林 海,王 源,李 冰,*

1 北京科技大學能源與環(huán)境工程學院,北京 100083 2 工業(yè)典型污染物資源化處理北京市重點實驗室,北京 100083

媯水河是官廳水庫三大入庫河系之一,包括1條干流和9條支流,為典型的山溪性小流域河流。目前媯水河流域水污染問題突出,垃圾和面源污染問題嚴重。其次,媯水河流域平均降水量偏低,水資源短缺現(xiàn)象嚴重。

浮游動物在物質(zhì)轉(zhuǎn)化、能量流動等生態(tài)過程中起著重要作用,其種類組成和多樣性特征能反映出水體健康程度和狀態(tài)[1],因此浮游動物可作為反映水環(huán)境變化的指示生物[2- 3]。針對媯水河目前存在水環(huán)境質(zhì)量較差的問題,本文通過對媯水河浮游動物進行調(diào)查研究,研究不同時期浮游動物群落結(jié)構(gòu)的變化和多樣性指數(shù)的時空差異,分析浮游動物群落與水質(zhì)指標之間的相關(guān)關(guān)系,并開展水質(zhì)生態(tài)學評價,以期為媯水河水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測及治理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況和采樣點設(shè)置

媯水河發(fā)源于延慶城區(qū)東北13 km處,橫貫延慶盆地,在下屯鄉(xiāng)大路村北入官廳水庫后入永定河,河長18.5公里,為官廳水庫的三大入庫河系之一,屬大陸性季風氣候。地理坐標為115°49′21″—116° 16′16.75″E,40°24′52.18″—40°33′25.91″N。目前,有水匯入的支流主要有古城河、三里河和蔡家河。

根據(jù)國家環(huán)境保護標準中《水質(zhì)采樣方案設(shè)計技術(shù)規(guī)定》(HJ495—2009),并結(jié)合媯水河水系及特點共在流域內(nèi)設(shè)置10個采樣斷面(圖1),其中S1位于沈家營鎮(zhèn)香村營附近,S2位于媯水河與上游支流匯流處,S3是媯水河支流古城河采樣斷面,S4是媯水河與古城河交匯后的采樣斷面,S5位于北老君堂村附近,S6位于春芳園,S7位于東大橋水文站,S8位于媯水河世園會段,S9位于媯水河支流三里河采樣斷面,S10為谷家營國控斷面。于2017年豐水期(6—7月)和枯水期(10—11月)采集樣品,每月采集1次,每次采樣時間安排在連續(xù)晴天、水位較穩(wěn)定的日子。

圖1 采樣點位示意圖Fig.1 Sampling sites in Guishui RiverS1：采樣點位1 Site1；S2：采樣點位2 Site2；S3：采樣點位3 Site3；S4：采樣點位4 Site4；S5：采樣點位5 Site5；S6：采樣點位6 Site6；S7：采樣點位7 Site7；S8：采樣點位8 Site8；S9：采樣點位9 Site9；S10：采樣點位10 Site10

1.2 水體理化因子的測定

水體理化因子采用現(xiàn)場測定和實驗室分析的方法,其中,溫度、pH、溶解氧3個指標采用WTW Multi 350i手提式多參數(shù)水質(zhì)分析儀進行現(xiàn)場測定,透明度用塞氏圓盤現(xiàn)場測定。在各樣點采集2個平行水樣(各1 L), 置于保溫箱中低溫保存(4℃),于48h內(nèi)帶回實驗室進行樣品的水質(zhì)指標測定。TP的測定采用鉬酸銨分光光度法(GB 11893- 89),TN的測定采用堿性過硫酸鉀紫外分光光度法(GB 11894- 89),NH3-N的測定采用納氏試劑分光光度法(HJ 535- 2009),COD的測定采用重鉻酸鉀法(GB 11914- 89),測定方法參照文獻[4]。

1.3 浮游動物的采集及檢測方法

(1)定性標本

采用25號浮游生物網(wǎng)采集(網(wǎng)孔0.064mm),于水面以下作“∞”狀拖動浮游動物網(wǎng)數(shù)次,將濃縮于網(wǎng)頭的水樣收集于50mL的標本瓶,用4%甲醛溶液現(xiàn)場固定,以待鏡檢鑒定。浮游動物種類鑒定參照文獻[5- 6]。

(2)定量標本

用5L采水器于分別于水面以下0.5m處和1.5m處采集水樣,混合均勻后置于1L塑料采樣瓶中,加入魯哥氏液現(xiàn)場固定,各樣點均重復(fù)3次。實驗室靜置24h后,濃縮至200mL,再次靜置24h,濃縮至50mL保存。定量計數(shù)前將沉淀樣品充分搖勻,然后吸取1mL樣品注入1mL計數(shù)框內(nèi),在10×10倍的光鏡下全片計數(shù)。每個標本重復(fù)計數(shù)3—5次,取其平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

根 據(jù) 浮 游 動 物 優(yōu) 勢 度 指 數(shù)(Y)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)、Pielou均勻度指數(shù)(J)和Margalef豐富度指數(shù)(D)對媯水河浮游動物群落結(jié)構(gòu)特征進行分析評價[7- 9],其計算公式如下。

Y=(Ni/N)×fi

J=H′/ln(S)

D=(S-1)/ln(N)

式中,N為第i種的個體數(shù)；N為所有種類的總個體數(shù)；fi為各采樣點第i種的出現(xiàn)頻率；H為生物多樣性指數(shù)；J為均勻度指數(shù)；S為物種總數(shù)；D為豐富度指數(shù)。

根據(jù)水生態(tài)學評價方法,當浮游動物豐度<1000個/L時水體為貧營養(yǎng),豐度>3000個/L時為富營養(yǎng),1000—3000個/L為中營養(yǎng)[10]。運用Canoco5.0軟件進行數(shù)據(jù)分析浮游動物群落及其與環(huán)境因子之間的相關(guān)性。

2 結(jié)果

2.1 浮游動物的種類組成與優(yōu)勢種

本次調(diào)研共鑒定出浮游動物4門22屬88種,原生動物種類最多,共42種,其中28種為中等營養(yǎng)水體以上的指示種；輪蟲種類次之,共25種,其中有8種富營養(yǎng)水體指示種；枝角類種類最少。浮游動物種類在兩個時期均以原生動物和輪蟲為主,兩門種類之和占總種類的70%以上。由圖2和圖3可以看出,原生動物種類在兩個時期所占比例均最大,分別為38.3%和64.9%,輪蟲種類所占比例次之,在兩個時期分別為34.9%和16.6%,枝角類和橈足類在兩個時期所占比例較小,浮游動物種類組成在兩個時期均為原生動物>輪蟲>橈足類>枝角類。由于輪蟲和原生動物相較于枝角類和橈足類等大型浮游動物,其繁殖發(fā)育速度快、能快速適應(yīng)河流環(huán)境的變化,因此種類數(shù)量較多,本研究與國內(nèi)很多河流浮游動物群落結(jié)構(gòu)組成相似[11- 12]。

由表1可以看出,媯水河浮游動物的優(yōu)勢種有8種,分別為鐘蟲、俠盜蟲、梨形四膜蟲、螺形龜甲輪蟲、單環(huán)櫛毛蟲、針簇多枝輪蟲、裂痕龜紋輪蟲、冠飾異尾輪蟲,受不同時期溫度和水質(zhì)的影響,不同時期優(yōu)勢種組成有所差異,其中豐水期優(yōu)勢種主要是針簇多枝輪蟲、裂痕龜紋輪蟲、冠飾異尾輪蟲、鐘蟲和梨形四膜蟲,枯水期優(yōu)勢種主要是鐘蟲、俠盜蟲、梨形四膜蟲、螺形龜甲輪蟲和單環(huán)櫛毛蟲。

圖2 豐水期浮游動物種類分布Fig.2 Distribution of zooplankton species during the wet period

圖3 枯水期浮游動物種類分布Fig.3 Distribution of zooplankton species during the dry period

表1 媯水河浮游動物優(yōu)勢種和優(yōu)勢度

2.2 浮游動物的密度及生物量

表2列出了媯水河豐水期和枯水期浮游動物的密度和生物量,由表2可以看出,在調(diào)查期間,媯水河浮游動物總的平均密度為5041.58個/L,其中原生動物、輪蟲、枝角類、橈足類的平均密度分別為2070、2965、1.54和5.04個/L,豐水期(6月和7月)浮游動物密度高于枯水期(10月和11月),尤其是6月份,浮游動物密度高達12439.63個/L。媯水河浮游動物生物量平均為2.88mg/L,浮游動物生物量也以輪蟲和原生動物為主。

由圖4可以看出,浮游動物密度最大值出現(xiàn)在S8點位(媯水河世園段),為18451.25個/L,說明該點位水體污染嚴重,最小值出現(xiàn)在S4點位(媯水河與古城河交匯處),S2、S4點位浮游動物平均細胞密度最小。

由圖5可以看出,S8點位的生物量最大(14.07mg/L),S3點位的生物量最小,為0.17mg/L。浮游動物不同門類當中,輪蟲的貢獻最大(91.4%),橈足類貢獻最小(1.8%)。其中,原生動物平均生物量為0.11mg/L,S6最高為0.21mg/L,輪蟲平均生物量為2.64mg/L,S8最高為13.90 mg/L,枝角類平均生物量為0.08mg/L,S10最高為0.64mg/L,橈足類平均生物量為0.06mg/L,S10最高為0.43mg/L。綜上可知,媯水河浮游動物以輪蟲和原生動物為主體,浮游動物各類群豐度和生物量均表現(xiàn)為市區(qū)段最大,其他點位較小。

表2 媯水河豐水期和枯水期浮游動物的密度和生物量

圖4 媯水河不同采樣點位浮游動物數(shù)量 Fig.4 Number of zooplankton at different sampling points in Guishui River

圖5 媯水河不同采樣點位浮游動物生物量 Fig.5 Zooplankton biomass at different sampling points in Guishui River

2.3 浮游動物群落與環(huán)境因子的關(guān)系

媯水河不同月份水體理化指標如表3所示。采用CCA分析探究媯水河浮游動物群落及優(yōu)勢種(代碼見表4)與環(huán)境因子(水體理化指標)的關(guān)系,從而可識別對環(huán)境因子敏感的浮游動物物種。浮游動物與環(huán)境因子的相關(guān)性關(guān)系如圖6所示。

CCA分析顯示,前兩個排序軸的特征值分別為0.39和0.08,第一排序軸物種與環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)為0.953,第二排序軸與環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)為0.871。溫度與第一環(huán)境因子排序軸負相關(guān)性最大,其次是總磷和總氮；溶解氧與第一環(huán)境因子正相關(guān)性最大,其次是pH；葉綠素a與第一軸的相關(guān)性大于第二軸,浮游動物總密度和pH的正相關(guān)性最大。大部分優(yōu)勢種分布在第一、二象限,與氨氮和pH呈正相關(guān),其中,裂痕龜紋輪蟲和冠飾異尾輪蟲與氨氮的相關(guān)性極顯著,針簇多枝輪蟲、螺形龜甲輪蟲和單環(huán)櫛毛蟲數(shù)量與總磷、總氮、溫度呈正相關(guān),與pH負相關(guān),鐘蟲、裂痕龜紋輪蟲和梨形四膜蟲數(shù)量與pH、氨氮正相關(guān),與總磷、總氮、溫度和COD呈負相關(guān)。

由CCA分析結(jié)果可以分析出,水溫、pH、DO和氨氮對浮游動物組成和優(yōu)勢種影響較大,是決定媯水河浮游動物群落結(jié)構(gòu)變化的主要環(huán)境因子。

2.4 浮游動物多樣性時空差異

浮游動物的多樣性指數(shù)可以在一定程度上反映出水環(huán)境的狀況,也可作為環(huán)境質(zhì)量評價的依據(jù)之一。在水體污染程度較重的河流中,生物多樣性下降,浮游動物群落結(jié)構(gòu)趨于簡單,多樣性指數(shù)低[13]。由表5可以看出,媯水河浮游動物Shannon-weaver多樣性指數(shù)H、Pielou均勻度指數(shù)J和Margelaf豐富度指數(shù)D全年平均值分別為0.43、0.31和0.41,6月和11月的多樣性指數(shù)H和均勻度指數(shù)J顯著高于7月,10月份最低；豐富度指數(shù)D在6月最低,其余3個月份相近。不同斷面之間,多樣性指數(shù)H和均勻度指數(shù)J均以S10(谷家營國控斷面)最高,S8(媯水河世園段)最低。

表3 媯水河不同時期水體理化指標均值(平均值±標準差)

pH：氫離子濃度 Potential of hydrogen；DO：溶解氧含量 Dissolved oxygen；COD：化學需氧量 Chemical oxygen demand； TN：總氮濃度 Total nitrogen；TP：總磷濃度 Total phosphorus；NH3-N：氨氮濃度 Ammonia nitrogen；NO3-N：硝態(tài)氮 Nitrate nitrogen；Chl.a：葉綠素a Chlorophyll a

表4 CCA分析中浮游動物優(yōu)勢種代碼

S1：物種1 species1；S2：物種2 species2；S3：物種3 species3；S4：物種4 species4；S5：物種5 species5；S6：物種6 species6；S7：物種7 species1；S8：物種8 species8

圖6 媯水河浮游動物群落與環(huán)境因子CCA分析Fig.6 Canonical correspondence analysis of species-environmental relationships in Guishui River systempH：氫離子濃度 Potential of hydrogen；DO：溶解氧含量 Dissolved oxygen；COD：化學需氧量 Chemical oxygen demand； TN：總氮濃度 Total nitrogen；TP：總磷濃度 Total phosphorus；NH3-N：氨氮濃度 Ammonia nitrogen；NO3-N：硝態(tài)氮 Nitrate nitrogen；Chl.a：葉綠素a Chlorophyll a；；Dens：密度 Density；Spe-num：種類 Number of zooplankton species；Protozoo：原生動物 Protozoon；Cladocer：枝角類 Cladocera；Rotifera：輪蟲；Copepoda：橈足類；S1：物種1(針簇多枝輪蟲)Polyarthra trigla；S2：物種2(鐘蟲)Vorticella；S3：物種3(裂痕龜紋輪蟲)Anuraeopsis fissa；S4：物種4(冠飾異尾輪蟲)Trichocerca lophoessa；S5：物種5(梨形四膜蟲)Tetrahymena priformis；S6：物種6(俠盜蟲)Strobilidium；S7：物種7(螺形龜甲輪蟲)Keratella cochlearis；S8：物種8(單環(huán)櫛毛蟲)Didinium balbianii

由生物多樣性指數(shù)評價結(jié)果可知,Shannon-weaver多樣性指數(shù)H和Margelaf豐富度指數(shù)D均顯示媯水河水質(zhì)為重污染狀態(tài),Pielou均勻度指數(shù)J顯示水質(zhì)為中度污染狀態(tài)。

表5 浮游動物多樣性指數(shù)時空差異(平均值±標準差)

H：多樣性指數(shù) Shannon-weaver index；J：均勻度指數(shù)Pielou evenness index；D：豐富度指數(shù) Margalef′s richness index

3 討論

3.1 浮游動物群落結(jié)構(gòu)時空變化特征

由以上研究結(jié)果可知,媯水河浮游動物主要為輪蟲和原生動物,原生動物種類最多,共42種,輪蟲種類次之,共25種,且數(shù)量和生物量均以輪蟲為主,原因是媯水河水體營養(yǎng)水平較高,有利于輪蟲快速生長繁殖,使輪蟲中的富營養(yǎng)種類和數(shù)量大量增加。與北方河流相比,本研究與灤河、永定河、沙潁河、嫩江浮游動物的群落結(jié)構(gòu)組成相似[12,14- 15],均以輪蟲為主,枝角類和橈足類較少。由于輪蟲具有獨特的孤雌生殖方式,發(fā)育快、生命周期短,能在短期內(nèi)達到很高的豐度,并且很快適應(yīng)河流中理化環(huán)境的變化,因此在河流生態(tài)環(huán)境中浮游動物通常以輪蟲為主[16]。不同的是嫩江以龜甲輪蟲居多,永定河和灤河以臂尾輪蟲居多,媯水河以針簇多枝輪蟲、裂痕龜紋輪蟲、冠飾異尾輪蟲、螺形龜甲輪蟲為主,其中針簇多枝輪蟲、裂痕龜紋輪蟲和螺形龜甲輪蟲主要出現(xiàn)在富營養(yǎng)水體,冠飾異尾輪蟲出現(xiàn)在貧營養(yǎng)水體[17-18]。與同屬北溫帶的北運河相比,北運河浮游動物也以輪蟲為主,但媯水河中枝角類數(shù)量所占比例(不足1%)遠小于北運河(24.3%)[19]。

從不同時期來看,豐水期和枯水期浮游動物均以原生動物為主(圖2、圖3),但兩個時期的密度和種類數(shù)差異較大,豐水期浮游動物密度(7665個/L)均高于枯水期(2418個/L),主要原因是由于豐水期水溫較高、氮磷含量較高。朱藝峰等[20]的研究也表明季節(jié)和時期變化是決定象山港國華電廠附近海域浮游動物群落結(jié)構(gòu)的主要因素,這主要由于不同時期的水溫對浮游動物的生長繁殖、群落組成和數(shù)量變化等影響極為顯著,低溫下浮游動物的卵發(fā)育緩慢,水溫升高發(fā)育和繁殖速度加快[21-22],姜會超等[23]的研究表明水溫是影響菜州灣金城海域浮游動物群落結(jié)構(gòu)最主要的環(huán)境因子,水溫與浮游動物種類數(shù)的相關(guān)系數(shù)達到0.87(P<0.01)。媯水河地處北溫帶季風氣候區(qū),夏季炎熱多雨、冬季寒冷漫長,年平均氣溫為8℃,對于浮游動物來說,豐水期水溫相對較高,食物來源充足,繁殖較快,種類和數(shù)量迅速增多。豐水期群落結(jié)構(gòu)以輪蟲為主,其平均密度為5427.5個/L,占比70.8%,枯水期以原生動物為主,其平均密度為1912.5個/L,占比69.1%,有研究表明輪蟲喜歡富營養(yǎng)環(huán)境,水體營養(yǎng)狀態(tài)的提升有利于輪蟲密度的提高[24],媯水河豐水期氮磷含量較高,因此浮游動物以輪蟲為主。優(yōu)勢種方面,豐水期浮游動物優(yōu)勢種以鐘蟲、裂痕龜紋輪蟲、針簇多枝輪蟲等富營養(yǎng)型種為主,枯水期優(yōu)勢種為鐘蟲、梨形四膜蟲、螺形龜甲輪蟲、單環(huán)櫛毛蟲、俠盜蟲,說明枯水期水體污染程度有所減輕。

由于媯水河河水流速較小、水體透明度高、泥沙含量低,因此在一定程度上有利于浮游動物的生長和繁殖[25],媯水河浮游動物的平均密度高達5041.58個/L。從點位上來看,S6(春芳園)、S8(媯水河世園會段)、S9(三里河)的浮游動物密度較大,結(jié)合水體理化指標,S6、S8、S9點位水體pH值較高,有利于浮游動物的生長。相關(guān)研究表明,浮游動物種類與豐度的大小與水體酸堿度密切相關(guān),堿性環(huán)境有利于浮游植物的光合作用,促使浮游植物大量繁殖,因此堿性環(huán)境中浮游植物的生產(chǎn)力較高,為浮游動物生長提供了充足的餌料,促使其豐度增加[26],周彥鋒等[7]對懷洪新河的研究也得出類似的結(jié)論。其次,S6、S8、S9采樣點位于市區(qū),生產(chǎn)和生活活動造成水體污染嚴重、水體富營養(yǎng)化,因此,氮、磷等營養(yǎng)鹽能通過滲透和離子調(diào)節(jié)機制促進浮游動物的生長[27],導(dǎo)致螺形龜甲輪蟲等富營養(yǎng)種的密度大量增加,林青等[28]的研究也表明滴水湖超過一半的優(yōu)勢種與TN和TP呈正相關(guān)。

3.2 水質(zhì)評價

按照浮游動物的豐度指標和優(yōu)勢種狀況對媯水河富營養(yǎng)化程度進行評價結(jié)果表明,豐水期S1、S2、S4、S5、S10采樣點為中營養(yǎng)狀態(tài),S3、S6、S7、S8、S9采樣點為富營養(yǎng)狀態(tài)?？菟赟2、S3、S4采樣點為貧營養(yǎng)狀態(tài),S1、S5采樣點為中營養(yǎng)狀態(tài),其余采樣點為富營養(yǎng)狀態(tài)。參照多樣性指數(shù)評價標準[13,29],Shannon-Weaver指數(shù)和Margalef指數(shù)顯示媯水河10個點位的水質(zhì)在豐水期和枯水期均為重污染狀態(tài),Pielou均勻度指數(shù)顯示S8(媯水河世園會段)、S9(三里河)為重污染狀態(tài),其余點位為中污染狀態(tài)。通過實地調(diào)研分析,造成污染的主要原因如下：S5、S6站點周邊有大面積農(nóng)田,化肥、農(nóng)藥和生活污水在下雨時隨水流大量進入河道,造成水體污染,S7站點周邊存在生活垃圾及畜牧養(yǎng)殖等污染源,S8、S9站點位于市區(qū),生活污水、城市面源污染一定程度地破壞水體的生態(tài)功能。而媯水河其他點位的人為影響較少,故水體狀況相對較好。

浮游動物優(yōu)勢種種類越多且優(yōu)勢度越小,則群落結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、穩(wěn)定[30],鞠永富等通過對西泉眼水庫浮游動物的調(diào)研,發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢種均為中污染類型的指示種,表明該水庫水體處于中污染水平[31],媯水河采樣點中優(yōu)勢種種類數(shù)較少,群落穩(wěn)定性較差,而且耐污性種類針簇多肢輪蟲、鐘蟲等較多,優(yōu)勢度也較高,反映出媯水河水質(zhì)污染狀況較嚴重。CCA分析表明,針簇多枝輪蟲、螺形龜甲輪蟲的數(shù)量與總磷、總氮濃度呈正相關(guān),裂痕龜紋輪蟲和冠飾異尾輪蟲數(shù)量與氨氮濃度呈正相關(guān),均可作為反映媯水河水體污染程度的指示性生物。劉愛萍等[32]對大亞灣海域浮游動物的研究表明,夜光蟲是各個點位的優(yōu)勢種,夜光蟲的大量繁殖使浮游動物總密度升高,夜光蟲也是海洋發(fā)生赤潮的生物因素之一,因此其密度的多少可作為指示水質(zhì)污染程度的一種依據(jù)。劉愛芬等[33]通過建設(shè)人工濕地,使氮磷含量降低,同時有效地去除了大型浮游動物(去除率為70%),對小型浮游動物也達到了一定的去除率。因此通過采取措施控制氮磷等營養(yǎng)鹽的含量,可以適量減輕媯水河污染嚴重的狀況,并可通過浮游動物的指示物種快速識別出水質(zhì)的改善程度。

4 結(jié)論

(1)豐水期和枯水期共鑒定出浮游動物88種,以輪蟲和原生動物為主。

(2)受水環(huán)境因子和氣候變化影響,媯水河豐水期浮游動物種類和密度多于枯水期,下游城區(qū)段點位的浮游動物生物量和密度明顯高于其他點位。

(3)媯水河浮游動物群落結(jié)構(gòu)和環(huán)境因子的CCA分析表明,水溫、pH、DO和氨氮是顯著影響媯水河浮游動物群落結(jié)構(gòu)的環(huán)境因子。裂痕龜紋輪蟲、冠飾異尾輪蟲等對水體中氮磷的相關(guān)性極為顯著,可參考作為媯水河水環(huán)境的指示性物種。

(4)基于生物多樣性對媯水河水質(zhì)進行水質(zhì)生態(tài)學評價,結(jié)果表明2017年媯水河水質(zhì)為中到重污染狀態(tài),亟需開展水環(huán)境治理工作。

致謝：感謝羅明科、李陽、蔡怡清在野外采樣中給予的幫助。