生物學(xué)指數(shù)在感潮河口建閘前后水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

藍(lán)雪春 葉 敏 完顏晟

(1.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002；2.杭州市生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，浙江 杭州 310005)

水體水質(zhì)的好壞會(huì)對(duì)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(xué)指數(shù)對(duì)水質(zhì)有一定的指示作用。大型底棲動(dòng)物作為水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，可以充當(dāng)分解者的角色，對(duì)上層水體沉積下來(lái)的物質(zhì)進(jìn)行分解，對(duì)維持水生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)有著至關(guān)重要的作用[1-2]。大型底棲動(dòng)物具有生命周期長(zhǎng)、遷移能力弱、對(duì)環(huán)境變化敏感等特點(diǎn)，是水體中對(duì)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(gè)非常重要的動(dòng)態(tài)中心，而底棲動(dòng)物群落在這個(gè)動(dòng)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(dòng)物的物種組成、群落結(jié)構(gòu)和時(shí)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(dòng)物的相關(guān)生物學(xué)指數(shù)來(lái)反映水體污染狀況，開(kāi)展水環(huán)境評(píng)價(jià)具有獨(dú)特的優(yōu)越性，已被廣泛應(yīng)用于河流水環(huán)境監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)[5-6]。

ZHAO等[7]研究表明，大型閘壩的建設(shè)和運(yùn)行會(huì)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(duì)水生生物產(chǎn)生深遠(yuǎn)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(guó)內(nèi)利用大型底棲動(dòng)物的相關(guān)生物學(xué)指數(shù)評(píng)價(jià)閘壩等水利工程對(duì)河流水文泥沙條件相對(duì)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(duì)其水質(zhì)的影響更加復(fù)雜。因此，選擇合適的生物學(xué)指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)閘壩等水利工程對(duì)感潮河口水質(zhì)的影響就顯得非常有意義。

曹娥江是錢(qián)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(qián)塘江河口段的水質(zhì)和大型底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的空間分布變化特征，探究采用生物學(xué)指數(shù)評(píng)價(jià)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(qián)塘江河口段的曹娥江干流上共設(shè)置了4個(gè)采樣斷面(見(jiàn)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(guò)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(gè)采樣斷面設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)采集混合水樣。每個(gè)采樣點(diǎn)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(dòng)物樣品用5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的中性福爾馬林溶液固定保存后帶回實(shí)驗(yàn)室稱量、計(jì)數(shù)并鑒定到種。每個(gè)采樣斷面每年按月使用聚乙烯采樣瓶采集3個(gè)采樣點(diǎn)水面以下0.5 m處的混合水樣，帶回實(shí)驗(yàn)室后參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第四版)》，采用堿性法測(cè)定高錳酸鹽指數(shù)、納氏試劑光度法測(cè)定氨氮、鉬銻抗分光光度法測(cè)定總磷(TP)，pH、溶解氧(DO)現(xiàn)場(chǎng)使用便攜式雙通道多參數(shù)分析儀(HQ40D)測(cè)定。

1.2 評(píng)價(jià)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(dāng)群落環(huán)境受到污染時(shí)，生物多樣性就會(huì)降低。因此，可以利用以生物多樣性指數(shù)為代表的生物學(xué)指數(shù)對(duì)群落環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。常用的評(píng)價(jià)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(jì)算公式分別見(jiàn)式(1)和式(2)。各生物學(xué)指數(shù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)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(gè)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(gè)體數(shù)。

表1 生物學(xué)指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Evaluation standard of the biological indexes

同時(shí)，參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行化學(xué)評(píng)價(jià)，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(yán)重污染相對(duì)應(yīng)，以與生物學(xué)指數(shù)進(jìn)行對(duì)比。

2 結(jié)果與討論

2.1 大型底棲動(dòng)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(dòng)物35種(見(jiàn)表2)，其中環(huán)節(jié)動(dòng)物14種，占總種類數(shù)的40.0%；甲殼動(dòng)物10種，占總種類數(shù)的28.6%；軟體動(dòng)物8種，占總種類數(shù)的22.8%；節(jié)肢動(dòng)物3種，占總種類數(shù)的8.6%。

2.2 大型底棲動(dòng)物種數(shù)

由表3可見(jiàn)，在門(mén)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(dòng)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(shuō)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(dòng)物種數(shù)穩(wěn)步增加，說(shuō)明曹娥江大閘建成后這兩個(gè)采樣斷面大型底棲動(dòng)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(dòng)物種數(shù)有波動(dòng)，可能是因?yàn)檫@兩個(gè)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(dòng)物適應(yīng)帶來(lái)了一定的影響。

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

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

2.3 水質(zhì)評(píng)價(jià)

由表4可見(jiàn)，Margalef豐富度生物多樣性指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果表明，除上浦閘內(nèi)2004年嚴(yán)重污染外，其余各斷面水質(zhì)始終被評(píng)價(jià)為重污染；Shannon-Wiener生物多樣性指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果比Margalef豐富度生物多樣性指數(shù)保守，雖然評(píng)價(jià)的污染程度可能比水質(zhì)類別嚴(yán)重，但基本與水質(zhì)類別變化趨勢(shì)一致。由此說(shuō)明，生物學(xué)指數(shù)比化學(xué)評(píng)價(jià)對(duì)水質(zhì)類別更為敏感，但如果指標(biāo)過(guò)于敏感可能反而不能客觀的反映實(shí)際水質(zhì)狀況。例如，2004年上浦閘內(nèi)的生物學(xué)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果均為嚴(yán)重污染，而水質(zhì)類別則為中污染，相差2個(gè)等級(jí)，原因是2004年上浦閘內(nèi)的大型底棲動(dòng)物只采集到1種軟體動(dòng)物(見(jiàn)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(kāi)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(dòng)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(wú)需再經(jīng)常性地開(kāi)閘泄洪沖淤，水文情勢(shì)使得河床底質(zhì)趨于穩(wěn)定，給大型底棲動(dòng)物的生長(zhǎng)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(gè)現(xiàn)象說(shuō)明，采用生物學(xué)指數(shù)評(píng)價(jià)河床底質(zhì)環(huán)境變化劇烈的河道水質(zhì)時(shí)需要慎重。

Shannon-Wiener生物多樣性指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果有50%與水質(zhì)類別一致，相差也基本上只有1個(gè)等級(jí)，且在曹娥江大閘建成前后污染趨勢(shì)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?kù)，水體環(huán)境從咸淡水轉(zhuǎn)變?yōu)榈哟驳踪|(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(dòng)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(píng)價(jià)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(shí)比Margalef豐富度生物多樣性指數(shù)等生物學(xué)指數(shù)更能反映水體的實(shí)際污染狀況和變化趨勢(shì)[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(duì)穩(wěn)定的新三江閘處進(jìn)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(píng)價(jià)水質(zhì)的適用性，結(jié)果見(jiàn)圖2。圖2表明，新三江閘處各水質(zhì)指標(biāo)呈逐年降低的趨勢(shì)，說(shuō)明水質(zhì)有逐漸改善的趨勢(shì)，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(shì)。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(shí)際水質(zhì)變化。

圖2 新三江閘處水質(zhì)指標(biāo)和生物學(xué)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(dòng)物35種，其中環(huán)節(jié)動(dòng)物占40.0%，甲殼動(dòng)物占28.6%，軟體動(dòng)物占22.8%，節(jié)肢動(dòng)物占8.6%。曹娥江大閘建成后大型底棲動(dòng)物種數(shù)較建閘前增加，說(shuō)明曹娥江河口段的水生態(tài)環(huán)境得到了改善。

(2) 生物學(xué)指數(shù)比化學(xué)評(píng)價(jià)對(duì)水質(zhì)類別更為敏感，但過(guò)于敏感反而不利于客觀反映實(shí)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(shí)際水質(zhì)變化。采用生物學(xué)指數(shù)評(píng)價(jià)河床底質(zhì)環(huán)境變化劇烈的河道水質(zhì)時(shí)應(yīng)慎重。