巢湖湖區浮游動物群落結構及其水質評價

吳轉璋，朱 超，唐 萍，楊曉冉，王 歡，張付海

(安徽省生態環境監測中心，安徽 合肥 230071)

0 引 言

浮游動物具有個體小、數量多、生長周期短、代謝旺盛的特點，既能以浮游植物、碎屑和細菌等為食，也是魚類和其它一些水生動物的餌料，是水生態系統食物網結構的關鍵環節，對于整個生態系統的物質循環、能量流動和生物資源的補充等發揮著重要作用，也是水生態系統的重要組成部分[1-4]。浮游動物對環境變化敏感，其種類組成及變化能及時且準確地反映水體生態環境的質量狀況，因此浮游動物數量分布和生物多樣性指數常用來綜合評價水生態環境質量狀況[5-6]。

巢湖位于安徽省中部，東西長54.5 km，南北寬21 km，水域面積約760 km2，為我國五大淡水湖之一，屬于國家“三河三湖”重點水污染防治水體。近40年來，隨著巢湖兩岸人口急劇增長和經濟快速發展，入湖污染物特別是氮、磷等營養物迅速增加，導致水質急劇惡化，水體富營養化程度嚴重，藍藻頻發，水生態環境破壞嚴重。“十三五”期間，合肥市在巢湖治理中注重制度設計、科技支撐、機制創新、生態修復，初步形成了點、線、面相結合的水污染防治體系和適合巢湖湖情的綜合治理模式，巢湖流域水質得到一定程度上改善，但巢湖水污染治理和水生態修復還需漫長的過程。目前，關于巢湖水質狀況的研究多集中在物理指標和化學指標方面，浮游動物相關指標的研究較少，僅李靜等[7]在2013年對春季和夏季巢湖浮游生物群落組成進行了分析，李懷國等[8]在2015年對巢湖水質現狀及浮游生物群落結構特征進行了評價，陳倩穎等[9]在2019年對巢湖浮游動物功能群和浮游植物的相互關系進行了探索。本文利用多樣性指數和聚類分析方法對巢湖湖區浮游動物群落特征進行分析，以了解不同年份巢湖水質狀況及變化趨勢，以期為巢湖水環境治理和水生態保護提供理論參考和依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

安徽省生態環境監測中心分別于2019年10月(秋季)、2020年5月(春季)和10月(秋季)對巢湖湖區8個國控監測點位進行了3次水生態環境質量監測。監測點位分別為東半湖5個(巢湖船廠、黃麓、東半湖湖心、兆河入湖區和忠廟)和西半湖3個(新河入湖區、湖濱、西半湖湖心)，其分布示意見圖1。

1-巢湖船廠；2-黃麓；3-東半湖湖心；4-兆河入湖區；5-忠廟；6-新河入湖區；7-湖濱；8-西半湖湖心圖1 監測點位示意圖Fig.1 Schematic diagram of monitoring points

1.2 浮游動物采樣、鑒定及分析方法

根據浮游動物密度，Shannon-Wiener多樣性指數(H′)和Margalef豐富度指數(D)對巢湖湖區浮游動物的生態學特征進行分析，各項指數的計算公式如式(1)和式(2)[10-12]。

(1)

(2)

式(1)和(2)中：S為浮游動物種類的總數目；pi為第i種個體數與總個體數的比值；N為所有物種個體總數。

Shannon-Wiener多樣性指數(H′)和Margalef豐富度指數(D)的評價標準見表1。

表1 Shannon-Wiener指數和Margalef指數的評價標準[10-12]Table 1 Evaluation criteria of Shannon-Wiener index and Margalef index[10-12]

1.3 水質理化因子評價方法

調查期間同步對各監測點位水溫、pH、總磷、高錳酸鹽指數、溶解氧、氨氮、化學需氧量等主要水質因子進行監測。水質理化因子評價采用內梅羅污染指數法，此方法既考慮了污染指數最大的指標對水體的影響又能更全面的反映水體污染情況[13]。內梅羅污染指數計算公式如下：

(3)

式(3)中：F最大為所有參評指標單因子污染指數的最大值，F平均為所有參評指標單因子污染指數的平均值，P傳統為傳統的內梅羅污染指數。

傳統的內梅羅污染指數水環境質量分級標準如下[14-16]:P傳統≤1時，水質清潔；12 時，重度污染。

1.4 數據處理

采用spss23.0軟件對各采樣點浮游動物種群密度進行聚類分析。

2 結果與分析

2.1 水質因子評價

除總磷、總氮外，各監測點位其他水質因子均滿足《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類標準要求，各監測點位總磷、總氮及葉綠素a監測值見表2。2019年10月，總氮全湖均值為0.80 mgL-1，變化范圍為0.54～1.39 mgL-1；總磷全湖均值為0.08 mgL-1，變化范圍為0.05～0.13 mgL-1；葉綠素a全湖均值為0.101 mgL-1，變化范圍為0.068～0.147 mgL-1。2020年5月，總氮全湖均值為1.46 mgL-1，變化范圍為1.05～1.97 mgL-1；總磷全湖均值為0.07 mgL-1，變化范圍為0.05～0.09 mgL-1；葉綠素a全湖均值為0.015 mgL-1，變化范圍為0.010～0.020 mgL-1。2020年10月，總氮全湖均值為1.45 mgL-1，變化范圍為1.09～2.27 mgL-1；總磷全湖均值為0.10 mgL-1，變化范圍為0.08～0.12 mgL-1；葉綠素a全湖均值為0.011 mgL-1，變化范圍為0.006～0.023 mgL-1。從以上分析可知，總氮監測值2020年大于2019年，2020年5月和10月間相差不大；總磷監測值2019年10月與2020年5月相差不大，2020年10月稍大于2020年5月；葉綠素a監測值2020年遠遠小于2019年，2020年10月與2020年5月相差不大。

采用內梅羅污染指數法對調查期間巢湖湖區水體的主要水質因子進行評價，評價結果見表2。評價結果顯示：2019年10月水質清潔點位占比為62.5%，輕度污染占比為12.5%，中度污染占比為25%，全湖整體為輕度污染；2020年5月水質清潔點位占比為25%，輕度污染占比為62.5%，中度污染占比為12.5%，全湖整體為輕度污染；2020年10月輕度污染占比為25%，中度污染占比為75%，全湖整體為中度污染。

表2 巢湖湖區各監測點位水質狀況評價結果Table 2 Evaluation results of water quality at each monitoring point in Chaohu Lake

2.2 浮游動物種類組成

在2019～2020年的3次采樣調查中，巢湖8個國控點位24個樣品共鑒定出浮游動物41種(屬)，其中輪蟲(Rotifera)16種，占浮游動物種類總數的39.0%；枝角類(Cladocera)11種，占26.8%；橈足類(Copepoda)14種，占34.2%。巢湖湖區各監測點位浮游動物種類數見表3，2020年5月東半湖湖心的物種數最多，共檢測到26種，其次是2020年5月的兆河入湖區，共檢測到24種；而2019年10月巢湖船廠、新河入湖區和湖濱動物種類數最少，均為14種；各監測點位2020年的動物種類數均多于2019年。總體來看，5月份浮游動物種類數多于10月份，5月份橈足類種類數占優，10月份輪蟲種類數占優。

表3 巢湖湖區各監測點位浮游動物種類數Table 3 Number of zooplankton species at each monitoring point in Chaohu Lake

2.3 浮游動物密度

2019年10月巢湖湖區各點位浮游動物密度為250.0～2 932.6個/L(均值1 347.0 個/L)，2020年5月為62.7～1 299.6個/L(均值619.5個/L)，2020年10月為208.5～1 551.2個/L(均值686.7個/L)。從浮游動物密度監測結果可以看出，2020年5月和10月巢湖湖區各點位浮游動物密度顯著低于2019年10月，2019年10月東半湖湖心浮游動物密度最大，為2 932.6個/L。

巢湖湖區各監測點位浮游動物各門類密度占比情況見圖2。2019～2020 年，巢湖浮游動物的優勢類群均為小型物種(輪蟲和小型枝角類)為主，包括龜甲輪蟲(Keratellaspp.)、多肢輪蟲(Polyarthrasp.)、異尾輪蟲(Trichocercasp.)、角突網紋溞(Ceriodaphniacornuta)、簡弧象鼻溞(Bosminacoregoni)等富營養化指示物種[10,17]。

圖2 巢湖湖區各監測點位浮游動物各類群密度占比情況Fig.2 Proportion of density of zooplankton groups at each monitoring point in Chaohu Lake

2.4 浮游動物多樣性指數及水質評價

2019年10月巢湖湖區各點位浮游動物Shannon-Wiener多樣性指數為1.92～3.38(均值2.89)，2020年5月為2.47～3.27(均值2.82)，2020年10月為2.72～3.20(均值2.93)。

2019年10月巢湖湖區各點位Margalef豐富度指數為1.97～2.77(均值2.46)，2020年5月為2.86～4.59(均值3.38)，2020年10月為2.53～3.52(均值2.98)。

從表4和圖3可以看出，巢湖湖區各監測點位Shannon-Wiener多樣性指數變化不明顯，巢湖湖區各監測點位Margalef豐富度指數2020年大于2019年，春季(5月)大于秋季(10月)，東半湖略大于西半湖。

表4 巢湖湖區各點位浮游動物個體密度、多樣性指數及評價Table 4 Zooplankton density,diversity index and evaluation at each monitoring point in Chaohu Lake

用Shannon-Wiener多樣性指數對水質進行評價，結果可知：2019年10月清潔點位占比為62.5%，輕度污染占比為25%，中度污染占比為12.5%，全湖整體為輕度污染；2020年5月清潔點位占比為25%，輕度污染占比為75%，全湖整體為輕度污染；2020年10月清潔點位占比為37.5%，輕度污染占比為62.5%，全湖整體為輕度污染。用Margalef豐富度指數對水質進行評價，結果可知：2019年10月全部監測點位及全湖整體均為中度污染；2020年5月輕度污染占比為62.5%，中度污染占比為37.5%，全湖整體為輕度污染；2020年10月輕度污染占比為37.5%，中度污染占比為62.5%，全湖整體為中度污染。2種生物多樣性指數評價結果略有差異，綜合來看，巢湖湖區2019年10月水質為輕度污染-中度污染，2020年5月為輕度污染，2020年10月為輕度污染-中度污染。

圖3 巢湖湖區各監測點位浮游動物多樣性指數和豐富度指數變化Fig.3 Changes of zooplankton diversity index and richness index at each monitoring point in Chaohu Lake

2.5 浮游動物密度聚類分析

對巢湖湖區各采樣點的浮游動物種群密度進行聚類分析，采用組間聯接法進行系統聚類。從圖4可以看出，兆河入湖區、新河入湖區、黃麓、忠廟、西半湖湖心、巢湖船廠和湖濱為第一類，東半湖湖心為第二類，第一類中，兆河入湖區、新河入湖區、黃麓和忠廟之間具有很強的自然屬性，可初步說明這些點具有相似的水體環境和浮游動物群落，西半湖湖心與上述采樣點相接近；同樣，巢湖船廠和湖濱水環境相似，也處于第一類中。東半湖湖心單獨分為第二類，可判斷東半湖湖心水質與第一類具有明顯差別。除東、西半湖湖心外，其余點位均靠近河流入湖口，具有相似的地理環境因素，因此出現在同一類群中，而西半湖湖心點位水質較差，也劃分在第一類群中。東半湖湖心水質相對較好，且浮游動物種類數和密度顯著多于其他點位，因此單獨分在第二類。

圖4 巢湖湖區浮游動物密度聚類分析Fig.4 Cluster analysis of zooplankton density in Chaohu Lake

3 討 論

3.1 浮游動物群落結構特征

輪蟲具有獨特的孤雌生殖方式，能在很短時間內達到很高的豐度，且能快速適應水體水質條件的改變和水文條件的波動，因此，浮游動物群落結構中通常以輪蟲群落為主[18]，多項研究成果也表明，中國河流及湖泊水體浮游動物主要以輪蟲為主[4,19-21]，這與本研究結論一致。

浮游動物由于其個體小、繁殖快，對水體環境的變化比較敏感，營養鹽、溫度、食物等的變化都能影響后生浮游動物的群落結構及時空分布[22]。水溫是影響浮游動物生長、數量變化和群落組成的一個重要因素[23-24]，本研究3次監測溫度變化不大，故溫度不構成本次研究浮游動物群落變化的主要影響因素。有關研究表明[25-27]：在理化環境變化劇烈的水體，浮游動物群落結構主要取決于易變的理化環境因子；在環境相對穩定的水體，浮游動物群落結構主要取決于食物等生物因子，葉綠素a是浮游動物的主要食物來源之一，葉綠素a濃度與浮游動物生物量呈正相關。本研究3次監測總磷、總氮等理化因子濃度變化不明顯，而巢湖湖區各點位葉綠素a濃度監測值2020年遠遠小于2019年，這與2020年浮游動物密度顯著低于2019年一致。

李懷國等[8]于2015年7月對巢湖浮游動物群落結構調查鑒定出輪蟲、枝角類和橈足類共48種，以輪蟲為主，浮游動物平均密度為2 734.05個/L；陳倩穎等[9]于2019年7月的調查共鑒定出巢湖浮游動物43 種，以輪蟲為主占比53.49%，浮游動物平均密度為1 529個/L，而本次研究2019年10月浮游動物平均密度為1 347.0個/L，2020年5月為619.5個/L，2020年10月為686.7個/L。結合這些研究成果，可以看出巢湖湖區浮游動物種類數變化不大，但浮游動物平均密度隨時間推移逐漸變小。在清潔型水體中，浮游動物一般顯示種類多，數量少的特點[28]。因此，從浮游動物密度變小的趨勢可以看出巢湖水質得到了一定程度上的改善。

藍藻水華的暴發通常伴隨著大型浮游動物種群數量的下降以及輪蟲數量的增加[29-31]，巢湖湖區5月份浮游動物種類數多于10月份，5月份橈足類種類數占優，10月份輪蟲種類數占優，巢湖湖區各監測點位2020年的動物種類數均多于2019年。根據安徽省巢湖藍藻水華應急監測工作巢湖水華遙感監測報告，2020年5月份巢湖湖區出現藍藻水華次數7次，累計水華面積80.19 km2；2019年10月份巢湖湖區出現藍藻水華次數13次，累計水華面積1 127.12 km2；2020年10月份巢湖湖區出現藍藻水華次數6次，累計水華面積493.2 km2。巢湖藍藻水華遙感監測結果與巢湖湖區浮游動物群落結構變化相一致。

3.2 巢湖湖區水質特征

Shannon-Wiener多樣性指數評價顯示三個監測時間全湖均為輕度污染；Margalef豐富度指數評價顯示除2020年5月全湖為輕度污染外，其余兩個監測時間全湖均為中度污染；水質理化因子評價結果顯示除2020年10月全湖為中度污染外，其余兩個監測時間全湖均為輕度污染。以上三種評價方法評價結果略有差異，可以看出不同的水質指標評價體系會得出不同的評價結果，因此在對巢湖水體進行評價時，可以在水質因子評價基礎上結合浮游動物多樣性指數進行綜合評價。

2018年11月安徽省人民政府辦公廳印發《巢湖綜合治理攻堅戰實施方案》，2018 年12 月合肥市印發《巢湖綜合治理綠色發展總體規劃》(2018—2035年)，巢湖流域嚴格執行新修訂的《巢湖流域水污染防治條例》，編制實施《環巢湖濕地公園群總體規劃》，自2020年1月1日起巢湖流域實施全面禁漁。隨著新一輪巢湖綜合治理推進，巢湖治理成效漸漸顯現，但巢湖水質不穩固、水華不可控、生態不平衡等狀況尚未根本扭轉。本次研究期間巢湖水質處于輕度污染-中度污染狀態。因此，需要進一步探索科學有效的巢湖治理措施和水生態修復方法，本次研究可以作為巢湖湖區水生態保護和水污染治理的基礎數據。

4 結 論

通過對巢湖湖區浮游動物群落結構的監測與分析，得出以下結論：

(1)本次調查期間共鑒定出浮游動物種類數共有41種(屬)，以輪蟲(占比39.0%)、枝角類(占比26.8%)和橈足類(占比34.2%)為主要類群。巢湖湖區浮游動物優勢類群為以輪蟲和小型枝角類為主的小型物種。

(2)調查期間巢湖湖區各監測點位Shannon-Wiener多樣性指數變化不明顯，巢湖湖區各監測點位Margalef豐富度指數2020年大于2019年，春季大于秋季，東半湖略大于西半湖。結合浮游動物多樣性指數水質評價和水質理化因子評價結果可知，巢湖水質處于輕度污染-中度污染狀態。

(3)浮游動物密度聚類分析結果顯示，巢湖湖區各點位東半湖湖心單獨為一類，其余各點位水體環境和浮游動物群落結構區別不大。

(4)需進一步加強巢湖流域點源、線源和面源的治理，削減入湖氮磷污染量，進一步加強藍藻水華的治理，以改善浮游生物群落結構和保護生物多樣性。本次研究僅僅基于2019～2020年3次采樣的數據，巢湖湖區浮游動物群落結構及與污染程度之間的內在聯系還有待進一步的調查與分析。