陈桥东湖浮游生物群落结构特征及水质评价

2019-08-21

长江科学院院报 2019年8期

(河南师范大学生命科学学院，河南新乡 453007)

1 研究背景

浮游生物是水域生态系统中物质循环和能量流动的基础环节，是对水域生态系统功能评价的重要指标之一。研究表明，浮游生物群落与水环境因子关系密切，其种类组成及物种多样性随水环境因子的变化而变化，所以对浮游生物群落的调查研究可以间接反映水域生态环境的质量优劣[1-4]。

图1 采样点分布Fig.1 Distribution of sampling sites

新乡黄河湿地鸟类国家级自然保护区(以下简称新乡黄河湿地)位于河南省新乡市东部封丘县和长垣县境内(114°13'53"E—114°52'30"E，34°53'13"N—35°06'21"N)，保护区总面积为22 780 hm2，分为核心区、缓冲区和实验区。保护区内生态环境多样，水域、滩涂广阔，野生动植物资源丰富，是中原地区重要的鸟类自然保护区，对于区域生物多样性的保护具有非常重要的价值[5-6]。然而，随着社会经济的高速发展，对湿地的人为干扰日趋增加，如填河造田、旅游开发等，导致新乡黄河湿地生态环境不断恶化，景观结构和功能发生明显的改变[7]。在湿地中部实验区，有青龙湖和陈桥东湖2个湖泊，是黄河大堤北侧仅有的2处常年集水区，其中陈桥是历史上著名的“陈桥兵变”发生地。本研究选取陈桥东湖为研究对象，该湖泊为黄河泛滥遗留的沼泽型湿地，总面积约为124 hm2，水域面积约占总面积的80%，生境复杂，植被繁茂，是许多珍稀鸟类重要的繁殖及栖息地，具有显著的社会、经济和科研价值。湖泊中的水生生物是湿地鸟类的主要食物来源，其种类组成及生物量变化与水质状况关系密切，且直接影响着该湿地的鸟类容纳量[8]。

目前关于陈桥东湖浮游生物及水质的相关调查研究鲜见报道，本研究通过对陈桥东湖浮游生物群落的定期定点采样调查，利用浮游生多样性反映水质状况，分析探讨该湿地浮游生物群落特征和水质的时空变化特征，为该湿地提供宝贵的基础资料，也为加强其水环境保护及生态恢复提供一定的科学依据。

2 材料与方法

2.1 采样点及采样时间

根据陈桥东湖湿地整体水域分布及环境因子影响情况，共设置4个采样点，如图1所示，各采样点信息见表1。采样时间为2017年1月(冬季)、4月(春季)、7月(夏季)、10月(秋季)，于每月中旬选择晴朗天气进行采样。

表1 陈桥东湖采样点信息描述Table 1 Description of sampling sites in ChenqiaoEast Lake

2.2 浮游生物的采样及鉴定

浮游植物和浮游动物的定性及定量样品采集、固定、鉴定及计数等方法参考《淡水浮游生物研究方法》[9]、《河流水生生物调查指南》[10]。其中浮游动物主要调查大型浮游动物，即轮虫、枝角类和桡足类。(同时采集水样测定相关水质理化指标，结果另文发表。)

浮游动物功能群划分：参考文献[11-12]将淡水生态系统浮游动物划分为轮虫滤食者RF、轮虫捕食者RC、小型浮游动物滤食者SCF、小型浮游动物捕食者SCC、中型浮游动物滤食者MCF、中型浮游动物捕食者MCC、大型浮游动物滤食者LCF和大型浮游动物捕食者LCC 8个浮游功能群(因未统计原生动物，所以未对原生动物进行功能群划分)。

2.3 数据处理

浮游生物多样性及水质评价标准：利用Shannon-Wiener多样性指数(H)、Pielou均匀度指数(J)、Margalef丰富度指数(D)来评价水质状况。浮游植物利用H和J来评价水质，浮游动物利用H和D来评价水质[9,13-14]，计算公式如式(1)—式(3)。多样性指数的大小与水体污染程度呈负相关，多样性指数越大，则水质越好，评价标准见表2。

(1)

(2)

(3)

表2 H,J,D的分级标准Table 2 Evaluation criteria based on H, J and D

利用优势度Y判定优势种，Y>0.02的浮游生物为优势种[15]。

(4)

式中：ni为第i种生物的个体数；N为所有种类的总个体数；S为总种类数；fi为第i种生物出现的频率。

3 结果

3.1 陈桥东湖浮游生物群落结构特征

3.1.1 浮游植物群落结构特征

调查期间共发现浮游植物8门67属118种，如表3所示。其中绿藻种类最多，共47种，占总种数的39.83%；其次是硅藻，共35种，占总种数的29.66%；其余门类包括：蓝藻15种，裸藻9种，隐藻4种，金藻3种，黄藻3种，甲藻2种。由图2可以看出：C1采样点浮游植物种类最多；各采样点浮游植物种类均在夏季最多，冬季最少。

表3 陈桥东湖浮游植物群落组成
Table 3 Species composition of plankton inChenqiao East Lake

门属种百分比/%蓝藻101512.71绿藻294739.83硅藻153529.66裸藻297.63隐藻443.39金藻232.54甲藻221.70黄藻332.54共计67118100

图2 陈桥东湖各采样点浮游植物种类季节分布Fig.2 Seasonal distribution of phytoplankton speciesat each sampling site in Chenqiao East Lake

各采样点浮游植物丰度的季节变化见图3。整体来看浮游植物丰度呈现出夏、秋季节>春、冬季节的趋势，与叶绿素a含量季节变化情况基本吻合。其中夏季C1采样点丰度最高，达到了39.7×106cells/L；最低值出现在冬季的C2采样点，为2.52×106cells/L；全年平均丰度为8.54×106cells/L。硅藻为各采样点冬季主要优势门类，其丰度冬季最高，这与其耐低温环境的特质有关。蓝藻、绿藻在夏、秋季节占据主导地位，夏季绿藻丰度较高，秋季蓝藻丰度较高。

图3 陈桥东湖各采样点浮游植物丰度季节变化Fig.3 Seasonal distribution of phytoplanktonabundance at each sampling site in Chenqiao East Lake

根据式(4)计算，Y值>0.02为优势种，浮游植物优势种结果见表4。共发现浮游植物优势种16种，占总种数的13%。其中硅藻有4种，分别为尖针杆藻(Synedraacus)、钝脆杆藻(Fragilariacapucina)、短小舟形藻(Naviculaexigua)和小环藻(Cyclotellasp.)；绿藻有4种，分别为水溪绿球藻(Chlorococcuminfusionum)、小球藻(Chlorellasp.)、四尾栅藻(Scenedesmusquadricauda)和链丝藻(Hormidiumflaccidum)；蓝藻有5种，分别为铜绿微囊藻(Microcystisaeruginosa)、中华尖头藻(Raphidiopsissinensia)、小颤藻(Oscillatoristenuis)、伪鱼腥藻(Anabeanasp.)和优美平裂藻(Merismopediaelegans)；裸藻1种，为尾裸藻(Euglenacaudata)；隐藻1种，为啮蚀隐藻(Cryptomonaserosa)；金藻1种，为分歧锥囊藻(Dinobryondivergens)。

表4 陈桥东湖浮游植物优势种季节分布
Table 4 Seasonal distribution of dominant species ofphytoplankton in Chenqiao East Lake

门优势种春季夏季秋季冬季尖针杆藻(Synedra acus)‰‰‰‰ 硅藻钝脆杆藻(Fragilaria capucina)‰‰短小舟形藻(Navicula exigua)‰‰小环藻(Cyclotella sp.)‰‰‰水溪绿球藻(Chlorococcum infusionum)‰‰‰ 绿藻小球藻(Chlorella sp.)‰‰‰四尾栅藻(Scenedesmus quadricauda)‰链丝藻(Hormidium flaccidum)‰铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)‰‰‰优美平裂藻(Merismopedia elegans)‰‰蓝藻中华尖头藻(Raphidiopsis sinensia)‰‰小颤藻(Oscillatoris tenuis)‰伪鱼腥藻(Anabeana sp.)‰‰裸藻尾裸藻(Euglena caudata)‰‰隐藻啮蚀隐藻(Cryptomonas erosa)‰金藻分歧锥囊藻(Dinobryon divergens)‰

3.1.2 浮游动物群落结构特征

调查共发现浮游动物34种，其中轮虫种类最多，共11属21种，占总种数的61.76%；枝角类4属8种；桡足类5属5种(表5)。由图4可以看出：轮虫种类数全年均处于优势地位，季节分布较为稳定，整体来看夏季最高；枝角类各采样点各季节出现种类差异较大；桡足类则以剑水蚤为主，除冬季以无节幼体形态出现外，其余各季节均有发现。

表5 陈桥东湖浮游动物群落组成Table 5 Species composition of zooplankton inChenqiao East Lake

图4 陈桥东湖各采样点浮游动物种类季节分布Fig.4 Seasonal distribution of zooplankton species ateach sampling site in Chenqiao East Lake

根据式(4)计算，Y值>0.02为优势种，陈桥东湖浮游动物优势种结果见表6。

表6 陈桥东湖浮游动物优势种季节分布
Table 6 Seasonal distribution of dominant species ofzooplankton in Chenqiao East Lake

门优势种春季夏季秋季冬季针簇多肢轮虫(Polyarthra trugla)‰萼花臂尾轮虫(Brachionus calyciflorus)‰‰‰‰ 轮虫没尾无柄轮虫(Ascomorpha ecaudis)‰梳状疣毛轮虫(Synchaeta pectinata)‰裂足臂尾轮虫(Brachionu diversicornis)‰‰前节晶囊轮虫(Asplanchna priodonta)‰枝角类秀体溞(Diaphanosoma sp.)‰ 桡足类桡足幼体+无节幼体(copepodids+Nau-plious)‰‰‰‰剑水蚤(Cyclops sp.)‰‰‰

共发现浮游动物优势种9种，占总种数的24%。其中轮虫优势种类最多，有6种，分别是针簇多肢轮虫(Polyarthratrugla)、萼花臂尾轮虫(Brachionuscalyciflorus)、没尾无柄轮虫(Ascomorphaecaudis)、梳状疣毛轮虫(Synchaetapectinata)、裂足臂尾轮虫(Brachionudiversicornis)和前节晶囊轮虫(Asplanchnapriodonta)，其中针簇多肢轮虫、萼花臂尾轮虫、裂足臂尾轮虫和前节晶囊轮虫都是典型的污染指示种，从一定程度上反映了水质的污染程度。枝角类优势种只有1种，为秀体溞(Diaphanosomasp.)，只出现在夏季。桡足类优势种主要是桡足幼体+无节幼体(Copepodids+Nauplious)和剑水蚤(Cyclopssp.)。萼花臂尾轮虫和桡足类幼虫在4个季节均为优势种。共发现浮游动物功能群6类，未发现小型浮游动物捕食者SCC和大型浮游动物滤食者LCF。从优势种类来看，陈桥东湖全年浮游动物以轮虫滤食者RF为主，其次为小型浮游动物滤食者SCF和中型浮游动物滤食者MCF。

由图5可以看出，浮游动物丰度季节变化情况与浮游植物情况较为一致，呈现出夏、秋季节>春、冬季节的规律。全年平均丰度为281 cells/L。浮游动物丰度组成中，轮虫类丰度最高，全年占据主导地位，枝角类、桡足类丰度较低。丰度最低值出现在秋季的C3采样点，为68 cells/L。秋季的C2采样点浮游动物种类和丰度均为全年最高，丰度达到了1 342 cells/L，晶囊轮虫和桡足类的剑水蚤占据绝对优势。

图5 陈桥东湖各采样点浮游动物丰度季节变化Fig.5 Seasonal distribution of zooplankton abundanceat each sampling site in Chenqiao East Lake

3.2 陈桥东湖浮游生物多样性对水质的指示

陈桥东湖浮游生物多样性与水质评价结果如表7所示。

表7 陈桥东湖浮游生物多样性与水质评价Table 7 Values of plankton diversity index and result of water quality evaluation of Chenqiao East Lake

浮游植物多样性指数H值全年变化范围为1.70～2.30，均值为2.03，对应水质类型为-中污染；J值变化范围为0.47～0.74，均值为0.61，对应水质类型为轻污或无污染；且夏季水质较差，冬季相对较好。整体来看属于轻-中污染。

浮游动物多样性指数H值变化范围为1.06～1.52，平均值为1.33，对应水质类型为-中污染；D值变化范围为1.04～2.51,平均值为1.60，对应水质类型为中污染。浮游动物多样性指数低于浮游植物，可能是因为本研究未把原生动物统计在内。综合来看，浮游生物多样性评价陈桥东湖水质整体表现为中度污染。同时调查发现，陈桥东湖全年水体营养盐含量较高，总氮全年波动范围为0.78～2.52 mg/L，平均值为1.52 mg/L；总磷全年波动范围为0.021～0.261 mg/L，平均值为0.117 mg/L。依据我国《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)，陈桥东湖为Ⅳ类水质，富营养化较为严重，与浮游生物多样性评价结果一致。

4 讨论

相关研究[16-17]表明，一定浓度范围内的氮磷对浮游植物的生长有促进作用，同时水温也是影响浮游植物生长与繁殖的重要理化因子之一，所以陈桥东湖夏季较高的营养盐含量及适宜的水温有利于浮游植物的大量生长，浮游植物种类及丰度都在夏季达到较高水平。硅藻在各样点全年都有分布，且种数随季节变化保持相对稳定，冬季所占丰度比例较高。绿藻种数在春、夏季节最高，丰度夏季最高。蓝藻则在夏、秋季节丰度达到最大值，这与夏、秋季节水体水温及总磷含量较高有关，蓝藻是磷限制的浮游植物种类[18]。黄藻只在夏秋季节有所发现，C3采样点未发现。金藻则在水温较低的冬、春季节出现，也间接表明冬季水质好于其他季节。夏季C1采样点浮游植物出现爆发性生长，主要是由于该采样点紧邻村庄，受居民生活污染影响严重，且该采样点为一浅水湖泊，湖水最深处不超过2 m，最浅处只有0.3 m左右，相对而言，夏季湖水蒸发量大，水位为全年最低，加之风浪、水中鱼类以及大量水禽鸟类活动等引起的底泥再悬浮，很容易形成适合浮游植物爆发生长的环境。

陈桥东湖冬季浮游植物主要优势门类为硅藻，属于硅藻型，其中针杆藻4个季节均存在且都为优势种。春季浮游植物群落以硅藻、绿藻占优，属于硅藻-绿藻型，夏、秋季则为硅藻-绿藻-蓝藻型。此规律与著名的PEG(Plankton Ecology Group)模型[19]基本相符，即浮游植物群落结构的季节变化是由冬、春季的隐藻和硅藻转变为夏季的绿藻，再到夏末秋初的蓝藻占优势，秋季时硅藻数量再次上升。根据藻类各种群在群落中所占比例来评价水体营养状况，金藻为主时是贫营养性湖泊，硅藻为主时是中营养湖泊，蓝藻、绿藻为主时则是富营养型湖泊[20-21]。由此可以看出陈桥东湖全年整体表现为中-富营养状况。

在浮游动物丰度组成中，轮虫类丰度最高，全年占据主导地位，枝角类、桡足类丰度较低，虽然枝角类种类数比桡足类多，但丰度却相对最低，这与许多江河湖泊水体浮游动物类群分布研究结果相似[22-24]。通过对浮游动物功能群划分发现，陈桥东湖全年以轮虫滤食者RF为主，其次为小型浮游动物滤食者SCF和中型浮游动物滤食者MCF，这可能与该湿地水体富营养化有关。相关研究表明[25-26]，水体富营养化会导致浮游动物小型化，富营养水体中小型轮虫和枝角类会占优势地位。杨宇峰等[27]研究发现，浮游动物丰度和生物量一般随水体富营养化程度增加而增加，其中枝角类丰度有时会随水体富营养化增加而减少，而桡足类丰度并不随水体富营养化程度增加而增加。李娟等[28]研究也发现，桡足类夏、秋季节生物量高于枝角类，是蓝藻的爆发生长使得大型枝角类数量下降、小型枝角类和桡足类增加所致。秋季的C2采样点浮游动物种类和丰度均达到全年最高，其中晶囊轮虫和桡足类的剑水蚤为绝对优势种。这可能与该采样点春、夏季密集的旅游开发活动有关，强烈的人为干扰对该采样点水环境影响十分明显，夏末开发活动暂缓，人为干扰效应降低，水量平稳，水体营养程度升高，且该样点水面狭窄，四周被大片芦苇丛包围，风力对水体的扰动作用小，加上浮游植物的上行效应，所以适宜其生长。

浮游植物多样性指数年均值为2.03，均匀度为0.61，说明浮游植物多样性水平较高，但各门类物种数差异较大，主要由于水体污染导致其种类分布不均匀。邓文丽等[29]在研究北京野鸭湖湿地时发现浮游植物多样性平均值为1.79，均匀度指数为0.57，与本研究结果大致相当甚至略低，而其水质状况也与陈桥东湖较为一致。在白洋淀湿地浮游植物的调查中[30]，发现距离村落区较近的水域，浮游植物多样性及均匀度指数要低于远离人为干扰的净水区。其调查结果与陈桥东湖的调查结果相一致，说明利用浮游植物多样性指数来反映水环境质量是相对可靠的。而在浮游动物的调查中发现，由于陈桥东湖轮虫为主要优势种，而其他门类种类较少，且调查并未统计原生动物，所以多样性较低，年均值仅为1.33。通过浮游植物与浮游动物的相关多样性指数评价水质，结果显示陈桥东湖整体处于中度污染状况，富营养化较为严重。这主要与人为干扰有关，如密集的生态旅游开发活动、湿地周边居民的生活污染排放及对湿地资源的不合理利用等。大环境下的全球气候变化以及季节性的农业活动所带来的面源污染都是导致该湿地水质恶化的原因所在。

陈桥东湖作为鸟类重要的栖息地，其水质状况在正常范围之内，应努力改善，避免继续恶化。建议在对陈桥东湖湿地生态旅游开发的过程中，注意开发模式的科学化，并对湿地进行长期稳定的生态环境监测，确保湿地生态旅游朝着健康有序的方向发展。同时环境保护部门要加强宣传力度，提高湿地周边居民的环保意识，使其为湿地的保护与恢复带来正向有益的反馈。