广西武鸣盆地岩溶泉口浮游生物群落对水环境变化的响应*

韦丽琼，郭 芳，姜光辉

(中国地质科学院岩溶地质研究所，自然资源部/广西岩溶动力学重点实验室，桂林 541004)

我国西南地区碳酸盐岩出露面积约为54万km2，发育有3000多条岩溶地下河和众多岩溶泉[1]. 这些岩溶泉大部分都已开发利用，有些甚至是当地重要的饮用水源. 在气候变化和人类活动的影响下，近年来一些岩溶泉出现水量减少、水质恶化、水生生态系统由草型向藻型转变的问题[2]，饮用水安全受到威胁，水生生态系统健康遭到破坏. 针对到底是水质恶化导致水生生态系统改变，还是水生生态系统变化致使水环境退化的问题，很多学者从不同角度进行了讨论[3-4]，结果不一，但普遍认为生物因素和非生物的环境因子的作用是相互的[5-6]. 虽然岩溶泉的水生生态系统已经发生转变，但常规的水化学监测结果可能并未发生明显变化，此种情况下如何客观掌握和评价水环境是个尚待解决的问题. 生物对环境变化响应敏感，因此探索水生生物群落结构的变化对指示水环境的变化有重要意义.

浮游生物作为水域生态系统中的重要组成部分，对能量流动和物质循环以及维持水域生态系统的稳定具有重要作用[7]. 浮游生物对水环境的变化异常敏感，环境条件的改变会影响其种类、数量以及群落结构的变化，从而对环境变化起到指示作用[8]. 利用浮游生物结合理化指标评价水质在湖泊、河流、水库等水体中得到了广泛应用[9-11]. 但是由于岩溶地下水复杂的流动条件和环境特征，对岩溶地下水补给的岩溶泉水生生态系统的研究较少. 已有研究表明，岩溶泉口浮游生物种类和数量显著少于其他自然水体[12]，且个体之间差异显著，但浮游生物群落结构的变化与水环境变化的关系尚不清楚.

本文以广西武鸣盆地内的4个岩溶泉为对象，于 2016年7月与2020年7月进行了浮游生物群落结构和水环境因子调查. 通过对比两个时期水的物理-化学性质和浮游生物群落结构的差异，结合冗余分析(RDA)方法找出在统计学上显著的影响浮游生物分布与演替的环境因子，并进一步探讨驱动泉口浮游生物群落结构变化的关键环境因子，解析岩溶泉口浮游生物群落结构对水环境变化的响应，为岩溶泉生态系统健康和水质的管理保护提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

广西南宁武鸣盆地地处亚热带季风气候区，面积为4536 km2[13]，年平均降雨量1300 mm，年平均气温21.7℃[14]. 土地利用类型以农用地为主，其中耕地和林地所占比重较大，建设用地扩张剧烈[15]，近几年沃柑、香蕉、桉树种植发展和扩张迅猛. 由于对地下水资源的开采量逐年上升，盆地内多个岩溶泉都发生流量减少、水质恶化的过程.

盆地内出露的岩溶泉数量超过120个，其中灵水是武鸣盆地内流量最大的泉水，汇水面积为697 km2，大气降水为其主要补给来源[16]. 灵水是9眼泉组成的泉群，水深2～4 m，水温常年保持在23℃左右，水体清澈透明，是南宁市武鸣区居民的供水水源. 泉水集中出露后形成一面积约为29300 m2的湖泊(表1)，向下游排泄至当地的河流(图1). 水化学监测结果显示，灵水的水质一直符合地下水I类标准，但2010年开始湖底原本茂盛的沉水植物突然大面积死亡，到2013年基本完全消失. 此后，灵水发生一系列的水环境变化，从沉水植物死亡(2010-2013年)到草型转变藻型的不稳定期(2014-2017年)，至现阶段的藻型湖泊稳定期(2018-2021年)[17-19].

罗波潭是武鸣盆地出露的第二大泉水. 地下水出露后形成一个面积约2350 m2的潭水，最大水深100 m左右，水温稳定在23℃左右，为罗波镇居民的饮用水源. 罗波潭在下游排泄至河流，周围为城镇居住地. 罗波潭地下河出口一直以来无沉水植物生长，水体常年清澈.

东风农场溶潭和琴筑泉也是盆地内重要的泉水. 东风农场为深度较大的水潭，水面面积400 m2，水深可达70 m. 东风农场溶潭水体无水平流动，一直以来无沉水植物生长，表层水温主要受气温影响. 东风农场水潭是当地3000多名居民的重要饮用水源，并大量用于灌溉.

琴筑泉位于农田中，水面面积约320 m2，水深约1.5 m，水温23℃左右，水流速度慢，罗非鱼为泉内主要生物之一. 琴筑泉泉口原本沉水植物生长茂盛，但在人为拔除后泉水透明度降低，水环境有恶化趋势. 琴筑泉出露地表后在地面上流动约1 km后流入地表河流.

1.2 研究方法

1.2.1 采样点布置和采样时间 选择2016年7月和2020年7月两个时期作对比研究，这两个时期分别对应灵水湖的草型转变为藻型的不稳定期和藻型相对稳定期. 对灵水、琴筑泉、罗波潭和东风农场进行水化学和浮游生物的取样. 根据泉水流向、流速和水面面积等情况(表1)，灵水从上游至下游共设置3个采样点，琴筑泉、罗波潭和东风农场采样点各一个(图1). 2016年取样编号依次为L1～L3、DF-16、QZ-16、LB-16，2020年取样点编号依次为L4～L6、DF-20、QZ-20、LB-20.

图1 采样泉口位置(据文献[17]修改)Fig.1 Location of sampling springs (modified after reference[17])

表1 4个岩溶泉的基本信息

1.2.2 样品采集与处理 2016年浮游生物定性与定量检测、水的理化指标现场与室内测定根据文献[12]. 2020年浮游生物定性与定量分析、水理化指标现场与室内测定按照如下方法.

浮游植物定性样品的采集使用25号浮游生物网，在水面下0.5 m左右呈“∞”状缓慢采集数分钟，将网头中浓缩的样品装入100 mL塑料取样瓶内，现场立即加入10%鲁哥碘液进行染色固定，用于后续定性镜检分类. 定量样品采集使用1 L干净塑料瓶，固定方法同定性样品，沉淀浓缩后在显微镜下鉴定并计数.

使用25号浮游生物网进行浮游动物定性样品的采集，并用10%的福尔马林溶液固定；定量样品使用5 L有机玻璃采水器采集20 L水样并使用 13 号浮游生物网过滤，固定方法同定性样品，沉淀浓缩后进行样品鉴定并计数.

1.3 数据分析和评价方法

1.3.1 综合营养状态指数 营养状态采用以Chl.a为核心的综合营养状态指数法[21]进行评价. 本研究中以水体Chl.a、TN、TP浓度和CODMn为单项指标，通过加权综合计算得到综合营养状态指数，并对营养状态进行判定.

1.3.2 优势种判定与生物多样性指数 采用Mcnaughton优势度指数[22]计算物种优势度，将Y> 0.02 的物种定为优势种. 生物多样性采用Shannon-Wiener指数(H′)[23]和Margalef物种丰富度指数(D)[24]进行计算，公式分别为：

Y=(ni/N)fi

(1)

(2)

(3)

式中，fi表示第i种在各采样点的出现频率，ni表示第i种的个体数，N表示样品的总个体数，S为物种数目. 根据H′指数和D指数对水质污染状况进行评价，标准参考文献[7].

1.3.3 数据处理与分析 使用 CANOCO5 软件对浮游生物与环境因子进行多元统计分析，通过排序寻找浮游生物群落的变化与环境因子的关系. 以浮游生物优势种作为响应变量进行排序分析，由于各指标间数据差异较大，在进行排序分析前，将响应变量和除pH外的解释变量数据进行lg(x+1)转化，使数据趋于正态分布[25]. 浮游植物的去趋势分析(DCA) 显示，各排序轴梯度长度最大值为2.8，选择基于线性模型的冗余分析(RDA)可以更好地解释岩溶泉环境因子对于浮游植物生态分布的影响. 而浮游动物的DCA分析显示，4个排序轴中梯度长度最大值为9.9，但CCA分析的结果不理想，故对浮游动物选择RDA分析.

2 结果分析

2.1 水体理化指标与综合营养状态变化

各泉口水体主要理化指标的变化见图2. 2016年，4个泉口各采样点Chl.a浓度在0.003～5.249 μg/L之间，平均为1.020 μg/L. pH的变化范围为7.32～8.01，平均为7.59. DO浓度在2.00～3.51 mg/L之间，平均为2.78 mg/L. TN浓度在0.54～3.55 mg/L之间，平均为1.73 mg/L. SEC在325.0～381.0 μS/cm之间，平均为359.2 μS/cm. TP浓度在0.039～0.121 mg/L之间，平均为0.061 mg/L.

2020年，4个泉口各采样点Chl.a浓度在0.06～8.86 μg/L之间，平均为1.83 μg/L，东风农场、琴筑泉上升幅度较大，其上升幅度达3.61 μg/L. pH范围在6.97～7.54之间，平均为7.20，pH有所下降. DO浓度在3.02～6.30 mg/L之间，平均为4.50 mg/L，与pH的变化趋势相反，DO浓度表现为升高. SEC在321.4～423.7 μS/cm之间，仅东风农场有所降低，其他泉口均为升高. 2020年各泉口TN浓度在1.23～5.46 mg/L之间，平均为3.17 mg/L，经过4年的时间，各泉口TN浓度大幅度上升，其中琴筑泉上升幅度最大，达2.73 mg/L，其次为罗波潭. 值得注意的是，在相同时期，东风农场TN浓度低于其他泉口. TP浓度除琴筑泉升高外其他泉口均表现为降低.

图2 各泉口主要理化指标的变化Fig.2 Changes of major physicochemical parameters in each spring

各泉综合营养状态指数结果如表2所示. 可见2016年各泉基本处于贫-中营养状态，2020年均向富营养化方向变化. 其中处在农田中的琴筑泉营养状态由中营养变成富营养状态，罗波潭由贫营养变成中营养状态. 各泉营养状态排序为：琴筑泉>东风农场>罗波潭>灵水.

表2 各泉综合营养状态指数评价结果

图3 浮游生物种类组成Fig.3 Composition of plankton species

2.2 浮游生物群落结构与优势种变化

2.2.1 种类组成及丰度 2016年，4个泉共鉴定出浮游植物3门16种，其中绿藻门8 种，硅藻门6种，蓝藻门2种(图3). 东风农场种类最多，为3门14种；灵水为1门4种；琴筑泉和罗波潭均为1门1种. 东风农场浮游植物总丰度最大，为15.40×104cells/L；其次是灵水，为1.58×104cells/L；琴筑泉为900 cells/L；罗波潭为711 cells/L. 4个泉浮游植物总丰度为1.71×105cells/L. 由图4a可以看出，东风农场浮游植物群落结构为蓝藻-绿藻-硅藻型，灵水、琴筑泉和罗波潭均为硅藻型. 2020年，4个泉共鉴定出浮游植物6门70种，其中硅藻门和绿藻门种类较多，分别为28种和27种；蓝藻门10种；甲藻门、和裸藻门均为2种；隐藻门1种. 东风农场鉴定出的种类最多，为40种；琴筑泉31种；罗波潭24种；灵水21种. 东风农场浮游植物总丰度最大，为787.96×104cells/L；琴筑泉为6.15×104cells/L，灵水为3.72×104cells/L；罗波潭为1.35×104cells/L. 4个泉浮游植物总丰度为79.92×105cells/L. 由图4b可以看出，2020年东风农场浮游植物群落结构为蓝藻-绿藻-硅藻型，琴筑泉为蓝藻-硅藻-绿藻型，灵水为硅藻-蓝藻型，罗波潭为硅藻型. 总体来看，4个泉浮游植物检出种类和丰度均上升，各泉蓝藻或绿藻门比例上升，灵水与琴筑泉浮游植物群落结构发生了较明显的改变，而东风农场和罗波潭没有太大变化.

图4 2016年(a)与2020年(b)各泉口浮游植物相对丰度Fig.4 Phytoplankton relative abundance of each spring in 2016 (a) and 2020 (b)

2016年，共鉴定出浮游动物3类13种，其中轮虫种类最多，共检出7种，枝角类和桡足类均为4种(图3). 东风农场共鉴定浮游动物3门7种，灵水1门2种，琴筑泉3门4种，罗波潭2门2种. 东风农场浮游动物总丰度最大，为243.75 ind./L，琴筑泉浮游动物总丰度为13.3 ind./L，罗波潭为3.93 ind./L，灵水为3.30 ind./L. 4个泉浮游动物总丰度为264.28 ind./L. 由图5a可见东风农场与琴筑泉浮游动物均以桡足类和轮虫为主，灵水与罗波潭则以轮虫为主. 2020年共鉴定出浮游动物4类37种，其中轮虫类最多，为20种，原生动物9种，桡足类6种，枝角类2种. 东风农场鉴定出的种类最多，为23种，琴筑泉19种，罗波潭14种，灵水7种. 东风农场浮游动物总丰度最大，为132.85 ind./L，琴筑泉1.6 ind./L，灵水1.5 ind./L，罗波潭1.3 ind./L. 4个泉浮游动物总丰度为137.25 ind./L. 由图5b可以看出，2020年东风农场、琴筑泉、灵水浮游动物以轮虫为主，罗波潭全部为桡足类. 总体来看，4个泉浮游动物检出种类增加，但丰度却下降，浮游动物群落结构变化相对较为复杂.

图5 2016年(a)与2020年(b)各泉口浮游动物相对丰度Fig.5 Zooplankton relative abundance of each spring in 2016 (a) and 2020 (b)

图6 浮游植物优势种与优势度Fig.6 Dominant species and dominance of phytoplankton

2.2.2 优势种变化 从优势种来看，2016年灵水、琴筑泉、罗波潭浮游植物优势种单一，均为小环藻(Cyclotellasp.)，东风农场优势种较多，伪鱼腥藻(Pseudoanabaenasp.)占绝对优势(图6). 2020年东风农场、琴筑泉、罗波潭优势种较多，灵水优势种少，各优势种优势度较低，仅有部分种类优势度较高，各泉蓝藻门检出种类虽不多，但在多数泉中优势度较大. 东风农场绝对优势种为细小平裂藻(Merismopediaminima)，琴筑泉为点形平裂藻(Merismopediapunctata)，罗波潭与灵水的主要优势种为菱形藻(Nitzschiasp.). 总体来看，4年后各泉浮游植物优势种增加，但优势度较均匀.

浮游动物优势种显示(图7)，2016年，4个泉优势种均以小型类浮游动物为主. 灵水浮游动物优势种为螺型龟甲轮虫(Keratellacochleris)和曲腿龟甲轮虫(Keratellavalga)，东风农场与琴筑泉绝对优势种为无节幼体(Nauplius)，罗波潭绝对优势种为螺型龟甲轮虫. 2020年，灵水、东风农场与琴筑泉优势种仍以小型类浮游动物为主，但灵水与琴筑泉优势种减少，出现某一优势种占据绝对地位的现象，如琴筑泉中针簇多肢轮虫(Polyarthratrigla)为绝对优势种，优势度达到0.94. 东风农场地下河天窗绝对优势种同样为针簇多肢轮虫，罗波潭浮游动物绝对优势种为哲水蚤桡足幼体(Canaloida Copepodid).

图7 浮游动物优势种与优势度Fig.7 Dominant species and dominance of zooplankton

2.3 浮游生物多样性变化

4个泉口浮游生物多样性的变化见表3. 根据浮游植物H′指数对水质污染状况进行评价的结果表明，2016年各泉污染等级为中-重污染，根据D指数评价的污染等级为中-重污染.H′指数与D指数对水质的评价结果相似. 2020年，H′指数评价的污染等级为中污染，D指数评价的污染等级为中-重污染.

浮游动物H′指数对水质污染状况进行评价的结果显示，2016年各泉污染等级为中-重污染，D指数评价的污染等级为中-重污染.H′指数与D指数对水质的评价结果相似. 2020年，各泉口的污染等级为中-重污染.D指数评价的污染等级为无污-重污染.

表3 不同时期浮游生物多样性

2.4 浮游生物群落结构与环境因子的关系

将浮游生物优势种和环境因子进行RDA排序分析，探索影响4个岩溶泉浮游生物分布与演替的主要环境因子. 进行排序分析的浮游生物优势种代码见表4.

表4 RDA 排序图中的浮游生物物种及编号

图8 浮游植物(a)和浮游动物(b)与环境因子及样点的RDA三序图Fig.8 RDA triplot of phytoplankton (a) and zooplankton (b) species and environmental factors and samples

3 讨论

3.1 泉口水环境变化特征及原因

地下水出露的泉口水环境受含水层以及所在周围环境的共同影响，包括含水层的性质、水动力条件、地表径流输入以及周围人类活动的影响等[26]. 4个泉均发育于碳酸盐岩地区，且水化学类型都属于Ca-HCO3型，但相同时期不同泉口的理化性质还是有一定的差异，且由于含水层性质、地下水水动力条件以及所处环境等的不同，导致经过4年的时间4个泉理化性质的变化趋势也有一定差异.

除污染负荷增加外，泉口水质恶化的主要原因还包括对地下水开采量的增加造成的泉流量下降. 这在以深埋地下水出露的灵水最为典型. 前人对灵水的长期监测表明，灵水作为南方岩溶区出露的典型构造型岩溶大泉，其枯季流量1980s以来下降了12.5%～50%[16]. 由于城镇化的发展，城镇人口增加，主要取水口已由流量较低的1号出水口转移至流量高的2号出水口，而从2020年10月开始2号取水口也难达供水需求，以至于在用水高峰阶段湖水竟被倒吸至泉口下部. 此外，泉域上游农业灌溉需水量增加或桉树种植等也可能是导致泉流量下降的重要因素，泉流量的降低意味着水动力减弱，进而导致泉口对污染物的稀释能力降低，泉口周围由地表径流带来的污染物在泉口聚积，使水质有继续恶化的可能.

3.2 浮游生物群落对主要水环境因子变化的响应

由于其较短的生长繁殖周期，浮游生物对所处水环境的变化能作出迅速的响应，如水体中的温度、光照、营养盐、等环境条件发生改变时，浮游生物的种类和数量会迅速发生变化，群落结构也表现出快速演替[28]. 大量研究表明，水温是影响浮游生物生长、群落组成和数量变化等最重要的环境因子之一[29-31]. 不同种类浮游生物有不同的最适生长繁殖温度范围，因此水温的变化不仅会影响浮游生物的生长，还可能会导致优势种的演替[32]. 在本研究中，蓝藻门在WT高而营养盐较低的东风农场地下河天窗中一直为主要门类，而WT偏低的其他3个泉中硅藻门为主要门类之一，这与蓝藻门是喜暖种类而硅藻门为冷水性物种有关[7]. 浮游生物与环境因子的RDA分析结果显示，WT是影响浮游生物群落结构的重要影响因子，大多数浮游生物与WT呈正相关. 但灵水、琴筑泉与罗波潭为地下水排泄形成的恒温泉，WT对其浮游生物群落结构变化基本没有影响，东风农场地下河天窗WT虽受气温影响较大，但两个时期相比无明显变化，其浮游植物群落结构未发生改变. 因此，WT是影响浮游生物群落结构的重要环境因子，但两个时期浮游生物群落结构变化主要不是WT所致.

pH与浮游植物之间是互相影响的关系. 水体 pH主要从两方面对藻类产生影响，一方面改变环境的酸碱度，酸性太强或碱性太强都会对藻细胞产生伤害，只有在适宜的酸碱度范围内，藻细胞才能正常生长繁殖，另一方面通过碳酸盐平衡系统及不同形态无机碳的分配关系来影响藻类的生长[33]. 较高的pH有利于蓝藻的生长而使其处于竞争优势[34-35]，其他不适应高pH的藻类生长则受到限制. 与2016年相比，2020年各泉pH有所下降，但蓝藻丰度仍有较大提升，因此，pH可能不是影响游植物群落结构变化的因素. 浮游动物与环境因子的RDA分析显示，pH对浮游动物的变化解释率较低且未达到显著性水平. 因此，pH对浮游动物的群落结构变化影响不大.

浮游植物的种类、数量及群落结构与水体营养水平密切相关，其生长离不开氮、磷等营养物质的供给[36]. 在4个泉中琴筑泉TP浓度最高，但其浮游植物丰度却并非最高，且2020年其余泉水TP浓度降低，浮游植物数量同样大量增加，说明TP浓度不是决定浮游植物群落结构变化的主要环境因子，其主要是对浮游植物的个体大小产生影响. 同样作为初级生产者，浮游植物与沉水植物在水体中是竞争关系，沉水植物对于维持水生生态系统结构和功能的稳定有着重要作用[37]. 各泉浮游植物种类和数量随氮浓度上升而升高，但却只有原本为草型生态系统的灵水与琴筑泉浮游植物群落结构发生转变，表明氮浓度升高以及缺少沉水植物对营养物质的争夺可能是灵水与琴筑泉浮游植物群落结构转变的主要原因. RDA排序结果也显示，多数浮游植物与不同形态氮的相关性较强，氮输入的上升对浮游植物的分布具有显著的影响，不同泉口优势物种对各形态氮的响应有所差异，因此，各泉口氮浓度的升高对浮游植物有重要影响. 水体中Chl.a的水平可以反映浮游植物生物量的高低[29]，浮游植物是浮游动物的主要食物来源，故Chl.a浓度在一定程度上能够反映浮游动物的饵料水平. 林青等[31]对滴水湖浮游动物的研究表明，浮游动物密度和生物量与Chl.a浓度呈极显著的正相关关系和回归关系，陈光荣等[38]对广东省惠州西湖浮游动物的调查显示，浮游动物总丰度与Chl.a浓度的正相关性极强. 本研究RDA分析结果也显示，Chl.a浓度与大部分物种呈正相关，是影响浮游动物群落结构的重要环境因子之一. 大量研究表明，N、P 等营养元素能调节浮游植物的生长，其主要通过影响浮游植物而间接对浮游动物的分布产生影响[9,31,39]. 徐梅等[40]对焦岗湖浮游甲壳动物的研究表明，当浮游植物的丰度较高时，可能会影响水体的透明度、DO浓度等因子，进而导致浮游甲壳动物密度下降. 这与本研究结果一致，2020年部分泉口一些大型的浮游甲壳动物密度下降，这可能与氮输入上升导致浮游植物丰度与群落分布改变有关.

总体而言，4个岩溶泉口浮游生物群落对两个时期主要水环境因子的变化已经显示出了一定的响应，具体表现为浮游植物种类和丰度上升，指示富营养水体的蓝藻门或绿藻门种类增加. 受浮游植物影响浮游动物丰度降低，部分泉口轮虫类丰度增大. 部分泉口浮游生物群落结构发生改变，优势种转变为更适应于富营养化环境的耐污种，或耐污种种类和数量上升，但浮游生物的多样性并未与水体营养水平完全吻合. 浮游生物多样性常用来评判水体营养状况，水体受到污染越严重，浮游生物的多样性指数值就越低[41]. 但本研究中部分泉口浮游生物多样性指数与水体的营养状况并不符合这一结论，猜测多样性指数与水体的营养水平的关系不确定性较大，因此不能单凭多样性来反映水环境状况. 限于目前调查资料在时间上的不连续性，盆地内岩溶泉口浮游生物群落的长期演变趋势还需要未来的持续监测来证实.

4 结论与建议

1)2016-2020年，广西武鸣盆地内4个岩溶泉浮游生物检出种类和数量有所上升. 浮游植物快速繁殖，总丰度由1.71×105cells/L上升至79.92×105cells/L，2016年除东风农场地下河天窗外，其他各泉浮游植物都以硅藻门为主，而2020年各泉蓝藻门或绿藻门比例上升，灵水与琴筑泉尤为明显. 浮游动物总丰度由264.28 ind./L降至137.25 ind./L，大型甲壳类浮游动物密度减少，部分泉口轮虫类密度升高. 部分泉口优势种转变为更适应于富营养环境的耐污种，或是耐物种种类和数量上升. 但生物多样性对水体营养水平的指示作用有不确定性.

3)尽管所调查岩溶泉的水化学或毒理学指标对水质的评价结果表明其水质仍符合较高的水质标准，但实际上水体营养水平已经在逐渐升高，部分泉口水生生态系统的结构也已经发生改变. 因此，建议岩溶泉的水质评价依据理化指标的同时还应关注生物指标，多个指标的相互验证才能更全面地反映水体健康状况. 同时，为使泉口以及区域地下水资源的可持续开发利用，建议对重要泉口划分泉域保护区，控制泉口污染物的输入，合理开发和管理地下水资源. 为保持生态系统结构与功能的完整，对已转变的水生生态系统可考虑尽快进行生态修复.