澜沧江梯级水电开发对漫湾库区大型底栖动物群落及重金属沉积的影响

李晋鹏，赵爱东，董世魁

1. 交通运输部水运科学研究所，北京 100088；2. 河北师范大学分析测试中心，河北 石家庄 050024；3. 北京师范大学环境学院，北京 100088

水坝工程在提供水资源、防洪、发电、航运和灌溉等方面承担了重要作用，但同时也不可避免地引起流域生物多样性锐减、栖息地破坏以及河流生态系统退化等深远的生态影响（Nilsson et al.，2005；董世魁等，2016）。当前，保障河流生态系统健康已成为水电开发条件下河流生态修复及河流管理的主要目标（王超，2017）。自然河流上的水坝建设，水库蓄水后的水位升高、流速降低、透明度升高、泥沙沉积等因素导致库区水文、水动力和水环境发生巨大变化，进而对水生生物及水生生态系统造成影响（张敏等，2017）。大型底栖动物作为河流生态系统的重要组成部分，栖息于水体和沉积物交界，其群落组成和结构在水坝蓄水后发生较大变化，这一变化过程可较好地反映水生生态系统健康状况及河流建坝后水生态系统的变化和演替趋势（Almeida et al.，2013；Helson et al.，2013；李晋鹏等，2017；张敏等，2017）。此外，由于水坝蓄水的拦截效应，沉积物在库区大量淤积，水体中重金属等污染物随沉淀、吸附和生物吸收作用大部分被富集于水库沉积物中（王妙等，2014；李晓明等，2016）。研究表明，水体中的沉积物不仅作为重金属富集的“汇”，且在一定条件下（氧化还原电位、温度、pH和溶解氧等）也会成为“源”，将重金属再次释放到水体中，从而对水生生物及水生态系统造成威胁（董世魁等，2016；张伯镇等，2016）。因此，水坝工程建成后库区沉积环境条件的不断变化必然会对大型底栖动物群落的组成、结构及分布产生显著影响，并成为河流生态系统保护领域所关注的热点（郑玲芳，2014；陈明等，2015；李利强等，2016）。

漫湾水坝作为澜沧江中下游水电基地2库8级梯级开发中首个投入运行的水坝，已连续运行 20多年（1997年），特别是在上游梯级小湾（2011年）和功果桥（2013年）梯级水坝投入运行后，其库区水文、水动力和水环境条件趋于稳定（Dore et al.，2004；李晋鹏等，2017）。与单一水坝工程相比，梯级水坝对水生态系统的影响具有长期性、累积性和系统性的特点（付雅琴等，2007）。当前，国内外学者在大型河流开展梯级水坝运行条件下库区大型底栖动物群落及沉积物重金属生态风险的定点及长期监测研究相对较少，对于大型底栖动物群落演替与沉积物重金属生态风险的相互作用规律研究还处于薄弱环节，有待于进一步深入研究（Wang et al.，2012；董世魁等，2016；李晋鹏等，2017；王超，2017）。基于上述分析，本研究分别于 2011年（上游小湾水坝投入运行被认为梯级水坝运行初期）和 2016年（梯级水坝稳定运行期）在澜沧江中游漫湾水坝库区开展大型底栖动物群落及沉积物定点采样调查，分析澜沧江梯级水坝运行对漫湾库区大型底栖动物群落结构、生物多样性及重金属沉积的影响，在此基础上揭示大型底栖动物群落特征与沉积物重金属生态风险之间的相互作用关系，以期为中国西南生态脆弱区大型河流水电梯级开发条件下河流及库区水生态系统保护和管理提供相关的理论依据。

图1 澜沧江漫湾库区大型底栖动物群落及沉积物采样点位置Fig.1 Location of the Manwan Reservoir and the sampling sites of benthic macroinvertebrate assemblage and sediment in Lancang River

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况

选取云南省境内澜沧江中游的漫湾水坝库区为研究区（图1）。漫湾水坝为澜沧江中下游2库8个梯级水电开发的第3级，径流式水坝，该工程于1986年5月开工，1995年6月投入运行。水库大坝长418 m，高132 m，正常蓄水位海拔994 m，总库容10.6×108m3，库区面积23.6 km2，总装机容量150×104kW。漫湾水坝上游为小湾水坝，下游为大朝山水坝（王忠泽等，2000）。研究区为高山峡谷地貌，亚热带低纬度山地季风气候，5－10月受西南季风的控制为雨季，11月至次年4月受大陆西风控制为旱季。

1.2 采样调查及分析测定

本研究分别于2011年和2016年开展漫湾水坝库区范围内大型底栖动物群落及沉积物定点采样调查。从时间尺度上看，2011年调查数据代表了受上游梯级小湾水坝蓄水及运行初期影响条件下的漫湾库区大型底栖动物群落分布状况；2016年调查数据代表了澜沧江中游小湾和漫湾梯级水坝稳定运行后的漫湾库区大型底栖动物群落分布状况。依据相关研究对漫湾库区沿河流纵向梯度的生境条件划分结果（王忠泽等，2000；Li et al.，2013；董世魁等，2016；李晋鹏等，2017），可将库区划分为3个生境区域，即包括静水区（lacustrine zone）、过渡区（transitional zone，高水位为静水区，低水位为河流区）和河流区（riverine zone）（图 1）。在库区范围共设置9个采样点（M1-M9），M1和M2位于漫湾库区坝前，生境位于静水区（水深 33－47 m）；M3和M4位于库区中部，生境位于过渡区（水深7～13 m）；M5和M6位于库尾，生境位于河流区（水深3－10 m）；M7和M8分别位于静水区的景繁河和芒甩河支流库区（水深19－23 m），M9位于库区过渡区的落底河支流库区（1.5 m）。结合漫湾水坝的运行调度计划，分别于旱季（4月，高水位）和雨季（10月，低水位）对每个采样点进行2次定点采样。

大型底栖动物采样及鉴定分析过程如下：采用Peterson采样器采集库区各采样点（每个采样点 3个重复）沉积物，经尼龙筛（40目）淘洗过滤并去除泥沙和杂物，将筛上肉眼可见的大型底栖动物用镊子挑出，放入装有75%酒精的标本瓶中保存（王德铭等，1991；张觉民等，1991）。将大型底栖动物样品带回实验室，参考相关资料（刘月英等，1979；Morse et al.，1994；Epler，2001；王俊才等，2011）进行物种分类及鉴定（一般鉴定到种，部分为属）。分别统计样品中大型底栖动物不同物种（属）的个体数量，称量其湿重，最后计算出各个采样点大型底栖动物的个体密度（ind·m-2）和生物量（g·m-2）。

沉积物采样及重金属测定过程如下：在各采样点大型底栖动物采样的同时用Peterson采样器进行表层沉积物采样，每个采样点采集3个重复样品，等量混合后经冷冻干燥至恒重，去除杂质并经研磨后过筛（100目），冷冻保存，待测。沉积物样品经HF-HNO3-HClO4消解后（张伯镇等，2016），使用ICP-MS进行重金属元素 As、Cd、Cr、Cu、Pb和Zn含量分析测定（陈明等，2015），每个样品测定3次取其均值，测试过程采用试剂空白、重复样和水系沉积物成分分析标准物质 GBW07309进行质量控制，测得标准物质中各重金属的变异系数均小于15%，符合质量控制要求（董世魁等，2016）。

1.3 数据处理

1.3.1 优势种分析

采用相对重要性指数（index of relative importance，IRI）进行优势种分析（孙伟胜等，2015）。计算方法如下：

式中，BR为相对生物量，即某一物种的生物量占库区大型底栖动物总生物量的百分比；DR为相对密度，即某一物种密度占库区大型底栖动物总密度的百分比；F为该物种在库区出现的频率。

1.3.2 生物多样性指数

（1）Margalef丰富度指数（d）（Margalef，1957）

（2）Shannon-Weaver指数（H′）（Shannon et al.，1949）

式中，ni为大型底栖动物样品中第 i个分类单元（属或种）的个体数量；N为样品中大型底栖动物总个体数；S为样品中的大型底栖动物分类单元（属或种）数。

1.3.3 潜在生态风险指数

采用潜在生态风险指数（Potential ecological risk index，RI）（Hakanson，1980）对漫湾库区重金属沉积的生态风险进行评价。该方法综合了重金属的生物毒性、浓度、迁移转化规律及环境背景值的影响，不仅可以反映单个重金属的生态风险，而且反映了多种重金属的综合生态风险（陈明等，2015；程先等，2015）。计算方法如下：

式中，Er为单个重金属元素的潜在生态风险系数；Tr为该重金属元素相应的毒性响应系数；Cr为该重金属元素含量实测值；Bref为该重金属元素含量的参考值；RI为多种重金属元素的综合潜在生态风险指数。

本研究选取 As、Cd、Cr、Cu、Pb和 Zn共 6种重金属元素（张璐璐等，2013；陈明等，2015；程先等，2015）开展漫湾库区重金属沉积生态风险评价，参考Hakanson（1980）的研究，Tr值分别为10、30、2、5、5 和 1；Bref分别为 15、1.0、90、50、70和 175 mg·kg-1。单个重金属潜在生态风险系数、综合潜在生态风险指数与生态风险评价分级标准见表1。

表1 潜在生态风险指数（RI）与生态风险分级标准Table1 Potential ecological risk index (RI) and classification standard of ecological risk

表2 漫湾库区大型底栖动物种类组成及相对重要性指数（IRI）分析Table2 Species composition and index of relative importance (IRI) of benthic macroinvertebrates in Manwan Reservoir

1.3.4 统计分析

漫湾库区大型底栖动物群落分布与重金属沉积的相互作用关系分析采用典范对应分析（Canonical correspondence analysis，CCA）进行。CCA分析中物种数据为各采样点的大型底栖动物密度数据经对数变换Y=lg(y+1)，环境因子数据为各采样点的重金属元素含量。CCA分析采用 Canoco software for windouws（Version 4.5）软件进行，CCA排序轴特征值与物种环境相关的统计检验采用Monte Carlo置换检验。

此外，对漫湾库区各采样点大型底栖动物群落学特征指标（寡毛纲密度、软体动物门密度、昆虫纲密度）、生物多样性指标（H′和d）、单个重金属元素的潜在生态风险系数（Er）和综合潜在生态风险指数（RI）进行Pearson相关性分析（SPSS 18.0），计算其相似性系数。

2 结果与分析

2.1 大型底栖动物群落结构及生物多样性分析

2011年和2016年漫湾库区调查共采集到大型底栖动物3门4纲25种（属），其中昆虫纲16种，以摇蚊科种类（15种）占绝对优势，软体动物门5种（腹足纲3种，双壳纲2种），寡毛纲4种（表2）。2016年漫湾库区以软体动物门的河蚬（Corbicula fluminea）为优势种，并占绝对优势。2011年库区旱季（4月）以花纹前突摇蚊（Procladias choreas）和河蚬为优势种，雨季（10月）以苏氏尾鳃蚓（Branchiara sowerbyi）为优势种。漫湾库区大型底栖动物优势种逐渐由寡毛纲和昆虫纲摇蚊科种类演变为软体动物门类占绝对优势。

漫湾库区沿河流纵向梯度生境条件发生变化，静水区采样点M1和M2大型底栖动物密度和生物量2016年与2011年相比显著增加，密度和生物量组成逐渐由寡毛纲和昆虫纲演变为软体动物门占绝对优势；过渡区采样点 M3的密度和生物量与2011年相比旱季有所增加，雨季有所降低，且旱季高水位出现软体动物门种类；过渡区采样点 M4、河流区采样点M5和M6则未采集到大型底栖动物；支流库区采样点M7和M8与静水区变化相似；M9采样点大型底栖动物密度与2011年相比有所降低，但生物量增加明显（图2）。

生物多样性指数变化结果表明，静水区M1和M2采样点Margalef丰富度指数d与2011年相比显著增加，而Shannon-Weaver指数H′表现为旱季降低，雨季增加；过渡区采样点M3表现为d和H′均显著降低；支流库区M7采样点d表现为旱季降低，雨季增加，而H′在雨季增加明显；M8采样点d变化与静水区采样点相似，H′则表现为旱季增加，雨季降低；M9采样点的d与H′在旱季降低明显（图2）。

图2 漫湾库区大型底栖动物群落结构及生物多样性指数Fig.2 Benthic macroinvertebrate assemblage and biodiversity in Manwan Reservoir

2.2 沉积物重金属潜在生态风险评价

漫湾库区各采样点沉积物重金属单因子潜在生态危害系数（Er）评价结果表明（图 3），Cd的生态危害最大，生态风险等级为I级（低风险）至Ⅲ级（较高风险），其次为As，为I级（低风险）至Ⅱ级（中风险），其余重金属 Cu、Cr、Pb和 Zn的生态风险较小，为I级（低风险）。

各采样点沉积物重金属综合潜在生态风险指数（RI）评价结果表明（图 4），静水区采样点 M1和M2的RI值2016年相比2011年显著增加，生态风险等级旱季由Ⅱ级（中风险）上升为Ⅲ级（较高风险），雨季RI值有所增加，仍为Ⅱ级（中风险）；过渡区采样点M3的RI值2016年相比2011年有所增加，仍为Ⅱ级（中风险），采样点M4的RI值相比2011年增加明显，旱季和雨季均由I级（低风险）上升为Ⅱ级（中风险）；支流库区静水区采样点M7的RI值相比2011年有所降低，仍为I级（低风险），采样点M8相比2011年旱季RI值显著增加，雨季有所降低，生态风险等级雨季由Ⅱ级（中风险）上升为Ⅲ级（较高风险），旱季仍为Ⅱ级（中风险）；支流库区过渡区采样点M9的RI值相比2011年旱季有所增加，雨季降低明显，总体仍维持I级（低风险）。

图3 漫湾库区沉积物重金属单因子潜在生态风险系数（Er）Fig.3 Single factor Potential ecological risk index (Er) of sediment heavy metals in Manwan Reservoir

图4 漫湾库区沉积物重金属潜在生态风险指数（RI）变化Fig.4 Potential ecological risk index (RI) of sediment heavey metals in Manwan Reservoir

不同重金属综合潜在生态风险指数的占比分析结果表明（图4），漫湾库区除M9采样点外，主要生态风险均来源于Cd，其次为As，合计占各采样点RI值的80%以上，支流库区过渡区采样点M9的主要生态风险来源于Cd和As，其次为Cu。

表3 漫湾库区大型底栖动物调查采样点CCA排序特征值及物种环境相关Table3 Eigenvalues and species-environment correlation of CCA axes and sampling sites of benthic marcoinvertebate assembalges in Manwan Reservoir

2.3 CCA 分析

CCA排序分析表明，前4个排序轴分别解释的物种环境变量累积百分率为89.1%（表3），Monte Carlo置换检验表明，重金属含量与CCA排序轴呈显著相关（P＜0.05）。选取Axis 1和Axis 2作采样点及大型底栖动物物种的CCA二维排序图（图5a，图5b），从中可以看出，沉积物中重金属Cr、As、Pb的含量对大型底栖动物群落及物种分布影响较大，Cu、Zn、Cd的含量影响相对较小。

图5 漫湾库区大型底栖动物物种及采样点CCA排序图Fig.5 CCA ordination diagrams of sampling sites and benthic macroinvertebrate species in Manwan Reservoir

大型底栖动物采样点的排序图表明，静水区各采样点位于排序图左下角，与重金属As、Cd、Zn、和 Pb的含量有较强的相关性，而过渡区采样点则位于排序图的右下角和右上角。此外，静水区采样点M1和M2同一点位不同时期的生物群落在排序图上分布距离较近，表明生物群落季节及年际动态较小；过渡区采样点M3同一点位2016年在排序图上距离较远，表明生物群落季节变化较大，而同一点位 2011年距离较近，表明生物群落季节变化较小；支流库区采样点M7和M8与静水区采样点变化相似；而支流库区采样点 M9，2016年与 2011年相比，大型底栖动物群落年际及季节动态变化相对较大。

大型底栖动物物种的排序图表明，昆虫纲摇蚊科种类中的喙隐摇蚊（Cryptochironomus rostratus）、白色环足摇蚊（Cricotopus albiforceps）、羽摇蚊（Chironomus plumosus）和异腹腮摇蚊（Einfeldia insolita）与沉积物中 Cr的含量表现为较强正相关关系，而拟摇蚊（Paratendipes sp.）、褐跗隐摇蚊（Cryptochironomus fuscimanus）、指突隐摇蚊（Cryptochironomus digitatus）和梯形多足摇蚊（Polypedilum scalaenum）则与Cr的含量表现出较强的负相关关系，软体动物门的土蜗（Galba pervia）与Cd、Zn和As的含量表现为较强的正相关，静水椎实螺（Lymnaea stagnalis）和具角无齿蚌（Anodonta angula）则与Pb的含量呈正相关，昆虫纲的多距石蚕（Polycentropodidae sp.）与Cu的含量呈正相关。

2.4 相关分析

漫湾库区大型底栖动物群落的生物学指标与沉积物重金属单因子潜在危害系数的Pearson相关分析表明（表 4），软体动物门密度与 ECd（r=0.650，P＜0.01）、EAs（r=0.640，P＜0.01）、ECu（r=0.617，P＜0.01）、EZn（r=0.599，P＜0.01）、EPb（r=0.552，P＜0.01）和RI指数（r=663，P＜0.01）均呈显著的正相关；昆虫纲密度与ECr（r=0.621，P＜0.01）呈显著正相关；Margalef丰富度指数与ECr（r=0.457，P＜0.05）呈显著正相关；Shannon-Weaver指数与 ECr（r=0.475，P＜0.05）呈显著正相关。

表4 漫湾库区大型底栖动物生物指标与重金属含量的Pearson相关系数Table4 Pearson correlation coefficient between benthic marcoinvertebate assembalges and ecological risk of heavy metals in Manwan Reservoir

3 讨论

3.1 梯级水坝运行条件下漫湾库区大型底栖动物群落及生物多样性变化

梯级水坝作为中国西南地区水能资源开发利用的主要方式，对大型河流的水生态系统影响较大（王超，2017）。澜沧江水电梯级开发前，漫湾河段大型底栖动物多以适应急流、富氧的蜉蝣目、襀翅目和毛翅目（EPT种类）占优势（李晋鹏等，2017）。漫湾水坝蓄水后，特别是在其上游小湾（2011年）和功果桥（2013年）梯级水库蓄水后，该库区大型底栖动物群落优势种逐渐由寡毛纲和昆虫纲摇蚊科种类演变为软体动物门类占绝对优势。2016年调查与 2011年相比，库区大型底栖动物群落密度和生物量进一步上升，其中静水区密度和生物量增加更为明显。从大型底栖动物群落组成来看，软体动物门的河蚬，其密度和生物量在库区静水区占绝对优势。从生物多样性变化来看，Margalef丰富度指数（d）2016年与2011年相比显著增加，表明随着梯级水坝的运行，漫湾库区静水区水环境和水生态条件进一步稳定，为大型底栖动物的定居和繁殖提供了有利条件，而Shannon-Weaver指数（H′）则表现为旱季有所降低，雨季增加的趋势，表明库区旱季水质有变差的趋势，而雨季水质相对较好（孙伟胜等，2015）。结合相关研究表明，澜沧江与红水河（简东等，2010）、乌江干流（陈浒等，2010）、武江（罗欢等，2016）梯级水电开发后库区大型底栖动物群落结构变化和演替具有相同的趋势。此外，漫湾库区大型底栖动物群落的演替还与其上游澜沧江梯级开发影响下的水文情势，各梯级库容及调度运行，库区水体营养负荷、泥沙淤积、水位变化等方面密切相关（简东等，2010）。

3.2 梯级水坝运行条件下漫湾库区沉积物重金属潜在生态风险评价

梯级水坝的建设和蓄水较大程度上切割了自然河流的生态连通性和纵向连通性，且蓄水后所形成的河流库区生境条件的复杂性和异质性相比自然河流显著降低（Petesse et al.，2007；Perbiche-Neves et al.，2011；李晋鹏等，2017）。漫湾水坝为径流式水坝，利用原澜沧江河道蓄水后形成狭长的树枝状水库，库区年水位波动较小，坝前水体流速为 0.1 m·s-1，据2011年和2016年调查坝前静水区水深仅为1995年的1/3（李晋鹏等，2017）。水坝相对于河流和湖泊有相对较长的水力滞留时间和较高的沉积速率，对重金属有明显的拦截效应，通常被认为是营养盐和重金属的主要储存库（王妙等，2014；傅开道等，2016）。水体中的重金属大部分会在悬浮颗粒的作用下通过吸附、絮凝、沉淀等富集于沉积物中，导致沉积物重金属浓度远高于水体（程先等，2015）。漫湾库区沉积物重金属污染主要生态风险均来源于 Cd，其次为 As，这一研究结果与2012年和 2013年库区调查结果相同（赵晨等，2014；董世魁等，2016）。但随着梯级水坝的运行，漫湾库区静水区重金属综合潜在生态风险指数（RI）增加明显，特别是高水位的旱季增加更为显著，2011－2016年由Ⅱ级（中风险）上升为Ⅲ级（较高风险），而过渡区由于水位季节波动和冲淤变化较大，RI指数增加不大。这主要与梯级水坝运行后漫湾库区范围内人类活动以及水力滞留时间变长所引起的重金属沉积通量增大有关（张伯镇等，2016）。

3.3 漫湾库区大型底栖动物群落与沉积物重金属含量的关系

大型底栖动物的群落特征可以指示水库的沉积作用、水质及水生态系统变化情况（邵美玲等，2006；孙希宁等，2009），同时也对沉积物重金属污染具有一定的指示作用（徐霖林等，2011；李利强等，2016）。据调查，2016年漫湾库区坝前采样点水深与 2011年相比变化不大，表明随着上游小湾和功果桥梯级水坝的蓄水运行，库区泥沙及沉积物来源减少，淤积速率进一步减缓。梯级水坝蓄水后漫湾库区相对稳定的水文、水环境条件及沉积环境为大型底栖动物群落的进一步发展和演替提供了有利条件。研究表明，沉积物中重金属Cr、As、Pb的含量对大型底栖动物群落及物种分布的影响较大，Cu、Zn、Cd对其产生的影响相对较小。这一研究结果与洞庭湖及长江的研究结论相似（李利强等，2016）。从群落组成来看，昆虫纲的摇蚊科密度与沉积物中 Cr的含量表现为显著正相关（P＜0.01），软体动物门密度与 Cd、As、Cu、Zn、Pb的含量和重金属综合潜在生态风险指数（EI）表现为显著的正相关（P＜0.01）。表明研究区大型底栖动物群落学特征指标、摇蚊科和软体动物门密度与重金属沉积及其生态风险具有显著的正相关关系。漫湾库区大型底栖动物密度和生物量以软体动物门种类占绝对优势，因此在今后的研究中可以采用其作为指示生物开展沉积物重金属污染和生物监测（戴奇等，2010）。

4 结论

澜沧江梯级水坝运行后，漫湾库区大型底栖动物优势种逐渐由寡毛纲和昆虫纲摇蚊科种类占绝对优势演变为由软体动物门类占绝对优势。

沿河流纵向梯度生境条件发生变化，库区静水区大型底栖动物群落密度和生物量增加明显，特别是软体动物中的河蚬，其密度和生物量在库区静水区占据绝对优势。

生物多样性指数计算结果表明，库区静水区Margalef丰富度指数（d）增加显著，而Shannon-Weaver指数（H′）表现为旱季降低，雨季增加。

沉积物重金属潜在生态风险指数（EI）评价结果表明，库区主要生态风险来源于Cd，其次为As。静水区重金属综合潜在生态风险指数增加明显，特别是高水位的旱季，而过渡区增加不大。

CCA分析结果表明，沉积物中重金属Cr、As、Pb的含量对大型底栖动物群落及物种分布影响较大，Cu、Zn、Cd的含量影响相对较小。

Pearson相关分析表明，昆虫纲摇蚊科种类及密度与沉积物中Cr的含量呈显著正相关（P＜0.01），软体动物门种类及密度与Cd、As、Cu、Zn、Pb的含量和重金属综合潜在生态风险指数（EI）呈显著的正相关（P＜0.01），Margalef丰富度指数（d）和Shannon-Weaver指数（H′）则与 Cr的含量呈正相关（P＜0.05）。

受澜沧江上游河段梯级水电开发的影响，漫湾库区大型底栖动物群落及沉积物还处于动态变化过程中，仍需长期的定点监测及深入研究。