拉薩河中上游夏秋季纖毛蟲群落時空變動及其與環境的關系

楊欣蘭,巴 桑,*,黃 香

1 西藏大學理學院青藏高原濕地與流域生態實驗室,拉薩 850000 2 西藏大學理學院化學與環境科學系,拉薩 850000

纖毛蟲廣泛分布于淡水、海水及潮濕的土壤中,在微型生物食物網中物質循環與能量流動傳遞中起著重要的樞紐作用[1-2]。該類生物的物種組成及功能結構的變動直接影響到水生態系統中食物網的組成及其他水生生物的分布和豐度[3-4]。因其繁殖周期簡單而短暫,加之對水環境的變化敏感,許多種類已廣泛用作水環境污染的指示者[5-6]。因此,揭示纖毛蟲的群落變化規律對研究各類河流等水域的自凈效能及污染評價均具有重要的意義[7]。

盡管國內外有關種類水體原生動物群落結構的研究已有大量的報道[8-9],但是關于青藏高原纖毛蟲分類學組成及群落結構變動及與環境間的關系的報道甚少,尤其有關拉薩河中上游纖毛蟲的研究尚處完全不詳之中[10-12]。本工作于2015—2016年8月、11月分別對拉薩河中上游纖毛蟲群落結構的時空變化特征與水環境之間的關系進行了研究(2016年的纖毛蟲數據為2015年纖毛蟲的補充數據),旨在揭示高原河流有關纖毛蟲群落結構時空變化及與環境間的耦合關系,為了我國青藏高原水域環境監測與保護提供基礎數據和科學依據。

1 材料和方法

1.1 樣區概況

拉薩河是雅魯藏布江五大一級支流之一,發源于念青唐古拉山的南麓、澎錯東南約15 km的澎錯扎瑪朵山峰下。拉薩河干流全長約550 km,流域面積32896 km2,平均海拔在4 km以上。徑流豐富,整個水系呈現羽毛狀。主要支流有：桑曲、拉曲、雪絨藏布、墨竹瑪曲和堆龍曲等。根據河谷形態和地質情況,拉薩河大致分為上、中、下游三段,從源頭到桑曲匯入口為上游段。受地勢的影響,氣候寒冷,為高原大陸型氣候。流域內人類活動相對稀少,河流水環境基本保持原生態。從桑曲匯入口到旁多拉曲匯入口為中游段,稱為熱振藏布,地處高原溫帶半干旱季風氣候區[13]。該流域的主要補給水源為冰川融雪水和天然降水。

1.2 樣點設置

根據拉薩河中上游的自然環境特征及水體功能的特殊性,共設置8個樣點,其中S1、S2、S5和S8為拉薩河主干流,地處在高山草甸、灌木和農田生態系統,S3和S4為拉薩河一級支流——拉曲,地處高山草甸和高寒草甸生態系統；S6和S7為拉薩河一級支流——雪絨藏布,地處灌木和農田生態系統。流域內水體除S2(水庫靜水)河床為草甸外,其余都是礫石和砂石組成的山區穩定性河流,坡度較大,水流速度快(圖1)。

圖1 拉薩河中上游樣點分布圖Fig.1 Sampling sites in middle and upper reaches of the Lhasa RiverS:樣點,Site

1.3 樣品的采集與處理

本次研究分別于2015年8月1日和10月30日與2016年8月3日和11月1日進行樣品采集,每次采集時間為一周。樣品采集及室內處理方法均參照《淡水浮游生物研究方法》進行[14]。定性樣品用25號浮游生物網(孔徑64 μm),在水面下0.8—1.2 m作∞字型拖網8—10 min；定量樣品在上述深度采集1 L,隨后用10%魯哥氏液固定,靜置24 h后沉淀濃縮至50 mL。移取0.1 mL濃縮液至0.1 mL計數框,在10×40倍顯微鏡下全片計數纖毛蟲數量(平行3次)[15]。

水體pH值、水溫、電導率、總溶解鹽、鹽度現場利用PCSTestr-35型儀器(新加坡產)測定；溶解氧采用HI-9146便攜式溶解氧測定儀(德國產)測得；濁度用HI-98703高精度數據型濁度測定儀(德國產)測得；水流速度采用FP-111直讀式流速儀(美國產)測得；總氮、總磷、氨氮和化學需氧量測定參照水和廢水監測分析方法(第四版)和地表水環境質量標準(GB 3838—2002)于室內完成。

1.4 分類與鑒定

用活體觀察、魯哥氏液染色固定相結合的方法鑒定物種[2]；鑒定依據下列文獻:《原生動物學》[2],《淡水微型生物與底棲動物圖譜》[16],《中國黃渤海的自由生纖毛蟲》[17],《西藏水生無脊椎動物》[18]。采用Levine 分類系統進行分類地位的劃分[19]。

1.5 數據統計與分析

1.5.1類群劃分

對已鑒定到的各級分類單元及物種進行統計,按目級水平將物種最多的分類單元定義為優勢類群,將物種次多的分類單元定義為次優勢類群,將單物種或含最少種類的分類單元定義為偶見類群, 其余的為常見類群[20]。

1.5.2群落參數

用Excel計算了Shannon-Wiener多樣性指數、Simpson優勢度指數、Pielou 均勻度指數；用SPSS 23.0對纖毛蟲群落特征參數與水體理化因子進行了Pearson相關性分析；用R軟件對纖毛蟲優勢物種與環境因子進行了CCA 典范對應分析。根據各樣點纖毛蟲出現的頻率和相對豐度,依據McNaughton優勢度系數Y≥0.02時定為優勢種。上述群落參數公式如下：

(1)Shannon-Wiener多樣性指數：H=-∑Pi×lnPi(Pi=Ni/N)

(2)Simpson優勢度指數：S=∑Ni(Ni-1)/(N(N-1))

(3)Pielou 均勻度指數：E=H/lnNs

(4)McNaughton優勢度系數：Y=fi×Ni/N

式中,N為同一樣點中個體總數；Ni為第i種的個體數；Ns為物種數；其中fi為第i種出現的頻率[21-25]。

1.5.3營養功能類群劃分

按照Pratt和Cairns的方法,將纖毛蟲按食性分成6個營養功能類群[26],即光合自養者(P群)、食藻者(A群)、食菌—碎屑者(B群)、腐養性(S群)和食肉者(R群)。若群落中B群和S群占的比例較大,則反映水質較差[3]。

2 結果

2.1 水體理化因子

通過數據分析得出：水流速度、COD、NH4-N 和NO3-N在兩個季節不存在顯著性差異,其余理化因子在兩個季節均存在顯著性差異,詳見表1。

表1 拉薩河中上游夏、秋季水環境理化因子

WT：水溫,Water Temperature；TUR：濁度,Turbidity；EC：電導率,Electrical Conductivity； TDS：總溶解鹽,Total Dissolved Salts； Sal：鹽度,Salinity；DO：溶解氧,Dissolved Oxygen； COD：化學需氧量,Chemical Oxygen Demand； TP：總磷,Total Phosphorus； TN：總氮,Total Nitrogen；NO3-N：硝酸鹽氮,Nitrate nitrogen； NH4-N：氨氮,Ammonia Nitrogen；WS：水流速度,Water Speed

2.2 群落結構及優勢物種

2.2.1群落結構

拉薩河中上游夏、秋季共鑒定出纖毛蟲91種。夏季49種,隸屬于3綱11目19科26屬,其中,前口目為優勢類群(22.45%)；側口目(14.29%)、膜口目(14.29%)和盾纖目(14.28%)為次優勢類群；寡毛目(2.04%)為罕見類群,其余為常見類群。各樣點纖毛蟲物種數由小到大依次為：S2

表2 拉薩河中上游纖毛蟲分類學組成

2.2.2優勢種

夏、秋季的優勢種數均為12種,但是優勢種的組成及分布不同。其中,大彈跳蟲、多變斜口蟲和前突腎形蟲是兩個季節共有的種；兩個季節中S4樣點的優勢度均值最高(0.745),S5樣點的優勢度均值最低(0.302)；夏季的優勢度均值(0.34)略高于秋季(0.18)(表3)。

表3 拉薩河中上游纖毛蟲優勢種

物種序列用季節的拼音首字母加數字依次排序

2.3 群落特征參數

拉薩河中上游夏季Shannon多樣性指數S6樣點最高,S4最低；秋季的Shannon多樣性指數S7樣點最高,S4最低；總體夏季Shannon多樣性指數(1.97)略高于秋季(1.86),但無顯著性差異(t=0.6632,df=14,P=0.52)。夏季Pielou均勻度指數S2樣點最高,S8最低；秋季Pielou均勻度指數S4最高,S3最低,總體兩個季節的均值相同(0.81),無顯著差異(U=32.5,P=1)；夏季Simpson優勢度指數S4樣點最高,S2最低；秋季Simpson優勢度指數S3最高,S4最低,總體兩個季節的均值相同(0.22),無顯著性差異(t=0.12329,df=14,P=0.9038)(表4)。

表4 拉薩河中上游纖毛蟲群落特征參數

2.4 營養功能類群

營養功能結構分析顯示：B、S類群和P、A類群在兩個季節的各樣點中存在一定的差異。夏季B、S類群種類數(22)所占總體物種數比例(44.90%)明顯高于P、A類群(20.41%)；秋季B、S類群種類數(26)占的物種數比例(40.63%)明顯高于P、A類群(18.75%)(圖2、3)。

圖2 拉薩河中上游夏季纖毛蟲營養功能結構變動 Fig.2 Variation in functional-trophic structure of ciliate communities in middle and upper reaches of the Lhasa River in summerP：光合作用者,Photosynthetic autotrophs；A：食藻者,Algivores；B：食菌-碎屑者,Bactivores-detrivores；S：腐養性,Saprotrophs；R：食肉者,Predalors

圖3 拉薩河中上游秋季纖毛蟲營養功能結構變動 Fig.3 Variation in functional-trophic structure of ciliate communities in middle and upper reaches of the Lhasa River in autumn

2.5 Pearson雙尾相關性

通過纖毛蟲群落參數與水體理化因子作Pearson雙尾相關性分析可知：夏季,纖毛蟲群落Pielou均勻度指數與水流速度呈顯著負相關(P<0.05),纖毛蟲物種數與總磷和總氮均呈顯著負相關(P<0.05)；秋季,纖毛蟲物種數和群落Shannon多樣性指數與濁度、氨氮和硝酸鹽氮呈顯著負相關(P<0.05),與pH呈顯著正相關(P<0.05)(表5)。

2.6 CCA結果分析

為了進一步闡釋和驗證拉薩河中上游纖毛蟲群落參數與環境因子之間的關系,本文篩選出5項主要水體理化指標,分別對兩個季節的優勢種與環境因子進行了CCA 分析。結果顯示：總磷和濁度是影響夏季纖毛蟲優勢種的關鍵因子；水流速度、濁度和總氮是影響秋季纖毛蟲優勢種的關鍵因子(圖4、5)。

圖4 基于CCA方法分析拉薩河中上游夏季纖毛蟲群落與環境因子之間的關系Fig.4 CCA analysis: showing relationships between ciliate community structure and environment factors in middle and upper reaches of the Lhasa River in summer

圖5 基于CCA方法分析拉薩河中上游秋季纖毛蟲群落與環境因子之間的關系Fig.5 CCA analysis: showing relationships between ciliate community structure and environment factors in middle and upper reaches of the Lhasa River in autumn

3 討論

3.1 水體理化因子

本文對拉薩河中上游兩個季節的主要水體理化因子進行分析,并參照地表水環境質量標準《GB 3838—2002》分析得出,總磷和總氮的濃度能達到地表水環境質量標準,并且該河段水體水質良好,屬于Ⅰ—Ⅲ 類水。其原因是拉薩河中上游地處青藏高原,人口稀薄,且中上游無大中型重工業,對水環境的人為干擾很少[27]。這也是環境監管與環境衛生有關部門的協調合作,政府有關環境保護政策的計劃與實施,使拉薩河獨有的高原生態環境得到更為有效的保護和可持續性發展的結果。

3.2 纖毛蟲物種組成與豐度

本研究中根據地理條件的特征設置了8個樣點,能夠充分的監測出拉薩河中上游夏秋季節的纖毛蟲物種組成與豐度,進一步反應水體的狀況。共鑒定出的91種纖毛蟲,其中49種見于夏季,64種見于秋季。夏季各樣點豐度為1.2×104—5.6×105個/L,秋季各樣點豐度在1.2×104—2.6×105個/L之間,并且各樣點的物種數與豐度不盡相同?？梢?拉薩河中上游夏、秋季各樣點的物種組成與豐度存在一定的差異。這可能與青藏高原的極端地理環境有關,即拉薩河屬于冷水性河流,長期的自然進化使水生纖毛蟲適應了在較低溫度環境下的生存,隨著季節的更替,水溫降低導致纖毛蟲的種類增多。這與西藏及內陸其他地區冷水型河流纖毛蟲的研究結果相一致[28-31],但與其他非冷水型河流的研究結果相背[32]。另外,拉薩河中上游的物種數整體較國內相關河流偏低,說明水中營養物質相對較少,外源營養來源較單一,這也進一步說明青藏高原河流貧營養型的水環境特征。

表5 拉薩河中上游纖毛蟲群落參數與水體理化因子間的相關性

**. 在 0.01 級別相關性顯著；*. 在 0.05 級別相關性顯著;**:P<0.01; *:P<0.05

3.3 纖毛蟲群落特征參數

纖毛蟲能夠適應的種類水環境,并形成相對穩定的群落結構。一旦環境發生變化,該群落結構的穩定性就會受到直接或間接的影響[5]。通過兩季節結構參數的對比分析得出：夏季的Shannon多樣性指數值與Simpson優勢度指數值均比秋季的高,Pielou均勻度指數比秋季的低。秋季纖毛蟲群落較夏季的結構簡單,優勢種明顯,物種分布較夏季不均勻。其主要原因為秋季隨著雨季過去水溫下降,流域內水流量減少、流速緩慢,殘留的有機物在河水中降解并富集,河岸植物腐敗沉降并富集,增加了水中的外來營養源,導致個別耐低溫與耐高鹽的纖毛蟲物種數增加[33-34],從而影響水中纖毛蟲的群落多樣性；另一方面來說,夏季水流速度較大、水溫較高,流水卷起河床的氮磷等營養物質,有利于纖毛蟲的生存和繁衍,從而增加了纖毛蟲的數量[35-36],形成秋季纖毛蟲較夏季纖毛蟲優勢種明顯,群落結構簡單,物種分布不均勻的現象。

3.4 營養功能類群

拉薩河中上游纖毛蟲營養功能結構分析顯示,夏、秋兩季B、S類群和P、A類群及R類群的結構模式沒有明顯的變化,但是夏季B、S類群的相對種類數低于秋季。這表明,拉薩河中上游水質并未受到明顯的外源干擾,整體水質狀況良好,符合理化指標顯示的結果,并且夏季水質優于秋季[37]。這與該地區的氣候環境和農業生產方式有密切關系。長期的高寒缺氧氣候使西藏的植被在10 月初就開始枯萎,河流內的植物也比其他地區更早的失去其自養凈化功能,使得大量的有機物在流域內殘存[38],致使河流水質有所下降。另外,該地區為純牧區,大量的牛、羊等牲畜長期在河岸周圍放牧,飲取河流中水源的同時也把相應的污染物帶入了該流域內[39],這也是導致拉薩河中上游秋季水質較夏季下降的原因之一。

3.5 纖毛蟲群落結構與環境間的關系

通過Pearson雙尾相關性分析可知：夏季,纖毛蟲群落Pielou均勻度指數與水流速度呈顯著負相關,纖毛蟲物種數與總磷和總氮均呈顯著負相關；秋季,纖毛蟲物種數和群落Shannon多樣性指數與濁度、氨氮和硝酸鹽氮呈顯著負相關,與pH呈顯著正相關。為了查證群落結構與環境之間的復雜關系,運用CCA典范對應分析來進一步解釋兩者之間的關系。其結果顯示：影響夏季纖毛蟲物種分布的關鍵因子是總磷和濁度；影響秋季纖毛蟲物種分布的關鍵因子是水流速度和濁度。夏季由于雨季的到來水流量增大,流速增快,常見種數量下降,雨水將農田地表徑流水帶入河中,導致河水中營養物質增多,耐營養物質的種類增多；秋季,濁度、pH、總磷和總氮皆與物種數和多樣性指數呈顯著負相關。前人研究表明,濁度能夠促進細菌的生長繁殖,從而對水中原生動物指標有明顯的影響[40]；細菌與原生動物繁殖率的增加引起微生物的代謝率的增高,從而影響水環境內的氮磷濃度。這是導致一些纖毛蟲增多的重要原因。括而言之,影響纖毛蟲群落結構是多個環境因子共同作用的結果,而不是某個單方面的因子單獨作用的結果。

4 結論

1)根據地表水環境質量標準《GB 3838—2002》分析拉薩河中上游水體理化因子,該流域春、夏季水體顯示為Ⅰ—Ⅲ 類水質。

2)拉薩河中上游夏、秋季纖毛蟲群落結構較穩定,物種分布均勻,生物多樣性指數較低。

3)拉薩河中上游纖毛蟲B、S類群、P、A類群、R類群的結構組成沒有明顯的季節變化趨勢,但是夏季B、S類群物種豐富度低于秋季。

4)纖毛蟲群落特征及結構參數可以作為水環境評價的重要指標。

5)水流速度、總磷和總氮是影響拉薩河中上游夏季纖毛蟲群落結構的主要因素, pH、濁度、總磷和總氮是影響該流域秋季纖毛蟲群落結構的主要因素,濁度是影響纖毛蟲物種分布的主要因素。