武漢東湖夏冬兩季浮游動(dòng)物物種多樣性及群落結(jié)構(gòu)研究

王雨路 袁丹妮 袁國慶 馮偉松 龔迎春

(1.武漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，武漢 430072;2.中國科學(xué)院水生生物研究所，武漢 430072;3.武漢生物工程學(xué)院，武漢 430415)

浮游動(dòng)物在自然水體中具有極為重要的生態(tài)功能。作為初級(jí)消費(fèi)者,浮游動(dòng)物以浮游植物、細(xì)菌及殘?jiān)樾紴槟芰縼碓?自身可被濾食性魚類和蝦蟹攝食,在能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)的生態(tài)過程中具有承上啟下的作用[1]。浮游動(dòng)物個(gè)體小、壽命短、對(duì)環(huán)境變化敏感、抗逆性相對(duì)較差,所以種群數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)往往隨環(huán)境變動(dòng)發(fā)生較大變化[2]。因此,根據(jù)浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)反映當(dāng)前水體環(huán)境狀況,成為水質(zhì)檢測的重要手段[1]。

武漢東湖(30°33′N,114°23′E)是一個(gè)位于長江中下游的中型淺水湖泊,總面積約為32 km2,全湖平均深度約為2.5 m,年均水溫18.6℃[3]。東湖為我國第二大城中湖,在觀光、養(yǎng)殖、農(nóng)灌以及調(diào)節(jié)凈化生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮重要作用[4]。20世紀(jì)以來,由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人類高強(qiáng)度的生產(chǎn)生活等使東湖水體受到嚴(yán)重污染,水體環(huán)境遭到極大程度的破壞,成為富營養(yǎng)型湖泊[5,6]。近年來,在湖北省政府的高度重視下,東湖水質(zhì)污染情況已有所改善[7]。雖然東湖水質(zhì)已由劣V類轉(zhuǎn)為IV類,但是仍為富營養(yǎng)型湖泊。因此,關(guān)注東湖水體及浮游生物組成特征依然至關(guān)重要。

由于武漢東湖所處位置的重要性及特殊性,從20世紀(jì)50年代開始,人們著手研究東湖水生生物生境狀況,積累了許多有價(jià)值的資料[5]。之前的研究報(bào)道多關(guān)注于東湖漁業(yè)資源或水質(zhì)變化與浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)性[6,8—12],根據(jù)一些經(jīng)典的著作進(jìn)行物種鑒定進(jìn)而闡述浮游動(dòng)物豐度與生物量的變化情況[13—16],而缺乏對(duì)浮游動(dòng)物重要特征的圖像記錄以及物種分子序列信息的確定,降低了物種鑒定信息的可參考性,增加了不同水體間各浮游動(dòng)物物種信息交流的阻礙強(qiáng)度,也增大了對(duì)浮游動(dòng)物生態(tài)學(xué)鑒定的難度。

本論文將以東湖主湖郭鄭湖及水果湖的沿岸帶為研究主體,通過對(duì)夏冬兩季(7 月、8 月、12月、1月)水體中浮游動(dòng)物組成與群落結(jié)構(gòu)特征的分析與研究,結(jié)合環(huán)境因子調(diào)查,總結(jié)東湖在夏冬兩季浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律及群落結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境因子變化的響應(yīng),提供東湖水體中的浮游動(dòng)物圖像信息和分子序列信息(18S rRNA)。望以此為東湖水體環(huán)境監(jiān)測與水質(zhì)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù),并為自然水體中浮游動(dòng)物的鑒定與研究提供具體、形象的參考資料。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)設(shè)置及環(huán)境因子測定

于2018年7月、8月、12月和2019年1月對(duì)東湖浮游動(dòng)物物種組成及群落結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行調(diào)查研究,采樣點(diǎn)設(shè)置在東湖主湖郭鄭湖及水果湖灣沿岸帶,共設(shè)置4個(gè)采樣點(diǎn): S1(30°32′13″N,114°22′20″E)、S2(30°32′52″N,114°23′55″E)、S3(30°34′17″N,114°23′10″E)、S4(30°32′54″N,114°21′4″E),采樣點(diǎn)具體信息如圖1。每次采樣時(shí)間在上午8:00—12:00,每周進(jìn)行一次生物樣品采集。用水質(zhì)分析儀(YSI Professional Plus,美國)現(xiàn)場測定水溫、pH、鹽度、溶解氧和ORP(氧化還原電位)。

1.2 浮游動(dòng)物樣品采集與處理

浮游動(dòng)物定性樣品以25號(hào)浮游生物網(wǎng)(孔徑64 μm)在表層水面下拋網(wǎng)收集,“Z”字形拖拽,將濾取的樣品收集至50 mL采樣瓶中,4 ℃保存。同時(shí)采集采樣點(diǎn)周圍巖石上的附著物,并添加一定量原位水保存,以作為浮游動(dòng)物物種定性分析的補(bǔ)充。浮游動(dòng)物定量樣品的采集方法因生物個(gè)體大小的不同而有所差異。其中,輪蟲定量樣品以25號(hào)浮游生物網(wǎng)過濾2 L水樣,濃縮至50 mL采樣瓶中,現(xiàn)場用甲醛溶液固定保存(終濃度為4%)[17];甲殼類定量樣品以13號(hào)浮游生物網(wǎng)過濾10 L水樣,濃縮至50 mL采樣瓶中,現(xiàn)場用甲醛溶液固定保存(終濃度為4%)[18]。

圖1 武漢東湖浮游動(dòng)物采樣點(diǎn)分布示意圖Fig.1 The diagram of zooplankton sampling stations in the East Lake in Wuhan

1.3 浮游動(dòng)物的鑒定

在解剖顯微鏡(OLYMPUS SZX7,日本)或倒置顯微鏡(OLYMPUS CKX41,日本)下挑取活體樣品中浮游動(dòng)物的純物種個(gè)體,并利用正置熒光顯微鏡(OLYMPUS BX53,日本)進(jìn)行物種圖片采集,輪蟲主要參照《Rotatoria》[13]和《中國淡水輪蟲志》[14],枝角類和橈足類主要參考《中國動(dòng)物志(淡水枝角類)》[15]和《中國動(dòng)物志(淡水橈足類)》[16]等相關(guān)資料描述進(jìn)行物種鑒定。對(duì)于東湖水體中浮游動(dòng)物常見物種,在解剖顯微鏡下挑取一定數(shù)量(大約20只)的純物種個(gè)體于1.5 mL 滅菌EP管中,-20℃保存,以便后續(xù)的DNA提取及序列測定。

1.4 DNA提取與SSU rRNA基因測序

針對(duì)常見浮游動(dòng)物類群,盡量獲得其SSU rRNA基因序列信息。浮游動(dòng)物DNA提取和PCR產(chǎn)物回收等操作分別參照DNeasy Blood&Tissue Kit試劑盒(Qiagen,德國)、OMEGA Gel Extraction Kit試劑盒(Omega,美國)的說明進(jìn)行。以挑取的浮游動(dòng)物基因組DNA為模板,采用真核生物通用引物SSU rRNA-F(5′-AACCTGGTTGATCCTGCCAGT-3′)和SSU rRNA-R(5′-TGATCCTTCTGCAGGTTCACC TAC-3′)進(jìn)行PCR擴(kuò)增[19]。PCR反應(yīng)擴(kuò)增體積為20 μL,其中2×GoTaqGreen Master Mix(Promega,美國)10 μL,DMSO 1 μL,每種引物(10 μmol/L)0.5 μL,模板DNA 8 μL。PCR反應(yīng)條件為: 94℃預(yù)變性10min,94℃變性30s,48℃退火1min 30s,72℃延伸2min 30s,進(jìn)行5個(gè)循環(huán),然后94℃變性30s,48℃退火1min 30s,72℃延伸2min 30s,進(jìn)行30個(gè)循環(huán),最后再72℃延伸10min。將擴(kuò)增獲得的DNA保守片段與pGEM-T vector(Promega,美國)連接并轉(zhuǎn)化入感受態(tài)大腸桿菌(DH5α)中,并進(jìn)行藍(lán)白斑檢驗(yàn),挑選陽性克隆的菌落,選用M13通用引物(M13-F: 5′-TTCCCAAGGAAAACCCT-3′;M13-R: 5′-CAG GAAACAGCTATGAC-3′)[20]進(jìn)行菌落PCR,最后將陽性菌液送往武漢天一輝遠(yuǎn)公司進(jìn)行序列測定。獲得的基因序列上傳至GenBank。

1.5 浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)特征分析

在OLYMPUS正置顯微鏡(CX-31)下,用1 mL和5 mL的浮游生物計(jì)數(shù)框分別進(jìn)行輪蟲和甲殼類的定量計(jì)數(shù)工作,每個(gè)樣品計(jì)數(shù)兩次,其浮游動(dòng)物最終豐度由以下公式確定:式中,N指1 mL水中浮游動(dòng)物個(gè)體數(shù)(ind./mL),N1與N2分別為兩次計(jì)數(shù)個(gè)體數(shù),Vj為計(jì)數(shù)框體積(mL)。

利用優(yōu)勢度Y指示浮游動(dòng)物的出現(xiàn)頻率和種群數(shù)量,以確定優(yōu)勢種,并且當(dāng)Y≥0.02時(shí)確定為優(yōu)勢種:

式中,ni為浮游動(dòng)物第i種的密度,N為物種總豐度值,fi為第i種的出現(xiàn)頻率。

群落的豐富度采用Margalef指數(shù)(d)表示,按公式(3)計(jì)算:

式中,S為浮游動(dòng)物物種總數(shù),N為浮游動(dòng)物總豐度值。

群落的多樣性用Shannon-Weiner指數(shù)(H′)和Simpson多樣性指數(shù)(D)表示,分別按公式(4)和(5)計(jì)算:

式中,S代表浮游動(dòng)物物種總數(shù);ni代表第i種的密度;N為浮游動(dòng)物總豐度值。

群落的均勻度用Pielou指數(shù)(J)表示,計(jì)算按公式(6):

式中,H′為Shannon-weiner指數(shù);S為浮游動(dòng)物物種總數(shù)。

1.6 數(shù)據(jù)分析

物種豐度數(shù)據(jù)展示采用Origin8.5軟件進(jìn)行作圖。利用Canoco5.0軟件對(duì)各采樣點(diǎn)水質(zhì)數(shù)據(jù)(水溫、pH、含氧量、鹽度、ORP)與浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行冗余分析(Redundancy analysis,RDA)。

2 結(jié)果

2.1 浮游動(dòng)物種類組成及優(yōu)勢種變化

通過定性樣品觀察,共發(fā)現(xiàn)浮游動(dòng)物50種,其中輪蟲22屬37種、枝角類10屬10種、橈足類3屬3種(表1),并對(duì)大部分物種進(jìn)行了圖片展示(圖版I—IV)以及部分物種的SSU rRNA序列確定(表2)。夏季共鑒定物種為43種,冬季物種數(shù)為24種。S1、S2、S3、S4四站點(diǎn)之間物種種類組成差異不顯著。

夏冬兩季的優(yōu)勢種(Y≥0.02)組成之間存在差異(表3)。夏季浮游動(dòng)物優(yōu)勢物種為跨立小劍水蚤(Microcyclops varicans,Y=0.612,圖版IV-12—15)、裂足臂尾輪蟲(Brachionus diversicornis,Y=0.048,圖版I-7—8)和微型裸腹溞(Moina micrura,Y=0.024,圖版III-14—17),冬季出現(xiàn)的優(yōu)勢種為長肢多肢輪蟲(Polyarthra dolichoptera,Y=0.407,圖版III-1—3)、疣毛輪蟲(Synchaetaspp.,Y=0.219,圖版II-20—22)、角突臂尾輪蟲(Brachionus angularis,Y=0.024,圖版I-13—14)和犀輪蟲(Rhinoglenasp.,Y=0.021,圖版II-4—7)。夏冬兩季之間不存在共有優(yōu)勢物種。

對(duì)于犀輪屬,《中國淡水輪蟲志》記載了2種(前額犀輪蟲Rhinoglena frontalis和東京犀輪蟲Rhinoglena tokioensis),2008年Willem等[21]報(bào)道了一個(gè)在南極洲發(fā)現(xiàn)的新種Rhinoglena kutikovae。然而這些物種的描述與在東湖發(fā)現(xiàn)的優(yōu)勢物種犀輪蟲均存在一定的差異。

觀察到的犀輪蟲體長約為280—510 μm,寬度約為80—110 μm。體呈長圓錐形,透明。頭冠上具有一較長的吻,吻上有纖毛。眼點(diǎn)一對(duì),紅色,很明顯,在吻頂端的兩旁。頭冠下緊縮形成一“頸”,軀干部前端完全伸展時(shí)膨大(圖版II-5,與前額犀輪蟲類似)。具有槌型咀嚼器,槌鉤每側(cè)具6—7個(gè)齒(圖版II-6,與前額犀輪蟲不符,而與東京犀輪蟲描述相同)。足短,與體的分界不明顯。趾融合為一個(gè),很小(圖版II-7,與前額犀輪蟲不符,而與東京犀輪蟲描述相同)。卵胎生,體內(nèi)常有多個(gè)正在發(fā)育中的卵。該物種在夏季沒有觀察到,而在冬季成為優(yōu)勢種之一(分布特點(diǎn)與前額犀輪蟲類似,與東京犀輪蟲不同;形態(tài)和分布上與Rhinoglena kutikovae均有較大差異)。確定東湖發(fā)現(xiàn)的犀輪蟲種類還需要進(jìn)一步研究。

2.2 東湖浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)特征

夏冬兩季四個(gè)站點(diǎn)浮游動(dòng)物各類群的平均密度和生物量之間存在較大差異,冬季輪蟲豐度約為夏季的8.5倍,而夏季甲殼類生物量高于冬季(圖2)。夏季,東湖輪蟲平均密度和生物量分別為56.2 ind./L、0.22 mg/L;枝角類平均密度和生物量分別為8.8 ind./L、0.35 mg/L;橈足類平均密度和生物量分別為129 ind./L、2.53 mg/L;各采樣點(diǎn)浮游動(dòng)物密度為67.5—403.9 ind./L,總生物量為0.56—7.69 mg/L。冬季,東湖輪蟲平均密度和生物量分別為476.3 ind./L、0.44 mg/L;枝角類平均密度和生物量分別為1.0 ind./L、0.01 mg/L;橈足類平均密度和生物量分別為52.1 ind./L、1.11 mg/L;各采樣點(diǎn)浮游動(dòng)物密度范圍為275.0—683.3 ind./L,總生物量范圍為0.68—3.49 mg/L。定量計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)的物種數(shù)夏季略高于冬季(圖3)。總體上,夏季輪蟲豐度和生物量較冬季低,但甲殼類密度和生物量較冬季高。

表 1 東湖冬夏兩季浮游動(dòng)物的物種組成Tab.1 Species composition of zooplankton in the East Lake in summer and winter

2.3 東湖浮游動(dòng)物多樣性分析

基于公式(3)—(6),計(jì)算夏冬兩季東湖各樣點(diǎn)浮游動(dòng)物Margalef豐富度指數(shù)(dM)、Pielou均勻度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)和Simpson多樣性指數(shù)(表4)。

夏季東湖浮游動(dòng)物Margalef豐富度指數(shù)(dM)變化是1.189—1.860,均值為1.452;Pielou均勻度指數(shù)(J)變化范圍為0.498—0.804,平均值為0.665;Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)變化為0.954—1.699,平均值為1.316;Simpson多樣性指數(shù)(D)變化范圍為0.446—0.720,平均值為0.605。冬季東湖浮游動(dòng)物Margalef豐富度指數(shù)(dM)變化范圍是0.381—1.035,平均值為0.762;Pielou均勻度指數(shù)(J)變化范圍為0.479—0.746,平均值為0.630;Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)變化為0.694—1.347,平均值為0.949;Simpson多樣性指數(shù)(D)變化為0.421—0.698,平均值為0.529。

對(duì)比可知,夏季Margalef豐富度指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)顯著高于冬季;夏季Simpson多樣性指數(shù)略高于冬季;而兩季的Pielou均勻度指數(shù)之間相差較小。

2.4 浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子相關(guān)關(guān)系

根據(jù)統(tǒng)計(jì)性檢驗(yàn),夏冬兩季間五個(gè)環(huán)境因子均存在極顯著差異(**P＜0.01)。夏季平均水溫(32.1℃)、pH(7.85)高于冬季(分別為5.0℃,6.69);而夏季平均含氧量(4.99 mg/L)、鹽度(0.17)和ORP(116.69 mV)均低于冬季(分別為11.88 mg/L,0.20,201.525 mV)。

對(duì)夏冬季出現(xiàn)的7種優(yōu)勢物種以及5種環(huán)境因子進(jìn)行冗余分析(RDA,圖4)。RDA排序軸一與排序軸二的特征值分別為0.5389和0.0270,共解釋了56.59%的浮游動(dòng)物變化情況。水溫、含氧量、鹽度、pH、ORP五種環(huán)境因子共解釋了物種組成總變異的58.9%,其中溫度的解釋度達(dá)52.3%。環(huán)境因子的變異可將夏冬兩季樣點(diǎn)較好地分為兩個(gè)組。根據(jù)RDA分析,東湖水體中所出現(xiàn)的優(yōu)勢物種裂足臂尾輪蟲、微型裸腹溞、跨立小劍水蚤與溫度呈正相關(guān),而長肢多肢輪蟲、疣毛輪蟲、犀輪蟲與溫度呈負(fù)相關(guān)。同時(shí),跨立小劍水蚤與pH之間表現(xiàn)為更顯著的正相關(guān)。由圖4可知,輪蟲總豐度與溶解氧之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,枝角類總豐度與溫度之間呈現(xiàn)正相關(guān),而橈足類總豐度與各環(huán)境因子之間相關(guān)性均不大。

表 2 東湖水體中優(yōu)勢浮游動(dòng)物種類的SSU rRNA序列信息Tab.2 SSU rRNA gene sequence information of dominant zooplankton in the East Lake

3 討論

3.1 浮游動(dòng)物的鑒定

在生態(tài)學(xué)的研究中,往往會(huì)涉及基本的物種鑒定工作[22],利用的傳統(tǒng)手段主要是通過形態(tài)學(xué)觀察,并參考分類書籍進(jìn)行物種鑒定。然而當(dāng)前浮游動(dòng)物形態(tài)學(xué)的鑒定方法面臨一些問題,例如在參考一些經(jīng)典著作如《中國淡水輪蟲志》、《中國動(dòng)物志(淡水枝角類)》等時(shí),對(duì)于近年更新的分類體系或物種分布的新變化,可能會(huì)存在一些出入;另外,浮游動(dòng)物的形態(tài)學(xué)特征有時(shí)細(xì)微難察,要通過形態(tài)學(xué)觀察來鑒定物種通常需要研究人員具有豐富的經(jīng)驗(yàn),否則很容易出錯(cuò)[23]。

而利用近年來發(fā)展迅速的分子鑒定手段就可以規(guī)避這些問題。一方面,利用分子鑒定不需要物種的形態(tài)完整,對(duì)成體、幼體甚至卵都適用;另一方面,分子手段可以在形態(tài)學(xué)鑒定上難以區(qū)分時(shí),輔助發(fā)現(xiàn)一些門類的隱種和新種[24];最后,分子鑒定方法簡單、方便、不易出錯(cuò),且降低了對(duì)研究者的經(jīng)驗(yàn)要求[23]。然而,當(dāng)前浮游動(dòng)物(尤其是淡水浮游動(dòng)物)的分子序列數(shù)據(jù)庫還不完善,很多常見物種的序列信息仍然缺乏。

因此,提供常見浮游動(dòng)物的圖像信息及分子序列信息對(duì)于生態(tài)學(xué)和分類學(xué)的發(fā)展有重要價(jià)值。本文為在東湖中發(fā)現(xiàn)的浮游動(dòng)物提供了圖像信息(圖版I—IV),并對(duì)優(yōu)勢物種的重要鑒定特征提供了具體的圖像;同時(shí)為一部分常見物種在GenBank上傳了SSU rRNA序列信息,其中五條SSU rRNA全長序列為對(duì)應(yīng)物種的首次報(bào)道(角突臂尾輪蟲Brachionus angularis、裂足臂尾輪蟲Brachionus diversicornis、卜氏晶囊輪蟲Asplanchna brightwelli、端生三肢輪蟲Filinia terminalis和跨立小劍水蚤Microcyclops varicans),為未來浮游動(dòng)物鑒定研究提供了參考資料。

表 3 東湖夏冬兩季各采樣點(diǎn)浮游動(dòng)物的最大豐度和優(yōu)勢度Tab.3 The highest density and the dominance index of zooplankton detected in the East Lake in summer and winter from four different sampling sites (S1—S4)

3.2 東湖浮游動(dòng)物物種組成

浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)易隨環(huán)境變化產(chǎn)生變動(dòng),因而依據(jù)浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),可以推測當(dāng)前環(huán)境條件的特點(diǎn),并按照趨勢預(yù)測未來環(huán)境條件變化情況[1]。

根據(jù)歷史文獻(xiàn)資料,東湖浮游動(dòng)物物種組成有較大變化(表5),與東湖的水質(zhì)變化也存在一定的聯(lián)系。20世紀(jì)60年代,東湖發(fā)現(xiàn)輪蟲56—82種,枝角類中僅盤腸溞科就發(fā)現(xiàn)13屬24種,橈足類發(fā)現(xiàn)7—14種,出現(xiàn)的優(yōu)勢物種主要為螺形龜甲輪蟲、暗小異尾輪蟲、對(duì)棘同尾輪蟲、特異同尾輪蟲、二突異尾輪蟲、鼠異尾輪蟲、尖尾疣毛輪蟲、針簇多肢輪蟲、透明溞、隆線溞、近鄰劍水蚤、廣布中劍水蚤、長江新鏢水蚤、特異蕩鏢水蚤[25—29];20世紀(jì)80年代,東湖發(fā)現(xiàn)輪蟲57種,橈足類10種,優(yōu)勢物種為針簇多肢輪蟲、螺形龜甲輪蟲、暗小異尾輪蟲、角突臂尾輪蟲、對(duì)棘同尾輪蟲、矩形龜甲輪蟲、前節(jié)晶囊輪蟲、矩形臂尾輪蟲、萼花臂尾輪蟲、透明溞、透明薄皮溞、特異蕩鏢水蚤、廣布中劍水蚤、球狀許水蚤和近鄰劍水蚤[26,29—31];20世紀(jì)90年代,東湖發(fā)現(xiàn)輪蟲23—59種,枝角類18種,橈足類7—10種,優(yōu)勢物種為暗小異尾輪蟲、針簇多肢輪蟲、螺形龜甲輪蟲、多須擬前翼輪蟲、六腕輪蟲、短尾秀體溞、微型裸腹溞、近鄰劍水蚤、廣布中劍水蚤、近鄰劍水蚤、臺(tái)灣溫劍水蚤[8,10,12,31—33]。2006年,顏慶云等[3]在東湖發(fā)現(xiàn)輪蟲39種;在本次調(diào)查中,東湖共發(fā)現(xiàn)輪蟲21屬37種、枝角類10屬10種、橈足類3屬3種,優(yōu)勢物種為裂足臂尾輪蟲、角突臂尾輪蟲、犀輪蟲、疣毛輪蟲、長肢多肢輪蟲、微型裸腹溞和跨立小劍水蚤。

從物種數(shù)的變化來看,自20世紀(jì)60年代以來,東湖浮游動(dòng)物物種數(shù)一直處于逐漸減少的趨勢,分析可能的原因如下: 一方面,20世紀(jì)以來東湖周邊經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展,大量污水或廢水排入東湖導(dǎo)致水體受污染情況嚴(yán)重,環(huán)境條件的迅速改變可能造成部分物種無法及時(shí)適應(yīng)而消失,這種現(xiàn)象與淮河流域的報(bào)道類似[34];另一方面,由于近年來人為對(duì)東湖的改造,包括圍湖造田、修建東湖隧道等,東湖水域面積大大減小、浮游動(dòng)物生存環(huán)境短期發(fā)生較大變化,這對(duì)東湖浮游動(dòng)物群落也產(chǎn)生了一定的影響[35]。

在優(yōu)勢物種方面,幾十年前東湖出現(xiàn)的主要優(yōu)勢物種如螺形龜甲輪蟲、等棘異尾輪蟲、暗小異尾輪蟲等均為寡污型,針簇多肢輪蟲為β-中污型,而近年出現(xiàn)優(yōu)勢物種如裂足臂尾輪蟲、犀輪蟲、疣毛輪蟲等均為β-中污型,角突臂尾輪蟲、萼花臂尾輪蟲為β-中污型或α-中污型,可見東湖輪蟲逐漸從寡污型轉(zhuǎn)變?yōu)棣?中污型或α-中污型[36];優(yōu)勢甲殼類浮游動(dòng)物主要表現(xiàn)為逐漸趨向小型化。東湖浮游動(dòng)物物種組成發(fā)生改變的原因在于,一是由于東湖的污染,水體逐漸富營養(yǎng)化,適應(yīng)于富營養(yǎng)型水體的種群得到發(fā)展,并逐漸取代喜貧營養(yǎng)型水體的種群;二是受到東湖鰱鳙攝食的影響,大型甲殼類個(gè)體在鰱鳙密度高的水體中不占優(yōu)勢,從而促使甲殼類浮游動(dòng)物向小型化發(fā)展[8]。

圖2 夏冬兩季東湖各點(diǎn)浮游動(dòng)物豐度及生物量Fig.2 The abundance and biomass of zooplankton during summer and winter in the East Lake

需要指出的是,考慮到輪蟲的大小一般為50—2000 μm[37],本研究中利用25號(hào)浮游生物網(wǎng)(孔徑為64 μm)過濾2 L原位水對(duì)輪蟲進(jìn)行定量采集[17],與傳統(tǒng)沉淀法比較其最大優(yōu)點(diǎn)在于可以最大可能獲得稀有或豐度較低的物種。但是該方法可能會(huì)造成小個(gè)體輪蟲的生物量偏低。另外,考慮到沿岸帶光照、氧氣充足、營養(yǎng)條件良好,并生長有高等植物,可以為浮游動(dòng)物提供更加復(fù)雜、多樣、優(yōu)質(zhì)的生存環(huán)境,單位空間內(nèi)物種豐富程度可能更高[38],為了更好地獲取東湖浮游動(dòng)物多樣性的數(shù)據(jù),本研究主要選擇沿岸帶作為采樣點(diǎn),從而有別于前人對(duì)東湖研究中在敞水區(qū)的樣點(diǎn)設(shè)置[6,8,25]。因此,本次研究所新發(fā)現(xiàn)的優(yōu)勢物種很有可能與沿岸帶樣點(diǎn)的生境特征有關(guān)。例如新發(fā)現(xiàn)的優(yōu)勢物種跨立小劍水蚤,據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[16],該物種主要生活于小型水域和流速緩慢的河流中,在湖泊沿岸帶的水草叢中數(shù)量較多。因此,本研究所報(bào)道的優(yōu)勢物種是否在東湖敞水區(qū)也能形成優(yōu)勢群體值得進(jìn)一步的驗(yàn)證研究。

3.3 浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)特征

在本次調(diào)查中,東湖夏冬兩季浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的豐富度、均勻度、多樣性指數(shù),以及各類群的豐度、生物量等方面均存在一定差異。

在本文中,東湖夏季浮游動(dòng)物豐富度和多樣性指數(shù)高于冬季,均勻度與冬季接近。根據(jù)許晴等[39]的研究,認(rèn)為對(duì)均勻度接近、豐富度差別較大的群落進(jìn)行比較時(shí),應(yīng)該利用Shannon-Wiener指數(shù)進(jìn)行水質(zhì)狀況分析。在本次調(diào)查中,發(fā)現(xiàn)夏冬兩季浮游動(dòng)物均勻度指數(shù)相差較小(0.665和0.630),而豐富度相對(duì)差別較大(1.452和0.762),故利用Shannon-Wiener指數(shù)進(jìn)行東湖水質(zhì)分析。東湖夏季Shannon-Wiener指數(shù)和Margalef指數(shù)均處于1—2,根據(jù)水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表6)[40],東湖水質(zhì)為中污染;東湖冬季Shannon-Wiener指數(shù)和Margalef指數(shù)均小于1,水質(zhì)為重污染。

圖3 夏冬兩季東湖各點(diǎn)浮游動(dòng)物類群豐度和物種數(shù)比較Fig.3 The comparison of the abundance and species number of zooplankton groups in summer and winter in the East Lake

表 4 冬夏兩季東湖浮游動(dòng)物的多樣性指數(shù)Tab.4 Environmental factors for four stations in the East Lake in summer and winter

圖4 東湖夏冬兩季環(huán)境因子與浮游動(dòng)物種群的冗余分析Fig.4 Redundancy analysis of zooplankton species-environmental factors in summer and winter of the East Lake

表 5 東湖浮游動(dòng)物物種歷年組成Tab.5 Comparison of the composition of zooplankton species in East Lake over the years

東湖夏季輪蟲豐度和生物量低于冬季,而甲殼類豐度和生物量高于冬季(圖2)。輪蟲為喜富營養(yǎng)型種類,水體營養(yǎng)狀態(tài)的提升有利于輪蟲種類豐度的提高,枝角類喜還原性的中營養(yǎng)或貧營養(yǎng)的清潔水體,而橈足類受環(huán)境因子的影響較小[41]。東湖浮游動(dòng)物群落組成差異也反映了夏季水質(zhì)優(yōu)于冬季,冬季水體富營養(yǎng)化程度更高。

此外,歷史上對(duì)東湖比較系統(tǒng)全面的調(diào)查研究[6,8]主要是在東湖設(shè)兩個(gè)采樣站點(diǎn)。一個(gè)在湖的西部灣區(qū)域(靠近現(xiàn)在的水果湖),一個(gè)在湖中心。沈韞芬和陳受忠[25]發(fā)現(xiàn)第I站的浮游動(dòng)物都具有沿岸帶種類的共同特點(diǎn),多在水淺而有高等植物生長的環(huán)境中生長,而第II站的浮游動(dòng)物則具有亞沿岸帶的特征。我們此次采樣點(diǎn)的設(shè)置主要分布于II站所在湖區(qū)的沿岸帶。將我們的數(shù)據(jù)與歷年I站的研究結(jié)果[6,8,25]進(jìn)行比較(表7)可以發(fā)現(xiàn),本次調(diào)查中夏季輪蟲豐度為歷年最低(56 ind./L),而冬季除了1979年之外,輪蟲的豐度與往年的豐度相當(dāng)(476 ind./L),并略高于往年水平。夏季枝角類的豐度和1962年及1974年相當(dāng)(9 ind./L),不過遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1979年和1980年,且與1991年全年的平均水平相當(dāng);冬季枝角類偏低(1.0 ind./L)。值得注意的是此次調(diào)查中夏季橈足類的豐度是歷年最高,達(dá)129 ind./L,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于除1979年以外的其他年份,不過冬季橈足類的豐度(52 ind./L)和歷年在一個(gè)數(shù)量級(jí),相差不大。將我們的數(shù)據(jù)與II站比較也可以得到類似的變化規(guī)律,即冬季的輪蟲與夏冬兩季的橈足類的豐度在歷年變化中有增多的趨勢,而枝角類的豐度在夏冬兩季中均偏低,輪蟲在冬季的豐度與往年相比也較低。

夏季的水質(zhì)優(yōu)于冬季的現(xiàn)象在太平湖的相關(guān)研究中也存在類似的報(bào)道[42]。東湖冬季水質(zhì)較差的原因可能在于,東湖冬季水位高于夏季,這可能導(dǎo)致一部分枯枝敗葉或生活垃圾等進(jìn)入水體,引起水質(zhì)下降;另外,冬季由于電力需求大,空氣污染較夏季嚴(yán)重,部分污染物(如固體顆粒物、SO2等)隨著降雨進(jìn)入湖泊,這些都導(dǎo)致冬季東湖水質(zhì)下降[43]。

表 7 東湖歷年夏冬兩季浮游動(dòng)物數(shù)量Tab.7 Comparison of the number of zooplankton (ind./L) in the East Lake over the summer and winter

表 6 多樣性指數(shù)對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)[35]Tab.6 Standards of water quality assessed in terms of diversity index

3.4 浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子相關(guān)分析

水體中環(huán)境因子是影響浮游動(dòng)物密度和多樣性的重要因素,環(huán)境因子的變動(dòng)對(duì)不同物種有不同的影響。從東湖夏冬兩季的物種組成分析的對(duì)比上來看,溫度對(duì)夏冬兩季浮游動(dòng)物組成差異上解釋度最大為52.3%。所以溫度可能是引起夏冬兩季浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)變化的最主要因素。有研究表明[44],浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化常常與溫度的變化有關(guān)。Gillooly[45]認(rèn)為溫度對(duì)浮游動(dòng)物繁殖時(shí)間也有重要影響,溫度越高浮游動(dòng)物胚的發(fā)育時(shí)間越短,從而種群數(shù)量越大;崔福義等[46]同樣認(rèn)為溫度與劍水蚤各發(fā)育階段的發(fā)育時(shí)間呈負(fù)相關(guān),溫度高則劍水蚤的生長繁殖活躍,數(shù)量增加。從本次調(diào)查的結(jié)果分析,夏季出現(xiàn)的優(yōu)勢種裂足臂尾輪蟲、微型裸腹溞、跨立小劍水蚤以及枝角類總量與溫度呈現(xiàn)正相關(guān),而冬季出現(xiàn)的優(yōu)勢物種長肢多肢輪蟲、疣毛輪蟲、犀輪蟲與溫度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),這與物種對(duì)溫度適應(yīng)的特異性有一定關(guān)系[47],裂足臂尾輪蟲是一種喜溫性的輪蟲,在夏季會(huì)大量出現(xiàn)[14];微型裸腹溞也是嗜暖性的種類,一般在四月到八月繁殖最快[15];跨立小劍水蚤由于溫度對(duì)繁殖時(shí)間的影響,溫度高時(shí)種群數(shù)量大;高溫可以促進(jìn)枝角類的生長,低溫會(huì)延緩其生長[15];而長肢多肢輪蟲為狹冷性物種,適應(yīng)于在4—10℃的水體中生存,而水溫高于15℃時(shí)很難發(fā)現(xiàn)[14];本次調(diào)查中未確定到種類的疣毛輪蟲和犀輪蟲兩個(gè)類群可能適應(yīng)于偏冷的水體;而角突臂尾輪蟲屬于廣生性的種類[14],對(duì)溫度的適應(yīng)范圍較寬,夏冬兩季均有出現(xiàn),因此水體溫度不是決定其分布的主要環(huán)境因子。根據(jù)黃祥飛等的研究[25],絕大部分輪蟲在15—25℃內(nèi),其發(fā)育時(shí)間會(huì)隨著溫度的升高而縮短,輪蟲總數(shù)高峰一般在20℃以上時(shí)出現(xiàn),而本文結(jié)果顯示,夏季(28.9—35.5℃)輪蟲總量低于冬季(4.6—5.6℃),可能的原因在于溫度并不是解釋輪蟲總豐度分布的最主要環(huán)境因子。

通過RDA分析,發(fā)現(xiàn)輪蟲總豐度和浮游動(dòng)物總豐度與溶解氧正相關(guān)。Elliott[48]的研究發(fā)現(xiàn)在溶解氧濃度下降的情況下,絕大多數(shù)輪蟲種群密度降低,僅極少數(shù)種類如螺形龜甲輪蟲Keratella cochlearis和長刺蓋氏輪蟲Kellicottia longispina等對(duì)溶解氧濃度適應(yīng)范圍較寬,在低氧情況下也能維持種群密度。浮游動(dòng)物進(jìn)行呼吸作用時(shí)需要消耗氧氣,這也能解釋浮游動(dòng)物總豐度與溶解氧之間的正相關(guān)關(guān)系。由于夏季東湖溶解氧含量低于冬季,故輪蟲及浮游動(dòng)物總豐度在冬季高于夏季。

在本文中,pH的變化可以影響跨立小劍水蚤豐度大小,兩者之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系(圖4)?？缌⑿λ閷?duì)酸堿度的適度范圍在pH7.0—9.0[16],偏向于弱堿性水體,本次調(diào)查期間pH波動(dòng)范圍為6.69—7.85,故兩者之間展現(xiàn)為正相關(guān)。pH對(duì)輪蟲和枝角類豐度變化影響較小的原因在于輪蟲常常表現(xiàn)出比較廣泛的pH耐受性,絕大多數(shù)輪蟲的生存pH范圍至少有2.0個(gè)單位[49];而枝角類各個(gè)種對(duì)水域pH各有不同的適應(yīng)性,因此在酸性、中性和微堿性的水域中都有分布[15],所以在不同pH環(huán)境下總豐度變化不大。橈足類總量與各環(huán)境因子的關(guān)系均不大,與張世羊等[37]的研究結(jié)果類似,說明橈足類對(duì)環(huán)境的抗逆性強(qiáng),雖然個(gè)別物種會(huì)受到環(huán)境變動(dòng)影響,但總量可以保持穩(wěn)定。

除理化因子外,競爭和捕食也是影響浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的重要因素。溫新利等[50]指出,枝角類是與輪蟲爭奪食物的有力競爭對(duì)手,橈足類和魚類是輪蟲的捕食者。東湖夏季枝角類和橈足類豐度較高,可能與輪蟲產(chǎn)生了較強(qiáng)的競爭和捕食關(guān)系;而冬季枝角類和橈足類受環(huán)境因子影響總量下降,對(duì)輪蟲的限制減少,從而使得輪蟲總量增加。此外,浮游動(dòng)物是很多魚類特別是我國的四大家魚之一鳙的主要餌料,東湖魚類的組成與產(chǎn)量對(duì)浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)也有重要的影響。本次調(diào)查中發(fā)現(xiàn)與往年相比,枝角類的數(shù)量下降非常明顯(表7)。從該研究結(jié)果來看,東湖應(yīng)該減少鰱鳙的放養(yǎng)密度,以逐步恢復(fù)水中的大型枝角類。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)武漢東湖夏冬兩季進(jìn)行每周一次的生物樣品采集及分析,發(fā)現(xiàn)夏冬兩季東湖浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)存在明顯差異,夏季物種數(shù)(43種)高于冬季(25種),夏季輪蟲豐度及生物量小于冬季,而甲殼類豐度及生物量高于冬季。夏季發(fā)現(xiàn)3種優(yōu)勢物種,冬季發(fā)現(xiàn)4種優(yōu)勢物種,夏冬兩季之間不存在共同優(yōu)勢物種。通過多樣性指數(shù)對(duì)東湖水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)夏季浮游動(dòng)物群落Margalef豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Simpson多樣性指數(shù)均高于冬季,而夏冬兩季Pielou均勻度指數(shù)差異不大,表明東湖夏季水質(zhì)(中污染)優(yōu)于冬季(重污染)。對(duì)東湖夏冬兩季環(huán)境因子變化與浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)性進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)溫度是影響浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)變化的最重要的環(huán)境因子。本文提供的部分物種圖像信息及SSU rRNA序列信息為浮游動(dòng)物的研究提供了參考資料。

然而需要指出的是,本次調(diào)查采樣時(shí)長及地理位置有較大局限,不能完全反映整個(gè)武漢東湖浮游動(dòng)物全年的分布和動(dòng)態(tài)變化特征,物種圖像及分子序列信息的采集工作也不夠完整。在今后的研究中,應(yīng)該增加采樣范圍,對(duì)更多物種提供更加全面的圖像及分子序列信息,以期在未來建立一套可以隨相關(guān)研究工作不斷更新的、更具參考價(jià)值的浮游動(dòng)物鑒定體系。

圖版 Ⅰ 東湖水體中分離獲得的浮游動(dòng)物的形態(tài)學(xué)觀察圖片(標(biāo)尺: 1、3—13為50 μm;2為20 μm)Plate Ⅰ Pictures of zooplankton isolated from the East Lake (Scale bars: 50 μm for 1,3—13;20 μm for 2)

圖版 Ⅱ 東湖水體中分離獲得的浮游動(dòng)物的形態(tài)學(xué)觀察圖片(續(xù))(標(biāo)尺: 1—5、8—9、11—22為50 μm,6—7為10 μm,10為100 μm)Plate Ⅱ Pictures of zooplankton isolated from the East Lake (Continued) (Scale bars: 50 μm for 1—5,8—9,and 11—22;10 μm for 6—7;100 μm for 10)

圖版 Ⅲ 東湖水體中分離獲得的浮游動(dòng)物的形態(tài)學(xué)觀察圖片(續(xù))(標(biāo)尺: 2、3、8、11、12、15、16、21為20 μm;1、4—7、17、19為50 μm;10、13、14、18為100 μm;9為200 μm)Plate Ⅲ Pictures of zooplankton isolated from the East Lake (Continued) (Scale bars: 20 μm for 2,3,8,11,12,15,16,21;50 μm for 1,4—7,17,19;100 μm for 10,13,14,18;200 μm for 9)

圖版 Ⅳ 東湖中分離的浮游動(dòng)物的形態(tài)學(xué)觀察圖片(續(xù))(標(biāo)尺: 1為100 μm;2為20 μm;3、4、6—8、10、 11、14、15為50 μm;5、9、12、13為200 μm)Plate Ⅳ Pictures of zooplanktons isolated from the East Lake (Continued) (Scale bars: 100 μm for 1;20 μm for 2;50 μm for 3,4,6—8,10,11,14,15;200 μm for 5,9,12,13)