大寧調(diào)蓄水庫(kù)后生浮游動(dòng)物群落特征及環(huán)境因子分析

方文穎，任玉芬，徐華山

(1.北京市南水北調(diào)大寧管理處，北京 100442； 2.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085； 3.北京市排水管理事務(wù)中心,北京 100195)

引 言

浮游動(dòng)物是水生生態(tài)系統(tǒng)中重要的生物組成部分[1]，包括原生動(dòng)物和后生浮游動(dòng)物。后生浮游動(dòng)物主要包含輪蟲、枝角類和橈足類[2]。作為次級(jí)生產(chǎn)力，浮游動(dòng)物在水生生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化、能量流動(dòng)等生態(tài)過(guò)程中起重要作用[3-4]。一些后生浮游動(dòng)物對(duì)水環(huán)境變化極為敏感，其生物量、優(yōu)勢(shì)種、群落結(jié)構(gòu)以及污染指示種都能夠反映水質(zhì)狀況[2，5-6]，可作為表征水質(zhì)污染和富營(yíng)養(yǎng)化程度的指示生物[7]，被廣泛用于淡水生態(tài)系統(tǒng)水質(zhì)定性評(píng)價(jià)和監(jiān)測(cè)[1，8-9]。

大寧調(diào)蓄水庫(kù)是南水北調(diào)中線干渠進(jìn)入北京的首個(gè)調(diào)蓄水庫(kù)，在北京市南水北調(diào)來(lái)水調(diào)蓄、城市供水安全方面意義重大，其水質(zhì)狀況優(yōu)劣關(guān)系到北京市生活用水安全和社會(huì)穩(wěn)定[10]。本研究以南水北調(diào)大寧調(diào)蓄水庫(kù)為研究水域，開展后生浮游動(dòng)物和水質(zhì)監(jiān)測(cè)，計(jì)算了研究區(qū)后生浮游動(dòng)物的豐度、生物量和生物多樣性指數(shù)，結(jié)合水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析了后生浮游動(dòng)物群落特征與環(huán)境因子之間的關(guān)系，研究結(jié)果可為大寧調(diào)蓄水庫(kù)飲用水源保護(hù)及水生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)提供科技支撐，對(duì)同類型的水庫(kù)水源地水質(zhì)保護(hù)和水質(zhì)改善也有借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

北京是我國(guó)的政治、文化中心，水資源嚴(yán)重短缺，人均水資源量不足300m3。2014年12月，丹江口水庫(kù)開始向北京市供水，外水進(jìn)京改變了北京市的水資源格局[11]，成為北京水資源的重要組成部分[12]。大寧調(diào)蓄水庫(kù)是南水北調(diào)中線干渠進(jìn)入北京的首個(gè)調(diào)蓄水庫(kù)，位于小清河上，總庫(kù)容4 611萬(wàn)m3，非汛期最大可調(diào)蓄庫(kù)容3 753萬(wàn)m3，汛期最大可調(diào)蓄庫(kù)容1 006萬(wàn)m3，水域面積220萬(wàn)m2(見下圖)。大寧調(diào)蓄水庫(kù)對(duì)提高北京市南水北調(diào)來(lái)水調(diào)蓄能力，保障城市供水安全，促進(jìn)北京市西南地區(qū)發(fā)展有著重要意義。

圖 研究區(qū)概況示意圖Fig. Schematic map of study area

1.2 采樣點(diǎn)及采樣時(shí)間

根據(jù)調(diào)蓄水庫(kù)特點(diǎn)，設(shè)置4處采樣點(diǎn)，分別記為1、2、3、4(見上圖)，采樣點(diǎn)1、2、3分上中下三層采樣，第4采樣點(diǎn)水深較淺，不分層采樣。具體采樣時(shí)間為2017年4月～11月，后生浮游動(dòng)物包括輪蟲、橈足類和支角類，水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括總氮、硝酸鹽氮、高錳酸鹽指數(shù)、總有機(jī)碳、氨氮、葉綠素a和總磷。水質(zhì)采樣和監(jiān)測(cè)方法參照國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局(2002)編寫的《水和廢水分析監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版增補(bǔ)版)進(jìn)行。

后生浮游動(dòng)物使用采水器采集混合水樣50L，用25號(hào)浮游生物網(wǎng)過(guò)濾，將濾取的樣本放入100mL標(biāo)本瓶中，加入體積分?jǐn)?shù)為4%～5%的甲醛溶液固定[13]。固定后的樣本在室內(nèi)靜置48h后虹吸上清液，濃縮至30mL。鑒定時(shí)混勻沉淀后的樣品，在100～400倍光學(xué)顯微鏡(Olympus-CX21)下使用1毫升計(jì)數(shù)板鑒定后生浮游動(dòng)物種類、個(gè)體數(shù)量，生物量根據(jù)浮游動(dòng)物體積計(jì)算[14～16]。

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析方法

多樣性指數(shù)包括Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)，均勻度指數(shù)采用Pielou的計(jì)算公式(J)，Margalef豐富度指數(shù)(M)計(jì)算公式如下：

J=H/Hmax

M=(S-1)/lnN

式中，Pi=Ni/N，是群落中第i個(gè)物種的個(gè)體數(shù)占群落中總個(gè)體數(shù)的比例。Ni為第i個(gè)物種的個(gè)體數(shù)量，N為所有種個(gè)體數(shù)，S是樣品中總物種數(shù)；Hmax=log2S。多樣性指數(shù)通過(guò)BioDiversity Pro 2.0軟件包完成。浮游動(dòng)物群落與環(huán)境因子進(jìn)行主成分分析(PCA)使用Canoco for Windows 5.0軟件包完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 后生浮游動(dòng)物群落特征

2017年4～11月監(jiān)測(cè)的95個(gè)樣品中，后生浮游動(dòng)物輪蟲、枝角類及橈足類均有檢出。輪蟲豐度值介于0～4 480 cells/L之間，均值358.38 cells/L；枝角類豐度值介于0～2 580 cells/L之間，均值94.67 cells/L； 橈足類豐度值介于0～1 988 cells/L之間，均值594.63 cells/L。輪蟲生物量介于0～5 733.78 μg/L之間，均值340.81 μg/L；枝角類生物量介于0～19 120.65 μg/L之間，均值835.80 μg/L；橈足類生物量介于0～5 934.11 μg/L之間，均值351.12 μg/L。

大寧調(diào)蓄水庫(kù)后生浮游動(dòng)物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)介于0.45～2.28之間，均值1.38；Margalef豐富度指數(shù)介于0.38～3.2之間，均值1.44；Pielou均勻度指數(shù)介于0.06～0.67之間，均值0.44。浮游生物物種多樣性指數(shù)值越大，表明水體中浮游生物群落結(jié)構(gòu)組成越復(fù)雜，穩(wěn)定性越強(qiáng)[17-18]。Pielou均勻度指數(shù)(J)值越大，浮游生物個(gè)體分布就越均勻[19-20]，Margalef多樣性指數(shù)值越高，說(shuō)明浮游生物生長(zhǎng)較為均衡，水環(huán)境較好[21]。大寧調(diào)蓄水庫(kù)后生浮游動(dòng)物生物多樣性指數(shù)一般，水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性需要進(jìn)一步加強(qiáng)，浮游生物生長(zhǎng)均衡性不夠，提醒相關(guān)管理部門在開展水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)重建過(guò)程中要關(guān)注物種多樣性的變化，及時(shí)調(diào)整生態(tài)構(gòu)建方式方法，確保生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。

2.2 后生浮游動(dòng)物與水環(huán)境因子的關(guān)系

選取后生浮游動(dòng)物生物量數(shù)據(jù)組成矩陣，進(jìn)行DCA分析，最大梯度長(zhǎng)度為2.7(<3)，選用PCA分析后生浮游動(dòng)物群落組成與水環(huán)境因子之間的關(guān)系，結(jié)果如圖2所示。軸1和軸2分別可以解釋的69.14%與19.68%的物種-環(huán)境累積變異，前兩軸的物種-環(huán)境變異累計(jì)百分?jǐn)?shù)為88.82%，表明排序能夠較好的反映后生浮游動(dòng)物與環(huán)境因子間的相互關(guān)系。由圖2可知，影響輪蟲生物量大小的最主要的水環(huán)境因子是硝酸鹽氮，即硝酸鹽氮濃度越高輪蟲生物量越大，其次是總氮和總有機(jī)碳，氨氮濃度大小對(duì)輪蟲生物量大小幾乎沒(méi)有影響；總磷、葉綠素a和高錳酸鹽指數(shù)則對(duì)輪蟲生物量有負(fù)影響，即總磷、葉綠素a和高錳酸鹽指數(shù)濃度越高，輪蟲生物量越小。影響枝角類的主要水環(huán)境因子是總有機(jī)碳、總氮和硝酸鹽氮，水體中總有機(jī)碳、總氮和硝酸鹽氮越高，枝角類生物量越大，高錳酸鹽指數(shù)對(duì)枝角類生物量幾乎沒(méi)有影響，氨氮、總磷和葉綠素a對(duì)枝角類生物量有負(fù)影響。影響橈足類生物量的主要水環(huán)境因子是總有機(jī)碳、總氮和高錳酸鹽指數(shù)，水庫(kù)水體總有機(jī)碳、總氮和高錳酸鹽指數(shù)越高，橈足類生物量越大，硝酸鹽氮和葉綠素a對(duì)橈足類生物量幾乎沒(méi)有影響，總磷和氨氮對(duì)橈足類生物量產(chǎn)生負(fù)影響。

圖2 后生浮游動(dòng)物與水環(huán)境因子PCA排序圖Fig.2 PCA ordination of metazooplankton and water environmental factors

影響后生浮游動(dòng)物的環(huán)境因素主要包含非生物要素和生物要素?？偟钡?、高錳酸鹽指數(shù)(COD )等非生物因素是影響浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的主要驅(qū)動(dòng)因子[5]?？偟怯绊懜∮蝿?dòng)物生物量的主要因素[9]，這與本案例研究的結(jié)論一致，但當(dāng)水體營(yíng)養(yǎng)鹽處于較高水平，不再是浮游生物生長(zhǎng)的限制因素時(shí)，浮游生物的數(shù)量與水體營(yíng)養(yǎng)鹽含量相關(guān)性不強(qiáng)[22]。

生物因子主要包括后生浮游動(dòng)物的種間競(jìng)爭(zhēng)、攝食壓力、高營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物捕食、水生植物影響等[2，23]。浮游動(dòng)物個(gè)體小、數(shù)量多、代謝旺盛，以浮游植物、細(xì)菌、碎屑等為食，輪蟲、枝角類、橈足類都能攝食5～20 μm的顆粒物質(zhì)，被它們所攝食的上一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)存在生態(tài)位上的重疊，導(dǎo)致后生浮游動(dòng)物群落內(nèi)一直存在著激烈的食物競(jìng)爭(zhēng)。枝角類和橈足類存在彼此間的競(jìng)爭(zhēng)和濾食性魚類的選擇性捕食的壓力[24]，枝角類被抑制意味著橈足類競(jìng)爭(zhēng)壓力減小，枝角類與輪蟲存在較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系, 當(dāng)輪蟲數(shù)量大量升高時(shí), 會(huì)給枝角類的生長(zhǎng)帶來(lái)抑制作用[25]。后生浮游動(dòng)物是魚類和其他經(jīng)濟(jì)動(dòng)物的天然餌料，魚類的捕食行為被認(rèn)為是決定后生浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)[2，7，26]。濾食性魚類越多，大型后生浮游動(dòng)物的生存率越低，反之，則越高。鰱、鳙魚捕食大量后生浮游動(dòng)物，尤其是大型橈足類和枝角類，使后生浮游動(dòng)物生物量大為減少。同時(shí)，鰱、鳙魚對(duì)浮游植物選擇性濾食，導(dǎo)致大型藻類減少，小型藻類增加，使得葉綠素a 濃度增高。有研究表明，鰱、鳙魚濾食導(dǎo)致小型藻類大量增長(zhǎng)進(jìn)而造成藻類總生物量及葉綠素a不同程度升高[24]，這與葉綠素a濃度與輪蟲、枝角類和橈足類生物量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)吻合。從后生浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)和生物多樣性的監(jiān)測(cè)結(jié)果、后生浮游動(dòng)物與水環(huán)境因子關(guān)系分析發(fā)現(xiàn)，大寧調(diào)蓄水庫(kù)經(jīng)過(guò)多年的增殖放流，有效的控制了水華發(fā)生，但也對(duì)浮游生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性造成了一定的影響。為營(yíng)造穩(wěn)定健康的大寧調(diào)蓄水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)，需要多方面多方式多手段的開展生態(tài)重建，如完整的岸邊帶建設(shè)，合理的挺水沉水植被恢復(fù)，合適的增殖放流數(shù)量等等。完整的岸邊帶建設(shè)能有效降低水體中的硝酸鹽和總氮的含量，降低水體富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)，合理的挺水沉水植被恢復(fù)能給后生浮游動(dòng)物提供棲息地，有助于其群落和生物多樣性恢復(fù)，合適的濾食性魚類數(shù)量對(duì)后生浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)和生物多樣性起到調(diào)節(jié)作用，利于構(gòu)建合適群落結(jié)構(gòu)，恢復(fù)生物多樣性。

3 結(jié) 論

3.1 大寧調(diào)蓄水庫(kù)后生浮游動(dòng)物監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)后生浮游動(dòng)物生物量1047.68 cells/L ，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)1.38；Margalef豐富度指數(shù)1.44；均勻度指數(shù)均值0.44，生物多樣性一般。

3.2 影響后生浮游動(dòng)物生物量大小主要的水環(huán)境因子包括硝酸鹽氮，總氮和總有機(jī)碳，而氨氮、總磷、葉綠素a對(duì)后生浮游動(dòng)物生物量幾乎不產(chǎn)生影響或者產(chǎn)生負(fù)影響。

3.3 為營(yíng)造穩(wěn)定健康的大寧調(diào)蓄水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)，亟需多方面多方式多手段的開展諸如岸邊帶建設(shè)、挺水沉水植被恢復(fù)、洪水?dāng)r蓄、增殖放流等內(nèi)容的生態(tài)重建，有效削減水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽含量，降低水體富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)，構(gòu)建后生浮游動(dòng)物棲息地，恢復(fù)生物多樣性，確保水源水質(zhì)穩(wěn)定。