長江干流輪蟲群落結構的空間分布及其影響因素

鐘可兒，陳敏建，田盼盼，馬吉順，周瓊

1.華中農業(yè)大學水產學院/農業(yè)農村部淡水生物繁育重點實驗室，武漢 430070；2.長江經(jīng)濟帶大宗水生生物產業(yè)綠色發(fā)展教育部工程研究中心，武漢 430070

浮游動物在水生生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)、能量流動等生態(tài)過程中扮演著重要角色，是天然水域食物鏈中關鍵環(huán)節(jié)之一［3］。輪蟲是淡水浮游動物的重要組成部分，是食物網(wǎng)中維系生產者和次級消費者的關鍵組分，對環(huán)境變化的反應敏感，被作為水生態(tài)系統(tǒng)中的重要環(huán)境指示生物［4］。在不同水體中，環(huán)境因子（水溫、溶氧、總氮、總磷等）對輪蟲結構特征的影響程度亦有差別［5-6］，輪蟲的種類組成往往隨水質的變化而發(fā)生改變，輪蟲遷移能力較弱，對水質的響應比瞬時水質監(jiān)測更為長效［7］。因此，輪蟲的群落結構特征可以有效地反映水體健康狀況［8］。輪蟲的監(jiān)測與研究已被廣泛應用于河流、湖泊、水庫等各種水生態(tài)環(huán)境的健康評價中［9-10］。

近年來，研究人員在長江流域各江段及其附屬水體開展了較多基于浮游動物的水質評價及其環(huán)境驅動因素研究［11-13］，但未見對整個長江干流水域的浮游動物群落進行系統(tǒng)性的調研與分析，亦無對長江干流輪蟲空間分布的專門報道。2020年1月1日農業(yè)農村部在長江開始實施“十年禁漁”計劃，本研究對長江干流（源頭至下游）的輪蟲群落結構特征與分布規(guī)律進行系統(tǒng)調查及分析，探討影響長江干流水域輪蟲群落結構的關鍵環(huán)境因素，旨在為長江水域生態(tài)保護提供理論依據(jù)，同時為長江“十年禁漁”提供餌料生物變化方面的基礎資料。

1 材料與方法

1.1 采樣區(qū)域概述

本研究的采樣時間為2019年6-9月，將長江干流全流域自西向東劃分為27個江段，各采樣江段根據(jù)城市上、中、下游的地理形態(tài)特征及實際采樣狀況設置1～3個采樣站點，各調查江段的分布情況如表1所示。

表1 長江干流各江段采樣斷面信息Table 1 Information of sampling sections in the mainstream of the Yangtze River

1.2 輪蟲樣品采集與鑒定及環(huán)境因子測定

輪蟲樣品與水質樣品采集、水質物理因子的測定同步進行。

在每個采樣點分別采集輪蟲的定性與定量樣品。輪蟲定性樣品使用25#浮游生物網(wǎng)在水體表層0.5 m處繞“∞”形反復緩慢拖拽后將樣品收集至采樣瓶內，加入4%福爾馬林溶液進行固定。定量樣品則在表層0.5 m處使用5 L采水器進行采集后使用25#浮游生物網(wǎng)過濾，將過濾后的輪蟲轉移至采樣瓶內，加入魯哥試液進行固定并貼好標簽。將所有樣品帶回實驗室靜置24 h后將樣品濃縮以待鏡檢，使用1 mL計數(shù)框在倒置顯微鏡下進行物種鑒定與全片計數(shù)，種類鑒定參考相關文獻［14-15］。

使用便攜式水質分析儀（YSI，美國）現(xiàn)場測定酸堿度（pH）、溶氧（DO）、鹽度（Sal）、總溶解固體（TDS）、電導率（Cond）、水溫（WT），使用塞氏透明度盤對水質透明度及水深進行測試。另采取1 L水樣于4 ℃下避光保存，將其帶回實驗室后對總氮（TN）、總磷（TP）、硝態(tài)氮（NO3--N）、氨氮（NH4+-N）等指標進行測定，測定方法見參考文獻［16］。

即便在最嚴酷的革命斗爭中，列寧也嚴格遵守黨內民主程序，利用黨的政治紀律和政治規(guī)則妥善處理各項重大問題，積極維護團結穩(wěn)定的政治大局，并未憑借自己的威望和地位以勢壓人。在病危時，列寧雖然指出斯大林性格粗暴，缺乏團結同志、總攬全局的政治素養(yǎng)，無法很好地勝任總書記一職，但是也僅僅“建議同志們想個辦法”將他從總書記這個職位上調離，并訴諸黨的最高權力機關按程序解決，從未越權、擅權、弄權。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

① 采用優(yōu)勢度（Y）表示物種的優(yōu)勢程度，計算公式如下：

式中，fi表示第i物種的出現(xiàn)頻率，ni表示第i物種的個體數(shù)，N表示同一樣品中的輪蟲總個體數(shù)。將Y≥0.02的物種視為優(yōu)勢種，使用自編程函數(shù)計算優(yōu)勢度［3］，并劃分污染指示類型［17-18］。

②采用Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)（H'）、Pielou均勻度指數(shù)（J）對水質進行健康評價，各指數(shù)計算公式及評判標準如下。

上述公式中，S為同一樣品中輪蟲的物種數(shù)之和，Pi表示第i物種的個體數(shù)（ni）與N（同一樣品中的輪蟲總個體數(shù)）的比值。

③使用 R軟件4.2.1對各區(qū)域輪蟲群落進行非度量多維尺度分析（NMDS）、聚類分析。

④使用R軟件4.2.1 探究長江干流輪蟲群落結構與環(huán)境因子的關系。物種的分布可能呈現(xiàn)單峰或者線性2種情況，利用除趨勢對應分析（detrended corre?spondence analysis， DCA）進行確定。典范對應分析（canonical correspondence analysis，CCA）適 用 于DCA排序軸最大梯度長度值大于4的情況，而冗余分析（redundancy analysis， RDA）適用于DCA排序軸最大梯度長度值不大于4的情況。pH以外的數(shù)據(jù)在統(tǒng)計分析前進行l(wèi)g（x+1） 轉換。

⑤使用數(shù)據(jù)分析軟件SPSS 26.0進行不同江段間密度、生物量、多樣性指數(shù)等的單因素方差分析，并進行Pearson相關性分析，以探究環(huán)境因子對長江干流輪蟲群落結構與分布規(guī)律的影響。

2 結果與分析

2.1 長江干流各江段生境特征

根據(jù)27個采樣江段的水體理化因子進行聚類分析，在聚類距離為2.5的水平上可將其劃分為4個組群，其空間分布規(guī)律明顯。第1個組群為高山區(qū)，包括自源頭曲麻萊至麗江的6個江段（S1-S6），橫跨青藏高原、橫斷山區(qū)，其生態(tài)環(huán)境惡劣，水溫較低。第2個組群為峽谷區(qū)（S7-S17）主要為峽谷地帶，其水流湍急、水量豐沛 ，建有大量水電站。第3個組群為平原區(qū)，包括中、下游的9個江段（S18-S26），平原區(qū)水面寬闊、水流緩慢。第4個組群為S27，啟東江段位于河口，受咸水控制，與長江下游生境有較大差異。生境區(qū)域劃分的聚類結果見圖1。

圖1 長江干流27個采樣江段的生境聚類Fig.1 Habitat clustering of the 27 sampling sections in the mainstream of the Yangtze River

表3 長江干流各區(qū)域環(huán)境參數(shù)Table 3 Environmental parameters at each area in the mainstream of the Yangtze River

長江干流各采樣江段TN質量濃度范圍為0.67～7.08 mg/L，最高值出現(xiàn)在平原區(qū)的S21，屬于劣Ⅴ類水體；最低值出現(xiàn)在高山區(qū)的S1。各采樣江段NO3--N、NH4+-N質量濃度波動范圍分別為0.32～1.96、0.15～3.98 mg/L，均值分別為1.20、0.54 mg/L。各采樣江段DO的范圍為4.87～9.24 mg/L，DO均值為6.96 mg/L。各采樣江段水溫變化范圍為8.68～30.2 ℃，各區(qū)域中，高山區(qū)平均水溫為13.79 ℃，峽谷區(qū)平均水溫為23.82 ℃，平原區(qū)、河口區(qū)平均水溫為29.28 ℃、26.93 ℃，整體上呈現(xiàn)由源頭向下游遞增的趨勢。各江段電導率在219.5～10 075 μS/cm波 動，TDS在0.37～6 469.67波動，河口區(qū)電導率、鹽度明顯大于其他區(qū)域。

2.2 輪蟲群落結構特征

1） 種類組成。研究期間長江干流各江段共鑒定出輪蟲11科37屬85種，主要為臂尾輪科（11屬31種）、腔輪科（3屬13種）、鏡輪科（6屬9種）、鼠輪科（1屬7種）、腹尾輪科（3屬6種）、疣毛輪科（3屬6種）的種類。高山區(qū)、峽谷區(qū)、平原區(qū)、河口區(qū)分別檢出輪蟲20、56、80、3種，其中平原區(qū)的輪蟲種數(shù)最多。

2） 密度與生物量。長江干流各江段輪蟲密度與生物量空間分布如圖2所示，密度分布范圍在0.32～164.16 ind. /L，平均密度為19.66 ind. /L。高山區(qū)、峽谷區(qū)、平原區(qū)、河口區(qū)平均密度分別為9.24、27.23、19.44、0.75 ind./L，各江段中輪蟲密度的最高值（S13）與最低值（S11）均出現(xiàn)在峽谷區(qū)。長江干流各江段生物量分布范圍在8.64×10-5～7.51×10-2mg/L，平均生物量為0.11 mg/L，最高值出現(xiàn)在峽谷區(qū)的S13，最低值出現(xiàn)在S11。在各區(qū)域中，高山區(qū)、峽谷區(qū)、平原區(qū)、河口區(qū)輪蟲平均生物量分別為6.46×10-3、1.54×10-2、1.38×10-2、1.44×10-4mg/L。

圖2 長江干流各江段輪蟲的密度與生物量Fig. 2 The density and biomass of rotifer in the mainstream of the Yangtze River

對長江干流各個區(qū)域輪蟲密度、生物量進行差異性分析，結果顯示：各區(qū)域密度（F=0.365，P>0.05）、生 物 量（F=0.280，P>0.05）差 異 不顯著。

2.3 優(yōu)勢種與指示種

1） 優(yōu)勢種類。根據(jù)優(yōu)勢度公式計算各區(qū)域輪蟲優(yōu)勢度，將Y≥0.02的物種視為優(yōu)勢種，結果如表4所示。各區(qū)域中，優(yōu)勢物種共12種，以臂尾輪科臂尾輪蟲屬為主（5種）。高山區(qū)輪蟲優(yōu)勢種包括螺形龜甲輪蟲（Keratella cochlearis）、矩形龜甲輪蟲（K. quadrata）。螺形龜甲輪蟲（K. cochlearis）是峽谷區(qū)最主要的優(yōu)勢種，曲腿龜甲輪蟲（Keratella ualga）次之。平原區(qū)優(yōu)勢種以螺形龜甲輪蟲（K. cochlearis）為主，其他依次為等刺異尾輪蟲（Trichocerca similis）、曲腿龜甲輪蟲（K. ualga）、角突臂尾輪蟲（Brachionus angularis）、針簇多肢輪蟲（Polyarthra trigla）等。河口區(qū)輪蟲優(yōu)勢度最高者為螺形龜甲輪蟲（K. cochle?aris），曲腿龜甲輪蟲（K. ualga）次之。

表4 長江干流各區(qū)域輪蟲優(yōu)勢物種及優(yōu)勢度Table 4 The dominance （Y） and the dominant species of rotifer at each research area in the mainstream of the Yangtze River

2） 輪蟲污染指示種類。共檢測出污染指示種63種，其中臂尾輪科臂尾輪屬種類最多（8種），鼠輪科異尾輪蟲屬種類數(shù)次之（6種）。所有的污染指示種包括寡污型種類23種，寡污至β-中污型17種，β-中污至寡污型2種，β-中污型15種，β-中污至α-中污型3種，α-中污型2種，多污型1種。長江干流各區(qū)域中，高山區(qū)以寡污型種類最多，占污染指示種類數(shù)的50%；峽谷區(qū)以寡污型種類最多，占40.82%，β-中污型次之，占26.53%。平原區(qū)指示種以寡污型為最多，占41.67%，寡污至β-中污型、β-中污型二者次之，占23.33%。河口區(qū)污染指示種類為寡污至β-中污型、β-中污至寡污型、β-中污至α-中污型（表5）。

表5 輪蟲指示種的空間分布Table 5 Spatial distribution of rotifer indicator species

2.4 多樣性指數(shù)

參考表2的評價標準對輪蟲多樣性進行評價，結果（圖3）顯示：研究期間長江干流各江段Shannonwiener值分布范圍為0.65～4.19，H'指數(shù)均值為2.62（β-中污型）。其中，最低值出現(xiàn)在高山區(qū)的S2，最高值出現(xiàn)在平原區(qū)的S18。從各個區(qū)域來看，高山區(qū)、峽谷區(qū)、平原區(qū)、河口區(qū)的H'值與評價水平分別為：1.39（α-中污型）、1.89（α-中污型）、3.63（寡污型）、1.43（α-中污型）。各江段Pielou（J）指數(shù)范圍在0.32～0.95，長江干流整體J均值為0.78（寡污型）；對于各區(qū)域，高山區(qū)、峽谷區(qū)、平原區(qū)、河口區(qū)分別為0.80（清潔型）、0.76（寡污型）、0.76（寡污型）、0.90（清潔型）。

表2 基于輪蟲多樣性指數(shù)的水質評價標準Table 2 Criteria of water quality assessment based on the diversity indices of rotifer

圖3 長江干流各區(qū)域輪蟲多樣性指數(shù)及評價水平Fig. 3 The diversity indices of rotifer and evaluation levels at different research areas in the mainstream of the Yangtze River

對長江干流各個區(qū)域輪蟲多樣性指數(shù)進行差異性分析，結果顯示，各區(qū)域之間Shannon指數(shù)（F=12.218，P<0.01）差異性極顯著，Pielou指數(shù)（F=0.303，P>0.05）差異不顯著。使用One-way ANO?VA方差多重比較對Shannon-Wiener多樣性指數(shù)進行分析，結果表明，高山區(qū)與峽谷區(qū)（P<0.05）、高山區(qū)與平原區(qū)（P<0.01）、峽谷區(qū)與平原區(qū)（P<0.01）均存在顯著性差異。

2.5 輪蟲空間分布模式

非度量多維尺度分析（NMDS）顯示，峽谷區(qū)、平原區(qū)輪蟲群落組成具有相似性，而其他區(qū)域間顯示出明顯區(qū)別（圖4）。NMDS分析中的壓力值（stress）為0.108，表明該二維分析具有一定的解釋能力。

圖4 非度量多維尺度分析排序結果Fig.4 Results of non-metric multidimensional scaling

2.6 輪蟲群落結構與環(huán)境因子的相關性

1 ）冗余分析。整合各區(qū)域共12個優(yōu)勢種，對其豐度進行RDA分析。長江干流RDA排序圖第1軸與第2軸分別解釋了輪蟲變異程度的49.06%、24.14%（圖5）。WT、藻密度Np（實驗室未發(fā)表數(shù)據(jù)）、DO、TP是影響長江干流輪蟲分布的主要影響因子。從輪蟲分布來看，裂痕龜紋輪蟲、萼花臂尾輪蟲、裂足臂尾輪蟲、鐮狀臂尾輪蟲、剪形臂尾輪蟲、等刺異尾輪蟲受藻密度影響較大，與DO、TP呈負相關關系。角突臂尾輪蟲分布受WT的影響較其他因素高。針簇多肢輪蟲與TP呈現(xiàn)明顯的負相關關系。曲腿龜甲輪蟲與DO、藻密度無相關關系，螺形龜甲輪蟲分布受DO、TP影響較高，與WT呈現(xiàn)顯著的負相關關系。

圖5 長江干流主要輪蟲種類與環(huán)境因子、采樣江段間的RDA排序圖Fig. 5 The RDA diagram between main rotifer species and environmental parameters and sampling sections in the mainstream of the Yangtze River

2）群落結構特征與環(huán)境因子Pearson相關性分析。輪蟲密度、生物量、Shannon（H'）多樣性指數(shù)、Pielou（J）均勻度指數(shù)與各環(huán)境參數(shù)、藻密度Np的Pearson相關性分析結果見表6。各江段輪蟲密度、生物量與ORP呈顯著正相關關系。多樣性指數(shù)中，H’與WT、NO3--N、Np呈極顯著正相關關系，與TP、DO呈顯著負相關關系；J與pH呈現(xiàn)出顯著正相關關系。寡污型種類相對密度與TN、NO3--N、NH4+-N呈顯著正相關關系。

表6 輪蟲群落結構特征與環(huán)境參數(shù)的相關性分析Table 6 Correlation analysis between community structure characteristics of rotifer and environmental parameters

3 討論

多數(shù)研究揭示河流中的浮游動物以輪蟲占比最高［19-20］。本研究中，臂尾輪科占輪蟲種類的36.41%，該科為長江干流輪蟲種類組成的主要部分，這與長江各江段已有研究結果一致［21-24］。輪蟲在各種類型水域中均具有高度的適應性［25］，長江干流大部分江段水流湍急，枝角類、橈足類等甲殼種類一般難以適應流動水體，這也是本研究中選擇以輪蟲為研究對象的原因之一。龜甲輪蟲屬、臂尾輪蟲屬種類在長江干流各個區(qū)域占據(jù)優(yōu)勢地位，這與羅丹等［13］在2016年對長江中游宜昌、岳陽等5個江段和郭歐陽［12］在2016-2017年對長江下游干流江段所作研究得出的優(yōu)勢種大體相同，表明長江干流輪蟲優(yōu)勢種分布狀況較為穩(wěn)定，且龜甲輪蟲屬、臂尾輪蟲屬是長江干流水域中的廣布種屬。

受河流物理形態(tài)、人類干擾、河岸帶等影響，長江干流存在復雜的生境類型［26］。長江干流27個采樣江段呈現(xiàn)出規(guī)律性的空間聚集，區(qū)域之間Shan?non-Wiener指數(shù)存在極顯著差異（P<0.01），NMDS分析結果顯示各區(qū)域間不同程度的差異，這表明長江干流各區(qū)域輪蟲群落結構存在空間異質性。在各區(qū)域中，峽谷區(qū)、平原區(qū)平均密度、生物量、Shannon指數(shù)總體高于高山區(qū)、河口區(qū)。這可能與快速的城市化、工業(yè)化進程使武漢城市群、長三角城市群流域水質富營養(yǎng)化程度升高［27］有關。長江發(fā)源自青藏高原腹地，高寒且生態(tài)系統(tǒng)脆弱敏感，而峽谷區(qū)地理跨度大，建有大量梯級電站，過渡于四川盆地與中、下游平原［28］，巨大的環(huán)境變化可能是各區(qū)域輪蟲群落結構明顯差異的重要原因。在高山區(qū)的6個采樣江段中，S1江段呈現(xiàn)出較高的輪蟲現(xiàn)存量，原因可能是S1江段的采樣斷面之一靠近雅西錯（沱沱河左岸外流淡水湖），位于靜水、流水交匯處，復雜的地形地貌與水交換使生態(tài)環(huán)境發(fā)生改變，而峽谷區(qū)的S13江段的輪蟲現(xiàn)存量則呈現(xiàn)出所有采樣江段中的最高水平，S13江段位于三峽大壩前，壩前緩慢的水流有助于營養(yǎng)鹽積聚與懸浮物的沉降［6］，也為輪蟲的生長繁殖提供了有利條件，進而導致了S1、S13段異常高的輪蟲密度與生物量。從水體理化指標來看，S7江段的營養(yǎng)鹽指標的含量較高，水體富營養(yǎng)化的程度更高，因此，S7江段輪蟲群落結構的異常可能與成渝城市群周圍人類活動的影響有關［29］。

輪蟲能對水體營養(yǎng)狀態(tài)的變化做出快速的反應，具有污染指示功能。參照Sláde?ek［17］對輪蟲指示種的劃分，高山區(qū)優(yōu)勢種的污染指示水平為寡污至β-中污型，峽谷區(qū)為β-中污至寡污型，平原區(qū)介于寡污型到β-α型之間，河口區(qū)指示水平為寡污至β-中污型。不同區(qū)域指示種存在一定差異，這與長江干流水域存在著不同的生境的結果相符，表明本研究篩選出的優(yōu)勢物種對長江干流水質具有一定的指示作用。高山區(qū)優(yōu)勢種類與其他區(qū)域相差明顯，具體表現(xiàn)為第1優(yōu)勢種矩形龜甲輪蟲優(yōu)勢度高達0.35，且矩形龜甲輪蟲僅在高山區(qū)占優(yōu)勢地位，矩形龜甲輪蟲為寡污至β-中污型種類，建議當?shù)剡M行水質監(jiān)測及生態(tài)修復時應重點關注矩形龜甲輪蟲種群的動態(tài)。而峽谷區(qū)、平原區(qū)、河口區(qū)需加強對其第1優(yōu)勢種螺形龜甲輪蟲的監(jiān)測。

以往的研究表明，多樣性指數(shù)與水質呈現(xiàn)正相關，多樣性指數(shù)越高，水質越好［30］。本研究中，高山區(qū)、峽谷區(qū)、平原區(qū)、河口區(qū)的輪蟲多樣性指數(shù)綜合評價結果分別為β-中污、β-中污、寡污、β-中污，即平原區(qū)的水質最好，高山區(qū)水質最差。在使用傳統(tǒng)方法對水質進行評價時，N、P等營養(yǎng)因子是水體理化指標中重要的部分［31］，而單因素方差分析結果表明高山區(qū)在TN、NO3--N等指標均顯著低于其他區(qū)域（P<0.05），表明僅用多樣性指數(shù)對水質進行評價是存在誤差的。這可能是由于多樣性指數(shù)與物種數(shù)有關［32］，物種數(shù)目越多則多樣性指數(shù)越高，水質評價結果越好，但輪蟲被劃分為多個指示類群［17-18］，因此輪蟲的污染水平不能單由其數(shù)量與種類進行評定［33］。本研究中，長江干流平原區(qū)輪蟲種類雖然較多，但多為污染指示種，故而僅利用多樣性指數(shù)進行水質評價存在局限性。在對長江干流各區(qū)域水質生態(tài)健康進行監(jiān)測評價時，將生物指標和理化指標相結合顯得更為科學、準確。

水溫、酸堿度、營養(yǎng)鹽等環(huán)境因素對輪蟲的分布具有重要的影響［34-35］。浮游動物對藻類的攝食是上行效應的關鍵環(huán)節(jié)，藻類的密度也與輪蟲的生長繁殖有著密切的關系［36］。Pearson相關分析表明，ORP、WT、TP、NO3--N、DO、藻密度與長江干流輪蟲多樣性有顯著相關性。RDA分析結果表明隨著藻密度增加，多種臂尾輪蟲（萼花臂尾輪蟲、裂足臂尾輪蟲、鐮狀臂尾輪蟲、剪形臂尾輪蟲）、裂痕龜紋輪蟲、等刺異尾輪蟲密度也增加；此外，TP與多種優(yōu)勢種密度呈現(xiàn)負相關關系。溫度是影響輪蟲生長、繁殖以及種類組成的重要因子［37］。本研究采樣于6-9月，平原區(qū)、河口區(qū)的平均水溫均超過25 ℃，浮游動物大量繁殖使水體中耗氧量增加，溶解氧含量減小［38］，進而抑制了輪蟲的生物量與多樣性。水體中TP濃度的增加會導致浮游動物物種數(shù)減少［39］，營養(yǎng)鹽則通過影響浮游植物的分布來間接影響輪蟲群落結構［40］，這與本研究中長江干流輪蟲分布與溫度、藻密度、溶氧、總磷密切相關的結果一致。

浮游動物是魚類優(yōu)質的天然餌料，能通過上行效應影響魚類群落結構，進而影響珍稀土著魚類的攝食和分布特征［32，34］，其現(xiàn)存量會影響漁業(yè)資源量和水生態(tài)系統(tǒng)整體的容納量［30］。輪蟲是淡水魚類最主要的開口餌料［41］，具有營養(yǎng)價值高、游動速度慢、利于仔魚攝食等優(yōu)點［42］。因此，為保護重要水生生物的繁殖及子代的孵化生長，調查輪蟲的資源結構具有重要的意義［43］。本研究為長江“十年禁漁”政策實施前期的研究結果，可用于今后評估不同階段禁漁實施效果。