清潩河(许昌段)浮游生物群落结构及其与环境因子关系

安婉玉,郝子垚,黎亚辉,于鲁冀,

(1.郑州大学 生态与环境学院,郑州 450001;2.郑州大学 环境政策规划评价研究中心,郑州 450000;3.河南中孚实业股份有限公司,郑州 451252)

浮游植物和浮游动物是水生态食物网的重要组成部分,构成了水生态系统物质循环的基础,对维持食物网丰富性及稳定性具有重要作用［1-2］.浮游生物个体微小、生命力强、繁殖速度快,对环境因子的变化十分敏感,具有较好的指示作用,能够间接反映河流生态系统的生态演替及其他生态过程.目前,对于河流浮游生物的研究主要涉及浮游生物多样性及群落特征［3］、水环境监测［4］、水质评价［1］及新技术的开发利用［2］等.研究浮游生物群落对环境变化的响应过程,对受损河流的生态健康状况评估与管理具有重要意义.

清潩河属于淮河流域沙颍河水系,是许昌市防洪、排涝、纳污的重要河流,污染负荷比高达90%以上,是典型的强人工干扰河流［5］.且河道内闸门众多、结构复杂,河流碎片化严重,纵向连通性较差,兼具流量短缺和环境污染等问题.经过一系列水环境综合整治及河流生态修复工作,清潩河水质已得到明显改善,但水生生物结构尚未完全恢复,通过对清潩河(许昌段)水质及浮游生物状况进行调查,分别采用综合水质标识指数和多样性指数对清潩河(许昌段)进行水质评价,以期为清潩河流域水生生物多样性的恢复及水生态系统的健康发展提供依据.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况与样点设置

清潩河位于东经113°35′～114°05′、北纬33°51′～34°11′,是淮河流域沙颍河水系最大的支流,发源于新郑西沟草原,于长葛官厅乡进入许昌,并于鄢陵县陶城闸汇入颍河.清潩河(许昌段)为资源性缺水河段,年均气温14.3 ℃,年均降水量727.5 mm,丰水期(每年6-9月)降水量占年均降水量的70%.全长79 km,流域面积1 584 km2,主要支流有灞陵河、小泥河、小洪河和石梁河等,由于缺乏自然径流的汇入,支流多为季节性河流.2021年7月,基于河流等级,从上游到下游共选取3个调查河段(13个点位)进行采样,详见附图Ⅰ.

分别为:清潩河干流河段(Q1～Q6);一级支流小泥河河段(X1～X5);二级支流灞陵河河段(B1和B2),灞陵河在X3处汇入小泥河.

1.2 环境因子测定、浮游生物采集与鉴定

浮游植物、原生动物及轮虫的定性样品采用25#浮游生物网采集,现场加入体积分数5%甲醛固定;定量样品采集后现场加入体积分数1%鲁哥试剂固定.枝角类和桡足类定性样品用13#浮游生物网采集,固定方法同上;定量样品加入体积分数5%甲醛试剂,样品带回实验室4 ℃保存,浮游植物使用光学显微镜鉴定与计数,鉴定主要参考文献［7-9］.

1.3 综合水质标识指数和多样性指数计算

1.4 典范对应分析

采用Cannoco 5.0软件进行典范对应分析,将浮游生物优势种密度数据及环境数据进行lg (x+1)转化(pH除外)［13］,并进行去趋势对应分析(Detrended Correspondence Analysis,DCA),同时使用蒙特卡罗检验排除贡献较小的环境因子.经DCA分析,干流浮游动物选择CCA分析,干流浮游植物、支流浮游植物及支流浮游动物选择RDA分析.采用Excel 2019、SPSS 25、Origin 2018及Cannoco 5.0软件进行数据分析及作图.

2 结 果

2.1 环境因子

2.2 浮游生物群落结构

2.2.1种类及密度

本次调查共检出浮游植物8门19目40科95属204种,其中绿藻门、硅藻门、蓝藻门和裸藻门分别为83、67、35、12种,分别占总种数的40.69%、32.84%、17.16%和5.88%;甲藻门和黄藻门各有3种和4种,分别占总种类数的1.47%和0.98%;隐藻门和金藻门仅检出1种,占总种数的0.49%.浮游植物密度变化范围在20.61×104～473.70×104L-1,平均密度126.13×104L-1,不同河段浮游植物群落结构差异较大(图1).其中,干流硅藻优势明显,密度贡献占比高达65.42%;支流绿藻占优势,且在灞陵河汇入后小泥河绿藻的密度占比明显增加,浮游植物密度也明显升高,均值由77.23×104L-1增至268.50×104L-1,但在X5点位,浮游植物密度呈大幅下降,且主要物种由绿藻转变为硅藻.

本次调查共检出浮游动物4门12目31科48属88种,其中,轮虫和原生动物占优势,种类占比达43.18%、27.27%,而枝角类和桡足类种类数相当,分别占15.91%、13.64%.浮游动物密度变化范围在5～191 L-1,平均密度60 L-1,不同河段浮游动物群落密度及物种组成具有一定的差异性(图2).干流以原生动物、桡足类为主,分别占45.21%和32.25%;灞陵河则以桡足类及枝角类为主;小泥河以轮虫为主,但在灞陵河汇入后,枝角类占比有所增加,同时物种数量呈骤增又骤减的趋势.

2.2.2优势种

根据浮游植物优势度计算结果,共筛选出优势种2门12种(附表Ⅱ),干流6种,支流9种.干流优势种以硅藻为主,尖针杆藻为绝对优势种;支流优势种以绿藻为主,四尾栅藻为绝对优势种;四尾栅藻、简单舟形藻及汉斯冠盘藻在干流及支流均为优势种,说明三者在清潩河(许昌段)占据优势种.整体来看,干流及支流浮游植物优势种差异性较大.根据浮游动物优势度计算结果,共筛选出优势种4门8种(附表Ⅲ),干流4种,支流6种.干流优势种以桡足类为主,瘤棘砂壳虫、近邻剑水蚤为绝对优势种;支流优势种以轮虫为主,壶状臂尾轮虫和微型裸腹溞为绝对优势种;透明剑水蚤和近邻剑水蚤为干流及支流的优势种,两者在清潩河(许昌段)占据优势种.

2.2.3多样性指数

分别对清潩河13个采样点浮游植物及浮游动物的Margalef丰富度指数(D)、Shannon-Wiener多样性指数(H′)、Pielou均匀度指数(J)进行计算,详见图3.各点位浮游生物多样性指数波动较大,但H′和J表现出一致的空间变化趋势.对比浮游生物密度分布情况(图1和2),发现多样性指数与浮游生物密度呈镶嵌分布,即在密度的高值区,浮游生物多为高密度的单一种群组成.除此之外,浮游植物与浮游动物多样性指数波动范围也有所不同,但其表征的水体健康状况结果一致.两者H′值分别介于2.31～3.72、0.96～2.75,均值分别为3.04、2.05;J值分别介于0.59～0.89、0.35～0.97,均值均为0.75;D值分别介于2.99～5.81、1.41～6.19,均值分别为4.04、4.47,结合相关评价标准(附表Ⅳ),可见清潩河(许昌段)整体水质类型为清洁-寡污型,部分点位为β-中污染型.

2.3 浮游生物群落结构与环境因子关系

2.3.1浮游植物与环境因子相关性分析

2.3.2浮游动物与环境因子相关性分析

在典范对应分析排序中,经过筛选,干流共确定2个环境因子,前两轴物种-环境相关系数分别为0.996 3、0.827 9,累计解释了100%的浮游动物优势种变化信息;支流共确定4个环境因子,前两轴物种-环境相关系数分别为0.999 8、0.999 4,累计解释了99.50%的浮游动物优势种变化信息,表明排序结果可信.蒙特卡罗检验结果显示(图5),甲藻(P=0.006)是影响干流浮游动物优势种密度变化的极显著影响因子.在干流,简弧象鼻溞、瘤棘砂壳虫同甲藻生物量呈显著正相关,透明温剑水蚤、近邻剑水蚤同TSS呈正相关关系;在支流,萼花臂尾轮虫、壶状臂尾轮虫同金藻生物量正相关,其余优势种则同隐藻呈不同程度正相关关系.

3 讨 论

3.1 浮游生物群落结构

本次调查共鉴定出浮游植物8门95属204种,平均密度1.26×106L-1,群落结构为绿藻-硅藻-蓝藻型;优势种2门12种,以绿藻和硅藻为主;浮游动物4门48属88种,平均密度60 L-1,群落结构以轮虫、原生动物为主;优势种4门8种,以轮虫、桡足类为主.课题组于2013-2015年研究数据显示,清潩河共检出浮游植物8门111种,群落结构为绿藻-硅藻-蓝藻型,优势种以绿藻、硅藻为主;浮游动物42种,群落结构以轮虫为主,优势种以轮虫为主［14］.对比研究发现清潩河(许昌段)浮游植物群落结构保持不变,浮游动物群落则由以轮虫为主变为以轮虫、原生动物为主,浮游生物鉴出物种数有大幅提升,表明清潩河经过水环境综合整治,水质得到了明显改善;浮游生物鉴出物种数量得到大幅提升,这可能与研究区域范围相关,本次调研区域较前期范围广、调查点位更多;浮游植物优势种未发生明显改变,而浮游动物优势种则出现了寡污物种瘤棘砂壳虫［15］,表明清潩河水质的改善.

3.2 浮游生物群落结构特征与环境因子关系

4 结 论

(1)清潩河(许昌段)共检出浮游植物8门95属204种,群落结构为绿藻-硅藻-蓝藻型,优势种以绿藻和硅藻为主;检出浮游动物4门48属88种,群落结构以轮虫、原生动物为主,优势种以轮虫为主;浮游生物优势种多为富营养指示种,说明研究区内水体仍有富营养化风险.

(2)水质标识指数评价结果表明研究河段水质良好,部分点位为轻度污染;生物多样性指数显示研究河段为清洁-寡污型,部分点位为β-中污染型,两者结果具有较好的一致性.

附 录

附图Ⅰ、附表Ⅰ～Ⅳ见电子版(DOI:10.16366/j.cnki.1000-2367.2023.05.017).