張慶吉，王金東，王明明，蔡永久，龔志軍，秦伯強*

(1.南京大學地理與海洋科學學院，江蘇 南京 210023；2.中國科學院南京地理與湖泊研究所，湖泊與環(huán)境國家重點實驗室，江蘇 南京 210008；3.江蘇省駱運水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800；4.宿遷市水利局，江蘇 宿遷 223800)

城市化和工業(yè)的快速發(fā)展使得湖泊水環(huán)境受到嚴重威脅，水體富營養(yǎng)化成為湖泊水環(huán)境問題的焦點[1-3]。駱馬湖(34°0′—34°14′ N、118°6′—118°16′ E)位于江蘇省北部，為宿遷、新沂兩市共轄，地處徐連經(jīng)濟帶中部，與連云港、徐州、淮陰等大中城市較近，交通便捷，區(qū)位優(yōu)勢明顯[4]。作為淮河流域第三大湖泊、江蘇省第四大湖泊[5]，同時還是國家南水北調(diào)東線輸水工程的主要調(diào)節(jié)湖泊之一[4-5]，其水環(huán)境質(zhì)量對調(diào)水用水安全和生態(tài)健康具有重要影響。對駱馬湖進行的水質(zhì)監(jiān)測和生物學評價的歷史研究表明，20世紀以來駱馬湖水環(huán)境變化較大[6]，尤其是近十年的人類活動對水環(huán)境存在較大干擾。

底棲動物影響著水生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)物質(zhì)的分解與循環(huán)，對環(huán)境變化反應(yīng)敏感[7]。同時，底棲動物種類繁多，對水質(zhì)污染的反應(yīng)范圍廣，生活場所固定，生活周期長，能夠反映較長一段時間內(nèi)水體狀況[8]。并且底棲動物群落中不同物種對環(huán)境變化的敏感性差異較大，群落組成與結(jié)構(gòu)往往受水質(zhì)影響發(fā)生變化，因此被廣泛應(yīng)用于生物監(jiān)測和水質(zhì)評價。2014年以來，駱馬湖經(jīng)歷了采砂、圍網(wǎng)養(yǎng)殖、調(diào)水等影響，湖泊水環(huán)境與水生態(tài)系統(tǒng)可能出現(xiàn)更多的不確定性[9-12]?，F(xiàn)利用2018年1—11月底棲動物和水質(zhì)逐月監(jiān)測數(shù)據(jù)，對駱馬湖水環(huán)境狀況進行分析，以期為駱馬湖生態(tài)環(huán)境保護與管理提供科學支撐。

1 研究方法

1.1 采樣時間

2018年1—11月。

1.2 采樣點位

根據(jù)駱馬湖的形態(tài)、圍網(wǎng)養(yǎng)殖、采砂和水生植被分布以及出湖入湖河流等情況共設(shè)置10個監(jiān)測點位，分別為北部湖區(qū)5個點位(LM1、LM2、LM4、LM5、LM8)，南部湖區(qū)5個點位(LM3、LM6、LM7、LM9、LM10)，具體采樣點位示意見圖1。

圖1 駱馬湖采樣點位分布示意

1.3 樣品采集、處理與分析

底棲動物樣品采集用面積為1/20 m2的改良彼得森采泥器，每個樣點采集3次，采用網(wǎng)孔徑為0.45 mm尼龍篩網(wǎng)進行洗滌，剩余物帶回實驗室進行分樣。將洗凈的樣品置入白色盤中，加入清水，利用尖嘴鑷、吸管、毛筆、放大鏡等工具進行挑揀工作。挑揀出的各類動物，分別放入已裝好固定液的50 mL塑料瓶中，直到采樣點采集到的標本全部檢完，標本投入7%福爾馬林中固定。把每個采樣點所采到的底棲動物按不同種類準確統(tǒng)計個體數(shù)，根據(jù)采樣器的開口面積推算出1 m2內(nèi)的底棲動物數(shù)量，包括每種的數(shù)量和總數(shù)量，樣品稱重獲得的結(jié)果換算為1 m2面積上的生物量(g/m2)。絕大部分物種鑒定到種，少數(shù)種類鑒定至屬或更高的分類單元[13-15]。

水溫、pH值、溶解氧(DO)和電導率(EC)等水質(zhì)指標由6600 EDS型多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀(美國YSI公司)現(xiàn)場測定；水深和透明度分別利用SM-5A聲吶測深儀(美國Speedtech公司)和SD20塞氏盤(中國普利特儀器公司)現(xiàn)場測定；總氮(TN)采用《水質(zhì) 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(GB 11894—89)；總磷(TP)采用《水質(zhì) 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》(GB 11893—89)；高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)采用《水質(zhì) 高錳酸鹽指數(shù)的測定》(GB 11892—89)；氟離子(F-)采用《水質(zhì) 氟化物的測定》(GB 7484—1987)；樣品保存參考《水與廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)[16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用相對重要性指數(shù)確定優(yōu)勢種，該指數(shù)的計算將每種生物的個體質(zhì)量、密度及出現(xiàn)頻率均考慮在內(nèi)，能夠較為全面地反映出每種生物在整個群落中的地位，其計算公式為：

IIRI=(Wi+Ni)×fi

(1)

式中：IIRI——相對重要性指數(shù);Wi——物種i的生物量占各采樣點大型底棲動物總生物量的百分比；Ni——物種i的密度占各采樣點總密度的百分比[17]；fi——物種i在采樣點出現(xiàn)的相對頻率。

采用Goodnight指數(shù)(GBI)、生物學污染指數(shù)(BPI)、Shannon-Wiener指數(shù)( H′)幾種生物指數(shù)評價駱馬湖營養(yǎng)及污染狀況。計算公式如下：

(2)

式中：N1——寡毛類個體數(shù)，個；N——樣品中底棲動物總數(shù)[18]，個。

(3)

式中：N1——寡毛類、蛭類和搖蚊幼蟲個體數(shù)，個/m2;N2——多毛類、甲殼類、除搖蚊幼蟲以外其他的水生昆蟲個體數(shù)，個/m2;N3——軟體動物個體數(shù)，個/m2。

(4)

式中：ni——物種i的個體數(shù)目，個/m2；N——群落中所有種的個體總數(shù)，個。

GBI對應(yīng)評價標準如下：0.6>GBI，為輕污染；0.6≤GBI≤0.8，為中污染；0.8

BPI對應(yīng)評價標準如下：BPI<0.1，為水質(zhì)清潔；0.1≤BPI<0.5，為輕污染；0.5 ≤BPI<1.5，為β-中污染；1.5≤BPI≤5.0，為α-中污染；5.0

H′對應(yīng)評價標準如下： 0≤H′<1.0，為重污染；1.0≤H′<2.0，為中污染；2.0≤H′≤3.0，為輕度污染；3.0< H′，為無污染。

2 結(jié)果與分析

2.1 駱馬湖水體各理化指標變化特征

駱馬湖水體各理化指標變化趨勢見圖2(a)-(h)。由圖2可見，ρ(TN)呈現(xiàn)先下降再升高的趨勢，在8月達到最大值4.96 mg/L，其年均值為2.31 mg/L。ρ(TP)年均值為0.05 mg/L，呈先升高再下降趨勢，與ρ(TN)一樣在8月到達最大值0.15 mg/L。ρ(CODMn)呈現(xiàn)逐漸升高后下降，峰值出現(xiàn)時間與ρ(TN)、ρ(TP)一致，最大值為6.69 mg/L，最小值為3.15 mg/L。ρ(F-)總體呈現(xiàn)下降趨勢，最大值為0.86 mg/L，最小值為0.47 mg/L；與ρ(F-)相反，pH值呈現(xiàn)升高趨勢且年均值為9.37。水溫與EC表現(xiàn)一致，均為先升高再下降趨勢，ρ(DO)與水溫變化趨勢相反。

圖2 2018年駱馬湖水體各理化指標變化趨勢

2.2 底棲動物群落結(jié)構(gòu)

2.2.1 底棲動物種類及優(yōu)勢種

研究期間共鑒定底棲動物27種，屬7個綱。其中節(jié)肢動物種類最多(15種)，以昆蟲綱種類占優(yōu)，共12種，均為搖蚊幼蟲，占總物種數(shù)的48%，甲殼類3種，占比12%；環(huán)節(jié)動物中寡毛綱3種，占比12%，多毛綱和蛭綱各2種，均占比8%；軟體動物物種數(shù)為5種，包括腹足綱3種和雙殼綱2種，分別占比12%和8%。 2018年駱馬湖底棲動物優(yōu)勢種密度、生物量及優(yōu)勢度見表1。

表1 2018年駱馬湖底棲動物優(yōu)勢種密度、生物量及優(yōu)勢度①

由表1可見，駱馬湖底棲動物密度和生物量被少數(shù)種類所主導。昆蟲綱的紅裸須搖蚊、多巴小搖蚊和中國長足搖蚊，寡毛綱的霍甫水絲蚓和蘇氏尾鰓蚓，以及腹足綱的紋沼螺密度較高分別占總密度的29.78%，11.14%，7.23%，23.77%，6.85%和13.99%。由于軟體動物個體較大，銅銹環(huán)棱螺占據(jù)絕對優(yōu)勢，占總生物量的43.49%?；舾λz蚓、紅裸須搖蚊、蘇氏尾鰓蚓和多巴小搖蚊的出現(xiàn)頻率最高，分別為66.4%，50.0%，44.5%和40.0%，表明其在全湖廣泛分布。研究期間出現(xiàn)頻率低于10%的物種數(shù)有20種，占總物種數(shù)的74%。綜合底棲動物的密度、生物量以及各物種的出現(xiàn)率，利用IIRI確定優(yōu)勢種類，結(jié)果表明駱馬湖2018年的底棲動物優(yōu)勢種主要為紅裸須搖蚊、霍甫水絲蚓、銅銹環(huán)棱螺、多巴小搖蚊、蘇氏尾鰓蚓、中國長足搖蚊和紋沼螺。

2.2.2 底棲動物群落時空格局

駱馬湖底棲動物年均生物量和密度空間分布格局見圖3(a)(b)。

圖3 2018年駱馬湖底棲動物年均生物量和密度空間分布格局

由圖3(a)可見，調(diào)查期間各點位底棲動物生物量差異較大。年均底棲動物總生物量范圍在1.27～96.63 g/m2，年平均總生物量為24.93 g/m2，最高值出現(xiàn)在南湖區(qū)的新沂河附近水域(LM5)，其次是西南水域(LM9)，較低值出現(xiàn)在北部水域(LM8)、六塘河出湖水域(LM7)和北部采砂區(qū)(LM2)，表現(xiàn)出明顯的南北差異。

由圖3(b)可見，各點位底棲動物年均總密度范圍為70.3～314.6個/m2，密度平均值為174.5個/m2，密度高值出現(xiàn)在西南水域水生植被區(qū)(LM9點位)，而湖心敞水區(qū)采砂區(qū)邊緣(LM3點位)密度最低。此外除西南水域水生植被區(qū)(LM9點位)、運河沿岸帶的采砂區(qū)邊緣水域(LM1點位)和北部水域采砂區(qū)邊緣(LM8點位)密度超出200個/m2外，其他各點位密度均低于200個/m2。

駱馬湖底棲動物優(yōu)勢類群密度、生物量季節(jié)變化分別見圖4(a)(b)(c)(d)和圖5(a)(b)(c)(d)。由圖4可見，2018年駱馬湖底棲動物總密度在各季節(jié)間存在一定波動變化，冬季總密度明顯高于其他季節(jié)；昆蟲綱在冬季至初春(1—3月)密度較高，寡毛綱在11月和1—2月的密度略高于其他月份，腹足綱密度的季節(jié)變化趨勢不明顯。由圖5可見，寡毛綱冬季生物量較高，昆蟲綱的生物量和總生物量呈現(xiàn)類似的變化趨勢。

圖4 2018年駱馬湖底棲動物優(yōu)勢類群密度季節(jié)變化

圖5 2018年駱馬湖底棲動物優(yōu)勢類群生物量季節(jié)變化

2.3 水質(zhì)生物學評價

基于2018年1—11月的底棲動物監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算各點位3種生物學指數(shù)得分，見圖6(a)(b)(c)。

圖6 駱馬湖底棲動物水質(zhì)生物學評價

由圖6(a)可見，GBI指數(shù)在10個監(jiān)測點位中得分介于0.07～0.47，平均值為0.31，最高值出現(xiàn)在LM8點位，但各點位得分均低于0.6，處于輕污染狀態(tài)。由圖6(b)可見，BPI指數(shù)得分介于0.67～3.22，平均值為1.84，得分最低出現(xiàn)在LM9點位，但各點位指數(shù)處于0.5～5.0，處于中污染狀態(tài)。由圖6(c)可見，H′指數(shù)最低值出現(xiàn)在LM2點位，但各點位得分處于1.0～2.0范圍內(nèi)，屬于中污染狀態(tài)。綜合以上評價結(jié)果，表明駱馬湖水體現(xiàn)階段處于中污染狀態(tài)。

3 討論

3.1 駱馬湖水體環(huán)境因子變化特征

駱馬湖屬于過水性湖泊，水質(zhì)變化受上游來水的影響較大[19]。湖體ρ(TN)年平均值從2014年的1.20 mg/L上升到2018年的2.32 mg/L，這說明駱馬湖水體營養(yǎng)程度逐漸加深[20]。歷史研究表明，駱馬湖水質(zhì)數(shù)據(jù)可通過聚類劃分為南北湖區(qū)，北部湖區(qū)氮磷濃度高于南部湖區(qū)，其原因與入湖污染物以及圍網(wǎng)養(yǎng)殖等因素有關(guān)[21]。2017年6月駱馬湖開展圍網(wǎng)拆除工作，而后自2017年7月起ρ(TN)變化幅度較大，2017和2018年的7—9月均明顯升高且北部圍網(wǎng)養(yǎng)殖湖區(qū)大于南部湖區(qū)[22]。除了ρ(TN)外，ρ(CODMn)、pH值、ρ(DO)相比于2014年均產(chǎn)生明顯變化，ρ(CODMn)明顯升高，這可能是圍網(wǎng)內(nèi)大量養(yǎng)殖殘餌釋放導致的結(jié)果，與淀山湖圍網(wǎng)拆除后出現(xiàn)的水體TN、TP濃度增加的現(xiàn)象一致[23]。F-是駱馬湖采砂活動的重要指標[24]，2015年駱馬湖實行禁止湖區(qū)采砂政策后ρ(F-)大幅度下降，由2014年的0.88 mg/L顯著下降到2016年的0.66 mg/L，隨之pH值呈現(xiàn)下降趨勢[22]。本研究結(jié)果與上述結(jié)果一致。

3.2 基于底棲動物的水質(zhì)評價

基于底棲動物的生物學評價表明，駱馬湖水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量同蘇南經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的太湖和滆湖相比，駱馬湖寡毛綱密度較滆湖和太湖梅梁灣低，密度均值僅為54個/m2，而滆湖和太湖梅梁灣均值分別達到301和4 617個/m2[25-26]。駱馬湖GBI指數(shù)得分顯著低于滆湖和太湖梅梁灣，BPI指數(shù)顯著低于滆湖，H′指數(shù)則顯著高于后2個湖泊[26]。對比分析結(jié)果表明，駱馬湖水質(zhì)好于滆湖和太湖梅梁灣，這與水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果一致[25-26]。此外，與2014年監(jiān)測結(jié)果相比，2018年駱馬湖H′、GBI指數(shù)、寡毛類密度和BPI指數(shù)有所上升[20]。BPI指數(shù)和H′指數(shù)對駱馬湖水質(zhì)的評價結(jié)果均為中度污染，但GBI指數(shù)對駱馬湖評價結(jié)果為輕度污染。3種生物學水質(zhì)評價指數(shù)在部分點位存在不一致性，相比于2014年駱馬湖底棲動物重度污染的監(jiān)測結(jié)果，LM2點位H′指數(shù)明顯上升，說明采砂帶來的底質(zhì)生境破壞現(xiàn)象有所好轉(zhuǎn)[20]。現(xiàn)今駱馬湖雖然因采砂帶來的影響有所緩解，但仍需加強外源污染物的管控力度。

對比各評價指數(shù)在駱馬湖內(nèi)的適用程度，相比于2014年，現(xiàn)今BPI指數(shù)或可用于駱馬湖整體區(qū)域反映多年水生態(tài)變化趨勢，但在局部區(qū)域不適用。計算BPI指數(shù)本質(zhì)上是將大型底棲動物按照：耐污種、中度耐污種和敏感種分類成3個水平，3個類群密度經(jīng)過對數(shù)轉(zhuǎn)換后，耐污種作為分子，中等耐污種和敏感種求和作為分母，求得的比值用來評價水質(zhì)優(yōu)劣，相對適用于水質(zhì)有機污染評價[27]。GBI指數(shù)僅關(guān)注寡毛類單類群物種密度和總體的比值，LM2點位位于北部主采砂區(qū)域，該區(qū)域全年未發(fā)現(xiàn)寡毛類，只發(fā)現(xiàn)了少量的搖蚊幼蟲，因此評價結(jié)果數(shù)值偏低[18]。早期研究表明，早年間采砂活動改變了底棲動物的生境，使顫蚓類難以生存，致使駱馬湖區(qū)使用涉及耐污種密度的生物學評價指數(shù)判斷采砂相關(guān)區(qū)域的水質(zhì)情況可能會低估實際的污染水平如BPI和GBI指數(shù)[20]。隨著歷史采砂區(qū)域生境的轉(zhuǎn)好，底棲動物群落有所恢復但多為耐污物種,BPI可能仍具有評價功能，但GBI指數(shù)僅針對于寡毛類評價并不全面，因此GBI指數(shù)在全湖內(nèi)可能不適用。采砂區(qū)域的H′指數(shù)相比于2014年結(jié)果有所升高，主要是底質(zhì)生境有所恢復的結(jié)果但其中多為耐污物種仍然需關(guān)注。

2018年駱馬湖底棲動物總密度在各季節(jié)間存在一定波動變化，冬季總密度明顯高于其他季節(jié)，該變化趨勢主要是由昆蟲綱密度的季節(jié)性變化所致。昆蟲綱在1—3月密度較高，寡毛綱在11月和1—2月的密度略高于其他月份，這與該類群生活史周期有關(guān)[14]。上述結(jié)果說明，底棲動物自身的生活史也會對水質(zhì)生物學評價結(jié)果產(chǎn)生影響。另外調(diào)水引起的水文條件變化同樣會引起底棲動物群落的改變，在區(qū)位相近的東平湖南和四湖結(jié)果表明調(diào)水帶來的水文脈沖變化會通過水質(zhì)、沉積物中的重金屬和水深3個層面影響底棲動物群落結(jié)構(gòu)[28]。需要注意的是，結(jié)合底棲動物的歷史數(shù)據(jù)，耐污能力較強的物種逐漸成為駱馬湖的優(yōu)勢類群，反映了該湖泊富營養(yǎng)化和污染水平有加劇的趨勢，但同時隨著采砂活動的禁止，相比2014年，駱馬湖底棲環(huán)境正處于恢復階段，部分水域水底“荒漠化”現(xiàn)象可能正在改善，但富營養(yǎng)化和污染水平正在提高，湖泊健康水平惡化趨勢明顯。對比作為南水北調(diào)東線工程重要的調(diào)蓄湖泊以及飲用水源地，防治湖泊富營養(yǎng)化和外源污染的相關(guān)工作仍需關(guān)注。

4 結(jié)論

(1)2018年駱馬湖水體ρ(TN)、ρ(DO)呈現(xiàn)先下降再升高的趨勢；ρ(TN)、ρ(TP)和ρ(CODMn)在8月達到峰值，ρ(CODMn)、ρ(TP)呈先升高后下降趨勢；ρ(F-)呈逐漸下降趨勢，水溫和電導率存在明顯季節(jié)變化，pH值是呈逐漸升高趨勢。

(2)2018年駱馬湖底棲動物優(yōu)勢種為紅裸須搖蚊、霍甫水絲蚓、銅銹環(huán)棱螺、多巴小搖蚊、蘇氏尾鰓蚓、中國長足搖蚊和紋沼螺等耐污種。

(3)水質(zhì)評價結(jié)果表明，駱馬湖水體為中污染程度。建議制定湖泊管理政策時應(yīng)考慮在此區(qū)域繼續(xù)嚴格實行禁止采砂政策，并持續(xù)關(guān)注外源營養(yǎng)物質(zhì)的輸入。

致謝

感謝江蘇省駱運水利工程管理處及陳業(yè)協(xié)助野外采樣，薛靜琛協(xié)助室內(nèi)樣品分析。