三峽水庫蓄水后魚類汞含量及其食物來源

三峽水庫蓄水后魚類汞含量及其食物來源

三峽以其大規(guī)模、有效為評價，同時對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了重大影響。由于三峽處于我國地勢二、三級階梯的過渡地帶,三峽水庫的生態(tài)演化發(fā)育狀況不僅關系到庫區(qū)水生態(tài)安全,也關系到下游廣大沿江及河口地區(qū)的生態(tài)環(huán)境健康。自20世紀50年代日本“水俁病”事件后,低水平汞及其化合物(甲基汞)可通過食物鏈傳遞、累積、放大,對人體造成危害已得到普遍認同。研究表明,水庫作為一種特殊的水生態(tài)系統(tǒng),蓄水后的水體環(huán)境有利于甲基汞生成,極可能成為汞在水生生物體(如魚類)中累積放大的“熱點”。徐小清等早期根據(jù)長江流域河流、天然湖泊、水庫的調查數(shù)據(jù)預測,三峽水庫運行后可能出現(xiàn)庫區(qū)魚類肌體中汞含量顯著增加的現(xiàn)象。但蓄水后關于三峽水庫魚類汞含量的報道較少,尤其缺乏汞的食物鏈積累等生態(tài)過程的研究。本研究針對三峽水庫蓄水運行后,庫區(qū)魚類及水生食物鏈上汞累積放大生態(tài)風險這一重要問題,挑選受蓄水影響較大的重點支流和部分干流斷面進行魚類汞污染及其空間差異研究。同時,采用穩(wěn)定同位素技術(δ13C和δ15N)對庫區(qū)魚類生態(tài)系統(tǒng)的食物鏈結構進行分析。穩(wěn)定同位素技術分析自20世紀70年代引入生態(tài)學研究以來,已被證實是一種可以有效研究食物鏈結構、物質循環(huán)的技術手段,不僅能定量表征食物鏈上生物體的營養(yǎng)等級、明確食物鏈的攝食來源,也能部分解決生物體食雜性等問題。本研究通過庫區(qū)干、支流不同水域的魚體穩(wěn)定同位素數(shù)據(jù),分析庫區(qū)魚類食物鏈結構特點,以此為基礎研究了庫區(qū)支流及干流魚類食物鏈中汞的放大和累積特征。1材料和方法1.1峽水庫河流水力學特征三峽水庫位于長江中下游渝東、鄂西交界處,是重要的淡水資源庫和水生生態(tài)系統(tǒng)。水庫于2003年6月開始蓄水,并于2010年到達175m標準蓄水位。庫區(qū)內河網(wǎng)密集,水系發(fā)達,入庫河流中大于100km2的一級河流共42條,大于50km2的二級河流超過300條。由于三峽水庫屬于典型的河道型水庫,庫區(qū)水體的水力學特征條件變化較大,干流不同斷面及干支流間所受蓄水影響也不盡相同。蓄水后干流流速減慢,但總體仍保持一維河流特征,而支流受到干流頂托,表現(xiàn)出更強的湖泊形態(tài)。三峽地區(qū)魚類資源豐富,共有魚類140余種,是重要的經(jīng)濟魚類的原種產(chǎn)地和大量魚類棲息、攝食、產(chǎn)卵的重要水域。三峽成庫后,受水體流速和營養(yǎng)狀態(tài)改變的影響,庫區(qū)內漁業(yè)資源種類組成發(fā)生變化:鯉(Cyprinuscarpio)、鯽(Carassiusauratus)、鰱(Hypophthalmichthysmolitrix)等魚類種群增加,而圓口銅魚(Coreiusguichenoti)、長吻鮠(Leiocassislongirostris)等適應流水環(huán)境的魚類大量減少。1.2常見經(jīng)濟魚類的采集2011年3月與2012年3月在三峽水庫洛磧至秭歸段的7條支流及3個干流斷面進行了采樣(圖1),樣品均從各干流斷面及支流回水區(qū)的漁民處購買,包括鯉、鱖(Sinipercachuatsi)、鲇(Silurusasotus)、鯽、鰱、鳙(Aristichthysnobilis)、(Hemiculterleucisculus)、翹嘴鲌(Culteralburnus)、光澤黃顙魚(Pelteobagrusnitidus)、瓦氏黃顙魚(Pelteobagrusvachellii)、團頭魴(Megalobramaamblycephala)等11種常見經(jīng)濟魚類,共計164尾。其中,在每個采樣點都隨機選取了體重體長無明顯差異的至少3尾鯉魚。本研究對所采集魚類樣品都進行了肌肉總汞含量與穩(wěn)定同位素比值(δ13C和δ15N)測定。樣品采集后,現(xiàn)場測量魚體全長、體重,并拍照;后將魚除鱗、洗凈、切取背脊肌肉(50—100g)裝入聚乙烯封口袋中,并于冷凍狀態(tài)下帶回實驗室,置于冰箱中冷凍保存(-20℃)。所有取樣工具和儲存容器事先按要求清洗,以滿足汞元素分析要求。由于采樣時正值長江葛洲壩上游區(qū)域禁漁期,所采集樣品量偏小,但基本能代表當?shù)禺斣聺O獲物的情況。1.3黃魚成癮分析分析前將樣品在室溫下解凍,剝離魚肉中的魚刺,后用去離子水沖洗兩遍后擦干。再將肌肉用不繡鋼剪刀剪碎,勻漿器勻漿后冷凍干燥。干燥前后樣品均準確稱重(精確到0.0001g),計算出樣品含水率。凍干后的樣品用研缽研磨成粉末后分成兩份,分別用來測定總汞含量和穩(wěn)定同位素比率?？偣康臏y定按Chasar等的方法,根據(jù)原子吸收光譜法用直接測汞儀DMA-80(Milestone,Italy)進行分析。實驗過程中測定黃魚成份分析標準物質(GBW08573),回收率為92%。為滿足實驗質量要求,測定時所有樣品均有平行樣測定。同時每測定10個樣品,就設空白樣以保證實驗的精密度。測定結果根據(jù)樣品含水率折算成濕重后用于結果與討論。穩(wěn)定同位素的測定按Xu等方法,使用CarloErbaEA-1110元素分析儀和DeltaPlusFinigan同位素比率質譜儀(Finnigan,USA)。δ13C和δ15N的標準物質分別為美洲擬箭石(PDB)和大氣中的N2。結果表示為:δX=[(Rsample-Rstandard)/Rstandard]×1000,式中X為13C或15N,R代表13C/12C或15N/14N。樣品分析精度δ13C<0.20‰,δ15N<0.30‰。1.4處理數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采用Excel軟件進行統(tǒng)計和處理,差異顯著性采用ANOVA分析方法,P<0.05時認為差異有顯著性。2結果與分析2.1干支流類樣品中魚類汞含量的比較在三峽庫區(qū)的不同水域中,以數(shù)量較多的鯉魚為對象,分析水庫內的魚體汞含量的區(qū)域差異。本研究在10個采樣水域共采集鯉魚樣品46尾,樣品年齡多為1—3齡,體長主要集中在20—35cm(91.3%),且各采樣點的鯉魚體長體重之間無顯著差異。如圖2所示,在所有干、支流采樣水域中,鯉魚肌肉汞含量最高的是干流中的洛磧(平均112.4μg/kg),最低的為支流中的童莊河(平均38.1μg/kg)。其中干流3個采樣點中的洛磧的魚體汞含量顯著性地高于萬州和巫山(P<0.05),從高到低依次為洛磧>萬州>巫山。各支流樣點中,總汞含量最高為大寧河(65.5μg/kg),最低為童莊河(38.1μg/kg),從高到低的次序依次為大寧河>黃金河>小江>香溪河>神農溪>壤渡河>童莊河,除大寧河魚體汞含量顯著高于童莊河外,其余各支流之間無顯著差異(P>0.05)。本研究中所有采自干流與采自支流的鯉魚相比,體內汞含量無顯著差異(P>0.05),多數(shù)支流與巫山和萬州段干流中的魚體汞含量相當。2.2不同水域的魚類13c值分布如表1所示,本研究中魚類樣品的δ13C值范圍為-22.08‰—-28.92‰。其中,萬州段魚類δ13C值范圍為-23.11‰—-26.87‰,巫山段魚類δ13C值范圍為-23.36‰—-25.57‰,神農溪魚類δ13C值范圍為-22.08—-28.92‰。在各采樣水域中,鰱、鳙等濾食性魚類的δ13C值較低(-28.92‰—-24.67‰),而鯉、鯽等底棲雜食性魚類的δ13C值較高(-25.02‰—-22.08‰)。這與不同魚類食物來源差異有關,濾食性魚類主要攝食微型藻類、浮游動物等δ13C值低的餌料,而底棲魚類食物來源中外來碎屑、軟體動物等δ13C值高的餌料比例更大。對3個采樣水域共有的鯉、鯽和的δ13C進行分析,結果見圖3。3個水域鯉魚的δ13C值表現(xiàn)為:萬州>巫山>神農溪,但各樣點間的鯉魚的δ13C值無顯著性差異(P>0.05)。鯽魚的δ13C在3個水域中的分布為:神農溪>萬州>巫山,且神農溪鯽魚δ13C值顯著高于萬州和巫山段的鯽魚(P<0.05)。的δ13C值在三采樣水域中表現(xiàn)為:巫山>萬州>神農溪,其中神農溪的δ13C值顯著低于萬州和巫山段的(P<0.05)。2.3個水域魚類的15n值如表2所示,本研究中魚類樣品的δ15N值范圍為8.26‰—16.98‰。其中,萬州段魚類δ15N值范圍為8.95‰—14.43‰,巫山段魚類δ15N值范圍為9.37‰—16.98‰,神農溪魚類δ15N值范圍為8.26‰—13.15‰。氮穩(wěn)定性同位素δ15N因分餾作用伴隨著生物體營養(yǎng)等級的增加而不斷增加,不同營養(yǎng)級間的δ15N富集值的平均值為3.4‰。因此,可以根據(jù)水域中不同魚類的δ15N值來確定相應的營養(yǎng)等級,具體公式如下:TLconsumer=(δ15Nconsumer-δ15Nbaseline)/3.4‰+λ式中,TLconsumer為消費者營養(yǎng)等級,當δ15Nbaseline取初級消費者δ15N值時,λ=2。以此推算,萬州、巫山和神農溪3個水域中采集魚類的營養(yǎng)等級跨度分別為1.6、2.2和1.4。在各采樣水域中,食性不同的魚類δ15N值差異明顯,從濾食性、草食性向雜食性和肉食性逐漸升高。魚類的δ15N直接取決于攝食對象的δ15N值,鲇、鱖等肉食性魚類主要捕食其他小型魚類,δ15N值最高,而鰱、鳙等以浮游生物為食的濾食性魚類的δ15N值最低。光澤黃顙魚與瓦氏黃顙魚雖然同為雜食性魚類且生活習性和活動范圍類似,但光澤黃顙魚的食物組成中動物性餌料所占比例更大,δ15N值更高。對比3個采樣水域魚類的δ15N值發(fā)現(xiàn),萬州和巫山段的魚類δ15N均高于神農溪的同種魚類。以三水域共有的鯉、鯽和為例(圖3),3個水域鯉魚的δ15N值表現(xiàn)為:萬州>巫山>神農溪,但各樣點間的鯉魚的δ15N值無顯著性差異(P>0.05)。鯽魚的δ15N在3個水域中的分布為:巫山>萬州>神農溪,且巫山段鯽魚δ15N值顯著高于神農溪的鯽魚(P<0.05)。的δ15N值在三采樣水域中表現(xiàn)為:萬州>巫山>神農溪,其中各樣點間的的δ15N值無顯著差異(P>0.05)。2.4魚類汞與魚類15n值的相關性本研究將采樣水域魚類的δ15N值與魚體汞濃度(經(jīng)log10轉化)做回歸分析,結果見圖4。其中,萬州段和神農溪的魚類δ15N值與魚體汞濃度呈正相關,而巫山段的魚類δ15N值與汞濃度相關性不顯著,這說明汞在萬州和神農溪的水生食物鏈上有明顯的累積放大作用。生物體δ15N值與體內汞濃度的回歸曲線斜率往往被用來指示食物鏈對汞積累放大能力的大小,本研究中神農溪的回歸曲線斜率顯著性高于萬州段和巫山段(P<0.05),而萬州段和巫山段的回歸曲線斜率之間無顯著差別(P>0.05)。3討論3.1峽水庫水體水質特征三峽水庫蓄水前徐小清等預測:水庫蓄水后,庫區(qū)干流中鯉魚汞含量平均值將達到110μg/kg,而各支流中鯉魚汞含量平均值為130—140μg/kg。本研究中鯉魚肌肉總汞含量明顯低于蓄水前的預測值,僅稍高于蓄水前水平,與蓄水1—2a后的水平相近。與長江水系及其他支流相比(表3),蓄水后三峽水庫的鯉魚總汞含量也無明顯差異。Xu等研究發(fā)現(xiàn),三峽水庫蓄水后庫區(qū)水體類型存在空間差異:三峽水庫首次成庫后干流水體以河流型和過渡型為主;支流庫灣則主要表現(xiàn)為過渡型和湖泊型水體。三峽水庫蓄水位到達175m后,支流庫灣水體滯留時間均進一步延長,湖泊型水體特征更加明顯。徐小清等根據(jù)各水域水文特征參數(shù)計算出支流的汞活化指數(shù)高于干流,并預測蓄水后支流魚體汞含量將高于干流魚體。然而通過比較庫區(qū)內各水域的鯉魚汞含量,發(fā)現(xiàn)從庫尾的洛磧到庫中的巫山,干流中鯉魚汞含量逐漸降低(圖5),這與之前的預測不同。根據(jù)祁俊生等的研究結果,三峽水庫蓄水前干流長壽、萬州、巫山段鯉魚汞含量平均值分別為55,49,45μg/kg,同樣呈逐漸降低的趨勢。與蓄水前相比,蓄水后魚體汞含量在洛磧段上升幅度較大,萬州段上升幅度較小,巫山段基本無變化。三峽水庫成庫后,水流速度減慢,大量懸浮物在進入水庫后沉淀。王健康等證實三峽水庫中的重金屬因易于吸附在懸浮顆粒物上而被沉降下來,發(fā)生澄清作用。這也可以解釋水庫干流中魚體汞含量分布變化趨勢。支流中的魚體汞含量也普遍低于預測值,這與之前研究結果一致。同時,支流魚體汞含量并沒有明顯高于干流魚體,大部分支流僅與萬州、巫山段相當,甚至顯著低于洛磧段魚體中含量(圖5)。王健康等對三峽庫區(qū)13條支流進行沉積物重金屬污染研究發(fā)現(xiàn),所涉及支流都沒有受到汞污染。所以,庫區(qū)支流較低的汞輸入可能是導致魚體汞含量不高的原因。三峽水庫蓄水后,支流水體環(huán)境變化較大,除改變水體無機汞負荷外,還影響了水體甲基化速率,魚類攝食關系等決定魚體汞含量的關鍵因素。這些都可能導致魚體汞含量低于預期。此外,庫區(qū)支流受回水頂托,不同程度的富營養(yǎng)化狀態(tài)和水華也可能降低魚體中的汞含量。3.2魚類食物來源的差異水生生態(tài)系統(tǒng)中的碳源既包括藻類、浮游動物和大型水生植物等δ13C值較低的內源性碳源,也包括陸地植物碎屑、工業(yè)生活排放物等δ13C值較高外源性碳源。本研究中采樣水域魚類碳穩(wěn)定同位素的變化反映了三峽庫區(qū)不同水域魚類食物來源的空間多樣性,其中干流受上游降雨沖刷和排放物影響,水體中外源性有機物量較大,并且干流中較大的流速限制了浮游生物的生長,導致內源性有機物的比例偏低,水體中POM(顆粒有機物)的δ13C值較高。并且,以往研究表明庫區(qū)干流的不同斷面之間POM的δ13C值也有差異,但本研究中萬州和巫山段魚類的δ13C值差異不明顯,這說明兩地魚類食物來源比較相似。與干流相比,支流神農溪水流較緩,庫灣中浮游植物所占比重較大,導致等魚類δ13C值顯著低于干流中的同種魚類。而鯽魚屬于底棲魚類,與干流相比,支流中較淺的水深使得鯽魚易于攝食底層沉積物中δ13C值較高的食物