陳 蘭 張洛紅 黃道建 黃楚珊 馮雁輝 安 坤 王留鎖 于云江 張麗娟# 胡國成

(1.西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學(xué)研究所，廣東 廣州 510535；3.國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境污染健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510535；4.遼寧省生態(tài)環(huán)境保護(hù)科技中心，遼寧 沈陽 110161)

水生生物是水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1]，水生生物作為水質(zhì)生物監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)，越來越多地被應(yīng)用到世界各國的水體生態(tài)健康評(píng)價(jià)中[2]。研究包括浮游植物、浮游動(dòng)物和底棲動(dòng)物的水生生物群落結(jié)構(gòu)特征可為水質(zhì)評(píng)價(jià)和水體污染綜合治理提供理論指導(dǎo)[3-5]。

大伙房水庫是遼寧省重要的水源地之一[6]，其水源來自渾河、蘇子河和社河，分別占入庫水量的53%、37%、10%，大伙房水庫的水質(zhì)現(xiàn)狀和水生生物群落結(jié)構(gòu)必然受到入庫支流的影響。然而，以往研究大伙房水庫時(shí)忽略了入庫支流的影響。

本研究通過對(duì)大伙房水庫及入庫支流水質(zhì)現(xiàn)狀和水生生物群落結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)調(diào)查，研究水體污染情況與水生生物群落結(jié)構(gòu)的相關(guān)性，為保護(hù)大伙房水庫水環(huán)境健康提供更全面的科學(xué)依據(jù)，也為遼河流域水環(huán)境污染控制與治理提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 采樣時(shí)間和樣點(diǎn)布置

由于枯水期降雨量少，水體環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定[7]，因此于2019年10月(枯水期)開展大伙房水庫及入庫支流的采樣調(diào)查。圖1為樣點(diǎn)布置圖，在大伙房水庫中共設(shè)7個(gè)樣點(diǎn)，分別為D-1、D-2、D-3、D-4、D-5、D-6和D-7；渾河上游為入庫河流，設(shè)了3個(gè)取樣點(diǎn)，分別為H-1、H-2和H-3，同時(shí)在下游出庫河流也設(shè)了1個(gè)樣點(diǎn)，為H-4；蘇子河和社河均為較短入庫支流，各設(shè)1個(gè)樣點(diǎn)，分別為SZ-1和S-1。

圖1 樣點(diǎn)布置圖Fig.1 Location of sampling points

1.2 水樣的采集和測(cè)定

按照《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)》(HJ 494—2009)的要求采集水樣，溶解氧(DO)、總磷(TP)、總氮(TN)、五日生化需氧量(BOD5)、化學(xué)需氧量(COD)、高錳酸鹽指數(shù)和氨氮按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中要求的方法進(jìn)行測(cè)定。

1.3 水生生物樣品的采集和處理

浮游植物和浮游動(dòng)物按照《淡水浮游生物調(diào)查技術(shù)規(guī)范》(SC/T 9402—2010)進(jìn)行采集、鑒定和計(jì)數(shù)。底棲動(dòng)物用開口面積為625 cm2的彼得生采泥器采集底泥樣品后，用60目篩網(wǎng)過濾獲得底棲動(dòng)物，置于500 mL白色乳膠瓶中加入體積分?jǐn)?shù)為75%的酒精保存，鏡檢完成鑒定和計(jì)數(shù)[8]。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

1.4.1 水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)方法

以GB 3838—2002為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)樣點(diǎn)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的水域功能類別，選取相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)類別，進(jìn)行單因子評(píng)價(jià)。

1.4.2 生物指數(shù)計(jì)算

物種優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(Y)計(jì)算公式為：

(1)

式中：fi為第i個(gè)物種在各樣點(diǎn)中的檢出率；ni為樣點(diǎn)中第i個(gè)物種的個(gè)體數(shù)；N為樣點(diǎn)中所有物種的總個(gè)體數(shù)。

當(dāng)物種的Y≥0.02時(shí)為優(yōu)勢(shì)種[9-10]。

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)計(jì)算公式為:

(2)

Pielou均勻度指數(shù)(J)計(jì)算公式為：

(3)

式中：S為樣點(diǎn)的總物種數(shù)。

浮游植物通?？梢詮亩鄻有院途鶆蚨葍蓚€(gè)維度評(píng)價(jià)水體污染狀況[11]。H≥4.5，清潔；3.0≤H<4.5，輕污染；2.0≤H<3.0，β-中污染；1.0≤H<2.0，α-中污染；H<1.0，重污染。J≥0.8，清潔；0.5≤J<0.8，輕污染；0.3≤J<0.5，β-中污染；0.1≤J<0.3，α-中污染；J<0.1，重污染。

底棲動(dòng)物一般只用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)評(píng)價(jià)水體污染狀況[12]。H=0，嚴(yán)重污染；03，清潔。

浮游動(dòng)物由于物種數(shù)太少，故未計(jì)算Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)現(xiàn)狀

大伙房水庫及入庫支流的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1。根據(jù)大伙房飲用水水源保護(hù)區(qū)的劃分，H-1和H-2應(yīng)達(dá)到GB 3838—2002的Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，其余樣點(diǎn)應(yīng)達(dá)到GB 3838—2002的Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)。所有水樣的DO、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)和BOD5均達(dá)到了目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)；大伙房水庫中的水樣TN、COD和TP基本都未達(dá)到目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)；入庫支流的TN也均未達(dá)到目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，TP也有1個(gè)水樣(SZ-1)未達(dá)到目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。因此，總體而言，大伙房水庫及入庫支流的首要超標(biāo)項(xiàng)目為TN，其次為TP和COD。調(diào)研發(fā)現(xiàn)的原因有：(1)大伙房水庫及入庫支流周邊的農(nóng)村對(duì)畜禽糞便、垃圾和生活污水等無收集措施；(2)農(nóng)藥、化肥和秸稈焚燒后的殘?jiān)矡o恰當(dāng)?shù)奶幚泶胧?。而入庫支流水質(zhì)總體優(yōu)于大伙房水庫水質(zhì)，可能是因?yàn)椴蓸犹幱诳菟冢畮熘饕δ転樾钏?，所有入庫支流攜帶的污染物都匯入到了水庫中。

表1 大伙房水庫及入庫支流水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果Table 1 Monitoring results of water quality indexes of Dahuofang Reservoir and its tributaries mg/L

2.2 浮游植物

2.2.1 浮游植物組成和數(shù)量

大伙房水庫及入庫支流共檢出浮游植物68種，其中硅藻門有37種，綠藻門有21種，藍(lán)藻門有5種，隱藻門也有5種。各樣點(diǎn)浮游植物組成和藻細(xì)胞密度分布見圖2。大伙房水庫樣點(diǎn)總藻細(xì)胞密度為1.94×106～1.26×107個(gè)/L，平均為5.44×106個(gè)/L，其中位于出庫口的D-7藻細(xì)胞密度最高；不同樣點(diǎn)的浮游植物組成也有差異，D-1、D-2、D-7主要由硅藻門藻細(xì)胞組成，而其他樣點(diǎn)主要由種類不多的隱藻門藻細(xì)胞組成。入庫支流樣點(diǎn)總藻細(xì)胞密度為2.06×106～8.47×106個(gè)/L，平均為4.30×106個(gè)/L，其中位于渾河上游的H-2藻細(xì)胞密度最高；各樣點(diǎn)的浮游植物組成均以硅藻門藻細(xì)胞為主。

圖2 各樣點(diǎn)浮游植物組成和藻細(xì)胞密度分布Fig.2 Distribution of phytoplankton composition and cell density of each sampling point

2.2.2 浮游植物優(yōu)勢(shì)種

大伙房水庫及入庫支流的浮游植物優(yōu)勢(shì)種有9種(見表2)，其中隱藻門有尖尾藍(lán)隱藻、嚙蝕隱藻、卵形隱藻和吻狀隱藻4種，硅藻門有廣緣小環(huán)藻、針桿藻、喙頭舟形藻和偏腫橋彎藻4種，綠藻門有衣藻1種，嚙蝕隱藻是大伙房水庫的最主要優(yōu)勢(shì)種，針桿藻是入庫支流的最主要優(yōu)勢(shì)種。

表2 大伙房水庫及入庫支流浮游植物優(yōu)勢(shì)種Table 2 Dominant species of phytoplankton in Dahuofang Reservoir and its tributaries

2.2.3 多樣性和均勻度

大伙房水庫及入庫支流的浮游植物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)見圖3。其中Shannon-Wiener多樣性指數(shù)為2.92～3.73，平均為3.36，僅樣點(diǎn)D-3和SZ-1的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)略小于3，說明浮游植物多樣性較好；Pielou均勻度指數(shù)都大于0.5，說明不同種類的浮游植物在各樣點(diǎn)中的分布比較均勻。綜合Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)來評(píng)價(jià)，大伙房水庫及入庫支流水體總體處于輕污染狀態(tài)。

圖3 各樣點(diǎn)浮游植物多樣性和均勻度Fig.3 Diversity and homogeneity of phytoplankton of each sampling point

2.3 浮游動(dòng)物

2.3.1 浮游動(dòng)物組成和數(shù)量

大伙房水庫及入庫支流共檢出浮游動(dòng)物13種，其中輪蟲類有8種，橈足類有3種，枝角類有2種，其中大伙房水庫中檢出11種，入庫支流中檢出4種，入庫支流中的浮游動(dòng)物種類明顯少于大伙房水庫。各樣點(diǎn)浮游動(dòng)物組成和個(gè)體密度分布見圖4。大伙房水庫樣點(diǎn)的浮游動(dòng)物總個(gè)體密度為1.20～9.60個(gè)/L，平均為4.46個(gè)/L，其中D-2的浮游動(dòng)物個(gè)體密度最高，D-1最低；不同樣點(diǎn)的浮游動(dòng)物組成差異大，D-1中檢出的全部都是輪蟲類，而D-2中3類浮游動(dòng)物都有檢出，以枝角類個(gè)體密度最大，占比為50%，其次才是輪蟲類，而D-3～D-7中檢出的都是橈足類個(gè)體密度最大。入庫支流樣點(diǎn)的浮游動(dòng)物總個(gè)體密度為0～2.40個(gè)/L，平均為1.20個(gè)/L，渾河以輪蟲類為主，蘇子河和社河以橈足類為主。

圖4 各樣點(diǎn)浮游動(dòng)物組成和個(gè)體密度分布Fig.4 Distribution of zooplankton composition and individual density of each sampling point

2.3.2 浮游動(dòng)物優(yōu)勢(shì)種

大伙房水庫及入庫支流的浮游動(dòng)物優(yōu)勢(shì)種有5種(見表3)，其中輪蟲類有長三肢輪蟲、無柄輪蟲、梳狀疣毛輪蟲3種，枝角類有盤腸溞1種，橈足類有廣布中劍水蚤1種。此外，橈足類的無節(jié)幼體雖未達(dá)到優(yōu)勢(shì)種，但也有較多分布。

表3 大伙房水庫及入庫支流浮游動(dòng)物優(yōu)勢(shì)種Table 3 Dominant species of zooplankton in Dahuofang Reservoir and its tributaries

2.4 底棲動(dòng)物

2.4.1 底棲動(dòng)物組成和數(shù)量

大伙房水庫及入庫支流共檢出底棲動(dòng)物829個(gè)，隸屬于3門6綱32科36種。各樣點(diǎn)底棲動(dòng)物組成和個(gè)體密度分布見圖5。大伙房水庫及入庫支流中底棲動(dòng)物個(gè)體密度平均為657.94個(gè)/m2，其中昆蟲綱最高。其中，大伙房水庫中底棲動(dòng)物個(gè)體密度為100.00～1 855.59個(gè)/m2，平均為746.03個(gè)/m2；入庫支流中底棲動(dòng)物個(gè)體密度是344.44～1 788.89個(gè)/m2，平均為664.81個(gè)/m2。

圖5 各樣點(diǎn)底棲動(dòng)物組成和個(gè)體密度分布Fig.5 Distribution of benthic animal composition and individual density of each sampling point

2.4.2 底棲動(dòng)物優(yōu)勢(shì)種

由于大伙房水庫和入庫支流中的底棲動(dòng)物優(yōu)勢(shì)種差別較大，因此分開討論，而且底棲動(dòng)物鑒定難度較大，所以對(duì)其鑒定的分類水平也不盡相同。由表4可見，大伙房水庫中的優(yōu)勢(shì)種分別是卵形蘿卜螺、直突搖蚊亞科、梨形環(huán)棱螺、搖蚊亞科、豆螺屬和長足搖蚊亞科；入庫支流中的優(yōu)勢(shì)種分別是搖蚊亞科、劃蝽科、長足搖蚊亞科和直突搖蚊亞科。從優(yōu)勢(shì)種的耐污性來看，大伙房水庫及入庫支流的優(yōu)勢(shì)種皆為中等耐污種。

表4 大伙房水庫及入庫支流底棲動(dòng)物優(yōu)勢(shì)種Table 4 Dominant species of benthic animal in Dahuofang Reservoir and its tributaries

2.4.3 多樣性

由圖6可見，大伙房水庫及入庫支流的底棲動(dòng)物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)為0～3.26，平均為1.87，最低的樣點(diǎn)為D-7，僅采集到昆蟲綱的搖蚊類，可能是因?yàn)镈-7水深且底質(zhì)單一，從而多樣性較差；最高的樣點(diǎn)為SZ-1，可能是因?yàn)镾Z-1受人為干擾較少，底質(zhì)生境較好，分布有蜻蜓目、蜉蝣目、鞘翅目的多種底棲動(dòng)物。從底棲動(dòng)物的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)評(píng)價(jià)水體污染情況，大伙房水庫及入庫支流整體呈輕污染至中污染狀態(tài)。從底棲動(dòng)物評(píng)價(jià)的水體污染狀況略比從浮游植物評(píng)價(jià)的水體狀況差，說明污染物發(fā)生了一定的沉積。

圖6 各樣點(diǎn)底棲動(dòng)物多樣性Fig.6 Diversity of benthic animal of each sampling point

3 討 論

大伙房水庫中以隱藻門為最主要優(yōu)勢(shì)種，而一般富營養(yǎng)化湖泊以綠藻門、藍(lán)藻門為主要優(yōu)勢(shì)種[13]，說明大伙房水庫的富營養(yǎng)化水平不高，出庫口浮游植物藻細(xì)胞密度高主要是因?yàn)榇髩螖r截的緣故[14]。入庫支流以硅藻門為主，是因?yàn)楣柙彘T適應(yīng)水流速度較快的河流水環(huán)境[15]。圖3的J與H變化趨勢(shì)和反映的水體污染狀況一致性說明J和H具有相關(guān)性。

大伙房水庫及其入庫支流中浮游動(dòng)物種類較少，大伙房水庫中橈足類的數(shù)量占優(yōu)勢(shì)，而入庫支流中輪蟲類占優(yōu)勢(shì)。一般來說，浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)會(huì)隨著水體營養(yǎng)水平的提高而呈現(xiàn)由小型浮游動(dòng)物向大型浮游動(dòng)物轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)[16]，因此可以判斷，大伙房水庫的富營養(yǎng)化水平高于入庫支流。

大伙房水庫及其入庫支流中底棲動(dòng)物分布差異較大。大伙房水庫中D-3和入庫支流中H-2底棲動(dòng)物個(gè)體密度較高，可能與其毗鄰的村莊及農(nóng)場(chǎng)中人類活動(dòng)生活污水排放有關(guān)。蘇子河人為干擾較少，底質(zhì)生境維持較好，有多類底棲動(dòng)物分布。

水生生物群落結(jié)構(gòu)特征受多種水質(zhì)指標(biāo)的影響。通過典范對(duì)應(yīng)排序分析[17]發(fā)現(xiàn)，影響大伙房水庫及其入庫支流中水生生物群落結(jié)構(gòu)變化的主要水質(zhì)指標(biāo)是DO、高錳酸鹽指數(shù)和氨氮。水體中水生生物與DO關(guān)系密切，因?yàn)楦∮沃参镞M(jìn)行光合作用釋放氧氣，會(huì)使水體DO升高，水生生物的生命活動(dòng)和死亡降解又都會(huì)消耗DO[18]。氨氮和高錳酸鹽指數(shù)分別代表了水體中的營養(yǎng)鹽水平和有機(jī)物污染水平[19]，說明大伙房水庫還是有必要控制外源營養(yǎng)鹽和有機(jī)物輸入，以減緩其富營養(yǎng)化進(jìn)程。

4 結(jié) 論

綜合大伙房水庫及入庫支流水質(zhì)現(xiàn)狀和浮游植物、浮游動(dòng)物、底棲動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)特征可以得出，大伙房水庫及入庫支流水體水質(zhì)總體處于輕污染至中污染狀態(tài)，主要超標(biāo)項(xiàng)目為TN、TP和COD，污染物已發(fā)生了一定的沉積，大伙房水庫的富營養(yǎng)化水平高于入庫支流，影響水生生物群落結(jié)構(gòu)變化的主要水質(zhì)指標(biāo)是氨氮、高錳酸鹽指數(shù)和DO。為避免大伙房水庫水體過快富營養(yǎng)化，有必要控制外源營養(yǎng)鹽和有機(jī)物的輸入。