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        淺談大型底棲動物在水生態(tài)系統(tǒng)中的生態(tài)功能

        2023-08-04 10:57:51鄭衛(wèi)楊陽熊梟邱江艷
        農(nóng)業(yè)與技術(shù) 2023年10期
        關(guān)鍵詞:食性螺螄凈化

        鄭衛(wèi) 楊陽 熊梟 邱江艷

        (湖北攜創(chuàng)環(huán)境科技有限公司,湖北 武漢 430000)

        底棲動物(Zoobethos)作為水生動物類群,其生活史的全部或大部分時間均位于水體底部。底棲動物劃分標(biāo)準(zhǔn)一般為大型底棲動物體型≥0.5mm篩網(wǎng)孔徑;小型底棲動物體型>0.042mm篩網(wǎng)孔徑且<0.5mm篩網(wǎng)孔徑;微型底棲動物體型<0.042mm孔徑篩網(wǎng)。根據(jù)類群的不同,大型底棲動物又可分為線形動物、扁形動物、環(huán)節(jié)動物、軟體動物和節(jié)肢動物等。大型底棲動物是水生態(tài)系統(tǒng)的一個重要組分,種類繁多,食性復(fù)雜,不僅是魚類重要的餌料,又因其活動范圍相對較固定;同時,不同種類間對不同水質(zhì)的敏感差異性強,在生存的水體環(huán)境質(zhì)量發(fā)生改變后,其群落結(jié)構(gòu)變化趨勢可相應(yīng)的反映出水體生態(tài)環(huán)境狀況的變化,對于了解生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能有重要理論意義,特別是在物質(zhì)循環(huán)和能量流動方面。底棲動物是水生態(tài)系統(tǒng)中的重要環(huán)境指示生物,如由美國俄亥俄州環(huán)保局提出,之后于全球范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用的底棲生物完整性指數(shù)(Benthic Index of Biotic Integrity,B-IBI),其通過量化底棲動物的多種群落及功能特征來構(gòu)建評價體系[1],是水生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性保護(hù)的重要依據(jù),對水污染防治也有一定的參考價值。

        1 大型底棲動物與環(huán)境因子的關(guān)系

        大型底棲動物的生長、繁殖、種類組成、群落分布在不同的季節(jié)、不同的水體區(qū)域存在著顯著的差異,包括底質(zhì)、水質(zhì)、鹽度、溫度、重金屬、溶解氧等在內(nèi)的環(huán)境因子對大型底棲動物都存在不同的影響。

        宋晨等研究了浙江舟山海域大型底棲動物群落組成后表明,在舟山海域附近,與大型底棲動物群落最相關(guān)的是底層水鹽度、水深和硝態(tài)氮3項環(huán)境因子。伴隨著水深和鹽度的增加,硝酸氮含量則明顯降低,大型底棲動物群落物種數(shù)、豐度和豐富度則顯著增加。即鹽度和水深與大型底棲動物的物種數(shù)量、豐度、豐富度和多樣性等均具有顯著的正相關(guān)關(guān)系,而硝態(tài)氮則為負(fù)相關(guān)關(guān)系[2]。Montagna等在美國德克薩斯州Corpus Christi灣的研究也證實,較低的溶解氧含量會對大型底棲動物有直接的負(fù)面效應(yīng),包括生物量、棲息密度等均會降低,并且會促使對低氧條件耐受力差的大型底棲動物遷移至沉積物表面,進(jìn)而改變底棲動物的垂直分布方式[3]。

        不同的大型底棲動物的分布及數(shù)量和一定的重金屬含量有關(guān)。孫元敏等調(diào)查中國南亞熱帶海島海域沉積物重金屬污染數(shù)據(jù),分析得到各海島沉積物中重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)與同期調(diào)查的大型底棲動物均勻度指數(shù)和生物量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,大型底棲生物受重金屬帶來的污染生態(tài)效應(yīng)較為明顯。并且通過食物鏈的富集和傳遞作用,最終對人類健康也造成了潛在的不利影響[4]。

        2 大型底棲動物的生物指示作用

        作為水生態(tài)環(huán)境的一環(huán),大型底棲動物具有壽命長,遷移能力有限,流動性小的特點,加之其種群類別廣,其中既有水污染敏感種,又有污染耐受種,當(dāng)水生態(tài)環(huán)境受到污染時,大型底棲動物的生物群落結(jié)構(gòu)亦會隨之發(fā)生變化。因具有這一特點,大型底棲動物常被應(yīng)用于對水質(zhì)的評價。用底棲動物來評價水質(zhì)的方法較多,如可以用一些對污染具有指示作用的生物顫蚓類(Tubificidae)、搖蚊科(Chironomidae)幼蟲等來進(jìn)行評價,或采用GBI指數(shù)、EPT指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Beck指數(shù)、Trent指數(shù)、Good-night指數(shù)等來評價。

        在美國,美國環(huán)境保護(hù)署(EPA)重點推薦底棲動物BI指數(shù)(biotic index)作為水質(zhì)評價指數(shù)之一,而應(yīng)用底棲動物進(jìn)行評價的有48個州。不過由于美國地域廣闊,不同州間的差異性較大,各州建立了不同的B-IBI指數(shù)。如,沿大西洋中部海岸平原為CPMI指數(shù),佛羅里達(dá)州為SCI指數(shù)等[5]。

        在國內(nèi),應(yīng)用大型底棲動物評價水環(huán)境生態(tài)是環(huán)境科學(xué)研究的一項熱點,很多學(xué)者都展開了相關(guān)研究,有些更提出了自己的方法??追睬嗟韧ㄟ^對B-IBI候選指數(shù)進(jìn)行分布范圍分析和判別能力分析,以及相關(guān)關(guān)系分析,確定了永定河水系B-IBI的指標(biāo)包括總分類單元數(shù)、搖蚊分類單元數(shù)和BI指數(shù)合計3個指標(biāo);其根據(jù)參照點25%分位數(shù)提出永定河水系底棲動物完整性評價標(biāo)準(zhǔn):B-IBI>2.13為健康,B-IBI=1.60~2.13為亞健康,B-IBI=1.06~1.60為一般,B-IBI=0.53~1.06為較差,B-IBI=0~0.5為極差。根據(jù)其建立的評價標(biāo)準(zhǔn),得到了永定河水系水體的健康狀況整體不容樂觀的結(jié)論,也為河流健康評價指標(biāo)的選擇提供了一定的參考依據(jù)[6]。

        馬陶武等通過對21種生物指數(shù)的綜合評估,篩選出了包含7種底棲動物生物指數(shù)的太湖水質(zhì)敏感生物指數(shù),分別是總分類單元數(shù)、(甲殼動物加軟體動物)分類單元數(shù)、%(甲殼動物加軟體動物)、%腹足綱、%直接收集者、Goodnight-Whitley指數(shù)以及Hilsenhoff生物指數(shù)。并提出了一個由4級區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成的綜合生物指數(shù),得出太湖水質(zhì)狀況普遍較差的結(jié)論[7]。

        3 底棲動物群落的生態(tài)功能

        大型底棲動物作為水生態(tài)系統(tǒng)的一個重要組成部分,其生態(tài)功能主要體現(xiàn)在維持生物多樣性、次級生產(chǎn)力(即在食物鏈中的功能)、氮和磷等元素的傳遞。大型底棲動物通過進(jìn)食水體環(huán)境中的營養(yǎng)物質(zhì),進(jìn)而減少了水體環(huán)境中營養(yǎng)物質(zhì)的含量,具有降低水環(huán)境污染的效果,在理論和應(yīng)用上有重要的意義。

        3.1 底棲動物凈水效果

        大型底棲動物主要攝取水體中的低等藻類、有機碎屑、無機顆粒,對水體特別是污染水體具有明顯的凈化效應(yīng)。較常見應(yīng)用于水質(zhì)凈化的底棲動物類群包括濾食性和刮食性2類。凈化原理主要基于其攝食特性和生理活動。通過生物操縱,可降低水體氮磷營養(yǎng)鹽,提高透明度,進(jìn)而提升水質(zhì)。濾食性大型底棲動物(蚌類、河蜆等)以水體中浮游藻類、細(xì)菌、輪蟲、原生生物、小型枝角類、小型橈足類以及有機碎屑為食,可以很好的凈化水質(zhì)。刮食性大型底棲動物(螺類等)則主要依靠刮食行為攝食植物葉片上附著顆粒和著生藻類,通過減少附著顆粒和藻類提高沉水植物葉片的光合作用,其在一定程度上有利于沉水植物的生長和繁殖,進(jìn)而達(dá)到改善水質(zhì)的效果。

        宋海亮等在太湖陳東港入湖口投放2種底棲動物螺螄和泥鰍延長食物鏈后,其中TN、TP、TOC和Chl.a的去除效率均比未投放底棲動物的廊道有提高。投放螺螄的效果最為明顯,TN、TP、Chl.a的去除率增長分別達(dá)54%、27%、26%。研究比較了不同廊道之中底泥的硝化和反硝化潛力,投放螺螄的廊道中反硝化潛力最大,為9.08×10-7g/(g·h),且硝化潛力最小,為3.65×10-6g/(g·h)。經(jīng)分析,該廊道去除氮的能力大幅提升,是因為引入螺螄加大了物質(zhì)在食物鏈不同營養(yǎng)級間傳遞過程時的損耗,且由于螺螄的存在加強了底泥的反硝化潛力,有效地改善了太湖水體水質(zhì)[8]。盧曉明等比較了2種底棲軟體動物(螺螄、河蚌)對水體的凈化作用,結(jié)果表明,2種底棲軟體動物(螺螄、河蚌)對水體中的化學(xué)需氧量、氨氮、總磷等都有一定的去除效果,其中低等藻類是螺螄及河蚌攝食的主要對象,因此導(dǎo)致河水中化學(xué)需氧量的同步下降。在總體凈化效果上,河蚌稍優(yōu)于螺螄;在對總磷的凈化效果上,螺螄又總體上優(yōu)于河蚌[9]。張愛菊等比較了在2種不同水體中銅銹環(huán)棱螺對CODMn、葉綠素a、氨氮、硝酸鹽氮和總磷的去除效果,結(jié)果表明,銅銹環(huán)棱螺對水體中的CODMn、葉綠素a、氮、磷等均有一定的去除效果,其中放養(yǎng)密度、水質(zhì)肥瘦度和培養(yǎng)時間等3個因素對去除率存在顯著性差異[10]。李寅安比較了在不同放養(yǎng)密度條件下3種大型底棲動物對水體的凈化效果,結(jié)果表明,3種大型底棲動物(銅銹環(huán)棱螺、河蜆、三角帆蚌)的放養(yǎng)可有效去除水體懸浮顆粒和浮游藻類,提高水體透明度,改變可溶解性氮、磷形態(tài),從而形成有利于沉水植物生長的外界環(huán)境。因此水污染治理工作中,可以通過對濾食性底棲動物和沉水植物的聯(lián)合生物操縱,利用不同生物體間的互作關(guān)系,促進(jìn)水體營養(yǎng)鹽的循環(huán),提高系統(tǒng)的復(fù)雜性與穩(wěn)定性,最終改善水環(huán)境質(zhì)量[11]。儲忝江等相關(guān)研究表明,濾食性貝類通過進(jìn)食懸浮的有機物和有機碎屑,以及浮游植物、浮游動物等,再以假糞的形式排入水體,進(jìn)而影響氮、磷在水體中的循環(huán);作為濾食性貝類的背角無齒蚌、三角帆蚌能夠有效控制水體富營養(yǎng)化,可明顯降低富營養(yǎng)化水體中的總氮、懸浮物、化學(xué)需氧量和葉綠素a,其中對葉綠素a的凈化效果最佳,分別為96.8%和94.2%。2種河蚌對富營養(yǎng)化水體中總磷的凈化效果則不顯著;因此在控制水體的富營養(yǎng)化工作中,利用濾食性貝類,特別是三角帆蚌和背角無齒蚌是一種值得嘗試的生物操縱方法[12]。

        3.2 底棲軟體動物富集重金屬效果

        多數(shù)大型底棲動物對重金屬有明顯的富集作用。近年來,有關(guān)底棲軟體動物對水體重金屬富集效果方面已有大量的研究成果。

        袁維佳等報道,對于水環(huán)境中的重金屬(銅、鋅、鉻、鎘、鉛),螺螄具有相當(dāng)好的富集能力,根據(jù)檢測結(jié)果,其體內(nèi)的重金屬含量可達(dá)水體環(huán)境的800倍到20多萬倍。而對于不同的重金屬,螺螄的富集程度亦有所不同,其對銅和鋅的富集,是對鉻、鎘、鉛富集的幾十倍[13]。畢春娟等也曾報道,在長江口濱岸潮灘的所有大型底棲動物體內(nèi)鐵的濃度為最高,其后依次為錳、鋅、銅,對鉛、鉻的吸收量則最小,相較其它生物必需元素低一至幾個數(shù)量級。對比軟體類,甲殼類體內(nèi)銅的濃度較高,而鉛、鋅、鉻、錳的濃度低于河蜆的軟體組織。軟體類麂眼螺和泥螺幼體及所有甲殼類對銅有明顯的富集作用;除銅外,泥螺幼體和甲殼動物體內(nèi)鋅的富集因子值也較高,泥螺的幼體單位面積內(nèi)對銅、鉛、鐵、鉻的吸收量明顯要高于其它底棲動物,對錳、鋅的吸收量則僅少于滸浦的河蜆[14]。夏天翔等[15]比較了成年背角無齒蚌及三角帆蚌在水環(huán)境中對銅、鋅和鎘的去除與累積。結(jié)果表明,在相同重金屬濃度處理下,背角無齒蚌對于水體中銅、鋅、鎘的去除率分別高出三角帆蚌的0.2倍、0.9倍、0.5倍。這2種淡水蚌對于不同的重金屬離子去除率存在明顯差別,其中對鋅的去除率高于銅、鎘,且這一差別隨水體中重金屬濃度差異的增加而更加明顯。

        水體重金屬污染是我國水生態(tài)系統(tǒng)面臨的主要問題之一,考慮到大型底棲動物對重金屬的富集作用,研究利用大型底棲動物對重金屬污染水體進(jìn)行生物修復(fù),已是一個較好的應(yīng)用發(fā)展方向。

        4 結(jié)論

        與國外相比,國內(nèi)更側(cè)重于在底棲動物資源調(diào)查以及群落分析分析等方向開展研究,而對底棲動物特別是大型底棲動物在維持生態(tài)系統(tǒng)健康和生物多樣性方面的實際生態(tài)意義及維持機制方面的研究才剛剛起步。

        在“十四五”期間,我國提出了對河湖的水體由“水環(huán)境質(zhì)量評價”轉(zhuǎn)變?yōu)椤八鷳B(tài)系統(tǒng)健康評價”的水環(huán)境管理目標(biāo)??紤]到大型底棲動物作為水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,建議應(yīng)多方面系統(tǒng)性地分析大型底棲動物在水生態(tài)系統(tǒng)中的生物指示作用和生態(tài)功能,加強大型底棲動物在水環(huán)境生態(tài)監(jiān)測及生態(tài)修復(fù)方面的研究,為大型底棲動物應(yīng)用于水環(huán)境生態(tài)監(jiān)測和水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)提供理論依據(jù)。

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