太湖流域水生生物群落结构与水生态质量状况分析

随着经济和人口的快速发展,水环境质量下降,水污染事件频发[1]。2007年的太湖蓝藻水华事件,给当地居民饮用水安全造成了严重威胁,引起了当地政府高度重视,环境监测部门强化了太湖藻密度的监测力度,同时也得到了国内外学者的广泛关注[2-4]。随着水环境保护研究的不断深入,水污染治理逐步从单一的理化指标浓度和总量控制向生物多样性[5]、河流水生态质量评价[6]乃至整个水生态系统功能健康转变[7-8]。2012年10月,原环境保护部印发了《关于开展流域生态健康评估试点工作的通知》,在全国重点流域开展了水生态健康评估试点工作[9],2016年4月,江苏省政府正式批复了《江苏省太湖流域水生态环境功能区划(试行)》[10],将太湖流域水生态环境分区治理、水质目标和水生态目标并行的理念推上了一个新台阶。2017年,原江苏省环境保护厅印发了《关于开展太湖流域水生态环境功能区水生态健康监测工作的通知》(苏环办〔2017〕106号)[11],而水生态功能分区水生态质量评价体系有待建立。2020年,江苏省生态环境厅正式发布了《太湖流域水生态环境功能区质量评估技术规范》(DB32/T 3871—2020),该技术规范规定了基于河流底栖动物、湖库浮游植物和底栖动物以及水质等评价指数的江苏省太湖流域水生态环境功能区水生态环境质量监测与评估技术要求。因此,有必要利用该技术规范科学地评估太湖流域水生态环境功能区质量状况。

本研究调查了江苏省49个太湖流域水生态环境功能区底栖动物、浮游植物群落以及水质状况,分析太湖流域水生生物群落结构特征和水污染现状,评价水生态环境功能区水生态质量状况与达标情况,探讨影响对太湖流域水生态环境功能区水生态质量状况的潜在因素,研究结果有助于了解太湖流域水生生物群落结构特征、水生态质量状况,为水生生物物种保护和推进水生态目标管理提供科学依据。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 研究区域(Study area)

太湖流域水生态环境功能区实行分级管控,划分生态Ⅰ级区(健全生态功能区)、生态Ⅱ级区(较健全生态功能区)、生态Ⅲ级区(一般生态功能区)、生态Ⅳ级区(较低生态功能区)。针对《江苏省太湖流域水生态环境功能区划(试行)》中划定的49个水生态环境功能区57个水生态监控点位(图1),开展水质和生物样品采集工作,其中河流点位40个、湖库点位17个;从设区市来看,南京市点位1个、无锡市点位18个、常州市点位15个、苏州市点位20个、镇江市点位3个;监测内容为河流水质和底栖动物,湖泊水质、底栖动物和浮游植物;从2020年国/省控断面分布来看,40个点位属于国控断面,17个点位属于省控断面。

1.2 采样与分析(Sample and analysis)

2020年春秋两季各采集1次水生生物样品和水质样品,其中湖库点位水生生物样品包括底栖动物和浮游植物,河流点位水生生物样品为底栖动物。

底栖动物样品用采样面积为1/16 m2的Peterson采泥器采集,每个采样点每次采集3个平行样;每次抓得的样品都要现场用40目尼龙筛进行仔细地清洗和筛分,并将用70%的酒精保存剩余物,带回实验室,镜检分析[12-14]。

采集的浮游植物样品参考《水和废水监测分析方法》(第四版)[15],并根据《中国常见淡水浮游生物图谱》[16]进行分类鉴定,并计算出浮游植物细胞数量。

水质样品的采集和分析参考《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T 91—2002)、《环境水质监测质量保证手册(第二版)》[17]有关要求。

1.3 数据处理(Data processing)

用优势度Y来表征优势物种,当Y>0.02时,则表示该物种为底栖动物/浮游植物群落的优势种;根据《太湖流域水生态环境功能区质量评估技术规范》(DB/T 3871—2020)给出的底栖动物科级敏感值,以及第一位优势种优势度和软体动物分类单元数计算方法,综合计算得到底栖动物质量指数,以及湖库浮游植物总分类单元、细胞密度、前三位优势种优势度计算方法,综合计算得到浮游植物质量指数以及水质指数综合评价太湖流域水生态环境功能区水生态状况,其中湖库通过水质综合营养状态指数、底栖动物和藻类指标综合评价,河流通过水质综合污染指数和底栖动物指标综合评价,评价结果分为5级,即“优”“良”“中”“一般”和“差”,用于表征水生态功能区质量状况等级;并对照《江苏省太湖流域水生态环境功能区划(试行)》中2020年水质目标和水生态健康(质量)指数管理目标,进行达标评价,其中水质目标以水生态环境功能分区中最高目标作为考核目标,实际水质类别采用水生态环境功能分区中最差断面水质类别;用Spearman相关系数分析水质指标与水生态指数间的相关性。

2 结果(Results)

2.1 水生生物质量状况(Quality of aquatic organisms)

2.1.1 底栖动物群落

太湖流域水生态环境功能区共采集到底栖动物物种94种,其中昆虫纲29种(摇蚊类25种,其他类4种)、甲壳纲11种、瓣鳃纲19种、腹足纲14种、多毛纲9种、蛭纲4种和寡毛纲8种,平均密度为152 ind·m-2。根据物种优势度Y>0.02的标准,霍甫水丝蚓(Limnodrilus hoffmeisteri)优势度Y为0.05,为太湖流域底栖动物群落第一优势种;河蚬(Corbicula fluminea)优势度Y为0.04,为太湖流域底栖动物群落第二优势种。太湖流域不同生态分级区底栖动物质量均值评价均处于“一般”水平(表1),不同生态分级区底栖动物群落结构存在一定差异,其中生态Ⅰ级区和生态Ⅱ级区存在明显差异(P<0.05),生态Ⅱ级区和生态Ⅳ级区底栖动物群落结构存在明显差异(P<0.05),其他分区之间无显著差异。

2.1.2 浮游植物群落

在太湖流域17个湖库监测点位共采集到浮游植物物种247种,其中蓝藻门51种、绿藻门107种、硅藻门57种、隐藻门7种、裸藻门15种、甲藻门9种和金藻门1种,共七大门类。浮游植物平均密度为9.9×107cell·L-1,优势种属于蓝藻门微囊藻属,优势度为0.37,优势种密度百分比为25.4%。17个点位的浮游植物密度均值范围为4.6×106～2.8×108cell·L-1,密度最大值出现在太滆运河区,密度最小值出现在胥湖心。浮游植物质量指数(P-IPI)均值评价等级处于“一般”水平(表2),最低值出现在横山水库,为0.17;最高值出现在胥湖心,为0.61。

2.2 太湖流域水生态环境功能区水质状况(Water quality status in water ecological environment functional area of Tai Lake Basin)

太湖流域水生态环境功能区水质指数均值为0.667,处于“中”级别,指数范围为0.364～0.930(表3和表4)。49个水生态环境功能分区中有36个水质达到2020年水质目标要求,占比73.5%。

2.3 太湖流域水生态环境功能区质量状况(Quality status of water ecological environment functional areas in Tai Lake basin)

从流域水生态环境功能区完整性评价,49个水生态环境功能区中,水生态环境功能区质量指数均值为0.53,评价等级为“中”,指数范围为0.30～0.75,评价等级从“一般”到“良”(图2);其中生态Ⅳ级区-02常州城市水环境维持-水文调节功能区评价等级为“中”,质量指数最低,为0.30;生态Ⅱ级区-01镇江东部水环境维持-水源涵养功能区水生态环境功能区质量指数最高,为0.75。

对照2020年管理目标要求,太湖流域49个水生态环境功能区中,太湖流域49个水生态环境功能区中,有20个达标,达标率为40.8%(图3),远低于水质达标率(81.6%)。

2.4 水质指标与水生态环境功能区质量指数相关性(Correlation between water quality index and water ecological environment function area quality index)

水质指标与水生态环境功能区质量指数间相关性如表5所示,溶解氧与水生态环境功能区质量指数呈显著正相关,氨氮、高锰酸钾指数、总磷、总氮与水生态环境功能区质量指数呈显著负相关,同时溶解氧与氨氮、高锰酸钾指数、总磷和总氮呈显著负相关,溶解氧和水质综合污染/营养指数(TLI)呈显著正相关。

3 讨论(Discussion)

太湖流域底栖动物物种正向好发展。通常在生态状况较好时,底栖动物优势种为较清洁物种,对应的科级敏感值较高。与前期数据相比较,如王业耀[18]2011年调查结果和陈桥等[19]2013年调查结果均表明太湖流域河流底栖动物群落近年间有向好发展的趋势(表6),从原来的敏感值为1的耐污种霍甫水丝蚓(L. hoffmeisteri)为绝对优势种转变为耐污种和敏感种并行的群落结构,湖库底栖动物群落第一优势种从原来的耐污种霍甫水丝蚓(L. hoffmeisteri)转变为以敏感值为6的较清洁敏感种河蚬(C. fluminea);河流底栖动物群落优势种从霍甫水丝蚓(绝对优势种)转变为霍甫水丝蚓、太湖大螯蜚、梨形环棱螺和铜锈环棱螺,涵盖了耐污种寡毛纲、甲壳纲和多毛纲。

2007年起,太湖浮游植物群落结构在向好的方向转变(表7)。太湖流域浮游植物密度在1960年代为6.6×105cell·L-1,数值较低,随着经济不断发展,从1980年代起以5.8倍的速度增长,2007年5月,太湖发生大面积(面积超过1 000 km2)蓝藻水华事件,严重影响了当地居民饮用水安全[20]。2008年6月梅梁湖浮游植物密度高达3.7×109cell·L-1[21]。随着政府部门加大力度和强度开展太湖水污染治理[22],太湖蓝藻水华面积没有进一步扩大,目前监测到的蓝藻水华面积均在1 000 km2以下[23],Li等[24]研究发现太湖2015年浮游植物密度最大值下降到7.4×108cell·L-1,优势物种微囊藻属的优势度为0.80,均高于本研究发现的浮游植物密度最大值2.8×108cell·L-1,优势物种微囊藻属的优势度0.37。

一般来说,污染物浓度大,水质综合营养/污染指数(TLI)低时,水生态环境功能区水生态质量指数也低。本研究结果显示水质指数与水生态环境功能区质量指数呈显著正相关,总氮、总磷与水生态环境功能区质量指数呈显著负相关,陈志宁等[25]发现总氮指标是影响太湖流域上游滆湖底栖动物群落结构的重要因子。太湖流域水生态环境功能区质量等级评价为“一般”且未达到2020年管理目标的功能区主要集中在长江干流沿线、太湖入湖上游和湖体(图1和图2),长江干流沿线开发强度大,大大小小的化工企业众多,区域生态问题突出[26],从上游到下游水生生物多样性呈现下降趋势[27],长江面临水生生物资源衰退,水生态功能受到威胁[28]。而太湖湖体入湖河流接纳大量氮磷营养盐[29],使得浮游藻类大量繁殖,藻类水华频发,浮游藻类指数较低,最终导致水生态环境功能区质量指数降低,胡丽条等[30]研究发现太湖流域水生态环境功能区需优化政策管控,不然太湖湖体分区的水生态质量指数较难达到管理目标要求。

太湖流域在流域经济社会发展中发挥着极其重要的作用,它属于平原河网区域,河网发达,水系纵横[31]。近年来,受经济活动和人口增长的影响,流域水体污染严重,平原河网地区河道流速缓慢,且流向顺逆不定,环太湖口门建港设闸,河道未拓浚疏通,如生态Ⅲ级区-11太湖西岸水环境维持-水文调节功能区无锡宜兴市漕桥河漕桥段在进行河道整治,筑坝断流使得太湖与周围水体的连通性有所降低,降低了水体自净能力和水环境承载能力;生态Ⅲ级区-04金坛城镇重要生境维持-水质净化功能区常州市境内金坛区夏溪河(尧塘河)太平桥段水质质量等级为“中”,采样期间上游河段水体因河道整治干涸,可能是导致水体的自净能力下降,该点底栖动物质量等级为“一般”的主要原因。这表明生物的特殊性使得其在修复过程较水质理化指标的改善有一定的滞后性,很难短时间内看出成效[32]。目前太湖流域很多河道有清淤现象,如“小流域河道整治”“农村环境综合整治”,水生生物栖息地遭到一定程度的破坏,影响水生植被的恢复,底栖动物用于躲避捕食的场所减少,如甲壳纲物种减少,造成底栖动物的死亡,并短期内难以恢复[33]。如生态Ⅳ级区-03锡武城镇水环境维持-水质净化功能区锡澄运河锡澄铁路桥测点和生态Ⅳ级区-08张家港城镇重要生境维持-水质净化功能区苏州张家港市二干河十一圩闸测点底栖动物质量指数几乎为0。太湖流域水生态环境功能区水质质量优于水生生物质量,表明水质综合营养/污染指数无法客观反映水体水生态健康状况[5]。

综上,太湖流域水生生物群落结构向好发展,水生态环境功能分区水生生物质量偏低是影响水生态质量管理目标的主要因素,建议在实施《江苏省太湖流域水生态环境功能区域(试行)》的基础上,逐步将水生态管理目标纳入日常生态环境管理中。

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