2020年洞庭湖水生生物群落結構特征及水生態(tài)評價研究

彭 嫻,朱丹丹,王丑明

(1.湖南省岳陽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,湖南 岳陽 414000; 2.湖南省洞庭湖生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,湖南 岳陽 414000)

0 引 言

水生生物監(jiān)測與評價是指通過對水體中水生生物的調查來評價水體的生物學質量。有助于水環(huán)境管理目標從“水質監(jiān)測”向“水生態(tài)監(jiān)測”轉變。以往對洞庭湖水環(huán)境變化研究主要集中在水環(huán)境容量或泥沙淤積[1-3]、重金屬污染[4-6]等方面,在水環(huán)境質量評價研究方面,主要是采用水質單因子、綜合指數(shù)[7-9],底棲動物完整性指數(shù)[10-11]和浮游植物完整性指數(shù)進行水質評價[12],目前還沒有運用水質、生境和水生生物綜合指數(shù)對洞庭湖進行水生態(tài)的綜合評價。為了解洞庭湖水生生物狀況并進行水生態(tài)評價,在2020年對洞庭湖水質、浮游植物、浮游動物和底棲動物進行調查,采用Shannon-Wiener指數(shù)分別對浮游植物、浮游動物和底棲動物進行單獨評價,并首次全面運用水質、生境和水生生物評價指標對洞庭湖的水生態(tài)環(huán)境質量進行綜合指數(shù)法(WQI)評價,從而較全面地掌握洞庭湖水生生物群落結構與水生態(tài)狀況,為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測積累重要的基礎數(shù)據(jù)以及為湖泊管理提供科學依據(jù),并可為后續(xù)的相關研究提供借鑒和參考。

1 研究區(qū)域概況

洞庭湖為中國第二大淡水湖,位于湖南省北部、長江中游荊江段南岸,北緯28°30′～29°31′、東經(jīng)111°40′～113°10′。目前,洞庭湖由西洞庭湖、南洞庭湖和東洞庭湖3部分串聯(lián)而成,北面經(jīng)由松滋、虎渡、藕池三河分流長江,西面和南面接納湘、資、沅、澧四水,東面汨羅江、新墻河匯入,由東北面城陵磯一口注入長江,多年平均入江徑流量約2 870億m3。近幾十年來,洞庭湖富營養(yǎng)化有加劇的趨勢,每年入湖總氮和總磷非常高[13],是洞庭湖的主要污染因子[14-16]。

2 材料與方法

2.1 監(jiān)測概況

(1) 監(jiān)測斷面。東洞庭湖、岳陽樓、鹿角和扁山等4個東洞庭湖斷面;橫嶺湖、萬子湖和虞公廟等3個南洞庭湖斷面;小河嘴、蔣家嘴和南嘴等3個西洞庭湖斷面以及洞庭湖出口斷面 (圖1)。

(2) 浮游植物、浮游動物和底棲動物,每季度監(jiān)測一次。其中,對于水深小于5 m的水體,在水面下0.5 m處布設一個采樣點;當水深為5～10 m時,分別在水面下0.5 m處和透光層底部各布設一個采樣點,進行分層采樣后取混合樣,能夠滿足水生態(tài)監(jiān)測技術規(guī)范要求。水生生物樣品采集后帶回實驗室進行分析。對水質監(jiān)測常規(guī)21項指標每月監(jiān)測一次,采樣與分析嚴格按照《國家地表水環(huán)境質量監(jiān)測網(wǎng)監(jiān)測任務作業(yè)指導書》(試行)進行質量控制,監(jiān)測樣品采樣與分析全過程能夠滿足質量保證工作要求。

(3) 測定方法與數(shù)據(jù)來源:測定方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》《淡水浮游生物研究方法》[17-18]。浮游植物、浮游動物和底棲動物、水質監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于湖南省洞庭湖生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心和岳陽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心。

2.2 數(shù)據(jù)處理

將優(yōu)勢度指數(shù)Y>0.02的浮游動物定為優(yōu)勢種。水生生物評價采用Shannon-Wiener指數(shù),即

H=-∑[(ni/N)log2(ni/N)]

(1)

式中:ni為第i分類單元的個體數(shù);N為各分類單元的個體總和。洞庭湖水體各區(qū)域水質類別、整體水質狀況根據(jù)環(huán)辦[2011]22號文件附件《地表水環(huán)境質量評價辦法》(試行)進行水質類別單因子和整體水質狀況評價。湖泊營養(yǎng)狀態(tài)評價指標為總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)、葉綠素a和透明度5項,參考中國環(huán)境監(jiān)測總站《湖泊(水庫)富營養(yǎng)化評價方法及分級技術規(guī)定》中的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價方法進行換算。

2.3 水生態(tài)評價

根據(jù)《湖庫水生態(tài)環(huán)境質量監(jiān)測與評價技術指南》(征求意見稿),采用綜合指數(shù)法進行水生態(tài)環(huán)境質量綜合評估,通過水化學指標(權重0.4)、物理生境指標(權重0.2)和水生生物指標(權重0.4)加權求和,構建水生態(tài)環(huán)境質量綜合指數(shù)WQI,以該指數(shù)表示各評估單元和水環(huán)境整體的質量狀況。

(2)

式中:WQI為水生態(tài)環(huán)境質量綜合指數(shù),xi為評價指標分值,wi為評價指標權重。

綜合評價水化學指標選擇綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI(Σ),水生生物選擇Shannon-Wiener多樣性指標H′,生境狀況H通過現(xiàn)場打分來確定,其分值范圍等級見表1。

表1 水生態(tài)評價等級及賦分

根據(jù)水生態(tài)環(huán)境綜合評價指數(shù)(WQI)分值大小,將水生態(tài)環(huán)境質量狀況等級分為5級,具體指數(shù)分值和質量狀況分級詳見表2。

表2 水生態(tài)環(huán)境質量狀況分級標準

3 結果與分析

3.1 水質和生境情況

2020年洞庭湖的11個湖體斷面21項水質監(jiān)測指標中,主要超標項目為總氮、總磷。由表3可知,11個斷面的總氮年均值范圍在1.27～1.88 mg/L之間,均明顯超過GB 3838-2002《地表水環(huán)境質量標準》中Ⅲ類標準限值(1.0 mg/L),洞庭湖湖體總氮年均值為1.60 mg/L;11個斷面的總磷年均值范圍在0.040～0.068 mg/L之間,除小河嘴外,其他10個湖體斷面的總磷年均值均高于GB 3838-2002《地表水環(huán)境質量標準》中湖、庫Ⅲ類標準限值(0.05 mg/L),2020年洞庭湖湖體總磷年均值0.060 mg/L。水質單因子評價(總氮不參與評價)結果:小河嘴斷面為Ⅲ類水質,其他10個斷面均為Ⅳ類水質,Ⅲ類、Ⅳ類水質斷面比例分別為9.1%和90.9%,11個湖體斷面總體水質為輕度污染。11個斷面綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)在41.61～50.24之間,全湖綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為46.87,為中營養(yǎng)。除洞庭湖出口斷面為輕度富營養(yǎng)外,其他斷面均為中營養(yǎng)。洞庭湖出口是眾水匯入的場所,既承接岳陽市生活廢水、工業(yè)污水、地表徑流,也因斷面拓寬,流速減慢,同時受長江水流頂托影響,洞庭湖出口的泥沙淤積加重,泥沙攜帶夾雜著大量的污染物質,從而導致洞庭湖出口輕度富營養(yǎng)化。

表3 2020年洞庭湖不同湖區(qū)水質和營養(yǎng)水平

根據(jù)《湖庫水生態(tài)環(huán)境質量監(jiān)測與評價技術指南》(征求意見稿)進行生境打分評價,結果表明:洞庭湖生境質量評價結果在85～100之間,平均為92,總體為中等。分湖區(qū)來看,南洞庭湖生境質量最好,其次為西洞庭湖,東洞庭湖生境質量最差(表4)。東洞庭湖區(qū)的生境評價差,其影響因素較多,主要原因可能是岳陽市坐落于東洞庭湖區(qū),其國內(nèi)生產(chǎn)總值及單位面積生產(chǎn)總值較高,與另外兩個湖區(qū)比,人類活動頻繁,生產(chǎn)生活導致大量污染物進入湖區(qū)周邊。

表4 洞庭湖生境質量評價

3.2 洞庭湖水生生物狀況

3.2.1 浮游植物

2020年洞庭湖浮游植物共檢出6門73屬,其中藍藻門14屬,綠藻門29屬,硅藻門20屬,裸藻門4屬,甲藻門3屬,隱藻門2屬,金藻門1 屬。優(yōu)勢種類為偽魚腥藻(Pseudanabaenasp.)、直鏈藻(Melosirasp.)、尖頭藻(Raphidiopsissp.)、平裂藻(Merismopediasp.)和十字藻(Crucigeniasp.)等。全湖平均密度為95.7×104個/L,密度范圍在17.7×104～356.2×104個/L之間,東洞庭湖斷面密度最高,橫嶺湖斷面最低(圖2)。全湖浮游植物密度以藍藻為主,占總密度的70.5%,其次為綠藻和硅藻,分別占總密度的13.0%和10.6%,裸藻門、甲藻門、隱藻門和金藻門最少,占總密度的5.9%。浮游植物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)平均為2.1,評價為良好。從斷面來看,小河嘴、萬子湖和鹿角斷面為優(yōu)秀,其余斷面為良好。

圖2 洞庭湖浮游植物群落結構空間分布特征Fig.2 Spatial distribution of phytoplankton community structure in Dongting Lake

洞庭湖浮游植物優(yōu)勢種群從20世紀90年代初以隱藻和硅藻為主轉變?yōu)槟壳耙怨柙搴途G藻為主,在個別湖區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)以藍藻為優(yōu)勢的種群[19],而本研究表明,藍藻已經(jīng)在全湖廣泛分布,和汪夢琪等研究結果[20]較為相似,表明洞庭湖富營養(yǎng)化有加劇的趨勢。

3.2.2 浮游動物

2020年洞庭湖浮游動物共檢出48屬種,其中輪蟲為18屬種,枝角為類18屬種,橈足類為12屬種。優(yōu)勢種類有廣生多肢輪蟲(Polyarthravulgaris)、螺形龜甲輪蟲(Keratellacochlearis)、象鼻蚤(Bosminasp.)以及無節(jié)幼體(nauplius)等。全湖平均密度為74個/L,其中輪蟲占84.4%,橈足類占11.2%,枝角類占4.4%。生物密度范圍為27～152個/L,蔣家嘴斷面最低,南嘴斷面最高(圖3)。洞庭湖浮游動物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)平均為1.77,評價為中等。從斷面來看,東洞庭湖、扁山和岳陽樓為良好,其余斷面為中等。

圖3 洞庭湖浮游動物群落結構空間分布特征Fig.3 Spatial distribution of zooplankton community structure in Dongting Lake

洞庭湖浮游動物群落結構表現(xiàn)為以小型輪蟲為主的特征,而大型的枝角類和橈足類相對較少,這與國內(nèi)大多數(shù)大型淡水湖泊等研究結果相似[21-22]。研究表明:隨著湖泊富營養(yǎng)化,浮游動物的群落結構由大型浮游動物向小型浮游動物轉變[23]。近些年洞庭湖浮游植物優(yōu)勢種群為藍藻,不利于枝角類、橈足類等大型浮游動物的攝食,而輪蟲可以利用藍藻,導致其在水體中占優(yōu)[24],此外洞庭湖鰱、鳙等魚類對枝角類和橈足類的濾食也可能是浮游動物小型化的因素[25]。

3.2.3 底棲動物

2020年洞庭湖底棲動物共檢出57種,其中水生昆蟲27種,軟體動物21種,寡毛類5種,其他動物4種,優(yōu)勢種類有指突隱搖蚊(Cryptochironomusrostratus)、多足搖蚊(Polypedilumsp.)、銅銹環(huán)棱螺(Bellamyaaeruginosa)、河蜆(Corbiculafluminea)、蘇氏尾鰓蚓(Branchiurasowerbyi)和鉤蝦(Grandidierellasp.)等。全湖平均密度為141個/m2,其中,水生昆蟲占18.6%,軟體動物占30.7%,寡毛類占11.4%,其他占39.3%,密度范圍為24～336個/m2,洞庭湖出口斷面密度最低,東洞庭湖斷面最高(圖4)。洞庭湖底棲動物的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)平均為2.13,評價為良好。從斷面來看,南嘴、小河嘴、橫嶺湖和岳陽樓斷面為中等,其余斷面為良好。

圖4 洞庭湖底棲動物群落結構空間分布特征Fig.4 Spatial distribution of benthos community structure in Dongting Lake

近30 a洞庭湖底棲動物優(yōu)勢種發(fā)生了較大程度的變遷,較為耐污的種類成為了優(yōu)勢種,洞庭湖的雙殼類優(yōu)勢種由大型的蚌類演變?yōu)樾⌒偷暮油榌26]。本文研究結果也證明了這一點,洞庭湖優(yōu)勢種如指突隱搖蚊、多足搖蚊、銅銹環(huán)棱螺、蘇氏尾鰓蚓等多為耐污種,同時雙殼類優(yōu)勢種也只有河蜆。軟體動物也多為小型的種類,水生昆蟲占比也有所下降,并且減少的主要是毛翅目和蜉蝣目等敏感種類,與相關研究結果較為相似[10,27]。

3.2.4 水生態(tài)評價

2020年洞庭湖WQI指數(shù)得分在3.2～3.8之間,平均為3.4,洞庭湖所有斷面均評價為良好。分斷面來看,扁山、鹿角和岳陽樓得分較低,小河嘴得分最高(圖5)。

圖5 2020年洞庭湖各斷面的WQI指數(shù)Fig.5 WQI index of each sites of Dongting Lake in 2020

4 結 論

(1) 洞庭湖浮游植物共檢出6門73屬,優(yōu)勢種類有偽魚腥藻、直鏈藻、尖頭藻、平裂藻和十字藻,全湖平均密度為95.7×104個/L;洞庭湖浮游動物共檢出48屬種,洞庭湖浮游動物優(yōu)勢種是廣生多肢輪蟲、螺形龜甲輪蟲、象鼻蚤以及無節(jié)幼體,全湖平均密度為74個/L;底棲動物共檢出57種,優(yōu)勢種類有指突隱搖蚊、多足搖蚊、環(huán)棱螺、河蜆、蘇氏尾鰓蚓和鉤蝦,全湖平均密度為141個/m2。

(2) 洞庭湖的總體水質為輕度污染,主要超標項目為總氮、總磷。綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為46.87,為中營養(yǎng)。洞庭湖生境質量評價結果為92分,為中等。采用WQI指數(shù)對洞庭湖進行水生態(tài)評價,結果顯示洞庭湖水生態(tài)環(huán)境質量為良好。