張慶吉,王金東,王明明,蔡永久,龔志軍,秦伯強(qiáng)*
(1.南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210023;2.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210008;3.江蘇省駱運(yùn)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(yán)重威脅,水體富營(yíng)養(yǎng)化成為湖泊水環(huán)境問題的焦點(diǎn)[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(jì)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(shì)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(shí)還是國(guó)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(duì)調(diào)水用水安全和生態(tài)健康具有重要影響。對(duì)駱馬湖進(jìn)行的水質(zhì)監(jiān)測(cè)和生物學(xué)評(píng)價(jià)的歷史研究表明,20世紀(jì)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(dòng)對(duì)水環(huán)境存在較大干擾。
底棲動(dòng)物影響著水生態(tài)系統(tǒng)中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分解與循環(huán),對(duì)環(huán)境變化反應(yīng)敏感[7]。同時(shí),底棲動(dòng)物種類繁多,對(duì)水質(zhì)污染的反應(yīng)范圍廣,生活場(chǎng)所固定,生活周期長(zhǎng),能夠反映較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)水體狀況[8]。并且底棲動(dòng)物群落中不同物種對(duì)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(cè)和水質(zhì)評(píng)價(jià)。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]。現(xiàn)利用2018年1—11月底棲動(dòng)物和水質(zhì)逐月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)駱馬湖水環(huán)境狀況進(jìn)行分析,以期為駱馬湖生態(tài)環(huán)境保護(hù)與管理提供科學(xué)支撐。
2018年1—11月。
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(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位,分別為北部湖區(qū)5個(gè)點(diǎn)位(LM1、LM2、LM4、LM5、LM8),南部湖區(qū)5個(gè)點(diǎn)位(LM3、LM6、LM7、LM9、LM10),具體采樣點(diǎn)位示意見圖1。
圖1 駱馬湖采樣點(diǎn)位分布示意
底棲動(dòng)物樣品采集用面積為1/20 m2的改良彼得森采泥器,每個(gè)樣點(diǎn)采集3次,采用網(wǎng)孔徑為0.45 mm尼龍篩網(wǎng)進(jìn)行洗滌,剩余物帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)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(jìn)行挑揀工作。挑揀出的各類動(dòng)物,分別放入已裝好固定液的50 mL塑料瓶中,直到采樣點(diǎn)采集到的標(biāo)本全部檢完,標(biāo)本投入7%福爾馬林中固定。把每個(gè)采樣點(diǎn)所采到的底棲動(dòng)物按不同種類準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)個(gè)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(dòng)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(dǎo)率(EC)等水質(zhì)指標(biāo)由6600 EDS型多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀(美國(guó)YSI公司)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定;水深和透明度分別利用SM-5A聲吶測(cè)深儀(美國(guó)Speedtech公司)和SD20塞氏盤(中國(guó)普利特儀器公司)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定;總氮(TN)采用《水質(zhì) 總氮的測(cè)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(cè)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(cè)定》(GB 11892—89);氟離子(F-)采用《水質(zhì) 氟化物的測(cè)定》(GB 7484—1987);樣品保存參考《水與廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)[16]。
采用相對(duì)重要性指數(shù)確定優(yōu)勢(shì)種,該指數(shù)的計(jì)算將每種生物的個(gè)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(gè)群落中的地位,其計(jì)算公式為:
IIRI=(Wi+Ni)×fi
(1)
式中:IIRI——相對(duì)重要性指數(shù);Wi——物種i的生物量占各采樣點(diǎn)大型底棲動(dòng)物總生物量的百分比;Ni——物種i的密度占各采樣點(diǎn)總密度的百分比[17];fi——物種i在采樣點(diǎn)出現(xiàn)的相對(duì)頻率。
采用Goodnight指數(shù)(GBI)、生物學(xué)污染指數(shù)(BPI)、Shannon-Wiener指數(shù)( H′)幾種生物指數(shù)評(píng)價(jià)駱馬湖營(yíng)養(yǎng)及污染狀況。計(jì)算公式如下:
(2)
式中:N1——寡毛類個(gè)體數(shù),個(gè);N——樣品中底棲動(dòng)物總數(shù)[18],個(gè)。
(3)
式中:N1——寡毛類、蛭類和搖蚊幼蟲個(gè)體數(shù),個(gè)/m2;N2——多毛類、甲殼類、除搖蚊幼蟲以外其他的水生昆蟲個(gè)體數(shù),個(gè)/m2;N3——軟體動(dòng)物個(gè)體數(shù),個(gè)/m2。
(4)
式中:ni——物種i的個(gè)體數(shù)目,個(gè)/m2;N——群落中所有種的個(gè)體總數(shù),個(gè)。
GBI對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如下:0.6>GBI,為輕污染;0.6≤GBI≤0.8,為中污染;0.8 BPI對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)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。 駱馬湖水體各理化指標(biāo)變化趨勢(shì)見圖2(a)-(h)。由圖2可見,ρ(TN)呈現(xiàn)先下降再升高的趨勢(shì),在8月達(dá)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(shì),與ρ(TN)一樣在8月到達(dá)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(shí)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(shì),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(shì)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(shì),ρ(DO)與水溫變化趨勢(shì)相反。 圖2 2018年駱馬湖水體各理化指標(biāo)變化趨勢(shì) 2.2.1 底棲動(dòng)物種類及優(yōu)勢(shì)種 研究期間共鑒定底棲動(dòng)物27種,屬7個(gè)綱。其中節(jié)肢動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)物優(yōu)勢(shì)種密度、生物量及優(yōu)勢(shì)度見表1。 表1 2018年駱馬湖底棲動(dòng)物優(yōu)勢(shì)種密度、生物量及優(yōu)勢(shì)度① 由表1可見,駱馬湖底棲動(dòng)物密度和生物量被少數(shù)種類所主導(dǎo)。昆蟲綱的紅裸須搖蚊、多巴小搖蚊和中國(guó)長(zhǎng)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(dòng)物個(gè)體較大,銅銹環(huán)棱螺占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì),占總生物量的43.49%?;舾λz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(dòng)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(shì)種類,結(jié)果表明駱馬湖2018年的底棲動(dòng)物優(yōu)勢(shì)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(guó)長(zhǎng)足搖蚊和紋沼螺。 2.2.2 底棲動(dòng)物群落時(shí)空格局 駱馬湖底棲動(dòng)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(dòng)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(diǎn)位底棲動(dòng)物生物量差異較大。年均底棲動(dòng)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(diǎn)位底棲動(dòng)物年均總密度范圍為70.3~314.6個(gè)/m2,密度平均值為174.5個(gè)/m2,密度高值出現(xiàn)在西南水域水生植被區(qū)(LM9點(diǎn)位),而湖心敞水區(qū)采砂區(qū)邊緣(LM3點(diǎn)位)密度最低。此外除西南水域水生植被區(qū)(LM9點(diǎn)位)、運(yùn)河沿岸帶的采砂區(qū)邊緣水域(LM1點(diǎn)位)和北部水域采砂區(qū)邊緣(LM8點(diǎn)位)密度超出200個(gè)/m2外,其他各點(diǎn)位密度均低于200個(gè)/m2。 駱馬湖底棲動(dòng)物優(yōu)勢(shì)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(dòng)物總密度在各季節(jié)間存在一定波動(dòng)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(shì)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(shì)。 圖4 2018年駱馬湖底棲動(dòng)物優(yōu)勢(shì)類群密度季節(jié)變化 圖5 2018年駱馬湖底棲動(dòng)物優(yōu)勢(shì)類群生物量季節(jié)變化 基于2018年1—11月的底棲動(dòng)物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),計(jì)算各點(diǎn)位3種生物學(xué)指數(shù)得分,見圖6(a)(b)(c)。 圖6 駱馬湖底棲動(dòng)物水質(zhì)生物學(xué)評(píng)價(jià) 由圖6(a)可見,GBI指數(shù)在10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(diǎn)位,但各點(diǎn)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(diǎn)位,但各點(diǎn)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(diǎn)位,但各點(diǎn)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(píng)價(jià)結(jié)果,表明駱馬湖水體現(xiàn)階段處于中污染狀態(tài)。 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(yíng)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(dǎo)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(dòng)的重要指標(biāo)[24],2015年駱馬湖實(shí)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(shì)[22]。本研究結(jié)果與上述結(jié)果一致。 基于底棲動(dòng)物的生物學(xué)評(píng)價(jià)表明,駱馬湖水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量同蘇南經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)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(gè)/m2,而滆湖和太湖梅梁灣均值分別達(dá)到301和4 617個(gè)/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(gè)湖泊[26]。對(duì)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(cè)結(jié)果一致[25-26]。此外,與2014年監(jiān)測(cè)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(duì)駱馬湖水質(zhì)的評(píng)價(jià)結(jié)果均為中度污染,但GBI指數(shù)對(duì)駱馬湖評(píng)價(jià)結(jié)果為輕度污染。3種生物學(xué)水質(zhì)評(píng)價(jià)指數(shù)在部分點(diǎn)位存在不一致性,相比于2014年駱馬湖底棲動(dòng)物重度污染的監(jiān)測(cè)結(jié)果,LM2點(diǎn)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(qiáng)外源污染物的管控力度。 對(duì)比各評(píng)價(jià)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(shì),但在局部區(qū)域不適用。計(jì)算BPI指數(shù)本質(zhì)上是將大型底棲動(dòng)物按照:耐污種、中度耐污種和敏感種分類成3個(gè)水平,3個(gè)類群密度經(jīng)過對(duì)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(píng)價(jià)水質(zhì)優(yōu)劣,相對(duì)適用于水質(zhì)有機(jī)污染評(píng)價(jià)[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(diǎn)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(píng)價(jià)結(jié)果數(shù)值偏低[18]。早期研究表明,早年間采砂活動(dòng)改變了底棲動(dòng)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(xué)評(píng)價(jià)指數(shù)判斷采砂相關(guān)區(qū)域的水質(zhì)情況可能會(huì)低估實(shí)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(dòng)物群落有所恢復(fù)但多為耐污物種,BPI可能仍具有評(píng)價(jià)功能,但GBI指數(shù)僅針對(duì)于寡毛類評(píng)價(jià)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(fù)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(dòng)物總密度在各季節(jié)間存在一定波動(dòng)變化,冬季總密度明顯高于其他季節(jié),該變化趨勢(shì)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(dòng)物自身的生活史也會(huì)對(duì)水質(zhì)生物學(xué)評(píng)價(jià)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(huì)引起底棲動(dòng)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(huì)通過水質(zhì)、沉積物中的重金屬和水深3個(gè)層面影響底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)[28]。需要注意的是,結(jié)合底棲動(dòng)物的歷史數(shù)據(jù),耐污能力較強(qiáng)的物種逐漸成為駱馬湖的優(yōu)勢(shì)類群,反映了該湖泊富營(yíng)養(yǎng)化和污染水平有加劇的趨勢(shì),但同時(shí)隨著采砂活動(dòng)的禁止,相比2014年,駱馬湖底棲環(huán)境正處于恢復(fù)階段,部分水域水底“荒漠化”現(xiàn)象可能正在改善,但富營(yíng)養(yǎng)化和污染水平正在提高,湖泊健康水平惡化趨勢(shì)明顯。對(duì)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(yíng)養(yǎng)化和外源污染的相關(guān)工作仍需關(guān)注。 (1)2018年駱馬湖水體ρ(TN)、ρ(DO)呈現(xiàn)先下降再升高的趨勢(shì);ρ(TN)、ρ(TP)和ρ(CODMn)在8月達(dá)到峰值,ρ(CODMn)、ρ(TP)呈先升高后下降趨勢(shì);ρ(F-)呈逐漸下降趨勢(shì),水溫和電導(dǎo)率存在明顯季節(jié)變化,pH值是呈逐漸升高趨勢(shì)。 (2)2018年駱馬湖底棲動(dòng)物優(yōu)勢(shì)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(guó)長(zhǎng)足搖蚊和紋沼螺等耐污種。 (3)水質(zhì)評(píng)價(jià)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(shí)應(yīng)考慮在此區(qū)域繼續(xù)嚴(yán)格實(shí)行禁止采砂政策,并持續(xù)關(guān)注外源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸入。 致謝 感謝江蘇省駱運(yùn)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。2 結(jié)果與分析
2.1 駱馬湖水體各理化指標(biāo)變化特征
2.2 底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)
2.3 水質(zhì)生物學(xué)評(píng)價(jià)
3 討論
3.1 駱馬湖水體環(huán)境因子變化特征
3.2 基于底棲動(dòng)物的水質(zhì)評(píng)價(jià)
4 結(jié)論
環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警2022年6期