水丰水库浮游动物群落结构及生物多样性研究

魏洪祥 王兴兵 寇凌霄 张涛 蒋湘辉 徐浩然 刘勇

(辽宁省农科院 辽宁省淡水水产科学研究院,辽宁辽阳 111000)

水丰水库位于辽宁省境内,属东北地区辽河-鸭绿江水系,为巨型山谷型水库。该水库是东北地区最大的水库,库区全长157 km,总面积357 km2,总蓄水量约1.16×1011m3,平均年降雨量1 009 mm,平均年蒸发量700～800 mm,平均水深25 m,最大深度123 m。水丰水库是鸭绿江国家级风景名胜区的重要组成部分,其水生生物生态状况的好坏对当地经济和社会发展尤为重要。

浮游动物在水生生态系统中具有重要作用,其参与水生态系统中有机物分解和循环等,在水生态系统的物质循环、能量流动、信息传递等过程中发挥着承上启下的作用[1-2]。浮游动物通过摄食来控制浮游植物的数量,以调节水体生态平衡[3],其种群动态变化也会直接影响许多鱼类和无脊椎动物的种群生物量。目前,国内已普遍应用浮游动物的生态特征对水体进行水质评价。为进一步了解水丰水库浮游动物的资源状况,本研究于2015—2019年对该水库进行了连续5年的采样调查,通过分析水库浮游动物的群落组成情况,对其生物多样性和营养状态进行评价,旨在为该水库的生态修复、环境保护及资源合理利用提供参考。

1 材料和方法

1.1 调查时间

于2015—2019年对水丰水库进行连续5年的监测,每年春、夏、秋、冬4个季节各进行1次采样调查。

1.2 调查站位

从水丰水库上游的浑江口至下游的大坝选取5个具有代表性的断面,分别为:浑江口(浑江与鸭绿江交汇处,40°50′25.34″N,125°40′39.56″E)、振江镇(网箱养殖区,40°42′21.87″N,125°27′58.69″E)、沿江村(网箱养殖区,40°37′19.26″N,125°15′17.56″E)、碑碣子村(旅游观光区,40°30′23.7″N,125°2′41.3″E)、大坝(水库最下游,40°28′43.78″N,124°59′24.46″E),每个采样站位设2～3个采样点。

1.3 调查方法

根据《淡水浮游生物调查技术规范》[4]及《水库渔业资源调查规范》[5]中的方法进行调查。原生动物调查方法:每个采样点取待测混合水样1 L,加1%福尔马林溶液固定保存并带回实验室,静置48 h后浓缩至20 mL。计数时,充分摇匀浓缩样品后吸取0.1 mL置于计数框内进行种类鉴定及全片计数。轮虫类、枝角类、桡足类的调查方法:在每个采样点用25#浮游生物网过滤20 L待测混合水样,得到浮游动物定量样品,加1%福尔马林溶液固定保存并带回实验室,静置48 h后浓缩至20 mL。进行显微镜下种类鉴定时,需全片计数,每个样品计数2次,两次计数结果与其平均值之差小于10%的结果判为有效,否则需计数第3片。种类鉴定参考《中国淡水生物图谱》[6]和《淡水浮游生物研究方法》[7]。

1.4 生物多样性计算

采用香农-威纳多样性指数(Shannon-Wiener index)H′来评价,其计算公式如下。

(1)

式(1)中,N为采集样品中所有物种的总个体数,ni为物种i的个体数。

2 结果

2.1 浮游动物种类组成

本研究共检测到浮游动物32种,隶属于3门4纲21属(检出限为1 ind./L),其中包括2种幼体(见表1)。

表1 2015-2019年检测出的浮游动物种类

种类数最多的为轮虫类,共18种,占种类总数的56.3%;其次为桡足类,共6种,占18.8%;枝角类5种,占15.6%;原生动物3种,占9.4%。检测出的富营养指示种有角突臂尾轮虫(Brachionusangularis)、壶状臂尾轮虫(B.urceus)、裂足臂尾轮虫(B.diversicornis)、矩形龟甲轮虫(Keratellaquadrata)、螺形龟甲轮虫(K.cochlearis)、长三肢轮虫(Filinialongiseta)、短尾秀体溞(Diaphanosomabrachyurum)、广布中剑水蚤(Mesocyclopsleuckarti)、近邻剑水蚤(Cyclopsvicinus)。

2.2 浮游动物种类出现频率

浮游动物种类中,瘤棘砂壳虫(Difflugiatuberspinifera)、截头皱甲轮虫(Ploesomatruncatum)、长额象鼻溞(Bosminalongirostris)、僧帽溞(Daphniacucullata)、无节幼体(Nauplius)、桡足幼体(Copepodite)、汤匙华哲水蚤(Sinocalanusdorrii)、广布中剑水蚤(Mesocyclopsleuckarti)出现的频率最高,在5年的调查中均有出现。此外,大肚须足轮虫(Euchlanisdilatata)、螺形龟甲轮虫(Keratellacochlearis)、等刺异尾轮虫(Trichocercasimilis)、针簇多肢轮虫(Polyarthratrigla)、右突新镖水蚤(Neodiaptomusschmackeri)出现的频率也比较高,在调查期间有4年出现。王氏拟铃虫(Tintinnopsiswangi)、中华拟铃虫(T.sinensis)、月形腔轮虫(Lecaneluna)、长肢多肢轮虫(Polyarthradolichoptera)、壶状臂尾轮虫(Brachionusurceus)、角突臂尾轮虫(Brachionusangularis)、剪形臂尾轮虫(Brachionusforficula)、曲腿龟甲轮虫(Keratellavalga)、长刺异尾轮虫(Trichocercalongiseta)、短尾秀体溞(Diaphanosomabrachyurum)、直额裸腹溞(Moinarectirostris)、近邻剑水蚤(Cyclopsvicinus)出现的频率较低,仅在其中1年的调查中出现。

2.3 浮游动物丰度

2.3.1 丰度时间分布

各监测站位浮游动物丰度随时间的变化情况见图1。由图1可见,丰度最大值出现在2015年8月大坝监测站位,为484 ind./L,总平均值为36 ind./L。各季节丰度平均值由大到小的顺序为:秋季(82 ind./L)>夏季(29 ind./L)>初冬(15 ind./L)>春季(13 ind./L),每年由春季至秋季逐渐增大到全年最大值,之后开始减小。调查期间各年份丰度平均值由大到小的顺序为:2015年(91 ind./L)>2016年(29 ind./L)>2017年(28 ind./L)>2018年(26 ind./L)>2019年(19 ind./L),呈逐年递减的趋势。

图1 各监测站位浮游动物丰度随时间的变化

2.3.2 丰度空间分布

各季节浮游动物丰度的空间变化情况见图2。由图2可见,浑江口浮游动物丰度随季节的变化不明显;振江镇从春季至秋季浮游动物丰度随季节逐渐增大,初冬减小;沿江村春季和初冬较小,夏季和秋季增大;碑碣子村和大坝情况相似,均为从春季至秋季浮游动物丰度逐渐增大,初冬则减小。浮游动物丰度的空间变化除了在秋季比较剧烈以外,其他季节变化很小,且丰度值较低。各监测站位的丰度平均值从大到小的顺序为:大坝(65 ind./L)>振江镇(37 ind./L)>碑碣子村(36 ind./L)>沿江村(32 ind./L)>浑江口(7 ind./L)。从上游至下游基本上呈现逐渐增大的趋势。

图2 各季节浮游动物丰度的空间变化

2.4 浮游动物生物量

2.4.1 生物量时间分布

各监测站位浮游动物生物量随时间的变化情况见图3。生物量最大值出现在2017年8月份的振江镇,为4.26 mg/L;总平均值为0.32 mg/L。各季节生物量平均值由大到小的顺序为:秋季(0.60 mg/L)>夏季(0.30 mg/L)>初冬(0.26 mg/L)>春季(0.06 mg/L)。生物量季节变化规律与丰度一样:春季至秋季逐渐增大到全年最大值,秋季至初冬逐渐减小。调查期间各年度生物量平均值由大到小的顺序为:2015年(0.60 mg/L)>2017年(0.38 mg/L)>2016年(0.32 mg/L)>2019年(0.19 mg/L)>2018(0.18 mg/L)年,基本上呈逐年减小的趋势。

图3 各监测站位浮游动物生物量随时间的变化

2.4.2 生物量空间分布

各季节浮游动物生物量的空间变化情况见图4。由图4可见,浑江口生物量季节变化不明显;振江镇、碑碣子村和大坝情况相似,均为从春季至秋季生物量逐渐增大,初冬减小;沿江村自春季至夏季逐渐增大,秋季开始逐渐减小。各监测站位浮游动物生物量平均值从大到小的顺序为:振江镇(0.72 mg/L)>碑碣子村(0.29 mg/L)>大坝(0.27 mg/L)>沿江村(0.24 mg/L)>浑江口(0.07 mg/L)。

图4 各季节浮游动物生物量的空间变化情况

2.5 生物多样性

各监测站位浮游动物Shannon-Wiener多样性指数(H′)随时间的变化情况见图5。由图5可见,H′最大值出现在2019年8月的大坝监测站位,为3.33;H′最小值出现在2016年4月的振江镇,为0.01;总平均值为1.59。各季节H′平均值由大到小的顺序为:秋季(2.01)>夏季(1.57)>初冬(1.53)>春季(1.15)。季节变化规律为:春季至秋季H′逐渐增大到全年最大值,秋季至初冬逐渐减小。各年份H′平均值由大到小的顺序为:2015年(1.97)>2016年(1.62)>2018年(1.55)>2019年(1.45)>2017(1.44)年,大致呈逐年减小的趋势。

图5 各监测站位浮游动物多样性随时间的变化

3 讨论

3.1 群落结构特征

本研究发现,水丰水库浮游动物组成以轮虫种类最多,枝角类和桡足类次之,原生动物较少。群落结构特点为小型浮游动物种类数占总数的比例较大,大型浮游动物种类数所占比例较小。原生动物种类少、丰度低,生物量占比不大。轮虫类在一年四季都较多,尤其在秋季丰度达到最高。这可能是因为秋季浮游植物丰度较高,且多为轮虫喜食的绿藻种类,有利于轮虫的生长繁殖[8-9]。枝角类与轮虫存在较强的竞争关系,当水体中枝角类丰度较高时,会对轮虫产生抑制作用,从而使其丰度降低[10-11]。水丰水库的枝角类在春季丰度较低,夏季开始增高,但种类较少,主要以个体较小的长额象鼻溞为主,因此对轮虫构成的竞争压力较小。桡足类主要以无节幼体的形式存在。有研究认为,无节幼体以滤食细菌为主[12]。本次调查发现,无节幼体在秋冬季生物量较高,这可能是因为秋冬季节水体中有机质含量高,有利于细菌的生长繁殖,为无节幼体提供了较为丰富的食物来源。浮游动物多样性的变化规律是春季至秋季逐渐增大到全年最大值,秋季至初冬则逐渐减小。这可能是因为随着水温升高,浮游植物大量繁殖,生物量增加,为浮游动物提供了丰富的饵料,很多种类的浮游动物开始大量生长繁殖,最终使浮游动物多样性增高。到了秋冬季节,水温开始降低,藻类数量逐渐减少,以之为食尤其是食物选择比较单一的浮游动物无法获得充足的食物来源,从而数量大量减少或者消失,因此生物多样性降低。

3.2 水质评价

浮游动物是湖库生态系统食物链及生物生产力的基本环节,其种类组成、现存量、多样性指数等都是检测湖库水体营养状态和水质优劣的重要内容[13]。一般认为,浮游动物的丰度和生物量是衡量水体营养状态的重要指标,二者的值越大,水体的营养级别越高,表示水环境状况越差;Shannon-Wiener多样性指数越大,水体污染程度越轻,水环境状况就越好。饶小珍等[14]的研究表明,当浮游动物丰度<1 000 ind./L时,水体处于贫营养状态;当1 000 ind./L<丰度<2 000 ind./L时,水体处于中营养状态;当丰度>2 000 ind./L时,水体处于富营养状态。根据本研究中浮游动物丰度的调查结果,该水域处于贫营养状态。饶小珍等[14]的研究表明,当浮游动物生物量<1.0 mg/L时,水体处于贫营养状态;当1.0 mg/L<生物量<3.5 mg/L时,水体处于中营养状态;当3.5 mg/L<生物量<8.0 mg/L时,水体处于富营养状态;当生物量>8.0 mg/L时,水体处于超富营养状态。本研究中,浮游动物生物量的调查结果表明,除了2015年10月(1.08 mg/L)和2017年8月(1.25 mg/L)水体处于中营养状态外,其余各次调查水体均处于贫营养状态。研究表明[15-16],当Shannon-Wiener多样性指数H′>3时,水体清洁;当1≤H′≤3时,水体属中污染;当0≤H′<1时,水体属重度污染。本研究Shannon-Wiener多样性指数的调查结果表明,该水域处于清洁～中污染状态。

本次调查研究结果表明,水丰水库处于贫～中营养状态,受到了较轻程度的污染。调查发现,污染来源主要是水库网箱中养殖鱼类的排泄物和残饵,此外,居民生活污水排放及农田中化肥和农药随雨水流入水库也是污染的重要来源。建议有关部门加大管理力度,控制水库网箱养殖规模;建设更多的农村生活污水处理设施;加强相关工矿企业污染的治理,严惩不法行为;加强对新开发建设项目企业的管理,制止新污染源的流入;制定相应的政策,鼓励农民多使用农家肥和节水灌溉;加强山区水土保持的管理,严禁滥采滥伐。相信这些措施的有效实施,可以使水丰水库的生态环境得到相应保护,生态系统平衡得到加强,生物多样性得以恢复。