賈魯河流域生物多樣性評(píng)估及群落形成機(jī)制

孫捷 成厚城 劉啟軒 王志寬

（1. 蘇州首創(chuàng)嘉凈環(huán)保科技股份有限公司，江蘇蘇州 215000；2. 東南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江蘇南京 211189）

1 引言

河流是自然界的重要組成部分，具有調(diào)節(jié)氣候、維持生物多樣性等多種功能［1］。然而，隨著社會(huì)發(fā)展，河流生態(tài)系統(tǒng)受到不同程度的破壞，河道生態(tài)健康問(wèn)題逐漸受到重視。

隨著人們對(duì)河流生態(tài)的認(rèn)知逐漸加深，單一的水質(zhì)管理模式已逐漸轉(zhuǎn)化為生態(tài)健康管理［2］。浮游生物對(duì)河流的物化因子的變化相當(dāng)敏感，環(huán)境的變化會(huì)導(dǎo)致其種類及數(shù)量的變化［3-4］，其群落結(jié)構(gòu)的變化又會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)、信息傳遞等［5-6］。因此浮游生物常被國(guó)內(nèi)外學(xué)者作為生態(tài)健康的指示物種應(yīng)用于河流健康評(píng)價(jià)的研究。

賈魯河流經(jīng)新密市、鄭州市，中牟、尉氏、扶溝、西華等縣市，在周口市匯入沙潁河，最終匯入淮河。全河道長(zhǎng)度約為246 km，面積5 896 km2。雙洎河是賈魯河最大的支流。賈魯河受納金水河、索須河、熊耳河、七里河、東風(fēng)渠等河流的水體。另外，由于自然條件限制，賈魯河徑流稀少，河道水體除天然降雨補(bǔ)給外，沿線城市污水尾水亦為河道的主要補(bǔ)給水。由于以上原因，賈魯河流域處于污染狀態(tài)。據(jù)調(diào)查顯示，賈魯河流域面積占淮河的1/49，污染負(fù)荷卻占淮河的1/9［7］。以往對(duì)賈魯河的研究?jī)H是對(duì)化學(xué)指標(biāo)的檢測(cè)，如氨氮、總磷的水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)，但研究表明，單純依靠化學(xué)指標(biāo)難以反映河道健康水平［8］。因此，需要評(píng)估賈魯河流域的生物結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)賈魯河流域的生態(tài)健康管理的目的。

本研究以賈魯河流域?yàn)閷?duì)象，對(duì)賈魯河浮游生物的群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查，分析了浮游生物的種類、豐度和生物多樣性，對(duì)賈魯河流域的水質(zhì)變化也進(jìn)行了同步監(jiān)測(cè)，可為賈魯河流域的生態(tài)健康管理和修復(fù)提供一定的依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域及采樣點(diǎn)設(shè)置

采樣時(shí)間為2014 年8 月至2016 年8 月的春季（4 月）、夏季（8 月）、秋季（11 月）、冬季（1 月）。采樣點(diǎn)為賈魯河主要斷面，采樣地點(diǎn)為索須河與賈魯河交匯口P0（113°43′45.7″E，34°52′6.7″N），金水河入賈魯河口綠博園處P1（113°32′54.2″E，34°45′41.9″N），中牟縣陳橋斷面P2（114°06′32.2″E，34°40′54.3″N），扶溝縣雙洎河入賈魯河口P3（114°20′11.8″E，34°09′21.4″N）。

2.2 浮游生物的采集和處理

（1）使用25 號(hào)（孔徑0.064 mm）生物網(wǎng)和13 號(hào)（孔徑0.112 mm）生物網(wǎng)分別對(duì)浮游植物和浮游動(dòng)物進(jìn)行采集。（2）樣品收集至樣品瓶中并用4%甲醛溶液固定。（3）靜置48 h 后濃縮鏡檢。

2.3 理化指標(biāo)檢測(cè)

溶解氧、pH 值用HACH DR2800 現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。總磷（TP）、氨氮（NH3－N）、總氮（TN）、化學(xué)需氧量（COD）等采用國(guó)標(biāo)法檢測(cè)，見(jiàn)表1。

表1 測(cè)定方法

2.4 數(shù)據(jù)分析

物種豐度指數(shù)使用Shannon－Wiener 多樣性指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

Shannon－Wiener 多樣性指數(shù)＝－∑（Pi）（log2Pi）式中，Pi代表樣品中屬于第i 種浮游生物個(gè)體比例。

Shannon－Wiener 多樣性指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：0～1 為重污染；1～2 α 為中污染；2～3 β 為中污染；＞3 為輕污染或無(wú)污染。

3 結(jié)果

3.1 浮游植物種類特征

3.1.1 浮游植物種類

在P0，P1，P2 和P3 斷面中，共鑒定出5 門33 種浮游植物。其中，綠藻門種類數(shù)最多，占總種類數(shù)的51.5%；藍(lán)藻門、隱藻門和硅藻門占比均為15.1%。賈魯河流域浮游植物種類數(shù)具有季節(jié)性差異，其中，夏季最多，冬季最少，呈現(xiàn)出夏季＞秋季＞春季＞冬季的趨勢(shì)，見(jiàn)圖1。

圖1 賈魯河流域各季節(jié)浮游植物種類組成

3.1.2 浮游植物豐度變化

賈魯河流域4 個(gè)季節(jié)的浮游植物豐度變化范圍為4.87×106～18.60×106int/L，各取樣點(diǎn)豐度變化見(jiàn)圖2。夏季賈魯河流域浮游植物豐度最大，冬季最??；藍(lán)藻門豐度最大，其次為綠藻門。從空間尺度上分析，賈魯河流域浮游植物豐度最高值在P0 采樣點(diǎn)，最低值在P1 采樣點(diǎn)。由圖2b 可知，浮游植物豐度在4個(gè)采樣點(diǎn)呈現(xiàn)為P0＞P3＞P2＞P1。

圖2 賈魯河流域各取樣點(diǎn)豐度變化情況

3.1.3 浮游植物多樣性變化

賈魯河流域的浮游植物Shannon－Wiener 多樣性指數(shù)見(jiàn)圖3。Shannon－Wiener 多樣性指數(shù)在0.86～3.20 之間，在季節(jié)上表現(xiàn)為夏季較低、冬季較高的趨勢(shì)。從空間上來(lái)看，Shannon－Wiener 多樣性指數(shù)在P1 點(diǎn)最高，P0 點(diǎn)最低。多，為6 種屬，輪蟲為3 種屬，枝角類為1 種屬，橈足類為1 種屬，分別占總種類數(shù)的54.5%，27.3%，9.1%，9.1%。在賈魯河流域的4 個(gè)斷面中，浮游動(dòng)物種類數(shù)具有季節(jié)性差異，其中，夏季最多，冬季最少，呈現(xiàn)出夏季＞秋季>春季＞冬季的趨勢(shì)，見(jiàn)圖4。

圖3 賈魯河流域浮游植物Shannon－Wiener 多樣性指數(shù)

圖4 各季節(jié)浮游動(dòng)物種類組成

3.2 浮游動(dòng)物種類特征

3.2.1 浮游動(dòng)物種類

在賈魯河流域的4 個(gè)斷面中，浮游動(dòng)物種類一共四大類11 種（見(jiàn)圖4），其中，原生動(dòng)物種類數(shù)最

3.2.2 浮游動(dòng)物豐度變化

4 個(gè)季節(jié)里賈魯河流域浮游動(dòng)物豐度變化為1.78×106～26.28×106int/L，各季節(jié)平均豐度變化如圖5a 所示。浮游動(dòng)物豐度時(shí)間分布為夏季最大、冬季最小。此外，在各個(gè)季節(jié)，原生動(dòng)物豐度最大，其次為輪蟲。在空間尺度上，賈魯河流域浮游動(dòng)物豐度在P0 采樣點(diǎn)最高，最低值在P1 采樣點(diǎn)。由圖5b 可知，浮游植物豐度空間尺度上4 個(gè)采樣點(diǎn)呈現(xiàn)為P0＞P3＞P2＞P1，與浮游植物豐度出現(xiàn)相同趨勢(shì)。

圖5 浮游動(dòng)物豐度變化情況

3.2.3 浮游動(dòng)物多樣性變化

賈魯河流域的浮游動(dòng)物Shannon－Wiener 多樣性指數(shù)分布如圖6 所示。Shannon－Wiener 多樣性指數(shù)在0.75～2.98 之間，呈現(xiàn)夏季多樣性指數(shù)較低、冬季多樣性指數(shù)較高的趨勢(shì)。從空間角度分析顯示，各斷面浮游動(dòng)物Shannon－Wiener 多樣性指數(shù)的最高值出現(xiàn)在P1 采樣點(diǎn)，最低值出現(xiàn)在P0 采樣點(diǎn)，Shannon－Wiener 多樣性指數(shù)從大到小排序?yàn)镻1＞P2＞P3＞P0。

圖6 各季節(jié)賈魯河流域浮游動(dòng)物Shannon－Wiener多樣性指數(shù)分布

3.3 賈魯河流域水環(huán)境特征

對(duì)夏季賈魯河流域上下游的4 個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行水環(huán)境因子檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。從表2 可以看出，夏季賈魯河流域水體的溶解氧含量在P0 地區(qū)是最低的，且差異較大，其他3 個(gè)采樣點(diǎn)之間無(wú)太大差異。COD 呈現(xiàn)類似的變化情況，在P0 采樣點(diǎn)COD 是最低的，其他3 個(gè)采樣點(diǎn)之間無(wú)太大差異。P0 采樣點(diǎn)的NH3-N 和TP 含量均是最高的，P1 最低，NH3-N和TP 含量從大到小的排序都表現(xiàn)為P0＞P3＞P2＞P1。硝態(tài)氮含量也是P0 處最高，而檢測(cè)到的硝態(tài)氮含量最小值在P2 處，4 個(gè)斷面從高到低排序?yàn)镻0＞P3＞P1＞P2。從表2 可知，2014 年到2016 年期間，賈魯河流域夏季的水體溶解氧含量逐年升高；COD 在不同年份變化不大；NH3-N，TP 和硝態(tài)氮含量在2014 年到2016 年都表現(xiàn)為一致的規(guī)律，檢測(cè)到的數(shù)值逐年下降。

4 討論

賈魯河受地理因素限制，自然徑流缺乏，補(bǔ)給水流以鄭州市和開(kāi)封市城區(qū)排放的污水為主，占河流總水量的80%，水體黑臭和藍(lán)藻水華問(wèn)題頻發(fā)［8］。此外，賈魯河流域的生態(tài)環(huán)境復(fù)雜，除受到鄭州市和開(kāi)封市的人為影響外，同時(shí)還受到與南水北調(diào)工程相連的支流金水河匯入的影響。

普遍認(rèn)為水體中TP 含量大于0.02 mg/L，是水體富營(yíng)養(yǎng)化的特征［9-11］。賈魯河夏季TP 濃度高于公認(rèn)水體富營(yíng)養(yǎng)化閾值的10 倍以上。處于鄭州市區(qū)的P0 處NH3-N，TP 水平高于其他3處。吳菲等［12］的研究指出，水體中NH3-N，TP 等營(yíng)養(yǎng)鹽的含量與周圍人類活動(dòng)的大小密切成正相關(guān)，周圍人口越多，匯入的營(yíng)養(yǎng)鹽越多。此外，有金水河匯入的P1 斷面處NH3-N，TP 水平最低，而P2 和P3 處NH3-N，TP 水平又隨著污水的流入升高?？赡艿慕忉屖乔鍧嵉慕鹚幼匀凰w的匯入，使賈魯河NH3-N，TP 等營(yíng)養(yǎng)鹽稀釋，河流的水質(zhì)得到改善［12］。此外，2014 年至2016 年期間，賈魯河流域夏季NH3-N、硝態(tài)氮和TP不斷降低，而水體溶解氧含量不斷上升，表明賈魯河的水質(zhì)得到改善［13］。

對(duì)賈魯河流域2014 年8 月至2016 年8 月3 年4 個(gè)季度進(jìn)行調(diào)查采樣，共鑒定出浮游植物33 種、浮游動(dòng)物11 種，浮游植物以耐污型的藍(lán)藻和綠藻為主，浮游動(dòng)物則為原生動(dòng)物和輪蟲占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，表明賈魯河流域的富營(yíng)養(yǎng)水質(zhì)為耐污水生物的生長(zhǎng)、繁殖提供了理想場(chǎng)所［14］。并且在人類活動(dòng)更為密集的P0 處，浮游生物豐度明顯高于其他3 處采樣點(diǎn)，而金水河入賈魯河口的P1 處浮游生物豐度最低。周彥鋒等指出，水體中NH3-N，TP 等營(yíng)養(yǎng)鹽的含量是影響浮游生物群落分布的主要影響因子［15］。此外，有研究認(rèn)為，藍(lán)藻門中的顫藻屬、微囊藻屬，綠藻門的小球藻屬和原生動(dòng)物等耐污物種與營(yíng)養(yǎng)鹽有較好的相關(guān)性，本研究的發(fā)現(xiàn)與之相似［16］。在本研究中，發(fā)現(xiàn)浮游生物的豐度與賈魯河流域污染程度相關(guān)。

對(duì)賈魯河流域浮游生物的多樣性進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，不同季節(jié)浮游植物和浮游動(dòng)物的豐度都表現(xiàn)為夏季＞秋季＞春季＞冬季。此外，在金水河匯入賈魯河的P1 處浮游生物Shannon－Wiener 多樣性指數(shù)明顯高于其他采樣點(diǎn)。一些報(bào)道認(rèn)為，Shannon－Wiener 多樣性指數(shù)越高，表明該區(qū)域水體的生物復(fù)雜性越高、水質(zhì)越好［17］。另外，本研究的結(jié)果顯示，處于鄭州市市區(qū)的P0 和扶溝縣雙洎河入賈魯河口的P3 的Shannon－Wiener 多樣性指數(shù)明顯低于P1 和P2 處，這一結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了賈魯河流域P0 處富營(yíng)養(yǎng)化的程度最高，P1 處富營(yíng)養(yǎng)化程度最低。

本研究發(fā)現(xiàn)賈魯河流域在浮游生物群落及其環(huán)境因子上呈現(xiàn)出顯著的時(shí)間和空間特征。人類活動(dòng)和支流水體的匯入對(duì)賈魯河流域浮游生物的豐度起重要作用。此外，在賈魯河流域，鄭州市城區(qū)的P0 采樣點(diǎn)污染最嚴(yán)重，藻類以有害的藍(lán)藻為優(yōu)勢(shì)種，浮游動(dòng)物以耐污染的原生動(dòng)物為主，而金水河匯入點(diǎn)P1的污染程度最低。本研究的結(jié)果有助于相關(guān)部門進(jìn)一步了解賈魯河污染狀況，為污染治理提供了依據(jù)。