XX核电厂邻近海域大型底栖动物群落变化和污染指数评价

李益云　石志洲　樊立静　黄文　郑碧琪　夏永健

摘要：为充分掌握XX核电厂运营后其邻近海域大型底栖动物群落的变化情况，文章通过大型底栖生物污染指数（MPI）评价海域生态环境质量，并探讨对核电取水安全存在潜在风险的大型底栖动物，为核电厂建立循环冷却水系统取水安全预警平台奠定基础。研究结果表明：在温排水干扰的背景下，至2015年研究海域大型底栖动物的种类组成、生物量和密度均未产生明显的规律性变化;优势种有17种，主要隶属多毛类环节动物和软体动物，生态组以干扰敏感种（EG Ⅰ）和干扰不敏感种（EG Ⅱ）为主;研究海域的环境质量总体处于清洁到轻度污染的水平，夏季航次的环境质量优于冬季航次，但二者无显著性差异;对核电取水安全存在潜在风险的生物包括海地瓜、棘刺锚参、棒锥螺、爪哇拟塔螺和小荚蛏。

关键词：海洋生物;底栖动物;海洋生态系统;优势种;温排水

中图分类号：P735;X826 文献标志码：A 文章编号：1005-9857（2020）02-0066-08

Abstract：In order to fully grasp the change of macrobenthos community in the adjacent sea area after the operation of XX nuclear power plant，this paper analyzed the pollution index of macrobenthos to reflect the change trend of its ecological environment quality，discussed the biological categories with potential risks to the safety of nuclear power water intake，and laid the foundation for the establishment of the water intake safety early warning platform of the circulating cooling water system in the nuclear power plant.The results showed that the species composition，biomass and density of macrobenthic did not produce obvious regular changes in the context of temperature drainage disturbance until 2015 year.IRI value of more than 1 000 dominant species of 17 species，mainly under the genus of polychaetes and mollusks.The ecological groups were mainly composed of interfering sensitive species （EG Ⅰ） and interfering indifferent species （EG Ⅱ）.The results of MPI evaluation showed that the environmental quality of the study area was in a clean to slight contamination levels and the environmental quality of the summer voyages was better than that of the winter voyages，but there was no significant difference.Among which there was a potential risk for the safety of nuclear plant water intake，which included Acaudina molpadioides、Protankyra bidentata、Turritella bacillum、Turricula  javana and Siliqua minima.

Key words：Marine organism，Benthic animals，Marine ecosystem，Dominant species，Warm water drainage

0 引言

XX核電厂规划建设6台百万千瓦级压水堆核电机组。该核电厂为一次规划、分期建设，主体工程于2008年2月正式开工，首台机组于2012年投产试运行，并于同年4月第一次试排水。核电厂的运行对其所在的环境及其生态系统产生多方面的影响，其中温排水对邻近海域的影响日益突出。此外，海洋生物也影响核电厂的安全运行，国内外关于海洋生物堵塞核电厂循环冷却水系统而造成安全威胁的报道屡见不鲜。

大型底栖生物是海洋生态系统的重要生态类群，大多生活在有氧和有机质丰富的沉积物表层。由于运动能力较弱，大型底栖生物的活动范围有限甚至营固着生活，其对逆境的逃避相对迟缓，受环境影响更为深刻，能对自然和人为活动导致的水和沉积物环境质量的变化做出可预测的响应。大型底栖生物种类组成、群落结构和次级生产力等的变化因可准确地反映其所处环境的长期和宏观变化而被广泛研究[1-4]，将底栖生物的特征作为海洋生态监测的生物指标和生态系统健康评价的生物指数也得到国内外的广泛认可[5-7]。

本研究根据2009-2015年夏、冬2个季节共14个航次的大型底栖动物调查，分析XX核电厂邻近海域大型底栖动物群落的变化，并采用大型底栖生物污染指数（MPI）评价生态环境质量，以期为科学有效的管理决策和生态环境保护提供依据，同时为XX核电厂建立循环冷却水系统取水安全预警平台提供基础资料。

1 材料与方法

1.1 取样区域和方法

本研究于2009-2015年的夏（6月）、冬（12月）2个季节，在XX核电厂邻近海域进行大型底栖动物的取样，共布设6个站位。

取样水深为4～10 m，底质类型以黏土质粉砂为主。沉积物取样使用0.05 m2抓斗式采泥器，在每个站位连续采样5次（合计采样面积为0.25 m2）。使用网目孔径为0.5 mm的过筛器分选标本，所获底栖动物样品用75%的酒精固定后带回实验室。样品的现场处理、室内分析和资料整理等步骤均按《海洋调查规范》（GB/T 12763.6-2007）的要求进行。

1.2 数据处理和分析

1.2.1 相对重要性指数

在实验室中对大型底栖动物样品进行分选、计数和称重（湿重）等工作，采用相对重要性指数[8]分析群落优势种，计算公式为：

2 评价结果

2.1 种类组成和变化

本研究于2009-2015年在XX核电厂邻近海域共进行14个航次和84站次的样品采集，共鉴定大型底栖动物130种。其中，环节动物门多毛类动物51种（夏、冬季均出现的有13种），软体动物门动物39种（夏、冬季均出现的有9种），节肢动物门甲壳动物22种（夏、冬季均出现的有7种），棘皮动物门动物9种（夏、冬季均出现的有3种），脊索动物3种，星虫动物2种（仅在冬季出现），腔肠动物1种（仅在夏季出现），螠虫动物、纽形动物和扁形动物各1种（夏、冬季均出现）。

大型底栖动物的总种类数为（38±9）种，夏、冬季的种类数分别为（30±9）种和（17±4）种。经单因素方差分析，夏、冬季的种类数有显著性差异（F=10.762，P=0.007）。大型底栖动物种类数最多和最少的年份分别是2010年和2014年，种类数的年度变化由多到少依次为2010年（51种）、2011年（47种）、2015年（41种）、2009年（38种）、2013年（33种）、2012年（29种）、2014年（26种）。各类群动物的种类数占比由大到小依次为多毛类环节动物（39.2%）、软体动物（30.0%）、甲壳动物（16.9%）、棘皮动物（6.9%）、其他类群动物（6.9%），多毛类环节动物和软体动物为XX核电厂邻近海域大型底栖动物的主要类群。夏、冬季航次大型底栖动物的种类数如图1所示。

由图1可以看出：①夏季航次大型底栖动物种类数最多和最少的年份分别是2010年和2014年，以多毛类环节动物和软体动物为主，其中环节动物种类数占比最高和最低的年份分别是2013年（61.9%）和2012年（30.8%），软体动物种类数占比最高和最低的年份分别是2010年（45.2%）和2013年（9.5%）;②冬季航次大型底栖动物种类数最多和最少的年份分别是2010年和2015年，以多毛类环节动物为主，环节动物种类数占比最高和最低的年份分别是2015年（58.3%）和2009年（46.2%）。

2.2 数量组成和变化

2009—2015年研究区域内大型底栖动物的总密度和总生物量如图2所示。

大型底栖动物的平均总密度为（198±72）ind/m2，夏、冬季的平均密度分别为（135±59）ind/m2和（63±54）ind/m2。经单因素方差分析，夏、冬季的平均密度有显著性差异（F=5.887，P=0.03）。其中，由于2012年冬季出现大量多毛类动物稚齿虫，其密度为历年最高，而2009年的密度最低。多毛类动物为主要密度优势类群，平均密度为（102±50）ind/m2，占平均总密度的51.3%。

大型底栖动物的平均总生物量为（46.09±27.27）g/m2，夏、冬季的平均生物量分别为（29.25±24.55）g/m2和（16.84±11.54）g/m2。经单因素方差分析，夏、冬季的平均生物量无显著性差异（F=1.466，P=0.25）。其中，由于2015年出现大量软体动物棒锥螺，其生物量为历年最高，而2009年的生物量最低。软体动物为主要生物量优势类群，平均生物量为（21.37±23.51）g/m2，占平均总生物量的46.4%。

2.3 优势种组成和变化

根据各种底栖动物的环境敏感度和相关文献的规定[9-11]，可将优势种划分为5个不同的生态组（同属物种的生态组相同）：①EGⅠ（sensitive）为干扰敏感种，对富有机物质非常敏感，仅能在没有污染的生境生存;②EG Ⅱ（indifferent）为干扰不敏感种，呈低密度，且随时间变化呈无关紧要的变化;③EG Ⅲ（tolerant）为干扰耐受种，能忍受富有机物质，且在有机物质的刺激下种群密度较高;④EG Ⅳ（secondorder opportunistic species）为二级机会种，以小个體的多毛类动物居多;⑤EG Ⅴ（firstorder opportunistic species）为一级机会种，即耐污种。

2009-2015年夏季研究区域大型底栖动物群落物种的相对重要性指数和生态组如表1所示。

由表1可以看出：①夏季航次大型底栖动物群落优势种（IRI>1 000）相对重要性指数的年度差异较大，其中最大值为2015年的棒锥螺（IRI=10 856），最小值为2010年的棒锥螺（IRI=1 009）。②从生态组来看：2011年和2015年仅有1个优势种，分别为薄云母蛤和棒锥螺，且均为干扰敏感种（EG Ⅰ）;2013年的2个优势种（不倒翁虫和西方似蛰虫）均为干扰耐受种（EG Ⅲ）;2009年和2012年的优势种也出现干扰耐受种（EG Ⅲ），分别为丝异须虫和不倒翁虫。③从类群来看：2009年、2012年和2013年的优势种有多毛类环节动物，2009-2011年和2015年的优势种有软体动物，2009年、2010年和2012年的优势种有甲壳动物，2014年的优势种首次出现棘皮动物（海地瓜和棘刺锚参）。

2009-2015年冬季研究区域大型底栖动物群落物种的相对重要性指数和生态组如表2所示。

由表2可以看出：①冬季航次大型底栖动物群落优势种（IRI>1 000）相对重要性指数的最大值为2012年的稚齿虫（IRI=5 054），最小值为2012年的小荚蛏（IRI=1 117）。②从生态组来看：常见优势种（双鳃内卷齿蚕）为干扰敏感种（EG Ⅰ）;2009年和2012年的优势种出现干扰耐受种（EG Ⅲ）;2012年的优势种首次出现二级机会种（EG Ⅳ），即稚齿虫，且其为该航次的第一优势种。③从类群来看：除2015年的优势种为软体动物外，其余年份基本以多毛类环节动物为主;2014年是唯一出现棘皮动物优势种的年份，即薄倍棘蛇尾和棘刺锚参，其中棘刺锚参在所有夏季航次中均出现，但在冬季航次仅在2012年和2014年出现。

从总体来看：2009-2015年夏、冬季研究区域内大型底栖动物群落的优势种共有17种，生态组主要为干扰敏感种（EG Ⅰ）、干扰不敏感种（EG Ⅱ）和干扰耐受种（EG Ⅲ）;2009年（夏、冬季）、2012年（夏、冬季）和2013年（夏季）的优势种均出现干扰耐受种（EG Ⅲ）;2012年（冬季）的优势种首次出现二级机会种（EG Ⅳ），且该物种为该航次的第一优势种;2015年（夏、冬季）仅有1个优势种即软体动物棒锥螺，且为干扰敏感种（EG Ⅰ）。

2.4 大型底栖生物污染指数评价

大型底栖生物污染指数评价方法是将图形数字化的生态评价方法，无须根据时空对照样品，而仅须考虑密度、生物量和种类数3个参数。

2009-2015年研究区域内大型底栖动物污染指数和环境质量如表3所示。

由表3可以看出：①夏季航次的MPI均值为-20.11～-1.07，最大值和最小值分别出现在2012年和2009年;环境质量除2012年和2013年为轻度污染外，其余年份均为清洁，年际变化规律为2009-2012年逐年变差（由清洁转为轻度污染），而2012-2015年又逐年改善（由轻度污染转为清洁）。②冬季航次的MPI均值为-14.61～0.18，最大值和最小值分别出现在2011年和2010年;环境质量包括清洁、轻度污染和中度污染3种情况，其中2011年为中度污染，2012年、2013年和2015年为轻度污染，2009年、2010年和2014年为清洁。

从总体来看，2009-2015年研究区域的环境质量处于清洁到轻度污染的水平，其中夏季航次的环境质量优于冬季航次，经单因素方差分析，二者无显著性差异（F=3.250，P=0.10）。

3 讨论

3.1 温排水对大型底栖动物种类数、密度和生物量的影响

底栖动物属变温动物，体温与水温相等或相近，因此温排水附近海域的水体增温易使该海域底栖动物的群落结构发生变化。关于影响程度，目前国内外学者认为：①只要温度不是过高和影响范围不是过大，不会对底栖动物造成很大危害;②夏季的强增温区内底栖动物会减少，但如增温区仅限于海水表层，则对底栖动物没有影响;③根据季节的不同，水温对底栖动物的影响有所差别;④水温升高对底栖动物的种类数和生物量没有显著性和规律性的影响;⑤法国某项研究结果表明，只有靠近排水口3 km2海域内的底栖生物才受到显著影响[12-13]。与此同时，也有学者持不同观点：刘莲等[14]认为在核电厂试运行后，其邻近海域底栖生物的种类数和生物量均明显减少，优势种也明显变化，生物多样性指数、丰富度和均匀度较低且呈明显下降的趋势，底栖生态系统受到明显扰动;王友绍等[15]根据20年来获得的中国科学院南海海洋研究所大亚湾海洋生物综合实验站的大量现场观测数据，发现大亚湾尤其是核电站附近海域底栖生物的种类数明显减少，且夏季尤为明显。

XX核电厂于2012年试运行，根据本研究的调查结果：夏季大型底栖动物的种类数自2012年呈明显下降趋势，但到2015年又明显回升;冬季大型底栖动物的种类数自2012年呈上升趋势，但到2015年又明显下降;夏、冬季大型底栖动物的密度和生物量未表现出规律性的变化。因此，截至2015年，XX核电厂温排水对邻近海域大型底栖动物的种类数、密度和生物量均未产生明显影响。

3.2 大型底栖动物优势种的变化原因

3.2.1 底质状况

XX核电厂邻近海域大型底栖动物的种类组成以多毛类环节动物和软体动物为主，其中多毛类动物为主要密度优势类群，软体动物为主要生物量优势类群。研究区域的底质类型以黏土质粉砂为主，大量细颗粒泥沙为营埋栖生活的小型双壳类、甲壳类、浅穴居类、小型多毛类和棘刺锚参等提供良好的栖息环境，因此上述底栖动物一直是研究区域的优势种。王爱军等[16]發现相对均一的黏土质粉砂更适合贝类生长。这可能为棒锥螺在研究区域内大量增殖提供适宜的沉积环境。

3.2.2 人为活动

XX核电厂自2008年开工至2009年12月以来处于大规模围填海阶段，邻近海域沉积物环境处于扰动状态，优势种出现干扰耐受种（EG Ⅲ）。2012年XX核电厂试运行，温排水对大型底栖动物的生态环境产生干扰，冬季的优势种甚至出现二级机会种（EG Ⅳ），且成为绝对优势种。从总体来看，在XX核电厂试运行前（2012年前），大型底栖动物群落夏季的物种分布较冬季更加均匀，而试运行后（2012年后）则相反。

3.2.3 食物链改变

大型底栖动物群落是海洋生态系统食物链的重要环节，受到许多生物之间相互作用的复杂影响[17-18]。过度捕捞、陆源污染、人工养殖和温排水等日益剧烈的人为活动干扰都会改变海洋生态系统食物链，其中高强度的渔业捕捞是重要影响因素。例如：1962-1988年我国大规模的捕虾活动[19]导致20世纪70年代末期金星蝶铰蛤等虾类饵料生物的优势地位迅速上升[20]。

近年来研究区域在4-6月都会发生东海原甲藻赤潮，在一定程度上削弱硅藻食物链，并通过食物链的传递作用影响渔业资源结构[21]，具体表现为：个体较大和营养层级较高的种类逐渐被个体较小和营养层级较低的种类代替，且肉食性鱼类逐渐减少;捕食天敌的减少使作为饵料生物的种类迅速繁殖，并占据绝对优势地位。

3.3 对核电取水安全存在潜在风险的大型底栖动物

2015年8-9月，棘皮动物海地瓜大规模进入XX核电厂鼓网，对核电循环冷却水系统取水造成一定的影响。根据本研究对历年优势种的分析结果，海地瓜仅在2014年和2015年的夏季出现，并分别成为第一优势种和重要种。

根据海地瓜的主要生理特征，对核电循环冷却水系统取水存在潜在风险的海洋生物须满足4个特征：①数量多或密度高;②个体重量大，直径或体长大于3 mm;③运动能力弱，易随海水流动而移动;④易聚集或暴发性增殖。因此，结合本研究的调查结果，除海地瓜外，对XX核电厂取水安全可能产生潜在影响的大型底栖动物还包括棒锥螺、棘刺錨参、爪哇拟塔螺和小荚蛏。

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