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酸性矿山废水(acid mine drainage,AMD)污染是全球性的环境问题之一。但AMD导致河流生态系统退化的机理尚不清楚。底栖动物和底栖藻类是了解河流生态系统结构和功能以及健康状况的关键类群,对于维持河流生态系统的平衡具有重要作用。本研究根据广东大宝山矿酸性矿山废水对横石水河流域的污染梯度,从受损河段的上游至下游设置了5个污染样点,并在相邻的一条清洁支流设置了2个对照样点。通过比较受损与对照河流的水质状况、底栖藻类和大型底栖动物群落的物种组成、密度、生物量、摄食功能群和多样性指数等结构属性,以及底栖藻类群落初级生产力、底栖动物群落次级生产力、食物网结构、凋落物分解速率等功能属性的差异,重点研究了底栖动物参与河流生态系统的生产、消费和分解三个生态过程中的异同。从河流生态系统结构完整性与功能完整性的角度综合研究了AMD对横石水流域河流生态系统健康的影响,并探讨了河流生态功能的退化对结构的影响,为揭示.AMD导致河流生态系统退化的内在机理以及热带亚热带地区受AMD污染河流的生态修复和治理提供理论依据。主要结果如下:
1、酸性矿山废水对河流生态系统结构的影响。
河流生态系统的结构包括生物群落及其相关资源,底栖藻类和大型底栖动物是其中重要的生物类群,水质是反映河流生态系统结构健康的基本指标。为了解酸性矿山废水对河流生态系统结构的影响,本研究于2008年10月至2009年9月逐月采样,比较了2条河流的水质、底栖藻类和大型底栖动物的群落结构。根据聚类分析将采样点按水质差异分为4组;其中3组位处受损河流,pH 2.0～6.5,水体重金属含量基本超出Ⅲ类水标准。受损河流最上游样点水体Cu、Zn、Mn的浓度分别高达4.33、61.58和51.6 mgLq,水质特征超出V类水标准。对照河流的水体pH＞7,水质属Ⅰ类或Ⅱ类水。主成分分析表明,酸性矿山废水引起的河水低pH和低溶氧量、高重金属含量(Cu、Pb、Zn、Cd和Mn)以及高电导率和高浊度是造成受损河流水质改变的主要因素。沿受损河流上游至下游,水体理化指标逐渐接近正常水平,酸性矿山废水对河流水质的影响程度逐级递减。
2 条河流中底栖藻类群落的时间动态和空间分布差异明显,受损河流底栖藻类群落的物种组成、密度、生物量、叶绿素a含量、Shannon-Wiener指数和物种丰富度均显著低于对照河流(P＜0.05)。受损河流底栖藻类(5～11种)以低等的蓝藻(4％～33％)和耐含铜废水的偏肿桥湾藻(6％～33％)和丝藻(1％～28％)为主,从上游至下游,底栖藻类各项群落结构参数逐渐升高,但仍不及对照河流的水平,其中年均密度最高的仅有1.08×108 ind.m-2,最低至0.46×108 ind.m-2,年均生物量和叶绿素a含量分别在1.871～16.100 gAFDMm-2:和0.066～3.251 mg m-2间变化。对照样点底栖藻类群落物种丰富(18种),以硅藻为主,其次为绿藻、蓝藻和黄藻;主要类群包括等片藻Diatoma sp.(29％～36％)、异极藻Gomphonema sp.(14％～17％)、舟形藻Naricula sp.(12％～16％)、针杆藻Synedra sp.(5.7％～9.6％)和卵形藻Cocconeis sp.(1.1％～7.8％)等;底栖藻类群落年均密度和生物量分别高达5.74×108 ind.m-2和27.067 gAFDMm-2,是受污染样点中的2倍以上:叶绿素a含量在1.393～4.346mg m-2间变动。2条河流中底栖藻类群落的密度、生物量、叶绿素a含量、Shannon-Wiener指数和物种丰富度的周年动态明显,高峰期集中在降雨量较低的2月和5月以及7～8月。典范对应分析表明,影响河流底栖藻类群落结构的主要环境因子包括:水体溶氧量、水温、浊度、pH、电导率以及重金属Cu的含量。底栖藻类群落随酸性污染梯度的改变而变化的趋势可以很好地指示酸性矿山废水对河流生态系统结构的影响程度。
受损河流的大型底栖动物物种稀少(3～18种),以双翅目的摇蚊为主,无突摇蚊等对污染敏感的种类密度低,底栖动物群落年均密度、Shannon-Wiener指数、Margalef指数、均匀度指数以及物种丰富度指数显著低于对照河流(P＜0.05),并呈现从上游至下游递增的趋势;其中上游河段底栖动物群落密度低至8.3 ind.m-2,下游河段最高仅为1 14.2 ind.m-2。对照河流的大型底栖动物物种丰富(63～72种),主要类群包括摇蚊、蜻蜒、毛翅目、蜉蝣、鞘翅目和鳞翅目的幼虫以及软体动物,底栖动物群落密度高达1183.4 ind.m-2。从摄食功能群组成来看,在对照河流按比例依次为:集食者(47.2％～56.0％)＞刮食者(34.9％～45.7％)＞捕食者(7.0％～8.5％)＞撕食者(0.1％～0.3％);在受损河流为:集食者(71.2％～100％)＞捕食者(4.4％～28.7％)＞刮食者(0.1％～2.3％),撕食者基本消失。2条河流大型底栖动物群落密度周年波动明显,枯、丰水期差异显著(P＜0.05),最高峰集中在1月、5月和8月,与底栖藻类群落密度变化相似。典范对应分析表明,影响大型底栖动物群落结构的因素为:pH、溶氧量、水温、浊度、电导率以及重金属Zn、Cd和Mn的含量。相关分析表明,受损河流底栖动物群落密度、Shannon-Wiener指数、Margalef指数以及物种丰富度指数均与pH显著正相关(P＜0.05),物种丰富度指数和密度不同程度地与Zn、Cd和Mn显著负相关(P＜0.05)。酸性矿山废水产生的低pH和高重金属浓度等通过对大型底栖动物群落结构的破坏影响了河流生态系统的结构。
2、酸性矿山废水对河流生态系统功能的影响。
在底栖藻类群落和大型底栖动物群落结构研究的基础上,以底栖藻类群落初级生产力、大型底栖动物群落次级生产力、食物网结构以及凋落物分解为例,研究了酸性矿山废水污染对河流生态系统功能中生产、消费和分解三个过程的影响。
酸性矿山废水对河流生态系统生产过程的影响同时反映在初级和次级生产两个方面。受损河流底栖藻类群落的呼吸速率和净初级生产力显著低于对照河流(P＜0.01),这2项参数在受损河流中依酸性污染程度递减而升高,下游最高点的年均呼吸速率和净初级生产力分别达3.890 mg O2h-1 m-2和2.016 mg O2 h-1 m-2 yr-1,但仍未及对照样点的水平(分别＞5.5 mg O2 h-1 m-2和＞2.5 mg O2 h-1.m-2 yr-1)。2项指标在各样点的周年波动趋势相近,枯水期显著高于丰水期(P＜0.05)。典范对应分析和蒙地卡罗检验表明,酸性矿山废水引起的低pH、高浊度、高电导率和Cu含量是造成受损河流底栖藻类群落初级生产力低下的主要因素。酸性矿山废水导致河流生态系统中以藻类为主的初级生产过程受阻,与其对藻类密度和多样性等结构属性的破坏密不可分。
利用Morin和Bourassa的经验公式算得,受损河流大型底栖动物次级生产力显著低于对照河流(P＜0.05),其中受损河流中年均次级生产力最高的仅为0.3144 gAFDW m-2 yr-1,而对照河流中最高达50.8680 gAFDW m-2 yr-1。从底栖动物群落年均次级生产力与年均生物量的比值(P/B值)来看,受损河流中的P/B值高出对照河流中的9～10倍,可能与受损河流的大型底栖动物类群主要由摇蚊组成有关。典范对应分析表明,枯、丰水期影响大型底栖动物群落次级生产力的因子差异较大,表现为枯水期以电导率和Cu含量为主,丰水期以溶解氧和浊度为主。水温以及底栖藻类群落的密度、生物量和多样性的变化对各季度大型底栖动物的次级生产力均有影响。酸性矿山废水通过改变水质和藻类群落结构造成以藻类为主的初级生产和以底栖动物为主的次级生产过程受阻,从而影响了河流生态系统的主要生产过程,研究酸性矿山废水对初级/次级生产力的影响,是反映河流生态系统功能变化的有效途径。
在胃含物分析的基础上构建了各样点食物网矩阵和全年食物网,在受损河流,随着pH降低和重金属含量的升高,食物网中间类群缺失,连通性、作用强度、总链节数、杂食度等食物网特性降低。其中上游河段的食物网中消费者以摇蚊类为主,生产者主要为碎屑(＞30％)、蓝藻(15～20％)和硅藻类(10～1.5％),无动物性食物。最下游污染点的食物网存在3级食物链,但构成食物网的物种仅26种,动物性食物只有摇蚊类,与次级消费者有关的食物链共25条,食物网特征值仅达到对照样点的1/2。对照河流中食物网结构复杂,组成食物网的物种丰富(49～63种),动物性食物包括摇蚊、蜉蝣和石蛾等,与次级消费者有关的食物链＞40条,食物网统计特征值显著高于受损河流(P＜0.05),食物网结构复杂。酸性矿山废水引起的水体酸化,重金属浓度、电导率和浊度升高,溶氧量降低,以及限制了可获得食物资源的种类和数量是造成大型底栖动物食物组成以及河流生态系统食物网结构改变的主要因素。酸性矿山废水造成受损河流中食物网结构的改变不仅表现在食物网统计特征值、形状和复杂程度的变化上,还表现在“底栖动物-藻类”的营养联接被“底栖动物.有机碎屑”替代。上述结果均说明酸性矿山废水通过破坏食物网结构来影响河流生态系统营养传递和消费过程的正常进行。