延河豐水期浮游生物群落分布及其與環(huán)境因子的關(guān)系

謝海莎，邵瑞華，王際焱，崔雙虎，師 瑞，肖 懿

（西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710048）

黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展是我國近年來環(huán)保工作的重要方向。延河位于陜西省延安市，是黃河的重要一級支流。全面掌握延河水環(huán)境狀況，對黃河流域生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義。

浮游生物有浮游植物和浮游動物，是組成水生生態(tài)系統(tǒng)的重要物質(zhì)[1]。浮游植物是水中的初級生產(chǎn)者[2]，浮游動物是浮游植物重要的消費者[1]，兩者均對水環(huán)境變化敏感，可表征水體受污染情況，能作為水環(huán)境監(jiān)測的指示生物，反映水體健康狀況[3]。群落的分布規(guī)律能作為反映水生態(tài)系統(tǒng)長期變化的指標[4-5]。目前對延河浮游生物的研究鮮有報道，探究延河浮游生物群落分布及其與環(huán)境因子的關(guān)系，能為延河水環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測和評價提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

延河是黃河的一級支流，是延安市第二大河，也是陜北第二條大河，全長286.9 km，由西北向東南注入黃河。多年平均徑流量為2.93億m3。延河水系結(jié)構(gòu)呈樹枝狀。上游為峁梁丘陵溝壑，植被稀少，侵蝕強烈，水土流失嚴重；中游為峁狀丘陵溝壑區(qū)，河谷寬闊，階地發(fā)育，侵蝕不如上游嚴重；下游為破碎原區(qū)，沖溝發(fā)育，水土流失不如中上游嚴重。

1.2 采樣時間和采樣點

于2019年7月共采集水樣286個，每個采樣點12個水質(zhì)樣品，14個浮游生物樣品（均設(shè)有平行樣）。采樣點分布在延河的上游（L1、L2）、中游（L3～L8）和下游（L9～L11），見圖 1。具體河流采樣點編號和名稱如下：L1(馬鞍橋）、L2（楊園村）、L3（安塞縣下游 1 km）、L4（上李家灣）、L5（石窯村）、L6（郭家貶）、L7（朱家溝）、L8（甘谷驛）、L9（楊家灣）、L10（譚家河）和 L11（閻家灘）。

圖1 采樣點示意圖

1.3 樣品采集與測定

水溫（WT）、pH、溶解氧（DO）采用溫度計、pH測定儀和便攜式快測儀現(xiàn)場測定。生化需氧量（BOD5）、化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH4+-N）、總氮（TN）和總磷（TP）等理化指標用采水器采集后實驗室測定。采樣量及采樣方法均參考《地表水和污水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范: HJ/T 91—2002》[6]。

浮游植物、原生動物和輪蟲的定性樣品用25#浮游生物網(wǎng)采集，定量樣品用采水器采集，分別裝于 1 000 mL 樣品瓶中，現(xiàn)場加入 50 mL 37%～40%的甲醛固定。枝角類和橈足類定性樣品用13#浮游生物網(wǎng)采集，定量樣品采集10 L水樣，用25#浮游生物網(wǎng)過濾3次，分別裝于1 000 mL樣品瓶中，現(xiàn)場加入10 mL魯哥試液固定[7]。靜置濃縮后的浮游植物和浮游動物樣品分別在10×40、10×10倍鏡下觀察。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 優(yōu)勢種 優(yōu)勢種表示浮游生物群落內(nèi)各生物種類處于何種優(yōu)勢或劣勢狀態(tài)的群落測定度[8]，見式（1）。

式（1）中：Ni表示第i種的個體數(shù)；N表示樣品的總個體數(shù)；fi是第i物種的出現(xiàn)頻率，當Y＞0.02時，取為優(yōu)勢種。

1.4.2 多樣性指數(shù) 多樣性指數(shù)表示浮游生物群落結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，是判斷群落穩(wěn)定性的重要指標[8-11]。采用 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)對延河浮游生物進行多樣性分析，見式（2～4）。

式（2～4）中：Pi=Ni/N，S表示樣品的種類總數(shù)。多樣性指數(shù)評價指標H值、D值分布在0～1 時，為“重污染”，在 1～2 時為“α-中污染”，在2～3時為“β-中污染”，﹥3為“輕或無污染”。J值在0～0.3時為“重污染”，在0.3～0.4時為“α-中污染”，在 0.4～0.5 時為“β-中污染”，﹥0.5 為“輕或無污染”。

1.4.3 典范對應(yīng)分析 典范對應(yīng)分析（CCA）將物種數(shù)據(jù)與環(huán)境因子用回歸方法結(jié)合，能直觀的反應(yīng)出物種群落分布及其與環(huán)境因子的關(guān)系。其算法可由Canoco軟件快速實現(xiàn)。本文利用Canoco for Windows 4.5軟件對浮游生物優(yōu)勢種和理化指標進行CCA分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 浮游生物群落分布

2.1.1 種類及密度 延河豐水期浮游植物共檢出7門49種，浮游植物群落分布占比情況，見表1。

表1 延河豐水期浮游植物種類組成

表1可知，延河豐水期浮游植物主要是硅藻、綠藻和藍藻，分別占總數(shù)的20.41%、38.78%和24.49%。裸藻、甲藻、隱藻和黃藻也有檢出，但占比較小。

延河豐水期11個采樣點浮游植物密度變化，見圖2。

圖2 延河豐水期11個采樣點浮游植物密度

圖2可知，各采樣點不同浮游植物群落分布不均，上游、中游以硅藻為主，下游綠藻密度增多。浮游植物密度變化范圍在1.92×104～425.16×104個/L之間，下游浮游植物密度明顯偏高。

延河豐水期共檢出浮游動物4門19種，主要是原生動物、輪蟲、枝角類和橈足類，見表2。

表2 延河豐水期浮游動物群落組成

表2可知，浮游動物主要以原生動物為主。種數(shù)占比達47.37%；枝角類次之，輪蟲和橈足類占比相當。

延河豐水期11個采樣點浮游動物密度變化，見圖3。

圖3 延河豐水期11個采樣點浮游動物密度

圖3可知，延河豐水期浮游動物密度分布有上游＜中游＜下游的趨勢，上游以原生動物為主，中游L4采樣點出現(xiàn)枝角類和橈足類，L5采樣點出現(xiàn)輪蟲，下游以原生動物和輪蟲為主。浮游動物密度變化范圍是18～8 720個/L。

2.1.2 優(yōu)勢種 延河豐水期浮游植物優(yōu)勢種分布情況，見表3。從上游到下游，浮游植物優(yōu)勢種從藍藻門和硅藻門變?yōu)橐跃G藻門為主。微囊藻、小球藻、小環(huán)藻和針桿藻在多個采樣點被檢出，小球藻和小環(huán)藻在11個采樣點均占據(jù)優(yōu)勢。

表3 延河豐水期浮游植物優(yōu)勢種

續(xù)表 3

浮游動物優(yōu)勢種，見表4。延河下游臂尾輪蟲、板殼蟲、草履蟲和變形蟲屬占據(jù)優(yōu)勢；優(yōu)勢種在上游以原生動物、橈足類為主；中游輪蟲、枝角類、橈足類和原生動物均有檢出；下游以輪蟲、原生動物為主，橈足類也有檢出，上游到下游優(yōu)勢種物種種類為上游＜中游＜下游。

表4 延河豐水期浮游動物優(yōu)勢種

2.1.3 多樣性指數(shù) 延河豐水期 11 個采樣點的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）計算，見圖 4～5。

圖4 延河豐水期浮游植物多樣性指數(shù)

圖4可知，浮游植物H值波動在2.27～4.16之間，平均值為3.63，水質(zhì)類型為輕或無污染；均勻度指數(shù)J值波動在0.63～1.04之間，平均值為0.82，對應(yīng)的水類型是輕或無污染；豐富度指數(shù)D值介于1.70～3.74之間，平均值為2.65，對應(yīng)的污染狀態(tài)β-中污染。

圖5可知，浮游動物H值波動在0.44～3.2之間，平均值為1.79，水質(zhì)類型為中污染；均勻度指數(shù)J值波動在0.17～0.86之間，平均值為0.61，對應(yīng)的水質(zhì)類型是輕或無污染；豐富度指數(shù)D值介于0.32～0.75之間，平均值為0.36，對應(yīng)的水環(huán)境污染狀況為重污染。

圖5 延河豐水期浮游動物多樣性指數(shù)

2.2 浮游生物群落分布與環(huán)境因子關(guān)系

2.2.1 延河水環(huán)境因子 延河豐水期 pH 為 5～6，溫度介于16～27 ℃。根據(jù)國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標準：GB 3838—2002》，用綜合水質(zhì)標識指數(shù)法對水質(zhì)進行評價得知：延河豐水期上游、中游為Ⅲ類水；下游為Ⅳ類水。延河豐水期水體主要污染因子是TN，11個采樣點中，有8個采樣點的TN劣于功能區(qū)1～2個類別。其次是CODCr、TP，有4個采樣點的CODCr劣于功能區(qū)1個類別，3個采樣點的TP劣于功能區(qū)1個類別。上游和中游的主要污染因子是CODCr和TN，下游的主要污染因子是TN和TP?？傮w上，延河豐水期下游污染程度比上游高，見表5。

表5 水質(zhì)標識指數(shù)法對環(huán)境因子的評價

2.2.2 浮游生物與環(huán)境因子典型對應(yīng)分析 延河豐水期浮游植物優(yōu)勢種與環(huán)境因子的典范相關(guān)分析（CCA），見圖6～7。實心箭頭代表水質(zhì)指標，空心三角形代表物種。水質(zhì)指標線段越長，影響越大，線段越短，影響越小。物種與水質(zhì)指標夾角為銳角，呈正相關(guān)，為鈍角，呈負相關(guān)[12-14]。

圖6 浮游植物優(yōu)勢種與環(huán)境因子CCA分析

圖6可知，WT和TN對浮游植物群落分布影響最大。圖7可知，TN和TP對浮游動物群落分布影響最大。CODCr、NH4+-N等對浮游生物群落分布影響較大，pH、DO和BOD5對浮游生物群落分布也有影響。

圖7 浮游動物優(yōu)勢種與環(huán)境因子CCA分析

3 討論

3.1 浮游生物群落分布

延河豐水期浮游植物主要由硅藻、綠藻和藍藻組成，分別占總種數(shù)的20.41%、38.78%和24.49%。與大多河流浮游植物物種組成相似。文獻[8、14]研究均發(fā)現(xiàn)浮游生物主要由綠藻和硅藻組成。文獻[15-17]研究均發(fā)現(xiàn)浮游植物主要由硅藻、綠藻和藍藻為主。延河豐水期上游以中營養(yǎng)型水體的指示生物硅藻[18]為主。從L7斷面開始，綠藻密度占比明顯增加，綠藻生長繁殖在較高溫度，有機質(zhì)多，含氮量高的水體中[19]，藍藻為富營養(yǎng)化的指示生物[20]。舟形藻、小環(huán)藻、針桿藻、小球藻、微囊藻和色球藻等水體富營養(yǎng)化[12-21]的指示生物作為優(yōu)勢種在多個采樣點被檢出，且到中游和下游，綠藻門的優(yōu)勢種占比在增加，反應(yīng)出了延河的富營養(yǎng)化趨勢。

延河浮游動物以原生動物為主，占總種數(shù)的71.85%。與類似研究結(jié)果一致。這些研究表明，水體營養(yǎng)水平狀況對浮游動物種類和密度影響較大。豐水期藍藻等浮游植物為其提供充足的食物來源。原生動物密度隨水體富營養(yǎng)化程度增加而增加[22]，且繁衍速度快、數(shù)量大[23]。延河豐水期原生動物密度在浮游動物中占比最大，表明延河有富營養(yǎng)化趨勢。橈足類生活在富營養(yǎng)水體中[24]，喜食浮游單細胞藻類的枝角類也有類似習(xí)性[21]。與浮游植物得出的水體有中-富營養(yǎng)化趨勢結(jié)論一致。

延河豐水期上游、中游和下游浮游生物群落分布有明顯的空間差異。物種的豐富度和多樣性有上游＜中游＜下游的趨勢。

3.2 浮游生物群落分布與環(huán)境因子的關(guān)系

浮游生物群落分布受環(huán)境因子的影響。浮游植物作為河流水生生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)者，無自主活動能力。王勇等[19]研究表明，河流流速、含沙量和受污染程度均會影響浮游植物群落的分布。上游（L1～L2)污染源少但水土流失嚴重。水淺，流速小，在一定程度上影響了浮游植物的棲息密度。氮、磷是浮游植物生長的主要營養(yǎng)鹽。硅藻種群數(shù)量與氮、磷呈正相關(guān)[25]，是出現(xiàn)硅藻密度占比最大的原因。溫度影響著藻類的光合作用，對其群落分布有直接影響。豐水期時，溫度正是高季，喜溫的綠藻和藍藻會大量繁殖。綜合延河地區(qū)相關(guān)文獻[26-28]及實地調(diào)研情況，延河上游水體底質(zhì)主要為細沙，水土流失嚴重，渾濁不見底，導(dǎo)致浮游動物群落密度相對較低。中下游相比于上游，水體透明度更高，水生植物覆蓋率較高，適合浮游動物生長繁衍。

孫曉梅等[29]對長江中游段的研究表明：TP、TN和NH3-N是浮游植物群落分布的主要影響因子；TP、NH3-N和CODMn是浮游動物群落分布的主要影響因子。陳紅等[30]對灞河的研究表明：水溫、總氮、pH、溶解氧和汞是浮游植物群落分布的主要影響因子；影響浮游動物群落分布的主要因子為水溫、總氮、總磷、葉綠素a和汞。在本研究中，浮游植物群落分布與WT、TN、NH4+-N和TP有關(guān)。硅藻門受環(huán)境影響較小，主要是舟形藻、針桿藻等與TN、NH4+-N和TP呈較強負相關(guān)性，這與黃蘭貴等[31]的研究類似。綠藻門的空球藻、色球藻、盒形藻和卵囊藻與營養(yǎng)鹽有較強的正相關(guān)性，這與陳紅等[30]對于灞河的研究結(jié)果一致。本研究中，TN、TP、CODMn、CODCr和 NH4+-N 是影響浮游動物群落分布的環(huán)境因子。文獻[31-33]表明，浮游動物群落分布與水體富營養(yǎng)狀態(tài)密切相關(guān)。高溫不利于枝角類繁殖發(fā)育，長刺溞屬、哲水溞目與WT呈負相關(guān)，這與徐梅等[34]對焦崗湖類似研究的結(jié)果一致。研究發(fā)現(xiàn)，延河豐水期COD、TN和TP的含量較高，營養(yǎng)鹽濃度升高有利于浮游植物生長繁殖，進一步影響浮游動物的密度，CCA結(jié)果顯示，TN、TP與多數(shù)浮游植物、浮游動物呈正相關(guān)性，進一步證實了上述說明。本研究所得結(jié)果能為河流水環(huán)境的監(jiān)測和治理提供參考價值。