淮北采煤塌陷区两个小型湖泊轮虫的群落结构特征

2020-02-05张婷婷孙雨琛邓道贵金显文

水资源保护 2020年1期

杨威,张婷婷,孙雨琛,刘琪,邓道贵,金显文

(1.淮北师范大学信息学院，安徽淮北 235000； 2.淮北师范大学生命科学学院，安徽淮北 235000)

淮北市位于安徽省北部，属于典型的暖温带半湿润季风气候区，年平均气温14.8 ℃，年均降水量约800 mm，年蒸发量1 700～1 900 mm[1]。淮北市煤炭资源丰富，累计探明储量80.47亿t[2]。随着煤炭资源的大量开采，造成了大面积采煤塌陷区，2015年淮北煤矿塌陷面积为167 km2，其中形成的湖泊面积约40 km2[3]。大面积的塌陷，不仅改变了地貌，而且使生态系统结构和功能发生根本性改变，对局部区域生态环境也产生了较大的影响[1,4]。目前，煤矿塌陷湖泊作为水源保护地、渔业活动区和湿地生态恢复区，营养状况差异较大[5]。随着采煤塌陷区的不断扩展和矿区生态环境的持续恶化，一些塌陷湖泊出现了富营养化或严重污染[6]。

轮虫是浮游动物的重要组成部分，处于食物网的中间环节，主要以浮游植物、原生动物和细菌等为食，而轮虫又是鱼类的重要食物来源，因此轮虫在水生态系统的物质循环和能量流动中具有重要的作用[7]。轮虫分布广、个体小、发育快，对环境反应灵敏，是良好的水环境指示生物，其种类组成能较好地反映水体富营养水平、理化特征和生境多样性[8]。

与淮南、淮北煤矿塌陷湖泊相比，淮南焦岗湖轮虫有51种，明显高于淮南迪沟湖的38种、淮北南湖的14种和淮北乾隆湖的27种；就优势种而言，焦岗湖主要优势种为前节晶囊轮虫、螺形龟甲轮虫和针簇多枝轮虫，而迪沟湖为萼花臂尾轮虫、角突臂尾轮虫和曲腿龟甲轮虫，南湖和乾隆湖为长肢多肢轮虫、暗小异尾轮虫和裂痕龟纹轮虫[6,9-10]。煤矿塌陷湖泊浮游生物演替不同于一般的湖泊，随着水体富营养化的加剧，浮游动物种类减少，而粉煤灰污染明显降低了轮虫的种群密度[11-12]。可见，深入开展煤矿塌陷湖泊轮虫的群落结构特征研究具有重要的科学价值，为此本文通过对淮北采煤塌陷区两个小型湖泊东湖和刘桥湖轮虫的群落结构调查，探讨轮虫群落结构的变化及其与环境因子的关系，以期为煤矿塌陷湖泊渔业资源的可持续利用、水质监测、水生态系统的科学管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 采样区和采样时间

东湖和刘桥湖是淮北矿区内采煤塌陷形成的两个小型封闭型湖泊。东湖(33°59′N、116°51′E)位于淮北市杜集区，塌陷时间约20 a，集水面积 1.9 km2[13]，水生植被较为丰富。刘桥湖(33°54′N、116°39′E)位于淮北市刘桥镇，塌陷时间约15 a，集水面积2.78 km2[14]，2012年刘桥湖水质达到轻度-中度富营养化状态[15]。根据两湖的形态特征，每个湖泊设置5个采样点(图1)，分别于2017年4月、7月、10月和2018年1月进行采样调查。

1.2 样品的采集、处理及理化指标的测定

采集轮虫定性样品时，将25号浮游生物网(64 μm)在水面下约0.5 m处呈“∞”形缓慢拖行 3～5 min，将定性样品放入50 mL小塑料瓶中，用4%的甲醛溶液固定。采集轮虫定量样品时，根据采样点的水深，用5 L有机玻璃采水器分3层(表层、中层和底层)进行采集，每层取5 L水样，混合后取 1 L水样，现场用Lugol氏液固定，带回实验室沉淀48 h后，移去上清液，浓缩至50 mL。

(a) 东湖

(b) 刘桥湖

水温和pH值用pH计(Hach，美国)现场测定，透明度(SD)使用透明盘现场测定。总氮(TN)用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定，总磷(TP)用过硫酸钾消解紫外分光光度法测定，叶绿素a(Chl-a)质量浓度参照章宗涉等[16]的研究方法测定。

1.3 样品分析与鉴定

定性样品在实验室内通过镜检鉴定其种类。轮虫定量样品用1 mL浮游生物计数框在显微镜下全部计数，每个样品计数2片，取平均值，种群密度以“个/L”表示。轮虫的种类主要参照《中国淡水轮虫志》[17]鉴定，轮虫生物量参照章宗涉等[16]的研究方法估算。

1.4 轮虫的物种多样性和数据分析方法

轮虫的物种多样性采用Shannon指数H′[18]和Margalef指数D表示，优势种采用优势度指数Y表示，计算公式分别为

(1)

D=(S-1)/lnρ

(2)

Y=ρifi/ρ

(3)

式中：S为种类总数；pi为第i种轮虫密度占轮虫总密度的比例；ρi为第i种轮虫的密度；fi为第i种轮虫出现的频率；ρ为所有轮虫的总密度。其中0≤H′<1为重度污染，1≤H′<2为中度污染，2≤H′<3为轻度污染，H′≥3为无污染[19]；0≤D<1为重度污染，1≤D<2为中度污染，2≤D<3为轻度污染，D≥3为无污染[4,20]；Y≥0.02的种类确定为优势种[21]。

采用修正的卡尔森营养状态指数TM评价东湖和刘桥湖营养化类型。TM采用0～100的连续数值对湖泊营养状态分级，其中TM≤30为贫营养，30

(4)

(5)

(6)

TM=0.54TM(Chl-a)+0.297TM(SD)+0.163TM(TP)

(7)

式中；ρ(Chl-a)为叶绿素a的质量浓度，μg/L；tSD为透明度，m；ρ(TP)为总磷质量浓度，mg/L。

采用SPSS 17.0统计软件分析两湖轮虫密度和环境因子的相关性，用One-way ANOVA分析轮虫密度、生物量、水体理化因子和生物多样性指数的季节差异。用统计软件CANOCO 4.5进行冗余分析，以揭示轮虫密度和环境因子的关系，所有数据均进行ln(x+1)转换。

2 结果与分析

2.1 理化因子

刘桥湖和东湖的总氮和总磷质量浓度均在冬春季较低、夏秋季较高，并具有显著的季节差异(P<0.05)。东湖总氮和总磷的平均质量浓度分别为1.52 mg/L和0.14 mg/L，刘桥湖总氮和总磷的平均质量浓度分别为1.35 mg/L和0.13 mg/L。东湖的透明度和pH值均高于刘桥湖，两湖的水温在夏季最高，冬季最低。东湖叶绿素a质量浓度在秋季最高，年平均值为55.8 μg/L，刘桥湖叶绿素a质量浓度在夏季最高，年平均值为59.0 μg/L。

2.2 轮虫种类组成及优势种的季节变化

两湖共记录轮虫13科16属33种，其中东湖13科15属32种，刘桥湖10科12属25种(表1)。东湖夏季和秋季主要优势种为刺盖异尾轮虫、暗小异尾轮虫、长肢多肢轮虫和长三肢轮虫，冬季和春季为长肢多肢轮虫、广布多肢轮虫和螺形龟甲轮虫；刘桥湖夏季和秋季主要优势种为暗小异尾轮虫、长肢多肢轮虫和小链巨头轮虫，冬季和春季为长肢多肢轮虫、广布多肢轮虫、螺形龟甲轮虫和迈氏三肢轮虫。

表1 东湖和刘桥湖轮虫种类组成和优势种

东湖暗小异尾轮虫和长肢多肢轮虫的年平均密度分别为790个/L和590个/L，分别占轮虫总密度的29%和22%；暗小异尾轮虫的最大密度(1 935个/L)出现在夏季，长肢多肢轮虫的最大密度(1 220个/L)出现在秋季。刘桥湖暗小异尾轮虫、长肢多肢轮虫和小链巨头轮虫的年平均密度分别为361个/L、300个/L和138个/L，分别占轮虫总密度的28%、23%和11%；暗小异尾轮虫和长肢多肢轮虫的最大密度(1 315个/L和595个/L)均出现在夏季(图2)。

注：+为常见种;++为优势种。

(a) 东湖

(b) 刘桥湖

2.3 轮虫密度和生物量的季节动态

东湖和刘桥湖轮虫密度和生物量的季节差异均显著(P<0.05)。东湖轮虫的年平均密度和生物量(2 722个/L和3.04 mg/L)明显高于刘桥湖(1 311个/L和1.30 mg/L)。东湖最大密度和生物量(4 873个/L和6.28 mg/L)分别出现在夏季和秋季，最小值(1 100个/L 和0.67 mg/L)分别出现在春季和冬季。刘桥湖最大密度和生物量(3 060个/L和2.54 mg/L)分别出现在夏季和秋季，最小值(430个/L和0.16 mg/L)分别出现在春季和冬季(图3)。

图3 东湖和刘桥湖轮虫密度和生物量的季节变化

Pearson相关分析表明，东湖轮虫的密度与总磷(P<0.01)、水温(P<0.01)和叶绿素a质量浓度(P<0.01)均呈极显著正相关关系，与总氮(P<0.05)显著正相关；刘桥湖轮虫的密度与总氮(P<0.001)和叶绿素a质量浓度(P<0.001)呈极显著正相关关系，与水温(P<0.05)显著正相关，与总磷无相关性。

2.4 轮虫群落多样性指数及其与水体营养水平的关系

由表2可见，东湖轮虫的H′值(1.68)高于刘桥湖(1.63)，东湖和刘桥湖的最大H′值(2.00和2.09)均出现在秋季，最小H′值(1.06和1.27)分别出现在冬季和春季，两湖的H′值季节差异均显著(P<0.05)。东湖轮虫的D值(1.21)高于刘桥湖(1.01)，东湖和刘桥湖的最大D值(1.68和1.51)均出现在秋季，最小D值(0.61和0.50)分别出现在冬季和春季，两湖的D值季节差异均显著(P<0.01)。东湖和刘桥湖的TM值季节差异显著(P<0.01)，年平均值分别为67.2和70.9。根据TM值的评价标准，两湖水体均达到中度富营养状态。

表2 东湖和刘桥湖轮虫多样性指数和TM值的季节变化

表3 东湖和刘桥湖轮虫密度和环境因子的冗余分析

Pearson相关分析表明，东湖的TM值与轮虫密度(P<0.01)、种类数(P<0.01)和D值(P<0.01)均呈极显著正相关关系，与H′值显著相关(P<0.05)。刘桥湖的TM值与轮虫密度(P<0.01)、种类数(P<0.01)、H′值(P<0.01)和D值(P<0.01)均呈极显著正相关关系。由此可见，东湖和刘桥湖水体富营养化提高了轮虫的密度、种类数及物种多样性。

2.5 轮虫群落与环境因子的冗余分析

东湖和刘桥湖分别选取17和15种优势种类用于典型对应分析(CCA)，去趋势对应分析(DCA)显示，东湖和刘桥湖的第1轴梯度长分别为3.31和3.74。因此，选择冗余分析(RDA)进行约束性排序。冗余分析显示(表3)，东湖的第1轴和第2轴特征值分别为0.422和0.166，前2轴共解释了80.8%的物种与环境的关系;刘桥湖第1轴和第2轴特征值分别为0.447和0.140，前2轴共解释了87.1%的物种与环境的关系。两湖轮虫主要优势种密度与总氮、总磷、水温和叶绿素a质量浓度密切相关。如图4所示，东湖刺盖异尾轮虫、暗小异尾轮虫、长三肢轮虫、长肢多肢轮虫、前节晶囊轮虫和红多肢轮虫均与总氮、总磷、水温和叶绿素a质量浓度呈正相关关系；刘桥湖刺盖异尾轮虫、暗小异尾轮虫、前节晶囊轮虫、裂足臂尾轮虫、萼花臂尾轮虫和壶状臂尾轮虫均与总氮、总磷、水温和叶绿素a质量浓度呈正相关关系。

(a) 东湖

(b) 刘桥湖

3 讨论

3.1 轮虫的群落结构特征

两湖轮虫密度和种类数变化趋势一致，夏秋季具有较高的密度和种类数，冬春季较低，东湖轮虫年平均密度和种类数分别为2 722个/L和32种，高于刘桥湖的1 311个/L和25种。东湖轮虫密度和种类数分别占浮游动物(轮虫和浮游甲壳动物)密度和种类数的99.5%和80%，刘桥湖分别为99.6%和71.4%[24]。东湖和刘桥湖轮虫的污染指示种类数分别为22种和16种，且两湖主要以β中污型为主，分别占总种类数的38%和40%。两湖轮虫优势种的差异较小，且以小型种类为主，主要优势种是暗小异尾轮虫、长肢多肢轮虫、螺形龟甲轮虫、广布多肢轮虫。与淮北和淮南煤矿塌陷湖泊相比[6,25]，东湖轮虫密度高于淮北南湖、乾隆湖和淮南潘谢潘集站、潘谢顾桥站、潘谢谢桥站的密度，而刘桥湖的密度高于淮北南湖、低于淮北乾隆湖和淮南潘谢潘集站、潘谢顾桥站、潘谢谢桥站的密度；两湖主要优势种和淮北南湖、乾隆湖差异较小，和淮南潘谢潘集站、潘谢顾桥站、潘谢谢桥站的优势种(曲腿龟甲轮虫、罗氏异尾轮虫、前节晶囊轮虫、卜氏晶囊轮虫和针簇多肢轮虫)差异较大。

3.2 轮虫与环境因子的关系

水温、总氮和总磷是影响轮虫密度和群落结构季节动态的重要因素[25]。总氮和总磷能促进浮游植物的生长，为轮虫提供更多的食物来源，进而促进轮虫的生长繁殖[26]。在充足的食物条件下，随着水温的上升，轮虫卵的发育时间缩短，种群周转加快，导致轮虫种群密度迅速增加[16]。两湖轮虫密度和群落结构的季节变化明显，冗余分析显示，两湖轮虫主要优势种与水温、总氮和总磷呈正相关关系。因此，水温、总氮和总磷是影响两湖轮虫密度和群落结构季节变化的重要因素。

透明度是影响轮虫密度和空间分布的重要环境因子，较低的透明度不利于轮虫的生存和繁殖，而较高的透明度、相对稳定的水体环境有利于提高轮虫的物种多样性[27]。杨桂军等[28]研究表明，轮虫密度与透明度呈显著的正相关关系。东湖的透明度明显高于刘桥湖，而与之对应的是，东湖轮虫密度和种类数明显高于刘桥湖。因此，透明度可能是导致东湖轮虫密度和种类数高于刘桥湖的重要原因。

轮虫主要以浮游植物为食，浮游植物密度的高低与轮虫的生长繁殖密切相关[27]，邓道贵等[6]研究表明，浮游植物生物量对轮虫群落结构具有重要的影响。叶绿素a是衡量浮游植物的重要指标，对轮虫密度和种类的季节变化影响较大[27]。东湖和刘桥湖的叶绿素a质量浓度均较高，为轮虫提供了丰富的食物来源，Pearson相关分析表明，两湖轮虫密度均与叶绿素a质量浓度呈极显著正相关关系，冗余分析也表明，两湖轮虫主要优势种与叶绿素a质量浓度呈正相关关系。因此，叶绿素a质量浓度也是影响两湖轮虫密度和群落结构的重要因素。这与吴晓敏等[29]研究结果相一致。

滤食性鱼类对浮游动物的捕食具有明显的选择性，在同等条件下优先选择个体较大的种类为食，导致浮游动物群落结构小型化[30]。陈光荣等[31]研究表明，鱼类的捕食压力使浮游动物以轮虫、小型枝角类和无节幼体为主。鲢、鳙鱼等滤食性鱼类主要以浮游甲壳动物为食[32]，鲢、鳙鱼对浮游甲壳动物的捕食压力，导致浮游甲壳动物的密度较低，抑制了浮游甲壳动物对轮虫的食物竞争或捕食压力[25]，使轮虫密度增大。此外，鲢、鳙鱼对浮游甲壳动物的大量捕食，为轮虫的发展提供了条件。东湖和刘桥湖主要养殖鲢、鳙鱼，年均鱼产量为25～30 t/km2，浮游甲壳动物的年平均密度分别为12.8个/L和 4.4个/L[24]，而东湖和刘桥湖轮虫的年平均密度分别为2 722个/L和1 311个/L。因此，鱼类的捕食压力和选择性捕食可能是间接造成两湖轮虫密度较高和群落结构变化的主要原因。

3.3 轮虫优势种和多样性指数与水质评价

根据轮虫污染指示种，角突臂尾轮虫、长三肢轮虫、暗小异尾轮虫、螺形龟甲轮虫、对棘异尾轮虫、广布多肢轮虫和卜氏晶囊轮虫是富营养水体的优势种[33]。本次调查中，两湖主要以暗小异尾轮虫、长肢多肢轮虫、螺形龟甲轮虫、广布多肢轮虫等为优势种。东湖暗小异尾轮虫和长肢多肢轮虫的年平均密度分别占总密度的29%和22%，而刘桥湖为28%和23%。因此，从优势种的组成来看，两湖水体均达到富营养化状态，这与两湖用TM值的评价结果相一致。而根据Shannon和Margalef指数的评价标准，两湖水体处于中度污染。综合优势种、TM值和多样性指数，两湖水体达到中度污染，营养程度为富营养化状态。