北戴河国家湿地公园后生浮游动物功能群季节分布及影响因子

周静，肖国华，武大勇，王军霞，刘存歧

(1.河北大学 生命科学学院，河北 保定 071002；2.河北省海洋生物资源与环境重点实验室， 河北 秦皇岛 066200；3.衡水学院 河北省湿地生态与保护重点实验室，河北 衡水 053000)

浮游动物在水中营浮游生活，其个体微小,种类及数量繁多，包括原生动物、轮虫、枝角类和桡足类，是海洋、湖泊、水库、河流、湿地等多种类型水域生态系统的重要组成部分[1].由于传统分类学在物种识别方面的局限性，导致以浮游动物为对象进行的水生态系统物质循环、能量流动和信息传递等研究仍有不足，因而提出了浮游动物功能群的概念[2].作为经典食物网的3大主要研究对象——轮虫、枝角类及桡足类是依据其在生态系统中的作用进行功能群划分的[3-5].浮游动物功能群的研究开始于海洋生态系统，而淡水浮游动物功能群的研究则兴起于加拿大、美国、巴西以及意大利[6].海洋浮游动物功能群的研究以简化食物网为主要目的[7]，探析浮游动物功能群对全球气候变化的响应[8-9]、海洋生态系统内部变化[10]及生态系统模型的应用[11-12].淡水浮游动物功能群的研究多集中于水库、湖泊、河口等[13]，探明其对水环境因子、气候变化、人类干扰活动的响应[14]及水体内生物间的关系[15-17]，包括浮游动物功能群对浮游植物功能群的控制效应.

地理因子和环境因子对浮游动物不同类群的影响有尺度效应[18-19].水体理化因子、形状及人为干扰程度均会对栖居于此的浮游动物产生影响[20-22].湿地是地球三大重要生态系统之一，享有“地球之肾”的美誉，其蕴藏着丰富的自然资源，具有很高的生态价值.滨海淡水湿地作为陆地与海洋之间的过渡地带，具有高度的空间异质性以及“边缘效应”.其生态环境相对脆弱，易受到人类活动的干扰，但其生物资源非常丰富，具有很高的科研价值[23-25].北戴河国家湿地公园为典型滨海淡水湿地，其占地306.7 hm2，其中湿地面积168.7 hm2，占公园总面积的55%.植物区系属于泛北极植物区的中国-日本植物亚区，生物资源丰富.于2019年对其24个样点进行4个季节的后生浮游动物及水环境调查，研究后生浮游动物功能群的季节演替及其驱动因子，为研究地的后续保护以及浮游动物资源合理利用提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 采样时间与样点设置

北戴河属暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，阳光充沛，雨量适中，无明显极端天气.北戴河国家湿地公园地处39°50′1″～39°51′2″ N，119°29′38″～119°31′33″ E，是典型的滨海淡水湿地.本研究于2019年4月(春季)、7月(夏季)、9月(秋季)、11月(冬季)对北戴河国家湿地公园进行采样调查，共设置24个采样点：S1～S13及S22～S24为坑塘；S14～S16为自然河流；S17～S21为人工排水渠(图1).

图1 北戴河国家湿地公园采样点示意Fig.1 Map of sampling sites in Beidaihe national wetland park

1.2 样品采集与处理

1.2.1 后生浮游动物定性定量样品

后生浮游动物的定性采集，选用25号浮游生物网于水下以“∞”方式进行数次拖曳，将浓缩于网头的水样收集于50 mL聚乙烯采样瓶内；后生浮游动物的定量采集，选用5 L规格的采水器采60 L水样用25号浮游生物网过滤，待水样全部滤过生物网，打开生物网收集杯的阀门，将富集于收集杯的水样收集到50 mL聚乙烯采样瓶内，现场加入体积分数4%的甲醛溶液进行固定，标记好采样时间及采样点名称，注明样品类别，带回实验室进行镜检.在显微镜(奥林巴斯BX53F)下进行后生浮游动物的分类和计数.

其中，N为1 L水中后生浮游动物数量(ind./L)，X为水样中后生浮游动物个体数(个)，V为采样体积(L)，Va为浓缩后体积(mL)，本实验中的浓缩后体积为15 mL，Vb为计数体积(mL).后生浮游动物生物量的计算参照文献[26]中的平均湿重计算.

1.2.2 理化指标样品

选用1 L规格的采水器在水下50 cm处采集水样，置于1 L聚乙烯采样瓶内，标记好采样时间及采样点名称，带回实验室进行理化指标测定.其中水温(WT)、溶解氧(DO)、电导率(EC)、pH、氧化还原电位(ORP)、盐度(Sal)、浊度(Tur)使用YSI EXO2多参数水质分析仪现场测定并记录；透明度(SD)使用塞氏盘现场测定；氨氮(NH4—N)采用纳氏试剂分光光度计法测定；总氮(TN)采用海能K1100凯氏定氮仪测定；化学需氧量(COD)采用重铬酸钾氧化法使用哈希DR3900分光光度计测定；总磷(TP)采用钼酸铵分光光度计法测定；碱度(Alk)采用青岛聚创JC-TA-211碱度测试仪测定；叶绿素a(Chla)使用PHYTO-PAM测定.

综合营养状态指数(TLI)依据Chla、COD、TP、TN、SD等5项指标计算[27].综合营养状态水平采用0～100进行分级：0～30为贫营养；30～50为中营养；50～60为轻度富营养；60～70为中度富营养；70以上为重度富营养.

1.3 数据处理与分析

1.3.1 数据处理方法

对后生浮游动物功能群生物量及理化因子数据进行分析处理，利用相似性分析(analysis of similarities，ANOSIM)检验不同季节后生浮游动物功能群组成差异显著性.利用非度量多维尺度分析(non-metric multidimensional scaling，NMDS)分析后生浮游动物功能群的季节分布.为了检验不同理化因子对后生浮动物功能群在全年和不同季节的影响，分别进行了Mantel检验和冗余分析(redundancy analysis，RDA).做RDA前先进行了去趋势对应分析(detrended correspondence analysis，DCA)，由于第1轴的Lengths of gradient小于3，故选择RDA，若大于4则选择典范对应分析(canonical correspondence analysis，CCA)，若为3～4，2种方法均可，RDA分析结果只保留了显著的环境因子.为了确定4个季节不同类型理化因子和后生浮游动物功能群之间的联系，构建了偏最小二乘路径模型(partial least squares-path modeling，Pls-pm).除pH外的理化因子在分析前均进行lg(x+1)转化.以上分析均通过R软件(version 3.6.3)实现，分别使用“vegan”包和“plspm”包，并通过“ggplot2”包进行可视化[28-30].

1.3.2 后生浮游动物功能群划分

根据后生浮游动物的个体大小、摄食习惯及食性对其进行功能群划分，共划分出8个功能群[31-33]：轮虫滤食者(RF)、轮虫捕食者(RC)、小型浮游动物滤食者(SCF)、小型浮游动物捕食者(SCC)、中型浮游动物滤食者(MCF)、中型浮游动物捕食者(MCC)、大型浮游动物滤食者(LCF)、大型浮游动物捕食者(LCC).

2 结果与分析

2.1 水环境因子

各理化因子呈不同季节变化(表1).pH全年整体偏碱性，春夏季波动水平相近，冬季略高；秋季呈弱酸性.Alk与Sal呈相反的变化趋势，Sal水平略高于淡水.综合营养状态指数结果年平均值为68.92±0.94(平均值±标准误差)，秋、冬季节高于春、夏季节，研究地水体呈中重度富营养化水平.

表1 北戴河国家湿地公园理化因子(平均值±标准误差)

2.2 后生浮游动物功能群种类、密度及生物量

本次调查共鉴定出后生浮游动物95种，划分为8个功能群，其中包括RF 57种、RC 2种、SCF 10种、SCC 4种、MCF 11种、MCC 8种、LCF 2种、LCC 1种.后生浮游动物功能群平均密度呈季节性变化，春季最高，为(85.14±22.39)ind./L；夏、秋2季次之，分别为(63.53±12.61)、(65.19±13.10)ind./L；冬季最低，为(44.43±8.51 )ind./L. 从密度上看，春、夏、秋3季RF功能群为优势，冬季RC功能群为优势. 生物量夏、秋2季高于春、冬2季，夏、秋2季分别为(378.20±102.78)、(377.89±66.59)μg/L，春、冬2季分别为(119.13±22.95)、(175.79±49.17)μg/L. 从生物量上看，春季SCF功能群为优势，夏、秋、冬3季SCC功能群为优势(图2).

图2 后生浮游动物功能群生物量季节演替Fig.2 Seasonal succession of biomass of metazoan zooplankton functional groups

2.3 后生浮游动物功能群季节分布特征

ANOSIM结果(表2)显示，后生浮游动物功能群夏、秋季差异不显著(Globalr=0.003，P=0.346)；春季与夏季、春季与秋季、春季与冬季差异显著(Globalr=0.274、0.457、0.557，P<0.001)；夏季与冬季、秋季与冬季差异显著(Globalr=0.129、0.142，P<0.01).

表2 不同季节后生浮游动物功能群相似性分析

与ANOSIM结果一致，NMDS分析结果(图3)显示，春季后生浮游动物功能群组成与夏季、秋季、冬季差异显著.

图3 不同季节后生浮游动物功能群非度量多维尺度分析Fig.3 Non-metric multidimensional scaling (NMDS) analysis of metazoan zooplankton functional groups in different seasons

2.4 后生浮游动物功能群季节分布驱动因子

Mantel检验结果(图4)显示，非营养盐理化因子对后生浮游动物功能群的影响更强.图4中只保留了Mantel检验显著(P<0.05)的结果，WT对除LCF功能群以外的其他功能群均有影响；Alk对除MCC功能群以外的其他功能群均有影响，其中对SCC功能群有显著影响；ORP对LCC、MCF、RC功能群有影响；Sal对MCC、MCF功能群有影响；EC、Tur对MCF功能群有影响.

图4 后生浮游动物功能群分布驱动因子Fig.4 Driving factors of distribution of metazoan zooplankton functional groups

RDA分析结果显示(图5)，对后生浮游动物功能群分布有显著影响的环境因子有季节差异，春季Alk和WT相关性显著；夏季pH相关性显著；秋季Chla相关性显著；冬季Alk相关性显著.由此可见不同季节显著相关的驱动因子均为非营养盐类环境因子.

a.春季；b.夏季；c.秋季；d.冬季.图5 不同季节后生浮游动物功能群与环境因子冗余分析Fig.5 Redundancy analysis (RDA) between metazoan zooplankton functional groups and environmental factors in different seasons

Pls-pm采用营养盐、理化指标、叶绿素a(代表浮游植物生产力)以及后生浮游动物功能群4个初始模块进行路径分析.结果显示(图6),营养盐对浮游植物一直存在正效应，夏季最强，冬季最弱，路径系数分别为

a.春季；b.夏季；c.秋季；d.冬季.图6 不同季节偏最小二乘路径模型Fig.6 Partial least squares path modeling(Pls-pm) in different seasons

0.452、0.485、0.179和0.065；营养盐对后生浮游动物功能群于春、秋、冬3季有负效应，路径系数分别为-0.043、-0.125和-0.171，夏季有正效应，路径系数为0.347；理化指标对营养盐、浮游植物以及后生浮游动物功能群春季有正效应，路径系数分别为0.666、0.528和0.520，夏季有负效应，路径系数分别为-0.689、-0.467和-0.980，秋、冬季理化指标对营养盐有负效应，路径系数分别为-0.655和-0.539，对浮游植物和后生浮游动物功能群有正效应，路径系数分别为0.588和0.520、0.514和0.455；浮游植物对后生浮游动物功能群仅在夏季有负效应，路径系数为-0.954，春、秋、冬季有正效应，路径系数分别为0.101、0.094和0.292.

3 讨论

3.1 后生浮游动物功能群季节分布

北戴河滨海淡水湿地后生浮游动物功能群季节分布明显，ANOSIM和NMDS分析结果同时显示后生浮游动物功能群组成春季与夏、秋、冬3季有显著差异.全年密度春季高于夏、秋季，冬季最低；RF功能群春、夏、秋3季密度最高，RC功能群冬季密度最高.RF功能群由小型滤食性轮虫(<300 μm，以细菌、藻类和有机质为食)组成，RC功能群由小型捕食性轮虫(<300 μm，以原生动物、其他轮虫和小型甲壳动物等为食)组成，该2类功能群个体体型微小、种类多，可以孤雌的方式繁殖，分布范围广，可在短时间内达到很高的密度[34-36].

全年生物量夏、秋季明显高于春、冬季，SCF功能群春季生物量最高，SCC功能群夏、秋、冬3季生物量最高.SCF功能群由小型浮游动物滤食者(<0.7 mm，以细菌、藻类、有机质和原生动物为食)组成，SCC功能群由小型浮游动物捕食者(<0.7 mm，以轮虫、枝角类、双翅目昆虫、寡毛类为食)组成，该2类功能群主要由大型轮虫和小型桡足类组成，虽然其各季节密度略低于RF和RC功能群，但由于个体体型更大所以生物量更高[31,37].

结合现有研究，温度的季节变化是影响功能群分布的基础因素，随着温度的升高由大型后生浮游动物组成的功能群生物量同步提升[38]；而由于研究地水体富营养化程度较高，后生浮游动物小型化的趋势明显，因此由小型后生浮游动物组成的功能群在全年占优势[39].

3.2 后生浮游动物功能群驱动因子

之前的研究中，海洋浮游动物群落结构的主要驱动因素包括水温和盐度[40]，淡水浮游动物群落结构的主要驱动因素则是水温[41]，滨海淡水湿地界于海洋与大陆之间，生境独特，水质有别于海洋与淡水.研究地盐度值略高于淡水，功能群组成以广盐性种类为主，碱度值适合水生生物的生长[42].Mantel检验结果显示碱度对除MCC功能群以外的其他功能群有普遍影响.对优势功能群影响尤其明显，有研究表明碱度对浮游动物密度有直接影响[43].碱度受水体中光合作用、呼吸作用和微生物影响，对维持pH稳定有明显作用.pH波动主要是由于春夏季藻类大量繁殖，光合作用会吸收大量二氧化碳，影响水体中二氧化碳溶解的动态平衡；秋季藻类数量减少但浮游动物对其捕食压力并不明显减少，对二氧化碳的吸收量大幅下降，加之大量落叶沉积，导致水体弱酸性[42].

Pls-pm结果表明，非营养盐类环境因子是影响浮游动物功能群季节演替的主要因子，同时Mantel检验结果显示在全年尺度上非营养盐类理化因子对后生浮游动物功能群的影响更强，前人研究中也有证据表明在河流中非营养盐类环境因子是影响浮游动物群落结构的主要因子[44].

综上，滨海淡水湿地小型个体组成的功能群在全年密度和生物量中均占优势.后生浮游动物功能群组成春季与其他3个季节有明显差异.非营养盐类环境因子为后生浮游动物功能群季节演替主要驱动因子；营养盐类环境因子对后生浮游动物功能群季节演替影响较小.