供水半年后德泽水库及上下游河流的底栖动物群落结构

宁鹏飞，丁煌英，张庆

（1.天津市水产研究所，天津 300221；2.天津市城市规划设计研究院，天津 300201；3.西南林业大学林学院，云南 昆明 650224；4.云南省森林灾害预警与控制重点实验室，云南 昆明 650224）

牛栏江属长江水系上游干流金沙江的一级支流，发源于云南省昆明市境内，由南向北流经滇东地区、贵州威宁终而由昭通境内汇入金沙江。流域面积13 672 km2，具有水资源丰富、水质良好及落差相对集中的特点。德泽水库位于曲靖市沾益县德泽乡至昆明市寻甸地区的牛栏江江段，水库上游有马龙河在昆明寻甸七星境内汇入，下游有西泽河在曲靖德泽境内汇入。牛栏江流域属滇东北高原区，沿河地区构造以近南北和东北向的复式褶皱为主，地形起伏较大。曲靖德泽以上长155 km 的上游河段经过嵩明、寻甸，平坝较多。中段德泽至鲁甸县沙坝河河口，全长199 km，落差590 m，平均坡降3.0‰，整段河流在峡谷中，两岸分水岭高度近3 000 m，谷岭相对高差1 400～1 800 m，为高山峡谷地貌。沙坝河河口以下长69 km，两岸高山夹峙，为高山峡谷地貌，河道天然落差597 m，平均坡降8.7‰[5]。

牛栏江-滇池补水工程是云南省解决滇池、曲靖生态用水问题、为现代新昆明可持续发展提供可靠水资源保障的水资源综合利用重点工程，主要由德泽水库水源枢纽工程、干河提水泵站工程及输水线路工程组成。在德泽大桥上游4.2 km 的牛栏江干流上修建坝高142 m、总库容4.48×109m3的德泽水库；在距大坝17.3 km 的库区建设装机9.2×104kw、扬程233 m 的干河提水泵站；建设总长为115.85 km 的输水线路，由泵站提水送到输水线路渠首，输水线路落点在盘龙江松华坝水库下游2.2 km 处，利用盘龙江河道输水到滇池。德泽水库于2012 年9 月18 日蓄水，2013 年12 月29 日正式开始向滇池输水。

本文通过分析泽水库供水半年后水库与上下游河流的底栖动物群落结构和生物指数，并与2013 年6 月采集的数据对比，得出德泽水库供水半年后对水库及其上下游河流底栖动物群落结构的影响，以及水库和上下游河流的水质状况，并为德泽水库及其上下游河流的环境保护和综合整治提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 采样点的设置

2014 年6 月12—13 日，在向滇池供水半年的停水修检期间，采用GPS 定位，分别在西泽河上游、西泽河下游同兴桥、牛栏江大桥下游、德泽水库中段、德泽水库大坝和腊味村马龙河设置采样点（图1）。采样点涵盖了德泽水库上游支流、德泽水库库体、水库下游干流及支流（表1）。数据处理时，将西泽河上游与西泽河下游同兴桥样点合并为西泽河样点，将德泽水库中段与德泽水库大坝样点合并为德泽水库样点。

图1 采样点分布图Fig.1 Distribution of sampling sites

表1 德泽水库及上下游河流沿线采样点信息Tab.1 Information on sampling sites in Deze Reservoir and its upstream and downstream rivers

1.2 样品采集与处理

采集方法根据国家环境保护总局关于“水环境（生物部分）监测技术规范”的要求并结合实际状况，定量调查采样工具为1/16 m2彼得森采泥器，每个采样点采集4 次。采集的样品用40 目（0.35 mm孔径）的分样筛去除泥砂，在解剖盘中逐一将大型底栖动物挑出，软体动物和水生昆虫等用75%的酒精固定，寡毛类用10%福尔马林固定，然后带回实验室计数和称重。用电子天平秤湿重，精确到0.001 g，所得的数据换算成密度（ind/m2）和生物量（g/m2）。参照国内外相关工具书鉴定标本[1,3,7,10,12,13,15,18]；定量采集过程中，记录各采样点的环境特征，如水温、水深、水草分布和透明度等。同时对德泽水库及上下游河流各采样点大型底栖动物的分布情况进行定性调查。

1.3 数据分析

采用McNaughton 优势度指数（Y）确定优势种，Y＞0.02 确定为优势种[11]。计算公式如下：Y=（ni/N）×fi，式中：n 为第i 种的个体数，N 为所有种类总个体数，fi为出现频率。

水质的生物学评价采用下列指标：

Shannon-Wiener 香农-威纳指数（H'）[21]：

式中：ni为种i 的个体数，N 为群落中全部物种的生物总个体数，Pi为属于种i 的个体在全部个体中的比例。

Margalef 物种丰富度指数（dm）[19]：

式中：N 为样本总个体数，S 为样品中物种种类的总数。

Pielou 物种均匀度指数（J）[20]：J'=H'/InS，

式中：H'为Shannon-Wiener 多样性指数，S 为样品中物种种数总数。

2 结果与分析

2.1 种类组成及水平变化

各采集点共记录底栖动物4 门7 纲58 种。其中，环节动物门2 纲4 种，占6.90%；软体动物门2纲11 种，占18.97%；节肢动物门2 纲42 种，占72.41%；扁形动物门1 纲1 种，占1.72%。节肢动物种类的数量最多，所占比例最大。

马龙河采样点记录底栖动物共15 种。其中，环节动物1 种、软体动物4 种、节肢动物9 种、扁形动物1 种，分别占总物种数量的6.67%、26.66%、60.00%和6.67%。

德泽水库采样点记录底栖动物共18 种。其中，环节动物2 种、软体动物3 种、节肢动物13 种，分别占总种数的11.11%、16.67%和72.22%。

表2 生物指数与水质等级标准Tab.2 Biological index and graded standards of water quality in Deze Reservoir and its upstream and downstream rivers

牛栏江采样点记录底栖动物共21 种。其中，软体动物8 种、节肢动物13 种，分别占总种数的38.10%和61.90%。

西泽河采样点记录底栖动物35 种。其中，环节动物2 种、软体动物5 种、节肢动物27 种、扁形动物1 种，分别占总种数的5.72%、14.28%、77.14%和2.86%。

比较看出，各采集点的底栖动物种类的数量由高至低依次为：西泽河＞牛栏江＞德泽水库＞马龙河（图2）。

图2 各采样点底栖动物种数Fig.2 Number of benthic species at each sampling site in Deze Reservoir and its upstream and downstream rivers

2.2 优势种

优势度公式分析得出，共采集到优势种8 种，分别为似动蜉（Cinygmina sp.1）、蚋（Simuliidae）、正颤蚓（Tubifex tubifex）、四节蜉（Baetidae sp.）、堇拟沼螺（Assiminea violacea）、河蚬（Corbicula fluminea）、尖膀胱螺（Physa acuta）和萝卜螺（Radix sp.）。

马龙河采样点底栖动物优势种有1 种，为似动蜉；德泽水库采样点底栖动物优势种有3 种，为正颤蚓、蚋和四节蜉；牛栏江采样点底栖动物优势种有2种，为堇拟沼螺和河蚬；西泽河采样点底栖动物优势种有3 种，为蚋、尖膀胱螺和萝卜螺。

2.3 现存量及其水平变化

2.3.1 生物密度

采集到的底栖动物平均密度为313.03 ind./m2，其中，环节动物114.73 ind./m2、软体动物59.87 ind./m2、节肢动物137.83 ind./m2、扁形动物0.60 ind./m2；马龙河采样点底栖动物的密度为259.19 ind./m2，其中，环节动物52.73 ind./m2、软体动物7.94 ind./m2、节肢动物198.06 ind./m2、扁形动物0.46 ind./m2；德泽水库采样点底栖动物的密度为361.06 ind./m2。其中，环节动物303.18 ind./m2、软体动物7.26 ind./m2、节肢动物50.62 ind./m2；牛栏江采样点底栖动物的密度为296.23 ind./m2，其中，软体动物159.51 ind./m2、节肢动物136.72 ind./m2；西泽河采样点的密度为335.68 ind./m2，其中，环节动物103.01 ind./m2、软体动物64.75 ind./m2、节肢动物165.96 ind./m2、扁形动物1.96 ind./m2；比较发现，底栖动物密度由高至低依次为：德泽水库＞西泽河＞牛栏江＞马龙河（图3）。

图3 各采样点底栖动物的密度Fig.3 Density of benthic animals at each sampling site in Deze Reservoir and its upstream and downstream rivers

2.3.2 生物量

采集到的底栖动物平均生物量为10.69 g/m2，其中，环节动物1.71 g/m2、软体动物4.50 g/m2、节肢动物4.46 g/m2、扁形动物0.02 g/m2；马龙河采样点底栖动物的生物量5.37 g/m2,其中，环节动物1.67 g/m2、软体动物2.58 g/m2、节肢动物1.09 g/m2、扁形动物0.03 g/m2；德泽水库采样点底栖动物的生物量为5.00 g/m2，其中，环节动物1.61 g/m2、软体动物2.19 g/m2、节肢动物1.20g/m2；牛栏江采样点底栖动物的生物量为22.88 g/m2，其中，软体动物12.00 g/m2、节肢动物10.88 g/m2；西泽河采样点底栖动物的生物量为9.51 g/m2，其中，环节动物3.58g/m2、软体动物1.22 g/m2、节肢动物4.67 g/m2、扁形动物0.04 g/m2；比较发现，底栖动物生物量由高至低依次为：牛栏江＞西泽河＞马龙河＞德泽水库（图4）。

图4 各采样点底栖动物生物量Fig.4 Biomass of benthic animals at each sampling site in Deze Reservoir and its upstream and downstream rivers

2.3.3 生物多样性指数及水质评价

经计算，各采样点Shannon-Wiener 多样性指数H' 的均值为2.67，马龙河采样点最高，牛栏江采样点最低。Margalef 物种丰富度指数dm 的均值为4.09，西泽河采样点最高，马龙河采样点最低。Pielou物种均匀度指数J 的均值为0.86，马龙河采样点最高，牛栏江采样点最低。对照生物指数与水质等级标准，整体来看，各个采样点水质都为清洁-轻污染（表3）。

表3 各采样点底栖动物多样性生物指数Tab.3 Biodiversity index of benthic animals at each sampling site in Deze Reservoir and its upstream and downstream rivers

3 讨论

3.1 种类变化

本研究表明，德泽水库及上下游河流底栖动物种类数的分布水平为：西泽河＞牛栏江＞德泽水库＞马龙河，其主要原因可能是马龙河水中泥沙含量大，走沙强烈，卵石、砾石底质的粒间空隙几乎全被泥沙充填，河床底质以泥沙为主，生境多样性和生境质量较低，不利于底栖动物的生存，如沙会磨损蜉蝣的鳃，影响其呼吸等功能。这与其他学者的研究结果基本相符[9]。德泽水库蓄水，库区水流流动缓慢，泥沙和营养物质大量沉积，底质由大粒径的卵石、粗砂，变为了小粒径的细沙和淤泥，生境多样性单一，底栖动物的生活、繁殖和避敌场所大大减少，底层的溶氧降低，仅适应生活一些对水中的溶氧要求不高，要求营养物质丰富或具有较高耐污性质的穴居型寡毛类和摇蚊科；库区陡峭，水深，周边无浅水区，无水草，而一般大、中型螺类多匍匐于水草之间，小型螺类栖息于水草的茎叶上，因此软体动物不适宜生存，种类非常少。但可能由于德泽水库建成时间较短，而水库从建成蓄水到底栖动物群落的稳定至少需要5 年的时间[2]，德泽水库还处于演替的初级阶段，所以还存在部分的除摇蚊科外的水生昆虫，只是丰富度较低。西泽河采样点距德泽大坝较牛栏江采样点更远，且西泽河为汇入牛栏江的一条自然支流，受德泽大坝的影响较小，生境较为复杂，底质环境差异较大，底栖动物种类较丰富。而牛栏江采样点为下泄流量，受人工控制，河流的流量流速较为稳定，水文扰动较小，水体泥沙含量少，河床底质为较稳定的卵石等，生境质量比马龙河要好，还未进行过泄洪，未对下游的底栖动物产生过强烈的冲刷作用。但由于德泽大坝的修建，牛栏江采样点所在的河流流量较之前有所减小，下泄水体水温低，周围生活垃圾较多，所以牛栏江采样点底栖动物种数少于西泽河采样点。

3.2 密度变化

本研究中，德泽水库及上下游河流底栖动物密度由高到低依次为：德泽水库＞西泽河＞牛栏江＞马龙河。德泽水库采样点的寡毛类正颤蚓为优势种，再加上库区生境适宜于寡毛类和摇蚊科的生长，德泽水库采样点的寡毛类的密度比其他点要高出很多。寡毛类、摇蚊科生物多属于耐低氧耐污型生物，一旦条件适宜，其密度通常较高，在底栖动物密度组成中占比较大，因此德泽水库采样点的密度最高，这与其他学者的研究结果基本一致[8]。除德泽水库采样点外，其他采样点均未采到寡毛类，这主要是因为寡毛类适应于水柱稳定性较高，底层水温低的水体中。牛栏江采样点虽然没有采到寡毛纲，但是该采样点软体动物的密度很高；该采样点位于德泽大坝的下游，河流径流量变小，流速变缓，水体营养盐有所增加，摇蚊科生物的生存环境得到改善，适宜摇蚊科生物生存，但同时由河流径流量变小，牛栏江采样点受德泽大坝影响较小的西泽河采样点的密度高。

3.3 生物量变化

本研究结果表明，德泽水库及上下游河流底栖动物生物量从高到低依次为：牛栏江＞西泽河＞马龙河＞德泽水库。牛栏江采样点的底质为卵石底质，水较浅，浅水区水草丰富，软体动物种类最多，生物量达12.00 g/m2，比其他采样点的生物量高，而软体动物通常在底栖动物生物量中占有绝对权重。各采样点软体动物数量的分布差异影响底栖动物生物量的高低。牛栏江采样点软体动物生物量最高的原因可能是德泽大坝将上游水中的泥沙挡住，大坝下泄的水中泥沙含量少，使得牛栏江采样点的底质较为稳定，为卵石底质，为一些软体动物提供较大的附着面积[4]；稳定的水流量与流速，较小的水文波动，既为软体动物中的滤食者带来了食物，也不至于把软体动物冲走，而且河流浅水区的水草、植被更好的生长。牛栏江采样点周围生活垃圾多，优势种为耐污性强的河蚬等，再加上大坝下泄的水温较低，大个体的底栖动物可能更加适应于牛栏江的环境。这些原因让牛栏江采样点的底栖动物生物量最高，其次是受影响较小的西泽河采样点。德泽水库底质为细沙和淤泥，生境多样性单一，底层的溶氧降低，且库区陡峭，加上没有浅水区，水草匮乏，基本没有软体动物的生活、繁殖和避敌场所，软体动物也大幅度减少，因此德泽水库采样点的生物量最低。

3.4 群落结构变化分析

2013 年夏季调查中，共采集到底栖动物4 门7纲60 种，平均密度为299.23 ind./m2，平均生物量为10.76 g/m2。其中，马龙河采样点采集到底栖动物种数为16 种，密度为263.56 ind./m2，生物量为5.19 g/m2；德泽水库采样点采集到底栖动物种数为21种，密度为303.08 ind./m2，生物量5.22 g/m2；牛栏江采样点采集到底栖动物种数为23 种，密度为301.14 ind./m2，生物量为23.37 g/m2；西泽河采样点采集到底栖动物种数为37 种，密度为329.13 ind./m2，生物量为9.27 g/m2。

两次数据对比发现，德泽水库供水半年后，底栖动物的种数和平均生物量有所下降，平均密度有所上升，但幅度不大，底栖动物的种类数和现存量水平分布趋势也基本相同。各采样点的底栖动物种类数都有一定的下降，现存量也有一定的变化。但由于各个采样点受德泽大坝的影响程度不同，各采样点底栖动物种类数和现存量的变化程度不同。马龙河和西泽河采样点受德泽大坝的影响较小，变化不显著。德泽大坝的人为控制使下游河流径流量、流速变幅更趋平缓，供水半年以来牛栏江采样点河段水文波动较小，底质稳定性较高，底栖动物生境变化小，而德泽水库采样点变化较显著。供水半年后，德泽水库采样点底栖动物种类数和生物量有所下降，但生物密度有所上升，可能是水库2012 年9月蓄水后，库区原本适应于软体动物生存的浅水水草环境被完全淹没，水体流速缓慢，水深水压大大增加，库区岸边陡峭，无浅水区，无水草，大部分软体动物在2013 年夏季采样之前就已迅速消亡。但水库建成时间较短，目前库区中还剩下一些耐污耐低氧的软体动物，如尖膀胱螺等，由于水库还处于演替阶段，且水生昆虫成虫运动能力较强，因此还存在部分的水生昆虫，底栖动物的种类数和生物量下降并不是非常大。受德泽大坝的阻拦，水体中的营养盐和泥沙在库区内大量沉积，要求营养物质丰富或具有较高耐污性质的穴居型寡毛类和摇蚊很适宜在库区生存，生物密度显著上升，这与其他研究结果基本相符[6]。

3.5 德泽水库底栖动物生境恢复建议

本次调查表明，德泽水库供水半年后对库中及其上下游河流底栖动物最主要的影响是改变了河流原有的自然生境，使原本复杂多样的生境变得单一，生境多样性的降低导致底栖动物多样性的降低。恢复河流原有的自然生境也是维持河流底栖动物多样性的最有效途径。生境的恢复主要体现在河流水文情势的恢复和河流物理栖息地的恢复。生态流量是恢复河流水文情势的最有效手段，而人工阶梯-深潭系统是恢复河流物理栖息地的有效途径之一。

3.5.1 科学制定生态流量

根据水库对河流水文情势的影响程度和河流生态特点，本研究对河流生态流量提出以下建议：

一、参照牛栏江-滇池补水工程的《建设项目水资源论证导则》等文件的规定，枯季按不低于多年平均天然流量的10%，汛期不低于多年平均天然流量的30%来控制[14]。但在实际执行过程中，下泄生态流量等同弃水，减少了蓄水量，会减少补水工程的效益[17]，因此目前德泽水库下泄的生态流量，比国家给出的牛栏江-滇池补水工程的标准稍小。建议加大下泄生态流量至国家标准，在保证达到国家标准的前提下，使用栖息地模拟、流量恢复法等方法计算河流的生态流量。

二、河流的生态流量是一个可变的数值，首先应保证河流一定面积的栖息地，其次，根据上游来水情况，适当调整。

三、生态流量还应是一种周期性波动的水流。这种波定形式应根据水生生物在不同生活史阶段的实际需求而定。

3.5.2 建立阶梯-深潭系统

在未受人为干扰的山区河流中，阶梯-深潭系统是一种常见的河流地貌，河床由一段陡坡和一段缓坡加上深潭相间连接而成，呈一系列阶梯状。阶梯-深潭系统可以增大河床的阻力，同时由于底质类型的多样化，可以为水生生物提供更加多样化的栖息地[16]。水库的修建，库区水位上涨导致部分阶梯-深潭系统被淹没；水库下游流量大幅减少，一些小型的阶梯-深潭系统或干涸或缩小。这些原因直接导致自然的阶梯-深潭系统的数量骤减，不利于维持较高的生物多样性。修建人工阶梯-深潭系统在很大程度上能缓减自然阶梯-深潭系统减少带来的影响：

一、人工阶梯-深潭系统创造了不同底质、流速、深浅的水生物栖息地和繁殖地，而栖息地的多样性有利于保持较高的生物多样性。

二、在渗透性较差的河段修建人工阶梯-深潭系统可以保持减水河段不脱水。深潭具有较强的蓄水能力，一连串的深潭使坝下具有一定数量的水面，可以为水生生物提供避难所，等下一次洪水来临时，水生生物可以再次扩散。

三、阶梯-深潭系统水流中存在强紊流，使水体内温度、氧气和营养物质等均匀分布，给许多生物提供了良好的生存条件。

3.5.3 水库下游底栖动物及水生态系统保护的具体措施

当前，德泽水库断面的多年平均天然流量为54.1 m3/s，为满足下游河道生态用水需求，在德泽大坝枢纽建筑物中，已专门设立了生态流量岔水管，保证在枯水期下泄流量不小于5.4 m3/s，汛期下泄流量不小于16.2 m3/s。建议：在此基础上，适量增加生态流量，特别是在每年的枯水期，使生态流量供应更趋于稳定。其次，在水库下游建立人工阶梯-深潭系统，与增加生态流量相配合，有助于在一定空间内保持相对稳定的水体体量，增加下游水体的生态承载力，对下游底栖动物种群数量的恢复起关键的作用。在下游河滨带（包括阶梯-深潭系统在内）进行人工保水，如栽培特定种类的水生、半水生植物等，为底栖动物提供多样化的栖息、隐蔽场所。以上几个措施合理并用，有利于保障下游河流中底栖动物种群的稳定，促进其群落结构的优化，确保下游河道水生态系统的健康发展，以及水生生物种质资源的保护和可持续利用。