大伙房水库及入库支流水质现状和水生生物群落结构特征*

陈 兰 张洛红 黄道建 黄楚珊 冯雁辉 安 坤 王留锁 于云江 张丽娟# 胡国成

(1.西安工程大学环境与化学工程学院，陕西 西安 710048；2.生态环境部华南环境科学研究所，广东 广州 510535；3.国家环境保护环境污染健康风险评价重点实验室，广东 广州 510535；4.辽宁省生态环境保护科技中心，辽宁 沈阳 110161)

水生生物是水生态系统的重要组成部分[1]，水生生物作为水质生物监测的重要指标，越来越多地被应用到世界各国的水体生态健康评价中[2]。研究包括浮游植物、浮游动物和底栖动物的水生生物群落结构特征可为水质评价和水体污染综合治理提供理论指导[3-5]。

大伙房水库是辽宁省重要的水源地之一[6]，其水源来自浑河、苏子河和社河，分别占入库水量的53%、37%、10%，大伙房水库的水质现状和水生生物群落结构必然受到入库支流的影响。然而，以往研究大伙房水库时忽略了入库支流的影响。

本研究通过对大伙房水库及入库支流水质现状和水生生物群落结构的系统调查，研究水体污染情况与水生生物群落结构的相关性，为保护大伙房水库水环境健康提供更全面的科学依据，也为辽河流域水环境污染控制与治理提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 采样时间和样点布置

由于枯水期降雨量少，水体环境相对稳定[7]，因此于2019年10月(枯水期)开展大伙房水库及入库支流的采样调查。图1为样点布置图，在大伙房水库中共设7个样点，分别为D-1、D-2、D-3、D-4、D-5、D-6和D-7；浑河上游为入库河流，设了3个取样点，分别为H-1、H-2和H-3，同时在下游出库河流也设了1个样点，为H-4；苏子河和社河均为较短入库支流，各设1个样点，分别为SZ-1和S-1。

图1 样点布置图Fig.1 Location of sampling points

1.2 水样的采集和测定

按照《水质采样技术指导》(HJ 494—2009)的要求采集水样，溶解氧(DO)、总磷(TP)、总氮(TN)、五日生化需氧量(BOD5)、化学需氧量(COD)、高锰酸盐指数和氨氮按照《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中要求的方法进行测定。

1.3 水生生物样品的采集和处理

浮游植物和浮游动物按照《淡水浮游生物调查技术规范》(SC/T 9402—2010)进行采集、鉴定和计数。底栖动物用开口面积为625 cm2的彼得生采泥器采集底泥样品后，用60目筛网过滤获得底栖动物，置于500 mL白色乳胶瓶中加入体积分数为75%的酒精保存，镜检完成鉴定和计数[8]。

1.4 数据分析方法

1.4.1 水质现状评价方法

以GB 3838—2002为标准，根据样点应实现的水域功能类别，选取相应标准类别，进行单因子评价。

1.4.2 生物指数计算

物种优势度指数(Y)计算公式为：

(1)

式中：fi为第i个物种在各样点中的检出率；ni为样点中第i个物种的个体数；N为样点中所有物种的总个体数。

当物种的Y≥0.02时为优势种[9-10]。

Shannon-Wiener多样性指数(H)计算公式为:

(2)

Pielou均匀度指数(J)计算公式为：

(3)

式中：S为样点的总物种数。

浮游植物通常可以从多样性和均匀度两个维度评价水体污染状况[11]。H≥4.5，清洁；3.0≤H<4.5，轻污染；2.0≤H<3.0，β-中污染；1.0≤H<2.0，α-中污染；H<1.0，重污染。J≥0.8，清洁；0.5≤J<0.8，轻污染；0.3≤J<0.5，β-中污染；0.1≤J<0.3，α-中污染；J<0.1，重污染。

底栖动物一般只用Shannon-Wiener多样性指数评价水体污染状况[12]。H=0，严重污染；03，清洁。

浮游动物由于物种数太少，故未计算Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数。

2 结果与分析

2.1 水质现状

大伙房水库及入库支流的水质指标监测结果见表1。根据大伙房饮用水水源保护区的划分，H-1和H-2应达到GB 3838—2002的Ⅲ类水标准，其余样点应达到GB 3838—2002的Ⅱ类水标准。所有水样的DO、氨氮、高锰酸盐指数和BOD5均达到了目标标准；大伙房水库中的水样TN、COD和TP基本都未达到目标标准；入库支流的TN也均未达到目标标准，TP也有1个水样(SZ-1)未达到目标标准。因此，总体而言，大伙房水库及入库支流的首要超标项目为TN，其次为TP和COD。调研发现的原因有：(1)大伙房水库及入库支流周边的农村对畜禽粪便、垃圾和生活污水等无收集措施；(2)农药、化肥和秸秆焚烧后的残渣也无恰当的处理措施。而入库支流水质总体优于大伙房水库水质，可能是因为采样处于枯水期，水库主要功能为蓄水，所有入库支流携带的污染物都汇入到了水库中。

表1 大伙房水库及入库支流水质指标监测结果Table 1 Monitoring results of water quality indexes of Dahuofang Reservoir and its tributaries mg/L

2.2 浮游植物

2.2.1 浮游植物组成和数量

大伙房水库及入库支流共检出浮游植物68种，其中硅藻门有37种，绿藻门有21种，蓝藻门有5种，隐藻门也有5种。各样点浮游植物组成和藻细胞密度分布见图2。大伙房水库样点总藻细胞密度为1.94×106～1.26×107个/L，平均为5.44×106个/L，其中位于出库口的D-7藻细胞密度最高；不同样点的浮游植物组成也有差异，D-1、D-2、D-7主要由硅藻门藻细胞组成，而其他样点主要由种类不多的隐藻门藻细胞组成。入库支流样点总藻细胞密度为2.06×106～8.47×106个/L，平均为4.30×106个/L，其中位于浑河上游的H-2藻细胞密度最高；各样点的浮游植物组成均以硅藻门藻细胞为主。

图2 各样点浮游植物组成和藻细胞密度分布Fig.2 Distribution of phytoplankton composition and cell density of each sampling point

2.2.2 浮游植物优势种

大伙房水库及入库支流的浮游植物优势种有9种(见表2)，其中隐藻门有尖尾蓝隐藻、啮蚀隐藻、卵形隐藻和吻状隐藻4种，硅藻门有广缘小环藻、针杆藻、喙头舟形藻和偏肿桥弯藻4种，绿藻门有衣藻1种，啮蚀隐藻是大伙房水库的最主要优势种，针杆藻是入库支流的最主要优势种。

表2 大伙房水库及入库支流浮游植物优势种Table 2 Dominant species of phytoplankton in Dahuofang Reservoir and its tributaries

2.2.3 多样性和均匀度

大伙房水库及入库支流的浮游植物Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数见图3。其中Shannon-Wiener多样性指数为2.92～3.73，平均为3.36，仅样点D-3和SZ-1的Shannon-Wiener多样性指数略小于3，说明浮游植物多样性较好；Pielou均匀度指数都大于0.5，说明不同种类的浮游植物在各样点中的分布比较均匀。综合Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数来评价，大伙房水库及入库支流水体总体处于轻污染状态。

图3 各样点浮游植物多样性和均匀度Fig.3 Diversity and homogeneity of phytoplankton of each sampling point

2.3 浮游动物

2.3.1 浮游动物组成和数量

大伙房水库及入库支流共检出浮游动物13种，其中轮虫类有8种，桡足类有3种，枝角类有2种，其中大伙房水库中检出11种，入库支流中检出4种，入库支流中的浮游动物种类明显少于大伙房水库。各样点浮游动物组成和个体密度分布见图4。大伙房水库样点的浮游动物总个体密度为1.20～9.60个/L，平均为4.46个/L，其中D-2的浮游动物个体密度最高，D-1最低；不同样点的浮游动物组成差异大，D-1中检出的全部都是轮虫类，而D-2中3类浮游动物都有检出，以枝角类个体密度最大，占比为50%，其次才是轮虫类，而D-3～D-7中检出的都是桡足类个体密度最大。入库支流样点的浮游动物总个体密度为0～2.40个/L，平均为1.20个/L，浑河以轮虫类为主，苏子河和社河以桡足类为主。

图4 各样点浮游动物组成和个体密度分布Fig.4 Distribution of zooplankton composition and individual density of each sampling point

2.3.2 浮游动物优势种

大伙房水库及入库支流的浮游动物优势种有5种(见表3)，其中轮虫类有长三肢轮虫、无柄轮虫、梳状疣毛轮虫3种，枝角类有盘肠溞1种，桡足类有广布中剑水蚤1种。此外，桡足类的无节幼体虽未达到优势种，但也有较多分布。

表3 大伙房水库及入库支流浮游动物优势种Table 3 Dominant species of zooplankton in Dahuofang Reservoir and its tributaries

2.4 底栖动物

2.4.1 底栖动物组成和数量

大伙房水库及入库支流共检出底栖动物829个，隶属于3门6纲32科36种。各样点底栖动物组成和个体密度分布见图5。大伙房水库及入库支流中底栖动物个体密度平均为657.94个/m2，其中昆虫纲最高。其中，大伙房水库中底栖动物个体密度为100.00～1 855.59个/m2，平均为746.03个/m2；入库支流中底栖动物个体密度是344.44～1 788.89个/m2，平均为664.81个/m2。

图5 各样点底栖动物组成和个体密度分布Fig.5 Distribution of benthic animal composition and individual density of each sampling point

2.4.2 底栖动物优势种

由于大伙房水库和入库支流中的底栖动物优势种差别较大，因此分开讨论，而且底栖动物鉴定难度较大，所以对其鉴定的分类水平也不尽相同。由表4可见，大伙房水库中的优势种分别是卵形萝卜螺、直突摇蚊亚科、梨形环棱螺、摇蚊亚科、豆螺属和长足摇蚊亚科；入库支流中的优势种分别是摇蚊亚科、划蝽科、长足摇蚊亚科和直突摇蚊亚科。从优势种的耐污性来看，大伙房水库及入库支流的优势种皆为中等耐污种。

表4 大伙房水库及入库支流底栖动物优势种Table 4 Dominant species of benthic animal in Dahuofang Reservoir and its tributaries

2.4.3 多样性

由图6可见，大伙房水库及入库支流的底栖动物Shannon-Wiener多样性指数为0～3.26，平均为1.87，最低的样点为D-7，仅采集到昆虫纲的摇蚊类，可能是因为D-7水深且底质单一，从而多样性较差；最高的样点为SZ-1，可能是因为SZ-1受人为干扰较少，底质生境较好，分布有蜻蜓目、蜉蝣目、鞘翅目的多种底栖动物。从底栖动物的Shannon-Wiener多样性指数评价水体污染情况，大伙房水库及入库支流整体呈轻污染至中污染状态。从底栖动物评价的水体污染状况略比从浮游植物评价的水体状况差，说明污染物发生了一定的沉积。

图6 各样点底栖动物多样性Fig.6 Diversity of benthic animal of each sampling point

3 讨 论

大伙房水库中以隐藻门为最主要优势种，而一般富营养化湖泊以绿藻门、蓝藻门为主要优势种[13]，说明大伙房水库的富营养化水平不高，出库口浮游植物藻细胞密度高主要是因为大坝拦截的缘故[14]。入库支流以硅藻门为主，是因为硅藻门适应水流速度较快的河流水环境[15]。图3的J与H变化趋势和反映的水体污染状况一致性说明J和H具有相关性。

大伙房水库及其入库支流中浮游动物种类较少，大伙房水库中桡足类的数量占优势，而入库支流中轮虫类占优势。一般来说，浮游动物群落结构会随着水体营养水平的提高而呈现由小型浮游动物向大型浮游动物转变的趋势[16]，因此可以判断，大伙房水库的富营养化水平高于入库支流。

大伙房水库及其入库支流中底栖动物分布差异较大。大伙房水库中D-3和入库支流中H-2底栖动物个体密度较高，可能与其毗邻的村庄及农场中人类活动生活污水排放有关。苏子河人为干扰较少，底质生境维持较好，有多类底栖动物分布。

水生生物群落结构特征受多种水质指标的影响。通过典范对应排序分析[17]发现，影响大伙房水库及其入库支流中水生生物群落结构变化的主要水质指标是DO、高锰酸盐指数和氨氮。水体中水生生物与DO关系密切，因为浮游植物进行光合作用释放氧气，会使水体DO升高，水生生物的生命活动和死亡降解又都会消耗DO[18]。氨氮和高锰酸盐指数分别代表了水体中的营养盐水平和有机物污染水平[19]，说明大伙房水库还是有必要控制外源营养盐和有机物输入，以减缓其富营养化进程。

4 结 论

综合大伙房水库及入库支流水质现状和浮游植物、浮游动物、底栖动物的群落结构特征可以得出，大伙房水库及入库支流水体水质总体处于轻污染至中污染状态，主要超标项目为TN、TP和COD，污染物已发生了一定的沉积，大伙房水库的富营养化水平高于入库支流，影响水生生物群落结构变化的主要水质指标是氨氮、高锰酸盐指数和DO。为避免大伙房水库水体过快富营养化，有必要控制外源营养盐和有机物的输入。