湘江長沙綜合樞紐浮游動物群落結(jié)構(gòu)及水質(zhì)分析

陸 嬌，張 琦，劉應(yīng)迪

（湖南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，長沙 410081）

浮游動物對促進(jìn)水域生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)起舉足輕重的作用，其群落結(jié)構(gòu)、種群數(shù)量、優(yōu)勢種變化能反映水質(zhì)整體情況［1］，常依其對環(huán)境的敏感度而作為水污染指示生物［2］。因而研究浮游動物群落動態(tài)對研究水域健康狀況有重要意義。

湘江長沙綜合樞紐建立旨在保證長、株、潭城市群生產(chǎn)生活用水和改善長沙-株洲段的航道條件，水質(zhì)變化更關(guān)乎兩岸人民生存與發(fā)展大計。自20世紀(jì)90年代，伴隨工業(yè)高速發(fā)展，污染日趨嚴(yán)重，污染類型趨于復(fù)雜［3，4］。目前對湘江流域水環(huán)境的常規(guī)監(jiān)測一般采用化學(xué)監(jiān)測，而生物監(jiān)測尚未得到充分應(yīng)用，化學(xué)監(jiān)測只能反映取樣時瞬間的情況，生物監(jiān)測卻能很好地反映出近階段環(huán)境綜合狀況，從而彌補(bǔ)化學(xué)監(jiān)測的不足。運用生物指數(shù)評價和化學(xué)評價法對水質(zhì)狀況進(jìn)行評析，并通過主成分分析法（PCA）篩選14項理化指標(biāo)中最主要的影響因子，運用冗余分析（RDA）進(jìn)一步研究優(yōu)勢種與主要環(huán)境因子間的關(guān)系，意在承接相關(guān)學(xué)者調(diào)查進(jìn)展［5-9］，同時進(jìn)一步全面了解湘江水質(zhì)情況，為浮游動物群落研究積累部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也為水域綜合監(jiān)測提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 樣本的采集和處理

于2016年1—11月奇數(shù)月上旬進(jìn)行采樣調(diào)查。依據(jù)國家環(huán)保部和湖南省環(huán)境保護(hù)廳于湘江控斷面設(shè)置的監(jiān)測點，選取湘江長沙綜合樞紐上下游的6個樣點為研究對象（圖1）。樣本采集、處理主要參照《淡水浮游生物研究方法》［10］：25＃ 浮游生物網(wǎng)（孔徑64 μm）于0.5 m處水下“∞”形回?fù)撇杉瘶悠酚糜诙ㄐ杂^察；有機(jī)玻璃采水器在0～2 m處的表層采集混合水樣10 L，并用25＃浮游生物網(wǎng)過濾收集樣本。固定樣品均采用體積分?jǐn)?shù)為4%的甲醛溶液，經(jīng)48 h濃縮至30 mL，Nikon生物顯微鏡下進(jìn)行全片計數(shù)，物種鑒定參照文獻(xiàn)［10-14］。

圖1 樣點分布

理化指標(biāo)測定14項指標(biāo)，包括水溫（WT）、pH、電導(dǎo)率（Cond）、溶解氧（DO）、高錳酸鉀指數(shù)（CODMn）、氨氮（NH3-N）、汞（Hg）、總磷（TP）、化學(xué)需氧量（COD）、鋅（Zn）、氟化物（Fluoride）、銅（Cu）、揮發(fā)酚（Vol-P）、鎘（Cd）。pH（pH 儀）、溶解氧含量（溶解氧儀）和水溫用儀器現(xiàn)場測定，其他指標(biāo)將樣品帶回實驗室測定，參照文獻(xiàn)［15］。

1.2 數(shù)據(jù)處理分析

浮游動物的結(jié)構(gòu)特征包括密度、優(yōu)勢度（Y）；物種多樣性指數(shù)包括香農(nóng)-威納指數(shù)（H）、Margalef豐富度指數(shù)（D）、均勻度指數(shù)（J），其評價標(biāo)準(zhǔn)［16-18］如表1所示。

各指標(biāo)計算公式：

式中，N為1 L水中浮游動物的個體數(shù)（個／L），Vs為沉淀后樣品的體積 （mL），n為計數(shù)得的個體數(shù)，V 為采樣的體積 （L），Va為計數(shù)的體積（mL），ni為種i個體數(shù)，S為總物種數(shù)，fi為第i種物種出現(xiàn)的頻率。 優(yōu)勢種（Y）的確立以 Y≥0.02［19，20］為依據(jù)。

表1 多樣性指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)

采用SPSS.19進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)性和方差分析，采用Canoco 5.0進(jìn)行主成分分析和冗余分析，采用Excel進(jìn)行繪圖及數(shù)據(jù)整理。

2 結(jié)果與分析

2.1 浮游動物群落的結(jié)構(gòu)特征

物種組成上以輪蟲和原生動物為主。共鑒定出125種浮游動物，包括輪蟲60種（48.0%）、原生動物41種（32.8%）、枝角類 13種（10.4%）、橈足類 11種（8.8%）。各樣點浮游動物密度的波動范圍為384～1 395 個／L，平均密度 749 個／L。空間尺度呈 S3＞S5＞S2＞S1＞S6，其中 S3（撈刀河河口）、S5（溈水河河口）分別位于研究水域上、下游河口的位置。經(jīng)單因素方差分析，浮游動物的密度在空間尺度上差異不顯著（P＞0.05），且各樣點密度均以原生動物和輪蟲占據(jù)優(yōu)勢（圖 2）。

浮游動物密度隨季節(jié)呈倒U形變化趨勢（圖3），密度在219～1 170個／L波動，9月密度值最高，7月次之，5月和11月基本相同，而1月是明顯的低谷期，各種浮游動物的密度均低。在溶解氧含量高的1月并未表現(xiàn)出較高的密度，而在溶解氧含量低谷的9月密度達(dá)到最高，這與浮游動物的溫度閾限及藻類生存量有一定關(guān)聯(lián)。經(jīng)單因素方差分析，浮游動物密度在時間尺度上具顯著差異（P＜0.05），其中，輪蟲和原生動物的密度在時間尺度上具顯著差異（P＜0.05），而枝角類和橈足類的密度在時間尺度上差異則不顯著（P＞0.05）。總體而言，浮游動物密度具有季節(jié)性規(guī)律，夏秋季高于春秋季，原生動物和輪蟲是浮游動物密度組成的主要類型。

2.2 優(yōu)勢種分布

圖2 浮游動物密度的空間分布

圖3 浮游動物密度的時間分布

表2 優(yōu)勢種時間尺度的分布

原生動物是各月優(yōu)勢種的主要類群（表2），其中球形砂殼蟲是全年的優(yōu)勢種，反映出該種在該流域適應(yīng)性相較其他種更強(qiáng)，溫度閾限更廣。各月份優(yōu)勢度表現(xiàn)為，步履馬氏蟲和短尾溫劍水蚤的優(yōu)勢度在1月最大；前節(jié)晶囊輪蟲的優(yōu)勢度在3月最大；有肋楯纖蟲的優(yōu)勢度在5月最大；球形砂殼蟲的優(yōu)勢度在7月最大；短尾溫劍水蚤的優(yōu)勢度在11月最大，表明不同月份的優(yōu)勢種不盡相同，而各優(yōu)勢種在各月的優(yōu)勢度不盡相同。單因素方差分析顯示，優(yōu)勢種分布在時間尺度上均達(dá)到顯著差異（P＜0.05），溫度在時間尺度上呈極顯著性差異（P＜0.01），可能由于不同物種對溫度的適應(yīng)性不同，優(yōu)勢種的形成可能與溫度有關(guān)。

2.3 物種的多樣性指數(shù)

時間尺度上（圖4），Margalef豐富度指數(shù)和香農(nóng)-威納指數(shù)的變化為5月＞7月＞3月＞11月＞9月＞1月；均勻度指數(shù)變化為1月＞9月＞5月＞3月＞7月＝11月。經(jīng)單因素方差分析，多樣指數(shù)和Margalef豐富度指數(shù)在時間尺度上均具顯著差異（P＜0.05）。空間尺度上 （圖5），各樣點香農(nóng)-威納多樣性指數(shù)為S2＞S1＞S4＞S3＞S6＞S5，Margalef豐富度指數(shù)為 S2＞S3＞S4＞S1＞S5＞S6，均勻度指數(shù)為 S4＝S6＞S2＞S1＞S3＞S5。S1、S2、S3、S4處于湘江長沙綜合樞紐上游河段，S5、S6處于下游河段。上游河段的多樣性指數(shù)均大于下游河段，樣點之間的變化較平穩(wěn)，3種多樣性指數(shù)在空間尺度上均不具顯著差異（P＞0.05）。

圖4 浮游動物生物多樣性指數(shù)時間分布

2.4 環(huán)境因子時空分析

理化指標(biāo)（表3、表4）研究流域的水質(zhì)呈弱堿性，全年水溫波動范圍為10.62～28.08℃。DO含量在1月最高，9月最低，正與1月浮游動物較低的密度值、9月較高的密度值相符合。經(jīng)單因素方差分析，時間尺度上 WT、DO、CODMn、Cond和 Cu含量的差異達(dá)極顯著水平（P＜0.01），而 Fluoride 含量、pH 的差異達(dá)顯著水平（P＜0.05），其他理化指標(biāo)均無顯著性差異 （P＞0.05）。不同空間尺度下的理化指標(biāo)WH、pH、DO、Cond、Vol-P、Hg、Cu、Cod、Zn 和Cd 含量均不具顯著性差異（P＞0.05），而 CODMn、TP、NH3-N 含量則具極顯著性差異（P＜0.01），這與不同樣點的背景環(huán)境有一定關(guān)聯(lián)。結(jié)合研究流域的各項理化指標(biāo)，參照水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)，湘江長沙綜合樞紐水質(zhì)整體呈Ⅱ至Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。

2.5 浮游動物優(yōu)勢種和主要環(huán)境因子的RDA分析

圖5 浮游動物生物多樣性指數(shù)空間分布

表3 理化指標(biāo)的時間分布

表4 理化指標(biāo)的空間分布

皮爾遜相關(guān)性分析表明，浮游動物的密度與Vol-P和 CODMn具顯著的正相關(guān)（P＜0.05），而與 DO和Cd具顯著的負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。通過主成分分析法（PCA） 篩選出 DO、Fluoride、Cd、Cu、Zn 5 個主要因子，并利用優(yōu)勢種的信息（表2）進(jìn)行DCA分析，最大梯度長度為1.8（＜3），適合用RDA分析。由圖6可知，前兩個排序軸特征值分別為0.384 1和0.268 2，且優(yōu)勢種信息和環(huán)境因子的相關(guān)信息均為1，這表明優(yōu)勢種和環(huán)境主要因子的關(guān)系能得到很好的反映。

圖6 優(yōu)勢種與主要環(huán)境因子RDA排序

DO能很好地反映有機(jī)污染程度，RDA排序圖顯示對優(yōu)勢種的季節(jié)性變化影響最大的是DO。其中，物種A6、A8與DO含量呈正相關(guān)，表明高的DO含量對其分布有促進(jìn)作用；而物種A19、A3不受DO含量的影響；其他的優(yōu)勢種均與DO含量呈負(fù)相關(guān)。表明多數(shù)優(yōu)勢種在耗氧嚴(yán)重的季節(jié)或水體容易形成優(yōu)勢種，對有機(jī)污染具有一定的抵抗力。物種A6、A8、A20、A19、A3均與 Cd含量呈正相關(guān)，而物種 A2不受Cd含量的影響，其他的優(yōu)勢種均與Cd含量呈負(fù)相關(guān)。物種A6與Cu、Zn含量呈負(fù)相關(guān)，其中，物種A12、A13與Cu含量的正相關(guān)最為明顯，物種A8、A17則不受Cu含量的影響，其余的優(yōu)勢種均與Cu含量呈正相關(guān)；而物種A16與Zn含量的正相關(guān)最為明顯，物種A19、A3基本不受Zn含量的影響，其余優(yōu)勢種均與Zn含量呈正相關(guān)，表明多數(shù)優(yōu)勢種耐金屬。Fluoride與物種A18的正相關(guān)最明顯，物種A12則不受該物質(zhì)影響。在篩選出的5個主要因子中沒有NH3-N、TP，而重金屬出現(xiàn)了3種（Cu、Zn、Cd），表明重金屬污染仍是主要污染，尤其以Cu、Zn、Cd的污染較為顯著，以DO、Fluoride為代表的有機(jī)污染對優(yōu)勢種分布影響最大。

2.6 水質(zhì)分析與評價

香農(nóng)-威納指數(shù)（H）、Margalef豐富度指數(shù)（D）越高表明污染越輕；反之污染越嚴(yán)重。由表5可知，由香農(nóng)-威納指數(shù)來評價，研究水域各個樣點均屬于β-中度污染，但上游樣點優(yōu)于下游樣點；由 Margalef豐富度指數(shù)來評價，研究水域上游4個樣點均屬輕度污染，下游2個樣點均為β-中度污染水平。總體來看，研究水域上游水質(zhì)優(yōu)于下游水質(zhì)。

綜合水體理化指標(biāo)算得化學(xué)綜合污染物指數(shù)（PB／n）見表 5，評價標(biāo)準(zhǔn)參照文獻(xiàn)［21-23］。S1（猴子石）、S2（橘子洲）、S4（三汊磯）、S6（喬口）為中度污染；S3（撈刀河）、S5（溈水河河口）PB／n 均值分別為3.80、3.48，為重度污染，這兩取樣點均是支流匯入湘江干流的河口監(jiān)測點，支流受城市生活污染物影響。這一結(jié)果表明水域干流水質(zhì)優(yōu)于近河口水質(zhì)。

物種多樣性指數(shù)顯示該流域整體呈輕度至中度污染，PB／n值顯示此研究水域水質(zhì)處于中度至重度污染，生物評價與化學(xué)評價存在一定差異。這與生物本身對環(huán)境變化的適應(yīng)性有關(guān)，環(huán)境變化一定程度上可能降低靈敏度［24］；化學(xué)評價可能因臨近采樣前一些不可控因素而影響監(jiān)測結(jié)果。因此采用物種多樣性指數(shù)結(jié)合化學(xué)指標(biāo)綜合對研究水域的水質(zhì)進(jìn)行評價。

表5 各樣點多樣性指數(shù)

3 結(jié)論

浮游動物群落物種組成、密度貢獻(xiàn)值顯示研究流域種類組成以輪蟲為主要貢獻(xiàn)者，原生動物次之，這是受到污染河流浮游動物群落的典型特征。單因素方差分析顯示，總密度變化具顯著季節(jié)性（P＜0.05），夏秋季密度高于春、冬季，其中輪蟲和原生動物密度變化均具顯著的季節(jié)性（P＜0.05），浮游動物總密度上游高于下游，近河口樣點高于干流樣點。

浮游動物總密度與14項環(huán)境因子的相關(guān)性反映有機(jī)污染和重金屬是影響流域浮游動物密度的主要因子。原生動物在研究水域更易成為各季節(jié)的優(yōu)勢種，對溫度的適應(yīng)閾值更廣；輪蟲在時間尺度上的優(yōu)勢度未彰顯，與各月份出現(xiàn)頻率較低、溫度閾限相較原生動物小有關(guān)。

進(jìn)一步冗余分析（RDA）表明，多數(shù)優(yōu)勢種表現(xiàn)為耐有機(jī)污染且適應(yīng)重金屬物質(zhì)，重金屬污染依然是主要的污染物，這與李杰等［25］的研究結(jié)果吻合；溶解氧對研究水域優(yōu)勢種的影響最顯著，其次是氟化物，表明受有機(jī)污染影響很大。

物種多樣性指數(shù)結(jié)果顯示，2016年湘江長沙綜合樞紐6個樣點區(qū)域水質(zhì)呈輕度至中度污染，上游流域優(yōu)于下游流域，干流的水質(zhì)優(yōu)于河口水質(zhì)，整體水質(zhì)呈Ⅱ至Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。