沙颍河流域浮游动物群落结构空间变化特征与水质评价

刘盼盼　王　龙　王　培　王　琦　张　霞　周巧红　吴振斌

(1. 中国科学院水生生物研究所淡水生态与生物技术国家重点实验室, 武汉 430072; 2. 中国科学院大学, 北京 100049;3. 武汉理工大学资源与环境工程学院, 武汉 430070)

浮游动物作为次级生产者, 是水域食物网中的重要一环, 其种类和数量的变动会直接或间接的影响着水体中其他水生生物的分布[1]。由于浮游动物对水环境变化的敏感性和适应性差异, 利用浮游动物群落结构的变化来检测和评价水环境具有重要的应用价值, 弥补水体理化指标在水质评价上的不足[2]。近年来相关研究显示, 利用浮游动物多样性指数可以反映水体的富营养化状况和水质受污染程度[3—6]。同时, 由于我国水体污染状况严峻, 各大湖泊、流域、水库等也均积极开展相关的生态学调查, 利用浮游动物群落结构变化及多样性指数对水质进行评价[7,8]。

沙颍河是淮河流域最大的一条支流, 西起河南省伏牛山, 跨豫、皖两省, 流经郑州、平顶山、漯河、周口、阜阳等市, 东至安徽省颍上县沫河口入淮。全长约620 km, 流域面积39880 km2, 接近淮河流域总面积的1/7, 其中周口以上为沙颍河的上游部分, 长324 km, 流域面积为25880 km2; 周口到阜阳市是沙颍河的中游部分, 河长172 km; 阜阳市以下为下游部分, 河长124 km[9]。自1989年以来, 淮河干流共发生5次较大污染, 都与沙颍河有关[10]。尤其, 沙颍河流域中的贾鲁河中牟段主要承担着郑州市工业废水和城市生活污水排泄, 排放量逐年增长,河道及地下水均受到不同程度的污染, 河流断面水质超过Ⅴ类水标准, 由于水体严重污染、生态环境水量不足, 造成生态环境恶化, 水生植物、鱼类、底栖生物、微生物、湿地等大多消亡, 既丧失了水体的自净能力, 也破坏了河道滨水景观环境[11]。

目前, 关于沙颍河流域的调查研究包括沙颍河河南段水质理化指标的时空变化[12,13]、浮游甲壳动物时空变化[14]、沙颍河流域着生藻和大型底栖无脊椎动物[15]等的研究, 缺乏对整个沙颍河流域浮游动物的系统调查研究。本次研究以沙颍河流域主要支流贾鲁河和其干流沙颍河为研究主体, 调查沙颍河流域浮游动物群落结构的空间变化, 并利用浮游动物评价水质污染状况。本研究可为沙颍河流域水环境治理、水体生态环境持续健康发展和淮河流域水环境治理等提供理论依据。

1　材料与方法

1.1　采样时间与采样点设置

2016年秋季对沙颍河流域浮游动物进行调查研究, 共设置20个采样点。其中, 9月中旬采样点为14个, 10月初又补充采样点6个。在每个采样点均有重复样。具体采样位置如图 1, 详细信息见表1。所有采样点均经GPS定位。

1.2　浮游动物样品的采集与鉴定

浮游动物定性样品： 以25号筛绢制成的浮游生物网(孔径64 μm)在表层水面以下呈“∞”字形捞取3—5min, 并将滤取的样本放入标本瓶中, 加4%的福尔马林溶液固定。

图 1　沙颍河流域浮游动物采样点分布Fig. 1　Sampling sites of zooplankton in the Shaying River Basin

表 1　沙颍河流域各采样位点详细情况Tab. 1　Distributions of sampling sites in the Shaying River Basin

浮游动物定量样品： 用2.5 L的有机玻璃采水器(水生所制)取表层和底层的水样混合, 再从混合样中取10 L和1 L分别用于大型浮游甲壳类和轮虫的定量。10 L样先用孔径64 μm的浮游生物网过滤,收集于50 mL的塑料瓶中并用4%的福尔马林溶液保存; 1 L样加Lugol氏液固定后带回实验室沉降,自然沉降48h后, 用虹吸管除去上清液收集沉积物再浓缩成50 mL并保存。

参照分类资料[16—22]的描述, 在OLYMPUS BX53显微镜和解剖镜下进行浮游动物鉴定和计数。

1.3　数据分析

运用优势度Y计数出优势物种, 计算公式为：Y=(Ni/N) fi, 式中Ni为第i种的个体数, N为样品中所有种类的个体数, fi为第i种的出现频率, Y＞0.02为优势种。

运用Shannon-Wiener指数(H′)[23]来表示浮游动物群落的多样性, 式中, N为浮游动物总个体数,ni为第i种的个体数。同时, 运用Pielou指数(J′)[24]表示物种均匀度, 式中, S为物种总数。

2　结果

2.1　浮游动物的种类组成

通过对20个采样点的采样及检测分析, 发现共有浮游动物36属78种, 其中, 轮虫20属60种, 占浮游动物总物种数的76.92%; 枝角类10属12种, 占浮游动物总物种数的15.38%; 桡足类6属6种, 占浮游动物总物种数的7.69%。总体上而言, 沙颍河流域浮游动物物种类型以轮虫为主。各采样点具体物种数详见图 2, 可以明显看出贾鲁河浮游动物种类数较多, 双洎河浮游动物种类数相对较低, 且沿着沙颍河支流汇入淮河干流的过程中, 浮游动物的种类数呈现先增加后逐渐降低的趋势。

2.2　浮游动物的优势种

图 2　沙颍河流域各采样点浮游动物各类群物种数Fig. 2　The abundance of each species of zooplankton in different sampling sites in the Shaying River Basin

表 2　沙颍河流域浮游动物优势种空间变化及其优势度Tab. 2　Spatial variations of dominant species and dominance of zooplankton in the Shaying River Basin

如表 2所示, 由于桡足类各采样点优势种主要为桡足类无节幼体和桡足类幼体, 因此文中未计算其优势度, 仅计算轮虫、枝角类的优势度, 结果表明： 沙颍河流域轮虫主要优势种为9种, 枝角类主要优势种为4种。各个采样位点浮游动物的优势种为1至7种。其中, 沙颍河流域上游贾鲁河浮游动物的优势种为长肢多肢轮虫、裂痕龟纹轮虫、角突臂尾轮虫、萼花臂尾轮虫、微型裸腹溞、象鼻溞、圆形盘肠溞; 双洎河优势种为长肢多肢轮虫、罗氏异尾轮虫、角突臂尾轮虫、萼花臂尾轮虫、狭甲轮虫、微型裸腹溞、象鼻溞、圆形盘长溞, 上游浮游动物优势种多为喜富营养化条件下的浮游动物。沙颍河流域中下游浮游动物优势种为长肢多肢轮虫、裂痕龟纹轮虫、角突臂尾轮虫、曲腿龟甲轮虫、无柄轮虫、奇异六腕轮虫、微型裸腹溞、象鼻溞。

2.3　浮游动物的密度与生物量

各采样点浮游动物密度为125—13701 ind./L（图 3） 。轮虫在4号采样点的密度最高为13650 ind./L,以长肢多肢轮虫、角突臂尾轮虫、萼花臂尾轮虫、三肢轮虫等为主要组成部分, 其他采样点轮虫的密度为125—7889 ind./L, 以长肢多肢轮虫和裂痕龟纹轮虫为主要组成; 枝角类在12号采样点的密度最高为380 ind./L, 以微型裸腹溞和短尾秀体溞为主要组成部分; 桡足类在12号采样点的密度最高为817 ind./L, 主要以桡足类幼体为主要组成部分; 无节幼体在9号采样点密度最高, 为1550 ind./L。

图 3　沙颍河流域浮游动物的密度Fig. 3　Density of zooplankton in the Shaying River Basin

图 4　沙颍河流域浮游动物的生物量Fig. 4　Biomass of zooplankton in the Shaying River Basin

从生物量(图 4)上而言, 浮游动物的总生物量范围为0.15—9.32 mg/L。轮虫在4号采样点的生物量最高为9.16 mg/L; 枝角类和桡足类在12号采样点的生物量最高, 分别为3.68和2.64 mg/L; 无节幼体在9号采样点的生物量最高, 为4.65 mg/L。

2.4　浮游动物多样性指数和均匀度指数

检测位点中的Shannon-Wiener多样性指数H′为1.03—3.51, Pielou指数J′的变化范围为0.26—0.70(图 5)。当H′大于3.0时表示水体轻污染或无污染, 1.0＜H′＜3.0时表示水体中污染, H′＜1.0表示水体重污染。同时, 当0.5＜J′＜0.8表示水质轻污染或无污染, 0.3＜J′＜0.5表示水质中污染, J′＜0.3表示水质重污染。参照评价标准[25]对检测位点的水质进行评价： 沙颍河流域各采样位点的水质, 除了4号、5号、15号、17号表现出轻污染或无污染, 其他采样位点水质均为中污染或重污染。

图 5　沙颍河流域各采样点浮游动物的生物多样性指数和物种均匀度指数Fig. 5　Shannon-Wiener index and Pielou evenness index of zooplankton in different sites in the Shaying River

3　讨论

3.1　沙颍河流域浮游动物群落结构变化特征

近年来国内外越来越多的学者关注于利用浮游动物评价水体生态系统是否健康[26,27], 这是由于浮游动物个体小, 具有较短的世代交替周期, 对环境变化反应迅速。随着水体富营养化程度提高, 浮游动物群落结构趋于简单, 种类变少, 丰度增加, 多样性指数下降, 群落的稳定性降低[28]。因此, 浮游动物群落结构变化也成为了水生态系统中调查的热点。例如甬江干流[29]调查报道了轮虫24属72种,枝角类5属20种, 桡足类11属13种, 湘江干流[30]报道了轮虫23属45种, 枝角类9属17种, 桡足类3属5种,并利用浮游动物对水质进行了评价, 这些均说明浮游动物研究在水生态系统监测方面具有重要意义。

通过对比分析淮河流域浮游动物的历年调查研究发现(表 3), 淮河流域浮游动物研究主要集中在蚌埠、信阳、阜阳、淮河中上游沙颍河流域及干流, 浮游动物的种类数以小型浮游动物为主。此次, 沙颍河流域的20个采样点调查检测到浮游动物36属78种(不包括原生动物), 其中轮虫20属60种, 枝角类10属12种, 桡足类6属6种, 表明沙颍河流域浮游动物主要以轮虫为主。国内关于河流流域浮游动物调查结果也均显示浮游动物以小型浮游动物为主[8,33,39]。吴利等[8]2011年对淮河干流调查发现轮虫194种, 枝角类27种, 桡足类6种。左其亭等[28]2012年对淮河中上游轮虫群落结构的调查发现轮虫有46种。Zhao等[37]2013年对沙颍河流域调查发现轮虫85种, 枝角类9种, 桡足类7种。这与此次2016年沙颍河调查结果相比, 轮虫种类数有所下降,枝角类种类数有所增加, 桡足类种类数没有太大变化。

3.2　沙颍河流域浮游动物密度和生物量空间变化特征

2011年淮河干流[8]轮虫密度高达1.7×106ind./L,生物量为2048 mg/L, 枝角类密度为3410 ind./L, 生物量为68 mg/L, 桡足类密度为7.7×104ind./L, 生物量为249 mg/L; 同年, 沙颍河流域下游的阜阳城区[34]轮虫密度为1061—3356 ind./L, 生物量为1.26—3.87 mg/L, 枝角类密度为56—136 ind./L, 生物量为0.90—1.70 mg/L, 桡足类密度为12—84 ind./L, 生物量为1.56—10.92 mg/L。本研究各采样点浮游动物密度为125—13701 ind./L, 浮游动物的总生物量范围为0.15—9.32 mg/L。与2011年淮河干流浮游动物的调查结果相比较, 沙颍河流域浮游动物的密度和生物量相对偏低, 但与国内其他河流流域[29,30]相比较而言, 此次沙颍河流域浮游动物的密度和生物量相对较高。有研究表明[40]轮虫喜欢富营养环境,水体营养状态的提升有利于轮虫种类密度的提高,枝角类喜还原性的中营养或贫营养的清洁水体, 枝角类对环境的响应能力更为敏感, 而桡足类受环境因子的影响较少。沙颍河流域结果显示浮游动物密度主要是由轮虫占大多数比例, 浮游甲壳类密度所占比例较低。同时, 通过表 3可明显发现该流域水体富营养污染严重, 这可能就是导致浮游动物密度较高的原因。此外, 浮游动物密度和生物量峰值出现在贾鲁河和双洎河流域, 地理位置处于沙颍河流域的上游, 从整体上而言, 随着水流汇入淮河过程中浮游动物的密度和生物量空间变化趋势相一致, 呈大致下降趋势。

3.3　沙颍河流域浮游动物对水质的总体评价

在本研究中, 沙颍河流域各采样点浮游动物优势种为1—7种, 常见优势种为长肢多肢轮虫、裂痕龟纹轮虫、角突臂尾轮虫、象鼻溞和微型裸腹溞,沙颍河上游浮游动物优势种还分布有萼花臂尾轮虫和圆形盘肠溞等富营养化指示种, 中下游分布出现曲腿龟甲轮虫等喜清洁环境的指示种[22,41]。沙颍河流域大多数优势种为喜富营养化水体的种类。综合分析各采样点的种群反映出沙颍河流域上游水体富营养化较为严重, 中下游水体富营养化有所缓解。

Shannon-Wiener多样性指数(H′)是用来反映生物群落结构的复杂性和稳定性, 表示群落物种内部及物种间分配均匀性的整体性指标, 在一定程度上可以指示水体环境。同时, Pielou指数(J′)描述群落中各种间个体分布均匀程度。沙颍河流域采样位点Shannon-Wiener多样性指数H′为1.03—3.51,Pielou指数J′的变化范围为0.26—0.70。参照水生生物评价水质的标准沙颍河流域水质总体呈现出中污染-重污染。

自1982年以来, 淮河流域浮游动物变化详见表3, 淮河蚌埠段浮游动物变化明显, 耐污性浮游动物种类数降低, 水体质量变差[31,32]; 淮南段[38]和信阳段[35]水体为轻污染-中污染; 淮河上游流域水体处于轻污染状态, 中下游水体为中-重污染状态[8,33,36]。此外, 有研究表明整个沙颍河流域属颍河周口段及其支流贾鲁河的重金属污染问题突出[42], 这说明水体污染状况很严重。此次调查结果显示贾鲁河上游(即1至3号采样点)水体为中-重污染, 贾鲁河下游(即4至5号采样点)水体为轻污染或无污染, 周口段水体为中污染, 表明周口段及贾鲁河水体污染问题依然需要严峻对待和治理。2011年沙颍河流域阜阳段[14]调查研究浮游甲壳动物发现水体为轻度-中度污染, 但阜阳城区[34]水体均处于富营养状态, 城区部分位点为重污染。历经5年之后, 本研究利用浮游动物评价水体状况, 发现阜阳段水体为中污染状态, 阜阳的水体污染状况依旧需要认真对待。据统计[43], 在我国的大多数河流中, 上游生物多样性指数较高, 下游多样性降低, 但是沙颍河流域却是上游个别采样点多样性指数低, 下游多样性指数相对较高。这可能是因为沙颍河上游城市人口聚集及生活污水排放导致水质污染严重, 多样性指数低; 下游人口稀少, 人为影响较少, 故水体状况相对良好。

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