王睿,潘姝含,周興華,陳建,向梟*,丁建華
(1.西南大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院,淡水魚(yú)類(lèi)資源與生殖發(fā)育教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,水產(chǎn)科學(xué)重慶市市級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 402460;2.山東大學(xué)澳國(guó)立聯(lián)合理學(xué)院,山東 威海 264200;3.重慶兩江生態(tài)漁業(yè)發(fā)展有限公司,重慶 401147)
迎龍湖水庫(kù)位于重慶市南岸區(qū),總庫(kù)容達(dá)到1 798 萬(wàn)m3,屬于中型水庫(kù),可控制集雨面積95.30 km2。其功能以農(nóng)業(yè)灌溉、城市供水為主,同時(shí)可以兼顧人和蓄的飲水及改善生態(tài)環(huán)境。迎龍湖水庫(kù)全長(zhǎng)4.0 km,可以分為上游、中游和下游3 個(gè)河段,各河段周?chē)坝^不同,水質(zhì)狀況有所差別。近年來(lái),南岸區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,大量從事輕工業(yè)生產(chǎn)的工廠拔地而起,加之雨季下雨頻繁,大量的生活、農(nóng)業(yè)污水,未經(jīng)處理,直接或間接流入迎龍湖水庫(kù),嚴(yán)重污染水體。
文獻(xiàn)[1]報(bào)道了迎龍湖水庫(kù)水質(zhì)的理化特征及營(yíng)養(yǎng)化狀況,但缺乏對(duì)浮游生物群落結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)研究與綜合評(píng)價(jià)。理化特征的測(cè)定,僅能代表水體某個(gè)階段的水質(zhì)狀況,而浮游生物對(duì)于水體理化性質(zhì)的變化,尤為敏感[2]。對(duì)浮游生物群落結(jié)構(gòu)特征的計(jì)算分析,不僅能夠得出某一時(shí)間的水體狀況,還能解讀水體的變化趨勢(shì)[3]。同時(shí)浮游生物群落結(jié)構(gòu)與水體理化因子相互影響,相互制約[4-5]。現(xiàn)采用冗余分析(RDA)法,初步探討迎龍湖水庫(kù)的水質(zhì)狀況和浮游生物的群落結(jié)構(gòu)特征,擬為治理迎龍湖水庫(kù)污染和改善水質(zhì)提供參考依據(jù)。
采樣時(shí)間為2020 年3(春)、6(夏)、10(秋)和12 月(冬)。迎龍湖水庫(kù)河段總長(zhǎng)2 km,水庫(kù)水流速度緩慢,上中下游3 個(gè)河段所屬景觀差異較大,分別為濕地、城市、農(nóng)耕區(qū)域。在上游、中游、下游每個(gè)河段各設(shè)置2 個(gè)采樣點(diǎn),分別為S1—S6,見(jiàn)圖1。
圖1 迎龍湖采樣點(diǎn)
高錳酸鹽指數(shù)(IMn)、溫度(T)、透明度(SD)、pH值、葉綠素a(Chla)、總氮(TN)、總磷(TP)、浮游生物和溶解氧(DO)。
于每個(gè)采樣點(diǎn)水體表層(0.5 m 處)采集3 個(gè)樣品,采集后4 h 內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室分析。SD 采用塞氏盤(pán)法;IMn按照《水質(zhì) 高錳酸鹽指數(shù)的測(cè)定》(GB/T 11892—1989)測(cè)定;pH 值按照《水質(zhì) pH值的測(cè)定玻璃電極法》(GB/T 6920—1986)測(cè)定;Chla 按照《水質(zhì) 葉綠素a 的測(cè)定分光光度法》(HJ 897—2017)測(cè)定;TN 按照《水質(zhì) 總氮的測(cè)定堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法》(GB/T 11894—1989)測(cè)定;TP 按照《水質(zhì) 總磷的測(cè)定鉬酸銨分光光度法》(GB/T 11893—1989) 測(cè)定;DO 按照《水質(zhì) 溶解氧的測(cè)定電化學(xué)探頭法》(GB/T 11913—1989)測(cè)定等。浮游生物的采樣參照文獻(xiàn)[6-9],后續(xù)樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分類(lèi)鑒定、計(jì)數(shù)及生物量換算。
浮游植物和浮游動(dòng)物的豐度與環(huán)境因子的DCA 分析結(jié)果均<3.0,故而選取冗余分析(RDA)法[10],直觀地反映物種和環(huán)境因子間的關(guān)系[11-12]。在進(jìn)行多元分析之前,對(duì)物種豐度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。根據(jù)優(yōu)勢(shì)度,計(jì)算選取優(yōu)勢(shì)種,篩選出藍(lán)藻門(mén)(Cya)、綠藻門(mén)(Chl)、硅藻門(mén)(Bac)、隱藻門(mén)(Cry)、原生動(dòng)物(Pro)、輪蟲(chóng)(Rot)和橈足類(lèi)(Cop)7 種。同時(shí)將環(huán)境因子以及浮游生物豐度數(shù)據(jù)(pH 值除外),進(jìn)行l(wèi)g(X+1)轉(zhuǎn)化,使其無(wú)量綱化且提高分布的正態(tài)性[13-15]。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化由Excel 2020 完成,RDA 分析由CANOCO 5.0 完成。
水質(zhì)指標(biāo)采用《湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》的綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法[TLI(Σ)]進(jìn)行評(píng)價(jià)[16]。TLI(Σ)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為:TLI(Σ)<30 為貧營(yíng)養(yǎng),30≤TLI(Σ)≤50 為中營(yíng)養(yǎng),50<TLI(Σ)≤60 為輕度富營(yíng)養(yǎng),60<TLI(Σ)≤70 為中度富營(yíng)養(yǎng),TLI(Σ)>70為重度富營(yíng)養(yǎng)。
采用均勻度指數(shù)(J)和Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)(H’),對(duì)浮游生物多樣性進(jìn)行分析。計(jì)算式如下:
優(yōu)勢(shì)種(Y)計(jì)算公式為:
式中:S——浮游生物種數(shù);
Pi——第i種浮游生物占整個(gè)浮游生物個(gè)體數(shù)的比例,即Pi=Ni/N;
n——第i種浮游生物的密度,ind./L;
N——浮游生物的總密度,ind./L;
Fi——第i種浮游生物出現(xiàn)頻率;一般情況下Fi=n/N。
H’可以反映水體的水質(zhì)狀況,當(dāng)物種H’>3 時(shí),水體清潔;為2~3 時(shí),為輕度污染;1~2 時(shí),為中度污染;0~1 時(shí),為重度污染。浮游生物J反映各物種數(shù)目分配的均勻程度,J為0~0.3 時(shí),重污染,0.3~0.5為中污染,0.5~0.8 為輕污染或無(wú)污染。當(dāng)Y>0.02時(shí),為優(yōu)勢(shì)種。
迎龍湖水庫(kù)TLI(Σ),H’和J用多元軟件PRIMER 5.0 進(jìn)行計(jì)算。
迎龍湖水庫(kù)主要水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 迎龍湖水庫(kù)四季的主要水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果
由表1 可見(jiàn),迎龍湖水庫(kù)水體的各項(xiàng)指標(biāo)隨河段變化不大,隨季節(jié)改變,發(fā)生明顯變化。四季溫差大,為12.3~32.4 ℃;pH 值為7.11~8.36,整體呈弱堿性;ρ(DO)為7.06~10.3 mg/L;ρ(IMn)為2.2~7.9 mg/L;ρ(Chla)為2~19 μg/L;以上各項(xiàng)指標(biāo)都在夏季出現(xiàn)最高值。水體氮磷含量始終較高,ρ(TP)為0.070~0.016 mg/L;ρ(TN)為0.86~2.42 mg/L,水體呈富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)。SD 隨河段出現(xiàn)明顯變化,為0.28~1.61 m,各季節(jié)下游河段透明度最高,春夏2 季中游河段透明度最低,秋冬2 季上游河段透明度最低。TLI(Σ)計(jì)算結(jié)果表明,水質(zhì)在春季評(píng)分為54.5,在夏季評(píng)分為59.3,這2 個(gè)季節(jié)水體屬于富營(yíng)養(yǎng);在秋季評(píng)分為45.0,在冬季評(píng)分為44.6,這2 個(gè)季節(jié)水體屬于中營(yíng)養(yǎng)。
2.2.1 浮游植物
迎龍湖水庫(kù)浮游植物共檢測(cè)到7 門(mén)35 科125個(gè)種屬;其中綠藻門(mén)15 科46 個(gè)種屬,硅藻門(mén)11 科41 個(gè)種屬,藍(lán)藻門(mén)3 科20 個(gè)種屬,裸藻門(mén)1 科7 個(gè)種屬,甲藻門(mén)2 科4 個(gè)種屬,金藻門(mén)2 科2 個(gè)種屬,隱藻門(mén)1 科5 個(gè)種屬。迎龍水庫(kù)優(yōu)勢(shì)藻類(lèi)主要是藍(lán)藻門(mén)的銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa)、水華微囊藻(Microcystis flosaquae)、不定微囊藻(Microcystis incerta)、近親魚(yú)腥藻(Anabaena affinis);綠藻門(mén)的球狀衣藻(Chlamydomonas globosa);空球藻(Eudorina elegans);隱藻門(mén)的卵形隱藻(Cryptomonas ovata)、嚙蝕隱藻(Cryptomonas erosa)。
浮游植物密度的時(shí)空分布見(jiàn)圖2(圖中總密度為該季節(jié)所有河段浮游植物的密度之和)。由圖2可見(jiàn),浮游植物中藍(lán)藻門(mén)的平均密度為243.252 2×104cells/L,占浮游植物總平均密度的36.81%;綠藻門(mén)的平均密度為160.285 7×104cells/L,占浮游植物總平均密度的24.25%;硅藻門(mén)的平均密度為119.447 0×104cells/L,占浮游植物總平均密度的18.07%;裸藻們的平均密度為4.107 4×104cells/L,占浮游植物總平均密度的0.62%;甲藻門(mén)的平均密度為8.630 8×104cells/L,占浮游植物總平均密度的1.31%;金藻門(mén)的平均密度為1.417 5×104cells/L,占浮游植物總平均密度的0.21%;隱藻門(mén)的平均密度為123.752 4×104cells/L,占浮游植物總平均密度的18.73%。浮游植物的生物量以及密度都有著明顯的季節(jié)性變化,四季浮游植物的總密度為(71.229 5~1 570.340 4)×104cells/L,平均密度為660.893 1×104cells/L,在夏季密度最高,冬季密度最低;四季浮游植物的總生物量為0.480 6~7.882 2 mg/L,平均生物量為3.611 4 mg/L,其中在春季生物量最高,而在冬季生物量最低。浮游植物生物量的時(shí)空分布見(jiàn)圖3(圖中總密度為該季節(jié)所有河段浮游植物的密度之和)。
圖2 浮游植物密度的時(shí)空分布
圖3 浮游植物生物量的時(shí)空分布
2.2.2 浮游動(dòng)物
迎龍水庫(kù)春夏秋冬共監(jiān)測(cè)到浮游動(dòng)物4 門(mén)33科84 個(gè)種屬,原生動(dòng)物18 科30 個(gè)種屬、輪蟲(chóng)8 科34 個(gè)種屬、枝角類(lèi)5 科12 個(gè)種屬、橈足類(lèi)2 科8 個(gè)種屬。迎龍水庫(kù)浮游動(dòng)物的優(yōu)勢(shì)種類(lèi)主要有原生動(dòng)物的王氏擬鈴殼蟲(chóng)(Tintinnopsis wangi)、球形砂殼蟲(chóng)(Difflugia globulosa)、大彈跳蟲(chóng)(Halteria grandinella)、綠急游蟲(chóng)(Strombidium viride)、旋回俠盜蟲(chóng)(Strobilidium gyrans)、毛板殼蟲(chóng)(Colep shirtus)、滾動(dòng)焰毛蟲(chóng)(Askenasia volvox);輪蟲(chóng)的角突臂尾輪蟲(chóng)(Brachiouns angularis)、螺形龜甲輪蟲(chóng)(Keratella cochlearis)、曲腿龜甲輪蟲(chóng)(Keratella valga)、前節(jié)晶囊輪蟲(chóng)(Asplabchna priodonata)、長(zhǎng)三肢輪蟲(chóng)(Filinia longiseta)、奇異巨腕輪蟲(chóng)(Hexarthra mira)、針簇多肢輪蟲(chóng)(Polyarthra trigla)、廣布多肢輪蟲(chóng)(Polyarthra vulgaris);橈足類(lèi)的大型中鏢水蚤(Sinodiaptomus sarsi)、近鄰劍水蚤(Cyclops vicinus)、無(wú)節(jié)幼體(Nauplii)。
浮游動(dòng)物密度的時(shí)空分布見(jiàn)圖4(圖中總密度為該季節(jié)所有河段浮游動(dòng)物的密度之和),浮游動(dòng)物生物量的時(shí)空分布見(jiàn)圖5(圖中總密度為該季節(jié)所有河段浮游動(dòng)物的生物量之和)。由圖4 和圖5 可見(jiàn),浮游動(dòng)物中原生動(dòng)物的平均密度為10 980.9 ind./L,占浮游動(dòng)物總平均密度的78.21%;輪蟲(chóng)的平均密度為2 981.95 ind./L,占浮游動(dòng)物總平均密度的21.24%;枝角類(lèi)的平均密度為26.91 ind./L,占浮游動(dòng)物總平均密度的0.19%;橈足類(lèi)的平均密度為50.04 ind./L,占浮游動(dòng)物總平均密度的0.39%。浮游動(dòng)物的生物量以及密度都有著明顯的季節(jié)性變化,四季浮游動(dòng)物的總密度為2 707.2~27 779.3 ind./L,平均密度為14 039.79 ind./L,在夏季密度最高,冬季密度最低;四季浮游動(dòng)物的總生物量為0.672 6~9.610 1 mg/L,平均密度為4.120 7 mg/L,其中在夏季生物量最高,而在冬季生物量最低。
圖4 浮游動(dòng)物密度的時(shí)空分布
圖5 浮游動(dòng)物生物量時(shí)空分布
2.2.3 浮游生物多樣性和均勻度
選用H’來(lái)反映水體的水質(zhì)狀況,J來(lái)反映各物種數(shù)目分配的均勻程度[17-19]。浮游植物的J和H’隨時(shí)空變化見(jiàn)圖6,浮游動(dòng)物的J和H’隨時(shí)空變化見(jiàn)圖7。由圖6、圖7 可見(jiàn),浮游植物的H’為3.435 9~5.042 3,平均值為4.099 1;J為0.217 4~0.304 4,平均值為0.264 8。均為秋季上游取樣點(diǎn)最高,其H’為5.042 3,J為0.304 4;春季下游取樣點(diǎn)最低,其H’為3.435 9,J為0.217 4。浮游動(dòng)物的物種H’為2.387 1~4.552 1,平均值為3.167 2;均勻度指數(shù)J為0.282 6~0.463 1,平均值為0.3342。均為夏季上游取樣點(diǎn)最高,其H’為4.552 1,J為0.463 1;秋季上游取樣點(diǎn)最低,其H’為2.387 1,J為0.282 6。
圖6 浮游植物的J 和H’隨時(shí)空變化
圖7 浮游動(dòng)物的J 和H’隨時(shí)空變化
浮游動(dòng)物和浮游植物的H’較高,其J偏低,說(shuō)明該水庫(kù)中生物種類(lèi)繁多物種群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,但分布集中,容易出現(xiàn)水華營(yíng)養(yǎng)化的情況。
2.2.4 主要浮游生物與環(huán)境因子的冗余分析(RDA)
浮游生物的RDA 結(jié)果見(jiàn)表2。浮游生物與環(huán)境因子的RDA 排序圖見(jiàn)圖8。
表2 浮游生物的RDA 結(jié)果
圖8 浮游生物與環(huán)境因子的RDA 排序圖
由表2 及圖8 可見(jiàn),軸1 和軸2 的特征值分別為0.651 4 和0.185 0,分別解釋了物種變異的68.90%和19.57%。RDA 排序圖中,SD(P<0.005)與軸1 呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.901 5,解釋了物種變異的55.0%;而Chla(P<0.005)與軸1 呈極顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.864 1,解釋了物種變異的10.0%;TP(P>0.01)與軸2 呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.476 6,僅解釋了物種變異的1.6%;pH 值(P<0.01)與軸2 呈顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.803 0,解釋了物種變異的15.5%。
由圖8 可見(jiàn),浮游植物都集中分布在坐標(biāo)系的軸1 負(fù)半軸附近,說(shuō)明藍(lán)藻門(mén)(Cya)、綠藻門(mén)(Chl)、硅藻門(mén)(Bac)以及隱藻門(mén)(Cry)四種藻類(lèi)的隨時(shí)空變化情況相似,與IMn(P<0.05)和Chla(P<0.05)呈顯著正相關(guān),與SD(P<0.005)呈極顯著負(fù)相關(guān)。浮游動(dòng)物各物種較為分散,說(shuō)明浮游動(dòng)物的分布并非受單獨(dú)幾種環(huán)境因素的影響而是受多種環(huán)境因素制約,其中SD(P<0.005)為極顯著負(fù)相關(guān);而pH 值(P<0.05)、IMn(P<0.05)和Chla(P<0.05)為顯著正相關(guān)。
文獻(xiàn)[20-23]研究表明,生活污水會(huì)引起臨近水體的富營(yíng)養(yǎng)化。本調(diào)查中,在春夏2 季,重慶降水量驟增,導(dǎo)致大量城市污水排入迎龍湖水庫(kù);臨近農(nóng)耕區(qū)域的水域,大量雨水的沖刷會(huì)造成農(nóng)田的水土流失,裹挾農(nóng)田土壤里肥料養(yǎng)分,直接流入水庫(kù),導(dǎo)致春夏2 季水體營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重。除了營(yíng)養(yǎng)素的增加,魚(yú)類(lèi)和水生微生物的數(shù)量增加,也是引起水體營(yíng)養(yǎng)化的重要原因[24-25]。春夏2 季氣溫升高,大多數(shù)水體生物都會(huì)處于最適生長(zhǎng)發(fā)育期,水生浮游生物數(shù)量的增加,會(huì)破壞水體的微生態(tài)平衡,進(jìn)而引起迎龍湖水質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)化。在秋季,重慶各流域都會(huì)出現(xiàn)漲水和泄洪,水庫(kù)會(huì)定期定量排水,水庫(kù)中的水會(huì)得到一定程度的凈化;冬季氣溫下降,水面未結(jié)冰,此時(shí)水體生物的生命繁殖活動(dòng)會(huì)減弱,氮磷排放減少,可以在一定程度上改善水體的富營(yíng)養(yǎng)化。本調(diào)查結(jié)果與我國(guó)南方城市一些水庫(kù)的調(diào)查結(jié)果相似[26-28]。整體來(lái)說(shuō),迎龍湖水庫(kù)水體為中-富營(yíng)養(yǎng)型,全年都有一定的富營(yíng)養(yǎng)化狀況出現(xiàn)。
浮游植物群落結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明,春夏2 季較高水平的氮磷營(yíng)養(yǎng)素以及適宜的溫度,導(dǎo)致浮游植物生物量和密度都達(dá)到較高水平。有研究表明[29],藍(lán)藻在高溫條件下,以快速生長(zhǎng)的r 對(duì)策而獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),所以迎龍湖水庫(kù)中在春夏2 季,藍(lán)藻在浮游植物群落中占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。而到了秋季,迎龍湖水庫(kù)由于漲水和泄洪,引起水位的快速變化,而水體交換、泥沙懸浮等引起水體渾濁,SD 降低,進(jìn)而影響到浮游植物的光合作用,結(jié)果造成浮游植物的種類(lèi)減少、數(shù)量降低。到了冬季,水溫下降,浮游植物的繁殖行為會(huì)減少,但是水體的TP 下降、透明度增加,水質(zhì)得到改善,水體中浮游植物的密度和生物量降低,但水庫(kù)中浮游植物的種類(lèi)增多。這與對(duì)長(zhǎng)江部分水庫(kù)的研究結(jié)果相同[30-32]。對(duì)浮游動(dòng)物來(lái)說(shuō),適宜的理化環(huán)境和水體中充足的浮游植物以供捕食,作為捕食者,其群體數(shù)量與種類(lèi)的變化趨勢(shì)與浮游植物相似。群落結(jié)構(gòu)中,原生動(dòng)物和輪蟲(chóng)始終在密度和生物量處于較高水平,與對(duì)長(zhǎng)江部分水庫(kù)研究結(jié)果相似[30-31,33]。
在RDA 排序圖中的浮游生物,集中在坐標(biāo)圖中負(fù)半軸,說(shuō)明所有的浮游植物和所有的浮游動(dòng)物在環(huán)境中的相關(guān)性極強(qiáng),符合浮游動(dòng)物以浮游植物為食的結(jié)論。藍(lán)藻門(mén)(Cya)、綠藻門(mén)(Chl)、硅藻門(mén)(Bac)和隱藻門(mén)(Cry)4 種藻類(lèi),隨時(shí)空變化情況較為集中,不存在明顯的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,可能與水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富有關(guān)。而浮游動(dòng)物的分布較為分散,說(shuō)明水體中浮游動(dòng)物的生命活動(dòng),并非受到單一環(huán)境因子的影響,而受到多個(gè)環(huán)境因子的制約;表明這些浮游生物處于不同生態(tài)位,種間競(jìng)爭(zhēng)并不激烈,群落構(gòu)成穩(wěn)定,也與前文中對(duì)物種多樣性的分析結(jié)論相同。
對(duì)重慶迎龍湖水庫(kù)水質(zhì)進(jìn)行調(diào)查,結(jié)果表明,共檢測(cè)到浮游植物7 門(mén)35 科125 屬種,浮游動(dòng)物4 門(mén)33 科84 屬種;浮游植物平均密度為660.893 1×104cells/L,平均生物量為3.611 4 mg/L;浮游動(dòng)物平均密度為14 039.79 ind./L,平均生物量為4.120 7 mg/L。迎龍湖水庫(kù)水體為中-富營(yíng)養(yǎng),冗余分析結(jié)果表明,透明度、葉綠素a 以及pH 值是影響浮游生物群落結(jié)構(gòu)的主要因子。