生物學指數(shù)在感潮河口建閘前后水質(zhì)評價中的應(yīng)用

藍雪春 葉 敏 完顏晟

(1.浙江省水利水電勘測設(shè)計院，浙江 杭州 310002；2.杭州市生態(tài)環(huán)境科學研究院，浙江 杭州 310005)

水體水質(zhì)的好壞會對水生生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。因此，水體中水生生物的生物學指數(shù)對水質(zhì)有一定的指示作用。大型底棲動物作為水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，可以充當分解者的角色，對上層水體沉積下來的物質(zhì)進行分解，對維持水生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動有著至關(guān)重要的作用[1-2]。大型底棲動物具有生命周期長、遷移能力弱、對環(huán)境變化敏感等特點，是水體中對水生態(tài)系統(tǒng)變化和演替具有明顯指示作用的生物類群[3]。在淤泥質(zhì)的河口生態(tài)系統(tǒng)中，底棲亞生態(tài)系統(tǒng)是一個非常重要的動態(tài)中心，而底棲動物群落在這個動態(tài)中心里占據(jù)著非常關(guān)鍵的位置[4]。其中，大型底棲動物的物種組成、群落結(jié)構(gòu)和時空分布可以很好地反映河口生態(tài)系統(tǒng)的水環(huán)境和水生態(tài)變化。所以，利用大型底棲動物的相關(guān)生物學指數(shù)來反映水體污染狀況，開展水環(huán)境評價具有獨特的優(yōu)越性，已被廣泛應(yīng)用于河流水環(huán)境監(jiān)測和評價[5-6]。

ZHAO等[7]研究表明，大型閘壩的建設(shè)和運行會改變自然河流的水文節(jié)律和泥沙的沉積、遷移速率，從而對水生生物產(chǎn)生深遠影響，已經(jīng)成為導(dǎo)致河流生物多樣性變化的重要原因。國內(nèi)利用大型底棲動物的相關(guān)生物學指數(shù)評價閘壩等水利工程對河流水文泥沙條件相對穩(wěn)定的中上游水質(zhì)的影響研究較多。然而相比河流中上游，感潮河口因其特殊的水文泥沙條件和敏感的生態(tài)環(huán)境，使得閘壩等水利工程對其水質(zhì)的影響更加復(fù)雜。因此，選擇合適的生物學指數(shù)來評價閘壩等水利工程對感潮河口水質(zhì)的影響就顯得非常有意義。

曹娥江是錢塘江河口右岸的重要支流，2009年曹娥江河口建成了曹娥江大閘，極大地改變了曹娥江河口段的水環(huán)境和水生態(tài)。本研究根據(jù)2004(建閘前5年)、2010(建閘后1年)、2014(建閘后5年)、2018年(建閘后9年)曹娥江入錢塘江河口段的水質(zhì)和大型底棲動物群落結(jié)構(gòu)的空間分布變化特征，探究采用生物學指數(shù)評價曹娥江河口段曹娥江大閘建成前后的水質(zhì)變化適用性。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

在曹娥江入錢塘江河口段的曹娥江干流上共設(shè)置了4個采樣斷面(見圖1)，從上游到下游分別為上浦閘內(nèi)(S4，29°54′49.26″N、120°50′32.90″E)、新三江閘處(S3，30°8′5.43″N、120°38′40.56″E)、曹娥江大閘內(nèi)(S2，30°13′7.57″N、120°43′45.51″E)和曹娥江大閘外(S1，30°13′45.37″N、120°44′36.65″E)，通過全球定位系統(tǒng)(GPS,易立S7)定位。2004、2010、2014、2018年每年春季在每個采樣斷面設(shè)置3個采樣點采集混合水樣。每個采樣點使用采泥器(ETC-200)采集底泥后用200 μm紗網(wǎng)篩洗干凈，大型底棲動物樣品用5%(質(zhì)量分數(shù))的中性福爾馬林溶液固定保存后帶回實驗室稱量、計數(shù)并鑒定到種。每個采樣斷面每年按月使用聚乙烯采樣瓶采集3個采樣點水面以下0.5 m處的混合水樣，帶回實驗室后參照《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》，采用堿性法測定高錳酸鹽指數(shù)、納氏試劑光度法測定氨氮、鉬銻抗分光光度法測定總磷(TP)，pH、溶解氧(DO)現(xiàn)場使用便攜式雙通道多參數(shù)分析儀(HQ40D)測定。

1.2 評價方法

群落中生物種類越多則群落的復(fù)雜程度越高，群落所含的信息量就越大，即生物多樣性越好。當群落環(huán)境受到污染時，生物多樣性就會降低。因此，可以利用以生物多樣性指數(shù)為代表的生物學指數(shù)對群落環(huán)境質(zhì)量進行評價。常用的評價水環(huán)境質(zhì)量的生物多樣性指數(shù)有Margalef豐富度生物多樣性指數(shù)和Shannon-Wiener生物多樣性指數(shù)，計算公式分別見式(1)和式(2)。各生物學指數(shù)的評價標準見表1[8]。

圖1 研究區(qū)域及采樣斷面Fig.1 Research area and sampling sections

(1)

(2)

式中：D為Margalef豐富度生物多樣性指數(shù)；S為生物總種類數(shù)；N為生物總個體數(shù)；H為Shannon-Wiener生物多樣性指數(shù)；ni為物種i的生物總個體數(shù)。

表1 生物學指數(shù)評價標準Table 1 Evaluation standard of the biological indexes

同時，參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)對水質(zhì)進行化學評價，并且本研究將Ⅰ～Ⅴ類水分別與清潔、輕污染、中污染、重污染和嚴重污染相對應(yīng)，以與生物學指數(shù)進行對比。

2 結(jié)果與討論

2.1 大型底棲動物種類組成

曹娥江河口段的歷次調(diào)查共鑒定出大型底棲動物35種(見表2)，其中環(huán)節(jié)動物14種，占總種類數(shù)的40.0%；甲殼動物10種，占總種類數(shù)的28.6%；軟體動物8種，占總種類數(shù)的22.8%；節(jié)肢動物3種，占總種類數(shù)的8.6%。

2.2 大型底棲動物種數(shù)

由表3可見，在門水平上，曹娥江大閘建成后各采樣斷面鑒定出的大型底棲動物種數(shù)總體表現(xiàn)出較建閘前增加，特別是上浦閘內(nèi)增加尤為明顯。由此說明，曹娥江河口段的水生態(tài)環(huán)境得到了改善。從2004年到2018年，上浦閘內(nèi)和新三江閘處大型底棲動物種數(shù)穩(wěn)步增加，說明曹娥江大閘建成后這兩個采樣斷面大型底棲動物棲息的河床底質(zhì)環(huán)境在持續(xù)改善；而曹娥江大閘內(nèi)、曹娥江大閘外大型底棲動物種數(shù)有波動，可能是因為這兩個斷面的河床底質(zhì)環(huán)境遭受曹娥江大閘修建的劇烈變化，給大型底棲動物適應(yīng)帶來了一定的影響。

表2 曹娥江河口段鑒定出的大型底棲動物1)Table 2 Macrobenthos identified in estuary of Cao’e River

表3 大型底棲動物種數(shù)變化Table 3 Variation of macrobenthos’ kinds

2.3 水質(zhì)評價

由表4可見，Margalef豐富度生物多樣性指數(shù)的評價結(jié)果表明，除上浦閘內(nèi)2004年嚴重污染外，其余各斷面水質(zhì)始終被評價為重污染；Shannon-Wiener生物多樣性指數(shù)的評價結(jié)果比Margalef豐富度生物多樣性指數(shù)保守，雖然評價的污染程度可能比水質(zhì)類別嚴重，但基本與水質(zhì)類別變化趨勢一致。由此說明，生物學指數(shù)比化學評價對水質(zhì)類別更為敏感，但如果指標過于敏感可能反而不能客觀的反映實際水質(zhì)狀況。例如，2004年上浦閘內(nèi)的生物學指數(shù)評價結(jié)果均為嚴重污染，而水質(zhì)類別則為中污染，相差2個等級，原因是2004年上浦閘內(nèi)的大型底棲動物只采集到1種軟體動物(見表3)，出現(xiàn)這種情況很有可能是曹娥江大閘建成前，上浦閘以下屬感潮河口，為避免上浦閘內(nèi)淤積，保證上游防洪安全，上浦閘需經(jīng)常性地開閘泄洪沖淤，導(dǎo)致上浦閘內(nèi)河床底質(zhì)極不穩(wěn)定，大型底棲動物種類因此比較單一；曹娥江大閘建成后，上浦閘以下不再屬感潮河口，上浦閘無需再經(jīng)常性地開閘泄洪沖淤，水文情勢使得河床底質(zhì)趨于穩(wěn)定，給大型底棲動物的生長繁殖創(chuàng)造了條件，因此曹娥江大閘建成前后水質(zhì)的變化并不是很大。這個現(xiàn)象說明，采用生物學指數(shù)評價河床底質(zhì)環(huán)境變化劇烈的河道水質(zhì)時需要慎重。

Shannon-Wiener生物多樣性指數(shù)的評價結(jié)果有50%與水質(zhì)類別一致，相差也基本上只有1個等級，且在曹娥江大閘建成前后污染趨勢變化上保持一致。這可以解釋為曹娥江大閘建成后閘上河道從感潮河口變?yōu)楹拥佬退畮?，水體環(huán)境從咸淡水轉(zhuǎn)變?yōu)榈?，但河床底質(zhì)環(huán)境的轉(zhuǎn)變滯后于水體環(huán)境的轉(zhuǎn)變，大型底棲動物從適應(yīng)咸淡水環(huán)境的群落轉(zhuǎn)變?yōu)檫m應(yīng)淡水環(huán)境的群落，其轉(zhuǎn)變速度也滯后于水體環(huán)境變化的速度。

表4 水質(zhì)評價結(jié)果比較Table 4 Comparison of water quality evaluation results

有研究也指出，Shannon-Wiener生物多樣性指數(shù)的敏感度雖然較低，但其實比Margalef豐富度生物多樣性指數(shù)等生物學指數(shù)更能反映水體的實際污染狀況和變化趨勢[9-10]。由于曹娥江大閘建成前后上浦閘和曹娥江大閘內(nèi)、外的河床底質(zhì)環(huán)境發(fā)生了明顯變化，因此選取河床底質(zhì)環(huán)境相對穩(wěn)定的新三江閘處進一步比較Margalef豐富度生物多樣性指數(shù)和Shannon-Wiener生物多樣性指數(shù)評價水質(zhì)的適用性，結(jié)果見圖2。圖2表明，新三江閘處各水質(zhì)指標呈逐年降低的趨勢，說明水質(zhì)有逐漸改善的趨勢，Shannon-Wiener生物多樣性指數(shù)的逐年升高與之吻合，但Margalef豐富度生物多樣性指數(shù)不能反映這種變化趨勢。因此，在曹娥江感潮河口Shannon-Wiener生物多樣性指數(shù)能更好地反映實際水質(zhì)變化。

圖2 新三江閘處水質(zhì)指標和生物學指數(shù)的比較Fig.2 Comparision of water quality indexes and biological indexes in Xinsanjiang Floodgate

3 結(jié) 論

(1) 2004—2018年曹娥江河口段共鑒定出大型底棲動物35種，其中環(huán)節(jié)動物占40.0%，甲殼動物占28.6%，軟體動物占22.8%，節(jié)肢動物占8.6%。曹娥江大閘建成后大型底棲動物種數(shù)較建閘前增加，說明曹娥江河口段的水生態(tài)環(huán)境得到了改善。

(2) 生物學指數(shù)比化學評價對水質(zhì)類別更為敏感，但過于敏感反而不利于客觀反映實際水質(zhì)狀況。相比Margalef豐富度生物多樣性指數(shù)，Shannon-Wiener生物多樣性指數(shù)更適用于反映實際水質(zhì)變化。采用生物學指數(shù)評價河床底質(zhì)環(huán)境變化劇烈的河道水質(zhì)時應(yīng)慎重。