2020年洞庭湖水生生物群落结构特征及水生态评价研究

彭 娴,朱丹丹,王丑明

(1.湖南省岳阳生态环境监测中心,湖南 岳阳 414000; 2.湖南省洞庭湖生态环境监测中心,湖南 岳阳 414000)

0 引 言

水生生物监测与评价是指通过对水体中水生生物的调查来评价水体的生物学质量。有助于水环境管理目标从“水质监测”向“水生态监测”转变。以往对洞庭湖水环境变化研究主要集中在水环境容量或泥沙淤积[1-3]、重金属污染[4-6]等方面,在水环境质量评价研究方面,主要是采用水质单因子、综合指数[7-9],底栖动物完整性指数[10-11]和浮游植物完整性指数进行水质评价[12],目前还没有运用水质、生境和水生生物综合指数对洞庭湖进行水生态的综合评价。为了解洞庭湖水生生物状况并进行水生态评价,在2020年对洞庭湖水质、浮游植物、浮游动物和底栖动物进行调查,采用Shannon-Wiener指数分别对浮游植物、浮游动物和底栖动物进行单独评价,并首次全面运用水质、生境和水生生物评价指标对洞庭湖的水生态环境质量进行综合指数法(WQI)评价,从而较全面地掌握洞庭湖水生生物群落结构与水生态状况,为生态环境监测积累重要的基础数据以及为湖泊管理提供科学依据,并可为后续的相关研究提供借鉴和参考。

1 研究区域概况

洞庭湖为中国第二大淡水湖,位于湖南省北部、长江中游荆江段南岸,北纬28°30′～29°31′、东经111°40′～113°10′。目前,洞庭湖由西洞庭湖、南洞庭湖和东洞庭湖3部分串联而成,北面经由松滋、虎渡、藕池三河分流长江,西面和南面接纳湘、资、沅、澧四水,东面汨罗江、新墙河汇入,由东北面城陵矶一口注入长江,多年平均入江径流量约2 870亿m3。近几十年来,洞庭湖富营养化有加剧的趋势,每年入湖总氮和总磷非常高[13],是洞庭湖的主要污染因子[14-16]。

2 材料与方法

2.1 监测概况

(1) 监测断面。东洞庭湖、岳阳楼、鹿角和扁山等4个东洞庭湖断面;横岭湖、万子湖和虞公庙等3个南洞庭湖断面;小河嘴、蒋家嘴和南嘴等3个西洞庭湖断面以及洞庭湖出口断面 (图1)。

(2) 浮游植物、浮游动物和底栖动物,每季度监测一次。其中,对于水深小于5 m的水体,在水面下0.5 m处布设一个采样点;当水深为5～10 m时,分别在水面下0.5 m处和透光层底部各布设一个采样点,进行分层采样后取混合样,能够满足水生态监测技术规范要求。水生生物样品采集后带回实验室进行分析。对水质监测常规21项指标每月监测一次,采样与分析严格按照《国家地表水环境质量监测网监测任务作业指导书》(试行)进行质量控制,监测样品采样与分析全过程能够满足质量保证工作要求。

(3) 测定方法与数据来源:测定方法参照《水和废水监测分析方法》《淡水浮游生物研究方法》[17-18]。浮游植物、浮游动物和底栖动物、水质监测数据来源于湖南省洞庭湖生态环境监测中心和岳阳生态环境监测中心。

2.2 数据处理

将优势度指数Y>0.02的浮游动物定为优势种。水生生物评价采用Shannon-Wiener指数,即

H=-∑[(ni/N)log2(ni/N)]

(1)

式中:ni为第i分类单元的个体数;N为各分类单元的个体总和。洞庭湖水体各区域水质类别、整体水质状况根据环办[2011]22号文件附件《地表水环境质量评价办法》(试行)进行水质类别单因子和整体水质状况评价。湖泊营养状态评价指标为总氮、总磷、高锰酸盐指数、叶绿素a和透明度5项,参考中国环境监测总站《湖泊(水库)富营养化评价方法及分级技术规定》中的综合营养状态指数评价方法进行换算。

2.3 水生态评价

根据《湖库水生态环境质量监测与评价技术指南》(征求意见稿),采用综合指数法进行水生态环境质量综合评估,通过水化学指标(权重0.4)、物理生境指标(权重0.2)和水生生物指标(权重0.4)加权求和,构建水生态环境质量综合指数WQI,以该指数表示各评估单元和水环境整体的质量状况。

(2)

式中:WQI为水生态环境质量综合指数,xi为评价指标分值,wi为评价指标权重。

综合评价水化学指标选择综合营养状态指数TLI(Σ),水生生物选择Shannon-Wiener多样性指标H′,生境状况H通过现场打分来确定,其分值范围等级见表1。

表1 水生态评价等级及赋分

根据水生态环境综合评价指数(WQI)分值大小,将水生态环境质量状况等级分为5级,具体指数分值和质量状况分级详见表2。

表2 水生态环境质量状况分级标准

3 结果与分析

3.1 水质和生境情况

2020年洞庭湖的11个湖体断面21项水质监测指标中,主要超标项目为总氮、总磷。由表3可知,11个断面的总氮年均值范围在1.27～1.88 mg/L之间,均明显超过GB 3838-2002《地表水环境质量标准》中Ⅲ类标准限值(1.0 mg/L),洞庭湖湖体总氮年均值为1.60 mg/L;11个断面的总磷年均值范围在0.040～0.068 mg/L之间,除小河嘴外,其他10个湖体断面的总磷年均值均高于GB 3838-2002《地表水环境质量标准》中湖、库Ⅲ类标准限值(0.05 mg/L),2020年洞庭湖湖体总磷年均值0.060 mg/L。水质单因子评价(总氮不参与评价)结果:小河嘴断面为Ⅲ类水质,其他10个断面均为Ⅳ类水质,Ⅲ类、Ⅳ类水质断面比例分别为9.1%和90.9%,11个湖体断面总体水质为轻度污染。11个断面综合营养状态指数在41.61～50.24之间,全湖综合营养状态指数为46.87,为中营养。除洞庭湖出口断面为轻度富营养外,其他断面均为中营养。洞庭湖出口是众水汇入的场所,既承接岳阳市生活废水、工业污水、地表径流,也因断面拓宽,流速减慢,同时受长江水流顶托影响,洞庭湖出口的泥沙淤积加重,泥沙携带夹杂着大量的污染物质,从而导致洞庭湖出口轻度富营养化。

表3 2020年洞庭湖不同湖区水质和营养水平

根据《湖库水生态环境质量监测与评价技术指南》(征求意见稿)进行生境打分评价,结果表明:洞庭湖生境质量评价结果在85～100之间,平均为92,总体为中等。分湖区来看,南洞庭湖生境质量最好,其次为西洞庭湖,东洞庭湖生境质量最差(表4)。东洞庭湖区的生境评价差,其影响因素较多,主要原因可能是岳阳市坐落于东洞庭湖区,其国内生产总值及单位面积生产总值较高,与另外两个湖区比,人类活动频繁,生产生活导致大量污染物进入湖区周边。

表4 洞庭湖生境质量评价

3.2 洞庭湖水生生物状况

3.2.1 浮游植物

2020年洞庭湖浮游植物共检出6门73属,其中蓝藻门14属,绿藻门29属,硅藻门20属,裸藻门4属,甲藻门3属,隐藻门2属,金藻门1 属。优势种类为伪鱼腥藻(Pseudanabaenasp.)、直链藻(Melosirasp.)、尖头藻(Raphidiopsissp.)、平裂藻(Merismopediasp.)和十字藻(Crucigeniasp.)等。全湖平均密度为95.7×104个/L,密度范围在17.7×104～356.2×104个/L之间,东洞庭湖断面密度最高,横岭湖断面最低(图2)。全湖浮游植物密度以蓝藻为主,占总密度的70.5%,其次为绿藻和硅藻,分别占总密度的13.0%和10.6%,裸藻门、甲藻门、隐藻门和金藻门最少,占总密度的5.9%。浮游植物Shannon-Wiener多样性指数平均为2.1,评价为良好。从断面来看,小河嘴、万子湖和鹿角断面为优秀,其余断面为良好。

图2 洞庭湖浮游植物群落结构空间分布特征Fig.2 Spatial distribution of phytoplankton community structure in Dongting Lake

洞庭湖浮游植物优势种群从20世纪90年代初以隐藻和硅藻为主转变为目前以硅藻和绿藻为主,在个别湖区已经出现以蓝藻为优势的种群[19],而本研究表明,蓝藻已经在全湖广泛分布,和汪梦琪等研究结果[20]较为相似,表明洞庭湖富营养化有加剧的趋势。

3.2.2 浮游动物

2020年洞庭湖浮游动物共检出48属种,其中轮虫为18属种,枝角为类18属种,桡足类为12属种。优势种类有广生多肢轮虫(Polyarthravulgaris)、螺形龟甲轮虫(Keratellacochlearis)、象鼻蚤(Bosminasp.)以及无节幼体(nauplius)等。全湖平均密度为74个/L,其中轮虫占84.4%,桡足类占11.2%,枝角类占4.4%。生物密度范围为27～152个/L,蒋家嘴断面最低,南嘴断面最高(图3)。洞庭湖浮游动物Shannon-Wiener多样性指数平均为1.77,评价为中等。从断面来看,东洞庭湖、扁山和岳阳楼为良好,其余断面为中等。

图3 洞庭湖浮游动物群落结构空间分布特征Fig.3 Spatial distribution of zooplankton community structure in Dongting Lake

洞庭湖浮游动物群落结构表现为以小型轮虫为主的特征,而大型的枝角类和桡足类相对较少,这与国内大多数大型淡水湖泊等研究结果相似[21-22]。研究表明:随着湖泊富营养化,浮游动物的群落结构由大型浮游动物向小型浮游动物转变[23]。近些年洞庭湖浮游植物优势种群为蓝藻,不利于枝角类、桡足类等大型浮游动物的摄食,而轮虫可以利用蓝藻,导致其在水体中占优[24],此外洞庭湖鲢、鳙等鱼类对枝角类和桡足类的滤食也可能是浮游动物小型化的因素[25]。

3.2.3 底栖动物

2020年洞庭湖底栖动物共检出57种,其中水生昆虫27种,软体动物21种,寡毛类5种,其他动物4种,优势种类有指突隐摇蚊(Cryptochironomusrostratus)、多足摇蚊(Polypedilumsp.)、铜锈环棱螺(Bellamyaaeruginosa)、河蚬(Corbiculafluminea)、苏氏尾鳃蚓(Branchiurasowerbyi)和钩虾(Grandidierellasp.)等。全湖平均密度为141个/m2,其中,水生昆虫占18.6%,软体动物占30.7%,寡毛类占11.4%,其他占39.3%,密度范围为24～336个/m2,洞庭湖出口断面密度最低,东洞庭湖断面最高(图4)。洞庭湖底栖动物的Shannon-Wiener多样性指数平均为2.13,评价为良好。从断面来看,南嘴、小河嘴、横岭湖和岳阳楼断面为中等,其余断面为良好。

图4 洞庭湖底栖动物群落结构空间分布特征Fig.4 Spatial distribution of benthos community structure in Dongting Lake

近30 a洞庭湖底栖动物优势种发生了较大程度的变迁,较为耐污的种类成为了优势种,洞庭湖的双壳类优势种由大型的蚌类演变为小型的河蚬[26]。本文研究结果也证明了这一点,洞庭湖优势种如指突隐摇蚊、多足摇蚊、铜锈环棱螺、苏氏尾鳃蚓等多为耐污种,同时双壳类优势种也只有河蚬。软体动物也多为小型的种类,水生昆虫占比也有所下降,并且减少的主要是毛翅目和蜉蝣目等敏感种类,与相关研究结果较为相似[10,27]。

3.2.4 水生态评价

2020年洞庭湖WQI指数得分在3.2～3.8之间,平均为3.4,洞庭湖所有断面均评价为良好。分断面来看,扁山、鹿角和岳阳楼得分较低,小河嘴得分最高(图5)。

图5 2020年洞庭湖各断面的WQI指数Fig.5 WQI index of each sites of Dongting Lake in 2020

4 结 论

(1) 洞庭湖浮游植物共检出6门73属,优势种类有伪鱼腥藻、直链藻、尖头藻、平裂藻和十字藻,全湖平均密度为95.7×104个/L;洞庭湖浮游动物共检出48属种,洞庭湖浮游动物优势种是广生多肢轮虫、螺形龟甲轮虫、象鼻蚤以及无节幼体,全湖平均密度为74个/L;底栖动物共检出57种,优势种类有指突隐摇蚊、多足摇蚊、环棱螺、河蚬、苏氏尾鳃蚓和钩虾,全湖平均密度为141个/m2。

(2) 洞庭湖的总体水质为轻度污染,主要超标项目为总氮、总磷。综合营养状态指数为46.87,为中营养。洞庭湖生境质量评价结果为92分,为中等。采用WQI指数对洞庭湖进行水生态评价,结果显示洞庭湖水生态环境质量为良好。