沙潁河流域浮游動物群落結(jié)構(gòu)空間變化特征與水質(zhì)評價

劉盼盼　王　龍　王　培　王　琦　張　霞　周巧紅　吳振斌

(1. 中國科學(xué)院水生生物研究所淡水生態(tài)與生物技術(shù)國家重點實驗室, 武漢 430072; 2. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049;3. 武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 武漢 430070)

浮游動物作為次級生產(chǎn)者, 是水域食物網(wǎng)中的重要一環(huán), 其種類和數(shù)量的變動會直接或間接的影響著水體中其他水生生物的分布[1]。由于浮游動物對水環(huán)境變化的敏感性和適應(yīng)性差異, 利用浮游動物群落結(jié)構(gòu)的變化來檢測和評價水環(huán)境具有重要的應(yīng)用價值, 彌補(bǔ)水體理化指標(biāo)在水質(zhì)評價上的不足[2]。近年來相關(guān)研究顯示, 利用浮游動物多樣性指數(shù)可以反映水體的富營養(yǎng)化狀況和水質(zhì)受污染程度[3—6]。同時, 由于我國水體污染狀況嚴(yán)峻, 各大湖泊、流域、水庫等也均積極開展相關(guān)的生態(tài)學(xué)調(diào)查, 利用浮游動物群落結(jié)構(gòu)變化及多樣性指數(shù)對水質(zhì)進(jìn)行評價[7,8]。

沙潁河是淮河流域最大的一條支流, 西起河南省伏牛山, 跨豫、皖兩省, 流經(jīng)鄭州、平頂山、漯河、周口、阜陽等市, 東至安徽省潁上縣沫河口入淮。全長約620 km, 流域面積39880 km2, 接近淮河流域總面積的1/7, 其中周口以上為沙潁河的上游部分, 長324 km, 流域面積為25880 km2; 周口到阜陽市是沙潁河的中游部分, 河長172 km; 阜陽市以下為下游部分, 河長124 km[9]。自1989年以來, 淮河干流共發(fā)生5次較大污染, 都與沙潁河有關(guān)[10]。尤其, 沙潁河流域中的賈魯河中牟段主要承擔(dān)著鄭州市工業(yè)廢水和城市生活污水排泄, 排放量逐年增長,河道及地下水均受到不同程度的污染, 河流斷面水質(zhì)超過Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn), 由于水體嚴(yán)重污染、生態(tài)環(huán)境水量不足, 造成生態(tài)環(huán)境惡化, 水生植物、魚類、底棲生物、微生物、濕地等大多消亡, 既喪失了水體的自凈能力, 也破壞了河道濱水景觀環(huán)境[11]。

目前, 關(guān)于沙潁河流域的調(diào)查研究包括沙潁河河南段水質(zhì)理化指標(biāo)的時空變化[12,13]、浮游甲殼動物時空變化[14]、沙潁河流域著生藻和大型底棲無脊椎動物[15]等的研究, 缺乏對整個沙潁河流域浮游動物的系統(tǒng)調(diào)查研究。本次研究以沙潁河流域主要支流賈魯河和其干流沙潁河為研究主體, 調(diào)查沙潁河流域浮游動物群落結(jié)構(gòu)的空間變化, 并利用浮游動物評價水質(zhì)污染狀況。本研究可為沙潁河流域水環(huán)境治理、水體生態(tài)環(huán)境持續(xù)健康發(fā)展和淮河流域水環(huán)境治理等提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　采樣時間與采樣點設(shè)置

2016年秋季對沙潁河流域浮游動物進(jìn)行調(diào)查研究, 共設(shè)置20個采樣點。其中, 9月中旬采樣點為14個, 10月初又補(bǔ)充采樣點6個。在每個采樣點均有重復(fù)樣。具體采樣位置如圖 1, 詳細(xì)信息見表1。所有采樣點均經(jīng)GPS定位。

1.2　浮游動物樣品的采集與鑒定

浮游動物定性樣品： 以25號篩絹制成的浮游生物網(wǎng)(孔徑64 μm)在表層水面以下呈“∞”字形撈取3—5min, 并將濾取的樣本放入標(biāo)本瓶中, 加4%的福爾馬林溶液固定。

圖 1　沙潁河流域浮游動物采樣點分布Fig. 1　Sampling sites of zooplankton in the Shaying River Basin

表 1　沙潁河流域各采樣位點詳細(xì)情況Tab. 1　Distributions of sampling sites in the Shaying River Basin

浮游動物定量樣品： 用2.5 L的有機(jī)玻璃采水器(水生所制)取表層和底層的水樣混合, 再從混合樣中取10 L和1 L分別用于大型浮游甲殼類和輪蟲的定量。10 L樣先用孔徑64 μm的浮游生物網(wǎng)過濾,收集于50 mL的塑料瓶中并用4%的福爾馬林溶液保存; 1 L樣加Lugol氏液固定后帶回實驗室沉降,自然沉降48h后, 用虹吸管除去上清液收集沉積物再濃縮成50 mL并保存。

參照分類資料[16—22]的描述, 在OLYMPUS BX53顯微鏡和解剖鏡下進(jìn)行浮游動物鑒定和計數(shù)。

1.3　數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用優(yōu)勢度Y計數(shù)出優(yōu)勢物種, 計算公式為：Y=(Ni/N) fi, 式中Ni為第i種的個體數(shù), N為樣品中所有種類的個體數(shù), fi為第i種的出現(xiàn)頻率, Y＞0.02為優(yōu)勢種。

運(yùn)用Shannon-Wiener指數(shù)(H′)[23]來表示浮游動物群落的多樣性, 式中, N為浮游動物總個體數(shù),ni為第i種的個體數(shù)。同時, 運(yùn)用Pielou指數(shù)(J′)[24]表示物種均勻度, 式中, S為物種總數(shù)。

2　結(jié)果

2.1　浮游動物的種類組成

通過對20個采樣點的采樣及檢測分析, 發(fā)現(xiàn)共有浮游動物36屬78種, 其中, 輪蟲20屬60種, 占浮游動物總物種數(shù)的76.92%; 枝角類10屬12種, 占浮游動物總物種數(shù)的15.38%; 橈足類6屬6種, 占浮游動物總物種數(shù)的7.69%?？傮w上而言, 沙潁河流域浮游動物物種類型以輪蟲為主。各采樣點具體物種數(shù)詳見圖 2, 可以明顯看出賈魯河浮游動物種類數(shù)較多, 雙洎河浮游動物種類數(shù)相對較低, 且沿著沙潁河支流匯入淮河干流的過程中, 浮游動物的種類數(shù)呈現(xiàn)先增加后逐漸降低的趨勢。

2.2　浮游動物的優(yōu)勢種

圖 2　沙潁河流域各采樣點浮游動物各類群物種數(shù)Fig. 2　The abundance of each species of zooplankton in different sampling sites in the Shaying River Basin

表 2　沙潁河流域浮游動物優(yōu)勢種空間變化及其優(yōu)勢度Tab. 2　Spatial variations of dominant species and dominance of zooplankton in the Shaying River Basin

如表 2所示, 由于橈足類各采樣點優(yōu)勢種主要為橈足類無節(jié)幼體和橈足類幼體, 因此文中未計算其優(yōu)勢度, 僅計算輪蟲、枝角類的優(yōu)勢度, 結(jié)果表明： 沙潁河流域輪蟲主要優(yōu)勢種為9種, 枝角類主要優(yōu)勢種為4種。各個采樣位點浮游動物的優(yōu)勢種為1至7種。其中, 沙潁河流域上游賈魯河浮游動物的優(yōu)勢種為長肢多肢輪蟲、裂痕龜紋輪蟲、角突臂尾輪蟲、萼花臂尾輪蟲、微型裸腹溞、象鼻溞、圓形盤腸溞; 雙洎河優(yōu)勢種為長肢多肢輪蟲、羅氏異尾輪蟲、角突臂尾輪蟲、萼花臂尾輪蟲、狹甲輪蟲、微型裸腹溞、象鼻溞、圓形盤長溞, 上游浮游動物優(yōu)勢種多為喜富營養(yǎng)化條件下的浮游動物。沙潁河流域中下游浮游動物優(yōu)勢種為長肢多肢輪蟲、裂痕龜紋輪蟲、角突臂尾輪蟲、曲腿龜甲輪蟲、無柄輪蟲、奇異六腕輪蟲、微型裸腹溞、象鼻溞。

2.3　浮游動物的密度與生物量

各采樣點浮游動物密度為125—13701 ind./L（圖 3） 。輪蟲在4號采樣點的密度最高為13650 ind./L,以長肢多肢輪蟲、角突臂尾輪蟲、萼花臂尾輪蟲、三肢輪蟲等為主要組成部分, 其他采樣點輪蟲的密度為125—7889 ind./L, 以長肢多肢輪蟲和裂痕龜紋輪蟲為主要組成; 枝角類在12號采樣點的密度最高為380 ind./L, 以微型裸腹溞和短尾秀體溞為主要組成部分; 橈足類在12號采樣點的密度最高為817 ind./L, 主要以橈足類幼體為主要組成部分; 無節(jié)幼體在9號采樣點密度最高, 為1550 ind./L。

圖 3　沙潁河流域浮游動物的密度Fig. 3　Density of zooplankton in the Shaying River Basin

圖 4　沙潁河流域浮游動物的生物量Fig. 4　Biomass of zooplankton in the Shaying River Basin

從生物量(圖 4)上而言, 浮游動物的總生物量范圍為0.15—9.32 mg/L。輪蟲在4號采樣點的生物量最高為9.16 mg/L; 枝角類和橈足類在12號采樣點的生物量最高, 分別為3.68和2.64 mg/L; 無節(jié)幼體在9號采樣點的生物量最高, 為4.65 mg/L。

2.4　浮游動物多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)

檢測位點中的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)H′為1.03—3.51, Pielou指數(shù)J′的變化范圍為0.26—0.70(圖 5)。當(dāng)H′大于3.0時表示水體輕污染或無污染, 1.0＜H′＜3.0時表示水體中污染, H′＜1.0表示水體重污染。同時, 當(dāng)0.5＜J′＜0.8表示水質(zhì)輕污染或無污染, 0.3＜J′＜0.5表示水質(zhì)中污染, J′＜0.3表示水質(zhì)重污染。參照評價標(biāo)準(zhǔn)[25]對檢測位點的水質(zhì)進(jìn)行評價： 沙潁河流域各采樣位點的水質(zhì), 除了4號、5號、15號、17號表現(xiàn)出輕污染或無污染, 其他采樣位點水質(zhì)均為中污染或重污染。

圖 5　沙潁河流域各采樣點浮游動物的生物多樣性指數(shù)和物種均勻度指數(shù)Fig. 5　Shannon-Wiener index and Pielou evenness index of zooplankton in different sites in the Shaying River

3　討論

3.1　沙潁河流域浮游動物群落結(jié)構(gòu)變化特征

近年來國內(nèi)外越來越多的學(xué)者關(guān)注于利用浮游動物評價水體生態(tài)系統(tǒng)是否健康[26,27], 這是由于浮游動物個體小, 具有較短的世代交替周期, 對環(huán)境變化反應(yīng)迅速。隨著水體富營養(yǎng)化程度提高, 浮游動物群落結(jié)構(gòu)趨于簡單, 種類變少, 豐度增加, 多樣性指數(shù)下降, 群落的穩(wěn)定性降低[28]。因此, 浮游動物群落結(jié)構(gòu)變化也成為了水生態(tài)系統(tǒng)中調(diào)查的熱點。例如甬江干流[29]調(diào)查報道了輪蟲24屬72種,枝角類5屬20種, 橈足類11屬13種, 湘江干流[30]報道了輪蟲23屬45種, 枝角類9屬17種, 橈足類3屬5種,并利用浮游動物對水質(zhì)進(jìn)行了評價, 這些均說明浮游動物研究在水生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測方面具有重要意義。

通過對比分析淮河流域浮游動物的歷年調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)(表 3), 淮河流域浮游動物研究主要集中在蚌埠、信陽、阜陽、淮河中上游沙潁河流域及干流, 浮游動物的種類數(shù)以小型浮游動物為主。此次, 沙潁河流域的20個采樣點調(diào)查檢測到浮游動物36屬78種(不包括原生動物), 其中輪蟲20屬60種, 枝角類10屬12種, 橈足類6屬6種, 表明沙潁河流域浮游動物主要以輪蟲為主。國內(nèi)關(guān)于河流流域浮游動物調(diào)查結(jié)果也均顯示浮游動物以小型浮游動物為主[8,33,39]。吳利等[8]2011年對淮河干流調(diào)查發(fā)現(xiàn)輪蟲194種, 枝角類27種, 橈足類6種。左其亭等[28]2012年對淮河中上游輪蟲群落結(jié)構(gòu)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)輪蟲有46種。Zhao等[37]2013年對沙潁河流域調(diào)查發(fā)現(xiàn)輪蟲85種, 枝角類9種, 橈足類7種。這與此次2016年沙潁河調(diào)查結(jié)果相比, 輪蟲種類數(shù)有所下降,枝角類種類數(shù)有所增加, 橈足類種類數(shù)沒有太大變化。

3.2　沙潁河流域浮游動物密度和生物量空間變化特征

2011年淮河干流[8]輪蟲密度高達(dá)1.7×106ind./L,生物量為2048 mg/L, 枝角類密度為3410 ind./L, 生物量為68 mg/L, 橈足類密度為7.7×104ind./L, 生物量為249 mg/L; 同年, 沙潁河流域下游的阜陽城區(qū)[34]輪蟲密度為1061—3356 ind./L, 生物量為1.26—3.87 mg/L, 枝角類密度為56—136 ind./L, 生物量為0.90—1.70 mg/L, 橈足類密度為12—84 ind./L, 生物量為1.56—10.92 mg/L。本研究各采樣點浮游動物密度為125—13701 ind./L, 浮游動物的總生物量范圍為0.15—9.32 mg/L。與2011年淮河干流浮游動物的調(diào)查結(jié)果相比較, 沙潁河流域浮游動物的密度和生物量相對偏低, 但與國內(nèi)其他河流流域[29,30]相比較而言, 此次沙潁河流域浮游動物的密度和生物量相對較高。有研究表明[40]輪蟲喜歡富營養(yǎng)環(huán)境,水體營養(yǎng)狀態(tài)的提升有利于輪蟲種類密度的提高,枝角類喜還原性的中營養(yǎng)或貧營養(yǎng)的清潔水體, 枝角類對環(huán)境的響應(yīng)能力更為敏感, 而橈足類受環(huán)境因子的影響較少。沙潁河流域結(jié)果顯示浮游動物密度主要是由輪蟲占大多數(shù)比例, 浮游甲殼類密度所占比例較低。同時, 通過表 3可明顯發(fā)現(xiàn)該流域水體富營養(yǎng)污染嚴(yán)重, 這可能就是導(dǎo)致浮游動物密度較高的原因。此外, 浮游動物密度和生物量峰值出現(xiàn)在賈魯河和雙洎河流域, 地理位置處于沙潁河流域的上游, 從整體上而言, 隨著水流匯入淮河過程中浮游動物的密度和生物量空間變化趨勢相一致, 呈大致下降趨勢。

3.3　沙潁河流域浮游動物對水質(zhì)的總體評價

在本研究中, 沙潁河流域各采樣點浮游動物優(yōu)勢種為1—7種, 常見優(yōu)勢種為長肢多肢輪蟲、裂痕龜紋輪蟲、角突臂尾輪蟲、象鼻溞和微型裸腹溞,沙潁河上游浮游動物優(yōu)勢種還分布有萼花臂尾輪蟲和圓形盤腸溞等富營養(yǎng)化指示種, 中下游分布出現(xiàn)曲腿龜甲輪蟲等喜清潔環(huán)境的指示種[22,41]。沙潁河流域大多數(shù)優(yōu)勢種為喜富營養(yǎng)化水體的種類。綜合分析各采樣點的種群反映出沙潁河流域上游水體富營養(yǎng)化較為嚴(yán)重, 中下游水體富營養(yǎng)化有所緩解。

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)是用來反映生物群落結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和穩(wěn)定性, 表示群落物種內(nèi)部及物種間分配均勻性的整體性指標(biāo), 在一定程度上可以指示水體環(huán)境。同時, Pielou指數(shù)(J′)描述群落中各種間個體分布均勻程度。沙潁河流域采樣位點Shannon-Wiener多樣性指數(shù)H′為1.03—3.51,Pielou指數(shù)J′的變化范圍為0.26—0.70。參照水生生物評價水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)沙潁河流域水質(zhì)總體呈現(xiàn)出中污染-重污染。

自1982年以來, 淮河流域浮游動物變化詳見表3, 淮河蚌埠段浮游動物變化明顯, 耐污性浮游動物種類數(shù)降低, 水體質(zhì)量變差[31,32]; 淮南段[38]和信陽段[35]水體為輕污染-中污染; 淮河上游流域水體處于輕污染狀態(tài), 中下游水體為中-重污染狀態(tài)[8,33,36]。此外, 有研究表明整個沙潁河流域?qū)贊}河周口段及其支流賈魯河的重金屬污染問題突出[42], 這說明水體污染狀況很嚴(yán)重。此次調(diào)查結(jié)果顯示賈魯河上游(即1至3號采樣點)水體為中-重污染, 賈魯河下游(即4至5號采樣點)水體為輕污染或無污染, 周口段水體為中污染, 表明周口段及賈魯河水體污染問題依然需要嚴(yán)峻對待和治理。2011年沙潁河流域阜陽段[14]調(diào)查研究浮游甲殼動物發(fā)現(xiàn)水體為輕度-中度污染, 但阜陽城區(qū)[34]水體均處于富營養(yǎng)狀態(tài), 城區(qū)部分位點為重污染。歷經(jīng)5年之后, 本研究利用浮游動物評價水體狀況, 發(fā)現(xiàn)阜陽段水體為中污染狀態(tài), 阜陽的水體污染狀況依舊需要認(rèn)真對待。據(jù)統(tǒng)計[43], 在我國的大多數(shù)河流中, 上游生物多樣性指數(shù)較高, 下游多樣性降低, 但是沙潁河流域卻是上游個別采樣點多樣性指數(shù)低, 下游多樣性指數(shù)相對較高。這可能是因為沙潁河上游城市人口聚集及生活污水排放導(dǎo)致水質(zhì)污染嚴(yán)重, 多樣性指數(shù)低; 下游人口稀少, 人為影響較少, 故水體狀況相對良好。

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