陳星宇， 劉雨澤， 郭逍宇， 熊 薇

1首都師范大學(xué)，北京 100048； 2中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085；3北京市第十四中學(xué)，北京 100053

生物多樣性急劇減少已成為全球關(guān)注的重要生態(tài)環(huán)境問題，生物多樣性決定機制已被列為科學(xué)界面臨的25大重要科學(xué)問題之一(Pennisi，2005)。全球河流生物多樣性受威脅程度研究結(jié)果表明,中國是河流生物多樣性銳減的重災(zāi)區(qū)之一(V?r?smartyetal.，2010)，水體污染是導(dǎo)致生物多樣性迅速減少的五大重要因素之一(Dudgeonetal.，2006)。我國河流正面臨嚴(yán)峻的污染問題，根據(jù)2003—2013年的調(diào)查統(tǒng)計，我國淡水水體污染具有時間長、污染范圍持續(xù)擴大的特點(Caietal.，2017)。其中，海河流域是七大流域中污染最嚴(yán)重的區(qū)域。在2005—2015年間，該流域有大于60%的河段水質(zhì)處于Ⅴ類或劣Ⅴ類水平(中華人民共和國環(huán)境保護部，2016)。人類活動介導(dǎo)的氮磷輸入是河流水體水質(zhì)惡化的重要原因之一，極易導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化發(fā)生，成為水生態(tài)系統(tǒng)健康和生態(tài)安全的重要威脅(Pernet-coudrieretal.，2012； V?r?smartyetal.，2010； Wangetal.，2019； Xiongetal.，2019)。同時，水體富營養(yǎng)化問題還與人口密度及氣候相關(guān)，密集的城市人口導(dǎo)致營養(yǎng)物質(zhì)大量排放，干旱半干旱氣候?qū)е碌慕涤炅繙p少使富營養(yǎng)化問題進一步惡化(Nyenjeetal.，2010)，從而導(dǎo)致水體缺氧、魚類死亡、藻類暴發(fā)等一系列生態(tài)環(huán)境問題。雖然氮磷輸入對典型類群如魚類以及初級生產(chǎn)者藻類的影響已有報道，但在污染條件下，河流生物區(qū)系的演替規(guī)律及其機制未得到很好解答，而這一問題的解析是診斷多樣性急劇減少的關(guān)鍵，同時也是生物多樣性保護亟待解決的科學(xué)問題。

浮游動物是河流典型的無脊椎動物生物類群，主要包括甲殼類的枝角類和橈足類、輪蟲以及原生動物四大類群。它們主要以水體藻類、細(xì)菌以及有機碎屑為食，同時被魚類等脊椎動物捕食，是河流食物網(wǎng)中能量傳遞和物質(zhì)流動的中間環(huán)節(jié)(Yoshidaetal.，2003)。因此，從河流生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)、能量流動角度來看，浮游動物具有重要的生態(tài)學(xué)意義。其中，輪蟲是在污染河流中豐度最高的浮游動物類群，對污染響應(yīng)迅速，對水體污染具有潛在的指示作用(Ejsmont-karabin，2012)。另外，Dugganetal. (2002)通過對新西蘭31個湖泊輪蟲群落的研究分析發(fā)現(xiàn)，輪蟲群落組成受到水體透明度、總磷濃度、湖泊平均深度以及葉綠素濃度的影響。Wangetal.(2010)和Xiongetal.(2016)分別對我國長江流域湖泊和海河流域河流輪蟲群落開展了研究，結(jié)果一致表明輪蟲群落組成與水體總氮水平顯著相關(guān)。另外，Yangetal.(2017)對太湖及入湖支流浮游動物的分析結(jié)果表明，輪蟲豐度與氨氮顯著相關(guān)，與枝角類及橈足類相比，輪蟲對氨氮耐受性更高。因此，解析污染條件下輪蟲群落的演替規(guī)律對于闡明河流生物區(qū)系對污染的響應(yīng)具有重要意義。

北三河水系地處半干旱氣候地區(qū)，流經(jīng)京津冀地區(qū)，是海河流域九大水系之一，由東部的溫榆河—北運河、中部的潮白河—潮白新河以及東部的薊運河3條主干道河道組成，最終匯入渤海。其西部毗鄰北京市、天津市，東部處于河北市內(nèi)。西部溫榆河為北京市的排污受納河流，北京市污水處理廠出水由清河、壩河、涼水河等匯入溫榆河以及下游北運河。已有研究表明，溫榆河—北運河磷含量為0.3～5.3 mg·L-1，氮含量為3.0～49 mg·L-1，而氨氮(0.6 mg·L-1)和亞硝酸鹽氮(≥ 1 mg·L-1)的濃度均超過了毒性水平，且氮、磷來源為城市的污水排放(Pernet-coudrieretal.， 2012)。Yangetal.(2018)對溫榆河—北運河后生浮游動物群落與環(huán)境的相互關(guān)系研究結(jié)果表明，溫榆河段河流的氮磷濃度最高，同時氮磷濃度的改變與浮游動物群落的地理分布顯著相關(guān)。因此，北三河西部河流，尤其是溫榆河受到了嚴(yán)重的氮磷污染，解析北三河不同河流的輪蟲群落組成及其決定機制，將對該區(qū)域的河流生態(tài)退化診斷、生物多樣性保護提供重要的理論支撐，也將為京津冀地區(qū)的生態(tài)安全保障提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 采樣點設(shè)置及樣品采集

在北三河水系的西部河流設(shè)置11個采樣點，主要分布于排污受納河流溫榆河，為本研究的H組樣點；另外，在東部諸河流中設(shè)置15個代表性采樣點，為本研究的L組樣點(圖1)。這些采樣點為海河流域北三河生態(tài)調(diào)查監(jiān)測站點，樣點設(shè)置參見Xiongetal.(2016)。

為了獲得輪蟲群落定量樣本，本研究在每個采樣點取30 L水通過20 μm漏斗形浮游生物網(wǎng)過濾收集所有浮游動物樣本，并保存于5%的福爾馬林溶液中，定容終體積為100 mL，用于輪蟲群落形態(tài)學(xué)鑒定分析。同時，在每個樣點采集500 mL水樣，用于水體的理化指標(biāo)測定。所有樣品均冷藏于4 ℃冰箱，并盡快運回實驗室進行分析。

圖1 北三河水系采樣點

1.2 輪蟲群落組成分析及水質(zhì)指標(biāo)測定

為了定量分析每個樣點的輪蟲群落組成，本研究在100 mL保存樣品中取出2 mL樣品全部進行鏡檢計數(shù)，且此過程重復(fù)3次，最終取平均值并換算為每升水中的物種密度。在每次取出鏡檢樣品之前，搖勻樣品瓶，以保證樣品在瓶中均勻分布，以減少隨機取樣帶來的誤差對結(jié)果的影響。本研究物種鑒定采用光學(xué)顯微鏡完成，根據(jù)不同物種的形態(tài)特征盡量鑒定到種水平，但是個別屬的輪蟲種類由于固定保存后鑒定特征丟失，只鑒定到屬水平，例如異尾輪屬、猶毛輪屬和巨頭輪屬等。

為了研究污水排放對水體營養(yǎng)水平的影響，本研究共測定了8個理化指標(biāo)，包括現(xiàn)場探頭測定的水體溫度(water temperature， WT)，以及實驗室測定的總磷(total phosphorus， TP)、溶解性總磷(dissolved total phosphorus， DTP)、活性磷(soluble reactive phosphorus， SRP)、總氮(total nitrogen， TN)、溶解性總氮(dissolved total nitrogen， DTN)、硝酸鹽氮(nitrate nitrogen， NO3-N)和氨氮(ammonia nitrogen， NH4-N)。其中，TP、SRP、TN、NO3-N和NH4-N采用國標(biāo)法測定；DTN和DTP采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES，OPTIMA 2000，珀金埃爾默，美國)測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 水質(zhì)差異性分析 為了分析2組樣點間水質(zhì)因子的差異，本研究采用主成分分析(principle component analysis， PCA)的方法基于8個測定的環(huán)境變量的歐式距離對26個樣點進行排序分析，排序結(jié)果中距離越相近的點，環(huán)境條件越相似。為了進一步統(tǒng)計單個環(huán)境變量在組間的差異顯著性水平，本研究采用了非參數(shù)曼-惠特尼U檢驗對8個環(huán)境變量分別進行差異顯著性檢驗分析。

1.3.2 輪蟲群落差異性分析 根據(jù)群落組成分析的結(jié)果，本研究首先統(tǒng)計每個樣點的生物多樣性，包括總物種數(shù)目(S)、總個體數(shù)目(N)、物種豐富度(d)、香農(nóng)威納指數(shù)(H)和均勻度(J)。采用非參數(shù)曼-惠特尼U檢驗對H組和L組間的生物多樣性指數(shù)進行差異水平檢驗。另外，為了分析樣點間的組成差異，本研究首先采用非度量多維尺度分析(non-metric multidimensional scaling， NMDS)基于物種組成的Bray-Curtis不相似性對26個樣點進行排序分析，同時采用相似性分析(analysis of similarity， ANOSIM)對H組和L組間的群落差異性進行差異水平檢驗。為了進一步深入分析導(dǎo)致H組和L組樣點輪蟲群落組成差異的物種，本研究采用相似百分比分析(similarity of percentage， SIMPER)對H組和L組樣點輪蟲群落的代表性物種分別進行了識別。同時，對H組和L組樣點輪蟲群落差異貢獻率最高的物種進行了識別。

1.3.3 輪蟲群落與水質(zhì)變量的相互關(guān)系分析 在環(huán)境條件以及群落差異分析的基礎(chǔ)上，本研究采用基于spearman相關(guān)的mantel檢驗對每個環(huán)境變量與輪蟲群落組成差異的相關(guān)性進行了分析，以識別出與輪蟲群落顯著相關(guān)的環(huán)境因子。另外，本研究采用基于線性模型的冗余分析(redundancy analysis，RDA)對環(huán)境因子與群落組成進行建模分析，以建立樣點、物種以及環(huán)境變量三者之間的關(guān)系。為了增加所構(gòu)建模型的可靠性，本研究在進行RDA分析之前通過計算每個環(huán)境變量的膨脹因子(inflation factors)對環(huán)境因子進行篩選，剔除具有共線性的環(huán)境變量，以建立節(jié)儉、可靠的RDA模型，正確揭示樣點、物種以及環(huán)境變量三者之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境差異性

環(huán)境變量測定結(jié)果表明，H組樣點的TN、DTN、TP、DTP和SRP的平均值要明顯高于L組，曼-惠特尼U檢驗結(jié)果顯示,2組間的TN、DTN、TP、DTP和SRP具有極顯著差異(P<0.001，表1)，而WT、NO3-N和NH4-N無顯著差異。PCA排序結(jié)果表明，H組樣點和L組樣點清晰地聚為2簇。2個分析顯示，2組樣點的環(huán)境條件明顯不同(圖2)。從樣點在環(huán)境梯度上的分布來看，H組樣點的氮(TN和DTN)、磷(TP、DTP和SRP)相關(guān)指標(biāo)明顯高于L組樣點。同時，PCA排序圖中TN、DTN、TP、DTP和SRP變量相互間呈銳角關(guān)系，表明這些變量間具有極強的相關(guān)性。

表1 H組和L組各環(huán)境變量的均值±標(biāo)準(zhǔn)差及組間差異性U檢驗分析

圖2 基于環(huán)境因子歐氏距離排序的主成分分析

2.2 群落演替規(guī)律

輪蟲群落組成分析結(jié)果表明，在研究的26個樣點中共檢測到44個輪蟲種類。H組樣點平均總物種數(shù)為6.2種，平均總生物個體數(shù)為1008個；L組樣點平均物種數(shù)為10.8種，平均生物個體數(shù)為2904個。另外，從圖3可以看出，H組樣點不僅是總物種數(shù)目(S)、總生物個體數(shù)目(N)明顯低于L組樣點，同時物種豐度(d)、香農(nóng)威納指數(shù)(H)以及均勻度(J)均低于L組樣點。對組間多樣性指數(shù)進行曼-惠特尼U檢驗結(jié)果顯示，除均勻度指數(shù)外，H組與L組間的總物種數(shù)目、總生物個體數(shù)目物種豐富度、香農(nóng)威納指數(shù)的差異程度均為極顯著差異水平(P<0.001)。

圖3 H組和L組輪蟲群落多樣性指數(shù)箱式圖

相似百分比分析結(jié)果表明，H組典型物種為壺狀臂尾輪蟲BrachionusurceolarisMüller和角突臂尾輪蟲B.angularisGosse，L組典型的物種為針簇多肢輪蟲PolyarthratriglaEhrenberg和萼花臂尾輪蟲B.calyciflorusPallas (表2)。NMDS排序結(jié)果表明，H和L組群落在排序圖中主要群落聚為2個不同的簇，ANOSIM的差異性程度分析顯示,2組樣點在群落組成上的差異已達到顯著性水平(ANOSIM，R=0.194；P<0.01，圖4)。因此，H和L組群落在組成上具有顯著差異。物種對組間群落差異的貢獻率分析結(jié)果表明，H組群落的物種豐度減少以及物種的有無均是組間群落差異重要原因。其中，邁氏三肢輪蟲Filiniamaio(Colditz)、蒲達臂尾輪蟲B.budapesllensisDaday和奇異巨腕輪蟲Hexarthramira(Hudson)豐度的減少對組間群落差異性共貢獻了17.32%；溝痕泡輪蟲PompholyxsulcateHudson和叉爪單趾輪蟲MonostylafurcateMurray的有無對組間群落差異性共貢獻了8.98%(表3)。

表2 基于相似百分比分析(SIMPER)的H組和L組典型代表性輪蟲物種鑒定

圖4 基于群落Bray-Curtis不相似性的非度量多維尺度分析

2.3 關(guān)鍵污染因子識別

Mantel相關(guān)分析結(jié)果表明，樣點間TN(r=0.356；P=0.001)、DTN(r=0.3454；P=0.001)、TP(r=0.316；P=0.002)、DTP(r=0.375；P=0.001)、SRP(r=0.370；P=0.001)和NH4-N(r=0.148；P=0.039)的差異均與群落組成差異顯著相關(guān)。

膨脹因子分析篩選出TP、NH4-N、WT和NO3-N的膨脹因子系數(shù)<10，為非共線性變量。基于這4個非共線性變量，本研究成功構(gòu)建了可靠的RDA模型(全模型Trace=0.277；P=0.024)?；赗DA模型的樣點、物種及環(huán)境變量的三序圖顯示(圖5)，H組與L組樣點分布于不同的TP梯度上，H組樣點分布于較高的TP環(huán)境中，且物種卜氏晶囊輪蟲AsplanchnabrightwelliiGosse、椎輪屬Notommatasp.和長三肢輪蟲F.longiseta(Ehrenberg)與TP正相關(guān)。而L組樣點分布于低TP梯度，其中蒲達臂尾輪蟲、邁氏三肢輪蟲以及角突輪蟲B.angularisGosse均與TP濃度呈負(fù)相關(guān)。NH4-N濃度的變化不是導(dǎo)致H組與L組群落組成差異的主要原因，但是NH4-N濃度的變化與L組組內(nèi)群落差異相關(guān)。

3 討論

3.1 河流水質(zhì)差異

本研究結(jié)果表明，西部河流(溫榆河)的TN、TP、DTN、DTP以及SRP的濃度均顯著高于東部諸河(包括潮白河、薊運河及其支流)。Yangetal.(2018)對溫榆河的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果也發(fā)現(xiàn),溫榆河具有較高的TN、TP濃度，其平均值分別為40.7、5.09 mg·L-1。榆河毗鄰北京市，其水源一部分來自于上游的沙河水庫，另一部分主要由4個支流(清河、壩河、通惠河和涼水河)匯入的來自北京市排放的廢水組成(Heebetal.，2012)。據(jù)報道，未處理的生活污水、畜禽養(yǎng)殖污水排放導(dǎo)致溫榆河上游沙河水庫水質(zhì)溶解性無機磷(DIP)含量達3.2 mg·L-1，NH4-N含量為33 mg·L-1(Pernet-Coudrieretal.,2012)。同時,匯水支流的水質(zhì)研究結(jié)果表明,其TN、TP濃度范圍分別是4.26～27.04、0.06～2.42 mg·L-1。因此，大量營養(yǎng)物質(zhì)通過支流匯入溫榆河。另外，污水氮磷排放與區(qū)域人口基數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系(Wangetal.，2019)。因此，溫榆河作為北京市重要的排污河流，與北京市密集人口密度相關(guān)。而東部諸河雖然較溫榆河氮磷濃度較低，但是其TN、TP平均濃度分別為7.31、0.77 mg·L-1。根據(jù)我國地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)，均超過地表水Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)。Xiongetal.(2017)對潮白河的研究結(jié)果表明，在潮白河下游區(qū)域較密云水庫上游保護區(qū)，其TN含量增加1倍，而TP含量增加近70倍，潮白河下游主要受到農(nóng)業(yè)面源污染的影響。張婉璐等(2012)對薊運河的水質(zhì)評價結(jié)果也表明，薊運河水質(zhì)均為Ⅴ類水水平。潮白河、薊運河及其支流流經(jīng)天津、河北多個市，包括廊坊市、承德市，因此受到人類活動的影響較大。

3.2 輪蟲群落組成關(guān)鍵影響因子

本研究結(jié)果表明，系氮磷輸入導(dǎo)致北三河水的營養(yǎng)鹽相關(guān)指標(biāo)顯著增加，輪蟲群落物種數(shù)目、個體數(shù)目、香農(nóng)威納多樣性指數(shù)以及均勻度顯著降低、輪蟲群落組成顯著改變。Xiongetal. (2019)在松花江流域針對浮游動物群落的研究的結(jié)果也表明，盡管松花江流域的營養(yǎng)鹽濃度顯著低于北三河水系，營養(yǎng)鹽濃度的變化與輪蟲群落組呈顯著相關(guān)。

表3 基于相似百分比分析(SIMPER)的組間差異重要貢獻(累積貢獻率>65%)的物種

圖5 輪蟲群落與環(huán)境因子間的冗余分析

已有研究表明，水體營養(yǎng)程度對輪蟲群落的影響主要來自于2個方面：一方面是直接作用，主要是高濃度的氨氮或者亞硝酸鹽氮對生物個體的毒害作用，以及寡營養(yǎng)環(huán)境的資源缺乏對輪蟲群落組成帶來影響；另一方面是間接影響，包括通過降低水體的氧濃度、pH值等對輪蟲群落帶來不利影響(王汨等，2017)，以及通過影響水體藻類生長、微生物生長、捕食者豐度來影響輪蟲群落的組成及豐度(魯耀鵬等，2017； Dugganetal.，2002)。例如，輪蟲豐度與葉綠素a濃度正相關(guān)，廣布多肢輪蟲在葉綠素a高的靜態(tài)水體易形成優(yōu)勢種(梁迪文等，2017)。本研究中，群落演替同時受到SRP等無直接毒害作用營養(yǎng)鹽因素以及氨氮的影響，可以推斷在北三河輪蟲群落同時受到了環(huán)境條件的直接和間接作用的影響。RDA分析顯示，水體營養(yǎng)水平變化對群落差異解釋量的估計為27.7%，表明除了受到水體營養(yǎng)水平的影響外，輪蟲群落同時也受到其他本研究未檢測環(huán)境污染變量的影響。前人實驗室培養(yǎng)實驗已經(jīng)證明，農(nóng)藥β-六六六和十氯丹能導(dǎo)致萼花臂尾輪蟲種群胚胎發(fā)育時間顯著縮短、世代時間顯著延長(查春旺，2007)，環(huán)境激素雙酚A、阿特拉津、西維因和久效磷能延遲輪蟲幼體發(fā)育(陸正和，2013)。

3.3 輪蟲群落對河流污染的指示作用

本研究顯示了輪蟲群落組成與河流水體污染物具有密切響應(yīng)關(guān)系，這一結(jié)果表明輪蟲群落是河流水質(zhì)評價的潛在對象。雖然大型無脊椎動物(陳義永等，2018； 李朝等，2018)以及硅藻(陳向等，2017)是國內(nèi)外河流水質(zhì)生物評價的典型對象，但是輪蟲在水質(zhì)評價中的作用是這2種生物類群不可替代的。首先，輪蟲對水質(zhì)營養(yǎng)鹽濃度變化的迅速響應(yīng)得到全球多個地域水體的研究的驗證，包括生態(tài)環(huán)境狀況良好的新西蘭地區(qū)的湖泊水體(Dugganetal.，2002)、中國污染最嚴(yán)重的海河流域的河流水體(Xiongetal.，2016)以及中國沿長江流域的富營養(yǎng)化湖泊水體(Wangetal.，2010)等；其次，輪蟲對水質(zhì)變化的指示作用是由浮游動物在食物鏈中承上啟下的位置決定的，作為河流浮游動物群落的主導(dǎo)組成類群，其多樣性的變化既可以反映自下而上的環(huán)境響應(yīng)，也可以反映自上而下的環(huán)境效應(yīng)(García-chicoteetal.，2018)。更有多種輪蟲種類為營養(yǎng)水平的指示種，如左其亭等(2017)通過污染指示種的組成及群落多樣性指數(shù)對淮河中上游進行了水質(zhì)評價。

本研究中高污染區(qū)(H組)代表性物種為壺狀臂尾輪蟲和角突臂尾輪蟲，二者分別為β中污型及β-α中污型指示物種；低污染區(qū)(L組)代表性物種為針簇多枝輪蟲和和萼花臂尾輪蟲，二者分別為寡污到β中污型(o-β)和β-α中污型指示種。因此，本研究中代表性物種的組成也指示出了高污染區(qū)比低污染區(qū)更高的營養(yǎng)水平。另外，基于輪蟲群落指示種的E/O指數(shù)(即富營養(yǎng)型指示種數(shù)與貧營養(yǎng)型指示種數(shù)比值)以及QB/T指數(shù)(即臂尾輪蟲屬的種數(shù)與異尾輪蟲屬的種數(shù)比值)已頻繁應(yīng)用于湖泊、水庫水質(zhì)評價(鞠永富等，2016； 李共國和虞左明，2003)。而這些水質(zhì)評價指標(biāo)的應(yīng)用以輪蟲極廣生態(tài)幅度為基礎(chǔ)，該類群從寡營養(yǎng)水體到腐生水體均存在。另外，輪蟲能生存于特殊極端環(huán)境如污水處理廠的活性污泥(寇海濤等，2018)及pH≤3的酸性水體(Deneke，2000)。另一方面，大型底棲生物群落往往在河道疏浚等環(huán)境修復(fù)工程中遭到破壞，并在短期內(nèi)難以恢復(fù)，而浮游動物群落在工程實施后可以迅速恢復(fù)(劉國鋒等,2010)。因此，在污染河流水質(zhì)評價過程中應(yīng)將輪蟲列為生物評價對象，尤其是針對富營養(yǎng)化河流。