王夢琪，岳思羽，張亞宇，胡莉婷，王瀟浚，仝佳玥

（陜西理工大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，陜西 漢中 723000）

0 引言

漢江上游地處我國南北過渡、東西交替的秦巴山區(qū)，是國家南水北調(diào)中線工程和陜西省引漢濟(jì)渭工程的水源區(qū)[1]。南水北調(diào)中線工程從漢江干流的丹江口水庫調(diào)水[2]，自2014年12月開始通水，現(xiàn)已連續(xù)向北京、天津、河北、河南4省市供水近300億m3。引漢濟(jì)渭工程從漢江干流的黃金峽以及漢江支流子午河的三河口水庫調(diào)水，調(diào)水規(guī)模15億 m3[3]。漢江上游的水環(huán)境狀況會直接影響到南水北調(diào)中線工程和引漢濟(jì)渭工程的供水安全問題。

在河流生態(tài)系統(tǒng)中的眾多指示生物中，浮游動(dòng)物的生存周期短，對環(huán)境變化的反應(yīng)快，具有獨(dú)特優(yōu)勢[4]；同時(shí)，浮游動(dòng)物是食物鏈的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，能夠?qū)Ω郀I養(yǎng)級的水生生物產(chǎn)生影響，可以反映整個(gè)水生態(tài)系統(tǒng)的變化[5]。趙鑫等[6]運(yùn)用典范對應(yīng)分析，得到影響無定河流域源頭區(qū)浮游生物群落結(jié)構(gòu)的主要水環(huán)境指標(biāo)是氨氮、COD和總氮。白海峰等[7]通過研究得出，海拔和總?cè)芙庑怨腆w是驅(qū)動(dòng)渭河陜西段枯水期浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的主要環(huán)境因子，而流速和溶解氧是豐水期的主要環(huán)境因子。謝海莎等[8]發(fā)現(xiàn)影響延河浮游動(dòng)物群落分布的主要環(huán)境因子是總氮、總磷。總體看來，水溫、透明度、營養(yǎng)鹽等是影響浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的主要環(huán)境因子[9-10]。

目前，有關(guān)漢江流域浮游動(dòng)物與環(huán)境因子之間關(guān)系的研究成果較少，僅杜春紅[11]研究得出影響漢江干流浮游動(dòng)物功能群分布的主要環(huán)境因子是氮營養(yǎng)鹽、水溫、電導(dǎo)率和透明度；徐聚臣等[12]于2017—2020年，對漢江干流漢中、老河口和鐘祥江段魚類、浮游生物等生物資源進(jìn)行季節(jié)性調(diào)查分析，需要進(jìn)一步開展研究。本文于2021年5—11月和2022年4月對漢江漢中段浮游動(dòng)物的種類組成進(jìn)行了調(diào)查，分析了其群落結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用相關(guān)性分析和冗余分析等方法探討了漢江漢中段浮游動(dòng)物功能群與水環(huán)境因子的關(guān)系，以期為漢江上游的水生態(tài)環(huán)境保護(hù)和水資源合理開發(fā)利用提供數(shù)據(jù)支撐與科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 采樣點(diǎn)

漢江發(fā)源于秦嶺南麓的漢中市寧強(qiáng)縣嶓冢山，于湖北省武漢市匯入長江。漢江漢中段地處漢江上游，長270 km，流經(jīng)勉縣、漢臺區(qū)、城固縣、洋縣等縣區(qū)[13]，是國家南水北調(diào)中線工程和陜西省引漢濟(jì)渭工程的主要水源之一。近年來漢中城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，但受水生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識不強(qiáng)和配套的污染防治基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后等因素影響，保持漢江水質(zhì)長期優(yōu)良面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

基于此，在漢江流經(jīng)的每個(gè)縣區(qū)設(shè)置1個(gè)采樣點(diǎn)，同時(shí)考慮到人類活動(dòng)是影響水生生物群落結(jié)構(gòu)演變的重要因素[14]，在人口較為密集的中心城區(qū)漢臺河段上下游設(shè)置對照點(diǎn)位，具體分布如圖1所示：C1（勉縣，農(nóng)業(yè)種植區(qū)河段）、C2（勉縣漢臺區(qū)交界，中心城區(qū)上游河段）、C3（漢臺區(qū)，中心城區(qū)河段）、C4（漢臺區(qū)城固縣交界，中心城區(qū)污水處理廠排水口下游河段）、C5（城固縣，工業(yè)集中區(qū)河段）、C6（洋縣，工業(yè)集中區(qū)河段）。水生態(tài)調(diào)查選在春秋兩季，具體為2021年5月、2021年11月和2022年4月，通常在連續(xù)晴天、水位穩(wěn)定的時(shí)候進(jìn)行。每次采樣每個(gè)采樣點(diǎn)采集至少6個(gè)水質(zhì)樣品和3個(gè)浮游動(dòng)物樣品（均設(shè)有平行樣）。

1.2 樣品采集與測定

（1）浮游動(dòng)物的采集與測定

浮游動(dòng)物采樣工具為25號浮游生物網(wǎng)（孔徑0.064 mm）。用25號浮游生物網(wǎng)在水下約30~50 cm處，勻速往復(fù)拖動(dòng)1~3 min，將收集到的水樣倒入采水器中，加入1~2滴魯哥試劑固定，并沉淀48 h，濃縮至15 mL后得到所需樣品[15]。計(jì)數(shù)時(shí)應(yīng)充分混勻濃縮水樣，吸取0.1 mL待檢水樣，滴于0.1 mL計(jì)數(shù)框（20 mm×20 mm）中，在10×40倍或10×10倍顯微鏡下觀察和計(jì)數(shù)，每個(gè)樣品計(jì)數(shù)2~3次，取平均值。

浮游動(dòng)物豐度的計(jì)算方法為[16]：

式中：N—1L水樣中所觀察到的浮游動(dòng)物個(gè)數(shù)；vs—濃縮后的樣品體積；n—顯微鏡下觀察到的浮游動(dòng)物個(gè)數(shù)；v—采樣量；va—計(jì)數(shù)體積。

浮游動(dòng)物優(yōu)勢度的計(jì)算方法為[17]：

式中：ni—第i種物種個(gè)體總數(shù)；fi—該物種在各采樣點(diǎn)出現(xiàn)的頻率。當(dāng)Y＞0.02時(shí)則該物種為當(dāng)?shù)氐膬?yōu)勢種。

（2）環(huán)境因子的采集與測定

水樣測定指標(biāo)有溶解氧（DO）、溫度（T）、化學(xué)需氧量（CODCr）、五日生化需氧量（BOD5）、固體懸浮物（SS）、氨氮、硝氮、正磷、葉綠素、六價(jià)鉻（Cr6+）。其中，DO和T采用便攜式溶解氧儀現(xiàn)場測定、記錄；CODcr、BOD5、SS、氨氮、硝氮、正磷、葉綠素、Cr6+的測定參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》中的方法進(jìn)行[18]。

1.3 群落結(jié)構(gòu)特征與水質(zhì)評價(jià)

采用Margalef指數(shù)和Shannon-Wiener指數(shù)評價(jià)浮游動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)特征與水質(zhì)狀況。

Margalef指數(shù)的計(jì)算方法為[19]：

式中：D—Margalef指數(shù)；S—浮游動(dòng)物種類數(shù)。

Margalef指數(shù)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：0＜D＜1，重度污染；1＜D＜2，嚴(yán)重污染；2＜D＜4，中度污染；4＜D＜6，輕度污染；D＞6，清潔水。

Margalef豐富度指數(shù)評價(jià)水體富營養(yǎng)化程度：當(dāng)指數(shù)值在0~4范圍內(nèi)，水體呈富營養(yǎng)化；當(dāng)指數(shù)值在4~5范圍內(nèi)，呈中度營養(yǎng)化；當(dāng)指數(shù)值＞5時(shí)，水體呈貧營養(yǎng)化。

Shannon-Wiener指數(shù)的計(jì)算方法為[20]：

式中：H'—Shannon-Wiener指數(shù)；s—總物種數(shù)；ni—第i種生物的個(gè)體數(shù)量；n—樣品中生物總個(gè)體數(shù)量。

Shannon-Wiener指數(shù)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 Shannon-Wiener指數(shù)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)評價(jià)水體富營養(yǎng)化程度[12]：當(dāng)指數(shù)值在0~2范圍內(nèi)時(shí)，水質(zhì)呈富營養(yǎng)化；當(dāng)指數(shù)值在2~3范圍內(nèi)時(shí)，水質(zhì)呈中度營養(yǎng)化；當(dāng)指數(shù)值＞3時(shí)，水質(zhì)呈貧營養(yǎng)化。

1.4 相關(guān)性分析

根據(jù)漢江漢中段浮游動(dòng)物和水環(huán)境因子的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用SPSS 20軟件，使用皮爾遜相關(guān)分析法，判斷浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的相關(guān)性；采用Canoco 5軟件，使用冗余分析法，判斷顯著影響漢江漢中段浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)因子。

2 結(jié)果與討論

2.1 浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)

（1）群落組成

通過對漢江漢中段6個(gè)采樣點(diǎn)的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，各采樣點(diǎn)均以輪蟲和原生動(dòng)物為主，橈足類、枝角類次之。實(shí)驗(yàn)共采集到浮游動(dòng)物33屬46種，其中輪蟲有16屬23種，占總種類數(shù)的50%，種類最為豐富；原生動(dòng)物次之，有11屬15種，占比32.6%；枝角類和橈足類分別為2屬3種和4屬5種。從空間分布來看，浮游動(dòng)物種類數(shù)以勉縣段和城固段較為豐富（圖2）。從豐度來看，漢江漢中段浮游動(dòng)物豐度為520~810 ind./L，其中C5點(diǎn)豐度最大（810 ind./L），C4點(diǎn)豐度最?。?20 ind./L）。

圖2 漢江漢中段浮游動(dòng)物種類及空間分布

（2）優(yōu)勢種

經(jīng)過觀察計(jì)算，對比《淡水微型生物圖譜》[21]，漢江漢中段共發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢種8種（表2），輪蟲和原生動(dòng)物占據(jù)大多數(shù)。其中原生動(dòng)物有五種，分別為長斜板蟲、王氏似鈴殼蟲、頂尖砂殼蟲、節(jié)蓋蟲和齒楯纖蟲，優(yōu)勢度分別為0.034、0.021、0.034、0.023、0.043；輪蟲兩種，分別是角突臂尾輪蟲和獨(dú)角聚花輪蟲，優(yōu)勢度分別為0.023和0.021；枝角類優(yōu)勢種為無節(jié)幼體，優(yōu)勢度為0.027。

表2 漢江漢中段浮游動(dòng)物優(yōu)勢種

在各采樣點(diǎn)中，C1、C2和C5點(diǎn)觀察到的浮游動(dòng)物優(yōu)勢種較多，而C3和C4點(diǎn)的浮游動(dòng)物較少。原因可能是，C1、C2和C5點(diǎn)水質(zhì)清澈、泥沙含量少，適合浮游生物生長；C3和C4點(diǎn)位于中心城區(qū)，距離污水處理廠排水口較近，受人類活動(dòng)干擾因素大，水質(zhì)因素導(dǎo)致浮游動(dòng)物數(shù)量受到影響。

（3）多樣性指數(shù)與水質(zhì)評價(jià)

根據(jù)每次采樣的觀察結(jié)果，用式（3）和式（4）分別計(jì)算出漢江漢中段各采樣點(diǎn)在不同采樣時(shí)期的Margalef指數(shù)和Shannon-Wiener指數(shù)，如圖3所示，圖中D代表Margalef指數(shù)，H'代表Shannon-Wiener指數(shù)。

圖3 漢江漢中段浮游動(dòng)物多樣性指數(shù)的時(shí)空變化

漢江漢中段浮游動(dòng)物D指數(shù)的變化范圍為2.65~4.37，春季為3.59，秋季為3.26，總體均值為3.48；H'指數(shù)的變化范圍為2.49~3.65，春季為3.07，秋季為2.82，總體均值為2.92；春季略高于秋季。根據(jù)浮游動(dòng)物多樣性指標(biāo)判斷漢江漢中段的水質(zhì)狀況，D指數(shù)介于2與4之間，整體表現(xiàn)為中度污染；H'指數(shù)介于2與4之間，呈現(xiàn)輕度污染。各采樣點(diǎn)的D指數(shù)和H'指數(shù)變化趨勢基本相似，總體指數(shù)排序?yàn)镃5＞C1＞C2＞C6＞C4＞C3，其中C3、C4的多樣性指數(shù)低于3，污染程度偏高，原因可能在于C3和C4點(diǎn)屬于中心城區(qū)河段，受居民區(qū)和城市污水處理廠排放口的影響較大。總體看來，漢江漢中段的水質(zhì)狀況屬于輕度污染，與杜春紅[11]的研究結(jié)果基本一致，說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本合理。

2.2 水環(huán)境因子特征

2021年5月、11月和2022年4月分別在不同季節(jié)對漢江漢中段進(jìn)行水樣采集，并對水樣中的DO、T、CODCr、BOD5、SS、氨氮、硝氮、正磷、葉綠素、Cr6+等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測分析，結(jié)果如圖4所示。CODCr、BOD5、SS、T具有差異性，但波動(dòng)范圍不大，這與不同時(shí)期、不同河段的水質(zhì)變化情況有關(guān)。在營養(yǎng)鹽中，磷類營養(yǎng)鹽的含量高于氮類營養(yǎng)鹽，而且磷類營養(yǎng)鹽的變化也更為明顯。在楊衛(wèi)等人[22]的研究成果中，也提到了目前磷是長江流域的首要污染物，漢江流域的磷類營養(yǎng)鹽已經(jīng)開始受到關(guān)注。以Cr6+為代表的重金屬離子含量非常少，說明漢江漢中段水質(zhì)狀況良好。

圖4 漢江漢中段水質(zhì)特征

2.3 驅(qū)動(dòng)因子

（1）皮爾遜相關(guān)性分析

將浮游動(dòng)物多樣性指數(shù)和水環(huán)境因子指標(biāo)的所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入SPSS 20，相關(guān)性分析的輸出結(jié)果如表3所示。

表3 浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)與水環(huán)境因子之間的相關(guān)分析

表3中與浮游動(dòng)物多樣性指數(shù)呈現(xiàn)極顯著相關(guān)的指標(biāo)主要有溫度、BOD5和正磷（P＜0.01），表明這三項(xiàng)指標(biāo)是影響漢江漢中段浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵水環(huán)境因子。其中，D指數(shù)與溫度呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系，即隨著溫度升高，D指數(shù)升高，浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)多樣性增加，說明水溫直接影響水體浮游動(dòng)物的生長發(fā)育狀況。H'指數(shù)與BOD5、正磷呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系，即隨著BOD5、正磷的增加，H'指數(shù)升高，浮游動(dòng)物物種豐富程度增加?？赡艿脑蛟谟?，漢江漢中段水質(zhì)較好，BOD5和正磷含量較低，是浮游動(dòng)物較為適宜的生長環(huán)境。浮游動(dòng)物增加時(shí)，分解水中可生化有機(jī)物時(shí)所消耗的溶解氧數(shù)量也增加，因此BOD5和多樣性指數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。磷是水體的營養(yǎng)元素，磷類營養(yǎng)鹽濃度對水生生物的生長發(fā)育和攝食行為產(chǎn)生直接影響。在一定范圍內(nèi)，磷類營養(yǎng)鹽的升高可促進(jìn)水體浮游動(dòng)物的生長。此外，溶解氧、CODCr和Cr6+與浮游動(dòng)物多樣性指數(shù)呈現(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），但相關(guān)程度不高；同時(shí)由于Cr6+含量極低，可忽略；說明溶解氧和CODCr對浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一定影響。

（2）冗余分析

采用Canoco 5軟件對浮游動(dòng)物多樣性指標(biāo)和水環(huán)境因子指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的冗余分析

圖中實(shí)心箭頭代表浮游動(dòng)物群落多樣性指標(biāo)，空心箭頭代表水環(huán)境因子指標(biāo)，空心箭頭越長，說明該類指標(biāo)對浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的影響越大。箭頭之間呈銳角，表明正相關(guān)關(guān)系；呈鈍角，表明負(fù)相關(guān)關(guān)系[23]。從圖中可以看出，溫度對Margalef指數(shù)影響較大，BOD5和正磷對Shannon指數(shù)影響較大，與皮爾遜相關(guān)分析的結(jié)果基本一致。溫度可以影響水體的理化性質(zhì)，進(jìn)而影響浮游動(dòng)物的生長與繁殖，是影響浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)最主要的環(huán)境因子[24]。BOD5是指示微生物代謝作用下的溶解氧消耗量指標(biāo)，可認(rèn)為與浮游動(dòng)物的密度正相關(guān)[25]。水環(huán)境中營養(yǎng)鹽的含量是影響浮游動(dòng)物種類組成、密度、生物量的重要限制因素，磷作為水中營養(yǎng)鹽的代表與浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)變化存在密切關(guān)聯(lián)[26]。綜上所述，皮爾遜相關(guān)分析與冗余分析的結(jié)果共同表明，溫度、BOD5和正磷是漢江漢中段浮游動(dòng)物結(jié)構(gòu)變化的主要驅(qū)動(dòng)因子。

3 結(jié)論

（1）漢江漢中段共檢出浮游動(dòng)物33屬46種，豐度為520~810 ind./L。輪蟲的種類最為豐富，優(yōu)勢種為角突臂尾輪蟲和獨(dú)角聚花輪蟲；原生動(dòng)物次之，優(yōu)勢種為長斜板蟲、王氏似鈴殼蟲、頂尖砂殼蟲、節(jié)蓋蟲和齒楯纖蟲。

（2）漢江漢中段浮游動(dòng)物的Margalef指數(shù)為2.65~4.37，Shannon-Wiener指數(shù)為2.49~3.65；在時(shí)空變化上，春季的指數(shù)值略高于秋季，中心城區(qū)河段的指數(shù)值低于其他河段；根據(jù)多樣性指數(shù)評價(jià)漢江漢中段總體水質(zhì)狀況屬于輕度污染。

（3）運(yùn)用皮爾遜相關(guān)分析和冗余分析對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到溫度、BOD5和磷類營養(yǎng)鹽是漢江漢中段浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)變化的主要驅(qū)動(dòng)因子。