湘江長沙綜合樞紐浮游動物群落結構及水質分析

陸 嬌，張 琦，劉應迪

（湖南師范大學生命科學學院，長沙 410081）

浮游動物對促進水域生態系統的物質循環起舉足輕重的作用，其群落結構、種群數量、優勢種變化能反映水質整體情況［1］，常依其對環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、潭城市群生產生活用水和改善長沙-株洲段的航道條件，水質變化更關乎兩岸人民生存與發展大計。自20世紀90年代，伴隨工業高速發展，污染日趨嚴重，污染類型趨于復雜［3，4］。目前對湘江流域水環境的常規監測一般采用化學監測，而生物監測尚未得到充分應用，化學監測只能反映取樣時瞬間的情況，生物監測卻能很好地反映出近階段環境綜合狀況，從而彌補化學監測的不足。運用生物指數評價和化學評價法對水質狀況進行評析，并通過主成分分析法（PCA）篩選14項理化指標中最主要的影響因子，運用冗余分析（RDA）進一步研究優勢種與主要環境因子間的關系，意在承接相關學者調查進展［5-9］，同時進一步全面了解湘江水質情況，為浮游動物群落研究積累部分基礎數據，也為水域綜合監測提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 樣本的采集和處理

于2016年1—11月奇數月上旬進行采樣調查。依據國家環保部和湖南省環境保護廳于湘江控斷面設置的監測點，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（孔徑64 μm）于0.5 m處水下“∞”形回撈采集樣品用于定性觀察；有機玻璃采水器在0～2 m處的表層采集混合水樣10 L，并用25＃浮游生物網過濾收集樣本。固定樣品均采用體積分數為4%的甲醛溶液，經48 h濃縮至30 mL，Nikon生物顯微鏡下進行全片計數，物種鑒定參照文獻［10-14］。

圖1 樣點分布

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

1.2 數據處理分析

浮游動物的結構特征包括密度、優勢度（Y）；物種多樣性指數包括香農-威納指數（H）、Margalef豐富度指數（D）、均勻度指數（J），其評價標準［16-18］如表1所示。

各指標計算公式：

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

表1 多樣性指標的評價標準

采用SPSS.19進行數據相關性和方差分析，采用Canoco 5.0進行主成分分析和冗余分析，采用Excel進行繪圖及數據整理。

2 結果與分析

2.1 浮游動物群落的結構特征

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優勢（圖 2）。

浮游動物密度隨季節呈倒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月并未表現出較高的密度，而在溶解氧含量低谷的9月密度達到最高，這與浮游動物的溫度閾限及藻類生存量有一定關聯。經單因素方差分析，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性規律，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 優勢種時間尺度的分布

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

2.3 物種的多樣性指數

時間尺度上（圖4），Margalef豐富度指數和香農-威納指數的變化為5月＞7月＞3月＞11月＞9月＞1月；均勻度指數變化為1月＞9月＞5月＞3月＞7月＝11月。經單因素方差分析，多樣指數和Margalef豐富度指數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-威納多樣性指數為S2＞S1＞S4＞S3＞S6＞S5，Margalef豐富度指數為 S2＞S3＞S4＞S1＞S5＞S6，均勻度指數為 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均大于下游河段，樣點之間的變化較平穩，3種多樣性指數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時間分布

2.4 環境因子時空分析

理化指標（表3、表4）研究流域的水質呈弱堿性，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。經單因素方差分析，時間尺度上 WT、DO、CODMn、Cond和 Cu含量的差異達極顯著水平（P＜0.01），而 Fluoride 含量、pH 的差異達顯著水平（P＜0.05），其他理化指標均無顯著性差異 （P＞0.05）。不同空間尺度下的理化指標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境有一定關聯。結合研究流域的各項理化指標，參照水質評價標準，湘江長沙綜合樞紐水質整體呈Ⅱ至Ⅲ類水標準。

2.5 浮游動物優勢種和主要環境因子的RDA分析

圖5 浮游動物生物多樣性指數空間分布

表3 理化指標的時間分布

表4 理化指標的空間分布

皮爾遜相關性分析表明，浮游動物的密度與Vol-P和 CODMn具顯著的正相關（P＜0.05），而與 DO和Cd具顯著的負相關（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，并利用優勢種的信息（表2）進行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，且優勢種信息和環境因子的相關信息均為1，這表明優勢種和環境主要因子的關系能得到很好的反映。

圖6 優勢種與主要環境因子RDA排序

DO能很好地反映有機污染程度，RDA排序圖顯示對優勢種的季節性變化影響最大的是DO。其中，物種A6、A8與DO含量呈正相關，表明高的DO含量對其分布有促進作用；而物種A19、A3不受DO含量的影響；其他的優勢種均與DO含量呈負相關。表明多數優勢種在耗氧嚴重的季節或水體容易形成優勢種，對有機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，而物種 A2不受Cd含量的影響，其他的優勢種均與Cd含量呈負相關。物種A6與Cu、Zn含量呈負相關，其中，物種A12、A13與Cu含量的正相關最為明顯，物種A8、A17則不受Cu含量的影響，其余的優勢種均與Cu含量呈正相關；而物種A16與Zn含量的正相關最為明顯，物種A19、A3基本不受Zn含量的影響，其余優勢種均與Zn含量呈正相關，表明多數優勢種耐金屬。Fluoride與物種A18的正相關最明顯，物種A12則不受該物質影響。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為代表的有機污染對優勢種分布影響最大。

2.6 水質分析與評價

香農-威納指數（H）、Margalef豐富度指數（D）越高表明污染越輕；反之污染越嚴重。由表5可知，由香農-威納指數來評價，研究水域各個樣點均屬于β-中度污染，但上游樣點優于下游樣點；由 Margalef豐富度指數來評價，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，研究水域上游水質優于下游水質。

綜合水體理化指標算得化學綜合污染物指數（PB／n）見表 5，評價標準參照文獻［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測點，支流受城市生活污染物影響。這一結果表明水域干流水質優于近河口水質。

物種多樣性指數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處于中度至重度污染，生物評價與化學評價存在一定差異。這與生物本身對環境變化的適應性有關，環境變化一定程度上可能降低靈敏度［24］；化學評價可能因臨近采樣前一些不可控因素而影響監測結果。因此采用物種多樣性指數結合化學指標綜合對研究水域的水質進行評價。

表5 各樣點多樣性指數

3 結論

浮游動物群落物種組成、密度貢獻值顯示研究流域種類組成以輪蟲為主要貢獻者，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項環境因子的相關性反映有機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的優勢種，對溫度的適應閾值更廣；輪蟲在時間尺度上的優勢度未彰顯，與各月份出現頻率較低、溫度閾限相較原生動物小有關。

進一步冗余分析（RDA）表明，多數優勢種表現為耐有機污染且適應重金屬物質，重金屬污染依然是主要的污染物，這與李杰等［25］的研究結果吻合；溶解氧對研究水域優勢種的影響最顯著，其次是氟化物，表明受有機污染影響很大。

物種多樣性指數結果顯示，2016年湘江長沙綜合樞紐6個樣點區域水質呈輕度至中度污染，上游流域優于下游流域，干流的水質優于河口水質，整體水質呈Ⅱ至Ⅲ類水標準。