Medical Journal of the Chinese People's Armed Police Forces

Journal of Changjiang River Scientific Research Institute >

2024 , Vol. 41 >Issue 9: 53 - 59

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20230522

Water Environment and Water Ecology

Diversity of Metazoan Zooplankton and Its Relationship with Water Environmental Factors in Da’ao Reservoir

  • LIU Xi , 1 ,
  • LEI Ming-jun 1 ,
  • HUANG Xiao-long 1 ,
  • WANG Meng-xue 2 ,
  • LEI Qi , 1
Expand
  • 1 Ecological Environment Monitoring and Scientific Research Center,Yangtze River Basin EcologicalEnvironment Supervision and Administration Bureau, Ministry of Ecological Environment,Wuhan 430010,China
  • 2 College of Fisheries and Life Science, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China

Received date: 2023-05-15

  Revised date: 2023-08-01

  Online published: 2023-11-01

Fold

Abstract

To elucidate the community structure characteristics of metazoan zooplankton in Da’ao Reservoir and provide foundational data for assessing aquatic ecological health, we conducted two ecological surveys in August (wet season) and November (dry season) of 2021. The results are as follows: (1) We identified 26 species of metazoan zooplankton in Da’ao Reservoir, including 13 species of rotifers, 4 species of cladocerans, and 9 species of copepods. Dominant species included Keratella cochlearis, Polyarthra trigla, Diurella dixonnuttalli, Trichocerca pusilla, Pompholyxophrys trichocerca, Cylindrical Trichocerca, and Bosmina sp. (2) The density and biomass of metazoan zooplankton were higher during wet season (August) compared to dry season (November). (3) The average Shannon-Wiener index for metazoan zooplankton was 0.88 in wet season and 1.05 in dry season. Principal Coordinates Analysis (PCoA) revealed spatial distribution differences in the community structure during wet season; (4) Redundancy Analysis (RDA) indicated that the cumulative variation in species-environment relationships explained 62.4% and 65.1% of the total variation in wet and dry seasons, respectively. The permanganate index emerged as the primary driving factor influencing changes in the community structure of metazoan zooplankton in Da’ao Reservoir.

Key words： Da’ao Reservoir; meta-zooplankton; diversity; environmental factors

Cite this article

LIU Xi , LEI Ming-jun , HUANG Xiao-long , WANG Meng-xue , LEI Qi . Diversity of Metazoan Zooplankton and Its Relationship with Water Environmental Factors in Da’ao Reservoir[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2024 , 41(9) : 53 -59 . DOI: 10.11988/ckyyb.20230522

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

饮用水水源地是一个地区重要的生态屏障和居民基本的生存保障,其生态环境问题是影响国家安全、社会稳定和人民群众身体健康的重大问题。上饶市位于江西省东北部,北、东、南三面环山,西面为中国第一大淡水湖鄱阳湖,是江西省重点发展城市之一。大坳水库位于上饶市广信区上泸镇境内,是一座集防汛、供水、灌溉、发电为一体的大(二)型水利枢纽工程[1]。大坳水库不仅是江西省首个国家一级水库,更是上饶市中心城区百万居民的饮用水源,大坳水库具有重要意义。然而,近年受多重因素的叠加影响,大坳水库存在一定的水生态环境风险,如水源地规范化建设不够完善,水体中高锰酸盐指数、粪大肠菌群等指标呈现上升趋势,重金属锰出现偶发性超标,夏季库区水面藻类聚集现象时有发生等,亟需开展水源地水生态系统调查健康评估。
后生浮游动物包括轮虫、枝角类和桡足类3大类,在水生态系统中具有重要的意义[2]。一方面可以直接影响水体中浮游植物的密度[3-4],另一方面又能作为鱼类和其他水生生物的良好饵料[5-6]。因此,后生浮游动物是维持水体物质循环和能量流动不可或缺的一部分[7]。通过对水库后生浮游动物的定期监测可对水库渔业资源的可持续利用提供参考。此外,后生浮游动物对水环境的变化很敏感,环境条件的改变会引起其种类及密度的差异,例如夏品华等[8]通过对红枫湖水库不同季节后生浮游动物及水环境研究发现,温度、氨氮和电导率等引起后生浮游动物群落结构发生显著改变,且随着透明溞(Daphnia hyalina)和长刺溞(Daphnia longispina)种类增多,水体富营养化程度有所减轻。胡艺等[9]根据统计分析百花水库后生浮游动物的群落演替规律及环境因子关系得出温度、pH值、总磷和硝态氮是改变其群落结构的主要因子,尤其是温度和pH值增高有利于红多肢轮虫(Polyarthr remata)和龟甲轮虫(Keratella sp.)的生长。
不同时期的后生浮游动物群落特征能够反映水生态系统的状况以及水质变化趋势[10],尤其是对于大坳水库这类兼顾发电、灌溉和饮用水功能的大型水库,后生浮游动物研究尤为重要。大坳水库作为上饶市中心城区百万居民的饮用水源,目前并未有大坳水库浮游动物的相关研究报道,因此本文基于大坳水库丰水期(8月份)和枯水期(11月份)的水生态调查成果,分析大坳水库后生浮游动物多样性特征及其与环境因子的关系,以期为大坳水库水生态监测及水生态健康评价提供基础数据,为大坳水库的系统保护和科学管理提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况与采样设计

大坳水库座落在石溪水的中游,集水面积为390 km2,总库容2.757亿m3,多年平均径流量为5.5亿m3,正常蓄水位水域面积约9.1 km3,正常水位217.0 m,全年平均气温为16.7~18.3 ℃,年平均降水量为1 600~1 850 mm。
根据大坳水库的水文地貌和生境特征,本研究分别于2021年8月(丰水期)和11月(枯水期)在库区及周边范围内的3条主要入库河流(英将河、金钟山河和石溪河)进行水生态调查采样,共设计21个调查采样点位,如图1所示。使用5 L有机玻璃采水器采集0.5 m和1.5 m水深混合水样,保存于1.5 L水样瓶中,运至实验室测定水体中的总氮、总磷、氨氮和高锰酸盐指数等水质指标[11]。
图1 大坳水库水生态监测采样点分布

Fig.1 Distribution of monitoring and sampling sites in Da’ao Reservoir

1.2 样品处理

采集轮虫时,取0.5 m和1.5 m水深混合水样1 L,加入4%的福尔马林和鲁哥氏碘液固定,静置48 h后浓缩至50 mL,充分摇匀后吸取浓缩样0.1 mL,置于0.1 mL浮游动物计数框内全片计数(3次平行);采集枝角类和桡足类时,取混合水样30 L,经25号筛绢浮游生物网过滤后装入100 mL塑料瓶中,立即加入4%的福尔马林进行固定,带回实验室后充分静置48 h,收集浓缩液全瓶计数。物类鉴定及生物量换算参考相关研究[12⇓⇓-15]。

1.3 物种多样性及优势种分析

根据Shannon-Wiener多样性指数(H)分析大坳水库后生浮游动物的物种多样性,计算公式为
H = - ∑ P i l o g 2 P i 　 。
其中,Pi=Ni/N 。
式中:Ni表示第i种的个体数;N表示样品的总个体数。
依据McNaughton优势度指数(Y)确定优势种,计算公式为
Y = ( N i / N ) f i 　 。
式中fi为物种i出现的频率。Y> 0.02表示该物种为优势种。

1.4 数据处理与分析方法

运用SPSS 21.0对大坳水库水质数据进行正态分布和方差齐性检验,采用单因素方差分析(One-Way ANOVA)探究大坳水库后生浮游动物群落和环境因子的时空分布差异;根据大坳水库地形,将21个采样点位划分成库湾(S1—S8)、库中(S9—S14)和库尾(S15—S21),运用R语言“vegan”和“ggplot 2”软件包对3个区域的后生浮游动物群落进行主坐标分析(Principal Coordinates Analysis,PCoA),计算浮游动物种类之间的Bray-Curtis距离;采用Canoco 5.0[16]的冗余分析(Redundancy Analysis,RDA),根据大坳水库环境因子及后生浮游生物样本数据以排序轴的方式,展示其空间分布特征及与环境因子之间的关系,探究大坳水库不同时期后生浮游动物和环境因子的关系。

2 结果与分析

2.1 水环境因子季节性差异分析

大坳水库2021年8月和11月的水环境监测结果如图2所示,显著性差异检验分析结果表明,大坳水库高锰酸盐指数、硫酸盐、总磷、硝酸氮和总氮浓度存在显著的季节性差异(P<0.05),而氟化物和氯化物浓度较为稳定,不存在显著的季节性差异(P>0.05)。总磷浓度在8月(0.06 mg/L)显著高于11月(<0.001 mg/L),而高锰酸盐指数、硝酸氮浓度、总氮浓度在8月(分别为2.41、0.05、0.21 mg/L)显著低于11月(分别为2.69、0.27、0.33 mg/L)。
图2 大坳水库环境因子季节性差异

Fig.2 Seasonal variation of environmental factors in Da’ao Reservoir

基于《地表水环境质量标准》(GB3838—2002),采用单因子评价法对大坳水库水质类别进行判定,大坳水库11月份水质较好,各项监测指标均满足地表水Ⅰ类限值;大坳水库8月份水质整体上满足地表水Ⅲ类标准,部分采样点仍能满足地表水Ⅰ类标准。从水质类别上来看,大坳水库11月份水质均为I类水,8月份水质均为Ⅲ类水以上,整体水质较优。

2.2 后生浮游动物群落结构组成

大坳水库后生浮游动物共鉴定3类26种,其中轮虫13种、枝角类4种、桡足类9种。丰水期后生浮游动物共21种,略少于枯水期的23种。其中,轮虫是大坳水库后生浮游动物的主要类群,占种类总数的66.67%,枝角类和桡足类占比分别为18.75%、14.58%。
大坳水库枯水期库湾与其他各区域的浮游动物密度均具有显著差异(P<0.05),但各区域浮游动物群落组成相似,且均以轮虫为主要组成物种(图3(a)、图3(b))。大坳水库库尾的轮虫占绝对优势,库中在不同时期生物量的改变主要由枝角类和桡足类的变化引起,而库湾主要是枝角类生物量在不同时期发生变化(图3(c)、图3(d))。丰水期后生浮游动物的平均生物密度为906.73个/L,平均生物量为1.21 mg/L;枯水期后生浮游动物的平均生物密度为299.17个/L,平均生物量为0.41 mg/L(图4)。
图3 大坳水库不同区域后生浮游动物群落结构

Fig.3 Community structure of metazoan zooplankton in different areas of Da’ao Reservoir

图4 大坳水库不同时期后生浮游动物生物密度和生物量

注:相同字母代表两组间差异不显著(P>0.05);不同字母代表两组间差异显著(P<0.05)。

Fig.4 Density and biomass of metazoan zooplankton in Da’ao Reservoir across different periods

2.3 后生浮游动物多样性特征

大坳水库丰水期和枯水期的后生浮游动物优势种如表1所示。丰水期优势种为螺形龟甲轮虫、针簇多肢轮虫、泡轮虫属和象鼻溞属;枯水期优势种为针簇多肢轮虫、田奈同尾轮虫、暗小异尾轮虫、圆筒异尾轮虫和象鼻溞属。
表1 大坳水库后生浮游动物优势种及其优势度

Table 1 Dominant species and dominance ofmetazoan zooplankton in Da’ao Reservoir

种名 拉丁名 优势度
丰水期 枯水期
螺形龟甲轮虫 Keratella cochlearis 0.51
针簇多肢轮虫 Polyarthra trigla 0.08 0.28
田奈同尾轮虫 Diurella dixonnuttalli 0.02
暗小异尾轮虫 Trichocerca pusilla 0.12
圆筒异尾轮虫 Trichocerca cylindrica 0.03
泡轮虫属 Pompholyx sp. 0.03
象鼻溞属 Bosmina sp. 0.05 0.07
大坳水库后生浮游动物Shannon-Wiener指数H在丰水期变化范围为0.09~1.45,平均值为0.88;在枯水期变化范围为0.14~1.52,平均值为1.05(表2)。时间上,浮游动物多样性丰水期<枯水期;空间上,丰水期多样性库湾>库尾>库中,枯水期库尾>库中>库湾(表2)。
表2 大坳水库后生浮游动物多样性指数H

Table 2 Metazoan zooplankton biodiversity in Da’ao Reservoir

位置 H
8月份(丰水期) 11月份(枯水期)
库尾 0.09~1.18 0.14~1.32
库中 0.07~0.81 0.14~1.52
库湾 0.36~1.45 0.44~1.31
平均值 0.88 1.05
通过PCoA对大坳水库不同区域浮游动物群落β多样性进行比较(图5),结果表明,大坳水库丰水期库湾后生浮游动物群落与其他2个区域有显著差异(P <0.05),而枯水期3个区域的后生浮游动物没有显著差异(P>0.05)。大坳水库后生浮游动物群落结果表现出明显的时间变化规律,根据群落结构差异在空间上可以划分为3个区域,即Ⅰ组(库湾区)、Ⅱ组(库尾区)和Ⅲ组(库中区)。在丰水期,Ⅰ组主要表明库湾区后生浮游动物种相似性系数高且物种较为丰富,Ⅱ组和Ⅲ组的物种数及物种相似性系数均呈降低状态。此外,通过ANOVA对3个区域的Bray-Curtis排序距离进行分析,结果显示大坳水库库湾和库尾后生浮游动物群落结构存在着显著的空间分布差异。
图5 大坳水库丰水期和枯水期PCoA结果

Fig.5 PCoA result of Da’ao Reservoir in dry and wet seasons

2.4 后生浮游动物与环境因子的关系

对大坳水库主要的营养盐因子(总氮、总磷、氨氮、硫酸盐、硝酸盐和高锰酸盐指数)与后生浮游动物种类进行冗余分析,结果(图5)显示,丰水期物种-环境累计变异解释率为62.4%,轴一和轴二的特征值分别为0.53和0.09,物种-环境变异解释率分别为84.55%和14.69%,说明轴一和轴二能解释绝大部分后生浮游动物的分布情况,在丰水期大坳水库高锰酸盐指数(F=5.5,P=0.04)和硫酸盐(F=5.4,P=0.01)显著影响大坳水库后生浮游动物群落结构(图6(a));枯水期物种-环境累计变异解释率为65.1%,轴一和轴二的特征值分别为0.61和0.02,物种-环境变异解释率分别为94.32%和3.29%,高锰酸盐指数(F=16.5,P=0.002)和氨氮(F=5.4,P=0.04)显著影响大坳水库枯水期浮游动物群落(图6(b))。
图6 大坳水库丰水期和枯水期环境-物种RDA结果

注:SP1螺形龟甲轮虫;SP2针簇多肢轮虫;SP3裂痕龟纹轮虫;SP4暗小异尾轮虫;SP5曲腿龟甲轮虫;SP6圆筒异尾轮虫;SP7晶囊轮虫一种;SP8田奈同尾轮虫;SP10泡轮虫一种;SP10腹尾轮虫一种;SP11奇异巨腕轮虫;SP12彩胃轮虫一种;SP13无柄轮虫一种;SP14须足轮虫一种;SP15象鼻溞一种;SP16秀体溞一种;SP17裸腹溞一种;SP18无节幼体;SP19尖额溞一种;SP20透明薄皮溞;SP21桡足幼体;SP22真剑水蚤一种;SP23许水蚤一种;SP24广布中剑水蚤;SP25温剑水蚤一种;SP26剑水蚤一种;SP27近剑水蚤一种;SP28华哲水蚤一种;NO3硝酸盐;NH4-N氨氮;SO4硫酸盐;TP 总磷;TN总氮; COD M n高锰酸盐指数。

Fig.6 RDA result of environment-species of Da’ao Reservoir in dry and wet seasons

3 讨论

大坳水库轮虫的种类和密度所占的比例较高,而枝角类和桡足类(大型浮游动物)种类和密度所占的比例较少,这与其他水库和湖泊的浮游动物群落组成类似[17⇓-19]。两次调查中,大坳水库水质均较好,轮虫作为水生动物的重要组成部分,其种类及密度变化与水质密切相关。一般而言水体越清洁,轮虫种类越多、数量越少;而在污染较重的水体中,某些耐污性轮虫易成为优势种[20⇓-22]。
后生浮游动物的密度和生物量变化不仅能反映生物群落的改变,也能反映一些生态环境的变化[23]。一般而言,水面面积越大,生境的多样性越高,浮游动物的多样性相应越高。调查期间大坳水库丰水期后生浮游动物的密度和生物量均大于枯水期,轮虫的密度在丰水期较大,而在枯水期大幅降低,同时8—11月份桡足类的密度也呈现下降趋势。因此,从丰水期到枯水期,大坳水库尤库湾区后生浮游动物生物密度和种类数上都呈现出退化现象。后生浮游动物密度水平分布显著特点是水库库尾和库湾的河道型库区高于敞水的库中区,水库库湾有支流汇入,营养盐相对较丰富,同时由于枯水期水流量较小,有机盐在水库下游(库尾)堆积,导致枯水期库尾后生浮游动物密度相对丰水期有所上升。
水环境因子能显著影响影响后生浮游动物群落结构,一般来说,浮游动物密度与水体营养水平呈正相关,营养盐作为浮游植物生长的必需元素,通过上行效应来影响浮游动物的分布[24],一般来说夏季(8月份)由于温度等因素更适宜生长繁殖,浮游植物的密度高于秋季(11月份),但同时期水生态调查结果显示,8月份大坳水库浮游植物平均密度为6.25×105 cell/L,而11月份浮游植物平均密度高达8.74×106 cell/L,高于8月份,这可能是受到外界人为活动影响。根据土地利用格局的遥感影像分类解译结果,大坳水库饮用水水源保护区土地利用类型以林地为主,面积占比超过70%;其次是耕地与草地,耕地多分布于人造地表周边,草地多分布于水体与人造地表附近。大坳水库饮用水水源保护区内农村生活与农业种植等面源污染对于库区污染负荷贡献较大。库区周边仍有部分村庄生活污水是大坳水库饮用水水源保护区内化学需氧量主要来源。但是大坳水库浮游植物群落组成中蓝藻门和绿藻门占绝对优势,蓝藻和绿藻的大量生长繁殖不但影响了水体环境因子改变,同时抑制了部分轮虫和枝角类的生长繁殖[25],因此大坳水库后生浮游动物密度丰水期仍高于枯水期。综合两个季节RDA结果,高锰酸盐指数是影响大坳水库不同时期后生浮游动物群落结构变化的主要驱动因子。

4 结论

(1)大坳水库后生浮游动物共鉴定3类26种,其中轮虫13种、枝角类4种、桡足类9种。丰水期后生浮游动物种类数略少于枯水期。其中,轮虫是大坳水库后生浮游动物的主要类群,占种类总数的66.67%,其次是枝角类(18.75%)和桡足类(14.58%)。大坳水库轮虫的种类和密度在后生浮游动物中所占的比例较高,大型浮游动物(枝角类、桡足类)种类和密度所占的比例较少。
(2)大坳水库枯水期库湾与其他各区域的浮游动物密度均具有显著差异(P<0.05),各区域浮游动物群落组成均以轮虫为主。大坳水库丰水期后生浮游动物的平均生物密度为906.73个/L,平均生物量为1.21 mg/L;枯水期后生浮游动物的平均生物密度为299.17个/L,平均生物量为0.41 mg/L。大坳水库丰水期后生浮游动物的密度和生物量均大于枯水期。
(3)大坳水库丰水期和枯水期的后生浮游动物优势种略有变化,但轮虫占比较大。浮游动物Shannon-Wiener指数在丰水期变化范围为0.09~1.45,平均值为0.88;在枯水期变化范围为0.14~1.52,平均值为1.05。时间上,浮游动物多样性丰水期<枯水期;空间上,丰水期多样性库湾>库尾>库中,枯水期库尾>库中>库湾。PCoA分析结果表明大坳水库丰水期后生浮游动物群落结构存在着显著的空间分布差异。
(4)RDA结果表明大坳水库丰水期物种-环境累计变异总解释率为62.4%,高锰酸盐指数(F=5.5,P=0.04)和硫酸盐(F=5.4,P=0.01)显著影响大坳水库后生浮游动物群落结构;枯水期物种-环境累计变异总解释率为65.1%,高锰酸盐指数(F=16.5,P=0.002)和氨氮(F=5.4,P=0.04)显著影响大坳水库枯水期后生浮游动物群落。综合两个季节的RDA结果可以发现,高锰酸盐指数、硫酸盐和氨氮是显著影响大坳水库后生浮游动物群落结构的环境因子,高锰酸盐指数是大坳水库后生浮游动物群落结构变化的主要驱动因子。

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