渾河主要污染物對大型底棲動物空間分布的影響

劉志剛，渠曉東，張遠* ，馬淑芹，趙瑞，曹國憑

1.河北聯合大學建筑工程學院，河北 唐山 063009

2.環境基準與風險評估國家重點實驗室，中國環境科學研究院流域水生態保護技術研究室，北京 100012

大型底棲動物是淡水生態系統中重要的消費者和分解者［1］，與河流生態系統的物質循環和能量流動密切相關［2-3］。大型底棲動物長期生活于水體底部，不同類群對水污染表現出從極敏感到極耐污的特征，因此，大型底棲動物群落的結構可在一定程度上表征水體的長期污染狀況［4］。分析大型底棲動物群落與污染物的關系，識別影響水生生物空間分布的主要污染物，是河流生態系統保護與恢復的前提及關鍵。

開展水生生物與主要污染物關系的研究是建立水環境質量基準(簡稱水質基準)的前提和基礎［5］。我國的水質基準研究多以世界衛生組織和美國等發達國家的水質基準資料為依據［6］，水質基準確定的主要依據是室內毒理學實驗［7］。研究自然條件下水生生物群落對主要污染物的響應，對水質基準的制定具有重要的參考意義，同時，在某一污染物水質基準值缺失的情況下，污染物與水生物群落定量關系的研究，可以為水環境保護與生物多樣性保護提供重要的數據參考。

渾河是遼河流域最重要的支流之一，根據GB 3838—2002《地表水環境質量標準》劃分，“十一五”初期大伙房上游水質相對較好(Ⅱ類或Ⅲ類);撫順至沈陽段水質污染加重，NH3-N，CODCr，BOD5和揮發酚等關鍵水質指標分別超過Ⅴ類水質標準濃度值的24.4，1.8，10.0和 13.0倍;渾河流經沈陽后，水質長期為Ⅴ類［8］。目前，對渾河流域重要污染物與水生生物群落關系的全面系統研究鮮有報道［9-11］，筆者擬通過分析渾河大型底棲動物群落特征，識別影響大型底棲動物空間分布的主要污染物，分析主要污染物對渾河大型底棲動物生物多樣性的影響，以期為渾河水污染治理、生物多樣性保護和生態修復提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域

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 415 km，流域面積1.15×104km2，渾河發源于長白山支脈滾馬嶺西側，依次流經清原、新賓、撫順、沈陽等市縣(圖1)，在海城同太子河匯合后經大遼河由營口注入遼東灣，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，總庫容為2.19×109m3，是渾河最重要的水利設施。渾河流域受大陸季風性氣候影響，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月在渾河流域開展了大型底棲動物的調查，全流域設置60個樣點(圖1)。大型底棲動物樣品用索伯網〔60目(孔徑為0.3 mm)尼龍紗，30 cm×30 cm〕進行采集。將索伯網置于河道底部，用小鐵鏟攪動網框內所有底質，清洗底質表面，將附著的大型底棲動物全部收集于索伯網后部的網兜內。網兜內的底質全部倒入水桶再次仔細清洗，并用60目篩網過濾，收集所有底棲動物樣品于500 mL塑料瓶中，加70%酒精溶液固定。各樣點采集3個平行樣，以減小采樣誤差。在實驗室條件下，對大型底棲動物標本進行挑揀和鑒定，大多數物種鑒定到種或屬，搖蚊幼蟲鑒定到亞科，寡毛類和線蟲類僅鑒定到綱［12-15］。

1.3 水質監測

采用便攜式多參數水質測量儀(YSI-Pro Plus，美國維賽儀器公司)對pH，溶解氧(DO)和電導率(EC)等水質污染指標進行現場測定。在采集大型底棲動物樣品前，采集2 L混合水樣，于實驗室內測定八項主要水質污染指標:5日生化需氧量(BOD5)，化學需氧量(CODCr)，高錳酸鹽指數(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、保存和室內測定參照《水和廢水監測分析方法》(4 版)［16］。

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

1.4 多樣性指數計算

采用四種生物多樣性指數表征大型底棲動物多樣性特征:香農-威納指數，表征群落結構的復雜性程度，同時考慮物種的多樣性和物種間的比例;Pielou均勻度指數，表征物種間個體數分布的均勻性程度;Simpson多樣性指數，表征優勢種個體數分布的多度;Margalef豐富度指數，表征物種數量的多樣性程度［17］。各多樣性指數的計算公式與文獻來源如表1所示。

表1 生物多樣性指數計算公式與文獻來源Table 1 The calculation and citation of biodiversity indices

1.5 數據統計分析

水質指標間的相關性，主要污染物與生物指數和多樣性指數間的相關性分析采用Spearman秩相關檢驗，用最小二乘法計算主要污染物與生物指數間的回歸關系，用SPSS軟件完成(SPSS 12.0)檢驗。采用典范對應分析(canonicalcorrespondence analysis，CCA)研究污染物對大型底棲動物群落結構的影響(Canoco 4.5)。為減小數據樣本間方差，在CCA分析前對大型底棲動物數據和污染物數據分別進行lg(1+x)對數轉化和標準化處理［22］，剔除在所有樣點中只出現一個個體的物種，降低偶見種對分析結果產生的影響。

2 結果與分析

2.1 渾河水質特征分析

渾河水質檢測分析表明，渾河主要水質污染指標中，主要為TN污染，其監測值劣于Ⅳ類水質標準的樣點數占監測樣點總數的98.3%;其次為TP和NH3-N污染，其監測值劣于Ⅳ類水質標準的樣點數占監測樣點總數的28.3%和21.7%，說明渾河流域目前的富營養化狀況較重;再次為CODCr和CODMn污染，其監測值優于Ⅱ類水質標準的樣點數占監測樣點總數的55.0%和48.3%，表明渾河流域有較重的工業廢水和生活污水污染(表2)。選擇pH，DO，NH3-N，TP，CODCr，CODMn和 BOD5指標綜合比較水質狀況，分別評定各項指標的水質級別，以其中水質最差的單項指標所屬類別作為該樣點水質類別，結果表明渾河水質劣于Ⅲ類的監測樣點數占60.0%，說明渾河整體水污染較重;如同時將TN指標納入評價體系中，則水質優于Ⅲ類的監測樣點數僅為1.7%。

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

2.2 大型底棲動物群落特征

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

渾河大型底棲動物物種數和生物個體數相對較低，全流域平均值僅為8種和82個體。EPT物種數為蜉蝣目(E)，襀翅目(P)和毛翅目(T)三個類群分類單元數之和，代表了河流中主要的敏感類群，其數量常可直接指示河流的健康狀況，該次調查結果表明EPT物種數全流域平均為3種，中位數僅為1種，表明有50%樣點的EPT物種數在1種以下。搖蚊幼蟲是渾河最主要生物類群，其個體數占總個體數比例的平均值為37.29%，最高值為96.96%。全流域香農-維納指數平均值為1.90，Margalef豐富度指數平均值為1.33，均勻度指數平均值為0.71，Simpson指數平均值為0.59(表3)。

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

2.3 影響大型底棲動物分布的主要污染物識別

CCA分析的前提是通過相關分析選擇獨立性較高的水質指標。渾河流域水質指標相關性分析表明，DO 與 BOD5負相關(R=-0.72，P ＜0.01)，因為BOD5同時還可表征水體中有機物污染的特征，因此選擇BOD5表征二者的共同特性。CODMn分別與CODCr和 TP正相關(R=0.72，R=0.71;P＜0.01)，在 CODMn，CODCr和 TP三項化學指標中，CODCr能較全面地表征水體中各種耗氧類物質的量，TP可以表征水體營養鹽狀況，因此保留CODCr和TP作為表征水體好氧類和富營養類污染指標。另外EC與NH3-N也具有較高的相關性(|R|＞0.70，P＜0.01)，但由于NH3-N對水生生物具有毒性，因此保留NH3-N作為影響大型底棲動物群落分布的毒性指標。通過相關分析得出，用于CCA分析的水質指標為 pH，TN，TP，BOD5，CODCr，NH3-N，NO2-N和NO3-N(表4)。

CCA分析表明，NH3-N和CODCr是影響大型底棲動物空間分布的主要污染物(蒙托卡羅檢驗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，物種與水質指標在前兩條軸的累積百分率為53.2%，物種和水質指標排序軸前兩軸相關系數分別為0.894和0.808(圖2)。

表4 水質指標間Spearman相關性分析Table 4 Spearman correlation analysis among water quality metrics

由圖2可知，大伙房水庫上游英額河、蘇子河與紅河(圖2中○表示的樣點)受到的污染最輕，主要分布于CCA排序軸(軸1)的負方向，與主要污染物的分布趨勢相反;大伙房水庫下游渾河支流中(圖2中◇表示的樣點)，除少數樣點的污染狀況較輕外，其他樣點的大型底棲動物群落受NH3-N的影響最重，其次為CODCr，蒲河的兩個樣點(樣點47和48號)位于排序軸第一象限正方向遠端，表明蒲河的污染嚴重;大伙房水庫下游渾河干流中，影響大型底棲動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 樣點與水質指標間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上游區域，為該區域的指示物種;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下游的支流區域，為該區域的指示物種;鱗屬(Tomocerus sp.)，鉤蝦(Gammarus sp.)和銅銹環棱螺(Bellamya acruginosa)主要分布于大伙房水庫下游渾河干流，為該區域的指示物種。指示物種的變化除空間分布的差異外，物種對不同污染物的耐受類型也具有差異，分析認為，在渾河流域的蘇氏尾鰓蚓、赤豆螺和水蠅對NH3-N，磷和有機污染具有較強的耐受性;鱗屬、鉤蝦和銅銹環棱螺對工業有機污染物和氮污染具有較強的耐受性(圖3)。

2.4 主要污染物對大型底棲動物生物多樣性影響

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

主要污染物NH3-N和CODCr與大型底棲動物生物參數和多樣性指數的Spearman秩相關分析表明:大型底棲動物總個體數和搖蚊幼蟲個體數占總個體數的比例與NH3-N和CODCr污染的相關性不顯著;但與物種數和EPT物種數均呈顯著的負相關。生物多樣性指數相關分析表明:NH3-N與所有多樣性指數均呈顯著的負相關;CODCr僅與Margalef豐富度指數呈顯著的負相關(表5)。

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

主要污染物NH3-N和CODCr對物種數和EPT物種數的回歸分析表明，物種數與NH3-N和CODCr呈顯著的對數曲線關系(P＜0.05)，EPT物種數與NH3-N和CODCr呈顯著的直線關系(P＜0.05)(圖4)。該次調查的渾河全流域大型底棲動物物種數和EPT物種數的平均值分別為8種和3種，與此相應的NH3-N濃度分別為0.93和1.02 mg/L，相應的CODCr分別為15.7和16.2 mg/L。綜合比較認為，當NH3-N濃度和CODCr控制在1.0和16.0 mg/L時，渾河流域的大型底棲動物物種數與EPT物種數可維持在目前的平均水平，相應的NH3-N濃度和CODCr符合GB 3838—2002《地表水環境質量標準》的Ⅲ類要求［23］。

3 討論

宋永會等［8］對渾河流域污染物來源的研究表明，NH3-N和CODCr是渾河重要水污染物，筆者研究發現，目前渾河流域對大型底棲動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，因此對渾河流域的水污染治理以及流域生態系統保護和恢復，依然需要繼續減排NH3-N和CODCr。從NH3-N和 CODCr的來源分析，兩種污染物主要源自城市生活源，分別占入河量的63%和52%，其次為工業源，分別占入河量的 17%和27%［8］，筆者的研究結果(圖2和圖3)與其一致。結果表明，大伙房水庫下游隨城市增加，大型底棲動物群落退化較重。

圖4 NH3-N濃度和CODCr對物種數和EPT物種數間的回歸分析Fig.4 The regression analysis among the NH3-N，CODCrand species richness，EPT richness

依據閆振廣等［24］的研究，我國NH3-N濃度的淡水生物慢性基準范圍為0.0664～3.92 mg/L。筆者研究發現，如果以該次大型底棲動物調查的物種平均數作為保護目標，水體中NH3-N濃度應控制在1 mg/L，該值處于水質基準的范圍之內。必須指出，該結果是基于單次水生態調查得出的，還應通過大量的水生態調查來確定大型底棲動物適合的NH3-N濃度閾值;另外，由于渾河在整個遼河流域屬污染相對較重的河流，大型底棲動物物種數量相對較少，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系統制定的NH3-N濃度閾值為0.006～0.1 mg/L［25］，遠小于筆者的研究結果。NH3-N在低DO濃度條件下其毒性有增強的趨勢［25］，考慮到渾河流域CODCr是指示水體好氧類有機物污染的重要化學指標，水體中DO濃度將隨CODCr的增大而有所降低，對大型底棲動物具有間接的毒性作用，因此在渾河水生態系統保護中應對兩種污染物同時進行考慮。

大型底棲動物群落與環境要素關系的研究，尤其是識別針對某一特定污染物的關鍵指示種，對我國的水生生物保護具有重大意義。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物物種的變化隨主要污染物濃度的響應，對確定流域內水生生物多樣性保護目標，流域內水質管理和恢復目標，具有參考意義。

4 結論

(1)基于CCA分析得出，影響渾河大型底棲動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，是渾河水生態系統保護的關鍵。

(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、鉤蝦和銅銹環棱螺為渾河CODCr污染的重要指示物種。

(3)為保護大型底棲動物群落，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:中國環境科學研究院陳立斌、鄭文浩、張楠、萬峻等人員參與了該研究的采樣與樣品鑒定等工作，謹致謝忱。

［1］GRA?A M A.The role ofinvertebrateson leaflitter decomposition in streams:a review［J］.International Review of Hydrobiology，2001，86(4/5):383-393.

［2］VAUGHN C C，HAKENKAMP C C.The functional role of burrowing bivalves in freshwater ecosystems［J］.Freshwater Biology，2001，46(11):1431-1446.

［3］VANNI M J.Nutrient cycling by animals in freshwater ecosystems［J］.Annual Review of Ecology Systematics，2002，33:341-370.

［4］MASON C F.Biology of freshwater pollution［M］.4th ed.Harlow:Prentice-Hall，2002.

［5］張瑞卿，吳豐昌，李會仙，等.中外水質基準發展趨勢和存在的問題［J］.生態學雜志，2010，29(10):2049-2056.

［6］夏青，陳艷卿，劉憲兵.水質基準與水質標準［M］.北京:中國標準出版社，2004.

［7］吳豐昌，孟偉，宋永會，等.中國湖泊水環境基準的研究進展［J］.環境科學學報，2008，28(12):2385-2393.

［8］宋永會，彭劍峰，曾萍，等.河流中游水污染控制與水環境修復技術研發與創新［J］.環境工程技術學報，2011，1(4):281-288.

［9］宗兆偉，邢樹威，王俊才，等.大伙房水庫的指示生物水蚯蚓和搖蚊幼蟲［J］.環境保護科學，2009，35(4):86-88.

［10］史玉強，童君，韓天雪.渾河中、上游水生生物多樣性及其保護［J］.環境保護科學，2002，28(2):7-9.

［11］趙衛琍.渾河(撫順段)水生生物多樣性及資源管理［J］.環境科學與管理，2006，31(1):11-13.

［12］WIGGINS G B.Larvae of the North American Caddisfly Genera(Trichoptera)［M］.2nd ed.Toronto:University of Toronto Press Inc，1996.

［13］MERRITT R W，CUMMINS K W，BERG M B.An introduction to the aquatic insects of North America［M］.4th ed.Dubuque:Kendall/Hunt Publishing Company，2008.

［14］尤大壽，歸鴻.中國經濟昆蟲志:第四十八冊［M］.北京:科學出版社，1995.

［15］田立新，楊連芳，李佑文.中國經濟昆蟲志:第四十九冊［M］.北京:科學出版社，1996.

［16］國家環境保護總局.水和廢水監測分析方法［M］.4版.北京:中國環境科學出版社，2002.

［17］MAGURRAN A E.Measuring biological diversity［J］.African J Aquatic Sci，2004，29(2):285-286.

［18］SHANNON C E，WEAVER W.The mathematical theory of communication［M］.Urbana:University of Illinois，1949.

［19］PIELOU E C.Ecological diversity［M］.New York:Wiley-Inters，1975.

［20］SIMPSON E H.Measurement of diversity［J］.Nature，1949，163:688.

［21］MARGALEF D R.Information theory in ecology［J］.General Systems，1958，3:36-71.

［22］葉麟，黎道豐，唐濤，等.香溪河水質空間分布特性研究［J］.應用生態學報，2003，14(11):1959-1962.

［23］國家環境保護總局.GB 3838—2002 地表水環境質量標準［S］.北京:中國環境科學出版社，2002.

［24］閆振廣，孟偉，劉征濤，等.我國淡水生物氨氮基準研究［J］.環境科學，2011，32(6):1564-1570.

［25］Australian and New Zealand Environment and Conservation Council，Agricultureand Resource Management Councilof Australia and New Zealand.Australian and New Zealand guidelines for fresh and marine water quality［S］.Canberra:［s.n.］，2000. ○