浑河主要污染物对大型底栖动物空间分布的影响

刘志刚，渠晓东，张远* ，马淑芹，赵瑞，曹国凭

1.河北联合大学建筑工程学院，河北 唐山 063009

2.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院流域水生态保护技术研究室，北京 100012

大型底栖动物是淡水生态系统中重要的消费者和分解者［1］，与河流生态系统的物质循环和能量流动密切相关［2-3］。大型底栖动物长期生活于水体底部，不同类群对水污染表现出从极敏感到极耐污的特征，因此，大型底栖动物群落的结构可在一定程度上表征水体的长期污染状况［4］。分析大型底栖动物群落与污染物的关系，识别影响水生生物空间分布的主要污染物，是河流生态系统保护与恢复的前提及关键。

开展水生生物与主要污染物关系的研究是建立水环境质量基准(简称水质基准)的前提和基础［5］。我国的水质基准研究多以世界卫生组织和美国等发达国家的水质基准资料为依据［6］，水质基准确定的主要依据是室内毒理学实验［7］。研究自然条件下水生生物群落对主要污染物的响应，对水质基准的制定具有重要的参考意义，同时，在某一污染物水质基准值缺失的情况下，污染物与水生物群落定量关系的研究，可以为水环境保护与生物多样性保护提供重要的数据参考。

浑河是辽河流域最重要的支流之一，根据GB 3838—2002《地表水环境质量标准》划分，“十一五”初期大伙房上游水质相对较好(Ⅱ类或Ⅲ类);抚顺至沈阳段水质污染加重，NH3-N，CODCr，BOD5和挥发酚等关键水质指标分别超过Ⅴ类水质标准浓度值的24.4，1.8，10.0和 13.0倍;浑河流经沈阳后，水质长期为Ⅴ类［8］。目前，对浑河流域重要污染物与水生生物群落关系的全面系统研究鲜有报道［9-11］，笔者拟通过分析浑河大型底栖动物群落特征，识别影响大型底栖动物空间分布的主要污染物，分析主要污染物对浑河大型底栖动物生物多样性的影响，以期为浑河水污染治理、生物多样性保护和生态修复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域

浑河位于辽宁省东部(122°20'E～125°20'E，41°00'N ～ 42°20'N)，河流全长 415 km，流域面积1.15×104km2，浑河发源于长白山支脉滚马岭西侧，依次流经清原、新宾、抚顺、沈阳等市县(图1)，在海城同太子河汇合后经大辽河由营口注入辽东湾，主要支流有英额河、苏子河、章党河、蒲河、社河、东洲河等。位于浑河上游的大伙房水库，总库容为2.19×109m3，是浑河最重要的水利设施。浑河流域受大陆季风性气候影响，年径流量为3.05×109m3，多年平均降水量为718.3 mm，降水分配比例不均，主要集中在6—9月。

1.2 样品采集与鉴定

2010年5月在浑河流域开展了大型底栖动物的调查，全流域设置60个样点(图1)。大型底栖动物样品用索伯网〔60目(孔径为0.3 mm)尼龙纱，30 cm×30 cm〕进行采集。将索伯网置于河道底部，用小铁铲搅动网框内所有底质，清洗底质表面，将附着的大型底栖动物全部收集于索伯网后部的网兜内。网兜内的底质全部倒入水桶再次仔细清洗，并用60目筛网过滤，收集所有底栖动物样品于500 mL塑料瓶中，加70%酒精溶液固定。各样点采集3个平行样，以减小采样误差。在实验室条件下，对大型底栖动物标本进行挑拣和鉴定，大多数物种鉴定到种或属，摇蚊幼虫鉴定到亚科，寡毛类和线虫类仅鉴定到纲［12-15］。

1.3 水质监测

采用便携式多参数水质测量仪(YSI-Pro Plus，美国维赛仪器公司)对pH，溶解氧(DO)和电导率(EC)等水质污染指标进行现场测定。在采集大型底栖动物样品前，采集2 L混合水样，于实验室内测定八项主要水质污染指标:5日生化需氧量(BOD5)，化学需氧量(CODCr)，高锰酸盐指数(CODMn)，总氮(TN)，总磷(TP)，氨氮(NH3-N)，硝酸盐氮(NO3-N)和亚硝酸盐氮(NO2-N)。水样的采集、保存和室内测定参照《水和废水监测分析方法》(4 版)［16］。

图1 浑河流域及样点位置示意Fig.1 Distribution of sample sites in Hun River basin

1.4 多样性指数计算

采用四种生物多样性指数表征大型底栖动物多样性特征:香农-威纳指数，表征群落结构的复杂性程度，同时考虑物种的多样性和物种间的比例;Pielou均匀度指数，表征物种间个体数分布的均匀性程度;Simpson多样性指数，表征优势种个体数分布的多度;Margalef丰富度指数，表征物种数量的多样性程度［17］。各多样性指数的计算公式与文献来源如表1所示。

表1 生物多样性指数计算公式与文献来源Table 1 The calculation and citation of biodiversity indices

1.5 数据统计分析

水质指标间的相关性，主要污染物与生物指数和多样性指数间的相关性分析采用Spearman秩相关检验，用最小二乘法计算主要污染物与生物指数间的回归关系，用SPSS软件完成(SPSS 12.0)检验。采用典范对应分析(canonicalcorrespondence analysis，CCA)研究污染物对大型底栖动物群落结构的影响(Canoco 4.5)。为减小数据样本间方差，在CCA分析前对大型底栖动物数据和污染物数据分别进行lg(1+x)对数转化和标准化处理［22］，剔除在所有样点中只出现一个个体的物种，降低偶见种对分析结果产生的影响。

2 结果与分析

2.1 浑河水质特征分析

浑河水质检测分析表明，浑河主要水质污染指标中，主要为TN污染，其监测值劣于Ⅳ类水质标准的样点数占监测样点总数的98.3%;其次为TP和NH3-N污染，其监测值劣于Ⅳ类水质标准的样点数占监测样点总数的28.3%和21.7%，说明浑河流域目前的富营养化状况较重;再次为CODCr和CODMn污染，其监测值优于Ⅱ类水质标准的样点数占监测样点总数的55.0%和48.3%，表明浑河流域有较重的工业废水和生活污水污染(表2)。选择pH，DO，NH3-N，TP，CODCr，CODMn和 BOD5指标综合比较水质状况，分别评定各项指标的水质级别，以其中水质最差的单项指标所属类别作为该样点水质类别，结果表明浑河水质劣于Ⅲ类的监测样点数占60.0%，说明浑河整体水污染较重;如同时将TN指标纳入评价体系中，则水质优于Ⅲ类的监测样点数仅为1.7%。

表2 浑河流域水质特征Table 2 Characteristics of water quality in the Hunhe River basin

2.2 大型底栖动物群落特征

采集的大型底栖动物共90种，4929个体。主要类群为水生昆虫(Arthropoda)78属(种)，占采集物种总数的86.7%，占采集个体总数的76.1%;环节动物(Annelida)5种，占采集个体总数的22.4%，以霍夫水丝蚓和苏氏尾鳃蚓为主;软体动物(Mollusca)5种，以凸旋螺和椭圆萝卜螺为主;线形动物和扁形动物各1种。比较各类群在浑河流域的分布特征表明，水生昆虫以双翅目(Diptera)物种的分布最广，在所有样点中的出现频率达91.7%，其次为寡毛类(Oligochaeta，75%)，蜉蝣目幼虫(Ephemeroptera，50%)和毛翅目幼虫(Trichoptera，46.7%)。

浑河大型底栖动物物种数和生物个体数相对较低，全流域平均值仅为8种和82个体。EPT物种数为蜉蝣目(E)，襀翅目(P)和毛翅目(T)三个类群分类单元数之和，代表了河流中主要的敏感类群，其数量常可直接指示河流的健康状况，该次调查结果表明EPT物种数全流域平均为3种，中位数仅为1种，表明有50%样点的EPT物种数在1种以下。摇蚊幼虫是浑河最主要生物类群，其个体数占总个体数比例的平均值为37.29%，最高值为96.96%。全流域香农-维纳指数平均值为1.90，Margalef丰富度指数平均值为1.33，均匀度指数平均值为0.71，Simpson指数平均值为0.59(表3)。

表3 浑河流域大型底栖动物生物指数与生物多样性指数特征Table 3 Characteristics of biological＆biodiversity indices of Macroinvertebrate in Hunhe River basin

2.3 影响大型底栖动物分布的主要污染物识别

CCA分析的前提是通过相关分析选择独立性较高的水质指标。浑河流域水质指标相关性分析表明，DO 与 BOD5负相关(R=-0.72，P ＜0.01)，因为BOD5同时还可表征水体中有机物污染的特征，因此选择BOD5表征二者的共同特性。CODMn分别与CODCr和 TP正相关(R=0.72，R=0.71;P＜0.01)，在 CODMn，CODCr和 TP三项化学指标中，CODCr能较全面地表征水体中各种耗氧类物质的量，TP可以表征水体营养盐状况，因此保留CODCr和TP作为表征水体好氧类和富营养类污染指标。另外EC与NH3-N也具有较高的相关性(|R|＞0.70，P＜0.01)，但由于NH3-N对水生生物具有毒性，因此保留NH3-N作为影响大型底栖动物群落分布的毒性指标。通过相关分析得出，用于CCA分析的水质指标为 pH，TN，TP，BOD5，CODCr，NH3-N，NO2-N和NO3-N(表4)。

CCA分析表明，NH3-N和CODCr是影响大型底栖动物空间分布的主要污染物(蒙托卡罗检验F值分别为4.07和1.98，P＜0.001)。排序轴第一轴(轴1)正方向的主要污染物为NH3-N，BOD5和TP，排序轴第二轴(轴2)负方向的主要污染物为CODCr和TN。CCA排序图前两轴特征值分别为0.312与0.143，物种与水质指标在前两条轴的累积百分率为53.2%，物种和水质指标排序轴前两轴相关系数分别为0.894和0.808(图2)。

表4 水质指标间Spearman相关性分析Table 4 Spearman correlation analysis among water quality metrics

由图2可知，大伙房水库上游英额河、苏子河与红河(图2中○表示的样点)受到的污染最轻，主要分布于CCA排序轴(轴1)的负方向，与主要污染物的分布趋势相反;大伙房水库下游浑河支流中(图2中◇表示的样点)，除少数样点的污染状况较轻外，其他样点的大型底栖动物群落受NH3-N的影响最重，其次为CODCr，蒲河的两个样点(样点47和48号)位于排序轴第一象限正方向远端，表明蒲河的污染严重;大伙房水库下游浑河干流中，影响大型底栖动物群落组成的最重要污染物是CODCr。另外，从图2可以看出，TN与CODCr的污染具有较高的一致性，TP与NH3-N的污染具有较高的一致性。

图2 样点与水质指标间CCA排序Fig.2 CCA ordination diagrams of samples sites-water quality metrics

桃碧扁蚴蜉(Ecdyonurus tobiironis)，黑头原石蛾(Rhyacophila nigrocephala)，蝶石蛾(Psychomyia sp.)，三斑小蜉(Ephemerella atagosana)和斑纹角石蛾(Stenopsyche marmorata)等敏感物种，主要分布于浑河大伙房水库上游区域，为该区域的指示物种;苏氏尾鳃蚓(Branchiura sowerbyi)，赤豆螺(Bithynia fuchsianus)和水蝇(Ephydra sp.)等耐污物种，主要分布于大伙房水库下游的支流区域，为该区域的指示物种;鳞属(Tomocerus sp.)，钩虾(Gammarus sp.)和铜锈环棱螺(Bellamya acruginosa)主要分布于大伙房水库下游浑河干流，为该区域的指示物种。指示物种的变化除空间分布的差异外，物种对不同污染物的耐受类型也具有差异，分析认为，在浑河流域的苏氏尾鳃蚓、赤豆螺和水蝇对NH3-N，磷和有机污染具有较强的耐受性;鳞属、钩虾和铜锈环棱螺对工业有机污染物和氮污染具有较强的耐受性(图3)。

2.4 主要污染物对大型底栖动物生物多样性影响

图3 大型底栖动物与污染因子间CCA排序Fig.3 CCA ordination diagrams of macroinvertebrate taxa-pollutants

主要污染物NH3-N和CODCr与大型底栖动物生物参数和多样性指数的Spearman秩相关分析表明:大型底栖动物总个体数和摇蚊幼虫个体数占总个体数的比例与NH3-N和CODCr污染的相关性不显著;但与物种数和EPT物种数均呈显著的负相关。生物多样性指数相关分析表明:NH3-N与所有多样性指数均呈显著的负相关;CODCr仅与Margalef丰富度指数呈显著的负相关(表5)。

表5 主要污染物与生物参数间相关性分析Table 5 Correlation analysis between the primary pollutants and bio-metrics

主要污染物NH3-N和CODCr对物种数和EPT物种数的回归分析表明，物种数与NH3-N和CODCr呈显著的对数曲线关系(P＜0.05)，EPT物种数与NH3-N和CODCr呈显著的直线关系(P＜0.05)(图4)。该次调查的浑河全流域大型底栖动物物种数和EPT物种数的平均值分别为8种和3种，与此相应的NH3-N浓度分别为0.93和1.02 mg/L，相应的CODCr分别为15.7和16.2 mg/L。综合比较认为，当NH3-N浓度和CODCr控制在1.0和16.0 mg/L时，浑河流域的大型底栖动物物种数与EPT物种数可维持在目前的平均水平，相应的NH3-N浓度和CODCr符合GB 3838—2002《地表水环境质量标准》的Ⅲ类要求［23］。

3 讨论

宋永会等［8］对浑河流域污染物来源的研究表明，NH3-N和CODCr是浑河重要水污染物，笔者研究发现，目前浑河流域对大型底栖动物的空间分布和类群组成影响最重要的污染物亦为NH3-N和CODCr，因此对浑河流域的水污染治理以及流域生态系统保护和恢复，依然需要继续减排NH3-N和CODCr。从NH3-N和 CODCr的来源分析，两种污染物主要源自城市生活源，分别占入河量的63%和52%，其次为工业源，分别占入河量的 17%和27%［8］，笔者的研究结果(图2和图3)与其一致。结果表明，大伙房水库下游随城市增加，大型底栖动物群落退化较重。

图4 NH3-N浓度和CODCr对物种数和EPT物种数间的回归分析Fig.4 The regression analysis among the NH3-N，CODCrand species richness，EPT richness

依据闫振广等［24］的研究，我国NH3-N浓度的淡水生物慢性基准范围为0.0664～3.92 mg/L。笔者研究发现，如果以该次大型底栖动物调查的物种平均数作为保护目标，水体中NH3-N浓度应控制在1 mg/L，该值处于水质基准的范围之内。必须指出，该结果是基于单次水生态调查得出的，还应通过大量的水生态调查来确定大型底栖动物适合的NH3-N浓度阈值;另外，由于浑河在整个辽河流域属污染相对较重的河流，大型底栖动物物种数量相对较少，因此得出的NH3-N浓度阈值偏高。澳大利亚和新西兰河流生态系统制定的NH3-N浓度阈值为0.006～0.1 mg/L［25］，远小于笔者的研究结果。NH3-N在低DO浓度条件下其毒性有增强的趋势［25］，考虑到浑河流域CODCr是指示水体好氧类有机物污染的重要化学指标，水体中DO浓度将随CODCr的增大而有所降低，对大型底栖动物具有间接的毒性作用，因此在浑河水生态系统保护中应对两种污染物同时进行考虑。

大型底栖动物群落与环境要素关系的研究，尤其是识别针对某一特定污染物的关键指示种，对我国的水生生物保护具有重大意义。利用CCA分析确定主要污染因子，利用回归分析研究大型底栖动物物种的变化随主要污染物浓度的响应，对确定流域内水生生物多样性保护目标，流域内水质管理和恢复目标，具有参考意义。

4 结论

(1)基于CCA分析得出，影响浑河大型底栖动物群落与生物多样性的主要污染物为NH3-N和CODCr，减少向河中排放NH3-N和CODCr，是浑河水生态系统保护的关键。

(2)CCA分析表明，桃碧扁蚴蜉、黑头原石蛾和蝶石蛾为浑河重要清洁指示物种;苏氏尾鳃蚓、赤豆螺和水蝇为浑河NH3-N和TP污染的重要指示物种;鳞属、钩虾和铜锈环棱螺为浑河CODCr污染的重要指示物种。

(3)为保护大型底栖动物群落，基于回归模型拟合得出，浑河流域NH3-N浓度和CODCr排放阈值分别为1.0和16.0 mg/L。

志谢:中国环境科学研究院陈立斌、郑文浩、张楠、万峻等人员参与了该研究的采样与样品鉴定等工作，谨致谢忱。

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