采砂對鄱陽湖水質(zhì)和大型底棲動(dòng)物的影響研究

薛 肖 斌,黃 小 龍,王 雨 婷

(1.湖北省地質(zhì)局水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),湖北 荊州 430020; 2.湖北省地質(zhì)局 資源與生態(tài)環(huán)境地質(zhì)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430034; 3.生態(tài)環(huán)境部長江流域生態(tài)環(huán)境監(jiān)督管理局 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與科學(xué)研究中心,湖北 武漢 430014)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展,建筑行業(yè)對砂石資源的需求量日益激增,導(dǎo)致河道、湖泊的采砂行為在全世界范圍內(nèi)興起。鄱陽湖是中國第一大淡水湖和重要的生態(tài)屏障,砂石資源豐富,采砂產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)[1]。2000年以來,長江主河道全面禁止采砂后,大量采砂船涌入鄱陽湖采砂,對鄱陽湖的水文、環(huán)境和生態(tài)產(chǎn)生了顯著影響[2-3],嚴(yán)重制約了鄱陽湖區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的長期可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)。

目前,關(guān)于鄱陽湖采砂的研究多集中于利用高分辨率遙感影像識(shí)別采砂規(guī)模和泥沙平衡[4]、水動(dòng)力條件[5]和水文干旱化機(jī)制[6]等,很少關(guān)注采砂對鄱陽湖水質(zhì)和水生生物的影響。通過對近10 a鄱陽湖出口水質(zhì)變化趨勢及影響因素的分析,發(fā)現(xiàn)鄱陽湖正面臨水質(zhì)污染的風(fēng)險(xiǎn),整體水質(zhì)與含沙量顯著正相關(guān)[7]。長時(shí)序的采砂規(guī)模和水文泥沙效應(yīng)分析結(jié)果表明,無序開采湖砂資源對水質(zhì)狀況存在影響,包括懸浮物含量、水土體系化學(xué)物質(zhì)時(shí)空分布[4,8-10]。但現(xiàn)有研究未能全面反映采砂影響下的水質(zhì)演化規(guī)律。此外,采砂對沉積物的擾動(dòng)疊加水質(zhì)污染,可進(jìn)一步影響大型底棲生物、魚類等水生生物的生存環(huán)境[11]。在淮河下游的洪澤湖,采砂造成大型底棲動(dòng)物密度和生物量分別下降了28%和79%,但該研究未使用多樣性指數(shù)作系統(tǒng)評價(jià)[12];在洞庭湖,水環(huán)境惡化驅(qū)動(dòng)了大型底棲動(dòng)物物種群落結(jié)構(gòu)的變異,但該研究未指出采砂對大型底棲動(dòng)物的直接影響[13]。

鑒于此,為深入揭示采砂影響下的鄱陽湖水質(zhì)演化和大型底棲動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)演變規(guī)律,本文通過分區(qū)采樣測定理化指標(biāo)和大型底棲動(dòng)物,利用水質(zhì)指標(biāo)插值分析、主成分分析、優(yōu)勢度和多樣性指數(shù)對比、典范對應(yīng)分析等方法,精細(xì)刻畫采砂對鄱陽湖水域懸浮物、營養(yǎng)鹽、大型底棲動(dòng)物的影響,為加強(qiáng)鄱陽湖采砂管理、科學(xué)開發(fā)湖區(qū)砂石資源、保障濕地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定、保障鄱陽湖生態(tài)環(huán)境安全提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

鄱陽湖位于長江中下游南岸,是長江流域一個(gè)重要過水性、吞吐型、季節(jié)性的淺水湖泊,是中國第一大淡水湖。鄱陽湖地處江西省的北部,地理坐標(biāo)北緯28°22′～29°45′,東經(jīng)115°47′～116°45′,屬亞熱帶濕潤季風(fēng)型氣候,年平均氣溫在17 ℃左右,年內(nèi)變化較大,年日照量約1 800～2 100 h,雨量豐沛,年平均降水量可達(dá)1 400～1 900 mm,但降水年際變化較大[14]。湖區(qū)面積在平水位(14～15 m)時(shí)為3 150 km2,高水位(20 m)時(shí)高達(dá)4 125 km2。鄱陽湖承納贛江、撫河、信江、饒河、修水五大河流及清豐山溪、博陽河、漳田河、潼津河等區(qū)間來水,構(gòu)成了完整獨(dú)立的鄱陽湖水系。

鄱陽湖地處揚(yáng)子地層區(qū),構(gòu)造單元系下?lián)P子-錢塘臺(tái)坳和江南臺(tái)隆。地質(zhì)年代屬新生代第四紀(jì)和第三紀(jì),其中南部的進(jìn)賢縣、余干縣、東南部鄱陽縣和北部濂溪區(qū)等地屬第四紀(jì)更新世和新第三紀(jì)中新世;西南部的贛江沿岸、西部的永修縣、西北部的廬山市屬第三紀(jì)上新世;北部屬第四紀(jì)全新世。湖區(qū)表層沉積物以第四系細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、含黏土礫石為主[15-16]。

依據(jù)鄱陽湖近3 a的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果,鄱陽湖水體以Ⅳ類水為主,主要超標(biāo)因子為總磷。鄱陽湖大型底棲動(dòng)物共記錄有48種,隸屬7綱16目22科38屬,優(yōu)勢種主要為河蜆、銅銹環(huán)棱螺和大沼螺[17]。

1.2 樣品采集與保存

樣品采集于2021年8月(豐水期),在湖區(qū)及主要入湖支流共采集17件水質(zhì)樣品。通過收集水利、采砂管理等相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)與監(jiān)測數(shù)據(jù),將2018年及以前發(fā)生采砂作業(yè)的區(qū)域作為歷史采砂區(qū),將2019年及以后依據(jù)江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院負(fù)責(zé)編制的《江西省鄱陽湖采砂規(guī)劃(2019～2023年)》中的采砂區(qū)作為規(guī)劃采砂區(qū),同為歷史采砂區(qū)和規(guī)劃采砂區(qū)的按歷史采砂區(qū)計(jì)。未有任何記錄采砂作業(yè)的區(qū)域?yàn)槲床缮皡^(qū),其余區(qū)域?yàn)椴淮_定區(qū)。本次樣品采集涉及未采砂區(qū)、歷史采砂區(qū)、規(guī)劃采砂區(qū)和不確定區(qū)(見圖1和表1)。未采砂區(qū)樣品3件,歷史采砂區(qū)樣品4件,規(guī)劃采砂區(qū)5件,未確定是否發(fā)生過采砂行為的區(qū)域5件。主要測試指標(biāo)包括:總氮、總磷、總有機(jī)碳、溶解性有機(jī)碳、顆粒性有機(jī)碳、懸浮物、葉綠素a、pH、溶解氧(DO)、電導(dǎo)率、濁度、pH。用YSI 6600V2多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀現(xiàn)場測定溶解氧、電導(dǎo)率、pH。用濁度儀實(shí)測采樣點(diǎn)區(qū)域水體濁度,并根據(jù)現(xiàn)狀采砂行為適當(dāng)加密測試水體濁度。對于其余水質(zhì)測試指標(biāo),用棕色玻璃瓶和HDPE塑料瓶裝滿水樣后,4 ℃冷藏保存,直到送至實(shí)驗(yàn)室測定。

表1 樣品分區(qū)信息Tab.1 Sample partition information

圖1 水樣、沉積物樣品和底棲動(dòng)物樣品采樣點(diǎn)分布Fig.1 Sampling location of water,sediment and benthonic animal

沉積物樣品采用抓斗式底泥采樣器采集,每個(gè)采樣點(diǎn)采集樣品0.5～1.0 kg,采集頻次為3次平均。取上來的底泥樣品用包裝袋密封裝好,貼上樣品標(biāo)簽,然后立即放入預(yù)先準(zhǔn)備好的保溫箱內(nèi),并于采樣后48 h內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析化驗(yàn)。主要檢測指標(biāo):總有機(jī)質(zhì)、總有機(jī)碳、總磷、總氮。

底棲生物用面積為1/16 m2的改良Peterson采泥器定量采集底泥,采得的底泥樣品經(jīng)60目尼龍篩現(xiàn)場洗凈后,其殘余物置于貼好標(biāo)簽的塑料袋中,盡快帶回實(shí)驗(yàn)室。在實(shí)驗(yàn)室中將剩余物放在白色解剖盤中,將底棲動(dòng)物逐一挑出,樣本用10%福爾馬林保存。利用解剖鏡和顯微鏡將樣本都鑒定至盡可能低的分類單元,然后用濾紙吸去表面固定液,置于萬分之一電子天平上稱重,將結(jié)果換算成單位面積的密度(ind./m2)和生物量(g/m2)。

1.3 理化指標(biāo)的測定

水質(zhì)指標(biāo)的測定,包括懸浮物、總氮(TN)、總磷(TP)、總有機(jī)碳、溶解性有機(jī)碳、顆粒性有機(jī)碳、葉綠素a(Chl.a)。用濾膜過濾法測定懸浮物;用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定TN的濃度;用鉬酸銨分光光度法測定TP的濃度;總有機(jī)碳和溶解性有機(jī)碳在樣品前處理后用非色散紅外線吸收法測定,顆粒性有機(jī)碳根據(jù)總有機(jī)碳減溶解性有機(jī)碳計(jì)算得到;葉綠素a濃度(Chl.a)依據(jù)HJ 897-2017《水質(zhì) 葉綠素a的測定分光光度法》采用丙酮提取后用可見分光光度計(jì)測定。沉積物總有機(jī)碳運(yùn)用重鉻酸鉀氧化-分光光度法測定,總氮、總磷的測定方法參考LY/T 1228-2015《森林土壤氮的測定》和LY/T 1232-2015《森林土壤磷的測定》。理化指標(biāo)的測定全部在生態(tài)環(huán)境部長江流域生態(tài)環(huán)境監(jiān)督管理局生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與科學(xué)研究中心完成。

1.4 大型底棲動(dòng)物的測定

在實(shí)驗(yàn)室中將剩余物置于白瓷盤中,將底棲動(dòng)物活體于采樣當(dāng)天逐一挑出,樣本用75%乙醇溶液保存。樣本在實(shí)驗(yàn)室鑒定至盡可能低的分類單元(屬、種),并確定其功能攝食類群,統(tǒng)計(jì)各個(gè)分類單元的數(shù)量(注:如有標(biāo)本損壞,只將頭部數(shù)量作為所統(tǒng)計(jì)動(dòng)物的個(gè)體數(shù),其他器官不計(jì)為個(gè)體數(shù)),然后用濾紙吸去表面固定液,置于電子天平上稱重,最終結(jié)果折算成單位面積的密度和生物量。大型底棲動(dòng)物的測定在生態(tài)環(huán)境部長江流域生態(tài)環(huán)境監(jiān)督管理局生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與科學(xué)研究中心完成。

1.5 數(shù)據(jù)分析

水質(zhì)結(jié)果依據(jù)反距離權(quán)重法對鄱陽湖水域進(jìn)行插值,分析水體物理化學(xué)指標(biāo)的空間分布特征。運(yùn)用主成分分析方法對多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行降維分析,揭示各指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系。

本文主要使用Margalef豐富度指數(shù)、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)對鄱陽湖內(nèi)大型底棲動(dòng)物進(jìn)行分析:

(1) Margalef豐富度指數(shù)(d)。

d=(S-1)lnS

(1)

(2) Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(D)。

(2)

(3) Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)。

(3)

式中:S為群落中的分類單元數(shù);N為群落中的總個(gè)體數(shù);ni為i物種的個(gè)體數(shù)。

本文擬采用優(yōu)勢度(Y)判別鄱陽湖底棲動(dòng)物群落中的優(yōu)勢物種,以Y≥0.02為優(yōu)勢種。計(jì)算公式如下:

Y=Ni×F

(4)

式中:Ni為相對密度,即某一物種的密度占底棲動(dòng)物總密度的百分比;F為某一物種出現(xiàn)總的次數(shù)占所有底棲動(dòng)物出現(xiàn)次數(shù)的百分比。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)特征

鄱陽湖水域各水質(zhì)指標(biāo)分布特征如圖2所示。由圖2可知,pH值范圍為7.47～8.82,平均值為8.1,為弱堿性的水環(huán)境。溶解氧含量范圍為3.68～7.08 mg/L,平均值為5.3 mg/L,高于GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅲ類水限值(5 mg/L)。溶解氧含量較高的區(qū)域也主要為入江口,在采砂區(qū)的下游區(qū)域。電導(dǎo)率范圍為97.8～177.8 μS/cm,平均值為147.2 μS/cm。在采砂船附近,水體電導(dǎo)率含量較低。鄱陽湖水域濁度范圍為1.2～315 NTU,平均值為14 NTU,在采砂區(qū)上游濁度較低,在采砂區(qū)附近濁度高,尤其在下游較高。懸浮物濃度范圍為4～138 mg/L,平均值為17 mg/L,在采砂區(qū)上游懸浮物含量較低,在采砂區(qū)附近懸浮物含量高,尤其在下游較高,表明采砂活動(dòng)對水體濁度和懸浮物影響較大,并隨水流向影響范圍較大。鄱陽湖水域總氮含量范圍為0.12～1.79 mg/L,平均值為0.82 mg/L。總磷含量范圍為0.012～0.096 mg/L,平均值為0.038 mg/L,高值多出現(xiàn)在采砂區(qū)的下游,潛在說明了采砂對總磷的影響。溶解性有機(jī)碳含量范圍為1.89～2.50 mg/L,平均值為2.19 mg/L,顆粒性有機(jī)碳含量范圍為0.05～1.01 mg/L,平均值為0.27 mg/L,從圖2(g)和圖2(h)可以看出,在采砂點(diǎn)附近的溶解性有機(jī)碳和顆粒性有機(jī)碳含量均較低,大致為2.00 mg/L和0.06 mg/L,低于鄱陽湖水體平均值(DOC為2.19 mg/L,POC為0.27 mg/L)。根據(jù)水質(zhì)參數(shù)的分析結(jié)果可推測,采砂對水體的有機(jī)碳含量(包括溶解性有機(jī)碳和顆粒性有機(jī)碳)有一定影響。鄱陽湖水域葉綠素a含量范圍為1.00～40.24 μg/L,平均值為7.62 μg/L,在中部湖區(qū)和北部湖區(qū)均有高值出現(xiàn),但在采砂區(qū)附近較低。

圖2 鄱陽湖水域水質(zhì)特征Fig.2 Water quality characteristics in Poyang Lake

采砂活動(dòng)對水體懸浮物有顯著影響,規(guī)劃采砂區(qū)明顯高于歷史采砂區(qū)和未采砂區(qū),且歷史采砂區(qū)輕微高于未采砂區(qū)。在規(guī)劃采砂區(qū)附近,尤其采砂核心區(qū)500 m范圍內(nèi),懸浮物濃度高達(dá)138 mg/L,沿水流方向2.5 km范圍內(nèi),懸浮物濃度可維持在50 mg/L,在5～10 km范圍內(nèi),仍可達(dá)40 mg/L。本次調(diào)查中,歷史采砂區(qū)和規(guī)劃采砂區(qū)比未采砂區(qū)的總磷含量略高,在規(guī)劃采砂點(diǎn)附近2.5 km范圍內(nèi),總磷含量最高達(dá)0.08 mg/L,較采砂點(diǎn)上游2 km的總磷含量升高一倍(詳見圖3～4)。

圖3 不同采砂區(qū)水體懸浮物與總磷含量對比Fig.3 Comparison of water suspended solid and total phosphorus concentration in different sand mining area

圖4 水體浮懸物和總磷含量隨離規(guī)劃采砂區(qū)距離的變化Fig.4 The variation of water suspended soild and total phosphorus concentration with the distance to the plannd sand mining area

2.2 沉積物營養(yǎng)鹽

沉積物的總有機(jī)碳含量范圍為0.57%～2.83%,平均值為1.38%;沉積物的總磷含量范圍為0.06～0.87 g/kg,平均值為0.44 g/kg;沉積物的總氮含量范圍為0.52～1.73 g/kg,平均值為1.00 g/kg。

未采砂區(qū)、歷史采砂區(qū)和規(guī)劃采砂區(qū)沉積物總有機(jī)碳含量的平均值分別為1.43,1.22,1.27 mg/L,詳見圖5。規(guī)劃采砂區(qū)與歷史采砂區(qū)的總有機(jī)碳含量都有一定程度的降低,表明采砂活動(dòng)可能促進(jìn)沉積物中有機(jī)碳釋放進(jìn)入水體中。結(jié)合水體和沉積物中的有機(jī)碳和溶解氧含量分布可以推測,采砂活動(dòng)可能增加了水環(huán)境中的溶解氧含量,促進(jìn)了有機(jī)碳的氧化過程,導(dǎo)致水體中顆粒性有機(jī)碳和溶解性有機(jī)碳含量降低,沉積物中總有機(jī)碳含量降低。

圖5 沉積物中未采砂區(qū)、歷史采砂區(qū)和規(guī)劃采砂區(qū)的總有機(jī)碳、總氮和總磷對比Fig.5 Comparison of total organic carbon,TN and TP in sediment in no sand mining areas,historical sand mining areas and planned sand mining areas

有機(jī)質(zhì)往往與有機(jī)態(tài)的氮、磷共存,有機(jī)質(zhì)的降低也可能使埋藏于沉積物中的有機(jī)氮、磷釋放進(jìn)入水體[18]。從水體中總磷的分布規(guī)律看,采砂點(diǎn)附近下游水體磷含量較高,受采砂活動(dòng)影響,總磷含量可從0.04 mg/L升高至0.08 mg/L。從沉積物中磷含量的分布看,未采砂區(qū)、歷史采砂區(qū)和規(guī)劃采砂區(qū)的總磷含量平均值分別為0.46,0.27,0.40 g/kg,總氮含量平均值分別為1.17,0.80,0.92 g/kg,歷史采砂區(qū)明顯低于未采砂區(qū),說明過去強(qiáng)烈的采砂活動(dòng)對沉積物化學(xué)組分存在一定影響。而規(guī)劃采砂區(qū)因采砂活動(dòng)的科學(xué)規(guī)范管理和對沉積物擾動(dòng)程度較輕,總磷和總氮含量呈現(xiàn)輕微下降的趨勢,影響有限。

2.3 大型底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)與分布

本次采樣調(diào)查共記錄底棲動(dòng)物3門5綱17種。其中,3門分別為環(huán)節(jié)動(dòng)物門、節(jié)肢動(dòng)物門、軟體動(dòng)物門,按類別分為寡毛類4種(23.53%)、多毛類2種(11.76%)、搖蚊幼蟲6種(35.29%)、軟體動(dòng)物3種(23.53%)、其他動(dòng)物2種(11.76%)。鄱陽湖大型底棲動(dòng)物的平均密度和平均生物量分別為105.4 ind./m2和54.88 g/m2,詳見表2。

表2 未采砂區(qū)、歷史采砂區(qū)和規(guī)劃采砂區(qū)的大型底棲動(dòng)物統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of large benthic animals in no,historical and planned sand mining areas

總體上,底棲動(dòng)物密度和生物量的相對高值出現(xiàn)在北部湖區(qū),詳見圖6。從物種類別上看,以環(huán)節(jié)動(dòng)物和軟體動(dòng)物居多,節(jié)肢動(dòng)物占比較小。從生物量上看,軟體動(dòng)物主導(dǎo)了全湖生物量的空間變化,主要是由于軟體動(dòng)物個(gè)體相對較大。

圖6 鄱陽湖水域大型底棲動(dòng)物密度和生物量分布Fig.6 Density and biomass distribution characteristics of benthic animals in Poyang Lake

軟體動(dòng)物在全湖均有出現(xiàn),主要分布在湖區(qū)內(nèi)部區(qū)域,沿岸區(qū)域分布較少。河蜆、紋沼螺和梨形環(huán)棱螺是主要發(fā)現(xiàn)的軟體動(dòng)物,在全湖廣泛分布。水生昆蟲主要以搖蚊幼蟲為主,全湖搖蚊幼蟲平均密度為11.29 ind./m2,主要分布于北部湖區(qū)。寡毛類和多毛類在鄱陽湖大型底棲動(dòng)物總密度中所占比例較低,分別采集到水絲蚓屬、仙女蟲屬、頭鰓蟲屬、蘇氏尾鰓蚓和沙蠶科、齒吻沙蠶科。其他動(dòng)物主要為舌蛭科和鉤蝦屬。優(yōu)勢度的計(jì)算表明,梨形環(huán)棱螺、紋沼螺、齒吻沙蠶科一種、沙蠶科一種的優(yōu)勢度明顯較高。Simp-son、Shannon-Wiener和Margalef指數(shù)表明,物種多樣性最豐富的為cs08樣點(diǎn),主要分布在采砂區(qū)上游附近。物種多樣性為零的有兩個(gè)樣點(diǎn),cs14位于中部靠南的湖區(qū),cs31位于采樣期間的采砂點(diǎn)附近。

未采砂區(qū)、歷史采砂區(qū)和規(guī)劃采砂區(qū)的物種個(gè)數(shù)平均值分別為3.00,2.25,2.50,說明采砂活動(dòng)影響了鄱陽湖大型底棲動(dòng)物的物種數(shù),且過去高強(qiáng)度開采對大型底棲動(dòng)物的影響較大。未采砂區(qū)、歷史采砂區(qū)和規(guī)劃采砂區(qū)的生物量平均值分別為35.96,107.50,117.80 g/m2,生物量呈增加趨勢,主要原因?yàn)楹油?、紋沼螺和梨形環(huán)棱螺等生物量較大的物種居多,其他生物量較小的物種較少。未采砂區(qū)大型底棲動(dòng)物的生物多樣性指數(shù)Simpson、Shannon-Wiener和Margalef平均值分別為0.63,1.15,0.57,均高于歷史采砂區(qū)(0.45,0.69,0.29)和規(guī)劃采砂區(qū)(0.38,0.65,0.32)。規(guī)劃采砂區(qū)的大型底棲動(dòng)物的生物多樣性指數(shù)波動(dòng)較大,表明采砂活動(dòng)在短時(shí)間內(nèi)對鄱陽湖底棲動(dòng)物的影響較大;歷史采砂區(qū)的生物多樣性指數(shù)波動(dòng)較小,其最低值高于規(guī)劃采區(qū)最低值,表明停止采砂活動(dòng)后底棲動(dòng)物的生物多樣性有一定程度的恢復(fù)。

通過搭建各種測試場景進(jìn)行牽引供電系統(tǒng)供電能力測試。測試前，對車輛負(fù)載特征進(jìn)行分析，并聯(lián)合設(shè)計(jì)單位對牽引供電系統(tǒng)和車輛的負(fù)荷特性進(jìn)行分析，包括對牽引供電系統(tǒng)的各種運(yùn)行模式所對應(yīng)的負(fù)荷運(yùn)行進(jìn)行編排；重點(diǎn)對接觸網(wǎng)在不同運(yùn)行方式(雙邊供電、單邊供電、大雙邊供電)下的供電能力進(jìn)行檢驗(yàn)，并記錄AW0(空載)、AW3(超載)等不同載荷列車的起動(dòng)電流波形；同時(shí)觀察牽引供電設(shè)備(DC 1 500 V開關(guān)柜及保護(hù)、鋼軌電位限制裝置等)是否發(fā)生誤動(dòng)作，以確保牽引供電系統(tǒng)的供電能力滿足標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)要求；復(fù)核設(shè)計(jì)單位關(guān)于運(yùn)營過程中的負(fù)載狀態(tài)，以確保線路安全運(yùn)營。

2.4 采砂對生態(tài)環(huán)境影響

采砂作業(yè)船在生產(chǎn)過程時(shí),因挖沙和洗砂會(huì)極大地?cái)_動(dòng)水環(huán)境,致使附近水體濁度顯著提高,不僅影響水體感官性能,還可能影響水體營養(yǎng)鹽的分布[19-20]。為全面分析采砂對水質(zhì)水生態(tài)的影響,利用主成分分析,將原來具有一定相關(guān)性的指標(biāo),重新組合成一組新的互相無關(guān)的綜合指標(biāo)來代替原來的指標(biāo)[21]。水質(zhì)的PCA分析結(jié)果見圖7(a),從分析結(jié)果可知,相關(guān)性較大的指標(biāo)可以分為4組:第一組,以懸浮物為代表,包括總磷、溶解性總磷和氨氮,主要控制樣點(diǎn)為cs05、cs32、cs31,這些樣點(diǎn)位于采砂區(qū)附近,說明采砂對懸浮物、營養(yǎng)鹽等有較大影響;第二組,濁度和葉綠素a,這兩個(gè)指標(biāo)主要是在正采砂區(qū)下游近長江口樣點(diǎn)提取,如cs02、cs03、cs04等,結(jié)合空間分布特征看,采砂區(qū)附近的葉綠素a含量并不高,說明采砂活動(dòng)對葉綠素a沒有直接影響;第三組,以pH、溫度和電導(dǎo)率為代表的現(xiàn)場參數(shù)為一組相關(guān)指標(biāo),主要控制未采砂區(qū)的樣點(diǎn),表明了不同區(qū)域的不同水體特征。

圖7 水質(zhì)指標(biāo)的PCA分析結(jié)果和大型底棲動(dòng)物的CCA排序圖Fig.7 Results of PCA-analysis of water quality and CCA-ranking plots of microbenthic species

綜上所述,根據(jù)水質(zhì)參數(shù)的空間分布規(guī)律與PCA分析結(jié)果,采砂活動(dòng)對鄱陽湖水域水質(zhì)參數(shù)影響較大的主要為2類:一類是懸浮物和濁度,二者具有顯著正相關(guān),以懸浮物為代表;另一類是以總磷為代表的營養(yǎng)鹽。采砂活動(dòng)對湖底沉積物的擾動(dòng),造成周邊水體懸浮物含量升高,同時(shí)可能致使沉積物中的固相營養(yǎng)鹽釋放進(jìn)入水相,從而影響水體總磷含量。

從CCA的二維排序圖中可以看出,對底棲動(dòng)物群落影響較大的有總氮、葉綠素a、顆粒性有機(jī)碳和溶解性有機(jī)碳(詳見圖7(b))。需要特別注意的是,總懸浮物和濁度對軟體動(dòng)物和蛭綱的群落影響呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,表明懸浮物的增加不利于軟體動(dòng)物和蛭綱的群落生長。而溶解性有機(jī)碳和顆粒性有機(jī)碳與蛭綱、瓣鰓綱和多毛類呈顯著正相關(guān),表明有機(jī)質(zhì)可能為底棲動(dòng)物提供了餌料,有利于底棲動(dòng)物的生長。

不同種類的水生生物對懸浮物濃度的忍受限度不同,一般說來,仔幼體對懸浮物濃度的忍受限度比成魚低得多。規(guī)劃采砂區(qū)域內(nèi),棲息于這一范圍內(nèi)的底棲動(dòng)物因底泥的挖除將全部喪失,同時(shí)在采砂過程中,懸浮物將在一定范圍內(nèi)形成高濃度擴(kuò)散場,可能對底棲生物仔幼體造成傷害[22]。根據(jù)《鄱陽湖科學(xué)考察》(江西省山江湖開發(fā)治理委員會(huì),2015),鄱陽湖底棲動(dòng)物平均密度為348.64 ind./m2,生物量為65.24 g/m2,根據(jù)本次調(diào)查結(jié)果,底棲動(dòng)物的密度為105.41 ind./m2,生物量為54.88 g/m2,相比而言,密度與生物量均降低。采砂活動(dòng)的規(guī)范管理可有效防止鄱陽湖大型底棲動(dòng)物的密度、生物量的降低,但該水域底棲生物群落的恢復(fù)需要一定的時(shí)間。

有研究通過體長-體重方程和豐滿度采砂前后比較表明,短期內(nèi)采砂促進(jìn)軟體動(dòng)物肉重的增加,長期內(nèi)反而抑制其肉重的增加,從而得出短期內(nèi)采砂可以促進(jìn)采砂區(qū)3種軟體動(dòng)物的生長,長期內(nèi)反而抑制其生長[23]。根據(jù)批復(fù)采砂量的統(tǒng)計(jì),九江市的批復(fù)采砂量較大,每年基本高于3 000萬t,而余干、鄱陽等南部采區(qū)的批復(fù)量較小,2016年以前大致為50萬～200萬t,2017年后批復(fù)采砂量大多為零,可見都昌、廬山、濂溪采區(qū)的采砂活動(dòng)較強(qiáng),且現(xiàn)狀采砂主要出現(xiàn)在這些規(guī)劃區(qū)。從本次鄱陽湖大型底棲動(dòng)物的調(diào)查結(jié)果看,軟體動(dòng)物主要出現(xiàn)在未采砂區(qū)和距離規(guī)劃采砂區(qū)較遠(yuǎn)區(qū)域,在規(guī)劃采砂區(qū)和部分規(guī)劃采砂區(qū)密度和生物量均較低,說明強(qiáng)烈的采砂活動(dòng)可能導(dǎo)致軟體動(dòng)物生長被抑制。而永修采區(qū)采砂活動(dòng)主要發(fā)生在過去,未持續(xù)開采,可能促進(jìn)了軟體動(dòng)物的生長。

采砂行為通過一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物過程及其聯(lián)合作用,在不同的時(shí)空尺度上共同破壞底棲動(dòng)物不同層面的生命活動(dòng)、降低其多樣性,摧毀其生態(tài)功能[13,24]。這些過程可大致分為直接作用和間接作用。其中,前者包括直接殺死、物理損傷、驅(qū)趕和驚嚇等一系列物理過程;后者可包括生物間相互作用(如改變食物來源、捕食和競爭等)和非生物因子(如棲息地破壞、物理和化學(xué)因子的改變等)的改變等[25]。因此,高強(qiáng)度采砂活動(dòng)破壞了底棲動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu),并降低其多樣性。在全湖尺度上,長期采砂使鄱陽湖的物種數(shù)(歷史采砂和規(guī)劃采砂區(qū)樣點(diǎn)分別損失0.25和0.5種)和采砂區(qū)的3種多樣性指數(shù)(Margalef,Shannon和Simpson)比未采砂區(qū)低。底棲動(dòng)物是魚類等大型水生生物的重要餌料,因此,采砂活動(dòng)對底棲動(dòng)物的影響,也可能進(jìn)一步威脅魚類、江豚等物種的棲息環(huán)境和繁殖場所。

3 結(jié) 論

(1) 采砂活動(dòng)影響下,鄱陽湖水域部分水體物理化學(xué)指標(biāo)發(fā)生顯著變化,以濁度和懸浮物最為典型,同時(shí),溶解性有機(jī)碳、顆粒性有機(jī)碳和總磷等指標(biāo)在采砂區(qū)域附近亦有明顯變化。

(2) 鄱陽湖水域沉積物的營養(yǎng)鹽分析結(jié)果表明,歷史采砂區(qū)和規(guī)劃采砂區(qū)的總有機(jī)碳、總氮和總磷均比未采砂區(qū)低,潛在說明采砂活動(dòng)對沉積物化學(xué)組分有一定影響。

(3) 鄱陽湖水域大型底棲動(dòng)物的平均密度和生物量較早期調(diào)查結(jié)果低,未采砂區(qū)大型底棲動(dòng)物的生物多樣性指數(shù)Simpson、Shannon-Wiener和Margalef平均值均高于歷史采砂區(qū)和規(guī)劃采砂區(qū),說明采砂活動(dòng)對大型底棲動(dòng)物有直接影響。

(4) 采砂通過影響水體總懸浮物和沉積物中營養(yǎng)成分,可能間接影響大型底棲動(dòng)物的生長,采砂活動(dòng)結(jié)束后,底棲動(dòng)物(尤其是軟體動(dòng)物)可能會(huì)得到一定程度的恢復(fù)。