生物学指数在感潮河口建闸前后水质评价中的应用

蓝雪春 叶 敏 完颜晟

(1.浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002；2.杭州市生态环境科学研究院，浙江 杭州 310005)

水体水质的好坏会对水生生物群落结构产生影响。因此，水体中水生生物的生物学指数对水质有一定的指示作用。大型底栖动物作为水生态系统的重要组成部分，可以充当分解者的角色，对上层水体沉积下来的物质进行分解，对维持水生态系统的物质循环和能量流动有着至关重要的作用[1-2]。大型底栖动物具有生命周期长、迁移能力弱、对环境变化敏感等特点，是水体中对水生态系统变化和演替具有明显指示作用的生物类群[3]。在淤泥质的河口生态系统中，底栖亚生态系统是一个非常重要的动态中心，而底栖动物群落在这个动态中心里占据着非常关键的位置[4]。其中，大型底栖动物的物种组成、群落结构和时空分布可以很好地反映河口生态系统的水环境和水生态变化。所以，利用大型底栖动物的相关生物学指数来反映水体污染状况，开展水环境评价具有独特的优越性，已被广泛应用于河流水环境监测和评价[5-6]。

ZHAO等[7]研究表明，大型闸坝的建设和运行会改变自然河流的水文节律和泥沙的沉积、迁移速率，从而对水生生物产生深远影响，已经成为导致河流生物多样性变化的重要原因。国内利用大型底栖动物的相关生物学指数评价闸坝等水利工程对河流水文泥沙条件相对稳定的中上游水质的影响研究较多。然而相比河流中上游，感潮河口因其特殊的水文泥沙条件和敏感的生态环境，使得闸坝等水利工程对其水质的影响更加复杂。因此，选择合适的生物学指数来评价闸坝等水利工程对感潮河口水质的影响就显得非常有意义。

曹娥江是钱塘江河口右岸的重要支流，2009年曹娥江河口建成了曹娥江大闸，极大地改变了曹娥江河口段的水环境和水生态。本研究根据2004(建闸前5年)、2010(建闸后1年)、2014(建闸后5年)、2018年(建闸后9年)曹娥江入钱塘江河口段的水质和大型底栖动物群落结构的空间分布变化特征，探究采用生物学指数评价曹娥江河口段曹娥江大闸建成前后的水质变化适用性。

1 材料与方法

1.1 样品采集

在曹娥江入钱塘江河口段的曹娥江干流上共设置了4个采样断面(见图1)，从上游到下游分别为上浦闸内(S4，29°54′49.26″N、120°50′32.90″E)、新三江闸处(S3，30°8′5.43″N、120°38′40.56″E)、曹娥江大闸内(S2，30°13′7.57″N、120°43′45.51″E)和曹娥江大闸外(S1，30°13′45.37″N、120°44′36.65″E)，通过全球定位系统(GPS,易立S7)定位。2004、2010、2014、2018年每年春季在每个采样断面设置3个采样点采集混合水样。每个采样点使用采泥器(ETC-200)采集底泥后用200 μm纱网筛洗干净，大型底栖动物样品用5%(质量分数)的中性福尔马林溶液固定保存后带回实验室称量、计数并鉴定到种。每个采样断面每年按月使用聚乙烯采样瓶采集3个采样点水面以下0.5 m处的混合水样，带回实验室后参照《水和废水监测分析方法(第四版)》，采用碱性法测定高锰酸盐指数、纳氏试剂光度法测定氨氮、钼锑抗分光光度法测定总磷(TP)，pH、溶解氧(DO)现场使用便携式双通道多参数分析仪(HQ40D)测定。

1.2 评价方法

群落中生物种类越多则群落的复杂程度越高，群落所含的信息量就越大，即生物多样性越好。当群落环境受到污染时，生物多样性就会降低。因此，可以利用以生物多样性指数为代表的生物学指数对群落环境质量进行评价。常用的评价水环境质量的生物多样性指数有Margalef丰富度生物多样性指数和Shannon-Wiener生物多样性指数，计算公式分别见式(1)和式(2)。各生物学指数的评价标准见表1[8]。

图1 研究区域及采样断面Fig.1 Research area and sampling sections

(1)

(2)

式中：D为Margalef丰富度生物多样性指数；S为生物总种类数；N为生物总个体数；H为Shannon-Wiener生物多样性指数；ni为物种i的生物总个体数。

表1 生物学指数评价标准Table 1 Evaluation standard of the biological indexes

同时，参照《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)对水质进行化学评价，并且本研究将Ⅰ～Ⅴ类水分别与清洁、轻污染、中污染、重污染和严重污染相对应，以与生物学指数进行对比。

2 结果与讨论

2.1 大型底栖动物种类组成

曹娥江河口段的历次调查共鉴定出大型底栖动物35种(见表2)，其中环节动物14种，占总种类数的40.0%；甲壳动物10种，占总种类数的28.6%；软体动物8种，占总种类数的22.8%；节肢动物3种，占总种类数的8.6%。

2.2 大型底栖动物种数

由表3可见，在门水平上，曹娥江大闸建成后各采样断面鉴定出的大型底栖动物种数总体表现出较建闸前增加，特别是上浦闸内增加尤为明显。由此说明，曹娥江河口段的水生态环境得到了改善。从2004年到2018年，上浦闸内和新三江闸处大型底栖动物种数稳步增加，说明曹娥江大闸建成后这两个采样断面大型底栖动物栖息的河床底质环境在持续改善；而曹娥江大闸内、曹娥江大闸外大型底栖动物种数有波动，可能是因为这两个断面的河床底质环境遭受曹娥江大闸修建的剧烈变化，给大型底栖动物适应带来了一定的影响。

表2 曹娥江河口段鉴定出的大型底栖动物1)Table 2 Macrobenthos identified in estuary of Cao’e River

表3 大型底栖动物种数变化Table 3 Variation of macrobenthos’ kinds

2.3 水质评价

由表4可见，Margalef丰富度生物多样性指数的评价结果表明，除上浦闸内2004年严重污染外，其余各断面水质始终被评价为重污染；Shannon-Wiener生物多样性指数的评价结果比Margalef丰富度生物多样性指数保守，虽然评价的污染程度可能比水质类别严重，但基本与水质类别变化趋势一致。由此说明，生物学指数比化学评价对水质类别更为敏感，但如果指标过于敏感可能反而不能客观的反映实际水质状况。例如，2004年上浦闸内的生物学指数评价结果均为严重污染，而水质类别则为中污染，相差2个等级，原因是2004年上浦闸内的大型底栖动物只采集到1种软体动物(见表3)，出现这种情况很有可能是曹娥江大闸建成前，上浦闸以下属感潮河口，为避免上浦闸内淤积，保证上游防洪安全，上浦闸需经常性地开闸泄洪冲淤，导致上浦闸内河床底质极不稳定，大型底栖动物种类因此比较单一；曹娥江大闸建成后，上浦闸以下不再属感潮河口，上浦闸无需再经常性地开闸泄洪冲淤，水文情势使得河床底质趋于稳定，给大型底栖动物的生长繁殖创造了条件，因此曹娥江大闸建成前后水质的变化并不是很大。这个现象说明，采用生物学指数评价河床底质环境变化剧烈的河道水质时需要慎重。

Shannon-Wiener生物多样性指数的评价结果有50%与水质类别一致，相差也基本上只有1个等级，且在曹娥江大闸建成前后污染趋势变化上保持一致。这可以解释为曹娥江大闸建成后闸上河道从感潮河口变为河道型水库，水体环境从咸淡水转变为淡水，但河床底质环境的转变滞后于水体环境的转变，大型底栖动物从适应咸淡水环境的群落转变为适应淡水环境的群落，其转变速度也滞后于水体环境变化的速度。

表4 水质评价结果比较Table 4 Comparison of water quality evaluation results

有研究也指出，Shannon-Wiener生物多样性指数的敏感度虽然较低，但其实比Margalef丰富度生物多样性指数等生物学指数更能反映水体的实际污染状况和变化趋势[9-10]。由于曹娥江大闸建成前后上浦闸和曹娥江大闸内、外的河床底质环境发生了明显变化，因此选取河床底质环境相对稳定的新三江闸处进一步比较Margalef丰富度生物多样性指数和Shannon-Wiener生物多样性指数评价水质的适用性，结果见图2。图2表明，新三江闸处各水质指标呈逐年降低的趋势，说明水质有逐渐改善的趋势，Shannon-Wiener生物多样性指数的逐年升高与之吻合，但Margalef丰富度生物多样性指数不能反映这种变化趋势。因此，在曹娥江感潮河口Shannon-Wiener生物多样性指数能更好地反映实际水质变化。

图2 新三江闸处水质指标和生物学指数的比较Fig.2 Comparision of water quality indexes and biological indexes in Xinsanjiang Floodgate

3 结 论

(1) 2004—2018年曹娥江河口段共鉴定出大型底栖动物35种，其中环节动物占40.0%，甲壳动物占28.6%，软体动物占22.8%，节肢动物占8.6%。曹娥江大闸建成后大型底栖动物种数较建闸前增加，说明曹娥江河口段的水生态环境得到了改善。

(2) 生物学指数比化学评价对水质类别更为敏感，但过于敏感反而不利于客观反映实际水质状况。相比Margalef丰富度生物多样性指数，Shannon-Wiener生物多样性指数更适用于反映实际水质变化。采用生物学指数评价河床底质环境变化剧烈的河道水质时应慎重。