西南水电站建成后底栖动物与环境因子的灰关联分析

陆 峰，葛怀凤，吴赛男，陈 昂，陶 洁

(中国水利水电科学研究院，北京 100038)

底栖动物是河流生态系统的重要组成部分，是水生态系统中分布最为广泛的物种之一［1］。底栖动物主要包括水栖寡毛类、软体动物和水生昆虫幼虫等，主要以各种藻类、有机物颗粒和凋落物为食［2］，并为鱼类提供食物来源，对水生态系统的物质循环和能量流动发挥着重要的作用［3］。底栖动物群落分布与地理位置及生境密切相关［4］，其种类数量分布及生物多样性与湖底理化性质、表层水体营养水平等都有较大关系［4，5］。底栖动物包括了不同营养级的群落，同时对于环境的变化敏感程度也具有不同的响应，会在几天至几年的时间内发生较大的更替，因此底栖动物的固定生活模式与复杂的生命周期可以全面详细地表征系统的变化状况［6］。

针对底栖动物与环境因子的关系，目前已经开展了一些研究，主要集中于河流生态系统、湿地生态系统、河口生态系统。滇池流域入湖河流中影响大型底栖动物群落特征的主要水环境因子是总氮、氨氮、总磷与溶解氧［6］;广东横石河丰水期影响大型底栖动物分布的关键因子是重金属Cu、Pb浓度和pH值，而化学需氧量 (COD)和pH值是影响枯水期大型底栖动物分布的主要因子［7］。研究表明:松花江哈尔滨段中底栖动物生物量与水温、营养盐、溶解氧以及pH值等环境因子密切相关;同时灰色关联研究结果表明:对生物量影响最大的因子具有季节性，春、夏、秋影响最大的因子分别是氨氮、生化需氧量、总磷［8］。胶州湾底栖软体动物的数量分布和季节变化与底质、温度存在较为密切的关系，同时底栖软体动物的出现种数和平均栖息密度与底层初级生产力呈线形相关，但三者与盐度的关系不明显［9］。在分析底栖动物与环境因子的关系时，不同区域底栖动物的主要影响因子有差异，经总结发现营养盐是影响底栖动物最为主要的因子，大量研究结果表明:当总氮和总磷分别达到1.409mg/L和0.033～0.035mg/L时，底栖动物群落结构严重退化［5］。本研究基于相关数据资料，重点研究西南水电建成后底栖动物与环境因子的关系，探寻制约底栖生物生长的最主要影响因子。

1 研究区域概况

本次研究主要是基于近期开展的水利枢纽竣工环保验收与蓄水阶段环保验收项目的研究成果。研究区内的西南水电包括贵州挂治水电站 (清水江流域沅水干流)、云南功果桥水电站 (澜沧江中下游)、贵州索风营水电站 (乌江中游)、四川阴坪水电站 (火溪河)、四川硗碛水电站 (宝兴河)、贵州洪家渡水电站 (乌江六冲河)。水电站的详细指标见表1。

表1 研究区西南水电概况

2 灰关联方法

此次采用灰色关联与回归分析相结合的方法分析计算底栖动物与环境因子的相关关系，研究西南水电修建后底栖动物的变化规律，为进行底栖动物的管理提供理论支撑。灰色关联方法的显著特点就是对有限的数据进行处理，寻求系统本身所具有的特征。一般几何形状越接近，变化的趋势也就越接近，关联度也就越大，因此从数学理论上可以认为关联分析是离散数列空间的接近度［10］。灰色关联的计算方法如下:

(1)母因子的均值化序列:

式中

Y0(K)——母因子的均值化序列;

x0(k)——母因子序列值;

k——母因子序列的长度，k=1，2，3，…，m。

(2)子因子的均值化序列:

式中

Yi(K)——各子因子的均值化序列;

xi(k)——各子因子序列值，其中 i=1，2，3，…，n，n为子因子的个数;

k——各子因子序列的长度，k=1，2，3，…，m。

(3)关联系数的计算公式为

ρ——分辨系数，其作用在于提高灰关联系数之间的差异显著性，一般在0～1之间，本次研究取0.7。

(4)灰色关联度γi的计算公式为

式中 γi为子序列与母序列的灰关联度，i=1，2，3，…，n，n为子因子的个数。

3 建库后底栖动物与环境因子的分析

由于收集到数据资料的限制，本研究选定的环境因子包括溶解氧、化学需氧量 (COD)、总磷 (TP)与pH值，西南水电站底栖动物生物量及其环境因子详见表2。从表2看到，索风营与洪家渡水电站的底栖动物生物量非常高，同时依据验收报告总结分析，发现底栖动物的生物组分在建库后发生了一定的变化。以底栖动物中软体动物、环节动物与节肢动物不同生物化学特性为基础，研究表明:水库建成后，泥沙、营养物质会随着时间的推移不断沉积，导致环节动物数量不断增加，软体动物在库区深水区密度下降，节肢动物在库区局部形成种群，群落结构发生一定程度的改变。

表2 建库后底栖动物生物量与环境因子情况表

表3 建库后底栖动物生物量与环境因子的关联度

利用上述提出的灰关联计算方法，得到环境因子与底栖动物生物量的关联度，见表3。从表3看出，底栖动物生物量与各个环境因子的关联度均较高，均大于0.65，其中与总磷的关联度最高，达到0.6828。

有关研究表明:总磷在0.033～0.035 mg/L时，底栖动物群落结构严重退化。西南水电除阴坪水电站与碛硗水电站外，总磷均超过了极限值，大大限制了底栖动物群落的生长，多样性及其生物量降低，这与灰关联的计算结果具有一致性，由此可见，总磷是制约底栖动物生长的重要环境因子。因此，上述6座西南水电站需从源头上控制总磷污染物的产出，加强末端控制，减少库区周围工业废水、生活污水的排放，维持总磷在合理的浓度范围内，保持底栖动物群落结构的多样性。

4 结语

底栖动物是沿水底生活的，水库形成后，原自然河道的滩、槽、沱等河床地貌发生了很大的变化，不利于底栖动物的生存和繁衍，因此本研究从根本上分析底栖动物与环境因子的关系，研究表明:

(1)鉴于数据资料的不足，提出灰关联方法研究底栖动物生物量与环境因子间的关系，定量表征因素间的关联度。

(2)索风营与洪家渡的底栖动物生物量最高，分别为19.141、17.602mg/L。

(3)采用灰关联法计算发现底栖动物生物量与总磷污染物的关联度最高高达0.6828，需要严格控制库区总磷浓度，保持底栖动物群落多样性。

［1]Barbour，M.T.，J.Gerritsen，B.D.Snyder，and J.B.Stribling.Rapid Bioassessment Protocols for Use in Streams and Wadeable Rivers:Periphyton，Benthic Macroinvertebrates and Fish［M］.Second Edition.EPA 841-B-99-002.U.S.Environmental Protection Agency;Office of Water;Washington，D.C.，1999.

［2]Emma J.Rosi-Marshall，J.Bruce Wallace.Invertebrate food webs along a stream resource gradient［J］.Freshwawater Biology，2002，47(1):129-141.

［3]Higgins，R.P.，Thiel，H.Introduction to the study of meiofauna［M］.Smithsonian Institution Press:Washington D.C..ISBN 0-87474-488-1，1988:488.

［4]潘宝柱，王海军，梁小民，等.长江故道底栖动物群落特征及资源衰退原因分析［J］.湖泊科学，2008，(6):806-813.

［5]刘立杰.黄河三角洲湿地大型底栖动物时空变化规律及其功能群研究［D］.泰安:山东农业大学，2010.

［6]蔡佳亮，苏玉，文航，等.滇池流域入湖河流丰水期大型底栖动物群落特征及其与水环境因子的关系［J］.环境科学，2011(4):982-989.

［7]迟国梁，赵颖，官昭瑛.广东横石水河大型底栖动物群落与环境因子的关系［J］.生态学报，2010(11):2836-2845.

［8]张静.松花江哈尔滨段大型底栖动物群落结构及水质生物学评价研究［D］.哈尔滨:东北林业大学，2010.

［9]李宝泉，李新正，于海燕.胶州湾底栖软体动物与环境因子的关系［J］.海洋与湖沼，2005(3):193-198.

［10］主翠.兴凯湖后生浮游动物群落结构研究［D］.哈尔滨:东北林业大学，2009.