北京市媯水河浮游動物群落結構與水質評價

林 海,王 源,李 冰,*

1 北京科技大學能源與環境工程學院,北京 100083 2 工業典型污染物資源化處理北京市重點實驗室,北京 100083

媯水河是官廳水庫三大入庫河系之一,包括1條干流和9條支流,為典型的山溪性小流域河流。目前媯水河流域水污染問題突出,垃圾和面源污染問題嚴重。其次,媯水河流域平均降水量偏低,水資源短缺現象嚴重。

浮游動物在物質轉化、能量流動等生態過程中起著重要作用,其種類組成和多樣性特征能反映出水體健康程度和狀態[1],因此浮游動物可作為反映水環境變化的指示生物[2- 3]。針對媯水河目前存在水環境質量較差的問題,本文通過對媯水河浮游動物進行調查研究,研究不同時期浮游動物群落結構的變化和多樣性指數的時空差異,分析浮游動物群落與水質指標之間的相關關系,并開展水質生態學評價,以期為媯水河水生態環境監測及治理提供基礎數據和科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況和采樣點設置

媯水河發源于延慶城區東北13 km處,橫貫延慶盆地,在下屯鄉大路村北入官廳水庫后入永定河,河長18.5公里,為官廳水庫的三大入庫河系之一,屬大陸性季風氣候。地理坐標為115°49′21″—116° 16′16.75″E,40°24′52.18″—40°33′25.91″N。目前,有水匯入的支流主要有古城河、三里河和蔡家河。

根據國家環境保護標準中《水質采樣方案設計技術規定》(HJ495—2009),并結合媯水河水系及特點共在流域內設置10個采樣斷面(圖1),其中S1位于沈家營鎮香村營附近,S2位于媯水河與上游支流匯流處,S3是媯水河支流古城河采樣斷面,S4是媯水河與古城河交匯后的采樣斷面,S5位于北老君堂村附近,S6位于春芳園,S7位于東大橋水文站,S8位于媯水河世園會段,S9位于媯水河支流三里河采樣斷面,S10為谷家營國控斷面。于2017年豐水期(6—7月)和枯水期(10—11月)采集樣品,每月采集1次,每次采樣時間安排在連續晴天、水位較穩定的日子。

圖1 采樣點位示意圖Fig.1 Sampling sites in Guishui RiverS1：采樣點位1 Site1；S2：采樣點位2 Site2；S3：采樣點位3 Site3；S4：采樣點位4 Site4；S5：采樣點位5 Site5；S6：采樣點位6 Site6；S7：采樣點位7 Site7；S8：采樣點位8 Site8；S9：采樣點位9 Site9；S10：采樣點位10 Site10

1.2 水體理化因子的測定

水體理化因子采用現場測定和實驗室分析的方法,其中,溫度、pH、溶解氧3個指標采用WTW Multi 350i手提式多參數水質分析儀進行現場測定,透明度用塞氏圓盤現場測定。在各樣點采集2個平行水樣(各1 L), 置于保溫箱中低溫保存(4℃),于48h內帶回實驗室進行樣品的水質指標測定。TP的測定采用鉬酸銨分光光度法(GB 11893- 89),TN的測定采用堿性過硫酸鉀紫外分光光度法(GB 11894- 89),NH3-N的測定采用納氏試劑分光光度法(HJ 535- 2009),COD的測定采用重鉻酸鉀法(GB 11914- 89),測定方法參照文獻[4]。

1.3 浮游動物的采集及檢測方法

(1)定性標本

采用25號浮游生物網采集(網孔0.064mm),于水面以下作“∞”狀拖動浮游動物網數次,將濃縮于網頭的水樣收集于50mL的標本瓶,用4%甲醛溶液現場固定,以待鏡檢鑒定。浮游動物種類鑒定參照文獻[5- 6]。

(2)定量標本

用5L采水器于分別于水面以下0.5m處和1.5m處采集水樣,混合均勻后置于1L塑料采樣瓶中,加入魯哥氏液現場固定,各樣點均重復3次。實驗室靜置24h后,濃縮至200mL,再次靜置24h,濃縮至50mL保存。定量計數前將沉淀樣品充分搖勻,然后吸取1mL樣品注入1mL計數框內,在10×10倍的光鏡下全片計數。每個標本重復計數3—5次,取其平均值。

1.4 數據處理

根 據 浮 游 動 物 優 勢 度 指 數(Y)、Shannon-Wiener多樣性指數(H)、Pielou均勻度指數(J)和Margalef豐富度指數(D)對媯水河浮游動物群落結構特征進行分析評價[7- 9],其計算公式如下。

Y=(Ni/N)×fi

J=H′/ln(S)

D=(S-1)/ln(N)

式中,N為第i種的個體數；N為所有種類的總個體數；fi為各采樣點第i種的出現頻率；H為生物多樣性指數；J為均勻度指數；S為物種總數；D為豐富度指數。

根據水生態學評價方法,當浮游動物豐度<1000個/L時水體為貧營養,豐度>3000個/L時為富營養,1000—3000個/L為中營養[10]。運用Canoco5.0軟件進行數據分析浮游動物群落及其與環境因子之間的相關性。

2 結果

2.1 浮游動物的種類組成與優勢種

本次調研共鑒定出浮游動物4門22屬88種,原生動物種類最多,共42種,其中28種為中等營養水體以上的指示種；輪蟲種類次之,共25種,其中有8種富營養水體指示種；枝角類種類最少。浮游動物種類在兩個時期均以原生動物和輪蟲為主,兩門種類之和占總種類的70%以上。由圖2和圖3可以看出,原生動物種類在兩個時期所占比例均最大,分別為38.3%和64.9%,輪蟲種類所占比例次之,在兩個時期分別為34.9%和16.6%,枝角類和橈足類在兩個時期所占比例較小,浮游動物種類組成在兩個時期均為原生動物>輪蟲>橈足類>枝角類。由于輪蟲和原生動物相較于枝角類和橈足類等大型浮游動物,其繁殖發育速度快、能快速適應河流環境的變化,因此種類數量較多,本研究與國內很多河流浮游動物群落結構組成相似[11- 12]。

由表1可以看出,媯水河浮游動物的優勢種有8種,分別為鐘蟲、俠盜蟲、梨形四膜蟲、螺形龜甲輪蟲、單環櫛毛蟲、針簇多枝輪蟲、裂痕龜紋輪蟲、冠飾異尾輪蟲,受不同時期溫度和水質的影響,不同時期優勢種組成有所差異,其中豐水期優勢種主要是針簇多枝輪蟲、裂痕龜紋輪蟲、冠飾異尾輪蟲、鐘蟲和梨形四膜蟲,枯水期優勢種主要是鐘蟲、俠盜蟲、梨形四膜蟲、螺形龜甲輪蟲和單環櫛毛蟲。

圖2 豐水期浮游動物種類分布Fig.2 Distribution of zooplankton species during the wet period

圖3 枯水期浮游動物種類分布Fig.3 Distribution of zooplankton species during the dry period

表1 媯水河浮游動物優勢種和優勢度

2.2 浮游動物的密度及生物量

表2列出了媯水河豐水期和枯水期浮游動物的密度和生物量,由表2可以看出,在調查期間,媯水河浮游動物總的平均密度為5041.58個/L,其中原生動物、輪蟲、枝角類、橈足類的平均密度分別為2070、2965、1.54和5.04個/L,豐水期(6月和7月)浮游動物密度高于枯水期(10月和11月),尤其是6月份,浮游動物密度高達12439.63個/L。媯水河浮游動物生物量平均為2.88mg/L,浮游動物生物量也以輪蟲和原生動物為主。

由圖4可以看出,浮游動物密度最大值出現在S8點位(媯水河世園段),為18451.25個/L,說明該點位水體污染嚴重,最小值出現在S4點位(媯水河與古城河交匯處),S2、S4點位浮游動物平均細胞密度最小。

由圖5可以看出,S8點位的生物量最大(14.07mg/L),S3點位的生物量最小,為0.17mg/L。浮游動物不同門類當中,輪蟲的貢獻最大(91.4%),橈足類貢獻最小(1.8%)。其中,原生動物平均生物量為0.11mg/L,S6最高為0.21mg/L,輪蟲平均生物量為2.64mg/L,S8最高為13.90 mg/L,枝角類平均生物量為0.08mg/L,S10最高為0.64mg/L,橈足類平均生物量為0.06mg/L,S10最高為0.43mg/L。綜上可知,媯水河浮游動物以輪蟲和原生動物為主體,浮游動物各類群豐度和生物量均表現為市區段最大,其他點位較小。

表2 媯水河豐水期和枯水期浮游動物的密度和生物量

圖4 媯水河不同采樣點位浮游動物數量 Fig.4 Number of zooplankton at different sampling points in Guishui River

圖5 媯水河不同采樣點位浮游動物生物量 Fig.5 Zooplankton biomass at different sampling points in Guishui River

2.3 浮游動物群落與環境因子的關系

媯水河不同月份水體理化指標如表3所示。采用CCA分析探究媯水河浮游動物群落及優勢種(代碼見表4)與環境因子(水體理化指標)的關系,從而可識別對環境因子敏感的浮游動物物種。浮游動物與環境因子的相關性關系如圖6所示。

CCA分析顯示,前兩個排序軸的特征值分別為0.39和0.08,第一排序軸物種與環境因子的相關系數為0.953,第二排序軸與環境因子的相關系數為0.871。溫度與第一環境因子排序軸負相關性最大,其次是總磷和總氮；溶解氧與第一環境因子正相關性最大,其次是pH；葉綠素a與第一軸的相關性大于第二軸,浮游動物總密度和pH的正相關性最大。大部分優勢種分布在第一、二象限,與氨氮和pH呈正相關,其中,裂痕龜紋輪蟲和冠飾異尾輪蟲與氨氮的相關性極顯著,針簇多枝輪蟲、螺形龜甲輪蟲和單環櫛毛蟲數量與總磷、總氮、溫度呈正相關,與pH負相關,鐘蟲、裂痕龜紋輪蟲和梨形四膜蟲數量與pH、氨氮正相關,與總磷、總氮、溫度和COD呈負相關。

由CCA分析結果可以分析出,水溫、pH、DO和氨氮對浮游動物組成和優勢種影響較大,是決定媯水河浮游動物群落結構變化的主要環境因子。

2.4 浮游動物多樣性時空差異

浮游動物的多樣性指數可以在一定程度上反映出水環境的狀況,也可作為環境質量評價的依據之一。在水體污染程度較重的河流中,生物多樣性下降,浮游動物群落結構趨于簡單,多樣性指數低[13]。由表5可以看出,媯水河浮游動物Shannon-weaver多樣性指數H、Pielou均勻度指數J和Margelaf豐富度指數D全年平均值分別為0.43、0.31和0.41,6月和11月的多樣性指數H和均勻度指數J顯著高于7月,10月份最低；豐富度指數D在6月最低,其余3個月份相近。不同斷面之間,多樣性指數H和均勻度指數J均以S10(谷家營國控斷面)最高,S8(媯水河世園段)最低。

表3 媯水河不同時期水體理化指標均值(平均值±標準差)

pH：氫離子濃度 Potential of hydrogen；DO：溶解氧含量 Dissolved oxygen；COD：化學需氧量 Chemical oxygen demand； TN：總氮濃度 Total nitrogen；TP：總磷濃度 Total phosphorus；NH3-N：氨氮濃度 Ammonia nitrogen；NO3-N：硝態氮 Nitrate nitrogen；Chl.a：葉綠素a Chlorophyll a

表4 CCA分析中浮游動物優勢種代碼

S1：物種1 species1；S2：物種2 species2；S3：物種3 species3；S4：物種4 species4；S5：物種5 species5；S6：物種6 species6；S7：物種7 species1；S8：物種8 species8

圖6 媯水河浮游動物群落與環境因子CCA分析Fig.6 Canonical correspondence analysis of species-environmental relationships in Guishui River systempH：氫離子濃度 Potential of hydrogen；DO：溶解氧含量 Dissolved oxygen；COD：化學需氧量 Chemical oxygen demand； TN：總氮濃度 Total nitrogen；TP：總磷濃度 Total phosphorus；NH3-N：氨氮濃度 Ammonia nitrogen；NO3-N：硝態氮 Nitrate nitrogen；Chl.a：葉綠素a Chlorophyll a；；Dens：密度 Density；Spe-num：種類 Number of zooplankton species；Protozoo：原生動物 Protozoon；Cladocer：枝角類 Cladocera；Rotifera：輪蟲；Copepoda：橈足類；S1：物種1(針簇多枝輪蟲)Polyarthra trigla；S2：物種2(鐘蟲)Vorticella；S3：物種3(裂痕龜紋輪蟲)Anuraeopsis fissa；S4：物種4(冠飾異尾輪蟲)Trichocerca lophoessa；S5：物種5(梨形四膜蟲)Tetrahymena priformis；S6：物種6(俠盜蟲)Strobilidium；S7：物種7(螺形龜甲輪蟲)Keratella cochlearis；S8：物種8(單環櫛毛蟲)Didinium balbianii

由生物多樣性指數評價結果可知,Shannon-weaver多樣性指數H和Margelaf豐富度指數D均顯示媯水河水質為重污染狀態,Pielou均勻度指數J顯示水質為中度污染狀態。

表5 浮游動物多樣性指數時空差異(平均值±標準差)

H：多樣性指數 Shannon-weaver index；J：均勻度指數Pielou evenness index；D：豐富度指數 Margalef′s richness index

3 討論

3.1 浮游動物群落結構時空變化特征

由以上研究結果可知,媯水河浮游動物主要為輪蟲和原生動物,原生動物種類最多,共42種,輪蟲種類次之,共25種,且數量和生物量均以輪蟲為主,原因是媯水河水體營養水平較高,有利于輪蟲快速生長繁殖,使輪蟲中的富營養種類和數量大量增加。與北方河流相比,本研究與灤河、永定河、沙潁河、嫩江浮游動物的群落結構組成相似[12,14- 15],均以輪蟲為主,枝角類和橈足類較少。由于輪蟲具有獨特的孤雌生殖方式,發育快、生命周期短,能在短期內達到很高的豐度,并且很快適應河流中理化環境的變化,因此在河流生態環境中浮游動物通常以輪蟲為主[16]。不同的是嫩江以龜甲輪蟲居多,永定河和灤河以臂尾輪蟲居多,媯水河以針簇多枝輪蟲、裂痕龜紋輪蟲、冠飾異尾輪蟲、螺形龜甲輪蟲為主,其中針簇多枝輪蟲、裂痕龜紋輪蟲和螺形龜甲輪蟲主要出現在富營養水體,冠飾異尾輪蟲出現在貧營養水體[17-18]。與同屬北溫帶的北運河相比,北運河浮游動物也以輪蟲為主,但媯水河中枝角類數量所占比例(不足1%)遠小于北運河(24.3%)[19]。

從不同時期來看,豐水期和枯水期浮游動物均以原生動物為主(圖2、圖3),但兩個時期的密度和種類數差異較大,豐水期浮游動物密度(7665個/L)均高于枯水期(2418個/L),主要原因是由于豐水期水溫較高、氮磷含量較高。朱藝峰等[20]的研究也表明季節和時期變化是決定象山港國華電廠附近海域浮游動物群落結構的主要因素,這主要由于不同時期的水溫對浮游動物的生長繁殖、群落組成和數量變化等影響極為顯著,低溫下浮游動物的卵發育緩慢,水溫升高發育和繁殖速度加快[21-22],姜會超等[23]的研究表明水溫是影響菜州灣金城海域浮游動物群落結構最主要的環境因子,水溫與浮游動物種類數的相關系數達到0.87(P<0.01)。媯水河地處北溫帶季風氣候區,夏季炎熱多雨、冬季寒冷漫長,年平均氣溫為8℃,對于浮游動物來說,豐水期水溫相對較高,食物來源充足,繁殖較快,種類和數量迅速增多。豐水期群落結構以輪蟲為主,其平均密度為5427.5個/L,占比70.8%,枯水期以原生動物為主,其平均密度為1912.5個/L,占比69.1%,有研究表明輪蟲喜歡富營養環境,水體營養狀態的提升有利于輪蟲密度的提高[24],媯水河豐水期氮磷含量較高,因此浮游動物以輪蟲為主。優勢種方面,豐水期浮游動物優勢種以鐘蟲、裂痕龜紋輪蟲、針簇多枝輪蟲等富營養型種為主,枯水期優勢種為鐘蟲、梨形四膜蟲、螺形龜甲輪蟲、單環櫛毛蟲、俠盜蟲,說明枯水期水體污染程度有所減輕。

由于媯水河河水流速較小、水體透明度高、泥沙含量低,因此在一定程度上有利于浮游動物的生長和繁殖[25],媯水河浮游動物的平均密度高達5041.58個/L。從點位上來看,S6(春芳園)、S8(媯水河世園會段)、S9(三里河)的浮游動物密度較大,結合水體理化指標,S6、S8、S9點位水體pH值較高,有利于浮游動物的生長。相關研究表明,浮游動物種類與豐度的大小與水體酸堿度密切相關,堿性環境有利于浮游植物的光合作用,促使浮游植物大量繁殖,因此堿性環境中浮游植物的生產力較高,為浮游動物生長提供了充足的餌料,促使其豐度增加[26],周彥鋒等[7]對懷洪新河的研究也得出類似的結論。其次,S6、S8、S9采樣點位于市區,生產和生活活動造成水體污染嚴重、水體富營養化,因此,氮、磷等營養鹽能通過滲透和離子調節機制促進浮游動物的生長[27],導致螺形龜甲輪蟲等富營養種的密度大量增加,林青等[28]的研究也表明滴水湖超過一半的優勢種與TN和TP呈正相關。

3.2 水質評價

按照浮游動物的豐度指標和優勢種狀況對媯水河富營養化程度進行評價結果表明,豐水期S1、S2、S4、S5、S10采樣點為中營養狀態,S3、S6、S7、S8、S9采樣點為富營養狀態。枯水期S2、S3、S4采樣點為貧營養狀態,S1、S5采樣點為中營養狀態,其余采樣點為富營養狀態。參照多樣性指數評價標準[13,29],Shannon-Weaver指數和Margalef指數顯示媯水河10個點位的水質在豐水期和枯水期均為重污染狀態,Pielou均勻度指數顯示S8(媯水河世園會段)、S9(三里河)為重污染狀態,其余點位為中污染狀態。通過實地調研分析,造成污染的主要原因如下：S5、S6站點周邊有大面積農田,化肥、農藥和生活污水在下雨時隨水流大量進入河道,造成水體污染,S7站點周邊存在生活垃圾及畜牧養殖等污染源,S8、S9站點位于市區,生活污水、城市面源污染一定程度地破壞水體的生態功能。而媯水河其他點位的人為影響較少,故水體狀況相對較好。

浮游動物優勢種種類越多且優勢度越小,則群落結構越復雜、穩定[30],鞠永富等通過對西泉眼水庫浮游動物的調研,發現優勢種均為中污染類型的指示種,表明該水庫水體處于中污染水平[31],媯水河采樣點中優勢種種類數較少,群落穩定性較差,而且耐污性種類針簇多肢輪蟲、鐘蟲等較多,優勢度也較高,反映出媯水河水質污染狀況較嚴重。CCA分析表明,針簇多枝輪蟲、螺形龜甲輪蟲的數量與總磷、總氮濃度呈正相關,裂痕龜紋輪蟲和冠飾異尾輪蟲數量與氨氮濃度呈正相關,均可作為反映媯水河水體污染程度的指示性生物。劉愛萍等[32]對大亞灣海域浮游動物的研究表明,夜光蟲是各個點位的優勢種,夜光蟲的大量繁殖使浮游動物總密度升高,夜光蟲也是海洋發生赤潮的生物因素之一,因此其密度的多少可作為指示水質污染程度的一種依據。劉愛芬等[33]通過建設人工濕地,使氮磷含量降低,同時有效地去除了大型浮游動物(去除率為70%),對小型浮游動物也達到了一定的去除率。因此通過采取措施控制氮磷等營養鹽的含量,可以適量減輕媯水河污染嚴重的狀況,并可通過浮游動物的指示物種快速識別出水質的改善程度。

4 結論

(1)豐水期和枯水期共鑒定出浮游動物88種,以輪蟲和原生動物為主。

(2)受水環境因子和氣候變化影響,媯水河豐水期浮游動物種類和密度多于枯水期,下游城區段點位的浮游動物生物量和密度明顯高于其他點位。

(3)媯水河浮游動物群落結構和環境因子的CCA分析表明,水溫、pH、DO和氨氮是顯著影響媯水河浮游動物群落結構的環境因子。裂痕龜紋輪蟲、冠飾異尾輪蟲等對水體中氮磷的相關性極為顯著,可參考作為媯水河水環境的指示性物種。

(4)基于生物多樣性對媯水河水質進行水質生態學評價,結果表明2017年媯水河水質為中到重污染狀態,亟需開展水環境治理工作。

致謝：感謝羅明科、李陽、蔡怡清在野外采樣中給予的幫助。