant difference.Among which there was a potential risk for the safety of nuclear plant water intake，which included Acaudina molpadioides、Protankyra bidentata、Turritella bacillum、Turricula ?javana and Siliqua minima.

Key words：Marine organism，Benthic animals，Marine ecosystem，Dominant species，Warm water drainage

0 引言

XX核電廠規(guī)劃建設6臺百萬千瓦級壓水堆核電機組。該核電廠為一次規(guī)劃、分期建設，主體工程于2008年2月正式開工，首臺機組于2012年投產試運行，并于同年4月第一次試排水。核電廠的運行對其所在的環(huán)境及其生態(tài)系統(tǒng)產生多方面的影響，其中溫排水對鄰近海域的影響日益突出。此外，海洋生物也影響核電廠的安全運行，國內外關于海洋生物堵塞核電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)而造成安全威脅的報道屢見不鮮。

大型底棲生物是海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要生態(tài)類群，大多生活在有氧和有機質豐富的沉積物表層。由于運動能力較弱，大型底棲生物的活動范圍有限甚至營固著生活，其對逆境的逃避相對遲緩，受環(huán)境影響更為深刻，能對自然和人為活動導致的水和沉積物環(huán)境質量的變化做出可預測的響應。大型底棲生物種類組成、群落結構和次級生產力等的變化因可準確地反映其所處環(huán)境的長期和宏觀變化而被廣泛研究[1-4]，將底棲生物的特征作為海洋生態(tài)監(jiān)測的生物指標和生態(tài)系統(tǒng)健康評價的生物指數也得到國內外的廣泛認可[5-7]。

本研究根據2009-2015年夏、冬2個季節(jié)共14個航次的大型底棲動物調查，分析XX核電廠鄰近海域大型底棲動物群落的變化，并采用大型底棲生物污染指數（MPI）評價生態(tài)環(huán)境質量，以期為科學有效的管理決策和生態(tài)環(huán)境保護提供依據，同時為XX核電廠建立循環(huán)冷卻水系統(tǒng)取水安全預警平臺提供基礎資料。

1 材料與方法

1.1 取樣區(qū)域和方法

本研究于2009-2015年的夏（6月）、冬（12月）2個季節(jié)，在XX核電廠鄰近海域進行大型底棲動物的取樣，共布設6個站位。

取樣水深為4～10 m，底質類型以黏土質粉砂為主。沉積物取樣使用0.05 m2抓斗式采泥器，在每個站位連續(xù)采樣5次（合計采樣面積為0.25 m2）。使用網目孔徑為0.5 mm的過篩器分選標本，所獲底棲動物樣品用75%的酒精固定后帶回實驗室。樣品的現(xiàn)場處理、室內分析和資料整理等步驟均按《海洋調查規(guī)范》（GB/T 12763.6-2007）的要求進行。

1.2 數據處理和分析

1.2.1 相對重要性指數

在實驗室中對大型底棲動物樣品進行分選、計數和稱重（濕重）等工作，采用相對重要性指數[8]分析群落優(yōu)勢種，計算公式為：

2 評價結果

2.1 種類組成和變化

本研究于2009-2015年在XX核電廠鄰近海域共進行14個航次和84站次的樣品采集，共鑒定大型底棲動物130種。其中，環(huán)節(jié)動物門多毛類動物51種（夏、冬季均出現(xiàn)的有13種），軟體動物門動物39種（夏、冬季均出現(xiàn)的有9種），節(jié)肢動物門甲殼動物22種（夏、冬季均出現(xiàn)的有7種），棘皮動物門動物9種（夏、冬季均出現(xiàn)的有3種），脊索動物3種，星蟲動物2種（僅在冬季出現(xiàn)），腔腸動物1種（僅在夏季出現(xiàn)），螠蟲動物、紐形動物和扁形動物各1種（夏、冬季均出現(xiàn)）。

大型底棲動物的總種類數為（38±9）種，夏、冬季的種類數分別為（30±9）種和（17±4）種。經單因素方差分析，夏、冬季的種類數有顯著性差異（F=10.762，P=0.007）。大型底棲動物種類數最多和最少的年份分別是2010年和2014年，種類數的年度變化由多到少依次為2010年（51種）、2011年（47種）、2015年（41種）、2009年（38種）、2013年（33種）、2012年（29種）、2014年（26種）。各類群動物的種類數占比由大到小依次為多毛類環(huán)節(jié)動物（39.2%）、軟體動物（30.0%）、甲殼動物（16.9%）、棘皮動物（6.9%）、其他類群動物（6.9%），多毛類環(huán)節(jié)動物和軟體動物為XX核電廠鄰近海域大型底棲動物的主要類群。夏、冬季航次大型底棲動物的種類數如圖1所示。

由圖1可以看出：①夏季航次大型底棲動物種類數最多和最少的年份分別是2010年和2014年，以多毛類環(huán)節(jié)動物和軟體動物為主，其中環(huán)節(jié)動物種類數占比最高和最低的年份分別是2013年（61.9%）和2012年（30.8%），軟體動物種類數占比最高和最低的年份分別是2010年（45.2%）和2013年（9.5%）;②冬季航次大型底棲動物種類數最多和最少的年份分別是2010年和2015年，以多毛類環(huán)節(jié)動物為主，環(huán)節(jié)動物種類數占比最高和最低的年份分別是2015年（58.3%）和2009年（46.2%）。

2.2 數量組成和變化

2009—2015年研究區(qū)域內大型底棲動物的總密度和總生物量如圖2所示。

大型底棲動物的平均總密度為（198±72）ind/m2，夏、冬季的平均密度分別為（135±59）ind/m2和（63±54）ind/m2。經單因素方差分析，夏、冬季的平均密度有顯著性差異（F=5.887，P=0.03）。其中，由于2012年冬季出現(xiàn)大量多毛類動物稚齒蟲，其密度為歷年最高，而2009年的密度最低。多毛類動物為主要密度優(yōu)勢類群，平均密度為（102±50）ind/m2，占平均總密度的51.3%。

大型底棲動物的平均總生物量為（46.09±27.27）g/m2，夏、冬季的平均生物量分別為（29.25±24.55）g/m2和（16.84±11.54）g/m2。經單因素方差分析，夏、冬季的平均生物量無顯著性差異（F=1.466，P=0.25）。其中，由于2015年出現(xiàn)大量軟體動物棒錐螺，其生物量為歷年最高，而2009年的生物量最低。軟體動物為主要生物量優(yōu)勢類群，平均生物量為（21.37±23.51）g/m2，占平均總生物量的46.4%。

2.3 優(yōu)勢種組成和變化

根據各種底棲動物的環(huán)境敏感度和相關文獻的規(guī)定[9-11]，可將優(yōu)勢種劃分為5個不同的生態(tài)組（同屬物種的生態(tài)組相同）：①EGⅠ（sensitive）為干擾敏感種，對富有機物質非常敏感，僅能在沒有污染的生境生存;②EG Ⅱ（indifferent）為干擾不敏感種，呈低密度，且隨時間變化呈無關緊要的變化;③EG Ⅲ（tolerant）為干擾耐受種，能忍受富有機物質，且在有機物質的刺激下種群密度較高;④EG Ⅳ（secondorder opportunistic species）為二級機會種，以小個體的多毛類動物居多;⑤EG Ⅴ（firstorder opportunistic species）為一級機會種，即耐污種。

2009-2015年夏季研究區(qū)域大型底棲動物群落物種的相對重要性指數和生態(tài)組如表1所示。

由表1可以看出：①夏季航次大型底棲動物群落優(yōu)勢種（IRI>1 000）相對重要性指數的年度差異較大，其中最大值為2015年的棒錐螺（IRI=10 856），最小值為2010年的棒錐螺（IRI=1 009）。②從生態(tài)組來看：2011年和2015年僅有1個優(yōu)勢種，分別為薄云母蛤和棒錐螺，且均為干擾敏感種（EG Ⅰ）;2013年的2個優(yōu)勢種（不倒翁蟲和西方似蟄蟲）均為干擾耐受種（EG Ⅲ）;2009年和2012年的優(yōu)勢種也出現(xiàn)干擾耐受種（EG Ⅲ），分別為絲異須蟲和不倒翁蟲。③從類群來看：2009年、2012年和2013年的優(yōu)勢種有多毛類環(huán)節(jié)動物，2009-2011年和2015年的優(yōu)勢種有軟體動物，2009年、2010年和2012年的優(yōu)勢種有甲殼動物，2014年的優(yōu)勢種首次出現(xiàn)棘皮動物（海地瓜和棘刺錨參）。

2009-2015年冬季研究區(qū)域大型底棲動物群落物種的相對重要性指數和生態(tài)組如表2所示。

由表2可以看出：①冬季航次大型底棲動物群落優(yōu)勢種（IRI>1 000）相對重要性指數的最大值為2012年的稚齒蟲（IRI=5 054），最小值為2012年的小莢蟶（IRI=1 117）。②從生態(tài)組來看：常見優(yōu)勢種（雙鰓內卷齒蠶）為干擾敏感種（EG Ⅰ）;2009年和2012年的優(yōu)勢種出現(xiàn)干擾耐受種（EG Ⅲ）;2012年的優(yōu)勢種首次出現(xiàn)二級機會種（EG Ⅳ），即稚齒蟲，且其為該航次的第一優(yōu)勢種。③從類群來看：除2015年的優(yōu)勢種為軟體動物外，其余年份基本以多毛類環(huán)節(jié)動物為主;2014年是唯一出現(xiàn)棘皮動物優(yōu)勢種的年份，即薄倍棘蛇尾和棘刺錨參，其中棘刺錨參在所有夏季航次中均出現(xiàn)，但在冬季航次僅在2012年和2014年出現(xiàn)。

從總體來看：2009-2015年夏、冬季研究區(qū)域內大型底棲動物群落的優(yōu)勢種共有17種，生態(tài)組主要為干擾敏感種（EG Ⅰ）、干擾不敏感種（EG Ⅱ）和干擾耐受種（EG Ⅲ）;2009年（夏、冬季）、2012年（夏、冬季）和2013年（夏季）的優(yōu)勢種均出現(xiàn)干擾耐受種（EG Ⅲ）;2012年（冬季）的優(yōu)勢種首次出現(xiàn)二級機會種（EG Ⅳ），且該物種為該航次的第一優(yōu)勢種;2015年（夏、冬季）僅有1個優(yōu)勢種即軟體動物棒錐螺，且為干擾敏感種（EG Ⅰ）。

2.4 大型底棲生物污染指數評價

大型底棲生物污染指數評價方法是將圖形數字化的生態(tài)評價方法，無須根據時空對照樣品，而僅須考慮密度、生物量和種類數3個參數。

2009-2015年研究區(qū)域內大型底棲動物污染指數和環(huán)境質量如表3所示。

由表3可以看出：①夏季航次的MPI均值為-20.11～-1.07，最大值和最小值分別出現(xiàn)在2012年和2009年;環(huán)境質量除2012年和2013年為輕度污染外，其余年份均為清潔，年際變化規(guī)律為2009-2012年逐年變差（由清潔轉為輕度污染），而2012-2015年又逐年改善（由輕度污染轉為清潔）。②冬季航次的MPI均值為-14.61～0.18，最大值和最小值分別出現(xiàn)在2011年和2010年;環(huán)境質量包括清潔、輕度污染和中度污染3種情況，其中2011年為中度污染，2012年、2013年和2015年為輕度污染，2009年、2010年和2014年為清潔。

從總體來看，2009-2015年研究區(qū)域的環(huán)境質量處于清潔到輕度污染的水平，其中夏季航次的環(huán)境質量優(yōu)于冬季航次，經單因素方差分析，二者無顯著性差異（F=3.250，P=0.10）。

3 討論

3.1 溫排水對大型底棲動物種類數、密度和生物量的影響

底棲動物屬變溫動物，體溫與水溫相等或相近，因此溫排水附近海域的水體增溫易使該海域底棲動物的群落結構發(fā)生變化。關于影響程度，目前國內外學者認為：①只要溫度不是過高和影響范圍不是過大，不會對底棲動物造成很大危害;②夏季的強增溫區(qū)內底棲動物會減少，但如增溫區(qū)僅限于海水表層，則對底棲動物沒有影響;③根據季節(jié)的不同，水溫對底棲動物的影響有所差別;④水溫升高對底棲動物的種類數和生物量沒有顯著性和規(guī)律性的影響;⑤法國某項研究結果表明，只有靠近排水口3 km2海域內的底棲生物才受到顯著影響[12-13]。與此同時，也有學者持不同觀點：劉蓮等[14]認為在核電廠試運行后，其鄰近海域底棲生物的種類數和生物量均明顯減少，優(yōu)勢種也明顯變化，生物多樣性指數、豐富度和均勻度較低且呈明顯下降的趨勢，底棲生態(tài)系統(tǒng)受到明顯擾動;王友紹等[15]根據20年來獲得的中國科學院南海海洋研究所大亞灣海洋生物綜合實驗站的大量現(xiàn)場觀測數據，發(fā)現(xiàn)大亞灣尤其是核電站附近海域底棲生物的種類數明顯減少，且夏季尤為明顯。

XX核電廠于2012年試運行，根據本研究的調查結果：夏季大型底棲動物的種類數自2012年呈明顯下降趨勢，但到2015年又明顯回升;冬季大型底棲動物的種類數自2012年呈上升趨勢，但到2015年又明顯下降;夏、冬季大型底棲動物的密度和生物量未表現(xiàn)出規(guī)律性的變化。因此，截至2015年，XX核電廠溫排水對鄰近海域大型底棲動物的種類數、密度和生物量均未產生明顯影響。

3.2 大型底棲動物優(yōu)勢種的變化原因

3.2.1 底質狀況

XX核電廠鄰近海域大型底棲動物的種類組成以多毛類環(huán)節(jié)動物和軟體動物為主，其中多毛類動物為主要密度優(yōu)勢類群，軟體動物為主要生物量優(yōu)勢類群。研究區(qū)域的底質類型以黏土質粉砂為主，大量細顆粒泥沙為營埋棲生活的小型雙殼類、甲殼類、淺穴居類、小型多毛類和棘刺錨參等提供良好的棲息環(huán)境，因此上述底棲動物一直是研究區(qū)域的優(yōu)勢種。王愛軍等[16]發(fā)現(xiàn)相對均一的黏土質粉砂更適合貝類生長。這可能為棒錐螺在研究區(qū)域內大量增殖提供適宜的沉積環(huán)境。

3.2.2 人為活動

XX核電廠自2008年開工至2009年12月以來處于大規(guī)模圍填海階段，鄰近海域沉積物環(huán)境處于擾動狀態(tài)，優(yōu)勢種出現(xiàn)干擾耐受種（EG Ⅲ）。2012年XX核電廠試運行，溫排水對大型底棲動物的生態(tài)環(huán)境產生干擾，冬季的優(yōu)勢種甚至出現(xiàn)二級機會種（EG Ⅳ），且成為絕對優(yōu)勢種。從總體來看，在XX核電廠試運行前（2012年前），大型底棲動物群落夏季的物種分布較冬季更加均勻，而試運行后（2012年后）則相反。

3.2.3 食物鏈改變

大型底棲動物群落是海洋生態(tài)系統(tǒng)食物鏈的重要環(huán)節(jié)，受到許多生物之間相互作用的復雜影響[17-18]。過度捕撈、陸源污染、人工養(yǎng)殖和溫排水等日益劇烈的人為活動干擾都會改變海洋生態(tài)系統(tǒng)食物鏈，其中高強度的漁業(yè)捕撈是重要影響因素。例如：1962-1988年我國大規(guī)模的捕蝦活動[19]導致20世紀70年代末期金星蝶鉸蛤等蝦類餌料生物的優(yōu)勢地位迅速上升[20]。

近年來研究區(qū)域在4-6月都會發(fā)生東海原甲藻赤潮，在一定程度上削弱硅藻食物鏈，并通過食物鏈的傳遞作用影響漁業(yè)資源結構[21]，具體表現(xiàn)為：個體較大和營養(yǎng)層級較高的種類逐漸被個體較小和營養(yǎng)層級較低的種類代替，且肉食性魚類逐漸減少;捕食天敵的減少使作為餌料生物的種類迅速繁殖，并占據絕對優(yōu)勢地位。

3.3 對核電取水安全存在潛在風險的大型底棲動物

2015年8-9月，棘皮動物海地瓜大規(guī)模進入XX核電廠鼓網，對核電循環(huán)冷卻水系統(tǒng)取水造成一定的影響。根據本研究對歷年優(yōu)勢種的分析結果，海地瓜僅在2014年和2015年的夏季出現(xiàn)，并分別成為第一優(yōu)勢種和重要種。

根據海地瓜的主要生理特征，對核電循環(huán)冷卻水系統(tǒng)取水存在潛在風險的海洋生物須滿足4個特征：①數量多或密度高;②個體重量大，直徑或體長大于3 mm;③運動能力弱，易隨海水流動而移動;④易聚集或暴發(fā)性增殖。因此，結合本研究的調查結果，除海地瓜外，對XX核電廠取水安全可能產生潛在影響的大型底棲動物還包括棒錐螺、棘刺錨參、爪哇擬塔螺和小莢蟶。

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