生物与环境之间相互作用,是环境决定了生物种群或群落的结构特征,反之,生物群落结构的变动也可以客观地反映出环境的变化规律^[1]。浮游动物是水生态系统的初级消费者,它们对不同水体的敏感性和适应能力不同,分析其群落结构特点和变化规律,对水环境的优劣能做出初步的判断^[2-3]。

西泉眼水库是黑龙江省规模最大的综合型水库之一,哈尔滨市备用水源地。近年来,该水库污染的报道较多^[4-6],其点源污染主要有上游的制药厂、钢铁厂等企业排污;面源污染主要有上游村屯和城镇的生活污水和农业污染等;旅游污染主要有金泉、帽儿山和松峰山等旅游景区。本文于2010年夏季调查研究了西泉眼水库浮游动物的群落结构特点,运用多种生态学方法评价了其水质,并应用典范对应分析法分析了浮游动物与环境因子的相关性,为西泉眼水库渔业资源开发和水污染治理提供一定的理论基础。

1 材料与方法 1.1 采样时间和位置

2010年夏季采集浮游动物样品。西泉眼水库属河道型水库,在上中下游共布设9个采样点(图 1)。S1为阿什河入库口左,S2为阿什河入库口中,S3为阿什河入库口右,S4为黄泥河入库口,S5为库心左,S6为库心中,S7为库心右,S8为双龟山,S9为大坝出水口。

1.2 样品的采集与处理

样品采集、鉴定、丰度与生物量的计算等均按照《淡水浮游生物调查技术规范》执行。各理化指标中,透明度(SD)用塞奇氏盘测定,DO(溶解氧)、温度(WT)、电导率(COND)、pH(pH值)、水深(Depth)、浊度(TUR)、Chla(叶绿素a)和氯化物(Cl^-)用YSI6600便携式水质测定仪在采样现场测定,TN(总氮)、TP(总磷)和COD_Mn(高锰酸盐指数)等理化指标数据由哈尔滨市环境监测中心站提供。

1.3 数据处理与分析 1.3.1 水质评价方法

本研究运用多种水生态学和理化分析法评价了西泉眼水库水质污染情况,水生态学法包括现存量法^[7-8]、优势种指示法^[9]、多样性指数法^[10]、轮虫生物指数法^[11]、E/O指数法^[11]、肥度指数法^[11];理化分析法是根据国内外各种分级方法^[12],得出一个新的水质评价标准作为本次的评价标准(表 1)。

1.3.2 典范对应分析法

浮游动物种类分布情况受环境因子影响,采用典范对应分析(Canonical correspondence analysis,CCA)方法评价其影响强度,运用Cancoo 4.5软件进行数据分析,得出浮游动物群落及其与环境因素之间的关的相关性^[13]。CCA分析要求两个数据矩阵,一个是丰度数据矩阵,一个是环境数据矩阵。为减少机会种对群落结构的干扰,种类数据要经过筛选,选择相对丰度>1%,出现频率>25%的种类,符合条件的采样点有S2、S4、S5、S6、S8和S9,与此对应的浮游动物有27种。

2 结果 2.1 浮游动物群落结构

共鉴定出浮游动物4门33属56种(表 2)。其中,原生动物9属14种,占25.0%;轮虫15属29种,占52.0%;枝角类3属4种,占7.0%;桡足类6属9种,占16.0%。S5种类数量最多,占总数的58.9%,S1最少,占17.9%,种类数量各采样点排序是S5＞S4＞S9＞S8＞S6＞S2＞S7＞S3＞S1,均以轮虫占优势,且库心区采样点数量多于河口区。

浮游动物丰度和生物量见表 2。

浮游动物丰度平均为46.13个/L,S4贡献量最大(350.80个/L),贡献率为84.5%,S1最小(2.15个/L),贡献率仅为0.5%。轮虫丰度贡献量最大(70.4%),枝角类最小(5.2%)。其中,原生动物平均为9.53个/L,S4最高(82.05个/L),S1最低(0.20个/L);轮虫平均为32.48个/L,S4最高(263.25个/L),S8最低(0.47个/L);枝角类平均为1.33个/L,S5最高(2.70个/L),S2最低(0.45个/L);桡足类平均为2.79个/L;S5下最高(8.50个/L),S1上最低(0.15个/L)。

浮游动物生物量平均为0.137mg/L,S5贡献量最大(0.492mg/L),贡献率为39.8%,S1样点最小(0.008mg/L),贡献率仅为0.6%。桡足类贡献最大(71.9%),原生动物最小(2.7%)。其中,原生动物平均为0.004mg/L,S4最高(0.033mg/L),轮虫平均为0.032mg/L,S4最高(0.259mg/L),其次是S5下(0.021mg/L),其它采样点原生动物和轮虫贡献量极少;枝角类为0.011mg/L,S9最高(0.061mg/L),S2最低(0.001mg/L);桡足类为0.091mg/L,S5最高(0.456mg/L),S1最低(0.003mg/L)。

2.2 水质评价

该水库浮游动物丰度和生物量数值相对较小,无论是整体还是各采样点数量值都没有达到现存量评价法中污染的最低值。因此,以丰度和生物量作为评价指标,西泉眼水库为贫营养型水库。

浮游动物可以指示不同水体的污染程度,本文参照相关文献^{[11, 14-18]}共鉴定出污染指示种53种。其中,寡污性10种,占18.9%;o-β中污性5种,占9.4%;β-中污性15种,占28.3%;β-α中污性7种,占13.2%;α-中污性16种,占30.2%。从不同污染指示种类数量占总种数的比例来看,西泉眼水库水体处于中度污染水平。

西泉眼水库夏季浮游动物常见种共4种,包括针簇多肢轮虫Polyarthra trigla、白色大剑水蚤Macrocyclops albidus、爪哇小剑水蚤Microcyclops javanus和微刺小剑水蚤Microcyclops inchoatus,所指示的污染类型分别为β-α中污、α-中污、β-中污和β-中污;优势种共4种,包括褐砂壳虫Difflugia avellana、长三肢轮虫Filinia longiseta、针簇多肢轮虫和微刺小剑水蚤,优势度分别为0.05、0.05、0.09和0.05,所指示的污染类型分别为o-寡污、α-中污、β-α中污和β-中污。综合浮游动物常见种和优势种污染指示等级,西泉眼水库已处于中等污染水平。

西泉眼水库浮游动物生物多样性见表 2。Shannon-Wiener 多样性指数(H′)平均为2.78,污染指示等级为β-中污染,其中S8指示污染程度最重(2.20),S2指示污染程度最轻(3.32);指示轻污染的采样点有4个,占总数的44.4%,β-中污染5个,占55.6%,指示污染程度各采样点排序是S8＞S5＞S6＞S7＞S9＞S4＞S3＞S1＞S2,且库心区污染程度高于河口区。Margalef 物种丰富度指数(M)平均为1.97,污染指示等级为α-中污染,其中S8指示污染程度最重(1.54),S1指示污染程度最轻(2.43);指示β-中污染4个,占总数的44.4%,α-中污染5个,占55.6%,指示污染程度各采样点排序是S8＞S7＞S6＞S5＞S4＞S3＞S9＞S2＞S1,且库心区污染程度高于河口区。综合生物多样性指数看,西泉眼水库水体已处于中等污染水平。

西泉眼水库夏季浮游动物贫-中营养型(O)种类有矩形龟甲轮虫Keratella quadrata、沟痕泡轮虫Pompholyx sulcata、裂足臂尾轮虫Brachionus diversicornis、盖氏晶囊轮虫Asplanchna girodi和简弧象鼻溞Bosmina coregoni;富-中营养型(E)种类有半圆表壳虫Arcella hemisphaerica、杂葫芦虫Cucurbitella mespiliformis、针棘刺胞虫Acanthocystis aculeata、瓶累枝虫Epistylis urceolata、钟虫属Vorticella sp.、小口钟虫Vorticella microstoma、太阳球吸管虫Sphaerophrya soliformis、球形囊石虫Lithoculla globosa、四角平甲轮虫Platyas quadricornis、椎尾水轮虫Epiphanes senta、真翅多肢轮虫Polyalthra euryptera、长三肢轮虫、长足轮虫Rotaria citrina、模糊秀体溞Diaphanosoma dubium、虫宿温剑水蚤Thermocyclops vermifer和粗壮温剑水蚤Thermocyclops dybowskii。经计算,Q_B/T轮虫生物指数、E/O指数和肥度指数(E′)数值分别为2.0、3.2和2.28,水质评价类型分别为中度富营养化、富营养化和富营养化。综合3个指数评价结果,西泉眼水库水体已处于富营养化状态。

按水质理化指标评价标准和数据见表 1、表 3。其中以叶绿素a浓度指标评价水库水质为中富营养化水平,以TN浓度指标评价为富营养化水平,以TP浓度指标评价为中富营养化水平,以透明度指标评价为中富营养化水平,以溶解氧指标评价为富营养化水平。综合各项水质理化因子来看,西泉眼水库夏季水体处于富营养化水平。

2.3 典范对应分析

由图 2可以看出,轴1与NO₃^-(P=0.95)、NO₃^--N(P=0.75)和Cl^-(P=0.75)有极其显著的正相关性;轴2与NH⁺₄(P=0.71)、TP(P=0.68)和Chla(P=0.60)有非常显著的正相关性,与Depth(P=-0.72)和COND(P=-0.72)有非常显著的负相关性。采样点S6、S8和S9及球形囊石虫、沟钟虫Vorticella convallaria、小口钟虫、团睥睨虫Askenasia volvox、角突臂尾轮虫Brachionus angularis、柱足腹尾轮虫Brachionus diversicornis、扁平泡轮虫Pompholyx xcomplanata、沟痕泡轮虫、针簇多肢轮虫、尖尾疣毛轮虫Synchaeta stylata 、长足轮虫、虫宿温剑水蚤、粗壮温剑水蚤和毛饰拟剑水蚤Paracyclops fimbrtatus与Depth和COD_Mn呈显著的负相关;S2和S4及褐砂壳虫、太阳球吸管虫、浦达臂尾轮虫Brachionus budapestiensis、萼花臂尾轮虫Brachionus calyciflorus、罗氏同尾轮虫Diurella rousseleti、多态胶鞘轮虫Collotheca ambizua、白色大剑水蚤、爪哇小剑水蚤和微刺小剑水蚤与NH⁺₄、TP和Chla表现出很高的正相关性。剪形臂尾轮虫和拟剑水蚤属 Paracyclops sp.与NO₃^-和WT表现出很高的相关性,S5和简弧象鼻溞与各项环境因子相关性不是很大。

从总体上看,按向量长短降序排列NO₃^-、NO₃^--N、Cl^-、COND、Depth、NH₄⁺、TP和Chla是影响浮游动物分布的主要环境因子,与TN的相关性不大。

3 讨论 3.1 丰度与生物量不成比例的原因分析

一般情况下,丰度和生物量呈显著正相关,即丰度越高,生物量也越高^[19]。本次调查共鉴定出56种浮游动物,其中轮虫种数达29种,占总种数的52.0%,丰度贡献率高达70.4%,生物量贡献率为25.1%,而桡足类9种,占总种数的16.0%,丰度贡献率仅为6.0%,生物量贡献率却高达71.9%,即种类数量和丰度贡献率轮虫是桡足类的3.2倍和5.4倍,生物量贡献率桡足类反是轮虫的2.86倍,与上述结论不一致。本次调查中,轮虫贡献率最大的是长三肢轮虫和针簇多肢轮虫,其个体生物量都为0.003mg,而桡足类贡献率最大的是微刺小剑水蚤,其个体生物量为0.020mg,就个体生物量而言,微刺小剑水蚤是长三肢轮虫和针簇多肢轮虫的6.67倍,又由于微刺小剑水蚤同样是优势种,其数量也相对较多,所以出现了丰度和生物量呈现负相关的现象。即可以得出,丰度贡献量大且个体湿重较大,该种类所属类群生物量有可能就大;若丰度贡献量虽大,但个体湿重却较小,该种类所属类群生物量有可能就小。

3.2 浮游动物群落结构的变化分析

1998年和2005年,韩英^[20]和李喆^[21]对西泉眼水库浮游动物进行了调查研究,两次都鉴定出35种(属),且除部分原生动物和轮虫鉴定到种以外,枝角类和桡足类全部都鉴定到属。本次调查基本都鉴定到种,在总种类数要比前两次多21种;1998年调查的枝角类数量相对较多,有象鼻溞Bosmina sp.、尖额溞Alona Baird sp.、僧帽溞Daphnidae cucullata、秀体溞Diaphanosoma sp.和大型溞Dapaaia magna等中营养水体指示种^[11];2005年调查的原生动物数量相对较多,为17种,其中砂壳虫属Difflugia和表壳虫属Arcelle数量占58.8%,大多为清洁类指示物种^[16],同时也出现了放射太阳虫Actinophrys sol、变形虫Amoeba sp.的中营养水体指示种^[15];本次调查轮虫和桡足类相对较多,轮虫为29种,其中有17种为中等以上营养水体指示种,占58.6%;桡足类为9种,大多为中营养水体指示种。在优势种数量上呈现逐年减少的趋势,1998年最多,为12种,污染指示等级偏低,2005年优势种仅有原生动物和桡足类,污染指示等级不显著,2010年中污染指示种类占57.0%,且都在中等污染等级以上;在丰度和生物量方面出现急剧下降趋势,丰度下降了270倍,生物量下降了55倍。西泉眼水库1996年开始蓄水,1998年水库处于初建时期,面积广大的淹没区和集雨区提供了丰富的有机质和无机盐,为原生动物的繁殖生存提供了优越的环境条件,此时水体始终没有形成温跃层,物质循环良好,无污染,也为浮游生物创造了良好的生态环境。虽然水库在2010年时已经经过十几年的稳定运行,水体已经基本处于稳定状态,但是随着水库上游人口和工厂数量的增加,以及大气降水、降尘污染,还有近年库区周围旅游业逐渐兴起,给西泉眼水库带来了大量的外源性污染,水质的变化使浮游动物种群结构失去了原有的动态平衡,形成了新的种群结构特征。

3.3 西泉眼水库评水质评价方法分析

由于浮游动物种群结构特征与环境因子的关系复杂,仅从生态学评价水质还不够全面,且有学者认为评价水体的污染程度也不能单纯以浮游生物种类和数量为准,应该从整个群落组成特征考虑,将生态学指标与理化指标结合起来综合评价,可获得更为真实的评价结果^[22]。本研究运用了现存量法、指示生物法、多样性指数法、轮虫生物指数法、E/O指数法和肥度指数法等多种生物学评价方法,并结合水质理化指标对西泉眼水库夏季水体污染情况进行了比较全面的分析研究,各项结果显示,西泉眼水库水体已处于中等污染状态,比较真实的反映了该水库的现实污染情况。