大伙房水庫及入庫支流水質現狀和水生生物群落結構特征*

陳 蘭 張洛紅 黃道建 黃楚珊 馮雁輝 安 坤 王留鎖 于云江 張麗娟# 胡國成

(1.西安工程大學環境與化學工程學院，陜西 西安 710048；2.生態環境部華南環境科學研究所，廣東 廣州 510535；3.國家環境保護環境污染健康風險評價重點實驗室，廣東 廣州 510535；4.遼寧省生態環境保護科技中心，遼寧 沈陽 110161)

水生生物是水生態系統的重要組成部分[1]，水生生物作為水質生物監測的重要指標，越來越多地被應用到世界各國的水體生態健康評價中[2]。研究包括浮游植物、浮游動物和底棲動物的水生生物群落結構特征可為水質評價和水體污染綜合治理提供理論指導[3-5]。

大伙房水庫是遼寧省重要的水源地之一[6]，其水源來自渾河、蘇子河和社河，分別占入庫水量的53%、37%、10%，大伙房水庫的水質現狀和水生生物群落結構必然受到入庫支流的影響。然而，以往研究大伙房水庫時忽略了入庫支流的影響。

本研究通過對大伙房水庫及入庫支流水質現狀和水生生物群落結構的系統調查，研究水體污染情況與水生生物群落結構的相關性，為保護大伙房水庫水環境健康提供更全面的科學依據，也為遼河流域水環境污染控制與治理提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 采樣時間和樣點布置

由于枯水期降雨量少，水體環境相對穩定[7]，因此于2019年10月(枯水期)開展大伙房水庫及入庫支流的采樣調查。圖1為樣點布置圖，在大伙房水庫中共設7個樣點，分別為D-1、D-2、D-3、D-4、D-5、D-6和D-7；渾河上游為入庫河流，設了3個取樣點，分別為H-1、H-2和H-3，同時在下游出庫河流也設了1個樣點，為H-4；蘇子河和社河均為較短入庫支流，各設1個樣點，分別為SZ-1和S-1。

圖1 樣點布置圖Fig.1 Location of sampling points

1.2 水樣的采集和測定

按照《水質采樣技術指導》(HJ 494—2009)的要求采集水樣，溶解氧(DO)、總磷(TP)、總氮(TN)、五日生化需氧量(BOD5)、化學需氧量(COD)、高錳酸鹽指數和氨氮按照《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中要求的方法進行測定。

1.3 水生生物樣品的采集和處理

浮游植物和浮游動物按照《淡水浮游生物調查技術規范》(SC/T 9402—2010)進行采集、鑒定和計數。底棲動物用開口面積為625 cm2的彼得生采泥器采集底泥樣品后，用60目篩網過濾獲得底棲動物，置于500 mL白色乳膠瓶中加入體積分數為75%的酒精保存，鏡檢完成鑒定和計數[8]。

1.4 數據分析方法

1.4.1 水質現狀評價方法

以GB 3838—2002為標準，根據樣點應實現的水域功能類別，選取相應標準類別，進行單因子評價。

1.4.2 生物指數計算

物種優勢度指數(Y)計算公式為：

(1)

式中：fi為第i個物種在各樣點中的檢出率；ni為樣點中第i個物種的個體數；N為樣點中所有物種的總個體數。

當物種的Y≥0.02時為優勢種[9-10]。

Shannon-Wiener多樣性指數(H)計算公式為:

(2)

Pielou均勻度指數(J)計算公式為：

(3)

式中：S為樣點的總物種數。

浮游植物通常可以從多樣性和均勻度兩個維度評價水體污染狀況[11]。H≥4.5，清潔；3.0≤H<4.5，輕污染；2.0≤H<3.0，β-中污染；1.0≤H<2.0，α-中污染；H<1.0，重污染。J≥0.8，清潔；0.5≤J<0.8，輕污染；0.3≤J<0.5，β-中污染；0.1≤J<0.3，α-中污染；J<0.1，重污染。

底棲動物一般只用Shannon-Wiener多樣性指數評價水體污染狀況[12]。H=0，嚴重污染；03，清潔。

浮游動物由于物種數太少，故未計算Shannon-Wiener多樣性指數和Pielou均勻度指數。

2 結果與分析

2.1 水質現狀

大伙房水庫及入庫支流的水質指標監測結果見表1。根據大伙房飲用水水源保護區的劃分，H-1和H-2應達到GB 3838—2002的Ⅲ類水標準，其余樣點應達到GB 3838—2002的Ⅱ類水標準。所有水樣的DO、氨氮、高錳酸鹽指數和BOD5均達到了目標標準；大伙房水庫中的水樣TN、COD和TP基本都未達到目標標準；入庫支流的TN也均未達到目標標準，TP也有1個水樣(SZ-1)未達到目標標準。因此，總體而言，大伙房水庫及入庫支流的首要超標項目為TN，其次為TP和COD。調研發現的原因有：(1)大伙房水庫及入庫支流周邊的農村對畜禽糞便、垃圾和生活污水等無收集措施；(2)農藥、化肥和秸稈焚燒后的殘渣也無恰當的處理措施。而入庫支流水質總體優于大伙房水庫水質，可能是因為采樣處于枯水期，水庫主要功能為蓄水，所有入庫支流攜帶的污染物都匯入到了水庫中。

表1 大伙房水庫及入庫支流水質指標監測結果Table 1 Monitoring results of water quality indexes of Dahuofang Reservoir and its tributaries mg/L

2.2 浮游植物

2.2.1 浮游植物組成和數量

大伙房水庫及入庫支流共檢出浮游植物68種，其中硅藻門有37種，綠藻門有21種，藍藻門有5種，隱藻門也有5種。各樣點浮游植物組成和藻細胞密度分布見圖2。大伙房水庫樣點總藻細胞密度為1.94×106～1.26×107個/L，平均為5.44×106個/L，其中位于出庫口的D-7藻細胞密度最高；不同樣點的浮游植物組成也有差異，D-1、D-2、D-7主要由硅藻門藻細胞組成，而其他樣點主要由種類不多的隱藻門藻細胞組成。入庫支流樣點總藻細胞密度為2.06×106～8.47×106個/L，平均為4.30×106個/L，其中位于渾河上游的H-2藻細胞密度最高；各樣點的浮游植物組成均以硅藻門藻細胞為主。

圖2 各樣點浮游植物組成和藻細胞密度分布Fig.2 Distribution of phytoplankton composition and cell density of each sampling point

2.2.2 浮游植物優勢種

大伙房水庫及入庫支流的浮游植物優勢種有9種(見表2)，其中隱藻門有尖尾藍隱藻、嚙蝕隱藻、卵形隱藻和吻狀隱藻4種，硅藻門有廣緣小環藻、針桿藻、喙頭舟形藻和偏腫橋彎藻4種，綠藻門有衣藻1種，嚙蝕隱藻是大伙房水庫的最主要優勢種，針桿藻是入庫支流的最主要優勢種。

表2 大伙房水庫及入庫支流浮游植物優勢種Table 2 Dominant species of phytoplankton in Dahuofang Reservoir and its tributaries

2.2.3 多樣性和均勻度

大伙房水庫及入庫支流的浮游植物Shannon-Wiener多樣性指數和Pielou均勻度指數見圖3。其中Shannon-Wiener多樣性指數為2.92～3.73，平均為3.36，僅樣點D-3和SZ-1的Shannon-Wiener多樣性指數略小于3，說明浮游植物多樣性較好；Pielou均勻度指數都大于0.5，說明不同種類的浮游植物在各樣點中的分布比較均勻。綜合Shannon-Wiener多樣性指數和Pielou均勻度指數來評價，大伙房水庫及入庫支流水體總體處于輕污染狀態。

圖3 各樣點浮游植物多樣性和均勻度Fig.3 Diversity and homogeneity of phytoplankton of each sampling point

2.3 浮游動物

2.3.1 浮游動物組成和數量

大伙房水庫及入庫支流共檢出浮游動物13種，其中輪蟲類有8種，橈足類有3種，枝角類有2種，其中大伙房水庫中檢出11種，入庫支流中檢出4種，入庫支流中的浮游動物種類明顯少于大伙房水庫。各樣點浮游動物組成和個體密度分布見圖4。大伙房水庫樣點的浮游動物總個體密度為1.20～9.60個/L，平均為4.46個/L，其中D-2的浮游動物個體密度最高，D-1最低；不同樣點的浮游動物組成差異大，D-1中檢出的全部都是輪蟲類，而D-2中3類浮游動物都有檢出，以枝角類個體密度最大，占比為50%，其次才是輪蟲類，而D-3～D-7中檢出的都是橈足類個體密度最大。入庫支流樣點的浮游動物總個體密度為0～2.40個/L，平均為1.20個/L，渾河以輪蟲類為主，蘇子河和社河以橈足類為主。

圖4 各樣點浮游動物組成和個體密度分布Fig.4 Distribution of zooplankton composition and individual density of each sampling point

2.3.2 浮游動物優勢種

大伙房水庫及入庫支流的浮游動物優勢種有5種(見表3)，其中輪蟲類有長三肢輪蟲、無柄輪蟲、梳狀疣毛輪蟲3種，枝角類有盤腸溞1種，橈足類有廣布中劍水蚤1種。此外，橈足類的無節幼體雖未達到優勢種，但也有較多分布。

表3 大伙房水庫及入庫支流浮游動物優勢種Table 3 Dominant species of zooplankton in Dahuofang Reservoir and its tributaries

2.4 底棲動物

2.4.1 底棲動物組成和數量

大伙房水庫及入庫支流共檢出底棲動物829個，隸屬于3門6綱32科36種。各樣點底棲動物組成和個體密度分布見圖5。大伙房水庫及入庫支流中底棲動物個體密度平均為657.94個/m2，其中昆蟲綱最高。其中，大伙房水庫中底棲動物個體密度為100.00～1 855.59個/m2，平均為746.03個/m2；入庫支流中底棲動物個體密度是344.44～1 788.89個/m2，平均為664.81個/m2。

圖5 各樣點底棲動物組成和個體密度分布Fig.5 Distribution of benthic animal composition and individual density of each sampling point

2.4.2 底棲動物優勢種

由于大伙房水庫和入庫支流中的底棲動物優勢種差別較大，因此分開討論，而且底棲動物鑒定難度較大，所以對其鑒定的分類水平也不盡相同。由表4可見，大伙房水庫中的優勢種分別是卵形蘿卜螺、直突搖蚊亞科、梨形環棱螺、搖蚊亞科、豆螺屬和長足搖蚊亞科；入庫支流中的優勢種分別是搖蚊亞科、劃蝽科、長足搖蚊亞科和直突搖蚊亞科。從優勢種的耐污性來看，大伙房水庫及入庫支流的優勢種皆為中等耐污種。

表4 大伙房水庫及入庫支流底棲動物優勢種Table 4 Dominant species of benthic animal in Dahuofang Reservoir and its tributaries

2.4.3 多樣性

由圖6可見，大伙房水庫及入庫支流的底棲動物Shannon-Wiener多樣性指數為0～3.26，平均為1.87，最低的樣點為D-7，僅采集到昆蟲綱的搖蚊類，可能是因為D-7水深且底質單一，從而多樣性較差；最高的樣點為SZ-1，可能是因為SZ-1受人為干擾較少，底質生境較好，分布有蜻蜓目、蜉蝣目、鞘翅目的多種底棲動物。從底棲動物的Shannon-Wiener多樣性指數評價水體污染情況，大伙房水庫及入庫支流整體呈輕污染至中污染狀態。從底棲動物評價的水體污染狀況略比從浮游植物評價的水體狀況差，說明污染物發生了一定的沉積。

圖6 各樣點底棲動物多樣性Fig.6 Diversity of benthic animal of each sampling point

3 討 論

大伙房水庫中以隱藻門為最主要優勢種，而一般富營養化湖泊以綠藻門、藍藻門為主要優勢種[13]，說明大伙房水庫的富營養化水平不高，出庫口浮游植物藻細胞密度高主要是因為大壩攔截的緣故[14]。入庫支流以硅藻門為主，是因為硅藻門適應水流速度較快的河流水環境[15]。圖3的J與H變化趨勢和反映的水體污染狀況一致性說明J和H具有相關性。

大伙房水庫及其入庫支流中浮游動物種類較少，大伙房水庫中橈足類的數量占優勢，而入庫支流中輪蟲類占優勢。一般來說，浮游動物群落結構會隨著水體營養水平的提高而呈現由小型浮游動物向大型浮游動物轉變的趨勢[16]，因此可以判斷，大伙房水庫的富營養化水平高于入庫支流。

大伙房水庫及其入庫支流中底棲動物分布差異較大。大伙房水庫中D-3和入庫支流中H-2底棲動物個體密度較高，可能與其毗鄰的村莊及農場中人類活動生活污水排放有關。蘇子河人為干擾較少，底質生境維持較好，有多類底棲動物分布。

水生生物群落結構特征受多種水質指標的影響。通過典范對應排序分析[17]發現，影響大伙房水庫及其入庫支流中水生生物群落結構變化的主要水質指標是DO、高錳酸鹽指數和氨氮。水體中水生生物與DO關系密切，因為浮游植物進行光合作用釋放氧氣，會使水體DO升高，水生生物的生命活動和死亡降解又都會消耗DO[18]。氨氮和高錳酸鹽指數分別代表了水體中的營養鹽水平和有機物污染水平[19]，說明大伙房水庫還是有必要控制外源營養鹽和有機物輸入，以減緩其富營養化進程。

4 結 論

綜合大伙房水庫及入庫支流水質現狀和浮游植物、浮游動物、底棲動物的群落結構特征可以得出，大伙房水庫及入庫支流水體水質總體處于輕污染至中污染狀態，主要超標項目為TN、TP和COD，污染物已發生了一定的沉積，大伙房水庫的富營養化水平高于入庫支流，影響水生生物群落結構變化的主要水質指標是氨氮、高錳酸鹽指數和DO。為避免大伙房水庫水體過快富營養化，有必要控制外源營養鹽和有機物的輸入。