湘江长沙综合枢纽浮游动物群落结构及水质分析

陆 娇，张 琦，刘应迪

（湖南师范大学生命科学学院，长沙 410081）

浮游动物对促进水域生态系统的物质循环起举足轻重的作用，其群落结构、种群数量、优势种变化能反映水质整体情况［1］，常依其对环境的敏感度而作为水污染指示生物［2］。因而研究浮游动物群落动态对研究水域健康状况有重要意义。

湘江长沙综合枢纽建立旨在保证长、株、潭城市群生产生活用水和改善长沙-株洲段的航道条件，水质变化更关乎两岸人民生存与发展大计。自20世纪90年代，伴随工业高速发展，污染日趋严重，污染类型趋于复杂［3，4］。目前对湘江流域水环境的常规监测一般采用化学监测，而生物监测尚未得到充分应用，化学监测只能反映取样时瞬间的情况，生物监测却能很好地反映出近阶段环境综合状况，从而弥补化学监测的不足。运用生物指数评价和化学评价法对水质状况进行评析，并通过主成分分析法（PCA）筛选14项理化指标中最主要的影响因子，运用冗余分析（RDA）进一步研究优势种与主要环境因子间的关系，意在承接相关学者调查进展［5-9］，同时进一步全面了解湘江水质情况，为浮游动物群落研究积累部分基础数据，也为水域综合监测提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 样本的采集和处理

于2016年1—11月奇数月上旬进行采样调查。依据国家环保部和湖南省环境保护厅于湘江控断面设置的监测点，选取湘江长沙综合枢纽上下游的6个样点为研究对象（图1）。样本采集、处理主要参照《淡水浮游生物研究方法》［10］：25＃ 浮游生物网（孔径64 μm）于0.5 m处水下“∞”形回捞采集样品用于定性观察；有机玻璃采水器在0～2 m处的表层采集混合水样10 L，并用25＃浮游生物网过滤收集样本。固定样品均采用体积分数为4%的甲醛溶液，经48 h浓缩至30 mL，Nikon生物显微镜下进行全片计数，物种鉴定参照文献［10-14］。

图1 样点分布

理化指标测定14项指标，包括水温（WT）、pH、电导率（Cond）、溶解氧（DO）、高锰酸钾指数（CODMn）、氨氮（NH3-N）、汞（Hg）、总磷（TP）、化学需氧量（COD）、锌（Zn）、氟化物（Fluoride）、铜（Cu）、挥发酚（Vol-P）、镉（Cd）。pH（pH 仪）、溶解氧含量（溶解氧仪）和水温用仪器现场测定，其他指标将样品带回实验室测定，参照文献［15］。

1.2 数据处理分析

浮游动物的结构特征包括密度、优势度（Y）；物种多样性指数包括香农-威纳指数（H）、Margalef丰富度指数（D）、均匀度指数（J），其评价标准［16-18］如表1所示。

各指标计算公式：

式中，N为1 L水中浮游动物的个体数（个／L），Vs为沉淀后样品的体积 （mL），n为计数得的个体数，V 为采样的体积 （L），Va为计数的体积（mL），ni为种i个体数，S为总物种数，fi为第i种物种出现的频率。 优势种（Y）的确立以 Y≥0.02［19，20］为依据。

表1 多样性指标的评价标准

采用SPSS.19进行数据相关性和方差分析，采用Canoco 5.0进行主成分分析和冗余分析，采用Excel进行绘图及数据整理。

2 结果与分析

2.1 浮游动物群落的结构特征

物种组成上以轮虫和原生动物为主。共鉴定出125种浮游动物，包括轮虫60种（48.0%）、原生动物41种（32.8%）、枝角类 13种（10.4%）、桡足类 11种（8.8%）。各样点浮游动物密度的波动范围为384～1 395 个／L，平均密度 749 个／L。空间尺度呈 S3＞S5＞S2＞S1＞S6，其中 S3（捞刀河河口）、S5（沩水河河口）分别位于研究水域上、下游河口的位置。经单因素方差分析，浮游动物的密度在空间尺度上差异不显著（P＞0.05），且各样点密度均以原生动物和轮虫占据优势（图 2）。

浮游动物密度随季节呈倒U形变化趋势（图3），密度在219～1 170个／L波动，9月密度值最高，7月次之，5月和11月基本相同，而1月是明显的低谷期，各种浮游动物的密度均低。在溶解氧含量高的1月并未表现出较高的密度，而在溶解氧含量低谷的9月密度达到最高，这与浮游动物的温度阈限及藻类生存量有一定关联。经单因素方差分析，浮游动物密度在时间尺度上具显著差异（P＜0.05），其中，轮虫和原生动物的密度在时间尺度上具显著差异（P＜0.05），而枝角类和桡足类的密度在时间尺度上差异则不显著（P＞0.05）。总体而言，浮游动物密度具有季节性规律，夏秋季高于春秋季，原生动物和轮虫是浮游动物密度组成的主要类型。

2.2 优势种分布

图2 浮游动物密度的空间分布

图3 浮游动物密度的时间分布

表2 优势种时间尺度的分布

原生动物是各月优势种的主要类群（表2），其中球形砂壳虫是全年的优势种，反映出该种在该流域适应性相较其他种更强，温度阈限更广。各月份优势度表现为，步履马氏虫和短尾温剑水蚤的优势度在1月最大；前节晶囊轮虫的优势度在3月最大；有肋楯纤虫的优势度在5月最大；球形砂壳虫的优势度在7月最大；短尾温剑水蚤的优势度在11月最大，表明不同月份的优势种不尽相同，而各优势种在各月的优势度不尽相同。单因素方差分析显示，优势种分布在时间尺度上均达到显著差异（P＜0.05），温度在时间尺度上呈极显著性差异（P＜0.01），可能由于不同物种对温度的适应性不同，优势种的形成可能与温度有关。

2.3 物种的多样性指数

时间尺度上（图4），Margalef丰富度指数和香农-威纳指数的变化为5月＞7月＞3月＞11月＞9月＞1月；均匀度指数变化为1月＞9月＞5月＞3月＞7月＝11月。经单因素方差分析，多样指数和Margalef丰富度指数在时间尺度上均具显著差异（P＜0.05）。空间尺度上 （图5），各样点香农-威纳多样性指数为S2＞S1＞S4＞S3＞S6＞S5，Margalef丰富度指数为 S2＞S3＞S4＞S1＞S5＞S6，均匀度指数为 S4＝S6＞S2＞S1＞S3＞S5。S1、S2、S3、S4处于湘江长沙综合枢纽上游河段，S5、S6处于下游河段。上游河段的多样性指数均大于下游河段，样点之间的变化较平稳，3种多样性指数在空间尺度上均不具显著差异（P＞0.05）。

图4 浮游动物生物多样性指数时间分布

2.4 环境因子时空分析

理化指标（表3、表4）研究流域的水质呈弱碱性，全年水温波动范围为10.62～28.08℃。DO含量在1月最高，9月最低，正与1月浮游动物较低的密度值、9月较高的密度值相符合。经单因素方差分析，时间尺度上 WT、DO、CODMn、Cond和 Cu含量的差异达极显著水平（P＜0.01），而 Fluoride 含量、pH 的差异达显著水平（P＜0.05），其他理化指标均无显著性差异 （P＞0.05）。不同空间尺度下的理化指标WH、pH、DO、Cond、Vol-P、Hg、Cu、Cod、Zn 和Cd 含量均不具显著性差异（P＞0.05），而 CODMn、TP、NH3-N 含量则具极显著性差异（P＜0.01），这与不同样点的背景环境有一定关联。结合研究流域的各项理化指标，参照水质评价标准，湘江长沙综合枢纽水质整体呈Ⅱ至Ⅲ类水标准。

2.5 浮游动物优势种和主要环境因子的RDA分析

图5 浮游动物生物多样性指数空间分布

表3 理化指标的时间分布

表4 理化指标的空间分布

皮尔逊相关性分析表明，浮游动物的密度与Vol-P和 CODMn具显著的正相关（P＜0.05），而与 DO和Cd具显著的负相关（P＜0.05）。通过主成分分析法（PCA） 筛选出 DO、Fluoride、Cd、Cu、Zn 5 个主要因子，并利用优势种的信息（表2）进行DCA分析，最大梯度长度为1.8（＜3），适合用RDA分析。由图6可知，前两个排序轴特征值分别为0.384 1和0.268 2，且优势种信息和环境因子的相关信息均为1，这表明优势种和环境主要因子的关系能得到很好的反映。

图6 优势种与主要环境因子RDA排序

DO能很好地反映有机污染程度，RDA排序图显示对优势种的季节性变化影响最大的是DO。其中，物种A6、A8与DO含量呈正相关，表明高的DO含量对其分布有促进作用；而物种A19、A3不受DO含量的影响；其他的优势种均与DO含量呈负相关。表明多数优势种在耗氧严重的季节或水体容易形成优势种，对有机污染具有一定的抵抗力。物种A6、A8、A20、A19、A3均与 Cd含量呈正相关，而物种 A2不受Cd含量的影响，其他的优势种均与Cd含量呈负相关。物种A6与Cu、Zn含量呈负相关，其中，物种A12、A13与Cu含量的正相关最为明显，物种A8、A17则不受Cu含量的影响，其余的优势种均与Cu含量呈正相关；而物种A16与Zn含量的正相关最为明显，物种A19、A3基本不受Zn含量的影响，其余优势种均与Zn含量呈正相关，表明多数优势种耐金属。Fluoride与物种A18的正相关最明显，物种A12则不受该物质影响。在筛选出的5个主要因子中没有NH3-N、TP，而重金属出现了3种（Cu、Zn、Cd），表明重金属污染仍是主要污染，尤其以Cu、Zn、Cd的污染较为显著，以DO、Fluoride为代表的有机污染对优势种分布影响最大。

2.6 水质分析与评价

香农-威纳指数（H）、Margalef丰富度指数（D）越高表明污染越轻；反之污染越严重。由表5可知，由香农-威纳指数来评价，研究水域各个样点均属于β-中度污染，但上游样点优于下游样点；由 Margalef丰富度指数来评价，研究水域上游4个样点均属轻度污染，下游2个样点均为β-中度污染水平。总体来看，研究水域上游水质优于下游水质。

综合水体理化指标算得化学综合污染物指数（PB／n）见表 5，评价标准参照文献［21-23］。S1（猴子石）、S2（橘子洲）、S4（三汊矶）、S6（乔口）为中度污染；S3（捞刀河）、S5（沩水河河口）PB／n 均值分别为3.80、3.48，为重度污染，这两取样点均是支流汇入湘江干流的河口监测点，支流受城市生活污染物影响。这一结果表明水域干流水质优于近河口水质。

物种多样性指数显示该流域整体呈轻度至中度污染，PB／n值显示此研究水域水质处于中度至重度污染，生物评价与化学评价存在一定差异。这与生物本身对环境变化的适应性有关，环境变化一定程度上可能降低灵敏度［24］；化学评价可能因临近采样前一些不可控因素而影响监测结果。因此采用物种多样性指数结合化学指标综合对研究水域的水质进行评价。

表5 各样点多样性指数

3 结论

浮游动物群落物种组成、密度贡献值显示研究流域种类组成以轮虫为主要贡献者，原生动物次之，这是受到污染河流浮游动物群落的典型特征。单因素方差分析显示，总密度变化具显著季节性（P＜0.05），夏秋季密度高于春、冬季，其中轮虫和原生动物密度变化均具显著的季节性（P＜0.05），浮游动物总密度上游高于下游，近河口样点高于干流样点。

浮游动物总密度与14项环境因子的相关性反映有机污染和重金属是影响流域浮游动物密度的主要因子。原生动物在研究水域更易成为各季节的优势种，对温度的适应阈值更广；轮虫在时间尺度上的优势度未彰显，与各月份出现频率较低、温度阈限相较原生动物小有关。

进一步冗余分析（RDA）表明，多数优势种表现为耐有机污染且适应重金属物质，重金属污染依然是主要的污染物，这与李杰等［25］的研究结果吻合；溶解氧对研究水域优势种的影响最显著，其次是氟化物，表明受有机污染影响很大。

物种多样性指数结果显示，2016年湘江长沙综合枢纽6个样点区域水质呈轻度至中度污染，上游流域优于下游流域，干流的水质优于河口水质，整体水质呈Ⅱ至Ⅲ类水标准。