农业面源污染对莫力达瓦旗某水库浮游生物和底栖动物群落结构的影响

王慧博 ，黄晓丽 ，吴计生 ，都雪 ，王秋实 ，宋聃 ，霍堂斌

（1.中国水产科学研究院黑龙江水产研究所，农业农村部黑龙江流域渔业资源与环境重点野外科学观测试验站，黑龙江 哈尔滨 150070；2.松辽水环境科学研究所，吉林 长春 130021）

关键字：浮游生物；底栖动物；群落结构；面源污染

农业面源污染是由农业生产活动中溶解或固体的污染物，从非特定的地域，在降水和径流冲刷作用下进入水体，引起的水体污染[1,2]。我国农业面源污染较严重，在农业农村部提出的“农业面源污染整治实施办法”政策落实后，农业面源污染情况有所好转，但总体仍不乐观[3]。内蒙古呼伦贝尔市莫力达瓦达斡尔族自治旗（以下简称莫力达瓦旗）的某水库，距莫力达瓦旗市区约97.5km，近巴彦鄂温克民族乡和奎勒河镇，右邻嫩江县，主要功能为灌溉、防洪。水库面积 1.5 km2，坐标 124°38'E，49°21'N，海拔高度 220.0～451.1 m；年平均气温 0～0.3℃，年平均降水量460～50 mm，年平均日照时数227 h，年有效积温 1900～2100℃，无霜期 105～125d。水库淤泥沉积严重，两岸基本都为农田，农业面源污染是影响其水质和水生生物生存的首要因素。

浮游生物是水域生态系统中的重要组成部分，在物质转化、能量流动、信息传递等生态过程中起重要作用[4-6]。浮游生物群落结构，如物种组成、生物多样性等直接或间接地影响水域生态系统[7]，能综合反映出较长时间内水体的污染结果；不少浮游生物种类还是环境污染和水体富营养化的指示生物[8-10]。底栖动物也是水生态系统生物群落的关键组分，是水生生物食物链（网）的中间环节，特别是其对生境的选择和适应的特性，已成为水环境状况的重要指示生物类群，是水域生态系统研究的热点之一，在生态系统结构、功能及能量学中扮演重要的角色，是营养物质循环和能量向更高营养级流动的重要通道[11]。关于莫力达瓦市水域浮游生物和底栖动物的研究尚未见报道。本研究通过调查莫力达瓦旗某水库浮游生物和底栖动物群落的结构，监测水库水环境污染状况，以期对呼伦贝尔小型水库水资源保护与合理利用提出建议和指导。

1 材料与方法

1.1 采样时间与采样点

2018年7月在莫力达瓦旗某水库泥沙淤积较严重，底质均为厚淤泥底质，共设置5个采样点（图1），采集浮游生物和底栖动物样品。

1.2 样品的采集与处理

用5L有机玻璃采水器，分别采集各采样点水面下0.5m处和距水底0.5m处的2个水样，将各水层水样等量混合得到1L混合水样，样品均用鲁哥氏碘液固定、染色，带回实验室内，用沉淀法经48h沉淀后，吸出上清液，留存30mL浓缩液用于鉴定浮游植物。浮游动物中原生动物、轮虫等小型浮游动物采样方法同浮游植物；枝角类和桡足类用5L有机玻璃采水器采集各采样点水面下0.5m处和距水底0.5m处的2个水样，将各水层水样等量混合得20L混合水样，之后用13#浮游生物网进行过滤，经5%的甲醛溶液固定后，用沉淀法留存30mL浓缩液用于鉴定。底栖动物泥底断面定量样本采用1/16 m2彼得逊采泥器，泥样用40目和60目分样筛过滤，样品先用体积分数为4%的甲醛溶液固定，带回实验室后再移入体积分数为75%的酒精中保存，进行鉴定、计数。

图1 莫力达瓦旗某水库采样点分布图Fig.1 Locations of sampling sites of a reservoir in Morin Dawa Daur Autonomous Banner

根据《淡水浮游生物研究方法》[12,13]进行浮游生物定性、定量鉴定；根据《中国淡水藻类—系统、分类及生态》鉴定浮游植物；浮游动物根据《微型生物监测新技术》[14]鉴定原生动物，根据《中国淡水轮虫志》[15]鉴定轮虫，根据《中国动物志》（淡水枝角类）[16]鉴定枝角类，根据《中国动物志》（淡水桡足类）[17]鉴定桡足类；根据《中国小蚓科研究》、《水生昆虫学》、《辽河流域底栖动物监测》[18-20]鉴定底栖动物种类与数量。

1.3 指标选取及其计算公式

用优势度评价浮游生物和底栖动物优势种。其计算公式为：Y=fi×Pi，式中：Y 为优势度；fi为第 i种物种的出现频率；Pi为第i种物种个体数量占总个体数量的比例。将Y＞0.02的物种定为优势种[21]。

利用Shannon-Wiener多样性指数和Margalef丰富度指数，研究浮游生物和底栖动物群落物种的多样性。

1.4 群落结构与环境因子关系的分析方法

用物种丰度反映浮游生物和底栖动物种类与环境因子的关系。对物种丰度数据和除pH外的水环境因子数据进行 lg（x+1）转换[22]；然后，对数据进行去趋势对应分析，检验典范对应分析单峰模型排序和冗余分析单峰模型排序哪种更适宜分析数据，发现两者都适宜；本文选择采用典范对应分析方法，利用Canoco5.0软件，进行物种—环境因子关系排序，用双序图表示排序结果。

2 结果与分析

2.1 浮游生物、底栖动物的种类组成

在莫力达瓦旗某水库5个采样点共鉴定出浮游植物6门15属18种及变种，其中硅藻门5属6种，种数最多，占总种类数的33.3%；裸藻门次之，3属4种，占22.2%；绿藻门2属3种，占16.7%；蓝藻门和甲藻门都为2属2种，各占11.1%；隐藻门1属1种，占5.6%。各采样点的浮游植物数量分布见图2，1#采样点采集到的浮游植物数量最多。

共鉴定出浮游动物13属16种。其中挠足类种类数最多，6属9种，占总种类数的56.3%；原生动物4属4种，占25.0%；轮虫2属2种，占12.5%；枝角类1属1种，占6.3%。从图2中看出，桡足类在各采样点中占极大优势。仅在1#和2#采样点采集到底栖动物2目3科3种，其中环节动物1种，占33.3%；水生昆虫 2 种，占 66.7%，3#、4#、5#采样点没有采集到底栖动物。

根据浮游生物出现的频率和丰度，以优势度Y＞0.02为界来确定优势种，莫力达瓦旗某水库浮游植物优势度在0.02～0.19之间，浮游动物优势度在0.05～0.07之间，底栖动物优势度在0.02～0.32之间，优势种见表1。

2.2 浮游生物、底栖动物的丰度、生物量

各采样点的浮游生物丰度和生物量显著不同，其中1#采样点显著高于其他采样点。水库浮游植物的总平均丰度为45.36×104ind./L，其中，蓝藻门的丰度最高32.40×104ind./L，硅藻门和甲藻门次之，3.36×104ind./L，裸藻门 3.12×104ind./L，绿藻门2.16×10 ind./L，隐藻门0.96×104ind./L。浮游植物的总平均生物量为15.3192 mg/L，同样为蓝藻门最高，14.9947 mg/L，甲藻门次之为 0.1548 mg/L，裸藻门0.0936 mg/L，硅藻门0.0534 mg/L，隐藻门0.0192 mg/L，绿藻门的生物量最低，为0.0035 mg/L。浮游动物的总平均丰度为787.19 ind./L，其中，原生动物的丰度最多为726.00 ind./L，轮虫54.00 ind./L，枝角类0.01 ind./L，桡足类7.18 ind./L。浮游动物的总平均生物量为0.3914 mg/L。桡足类最高为0.3331 mg/L，轮虫次之，为0.0294 mg/L，原生动物0.0284 mg/L，枝角类0.0005 mg/L。

表1 莫力达瓦旗某水库浮游生物及底栖动物优势种Tab.1 Dominant species of the plankton and zoobenthos in a reservoir in Morin DawaDaur Autonomous Banner

图2 莫力达瓦旗某水库各采样点浮游生物和底栖动物种类组成、数量分布及丰度生物量变化Fig.2 Species composition,quantity distribution and changes in abundance and biomass of the plankton and zoobenthosin a reservoir in Morin Dawa Daur Autonomous Banner

调查期间，仅1#和2#断面采集到底栖动物，底栖动物总平均丰度为83.2 ind./m2，环节动物数量最高为67.2 ind./m2，水生昆虫为16 ind./m2。底栖动物总平均生物量为0.240 g/m2，环节动物为0.216 g/m2，水生昆虫为0.024 g/m2。

2.3 浮游生物、底栖动物多样性指数分析

浮游生物和底栖动物的Shannon-Wiener多样性指数（H'）和Margalef丰富度指数（D）结果显示，各采样点Shannon-Wiener指数均值为1.62，变化范围为 0.32～2.85；Margalef指数均值为 1.233，变化范围为0.36～2.02。两种指数均为4#采样点最低，其次是2#采样点较低，1#采样点最高。

浮游生物及底栖动物多样性指数水质评价标准见表2。综合多样性指数判断：水库水环境质量属于α-中度污染。

2.4 浮游生物及底栖动物与环境因子的关系

由表3可知，莫力达瓦旗某水库采样日总氮含量平均为1.23 mg/L，超出《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中Ⅲ类标准；总磷和氨氮平均含量分别为0.27mg/L和1.79mg/L，超出地表水Ⅳ类标准。水库平均水深4.5m，受面源污染影响，透明度平均仅为5cm，水质浑浊。雨后水库悬浮物增加，长时间不沉降，这种情况持续一周左右。采样日平均水温25℃。

表2 多样性指数水质评价标准Tab.2 List of water quality evaluation standards by diversity index

表3 莫力达瓦旗某水库采样日环境因子数据Tab.3 Factors of water environment in a reservoir in Morin Dawa Daur Autonomous Banner on the sampling day

表4 典范对应分析中浮游生物和底栖动物种类代码Tab.4 Codes of the plankton and zoobenthos species by Canonical Correspondence Analysis

对莫力达瓦旗某水库18种浮游植物、16种浮游动物和3种底栖动物与环境因子进行典范对应分析，编码见表4。在典范对应分析的排序中，排序轴1和排序轴2的特征值分别为0.674和0.430，4个排序轴特征值总和为1.186，全部典范特征值总和为1.186，前两轴共解释浮游生物和底栖动物物种与环境因子关系的93.1%，物种和环境因子相关系数都达到1，表明排序较好地反映了出物种与环境因子间的关系。物种的两个排序轴之间相关系数和环境因子的两个排序轴之间的相关系数均分别为0，表明排序结果可靠[23-25]。

图3 莫力达瓦旗某水库浮游生物和底栖动物与水环境因子的典范对应排序图Fig.3 Ordination biplot of Canonical Correspondence Analysis between the plankton and zoobenthos species and water environmental factors in a reservoir in Morin Dawa Daur Autonomous Banner

由图3可知，温度和磷酸盐含量是排序轴1的重要影响因子，与排序轴1显著正相关，相关系数分别为0.6405和0.4476；温度和透明度是排序轴2的重要影响因子，其中水温与排序轴2显著正相关，相关系数为0.5392；透明度与排序轴2显著负相关，相关系数为-0.5684。典范对应分析的排序结果表明，水温、透明度和磷酸盐含量是影响浮游生物和底栖动物群落结构及其分布的主要环境因子。

3 讨论

3.1 浮游生物、底栖动物群落结构及水库污染现状

本研究水库受面源污染影响透明度极低，雨后水中悬浮物增加且长时间不沉降。同时发现，水库多数浮游植物水样藻体上附有大量悬浮物，极大影响了浮游植物的光合作用[26]，水体中溶解氧含量不高，这解释了虽然水库氮、磷营养盐含量高，但水库浮游植物丰度和生物量却不高。莫力达瓦旗年平均气温 1～3℃[27]，水库年平均水温 0～0.3℃。温度于浮游生物的影响，不仅表现在浮游生物的种类组成上，更表现为对浮游生物的丰度和生物量上，水温达到浮游生物生长的最适温度时，初级生产力开始迅速上升，当温度低于其生长的最适温度时，其生长繁殖速度均较低[28,29]。本研究7月采样，水库从5月水温开始逐渐上升，到7月浮游生物并没有达到最高丰度和生物量，北方寒冷气候特点导致浮游植物丰度和生物量较低，也导致硅藻种类呈现较大优势。而7月采样时平均水温上升至25℃，硅藻在浮游植物种类中呈现较大优势，但在数量上硅藻的优势被蓝藻取代。这是因为蓝藻具有嗜高温的特性，当温度为10℃时，硅藻占绝对优势，而当温度升高到24℃时，蓝藻逐渐占更大优势[30]。浮游动物中桡足类种类较多，生物量较高。浮游植物为桡足类的生长、繁衍提供饵料，所以浮游植物丰度和生物量较低，也与桡足类处于生物量高峰相关。桡足类虽然种类最多，但都不为优势种，3个优势种都为原生动物或轮虫。原生动物仅发现4种，轮虫仅发现2种，二者种类较少，但丰度较高。底栖动物同样仅发现3种，都为优势种。2#采样点采集到的底栖动物数量最多，而羽摇蚊幼虫Chironomus plumosus仅在2#采样点发现且数量庞大，过大的摄食压力导致2#采样点浮游植物数量最少。摇蚊幼虫通过改变沉积物结构和理化性质，抑制浮游植物的生长[31]，这也导致2#采样点浮游植物数量较少。3#、4#、5#采样点采集到的底泥中，没有发现底栖动物，而1#和2#采样点采集到的底栖动物优势种霍甫水丝蚓Limnodrilus hoffmeisteri和羽摇蚊幼虫都为耐污指示种。从原生动物、轮虫和底栖动物种类数可以看出，水库生物物种较单一，这与农业面源污染，水质较差有关。多样性指数分析表明：水库水环境为α-中度污染。水库两岸基本都为农田，化肥的施用及降雨可造成农业面源污染，水库氮、磷等营养盐浓度总体偏高，农业面源污染是影响其水质的首要因素。浮游生物和底栖动物优势种中，多数种类像梅尼小环藻Cyclotella meneghiniana、铜绿微囊藻Microcystis aeruginosa，绿急游虫 Strombidiu mviride、矩形龟甲轮虫Keratella quadrata，底栖动物的霍甫水丝蚓、羽摇蚊幼虫等，都为耐污种类，这也表明了水库水环境质量较差的污染现状。

3.2 浮游生物、底栖动物与水环境因子的关系

典范对应分析结果表明，莫力达瓦旗某水库浮游生物和底栖动物与环境因子有显著的相关性，水温、透明度和磷酸盐含量是影响浮游生物、底栖动物群落结构及其分布的主要环境因子。

北方气候寒冷决定了温度对水生生物的影响要高于其他地区。浮游植物球衣藻Chamydomonas globosa、小球藻Chlorella vulgaris、水棉Spirogyra Link和浮游动物桡足类的等刺温剑水蚤Thermocyclops kawamurai、锥枝蒙镖水蚤Mongolodiaptomus birulai与温度呈显著相关性。桡足类的生长既受内在因素代谢率的影响,又受外界因素的影响，温度是其中重要因素之一。在适温范围内，桡足类的生长率随温度升高而加速[32,33]。而作为浮游甲壳动物主要食物来源，浮游植物影响桡足类的分布[34]。当浮游植物的丰度增加到一定程度时，充足的食物来源为桡足类的生长繁殖提供有利条件，桡足类的丰度也随之增加，而桡足类达到一定数量之后，浮游植物丰度会因摄食压力而降低，这解释了浮游植物、桡足类和温度之间的显著相关性。浮游植物微绿舟形藻Navicula viridula、变绿脆杆藻Fragilaria virescen和尖针杆藻Synedraacus的生态适应相似，表现为更适宜水深和总氮含量高的生长环境，与透明度的相关性比其他物种高。这三种藻类都为硅藻，有研究认为，硅藻密度分布与水流流速和透明度的相关程度明显高于与营养盐和温度的相关程度，较低的透明度明显抑制了浮游植物，尤其是硅藻的生长[35-37]。该水库水质浑浊，平均水深4.5m，平均透明度仅为5cm，藻体悬浮物的大量附着影响浮游植物的光合作用，直接导致透明度与浮游植物的相关性。浮游植物梅尼小环藻，浮游动物直刺北镖水蚤Arctodiaptom ussalinus、跨立小剑水蚤Microcyclops varicans和无节幼体在排序图中位置相近，表现出生态适应上的相似性。它们更适宜氨氮含量较高的环境；浮游动物球形砂壳虫Difflug iaglobulosa和矩形龟甲轮虫在排序图中位置相近，它们更适宜总氮含量较高的生长环境。氮、磷等营养盐一般通过浮游植物间接影响浮游动物的生长与分布。水体中营养盐含量的升高势必引起浮游植物密度的增加，促进浮游动物丰度的增加[38,39]。磷酸盐含量是影响底栖动物丰度的主要环境因子，底栖动物霍甫水丝蚓、羽摇蚊幼虫、幽蚊Chaoborus sp.和浮游植物肘状针杆藻Synedra ulna在排序图中位置相近。它们与磷酸盐含量相关性显著。研究发现，随着温度的升高，底栖动物如霍甫水丝蚓的磷酸盐释放率逐渐升高[40]。水丝蚓能显著提高水体营养盐水平，这些营养盐被浮游植物利用后会促进浮游植物的生长[41]，而浮游植物是底栖动物的可口饵料，底栖动物与浮游植物的依存关系离不开磷酸盐等营养盐浓度的高低变化。

3.3 小结

农业面源污染使莫力达瓦旗某水库浮游生物和底栖动物物种较单一，优势种多为耐污种类。多样性指数分析表明：水库水环境为α-中度污染。水温、透明度和磷酸盐含量是影响莫力达瓦旗某水库浮游生物和底栖动物群落结构及其分布的主要环境因子。应加强水库水环境保护工作，防止水库生态环境进一步恶化，保证呼伦贝尔水资源的合理利用。在农民按照化肥质量标准施肥的基础上，针对水库农业面源污染情况，提出以下建议：（1）减少人类活动对沿岸带的破坏和干扰，阻止泥沙向水库运动，水库沿岸开展植被缓冲带，维系河岸带植被；（2）根据不同季节水文情况，科学合理调整水库调度方式；（3）选择合理方式开展水库清淤工作，消除水库的水生态环境潜在威胁。