贾鲁河流域生物多样性评估及群落形成机制

孙捷 成厚城 刘启轩 王志宽

（1. 苏州首创嘉净环保科技股份有限公司，江苏苏州 215000；2. 东南大学化学化工学院，江苏南京 211189）

1 引言

河流是自然界的重要组成部分，具有调节气候、维持生物多样性等多种功能［1］。然而，随着社会发展，河流生态系统受到不同程度的破坏，河道生态健康问题逐渐受到重视。

随着人们对河流生态的认知逐渐加深，单一的水质管理模式已逐渐转化为生态健康管理［2］。浮游生物对河流的物化因子的变化相当敏感，环境的变化会导致其种类及数量的变化［3-4］，其群落结构的变化又会影响生态系统的能量流动、信息传递等［5-6］。因此浮游生物常被国内外学者作为生态健康的指示物种应用于河流健康评价的研究。

贾鲁河流经新密市、郑州市，中牟、尉氏、扶沟、西华等县市，在周口市汇入沙颍河，最终汇入淮河。全河道长度约为246 km，面积5 896 km2。双洎河是贾鲁河最大的支流。贾鲁河受纳金水河、索须河、熊耳河、七里河、东风渠等河流的水体。另外，由于自然条件限制，贾鲁河径流稀少，河道水体除天然降雨补给外，沿线城市污水尾水亦为河道的主要补给水。由于以上原因，贾鲁河流域处于污染状态。据调查显示，贾鲁河流域面积占淮河的1/49，污染负荷却占淮河的1/9［7］。以往对贾鲁河的研究仅是对化学指标的检测，如氨氮、总磷的水质指标监测，但研究表明，单纯依靠化学指标难以反映河道健康水平［8］。因此，需要评估贾鲁河流域的生物结构，以实现贾鲁河流域的生态健康管理的目的。

本研究以贾鲁河流域为对象，对贾鲁河浮游生物的群落结构进行调查，分析了浮游生物的种类、丰度和生物多样性，对贾鲁河流域的水质变化也进行了同步监测，可为贾鲁河流域的生态健康管理和修复提供一定的依据。

2 材料与方法

2.1 研究区域及采样点设置

采样时间为2014 年8 月至2016 年8 月的春季（4 月）、夏季（8 月）、秋季（11 月）、冬季（1 月）。采样点为贾鲁河主要断面，采样地点为索须河与贾鲁河交汇口P0（113°43′45.7″E，34°52′6.7″N），金水河入贾鲁河口绿博园处P1（113°32′54.2″E，34°45′41.9″N），中牟县陈桥断面P2（114°06′32.2″E，34°40′54.3″N），扶沟县双洎河入贾鲁河口P3（114°20′11.8″E，34°09′21.4″N）。

2.2 浮游生物的采集和处理

（1）使用25 号（孔径0.064 mm）生物网和13 号（孔径0.112 mm）生物网分别对浮游植物和浮游动物进行采集。（2）样品收集至样品瓶中并用4%甲醛溶液固定。（3）静置48 h 后浓缩镜检。

2.3 理化指标检测

溶解氧、pH 值用HACH DR2800 现场进行测量。总磷（TP）、氨氮（NH3－N）、总氮（TN）、化学需氧量（COD）等采用国标法检测，见表1。

表1 测定方法

2.4 数据分析

物种丰度指数使用Shannon－Wiener 多样性指数进行计算，公式如下：

Shannon－Wiener 多样性指数＝－∑（Pi）（log2Pi）式中，Pi代表样品中属于第i 种浮游生物个体比例。

Shannon－Wiener 多样性指数评价标准：0～1 为重污染；1～2 α 为中污染；2～3 β 为中污染；＞3 为轻污染或无污染。

3 结果

3.1 浮游植物种类特征

3.1.1 浮游植物种类

在P0，P1，P2 和P3 断面中，共鉴定出5 门33 种浮游植物。其中，绿藻门种类数最多，占总种类数的51.5%；蓝藻门、隐藻门和硅藻门占比均为15.1%。贾鲁河流域浮游植物种类数具有季节性差异，其中，夏季最多，冬季最少，呈现出夏季＞秋季＞春季＞冬季的趋势，见图1。

图1 贾鲁河流域各季节浮游植物种类组成

3.1.2 浮游植物丰度变化

贾鲁河流域4 个季节的浮游植物丰度变化范围为4.87×106～18.60×106int/L，各取样点丰度变化见图2。夏季贾鲁河流域浮游植物丰度最大，冬季最小；蓝藻门丰度最大，其次为绿藻门。从空间尺度上分析，贾鲁河流域浮游植物丰度最高值在P0 采样点，最低值在P1 采样点。由图2b 可知，浮游植物丰度在4个采样点呈现为P0＞P3＞P2＞P1。

图2 贾鲁河流域各取样点丰度变化情况

3.1.3 浮游植物多样性变化

贾鲁河流域的浮游植物Shannon－Wiener 多样性指数见图3。Shannon－Wiener 多样性指数在0.86～3.20 之间，在季节上表现为夏季较低、冬季较高的趋势。从空间上来看，Shannon－Wiener 多样性指数在P1 点最高，P0 点最低。多，为6 种属，轮虫为3 种属，枝角类为1 种属，桡足类为1 种属，分别占总种类数的54.5%，27.3%，9.1%，9.1%。在贾鲁河流域的4 个断面中，浮游动物种类数具有季节性差异，其中，夏季最多，冬季最少，呈现出夏季＞秋季>春季＞冬季的趋势，见图4。

图3 贾鲁河流域浮游植物Shannon－Wiener 多样性指数

图4 各季节浮游动物种类组成

3.2 浮游动物种类特征

3.2.1 浮游动物种类

在贾鲁河流域的4 个断面中，浮游动物种类一共四大类11 种（见图4），其中，原生动物种类数最

3.2.2 浮游动物丰度变化

4 个季节里贾鲁河流域浮游动物丰度变化为1.78×106～26.28×106int/L，各季节平均丰度变化如图5a 所示。浮游动物丰度时间分布为夏季最大、冬季最小。此外，在各个季节，原生动物丰度最大，其次为轮虫。在空间尺度上，贾鲁河流域浮游动物丰度在P0 采样点最高，最低值在P1 采样点。由图5b 可知，浮游植物丰度空间尺度上4 个采样点呈现为P0＞P3＞P2＞P1，与浮游植物丰度出现相同趋势。

图5 浮游动物丰度变化情况

3.2.3 浮游动物多样性变化

贾鲁河流域的浮游动物Shannon－Wiener 多样性指数分布如图6 所示。Shannon－Wiener 多样性指数在0.75～2.98 之间，呈现夏季多样性指数较低、冬季多样性指数较高的趋势。从空间角度分析显示，各断面浮游动物Shannon－Wiener 多样性指数的最高值出现在P1 采样点，最低值出现在P0 采样点，Shannon－Wiener 多样性指数从大到小排序为P1＞P2＞P3＞P0。

图6 各季节贾鲁河流域浮游动物Shannon－Wiener多样性指数分布

3.3 贾鲁河流域水环境特征

对夏季贾鲁河流域上下游的4 个采样点进行水环境因子检测，检测结果见表2。从表2 可以看出，夏季贾鲁河流域水体的溶解氧含量在P0 地区是最低的，且差异较大，其他3 个采样点之间无太大差异。COD 呈现类似的变化情况，在P0 采样点COD 是最低的，其他3 个采样点之间无太大差异。P0 采样点的NH3-N 和TP 含量均是最高的，P1 最低，NH3-N和TP 含量从大到小的排序都表现为P0＞P3＞P2＞P1。硝态氮含量也是P0 处最高，而检测到的硝态氮含量最小值在P2 处，4 个断面从高到低排序为P0＞P3＞P1＞P2。从表2 可知，2014 年到2016 年期间，贾鲁河流域夏季的水体溶解氧含量逐年升高；COD 在不同年份变化不大；NH3-N，TP 和硝态氮含量在2014 年到2016 年都表现为一致的规律，检测到的数值逐年下降。

4 讨论

贾鲁河受地理因素限制，自然径流缺乏，补给水流以郑州市和开封市城区排放的污水为主，占河流总水量的80%，水体黑臭和蓝藻水华问题频发［8］。此外，贾鲁河流域的生态环境复杂，除受到郑州市和开封市的人为影响外，同时还受到与南水北调工程相连的支流金水河汇入的影响。

普遍认为水体中TP 含量大于0.02 mg/L，是水体富营养化的特征［9-11］。贾鲁河夏季TP 浓度高于公认水体富营养化阈值的10 倍以上。处于郑州市区的P0 处NH3-N，TP 水平高于其他3处。吴菲等［12］的研究指出，水体中NH3-N，TP 等营养盐的含量与周围人类活动的大小密切成正相关，周围人口越多，汇入的营养盐越多。此外，有金水河汇入的P1 断面处NH3-N，TP 水平最低，而P2 和P3 处NH3-N，TP 水平又随着污水的流入升高。可能的解释是清洁的金水河自然水体的汇入，使贾鲁河NH3-N，TP 等营养盐稀释，河流的水质得到改善［12］。此外，2014 年至2016 年期间，贾鲁河流域夏季NH3-N、硝态氮和TP不断降低，而水体溶解氧含量不断上升，表明贾鲁河的水质得到改善［13］。

对贾鲁河流域2014 年8 月至2016 年8 月3 年4 个季度进行调查采样，共鉴定出浮游植物33 种、浮游动物11 种，浮游植物以耐污型的蓝藻和绿藻为主，浮游动物则为原生动物和轮虫占绝对优势，表明贾鲁河流域的富营养水质为耐污水生物的生长、繁殖提供了理想场所［14］。并且在人类活动更为密集的P0 处，浮游生物丰度明显高于其他3 处采样点，而金水河入贾鲁河口的P1 处浮游生物丰度最低。周彦锋等指出，水体中NH3-N，TP 等营养盐的含量是影响浮游生物群落分布的主要影响因子［15］。此外，有研究认为，蓝藻门中的颤藻属、微囊藻属，绿藻门的小球藻属和原生动物等耐污物种与营养盐有较好的相关性，本研究的发现与之相似［16］。在本研究中，发现浮游生物的丰度与贾鲁河流域污染程度相关。

对贾鲁河流域浮游生物的多样性进一步分析发现，不同季节浮游植物和浮游动物的丰度都表现为夏季＞秋季＞春季＞冬季。此外，在金水河汇入贾鲁河的P1 处浮游生物Shannon－Wiener 多样性指数明显高于其他采样点。一些报道认为，Shannon－Wiener 多样性指数越高，表明该区域水体的生物复杂性越高、水质越好［17］。另外，本研究的结果显示，处于郑州市市区的P0 和扶沟县双洎河入贾鲁河口的P3 的Shannon－Wiener 多样性指数明显低于P1 和P2 处，这一结果进一步证实了贾鲁河流域P0 处富营养化的程度最高，P1 处富营养化程度最低。

本研究发现贾鲁河流域在浮游生物群落及其环境因子上呈现出显著的时间和空间特征。人类活动和支流水体的汇入对贾鲁河流域浮游生物的丰度起重要作用。此外，在贾鲁河流域，郑州市城区的P0 采样点污染最严重，藻类以有害的蓝藻为优势种，浮游动物以耐污染的原生动物为主，而金水河汇入点P1的污染程度最低。本研究的结果有助于相关部门进一步了解贾鲁河污染状况，为污染治理提供了依据。