劉志剛，渠曉東，張遠(yuǎn)* ，馬淑芹，趙瑞，曹國(guó)憑

1.河北聯(lián)合大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063009

2.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院流域水生態(tài)保護(hù)技術(shù)研究室，北京 100012

大型底棲動(dòng)物是淡水生態(tài)系統(tǒng)中重要的消費(fèi)者和分解者［1］，與河流生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)密切相關(guān)［2-3］。大型底棲動(dòng)物長(zhǎng)期生活于水體底部，不同類群對(duì)水污染表現(xiàn)出從極敏感到極耐污的特征，因此，大型底棲動(dòng)物群落的結(jié)構(gòu)可在一定程度上表征水體的長(zhǎng)期污染狀況［4］。分析大型底棲動(dòng)物群落與污染物的關(guān)系，識(shí)別影響水生生物空間分布的主要污染物，是河流生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與恢復(fù)的前提及關(guān)鍵。

開(kāi)展水生生物與主要污染物關(guān)系的研究是建立水環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)(簡(jiǎn)稱水質(zhì)基準(zhǔn))的前提和基礎(chǔ)［5］。我國(guó)的水質(zhì)基準(zhǔn)研究多以世界衛(wèi)生組織和美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的水質(zhì)基準(zhǔn)資料為依據(jù)［6］，水質(zhì)基準(zhǔn)確定的主要依據(jù)是室內(nèi)毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)［7］。研究自然條件下水生生物群落對(duì)主要污染物的響應(yīng)，對(duì)水質(zhì)基準(zhǔn)的制定具有重要的參考意義，同時(shí)，在某一污染物水質(zhì)基準(zhǔn)值缺失的情況下，污染物與水生物群落定量關(guān)系的研究，可以為水環(huán)境保護(hù)與生物多樣性保護(hù)提供重要的數(shù)據(jù)參考。

渾河是遼河流域最重要的支流之一，根據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》劃分，“十一五”初期大伙房上游水質(zhì)相對(duì)較好(Ⅱ類或Ⅲ類);撫順至沈陽(yáng)段水質(zhì)污染加重，NH3-N，CODCr，BOD5和揮發(fā)酚等關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)分別超過(guò)Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度值的24.4，1.8，10.0和 13.0倍;渾河流經(jīng)沈陽(yáng)后，水質(zhì)長(zhǎng)期為Ⅴ類［8］。目前，對(duì)渾河流域重要污染物與水生生物群落關(guān)系的全面系統(tǒng)研究鮮有報(bào)道［9-11］，筆者擬通過(guò)分析渾河大型底棲動(dòng)物群落特征，識(shí)別影響大型底棲動(dòng)物空間分布的主要污染物，分析主要污染物對(duì)渾河大型底棲動(dòng)物生物多樣性的影響，以期為渾河水污染治理、生物多樣性保護(hù)和生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

渾河位于遼寧省東部(122°20'E～125°20'E，41°00'N ～ 42°20'N)，河流全長(zhǎng) 415 km，流域面積1.15×104km2，渾河發(fā)源于長(zhǎng)白山支脈滾馬嶺西側(cè)，依次流經(jīng)清原、新賓、撫順、沈陽(yáng)等市縣(圖1)，在海城同太子河匯合后經(jīng)大遼河由營(yíng)口注入遼東灣，主要支流有英額河、蘇子河、章黨河、蒲河、社河、東洲河等。位于渾河上游的大伙房水庫(kù)，總庫(kù)容為2.19×109m3，是渾河最重要的水利設(shè)施。渾河流域受大陸季風(fēng)性氣候影響，年徑流量為3.05×109m3，多年平均降水量為718.3 mm，降水分配比例不均，主要集中在6—9月。

1.2 樣品采集與鑒定

2010年5月在渾河流域開(kāi)展了大型底棲動(dòng)物的調(diào)查，全流域設(shè)置60個(gè)樣點(diǎn)(圖1)。大型底棲動(dòng)物樣品用索伯網(wǎng)〔60目(孔徑為0.3 mm)尼龍紗，30 cm×30 cm〕進(jìn)行采集。將索伯網(wǎng)置于河道底部，用小鐵鏟攪動(dòng)網(wǎng)框內(nèi)所有底質(zhì)，清洗底質(zhì)表面，將附著的大型底棲動(dòng)物全部收集于索伯網(wǎng)后部的網(wǎng)兜內(nèi)。網(wǎng)兜內(nèi)的底質(zhì)全部倒入水桶再次仔細(xì)清洗，并用60目篩網(wǎng)過(guò)濾，收集所有底棲動(dòng)物樣品于500 mL塑料瓶中，加70%酒精溶液固定。各樣點(diǎn)采集3個(gè)平行樣，以減小采樣誤差。在實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)大型底棲動(dòng)物標(biāo)本進(jìn)行挑揀和鑒定，大多數(shù)物種鑒定到種或?qū)?，搖蚊幼蟲(chóng)鑒定到亞科，寡毛類和線蟲(chóng)類僅鑒定到綱［12-15］。

1.3 水質(zhì)監(jiān)測(cè)

采用便攜式多參數(shù)水質(zhì)測(cè)量?jī)x(YSI-Pro Plus，美國(guó)維賽儀器公司)對(duì)pH，溶解氧(DO)和電導(dǎo)率(EC)等水質(zhì)污染指標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。在采集大型底棲動(dòng)物樣品前，采集2 L混合水樣，于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定八項(xiàng)主要水質(zhì)污染指標(biāo):5日生化需氧量(BOD5)，化學(xué)需氧量(CODCr)，高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)，總氮(TN)，總磷(TP)，氨氮(NH3-N)，硝酸鹽氮(NO3-N)和亞硝酸鹽氮(NO2-N)。水樣的采集、保存和室內(nèi)測(cè)定參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(4 版)［16］。

圖1 渾河流域及樣點(diǎn)位置示意Fig.1 Distribution of sample sites in Hun River basin

1.4 多樣性指數(shù)計(jì)算

采用四種生物多樣性指數(shù)表征大型底棲動(dòng)物多樣性特征:香農(nóng)-威納指數(shù)，表征群落結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性程度，同時(shí)考慮物種的多樣性和物種間的比例;Pielou均勻度指數(shù)，表征物種間個(gè)體數(shù)分布的均勻性程度;Simpson多樣性指數(shù)，表征優(yōu)勢(shì)種個(gè)體數(shù)分布的多度;Margalef豐富度指數(shù)，表征物種數(shù)量的多樣性程度［17］。各多樣性指數(shù)的計(jì)算公式與文獻(xiàn)來(lái)源如表1所示。

表1 生物多樣性指數(shù)計(jì)算公式與文獻(xiàn)來(lái)源Table 1 The calculation and citation of biodiversity indices

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

水質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)性，主要污染物與生物指數(shù)和多樣性指數(shù)間的相關(guān)性分析采用Spearman秩相關(guān)檢驗(yàn)，用最小二乘法計(jì)算主要污染物與生物指數(shù)間的回歸關(guān)系，用SPSS軟件完成(SPSS 12.0)檢驗(yàn)。采用典范對(duì)應(yīng)分析(canonicalcorrespondence analysis，CCA)研究污染物對(duì)大型底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的影響(Canoco 4.5)。為減小數(shù)據(jù)樣本間方差，在CCA分析前對(duì)大型底棲動(dòng)物數(shù)據(jù)和污染物數(shù)據(jù)分別進(jìn)行l(wèi)g(1+x)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化和標(biāo)準(zhǔn)化處理［22］，剔除在所有樣點(diǎn)中只出現(xiàn)一個(gè)個(gè)體的物種，降低偶見(jiàn)種對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 渾河水質(zhì)特征分析

渾河水質(zhì)檢測(cè)分析表明，渾河主要水質(zhì)污染指標(biāo)中，主要為T(mén)N污染，其監(jiān)測(cè)值劣于Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的樣點(diǎn)數(shù)占監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)總數(shù)的98.3%;其次為T(mén)P和NH3-N污染，其監(jiān)測(cè)值劣于Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的樣點(diǎn)數(shù)占監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)總數(shù)的28.3%和21.7%，說(shuō)明渾河流域目前的富營(yíng)養(yǎng)化狀況較重;再次為CODCr和CODMn污染，其監(jiān)測(cè)值優(yōu)于Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的樣點(diǎn)數(shù)占監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)總數(shù)的55.0%和48.3%，表明渾河流域有較重的工業(yè)廢水和生活污水污染(表2)。選擇pH，DO，NH3-N，TP，CODCr，CODMn和 BOD5指標(biāo)綜合比較水質(zhì)狀況，分別評(píng)定各項(xiàng)指標(biāo)的水質(zhì)級(jí)別，以其中水質(zhì)最差的單項(xiàng)指標(biāo)所屬類別作為該樣點(diǎn)水質(zhì)類別，結(jié)果表明渾河水質(zhì)劣于Ⅲ類的監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)數(shù)占60.0%，說(shuō)明渾河整體水污染較重;如同時(shí)將TN指標(biāo)納入評(píng)價(jià)體系中，則水質(zhì)優(yōu)于Ⅲ類的監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)數(shù)僅為1.7%。

表2 渾河流域水質(zhì)特征Table 2 Characteristics of water quality in the Hunhe River basin

2.2 大型底棲動(dòng)物群落特征

采集的大型底棲動(dòng)物共90種，4929個(gè)體。主要類群為水生昆蟲(chóng)(Arthropoda)78屬(種)，占采集物種總數(shù)的86.7%，占采集個(gè)體總數(shù)的76.1%;環(huán)節(jié)動(dòng)物(Annelida)5種，占采集個(gè)體總數(shù)的22.4%，以霍夫水絲蚓和蘇氏尾鰓蚓為主;軟體動(dòng)物(Mollusca)5種，以凸旋螺和橢圓蘿卜螺為主;線形動(dòng)物和扁形動(dòng)物各1種。比較各類群在渾河流域的分布特征表明，水生昆蟲(chóng)以雙翅目(Diptera)物種的分布最廣，在所有樣點(diǎn)中的出現(xiàn)頻率達(dá)91.7%，其次為寡毛類(Oligochaeta，75%)，蜉蝣目幼蟲(chóng)(Ephemeroptera，50%)和毛翅目幼蟲(chóng)(Trichoptera，46.7%)。

渾河大型底棲動(dòng)物物種數(shù)和生物個(gè)體數(shù)相對(duì)較低，全流域平均值僅為8種和82個(gè)體。EPT物種數(shù)為蜉蝣目(E)，襀翅目(P)和毛翅目(T)三個(gè)類群分類單元數(shù)之和，代表了河流中主要的敏感類群，其數(shù)量?？芍苯又甘竞恿鞯慕】禒顩r，該次調(diào)查結(jié)果表明EPT物種數(shù)全流域平均為3種，中位數(shù)僅為1種，表明有50%樣點(diǎn)的EPT物種數(shù)在1種以下。搖蚊幼蟲(chóng)是渾河最主要生物類群，其個(gè)體數(shù)占總個(gè)體數(shù)比例的平均值為37.29%，最高值為96.96%。全流域香農(nóng)-維納指數(shù)平均值為1.90，Margalef豐富度指數(shù)平均值為1.33，均勻度指數(shù)平均值為0.71，Simpson指數(shù)平均值為0.59(表3)。

表3 渾河流域大型底棲動(dòng)物生物指數(shù)與生物多樣性指數(shù)特征Table 3 Characteristics of biological＆biodiversity indices of Macroinvertebrate in Hunhe River basin

2.3 影響大型底棲動(dòng)物分布的主要污染物識(shí)別

CCA分析的前提是通過(guò)相關(guān)分析選擇獨(dú)立性較高的水質(zhì)指標(biāo)。渾河流域水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性分析表明，DO 與 BOD5負(fù)相關(guān)(R=-0.72，P ＜0.01)，因?yàn)锽OD5同時(shí)還可表征水體中有機(jī)物污染的特征，因此選擇BOD5表征二者的共同特性。CODMn分別與CODCr和 TP正相關(guān)(R=0.72，R=0.71;P＜0.01)，在 CODMn，CODCr和 TP三項(xiàng)化學(xué)指標(biāo)中，CODCr能較全面地表征水體中各種耗氧類物質(zhì)的量，TP可以表征水體營(yíng)養(yǎng)鹽狀況，因此保留CODCr和TP作為表征水體好氧類和富營(yíng)養(yǎng)類污染指標(biāo)。另外EC與NH3-N也具有較高的相關(guān)性(|R|＞0.70，P＜0.01)，但由于NH3-N對(duì)水生生物具有毒性，因此保留NH3-N作為影響大型底棲動(dòng)物群落分布的毒性指標(biāo)。通過(guò)相關(guān)分析得出，用于CCA分析的水質(zhì)指標(biāo)為 pH，TN，TP，BOD5，CODCr，NH3-N，NO2-N和NO3-N(表4)。

CCA分析表明，NH3-N和CODCr是影響大型底棲動(dòng)物空間分布的主要污染物(蒙托卡羅檢驗(yàn)F值分別為4.07和1.98，P＜0.001)。排序軸第一軸(軸1)正方向的主要污染物為NH3-N，BOD5和TP，排序軸第二軸(軸2)負(fù)方向的主要污染物為CODCr和TN。CCA排序圖前兩軸特征值分別為0.312與0.143，物種與水質(zhì)指標(biāo)在前兩條軸的累積百分率為53.2%，物種和水質(zhì)指標(biāo)排序軸前兩軸相關(guān)系數(shù)分別為0.894和0.808(圖2)。

表4 水質(zhì)指標(biāo)間Spearman相關(guān)性分析Table 4 Spearman correlation analysis among water quality metrics

由圖2可知，大伙房水庫(kù)上游英額河、蘇子河與紅河(圖2中○表示的樣點(diǎn))受到的污染最輕，主要分布于CCA排序軸(軸1)的負(fù)方向，與主要污染物的分布趨勢(shì)相反;大伙房水庫(kù)下游渾河支流中(圖2中◇表示的樣點(diǎn))，除少數(shù)樣點(diǎn)的污染狀況較輕外，其他樣點(diǎn)的大型底棲動(dòng)物群落受NH3-N的影響最重，其次為CODCr，蒲河的兩個(gè)樣點(diǎn)(樣點(diǎn)47和48號(hào))位于排序軸第一象限正方向遠(yuǎn)端，表明蒲河的污染嚴(yán)重;大伙房水庫(kù)下游渾河干流中，影響大型底棲動(dòng)物群落組成的最重要污染物是CODCr。另外，從圖2可以看出，TN與CODCr的污染具有較高的一致性，TP與NH3-N的污染具有較高的一致性。

圖2 樣點(diǎn)與水質(zhì)指標(biāo)間CCA排序Fig.2 CCA ordination diagrams of samples sites-water quality metrics

桃碧扁蚴蜉(Ecdyonurus tobiironis)，黑頭原石蛾(Rhyacophila nigrocephala)，蝶石蛾(Psychomyia sp.)，三斑小蜉(Ephemerella atagosana)和斑紋角石蛾(Stenopsyche marmorata)等敏感物種，主要分布于渾河大伙房水庫(kù)上游區(qū)域，為該區(qū)域的指示物種;蘇氏尾鰓蚓(Branchiura sowerbyi)，赤豆螺(Bithynia fuchsianus)和水蠅(Ephydra sp.)等耐污物種，主要分布于大伙房水庫(kù)下游的支流區(qū)域，為該區(qū)域的指示物種;鱗屬(Tomocerus sp.)，鉤蝦(Gammarus sp.)和銅銹環(huán)棱螺(Bellamya acruginosa)主要分布于大伙房水庫(kù)下游渾河干流，為該區(qū)域的指示物種。指示物種的變化除空間分布的差異外，物種對(duì)不同污染物的耐受類型也具有差異，分析認(rèn)為，在渾河流域的蘇氏尾鰓蚓、赤豆螺和水蠅對(duì)NH3-N，磷和有機(jī)污染具有較強(qiáng)的耐受性;鱗屬、鉤蝦和銅銹環(huán)棱螺對(duì)工業(yè)有機(jī)污染物和氮污染具有較強(qiáng)的耐受性(圖3)。

2.4 主要污染物對(duì)大型底棲動(dòng)物生物多樣性影響

圖3 大型底棲動(dòng)物與污染因子間CCA排序Fig.3 CCA ordination diagrams of macroinvertebrate taxa-pollutants

主要污染物NH3-N和CODCr與大型底棲動(dòng)物生物參數(shù)和多樣性指數(shù)的Spearman秩相關(guān)分析表明:大型底棲動(dòng)物總個(gè)體數(shù)和搖蚊幼蟲(chóng)個(gè)體數(shù)占總個(gè)體數(shù)的比例與NH3-N和CODCr污染的相關(guān)性不顯著;但與物種數(shù)和EPT物種數(shù)均呈顯著的負(fù)相關(guān)。生物多樣性指數(shù)相關(guān)分析表明:NH3-N與所有多樣性指數(shù)均呈顯著的負(fù)相關(guān);CODCr僅與Margalef豐富度指數(shù)呈顯著的負(fù)相關(guān)(表5)。

表5 主要污染物與生物參數(shù)間相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis between the primary pollutants and bio-metrics

主要污染物NH3-N和CODCr對(duì)物種數(shù)和EPT物種數(shù)的回歸分析表明，物種數(shù)與NH3-N和CODCr呈顯著的對(duì)數(shù)曲線關(guān)系(P＜0.05)，EPT物種數(shù)與NH3-N和CODCr呈顯著的直線關(guān)系(P＜0.05)(圖4)。該次調(diào)查的渾河全流域大型底棲動(dòng)物物種數(shù)和EPT物種數(shù)的平均值分別為8種和3種，與此相應(yīng)的NH3-N濃度分別為0.93和1.02 mg/L，相應(yīng)的CODCr分別為15.7和16.2 mg/L。綜合比較認(rèn)為，當(dāng)NH3-N濃度和CODCr控制在1.0和16.0 mg/L時(shí)，渾河流域的大型底棲動(dòng)物物種數(shù)與EPT物種數(shù)可維持在目前的平均水平，相應(yīng)的NH3-N濃度和CODCr符合GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的Ⅲ類要求［23］。

3 討論

宋永會(huì)等［8］對(duì)渾河流域污染物來(lái)源的研究表明，NH3-N和CODCr是渾河重要水污染物，筆者研究發(fā)現(xiàn)，目前渾河流域?qū)Υ笮偷讞珓?dòng)物的空間分布和類群組成影響最重要的污染物亦為NH3-N和CODCr，因此對(duì)渾河流域的水污染治理以及流域生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和恢復(fù)，依然需要繼續(xù)減排NH3-N和CODCr。從NH3-N和 CODCr的來(lái)源分析，兩種污染物主要源自城市生活源，分別占入河量的63%和52%，其次為工業(yè)源，分別占入河量的 17%和27%［8］，筆者的研究結(jié)果(圖2和圖3)與其一致。結(jié)果表明，大伙房水庫(kù)下游隨城市增加，大型底棲動(dòng)物群落退化較重。

圖4 NH3-N濃度和CODCr對(duì)物種數(shù)和EPT物種數(shù)間的回歸分析Fig.4 The regression analysis among the NH3-N，CODCrand species richness，EPT richness

依據(jù)閆振廣等［24］的研究，我國(guó)NH3-N濃度的淡水生物慢性基準(zhǔn)范圍為0.0664～3.92 mg/L。筆者研究發(fā)現(xiàn)，如果以該次大型底棲動(dòng)物調(diào)查的物種平均數(shù)作為保護(hù)目標(biāo)，水體中NH3-N濃度應(yīng)控制在1 mg/L，該值處于水質(zhì)基準(zhǔn)的范圍之內(nèi)。必須指出，該結(jié)果是基于單次水生態(tài)調(diào)查得出的，還應(yīng)通過(guò)大量的水生態(tài)調(diào)查來(lái)確定大型底棲動(dòng)物適合的NH3-N濃度閾值;另外，由于渾河在整個(gè)遼河流域?qū)傥廴鞠鄬?duì)較重的河流，大型底棲動(dòng)物物種數(shù)量相對(duì)較少，因此得出的NH3-N濃度閾值偏高。澳大利亞和新西蘭河流生態(tài)系統(tǒng)制定的NH3-N濃度閾值為0.006～0.1 mg/L［25］，遠(yuǎn)小于筆者的研究結(jié)果。NH3-N在低DO濃度條件下其毒性有增強(qiáng)的趨勢(shì)［25］，考慮到渾河流域CODCr是指示水體好氧類有機(jī)物污染的重要化學(xué)指標(biāo)，水體中DO濃度將隨CODCr的增大而有所降低，對(duì)大型底棲動(dòng)物具有間接的毒性作用，因此在渾河水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)中應(yīng)對(duì)兩種污染物同時(shí)進(jìn)行考慮。

大型底棲動(dòng)物群落與環(huán)境要素關(guān)系的研究，尤其是識(shí)別針對(duì)某一特定污染物的關(guān)鍵指示種，對(duì)我國(guó)的水生生物保護(hù)具有重大意義。利用CCA分析確定主要污染因子，利用回歸分析研究大型底棲動(dòng)物物種的變化隨主要污染物濃度的響應(yīng)，對(duì)確定流域內(nèi)水生生物多樣性保護(hù)目標(biāo)，流域內(nèi)水質(zhì)管理和恢復(fù)目標(biāo)，具有參考意義。

4 結(jié)論

(1)基于CCA分析得出，影響渾河大型底棲動(dòng)物群落與生物多樣性的主要污染物為NH3-N和CODCr，減少向河中排放NH3-N和CODCr，是渾河水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的關(guān)鍵。

(2)CCA分析表明，桃碧扁蚴蜉、黑頭原石蛾和蝶石蛾為渾河重要清潔指示物種;蘇氏尾鰓蚓、赤豆螺和水蠅為渾河NH3-N和TP污染的重要指示物種;鱗屬、鉤蝦和銅銹環(huán)棱螺為渾河CODCr污染的重要指示物種。

(3)為保護(hù)大型底棲動(dòng)物群落，基于回歸模型擬合得出，渾河流域NH3-N濃度和CODCr排放閾值分別為1.0和16.0 mg/L。

志謝:中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院陳立斌、鄭文浩、張楠、萬(wàn)峻等人員參與了該研究的采樣與樣品鑒定等工作，謹(jǐn)致謝忱。

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