漢江上游浮游動物群落特征及其與環境因子的關系

王夢琪，岳思羽，張亞宇，胡莉婷，王瀟浚，仝佳玥

（陜西理工大學化學與環境科學學院，陜西 漢中 723000）

0 引言

漢江上游地處我國南北過渡、東西交替的秦巴山區，是國家南水北調中線工程和陜西省引漢濟渭工程的水源區[1]。南水北調中線工程從漢江干流的丹江口水庫調水[2]，自2014年12月開始通水，現已連續向北京、天津、河北、河南4省市供水近300億m3。引漢濟渭工程從漢江干流的黃金峽以及漢江支流子午河的三河口水庫調水，調水規模15億 m3[3]。漢江上游的水環境狀況會直接影響到南水北調中線工程和引漢濟渭工程的供水安全問題。

在河流生態系統中的眾多指示生物中，浮游動物的生存周期短，對環境變化的反應快，具有獨特優勢[4]；同時，浮游動物是食物鏈的基礎環節，能夠對高營養級的水生生物產生影響，可以反映整個水生態系統的變化[5]。趙鑫等[6]運用典范對應分析，得到影響無定河流域源頭區浮游生物群落結構的主要水環境指標是氨氮、COD和總氮。白海峰等[7]通過研究得出，海拔和總溶解性固體是驅動渭河陜西段枯水期浮游動物群落結構的主要環境因子，而流速和溶解氧是豐水期的主要環境因子。謝海莎等[8]發現影響延河浮游動物群落分布的主要環境因子是總氮、總磷。總體看來，水溫、透明度、營養鹽等是影響浮游動物群落結構的主要環境因子[9-10]。

目前，有關漢江流域浮游動物與環境因子之間關系的研究成果較少，僅杜春紅[11]研究得出影響漢江干流浮游動物功能群分布的主要環境因子是氮營養鹽、水溫、電導率和透明度；徐聚臣等[12]于2017—2020年，對漢江干流漢中、老河口和鐘祥江段魚類、浮游生物等生物資源進行季節性調查分析，需要進一步開展研究。本文于2021年5—11月和2022年4月對漢江漢中段浮游動物的種類組成進行了調查，分析了其群落結構，并運用相關性分析和冗余分析等方法探討了漢江漢中段浮游動物功能群與水環境因子的關系，以期為漢江上游的水生態環境保護和水資源合理開發利用提供數據支撐與科學依據。

1 材料和方法

1.1 采樣點

漢江發源于秦嶺南麓的漢中市寧強縣嶓冢山，于湖北省武漢市匯入長江。漢江漢中段地處漢江上游，長270 km，流經勉縣、漢臺區、城固縣、洋縣等縣區[13]，是國家南水北調中線工程和陜西省引漢濟渭工程的主要水源之一。近年來漢中城鎮化快速發展，但受水生態環境保護意識不強和配套的污染防治基礎設施建設滯后等因素影響，保持漢江水質長期優良面臨嚴峻挑戰。

基于此，在漢江流經的每個縣區設置1個采樣點，同時考慮到人類活動是影響水生生物群落結構演變的重要因素[14]，在人口較為密集的中心城區漢臺河段上下游設置對照點位，具體分布如圖1所示：C1（勉縣，農業種植區河段）、C2（勉縣漢臺區交界，中心城區上游河段）、C3（漢臺區，中心城區河段）、C4（漢臺區城固縣交界，中心城區污水處理廠排水口下游河段）、C5（城固縣，工業集中區河段）、C6（洋縣，工業集中區河段）。水生態調查選在春秋兩季，具體為2021年5月、2021年11月和2022年4月，通常在連續晴天、水位穩定的時候進行。每次采樣每個采樣點采集至少6個水質樣品和3個浮游動物樣品（均設有平行樣）。

1.2 樣品采集與測定

（1）浮游動物的采集與測定

浮游動物采樣工具為25號浮游生物網（孔徑0.064 mm）。用25號浮游生物網在水下約30~50 cm處，勻速往復拖動1~3 min，將收集到的水樣倒入采水器中，加入1~2滴魯哥試劑固定，并沉淀48 h，濃縮至15 mL后得到所需樣品[15]。計數時應充分混勻濃縮水樣，吸取0.1 mL待檢水樣，滴于0.1 mL計數框（20 mm×20 mm）中，在10×40倍或10×10倍顯微鏡下觀察和計數，每個樣品計數2~3次，取平均值。

浮游動物豐度的計算方法為[16]：

式中：N—1L水樣中所觀察到的浮游動物個數；vs—濃縮后的樣品體積；n—顯微鏡下觀察到的浮游動物個數；v—采樣量；va—計數體積。

浮游動物優勢度的計算方法為[17]：

式中：ni—第i種物種個體總數；fi—該物種在各采樣點出現的頻率。當Y＞0.02時則該物種為當地的優勢種。

（2）環境因子的采集與測定

水樣測定指標有溶解氧（DO）、溫度（T）、化學需氧量（CODCr）、五日生化需氧量（BOD5）、固體懸浮物（SS）、氨氮、硝氮、正磷、葉綠素、六價鉻（Cr6+）。其中，DO和T采用便攜式溶解氧儀現場測定、記錄；CODcr、BOD5、SS、氨氮、硝氮、正磷、葉綠素、Cr6+的測定參照《水和廢水監測分析方法》中的方法進行[18]。

1.3 群落結構特征與水質評價

采用Margalef指數和Shannon-Wiener指數評價浮游動物的群落結構特征與水質狀況。

Margalef指數的計算方法為[19]：

式中：D—Margalef指數；S—浮游動物種類數。

Margalef指數的評價標準為：0＜D＜1，重度污染；1＜D＜2，嚴重污染；2＜D＜4，中度污染；4＜D＜6，輕度污染；D＞6，清潔水。

Margalef豐富度指數評價水體富營養化程度：當指數值在0~4范圍內，水體呈富營養化；當指數值在4~5范圍內，呈中度營養化；當指數值＞5時，水體呈貧營養化。

Shannon-Wiener指數的計算方法為[20]：

式中：H'—Shannon-Wiener指數；s—總物種數；ni—第i種生物的個體數量；n—樣品中生物總個體數量。

Shannon-Wiener指數的評價標準見表1。

表1 Shannon-Wiener指數評價標準

Shannon-Wiener多樣性指數評價水體富營養化程度[12]：當指數值在0~2范圍內時，水質呈富營養化；當指數值在2~3范圍內時，水質呈中度營養化；當指數值＞3時，水質呈貧營養化。

1.4 相關性分析

根據漢江漢中段浮游動物和水環境因子的實驗數據，采用SPSS 20軟件，使用皮爾遜相關分析法，判斷浮游動物群落結構與環境因子的相關性；采用Canoco 5軟件，使用冗余分析法，判斷顯著影響漢江漢中段浮游動物群落結構的驅動因子。

2 結果與討論

2.1 浮游動物群落結構

（1）群落組成

通過對漢江漢中段6個采樣點的調查研究發現，各采樣點均以輪蟲和原生動物為主，橈足類、枝角類次之。實驗共采集到浮游動物33屬46種，其中輪蟲有16屬23種，占總種類數的50%，種類最為豐富；原生動物次之，有11屬15種，占比32.6%；枝角類和橈足類分別為2屬3種和4屬5種。從空間分布來看，浮游動物種類數以勉縣段和城固段較為豐富（圖2）。從豐度來看，漢江漢中段浮游動物豐度為520~810 ind./L，其中C5點豐度最大（810 ind./L），C4點豐度最小（520 ind./L）。

圖2 漢江漢中段浮游動物種類及空間分布

（2）優勢種

經過觀察計算，對比《淡水微型生物圖譜》[21]，漢江漢中段共發現優勢種8種（表2），輪蟲和原生動物占據大多數。其中原生動物有五種，分別為長斜板蟲、王氏似鈴殼蟲、頂尖砂殼蟲、節蓋蟲和齒楯纖蟲，優勢度分別為0.034、0.021、0.034、0.023、0.043；輪蟲兩種，分別是角突臂尾輪蟲和獨角聚花輪蟲，優勢度分別為0.023和0.021；枝角類優勢種為無節幼體，優勢度為0.027。

表2 漢江漢中段浮游動物優勢種

在各采樣點中，C1、C2和C5點觀察到的浮游動物優勢種較多，而C3和C4點的浮游動物較少。原因可能是，C1、C2和C5點水質清澈、泥沙含量少，適合浮游生物生長；C3和C4點位于中心城區，距離污水處理廠排水口較近，受人類活動干擾因素大，水質因素導致浮游動物數量受到影響。

（3）多樣性指數與水質評價

根據每次采樣的觀察結果，用式（3）和式（4）分別計算出漢江漢中段各采樣點在不同采樣時期的Margalef指數和Shannon-Wiener指數，如圖3所示，圖中D代表Margalef指數，H'代表Shannon-Wiener指數。

圖3 漢江漢中段浮游動物多樣性指數的時空變化

漢江漢中段浮游動物D指數的變化范圍為2.65~4.37，春季為3.59，秋季為3.26，總體均值為3.48；H'指數的變化范圍為2.49~3.65，春季為3.07，秋季為2.82，總體均值為2.92；春季略高于秋季。根據浮游動物多樣性指標判斷漢江漢中段的水質狀況，D指數介于2與4之間，整體表現為中度污染；H'指數介于2與4之間，呈現輕度污染。各采樣點的D指數和H'指數變化趨勢基本相似，總體指數排序為C5＞C1＞C2＞C6＞C4＞C3，其中C3、C4的多樣性指數低于3，污染程度偏高，原因可能在于C3和C4點屬于中心城區河段，受居民區和城市污水處理廠排放口的影響較大。總體看來，漢江漢中段的水質狀況屬于輕度污染，與杜春紅[11]的研究結果基本一致，說明實驗結果基本合理。

2.2 水環境因子特征

2021年5月、11月和2022年4月分別在不同季節對漢江漢中段進行水樣采集，并對水樣中的DO、T、CODCr、BOD5、SS、氨氮、硝氮、正磷、葉綠素、Cr6+等指標進行監測分析，結果如圖4所示。CODCr、BOD5、SS、T具有差異性，但波動范圍不大，這與不同時期、不同河段的水質變化情況有關。在營養鹽中，磷類營養鹽的含量高于氮類營養鹽，而且磷類營養鹽的變化也更為明顯。在楊衛等人[22]的研究成果中，也提到了目前磷是長江流域的首要污染物，漢江流域的磷類營養鹽已經開始受到關注。以Cr6+為代表的重金屬離子含量非常少，說明漢江漢中段水質狀況良好。

圖4 漢江漢中段水質特征

2.3 驅動因子

（1）皮爾遜相關性分析

將浮游動物多樣性指數和水環境因子指標的所有實驗數據輸入SPSS 20，相關性分析的輸出結果如表3所示。

表3 浮游動物群落結構與水環境因子之間的相關分析

表3中與浮游動物多樣性指數呈現極顯著相關的指標主要有溫度、BOD5和正磷（P＜0.01），表明這三項指標是影響漢江漢中段浮游動物群落結構的關鍵水環境因子。其中，D指數與溫度呈現極顯著正相關關系，即隨著溫度升高，D指數升高，浮游動物群落結構多樣性增加，說明水溫直接影響水體浮游動物的生長發育狀況。H'指數與BOD5、正磷呈現極顯著正相關關系，即隨著BOD5、正磷的增加，H'指數升高，浮游動物物種豐富程度增加。可能的原因在于，漢江漢中段水質較好，BOD5和正磷含量較低，是浮游動物較為適宜的生長環境。浮游動物增加時，分解水中可生化有機物時所消耗的溶解氧數量也增加，因此BOD5和多樣性指數呈現正相關關系。磷是水體的營養元素，磷類營養鹽濃度對水生生物的生長發育和攝食行為產生直接影響。在一定范圍內，磷類營養鹽的升高可促進水體浮游動物的生長。此外，溶解氧、CODCr和Cr6+與浮游動物多樣性指數呈現顯著相關關系（P＜0.05），但相關程度不高；同時由于Cr6+含量極低，可忽略；說明溶解氧和CODCr對浮游動物群落結構會產生一定影響。

（2）冗余分析

采用Canoco 5軟件對浮游動物多樣性指標和水環境因子指標的實驗數據進行冗余分析，結果如圖5所示。

圖5 浮游動物群落結構與環境因子的冗余分析

圖中實心箭頭代表浮游動物群落多樣性指標，空心箭頭代表水環境因子指標，空心箭頭越長，說明該類指標對浮游動物群落結構的影響越大。箭頭之間呈銳角，表明正相關關系；呈鈍角，表明負相關關系[23]。從圖中可以看出，溫度對Margalef指數影響較大，BOD5和正磷對Shannon指數影響較大，與皮爾遜相關分析的結果基本一致。溫度可以影響水體的理化性質，進而影響浮游動物的生長與繁殖，是影響浮游動物群落結構最主要的環境因子[24]。BOD5是指示微生物代謝作用下的溶解氧消耗量指標，可認為與浮游動物的密度正相關[25]。水環境中營養鹽的含量是影響浮游動物種類組成、密度、生物量的重要限制因素，磷作為水中營養鹽的代表與浮游動物群落結構變化存在密切關聯[26]。綜上所述，皮爾遜相關分析與冗余分析的結果共同表明，溫度、BOD5和正磷是漢江漢中段浮游動物結構變化的主要驅動因子。

3 結論

（1）漢江漢中段共檢出浮游動物33屬46種，豐度為520~810 ind./L。輪蟲的種類最為豐富，優勢種為角突臂尾輪蟲和獨角聚花輪蟲；原生動物次之，優勢種為長斜板蟲、王氏似鈴殼蟲、頂尖砂殼蟲、節蓋蟲和齒楯纖蟲。

（2）漢江漢中段浮游動物的Margalef指數為2.65~4.37，Shannon-Wiener指數為2.49~3.65；在時空變化上，春季的指數值略高于秋季，中心城區河段的指數值低于其他河段；根據多樣性指數評價漢江漢中段總體水質狀況屬于輕度污染。

（3）運用皮爾遜相關分析和冗余分析對實驗數據進行分析，得到溫度、BOD5和磷類營養鹽是漢江漢中段浮游動物群落結構變化的主要驅動因子。