基于水質與生物指標調查的四川升鐘湖水生態健康評價

任可心，蔣祖斌，文 剛，許 航，陳蘭英，肖 娟

(1.西華師范大學 環境科學與工程學院，四川 南充 637000；2.南充市環境監測中心站，四川 南充 637000；3.南充市第十中學校，四川 南充 637000)

1 引言

伴隨社會經濟的發展，人類賴以生存的環境不斷惡化。由于人為因素的污染與干擾，湖泊水生態系統出現不同程度地破壞。目前，對湖泊生態系統健康的研究成為當前生態環境研究的熱點之一[1]。對湖泊生態系統健康進行定量評價是環境管理的一種新方法，目的在于掌握湖泊生態系統的現狀，找出湖泊水生態系統結構和功能上存在的問題，同時采取相應手段進行調整,以實現生態系統健康發展[2]。

升鐘湖位于四川省南充市北部地區的西河干流上，是西南地區最大的人工蓄水灌溉工程，是南充市的后備飲用水源，其戰略意義及經濟意義重大，對于升鐘湖水生態的保護和評價便尤為重要[3～5]。目前針對升鐘湖的研究主要集中在水質的富營養化防治和旅游資源的開發上，對于升鐘湖的水健康評價，多為水質標準等理化性質層面的研究[6,7]；但對于伴隨著物質循環和能量流動的水生生態系統結構，也就是生物層面還未見有相關的報道。湖泊生態系統健康評價方面研究還處于起步階段，沒有統一的評價指標體系和方法[8]。但對于水生生態系統來說，水體的生物指標方面對于外界的干擾，有著更加直觀和敏感的反饋，可作為水生態健康評價的重要方面[9]。本研究通過水質和生物指標兩個維度綜合構建兩者復合的綜合生態健康指標評價體系，從而對整個升鐘湖流域水生態系統進行健康評價，為升鐘湖的治理提供科學依據與參考。

2 研究地及研究方法

2.1 研究區域概況

升鐘湖位于四川省南充市南部縣西北部，地處四川盆地北部、嘉陵江中游，距南部縣城93 km，與閬中市、廣元市劍閣縣接壤，是以灌溉為主，兼有防洪、發電、航運、養殖、旅游等綜合效益的大型骨干水利工程。根據國內外對于生態健康評價的研究，結合升鐘湖的地理形狀及實際情況，從湖庫上游到下游，選取鐵爐寺、鐵鞭電站、李家壩、大壩(果園場)共4個代表性斷面進行水質采樣分析(圖1)。

2.2 研究方法

水質指標及營養鹽指標按照HJ/T91-2002《地表水和污水建設技術規范》，采樣時間2017年全年，連續每月監測，取平均值。指標包括溶解氧(DO)、化學需氧量(COD)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)。由于升鐘湖的涉及區域較廣，根據其特點，將調查的重點放在升鐘湖臨近鄉鎮以及附近區段進行調查，對鐵鞭、鳳凰島、雙峰、升水、升鐘共計5個取樣斷面點進行生物采樣，見圖1。浮游藻類采樣于水面0.5 m左右處使用1 L的采水器采樣，隨即轉移到采樣瓶后，加入15 mL魯哥試劑進行固定靜止48 h后，使浮游藻類自動沉淀。然后使用虹吸法，將樣品中的上清液緩慢吸出后，收集余下的沉淀到定量并將其濃縮至50 mL，最后分類與計數。魚類動物采樣時將圍網放置在5 m深度的水體中，1 h后從兩邊拉起圍網，將采集到的魚類收集放入冷凍箱，在實驗室中進行分類和計數的工作。魚類種類組成、地理分布、生態習性與生態需求等數據主要通過現場調查、訪問南部縣水利局和升水鎮、升鐘鎮、保城鄉、雙峰鄉、鐵鞭鄉等當地捕魚愛好者等方式獲得。

2.3 建立生態健康評價指標體系

表1 升鐘湖水生態健康評價指標體系

2.4 健康綜合評價指標計算

水生態系統健康評價指標是為了量化評價區域水生態環境的質量好壞，反應特定水生態系統的功能及結構的健康狀態，利用不同層次指標的標準化值，采用綜合污指數法，可以計算出水質和生物兩個維度的評價值，進而對流域水生態系統的健康狀況進行評價。結合水質指標因子和生物指標因子，綜合對區域水生態進行量化評價，在考慮權重值方面將各評價因子視為同等重要，等權重帶入評價指標計算。各層次指標的具體計算如下[12, 17]:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，PW、PC、PN分別為水質指標與理化指標、營養鹽指標的得分，PB、PPA、PMB、PF分別為生物指標與浮游藻類、大型底棲動物、魚類指標的得分。采樣點各層次的指標標準化后可得出健康評價得分，將其分為“健康”“亞健康”“一般”“較差”“極差” 5個等級[12]。

3 結果與分析

4個水質樣點中，水質指標因子“健康”的樣點有3個，“亞健康”的有1個；5個生物樣點中，生物指示因子“亞健康”的有3個，“一般”的有2個；根據健康綜合評價標準化指標數值為“0.711”，健康綜合評價指標健康評價等級為“亞健康”(表2)。

3.1 水質指標評價結果與空間分析

分別對鐵爐寺、大壩(果園場)、李家壩、鐵鞭電站4個水質樣點的水質化學指標和營養鹽指標進行單因素方差分析。結果見表3，從季節上看DO、COD和NH3-N呈顯著的季節變化規律(p<0.05)，TP、TN季節變化規律不顯著。通過多重比較發現，DO為冬季>夏季(p=0.003<0.05)，春秋季差異不顯著；TP和TN均為春、夏兩季最高，秋冬季節最低，其中TN夏季>秋季(p=0.031<0.05)；NH3-N冬季最低，春秋季節差異不顯著；COD為夏季>春季和秋季>冬季。

表2 升鐘湖水生態系統健康評價結果

從監測點來看，4個斷面秋季和冬季的COD均有顯著差異，秋季(F=3.489，P=0.019<0.05)，冬季(F=3.899，P=0.012<0.05)，其中，鐵鞭電站秋季、冬季的COD均顯著高于其他三站；大壩(果園場)秋季的COD顯著低于其他站(P<0.05)；李家壩冬季的COD顯著低于其他站(均P<0.05)。對四個監測點的多年平均COD、TN、TP進行分析，四個點的TN、TP無顯著差異，COD有顯著差異(F=8.304，P=0.003<0.05)，其中鐵鞭電站>鐵爐寺>大壩(果園場)>李家壩(均P<0.05)。

表3 升鐘湖水質監測分析

從評價結果上看，升鐘湖水質整體狀況較好，從水質化學因子的計算結果看，水質均為“健康”等級，具體為大壩>李家壩>鐵爐寺>鐵鞭電站。但從水質營養鹽方面看水質狀況處于“亞健康”狀態，主要表現為升鐘湖水質營養鹽因子指標標準化數值整體較水質化學因子偏低，這說明富營養化是升鐘湖最主要的水質污染因素。在4個監測斷面中，鐵鞭電站的水生態健康評價等級均為“亞健康”狀態(圖2)。

3.2 生物指標評價結果與空間分析

在本次調查的5個生物樣點中浮游藻類因子2個達到“亞健康”等級，3個達到“一般”等級；魚類動物因子3個達到“亞健康”等級，2個達到“一般”等級；整體生物指標因子3個達到“亞健康”等級，2個達到“一般”等級(圖3)。總體來說，升鐘湖浮游藻類與魚類動物的健康狀況處于“亞健康”狀況。

圖2 水質指標因子評價結果

在5個樣點中浮游藻類因子指數的健康等級有所差異，鳳凰島>升水>雙峰>升鐘>鐵鞭；魚類動物因子指數中雙峰>鳳凰島>鐵鞭>升水>升鐘；在生物指標因子中鳳凰島>雙峰>升水>鐵鞭>升鐘。生物指標因子中升鐘鎮壩區附近數值最低，可能由于該處水的流速較快以及游船出行比較密集等因素有關；鐵鞭雖然單位水體中種類數量較多，但物種數量相對較少，主要是因為藻類主要以硅藻門植物為主，所以指數相比偏低。這與該鄉鎮的生活污水排放而導致的水源污染有關；在保城鄉鳳凰島周邊，因該處水面寬闊，又有鳳凰島和太子島主要以硅藻門植物為主，所以指數相比偏低。這與該鄉鎮的生活污水排放而導致的水源污染有關；在保城鄉鳳凰島周邊，因該處水面寬闊，又有鳳凰島和太子島延伸至湖內，綠藻門植物種類和數量都較豐富，湖水自凈率較高等因素，生物多樣性指數相對較高，水質清潔。而對于魚類動物因子指數，在升鐘、升水兩處的所對應的數值較低，這與升鐘湖旅游項目的開發有關。旅游規劃項目建成后，涉水工程較多，開發力度較大，這將對漁業資源造成一定損失。大批游客到各個景區旅游觀光，參與釣魚，游泳等各項活動。游客的進入必然會帶來相當數量的廢棄垃圾，游船、快艇數量也會增加，旅游開發后，部分魚類的產卵場喪失和幼魚索餌場一定程度遭到破壞。

圖3 生物指標因子評價結果

4 討論

水體的富營養化一直是造成水體質量惡化，破化水體生態健康的重要原因之一，也是目前全世界關注和探究的重點，而水體的富營養化在化學層面最直觀的體現便是水質營養鹽含量的超標。本文所探究的3個水質營養鹽監測指標，氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、總氮(TN)均能滿足《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)中Ⅲ類水質以上的標準。但就單項指標來看，升鐘湖總氮(TN)標準化值均在0.5～0.6之間，對應健康評價等級中“一般”等級，相對氨氮(NH3-N)、總磷(TP)評價等級偏低，說明升鐘湖中總氮(TN)含量偏高。水生植物在生長的過程中，需要對氮磷等營養元素進行吸收，有研究顯示，氮元素與磷元素的比值在一定范圍內能制約藻類生長，能影響浮游藻類群落的結構改變[18]。同樣，浮游植物的生長也能影響水質中的氮磷比。因此，控制磷元素以及氮磷總量的控制仍是升鐘湖水質治理的關鍵。

從水質和生物性質綜合對升鐘湖水生態健康評價得出，升鐘湖整體水生態健康對應為“亞健康”等級，水生態健康總體狀況較好，但仍存在部分問題。升鐘湖各項水生態健康指標，隨著不同位置的變化存在一定的差異，這與升鐘湖不同位置周邊的土地利用方式以及方式有關。根據水生態健康評價可得，在人口相對集中區域或旅游開發區附近以及臨近農業面源分布較廣的區域，各單項健康評價因子的數值均有不同程度的下降。

在20世紀80年代，升鐘湖出現水體富營養化以及水體自凈能力下降，在2008年以后，升鐘湖的水質污染狀況得到重視，對工業廢水排放嚴格管控，加之升鐘湖風景保護區的建立，水質有所好轉。但升鐘湖占地面積大，沿岸分布鄉鎮較多，農田分布面積較廣。根據實地調查，升鐘湖周邊大多數地區耕種狀況仍是相對粗放型管理模式，沒有達到測土施肥、施藥和科學管理的程度。為了取得連續穩定的高產，往往在化肥施用上用量較大。在降水過后，地表徑流將攜帶大量營養鹽成分進入升鐘湖，對水體營養化造成威脅。因此，農業面源污染仍是需要重點管控的方面。

5 結論與建議

升鐘湖作為南充市后備飲用水源，其水生態的健康問題不容小覷。雖然在近年來其水生態健康狀況有所好轉，但根據本文的調查分析，仍存在部分影響水生態健康的風險來源。針對本文的調查分析結論，對升鐘湖在保護與治理，提升其其水生態健康等級的方面，提出如下建議。

(1)應加強對于升鐘湖周邊環境的保護，嚴格落實實施鄉鎮生活污水、生活垃圾處理設施按標準進行建設，并對后期相關設施運營情況進行統一的監督管理；引進和推廣科學綠色的農業耕種模式，發展綠色生態植被，做好護岸、護坡和水土保持工作，從源頭有效控制農村農業面源污染。

(2)應繼續加強漁業行政執法力度，加強對承包經營者的培訓和教育，嚴禁炸、毒、電魚等行為；科學的開展增殖放流活動，嚴格控制船舶、農家樂、釣魚餌料及廢棄物等行為對水體的污染，確保魚類繁殖季節，保護產卵群體能夠順利產卵繁殖，保持魚類資源的多樣性，保護水庫河段物種資源及其賴以生存的水域環境，維護生物多樣性。嚴禁投放外來有害物種，防止外來物種入侵對水體及生態的破壞。

(3)景區運營期間相關部門應組織管理好游船、游客旅游期間的旅游活動，防止生活垃圾及游船、水上摩托等機械設備漏油對魚類生存的水環境的污染。另外應嚴禁亂搭網箱釣臺、亂建房屋行為。經批準在保護區內從事的經營性活動，應當嚴格執行環保、行洪、風貌等要求；從事建設活動的單位和個人，應當采取有效措施保護自然資源和生態環境，對生態環境造成危害的，應當進行生態修復。

(4)定期開展對于升鐘湖水生態健康的監測及科學研究工作，便于能及時發現和解決生態問題；向沿岸居民及游客保護水生態的重要意義，更加全面的維護升鐘湖水生態健康。