巢湖湖区浮游动物群落结构及其水质评价

吴转璋，朱 超，唐 萍，杨晓冉，王 欢，张付海

(安徽省生态环境监测中心，安徽 合肥 230071)

0 引 言

浮游动物具有个体小、数量多、生长周期短、代谢旺盛的特点，既能以浮游植物、碎屑和细菌等为食，也是鱼类和其它一些水生动物的饵料，是水生态系统食物网结构的关键环节，对于整个生态系统的物质循环、能量流动和生物资源的补充等发挥着重要作用，也是水生态系统的重要组成部分[1-4]。浮游动物对环境变化敏感，其种类组成及变化能及时且准确地反映水体生态环境的质量状况，因此浮游动物数量分布和生物多样性指数常用来综合评价水生态环境质量状况[5-6]。

巢湖位于安徽省中部，东西长54.5 km，南北宽21 km，水域面积约760 km2，为我国五大淡水湖之一，属于国家“三河三湖”重点水污染防治水体。近40年来，随着巢湖两岸人口急剧增长和经济快速发展，入湖污染物特别是氮、磷等营养物迅速增加，导致水质急剧恶化，水体富营养化程度严重，蓝藻频发，水生态环境破坏严重。“十三五”期间，合肥市在巢湖治理中注重制度设计、科技支撑、机制创新、生态修复，初步形成了点、线、面相结合的水污染防治体系和适合巢湖湖情的综合治理模式，巢湖流域水质得到一定程度上改善，但巢湖水污染治理和水生态修复还需漫长的过程。目前，关于巢湖水质状况的研究多集中在物理指标和化学指标方面，浮游动物相关指标的研究较少，仅李静等[7]在2013年对春季和夏季巢湖浮游生物群落组成进行了分析，李怀国等[8]在2015年对巢湖水质现状及浮游生物群落结构特征进行了评价，陈倩颖等[9]在2019年对巢湖浮游动物功能群和浮游植物的相互关系进行了探索。本文利用多样性指数和聚类分析方法对巢湖湖区浮游动物群落特征进行分析，以了解不同年份巢湖水质状况及变化趋势，以期为巢湖水环境治理和水生态保护提供理论参考和依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

安徽省生态环境监测中心分别于2019年10月(秋季)、2020年5月(春季)和10月(秋季)对巢湖湖区8个国控监测点位进行了3次水生态环境质量监测。监测点位分别为东半湖5个(巢湖船厂、黄麓、东半湖湖心、兆河入湖区和忠庙)和西半湖3个(新河入湖区、湖滨、西半湖湖心)，其分布示意见图1。

1-巢湖船厂；2-黄麓；3-东半湖湖心；4-兆河入湖区；5-忠庙；6-新河入湖区；7-湖滨；8-西半湖湖心图1 监测点位示意图Fig.1 Schematic diagram of monitoring points

1.2 浮游动物采样、鉴定及分析方法

根据浮游动物密度，Shannon-Wiener多样性指数(H′)和Margalef丰富度指数(D)对巢湖湖区浮游动物的生态学特征进行分析，各项指数的计算公式如式(1)和式(2)[10-12]。

(1)

(2)

式(1)和(2)中：S为浮游动物种类的总数目；pi为第i种个体数与总个体数的比值；N为所有物种个体总数。

Shannon-Wiener多样性指数(H′)和Margalef丰富度指数(D)的评价标准见表1。

表1 Shannon-Wiener指数和Margalef指数的评价标准[10-12]Table 1 Evaluation criteria of Shannon-Wiener index and Margalef index[10-12]

1.3 水质理化因子评价方法

调查期间同步对各监测点位水温、pH、总磷、高锰酸盐指数、溶解氧、氨氮、化学需氧量等主要水质因子进行监测。水质理化因子评价采用内梅罗污染指数法，此方法既考虑了污染指数最大的指标对水体的影响又能更全面的反映水体污染情况[13]。内梅罗污染指数计算公式如下：

(3)

式(3)中：F最大为所有参评指标单因子污染指数的最大值，F平均为所有参评指标单因子污染指数的平均值，P传统为传统的内梅罗污染指数。

传统的内梅罗污染指数水环境质量分级标准如下[14-16]:P传统≤1时，水质清洁；12 时，重度污染。

1.4 数据处理

采用spss23.0软件对各采样点浮游动物种群密度进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 水质因子评价

除总磷、总氮外，各监测点位其他水质因子均满足《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类标准要求，各监测点位总磷、总氮及叶绿素a监测值见表2。2019年10月，总氮全湖均值为0.80 mgL-1，变化范围为0.54～1.39 mgL-1；总磷全湖均值为0.08 mgL-1，变化范围为0.05～0.13 mgL-1；叶绿素a全湖均值为0.101 mgL-1，变化范围为0.068～0.147 mgL-1。2020年5月，总氮全湖均值为1.46 mgL-1，变化范围为1.05～1.97 mgL-1；总磷全湖均值为0.07 mgL-1，变化范围为0.05～0.09 mgL-1；叶绿素a全湖均值为0.015 mgL-1，变化范围为0.010～0.020 mgL-1。2020年10月，总氮全湖均值为1.45 mgL-1，变化范围为1.09～2.27 mgL-1；总磷全湖均值为0.10 mgL-1，变化范围为0.08～0.12 mgL-1；叶绿素a全湖均值为0.011 mgL-1，变化范围为0.006～0.023 mgL-1。从以上分析可知，总氮监测值2020年大于2019年，2020年5月和10月间相差不大；总磷监测值2019年10月与2020年5月相差不大，2020年10月稍大于2020年5月；叶绿素a监测值2020年远远小于2019年，2020年10月与2020年5月相差不大。

采用内梅罗污染指数法对调查期间巢湖湖区水体的主要水质因子进行评价，评价结果见表2。评价结果显示：2019年10月水质清洁点位占比为62.5%，轻度污染占比为12.5%，中度污染占比为25%，全湖整体为轻度污染；2020年5月水质清洁点位占比为25%，轻度污染占比为62.5%，中度污染占比为12.5%，全湖整体为轻度污染；2020年10月轻度污染占比为25%，中度污染占比为75%，全湖整体为中度污染。

表2 巢湖湖区各监测点位水质状况评价结果Table 2 Evaluation results of water quality at each monitoring point in Chaohu Lake

2.2 浮游动物种类组成

在2019～2020年的3次采样调查中，巢湖8个国控点位24个样品共鉴定出浮游动物41种(属)，其中轮虫(Rotifera)16种，占浮游动物种类总数的39.0%；枝角类(Cladocera)11种，占26.8%；桡足类(Copepoda)14种，占34.2%。巢湖湖区各监测点位浮游动物种类数见表3，2020年5月东半湖湖心的物种数最多，共检测到26种，其次是2020年5月的兆河入湖区，共检测到24种；而2019年10月巢湖船厂、新河入湖区和湖滨动物种类数最少，均为14种；各监测点位2020年的动物种类数均多于2019年。总体来看，5月份浮游动物种类数多于10月份，5月份桡足类种类数占优，10月份轮虫种类数占优。

表3 巢湖湖区各监测点位浮游动物种类数Table 3 Number of zooplankton species at each monitoring point in Chaohu Lake

2.3 浮游动物密度

2019年10月巢湖湖区各点位浮游动物密度为250.0～2 932.6个/L(均值1 347.0 个/L)，2020年5月为62.7～1 299.6个/L(均值619.5个/L)，2020年10月为208.5～1 551.2个/L(均值686.7个/L)。从浮游动物密度监测结果可以看出，2020年5月和10月巢湖湖区各点位浮游动物密度显著低于2019年10月，2019年10月东半湖湖心浮游动物密度最大，为2 932.6个/L。

巢湖湖区各监测点位浮游动物各门类密度占比情况见图2。2019～2020 年，巢湖浮游动物的优势类群均为小型物种(轮虫和小型枝角类)为主，包括龟甲轮虫(Keratellaspp.)、多肢轮虫(Polyarthrasp.)、异尾轮虫(Trichocercasp.)、角突网纹溞(Ceriodaphniacornuta)、简弧象鼻溞(Bosminacoregoni)等富营养化指示物种[10,17]。

图2 巢湖湖区各监测点位浮游动物各类群密度占比情况Fig.2 Proportion of density of zooplankton groups at each monitoring point in Chaohu Lake

2.4 浮游动物多样性指数及水质评价

2019年10月巢湖湖区各点位浮游动物Shannon-Wiener多样性指数为1.92～3.38(均值2.89)，2020年5月为2.47～3.27(均值2.82)，2020年10月为2.72～3.20(均值2.93)。

2019年10月巢湖湖区各点位Margalef丰富度指数为1.97～2.77(均值2.46)，2020年5月为2.86～4.59(均值3.38)，2020年10月为2.53～3.52(均值2.98)。

从表4和图3可以看出，巢湖湖区各监测点位Shannon-Wiener多样性指数变化不明显，巢湖湖区各监测点位Margalef丰富度指数2020年大于2019年，春季(5月)大于秋季(10月)，东半湖略大于西半湖。

表4 巢湖湖区各点位浮游动物个体密度、多样性指数及评价Table 4 Zooplankton density,diversity index and evaluation at each monitoring point in Chaohu Lake

用Shannon-Wiener多样性指数对水质进行评价，结果可知：2019年10月清洁点位占比为62.5%，轻度污染占比为25%，中度污染占比为12.5%，全湖整体为轻度污染；2020年5月清洁点位占比为25%，轻度污染占比为75%，全湖整体为轻度污染；2020年10月清洁点位占比为37.5%，轻度污染占比为62.5%，全湖整体为轻度污染。用Margalef丰富度指数对水质进行评价，结果可知：2019年10月全部监测点位及全湖整体均为中度污染；2020年5月轻度污染占比为62.5%，中度污染占比为37.5%，全湖整体为轻度污染；2020年10月轻度污染占比为37.5%，中度污染占比为62.5%，全湖整体为中度污染。2种生物多样性指数评价结果略有差异，综合来看，巢湖湖区2019年10月水质为轻度污染-中度污染，2020年5月为轻度污染，2020年10月为轻度污染-中度污染。

图3 巢湖湖区各监测点位浮游动物多样性指数和丰富度指数变化Fig.3 Changes of zooplankton diversity index and richness index at each monitoring point in Chaohu Lake

2.5 浮游动物密度聚类分析

对巢湖湖区各采样点的浮游动物种群密度进行聚类分析，采用组间联接法进行系统聚类。从图4可以看出，兆河入湖区、新河入湖区、黄麓、忠庙、西半湖湖心、巢湖船厂和湖滨为第一类，东半湖湖心为第二类，第一类中，兆河入湖区、新河入湖区、黄麓和忠庙之间具有很强的自然属性，可初步说明这些点具有相似的水体环境和浮游动物群落，西半湖湖心与上述采样点相接近；同样，巢湖船厂和湖滨水环境相似，也处于第一类中。东半湖湖心单独分为第二类，可判断东半湖湖心水质与第一类具有明显差别。除东、西半湖湖心外，其余点位均靠近河流入湖口，具有相似的地理环境因素，因此出现在同一类群中，而西半湖湖心点位水质较差，也划分在第一类群中。东半湖湖心水质相对较好，且浮游动物种类数和密度显著多于其他点位，因此单独分在第二类。

图4 巢湖湖区浮游动物密度聚类分析Fig.4 Cluster analysis of zooplankton density in Chaohu Lake

3 讨 论

3.1 浮游动物群落结构特征

轮虫具有独特的孤雌生殖方式，能在很短时间内达到很高的丰度，且能快速适应水体水质条件的改变和水文条件的波动，因此，浮游动物群落结构中通常以轮虫群落为主[18]，多项研究成果也表明，中国河流及湖泊水体浮游动物主要以轮虫为主[4,19-21]，这与本研究结论一致。

浮游动物由于其个体小、繁殖快，对水体环境的变化比较敏感，营养盐、温度、食物等的变化都能影响后生浮游动物的群落结构及时空分布[22]。水温是影响浮游动物生长、数量变化和群落组成的一个重要因素[23-24]，本研究3次监测温度变化不大，故温度不构成本次研究浮游动物群落变化的主要影响因素。有关研究表明[25-27]：在理化环境变化剧烈的水体，浮游动物群落结构主要取决于易变的理化环境因子；在环境相对稳定的水体，浮游动物群落结构主要取决于食物等生物因子，叶绿素a是浮游动物的主要食物来源之一，叶绿素a浓度与浮游动物生物量呈正相关。本研究3次监测总磷、总氮等理化因子浓度变化不明显，而巢湖湖区各点位叶绿素a浓度监测值2020年远远小于2019年，这与2020年浮游动物密度显著低于2019年一致。

李怀国等[8]于2015年7月对巢湖浮游动物群落结构调查鉴定出轮虫、枝角类和桡足类共48种，以轮虫为主，浮游动物平均密度为2 734.05个/L；陈倩颖等[9]于2019年7月的调查共鉴定出巢湖浮游动物43 种，以轮虫为主占比53.49%，浮游动物平均密度为1 529个/L，而本次研究2019年10月浮游动物平均密度为1 347.0个/L，2020年5月为619.5个/L，2020年10月为686.7个/L。结合这些研究成果，可以看出巢湖湖区浮游动物种类数变化不大，但浮游动物平均密度随时间推移逐渐变小。在清洁型水体中，浮游动物一般显示种类多，数量少的特点[28]。因此，从浮游动物密度变小的趋势可以看出巢湖水质得到了一定程度上的改善。

蓝藻水华的暴发通常伴随着大型浮游动物种群数量的下降以及轮虫数量的增加[29-31]，巢湖湖区5月份浮游动物种类数多于10月份，5月份桡足类种类数占优，10月份轮虫种类数占优，巢湖湖区各监测点位2020年的动物种类数均多于2019年。根据安徽省巢湖蓝藻水华应急监测工作巢湖水华遥感监测报告，2020年5月份巢湖湖区出现蓝藻水华次数7次，累计水华面积80.19 km2；2019年10月份巢湖湖区出现蓝藻水华次数13次，累计水华面积1 127.12 km2；2020年10月份巢湖湖区出现蓝藻水华次数6次，累计水华面积493.2 km2。巢湖蓝藻水华遥感监测结果与巢湖湖区浮游动物群落结构变化相一致。

3.2 巢湖湖区水质特征

Shannon-Wiener多样性指数评价显示三个监测时间全湖均为轻度污染；Margalef丰富度指数评价显示除2020年5月全湖为轻度污染外，其余两个监测时间全湖均为中度污染；水质理化因子评价结果显示除2020年10月全湖为中度污染外，其余两个监测时间全湖均为轻度污染。以上三种评价方法评价结果略有差异，可以看出不同的水质指标评价体系会得出不同的评价结果，因此在对巢湖水体进行评价时，可以在水质因子评价基础上结合浮游动物多样性指数进行综合评价。

2018年11月安徽省人民政府办公厅印发《巢湖综合治理攻坚战实施方案》，2018 年12 月合肥市印发《巢湖综合治理绿色发展总体规划》(2018—2035年)，巢湖流域严格执行新修订的《巢湖流域水污染防治条例》，编制实施《环巢湖湿地公园群总体规划》，自2020年1月1日起巢湖流域实施全面禁渔。随着新一轮巢湖综合治理推进，巢湖治理成效渐渐显现，但巢湖水质不稳固、水华不可控、生态不平衡等状况尚未根本扭转。本次研究期间巢湖水质处于轻度污染-中度污染状态。因此，需要进一步探索科学有效的巢湖治理措施和水生态修复方法，本次研究可以作为巢湖湖区水生态保护和水污染治理的基础数据。

4 结 论

通过对巢湖湖区浮游动物群落结构的监测与分析，得出以下结论：

(1)本次调查期间共鉴定出浮游动物种类数共有41种(属)，以轮虫(占比39.0%)、枝角类(占比26.8%)和桡足类(占比34.2%)为主要类群。巢湖湖区浮游动物优势类群为以轮虫和小型枝角类为主的小型物种。

(2)调查期间巢湖湖区各监测点位Shannon-Wiener多样性指数变化不明显，巢湖湖区各监测点位Margalef丰富度指数2020年大于2019年，春季大于秋季，东半湖略大于西半湖。结合浮游动物多样性指数水质评价和水质理化因子评价结果可知，巢湖水质处于轻度污染-中度污染状态。

(3)浮游动物密度聚类分析结果显示，巢湖湖区各点位东半湖湖心单独为一类，其余各点位水体环境和浮游动物群落结构区别不大。

(4)需进一步加强巢湖流域点源、线源和面源的治理，削减入湖氮磷污染量，进一步加强蓝藻水华的治理，以改善浮游生物群落结构和保护生物多样性。本次研究仅仅基于2019～2020年3次采样的数据，巢湖湖区浮游动物群落结构及与污染程度之间的内在联系还有待进一步的调查与分析。