湖南大通湖浮游動物群落結構特征與水質評價

徐菁, 梁婷, 王念瑤, 秦坤明, 李春華, 劉曉收,*

湖南大通湖浮游動物群落結構特征與水質評價

徐菁1, 梁婷1, 王念瑤1, 秦坤明1, 李春華2,3, 劉曉收1,*

1. 中國海洋大學海洋生命學院, 青島 266003 2. 中國環境科學研究院湖泊水污染治理與生態修復技術國家工程實驗室, 北京 100012 3. 中國環境科學研究院國家環境保護湖泊污染控制重點實驗室, 北京 100012

浮游動物是湖泊生態系統的重要組成部分, 在能量流動和物質循環中發揮著重要作用, 同時還是水質評價的良好指示生物。為了解湖南省大通湖浮游動物的群落結構特征, 2019年6月對該水域浮游動物的種類組成、多樣性以及群落結構進行了調查分析, 并利用現存量、指示生物和生物多樣性指數法對水質進行了評價。結果表明, 共鑒定出浮游動物104種, 隸屬3門60屬。其中原生動物47種, 占總種數的45.2%; 輪蟲23種, 占總種數的22.1%; 橈足類18種(不包括無節幼蟲), 占總種數的17.3%; 枝角類16種, 占總種數的15.4%。調查水域浮游動物平均豐度為19616.47 ind.·L–1,平均生物量為6.43 mg·L–1。優勢種為8種原生動物, 分別是美擬砂殼蟲()、泥炭刺胞蟲()、大彈跳蟲()、砂表殼蟲()、綠急游蟲()、蓋廂殼蟲()、瓶砂殼蟲()和冠帆口蟲(), 輪蟲、枝角類和橈足類不構成優勢種。物種豐富度指數為2.46—4.74, 均勻度指數為0.52—0.73, 香農—威納指數為1.75—2.62。通過現存量評價法、生物指示法和生物多樣性指數法評價大通湖水質為輕度—中度污染, 其中部分水域為富營養狀態。

浮游動物; 群落結構; 種類組成; 水質評價; 大通湖

0 前言

內陸湖泊資源是我國重要的淡水資源, 其中大通湖是湖南省較大的內陸湖泊, 是組成洞庭湖的四個主要湖泊之一。大通湖在湖南省益陽市境內, 位于長江流域中游南岸。湖泊總面積 82.75 km2, 其中東西長度為15.75 km, 南北寬約為13.70 km, 整個湖泊呈三角形[1]。浮游動物是湖泊生態系統的重要組成部分, 在湖泊生態系統的物質循環和能量流動中有重要作用[2-3]。同時, 浮游動物是重要的初級消費者, 其自身的存在可以對浮游植物群落變化產生影響[4]。浮游動物也是指示河流和湖泊水質的重要類群, 對浮游動物群落結構進行分析, 可以揭示水質狀況[5-7]。

國外學者主要從浮游動物形態、分類等方面展開研究, 從群落特征深入到種類分布與環境關系, 進而至水域生態系統監測與評價。目前, 國內浮游動物的研究主要集中在結合生物指標來綜合評價水域污染和富營養狀況[8-9]。在指示生物方面, 利用輪蟲作為指示生物來進行水質評價的方法已較為成熟[10]。國內對湖泊浮游動物的研究主要包括太湖、鄱陽湖等[11-12], 而對大通湖的研究較少[13]。

近年來, 淡水湖泊富營養化問題逐漸加劇, 為評價大通湖的水質情況, 本文在2019年夏季對大通湖浮游動物的物種組成與群落結構進行了調查, 以期為大通湖的水質評價和和富營養化治理提供科學參考, 對大通湖的生態評價和養殖業與環境的協調發展具有重要意義。通過對浮游動物群落結構的變化進行長期監測, 可以及時采取措施維持大通湖生態平衡, 為大通湖的可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 野外調查和樣品分析

2019年6月27—28日在大通湖進行了浮游動物現場調查。根據大通湖地形地勢、水系構成和河流分布等因素, 進行采樣點的選擇, 共設置17個采樣點(圖1), 包括13個近岸站位, 4個湖中心區站位, 分別是H1、H2、H3、H4、H6、H9、H10、H11、H12、H13、H14、H15、H18、H19、H24、H28、H30。

由于浮游動物的個體有較大差異, 故采用兩種方法進行采集與鑒定。

圖1 湖南大通湖浮游動物調查站位圖

Figure 1 Map of the Datong Lake, Hunan, showing the sampling sites for zooplankton

橈足類和枝角類大型浮游動物用采水器采水30 L, 然后用25#浮游生物網過濾濃縮至樣品瓶中, 在5 min以內用4%福爾馬林對樣品進行固定。固定好的樣品帶回實驗室后, 利用90目的篩絹過濾, 沖洗至浮游動物計數框中, 在解剖鏡下觀察、鑒定并計數。

原生動物和輪蟲等較小型浮游動物定量樣品使用2.5 L有機玻璃采水器采集, 每個采樣點采水樣1000 mL, 現場立即用魯哥氏液搖勻固定。帶回實驗室后, 在1000 mL的分液漏斗中靜置48 h, 濃縮并定容至30 mL。用吸管吸取0.1 mL濃縮水樣于計數框內, 在10×40倍光學顯微鏡下進行觀察與鑒定。

浮游動物的現場采樣、豐度和生物量的計算等參照《湖泊調查技術規程》[14]; 種類鑒定參照《中國動物志淡水枝角類》、《中國動物志淡水橈足類》、《中國淡水生物圖譜》和《滇池、洱海浮游動植物環境圖譜》[15-18]。

1.2 數據處理

1.2.1 物種優勢度

McNaughton 優勢度指數是表示動物群落中某一物種在其中所占優勢的程度, 公式表達具體如下:

=nf/

表示各采樣點所有物種個體總數,n代表第種的個體總數,f表示該物種在各個采樣點出現的頻率, 當≥0.02時, 該物種為群落中的優勢種[19]。

1.2.2 浮游動物現存量對富營養化的評價方法

浮游動物豐度和生物量可以作為表征湖泊營養程度的生物指標之一, 豐度<1000 ind.·L–1為貧營養, 1000—3000 ind.·L–1為中營養, >3000 ind.·L–1為富營養; 生物量<1 mg·L–1為貧營養, 1—3 mg·L–1為中營養, >3 mg·L–1為富營養[20-21]。

1.2.3 指示生物法

浮游動物中的輪蟲類已廣泛應用于水質的評價, 該方法將輪蟲種類進行了具體的分類, 包括清潔型、寡污型、寡污至清潔型、寡污至β—中污型、β—中污型、α—中污型、β—α中污型和β—中污至寡污型。輪蟲的污染分類是根據輪蟲在不同的水體營養狀態中, 其可利用的食物大小、性質不同, 從而會影響水體中輪蟲種類和數量[22]。

1.2.4 生物多樣性指數

運用PRIMER 6.0軟件對數據進行相應的處理。本研究使用物種豐富度指數()、物種均勻度指數()和香農威納(Shannon-wiener)多樣性指數()這三個指數對大通湖的生物多樣性進行分析。

物種豐富度指數():

=(-1) /log()

物種均勻度指數():

=/ln()

Shannon-Wiener指數():

=-∑PlnP

式中是物種數,是個體總數,P為第種的個體數與樣品中的總個數的比值(/)。

其中>6為清潔, 4—6為輕度污染, 2—4為β—中污染, 1—2為α—中污染, 0—1為重污染;> 0.8為清潔, 0.5—0.8為輕度污染, 0.3—0.5為β—中污染, 0.1—0.3為α—中污染, <0.1為重污染;>4.5為清潔, 3—4.5為輕度污染, 2—3為β—中污染, 1—2為α—中污染, <1為重污染[11, 23]。

1.2.5 CLUSTER聚類圖和MDS標序

運用PRIMER 6.0軟件進行群落結構的分析。群落結構分析基于種豐度矩陣, 經二次方根轉換, 得到CLUSTER聚類分析和MDS標序, 以此實現對群落的劃分, 已逐步應用于浮游生物群落結構分析中[24-25]。

2 結果與分析

2.1 物種組成

本研究共采集到浮游動物3門60屬104種(圖2), 其中原生動物29屬47種, 占總種數的45.19%; 輪蟲7屬23種, 占總種數的22.12%; 橈足類13屬18種(不包括無節幼蟲), 占總種類數的17.31%; 枝角類11屬16種, 占總種類數的15.38%。從浮游動物的物種組成來看, 原生動物所占比例最高, 比例最少的是枝角類。

2.2 優勢種組成

以值大于0.02為標準[19], 共發現浮游動物優勢種8種(表1), 均為原生動物, 包括美擬砂殼蟲()、泥炭刺胞蟲()、大彈跳蟲()、砂表殼蟲()、綠急游蟲()、蓋廂殼蟲()、瓶砂殼蟲()和冠帆口蟲()。

圖2 大通湖浮游動物各類群種類組成圖

Figure 2 Species composition of each taxon of zooplankton in the Datong Lake

輪蟲中優勢度較高的物種是真翅多肢輪蟲()和卜氏晶囊輪蟲(); 橈足類優勢度較高的物種是跨立小劍水蚤()、中華窄腹劍水蚤()和英勇劍水蚤(); 枝角類優勢度較高的物種是長額象鼻溞()、頸溝基合溞()和方形網紋溞()。

2.3 浮游動物群落參數

各樣點物種數平均值為39.94種。物種數最多的是H3, 為50種; 物種數最少的是H12, 為24種。物種數最低的三個樣點(H9、H12和H14)均位于大通湖的西北沿岸, 物種數最高的三個樣點(H3、H4和H6)均位于大通湖的東南部。如圖3所示, 原生動物和橈足類物種數在各樣點中所占比例較高, 其次是枝角類, 占比最少的是輪蟲類。

大通湖夏季浮游動物各站點平均豐度為19616.47 ind.·L–1, 其中原生動物的豐度起決定作用。如圖4所示, 原生動物平均豐度為18017.65 ind.·L–1, 占據絕對優勢; 其次是輪蟲, 平均豐度為1570.59 ind.·L–1; 橈足類和枝角類的平均豐度分別為18.26 ind.·L–1和9.97 ind.·L–1。豐度最高的站點是H24, 為40842.27 ind.·L–1; 豐度低的樣點是H11和H14, 分別為8704.23 ind.·L–1和6902.03 ind.·L–1。在湖中心區和西南方向的近岸站位浮游動物的豐度比較高, 其他站位豐度較低。

大通湖夏季浮游動物各樣點平均生物量6.43 mg·L–1。浮游動物的總生物量取決于原生動物和輪蟲的生物量。如圖5所示, 原生動物平均生物量為4.12 mg·L–1, 占據優勢; 其次是輪蟲, 平均生物量為1.35 mg·L–1; 橈足類和枝角類的平均生物量分別是0.78 mg·L–1和0.18 mg·L–1。生物量最高的站點是H11, 為28.81 mg·L–1; 生物量低的站點是H13, 為1.69 mg·L–1。生物量的空間分布與豐度相似。

表1 大通湖浮游動物優勢種及優勢度

圖3 大通湖調查站位浮游動物各類群物種數

Figure 3 Species number of each taxon of zooplankton at the sampling sites in the Datong Lake

圖4 大通湖調查站位浮游動物豐度分布格局及各類群占比圖

Figure 4 Distribution pattern of abundance and percentage of each zooplankton taxon at the sampling sites in the Datong Lake

2.4 群落結構分析

本研究對大通湖17個采樣站點的浮游動物種類組成數據進行二次方根轉換后進行CLUSTER聚類分析和MDS標序, 結果見圖6。CLUSTER聚類結果顯示, 可將17個采樣點分成3個群落組。群落組1: 位于調查區域西南的H9和H30站點。群落組2: 位于調查區域西北部H11、H12和H14。群落組3: 位于調查區域中部和東部的H2、H3、H4、H6、H10、H13、H15、H19、H24和H28以及位于西部的H1和H18。從采樣站點豐度來看, 群落組1和群落組2豐度比較低, 群落組3的豐度明顯高于群落組1和群落組2。從優勢種來分析, 群落組1(H9美擬砂殼蟲、泥炭刺胞蟲、蓋廂殼蟲, H30泥炭刺胞蟲、大彈跳蟲、蓋廂殼蟲), 兩個站點各含三個優勢種, 含有兩種相同的優勢種; 群落組2(H11美擬砂殼蟲、泥炭刺胞蟲、大彈跳蟲、砂表殼蟲、蓋廂殼蟲, H12泥炭刺胞蟲、大彈跳蟲、砂表殼蟲、綠急游蟲、瓶砂殼蟲, H14美擬砂殼蟲、泥炭刺胞蟲、砂表殼蟲、瓶砂殼蟲), 三個樣點各含4—5種優勢種, 含有三種相同的優勢種; 群落組3, 11個站點含有6—8種優勢種, 而H24含有5種優勢種, 但因其豐度最高, 與群落組1、2豐度較低的情況不符。

圖5 大通湖調查站位浮游動物生物量分布格局及各類群占比圖

Figure 5 Distribution pattern of biomass and percentage of each zooplankton taxon at the sampling sites in the Datong Lake

2.5 水質評價

2.5.1 現存量法

大通湖夏季浮游動物平均豐度為19616.47 ind.·L–1, 大于現存量評價法富營養化最低值3000 ind.·L–1; 大通湖夏季浮游動物各樣點平均生物量為6.43 mg·L–1, 大于現存量評價法富營養化最低值3 mg·L–1。因此根據現存量評價法大通湖夏季為富營養化狀態。

2.5.2 指示生物法

調查期間共采集到輪蟲23種, 根據參考文獻[10, 22, 26], 其中寡污型有7 種, β—中污型有7種, β—α中污型有3種, β—中污至寡污型有2種, 寡污至β—中污型有4種(表2)。整體來看大通湖的水質屬于輕度—中度污染。

2.5.3 生物多樣性指數

浮游動物的多樣性, 可以用種類組成、豐度和生物量等一系列參數來表達, 但使用最為廣泛的是各種多樣性指數, 相比之下多樣性指數具有最可信的生態學指示作用[27-28]。大通湖夏季浮游動物各樣點生物多樣性指數如表3所示。物種豐富度指數H3最高為4.74, H12最低為2.46; 均勻度指數H30最高為0.73, H14最低為0.52; 香農—威納指數H6最高為2.62, H14最低為1.75。物種豐富度指數平均值為3.97, 在2—4之間, 表明水質呈β—中污染狀態; 均勻度指數平均值為0.62, 在0.5—0.8之間, 表明水質輕度污染; 香農—威納指數平均值為2.29, 在2—3之間, 表明水質呈β—中污染狀態。各樣點間三種指數相差不大, 顯示出較穩定的多樣性水平。

3 討論

大通湖夏季浮游動物共調查到104種, 其中原生動物種類數占優勢。各樣點的平均豐度為19616.47 ind.·L–1, 平均生物量為6.43 mg·L–1均高于往年夏季的調查結果[13, 29]。大通湖浮游動物豐度值相對較高, 無論是整體平均水平還是各采樣點其數值均超過現存量評價法的富營養化最低值(3000 ind.·L–1); 大通湖浮游動物平均生物量超過富營養化的最低值(3 mg·L–1)。因此, 以豐度和生物量作為評價指標, 大通湖均處于富營養化狀態, 結果與往年一致[13]。與其他湖泊相比, 由于淡水湖泊富營養化的問題較為常見, 湖泊浮游動物群落結構小型化現象比較普遍[30-31]。本次調查發現的8種優勢種均為原生動物, 其豐度之和為12476.48 ind.·L–1, 占總平均豐度的63.6%。所調查的區域中枝角類和橈足類出現較少, 這可能與其對溫度和水質的要求較高有關[32-33]。水溫可以直接影響浮游動物的生活, 也可以通過適當的溫度來促進浮游植物的生長和繁殖, 進而為浮游動物提供食物和氧氣[19, 34]。

圖6 大通湖調查站位浮游動物CLUSTER聚類和MDS標序圖

Figure 6 Plots of CLUSTER and MDS of zooplankton assemblages at the sampling sites in the Datong Lake

大通湖浮游動物群落特點為原生動物和輪蟲在種類數和豐度方面占優勢, 而橈足類和枝角類所占比例較小, 浮游動物群落小型化趨勢明顯, 這與往年調查結果一致[13, 29]。研究表明鰱、鳙等魚類的濾食作用會導致水體內大型浮游動物的減少, 使其呈現小型化趨勢[35]。濾食性魚類所占比例會影響到浮游動物群落結構特征, 濾食性魚類占優勢對大型浮游動物限制作用較大[36-37]。大通湖水產養殖業比較發達, 并且鰱、鳙養殖率高[1]。采樣時間是六月末, 正是鰱、鳙的生長季節。故推測鰱、鳙魚類對大型浮游動物的濾食作用有可能是浮游動物群落小型化的原因之一。若沒有合理規劃養殖業, 可能導致浮游動物數量減少, 破壞大通湖生態平衡。

浮游動物是湖泊生態系統的重要組成部分, 通過研究浮游動物的多樣性, 可以客觀地顯示水質狀態[38]。由于多樣性指數與水質的關系較為復雜, 會受到水體類型、計算方法和鑒定種類等多種因素的影響, 通常同時選用2種及2種以上的指標來綜合評價水質狀態, 來確保評價結果的可靠性[39]。故選擇物種豐富度指數、香農—威納指數和均勻度指數這三種指數來評價水質。物種豐富度指數平均值為3.97, 表明水質呈β—中污染狀態; 均勻度指數平均值為0.62, 表明水質輕度污染; 香農—威納指數平均值為2.29, 表明水質呈β—中污染狀態。綜合考慮這三種指數得到大通湖的水質呈輕度—中度污染。此外, Margalef 豐富度指數可以評價水體營養狀態: 指數值為0—4, 水體呈富營養狀態; 指數值為4—5, 呈中營養狀態; 指數值>5時, 呈貧營養狀態[40]。大通湖浮游動物物種豐富度指數的平均值3.97, 在0到4之間, 水質呈富營養狀態, 與現存量評價法結果一致。

表2 輪蟲種類組成與所指示的污染類型

注: O為寡污型, β為β—中污型, β—α 為β—α中污型, β—O為β—中污至寡污型, O—β為寡污至β—中污型。

表3 大通湖浮游動物多樣性指數及水質評價結果

現存量富營養化評價法和Margalef 豐富度指數評價水質均呈富營養狀態, 而根據物種豐富度指數、香農—威納指數和均勻度指數這三種指數和生物指示法來評價水質呈輕度—中度污染。本研究只有夏季數據, 而夏季浮游動物的豐度、生物量通常為一年中的較高值[41], 這直接影響了現存量評價法的結果, 推測這是不同評價方法出現差異的原因。

4 結論

根據2019年6月對大通湖浮游動物的調查結果, 共鑒定出浮游動物104種, 隸屬3門60屬。浮游動物平均豐度為19616.47 ind.·L–1,平均生物量為6.43 mg·L–1。結合現存量評價法、生物指示法和生物多樣性指數法評價大通湖水質為輕度—中度污染, 其中部分水域為富營養狀態。大通湖作為養殖湖泊, 建議其可采用基圍魚塘的模式, 既維持經濟效益, 也可改善生態環境。

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Characteristics of community structure of zooplankton and bioassessment of water quality in the Datong Lake in Hunan, China

XU Jing1, LIANG Ting1, WANG Nianyao1, QIN Kunming1, LI Chunhua2,3, LIU Xiaoshou1,*

1.College of Marine Life Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266003, China 2. National Engineering Laboratory for Lake Pollution Control and Ecological Restoration, Chinese Research Academy of Environmental Science, Beijing 100012, China 3. State Environmental Protection Key Laboratory for Lake Pollution Control, Chinese Research Academy of Environmental Science, Beijing 100012, China

Zooplankton are fundamental components in lake ecosystems and play important roles in energy flow and matter cycling. Meanwhile, zooplankton are good indicators for bioassessment of water quality. In order to reveal the community characteristics of zooplankton, species composition, biodiversity and community structure of zooplankton were investigated in the Datong Lake, Hunan Province in June 2019. Water quality was evaluated using the existing stock, indicator species and biodiversity index. Results showed that a total of 104 species of zooplankton were identified, belonging to 60 genera in 3 phyla. There were 47 species of Protozoa, accounting for 45.2% of the total species number; 23 species of Rotifera, accounting for 22.1%; 18 species of Copepoda (excluding nauplii), accounting for 17.3%; 16 species of Cladocera, accounting for 15.4%. The average abundance and biomass of zooplankton were 19616.47 ind.·L–1and 6.43 mg·L–1, respectively. There were 8 dominant species, all belonging to Protozoa (,,,,,,and). There were no dominant species belonging to Rotifera, Copepoda or Cladocera. The values of species richness index, evenness index and Shannon-Wiener diversity index of the zooplankton community were 2.46-4.74, 0.52-0.73 and 1.75-2.62, respectively. Based on existing stock of zooplankton, indicator species and biodiversity assessment, the water quality of Datong Lake was under light-to-moderate pollution and some sites were in eutrophication status.

zooplankton; community structure; species composition; water quality assessment; Datong Lake

徐菁, 梁婷, 王念瑤,等. 湖南大通湖浮游動物群落結構特征與水質評價[J]. 生態科學, 2023, 42(1): 105–113

XU Jing, LIANG Ting, WANG Nianyao, et al. Characteristics of community structure of zooplankton and bioassessment of water quality in the Datong Lake in Hunan, China[J]. Ecological Science, 2023, 42(1): 105–113.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2023.01.012

Q178.1

A

1008-8873(2023)01-105-09

2020-11-01;

2020-11-18

國家自然科學基金項目(41976131); 生態環境部“生物多樣性調查、觀測和評估”專項

徐菁(1996—) , 女, 山東棲霞人, 碩士研究生, 主要從事水生生態學研究, E-mail: 943082782@qq.com

劉曉收, 男, 博士, 教授, 博導, 主要從事水生生態學研究, E-mail: liuxs@ouc.edu.cn