蓮花洲港航道工程的生態修復效果初步研究

葉麗娟　王珂　劉紹平　段辛斌　于琪　賈春艷　陳大慶　鄭永華

摘要：為了解蓮花洲港生態涵養區的修復效果，2021年1月、4月、10月在武漢至安慶段的東流水道蓮花洲港設置21個采樣點，對底棲動物群落和魚類分布狀況進行調查，分析工程區不同區域及非工程區底棲動物和魚類群落結構差異。結果顯示，不同區域底棲動物的種類數不同，透水框架區獲取底棲動物6種，魚巢排區17種，工程其他區域25種，非工程區8種。單因素方差分析表明，不同區域的底棲動物密度差異顯著（P<0.05），透水框架區最高，為191.1個/m2，其次為魚巢排區60.44個/m2，其他工程區44.44個/m2，非工程區較少，僅28.39個/m2。各區域Pielou 均勻度指數（J）差異性不顯著（P>0.05），Margalef豐富度指數（D）和Shannon-Wiener 多樣性指數（H′）差異性顯著（P<0.05）。CCA分析表明，影響底棲動物的環境因子為流速、水深、溫度、溶解氧、硝態氮、氨氮。水聲學調查顯示，魚類密度以透水框架區最高，為25 581.21尾/hm2，魚巢排區次之，為3 239.00尾/hm2，工程其他區域為808.73尾/hm2，非工程區最低，僅6.82尾/hm2。研究表明，透水框架和魚巢排營造了適宜底棲動物和魚類棲息的水流條件，有利于底棲動物生存和魚類聚集，且透水框架的生態涵養效果優于魚巢排。

關鍵詞：航道工程；生態修復；底棲動物；透水框架；人工魚巢；蓮花洲港

中圖分類號：X171.4? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1674-3075（2023）05-0025-08

長江干線武漢至安慶段6 m水深航道整治工程的實施，充分發揮了長江黃金水道的功能，提高了長江航運整體通過能力，但不可避免地對附近河道水生生境造成了一定影響。楊雪（2016）研究表明，航道工程的實施造成了底棲動物和浮游生物的下降。為了平衡開發與保護的關系，武漢至安慶段航道整治工程圍繞生態優先的原則，以生境修復和生態涵養為目的，設計實施了一系列生態建設工程；其中，在東流水道蓮花洲港建設了生態涵養區，鋪設透水框架和人工魚巢，以營造水生生物庇護場所，改善其棲息環境。

涵養工程的實施，促進了底沙沉積（潘美元等，2018a；2018b）和有機質富集（郭杰等，2020）。由于食物鏈效應的影響，進而促進了水生植物、底棲動物等的恢復。各類底棲動物對環境條件的適應性以及對污染程度的耐受力和敏感程度不同，底棲動物的種群結構、優勢種類、數量等參數可反映水環境質量狀況（潘保柱等，2011）；另一方面，魚類處于河流生態系統食物鏈的頂端，是水生生物中較敏感的生物，在生態環境改變的情況下，魚類的種類、數量和分布容易發生改變，能較好地反映河流綜合生態狀況（王兆印等，2007）。

目前，對于航道整治中有關生態工程的研究大多集中于水力學特性等方面（李洪，2003；夏煒，2019；劉建華等，2020）和結構（黃云龍，2021；耿海彬等，2021；楊燕華等，2021）；對于透水框架、人工魚巢等生態友好型結構的生態效應驗證卻很少。有鑒于此，本文以底棲動物和魚類為研究對象，選擇蓮花洲港生態涵養區及其上下游水域，對比分析涵養區與非工程區底棲動物群落結構以及魚類分布狀況的差異，探究涵養水域的生態修復效果，以期為生態友好航道建設及優化提供科技支撐。

1? ?材料與方法

1.1? ?研究區域

蓮花洲港生態涵養區位于武漢至安慶段的東流水道，下距安慶市41 km，是武漢至安慶段6 m水深整治工程重點區域之一；該區域整體禁航，并設置了2處生境改良區（圖1）。其中，第一處生境改良區為人工魚巢區（簡稱改良區S1），放置長×寬×厚=2 m×2 m×0.5 m的田字形鋼混透空格柵，橫向放置80件，縱向放置25件，各構件相互間隔1 m，形成陣列；第二處生境改良區為透水框架區（簡稱改良區S2），該區域放置與水流方向成30°夾角的“W型”的透水框架帶，長×寬=240 m×10 m，每1 m2放置3層6架。

1.2? ?采樣位點布設

1.2.1? ?底棲動物采集? ?在生態涵養區和上下游水域（非涵養區）共布設7個采樣斷面，采集底棲動物樣品。其中，為了揭示不同生態結構涵養效果差異，在生態涵養區設置5個斷面，分別位于洲頭、洲中、洲尾、透水框架區和魚巢排區，在涵養區上游和下游即非工程區各設置1個監測斷面。每個斷面設左、中、右3個采樣點，共21個采樣點（表1、圖1）。調查時間為2021年1月、4月和10月。

1.2.2? ?水聲學監測? ?2021年10月在蓮花洲港生態涵養區及上下游各10 km范圍進行水聲學監測，范圍覆蓋生態涵養區和生態涵養區上、游水域。

1.3? ?調查方法

1.3.1? ?環境因子測定? ?水溫（WT）、溶解氧（DO）、pH采用YSI水質分析儀（YSI Pro 2000，美國）測定，流速（FV）、透明度（SD）、水深（WD）分別使用旋杯式流速儀、薩氏盤、水聲學儀器測定（李劍輝和金福一，2010）。總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮（NH3-N）、硝態氮（NO3-N）和化學需氧量（CODCr）等環境因子現場采集水樣后帶回實驗室，通過Hach DR1900 可見分光光度計進行測定。

1.3.2? ?底棲動物采集? ?使用1/16 m2的彼德生采集器進行底棲動物采集，每個樣點采2～3次。采集的底泥用40目銅篩進行篩洗，將底泥與底棲動物混合物裝入標記后的樣品瓶，帶回實驗室分揀，底棲動物用75%的酒精固定。使用OLYMPUS SZ61解剖鏡和OLYPUS BX51 顯微鏡進行底棲動物鑒定，參考文獻將底棲動物鑒定至盡可能低的分類單元（劉月英等，1979；王俊才和王新華，2011），最后計數、稱重。計數時，若樣本損壞，只需記錄頭部；稱量濕重時，先用濾紙吸干樣本表面水分。

1.3.3? ?魚類數據獲取? ?使用魚探儀（Simard EY60）和GPS（Garmin60 CSx）“之”字型進行魚類調查。數據監測時，船只航速保持在6～10 km/h，同時采用GPS進行導航并同步存貯導航信息和調查航線。

1.4? ?數據處理與分析

1.4.1? ?底棲動物? ?底棲動物群落特征采用Shannon-Wiener多樣性指數（H'）、Margalef豐富度指數（D）、Pielou均勻度指數（J）和優勢度（Y）評價，計算公式如下：

式中：S為物種數目，N為總個數；Pi=ni/N，Pi為第i種的個數百分比，ni為第i種的個體數；fi為第i種在采樣點的出現頻率；若Y≥0.02，表明該底棲動物為優勢種（Lampitt et al，1993）。

利用Excel進行數據整理，篩選符合計算標準的底棲動物種類，按物種在樣點的出現頻度不小于12.5%，且至少在1個樣點的相對密度不小于1%進行篩選（Lopes et al，2005）；之后對篩選后的底棲動物密度和環境參數（除pH外）進行lg（x+1）轉換；最后對處理后的數據進行499次蒙特卡羅置換檢驗（Monte Carlo Test，P<0.05） ，以判定顯著影響底棲攝食功能群的環境因子。單因素方差分析和雙因素方差分析在SPSS中進行，檢驗不同區域環境參數以及生物各指標之間的差異性，顯著性水平設置為0.05。

1.4.2? ?水聲學數據? ?采用回聲計數方法進行魚類密度估算，計算方法如下：

式中：V為每個聲納脈沖（ping）探測的水體體積，θ和σ分別為換能器橫向和縱向方向的有效檢測角度，R2為探測水深，R1為換能器1 m以下的水深，ρ為單位水體的魚類數量即魚類體積密度，N為探測到的魚類總數量，P為分析數據的ping數量。

采用Foote（1987）提出的公式進行目標強度和體長轉換：

TS = 20lgL-71.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ⑦

式中：TS為目標強度（dB），L為標準體長（cm）。

使用Sonar X對數據進行處理和轉換，表層線設置為探頭下0.8 m，消除0.75 m的探測盲區。參數設置包括前景濾波器（1，3）、背景濾波器（55，1）、目標平滑濾波（1，3）、信號長度（3，50），最大增益補償6 dB，最小目標強度2 pings，最大脈沖缺失2 pings，門閘過濾范圍0.3 m。

2? ?結果與分析

2.1? ?環境因子

對不同時期（表2）和不同區域環境參數（表3）進行單因素方差分析。結果顯示，不同時間溫度、透明度、水深、氨氮、總磷、硝酸鹽、化學需氧量差異性顯著（P<0.05），流速、總氮差異性不顯著（P>0.05）。不同區域之間溶解氧差異性顯著（P<0.05），其他環境因子差異不顯著（P>0.05）。

2.2? ?底棲動物

2.2.1? ?種類組成? ?本次調查共采集到底棲動物31種，隸屬于3門（環節動物門、節肢動物門、軟體動物門）6綱（昆蟲綱、甲殼綱、雙殼綱、腹足綱、寡毛綱、多毛綱）。其中，改良區S1、S2甲殼綱占比最多，分別為79.03%、55.17%；其他工程區昆蟲綱（28.92%）、甲殼綱（27.84%）、寡毛綱（35.95%）占比相近；非工程區寡毛綱占比最多，為79.21%。不同區域底棲動物種類分布情況見表4。底棲動物密度、生物量均選取3種優勢類群列舉，并以密度或生物量高低排列。

2.2.2? ?優勢種? ?本次調查共發現優勢種類5種（表5），包括馬速達多足搖蚊（Polypedilum masudai）、日本大螯蜚（Grandidierella japonica）、圍沙蠶（Perinereis sp.）、霍甫水絲蚓（Limnodrilus hoffmeisteri）、顫蚓屬一種（Tubifex sp.）；其中，日本大螯蜚在整個調查期間占有絕對優勢，并在改良區S2優勢度值達到最大，為0.460。

2.2.3? ?密度和生物量? ?監測區域底棲動物密度為0.00～800.00 個/m2，平均密度為65.28 個/m2；生物量為0.00～42.18 g/m2，平均生物量為1.11 g/m2。

不同區域底棲動物密度及生物量見圖2。改良區S2密度明顯大于其他區域，總體表現為改良區S2（191.11 個/m2）>改良區S1（60.44 個/m2）>其他工程區（44.44 個/m2）>非工程區（28.39 個/m2）；生物量總體表現為其他區域（1.96 g/m2）>改良區S2（0.39 g/m2）=非工程區（0.39 g/m2）>改良區S1（0.09 g/m2）。

2.2.4? ?生物多樣性指數? ?對改良區S1、改良區S2、其他工程區、非工程區的單因素方差分析（圖3）表明，4個區域的豐富度（D）和多樣性指數（H′）呈顯著差異（P<0.05），均勻度（J）差異性不顯著（P>0.05）。

Margalef豐富度指數（D）為0～1.86，整個調查區域均值為0.66，最高值出現在（4月）站點6，總體表現為改良區S2>其他工程區>改良區S1>非工程區；Shannon-Wiener多樣性指數（H′）為0～1.88，整個調查區域均值為0.52，最大值出現在（1月）站點6，總體表現為改良區S2>其他工程區>非工程區>改良區S1；Pielou 均勻度指數（J）為0～1.50，整個調查區域均值為0.47，最高值出現在（1月）站點3，總體表現為非工程區>改良區S2>其他工程區>改良區S1。

2.3? ?水聲學調查

2.3.1? ?魚類密度? ?Simard EY60不同區域監測結果見圖4。不同斷面魚類密度為0.66～30 897.00 尾/hm2，最小值出現在非工程區（涵養區上游）的B斷面，最大值出現在S2斷面。改良區S1魚類密度為2 386.00～4 538.00 尾/hm2 ，均值為3 239.00尾/hm2，改良區S2密度為19 886.00～30 897.00 尾/hm2，均值為25 581.21 尾/hm2，其他工程區魚類密度為317.16～1 416.70 尾/hm2，均值為808.73 尾/hm2，非工程區魚類密度為0.66～12.98 尾/hm2，均值為6.82尾/hm2。

魚類密度總體表現為改良區S2（25 581.21 尾/hm2）>改良區S1（3 239.00 尾/hm2）>其他工程區（808.73 尾/hm2）>非工程區（6.82 尾/hm2），各區域之間魚類密度均有顯著性差異? （P<0.05）。

2.3.2? ?魚類目標強度分布? ?調查水域魚類目標強度在-62.18～-45.21 dB，均值為-53.89 dB（表6）。其中，改良區S1目標強度為-60.51～-46.27 dB，均值為-56.57 dB，改良區S2目標強度為-61.78～-52.12 dB，均值為-58.33 dB，其他工程區目標強度為-62.18～-45.21 dB，均值為-54.29 dB，非工程區目標強度為-54.23～-45.23 dB，均值為-49.73 dB。目標強度分布在-60～-55 dB最多，達到93.21%，其次為-65～-60 dB、-50～-45 dB，占總調查量的百分比分別為4.53%、2.21%；目標強度-45～-40 dB無分布。

2.3.3? ?魚類體長分布? ?調查結果顯示，蓮花洲港魚類體長分布為9.46～52.24 cm，均值為26.30 cm（圖5）。不同區域間魚類體長分布均表現為顯著性差異（P<0.05），改良區S1、改良區S2魚類體長在10～20 cm，非工程區在50～60 cm，其他工程區在0～10 cm、10～20 cm、50～60 cm。其中，魚類體長分布在10～20 cm的最多，占總調查量的93.21%；其次為0～10 cm，占4.53%；體長20～50 cm的分布最少，僅占約0.01%。

2.4? ?生物類群與環境因子的關系

CCA分析結果表明，底棲動物密度與環境因子表現出較強的相關性（圖6）。其中，流速、水深、溫度、溶解氧、硝態氮、氨氮對底棲動物的影響較大，且不同環境因子與不同物種的相關性有較大差異。

3? ?討論

3.1? ?不同區域的水生生物分布差異

改良區S1、S2甲殼綱底棲動物密度較高，章飛軍（2007）也認為底棲動物在群落恢復開始階段，甲殼類豐度增加較多。蓮花洲港航道整治工程于2019年6月完工，底棲動物群落還處于恢復階段。甲殼綱等生長較快的機會種，其豐富度能夠為更高營養級物種的出現提供充足的食物來源，從而進一步促進群落恢復。調查結果顯示，其他工程區的生物量最高，與Odum （1969）的假設相反，這是由于生物量的增長主要受初級生產增長的影響，在群落恢復初期，底棲動物生物量恢復的速度低于底棲動物密度。

改良區S1和S2魚類體長多分布在10～20 cm和50～60 cm；而體長較大的魚類多分布于其他工程區以及非工程區，這可是因為其具有較強的選擇適合流速區域的能力（杜浩等，2010；郭杰，2016；王珂等，2017）。體長較小的魚類只能被動適應環境，而體長較大的魚可以自主選擇生境較好的索餌區域。劉明典等（2017）研究表明，安慶段魚類以鲇 、鯽和貝氏? 為優勢種。鲇、鯽均為底棲魚類，由于食物鏈關系，改良區魚類密度較高可能與所處區域底棲動物密度較高有關。

3.2? ?水生生物分布與環境因子的關系

環境因子能夠解釋大部分底棲動物群落結構的空間分異狀況（陳小華等，2013；卓異，2014；李艷利等，2015；Norris & Hawkins，2000）。單因素方差（流速）分析顯示，其他工程區>非工程區>改良區S1>改良區S2，且改良區S2流速明顯低于其他區域，說明透水框架、魚巢排等生態友好型結構具有降低流速的作用，與Gunaydma & Kabdas（2003）的研究結果一致。改良區流速變緩，底質粒徑變小，更利于寡毛類、腹足綱和搖蚊幼蟲等種類的生存（汪興中，2009；王強，2011）。

魚類主要受水溫（龍華，2005）、光照（白艷勤等，2013）、人類活動（Urban et al，2006）等因素影響。本次研究顯示，非工程區水深高于其他區域，與Kendall & Haedrich（2006）的研究結果一致；隨水深增加，初級生產力降低，魚類物種將減少。Maes等（2007）認為，魚類傾向于溶解氧含量高的水域，非工程區溶解氧低于生態涵養區，水較深、溶氧較低可能是非工程區魚類密度低于涵養區的原因之一。

3.3? ?不同區域的生態效果差異

生態涵養區底棲動物密度、Margalef豐富度指數、魚類密度均大于非涵養區，說明生態涵養區有利于某些底棲動物、魚類生存及資源恢復。

不同區域底棲動物密度對比結果顯示，改良區S2、S1明顯大于其他工程區，這與長江中游透水框架護岸工程對底棲動物群落結構的影響（李莎，2015）和長江下游蓮花洲港大型底棲動物攝食功能群時空分布及其影響因子（于琪等，2021）的研究結果吻合。改良區S2底棲動物密度、Margalef豐富度指數、Shannon-Wiener 多樣性指數均大于改良區S1及其他區域，改良區S2底棲動物群落結構較復雜，說明透水框架、魚巢排等生態構筑物在一定程度上有利于某些底棲動物生存和資源恢復，且透水框架的生態效應優于魚巢排區。

不同區域魚類密度對比結果顯示，改良區S1、S2魚類密度遠高于其他工程區，這與郭杰（2016）對航道整治建筑物透水框架生態效應初步研究結果吻合；說明透水框架、魚巢排生境改良結構對魚類具有誘集作用。S2的魚類密度大于S1，說明透水框架營造的水體環境相對于魚巢排更有益于某些魚類的生存。

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（責任編輯? ?萬月華）

Effect of Ecological Restoration on the Lianhuazhou Port Channel

YE Li‐juan1，2， WANG Ke2， LIU Shao‐ping2， DUAN Xin‐bin2， YU Qi2，

JIA Chun‐yan2，3， CHEN Da‐qing2， ZHENG Yong‐hua1

（1. College of Fisheries， Southwest University， Chongqing? ?400715， P.R. China;

2. The Yangtze River Fisheries Research Institute of the Chinese Academy of Fishery Sciences，

the Experimental Station for Fishery Resources and Environmental Science Observation

in the Middle and Upper Reaches of the Yangtze River of the Ministry

of Agriculture and Rural Affairs， Wuhan? ?430223， P.R. China;

3. Shanghai Ocean University Aquatic Science National Experimental Teaching

Demonstration Center， Shanghai? ?201306， P.R. China）

Abstract：To understand the effect of ecological restoration Lianhuazhou Port， we analyzed and compared zoobenthos community structure and fish distribution in the ecological conservation area， including upstream and downstream from the area. In January， April， and October of 2021， zoobenthos surveys and acoustic monitoring of the fish community were carried out at 21 representative sites of the engineered and nonengineered areas. A total of 31 zoobenthos species from 6 classes and 3 phyla were identified during the investigation. Zoobenthos diversity varied spatially， with 6 species observed in the permeable framework area， 17 species in the fish nest area， 25 species in the remaining engineered area and 8 species in the nonengineered area. The density and biomass of zoobenthos was in the range of 0.00-800.00 organisms/m2 and 0.00-42.18 g/m2， with average values of 65.28 organisms/m2 and 1.11 g/m2. Single factor analysis of variance showed significant differences in zoobenthos density among regions （P<0.05）， with the highest density （191.1 organisms/m2） in the permeable framework area， followed by the fish nest area （60.44 organisms/m2）， the remaining engineered area （44.44 organisms/m2）， and the nonengineered area （28.39 organisms/m2）. There were no significant differences in the Pielou evenness index （J） among areas （P>0.05）， but the Margalef richness index （D） and Shannon Wiener diversity index （H'） did differ significantly （P<0.05） among areas. CCA analysis showed that flow velocity， water depth， temperature， dissolved oxygen， nitrate nitrogen， and ammonia nitrogen were the environmental factors most affecting the zoobenthos. Underwater acoustic surveys of fish community showed that fish density in the permeable frame area was the highest （25 581.21 fish/hm2）， followed by the fish nest area （3 239.00 fish/hm2）， the remaining engineered area （808.73 fish/hm2）， and the nonengineered area （6.82 fish/hm2）. In conclusion， the permeable frame and fish nest both created water flow conditions conducive to zoobenthos survival and fish aggregation， but the effect of permeable frames was better than that of fish nests.

Key words：waterway engineering; ecological restoration; zoobenthos; permeable frame; artificial fish nests; Lianhuazhou Port

收稿日期：2022-01-11? ? ? 修回日期：2023-04-19

基金項目：國家重點研發計劃-2018YFD0900901；長江干線武漢至安慶段6 m水深航道整治工程 探索生態涵養試驗區建設理念及設計方法研究；中國水產科學研究院創新團隊項目（ 2020TD09）；中國長江三峽集團有限公司項目“長江水生生物完整性評價指標體系研究”（202003229）。

作者簡介：葉麗娟，1997年生，女，碩士研究生，研究方向為漁業發展。E-mail：1926383320@qq.com

通信作者：鄭永華，1963年生，男，副教授，主要從事水產養殖、漁業資源環境與生態方面的教研工作。E-mail：zhyh3000@163.com