生物學指數在感潮河口建閘前后水質評價中的應用

藍雪春 葉 敏 完顏晟

(1.浙江省水利水電勘測設計院，浙江 杭州 310002；2.杭州市生態環境科學研究院，浙江 杭州 310005)

水體水質的好壞會對水生生物群落結構產生影響。因此，水體中水生生物的生物學指數對水質有一定的指示作用。大型底棲動物作為水生態系統的重要組成部分，可以充當分解者的角色，對上層水體沉積下來的物質進行分解，對維持水生態系統的物質循環和能量流動有著至關重要的作用[1-2]。大型底棲動物具有生命周期長、遷移能力弱、對環境變化敏感等特點，是水體中對水生態系統變化和演替具有明顯指示作用的生物類群[3]。在淤泥質的河口生態系統中，底棲亞生態系統是一個非常重要的動態中心，而底棲動物群落在這個動態中心里占據著非常關鍵的位置[4]。其中，大型底棲動物的物種組成、群落結構和時空分布可以很好地反映河口生態系統的水環境和水生態變化。所以，利用大型底棲動物的相關生物學指數來反映水體污染狀況，開展水環境評價具有獨特的優越性，已被廣泛應用于河流水環境監測和評價[5-6]。

ZHAO等[7]研究表明，大型閘壩的建設和運行會改變自然河流的水文節律和泥沙的沉積、遷移速率，從而對水生生物產生深遠影響，已經成為導致河流生物多樣性變化的重要原因。國內利用大型底棲動物的相關生物學指數評價閘壩等水利工程對河流水文泥沙條件相對穩定的中上游水質的影響研究較多。然而相比河流中上游，感潮河口因其特殊的水文泥沙條件和敏感的生態環境，使得閘壩等水利工程對其水質的影響更加復雜。因此，選擇合適的生物學指數來評價閘壩等水利工程對感潮河口水質的影響就顯得非常有意義。

曹娥江是錢塘江河口右岸的重要支流，2009年曹娥江河口建成了曹娥江大閘，極大地改變了曹娥江河口段的水環境和水生態。本研究根據2004(建閘前5年)、2010(建閘后1年)、2014(建閘后5年)、2018年(建閘后9年)曹娥江入錢塘江河口段的水質和大型底棲動物群落結構的空間分布變化特征，探究采用生物學指數評價曹娥江河口段曹娥江大閘建成前后的水質變化適用性。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

在曹娥江入錢塘江河口段的曹娥江干流上共設置了4個采樣斷面(見圖1)，從上游到下游分別為上浦閘內(S4，29°54′49.26″N、120°50′32.90″E)、新三江閘處(S3，30°8′5.43″N、120°38′40.56″E)、曹娥江大閘內(S2，30°13′7.57″N、120°43′45.51″E)和曹娥江大閘外(S1，30°13′45.37″N、120°44′36.65″E)，通過全球定位系統(GPS,易立S7)定位。2004、2010、2014、2018年每年春季在每個采樣斷面設置3個采樣點采集混合水樣。每個采樣點使用采泥器(ETC-200)采集底泥后用200 μm紗網篩洗干凈，大型底棲動物樣品用5%(質量分數)的中性福爾馬林溶液固定保存后帶回實驗室稱量、計數并鑒定到種。每個采樣斷面每年按月使用聚乙烯采樣瓶采集3個采樣點水面以下0.5 m處的混合水樣，帶回實驗室后參照《水和廢水監測分析方法(第四版)》，采用堿性法測定高錳酸鹽指數、納氏試劑光度法測定氨氮、鉬銻抗分光光度法測定總磷(TP)，pH、溶解氧(DO)現場使用便攜式雙通道多參數分析儀(HQ40D)測定。

1.2 評價方法

群落中生物種類越多則群落的復雜程度越高，群落所含的信息量就越大，即生物多樣性越好。當群落環境受到污染時，生物多樣性就會降低。因此，可以利用以生物多樣性指數為代表的生物學指數對群落環境質量進行評價。常用的評價水環境質量的生物多樣性指數有Margalef豐富度生物多樣性指數和Shannon-Wiener生物多樣性指數，計算公式分別見式(1)和式(2)。各生物學指數的評價標準見表1[8]。

圖1 研究區域及采樣斷面Fig.1 Research area and sampling sections

(1)

(2)

式中：D為Margalef豐富度生物多樣性指數；S為生物總種類數；N為生物總個體數；H為Shannon-Wiener生物多樣性指數；ni為物種i的生物總個體數。

表1 生物學指數評價標準Table 1 Evaluation standard of the biological indexes

同時，參照《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)對水質進行化學評價，并且本研究將Ⅰ～Ⅴ類水分別與清潔、輕污染、中污染、重污染和嚴重污染相對應，以與生物學指數進行對比。

2 結果與討論

2.1 大型底棲動物種類組成

曹娥江河口段的歷次調查共鑒定出大型底棲動物35種(見表2)，其中環節動物14種，占總種類數的40.0%；甲殼動物10種，占總種類數的28.6%；軟體動物8種，占總種類數的22.8%；節肢動物3種，占總種類數的8.6%。

2.2 大型底棲動物種數

由表3可見，在門水平上，曹娥江大閘建成后各采樣斷面鑒定出的大型底棲動物種數總體表現出較建閘前增加，特別是上浦閘內增加尤為明顯。由此說明，曹娥江河口段的水生態環境得到了改善。從2004年到2018年，上浦閘內和新三江閘處大型底棲動物種數穩步增加，說明曹娥江大閘建成后這兩個采樣斷面大型底棲動物棲息的河床底質環境在持續改善；而曹娥江大閘內、曹娥江大閘外大型底棲動物種數有波動，可能是因為這兩個斷面的河床底質環境遭受曹娥江大閘修建的劇烈變化，給大型底棲動物適應帶來了一定的影響。

表2 曹娥江河口段鑒定出的大型底棲動物1)Table 2 Macrobenthos identified in estuary of Cao’e River

表3 大型底棲動物種數變化Table 3 Variation of macrobenthos’ kinds

2.3 水質評價

由表4可見，Margalef豐富度生物多樣性指數的評價結果表明，除上浦閘內2004年嚴重污染外，其余各斷面水質始終被評價為重污染；Shannon-Wiener生物多樣性指數的評價結果比Margalef豐富度生物多樣性指數保守，雖然評價的污染程度可能比水質類別嚴重，但基本與水質類別變化趨勢一致。由此說明，生物學指數比化學評價對水質類別更為敏感，但如果指標過于敏感可能反而不能客觀的反映實際水質狀況。例如，2004年上浦閘內的生物學指數評價結果均為嚴重污染，而水質類別則為中污染，相差2個等級，原因是2004年上浦閘內的大型底棲動物只采集到1種軟體動物(見表3)，出現這種情況很有可能是曹娥江大閘建成前，上浦閘以下屬感潮河口，為避免上浦閘內淤積，保證上游防洪安全，上浦閘需經常性地開閘泄洪沖淤，導致上浦閘內河床底質極不穩定，大型底棲動物種類因此比較單一；曹娥江大閘建成后，上浦閘以下不再屬感潮河口，上浦閘無需再經常性地開閘泄洪沖淤，水文情勢使得河床底質趨于穩定，給大型底棲動物的生長繁殖創造了條件，因此曹娥江大閘建成前后水質的變化并不是很大。這個現象說明，采用生物學指數評價河床底質環境變化劇烈的河道水質時需要慎重。

Shannon-Wiener生物多樣性指數的評價結果有50%與水質類別一致，相差也基本上只有1個等級，且在曹娥江大閘建成前后污染趨勢變化上保持一致。這可以解釋為曹娥江大閘建成后閘上河道從感潮河口變為河道型水庫，水體環境從咸淡水轉變為淡水，但河床底質環境的轉變滯后于水體環境的轉變，大型底棲動物從適應咸淡水環境的群落轉變為適應淡水環境的群落，其轉變速度也滯后于水體環境變化的速度。

表4 水質評價結果比較Table 4 Comparison of water quality evaluation results

有研究也指出，Shannon-Wiener生物多樣性指數的敏感度雖然較低，但其實比Margalef豐富度生物多樣性指數等生物學指數更能反映水體的實際污染狀況和變化趨勢[9-10]。由于曹娥江大閘建成前后上浦閘和曹娥江大閘內、外的河床底質環境發生了明顯變化，因此選取河床底質環境相對穩定的新三江閘處進一步比較Margalef豐富度生物多樣性指數和Shannon-Wiener生物多樣性指數評價水質的適用性，結果見圖2。圖2表明，新三江閘處各水質指標呈逐年降低的趨勢，說明水質有逐漸改善的趨勢，Shannon-Wiener生物多樣性指數的逐年升高與之吻合，但Margalef豐富度生物多樣性指數不能反映這種變化趨勢。因此，在曹娥江感潮河口Shannon-Wiener生物多樣性指數能更好地反映實際水質變化。

圖2 新三江閘處水質指標和生物學指數的比較Fig.2 Comparision of water quality indexes and biological indexes in Xinsanjiang Floodgate

3 結 論

(1) 2004—2018年曹娥江河口段共鑒定出大型底棲動物35種，其中環節動物占40.0%，甲殼動物占28.6%，軟體動物占22.8%，節肢動物占8.6%。曹娥江大閘建成后大型底棲動物種數較建閘前增加，說明曹娥江河口段的水生態環境得到了改善。

(2) 生物學指數比化學評價對水質類別更為敏感，但過于敏感反而不利于客觀反映實際水質狀況。相比Margalef豐富度生物多樣性指數，Shannon-Wiener生物多樣性指數更適用于反映實際水質變化。采用生物學指數評價河床底質環境變化劇烈的河道水質時應慎重。