王丑明,黃代中,張 屹,田 琪,陰 琨,熊 莉,陳 勇

(1:湖南省洞庭湖生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,岳陽 414000) (2:中國環(huán)境監(jiān)測總站,北京 100020) (3:四川省宜賓生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站, 宜賓 644000) (4:四川省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站,成都 610091)

洞庭湖是我國第二大淡水湖,湖泊面積2625 km2,北納長江的松滋、太平、藕池三口來水,南和西接湘、資、沅、澧四水,由岳陽市城陵磯注入長江,是長江流域重要的調蓄湖泊,被譽為“長江之腎”[1]。洞庭湖不僅在維護長江中下游防洪和供水安全方面具有重要意義,而且在維系濕地水生態(tài)系統(tǒng)健康,保護濕地生物多樣性等方面發(fā)揮著舉足輕重的作用[2]。近幾十年來,洞庭湖富營養(yǎng)化有加劇的趨勢,每年入湖總氮和總磷非常高[3],是洞庭湖的主要污染因子[4-6]。受長江三口和湘、資、沅、澧四水輸入以及湖區(qū)生產生活污染影響,目前湖體水質總體仍為Ⅳ類[7]。洞庭湖歷史上受挖沙、非法矮圍、圍網(wǎng)養(yǎng)殖、楊樹種植等干擾影響,濕地退化,導致洞庭湖濕生植物消失嚴重,目前洞庭湖湖岸帶優(yōu)勢挺水植物為蘆葦和南荻。

底棲動物是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要組成生物,它們對外界脅迫的響應比較敏感,其在湖泊、河流等水體中的豐富度、群落結構、耐污類群和敏感類群的比例以及不同功能攝食類群的結構特征等都可以從不同角度反映水質的好壞,從而有效地指示水生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。生物完整性指數(shù)(index of biotic integrity,IBI)作為生物評價中使用最為廣泛的多度量生物指數(shù),可針對大型底棲動物、浮游植物、浮游動物、水生植物和魚類等生物類群構建完整性指數(shù)并開展評價[8]。區(qū)別于單指數(shù),生物完整性指數(shù)既能深刻揭示水生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況、水生態(tài)系統(tǒng)結構,反映生態(tài)系統(tǒng)功能,又能評估人類活動的影響程度,是評價水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的重要手段。然而目前國內有關洞庭湖這類通江湖泊大型底棲動物完整性的研究近乎空白,僅有汪星等在2010年對洞庭湖7個典型斷面進行了大型底棲無脊椎動物完整性指數(shù)的評價[9]。本文基于1988-2021年洞庭湖大型底棲動物監(jiān)測數(shù)據(jù)及環(huán)境數(shù)據(jù),構建洞庭湖大型底棲動物完整性指數(shù)(B-IBI),確定各參數(shù)的期望值,建立起完整性狀態(tài)的分級評價標準。同時,基于洞庭湖生物完整性的評價結果,采用相關性分析和多元逐步回歸分析識別30多年影響洞庭湖底棲動物完整性變化的重要環(huán)境因素。研究成果可為客觀評估洞庭湖底棲動物完整性狀態(tài)及分析環(huán)境壓力影響提供科學依據(jù),為支撐長江流域特別是重點水體水生態(tài)保護和水生態(tài)考核工作的實施提供參考和理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

洞庭湖底棲動物監(jiān)測始于1988年,監(jiān)測斷面由于水位變化、國控斷面改變和監(jiān)測工作任務分配等客觀原因幾經(jīng)調整,2002年以后監(jiān)測斷面基本固定,目前共設置監(jiān)測斷面16個,代表性點位覆蓋了東洞庭湖(東洞庭湖、岳陽樓、鹿角、扁山、大小西湖)、西洞庭湖(小河嘴、蔣家嘴、南嘴)、南洞庭湖(橫嶺湖、萬子湖、虞公廟)、主要河流匯入口(萬家嘴、樟樹港、坡頭、沙河口)和洞庭湖出口等整個湖體內典型水文、水環(huán)境、生物及生境特征區(qū)域 (圖1)。

圖1 洞庭湖大型底棲動物采樣點分布Fig.1 Geographical location of macrobenthos survey in Lake Dongting

1.2 采樣方法

大型底棲動物樣本主要采用1/16 m2的改良彼得森(Peterson)采泥器完成。每個樣點采集2個重復樣品,帶有動物標本的泥樣經(jīng)40目銅篩篩洗后,置入封口袋內保存。當天將篩洗后的泥樣放入白瓷解剖盤中在冷光燈下分揀,隨后將挑出的動物樣品放入50 mL樣品瓶,并使用75%的酒精固定保存。最后在室驗室內對固定動物樣品進行種類鑒定和計數(shù),標本鑒定主要參考文獻[10-13]。

測定水溫(WT)、pH、溶解氧(DO)、透明度(SD)、總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、化學需氧量(CODCr)、五日生化需氧量(BOD5)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)和葉綠素a(Chl.a)共11項環(huán)境參數(shù)。其中,Chl.a、BOD5、CODCr、TN、TP、CODMn以及NH3-N的測定方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[14],水溫、pH和溶解氧采用美國YSI多參數(shù)水質分析儀(Professional Plus)直接測定,透明度采用透明度盤測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

將優(yōu)勢度指數(shù)Y>0.02的底棲動物定為優(yōu)勢種。采用箱線圖法分析候選參數(shù)在參照狀態(tài)和受損狀態(tài)之間的分布情況。環(huán)境壓力和營養(yǎng)水平在參照狀態(tài)與受損狀態(tài)上的識別采用方差分析,底棲動物種類數(shù)、密度、B-IBI、Chl.a、TN和TLI在1988-2021年的變化趨勢采用線性回歸分析,B-IBI備選指標的相關性分析和環(huán)境壓力的識別采用Pearson相關性分析,對影響B(tài)-IBI的關鍵環(huán)境因子的解析采用多元逐步回歸分析。方差分析、多元逐步回歸分析和 Pearson 相關性分析采用SPSS 20.0軟件,箱線圖法分析采用Origin 9.0軟件。湖泊營養(yǎng)狀態(tài)評價以《湖泊(水庫)富營養(yǎng)化評價方法及分級技術規(guī)定》中的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價方法進行計算[15]。

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)、BI生物指數(shù)、BMWP(biological monitoring working party)指數(shù)、Goodnight-Whitley生物指數(shù)(GW)計算公式分別為:

(1)

(2)

BMWP=∑Fi

(3)

GW=(T/N)×100%

(4)

式中,ni為種i的個體數(shù),N為生物總體個數(shù),T為顫蚓類個體數(shù),S為物種數(shù),ti為種i耐污值,Fi為科i的敏感值。BMWP和BI指數(shù)計算過程中的敏感值和耐污值參考相關資料[16-17]。此外,Wright指數(shù)為寡毛類密度。

選擇國內外常用生物指數(shù)并結合研究區(qū)域實際情況,建立候選參數(shù)清單,并設定這些參數(shù)的預期脅迫響應趨勢,即隨著環(huán)境脅迫的升高,參數(shù)值是正響應(上升)或負響應(下降)。候選參數(shù)包括物種豐富度、個體組成、耐污能力、攝食類群和多樣性等生物指數(shù)。將候選參數(shù)依次開展分布范圍分析、判別能力分析和冗余度分析,篩選核心參數(shù)。大型底棲動物核心參數(shù)先進行歸一化處理,采用比值法計算各候選參數(shù)的分值。對與環(huán)境脅迫呈反比的參數(shù),以參照狀態(tài)95th為期望值,按“指數(shù)值/期望值”計算參數(shù)分值;對與環(huán)境脅迫呈正比的參數(shù),以參照狀態(tài)5th為期望值,以“(最大值-指數(shù)值)/(最大值-期望值)”計算參數(shù)分值。若分值大于1,則按1計。然后依據(jù)以下公式計算每個點位的B-IBI數(shù)值:

(5)

式中,B-IBI為大型底棲動物完整性指數(shù),n為核心參數(shù)數(shù)量,i為第i個核心參數(shù),Si為第i個核心參數(shù)歸一化后的數(shù)值。

2 結果

2.1 大型底棲動物物種組成特征

1988-2021年, 洞庭湖共記錄大型底棲動物 229 種,隸屬 4 門 7 綱,主要為水生昆蟲和軟體動物,分別占全湖種類的 45.9% 和36.7%,寡毛類只占 12.2%。30多年間洞庭湖大型底棲動物物種數(shù)和密度均呈顯著下降趨勢,物種數(shù)從1980s末的69種下降到2021年的53種,密度從1980s末的410個/m2銳減到2021年的103個/m2(圖2)。進一步分析發(fā)現(xiàn)種類和數(shù)量減少的主要是水生昆蟲和軟體動物。其中,水生昆蟲種類從1988年的34種下降到2021年的21種,密度從1988年的163個/m2銳減到2021年的18個/m2;軟體動物密度也從1988年的105個/m2顯著下降到2021年的20個/m2,減少的種類大部分為清潔指示生物,如低頭石蠶(Neureclipsissp.)在1988-1993年是優(yōu)勢種類,1994年以后則不再是優(yōu)勢種,鉤蝦(Gammarussp.)在1988-2005年是優(yōu)勢種,2006年以后則很少成為優(yōu)勢種。較為耐污的霍甫水絲蚓(Limnodrilushoffmeisteri)和蘇氏尾鰓蚓(Limnodrilushoffmeisteri)的豐度一直在增加。

圖2 1988-2021年洞庭湖大型底棲動物種類數(shù)和密度變化情況Fig.2 Changes in species number and density of macrobenthos in Lake Dongting from 1988 to 2021

2.2 洞庭湖B-IBI核心參數(shù)的構建

2.2.1 參照狀態(tài)與受損狀態(tài) 根據(jù)環(huán)境壓力和營養(yǎng)水平在時間尺度上的方差分析結果(表1),選擇TN、CODCr、BOD5和葉綠素a作為參照狀態(tài)和受損狀態(tài)的劃分標準,同時參考相關文獻在洞庭湖環(huán)境壓力在時間尺度上的變化特征的分析[2,18],將1988-1994年劃分為低壓力組(參照狀態(tài)),2017-2021年劃分為高壓力組(受損狀態(tài)),處于過渡期的1995-2016年劃分為中壓力組。

表1 洞庭湖3個時期關鍵水環(huán)境因子的波動*Tab.1 Dynamics of key water quality variables during 1988-2021 in Lake Dongting

2.2.2 候選參數(shù) 從物種豐度、個體組成、現(xiàn)存量、敏感耐受性、功能性和多樣性等參數(shù)類型中選取了13個候選參數(shù)(表2)。

表2 洞庭湖B-IBI候選參數(shù)Tab.2 Candidate parameters of B-IBI in Lake Dongting

2.2.3 核心參數(shù)的確定 用箱線圖分析候選參數(shù)指標值的分布范圍,發(fā)現(xiàn)第一優(yōu)勢種占比、Goodnight-Whitley(GW)生物指數(shù)、甲殼類+軟體類分類單元占比、EPT百分比、Wright指數(shù)、敏感類群個體百分比、刮食者個體百分比和濾食者個體百分比在低壓力組和高壓力組之間沒有顯著差異,因此去除這些候選參數(shù),得到總分類單元數(shù)、甲殼類和軟體類分類單元數(shù)、香濃威納多樣性指數(shù)、總密度、BI指數(shù)、BMWP指數(shù)6個在低壓力組和高壓力組之間有顯著差異的參數(shù)(圖3)。再經(jīng)Pearson相關性檢驗,結果顯示BMWP指數(shù)和總分類單元數(shù)、甲殼類和軟體類分類單元數(shù)相關系數(shù)均大于0.75(表3),因敏感性指標已有BI指數(shù),故保留總分類單元數(shù)、甲殼類和軟體類分類單元數(shù),因此構成B-IBI的核心參數(shù)有總分類單元數(shù)、甲殼類和軟體類分類單元數(shù)、Shannon-Wiener多樣性H指數(shù)、總密度和BI指數(shù)。

表3 B-IBI備選指標的Pearson相關性分析Tab.3 Pearson correlation analysis of alternative B-IBI indicators

圖3 B-IBI備選指標在低壓力組和高壓力組的箱線圖Fig.3 Boxplots of alternative B-IBI indicators in the low pressure group and the high pressure group

2.3 洞庭湖B-IBI的構建及評價標準

首先對核心參數(shù)進行歸一化處理,歸一化取值見表4。若歸一化計算結果處于0～10之間,則該結果即為該參數(shù)歸一化值;若該參數(shù)計算結果小于0,記為0;大于10,記為10,各參數(shù)歸一化值統(tǒng)一到0～10之間,然后再對參數(shù)進行加和,從而計算每個點位的大型底棲動物完整性指數(shù)數(shù)值。

表4 B-IBI核心參數(shù)歸一化取值*Tab.4 Normalized values of core parameters of B-IBI

建立低壓力組和高壓力組的B-IBI分值的箱線圖,發(fā)現(xiàn)IQ值≥2,證明評價方法可對兩組進行有效區(qū)分,可認為該生物完整性指數(shù)有效。對建立的B-IBI進行驗證,驗證結果顯示從低壓力組、中壓力組到高壓力組的優(yōu)、良點位占比明顯下降,分別為68.5%、29.2%和18.1%,較差和很差點位占比明顯上升,分別為14.8%、30.7%和52.8%?？梢钥闯鯞-IBI指數(shù)在不同壓力組有明顯的區(qū)分。以所有點位的95th分位數(shù)法對B-IBI進行四等分,建立生物完整性的不同等級。將建立的5個等級由低到高定義為“很差”(B-IBI≤1.58)、“較差”(1.58≤B-IBI<3.17)、“中等”(3.17≤B-IBI<4.75)、“良好”(4.75≤B-IBI<6.34)和“優(yōu)秀”(B-IBI>6.34)。

2.4 洞庭湖B-IBI和富營養(yǎng)化變化趨勢

洞庭湖B-IBI從1988年的6.99下降到2021年的2.97,對應完整性狀態(tài)由優(yōu)秀降為較差,總體呈顯著下降趨勢。與之相反,同期指示洞庭湖營養(yǎng)水平的參數(shù)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)和總氮均呈現(xiàn)顯著上升趨勢,在1998、2010、2017和2019年均達到輕度富營養(yǎng)狀態(tài)(圖4)。

圖4 洞庭湖B-IBI、Chl.a、TN和TLI在1988-2021年的變化趨勢Fig.4 Variation trend of B-IBI, Chl.a, TN and TLI in Lake Dongting from 1988 to 2021

2.5 環(huán)境壓力對底棲動物完整性的影響分析

結合歷史數(shù)據(jù),分析表明洞庭湖B-IBI與總氮、葉綠素a和綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)顯著負相關,與總磷相關性不強(圖5)。多元逐步回歸分析表明總氮解釋了大型底棲動物完整性變異的56.1%,和葉綠素a共同解釋了變異的61.3%,總氮是影響洞庭湖大型底棲動物完整性的主要因素。

圖5 洞庭湖B-IBI與TN、Chl.a和TLI的關系Fig.5 Relationship between B-IBI and TN, Chl.a and TLI in Lake Dongting

3 討論

3.1 候選參數(shù)的選擇和評價體系的適用性

本文基于洞庭湖30多年的大型底棲動物群落特征數(shù)據(jù),首次構建了洞庭湖大型底棲動物完整性指數(shù)及評價標準,雖然選擇的候選參數(shù)較少,但是包括了物種豐富度、個體組成、現(xiàn)存量、耐污能力、攝食類群和多樣性等生物指數(shù),這些指數(shù)可以代表大部分候選指數(shù),而且比較適用洞庭湖這種大型通江湖泊,在篩選指標體系時,亦根據(jù)各自指標代表的生態(tài)學意義進行篩選。如敏感類群個體%可以代表洞庭湖的主要敏感類群,Wright指數(shù)可以代表湖泊中的主要耐污種類群,本文選擇的H指數(shù)是目前用的最廣泛的多樣性指數(shù),最終也被納入了核心參數(shù)。洞庭湖中的清潔水體指示物種(EPT)較少,主要是蜉蝣和低頭石蠶,而且低頭石蠶目前已經(jīng)很少發(fā)現(xiàn),因此EPT%并未進入最終核心參數(shù)。汪星等最終選取了甲殼類和軟體類分類單元數(shù)、H指數(shù)和GW指數(shù)3個核心參數(shù)[9],而本文最終核心參數(shù)由總分類單元數(shù)、甲殼類和軟體類分類單元數(shù)、香濃威納多樣性指數(shù)、總密度和BI指數(shù)5個指標構成,反應了物種豐富度、多樣性、現(xiàn)存量和敏感性,比汪星等[9]選取的3個指標更具全面性和代表性。本文構建的B-IBI評價標準在洞庭湖具有較好的適用性,可為長期跟蹤湖體完整性變化及分析水生態(tài)狀況變化提供有價值的科學依據(jù)。此外,由于功能多樣性對環(huán)境變化及干擾也比較敏感,建議今后將功能多樣性參數(shù)納入評估體系,以優(yōu)化和準確評估洞庭湖底棲動物的時空變化。

3.2 洞庭湖底棲動物完整性的壓力影響分析

本研究表明總氮等營養(yǎng)鹽增加對洞庭湖大型底棲動物完整性的變化起到較大程度的驅動作用。洞庭湖水體主要污染物為總氮和總磷,它們是引起湖泊富營養(yǎng)化的因素之一,并且能夠明顯影響大型底棲動物群落結構[19]。有研究表明,近30年洞庭湖總氮濃度是影響底棲動物群落結構的主要因素[18],三峽工程蓄水后,洞庭湖入湖水量減少,總氮的污染負荷有所增加,進一步加劇了洞庭湖大型底棲動物完整性的下降。葉綠素a是生態(tài)響應指標,表征了水體中浮游植物的生物量,是營養(yǎng)水平的最直接的表現(xiàn)。30多年來洞庭湖葉綠素a顯著增加,有研究表明葉綠素a對洞庭湖底棲動物的功能群落結構有明顯的影響[1],本研究結果同樣表明葉綠素a對洞庭湖底棲動物的完整性有顯著影響(P<0.05)。綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)是一個綜合指標,它表征著水體的富營養(yǎng)化程度,洞庭湖30多年來綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)明顯上升,富營養(yǎng)化程度加劇,而富營養(yǎng)化明顯影響底棲動物群落結構和多樣性[19-20]。張屹等分析了洞庭湖近30年大型底棲動物的群落演變,結果表明底棲動物的種類和密度與營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)呈顯著負相關[18],洞庭湖流域人口密集,工農業(yè)較為發(fā)達,大量面源污染進入水體,帶入大量的營養(yǎng)物質,極大地加速水體富營養(yǎng)化進程。富營養(yǎng)化對洞庭湖底棲動物的影響主要表現(xiàn)為群落結構的單一化,主要表現(xiàn)在種類數(shù)、密度和多樣性的衰退和耐污種類(如霍甫水絲蚓和蘇氏尾鰓蚓)的增加,而這些指標是構成洞庭湖生物完整性核心參數(shù)的重要組成部分。因此隨著富營養(yǎng)化的加劇,洞庭湖大型底棲動物完整性顯著下降(P<0.05)。此外,隨著秋季三峽大壩蓄水,洞庭湖枯水期提前到來,形成大量裸露的灘涂,在野外調查中,因水位下降而死亡的底棲動物在洲灘上隨處可見,尤其是一些軟體動物的死亡個體非常明顯。

3.3 氮磷管控分析

本研究分析結果表明總氮是影響洞庭湖大型底棲動物完整性的主要因素,同時葉綠素a、富營養(yǎng)化對底棲動物也有顯著影響。降低水體中營養(yǎng)鹽水平和控制水體富營養(yǎng)化是恢復洞庭湖底棲動物完整性的關鍵所在。然而,因為目前總氮不參與對水環(huán)境的考核評價,洞庭湖的營養(yǎng)削減目標主要是總磷,沒有對總氮進行管控,造成了總氮30多年來的顯著上升。湖泊富營養(yǎng)化磷控制模式的提出是基于加拿大實驗湖區(qū)的37年全湖實驗結果,他們提出湖泊富營養(yǎng)化治理只需控磷,無需控氮[21]。然而加拿大實驗湖區(qū)沒有人為外源污染物輸入,污染背景低,控制磷的輸入就可以嚴格控制湖泊的營養(yǎng)程度,在這種背景下獲得的湖泊治理經(jīng)驗不具有普適性。而對很多大型淺水富營養(yǎng)化湖泊,采取的控制措施主要是削減外源,然而單獨控磷措施在很多淺水富營養(yǎng)化湖泊都沒有成功[22]。在美國、加拿大、瑞典等國家開展的20個全湖實驗結果證明富營養(yǎng)化治理采取氮磷同時控制的效果最好[23],而且可以有效減少浮游植物的生物量[24-25]?；羰亓恋冉ㄗh全面系統(tǒng)修訂《地表水環(huán)境質量標準》,科學評估我國湖泊氮磷營養(yǎng)物的時空差異,實施差異化營養(yǎng)標準[26]。因此,氮磷協(xié)同管控對于富營養(yǎng)化程度相對較高的淺水湖泊具有很好的適用性。洞庭湖是一個地處長江中游的大型淺水湖泊,湖泊富營養(yǎng)化控制面臨極大的挑戰(zhàn)。30多年來洞庭湖的富營養(yǎng)化程度和總氮濃度明顯上升,對底棲動物的完整性造成了顯著的影響,因此在控磷的同時要對氮進行協(xié)同管控。建議進一步加強農業(yè)面源污染控制,加快補齊生活污水處理設施短板,全面查清湖區(qū)生活污水入河湖排污口底數(shù),加強重點入河湖排污口系統(tǒng)整治,因地制宜建設入河湖口人工濕地,凈化入河湖水體水質;其次要開展生態(tài)修復,通過實施湖體清淤整治及堤防加固、河湖連通建設等工程措施,增強河湖水體流動性,恢復河湖生態(tài)功能,改善水生態(tài)環(huán)境。

洞庭湖 30 多年監(jiān)測表明底棲動物完整性變化有較好的適用性,具有長期性和綜合性,可為正確判斷水生態(tài)狀況提供支撐。針對國家長江流域水生態(tài)考核等工作,建議將該完整性指數(shù)評價方法用于支撐《中華人民共和國長江保護法》、《重點流域水生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃(2021-2025)》等國家重要法規(guī)所規(guī)定的長江流域重點湖泊的底棲動物完整性評價中。同時,水體富營養(yǎng)化對底棲動物完整性有明顯影響,繼續(xù)控制總磷的同時要關注總氮的影響,加大對總氮的管控力度,建議把總氮逐步納入水生態(tài)的考核評價,強化關鍵壓力管控在長江大保護中的作用。