王慧博 ,黃曉麗 ,吳計生 ,都雪 ,王秋實 ,宋聃 ,霍堂斌
(1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黑龍江水產(chǎn)研究所,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部黑龍江流域漁業(yè)資源與環(huán)境重點(diǎn)野外科學(xué)觀測試驗站,黑龍江 哈爾濱 150070;2.松遼水環(huán)境科學(xué)研究所,吉林 長春 130021)
關(guān)鍵字:浮游生物;底棲動物;群落結(jié)構(gòu);面源污染
農(nóng)業(yè)面源污染是由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中溶解或固體的污染物,從非特定的地域,在降水和徑流沖刷作用下進(jìn)入水體,引起的水體污染[1,2]。我國農(nóng)業(yè)面源污染較嚴(yán)重,在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部提出的“農(nóng)業(yè)面源污染整治實施辦法”政策落實后,農(nóng)業(yè)面源污染情況有所好轉(zhuǎn),但總體仍不樂觀[3]。內(nèi)蒙古呼倫貝爾市莫力達(dá)瓦達(dá)斡爾族自治旗(以下簡稱莫力達(dá)瓦旗)的某水庫,距莫力達(dá)瓦旗市區(qū)約97.5km,近巴彥鄂溫克民族鄉(xiāng)和奎勒河鎮(zhèn),右鄰嫩江縣,主要功能為灌溉、防洪。水庫面積 1.5 km2,坐標(biāo) 124°38'E,49°21'N,海拔高度 220.0~451.1 m;年平均氣溫 0~0.3℃,年平均降水量460~50 mm,年平均日照時數(shù)227 h,年有效積溫 1900~2100℃,無霜期 105~125d。水庫淤泥沉積嚴(yán)重,兩岸基本都為農(nóng)田,農(nóng)業(yè)面源污染是影響其水質(zhì)和水生生物生存的首要因素。
浮游生物是水域生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分,在物質(zhì)轉(zhuǎn)化、能量流動、信息傳遞等生態(tài)過程中起重要作用[4-6]。浮游生物群落結(jié)構(gòu),如物種組成、生物多樣性等直接或間接地影響水域生態(tài)系統(tǒng)[7],能綜合反映出較長時間內(nèi)水體的污染結(jié)果;不少浮游生物種類還是環(huán)境污染和水體富營養(yǎng)化的指示生物[8-10]。底棲動物也是水生態(tài)系統(tǒng)生物群落的關(guān)鍵組分,是水生生物食物鏈(網(wǎng))的中間環(huán)節(jié),特別是其對生境的選擇和適應(yīng)的特性,已成為水環(huán)境狀況的重要指示生物類群,是水域生態(tài)系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)之一,在生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能及能量學(xué)中扮演重要的角色,是營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)和能量向更高營養(yǎng)級流動的重要通道[11]。關(guān)于莫力達(dá)瓦市水域浮游生物和底棲動物的研究尚未見報道。本研究通過調(diào)查莫力達(dá)瓦旗某水庫浮游生物和底棲動物群落的結(jié)構(gòu),監(jiān)測水庫水環(huán)境污染狀況,以期對呼倫貝爾小型水庫水資源保護(hù)與合理利用提出建議和指導(dǎo)。
2018年7月在莫力達(dá)瓦旗某水庫泥沙淤積較嚴(yán)重,底質(zhì)均為厚淤泥底質(zhì),共設(shè)置5個采樣點(diǎn)(圖1),采集浮游生物和底棲動物樣品。
用5L有機(jī)玻璃采水器,分別采集各采樣點(diǎn)水面下0.5m處和距水底0.5m處的2個水樣,將各水層水樣等量混合得到1L混合水樣,樣品均用魯哥氏碘液固定、染色,帶回實驗室內(nèi),用沉淀法經(jīng)48h沉淀后,吸出上清液,留存30mL濃縮液用于鑒定浮游植物。浮游動物中原生動物、輪蟲等小型浮游動物采樣方法同浮游植物;枝角類和橈足類用5L有機(jī)玻璃采水器采集各采樣點(diǎn)水面下0.5m處和距水底0.5m處的2個水樣,將各水層水樣等量混合得20L混合水樣,之后用13#浮游生物網(wǎng)進(jìn)行過濾,經(jīng)5%的甲醛溶液固定后,用沉淀法留存30mL濃縮液用于鑒定。底棲動物泥底斷面定量樣本采用1/16 m2彼得遜采泥器,泥樣用40目和60目分樣篩過濾,樣品先用體積分?jǐn)?shù)為4%的甲醛溶液固定,帶回實驗室后再移入體積分?jǐn)?shù)為75%的酒精中保存,進(jìn)行鑒定、計數(shù)。
圖1 莫力達(dá)瓦旗某水庫采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Locations of sampling sites of a reservoir in Morin Dawa Daur Autonomous Banner
根據(jù)《淡水浮游生物研究方法》[12,13]進(jìn)行浮游生物定性、定量鑒定;根據(jù)《中國淡水藻類—系統(tǒng)、分類及生態(tài)》鑒定浮游植物;浮游動物根據(jù)《微型生物監(jiān)測新技術(shù)》[14]鑒定原生動物,根據(jù)《中國淡水輪蟲志》[15]鑒定輪蟲,根據(jù)《中國動物志》(淡水枝角類)[16]鑒定枝角類,根據(jù)《中國動物志》(淡水橈足類)[17]鑒定橈足類;根據(jù)《中國小蚓科研究》、《水生昆蟲學(xué)》、《遼河流域底棲動物監(jiān)測》[18-20]鑒定底棲動物種類與數(shù)量。
用優(yōu)勢度評價浮游生物和底棲動物優(yōu)勢種。其計算公式為:Y=fi×Pi,式中:Y 為優(yōu)勢度;fi為第 i種物種的出現(xiàn)頻率;Pi為第i種物種個體數(shù)量占總個體數(shù)量的比例。將Y>0.02的物種定為優(yōu)勢種[21]。
利用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Margalef豐富度指數(shù),研究浮游生物和底棲動物群落物種的多樣性。
用物種豐度反映浮游生物和底棲動物種類與環(huán)境因子的關(guān)系。對物種豐度數(shù)據(jù)和除pH外的水環(huán)境因子數(shù)據(jù)進(jìn)行 lg(x+1)轉(zhuǎn)換[22];然后,對數(shù)據(jù)進(jìn)行去趨勢對應(yīng)分析,檢驗典范對應(yīng)分析單峰模型排序和冗余分析單峰模型排序哪種更適宜分析數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)兩者都適宜;本文選擇采用典范對應(yīng)分析方法,利用Canoco5.0軟件,進(jìn)行物種—環(huán)境因子關(guān)系排序,用雙序圖表示排序結(jié)果。
在莫力達(dá)瓦旗某水庫5個采樣點(diǎn)共鑒定出浮游植物6門15屬18種及變種,其中硅藻門5屬6種,種數(shù)最多,占總種類數(shù)的33.3%;裸藻門次之,3屬4種,占22.2%;綠藻門2屬3種,占16.7%;藍(lán)藻門和甲藻門都為2屬2種,各占11.1%;隱藻門1屬1種,占5.6%。各采樣點(diǎn)的浮游植物數(shù)量分布見圖2,1#采樣點(diǎn)采集到的浮游植物數(shù)量最多。
共鑒定出浮游動物13屬16種。其中撓足類種類數(shù)最多,6屬9種,占總種類數(shù)的56.3%;原生動物4屬4種,占25.0%;輪蟲2屬2種,占12.5%;枝角類1屬1種,占6.3%。從圖2中看出,橈足類在各采樣點(diǎn)中占極大優(yōu)勢。僅在1#和2#采樣點(diǎn)采集到底棲動物2目3科3種,其中環(huán)節(jié)動物1種,占33.3%;水生昆蟲 2 種,占 66.7%,3#、4#、5#采樣點(diǎn)沒有采集到底棲動物。
根據(jù)浮游生物出現(xiàn)的頻率和豐度,以優(yōu)勢度Y>0.02為界來確定優(yōu)勢種,莫力達(dá)瓦旗某水庫浮游植物優(yōu)勢度在0.02~0.19之間,浮游動物優(yōu)勢度在0.05~0.07之間,底棲動物優(yōu)勢度在0.02~0.32之間,優(yōu)勢種見表1。
各采樣點(diǎn)的浮游生物豐度和生物量顯著不同,其中1#采樣點(diǎn)顯著高于其他采樣點(diǎn)。水庫浮游植物的總平均豐度為45.36×104ind./L,其中,藍(lán)藻門的豐度最高32.40×104ind./L,硅藻門和甲藻門次之,3.36×104ind./L,裸藻門 3.12×104ind./L,綠藻門2.16×10 ind./L,隱藻門0.96×104ind./L。浮游植物的總平均生物量為15.3192 mg/L,同樣為藍(lán)藻門最高,14.9947 mg/L,甲藻門次之為 0.1548 mg/L,裸藻門0.0936 mg/L,硅藻門0.0534 mg/L,隱藻門0.0192 mg/L,綠藻門的生物量最低,為0.0035 mg/L。浮游動物的總平均豐度為787.19 ind./L,其中,原生動物的豐度最多為726.00 ind./L,輪蟲54.00 ind./L,枝角類0.01 ind./L,橈足類7.18 ind./L。浮游動物的總平均生物量為0.3914 mg/L。橈足類最高為0.3331 mg/L,輪蟲次之,為0.0294 mg/L,原生動物0.0284 mg/L,枝角類0.0005 mg/L。
表1 莫力達(dá)瓦旗某水庫浮游生物及底棲動物優(yōu)勢種Tab.1 Dominant species of the plankton and zoobenthos in a reservoir in Morin DawaDaur Autonomous Banner
圖2 莫力達(dá)瓦旗某水庫各采樣點(diǎn)浮游生物和底棲動物種類組成、數(shù)量分布及豐度生物量變化Fig.2 Species composition,quantity distribution and changes in abundance and biomass of the plankton and zoobenthosin a reservoir in Morin Dawa Daur Autonomous Banner
調(diào)查期間,僅1#和2#斷面采集到底棲動物,底棲動物總平均豐度為83.2 ind./m2,環(huán)節(jié)動物數(shù)量最高為67.2 ind./m2,水生昆蟲為16 ind./m2。底棲動物總平均生物量為0.240 g/m2,環(huán)節(jié)動物為0.216 g/m2,水生昆蟲為0.024 g/m2。
浮游生物和底棲動物的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H')和Margalef豐富度指數(shù)(D)結(jié)果顯示,各采樣點(diǎn)Shannon-Wiener指數(shù)均值為1.62,變化范圍為 0.32~2.85;Margalef指數(shù)均值為 1.233,變化范圍為0.36~2.02。兩種指數(shù)均為4#采樣點(diǎn)最低,其次是2#采樣點(diǎn)較低,1#采樣點(diǎn)最高。
浮游生物及底棲動物多樣性指數(shù)水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)見表2。綜合多樣性指數(shù)判斷:水庫水環(huán)境質(zhì)量屬于α-中度污染。
由表3可知,莫力達(dá)瓦旗某水庫采樣日總氮含量平均為1.23 mg/L,超出《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn);總磷和氨氮平均含量分別為0.27mg/L和1.79mg/L,超出地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。水庫平均水深4.5m,受面源污染影響,透明度平均僅為5cm,水質(zhì)渾濁。雨后水庫懸浮物增加,長時間不沉降,這種情況持續(xù)一周左右。采樣日平均水溫25℃。
表2 多樣性指數(shù)水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 List of water quality evaluation standards by diversity index
表3 莫力達(dá)瓦旗某水庫采樣日環(huán)境因子數(shù)據(jù)Tab.3 Factors of water environment in a reservoir in Morin Dawa Daur Autonomous Banner on the sampling day
表4 典范對應(yīng)分析中浮游生物和底棲動物種類代碼Tab.4 Codes of the plankton and zoobenthos species by Canonical Correspondence Analysis
對莫力達(dá)瓦旗某水庫18種浮游植物、16種浮游動物和3種底棲動物與環(huán)境因子進(jìn)行典范對應(yīng)分析,編碼見表4。在典范對應(yīng)分析的排序中,排序軸1和排序軸2的特征值分別為0.674和0.430,4個排序軸特征值總和為1.186,全部典范特征值總和為1.186,前兩軸共解釋浮游生物和底棲動物物種與環(huán)境因子關(guān)系的93.1%,物種和環(huán)境因子相關(guān)系數(shù)都達(dá)到1,表明排序較好地反映了出物種與環(huán)境因子間的關(guān)系。物種的兩個排序軸之間相關(guān)系數(shù)和環(huán)境因子的兩個排序軸之間的相關(guān)系數(shù)均分別為0,表明排序結(jié)果可靠[23-25]。
圖3 莫力達(dá)瓦旗某水庫浮游生物和底棲動物與水環(huán)境因子的典范對應(yīng)排序圖Fig.3 Ordination biplot of Canonical Correspondence Analysis between the plankton and zoobenthos species and water environmental factors in a reservoir in Morin Dawa Daur Autonomous Banner
由圖3可知,溫度和磷酸鹽含量是排序軸1的重要影響因子,與排序軸1顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.6405和0.4476;溫度和透明度是排序軸2的重要影響因子,其中水溫與排序軸2顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.5392;透明度與排序軸2顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.5684。典范對應(yīng)分析的排序結(jié)果表明,水溫、透明度和磷酸鹽含量是影響浮游生物和底棲動物群落結(jié)構(gòu)及其分布的主要環(huán)境因子。
本研究水庫受面源污染影響透明度極低,雨后水中懸浮物增加且長時間不沉降。同時發(fā)現(xiàn),水庫多數(shù)浮游植物水樣藻體上附有大量懸浮物,極大影響了浮游植物的光合作用[26],水體中溶解氧含量不高,這解釋了雖然水庫氮、磷營養(yǎng)鹽含量高,但水庫浮游植物豐度和生物量卻不高。莫力達(dá)瓦旗年平均氣溫 1~3℃[27],水庫年平均水溫 0~0.3℃。溫度于浮游生物的影響,不僅表現(xiàn)在浮游生物的種類組成上,更表現(xiàn)為對浮游生物的豐度和生物量上,水溫達(dá)到浮游生物生長的最適溫度時,初級生產(chǎn)力開始迅速上升,當(dāng)溫度低于其生長的最適溫度時,其生長繁殖速度均較低[28,29]。本研究7月采樣,水庫從5月水溫開始逐漸上升,到7月浮游生物并沒有達(dá)到最高豐度和生物量,北方寒冷氣候特點(diǎn)導(dǎo)致浮游植物豐度和生物量較低,也導(dǎo)致硅藻種類呈現(xiàn)較大優(yōu)勢。而7月采樣時平均水溫上升至25℃,硅藻在浮游植物種類中呈現(xiàn)較大優(yōu)勢,但在數(shù)量上硅藻的優(yōu)勢被藍(lán)藻取代。這是因為藍(lán)藻具有嗜高溫的特性,當(dāng)溫度為10℃時,硅藻占絕對優(yōu)勢,而當(dāng)溫度升高到24℃時,藍(lán)藻逐漸占更大優(yōu)勢[30]。浮游動物中橈足類種類較多,生物量較高。浮游植物為橈足類的生長、繁衍提供餌料,所以浮游植物豐度和生物量較低,也與橈足類處于生物量高峰相關(guān)。橈足類雖然種類最多,但都不為優(yōu)勢種,3個優(yōu)勢種都為原生動物或輪蟲。原生動物僅發(fā)現(xiàn)4種,輪蟲僅發(fā)現(xiàn)2種,二者種類較少,但豐度較高。底棲動物同樣僅發(fā)現(xiàn)3種,都為優(yōu)勢種。2#采樣點(diǎn)采集到的底棲動物數(shù)量最多,而羽搖蚊幼蟲Chironomus plumosus僅在2#采樣點(diǎn)發(fā)現(xiàn)且數(shù)量龐大,過大的攝食壓力導(dǎo)致2#采樣點(diǎn)浮游植物數(shù)量最少。搖蚊幼蟲通過改變沉積物結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì),抑制浮游植物的生長[31],這也導(dǎo)致2#采樣點(diǎn)浮游植物數(shù)量較少。3#、4#、5#采樣點(diǎn)采集到的底泥中,沒有發(fā)現(xiàn)底棲動物,而1#和2#采樣點(diǎn)采集到的底棲動物優(yōu)勢種霍甫水絲蚓Limnodrilus hoffmeisteri和羽搖蚊幼蟲都為耐污指示種。從原生動物、輪蟲和底棲動物種類數(shù)可以看出,水庫生物物種較單一,這與農(nóng)業(yè)面源污染,水質(zhì)較差有關(guān)。多樣性指數(shù)分析表明:水庫水環(huán)境為α-中度污染。水庫兩岸基本都為農(nóng)田,化肥的施用及降雨可造成農(nóng)業(yè)面源污染,水庫氮、磷等營養(yǎng)鹽濃度總體偏高,農(nóng)業(yè)面源污染是影響其水質(zhì)的首要因素。浮游生物和底棲動物優(yōu)勢種中,多數(shù)種類像梅尼小環(huán)藻Cyclotella meneghiniana、銅綠微囊藻Microcystis aeruginosa,綠急游蟲 Strombidiu mviride、矩形龜甲輪蟲Keratella quadrata,底棲動物的霍甫水絲蚓、羽搖蚊幼蟲等,都為耐污種類,這也表明了水庫水環(huán)境質(zhì)量較差的污染現(xiàn)狀。
典范對應(yīng)分析結(jié)果表明,莫力達(dá)瓦旗某水庫浮游生物和底棲動物與環(huán)境因子有顯著的相關(guān)性,水溫、透明度和磷酸鹽含量是影響浮游生物、底棲動物群落結(jié)構(gòu)及其分布的主要環(huán)境因子。
北方氣候寒冷決定了溫度對水生生物的影響要高于其他地區(qū)。浮游植物球衣藻Chamydomonas globosa、小球藻Chlorella vulgaris、水棉Spirogyra Link和浮游動物橈足類的等刺溫劍水蚤Thermocyclops kawamurai、錐枝蒙鏢水蚤Mongolodiaptomus birulai與溫度呈顯著相關(guān)性。橈足類的生長既受內(nèi)在因素代謝率的影響,又受外界因素的影響,溫度是其中重要因素之一。在適溫范圍內(nèi),橈足類的生長率隨溫度升高而加速[32,33]。而作為浮游甲殼動物主要食物來源,浮游植物影響橈足類的分布[34]。當(dāng)浮游植物的豐度增加到一定程度時,充足的食物來源為橈足類的生長繁殖提供有利條件,橈足類的豐度也隨之增加,而橈足類達(dá)到一定數(shù)量之后,浮游植物豐度會因攝食壓力而降低,這解釋了浮游植物、橈足類和溫度之間的顯著相關(guān)性。浮游植物微綠舟形藻Navicula viridula、變綠脆桿藻Fragilaria virescen和尖針桿藻Synedraacus的生態(tài)適應(yīng)相似,表現(xiàn)為更適宜水深和總氮含量高的生長環(huán)境,與透明度的相關(guān)性比其他物種高。這三種藻類都為硅藻,有研究認(rèn)為,硅藻密度分布與水流流速和透明度的相關(guān)程度明顯高于與營養(yǎng)鹽和溫度的相關(guān)程度,較低的透明度明顯抑制了浮游植物,尤其是硅藻的生長[35-37]。該水庫水質(zhì)渾濁,平均水深4.5m,平均透明度僅為5cm,藻體懸浮物的大量附著影響浮游植物的光合作用,直接導(dǎo)致透明度與浮游植物的相關(guān)性。浮游植物梅尼小環(huán)藻,浮游動物直刺北鏢水蚤Arctodiaptom ussalinus、跨立小劍水蚤Microcyclops varicans和無節(jié)幼體在排序圖中位置相近,表現(xiàn)出生態(tài)適應(yīng)上的相似性。它們更適宜氨氮含量較高的環(huán)境;浮游動物球形砂殼蟲Difflug iaglobulosa和矩形龜甲輪蟲在排序圖中位置相近,它們更適宜總氮含量較高的生長環(huán)境。氮、磷等營養(yǎng)鹽一般通過浮游植物間接影響浮游動物的生長與分布。水體中營養(yǎng)鹽含量的升高勢必引起浮游植物密度的增加,促進(jìn)浮游動物豐度的增加[38,39]。磷酸鹽含量是影響底棲動物豐度的主要環(huán)境因子,底棲動物霍甫水絲蚓、羽搖蚊幼蟲、幽蚊Chaoborus sp.和浮游植物肘狀針桿藻Synedra ulna在排序圖中位置相近。它們與磷酸鹽含量相關(guān)性顯著。研究發(fā)現(xiàn),隨著溫度的升高,底棲動物如霍甫水絲蚓的磷酸鹽釋放率逐漸升高[40]。水絲蚓能顯著提高水體營養(yǎng)鹽水平,這些營養(yǎng)鹽被浮游植物利用后會促進(jìn)浮游植物的生長[41],而浮游植物是底棲動物的可口餌料,底棲動物與浮游植物的依存關(guān)系離不開磷酸鹽等營養(yǎng)鹽濃度的高低變化。
農(nóng)業(yè)面源污染使莫力達(dá)瓦旗某水庫浮游生物和底棲動物物種較單一,優(yōu)勢種多為耐污種類。多樣性指數(shù)分析表明:水庫水環(huán)境為α-中度污染。水溫、透明度和磷酸鹽含量是影響莫力達(dá)瓦旗某水庫浮游生物和底棲動物群落結(jié)構(gòu)及其分布的主要環(huán)境因子。應(yīng)加強(qiáng)水庫水環(huán)境保護(hù)工作,防止水庫生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化,保證呼倫貝爾水資源的合理利用。在農(nóng)民按照化肥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)施肥的基礎(chǔ)上,針對水庫農(nóng)業(yè)面源污染情況,提出以下建議:(1)減少人類活動對沿岸帶的破壞和干擾,阻止泥沙向水庫運(yùn)動,水庫沿岸開展植被緩沖帶,維系河岸帶植被;(2)根據(jù)不同季節(jié)水文情況,科學(xué)合理調(diào)整水庫調(diào)度方式;(3)選擇合理方式開展水庫清淤工作,消除水庫的水生態(tài)環(huán)境潛在威脅。