食物與橈足類營養(yǎng)級對亞熱帶分層水庫浮游動物群落結(jié)構(gòu)的影響*

陳輝煌，王文平，薛媛媛，高肖飛，金 磊，楊 軍**

(1：中國科學院城市環(huán)境研究所，城市環(huán)境與健康重點實驗室，福建省流域生態(tài)重點實驗室，水生態(tài)健康研究組，廈門 361021)

(2：中國科學院大學， 北京 100049)

目前，我國是世界上水庫數(shù)量最多的國家，隨著城鎮(zhèn)化進程的加快和地下水的短缺，越來越多的水庫被選為城鎮(zhèn)供水水源地[1-3]. 作為飲用水水源地的水庫，管理者對水庫采取魚類養(yǎng)殖限制或禁止措施，加之水庫水體較深、水位波動較大，導致深水水庫缺少底棲動物、挺水和沉水植物，因此，浮游生物成為水庫生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分.

淡水浮游生物包括細菌、浮游植物(藻類)、微型動物等，是生態(tài)和進化地位都十分重要、獨特、多樣的類群. 它們既是水生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)者、也是消費者和分解者，在物質(zhì)循環(huán)、污染物降解和水體自凈等方面發(fā)揮基礎和關鍵作用[2-3]. 后生浮游動物一方面以懸浮物為食，另一方面又是魚類和其他高等水生動物的天然餌料[4]. 浮游動物群落組成和種群生長受多種因素影響，除了魚類捕食壓力外[5]，還容易受食物的影響[6-8]. 食物的種類[9]、質(zhì)量[10]和大小[11-12]對浮游動物種群動態(tài)具有一定的影響，浮游生物生態(tài)模型(plankton ecology group model)中強調(diào)了食物質(zhì)量對后生浮游動物的重要性. 食物質(zhì)量包括了化學計量組成、生物化學成分和食物的形態(tài)特征[6]. 溫度也是影響浮游動物選擇性攝食食物的主要原因，研究發(fā)現(xiàn)浮游動物在高溫條件下偏好攝食碳含量高的自養(yǎng)生物，低溫條件下偏好攝食異養(yǎng)生物[13]. 此外，水位波動[14]、氣象和水文的組合干擾[15]影響浮游植物的生物量和群落組成，浮游植物會顯著影響到浮游動物群落結(jié)構(gòu)[16]. 因此，后生浮游動物群落結(jié)構(gòu)與動態(tài)受多重因素的影響，本研究擬探討食物質(zhì)量和食物濃度對浮游動物的影響.

溪東水庫是廈門市重要的供水水庫，2014年10月水庫曾發(fā)生藍藻(微囊藻)水華. 水庫藍藻水華促進底層水體厭氧氨氧化菌豐度的顯著增加，隨著藍藻水華的消亡，水庫的水質(zhì)逐漸恢復[17]. 藍藻水華期間自由生浮游細菌的抗生素抗性基因比非水華期間的豐度低[18]. 藍藻水華也顯著改變了真核浮游微生物的群落組成[19]. 水華期和水華消退后的水庫后生浮游動物群落組成在時空上是否發(fā)生變化？食物質(zhì)量(水體碳磷比、氮磷比)如何影響到浮游動物？食物濃度(細菌豐度、浮游植物生物量)如何影響浮游動物？針對這些尚未充分解答的問題，本文以溪東水庫為例，分水層采集水華期至水華消退后的浮游生物樣品，分析后生浮游動物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的關系. 旨在闡明食物質(zhì)量和食物濃度對浮游動物群落變化的貢獻，揭示環(huán)境因子對浮游動物化學計量(磷)特征的影響.

1 材料與方法

1.1 樣品采集

溪東水庫位于福建省廈門市同安區(qū)，廈門的單位面積水庫數(shù)量在福建省各市中最高，但人均蓄水量最低[20]. 溪東水庫壩址以上控制流域面積為23.4 km2，庫容0.14×108m3，平均水深23 m，多年平均氣溫20.7℃，多年平均降雨量為1335.8 mm，多年日照時數(shù)1914 h. 根據(jù)2014年廈門市氣候公報，2014年同安區(qū)年平均氣溫偏高，為22.2℃；年降水量偏少，為1308.9 mm；日照時數(shù)偏少，為1620 h. 于2014年10-12月對溪東水庫大壩前水體(24°49′N, 118°10′E)進行采樣，采集表層(0.5 m)、氧躍層或溫躍層(12～20 m)和底層(25 m)水樣，共采6次(采樣日297、304、325、332、346和363對應具體日期分別為2014年的10月24日、10月31日、11月21日、11月28日、12月12日和12月29日)，采樣期間的理化因子變化趨勢參見文獻[18-19].

1.2 現(xiàn)場理化測定

沿著水庫水體垂直剖面，用多參數(shù)水質(zhì)分析儀(美國HACH, Hydrolab DS5)測定水體表層至底層每0.5 m的水溫、pH、溶解氧(DO)濃度、濁度、葉綠素a(Chl.a)濃度、電導率、氧化還原電位(ORP)，用塞氏透明度盤監(jiān)測水體透明度[21].

1.3 營養(yǎng)鹽及葉綠素a濃度分析

1.4 懸浮物

懸浮物樣品用5 L采水器采集表層水樣(0.5 m)，過濾到預灼燒(經(jīng)500℃，4 h的灼燒)的Whatman GF/F 濾膜上，收集3份碳穩(wěn)定同位素樣品，3份氮穩(wěn)定同位素樣品，在50℃下烘干48 h至恒重. 碳穩(wěn)定同位素樣品用12 mol/L濃鹽酸在干燥器熏蒸4 h處理，之后在50℃烘箱再次干燥4 h[23]. 最后所有懸浮物樣品均保存在真空干燥器中.

1.5 自由生浮游細菌

自由生浮游細菌(0.22～3 μm)樣品用5 L采水器采集表層、氧躍層和底層水樣，樣品帶回實驗室. 水樣先經(jīng)3 μm孔徑濾膜過濾，再經(jīng)0.2 μm濾膜(美國Millipore)過濾. 濾膜置于-80℃冰箱，直至DNA提取[21]. 浮游細菌DNA提取使用FastDNA SPIN Kit(美國MP Biomedicals)方法. 浮游細菌的16S rRNA基因拷貝數(shù)測定采用SYBR-Green熒光探針法和Lightcyler480儀器(瑞士Roche)進行定量PCR分析. 主要步驟為[21]：1)制作標準曲線；2)每個樣品包括3個平行樣，并設置陰性及陽性對照. 16S rRNA基因PCR引物為341F：(5′-CCTACGGGNGGCWGCAG-3′)和515R(5′-ATTCCGCGGCTGGCA-3′)，每個PCR反應均采用20 μL體系，其組成包括：10 μL SYBR Premix Ex TaqTM(日本Takara Bio Inc.)、2 μL 模板DNA、各引物濃度都為0.25 μmol、最后用RNase-free水補齊到20 μL. 按照說明書設定擴增反應程序為：95℃預變性3 min；40個循環(huán)：95℃變性15 s，56℃退火34 s[21]. 本研究中，PCR擴增效率為90%～110%.

1.6 浮游植物

浮游植物定量樣品用5 L采水器采集表層、氧躍層和底層水樣，每層收集2.5 L水樣，立即加入魯哥試劑固定. 固定樣品經(jīng)過48 h的靜置沉淀后，采用虹吸法去除上清液并濃縮至30 mL. 浮游植物細胞采用Sedgewick Rafter計數(shù)板在400倍的倒置顯微鏡下進行計數(shù)，所有的物種都盡可能鑒定到種屬的水平[24]，每個樣品至少計數(shù)500個個體[25]，同時對每一個物種的尺寸大小進行測量. 浮游植物體積的估算基于標準的幾何學公式[26]，并按照密度為1 g/cm3進行估算. 2014年10月24日，水庫表層藍藻水華優(yōu)勢種為銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)，經(jīng)過估算生物量為14.29 mg/L，占浮游植物生物量的82.65%[19].

1.7 后生浮游動物

后生浮游動物定性樣品用25#浮游生物網(wǎng)于水體底層垂直向上拖網(wǎng)至表層，樣品帶回實驗室用純水清養(yǎng)4～12 h，在體視顯微鏡下對橈足類鏢水蚤(舌狀葉鏢水蚤)進行挑選、富集，碳、氮穩(wěn)定同位素樣品和生態(tài)化學計量P樣品各收集3份. 所有樣品均置于50℃烘箱中烘干48 h至恒重，碳穩(wěn)定同位素樣品用12 mol/L濃鹽酸在干燥器熏蒸4 h處理后，在50℃烘箱再次干燥4 h. 所有樣品均保存在真空干燥器中[23].

定量樣品用5 L采水器采集表層、氧躍層和底層水樣，每層采20 L水樣，現(xiàn)場用25#浮游生物網(wǎng)過濾至采樣瓶中，加入波恩試液固定. 對固定好的樣品進行定容，用移液槍吸取1 mL樣品至1 mL計數(shù)框中. 在倒置顯微鏡或解剖境下觀察樣品，進行種類鑒定并計數(shù)；通常每份樣品至少鑒定300個個體. 浮游動物豐度的計算參考章宗涉和黃祥飛的方法[27]，采用體積法，將每個浮游動物當成一個幾何圖形，按求積公式獲得生物體積，并假定浮游動物的密度為1 g/cm3，計算浮游動物的生物量. 求積公式參考文獻[27]，測量相應種類的長、寬和高的數(shù)據(jù)，代入公式得到濕重生物量.

1.8 碳、氮穩(wěn)定同位素測定

利用穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀(美國Thermo Fisher Scientific Inc.)測定懸浮物和浮游動物的碳、氮穩(wěn)定同位素[23]. 浮游動物磷含量采用國家標準鉬銻抗分光光度法進行檢測[23，28].

1.9 營養(yǎng)級計算

利用浮游動物與懸浮物之間的δ15N值差異來計算浮游動物的營養(yǎng)級水平，δ15N的營養(yǎng)級分餾系數(shù)取3.4‰[29].

1.10 數(shù)據(jù)分析

所有的統(tǒng)計分析使用R(version 4.1.0)(R Development Core Team，2021)[30]和PRIMER 7.0進行分析. 分析群落數(shù)據(jù)前將浮游動物生物量進行Hellinger轉(zhuǎn)化，除pH值以外的所有環(huán)境因子進行對數(shù)轉(zhuǎn)化. 利用相似性分析(analysis of similarity，ANOSIM)評價不同組之間浮游動物群落是否存在顯著差異. 通過R軟件中vegan包進行Mantel檢驗、冗余分析(redundancy analysis，RDA)和方差分解分析(variation partitioning analysis，VPA)，利用plspm包進行偏最小二乘法路徑模型(PLS-PM)分析，利用ggplot2包進行繪圖. 采用Mantel分析選擇能夠顯著解釋浮游動物群落組成顯著變化的環(huán)境因子(P<0.05). 采用RDA分析進一步檢驗Mantel分析篩選的環(huán)境因子對浮游動物群落的解釋量，解釋量使用校正后的R2. 使用VPA分析來量化食物質(zhì)量(水體C∶P比值和N∶P比值)和食物濃度(自由生浮游細菌豐度、綠藻生物量和藍藻生物量)對浮游動物群落組成的貢獻. 最后使用路徑模型分析考察食物質(zhì)量和食物濃度對浮游動物群落的直接和間接效應.

2 結(jié)果

2.1 浮游動物群落結(jié)構(gòu)的基本特征

共鑒定后生浮游動物23種，其中橈足類5種、枝角類9種、輪蟲9種(表1). 研究期間，浮游動物總豐度的變化范圍為3.70～216.30 ind./L，平均豐度為66.92 ind./L. 其中橈足類、枝角類和輪蟲分別占總豐度比例的49.4%、29.6%和21.0%(圖1a). 浮游動物總生物量的變化范圍為21.63～1994.54 μg/L，平均生物量為392.81 μg/L(圖1b). 其中橈足類生物量占比最大(73.5%)，枝角類和輪蟲生物量分別占總生物量的23.1%和3.4%.

表1 溪東水庫后生浮游動物種類

圖1 后生浮游動物的豐度和生物量組成變化

2.2 浮游動物群落結(jié)構(gòu)的時空差異

ANOSIM檢驗表明，后生浮游動物群落組成在不同時期之間的差異顯著(Globalr=0.452,P=0.001)，在不同水深之間的差異不顯著(表2). 在不同時期之間，橈足類群落在非水華期1與非水華期2(Globalr=0.237,P=0.019)之間差異顯著，但在水華期與非水華期1、水華期與非水華期2之間的差異均不顯著(P>0.05). 枝角類和輪蟲群落在水華期、非水華期1和非水華期2之間的差異均顯著(P<0.05).

表2 基于生物量的不同時空尺度后生浮游動物群落的ANOSIM檢驗*

2.3 環(huán)境因子與浮游動物群落的關系

Mantel檢驗表明，后生浮游動物群落與濁度、總碳、總氮、水體N∶P比值、輪蟲生物量和橈足類生物量顯著相關. 從浮游生物各類群來看，與橈足類群落顯著相關的因子包括濁度、總碳、水體N∶P比值和輪蟲生物量；與枝角類群落顯著相關的因子包括水溫、總碳、總有機碳、藍藻Chl.a、浮游植物Chl.a、藍藻生物量和浮游植物總生物量；與輪蟲群落顯著相關的因子包括總碳、綠藻Chl.a和綠藻生物量(表3，4).

表3 后生浮游動物群落與環(huán)境因子的Mantel檢驗結(jié)果*

RDA結(jié)果表明，食物質(zhì)量(水體C∶P和N∶P比值)和食物濃度(自由生浮游細菌、綠藻生物量和藍藻生物量)對后生浮游動物群落RDA軸1和軸2的總解釋量為34.6%(圖2a)；方差分解結(jié)果表明，食物質(zhì)量和食物濃度對后生浮游動物群落的解釋度為33%，食物質(zhì)量和食物濃度對浮游動物群落的影響極顯著(P<0.01). 從浮游生物各類群來看，食物質(zhì)量和食物濃度對橈足類的解釋量為32%，橈足類群落受食物質(zhì)量影響更大(P<0.01)，但是食物濃度對橈足類群落的解釋不顯著(P>0.05). 食物質(zhì)量和食物濃度對枝角類的解釋量為29%，枝角類群落主要受食物濃度的顯著影響(P<0.01)，食物質(zhì)量對枝角類群落的解釋不顯著(P>0.05). 食物質(zhì)量和食物濃度對輪蟲的解釋量為40%，食物質(zhì)量和食物濃度均顯著影響輪蟲群落(P<0.05)，食物質(zhì)量的影響大于食物濃度(圖2b). 路徑分析表明，水溫對食物質(zhì)量和食物濃度有著顯著的直接效應(P=0.045，P=0.011)，路徑系數(shù)分別為0.48和0.62；食物濃度對枝角類有顯著的直接效應(P=0.018)，路徑系數(shù)為0.68，輪蟲對橈足類有顯著的直接效應(P<0.01)，路徑系數(shù)為0.85(圖2c).

表4 后生浮游動物群落與浮游生物生物量的Mantel檢驗結(jié)果*

圖2 食物質(zhì)量和濃度與后生浮游動物群落的關系：RDA分析(a)、VPA分析(b)、PLS-PM分析(c)(***P<0.001,**P<0.01, *P<0.05)

2.4 營養(yǎng)級對鏢水蚤的影響

碳穩(wěn)定同位素分析結(jié)果表明，水華期舌狀葉鏢水蚤的主要食物來源是水庫水體中的懸浮物(圖3a). 水華期至非水華期2，舌狀葉鏢水蚤與懸浮物之間的營養(yǎng)級變化范圍為1.28～2.84. 從營養(yǎng)級與磷含量和水溫的分析來看(圖3b)，舌狀葉鏢水蚤的營養(yǎng)級隨著體內(nèi)磷含量(PZoo)降低而增加(n=5,r=-0.79,P=0.069)；隨著表層水溫的下降，舌狀葉鏢水蚤的營養(yǎng)級顯著增加(n=5,r=-0.84,P=0.049). 從磷含量與水體總磷濃度和水溫的分析來看，舌狀葉鏢水蚤體內(nèi)的磷含量與水柱總磷平均濃度(TPAverage)呈顯著正相關(n=5,r=0.93,P=0.015)，與水溫呈現(xiàn)極顯著正相關(n=5,r=0.95,P=0.007).

圖3 舌狀葉鏢水蚤與懸浮物碳氮穩(wěn)定同位素分布特征(a)、舌狀葉鏢水蚤營養(yǎng)級與磷含量和水溫的關系(b)、舌狀葉鏢水蚤磷含量與水體總磷和水溫的關系(c)

3 討論

3.1 浮游動物群落結(jié)構(gòu)與食物的關系

溫度和食物是影響浮游動物群落變化的主要因素[5]. 輪蟲個體較小、生命周期短，通常對水體營養(yǎng)級的響應相對枝角類和橈足類更敏感[31-32]. 本研究中，溪東水庫輪蟲的群落結(jié)構(gòu)受環(huán)境因子的影響顯著，群落結(jié)構(gòu)在水華期、非水華期1和非水華期2之間的差異均顯著，表現(xiàn)出與水體總碳和綠藻生物量呈顯著正相關關系(P<0.05).

溪東水庫枝角類的群落結(jié)構(gòu)也受環(huán)境因子的顯著影響，藍藻水華期枝角類主要以小型種類(長額象鼻溞)為優(yōu)勢種，長額象鼻溞生物量與水溫、水體C∶N比值、自由生浮游細菌和藍藻生物量呈顯著正相關，說明溪東水庫長額象鼻溞受水溫和食物的影響，且食物對其影響更顯著. 相對浮游植物而言，浮游細菌磷含量較高且相對穩(wěn)定，因此細菌的食物質(zhì)量較高[33-34]. 溪東水庫水體中浮游細菌與總碳和藍藻生物量呈顯著正相關關系，藍藻水華為浮游細菌提供了大量碳源，是水華期間浮游細菌大量生長的主要原因，自由生浮游細菌的大量生長為食菌者提供了充足的食物，進而促進小型枝角類長額象鼻溞的生長.

橈足類群落結(jié)構(gòu)在水華期與非水華期之間的差異不顯著，但其群落變化與濁度、總碳、輪蟲生物量和水體N∶P比值等因子顯著相關. 橈足類生物量在非水華期2的中層出現(xiàn)急劇增加，期間優(yōu)勢種舌狀葉鏢水蚤的營養(yǎng)級均值為2.8. 非水華期1舌狀葉鏢水蚤的營養(yǎng)級均值為1.6，說明舌狀葉鏢水蚤在非水華期2攝食了更高營養(yǎng)水平的食物. 不過，本研究只采用一個站位3個水層不同時期橈足類優(yōu)勢種和懸浮物數(shù)據(jù)，并不能完全代表整個水庫生態(tài)系統(tǒng)的食物網(wǎng). 因此，非水華期2橈足類生物量劇增的原因還需要進一步深入研究分析，包括不同站位的其他浮游動物、不同粒徑懸浮物等.

3.2 浮游動物與營養(yǎng)級的關系

Boersma等研究發(fā)現(xiàn)海洋橈足類浮游動物長角寬水蚤(Temoralongicornis)的營養(yǎng)級隨著水溫升高而降低，主要原因是高溫時它偏向攝食自養(yǎng)生物紅胞藻(Rhodomonassalina)[13]；在高溫條件下，浮游動物具更高的新陳代謝速率，需要更多的碳源來維持代謝需求[12]. 同樣，本研究中，舌狀葉鏢水蚤不僅是初級消費者，也是次級消費者，營養(yǎng)級變化較大，隨著水溫降低而升高，而且與體內(nèi)磷濃度呈顯著負相關. Boersma等認為長角寬水蚤在高溫偏好攝食碳含量高的自養(yǎng)生物，而不是低溫造成氮、磷需求的增加，但作者在實驗過程中并未檢測長角寬水蚤體內(nèi)磷含量的變化[13]. 溪東水庫藍藻水華發(fā)生時期浮游動物體內(nèi)的磷含量也較高，這與水柱總磷濃度較高相吻合. 10-12月由于水溫的下降，水庫氧躍層伴隨溫躍層逐漸向下移動，最終由分層期轉(zhuǎn)變到混合期，水柱總磷濃度逐漸降低，導致舌狀葉鏢水蚤體內(nèi)的磷含量下降. 在水庫水體水柱的總磷濃度下降過程中，橈足類的生物量呈現(xiàn)增加趨勢，可能原因是溶解氧充足、溫度適宜的湖上層區(qū)域擴大導致適合橈足類生長繁殖的空間擴大. 因此，水體環(huán)境總磷濃度下降與橈足類的繁殖與生長過程可能是導致橈足類磷含量下降的主要原因. 此外，由于營養(yǎng)(磷元素)的需求，舌狀葉鏢水蚤需要攝食磷含量較高的食物，導致其營養(yǎng)級水平增加[35]. 因此，我們認為水溫的下降伴隨浮游動物營養(yǎng)級的增加，不僅是因為新陳代謝的變化，而且是水環(huán)境總磷濃度下降與浮游動物繁殖和生長的共同作用下，促進浮游動物偏好攝食磷含量高的浮游生物或有機顆粒物，導致其營養(yǎng)級的增加.