居延海浮游生物群落特征与水质评价

曾亚英，王晓清，杜海波，阿拉腾格日勒，吴 芳，肖何威，徐启昂

（1.内蒙古阿拉善盟农畜产品质量安全中心，内蒙古 巴彦浩特 750306；2.湖南农业大学动物科学技术学院，湖南 长沙 410128；3.内蒙古阿拉善盟腾格里经济技术开发区综合行政执法局，内蒙古 嘉尔嘎勒赛罕 730712）

在湖泊生态系统食物网中，浮游生物作为关键的组成部分，能够对水域生态系统的初级生产力进行调节。浮游植物为水生态系统中的生产者，对生态系统中能量的流动、物质的有效循环具有重要作用，其群落结构组成对水质变化能够迅速做出预警指示。浮游动物营养方式表现为一定的特殊化和多样化，作为整个食物链的次级生产者，其食物主要是浮游植物，同时会成为一些大型水生动物或鱼类的食物，有利于初级生产和次级消费的相互结合，也能够为河流生态系统传递物质和能量[1-2]。此外，浮游动物群落对水环境变化也能迅速做出反应。因此，有很多研究者利用浮游生物的群落结构特征评价水质变化[3-4]。

居延海位于内蒙古阿拉善盟额济纳旗北部的荒漠草原，湖面海拔879 m，是黑河流域弱水水系的一个尾闾湖泊，主要是由祁连山的融雪、雨季山洪和泉水汇集而成，并依靠黑河每年2次全线闭口，集中下泄、调水补充水源。居延海是黑河下游绿洲生态系统重要的支撑点，绿洲生态系统稳定性的重要指标及影响因素主要由其水质决定。居延海对额济纳旗生态环境具有十分重要的意义，湖区周围的地貌、气候、植被和人类活动等诸多因素也会影响其水质。经研究发现，地表水环境因子在时空分布上存在较大差异[5]。陈颖等[1]分别采用Shannon-Wiener多样性指数和Pielou指数法，分析增塘水库浮游生物的多样性和均匀度，并通过综合分析上述指数对增塘水库的水环境质量初步评价。魏洪祥等[6]通过分析浮游植物优势种、污染指示种、浮游植物丰度、Shannon-Wiener多样性指数及综合营养状态指数对水丰水库水质进行了评价。尽管有学者对居延海的水质进行过研究[7]，但目前仍未见利用浮游生物与水质理化指标综合评价水质的报道。因此，本试验对居延海浮游生物、水质理化指标展开了季节性调查，并运用水质指标单因子指数评价浮游生物污染指示种、优势种、多样性指数、丰富度指数等综合评价居延海水质，以期为该水域环境研究提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 样品采集方法

2020年11月—2021年9月按照春（4月）、夏（7月）、秋（9月）、冬（11月）四季，在位于居延海的东、西、南、北4个方位以及湖中心设置5个采样点采样，分别为湖的东部（42°18′15″N，101°16′47″E），湖的南部（入水口，42°16′44″N，101°14′22″E），湖的西部（42°17′36″N，101°13′25″E），湖的北部（42°19′45″N，101°15′50″E），湖中心（42°18′40″N，101°15′56″E）。第1次采样使用GPS定位，以后每次都在相同的地点采样。

1.2 调查方法

1.2.1 水质理化指标调查方法

水质调查按照《内陆水域渔业自然资源调查手册》的要求采样，监测项目包括水温（WT）、pH值、透明度（SD）、溶解氧（DO）、高锰酸盐指数（CODMn）、氨态氮（NH3-N）、总氮（TN）、总磷（TP）、亚硝态氮（NO2-N）、硝态氮（NO3-N）、生化需氧量（BOD5）等指标。水温、pH值、SD在现场测定，pH值用玻璃电极法，SD采用塞氏盘法测定，其他指标按照水质测定项目要求，加固定水样试剂后带回实验室进行检测分析。水质监测项目均为采水器在水面下0.5 m处采样，样品的分析和保存方法参照国家标准[8]进行。

1.2.2 浮游生物调查方法

浮游生物调查按《淡水浮游生物调查技术规范》（SC/T 9402—2010）的要求并参照白禄军等[9]研究中的方法进行水样的采集和固定。因水体较浅，未分层采集，各采样点均取中上层水样。浮游植物取水样5 L，用25#浮游生物网过滤定容到1 L，现场加4%福尔马林和1%鲁哥氏液固定，带回实验室浓缩定容至30 mL，用浮游植物计数框计数，每个采样点水样计数3片，全片计数，取平均值。原生动物、轮虫等小型浮游动物的采样方法与浮游植物相同，取0.5 mL用浮游动物框全部计数，计数3片，取平均值。枝角类、桡足类等较大浮游动物取水样10 L，用25#浮游生物网过滤定容到1 L，现场加4%福尔马林固定，带回实验室浓缩定容至30 mL，取1 mL用浮游动物框全部计数，计数3片，取平均值。

浮游植物、原生动物、轮虫定性样品用25#浮游生物网在表层缓慢拖曳采集，浮游动物定性样品用13#浮游生物网在表层缓慢拖曳采集，现场加固定液后带回实验室进行定性分析。定量样品在定性采样之前采集。

1.3 数据处理

1.3.1 浮游生物数据处理

浮游生物密度的计算公式为

式中，N为浮游生物密度；V为1 L水样经浓缩后的体积（mL）；v为计数框的容积（mL）；Pn为每片计数所得个数。

生物量计算时参照参考文献［10］进行计算，换算公式为

浮游生物的物种多样性指数选用优势度值（index of dominance，Y）[11]、香农-威纳多样性指数（Shannon-Wiener index of diversity，H′）、丰富度指数（Margaret′s index of abundance，D）表示。计算公式分别为

式中，ni为第i种的总个体数；N为所有物种的总个体数；fi为第i种在各个采样点出现的频率；S为物种数；Y＞0.02定为优势种。

1.3.2 水体理化因子指数评价

单个项目营养状态指数计算公式为

式中，TLI（TP）为总磷营养状态指数；TLI（TN）为总氮营养状态指数；TP为总磷含量；TN为总氮含量。

采用单因子指数评价方法，依据《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）的要求进行评价与分析。

2 结果与分析

2.1 水体理化因子变化与评价

由表1可知，居延海水体全年水温为6.0～23.6℃，SD为0.45～1.08 m。国际上通常认为SD小于0.50 m是富营养化湖泊的重要特征[12]，可见居延海夏季水质呈现富营养化趋势。根据国家《地表水环境质量标准》对水体理化因子进行评价，居延海全年DO含量为5.86～7.40 mg/L，符合Ⅱ～Ⅲ类水质标准；全年CODMn含量为2.48～2.66 mg/L，符合Ⅱ类水质标准；全年NH3-N含量为0.13～0.55 mg/L，符合Ⅱ～Ⅲ类水质标准；全年TP含量为0.024～0.026 mg/L，符合Ⅱ类水质标准；全年TN含量为0.97～2.48 mg/L，其中，春、夏、秋季TN含量都超过《地表水环境质量标准》中规定的Ⅴ类水2.0 mg/L的标准，显示出居延海氮污染严重；全年NO2-N、NO3-N、BOD5含量均属于Ⅰ类水质标准，全年 TLI（TP）为 33.79～35.09，全年TLI（TN）为 54.01～69.92。

表1 居延海水体理化因子的时间变化

由表2可知，各采样点水温、pH值、DO、CODMn和BOD5差异不明显，符合Ⅲ类水质标准，水体总体呈弱碱性，符合北方湖泊水体特征。由于底层沉积淤泥和沙子较多，各采样点透明度的差异较大，为0.54～1.10 m。NH3-N 为 0.09～1.11 mg/L，以湖的北部采样点最高，该采样点位于水环境监测站，由于旅游季节时船只大量停靠，人的活动频繁，可能会造成NH3-N值较高。TP为0.017～0.034 mg/L、TN为1.63～2.26 mg/L，均以湖的南部（进水口）采样点最小，湖中心采样点最大。湖的西部采样点NO2-N、NO3-N含量均远远高于其他采样点。各采样点TLI（TP）为28.19～39.45、TLI（TN）为62.81～68.34。

表2 居延海水体理化因子的空间变化

2.2 浮游生物群落结构特征

2.2.1 浮游植物群落结构特征

由图1可知，居延海共检测出浮游植物6门63种，其中，硅藻门（Bacillariophyta）29种，占46.03%；绿藻门（Chlorophyta）21种，占 33.33%；蓝藻门（Cyanophyta）、裸藻门（Euglenophyta）、隐藻门（Cryptophyta）、黄藻门（Xanthophyta）占比较少。湖区浮游植物密度为16.4万个/L，其中，硅藻门密度最高，占比55.37%；其次为绿藻门和蓝藻门，占比分别为28.72%和14.82%；黄藻门、隐藻门和裸藻门密度很低。

图1 居延海浮游植物种类及密度占比

根据公式（4）计算，Y>0.02为优势种，居延海浮游植物优势种为16种，春季5种、夏季10种、秋季11种、冬季7种（表3）。浮游植物全年出现的优势种数量占浮游植物总种数的25.40%，硅藻门6种、绿藻门7种、蓝藻门2种、隐藻门1种，可以推出居延海浮游植物群落结构主要为硅藻－绿藻型。

表3 居延海浮游植物优势种及优势度

2.2.2 浮游植物群落结构特征指数空间分布

浮游植物群落结构特征指数的变化可以在一定程度上反映环境的变化。在水质状况较好的水体，浮游植物种类较多，多样性指数H′和丰富度指数D较大，反之在重污染水体中，浮游植物种类较少，多样性指数H′和丰富度指数D较小。由表4可知，居延海浮游植物全年密度为23.65万～39.26万个/L；全年生物量为0.30～1.04 mg/L，其中，湖的北部采样点最高，为1.04 mg/L，其次是湖中心采样点。湖区各采样点浮游植物多样性指数H′为2.53～2.88，丰富度指数D为2.64～3.08，湖中心采样点的值相比其他采样点高。

表4 居延海浮游植物群落的空间分布

2.2.3 浮游动物群落结构特征

由图2可知，共检出浮游动物2门22种，轮虫类（Rotifera）最多，有16种，占72.70%；桡足类（Cladocera）有6种，占27.30%（图2a）。居延海浮游动物密度为87.30个/L，轮虫类密度为72.29个/L，占比高达82.81%（图2b）。

图2 居延海浮游动物种类及密度占比

根据公式（4）计算，Y>0.02为优势种，居延海浮游动物优势种为17种，春季5种、夏季10种、秋季10种、冬季7种（表5）。浮游动物全年出现的优势种数量占浮游动物总种数的77.27%，轮虫12种、桡足类5种，可以推断居延海浮游动物群落结构主要以轮虫－桡足类为主，没有检出枝角类浮游动物。

表5 居延海浮游动物优势种及优势度

2.2.4 浮游动物群落结构特征指数空间分布

由表6可知，居延海浮游动物全年密度为35.98～131.95 个/L，生物量为 0.27～1.12 mg/L，其中，湖中心采样点最高，为1.12 mg/L；其次是湖的西部采样点，为0.85 mg/L；其他采样点生物量很低，均不高于0.5 mg/L。湖区各采样点浮游动物多样性指数H′为 2.80～3.23、丰富度指数 D 为 2.35～2.93，湖的北部采样点的值相比其他采样点高。

表6 居延海浮游动物的群落空间分布变化

2.3 浮游生物污染指示种状况

根据藻类、浮游动物的出现情况对水质进行评价，将水质分为5级：即α-多污带、β-多污带、α-中污带、β-中污带和寡污带[13]。居延海各采样点浮游生物群落组成、种类检测及水质评价结果见表7。由表7可知，α-多污带指示生物有羽纹藻属（Diploneis sp.）、裸藻属（Euglena sp.），β-多污带指示生物有镰形纤维藻、轮虫属（Rotifer sp.）等，α-中污带指示生物有桥弯藻属（Cymbella sp.）、菱形藻属、龟甲轮虫属（Keratella sp.）等，β-中污带指示生物有布纹藻属（Gyrosigma sp.）、盘藻属（Gonium sp.）、短棘盘星藻（Pediastrum boryanum）、四角藻属（Tetraedron sp.）等，寡污带指示生物有小环藻属（Cyclotella sp.）、等片藻属（Diatoma sp.）。

表7 居延海浮游生物污染指示种分布情况

3 讨论

3.1 根据水体理化指标评价水质状况

参考黄玉瑶[13]的研究，国际上公认发生富营养化的水体TN含量大于0.20 mg/L、TP含量大于0.02 mg/L，而我国湖泊氮、磷含量较高，一般湖泊TN含量为 1.00～5.00 mg/L、TP 含量为 0.02～1.00 mg/L。通过各单项因子评价及全年TLI（TP）、TLI（TN）对居延海水质进行综合评价，居延海为富营养水体，主要表现为氮超标严重。进水口采样点TN含量（1.63 mg/L）相对较低，在冬季从黑河调水之后湖区TN含量（0.93 mg/L）比其他季节低很多。由此可见，外来补充水量是影响居延海湖泊水质营养化程度的重要因素。

使用理化方法和生物学方法对水质等级进行评价的过程中，两种方法的差异十分明显。水生生物在某个水域能够存留一段时间，所以利用两种方法能够详细分析采样之前的水质。但生物自身具备一定的适应能力和耐受能力，随着其在污水中生活时间的不断增加，这种耐受力也会提高，从而导致生物监测结果不能真实反映实际情况。因此，在生物监测中，一般通过定性描述，定量分析比较困难。在水质监测中，要利用生物和理化结合的监测方法，以便获得更可靠、更准确的监测结果。通过化学评价和浮游生物评价调查结果，可为居延海的渔业资源保护利用提供参考，建议采取可持续发展政策，既要充分利用水体自然资源发展渔业，又要加强水质保护，保证资源的循环利用。

3.2 根据浮游生物群落结构评价水质状况

同一水体环境处于不同的营养状况下，浮游生物密度、生物量以及优势种具有差异[14]，因此，可以根据浮游植物生物量、丰度以及优势种群对水质进行评价。何志辉[15]综合国内211个内陆水域调查结果对我国湖泊水库营养型分类做过较详细的调查，并提出以浮游生物生物量评价体营养级别的建议，规定浮游生物生物量小于1 mg/L为贫营养型水质、1～3 mg/L为贫—中营养型水质、3～5 mg/L为中—富营养型水质。居延海的浮游植物年均生物量为0.53 mg/L，属于贫营养型水质。根据湖泊富营养化与藻类密度的评价标准，细胞丰度（浮游植物密度）小于30万个/L的湖泊为贫营养型、30万～100万个/L为中营养型、大于100万个/L为富营养型[16]。居延海全年在各个采样点浮游植物密度为23.65万～39.26万个/L，属于贫—中营养型水质。从藻类优势种评价水质，金藻门种类的大量出现表示水体为贫营养状态，隐藻门表示水体为贫—中营养状态，甲藻门表示水体为中营养状态，硅藻门表示水体为中富营养状态，硅藻门和绿藻门表示水体为富营养状态，蓝藻门和绿藻门表示水体为重富营养状态[6]。居延海浮游植物群落结构以硅藻门占优势，属于中富营养水体。根据浮游动物优势群落评价方法，轮虫类大量出现表示水体为富营养状态，原生动物种砂壳虫属表示水体为非营养化状态，枝角类表示水体为清水无污染状态[17]。居延海浮游动物群落结构以轮虫占优势，属于富营养水体。

浮游生物的水平分布受水流影响很大，较快的水流不利于浮游生物的富集，一定程度使该区域浮游生物数量减少[18]。居延海地处沙漠地带，常年大风，水面流动性大，可能造成调查结果中的生物量和密度偏低。此外，居延海所在区域为鸟类保护区，湖中丰富的鱼类成为鸟类的食物，尤其是上层以浮游动物为食的鲢、鳙幼小鱼苗损失最为严重，导致居延海春季、夏季、冬季桡足类浮游动物大量繁殖，生物量占比较高。轮虫类浮游动物是许多幼鱼和仔鱼的最佳开口饵料，由于没有幼鱼和仔鱼的大量生长和繁殖，导致秋季轮虫类浮游动物大量繁殖。综上所述，根据居延海浮游生物的群落结构特征评价居延海水质状况为中富营养状态。

3.3 根据浮游生物多样性评价水质状况

黄玉瑶[13]研究表明，当Shannon-Wiener多样性指数H′为0～1时，为重污染；H′为1～3时，为中污染；当H′>3时，为轻污染或无污染。以D为判断时，当D>3时，为轻或无污染；D为1～3时，为中污染；D为0～1时，为重污染。居延海全年各采样点的浮游植物Shannon-Wiener多样性指数H′为 2.53～2.88，丰富度指数D为2.64～3.08；浮游动物Shannon-Wiener多样性指数H′为2.80～3.23，丰富度指数D为2.35～2.93。由此判断居延海湖区整体为中污染，有部分季节部分采样点为轻污染或无污染。2个指数评价结果基本一致，说明此判定是真实有效的[19]。

3.4 根据浮游生物污染指示生物评价水质状况

根据浮游生物污染指示种对水质状况评价，由表7可知，居延海湖的北部采样点中污带指示生物种类占总指示生物数的78.95%、居延海湖中心采样点中污带指示生物种类占总指示生物数的72.73%、居延海湖的西部采样点中污带指示生物种类占总指示生物数的70.00%、居延海湖的南部采样点中污带指示生物种类占总指示生物数的71.43%、居延海湖的东部采样点中污带指示生物种类占总指示生物数的80.00%。由指示生物可以看出，居延海每个采样点水质均属于中污带水质。

4 结论

本试验对居延海水体营养状况进行了理化因子评价和浮游生物评价，综合两种评价可知，居延海的浮游生物种类较多，群落结构较稳定，水质污染程度属于中污染水质，营养状态处于中营养状态，只是在个别采样点是中富营养化状态，表明这段水域存在一定程度的污染，但并没有明显向富营养化转化的趋势。依靠湖泊的流动性和其自净能力，通过减少外来营养盐，减少黑河沿岸城市居民生活污水的排放、避免农作物种植区施用的农药和化肥随雨水流入湖区，水质状况会逐渐好转。