水葫蘆修復富營養化湖泊水體區域內外底棲動物群落特征

王 智,張志勇,張君倩,張迎穎,嚴少華 (江蘇省農業科學研究院農業資源與環境研究所,江蘇 南京 210014)

水葫蘆修復富營養化湖泊水體區域內外底棲動物群落特征

王 智,張志勇,張君倩,張迎穎,嚴少華*(江蘇省農業科學研究院農業資源與環境研究所,江蘇 南京 210014)

于2010年8～10月對滇池白山灣人工控制性種養的約70hm2的水葫蘆區、近水葫蘆區和遠水葫蘆區采樣分析,探討了水葫蘆種養工程區域內外底棲動物群落結構特征.結果表明,在水葫蘆區、近水葫蘆區及遠水葫蘆區,底棲動物總密度分別為 294.5,159,261ind/m2,其中寡毛類的霍甫水絲蚓(Limnodrilus hoffmeisteri)為絕對優勢種,分別占各自區域總密度的 68.3%,59.6%和 86.0%.逐步回歸分析顯示,水體總磷(TP)和底泥非穩定態磷(Labile-P)與霍甫水絲蚓密度呈顯著性正相關(P ＜ 0.01),表明霍甫水絲蚓對水體的富營養狀況有很好的指示作用.水葫蘆區物種組成及生物多樣性指數均高于近水葫蘆區和遠水葫蘆區(P ＜ 0.05),在水葫蘆區、近水葫蘆區和遠水葫蘆區分別共采集到底棲動物14種、10種和6種;Shannon-Wiener多樣性指數分別為1.10,0.57和0.54.種植水葫蘆后,在水葫蘆區及近水葫蘆區,10月份的Margalef、Shannon-Wiener、Simpson和Peilou指數較8月份和9月份有顯著性增加(P ＜ 0.05),而遠水葫蘆區,卻未出現類似的結果.一定面積控制性種養水葫蘆對大型富營養化湖灣水體無脊椎底棲動物群落結構未表現出不利影響.

水葫蘆；富營養化；水體修復；群落結構；底棲動物

目前,在亞太地區,54%的湖泊水體富營養化[1];在我國,富營養化湖泊及水庫達66%以上[2].湖泊富營養化不僅對湖泊水質有嚴重影響,而且影響到周邊水環境和人文景觀,甚至通過給水系統危害到公眾的健康[3].因此,水體富營養化治理是當前世界的熱點.水生植物修復技術由于具有投資成本低、操作簡單、不易產生二次污染、且能有效地去除有機物、氮磷等多種元素等優點,已成為世界各國控制水體富營養化的主要措施之一[4-6].水葫蘆,又名“鳳眼蓮”,雨久花科鳳眼蓮屬,為多年生漂浮性草本植物.由于其具有極強的氮、磷吸收能力以及重金屬富集能力而被廣泛用于水環境污染的治理[7-9].采用漂浮的水葫蘆凈化水質,不僅可以省去浮床建設費用,也無需曝氣或攪拌等能源消耗,并且不需要反復播種或移栽,其繁殖速度快,打撈相對于其他水生植物更容易[9].由于水葫蘆作為一種重要的外來生物入侵種,一些專家學者擔憂水葫蘆的生長會對水體生物群落的結構造成影響,而對其大規模應用于生態工程持保留態度[7,10].

水葫蘆一方面在其生長過程中對水面的大面積覆蓋,影響水下生物對光能的利用率,而且會造成水體溶解氧下降,從而給水生態系統產生不利影響[11];但是另一方面由于水葫蘆能吸收水體富營養物質及其他污染物[7-9],對藍藻水華具有抑制作用[12],并且其發達的根系能為水生動物及微生物提供避難場所和棲息地[11],因而可能給水生生物群落結構帶來有利的影響.先前的研究主要集中在水葫蘆的去除技術及其對污染物的吸收去除上,而關于水葫蘆對水體生態系統的影響研究較少[11].在我國,自然泛濫及人工利用的水葫蘆常常在富營養化水體大量生長,而關于水葫蘆對富營養化水體的生態效應報道甚少[13-14].

大型無脊椎底棲動物是湖泊生態系統多樣性的重要組成部分,在湖泊生態系統物質循環和能量代謝中具有不可替代的作用.由于其具有生活周期長,活動場所比較固定,易于采集、鑒定,且不同種類對不同生境的敏感性差異大等優點,故常作為重要的指示生物,被廣泛應用于水質評價及環境監測上[15].本研究以滇池白山灣大水域控制性種養的用于水體修復的水葫蘆為依托,通過對水葫蘆區域內外大型底棲動物種群結構的調查分析,探討水葫蘆對大型底棲動物群落結構的影響,以期為水葫蘆應用于富營養化湖泊水體生態修復提供參考.

1 材料與方法

1.1 工程區簡介

白山灣位于滇池西南岸,如圖1所示.面積約0.7km2,平均水深約2.5m (范圍2.2～2.8m),水體富營養化,藍藻水華頻發.由于受灣外風浪的影響,白山灣水體藻類密度較大.調查發現,湖灣的水生植物主要有紅線草、眼子菜、狐尾草、水花生、水葫蘆、大薸及菱等.2010年春夏,江蘇省農業科學院利用水葫蘆快速吸收氮磷的優勢,利用泡沫浮球、不銹鋼鋼管及圍網在白山灣控制性種養水葫蘆70 hm2,通過后期打撈處置、資源化利用等一系列措施來達到去除湖泊內源污染的目的.由于受風向等原因,水葫蘆密集分布于工程區內側(圖1).

圖1 試驗區域采樣點分布Fig.1 Sampling sites in the testing area of Baishan Bay, Lake Dianchi

1.2 樣品采集與分析

本研究于白山灣水葫蘆區域內外設置13個采樣點,根據水葫蘆分布特征將采樣區分為3個區域(圖 1),水葫蘆區(樣點 5、7、9、10、12和13號),近水葫蘆區(樣點4、6、8和11號)和遠水葫蘆區(樣點1、2和3號).

于水葫蘆種植后生長旺盛期至水葫蘆打撈前(2010年8～10月),以1次/月的頻率,對13個樣點利用1/16m2的改良彼得森氏采泥器進行大型無脊椎底棲動物的采樣.采集的泥樣經450μm的銅篩洗凈后,用肉眼將動物標本從白色解剖盤中撿出,后用10%福爾馬林進行固定.在實驗室將標本鑒定至盡可能低的分類單元,然后計數和稱重,并換算成單位面積的含量[16].在大型底棲動物采集的同時,采集表層(0.5m)、中層(1m)及底層(2m)混合水樣,現場測定 pH值、溶解氧(DO)、透明度及水溫(T)后帶回實驗室測定總氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、硝氮(NO3--N)、總磷(TP)及正磷酸鹽(PO43--P)等;同時利用彼得森采泥器采集表層(0～10cm)泥樣現場測定pH值、Eh后帶回實驗室測定TN、NH4+-N、TP、不穩定態磷(L-P)、含水率及有機質含量等.

水體理化指標根據《水和廢水監測分析方法》測定[17]. 底泥含水率采用 105℃下烘干法,有機質采用550℃煅燒法測定[18];TN采用半微量開氏法, NH4+-N采用KC1浸提蒸餾法, TP采用高氯酸一硫酸消化法, Labile-P采用 NH4Cl 提取法測定[19].

1.3 數據處理

本研究中用到的生物多樣性指數選擇為[20]:

式中: N為所在群落的所有物種的個體數之和;S為群落總物種數;Pi為樣品中屬于第i種的個體的比例.

水葫蘆區、近水葫蘆區及遠水葫蘆區水體及底泥環境因子及底棲動物群落特征指數的差異判斷采用單因素方差分析(One-way AVONA),利用 Levene’s-test進行不同組間方差齊次性檢驗,若方差不齊則利用Mann-Whitney U檢驗.利用逐步線性回歸探討水體及底泥環境理化因子與優勢種密度及總密度的關系.數據分析使用SPSS for Windows 16.0統計軟件處理.

2 結果與分析

2.1 采樣區域環境理化性質

由表1可見,在整個采樣周期,10月份水體TN、NH4+-N、NO3-、TP 及PO43-較8月份和9月份顯著上升,其主要原因一方面是 10月份水葫蘆開始出現腐敗死亡現象;另一方面是由于 10月份風浪較大.各采樣區域水體理化性質的統計分析表明,水葫蘆區DO和pH值顯著性低于近水葫蘆區和遠水葫蘆區(P ＜ 0.05),而TN和TP的濃度表現為水葫蘆區＞遠水葫蘆區＞近水葫蘆區的規律.水葫蘆區水體氮磷濃度高于周圍水體主要是由于:一、由于水葫蘆能降低其覆蓋水體的溶解氧,而溶解氧的降低有利于水體氮磷的釋放;二、水葫蘆根系能夠吸附水體懸浮顆粒物及藻類,造成水體總氮磷含量升高;三、一些水葫蘆根系的腐敗分解,造成水葫蘆區域氮磷含量升高.在水葫蘆區,底泥TN、NH4+-N、TP及L-P濃度在8月份至9月份顯著降低,之后趨于穩定, 而在近水葫蘆區和遠水葫蘆區卻未表現出這樣的規律.水葫蘆區底泥主要營養鹽指標降低可能主要是由于水葫蘆吸收的緣故.從3個區域來看,水葫蘆區底泥TN、NH4+-N及TP略高于近水葫蘆區和遠水葫蘆區(P＞0.05,表1).

2.2 底棲動物物種組成及現存量

在滇池湖灣工程區的3次采樣中,共采集到底棲動物18種(表2).其中,寡毛類8種(占物種總數的44.4%),水生昆蟲5種(占物種總數的27.8%),軟體動物1種(占物種總數的5.6%),甲殼綱3種(占物種總數的16.7%),此外線蟲綱1種(占物種總數的5.6%).在水葫蘆區,共采集到底棲動物14種,分別為寡毛類7種,軟體動物1種,水生昆蟲2種,甲殼綱3種及線蟲綱1種.近水葫蘆區,采集到底棲動物10種,分別為寡毛類6種,水生昆蟲3種和線蟲綱1種.而在遠水葫蘆區,僅采集到底棲動物6種,分別為寡毛類4種,水生昆蟲2種.在3個區域共同出現的物種為霍甫水絲蚓、巨毛水絲蚓及正顫蚓,而軟體動物橢圓蘿卜螺及甲殼綱螃蟹、米蝦及鉤蝦僅出現在水葫蘆區(表2).

在水葫蘆區、近水葫蘆區及遠水葫蘆區,底棲動物密度分別為294.5,159,261ind/m2.3個采樣區域中底棲動物主要以寡毛類(主要為霍甫水絲蚓和巨毛水絲蚓)為主,其密度分別達到264、151和 250ind/m2,分別占各區域底棲動物總密度的89.6%、95%和95.8%(表3).

表1 不同采樣區域水體及底泥理化性質Table 1 Physical and chemical parameters in the water and sediment of the three sampling areas

表2 不同采樣區域底棲動物物種組成Table 2 Species compositions of benthic macro-invertebrates in the different sampling areas

由于底棲動物個體重量不同,其生物量分布與密度存在一定的差異.在水葫蘆區,底棲動物生物量的構成主要以寡毛類(主要為霍甫水絲蚓及巨毛水絲蚓)和水生昆蟲(主要為搖蚊科)為主,其生物量分別占總生物量的 55.8%和 29.7%;在遠水葫蘆區,其生物量與水葫蘆區具有相似的構成,寡毛類和水生昆蟲生物量分別占總生物量的61.1%和38.9%;而在近水葫蘆區,則主要是寡毛類,其生物量占總生物量的99.3%(表3).

功能攝食類群[21]分析顯示,水葫蘆區的物種組成是收集者(密度:97.0%,生物量:93.3%),寄生者(密度:1.3%,生物量:0.6%)、刮食者(密度:1.3%,生物量:1.8%)及撕食者(密度:0.6%,生物量:3.0%);近水葫蘆區物種組成是收集者(密度:97.2%,生物量:96.4%),以及少量的寄生者(密度:1.8%,生物量:2.9%)和捕食者(密度:1.0%,生物量:0.7%);而在遠水葫蘆區,僅采集到收集者.

表3 不同采樣區域底棲動物密度及生物量Table 3 Densities and biomasses of benthic macro-invertebrates in the different sampling areas

圖2 不同采樣區域霍甫水絲蚓密度及生物量的動態變化Fig.2 Density and biomass dynamic changes of L.hoffmeisteri in the different sampling areas

2.3 優勢種

在整個采樣區域中,寡毛類占絕對優勢,其平均密度為 259ind/m2,占總密度的 92.5%.其中,霍甫水絲蚓是主要的優勢種,其平均密度為200.5ind/m2,占總密度的 71.6%.霍甫水絲蚓在水葫蘆區、近水葫蘆區和遠水葫蘆區的平均密度分別為218.7、104.0和281.1ind/m2,分別占各自區域總密度的68.3%,59.6%和86.0%.霍甫水絲蚓在3個采樣區域8～10月密度的動態變化如圖2A所示,可以看出,種植水葫蘆后,霍甫水絲蚓密度在水葫蘆區和遠水葫蘆區增加后降低;而在近水葫蘆區,則逐步下降.生物量在3個采樣區域的動態變化規律與密度變化規律類似(圖 2B).由于所采集樣品中的次優勢種搖蚊類個體較寡毛類大,其所占較大比例的生物量,因此霍甫水絲蚓生物量占其所在區域底棲動物總生物量的比值較小(圖2B).

為探討理化因子對采樣區域優勢種霍甫水絲蚓密度與底棲動物總密度的影響,以表1所示的16種理化因子為自變量,霍甫水絲蚓密度和底棲動物總密度為因變量進行逐步回歸分析表明,水體 TP與底泥非穩定態磷Labile-P為影響霍甫水絲蚓密度的主要因素,TP及底泥含水率為影響采樣區域大型底棲動物總密度的主要因素(表4).

表4 霍甫水絲蚓及大型底棲動物總密度與環境因子的回歸分析系數Table 4 Coefficients of stepwise regression analysis between Limnodrilus hoffmeisteri or total densities and physical-chemical factors

2.4 群落特征指數

表 5可見,從時間變化來看,在水葫蘆區及近水葫蘆區,Margalef、Shannon-Wiener、Simpson和Peilou指數在8～9月份均降低,而到了10月份明顯增加.方差分析顯示,在水葫蘆區及近水葫蘆區,Margalef、Shannon-Wiener、Simpson和Peilou指數在8月份和9月份間差異不顯著(P ＞ 0.05),但到10月份,其多樣性指數顯著性增加(P ＜ 0.05).而在遠水葫蘆區,多樣性指數Margalef、Simpson 和Shannon-Wiener 在8～10月份逐步降低,且在10月份顯著低于8月份和9月份;均勻度指數Peilou在9月份和10月份基本一致.

從不同區域比較來看,在水葫蘆區多樣性指數Margalef、Simpson和Shannon-Wiener顯著高于遠水葫蘆區和近水葫蘆區;而均勻度指數Peilou在3個區域差異不顯著(P ＞ 0.05,表5).

表5 不同采樣區域底棲動物群落特征指數Table 5 Community characteristic indexes of benthic macro-invertebrates in the three sampling areas

2.5 水質的生物學評價

Margalef指數規定的水質標準為:d ＞ 3.5為清潔;2～3.5為輕污染;1～2為中污染;0～1為重污染;0為嚴重污染[22].Simpson指數規定:D ＞ 6為清潔;3～6為輕污染;2～3為中污染;1～2為重污染;＜1為嚴重污染[23].Shannon-Wiener指數規定:H′ ＞ 3為清潔;2～3為輕污染;1～2為中污染;0～1為重污染;0為嚴重污染[22].依據此標準評價不同采樣區域的水質如表6所示.可見除了10月份在水葫蘆區和近水葫蘆區Shannon-Wiener指數指示的污染狀態為中污染外,其他均為重污染狀態.

3 討論

在本研究的整個調查區域,共采集到底棲動物18種,在水葫蘆區為14種,近水葫蘆區為10種,而在遠水葫蘆區僅為6種;生物多樣性指數表明,在水葫蘆區Margalef、Simpson和Shannon-Wiener顯著高于近水葫蘆區及遠水葫蘆區,并未顯示出水葫蘆對于湖泊大型底棲動物的不利影響,其主要原因是水葫蘆一方面能吸收水體有毒有害污染物質;另一方面具有復雜的根系,能一定程度上為大型無脊椎動物提供棲息繁殖場所[11].例如,橢圓蘿卜螺、螃蟹、米蝦及鉤蝦僅出現在水葫蘆區(表2).先前也有文獻報道了水葫蘆對湖泊大型脊椎動物的積極影響,如對佛羅里達州歐基求碧湖水葫蘆區域的大型無脊椎動物的研究發現,水葫蘆區域大型無脊椎動物為典型的底棲動物,其豐度明顯高于其他植物根系區域及無植物區域[24]; Brendonck等[25]的研究發現,水葫蘆區域出現大量無脊椎動物如腹足類及蜘蛛類;Villamagna[26]對墨西哥查帕拉湖的研究也表明在水葫蘆區域由于其根系發達,大型無脊椎動物的種群密度及多樣性都要高于無水葫蘆區域及含沉水植被的水體;最近,劉國鋒等[14]對太湖水葫蘆區域內外的底棲動物研究表明,在水葫蘆區內軟體動物密度及生物量明顯高于水葫蘆區外,水葫蘆區底棲動物Simpson多樣性指數也較高.本研究的結果與上述結果一致,也證實了水葫蘆區大型無脊椎動物的生物多樣性要高于水葫蘆區外圍.這似乎與水體DO降低存在矛盾,事實上在富營養化湖泊中由于藻類的光合作用,水體的 DO一般處于過飽和的狀態[27-28],只要控制水葫蘆在一定的覆蓋度,其水體DO能維持在一個可以接受的水平,如本工程區水葫蘆區域水體DO ＞ 3.8mg/L(表 1).在富營養化湖泊中,水體大型無脊椎底棲動物主要為耐污種,其對水體的DO 要求較低[29-30].從功能攝食類群來分析,發現在水葫蘆區、近水葫蘆區及遠水葫蘆區其主要的攝食類群均為收集者,這主要是由于收集者主要以有機碎屑為食,在整個采樣區域存在著一定數量的水草,水草的腐爛為這些底棲動物提供了食物.但是,在3個區域其功能攝食類群存在一定的差異,例如在水葫蘆區其功能攝食類群較多,出現撕食者和刮食者,甚至出現寄生者,在近水葫蘆區還出現了捕食者,而在遠水葫蘆區僅出現收集者,這一定程度上說明水葫蘆對于富營養化湖泊的生境的改善可能存在積極作用.在種植水葫蘆后,其近水葫蘆區域水體TP、TN等理化指標明顯優于水葫蘆區及遠水葫蘆區,水葫蘆區底泥 TP濃度也隨著水葫蘆的生長而逐漸降低(表1),說明水葫蘆對工程區域水質的改善作用.

利用生物多樣性指數的水質進行評價發現,工程區域水體主要處于重污染水體,表明對該區域實施生態工程以削減水體污染物質的必要性.從表5可知,在水葫蘆區及近水葫蘆區,10月份水質要好于8月份和9月份,而在遠水葫蘆區其水質在 8～10月份表現為逐步下降的趨勢.可見,水葫蘆控制性種養生態工程的實施,對于改善滇池湖灣水體水質特征具有一定積極的作用.

表6 利用Margalef、Simpson和Shannon-Wiener指數進行水質評價的結果Table 6 Results of water quality assessment according to Margalef, Simpson and Shannon-Wiener indexes

本研究僅僅在空間的尺度上,短期地跟蹤調查了水葫蘆控制性種養后滇池湖灣大型無脊椎底棲動物的動態變化.大型無脊椎浮游動物也是湖泊生態系統的一個重要組成部分,并且能直接地受到水葫蘆根系的影響.為了正確地評價水葫蘆用于湖泊生態修復的生態風險,今后將在現有工作的基礎上,對水葫蘆種養前后,在時間和空間的尺度上,長期地監測評價水葫蘆用于生態修復對湖泊生態系統大型無脊椎動物的影響.

4 結論

4.1 通過短期的原位調查發現,在滇池湖灣大水域控制性種養水葫蘆對于湖灣大型無脊椎底棲動物群落未產生不利影響.

4.2 水葫蘆區出現底棲動物物種 14種,而近水葫蘆區為10種,遠水葫蘆區為6種;水葫蘆區底棲動物功能攝食類群較近水葫蘆區及遠水葫蘆區復雜.

4.3 水葫蘆區生物多樣性指數 Margalef、Simpson和Shannon-Wiener均顯著性高于近水葫蘆區及遠水葫蘆區.

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The fauna structure of benthic macro-invertebrates for environmental restoration in a eutrophic lake using waterhyacinths.

WANG Zhi, ZHANG Zhi-yong, ZHANG Jun-qian, ZHANG Ying-ying, YAN shao-hua*(Institute of Agricultural Resource and Environmental Sciences, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China). China Environmental Science, 2012,32(1)：142～149

From August to October in 2010, approximately 70 hectares of water hyacinth were planted at the Baishan Bay in Lake Dianchi and benthic macro-invertebrates were sampled. The densities of benthic macro-invertebrates in water hyacinth area (WHA), near water hyacinth area (NWHA) and far water hyacinth area (FWHA) were 294.5,159 and 261 ind/m2, respectively. Amongst of all present species, oligochaete Limnodrilus hoffmeisteri was the dominant species, representing 68.3% (WHA), 59.6% (NWHA) and 86.0% (FWHA). Stepwise regression analysis showed a significantly positive relationship (P ＜ 0.01) between the densities of Limnodrilus hoffmeisteri to the total phosphorus (TP) in the water and Labile-P in the sediment. Limnodrilus hoffmeisteri was a good indicator of eutrophication. The richness and biodiversity in WHA were higher (P ＜ 0.05) than that in the NWHA and FWHA. The richness of benthic macro-invertebrates was 14 in WHA, 10 in NWHA and 6 in FWHA, respectively. Shannon-Wiener diversity indexes in WHA, NWHA and FWHA were 1.10, 0.57 and 0.54, respectively. After planting water hyacinth in the lake, in WHA and NWHA, the Margalef index, Shannon-Wiener index, Simpson index and Peilou index in October 2010 were significantly increased comparing to August and September 2010 (P ＜ 0.05). However, these indexes were not significantly different at FWHA during the research intervals. A controlled presence of water hyacinth is not harmful to benthic invertebrates in a eutrophic lake.

water hyacinth (Eichhornia crassipes)；eutrophication；environmental restoration；fauna structure；benthic macro-invertebrates

2011-04-10

“十一五”國家科技支撐計劃項目(2009BAC63B01);云南省社會發展專項項目(2009CA034);江蘇省人社廳博士后基金(5311105)

* 責任作者, 研究員, shyan@jaas.ac.cn

X52

A

1000-6923(2012)01-0142-08

致謝：感謝中國科學院水生生物研究所博士生蔣小明、湖北省環境監測中心熊晶碩士在大型無脊椎底棲動物鑒定方面給予的幫助.

王 智(1983-),男,湖北黃岡人,助理研究員,博士,主要從事湖泊污染生態學方面的研究.發表論文10余篇.