北京市妫水河浮游动物群落结构与水质评价

林 海,王 源,李 冰,*

1 北京科技大学能源与环境工程学院,北京 100083 2 工业典型污染物资源化处理北京市重点实验室,北京 100083

妫水河是官厅水库三大入库河系之一,包括1条干流和9条支流,为典型的山溪性小流域河流。目前妫水河流域水污染问题突出,垃圾和面源污染问题严重。其次,妫水河流域平均降水量偏低,水资源短缺现象严重。

浮游动物在物质转化、能量流动等生态过程中起着重要作用,其种类组成和多样性特征能反映出水体健康程度和状态[1],因此浮游动物可作为反映水环境变化的指示生物[2- 3]。针对妫水河目前存在水环境质量较差的问题,本文通过对妫水河浮游动物进行调查研究,研究不同时期浮游动物群落结构的变化和多样性指数的时空差异,分析浮游动物群落与水质指标之间的相关关系,并开展水质生态学评价,以期为妫水河水生态环境监测及治理提供基础数据和科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况和采样点设置

妫水河发源于延庆城区东北13 km处,横贯延庆盆地,在下屯乡大路村北入官厅水库后入永定河,河长18.5公里,为官厅水库的三大入库河系之一,属大陆性季风气候。地理坐标为115°49′21″—116° 16′16.75″E,40°24′52.18″—40°33′25.91″N。目前,有水汇入的支流主要有古城河、三里河和蔡家河。

根据国家环境保护标准中《水质采样方案设计技术规定》(HJ495—2009),并结合妫水河水系及特点共在流域内设置10个采样断面(图1),其中S1位于沈家营镇香村营附近,S2位于妫水河与上游支流汇流处,S3是妫水河支流古城河采样断面,S4是妫水河与古城河交汇后的采样断面,S5位于北老君堂村附近,S6位于春芳园,S7位于东大桥水文站,S8位于妫水河世园会段,S9位于妫水河支流三里河采样断面,S10为谷家营国控断面。于2017年丰水期(6—7月)和枯水期(10—11月)采集样品,每月采集1次,每次采样时间安排在连续晴天、水位较稳定的日子。

图1 采样点位示意图Fig.1 Sampling sites in Guishui RiverS1：采样点位1 Site1；S2：采样点位2 Site2；S3：采样点位3 Site3；S4：采样点位4 Site4；S5：采样点位5 Site5；S6：采样点位6 Site6；S7：采样点位7 Site7；S8：采样点位8 Site8；S9：采样点位9 Site9；S10：采样点位10 Site10

1.2 水体理化因子的测定

水体理化因子采用现场测定和实验室分析的方法,其中,温度、pH、溶解氧3个指标采用WTW Multi 350i手提式多参数水质分析仪进行现场测定,透明度用塞氏圆盘现场测定。在各样点采集2个平行水样(各1 L), 置于保温箱中低温保存(4℃),于48h内带回实验室进行样品的水质指标测定。TP的测定采用钼酸铵分光光度法(GB 11893- 89),TN的测定采用碱性过硫酸钾紫外分光光度法(GB 11894- 89),NH3-N的测定采用纳氏试剂分光光度法(HJ 535- 2009),COD的测定采用重铬酸钾法(GB 11914- 89),测定方法参照文献[4]。

1.3 浮游动物的采集及检测方法

(1)定性标本

采用25号浮游生物网采集(网孔0.064mm),于水面以下作“∞”状拖动浮游动物网数次,将浓缩于网头的水样收集于50mL的标本瓶,用4%甲醛溶液现场固定,以待镜检鉴定。浮游动物种类鉴定参照文献[5- 6]。

(2)定量标本

用5L采水器于分别于水面以下0.5m处和1.5m处采集水样,混合均匀后置于1L塑料采样瓶中,加入鲁哥氏液现场固定,各样点均重复3次。实验室静置24h后,浓缩至200mL,再次静置24h,浓缩至50mL保存。定量计数前将沉淀样品充分摇匀,然后吸取1mL样品注入1mL计数框内,在10×10倍的光镜下全片计数。每个标本重复计数3—5次,取其平均值。

1.4 数据处理

根 据 浮 游 动 物 优 势 度 指 数(Y)、Shannon-Wiener多样性指数(H)、Pielou均匀度指数(J)和Margalef丰富度指数(D)对妫水河浮游动物群落结构特征进行分析评价[7- 9],其计算公式如下。

Y=(Ni/N)×fi

J=H′/ln(S)

D=(S-1)/ln(N)

式中,N为第i种的个体数；N为所有种类的总个体数；fi为各采样点第i种的出现频率；H为生物多样性指数；J为均匀度指数；S为物种总数；D为丰富度指数。

根据水生态学评价方法,当浮游动物丰度<1000个/L时水体为贫营养,丰度>3000个/L时为富营养,1000—3000个/L为中营养[10]。运用Canoco5.0软件进行数据分析浮游动物群落及其与环境因子之间的相关性。

2 结果

2.1 浮游动物的种类组成与优势种

本次调研共鉴定出浮游动物4门22属88种,原生动物种类最多,共42种,其中28种为中等营养水体以上的指示种；轮虫种类次之,共25种,其中有8种富营养水体指示种；枝角类种类最少。浮游动物种类在两个时期均以原生动物和轮虫为主,两门种类之和占总种类的70%以上。由图2和图3可以看出,原生动物种类在两个时期所占比例均最大,分别为38.3%和64.9%,轮虫种类所占比例次之,在两个时期分别为34.9%和16.6%,枝角类和桡足类在两个时期所占比例较小,浮游动物种类组成在两个时期均为原生动物>轮虫>桡足类>枝角类。由于轮虫和原生动物相较于枝角类和桡足类等大型浮游动物,其繁殖发育速度快、能快速适应河流环境的变化,因此种类数量较多,本研究与国内很多河流浮游动物群落结构组成相似[11- 12]。

由表1可以看出,妫水河浮游动物的优势种有8种,分别为钟虫、侠盗虫、梨形四膜虫、螺形龟甲轮虫、单环栉毛虫、针簇多枝轮虫、裂痕龟纹轮虫、冠饰异尾轮虫,受不同时期温度和水质的影响,不同时期优势种组成有所差异,其中丰水期优势种主要是针簇多枝轮虫、裂痕龟纹轮虫、冠饰异尾轮虫、钟虫和梨形四膜虫,枯水期优势种主要是钟虫、侠盗虫、梨形四膜虫、螺形龟甲轮虫和单环栉毛虫。

图2 丰水期浮游动物种类分布Fig.2 Distribution of zooplankton species during the wet period

图3 枯水期浮游动物种类分布Fig.3 Distribution of zooplankton species during the dry period

表1 妫水河浮游动物优势种和优势度

2.2 浮游动物的密度及生物量

表2列出了妫水河丰水期和枯水期浮游动物的密度和生物量,由表2可以看出,在调查期间,妫水河浮游动物总的平均密度为5041.58个/L,其中原生动物、轮虫、枝角类、桡足类的平均密度分别为2070、2965、1.54和5.04个/L,丰水期(6月和7月)浮游动物密度高于枯水期(10月和11月),尤其是6月份,浮游动物密度高达12439.63个/L。妫水河浮游动物生物量平均为2.88mg/L,浮游动物生物量也以轮虫和原生动物为主。

由图4可以看出,浮游动物密度最大值出现在S8点位(妫水河世园段),为18451.25个/L,说明该点位水体污染严重,最小值出现在S4点位(妫水河与古城河交汇处),S2、S4点位浮游动物平均细胞密度最小。

由图5可以看出,S8点位的生物量最大(14.07mg/L),S3点位的生物量最小,为0.17mg/L。浮游动物不同门类当中,轮虫的贡献最大(91.4%),桡足类贡献最小(1.8%)。其中,原生动物平均生物量为0.11mg/L,S6最高为0.21mg/L,轮虫平均生物量为2.64mg/L,S8最高为13.90 mg/L,枝角类平均生物量为0.08mg/L,S10最高为0.64mg/L,桡足类平均生物量为0.06mg/L,S10最高为0.43mg/L。综上可知,妫水河浮游动物以轮虫和原生动物为主体,浮游动物各类群丰度和生物量均表现为市区段最大,其他点位较小。

表2 妫水河丰水期和枯水期浮游动物的密度和生物量

图4 妫水河不同采样点位浮游动物数量 Fig.4 Number of zooplankton at different sampling points in Guishui River

图5 妫水河不同采样点位浮游动物生物量 Fig.5 Zooplankton biomass at different sampling points in Guishui River

2.3 浮游动物群落与环境因子的关系

妫水河不同月份水体理化指标如表3所示。采用CCA分析探究妫水河浮游动物群落及优势种(代码见表4)与环境因子(水体理化指标)的关系,从而可识别对环境因子敏感的浮游动物物种。浮游动物与环境因子的相关性关系如图6所示。

CCA分析显示,前两个排序轴的特征值分别为0.39和0.08,第一排序轴物种与环境因子的相关系数为0.953,第二排序轴与环境因子的相关系数为0.871。温度与第一环境因子排序轴负相关性最大,其次是总磷和总氮；溶解氧与第一环境因子正相关性最大,其次是pH；叶绿素a与第一轴的相关性大于第二轴,浮游动物总密度和pH的正相关性最大。大部分优势种分布在第一、二象限,与氨氮和pH呈正相关,其中,裂痕龟纹轮虫和冠饰异尾轮虫与氨氮的相关性极显著,针簇多枝轮虫、螺形龟甲轮虫和单环栉毛虫数量与总磷、总氮、温度呈正相关,与pH负相关,钟虫、裂痕龟纹轮虫和梨形四膜虫数量与pH、氨氮正相关,与总磷、总氮、温度和COD呈负相关。

由CCA分析结果可以分析出,水温、pH、DO和氨氮对浮游动物组成和优势种影响较大,是决定妫水河浮游动物群落结构变化的主要环境因子。

2.4 浮游动物多样性时空差异

浮游动物的多样性指数可以在一定程度上反映出水环境的状况,也可作为环境质量评价的依据之一。在水体污染程度较重的河流中,生物多样性下降,浮游动物群落结构趋于简单,多样性指数低[13]。由表5可以看出,妫水河浮游动物Shannon-weaver多样性指数H、Pielou均匀度指数J和Margelaf丰富度指数D全年平均值分别为0.43、0.31和0.41,6月和11月的多样性指数H和均匀度指数J显著高于7月,10月份最低；丰富度指数D在6月最低,其余3个月份相近。不同断面之间,多样性指数H和均匀度指数J均以S10(谷家营国控断面)最高,S8(妫水河世园段)最低。

表3 妫水河不同时期水体理化指标均值(平均值±标准差)

pH：氢离子浓度 Potential of hydrogen；DO：溶解氧含量 Dissolved oxygen；COD：化学需氧量 Chemical oxygen demand； TN：总氮浓度 Total nitrogen；TP：总磷浓度 Total phosphorus；NH3-N：氨氮浓度 Ammonia nitrogen；NO3-N：硝态氮 Nitrate nitrogen；Chl.a：叶绿素a Chlorophyll a

表4 CCA分析中浮游动物优势种代码

S1：物种1 species1；S2：物种2 species2；S3：物种3 species3；S4：物种4 species4；S5：物种5 species5；S6：物种6 species6；S7：物种7 species1；S8：物种8 species8

图6 妫水河浮游动物群落与环境因子CCA分析Fig.6 Canonical correspondence analysis of species-environmental relationships in Guishui River systempH：氢离子浓度 Potential of hydrogen；DO：溶解氧含量 Dissolved oxygen；COD：化学需氧量 Chemical oxygen demand； TN：总氮浓度 Total nitrogen；TP：总磷浓度 Total phosphorus；NH3-N：氨氮浓度 Ammonia nitrogen；NO3-N：硝态氮 Nitrate nitrogen；Chl.a：叶绿素a Chlorophyll a；；Dens：密度 Density；Spe-num：种类 Number of zooplankton species；Protozoo：原生动物 Protozoon；Cladocer：枝角类 Cladocera；Rotifera：轮虫；Copepoda：桡足类；S1：物种1(针簇多枝轮虫)Polyarthra trigla；S2：物种2(钟虫)Vorticella；S3：物种3(裂痕龟纹轮虫)Anuraeopsis fissa；S4：物种4(冠饰异尾轮虫)Trichocerca lophoessa；S5：物种5(梨形四膜虫)Tetrahymena priformis；S6：物种6(侠盗虫)Strobilidium；S7：物种7(螺形龟甲轮虫)Keratella cochlearis；S8：物种8(单环栉毛虫)Didinium balbianii

由生物多样性指数评价结果可知,Shannon-weaver多样性指数H和Margelaf丰富度指数D均显示妫水河水质为重污染状态,Pielou均匀度指数J显示水质为中度污染状态。

表5 浮游动物多样性指数时空差异(平均值±标准差)

H：多样性指数 Shannon-weaver index；J：均匀度指数Pielou evenness index；D：丰富度指数 Margalef′s richness index

3 讨论

3.1 浮游动物群落结构时空变化特征

由以上研究结果可知,妫水河浮游动物主要为轮虫和原生动物,原生动物种类最多,共42种,轮虫种类次之,共25种,且数量和生物量均以轮虫为主,原因是妫水河水体营养水平较高,有利于轮虫快速生长繁殖,使轮虫中的富营养种类和数量大量增加。与北方河流相比,本研究与滦河、永定河、沙颍河、嫩江浮游动物的群落结构组成相似[12,14- 15],均以轮虫为主,枝角类和桡足类较少。由于轮虫具有独特的孤雌生殖方式,发育快、生命周期短,能在短期内达到很高的丰度,并且很快适应河流中理化环境的变化,因此在河流生态环境中浮游动物通常以轮虫为主[16]。不同的是嫩江以龟甲轮虫居多,永定河和滦河以臂尾轮虫居多,妫水河以针簇多枝轮虫、裂痕龟纹轮虫、冠饰异尾轮虫、螺形龟甲轮虫为主,其中针簇多枝轮虫、裂痕龟纹轮虫和螺形龟甲轮虫主要出现在富营养水体,冠饰异尾轮虫出现在贫营养水体[17-18]。与同属北温带的北运河相比,北运河浮游动物也以轮虫为主,但妫水河中枝角类数量所占比例(不足1%)远小于北运河(24.3%)[19]。

从不同时期来看,丰水期和枯水期浮游动物均以原生动物为主(图2、图3),但两个时期的密度和种类数差异较大,丰水期浮游动物密度(7665个/L)均高于枯水期(2418个/L),主要原因是由于丰水期水温较高、氮磷含量较高。朱艺峰等[20]的研究也表明季节和时期变化是决定象山港国华电厂附近海域浮游动物群落结构的主要因素,这主要由于不同时期的水温对浮游动物的生长繁殖、群落组成和数量变化等影响极为显著,低温下浮游动物的卵发育缓慢,水温升高发育和繁殖速度加快[21-22],姜会超等[23]的研究表明水温是影响菜州湾金城海域浮游动物群落结构最主要的环境因子,水温与浮游动物种类数的相关系数达到0.87(P<0.01)。妫水河地处北温带季风气候区,夏季炎热多雨、冬季寒冷漫长,年平均气温为8℃,对于浮游动物来说,丰水期水温相对较高,食物来源充足,繁殖较快,种类和数量迅速增多。丰水期群落结构以轮虫为主,其平均密度为5427.5个/L,占比70.8%,枯水期以原生动物为主,其平均密度为1912.5个/L,占比69.1%,有研究表明轮虫喜欢富营养环境,水体营养状态的提升有利于轮虫密度的提高[24],妫水河丰水期氮磷含量较高,因此浮游动物以轮虫为主。优势种方面,丰水期浮游动物优势种以钟虫、裂痕龟纹轮虫、针簇多枝轮虫等富营养型种为主,枯水期优势种为钟虫、梨形四膜虫、螺形龟甲轮虫、单环栉毛虫、侠盗虫,说明枯水期水体污染程度有所减轻。

由于妫水河河水流速较小、水体透明度高、泥沙含量低,因此在一定程度上有利于浮游动物的生长和繁殖[25],妫水河浮游动物的平均密度高达5041.58个/L。从点位上来看,S6(春芳园)、S8(妫水河世园会段)、S9(三里河)的浮游动物密度较大,结合水体理化指标,S6、S8、S9点位水体pH值较高,有利于浮游动物的生长。相关研究表明,浮游动物种类与丰度的大小与水体酸碱度密切相关,碱性环境有利于浮游植物的光合作用,促使浮游植物大量繁殖,因此碱性环境中浮游植物的生产力较高,为浮游动物生长提供了充足的饵料,促使其丰度增加[26],周彦锋等[7]对怀洪新河的研究也得出类似的结论。其次,S6、S8、S9采样点位于市区,生产和生活活动造成水体污染严重、水体富营养化,因此,氮、磷等营养盐能通过渗透和离子调节机制促进浮游动物的生长[27],导致螺形龟甲轮虫等富营养种的密度大量增加,林青等[28]的研究也表明滴水湖超过一半的优势种与TN和TP呈正相关。

3.2 水质评价

按照浮游动物的丰度指标和优势种状况对妫水河富营养化程度进行评价结果表明,丰水期S1、S2、S4、S5、S10采样点为中营养状态,S3、S6、S7、S8、S9采样点为富营养状态。枯水期S2、S3、S4采样点为贫营养状态,S1、S5采样点为中营养状态,其余采样点为富营养状态。参照多样性指数评价标准[13,29],Shannon-Weaver指数和Margalef指数显示妫水河10个点位的水质在丰水期和枯水期均为重污染状态,Pielou均匀度指数显示S8(妫水河世园会段)、S9(三里河)为重污染状态,其余点位为中污染状态。通过实地调研分析,造成污染的主要原因如下：S5、S6站点周边有大面积农田,化肥、农药和生活污水在下雨时随水流大量进入河道,造成水体污染,S7站点周边存在生活垃圾及畜牧养殖等污染源,S8、S9站点位于市区,生活污水、城市面源污染一定程度地破坏水体的生态功能。而妫水河其他点位的人为影响较少,故水体状况相对较好。

浮游动物优势种种类越多且优势度越小,则群落结构越复杂、稳定[30],鞠永富等通过对西泉眼水库浮游动物的调研,发现优势种均为中污染类型的指示种,表明该水库水体处于中污染水平[31],妫水河采样点中优势种种类数较少,群落稳定性较差,而且耐污性种类针簇多肢轮虫、钟虫等较多,优势度也较高,反映出妫水河水质污染状况较严重。CCA分析表明,针簇多枝轮虫、螺形龟甲轮虫的数量与总磷、总氮浓度呈正相关,裂痕龟纹轮虫和冠饰异尾轮虫数量与氨氮浓度呈正相关,均可作为反映妫水河水体污染程度的指示性生物。刘爱萍等[32]对大亚湾海域浮游动物的研究表明,夜光虫是各个点位的优势种,夜光虫的大量繁殖使浮游动物总密度升高,夜光虫也是海洋发生赤潮的生物因素之一,因此其密度的多少可作为指示水质污染程度的一种依据。刘爱芬等[33]通过建设人工湿地,使氮磷含量降低,同时有效地去除了大型浮游动物(去除率为70%),对小型浮游动物也达到了一定的去除率。因此通过采取措施控制氮磷等营养盐的含量,可以适量减轻妫水河污染严重的状况,并可通过浮游动物的指示物种快速识别出水质的改善程度。

4 结论

(1)丰水期和枯水期共鉴定出浮游动物88种,以轮虫和原生动物为主。

(2)受水环境因子和气候变化影响,妫水河丰水期浮游动物种类和密度多于枯水期,下游城区段点位的浮游动物生物量和密度明显高于其他点位。

(3)妫水河浮游动物群落结构和环境因子的CCA分析表明,水温、pH、DO和氨氮是显著影响妫水河浮游动物群落结构的环境因子。裂痕龟纹轮虫、冠饰异尾轮虫等对水体中氮磷的相关性极为显著,可参考作为妫水河水环境的指示性物种。

(4)基于生物多样性对妫水河水质进行水质生态学评价,结果表明2017年妫水河水质为中到重污染状态,亟需开展水环境治理工作。

致谢：感谢罗明科、李阳、蔡怡清在野外采样中给予的帮助。