河流岸帶濕地沉積物重金屬分布對(duì)植被物種多樣性和底棲動(dòng)物群落特征的影響

馬 康,史 璇,尤曉光,3,劉靜玲,*

1 北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院水環(huán)境模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875 2 北京師范大學(xué)流域環(huán)境生態(tài)工程研發(fā)中心, 珠海 519087 3 交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院, 北京 100088

河流生態(tài)系統(tǒng)中自然存在重金屬微量元素,主要來(lái)源于巖石侵蝕、水動(dòng)力遷移等地球化學(xué)作用。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,人類生產(chǎn)生活直接或間接向自然水體中排放大量重金屬,成為水體中重金屬的主要來(lái)源,對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)造成不同程度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。重金屬污染物具有高毒性、不可降解性和生物蓄積性等特點(diǎn),進(jìn)入河流后大量滯留在水體中,被水體中懸浮物吸附,沉積在河流沉積物中[1]。長(zhǎng)期沉積作用使河流沉積物成為河流重金屬主要受體,當(dāng)水環(huán)境條件改變,重金屬重新進(jìn)入水體,形成“二次污染”。因而,河流沉積物不僅是重金屬主要儲(chǔ)存庫(kù),也是重金屬潛在釋放源,即使污染源消除，受重金屬污染的沉積物也可以長(zhǎng)時(shí)間緩慢釋放重金屬,從而延長(zhǎng)重金屬污染時(shí)間,對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)健康具有長(zhǎng)期影響。

河流沉積物不僅是河流重金屬污染物的重要貯存庫(kù)和釋放源,還是河流濕地生物如植物、大型無(wú)脊椎動(dòng)物的重要棲息地[2- 3]。沉積物釋放的重金屬通過(guò)水流遷移或富集作用進(jìn)入植物體內(nèi),對(duì)生物體產(chǎn)生毒性效應(yīng),使得抗逆性低的植被死亡,降低植物群落多樣性[4]。沉積物-水界面是底棲動(dòng)物主要生活場(chǎng)所,重金屬污染的細(xì)沉積物可被底棲動(dòng)物吞食[5],使無(wú)脊椎動(dòng)物生長(zhǎng)受到抑制,底棲動(dòng)物群落受到破壞[6- 7]。例如Costas等[8]研究發(fā)現(xiàn)沉積物重金屬含量與底棲生物群落結(jié)構(gòu)多樣性指標(biāo)顯著相關(guān),重金屬污染點(diǎn)位EPT昆蟲(chóng)(蜉蝣目Ephemeroptera、襀翅目Plecoptera和毛翅目Trichoptera)數(shù)目顯著高于參照點(diǎn)。類似的, Bere等[9]研究表明沉積物金屬改變了大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物群落物種組成,且重金屬污染程度較低時(shí)對(duì)底棲動(dòng)物群落組成的影響依舊顯著。

灤河隸屬于海河流域,是京津冀城市群的重要水源地,也是北方重要的生物棲息地,其生態(tài)健康對(duì)于區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)以及生態(tài)等方面可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。進(jìn)入21世紀(jì),隨著城市化進(jìn)程和工農(nóng)業(yè)發(fā)展,灤河水環(huán)境受到人類活動(dòng)嚴(yán)重影響,例如,流域徑流減少[10],部分河段富營(yíng)養(yǎng)化[11],水體重金屬含量超標(biāo)[12- 13],水和沉積物中存在化學(xué)品多環(huán)芳烴(PAHs)污染的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[14]。河流污染物對(duì)生物群落具有生物毒性和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),因而,明確沉積物重金屬分布與濕地生物群落特征的關(guān)系是當(dāng)前河流生態(tài)管理和保護(hù)亟待解決的問(wèn)題。

本研究以灤河岸帶濕地為研究對(duì)象,采用沉積物生物毒性效應(yīng)系數(shù)法和內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)沉積物重金屬污染生物毒性和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),通過(guò)計(jì)算植被物種多樣性指數(shù)和底棲動(dòng)物完整性指數(shù)探究灤河植被和底棲動(dòng)物群落特征,分析沉積物重金屬分布、植被和底棲群落特征的關(guān)系,旨在為灤河流域河流生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

灤河流域(115°34′—119°50′E,39°02′—42°43′N)地跨蒙古高原和華北平原,地勢(shì)由西北向東南傾斜,面積約4.47萬(wàn)km2。灤河發(fā)源于河北省豐寧滿族自治縣西北巴彥古圖爾山麓,上游屬內(nèi)蒙古高原區(qū),中游為華北山地丘陵區(qū),下游為冀北平原區(qū),由河北樂(lè)亭縣入渤海,水系呈羽狀分布,全長(zhǎng)約888 km。灤河流域年均降水量553.2 mm,夏季多冬季少,汛期為7—8月,枯水期為1—2月,受降雨量影響,徑流量年內(nèi)變化較大,平均徑流量47.9億m3,氣候?yàn)榈湫蜏貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候[15]。

1.2 樣點(diǎn)布設(shè)和數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)已有研究對(duì)灤河流域生態(tài)分區(qū),結(jié)合兩岸地形、氣候、植被、土壤類型等特點(diǎn),在河流上游高原區(qū)(L1—L4)、中游山區(qū)(L5—L10)、下游平原區(qū)(L11—L14),依次布設(shè)L1-大灘鎮(zhèn)(41°34′42″N, 115°59′18″E)、L2-白城子(41°19′05″N, 116°28′31″E)、L3-石人溝(41°21′23″N, 116°20′35″E)、L4-紅旗營(yíng)房(42°04′16″N, 116°42′37″E)、L5-外溝門(41°52′148″N, 115°33′32″E)、L6-郭家屯(41°34′53″N, 117°05′53″E)、L7-太平莊(41°13′28″N, 117°22′50″E)、L8-西溝(41°08′55″N, 117°29′52″E)、L9-張百灣(40°59′42″N, 117°29′30″E)、L10三道河(40°58′04″N, 117°42′52″E)、L11-遷西大橋(40°09′37″N, 118°18′43″E)、L12-馬蘭莊(40°06′53″N, 118°37′01″E)、L13-王家樓(39°34′37″N, 118°52′49″E)、L14-姜各莊(39°27′39″N, 119°08′12″E)共計(jì)14個(gè)樣地,于2014年7月從灤河源頭到河口進(jìn)行野外采樣和實(shí)地調(diào)查。

圖1 灤河采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Locations of sampling sites of Luanhe River

采用樣方法在灤河岸帶植被類型樣地進(jìn)行取樣,植被調(diào)查采樣面積參照草本層設(shè)計(jì),每個(gè)樣點(diǎn)處設(shè)置10個(gè)2 m×2 m樣方,總計(jì)140個(gè)樣方,記錄樣方植被覆蓋度、物種豐度、物種名稱等植被信息。底棲動(dòng)物樣品利用直徑1/16 m2采泥器在河岸帶區(qū)域采集,每個(gè)點(diǎn)位采集多于3個(gè)子樣品混合,樣品經(jīng)過(guò)0.595 mm篩網(wǎng)過(guò)濾,保存于75%乙醇,利用解剖鏡或顯微鏡分類鑒定底棲動(dòng)物分類單元(種或?qū)?,稱量?jī)糁?。沉積物樣品利用彼得遜采泥器在14個(gè)樣地采集0—10 cm深度表層沉積物,每個(gè)樣地在河岸帶采集3個(gè)樣品,同一樣地沉積物樣品混合后放入聚乙烯塑料袋中密封保存,在實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干,剔除動(dòng)植物殘?bào)w等雜質(zhì)待測(cè)。沉積物樣品過(guò)100目尼龍篩,采用HF-HNO3-HClO4三酸混合,經(jīng)石墨消解儀(SH220N)消解后,利用島津火焰原子吸收分光光度計(jì)(GFA- 6880)測(cè)定沉積物重金屬Ni、Cr、Zn、Cu、Pb和Cd的含量[16]。實(shí)驗(yàn)中所用試劑均為優(yōu)級(jí)純,用水為超純水,分析過(guò)程中采用沉積物標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)(GSD- 9和GSD- 11)進(jìn)行質(zhì)量控制,各元素回收率在94%—105%之間,測(cè)量誤差均小于10%。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

應(yīng)用EXCEL 2016軟件對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,采用SPSS 23.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,采用Origin 2017軟件繪圖,進(jìn)行采用Canoco 5.0對(duì)生物群落指標(biāo)與沉積物環(huán)境因子進(jìn)行主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)。

1.3.1重金屬污染評(píng)價(jià)

根據(jù)沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)值(sediment quality guideline values, SQGs)[17]的生物毒性效應(yīng)范圍值計(jì)算效應(yīng)系數(shù)(effects range-median quotient, ERMQ)評(píng)價(jià)不同采樣點(diǎn)沉積物生物毒性危害等級(jí)[18],采用綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(Integrated potential ecological risk index,RI)對(duì)沉積物重金屬綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)[19],其中ERMQ和RI評(píng)價(jià)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1,計(jì)算公式如下：

表1 重金屬污染評(píng)價(jià)等級(jí)劃分

1.3.2植被物種多樣性評(píng)價(jià)

植被物種多樣性評(píng)價(jià)采用以下3種指標(biāo)： 物種豐富度指數(shù)(S)、Shannon-Wiener指數(shù)(H)、Pielou均勻度指數(shù)(J),計(jì)算公式如下[22]：

J=H′/lnS

H′=-∑pilnpi

其中,pi表示種i出現(xiàn)的頻度,即重要值,S為物種數(shù)(物種豐富度指數(shù)),N為個(gè)體總數(shù)。

1.3.3底棲動(dòng)物完整性評(píng)價(jià)

研究團(tuán)隊(duì)選取表征底棲動(dòng)物多樣性和豐度(Diversity and Abundance, D/A)、耐污敏感性(Sensitivity and Tolerance, S/T)及功能攝食類群(Functional Feeding Groups, FFGs)的31個(gè)候選指標(biāo),通過(guò)分布范圍分析、敏感性分析和冗余分析篩選顯著區(qū)分參照點(diǎn)和受損點(diǎn)的核心指標(biāo),核心指標(biāo)由蜉蝣目、襀翅目和毛翅目個(gè)體數(shù)之和百分比(EPT%)、物種耐污性綜合指數(shù)BI (Biotic Index)和收集者攝食類群百分比(Collect-Gatherers%)三個(gè)指標(biāo)組成,通過(guò)驗(yàn)證和標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)建底棲動(dòng)物完整性指數(shù)(B-IBI, Benthic Macroinvertebrate-based Index of Biotic Integrity),詳細(xì)方法見(jiàn)團(tuán)隊(duì)已發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)[23- 24]。

2 研究結(jié)果

2.1 灤河表層沉積物重金屬分布特征

灤河沉積物重金屬元素含量見(jiàn)表2,灤河沉積物重金屬元素Ni、Cr、Zn、Cu、Pb和Cd的平均值分別為33.66 mg/kg、37.64 mg/kg、36.06 mg/kg、12.79 mg/kg、6.76 mg/kg和0.09 mg/kg,其中僅Ni元素超過(guò)了背景值,說(shuō)明灤河水系無(wú)明顯重金屬污染。重金屬Ni、Cr、Zn、Cu、Pb和Cd的變異系數(shù)分別為0.42、0.43、0.78、1.39、0.65和0.60,說(shuō)明灤河水系沉積物重金屬空間分布具有較大差異,特別是Zn和Cu離散程度較大,分布極不均勻。查閱文獻(xiàn),灤河沉積物重金屬歷史值見(jiàn)表2,2010年重金屬Cr、Cu、Cd含量分別是背景值1.98、5.21,2.55倍,重金屬污染十分嚴(yán)重,2013年灤河沉積物重金屬含量顯著降低,本研究中沉積物Ni、Cr、Zn、Cu、Pb和Cd分別為背景值的1.09、0.55、0.46、0.59、0.31、0.93、0.02、0.09倍,沉積物質(zhì)量明顯改善。

灤河沉積物重金屬效應(yīng)系數(shù)ERMQ和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI結(jié)果如圖2所示。研究結(jié)果表明,灤河水系上游、中游和下游沉積物重金屬ERMQ范圍為0.09—0.12、0.09—0.16和0.07—0.28,在下游L14-姜各莊點(diǎn)位最低,在下游L12-馬蘭莊鎮(zhèn)點(diǎn)位最高。上、中、下游點(diǎn)位均位于低級(jí)和中低級(jí),但下游點(diǎn)位總體高于上中游點(diǎn)位,且波動(dòng)較大。綜合潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)上游、中游和下游范圍分別為31.13—47.75、23.35—66.11、22.49—112.37,在下游L14-姜各莊點(diǎn)位最低,在下游L12-馬蘭莊鎮(zhèn)點(diǎn)位最高,與ERMQ評(píng)價(jià)結(jié)果一致,所有點(diǎn)位風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)處于低風(fēng)險(xiǎn)水平,下游重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)總體高于上中游。對(duì)不同河段沉積物重金屬效應(yīng)系數(shù)ERMQ和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI進(jìn)行非參數(shù)檢驗(yàn)(Kruskal-Wallis法),檢驗(yàn)結(jié)果表明,灤河干流上中下游沉積物沉積物重金屬效應(yīng)系數(shù)ERMQ具有顯著性差異(P<0.05)。

表2 灤河沉積物樣品重金屬元素含量(mg/kg)統(tǒng)計(jì)

圖2 灤河沉積物重金屬效應(yīng)系數(shù)ERMQ和潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RIFig.2 Effects range-median quotient (ERMQ) values and potential ecological risk indices (RI) of heavy metals in sediments

2.2 灤河岸帶濕地植被物種分布特征

野外調(diào)查共識(shí)別維管束植物共計(jì)50科93屬219種,其中本地物種273種,外來(lái)物種54種。植物群落以被子植物為主,主要科系依次為菊科(42種)、禾本科(32種)、蓼科(12種)、豆科(11種)、薔薇科(11種)、莎草科(9種)、十字花科(9種)、藜科(6種),分別占總物種數(shù)的19.2%、14.6%、5.5%、5.5%、5.5%、4.1%、4.1%、2.7%,9個(gè)科系植物占所有物種的70.0%。植物區(qū)系優(yōu)勢(shì)科明顯,灤河上游為高原草甸,主要可見(jiàn)“披堿草(ElymusdahuricusTurcz.)+委陵菜(PotentillachinensisSer.)”、“藨草(ScirpustriqueterLinn.)+節(jié)節(jié)菜(Rotalaindica(Willd.) Koehne)+地榆(SanguisorbaocinalisL.)”和“野艾蒿(ArtemisialavandulaefoliaDC.)+藜(ChenopodiumserotinumLinn.)”等為優(yōu)勢(shì)種的群落,草甸中伴生有水楊梅(GeumaleppicumJacq.)、地榆(SanguisorbaocinalisL.)、萹蓄(PolygonumaviculareL.)等,其余雜類草群落成分繁雜,優(yōu)勢(shì)種不明顯。中游為山區(qū)植被,主要可見(jiàn)以“委陵菜(PotentillachinensisSer.)+無(wú)芒雀麥(BromusinermisLayss. Linn.)”、“扁稈藨草(ScirpusplaniculmisFr. Schmidt)+老芒麥(ElymussibiricusLinn.)”和“澤芹(SiumsuaveWalt.)+大刺兒菜(Cephalanoplossetosum(willd.) kitam.)+地筍(LycopuslucidusTurcz.)”等為優(yōu)勢(shì)種的群落,草甸中伴生有冬葵(MalvacrispaLinn.)、地膚(Kochiascoparia(Linn.) Schrad.)、蒼耳(XanthiumsibiricumPatrin ex Widder.)等。下游為平原植被,主要可見(jiàn)“附地菜(Trigonotispeduncularis(Trev.) Benth. ex Baker et Moore)+水芹(ArtemisialavandulaefoliaDC.)”、“野艾蒿(ArtemisialavandulaefoliaDC.)+附地菜(Trigonotispeduncularis(Trev.) Benth. ex Baker et Moore)”和“白茅(Imperatacylindrica(Linn.) Beauv.)+蘆葦(Phragmitesaustralis(Cav.) Trin. ex Steud.)”等為優(yōu)勢(shì)種的群落,草甸中伴生有圓葉牽牛(Pharbitispurpurea(L.) Voigt)、菖蒲(AcoruscalamusL.)、蘿藦(Metaplexisjaponica(Thunb.) Makino)等。

綜合物種數(shù)、個(gè)體數(shù)、分布特性等植被調(diào)查信息,計(jì)算植物群落物種多樣性指數(shù)(物種豐度指數(shù)S、Shannon-Wiener指數(shù)H和Pielou均勻度指數(shù)J)定量反映植物群落物種多樣性特征,結(jié)果如圖3所示。物種豐富度指數(shù)S范圍為5.75—12.33,中游L9-西溝點(diǎn)位最高,下游L15-姜各莊點(diǎn)位最低,上、中、下游平均值分別為8.65、8.37、7.20；Shannon-Wiener指數(shù)H范圍為2.25—3.30,中游L9-西溝點(diǎn)位最高,下游L13-馬蘭莊鎮(zhèn)點(diǎn)位最低,上、中、下游平均值分別為3.13、2.92、2.33；Pielou均勻度指數(shù)J范圍為21.75—40.91,中游L9-西溝點(diǎn)位最高,下游L14-王家樓村點(diǎn)位最低,上、中、下游平均值分別為30.53、30.57、23.47?？傮w來(lái)看,上游和中游群落物種多樣性指數(shù)波動(dòng)較小,二者高于下游,說(shuō)明上游和中游植被種類最多,群落復(fù)雜程度最高,且群落分布較為均勻。對(duì)不同河段植物群落物種多樣性指數(shù)的非參數(shù)檢驗(yàn)(Kruskal-Wallis法)結(jié)果表明,灤河干流上中下游Shannon-Wiener指數(shù)H和Pielou均勻度指數(shù)J具有顯著性差異(P<0.05)。

圖3 灤河植物群落物種多樣性指數(shù) Fig.3 Vegetation species diversity index in Luanhe River

2.3 灤河底棲動(dòng)物群落分布特征

灤河水系共采集底棲動(dòng)物105種,屬于節(jié)肢動(dòng)物、環(huán)節(jié)動(dòng)物和軟體動(dòng)物等三大類,其中節(jié)肢動(dòng)物76種,占比72.4%,環(huán)節(jié)動(dòng)物18種,占比17.1%,軟體動(dòng)物10種,占比9.5%。優(yōu)勢(shì)類群為節(jié)肢動(dòng)物門的昆蟲(chóng)綱,共33科71屬73種,占全部種類的69.5%。EPT昆蟲(chóng)對(duì)棲息地生境變化十分敏感,通常生活在清潔河流水環(huán)境中,常作為河流水系清潔的指示生物[29]。本研究中EPT昆蟲(chóng)總物種數(shù)為17種,占調(diào)查發(fā)現(xiàn)的水生昆蟲(chóng)物種數(shù)的16.2%,蜉蝣目7科10屬,襀翅目2科2屬,毛翅目4科4屬。

灤河水系底棲動(dòng)物生物量和密度如圖4所示,生物量范圍為0.31—67.03 g/m2,最低點(diǎn)位為L(zhǎng)6-外溝門,最高點(diǎn)位為L(zhǎng)14-遷西大橋,上、中、下游平均值分別為4.13、1.35、33.31 g/m2。密度范圍為3.85—414.00 個(gè)/m2,最低點(diǎn)位為L(zhǎng)2-白城子,最高點(diǎn)位為L(zhǎng)12-馬蘭莊鎮(zhèn),上、中、下游平均值分別為132.46、99.83、190.00 g/m2。研究團(tuán)隊(duì)基于蜉蝣目、襀翅目和毛翅目個(gè)體數(shù)之和的百分比(EPT%)、物種耐污性綜合指數(shù)(Biotic Index, BI)和收集者攝食類群的百分比(Collect-Gatherers%)三個(gè)指標(biāo),建立底棲動(dòng)物完整性指數(shù)(B-IBI)表征底棲動(dòng)物群落的結(jié)構(gòu)功能特征,綜合評(píng)價(jià)河流生態(tài)系統(tǒng)健康。灤河干流水系14個(gè)點(diǎn)位B-IBI均值為0.41,變化范圍為0.15—0.79,最大值為L(zhǎng)6-外溝門,最小值為L(zhǎng)2-白城子,上中下游點(diǎn)位平均值分別為0.56、0.29、0.28,中游B-IBI指數(shù)高于上游和下游,對(duì)B-IRHI指數(shù)進(jìn)行等級(jí)劃分,優(yōu)級(jí)(0.75—1.0)、良(0.50—0.75)、中(0.25—0.50)、差(0—0.25)點(diǎn)位數(shù)分別占比7.14%、42.86%、28.57%、28.57%,說(shuō)明灤河干流底棲動(dòng)物完整性總體良好,但上游和下游較差?；贙ruskal-Wallis法的不同河段底棲動(dòng)物完整性指數(shù)非參數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果為,下游B-IBI指數(shù)低于上游和中游,具有顯著性差異(P<0.05)。

圖4 灤河底棲動(dòng)物密度、生物量和底棲動(dòng)物完整性指數(shù) (B-IBI) 值Fig.4 The macroinvertebrate density, biomass and benthic macroinvertebrate-based index of biotic integrity (B-IBI) in Luanhe River

2.4 生物群落對(duì)沉積物污染因子的響應(yīng)

對(duì)灤河水系沉積物重金屬、岸帶濕地植物和大型底棲動(dòng)物特征信息進(jìn)行主成分分析(圖5),PC1解釋了總方差的65.43%,PC2解釋了方差的22.99%。對(duì)第一排序軸作用最大的生境因子是生物毒性效應(yīng)系數(shù)(ERMQ),沉積物重金屬污染程度與物種多樣性指數(shù)呈負(fù)相關(guān),與底棲動(dòng)物完整性指數(shù)(B-IBI)呈負(fù)相關(guān)。重金屬Zn、Cu、Cr、Pb作為主要環(huán)境因子,顯著影響了灤河水系植物群落物種多樣性和底棲動(dòng)物群落。

圖5 沉積物特征和植被、底棲動(dòng)物因子的主成分分析Fig.5 Principal component analysis (PCA) of macroinvertebrate species, vegetation communities, and sediment indicators

3 討論

河流沉積物重金屬污染具有長(zhǎng)期潛在的危害, 重金屬能對(duì)底棲生物和植被產(chǎn)生毒性效應(yīng),進(jìn)而可能通過(guò)遷移進(jìn)入食物鏈危害人類健康。本研究中,灤河干流岸帶濕地沉積物無(wú)明顯重金屬污染,說(shuō)明該流域水系較為清潔,這與已有研究結(jié)果基本一致[28]。查閱文獻(xiàn),分析灤河沉積物歷史研究發(fā)現(xiàn),2008—2013年表層沉積物重金屬含量顯著升高,污染較為嚴(yán)重,說(shuō)明該歷史時(shí)間段水體吸納了大量污染物,表層沉積物受到嚴(yán)重污染。灤河作為京津冀地區(qū)重要水源地,近年來(lái)管理部門投入大量資金進(jìn)行專項(xiàng)整治,重金屬污染水平逐漸降低,但部分河段水質(zhì)和沉積物重金屬含量仍舊超標(biāo),本研究中重金屬污染程度上中下游空間差異較大,污染程度隨河流流向呈上升趨勢(shì),下游河段沉積物重金屬污染相比于上中游河段仍處于較高污染水平。變異系數(shù)能夠表征不同樣點(diǎn)間重金屬含量離散和均勻程度[30],本研究中灤河岸帶濕地沉積物重金屬含量變異程度較大,一定程度上說(shuō)明人類活動(dòng)可能對(duì)灤河水系沉積物重金屬分布造成影響。

河流重金屬來(lái)源與周邊城市分布和人類活動(dòng)密切相關(guān)[31],灤河上游和中游分別位于高原和山區(qū),生態(tài)環(huán)境較為原始,人口稀疏且工農(nóng)業(yè)不發(fā)達(dá),但下游為人口密集工業(yè)發(fā)達(dá)的平原區(qū),周邊有大量城市和農(nóng)田,工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可能是灤河重金屬的主要來(lái)源。環(huán)境中Zn 主要來(lái)源于燃煤和鉛鋅礦業(yè),Cu 主要來(lái)源于金屬冶煉等,且Zn、Cu、Cd、Pb 和Cr 普遍存在于農(nóng)藥化肥中,灤河下游流經(jīng)河北省唐山市,該地區(qū)人口密集,冶金工業(yè)發(fā)達(dá),且冶金過(guò)程中會(huì)燃燒大量煤炭,結(jié)合本研究結(jié)果分析可知,灤河重金屬主要來(lái)源為下游平原區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn),特別是下游冶金業(yè)和農(nóng)藥化肥的施用。

植被物種多樣性和底棲動(dòng)物完整性是評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)健康和穩(wěn)定的關(guān)鍵指標(biāo),對(duì)生境健康具有一定指示作用。本研究中灤河上中游植物群落物種多樣性較高,下游較低,這與已有研究結(jié)果一致[32- 33]。河岸帶濕地植物群落與濕地生態(tài)健康密切相關(guān),特別是水體中污染物例如重金屬是植物的重要脅迫因子。重金屬遷移進(jìn)入植物體內(nèi)后能夠?qū)е律锬p傷,光合作用效率下降等毒性效應(yīng),進(jìn)而導(dǎo)致部分耐受性差的植物物種退化、死亡,群落物種多樣性降低。類似的,底棲動(dòng)物也是水環(huán)境質(zhì)量的重要指示生物,對(duì)生境變化十分敏感,當(dāng)其棲息環(huán)境受到擾動(dòng)時(shí),其內(nèi)部群落特征會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變。本研究中,灤河下游沉積物重金屬污染程度高于上中游,但下游底棲動(dòng)物生物量和密度高于上中游河段,分析原因可能為底棲動(dòng)物群落是一個(gè)復(fù)雜動(dòng)態(tài)整體,隨著環(huán)境因子發(fā)生變化,其內(nèi)部群落特征也會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變[34],僅考慮群落整體生物量和密度并不能準(zhǔn)確反映底棲動(dòng)物群落對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)。例如,李晉鵬等[35]分析水庫(kù)底棲動(dòng)物群落對(duì)重金屬污染的響應(yīng),發(fā)現(xiàn)昆蟲(chóng)綱搖蚊科密度隨沉積物中重金屬鉻含量升高而升高。李立強(qiáng)等[36]對(duì)洞庭湖大型底棲動(dòng)物研究發(fā)現(xiàn)寡毛類底棲動(dòng)物較為耐受重金屬污染,其密度與重金屬含量呈極顯著正相關(guān)。Wang等[2]研究表明了以搖蚊為主腹足類昆蟲(chóng)(以搖蚊為主)與沉積物鉻、鉛濃度呈極顯著正相關(guān)。以往研究說(shuō)明隨著河流沉積物污染程度增加,部分耐污種底棲動(dòng)物呈增加趨勢(shì),大型底棲動(dòng)物是河流生態(tài)系統(tǒng)健康的敏感生物,近年來(lái)許多研究者建立底棲動(dòng)物完整性指數(shù)(B-IBI)綜合反映底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)功能特征,評(píng)價(jià)河流生態(tài)系統(tǒng)健康[23- 24]。本研究中灤河下游底棲動(dòng)物完整性較差,說(shuō)明沉積物中重金屬污染改變了河流底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu),耐污種的增加使得群落整體密度和生物量增加,這與已有研究結(jié)果基本一致[37]。

河流岸帶濕地植物和底棲動(dòng)物群落與沉積物質(zhì)量密切相關(guān),例如沉積物粒徑、污染物含量、營(yíng)養(yǎng)鹽水平等特征的改變都可能引起生物群落變化[2]。本研究中沉積物重金屬污染水平與植物群落物種多樣性、底棲動(dòng)物完整性呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,說(shuō)明重金屬污染降低了水環(huán)境質(zhì)量,對(duì)植被和底棲動(dòng)物及濕地棲息地完整性造成脅迫效應(yīng)。

4 結(jié)論與建議

(1)灤河干流沉積物總體清潔,但具有明顯空間差異性,河流下游沉積物重金屬生物毒性危害和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)高于上游和中游,下游工農(nóng)業(yè)是灤河沉積物重金屬主要污染源。

(2)生物群落調(diào)查共識(shí)別維管束植物219種,大型無(wú)脊椎底棲動(dòng)物105種,下游植物群落物種多樣性最低,上游和中游群落物種多樣性指數(shù)波動(dòng)較小,二者高于下游,說(shuō)明上游和中游植被種類最多,群落復(fù)雜程度最高,且群落分布較為均勻。灤河干流上中下游Shannon-Wiener指數(shù)H和Pielou均勻度指數(shù)J具有顯著性差異(P<0.05)。

(3)底棲動(dòng)物完整性下游最差,說(shuō)明上中游河段生境較好,下游植被和底棲動(dòng)物受到環(huán)境因子干擾。灤河干流底棲動(dòng)物完整性總體良好,但上游和下游較差?；贙ruskal-Wallis法的不同河段底棲動(dòng)物完整性指數(shù)非參數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果為,下游B-IBI指數(shù)低于上游和中游,具有顯著性差異(P<0.05)。

(4)主成分分析結(jié)果顯示,對(duì)第一排序軸作用最大生境因子是生物毒性效應(yīng)系數(shù)(ERMQ),沉積物重金屬污染程度與物種多樣性指數(shù)呈負(fù)相關(guān),與底棲動(dòng)物完整性指數(shù)(B-IBI)呈負(fù)相關(guān),說(shuō)明沉積物污染水平是影響河流岸帶濕地生態(tài)健康的重要環(huán)境因子。

河流岸帶沉積物是影響濕地環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)健康重要基質(zhì),灤河流域管理者應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)下游污染源治理,特別是控制工業(yè)點(diǎn)源污染排放和農(nóng)業(yè)面源污染,充分保障灤河水源地生態(tài)安全。河流岸帶濕地是重要生物棲息地,未來(lái)研究中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注河流沉積物典型污染物釋放及其在生物群落內(nèi)部的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程,進(jìn)而揭示河流岸帶濕地棲息地關(guān)鍵生態(tài)功能過(guò)程與污染物特征的響應(yīng)關(guān)系。建議流域管理部門將岸帶濕地植被多樣性和底棲動(dòng)物完整性指數(shù)B-IBI納入河流水文-水環(huán)境水生態(tài)一體化監(jiān)測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中。

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