汤河水库和大伙房水库底栖动物群落结构、底层鱼类产量及水质生态评价

史键,赵文,李赫,张志鹏,李文宽,解涵

(1.大连海洋大学水产与生命学院辽宁省水生生物学重点实验室,辽宁大连116023;2.辽宁省淡水水产科学研究院,辽宁辽阳111000)

汤河水库和大伙房水库底栖动物群落结构、底层鱼类产量及水质生态评价

史键1,赵文1,李赫2,张志鹏1,李文宽2,解涵2

(1.大连海洋大学水产与生命学院辽宁省水生生物学重点实验室,辽宁大连116023;2.辽宁省淡水水产科学研究院,辽宁辽阳111000)

于2010—2011年对汤河水库和大伙房水库底栖动物群落结构进行了调查研究。结果表明:汤河水库共鉴定底栖动物15种,分属于3门7科,平均密度为224.61 ind./m2,平均生物量为4.69 g/m2,优势种为霍甫水丝蚓Limnodrilus hoffmeisteri和克拉伯水丝蚓L.claparedianus;大伙房水库共鉴定底栖动物19种,分属于3门6科,平均密度为235.77 ind./m2,平均生物量为101.56 g/m2,优势种为霍甫水丝蚓、克拉伯水丝蚓和苏氏尾腮蚓Branchiura sowerbyi;汤河水库底栖动物密度与活性磷、BOD5均呈极显著正相关 (P＜0.01),大伙房水库栖动物密度与BOD5呈极显著正相关 (P＜0.01),与温度呈显著负相关(P＜0.05);汤河水库底层鱼类的渔产潜力估算为11.59 kg/(hm2·a),即全库每年可生产20 800 kg;大伙房水库底层鱼类的渔产潜力估算为32.11 kg/(hm2·a),即全库每年可生产171 000 kg。水质生态评价结果表明,两座水库均处于中度污染状态。

汤河水库;大伙房水库;底栖动物;群落结构;底层鱼产量;水质生态评价

汤河水库建筑在太子河主要支流之一的汤河主段上,是一座以防洪、灌溉为主,兼顾养殖等综合利用的大型水库,同时也是辽阳市、鞍山市居民饮用水的主要供水处。汤河水库总库容为7.07亿m3,控制流域面积为1 228 km2,最大泄洪量为2 173 m3/s。大伙房水库位于辽河支流浑河中上游,是辽宁省第一大水库,以防洪、灌溉和城市工业用水为主,兼顾发电和养殖,现已成为沈阳、抚顺两市居民饮用水的重要水源地。大伙房水库总库容为21.87亿m3,控制流域面积为5 437 km2,最大泄洪量为5 000 m3/s。

底栖动物与水域环境相互依存、相互影响,是水域生态系统的重要组成部分。水质的优劣直接或间接地影响底栖动物的生长和繁殖,底栖动物群落结构的时空格局也会反映出水环境的污染状况[1]。因此,底栖动物的群落特征可作为水环境评价的良好指标和水环境质量评价的基本依据。底栖动物也是底层鱼类的天然饵料,通过对底栖动物生物量的调查可确定底层鱼类的放养潜力。汤河水库和大伙房水库都是辽宁省内城市居民饮用水的主要水源地,其水质安全和生态系统的可持续发展尤为重要。笔者对汤河水库和大伙房水库底栖动物进行调查并对其水质进行评价,旨在为两座水库的水质保护、综合治理以及底层鱼类的放养提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 采样点的选取和采样时间的设置

于2010年7、9月和2011年5、7、9月对汤河水库以及2010年和2011年5、7、9月对大伙房水库分别进行底栖动物采样,采样点的选取按照相应规范,以均匀覆盖水库上、中、下游区域且具有代表性为标准[2],共设置9个采样点,如图1所示。

1.2 方法

1.2.1 样品的采集与检测 使用1/16 m2“改良彼德生”采泥器,从每个采样点采集泥样1～2份,泥样经孔径为80目的筛绢网洗涤,剩余物置于白瓷盘中,以肉眼所见为准,挑出底栖动物,样本用体积分数为70%的酒精固定24 h后用体积分数为10%的福尔马林溶液保存。

样品经种类鉴定,计数每个种的数量,再将每个种放在吸水纸上,用镊子拨动,直至没有水印迹为止,然后用电子天平称重 (精度为0.000 1),并换算成每平方米的生物量。

1.2.2 水化学指标的测定 采样现场测定水温、水深、溶解氧、透明度、pH、电导率等水质指标,采集水样带回实验室测定叶绿素、总氮、总磷、氨态氮、亚硝酸盐、硝酸盐、活性磷、总碱度、总硬度等指标。

图1 大伙房水库和汤河水库采样点分布图Fig.1 Distribution of sampling sites in Dahuofang Reservoir and Tanghe Reservoir

1.2.3 物种多样性指数和生物学污染指数 各底栖动物的Shannon-Wiener多样性指数 (H＇)、改进的Shannon-Wiener多样性指数 (H)、Pielou均匀度指数 (J)、Simpson优势度指数 (D)、Margalef丰富度指数 (D＇)、Goodnight-Whitley生物指数(GI)、生物学指数 (BPI)的计算公式为[2-6]

式中:N为群落中所有物种的总个体数;Ni为第i个物种的个体数;S为总物种数;N1为寡毛类、蛭类以及摇蚊幼虫的个体数;N2为多毛类、甲壳类以及除摇蚊幼虫外其他水生昆虫的个体数;N3为软体动物的个体数。

1.2.4 底层鱼类生产量的计算 生产量是由各种类生物的生物量与其已知的P/B系数的乘积得到的,各种类的P/B系数参考有关资料[7-8]。若个别种类没有P/B系数,则以该类群优势种的P/B系数计算。水库每年的渔产潜力计算公式[9]如下:

式中:F为年渔产潜力;B0为寡毛类生物量;BI为水生昆虫生物量;BM为软体动物生物量。鱼产力的计算法参考何志辉等[10]的方法:P/B系数为5,利用率为25%,饵料系数为5。

2 结果

2.1 底栖动物的种类组成和优势种

两座水库底栖动物组成见表1,共采集到底栖动物22种,其中汤河水库共检测出大型底栖动物15种,分属于3门7科,其中环节动物6种,占40%;软体动物2种,占13.3%;节肢动物7种,占46.7%。大伙房水库共检测出大型底栖动物19种,分属于3门6科,其中环节动物6种,占31.6%;软体动物1种,占5.3%;节肢动物12种,占63.1%。以相对密度大于9%为标准确定优势种,则优势种主要为霍甫水丝蚓 Limnodrilus hoffmeisteri和克拉伯水丝蚓L.claparedianus。

2.2 底栖动物密度和生物量的季节变化

两座水库底栖动物密度和生物量的季节变化如表2所示。汤河水库2010年底栖动物密度平均为349.3 ind./m2,9月高于7月,2011年底栖动物密度平均为141.5 ind./m2,5月最高,9月最低; 2010年底栖动物生物量平均为4.13 g/m2,7月高于9月,2011年底栖动物生物量平均为 5.07 g/m2,9月最高,7月最低。大伙房水库2010年底栖动物密度平均为333.6 ind./m2,7月最高,9月最低,2011年底栖动物密度平均为 137.9 ind./m2,5月最高,7月最低;2010、2011年底栖动物生物量平均分别为4.13、198.99 g/m2,均为7月最高、9月最低。

表1 汤河水库和大伙房水库底栖动物的种类组成Tab.1 Species compositions of zoobenthos in Tanghe Reservoir and Dahuofang Reservoir

2.3 底栖动物的水平分布

两座水库各采样点的底栖动物密度和生物量水平分布如图2、图3所示。由图2可以看出,汤河水库中下游库区生物密度相对较高。其中5#采样点即水库中游的底栖动物主要是环节动物和水生昆虫,而8#采样点即水库下游的底栖动物则主要是环节动物;2#、3#和8#采样点的生物量较高,且各采样点生物量的差异较大,这是由于软体动物的生物量相对较大引起的。从图3可见,大伙房水库中游水域生物密度相对较高,环节动物在各采样点生物密度的组成占大部分比例,且各点生物密度的差异较大;1#、4#、6#3个采样点的生物量较高,且4#采样点生物量明显高于其他采样点,这同样是由于软体动物的生物量相对较大引起的。

2.4 多样性指数

两座水库底栖动物多样性指数的水平分布如表3所示。从表3和图4可见,汤河水库各指数的变化趋势几乎相同 (除2011年5月Goodnight-Whitely生物指数外),且波动不大。Shannon-Wiener多样性指数的平均值为1.23,Simpson优势度指数的平均值为0.65,Margalef丰富度指数的平均值为1.73,Goodnight-Whitely生物指数的平均值为0.73,Pewlou均匀度指数的平均值为0.81,BPI指数的平均值为4.64。

图2 汤河水库底栖动物密度和生物量的水平分布Fig.2 Horizontal distribution of density and biomass of zoobenthos in Tanghe Reservoir

图3 大伙房水库底栖动物密度和生物量的水平分布Fig.3 Horizontal distribution of density and biomass of zoobenthos in Dahuofang Reservoir

表2 汤河水库和大伙房水库底栖动物密度和生物量的季节变化Tab.2 Seasonal variation in density and biomass of zoobenthos in Tanghe Reservoir and Dahuofang Reservoir

从表3和图4可见,大伙房水库各采样点的生物多样性指数有一定的变化。水库中上游的Shannon-Wiener多样性指数和Margalef丰富度指数明显高于中、下游,而其他多样性指数的变化并不十分明显,但水库中游采样点的各多样性指数略低于其他采样点。这可能是由于每年水库上游新鲜水体的注入和水库下游中上层水体的泄洪导致水库下游底质产生大量的沉积,使水库底层富营养化程度呈现从水库上游到下游逐渐增加的趋势。Shannon-Wiener多样性指数的平均值为1.46,Simpson优势度指数的平均值为0.70,Margalef丰富度指数的平均值为1.29,Goodnight-Whitely生物指数的平均值为0.87;Pewlou均匀度指数的平均值为0.69,BPI指数的平均值为4.95。

两座水库底栖动物多样性指数的季节变化如图4所示,从图4可以看出,汤河水库各指数除2011年5月Goodnight-Whitely生物指数出现一极小值外,其他指数变化趋势近乎相同,且波动不大;大伙房水库各多样性指数变化趋势基本相同但略有差异,波动亦不明显。

表3 汤河水库和大伙房水库多样性指数的空间分布Tab.3 The spatial distribution of diversity index in Thanghe Reservoir and Dahuofang Reservoir

图4 两座水库底栖动物多样性指数的季节变化Fig.4 Seasonal variation in diversity index in the two reservoirs

2.5 底栖动物生物量与环境因子的相关性分析

汤河水库底栖动物密度与各主要环境因子的相关分析表明:底栖动物密度 (y)与活性磷 (x1)呈极显著正相关 (P＜0.01),关系式为y=5962.2 x1-4.2743(R2=0.2211),底栖动物密度 (y)和BOD5(x2)也呈极显著正相关 (P＜0.01),关系式为y=103.01x2-47.049(R2=0.3075)。大伙房水库底栖动物密度与各主要环境因子的相关分析表明:底栖动物密度 (y)与温度 (x3)呈显著负相关 (P＜0.05),关系式为 y=-14.751x3+456.95 (R2=0.1317),底栖动物密度 (y)与BOD5(x2)呈极显著正相关 (P＜0.01),关系式为 y= 642.76x2-606.63(R2=0.2207)。

2.6 底栖动物的生产量和渔产潜力

从表4可见:大伙房水库渔产潜力高于汤河水库,其中大伙房水库软体动物支持的渔产潜力最高,占61.8%,寡毛类次之,占23.2%,水生昆虫最少,占14.9%;汤河水库寡毛类支持的渔产潜力最高,占75.8%,水生昆虫次之,占19.2%,软体动物最少仅占5.0%。

3 讨论

3.1 两座水库底栖动物的分布特征

水库水质对底栖动物的密度和生物量都有显著的影响[11-12],富营养化程度较高的库区优势种极为明显,且都具有喜有机质和耐缺氧的习性,如霍甫水丝蚓为汤河水库8#采样点和大伙房水库6#采样点的优势种,而在两座水库的上游优势种则并不十分明显。两座水库底栖动物密度和生物量与水深的关系都不显著,这可能是由于采样调查期间辽宁省内洪水暴发以及水库泄洪引起的水库外部泥沙大量进入水库底层引起的。

表4 两座水库底栖动物的生产量和渔产潜力Tab.4 Zoobenthos production and fisheries production in the two reservoirs kg/(hm2·a)

3.2 与其他水库底栖动物群落结构的比较

从表5可见:2010—2011年对汤河水库和大伙房水库的调查结果与其他同类型水库相比生物密度相对较小,这可能与底层鱼类的放养、水库底质组成以及采样期间辽宁省内洪水暴发和水库泄洪等因素有关。

表5 汤河水库和大伙房水库底栖动物群落结构与其他水库底栖动物群落结构的比较Tab.5 Comparison of zoobenthos community between Tanghe Reservoir and Dahuofang Reservoir and other reservoirs

3.3 两座水库底栖动物的资源利用

根据表4的计算结果,汤河水库的渔产潜力为11.59 kg/(hm2·a),汤河水库面积为1 793 hm2,则水库提供的底层鱼类年放养潜力应为20 800 kg;大伙房水库的渔产潜力为32.11 kg/(hm2·a),大伙房水库面积为5 333.3 hm2,则水库提供的底层鱼类年放养潜力应为171 000 kg。根据目前两座水库鲤、鲫等鱼类的收获量来看尚未达到这一标准,应适当增加底层经济鱼类的放养,以使底栖动物发挥其最大经济效益。

3.4 水质生态评价与底栖动物多样性

参考有关文献,并结合大伙房及汤河水库的实际情况,确定评价标准为:Shannon-Wiener多样性指数和 Margalef丰富度指数值＞3.0为清洁, 3.0～2.0为轻度污染,2.0～1.0为中度污染,＜1.0为严重污染。Simpson优势度指数＜1.10为清洁,1.10～0.75为轻度污染,0.75～0.50为中度污染,＜0.50为严重污染。Goodnight-Whitley生物指数＜60%为清洁,60% ～80%为轻中度污染,＞80%为严重污染。BPI指数＜0.1为清洁,0.1～0.5为轻度污染,0.5～5.0为中度污染,＞5.0为严重污染[3-4]。本研究中,根据Shannon-Wiener多样性指数和Simpson优势度指数的值判定,汤河水库和大伙房水库均为中度污染;根据Margalef丰富度指数和BPI指数值判定,汤河水库和大伙房水库均为中度污染;根据Goodnight-Whitley生物指数值判定,汤河水库为中度污染,大伙房水库为严重污染。

从多样性指数的空间分布来看,水库上游的物种多样性明显高于水库下游,这与水库的生态学特征是相符合的。由于每年水库上游新鲜水体的注入和水库下游中上层水体的泄洪导致水库下游底质产生大量的沉积,使水库底层富营养化程度呈现从水库上游到下游逐渐增加的趋势[19]。本研究中对两座水库水质指标的检测显示,两座水库的总氮、氟化物、挥发酚等指标均已超出 《渔业水质标准》(GB11607—89,1990-03-01实施)规定的数值,与底栖动物多样性评价结果相符,证明了使用底栖动物作为水质状况的指示生物是可信的。而相对于直接进行水质监测,底栖动物的群落特征能够反映水质长期变化的结果,为水库的综合治理提供了更有力的依据。

[1] 熊金林,梅兴国,胡传林.不同污染程度湖泊底栖动物群落结构及多样性比较[J].湖泊科学,2003,15(2):160-167.

[2] 何志辉,赵文.养殖水域生态学[M].大连:大连出版社,2001: 295.

[3] 万成炎,吴晓辉,胡传林.江苏省水库底栖动物调查及其综合评价[J].湖泊科学,2004,16(1):43-47.

[4] 张世海,张瑞雷,王丽卿.上海市淀山湖底栖动物群落结构及水质评价[J].四川动物,2010,29(3):452-458.

[5] 陈立斌,赵文,殷守仁,等.官厅水库底栖动物的群落结构及其时空格局[J].大连海洋大学学报,2012,27(1):44-52.

[6] 刘丙阳,赵文,郭凯,等.辽宁汤河水库浮游动物的群落结构及其时空格局[J].大连海洋大学学报,2011,26(6):526-531.

[7] 龚志军.长江中游浅水湖泊大型底栖动物的生态学研究[D].武汉:中国科学院水生生物研究所,2002.

[8] 王银东.武汉市南湖大型底栖动物生态学研究和优势种群的遗传多样性[D].武汉:华中农业大学,2005.

[9] 王洪铸,阎云军,梁彦龄.底食性鱼类渔产潜力[M]//崔奕波,李钟杰.长江流域湖泊的渔业资源与环境保护.北京:科学出版社,2005:304-307.

[10] 何志辉.湖泊水库渔产力的估算[J].水产科技情报,1982 (4):2-5.

[11] 龚志军,谢平,唐汇涓,等.水体富营养化对大型底栖动物群落结构及多样性的影响[J].水生生物学报,2001,25(3):210-216.

[12] 谢平,诸葛燕,戴莽.水体富营养化对浮游生物群落多样性的影响[J].水生生物学报,1996,20(增刊):30-37.

[13] 邱春刚,赵文,陈立斌.汤河水库底栖动物的群落结构及时空格局的研究[J].大连水产学院学报,2009,24(增刊):107-112.

[14] 池仕运,彭建华,万成炎.湖北省三道河水库底栖动物的初步研究[J].湖泊科学,2009,21(5):705-712.

[15] 彭建华,刘家寿,熊邦喜.湖北浮桥河水库底栖动物的群落结构及生物多样性[J].湖泊科学,2002,14(1):90-96.

[16] 薛俊增,谭一粒,王宝强,等.新疆塘巴湖水库底栖动物生态学研究[J].四川动物,2010,29(5):580-583.

[17] 史玉强,李树莹,崔双发,等.辽宁大伙房水库水质及水生生物群落结构的研究[J].大连水产学院学报,2003,18(1):23-28.

[18] 于洪贤.泥河水库底栖动物群落结构的研究[J].水利渔业, 2001,21(5):36-38.

[19] 陈其羽,梁彦龄,吴天惠.武汉东湖底栖动物群落结构和动态的研究[J].水生生物学报,1980,7(1):41-56.

The zoobenthos community structures,ground fish production and ecological assessment for water quality in Tanghe Reservoir and Dahuofang Reservoir

SHI Jian1,ZHAO Wen1,LI He2,ZHANG Zhi-peng1,LI Wen-kuan2,XIE Han2
(1.Key Laboratory of Hydrobiology in Liaoning Province,College of Fisheries and Life Science,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China; 2.Freshwater Fisheries Research Academy of Liaoning Province,Liaoyang 111000,China)

The zoobenthos community structures were surveyed in Tanghe Reservoir and Dahuofang Reservoir from 2010 to 2011.Fifteen zoobentho species in 7 families and 3 phyla were found in Tanghe Reservoir with average density of 224.61 ind./m2,average biomass of 4.69 g/m2,and predominant species Limnodrilus hoffmeisteri and Limnodrilus claparedianus.Nineteen zoobentho species in 6 families and 3 phyla were observed in Dahuofang Reservoir with average density of 235.77 ind./m2,average biomass of 101.56 g/m2,and predominant species Limnodrilus hoffmeisteri,Limnodrilus claparedianus and Branchiura sowerbyi.There was a very significantly positive correlation between zoobenthos density and available phosphorus levels and BOD5in Tanghe Reservoir(P＜0.01). The very significantly positive correlation was found between the zoobenthos density and BOD5(P＜0.01)and negative significant correlation with water temperature(P＜0.05)in Dahuofang Reservoir.The potential fishery productivity of ground fishes was estimated at 11.59 kg/(hm2·a)in Tanghe Reservoir,namely totally 20 800 kg in the reservoir.The potential annual fishery productivity of ground fishes was found at 32.11 kg/(hm2·a)in Dahuofang Reservoir,namely totally 171 000 kg in the reservoir.

Tanghe Reservoir;Dahuofang Reservoir;zoobenthos;community structure;ground fish production; water quality ecological evaluation

S932.8

:A

2095-1388(2013)04-383-07

2012-12-17

辽宁省海洋与渔业厅项目 (200920)

史键 (1986-),男,硕士研究生。E-mail:shij100k@126.com

赵文 (1963-),男,博士,教授。E-mail:zhaowen@dlou.edu.cn