饒利華,吳芝瑛,徐 駿,陳 琳,張 巍,陳 鋆
(1:杭州市西湖水域管理處,杭州310002)
(2:杭州西湖風(fēng)景名勝區(qū)環(huán)境監(jiān)測站,杭州310008)
杭州西湖是世界文化遺產(chǎn)地之一,現(xiàn)有湖泊水域面積6.5 km2,平均水深2.7 m.關(guān)于西湖浮游動物的研究屢見報道[1-2].李共國等[3]曾對引水和疏浚工程對西湖輪蟲群落結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行研究,結(jié)果表明引水沖污對西湖表層的浮游輪蟲有明顯的稀釋作用,然而隨著引水量的急劇下降及疏浚工程激活的底泥營養(yǎng)的增加,導(dǎo)致輪蟲的密度和生物量增加.2003年,西湖引水工程由原來的直接引錢塘江水改造成在引水線上先進(jìn)行水質(zhì)預(yù)處理,這在很大程度上避免了錢塘江水質(zhì)對西湖水體生態(tài)系統(tǒng)的影響,也使年引水量保持平穩(wěn)的水平.
輪蟲是淡水浮游動物的重要組成部分之一.由于輪蟲個體較小、發(fā)育時間短、周轉(zhuǎn)快,生產(chǎn)量高以及對環(huán)境反應(yīng)靈敏,所以它在水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和生物生產(chǎn)力中具有重要意義.掌握輪蟲群落結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律是了解水域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的重要內(nèi)容之一.同時輪蟲是良好的環(huán)境指示生物,輪蟲群落的生態(tài)特性可以作為水質(zhì)生物評價的依據(jù)[4-6].輪蟲群落結(jié)構(gòu)的變化能夠及時反映水體環(huán)境狀況.因此,對輪蟲群落結(jié)構(gòu)及其與水體營養(yǎng)狀況關(guān)系進(jìn)行研究具有重要意義.本文對2007-2010年西湖輪蟲的群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,分析西湖輪蟲的群落結(jié)構(gòu)和水體營養(yǎng)狀況,為引水改造工程后西湖富營養(yǎng)化評價提供基礎(chǔ)資料和生物學(xué)依據(jù).
從2007年1月到2010年10月,在1、4、7和10月份采樣1次.采樣和計數(shù)的方法:定性樣品用25#篩絹網(wǎng)拖網(wǎng)采集,定量樣品于湖面表層0.5 m處用2.5 L采樣器采集水樣10 L(部分點位鑒于密度極小,而將采樣量定為20 L),現(xiàn)場用魯哥氏液固定,帶回實驗室沉淀36 h后濃縮至30 ml,以備鏡檢.采集生物樣品的同時采集水化學(xué)樣品.輪蟲的種類鑒定參考《中國淡水輪蟲志》[7]和《淡水生物圖譜》[8].
溫度(T)、pH值在采樣現(xiàn)場測定;透明度(SD)采用塞氏盤測定;總氮(TN)采用堿性過硫酸鉀硝解紫外分光光度法測定;銨態(tài)氮采用納氏試劑比色法測定;硝態(tài)氮采用離子色譜法測定;總磷(TP)采用鉬銻抗分光光度法測定;高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)采用酸性高錳酸鉀法測定;葉綠素a(Chl.a)采用丙酮提取分光光度法測定[9].
本研究在西湖共設(shè)置了9個采樣點(圖1).西湖引水工程的進(jìn)水口設(shè)在小南湖,出水口設(shè)在少年宮,即小南湖、外湖和少年宮3個點位正好處于引水水流的中軸線上.
圖1 西湖采樣點位示意圖Fig.1 Location of sampling sites in West Lake
輪蟲的生物多樣性采用Margalef多樣性指數(shù)(d)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H'),公式分別為:
式中,S為種類數(shù),Pi為某種輪蟲的密度占總個體密度(ind./L)的比例,N為輪蟲的密度(ind./L).
綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算公式為[10]:
式中,TLI(∑)為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù);Wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重;TLI(j)代表第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù).
幾種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算公式為:
式中,Chl.a單位為mg/m3,SD單位為m;其他指標(biāo)單位均為mg/L.
Wj的計算以葉綠素a為基準(zhǔn),其公式為:Wj=rij2/∑rij2,rij表示第 j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)Chl.a的相關(guān)系數(shù),i=1~m(m為評價參數(shù)的個數(shù)).根據(jù)金相燦等的《中國湖泊環(huán)境》[10],中國 26 個主要湖泊的 rij見表 1.本文亦以此作為參考.
表1 中國湖泊(水庫)部分參數(shù)與Chl.a的相關(guān)系數(shù)rij及r2ij值Tab.1 The correlation coefficient(rij)between chlorophyll-a and other parameters in Chinese lakes
湖泊水體營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)采用0~100的一系列連續(xù)數(shù)字進(jìn)行分級,具體如下:TLI(∑)<30時為貧營養(yǎng);30≤TLI(∑)≤50時為中營養(yǎng);TLI(∑)>50時為富營養(yǎng);50<TLI(∑)≤60時為輕度富營養(yǎng);60<TLI(∑)≤70時為中度富營養(yǎng);TLI(∑)>70時為重度富營養(yǎng).
西湖少年宮、外湖、北里湖等點位pH、總磷、高錳酸鹽指數(shù)、葉綠素a高于其他點位,標(biāo)準(zhǔn)偏差也相對較大.而總氮、硝態(tài)氮則是金沙港、茅家埠、烏龜潭、浴鵠灣、小南湖等點位明顯高于其他點位(圖2),這與西湖湖西水域常年接收氮含量高的錢塘江引水有關(guān).從綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)來看,西湖總體處于中-富營養(yǎng)狀態(tài),最大值出現(xiàn)在2009年7月份的少年宮,為62.7(表2).從TLI年均值來看,最大值出現(xiàn)在2010年的少年宮,為55.2;最小值出現(xiàn)在2007年的烏龜潭,為35.8.
圖2 調(diào)查期間西湖各點位的水質(zhì)特征Fig.2 The characteristics of water quality of each sampling site in West Lake during the research
表2 西湖各點位綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)Tab.2 The TLI index of each sampling site in West Lake
2.2.1 種類組成 調(diào)查期間共檢到輪蟲29種,常見種有針簇多肢輪蟲、邁氏三肢輪蟲、萼花臂尾輪蟲、角突臂尾輪蟲、裂足臂尾輪蟲、螺形龜甲輪蟲、前節(jié)晶囊輪蟲等.調(diào)查期間,角突臂尾輪蟲和螺形龜甲輪蟲在所有采樣點位均出現(xiàn),是西湖最常見的2個種.從調(diào)查結(jié)果來看,西湖輪蟲優(yōu)勢種為針簇多肢輪蟲、萼花臂尾輪蟲、角突臂尾輪蟲和螺形龜甲輪蟲等(表3).
表3 西湖輪蟲的種類組成Tab.3 Species composition of rotifers in West Lake
2.2.2數(shù)量變化 西湖輪蟲的數(shù)量整體處于較低的水平.按每季度每點位采樣一次作為一個頻次,四年調(diào)查期間,總采樣頻次約為108.而輪蟲總密度超過500 ind./L的為15頻次,占總采樣頻次的13.9%;輪蟲總密度超過1000 ind./L的為5頻次,占總采樣頻次的4.6%;輪蟲總密度不超過10 ind./L的為8頻次,占總采樣頻次的7.4%.調(diào)查期間,西湖輪蟲密度最大值為2247 ind./L,出現(xiàn)在2009年秋季的少年宮,優(yōu)勢種為螺形龜甲輪蟲(1599 ind./L)和針簇多肢輪蟲(519 ind./L);而2008年秋季和冬季的小南湖,20 L水樣經(jīng)濃縮后幾乎鏡檢不到輪蟲.
從季節(jié)變化來看,各采樣點在不同年份表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律.以北里湖為例,2008年最高密度出現(xiàn)在春季,為969 ind./L,最低密度出現(xiàn)在冬季,為40.5 ind./L;2009年最高密度出現(xiàn)在秋季,為1728 ind./L,最低密度出現(xiàn)在冬季,為42 ind./L;而到了2010年最高密度又出現(xiàn)在夏季,為1273.5 ind./L(圖3).相關(guān)性分析結(jié)果表明,西湖輪蟲密度不僅與水溫的相關(guān)性(r=0.274,P<0.01)高度顯著,而且與TLI指數(shù)、總氮、高錳酸鹽指數(shù)、透明度和 pH 值的相關(guān)性也高度顯著(rTLI指數(shù)=0.351,rTN= -0.348,rCODMn=0.338,rSD=-0.442,rpH=0.318;P<0.01).說明西湖輪蟲密度的季節(jié)變化不僅與水溫、餌料等季節(jié)因素有關(guān),還與受西湖引水影響較大的總氮、高錳酸鹽指數(shù)、透明度等其他因素有關(guān).輪蟲群落結(jié)構(gòu)年度季節(jié)動態(tài)規(guī)律變化不一,反映了西湖整體生態(tài)環(huán)境受引水等外部環(huán)境影響較大,生態(tài)系統(tǒng)還比較脆弱.
圖3 調(diào)查期間北里湖輪蟲密度的季節(jié)分布Fig.3 The seasonal distribution of rotifer density of North West Lake during the research
2.2.3 多樣性指數(shù) 西湖輪蟲的Margalef多樣性指數(shù)年均值最大為2.16,最小為0.81;Shannon-Wiener多樣性指數(shù)年均值最大為2.45,最小為1.27.不同點位Margalef多樣性指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)存在差異(圖4).Margalef多樣性指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)與TLI指數(shù)及其他水質(zhì)指標(biāo)表現(xiàn)出不同的相關(guān)性.Margalef多樣性指數(shù)只與總氮有顯著的相關(guān)性(r=-0.225,P<0.05),而與水溫、透明度、總磷、高錳酸鹽指數(shù)、Chl.a、pH及TLI指數(shù)的相關(guān)性不顯著;Shannon-Wiener多樣性指數(shù)與總磷、高錳酸鹽指數(shù)相關(guān)性顯著(rTP=0.212,rCODMn=0.237;P <0.05),與水溫、透明度、Chl.a、pH 及 TLI指數(shù)的相關(guān)性高度顯著(rT=0.386,rSD= -0.304,rChl.a=0.387,rpH=0.373,rTLI指數(shù)=0.338;P <0.01).
2.2.4 水體環(huán)境因子與輪蟲群落結(jié)構(gòu)的關(guān)系 輪蟲密度與溫度、高錳酸鹽指數(shù)以及pH值呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系;與透明度、總氮呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系;與總磷、葉綠素a相關(guān)性不顯著.輪蟲種類數(shù)與溫度、高錳酸鹽指數(shù)、總磷、葉綠素a、pH值均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系;與透明度、總氮呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(表4).
圖4 西湖輪蟲的物種多樣性指數(shù)Fig.4 Shannon-Wiener diversity index and Margalef diversity index of rotifer community in West Lake
表4 水體環(huán)境因子與輪蟲群落結(jié)構(gòu)指標(biāo)的相關(guān)性分析結(jié)果Tab.4 The results of correlation analysis between environmental factors of the water and index of rotifer community structure
杭州西湖輪蟲群落結(jié)構(gòu)季節(jié)變化明顯,但每年的規(guī)律卻不盡相同.水溫被認(rèn)為是影響輪蟲種類季節(jié)變化最主要的環(huán)境因子[11].Hofmann[12]認(rèn)為水溫是影響輪蟲變化的主要但并非唯一決定性因素.Nagata等[13]認(rèn)為水溫、pH值和溶解氧是影響輪蟲現(xiàn)存量、現(xiàn)存種類和密度動態(tài)的主要生態(tài)因子.在不同水體中,任何一個因素的差異都可能導(dǎo)致現(xiàn)存輪蟲群落結(jié)構(gòu)不同,進(jìn)而導(dǎo)致研究結(jié)果出現(xiàn)差異.章宗涉等[14]對武漢東湖長期的調(diào)查研究表明,輪蟲密度高峰期時水溫一般在20℃以上,原因是溫度上升,卵的發(fā)育時間縮短,在豐富的食物供給條件下,使種群周轉(zhuǎn)加快,導(dǎo)致種群密度迅速增加,從而形成密度高峰.杭州西湖的輪蟲密度與水溫的相關(guān)性高度顯著(r=0.274,P<0.01),但卻并不是唯一的決定性因素.而且,在幾個相關(guān)性高度顯著的指標(biāo)中,水溫的相關(guān)系數(shù)最低(rSD>rTLI指數(shù)>rTN>rCODMn>rpH>rT).杭州西湖透明度與輪蟲密度顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.442,P<0.01),這與孔令惠等的研究結(jié)果一致[15].營養(yǎng)鹽在影響浮游植物生產(chǎn)的同時也會對浮游動物多樣性和數(shù)量產(chǎn)生一定影響,但這種影響作用通常是間接的,浮游動物的種類和數(shù)量與營養(yǎng)鹽密切相關(guān)[15].東湖浮游動物物種多樣性與營養(yǎng)水平呈現(xiàn)相反的趨勢,即當(dāng)水體中營養(yǎng)型向富營養(yǎng)型過渡時物種多樣性降低,但浮游動物的密度與生物量卻增高[16-17];太湖三個湖區(qū)具有不同的水體營養(yǎng)水平,同時其輪蟲群落結(jié)構(gòu)也不同[18].杭州西湖氮、磷兩大主要營養(yǎng)元素與輪蟲密度呈現(xiàn)不同的相關(guān)性.輪蟲密度與總氮的相關(guān)性高度顯著(r= -0.348,P <0.01),而與總磷相關(guān)性不顯著(r=0.173,P >0.05).陳立婧等[19]對上海崇明島明珠湖輪蟲群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,結(jié)果表明明珠湖輪蟲生物密度與葉綠素a含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系.而杭州西湖輪蟲生物密度與Chl.a相關(guān)性并不顯著(r=0.153,P>0.05),這可能與西湖Chl.a受引水稀釋影響常年處于較低的水平且水平分布不平衡有關(guān).
多樣性指數(shù)能定量反映輪蟲群落結(jié)構(gòu)中數(shù)量、種類組成變化的信息及水體污染程度,間接反映水體輪蟲群落結(jié)構(gòu)的特點[20-21].然而,多樣性指數(shù)與水體營養(yǎng)類型之間關(guān)系存在不穩(wěn)定性,與水質(zhì)的關(guān)系也相當(dāng)復(fù)雜,與水體類型、水力學(xué)特征、種類鑒定的詳細(xì)程度等多種因素相關(guān)[22].謝平等認(rèn)為營養(yǎng)水平并不是影響物種多樣性的唯一因素,可能與其他生物和非生物因子的不同有一定關(guān)系[17].本文通過相關(guān)分析發(fā)現(xiàn),Margalef多樣性指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)與TLI指數(shù)及其他水質(zhì)指標(biāo)表現(xiàn)出不同的相關(guān)性.Margalef多樣性指數(shù)只與總氮有顯著的相關(guān)性,而與水溫、透明度、總磷、高錳酸鹽指數(shù)、Chl.a、pH及TLI指數(shù)的相關(guān)性不顯著;Shannon-Wiener多樣性指數(shù)與總磷、高錳酸鹽指數(shù)相關(guān)性顯著,與水溫、透明度、Chl.a、pH及TLI指數(shù)的相關(guān)性高度顯著.Margalef多樣性指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)與輪蟲密度的相關(guān)性不顯著(rMargalef= -0.083,rShannon-Wiener=0.023;P >0.05),而與種類數(shù)之間相關(guān)性均高度顯著(rMargalef= -0.689,rShannon-Wiener=0.700;P <0.01).
輪蟲發(fā)育快、周期短,能迅速地反應(yīng)環(huán)境的變化,被認(rèn)為是水質(zhì)和環(huán)境良好的指示生物[23-26].一般認(rèn)為,隨著水體營養(yǎng)水平的上升,輪蟲的種類和數(shù)量有逐漸增加的趨勢.相關(guān)分析結(jié)果表明,西湖輪蟲密度與綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)存在高度顯著的相關(guān)性(r=0.351,P<0.01).然而,杭州西湖作為城市淺水型湖泊,多年來一直施行引水工程,水力滯留時間相對較短.因此,西湖輪蟲群落結(jié)構(gòu)及其與水體理化、生物因子的關(guān)系和其他湖泊的研究結(jié)果存在一定的差異[15,27].小南湖站點(引水入湖口)輪蟲密度常年處于一個較低的水平,多樣性水平低,季節(jié)變化不明顯;少年宮站點(出水口)多樣性水平較高,季節(jié)變化明顯.從引水入湖口到出水口存在一個由水動力學(xué)過程為主導(dǎo)的生態(tài)梯度[15](圖5).西湖輪蟲密度不僅取決于水溫、營養(yǎng)鹽含量等因素,還受引水過程引起的水動力學(xué)的影響.
1)西湖綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)年均值介于35.8~55.2之間,西湖總體處于中-富營養(yǎng)狀態(tài);
2)西湖輪蟲數(shù)量上整體處于較低的水平,多樣性水平不高;以角突臂尾輪蟲、螺形龜甲輪蟲最為常見;各采樣點在不同年份表現(xiàn)出不同的季節(jié)變化規(guī)律;
3)相關(guān)性分析結(jié)果表明,西湖輪蟲密度與水溫、TLI指數(shù)、總氮、高錳酸鹽指數(shù)、透明度和pH值的相關(guān)性高度顯著(P<0.01);
4)Margalef多樣性指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)與水體環(huán)境因子表現(xiàn)出不同的相關(guān)性,前者相關(guān)性不顯著(除總氮外),后者相關(guān)性高度顯著;
5)西湖輪蟲結(jié)構(gòu)受引水過程引起的水動力學(xué)的影響,從引水入湖口到出水口存在一個由水動力學(xué)過程為主導(dǎo)的生態(tài)梯度.
圖5 西湖引水形成的生態(tài)梯度示意圖:(a)引水的流向;(b)TLI指數(shù)隨引水水流逐漸增大的梯度變化;(c)輪蟲密度隨引水水流逐漸增大的梯度變化;(d)輪蟲種類數(shù)隨引水水流逐漸增多的梯度變化(TLI指數(shù)和輪蟲密度為年度平均值;輪蟲種類數(shù)為周年四次采樣鏡檢所觀察到的全部種類;圖c、圖d所示并不是表示每次檢測結(jié)果均符合這種變化)Fig.5 The ecological gradient of rotifer caused by waterflow in West Lake:(a)the water flow;(b)the gradient of TLI index;(c)the gradient of rotifer density;(d)the gradient of rotifer species
[1]魏崇德,俞大維.杭州西湖浮游動物的研究.杭州大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,1983,10(增刊):1-17.
[2]李共國,魏崇德,裴洪平.引水對杭州西湖輪蟲群落結(jié)構(gòu)的影響.動物學(xué)雜志,1998,33(5):1-4.
[3]李共國,吳芝瑛,虞左明.引水和疏浚工程對杭州西湖輪蟲群落結(jié)構(gòu)的影響.水生生物學(xué)報,2007,31(3):386-392.
[5]M?emets A.Rotifers as indicators of lake types in Estonia.Hydrobiologia,1983,104:357-361.
[6]Devetter M.Influence of environmental factors on the rotifer assemblages in an artificial lake.Hydrobiologia,1998,387/388:171-178.
[7]王家輯.中國淡水輪蟲志.北京:科學(xué)出版社,1961:21-283.
[8]韓茂森,束蘊(yùn)芳.淡水生物圖譜.北京:海洋出版社,1995:192-219.
[9]《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會.水和廢水監(jiān)測分析方法:第4版.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2002.
[10]金相燦,劉樹坤,章宗涉.中國湖泊環(huán)境.北京:海洋出版社,1995.
[11]May L.Rotifer occurrance in relation to water temperature in Loch Leven,Scoland.Hydrobiologia,1983,104:311-315.
[12]Hofmann W.The influence of abiotic environmental factors on population dynamics in planktonic rotifers.Arch Hydrobiol Beih,1977,8:77-83.
[13]Nagata T,Hanazato T.Different predation impacts of two cyclopoid species on a small-sized zooplankton community:an experimental analysis with mesocosms.Hydrobiologia,2006,556:233-242.
[14]章宗涉,黃祥飛.淡水浮游生物研究方法.北京:科學(xué)出版社,1991:232-252.
[15]孔令惠,蔡慶華,徐耀陽等.丹江口水庫浮游輪蟲群落季節(jié)變動特征及其與環(huán)境因子的關(guān)系.湖泊科學(xué),2010,22(6):941-949.
[16]黃祥飛,陳雪梅,伍悼田等.武漢東湖浮游動物數(shù)量和生物量變動的研究.水生生物學(xué)集刊,1984,8(3):345-358.
[17]謝 平,諸葛燕,戴 莽等.水體富營養(yǎng)化對浮游動物群落多樣性的影響.水生生物學(xué)報,1996,20(增刊):30-37.
[18]楊桂軍,潘宏凱,劉正文等.太湖不同富營養(yǎng)水平湖區(qū)輪蟲季節(jié)變化的比較.湖泊科學(xué),2007,19(6):652-657.
[19]陳立婧,顧 靜,彭自然等.上海崇明島明珠湖輪蟲群落結(jié)構(gòu).應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2009,20(12):3057-3062.
[20]M?emets A.Rotifers as indicators of lake types in Estonia.Hydrobiologia,1983,104:357-361.
[21]黃祥飛,胡春英,伍焯田.武昌東湖的輪蟲.水生生物學(xué)報,1985,9(2):129-142.
[22]雷安平,施之新,魏印心.武漢東湖浮游藻類物種多樣性的研究.水生生物學(xué)報,2003,27(2):179-184.
[23]楊 柳,陳綿潤,林秋奇等.一座熱帶高產(chǎn)漁業(yè)水庫枯水期輪蟲的群落組成與動態(tài)分析.湖泊科學(xué),2008,20(6):780-789.
[24]周淑嬋,黃祥飛,唐 濤等.香溪河庫灣輪蟲現(xiàn)狀及水質(zhì)評價初探.水生生物學(xué)報,2006,30(1):52-57.
[25]胡菊香,鄭金秀,趙先富等.長江上游輪蟲群落縱向演替研究.水生態(tài)學(xué)雜志,2009,2(2):94-100.
[26]林秋奇,趙帥營,韓博平.廣東省水庫輪蟲分布特征.生態(tài)學(xué)報,2005,25(5):1123-1131.
[27]郭 凱,趙 文,殷守仁等.北京官廳水庫輪蟲群落結(jié)構(gòu)與水體富營養(yǎng)化狀況.湖泊科學(xué),2010,22(2):256-264.