DDTs沿扎龙湿地典型食物网的传递与富集规律

罗金明，高忠燕，李洪影

（1.齐齐哈尔大学理学院，齐齐哈尔，161006；2.黑龙江省扎龙国家级自然保护区管理局，齐齐哈尔，161002）

20 世纪，农药滴滴涕（DDT）作为一种杀虫剂被广泛用于农业生产过程中［1］，在地表土壤和水体环境中大量残留［2］。DDT 及其衍生物（统称DDTs）能通过捕食-食物的营养关系从食物网底层传递到食物网顶层的生物体内，并表现出显著的生物富集（bio-magnification effect）特性［3-4］。生物体内富集较高的DDTs 可能影响繁殖成功率，甚至直接致死［5］。从20 世纪60 年代开始，欧美国家禁止使用DDTs 和相关产品。我国从1983 年开始禁止使用DDT 农药［2］，但含有DDT 的化工产品依然允许生产和使用；2009 年，我国政府全面禁止使用各种含有DDT 的化学产品（环境保护部公告2009 年第23 号）。由于DDTs 的半衰期长达12～15 a，即使完全禁止使用，环境中残留的DDTs还将在今后一段时期内存在，对生物生态健康产生影响［6］。

丹顶鹤（Grus japonensis）是国家一级重点保护的大型珍稀水禽［7］，被IUCN 列为易危（VU）物种，目前丹顶鹤迁徙种群的数量处于减少趋势［8］。黑龙江省扎龙国家级自然保护区（扎龙湿地）是丹顶鹤重要的繁殖地和越冬地，湿地周围分布有大面积的农田，农业生产排放的有机氯农药DDT 很容易进入丹顶鹤的栖息地，并在生物体内富集［9］。近年来，环境中残留的DDT 水平显著减少，但在丹顶鹤羽毛和卵组织中尚能检测到一定浓度的残留，如2021 年在扎龙湿地底泥中检测到DDTs 的残留浓度为4.6 ng/g，在丹顶鹤的食物（鱼类）和卵组织中检测到DDTs 残留浓度分别为8.6 ng/g 和低于检测限～23.2 ng/g（湿质量）［10］。环境中残留的DDTs可在丹顶鹤等食物链顶端的生物体内富集，但关于DDTs沿丹顶鹤为代表的典型食物网的传递和富集规律尚不清楚，这不利于治理环境中残留的DDTs 和保护丹顶鹤物种。逸度模型是基于物质平衡理论建立的一种模拟有机污染物迁移转化的模型，可以有效描述有机污染物在环境中的迁移过程以及归趋特征［11-12］。本研究基于逸度模型，对DDTs沿丹顶鹤为代表的典型食物网的传递和富集规律进行研究，讨论当前丹顶鹤种群所面临的潜在风险程度，研究结果对丹顶鹤物种的保护具有一定参考价值。

1 研究区概况

扎龙湿地（46°52′—47°32′ N，123°47′—124°37′ E）位于黑龙江省中西部，是发源于小兴安岭西侧的乌裕尔河流经富裕县后因海拔迅速降低，河道消失后大面积水流散溢，发育而成的典型温带芦苇沼泽湿地。大面积的原生芦苇沼泽为丹顶鹤、东方白鹳（Ciconia boyciana）等多种珍稀水禽提供良好的栖息和繁殖环境。每年3 月下旬，数百只野生丹顶鹤自南方越冬地北迁并在此栖息繁殖，直到10 月下旬气候变冷才返回南方越冬。扎龙湿地中上游发育大面积的黑土和黑钙土，土壤肥沃，是我国重要产粮区。湿地低洼的地形特征决定了其容易承接来自四周的农田农药、除草剂等污染物，可能影响在此生活的丹顶鹤等水禽的生态健康。

2 材料与方法

2.1 食物网构建

根据稳定同位素测定方法可以准确得到湿地生态系统典型生物物种的营养位，进而构建丹顶鹤食物网［13］。依据前期扎龙湿地典型生物的营养位资料［14］，构建扎龙湿地以丹顶鹤等大型水禽为顶层捕食者的食物网结构，得到营养层位。

第1层：浮游生物，以湿地底泥、水和腐碎屑为食物来源，是DDTs 进入生物体内的第一步，营养位为1.74～2.01。

第2层：以底栖物为食的动物，如黑龙江泥鳅（Misgurnus mohoity）、小型浮游鱼和中国圆田螺（Cipangopaludina chinensis）等，营养位为2.02～2.96。

第3层：大型浮游鱼类，以第2层水生动物为食，营养位为3.00～3.50。

第4层：大型杂食水禽，如丹顶鹤、绿头鸭（Anas platyrhynchos）等，营养位为3.00～3.60。

第5层：大型肉食动物，如东方白鹳，营养位为3.61～4.10。

根据上述营养层位特征，利用逸度模型模拟DDTs沿不同生物物种之间的传递规律。

2.2 逸度模型原理

根据逸度模型，环境中有机污染物主要通过水体饮用和食物摄入的途径进入生物体内；生物体内富集的有机污染物同时处于不断降解的变化中，降解包括呼吸、排泄、代谢和生物体生长稀释4 个途径［6］。在稳态条件下，污染物的富集和降解处于平衡，可表示为：

式中：f为逸度（Pa），D为污染物迁移参数（mol/（Pa·d）），W 为水体摄入，A 为食物摄入，F 为生物体，E 为排泄降解，M为代谢降解，G为生物体生长稀释。

令W=DW/（DW+DE+DM+DG），A=DA/（DW+DE+DM+DG），则简化得到：

式中：W和A分别为目标物种体内通过呼吸和食物摄入而富集的污染物部分。

对于第1层生物：

对于第2层生物：

对于第3层生物：

对于第4层生物：

对于最顶层（第5层）生物：

根据每一层生物的污染物平衡等式求得f和D（参数D的求解方程见表1，所涉及的不同生物种类之间的觅食比例见表2 和表3），可以计算出生物之间的污染物通量Fluxes（mol/d）=f×D。不同生物种类之间的DDTs通量结果见图1。

图1 DDTs在扎龙湿地食物网中的传递与富集特征Fig.1 Transfer and enrichment of DDTs along the food web at Zhalong Wetland

表1 模型参数Z和D的定义Tab.1 Variable definition of Z and D values

表2 模型模拟参数Tab.2 Variable used for model simulations

表3 扎龙湿地中各种生物的觅食比例［14-15］Tab.3 Food component of species in Zhalong Wetland

以2008 年扎龙湿地水体和底泥实测DDTs 浓度20 ng/L 和80 ng/g 作为模型模拟的初始值［9］，模拟DDTs沿湿地食物网的迁移规律，并以2021年实测的扎龙湿地水体和底泥浓度（2.1 ng/L和4.6 ng/g）［10］作为初始值研究当前扎龙湿地食物网的DDTs残留水平。

3 结果

表4 显示，湿地生态系统中不同生物种类的逸度和逸度比值存在明显差异。逸度为1.74×10-7～46.00×10-7Pa，第1 和第2 营养层位的物种逸度值低于4.00×10-7Pa，第3 层位至最高层位（第5 层）的物种逸度高于4.00×10-7Pa。第1 和第2 层位的物种逸度比值（fP/fW）的变化范围比较小（0.92～1.40），大型浮游鱼类（第3 层）的fP/fW为9.12，第4 层丹顶鹤和绿头鸭的fP/fW分别为12.98 和14.02，东方白鹳（第 5 层）的fP/fW超过20.00。捕食者和食物之间的逸度比值（fP/fF）变化较大，营养层位比较低的生物种类fP/fF比较小，如第1 和第2 层位的物种fP/fF低于1.25，从第3 层位的大型浮游鱼类开始，fP/fF迅速 增加，如大型鱼类为2.05，绿头鸭的逸度比值达 到6.33，丹顶鹤和东方白鹳逸度比值分别高达13.17和14.55。

表4 湿地生态系统各种生物的逸度和逸度比值Tab.4 The fugacity and fugacity ratio of each species in wetland ecosystem

图2 显示，湿地生物的营养位数值与逸度比值呈现显著正相关性（p=0.001）。营养位低于2.50 生物种类的逸度比值比较小，介于0～1.50；营养位为2.50～3.00 生物种类的逸度比值迅速增大，如大型浮游鱼类的fP/fW和fP/fF分别到达9.12 和2.05。营养位为3.25 的生物种类的逸度比值达到12.98 和6.33，营养位为3.80 的生物种类的逸度比值高达24.34和14.55。

图2 逸度比值与营养位的相关性Fig.2 Correlations between the fugacity ratio and trophic level

基于逸度模型模拟得到的DDTs 浓度与实验室测定的浓度比较，发现二者结果接近（表5），说明此模型能够用于扎龙湿地生态系统DDTs 的迁移和 富集规律的研究。通过模拟结果揭示了DDTs 沿扎龙湿地不同营养位发生明显的生物富集特征。DDTs 富集浓度在无脊椎动物（11.25 ng/g）、小型 浮游鱼类（5.54 ng/g）和软体动物（15.47 ng/g）体内较低，在浮游动物（29.59 ng/g）、甲壳类底栖动 物（66.35 ng/g）和大型浮游鱼类（85.15 ng/g）体内明显增加，水禽体内残留的DDTs最高，绿头鸭、丹顶鹤和东方白鹳体内的模拟浓度分别达到192.00、226.00、392.00 ng/g。

表5 基于逸度模型得到的扎龙湿地中各生物体内富集的DDTs浓度Tab.5 DDTs enriched in each species at Zhalong Wetland based on fugacity model

DDTs 沿扎龙湿地不同生物种类之间的传递和富集过程见图1，食物营养层位越高，生物种类的逸度和富集的DDTs 浓度就越高。对于底层营养层位的水生动物来说，水体和腐殖类食物是体内富集DDTs 的主要途径，因水体和腐殖类食物残留的DDTs 水平比较低，故底层生物体内富集的DDTs 水平也比较低；营养层位较高的3 种水禽通过水体摄入的DDTs 比例很小，食物摄入是DDTs 进入体内的主要途径，尤其是东方白鹳，通过捕食不同营养层位的生物体过程，导致较高浓度的DDTs沿食物链流动富集在东方白鹳体内。排泄、新陈代谢和生物体生长稀释是丹顶鹤和东方白鹳排出DDTs的主要途径，排泄消减部分大于其他2 种途径。丹顶鹤通过排泄输出的DDTs 通量为312.00 ng/d，东方白鹳排泄的DDTs通量为310.00 ng/d。水禽类往往成长较快，生长稀释也是降低体内DDTs浓度的重要途径之一，丹顶鹤和东方白鹳依靠生长稀释降低的DDTs 通量为226.00 ng/d 和156.00 ng/d。生物体内通过食物摄入富集的DDTs与各种降解途径排出的DDTs总体上维持平衡。

基于逸度模型预测扎龙湿地生态系统当前不同生物种类富集DDTs 水平的结果见图3。DDTs 表现出沿食物网传递和生物富集的效应，但在食物网顶端的3 种水禽体内富集的DDTs 水平比较低，如DDTs 在绿头鸭和丹顶鹤体内富集的浓度分别为28.50、34.50 ng/g。高忠燕等［10］2020 和2021 年实测得到扎龙湿地丹顶鹤卵组织残留的DDTs 质量分数为低于检测限～23.2 ng/g（湿质量），也证实了当前扎龙湿地中丹顶鹤等水禽体内还富集一定程度的DDTs。

图3 基于逸度模型得到当前不同物种体内富集的DDTs含量Fig.3 Current concentrations of enriched DDTs in different species were predicted based on fugacity model

4 讨论与结论

fP/fW揭示了污染物在不同营养位生物体内产生的生物富集效应，包括水体摄入和食物摄入共同产生的富集结果［6，12］；fP/fF则体现了整个食物网中捕食者通过食物营养流通通道产生的富集结果［16］。随着生物体营养位的增高，营养层位比较高的生物往往比位于食物网底层的生物具有更强的肠道消化能力，通过肠道对含有污染物的食物进行消化，提高了污染物在生物体内的逸度，因此本研究中位于营养层位较高的丹顶鹤和东方白鹳等大型水禽的逸度和逸度比值在扎龙湿地生态系统中最高［17］。fP/fW均 超过1 表示DDTs 在该生物体内发生了明显的富集［12］。本研究发现，大型浮游鱼类和大型水禽（丹顶鹤和东方白鹳）与食物之间的fP/fF和fP/fW都超过1，证实了DDTs 在扎龙湿地营养位顶层的物种体内发生了较为明显的生物富集效应。这种生物富集效应导致丹顶鹤等大型水禽体内残留较高水平的DDTs，2009 和2014 年丹顶鹤羽毛中DDTs 的残留浓度达到1 500 ng/g 以上［10］，这种残留水平高于同期常见的大型猛禽羽毛中的残留浓度（100～500 ng/g）［18］。本研究发现，食物摄入是大型浮游鱼类和丹顶鹤等大型水禽体内富集DDTs 的主要方式，而排泄、新陈代谢和生物体生长稀释是排出DDTs 的主要途径。在丹顶鹤羽毛中检测到较高的DDTs 残留证实了上述结果，说明丹顶鹤能够在羽毛形成时期把体内富集的DDTs 排泄到羽毛中，以此降低体内的DDTs 残留水平［10］。因此，通过检测丹顶鹤羽毛中残留的DDTs水平，在一定程度上可以了解其体内组织中的DDTs富集水平［10］。

亲鸟在产卵过程中也可能把体内过多的有毒物质排泄到卵组织中，以降低自身体内有毒物质的残留水平［19］。2004 和2009 年，在丹顶鹤卵壳中检测 到一定浓度的DDTs 残留（2004 年，DDTs 质量分数 最高为30.5 ng/g；2009 年，DDTs 质量分数最高为35.6 ng/g）［10］，同期羽毛中也有较高浓度的DDTs 残留。鸟类卵组织中若有较高DDTs 残留可能导致卵壳偏薄。如果卵壳变薄15%以上，鸟类的繁殖成功率就会降低［19］。与2020年的卵壳厚度相比，2004和2009 年的卵壳厚度变薄5.2%和11.6%［10］。可见，历史上扎龙湿地环境中残留较高的DDTs水平，可能对丹顶鹤等大型水禽的生态健康带来一定影响。

本研究发现，扎龙湿地环境中残留的DDTs水平较低时，丹顶鹤和其他物种体内富集的DDTs水平也显著降低，这种结果与实际情况相符合。2009 年以来，所有含DDTs成分的有机氯农药和相关工业产品被全面禁止使用，显著降低了扎龙湿地环境中DDTs的残留。当前，丹顶鹤卵组织残留的DDTs质量分数低于检测限～23.2 ng/g（湿质量）［10］，基于逸度模型模拟得到丹顶鹤体内DDTs 质量分数为34.50 ng/g，远远低于上述引起鸟类卵壳显著变薄或繁殖失败的临界浓度（3 100 ng/g，湿质量）［5］。

本研究对有机氯农药DDTs 沿扎龙湿地典型食物网的传递和富集规律进行了研究，在此基础上探讨了湿地环境残留的DDTs 给丹顶鹤带来的潜在风险，以期为丹顶鹤的保护提供参考。