生态净化池塘浮游动物群落结构特征及其与环境因子的关系

闵文武， 王龙燕， 陈飞雄， 周其椿, 赵瑞平

(1.贵州省水产研究所， 贵州 贵阳 550025； 2.贵州省特种水产工程技术中心， 贵州 贵阳 550025； 3.贵州省生物研究所， 贵州 贵阳 550009；4.陕西省南郑区水产发展中心， 陕西 汉中 723100)

0 引言

【研究意义】浮游动物(Zooplankton)是水域生态系统中的初级消费者，其物种组成和群落结构可有效控制浮游植物的群落结构，降低水体初级生产力[1]。浮游动物也是水质评价的重要指示生物，其物种组成、优势种、丰度以及生物量等指标可反映出水质状况，预测水质变化趋势[2-3]。探究生态净化池塘浮游动物群落结构特征及其与环境的相关性，对了解水质状况和有效管理水质具有重要意义。【前人研究进展】浮游动物已广泛应用于湖泊、水库和河流等水域系统鱼产力评估和水环境监测评价[4-5]。孙龙启等[6-7]研究表明，循环水养殖是高效、绿色和健康的养殖模式，正朝着标准化、机械化和信息化的生态高效养殖方向发展。陈学洲等[8-9]报道，“集装箱+生态池塘”循环水养殖模式可营造养殖动物最佳的生存和生长条件，是产质量均较高的新型养殖模式。谢辉亮等[10]报道了“流水养殖槽-虾-蟹”串联式循环水养殖模式的净化效能。张晓蕾等[11]对池塘循环流水养殖模式中浮游植物群落结构的空间变化进行了研究。肖坤等[12]研究了循环水养殖系统微滤机过滤对调节水体细菌群落结构的影响。董兴国等[13]评价了循环水处理系统对规模化水产养殖的影响。吴振斌等[14]研究了人工湿地循环处理的养殖水体中浮游动物动态变化。王俊等[15]报道了富春江富阳段浮游动物群落结构时空变化及与环境因子的关系。林青等[16]研究了滴水湖浮游动物群落结构及其与环境因子的关系。闵文武等[17]报道了赤水河秋季浮游动物群落结构及其与环境因子的关系。【研究切入点】“集装箱+生态池塘”循环水养殖模式是农业部2018-2020年主推的养殖模式之一，对水产养殖智能化和精细化发展具有促进作用[18]，目前关于生态池塘水生生物的研究报道较少。为此，选择遵义市某“集装箱+生态池塘”循环水养殖基地中生态净化池塘为研究对象，探究其水质状况与浮游动物群落结构特征。【拟解决的关键问题】探明生态净化池塘的水质变化与浮游动物群落结构演替规律，以期为循环水养殖系统的水质管理与“集装箱+生态池塘”循环水养殖技术高质量发展提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 集装箱 集装箱(6.1 m×2.8 m×2.4 m)共计20个，养殖容积为 25 m3/个。

1.1.2 养殖鱼 养殖品种为鲤鱼(Cyprinuscarpio)、大口黑鲈(Micropterussalmoides)、黄颡鱼(Pelteobagrusfulvidraco)、草鱼(Ctenopharyngodonidella)和斑点叉尾鮰(Ietaluruspunetaus)，鱼苗种均购于遵义播州苗种繁育场。

1.1.3 仪器 哈希HACH Hq30d便携式水质分析仪，购于上海玖析科学仪器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 样品采集 试验于2020年在贵州省遵义市某“集装箱+生态池塘”循环水养殖基地进行，尾水异位处理系统由物理过滤区、沉淀池和生态净化池塘组成。1月、4-12月中旬在生态净化池塘内分别采样1次，共计采样10次。

1.2.2 水环境因子测定 水环境因子测定采用现场测定和实验室测定相结合的方法进行，现场采用水质分析仪测定水温、溶解氧(DO)和 pH，用聚乙烯样本瓶采集水样24 h内送实验室，参照文献[19]的方法测定总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH4+-N)、硝酸盐氮(NO3--N)、亚硝酸盐氮(NO2--N)和悬浮物(SS)。浮游动物定性、定量样本采集参照文献[20-21]的方法进行，物种鉴定和计数参照文献[22-26]的方法进行。

1.3 数据分析

1.3.1 群落结构特征分析 采用浮游动物物种数、密度、生物量、Shannon-wiener多样性指数和Pielou均匀度指数进行群落结构特征分析，浮游动物优势物种根据优势度指数(Y)判定，Y>0.02即为优势种。

Y=Fi×Pi

式中，Y为优势度指数，Fi为第i个物种出现频率(出现样点数/总采样点数)；Pi为第i个物种相对丰度(i物种丰度/总物种丰度)。

1.3.2 浮游动物群落结构与环境因子的关系 先用浮游动物密度进行去趋势对应分析(Detrended correspondence analysis, DCA)，结果中第一轴梯度值大于4，采用典范对应分析(Canonical Correspondence Analysis，CCA)，3～4采用CCA和冗余分析(Redundancy Analysis, RDA)均可，小于3选择RDA。分析前对生物数据和环境数据(pH除外)进行lg(x+1)转换，用前选法(Forward selection)和999次蒙特卡洛置换检验(Monte Carlo permutation test)识别各环境因子的贡献率。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2019和Origin 9进行数据统计整理和制图，用SPSS 19.0进行差异和相关性分析，用CANOCO 4.5进行DCA和RDA分析，用PRIMER 5进行Shannon-wiener 多样性指数和Pielou均匀度指数计算。

2 结果与分析

2.1 生态净化池塘的水质变化

从图1看出，生态净化池塘的水温、溶解氧(DO)、pH、氨氮(NH4+-N)、硝酸盐氮(NO3--N)、亚硝酸盐氮(NO2--N)、总氮(TN)、总磷(TP)和悬浮物(SS)等水质指标的变化。水温：全年为6.50～28.10℃，平均19.31℃，1-8月呈逐渐升高趋势，8月升至最高28.10℃；9-12月呈逐渐降低趋势，12月降至最低6.50℃。溶解氧(DO)含量：全年为5.85～11.94 mg/L，平均为7.60 mg/L，5月最低，11月最高。pH：全年为7.54～8.49，平均8.03，6月最低，8月最高。氨氮(NH4+-N)：全年为0.11～5.68 mg/L，平均1.69 mg/L，11月最低，5月最高。硝酸盐氮(NO3--N)：全年为0.15～2.24 mg/L，平均0.81 mg/L，5月最低，4月最高。亚硝酸盐氮(NO2--N)：全年为0.002～1.02 mg/L，平均0.17 mg/L，12月最低，1月最高。总氮(TN)：全年为0.89～9.68 mg/L，平均3.71 mg/L，9月最低，5月最高。总磷(TP)：全年为0.03～3.26 mg/L，平均0.68 mg/L，11月最低，5月最高。悬浮物(SS)：全年为6.00～43.00 mg/L，平均19.70 mg/L，12月最低，4月最高。

图1 生态净化池塘的水质变化

2.2 生态净化池塘浮游动物的物种组成及优势种

生态净化池塘共检出浮游动物4类23属38种。其中，原生动物5种，占总物种组成的13.16%；轮虫26种，占68.42%；枝角类4种，占10.53%；桡足类3种，占7.89%。从图2看出，各月浮游动物物种数为5～14种，12月最低，6月最高。各月物种组成均以轮虫为主，4月、7月和8月未检出原生动物物种，除1月、4月和6月外，其余月份未检出枝角类物种，5月和7月未检出桡足类物种。从表1可知，浮游动物优势种共有4种，其中原生动物1种，为浮游累枝虫(Epistylisrotans)，优势度指数为0.052 1；轮虫3种，为萼花臂尾轮虫(Brachionuscalyciflorus)、螺形龟甲轮虫(Keratellacochlearis)和卜氏晶囊轮虫(Asplanchnabrightwelli)，优势度指数分别为0.208 1、0.045 8和0.028 3。

图2 生态净化池塘浮游动物的物种组成

表1 生态净化池塘浮游动物名录及优势度指数

2.3 生态净化池塘浮游动物的群落结构

从图3看出，浮游动物的密度、生物量、Shannon-wiener 多样性指数和Pielou均匀度指数等群落结构特征的变化。密度：全年为33.00～610.50个/L，平均221.85个/L，1月最高，6月其次，12月最低，其组成以轮虫为主，占75.79%；其次是原生动物，占13.99%；枝角类占8.53%，桡足类占1.69%。1月、4-5月和7-10月浮游动物密度均以轮虫为主，6月以枝角类为主，11月以原生动物为主，12月原生动物密度与轮虫相当。生物量：全年为0.007～1.23 mg/L，平均0.16 mg/L，6月最高，1月其次，12月最低，生物量组成以枝角类为主，占76.52%；桡足类其次，占12.29%；轮虫和原生动物分别占10.90%和0.29%，1月、4月、9月和12月浮游动物生物量均以桡足类为主，5月、7月、8月和10月生物量以轮虫为主，6月以枝角类为主，且生物量显著高于其余月份。Shannon-wiener 多样性指数：全年为1.02～1.94，平均1.57，1月、5月、11月和12月明显低于其余月份，9月最高，5月最低。Pielou均匀度指数：全年为0.52～0.86，平均0.71，1月、5月和11月明显低于其余月份，7月最高，5月最低。

图3 生态净化池塘浮游动物的群落结构特征

2.4 浮游动物群落结构与环境因子的关系

2.4.1 浮游动物与环境因子的相关性 从表2可知，水环境指标间，DO与pH呈显著正相关(ρ=0.609，P=0.047)，亚硝酸盐氮与pH呈极显著负相关(ρ=-0.766，P=0.010)，氨氮与TN(ρ=0.830，P=0.003)和TP(ρ=0.891，P=0.001)呈极显著正相关，TN和TP呈极显著正相关(ρ=0.818，P=0.004)，SS与TP呈显著正相关(ρ=0.669，P=0.035)。环境因子与浮游动物群落结构特征间，浮游动物密度与TN呈显著正相关(ρ=0.709，P=0.022)，浮游动物生物量与TP呈显著正相关(ρ=0.685，P=0.029)，浮游动物密度和生物量呈显著正相关(ρ=0.721，P=0.019)。

表2 浮游动物与环境因子Spearman相关性

2.4.2 4个主要水环境因子对浮游动物群落结构的影响 水环境因子PCA结果中前3个主成分的特征值均大于1，其方差贡献率分别为59.9%、18.8%和13.1%，累积方差解释率为91.9%，表明前3个主成分能较好的代表9个水质指标。其中，水温、氨氮、TN和TP是与前3个主成分因子载荷矩阵值的绝对值大于0.8的环境因子。浮游动物密度DCA结果中的第一轴的梯度值为3.645，因此，采用RDA分析环境变量与浮游动物群落之间的关系。从图4看出，第一轴累积方差解释率为20.5%，第二轴为17.9%。4个水环境因子对浮游动物群落结构的影响依次为水温(F=1.64，P=0.13)>TN(F=1.41，P=0.19)>氨氮(F=1.39，P=0.23)>TP(F=1.11，P=0.38)。

图4 浮游动物与4个主要水环境因子的冗余分析(RDA)

2.4.3 浮游动物密度与4个主要水环境因子的偏相关系数 从表3可知，原生动物密度与水温和总磷呈负相关，与氨氮和总氮呈正相关。轮虫密度与水温呈正相关，与氨氮和总磷呈显著正相关，与总氮呈极显著正相关。枝角类密度与水温呈负相关，与氨氮、总氮和总磷呈正相关。桡足类与水温呈显著负相关，与氨氮、总氮和总磷呈负相关。

表3 浮游动物密度与4个主要水环境因子偏相关系数

3 讨论

生态净化池塘是尾水异位处理最重要的组成部分之一，该研究的生态净化池塘是集装箱循环水养殖系统尾水处理的最后一步，90%的水量经过净化池塘后直接被循环利用，其余部分通过池塘排水口溢流到外河道。研究结果表明，水温、pH、溶解氧含量、总氮、总磷、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和悬浮物年平均分别为19.31℃、8.03、7.60 mg/L、1.69 mg/L、0.81 mg/L、0.17 mg/L、3.71 mg/L、0.68 mg/L和19.70 mg/L，5月总氮、总磷和氨氮显著高于其余月份。根据《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)判别，NH3-N为Ⅴ类水质标准，其中，1月、5月和6月低于Ⅴ类水质标准，4月为Ⅴ类水质标准，7-12月优于Ⅲ类水质标准。TN低于Ⅴ类水质标准，其中，9月优于Ⅲ类水质标准，11月和12月优于Ⅳ类水质标准，其余月份均低于Ⅴ类水质标准。TP低于Ⅴ类水质标准，其中1月、4月、5月和6月均低于Ⅴ类水质标准，7月为Ⅳ类水质标准，8月为Ⅲ类水质标准，9-12月为Ⅱ类水质标准。根据《淡水池塘养殖水排放要求》(SC/T 9101-2007)判别，各月SS浓度均为一级标准。除1月、5月和6月外，TN为二级标准。4月和5月TP低于二级标准，其余月份均优于二级标准，其中7-12月优于一级标准。

尾水中污染物浓度为上半年高于下半年，主要与集装箱养殖区的鱼类养殖量和饵料投喂量等因素有关，该研究系统为2019年7月建成投产，到2020年春季多数鱼类规格为500～800 g/尾，适宜的水温促使鱼类大量摄食和快速生长，大量饵料的投喂以及鱼类代谢物的排放，导致尾水污染物浓度严重升高。从6月底开始对达到市场需求的商品鱼进行销售，到7月中旬存塘鱼类已售卖60%，集装箱内的鱼类密度显著降低，尾水污染物浓度随之降低。

悬浮物、含氮有机物和磷是尾水中的主要污染物，与其他尾水异位处理系统污染物浓度水平比较，TN和TP平均值高于谢辉亮等[10，27]的研究结果，TN、TP、氨氮和悬浮物平均值均低于张晓蕾等[11]的研究结果，氨氮平均值高于谢辉亮等[10]的研究结果。肖坤等[12]研究表明，循环水养殖系统中安装微滤机过滤装置可以在去除固体悬浮物的同时有效降低潜在病原菌的数量。含氮有机物和磷是溶于水体的污染物，去除难度和工艺较固体污染物难度大。生态净化塘去除氮的主要方式有物理、化学和生物3个方面，物理方式主要为通过直接挥发或吸附到底泥中去除，化学方式主要为氨化、硝化作用和反硝化作用，生物作用主要为通过水生生物摄取和吸收[28]。董兴国等[13]研究认为，表流湿地主要通过植物吸收、微生物降解等方式去除含氮有机物，而潜流湿地主要通过硝化和反硝化作用去除氮。水体中磷的出去主要依靠水生植物吸收降解。该研究中生态净化塘水深约2.5 m，采用浮筏种植粉绿狐尾藻(Myriophyllumaquaticum)，占池塘面积的25%，其对尾水中氮和磷的去除率和去除机制还需要对比尾水收集管污染物浓度进行研究。

不同类群浮游动物对生态环境的适应能力存在明显差异，其种群数量变化和群落结构是指示水质环境健康状态的敏感指标[29]。研究结果表明，共检出浮游动物23属38种，以轮虫为主，其次是原生动物，浮游动物优势种为浮游累枝虫(Epistylisrotans)、萼花臂尾轮虫(Brachionuscalyciflorus)、螺形龟甲轮虫(Keratellacochlearis)和卜氏晶囊轮虫(Asplanchnabrightwelli)；浮游动物密度、生物量、Shannon-wiener多样性指数和Pielou均匀度指数平均分别为221.85个/L、0.16 mg/L、1.57和0.71。与谢辉亮等[10，14]的研究结果具有一定差异性，主要表现为物种数量、密度和生物量等参数的差异，原因可能与养殖模式、调查频次、水体污染物水平和区域差异等有关。浮游动物物种数和密度与魏小岚等[30]的研究结果相近，但其生物量低于其研究结果。

王俊等[15]研究表明，小型滤食性浮游动物与TP显著正相关，而中型捕食性浮游动物与TN显著正相关，温剑水蚤和叶绿素a显著正相关。一般认为，氮和磷主要是通过直接影响浮游植物群落结构而间接影响浮游动物的群落结构。研究中的生态池塘属于静水环境，池塘内除了种植有水生植物外，还套养有鲢(Hypophthalmichthysmolitrix)和鳙(Aristichthysnobilis)，与监测的水环境指标相比，鲢鳙鱼的捕食对浮游动物群落结构的影响同样较大。研究结果表明，原生动物密度与水温和总磷呈负相关，与氨氮和总氮呈正相关。轮虫密度与水温呈正相关，与氨氮和总磷呈显著正相关，与总氮呈极显著正相关。枝角类密度与水温呈负相关，与氨氮、总氮和总磷呈正相关。桡足类与水温呈显著负相关，与氨氮、总氮和总磷呈负相关。可能原因：一是与监测间隔过长和养殖区鱼类养殖量以及尾水的排放量等有关，二是与浮游动物群落结构有关，浮游动物物种组成多为小型滤食性浮游动物，只有6月检出了中型枝角类物种直额裸腹溞(Moinarectirostris)，从而导致6月枝角类生物量显著高于其余月份。

大多数静水水体中浮游动物群落结构的季节差异主要与温度、叶绿素a以及营养盐水平有关[16,31]，而河流等水体中浮游动物的分布主要与温度、TN、SS及流速等的相关性较强[17,19,32]。商书芹等[33]研究显示，高锰酸盐指数和总磷是春季和秋季影响轮虫群落结构的主要环境因子，水体中总磷含量增加会导致轮虫群落结构变得单一，结构受到破坏。该研究中的轮虫与TN、TP和氨氮均呈显著正相关性，表明污染物浓度的增加能够提高轮虫的密度，污染物浓度增加导致水体中有机污染物的浓度增加，甚至出现富营养化，优越的生存环境促进轮虫休眠卵进行孤雌生殖，该生殖方式生殖量大、生殖率高，因此轮虫大量生长繁殖，种群迅速发展。

4 结论

水温、pH、溶解氧(DO)、氨氮(NH4+-N)、硝酸盐氮(NO3--N)、亚硝酸盐氮(NO2--N)、总氮(TN)、总磷(TP)和悬浮物(SS)平均分别为19.31℃、8.03、7.60 mg/L、1.69 mg/L、0.81 mg/L、0.17 mg/L、3.71 mg/L、0.68 mg/L和19.70 mg/L，其中，NH4+-N、TN和TP浓度均以5月最高，且均为上半年浓度高于下半年，污染物浓度与集装箱养殖量和饵料投喂量相关；生态净化塘检出浮游动物4类23属38种，其中，原生动物5种，轮虫26种，枝角类4种，桡足类3种，浮游动物密度、生物量、Shannon-wiener 多样性指数和Pielou均匀度指数平均值分别为221.85个/L、0.16 mg/L、1.57和0.71，水温、NH4+-N、TN和TP是浮游动物群落结构特征的主要环境因子，NH4+-N、TN和TP对轮虫物种的影响显著。