湖南大通湖浮游动物群落结构特征与水质评价

徐菁, 梁婷, 王念瑶, 秦坤明, 李春华, 刘晓收,*

湖南大通湖浮游动物群落结构特征与水质评价

徐菁1, 梁婷1, 王念瑶1, 秦坤明1, 李春华2,3, 刘晓收1,*

1. 中国海洋大学海洋生命学院, 青岛 266003 2. 中国环境科学研究院湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室, 北京 100012 3. 中国环境科学研究院国家环境保护湖泊污染控制重点实验室, 北京 100012

浮游动物是湖泊生态系统的重要组成部分, 在能量流动和物质循环中发挥着重要作用, 同时还是水质评价的良好指示生物。为了解湖南省大通湖浮游动物的群落结构特征, 2019年6月对该水域浮游动物的种类组成、多样性以及群落结构进行了调查分析, 并利用现存量、指示生物和生物多样性指数法对水质进行了评价。结果表明, 共鉴定出浮游动物104种, 隶属3门60属。其中原生动物47种, 占总种数的45.2%; 轮虫23种, 占总种数的22.1%; 桡足类18种(不包括无节幼虫), 占总种数的17.3%; 枝角类16种, 占总种数的15.4%。调查水域浮游动物平均丰度为19616.47 ind.·L–1,平均生物量为6.43 mg·L–1。优势种为8种原生动物, 分别是美拟砂壳虫()、泥炭刺胞虫()、大弹跳虫()、砂表壳虫()、绿急游虫()、盖厢壳虫()、瓶砂壳虫()和冠帆口虫(), 轮虫、枝角类和桡足类不构成优势种。物种丰富度指数为2.46—4.74, 均匀度指数为0.52—0.73, 香农—威纳指数为1.75—2.62。通过现存量评价法、生物指示法和生物多样性指数法评价大通湖水质为轻度—中度污染, 其中部分水域为富营养状态。

浮游动物; 群落结构; 种类组成; 水质评价; 大通湖

0 前言

内陆湖泊资源是我国重要的淡水资源, 其中大通湖是湖南省较大的内陆湖泊, 是组成洞庭湖的四个主要湖泊之一。大通湖在湖南省益阳市境内, 位于长江流域中游南岸。湖泊总面积 82.75 km2, 其中东西长度为15.75 km, 南北宽约为13.70 km, 整个湖泊呈三角形[1]。浮游动物是湖泊生态系统的重要组成部分, 在湖泊生态系统的物质循环和能量流动中有重要作用[2-3]。同时, 浮游动物是重要的初级消费者, 其自身的存在可以对浮游植物群落变化产生影响[4]。浮游动物也是指示河流和湖泊水质的重要类群, 对浮游动物群落结构进行分析, 可以揭示水质状况[5-7]。

国外学者主要从浮游动物形态、分类等方面展开研究, 从群落特征深入到种类分布与环境关系, 进而至水域生态系统监测与评价。目前, 国内浮游动物的研究主要集中在结合生物指标来综合评价水域污染和富营养状况[8-9]。在指示生物方面, 利用轮虫作为指示生物来进行水质评价的方法已较为成熟[10]。国内对湖泊浮游动物的研究主要包括太湖、鄱阳湖等[11-12], 而对大通湖的研究较少[13]。

近年来, 淡水湖泊富营养化问题逐渐加剧, 为评价大通湖的水质情况, 本文在2019年夏季对大通湖浮游动物的物种组成与群落结构进行了调查, 以期为大通湖的水质评价和和富营养化治理提供科学参考, 对大通湖的生态评价和养殖业与环境的协调发展具有重要意义。通过对浮游动物群落结构的变化进行长期监测, 可以及时采取措施维持大通湖生态平衡, 为大通湖的可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 野外调查和样品分析

2019年6月27—28日在大通湖进行了浮游动物现场调查。根据大通湖地形地势、水系构成和河流分布等因素, 进行采样点的选择, 共设置17个采样点(图1), 包括13个近岸站位, 4个湖中心区站位, 分别是H1、H2、H3、H4、H6、H9、H10、H11、H12、H13、H14、H15、H18、H19、H24、H28、H30。

由于浮游动物的个体有较大差异, 故采用两种方法进行采集与鉴定。

图1 湖南大通湖浮游动物调查站位图

Figure 1 Map of the Datong Lake, Hunan, showing the sampling sites for zooplankton

桡足类和枝角类大型浮游动物用采水器采水30 L, 然后用25#浮游生物网过滤浓缩至样品瓶中, 在5 min以内用4%福尔马林对样品进行固定。固定好的样品带回实验室后, 利用90目的筛绢过滤, 冲洗至浮游动物计数框中, 在解剖镜下观察、鉴定并计数。

原生动物和轮虫等较小型浮游动物定量样品使用2.5 L有机玻璃采水器采集, 每个采样点采水样1000 mL, 现场立即用鲁哥氏液摇匀固定。带回实验室后, 在1000 mL的分液漏斗中静置48 h, 浓缩并定容至30 mL。用吸管吸取0.1 mL浓缩水样于计数框内, 在10×40倍光学显微镜下进行观察与鉴定。

浮游动物的现场采样、丰度和生物量的计算等参照《湖泊调查技术规程》[14]; 种类鉴定参照《中国动物志淡水枝角类》、《中国动物志淡水桡足类》、《中国淡水生物图谱》和《滇池、洱海浮游动植物环境图谱》[15-18]。

1.2 数据处理

1.2.1 物种优势度

McNaughton 优势度指数是表示动物群落中某一物种在其中所占优势的程度, 公式表达具体如下:

=nf/

表示各采样点所有物种个体总数,n代表第种的个体总数,f表示该物种在各个采样点出现的频率, 当≥0.02时, 该物种为群落中的优势种[19]。

1.2.2 浮游动物现存量对富营养化的评价方法

浮游动物丰度和生物量可以作为表征湖泊营养程度的生物指标之一, 丰度<1000 ind.·L–1为贫营养, 1000—3000 ind.·L–1为中营养, >3000 ind.·L–1为富营养; 生物量<1 mg·L–1为贫营养, 1—3 mg·L–1为中营养, >3 mg·L–1为富营养[20-21]。

1.2.3 指示生物法

浮游动物中的轮虫类已广泛应用于水质的评价, 该方法将轮虫种类进行了具体的分类, 包括清洁型、寡污型、寡污至清洁型、寡污至β—中污型、β—中污型、α—中污型、β—α中污型和β—中污至寡污型。轮虫的污染分类是根据轮虫在不同的水体营养状态中, 其可利用的食物大小、性质不同, 从而会影响水体中轮虫种类和数量[22]。

1.2.4 生物多样性指数

运用PRIMER 6.0软件对数据进行相应的处理。本研究使用物种丰富度指数()、物种均匀度指数()和香农威纳(Shannon-wiener)多样性指数()这三个指数对大通湖的生物多样性进行分析。

物种丰富度指数():

=(-1) /log()

物种均匀度指数():

=/ln()

Shannon-Wiener指数():

=-∑PlnP

式中是物种数,是个体总数,P为第种的个体数与样品中的总个数的比值(/)。

其中>6为清洁, 4—6为轻度污染, 2—4为β—中污染, 1—2为α—中污染, 0—1为重污染;> 0.8为清洁, 0.5—0.8为轻度污染, 0.3—0.5为β—中污染, 0.1—0.3为α—中污染, <0.1为重污染;>4.5为清洁, 3—4.5为轻度污染, 2—3为β—中污染, 1—2为α—中污染, <1为重污染[11, 23]。

1.2.5 CLUSTER聚类图和MDS标序

运用PRIMER 6.0软件进行群落结构的分析。群落结构分析基于种丰度矩阵, 经二次方根转换, 得到CLUSTER聚类分析和MDS标序, 以此实现对群落的划分, 已逐步应用于浮游生物群落结构分析中[24-25]。

2 结果与分析

2.1 物种组成

本研究共采集到浮游动物3门60属104种(图2), 其中原生动物29属47种, 占总种数的45.19%; 轮虫7属23种, 占总种数的22.12%; 桡足类13属18种(不包括无节幼虫), 占总种类数的17.31%; 枝角类11属16种, 占总种类数的15.38%。从浮游动物的物种组成来看, 原生动物所占比例最高, 比例最少的是枝角类。

2.2 优势种组成

以值大于0.02为标准[19], 共发现浮游动物优势种8种(表1), 均为原生动物, 包括美拟砂壳虫()、泥炭刺胞虫()、大弹跳虫()、砂表壳虫()、绿急游虫()、盖厢壳虫()、瓶砂壳虫()和冠帆口虫()。

图2 大通湖浮游动物各类群种类组成图

Figure 2 Species composition of each taxon of zooplankton in the Datong Lake

轮虫中优势度较高的物种是真翅多肢轮虫()和卜氏晶囊轮虫(); 桡足类优势度较高的物种是跨立小剑水蚤()、中华窄腹剑水蚤()和英勇剑水蚤(); 枝角类优势度较高的物种是长额象鼻溞()、颈沟基合溞()和方形网纹溞()。

2.3 浮游动物群落参数

各样点物种数平均值为39.94种。物种数最多的是H3, 为50种; 物种数最少的是H12, 为24种。物种数最低的三个样点(H9、H12和H14)均位于大通湖的西北沿岸, 物种数最高的三个样点(H3、H4和H6)均位于大通湖的东南部。如图3所示, 原生动物和桡足类物种数在各样点中所占比例较高, 其次是枝角类, 占比最少的是轮虫类。

大通湖夏季浮游动物各站点平均丰度为19616.47 ind.·L–1, 其中原生动物的丰度起决定作用。如图4所示, 原生动物平均丰度为18017.65 ind.·L–1, 占据绝对优势; 其次是轮虫, 平均丰度为1570.59 ind.·L–1; 桡足类和枝角类的平均丰度分别为18.26 ind.·L–1和9.97 ind.·L–1。丰度最高的站点是H24, 为40842.27 ind.·L–1; 丰度低的样点是H11和H14, 分别为8704.23 ind.·L–1和6902.03 ind.·L–1。在湖中心区和西南方向的近岸站位浮游动物的丰度比较高, 其他站位丰度较低。

大通湖夏季浮游动物各样点平均生物量6.43 mg·L–1。浮游动物的总生物量取决于原生动物和轮虫的生物量。如图5所示, 原生动物平均生物量为4.12 mg·L–1, 占据优势; 其次是轮虫, 平均生物量为1.35 mg·L–1; 桡足类和枝角类的平均生物量分别是0.78 mg·L–1和0.18 mg·L–1。生物量最高的站点是H11, 为28.81 mg·L–1; 生物量低的站点是H13, 为1.69 mg·L–1。生物量的空间分布与丰度相似。

表1 大通湖浮游动物优势种及优势度

图3 大通湖调查站位浮游动物各类群物种数

Figure 3 Species number of each taxon of zooplankton at the sampling sites in the Datong Lake

图4 大通湖调查站位浮游动物丰度分布格局及各类群占比图

Figure 4 Distribution pattern of abundance and percentage of each zooplankton taxon at the sampling sites in the Datong Lake

2.4 群落结构分析

本研究对大通湖17个采样站点的浮游动物种类组成数据进行二次方根转换后进行CLUSTER聚类分析和MDS标序, 结果见图6。CLUSTER聚类结果显示, 可将17个采样点分成3个群落组。群落组1: 位于调查区域西南的H9和H30站点。群落组2: 位于调查区域西北部H11、H12和H14。群落组3: 位于调查区域中部和东部的H2、H3、H4、H6、H10、H13、H15、H19、H24和H28以及位于西部的H1和H18。从采样站点丰度来看, 群落组1和群落组2丰度比较低, 群落组3的丰度明显高于群落组1和群落组2。从优势种来分析, 群落组1(H9美拟砂壳虫、泥炭刺胞虫、盖厢壳虫, H30泥炭刺胞虫、大弹跳虫、盖厢壳虫), 两个站点各含三个优势种, 含有两种相同的优势种; 群落组2(H11美拟砂壳虫、泥炭刺胞虫、大弹跳虫、砂表壳虫、盖厢壳虫, H12泥炭刺胞虫、大弹跳虫、砂表壳虫、绿急游虫、瓶砂壳虫, H14美拟砂壳虫、泥炭刺胞虫、砂表壳虫、瓶砂壳虫), 三个样点各含4—5种优势种, 含有三种相同的优势种; 群落组3, 11个站点含有6—8种优势种, 而H24含有5种优势种, 但因其丰度最高, 与群落组1、2丰度较低的情况不符。

图5 大通湖调查站位浮游动物生物量分布格局及各类群占比图

Figure 5 Distribution pattern of biomass and percentage of each zooplankton taxon at the sampling sites in the Datong Lake

2.5 水质评价

2.5.1 现存量法

大通湖夏季浮游动物平均丰度为19616.47 ind.·L–1, 大于现存量评价法富营养化最低值3000 ind.·L–1; 大通湖夏季浮游动物各样点平均生物量为6.43 mg·L–1, 大于现存量评价法富营养化最低值3 mg·L–1。因此根据现存量评价法大通湖夏季为富营养化状态。

2.5.2 指示生物法

调查期间共采集到轮虫23种, 根据参考文献[10, 22, 26], 其中寡污型有7 种, β—中污型有7种, β—α中污型有3种, β—中污至寡污型有2种, 寡污至β—中污型有4种(表2)。整体来看大通湖的水质属于轻度—中度污染。

2.5.3 生物多样性指数

浮游动物的多样性, 可以用种类组成、丰度和生物量等一系列参数来表达, 但使用最为广泛的是各种多样性指数, 相比之下多样性指数具有最可信的生态学指示作用[27-28]。大通湖夏季浮游动物各样点生物多样性指数如表3所示。物种丰富度指数H3最高为4.74, H12最低为2.46; 均匀度指数H30最高为0.73, H14最低为0.52; 香农—威纳指数H6最高为2.62, H14最低为1.75。物种丰富度指数平均值为3.97, 在2—4之间, 表明水质呈β—中污染状态; 均匀度指数平均值为0.62, 在0.5—0.8之间, 表明水质轻度污染; 香农—威纳指数平均值为2.29, 在2—3之间, 表明水质呈β—中污染状态。各样点间三种指数相差不大, 显示出较稳定的多样性水平。

3 讨论

大通湖夏季浮游动物共调查到104种, 其中原生动物种类数占优势。各样点的平均丰度为19616.47 ind.·L–1, 平均生物量为6.43 mg·L–1均高于往年夏季的调查结果[13, 29]。大通湖浮游动物丰度值相对较高, 无论是整体平均水平还是各采样点其数值均超过现存量评价法的富营养化最低值(3000 ind.·L–1); 大通湖浮游动物平均生物量超过富营养化的最低值(3 mg·L–1)。因此, 以丰度和生物量作为评价指标, 大通湖均处于富营养化状态, 结果与往年一致[13]。与其他湖泊相比, 由于淡水湖泊富营养化的问题较为常见, 湖泊浮游动物群落结构小型化现象比较普遍[30-31]。本次调查发现的8种优势种均为原生动物, 其丰度之和为12476.48 ind.·L–1, 占总平均丰度的63.6%。所调查的区域中枝角类和桡足类出现较少, 这可能与其对温度和水质的要求较高有关[32-33]。水温可以直接影响浮游动物的生活, 也可以通过适当的温度来促进浮游植物的生长和繁殖, 进而为浮游动物提供食物和氧气[19, 34]。

图6 大通湖调查站位浮游动物CLUSTER聚类和MDS标序图

Figure 6 Plots of CLUSTER and MDS of zooplankton assemblages at the sampling sites in the Datong Lake

大通湖浮游动物群落特点为原生动物和轮虫在种类数和丰度方面占优势, 而桡足类和枝角类所占比例较小, 浮游动物群落小型化趋势明显, 这与往年调查结果一致[13, 29]。研究表明鲢、鳙等鱼类的滤食作用会导致水体内大型浮游动物的减少, 使其呈现小型化趋势[35]。滤食性鱼类所占比例会影响到浮游动物群落结构特征, 滤食性鱼类占优势对大型浮游动物限制作用较大[36-37]。大通湖水产养殖业比较发达, 并且鲢、鳙养殖率高[1]。采样时间是六月末, 正是鲢、鳙的生长季节。故推测鲢、鳙鱼类对大型浮游动物的滤食作用有可能是浮游动物群落小型化的原因之一。若没有合理规划养殖业, 可能导致浮游动物数量减少, 破坏大通湖生态平衡。

浮游动物是湖泊生态系统的重要组成部分, 通过研究浮游动物的多样性, 可以客观地显示水质状态[38]。由于多样性指数与水质的关系较为复杂, 会受到水体类型、计算方法和鉴定种类等多种因素的影响, 通常同时选用2种及2种以上的指标来综合评价水质状态, 来确保评价结果的可靠性[39]。故选择物种丰富度指数、香农—威纳指数和均匀度指数这三种指数来评价水质。物种丰富度指数平均值为3.97, 表明水质呈β—中污染状态; 均匀度指数平均值为0.62, 表明水质轻度污染; 香农—威纳指数平均值为2.29, 表明水质呈β—中污染状态。综合考虑这三种指数得到大通湖的水质呈轻度—中度污染。此外, Margalef 丰富度指数可以评价水体营养状态: 指数值为0—4, 水体呈富营养状态; 指数值为4—5, 呈中营养状态; 指数值>5时, 呈贫营养状态[40]。大通湖浮游动物物种丰富度指数的平均值3.97, 在0到4之间, 水质呈富营养状态, 与现存量评价法结果一致。

表2 轮虫种类组成与所指示的污染类型

注: O为寡污型, β为β—中污型, β—α 为β—α中污型, β—O为β—中污至寡污型, O—β为寡污至β—中污型。

表3 大通湖浮游动物多样性指数及水质评价结果

现存量富营养化评价法和Margalef 丰富度指数评价水质均呈富营养状态, 而根据物种丰富度指数、香农—威纳指数和均匀度指数这三种指数和生物指示法来评价水质呈轻度—中度污染。本研究只有夏季数据, 而夏季浮游动物的丰度、生物量通常为一年中的较高值[41], 这直接影响了现存量评价法的结果, 推测这是不同评价方法出现差异的原因。

4 结论

根据2019年6月对大通湖浮游动物的调查结果, 共鉴定出浮游动物104种, 隶属3门60属。浮游动物平均丰度为19616.47 ind.·L–1,平均生物量为6.43 mg·L–1。结合现存量评价法、生物指示法和生物多样性指数法评价大通湖水质为轻度—中度污染, 其中部分水域为富营养状态。大通湖作为养殖湖泊, 建议其可采用基围鱼塘的模式, 既维持经济效益, 也可改善生态环境。

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Characteristics of community structure of zooplankton and bioassessment of water quality in the Datong Lake in Hunan, China

XU Jing1, LIANG Ting1, WANG Nianyao1, QIN Kunming1, LI Chunhua2,3, LIU Xiaoshou1,*

1.College of Marine Life Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266003, China 2. National Engineering Laboratory for Lake Pollution Control and Ecological Restoration, Chinese Research Academy of Environmental Science, Beijing 100012, China 3. State Environmental Protection Key Laboratory for Lake Pollution Control, Chinese Research Academy of Environmental Science, Beijing 100012, China

Zooplankton are fundamental components in lake ecosystems and play important roles in energy flow and matter cycling. Meanwhile, zooplankton are good indicators for bioassessment of water quality. In order to reveal the community characteristics of zooplankton, species composition, biodiversity and community structure of zooplankton were investigated in the Datong Lake, Hunan Province in June 2019. Water quality was evaluated using the existing stock, indicator species and biodiversity index. Results showed that a total of 104 species of zooplankton were identified, belonging to 60 genera in 3 phyla. There were 47 species of Protozoa, accounting for 45.2% of the total species number; 23 species of Rotifera, accounting for 22.1%; 18 species of Copepoda (excluding nauplii), accounting for 17.3%; 16 species of Cladocera, accounting for 15.4%. The average abundance and biomass of zooplankton were 19616.47 ind.·L–1and 6.43 mg·L–1, respectively. There were 8 dominant species, all belonging to Protozoa (,,,,,,and). There were no dominant species belonging to Rotifera, Copepoda or Cladocera. The values of species richness index, evenness index and Shannon-Wiener diversity index of the zooplankton community were 2.46-4.74, 0.52-0.73 and 1.75-2.62, respectively. Based on existing stock of zooplankton, indicator species and biodiversity assessment, the water quality of Datong Lake was under light-to-moderate pollution and some sites were in eutrophication status.

zooplankton; community structure; species composition; water quality assessment; Datong Lake

徐菁, 梁婷, 王念瑶,等. 湖南大通湖浮游动物群落结构特征与水质评价[J]. 生态科学, 2023, 42(1): 105–113

XU Jing, LIANG Ting, WANG Nianyao, et al. Characteristics of community structure of zooplankton and bioassessment of water quality in the Datong Lake in Hunan, China[J]. Ecological Science, 2023, 42(1): 105–113.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2023.01.012

Q178.1

A

1008-8873(2023)01-105-09

2020-11-01;

2020-11-18

国家自然科学基金项目(41976131); 生态环境部“生物多样性调查、观测和评估”专项

徐菁(1996—) , 女, 山东栖霞人, 硕士研究生, 主要从事水生生态学研究, E-mail: 943082782@qq.com

刘晓收, 男, 博士, 教授, 博导, 主要从事水生生态学研究, E-mail: liuxs@ouc.edu.cn