2019, Vol. 31 
(2: 安徽农业大学新农村研究院, 合肥 230036)
(2: New Rural Development Research Institute, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, P.R.China)
河流内源沉积底泥中氮、磷营养盐的释放是造成水体富营养化和藻类水华暴发的重要原因之一[1].一般认为，底泥疏浚是削减水体内源负荷最为直接和有效的方法[2-4]，其原理是通过疏挖富含营养盐的底泥以削减水体内污染源，从而实现水体富营养化治理和蓝藻水华控制[5].我国长春南湖[6]、宁波月湖[7]、杭州西湖[8]以及瑞士的Trehörningen湖[9]、荷兰的Zierikzee湾[10]等国内外多处水域已进行底泥疏浚工程.目前，国内对于底泥疏浚的研究主要集中水环境容量和水体水质的改善上，对河流水生生态系统结构和功能的影响尚有待进一步研究[5,11].浮游甲壳动物是水生生态系统的重要组成部分，广泛分布于河流的各区段，种类多、数量大，且对水环境的变化极为敏感，可以作为水质变化的重要指示动物[12].同时，作为水生生物常见的优势种群，浮游甲壳动物承接着水体初级生产者和高级消费者[13-15]，在河流生态系统的结构和功能中发挥重要的作用[11,16-17].
巢湖双桥河位于巢湖北侧，是主要入湖的10条河流之一.由于流域内污水管网不完善和大量企事业单位污水直接排放入河，流域内氮、磷营养盐负荷常年超标，是巢湖的一个重要污染源.双桥河入湖口距巢湖市自来水厂取水口仅500 m，其污染对市民的饮水产生了极大威胁[18-19].前期巢湖市政府对双桥河部分河道进行了多次底泥疏浚工程，其中最近一次底泥疏浚工程实施于2017年夏季.通过控源手段削减了水体内外源营养负荷，短时间内改善了河流水质并维护了巢湖流域居民饮用水安全[20].然而底泥疏浚工程对双桥河水生生物群落结构及生物多样性的影响有待进一步研究，其对水体生态系统的改善也尚有待评价.本文通过比较双桥河底泥疏浚前和疏浚后浮游甲壳动物的密度、生物量、生物多样性指数，分析疏浚前后双桥河的水质理化因子与浮游甲壳动物群落结构之间的关系，从而探究底泥疏浚对河流浮游甲壳动物群落的影响以及对富营养化河流生态修复的有效性.
1 材料与方法 1.1 研究区域概况和采样点设置巢湖双桥河全长约7.3 km，流域总面积27 km2，水质长期为劣Ⅴ类.河流上游为凤凰之家河段，上游来水为双桥河的主要水源.本研究在2017年夏季进行底泥疏浚的中游西炮营社区至下游入湖口，长约4806 m的河道内开展为期一年的河流生态监测和调查，根据河道的走向和自然环境特点(表 1)设置8个采样点(图 1).在双桥河底泥疏浚前(2017年6月)、疏浚中(2017年9月)、疏浚后(2017年12月、2018年3月)分别对双桥河疏浚区进行4次样品采集与分析.
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表 1 双桥河河流特征值 Tab. 1 Characteristic of river variables in Shuangqiao River |
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图 1 双桥河采样点分布(样点1:西炮营社区，样点2:潘岗桥，样点3:钱岗，样点4:湖光路桥，样点5:水泥厂湿地，样点6:水泥厂桥，样点7:健康西路桥，样点8:双桥河大桥) Fig.1 Distribution of sampling sites in Shuangqiao River |
水体透明度采用Secchi盘现场测定，水体温度、pH、溶解氧浓度等使用YSI 6600V2型多参数水质监测仪现场测定.水体理化指标总氮(TN)、总磷(TP)、铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)、可溶性氮(TDN)、可溶性磷(TDP)浓度等参照《水和废水监测分析方法》在实验室内测定[21].
1.3 浮游生物采样方法和样品处理浮游甲壳动物定性样品采集时用13#浮游生物网在河水中反复做“∞”字型划水，将其放入50 ml的塑料小方瓶中，加入4 %的甲醛溶液固定保存.浮游甲壳动物定量样品采集时用5 L的采水器在采样点取10 L水样，之后用25#浮游生物网过滤，将其放入50 ml塑料小方瓶中，用4 %的甲醛溶液固定保存.每个季度在8个采样点各采集一次，将样品带回实验室处理.定性及定量样品均在10×4倍的显微镜下用5 ml浮游生物计数板进行观察和计数.其中，浮游甲壳动物枝角类和桡足类按照《中国动物志(淡水枝角类)》[22]和《中国动物志(淡水桡足类)》[23]鉴定.浮游甲壳动物生物量的估算参照陈雪梅[24]、范正年[25]等学者的方法.
1.4 数据处理与分析浮游甲壳动物的多样性研究采用香农-维纳指数(Shannon-Wiener index)、辛普森指数(Simpson's diversity index)和优势度指数：
| $ H\prime = -\sum\limits_{i = 1}^r {({P_i}\cdot{\rm{ln}}{P_i})} $ | (1) |
| $ D = 1-\sum\limits_{i = 1}^S {{P_i}^2} $ | (2) |
| $ Y = \frac{{{n_i}\cdot{f_i}}}{{N}} $ | (3) |
式中，H′、D和Y分别为香农-维纳指数、辛普森指数和优势度指数，r为种类数，Pi代表第i种密度占总密度的比例，S为物种数目，D值越大，多样性越高. ni为物种i 的密度，fi为物种i出现的频率，N为所有物种的总密度.实验数据经Microsoft Excel 2010和SPSS 20.0软件分析, 运用Pearson相关分析研究浮游甲壳动物与水环境因子之间的相关关系.
2 结果与分析 2.1 水体理化因子的变化底泥疏浚过程中，双桥河的pH、溶解氧浓度呈先下降后上升趋势，而透明度呈持续上升趋势(表 1).研究期间，双桥河未疏浚河段的氮、磷营养盐浓度随季节并无显著变化(图 2).而进行底泥疏浚工程的河段，水体中N浓度呈显著下降后小幅上升趋势，但疏浚后N浓度仍低于疏浚前.其中TN浓度从疏浚前的6.95 mg/L下降至疏浚后的3.61 mg/L，下降了48.09 %；NH4+-N浓度从2.22 mg/L下降至0.86 mg/L；NO3--N浓度从疏浚前的3.75 mg/L下降至1.50 mg/L；TDN浓度从6.14 mg/L下降至疏浚后的3.02 mg/L.水体中P浓度也呈下降趋势，其中TP浓度呈显著下降后小幅上升趋势，但疏浚后的浓度0.09 mg/L仍低于疏浚前的0.11 mg/L，下降了19.09 %. TDP的浓度疏浚后呈先上升后下降趋势，从疏浚前的0.05 mg/L先上升至疏浚中的0.08 mg/L，后又下降至疏浚后的0.04 mg/L，疏浚后的TDP浓度较疏浚前也有所下降(图 3).
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图 2 双桥河未疏浚河段氮、磷浓度年际变化 Fig.2 Interannual variation of N and P concentrations in the undredging reach in Shuangqiao River |
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图 3 双桥河疏浚前与疏浚后氮、磷浓度比较 Fig.3 Comparison of N and P concentrations in water of Shuangqiao River under pre-dredging and post-dredging conditions |
研究中，双桥河未疏浚河段共发现浮游甲壳动物13种，枝角类共5种，桡足类共8种，除夏季外，均以桡足类为主.疏浚河段共检测出浮游甲壳动物17种，其中枝角类8种，隶属4科4属，占30.55 %，桡足类9种，隶属4科7属，占69.45 % (表 2).以优势度Y ≥0.02为标准，通过计算优势度指数确定优势种.优势种包括枝角类的微型裸腹溞(Moina micrura)和短尾秀体溞(Diaphanosoma brachyurum)，桡足类的汤匙华哲水蚤(Sinocalanus dorrii)、广布中剑水蚤(Mesocyclops leuckarti)和台湾温剑水蚤(Thermocyclops taihokuensis).根据优势度，疏浚前浮游甲壳动物优势种依次为微型裸腹溞、汤匙华哲水蚤、短尾秀体溞和广布中剑水蚤；疏浚中依次为微型裸腹溞、广布中剑水蚤、台湾温剑水蚤、简弧象鼻溞(Bosmina coregoni)、长肢秀体溞(Diaphanosoma leuchtenbergianum)、寡刺秀体溞(Diaphanosoma paucispinosum )、长额象鼻溞(Bosmina longirostris)和球状许水蚤(Schmackeria forbesi)；底泥疏浚后，枝角类数量很少，无优势种群，浮游甲壳动物优势种为广布中剑水蚤、中华窄腹剑水蚤(Limnoithona sinensis)和汤匙华哲水蚤(图 4).底泥疏浚工程后，双桥河浮游甲壳动物优势种由枝角类的微型裸腹溞向桡足类的广布中剑水蚤转变.
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表 2 双桥河疏浚段浮游甲壳动物季节变化及出现频率 Tab. 2 Quarterly variation and occurrence frequency of crustacean zooplankton species on sediment dredging reach in Shuangqiao River |
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图 4 双桥河疏浚前(A)、疏浚中(B)和疏浚后(C)浮游甲壳动物群落结构对比 Fig.4 Comparison of crustacean zooplankton community structures in water of Shuangqiao River under pre-dredging (A), dredging (B)and post-dredging (C)conditions |
研究期间，双桥河未疏浚段浮游甲壳动物平均密度为5.75 ind./L，平均生物量为0.19 mg/L.底泥疏浚河段浮游甲壳动物密度和生物量季节变化较大，疏浚前、后数量差异显著(图 5).浮游甲壳动物平均密度为137.00 ind./L，其中枝角类平均密度为59.19 ind./L，桡足类平均密度为77.81 ind./L.底泥疏浚过程中，浮游甲壳动物的总密度最高为1096.00 ind./L，总生物量为13.05 mg/L.疏浚后，浮游甲壳动物密度下降了58.85 %.疏浚前，浮游甲壳动物平均生物量为1.86 mg/L，疏浚中为0.51 mg/L，疏浚后为0.25 mg/L，疏浚后的浮游甲壳动物生物量下降了86.40 %.疏浚前的枝角类平均生物量为1.61 mg/L，桡足类为0.25 mg/L；疏浚中枝角类的平均生物量为0.35 mg/L，桡足类为0.16 mg/L；疏浚后枝角类平均生物量为0.03 mg/L，桡足类为0.22 mg/L.其中疏浚前、后密度和生物量下降幅度最大的均为样点2，分别下降了82.26 %和92.09 % (图 6).
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图 5 底泥疏浚各阶段双桥河浮游甲壳动物总密度和总生物量变化 Fig.5 Variation of quarterly total density and biomass of crustacean zooplankton on the various stages of sediment dredging in Shuangqiao River |
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图 6 双桥河不同采样点的浮游甲壳动物密度和生物量 Fig.6 Spatial distribution of crustacean zooplankton density and biomass in Shuangqiao River |
通过计算浮游甲壳动物的Simpson指数和Shannon-Wiener指数，并对其进行比较分析，发现底泥疏浚后，浮游甲壳动物生物多样性指数均高于疏浚前(图 7). Simpson指数平均值为0.68，其中疏浚前为0.59，疏浚中为0.77，疏浚后为0.67.各采样点间Simpson指数差异较大，其中样点2疏浚前、后变化最大，从疏浚前的0.24上升至0.75(图 8). Shannon-Wiener指数平均值为2.09，其中疏浚前为1.74，疏浚中为2.63，疏浚后为1.90(图 7).各采样点的生物多样性指数差异较大，其中Shannon-Wiener指数变化最大的仍为样点2，从疏浚前的0.75上升至疏浚后的2.20(图 8).
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图 7 底泥疏浚各阶段双桥河浮游甲壳动物多样性指数变化 Fig.7 Variation of diversity index crustacean zooplankton on the various stages of sediment dredging in Shuangqiao River |
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图 8 双桥河不同采样点的辛普森指数和香农-维纳指数对比 Fig.8 Comparison of Simpson index and Shannon-Wiener index of crustacean zooplankton in different sampling sites of Shuangqiao River |
对浮游甲壳动物生物量与水环境因子进行Pearson相关性系数分析发现，氮对浮游甲壳动物影响显著.其中浮游甲壳动物的总生物量与pH(r = 0.571，P < 0.01)、温度(r = 0.707，P < 0.01)、NH4+-N浓度(r = 0.672，P < 0.01)、NO3--N浓度(r = 0.742，P < 0.01)、TDN浓度(r = 0.701，P < 0.01)、TN浓度(r = 0.696，P < 0.01)、氮磷比(r = 0.545，P < 0.01)呈极显著正相关.枝角类生物量与pH(r = 0.698，P < 0.01)、温度(r = 0.676，P < 0.01)、NH4+-N浓度(r = 0.753，P < 0.01)、NO3--N浓度(r = 0.793，P < 0.01)、TDN浓度(r = 0.781，P < 0.01)、TN浓度(r = 0.780，P < 0.01)、氮磷比(r = 0.572，P < 0.01)呈极显著正相关.研究中，并未发现桡足类生物量与某一水环境因子呈显著相关关系(表 3).
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表 3 浮游甲壳动物生物量与水环境因子的Pearson相关性分析 Tab. 3 Pearson correlation coefficient of planktonic crustaceans biomass and water quality parameters |
随着社会经济的发展，大量的氮、磷营养盐直接入河导致河流富营养化日益严重[26].研究期间，双桥河未疏浚河段营养盐浓度随季节并无显著变化，这与前期研究的双桥河中氮、磷浓度随季节变化不大的结果相一致[27].同时，此次双桥河的底泥疏浚工程对河流中氮、磷营养盐的释放具有一定的抑制作用.其中水体中TN和TP浓度分别下降了48.09 %和19.09 %.与前期双桥河底泥疏浚工程削减氮、磷营养盐的研究相比，本研究中双桥河的TN和TP浓度远低于前期的研究，同时2017年夏季的底泥疏浚工程对氮浓度削减幅度较大，这可能是由于多次的底泥疏浚工程已经大量削减底泥中氮、磷营养盐负荷且磷营养负荷削减较多造成的[18].本研究中TN浓度在疏浚后的半年内有小幅上升趋势，这一结果与王广召等得到的疏浚两年后(2012年)的双桥河TN浓度升高的结果相似[20].这可能与河流的水-泥界面，液态营养盐向上流通而固态营养盐和总营养盐向下流通的规律有关[5].在河流富营养状态没有完全改善的情况下，周边生活污水的排入使得水体表层有机碎屑和矿物质等细小颗粒很容易再次悬浮，再次成为水体内污染源，使得水体中的营养盐浓度升高，而河流富营养化很大程度上受制于营养盐的累积程度[28].本研究中，底泥疏浚工程尽管短期内使得双桥河TN、TP浓度下降，营养盐水平得到显著改善.但疏浚后TP和TN浓度分别为0.08和3.70 mg/L，表明双桥河仍处于富营养化状态.
3.2 底泥疏浚后双桥河浮游甲壳动物群落结构的变化此次研究中，从空间上看，双桥河上游浮游甲壳动物种类少，以桡足类为主，中下游疏浚河段种类多，数量大，枝角类与桡足类所占比例相近.从底泥疏浚不同阶段上看，浮游甲壳动物种类数从疏浚前的10种上升至疏浚后的13种，出现了疏浚前没有的长额象鼻溞(Bosmina longirostris)、中华窄腹剑水蚤(Limnoithona sinensis)和绿色近剑水蚤(Tropocyclops prasinus).浮游甲壳动物优势种也发生了明显的变化，作为富营养化水体指示种的秀体溞在疏浚后并未作为枝角类的优势种出现可能是双桥河底泥疏浚后水质改善的反馈之一.从浮游甲壳动物密度和生物量的变化趋势上看，底泥疏浚后的密度和生物量均有所下降.同时研究中发现不同采样月份间浮游甲壳动物密度和生物量差别较大，这可能与双桥河氮磷浓度、温度和季节节律变化有关[28-29].底泥疏浚前期的夏、秋季水温较高，浮游植物大量生长，为浮游甲壳动物提供了充足的食物.而底泥疏浚后的冬、春季水温较低，河流进入枯水期，水体透明度低，不利于浮游甲壳动物的生长[30].就浮游甲壳动物群落结构而言，底泥疏浚后枝角类在浮游甲壳动物中的比重显著下降，而桡足类所占比重显著上升.这一结果与惠州西湖底泥疏浚后枝角类密度下降，桡足类密度增加、在总生物量中的比重有所上升的结果相似[31].而与太湖梅梁湾和贡湖湾底泥疏浚后浮游甲壳动物群落结构不同的是[32]，双桥河枝角类生物量在夏、秋季的底泥疏浚期间高于桡足类.这可能是由于夏季底泥疏浚一定程度上抑制了蓝藻的生长，降低了水华蓝藻对枝角类的影响，进而造成枝角类比重高于桡足类[33-34].本研究表明双桥河的底泥疏浚工程能从一定程度上改善浮游甲壳动物群落结构, 促进河流水生生态系统向健康、安全的方向发展.
3.3 底泥疏浚对双桥河浮游甲壳动物多样性指数的影响底泥疏浚后，浮游甲壳动物的生物多样性指数均高于疏浚前. Simpson指数和Shannon-Wiener指数分别上升了14.63 %和12.33 %.这说明底泥疏浚后，在河流生态系统的结构和功能中发挥重要作用的浮游甲壳动物群落结构有所改善.作为水质指示动物，在进行底泥疏浚后，H′显著提高但并未达到清洁水体的标准(H′≥4)，这也表明双桥河仍处于富营养化状态.此外，研究中各采样点间疏浚前、后生物多样性指数差异较大，如样点2的生物多样性指数前后变化最大，疏浚后Simpson指数和Shannon-Wiener指数分别上升68.04 %和194.90 %.这可能是因为在底泥疏浚前，西炮营社区下游由于大量居民区污水和少部分工业废水直接排入，底泥中沉积了大量氮、磷营养盐，造成水体生物多样性较低[35].总体而言, 双桥河底泥疏浚工程可以有效去除河流内源营养盐，增加水生生物多样性，使浮游甲壳动物生物多样性指数大幅度上升.
3.4 底泥疏浚对环境因子与双桥河浮游甲壳动物群落之间关系的影响本次研究中疏浚河段浮游甲壳动物生物量与水环境因子的Pearson相关分析结果表明，枝角类生物量与双桥河河流中营养盐浓度特别是氮浓度呈极显著相关, 而桡足类生物量与水环境因子没有显著相关性.双桥河底泥疏浚后，河水中营养盐浓度特别是氮浓度大幅度降低可能是造成枝角类生物量下降的重要原因之一[12].这一结果与实验室研究得到的枝角类对磷的限制更加敏感，而桡足类对氮的限制较为敏感的结果有所不同，可能与室内实验所用动物经过长期驯化有关[36].底泥疏浚后浮游甲壳动物总密度和生物量分别下降，且生物量下降比例大于密度，这反映出双桥河浮游甲壳动物呈现小型化趋势.这与长春南湖底泥疏浚削减氮、磷等营养盐后浮游动物趋于小型化的结果相似[6].研究表明水体氮、磷等营养盐浓度降低会导致大型枝角类的生长繁殖发生变化，使得浮游甲壳动物群落结构发生改变.如水体中的氮、磷等营养盐能改变浮游甲壳动物的食性，决定其机体的生长和繁殖[37].底泥疏浚后，随着水体中营养盐特别是氮浓度下降，浮游甲壳动物繁殖速度减缓，而其密度和生物量均下降.
综合本研究结果，底泥疏浚工程通过疏挖河流富含营养盐的上层底泥，可有效地减轻双桥河的内源负荷，尤其是氮浓度的削减，对水质的改善有积极作用.底泥疏浚后双桥河浮游甲壳动物的群落结构有所恢复，种类有所增加，原有的优势种也发生了改变.但是，河流生态系统较湖泊生态系统变化较快，系统长期修复更为复杂.同时，外源污水的输入使得双桥河成为城市污染控制型河流，导致双桥河河段的营养盐浓度在疏浚半年后出现了小幅上升.因此，仅依靠底泥疏浚工程并不能完全改善双桥河富营养化的局面.在对双桥河进行底泥疏浚的同时，应该严格控制含氮污水的进入.调整产业结构，完善污水管网建设，从而进一步恢复水生生态系统，更好地治理双桥河水体富营养化.
致谢: 中国科学院水生生物研究所的崔永德、张啸林等同志和安徽农业大学资源与环境学院的田昊瞳、李明媛、王箫璇、王林、张寅生等同学协助了部分野外采样工作，在此一并表示感谢！
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