農業面源污染對莫力達瓦旗某水庫浮游生物和底棲動物群落結構的影響

王慧博 ，黃曉麗 ，吳計生 ，都雪 ，王秋實 ，宋聃 ，霍堂斌

（1.中國水產科學研究院黑龍江水產研究所，農業農村部黑龍江流域漁業資源與環境重點野外科學觀測試驗站，黑龍江 哈爾濱 150070；2.松遼水環境科學研究所，吉林 長春 130021）

關鍵字：浮游生物；底棲動物；群落結構；面源污染

農業面源污染是由農業生產活動中溶解或固體的污染物，從非特定的地域，在降水和徑流沖刷作用下進入水體，引起的水體污染[1,2]。我國農業面源污染較嚴重，在農業農村部提出的“農業面源污染整治實施辦法”政策落實后，農業面源污染情況有所好轉，但總體仍不樂觀[3]。內蒙古呼倫貝爾市莫力達瓦達斡爾族自治旗（以下簡稱莫力達瓦旗）的某水庫，距莫力達瓦旗市區約97.5km，近巴彥鄂溫克民族鄉和奎勒河鎮，右鄰嫩江縣，主要功能為灌溉、防洪。水庫面積 1.5 km2，坐標 124°38'E，49°21'N，海拔高度 220.0～451.1 m；年平均氣溫 0～0.3℃，年平均降水量460～50 mm，年平均日照時數227 h，年有效積溫 1900～2100℃，無霜期 105～125d。水庫淤泥沉積嚴重，兩岸基本都為農田，農業面源污染是影響其水質和水生生物生存的首要因素。

浮游生物是水域生態系統中的重要組成部分，在物質轉化、能量流動、信息傳遞等生態過程中起重要作用[4-6]。浮游生物群落結構，如物種組成、生物多樣性等直接或間接地影響水域生態系統[7]，能綜合反映出較長時間內水體的污染結果；不少浮游生物種類還是環境污染和水體富營養化的指示生物[8-10]。底棲動物也是水生態系統生物群落的關鍵組分，是水生生物食物鏈（網）的中間環節，特別是其對生境的選擇和適應的特性，已成為水環境狀況的重要指示生物類群，是水域生態系統研究的熱點之一，在生態系統結構、功能及能量學中扮演重要的角色，是營養物質循環和能量向更高營養級流動的重要通道[11]。關于莫力達瓦市水域浮游生物和底棲動物的研究尚未見報道。本研究通過調查莫力達瓦旗某水庫浮游生物和底棲動物群落的結構，監測水庫水環境污染狀況，以期對呼倫貝爾小型水庫水資源保護與合理利用提出建議和指導。

1 材料與方法

1.1 采樣時間與采樣點

2018年7月在莫力達瓦旗某水庫泥沙淤積較嚴重，底質均為厚淤泥底質，共設置5個采樣點（圖1），采集浮游生物和底棲動物樣品。

1.2 樣品的采集與處理

用5L有機玻璃采水器，分別采集各采樣點水面下0.5m處和距水底0.5m處的2個水樣，將各水層水樣等量混合得到1L混合水樣，樣品均用魯哥氏碘液固定、染色，帶回實驗室內，用沉淀法經48h沉淀后，吸出上清液，留存30mL濃縮液用于鑒定浮游植物。浮游動物中原生動物、輪蟲等小型浮游動物采樣方法同浮游植物；枝角類和橈足類用5L有機玻璃采水器采集各采樣點水面下0.5m處和距水底0.5m處的2個水樣，將各水層水樣等量混合得20L混合水樣，之后用13#浮游生物網進行過濾，經5%的甲醛溶液固定后，用沉淀法留存30mL濃縮液用于鑒定。底棲動物泥底斷面定量樣本采用1/16 m2彼得遜采泥器，泥樣用40目和60目分樣篩過濾，樣品先用體積分數為4%的甲醛溶液固定，帶回實驗室后再移入體積分數為75%的酒精中保存，進行鑒定、計數。

圖1 莫力達瓦旗某水庫采樣點分布圖Fig.1 Locations of sampling sites of a reservoir in Morin Dawa Daur Autonomous Banner

根據《淡水浮游生物研究方法》[12,13]進行浮游生物定性、定量鑒定；根據《中國淡水藻類—系統、分類及生態》鑒定浮游植物；浮游動物根據《微型生物監測新技術》[14]鑒定原生動物，根據《中國淡水輪蟲志》[15]鑒定輪蟲，根據《中國動物志》（淡水枝角類）[16]鑒定枝角類，根據《中國動物志》（淡水橈足類）[17]鑒定橈足類；根據《中國小蚓科研究》、《水生昆蟲學》、《遼河流域底棲動物監測》[18-20]鑒定底棲動物種類與數量。

1.3 指標選取及其計算公式

用優勢度評價浮游生物和底棲動物優勢種。其計算公式為：Y=fi×Pi，式中：Y 為優勢度；fi為第 i種物種的出現頻率；Pi為第i種物種個體數量占總個體數量的比例。將Y＞0.02的物種定為優勢種[21]。

利用Shannon-Wiener多樣性指數和Margalef豐富度指數，研究浮游生物和底棲動物群落物種的多樣性。

1.4 群落結構與環境因子關系的分析方法

用物種豐度反映浮游生物和底棲動物種類與環境因子的關系。對物種豐度數據和除pH外的水環境因子數據進行 lg（x+1）轉換[22]；然后，對數據進行去趨勢對應分析，檢驗典范對應分析單峰模型排序和冗余分析單峰模型排序哪種更適宜分析數據，發現兩者都適宜；本文選擇采用典范對應分析方法，利用Canoco5.0軟件，進行物種—環境因子關系排序，用雙序圖表示排序結果。

2 結果與分析

2.1 浮游生物、底棲動物的種類組成

在莫力達瓦旗某水庫5個采樣點共鑒定出浮游植物6門15屬18種及變種，其中硅藻門5屬6種，種數最多，占總種類數的33.3%；裸藻門次之，3屬4種，占22.2%；綠藻門2屬3種，占16.7%；藍藻門和甲藻門都為2屬2種，各占11.1%；隱藻門1屬1種，占5.6%。各采樣點的浮游植物數量分布見圖2，1#采樣點采集到的浮游植物數量最多。

共鑒定出浮游動物13屬16種。其中撓足類種類數最多，6屬9種，占總種類數的56.3%；原生動物4屬4種，占25.0%；輪蟲2屬2種，占12.5%；枝角類1屬1種，占6.3%。從圖2中看出，橈足類在各采樣點中占極大優勢。僅在1#和2#采樣點采集到底棲動物2目3科3種，其中環節動物1種，占33.3%；水生昆蟲 2 種，占 66.7%，3#、4#、5#采樣點沒有采集到底棲動物。

根據浮游生物出現的頻率和豐度，以優勢度Y＞0.02為界來確定優勢種，莫力達瓦旗某水庫浮游植物優勢度在0.02～0.19之間，浮游動物優勢度在0.05～0.07之間，底棲動物優勢度在0.02～0.32之間，優勢種見表1。

2.2 浮游生物、底棲動物的豐度、生物量

各采樣點的浮游生物豐度和生物量顯著不同，其中1#采樣點顯著高于其他采樣點。水庫浮游植物的總平均豐度為45.36×104ind./L，其中，藍藻門的豐度最高32.40×104ind./L，硅藻門和甲藻門次之，3.36×104ind./L，裸藻門 3.12×104ind./L，綠藻門2.16×10 ind./L，隱藻門0.96×104ind./L。浮游植物的總平均生物量為15.3192 mg/L，同樣為藍藻門最高，14.9947 mg/L，甲藻門次之為 0.1548 mg/L，裸藻門0.0936 mg/L，硅藻門0.0534 mg/L，隱藻門0.0192 mg/L，綠藻門的生物量最低，為0.0035 mg/L。浮游動物的總平均豐度為787.19 ind./L，其中，原生動物的豐度最多為726.00 ind./L，輪蟲54.00 ind./L，枝角類0.01 ind./L，橈足類7.18 ind./L。浮游動物的總平均生物量為0.3914 mg/L。橈足類最高為0.3331 mg/L，輪蟲次之，為0.0294 mg/L，原生動物0.0284 mg/L，枝角類0.0005 mg/L。

表1 莫力達瓦旗某水庫浮游生物及底棲動物優勢種Tab.1 Dominant species of the plankton and zoobenthos in a reservoir in Morin DawaDaur Autonomous Banner

圖2 莫力達瓦旗某水庫各采樣點浮游生物和底棲動物種類組成、數量分布及豐度生物量變化Fig.2 Species composition,quantity distribution and changes in abundance and biomass of the plankton and zoobenthosin a reservoir in Morin Dawa Daur Autonomous Banner

調查期間，僅1#和2#斷面采集到底棲動物，底棲動物總平均豐度為83.2 ind./m2，環節動物數量最高為67.2 ind./m2，水生昆蟲為16 ind./m2。底棲動物總平均生物量為0.240 g/m2，環節動物為0.216 g/m2，水生昆蟲為0.024 g/m2。

2.3 浮游生物、底棲動物多樣性指數分析

浮游生物和底棲動物的Shannon-Wiener多樣性指數（H'）和Margalef豐富度指數（D）結果顯示，各采樣點Shannon-Wiener指數均值為1.62，變化范圍為 0.32～2.85；Margalef指數均值為 1.233，變化范圍為0.36～2.02。兩種指數均為4#采樣點最低，其次是2#采樣點較低，1#采樣點最高。

浮游生物及底棲動物多樣性指數水質評價標準見表2。綜合多樣性指數判斷：水庫水環境質量屬于α-中度污染。

2.4 浮游生物及底棲動物與環境因子的關系

由表3可知，莫力達瓦旗某水庫采樣日總氮含量平均為1.23 mg/L，超出《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）中Ⅲ類標準；總磷和氨氮平均含量分別為0.27mg/L和1.79mg/L，超出地表水Ⅳ類標準。水庫平均水深4.5m，受面源污染影響，透明度平均僅為5cm，水質渾濁。雨后水庫懸浮物增加，長時間不沉降，這種情況持續一周左右。采樣日平均水溫25℃。

表2 多樣性指數水質評價標準Tab.2 List of water quality evaluation standards by diversity index

表3 莫力達瓦旗某水庫采樣日環境因子數據Tab.3 Factors of water environment in a reservoir in Morin Dawa Daur Autonomous Banner on the sampling day

表4 典范對應分析中浮游生物和底棲動物種類代碼Tab.4 Codes of the plankton and zoobenthos species by Canonical Correspondence Analysis

對莫力達瓦旗某水庫18種浮游植物、16種浮游動物和3種底棲動物與環境因子進行典范對應分析，編碼見表4。在典范對應分析的排序中，排序軸1和排序軸2的特征值分別為0.674和0.430，4個排序軸特征值總和為1.186，全部典范特征值總和為1.186，前兩軸共解釋浮游生物和底棲動物物種與環境因子關系的93.1%，物種和環境因子相關系數都達到1，表明排序較好地反映了出物種與環境因子間的關系。物種的兩個排序軸之間相關系數和環境因子的兩個排序軸之間的相關系數均分別為0，表明排序結果可靠[23-25]。

圖3 莫力達瓦旗某水庫浮游生物和底棲動物與水環境因子的典范對應排序圖Fig.3 Ordination biplot of Canonical Correspondence Analysis between the plankton and zoobenthos species and water environmental factors in a reservoir in Morin Dawa Daur Autonomous Banner

由圖3可知，溫度和磷酸鹽含量是排序軸1的重要影響因子，與排序軸1顯著正相關，相關系數分別為0.6405和0.4476；溫度和透明度是排序軸2的重要影響因子，其中水溫與排序軸2顯著正相關，相關系數為0.5392；透明度與排序軸2顯著負相關，相關系數為-0.5684。典范對應分析的排序結果表明，水溫、透明度和磷酸鹽含量是影響浮游生物和底棲動物群落結構及其分布的主要環境因子。

3 討論

3.1 浮游生物、底棲動物群落結構及水庫污染現狀

本研究水庫受面源污染影響透明度極低，雨后水中懸浮物增加且長時間不沉降。同時發現，水庫多數浮游植物水樣藻體上附有大量懸浮物，極大影響了浮游植物的光合作用[26]，水體中溶解氧含量不高，這解釋了雖然水庫氮、磷營養鹽含量高，但水庫浮游植物豐度和生物量卻不高。莫力達瓦旗年平均氣溫 1～3℃[27]，水庫年平均水溫 0～0.3℃。溫度于浮游生物的影響，不僅表現在浮游生物的種類組成上，更表現為對浮游生物的豐度和生物量上，水溫達到浮游生物生長的最適溫度時，初級生產力開始迅速上升，當溫度低于其生長的最適溫度時，其生長繁殖速度均較低[28,29]。本研究7月采樣，水庫從5月水溫開始逐漸上升，到7月浮游生物并沒有達到最高豐度和生物量，北方寒冷氣候特點導致浮游植物豐度和生物量較低，也導致硅藻種類呈現較大優勢。而7月采樣時平均水溫上升至25℃，硅藻在浮游植物種類中呈現較大優勢，但在數量上硅藻的優勢被藍藻取代。這是因為藍藻具有嗜高溫的特性，當溫度為10℃時，硅藻占絕對優勢，而當溫度升高到24℃時，藍藻逐漸占更大優勢[30]。浮游動物中橈足類種類較多，生物量較高。浮游植物為橈足類的生長、繁衍提供餌料，所以浮游植物豐度和生物量較低，也與橈足類處于生物量高峰相關。橈足類雖然種類最多，但都不為優勢種，3個優勢種都為原生動物或輪蟲。原生動物僅發現4種，輪蟲僅發現2種，二者種類較少，但豐度較高。底棲動物同樣僅發現3種，都為優勢種。2#采樣點采集到的底棲動物數量最多，而羽搖蚊幼蟲Chironomus plumosus僅在2#采樣點發現且數量龐大，過大的攝食壓力導致2#采樣點浮游植物數量最少。搖蚊幼蟲通過改變沉積物結構和理化性質，抑制浮游植物的生長[31]，這也導致2#采樣點浮游植物數量較少。3#、4#、5#采樣點采集到的底泥中，沒有發現底棲動物，而1#和2#采樣點采集到的底棲動物優勢種霍甫水絲蚓Limnodrilus hoffmeisteri和羽搖蚊幼蟲都為耐污指示種。從原生動物、輪蟲和底棲動物種類數可以看出，水庫生物物種較單一，這與農業面源污染，水質較差有關。多樣性指數分析表明：水庫水環境為α-中度污染。水庫兩岸基本都為農田，化肥的施用及降雨可造成農業面源污染，水庫氮、磷等營養鹽濃度總體偏高，農業面源污染是影響其水質的首要因素。浮游生物和底棲動物優勢種中，多數種類像梅尼小環藻Cyclotella meneghiniana、銅綠微囊藻Microcystis aeruginosa，綠急游蟲 Strombidiu mviride、矩形龜甲輪蟲Keratella quadrata，底棲動物的霍甫水絲蚓、羽搖蚊幼蟲等，都為耐污種類，這也表明了水庫水環境質量較差的污染現狀。

3.2 浮游生物、底棲動物與水環境因子的關系

典范對應分析結果表明，莫力達瓦旗某水庫浮游生物和底棲動物與環境因子有顯著的相關性，水溫、透明度和磷酸鹽含量是影響浮游生物、底棲動物群落結構及其分布的主要環境因子。

北方氣候寒冷決定了溫度對水生生物的影響要高于其他地區。浮游植物球衣藻Chamydomonas globosa、小球藻Chlorella vulgaris、水棉Spirogyra Link和浮游動物橈足類的等刺溫劍水蚤Thermocyclops kawamurai、錐枝蒙鏢水蚤Mongolodiaptomus birulai與溫度呈顯著相關性。橈足類的生長既受內在因素代謝率的影響,又受外界因素的影響，溫度是其中重要因素之一。在適溫范圍內，橈足類的生長率隨溫度升高而加速[32,33]。而作為浮游甲殼動物主要食物來源，浮游植物影響橈足類的分布[34]。當浮游植物的豐度增加到一定程度時，充足的食物來源為橈足類的生長繁殖提供有利條件，橈足類的豐度也隨之增加，而橈足類達到一定數量之后，浮游植物豐度會因攝食壓力而降低，這解釋了浮游植物、橈足類和溫度之間的顯著相關性。浮游植物微綠舟形藻Navicula viridula、變綠脆桿藻Fragilaria virescen和尖針桿藻Synedraacus的生態適應相似，表現為更適宜水深和總氮含量高的生長環境，與透明度的相關性比其他物種高。這三種藻類都為硅藻，有研究認為，硅藻密度分布與水流流速和透明度的相關程度明顯高于與營養鹽和溫度的相關程度，較低的透明度明顯抑制了浮游植物，尤其是硅藻的生長[35-37]。該水庫水質渾濁，平均水深4.5m，平均透明度僅為5cm，藻體懸浮物的大量附著影響浮游植物的光合作用，直接導致透明度與浮游植物的相關性。浮游植物梅尼小環藻，浮游動物直刺北鏢水蚤Arctodiaptom ussalinus、跨立小劍水蚤Microcyclops varicans和無節幼體在排序圖中位置相近，表現出生態適應上的相似性。它們更適宜氨氮含量較高的環境；浮游動物球形砂殼蟲Difflug iaglobulosa和矩形龜甲輪蟲在排序圖中位置相近，它們更適宜總氮含量較高的生長環境。氮、磷等營養鹽一般通過浮游植物間接影響浮游動物的生長與分布。水體中營養鹽含量的升高勢必引起浮游植物密度的增加，促進浮游動物豐度的增加[38,39]。磷酸鹽含量是影響底棲動物豐度的主要環境因子，底棲動物霍甫水絲蚓、羽搖蚊幼蟲、幽蚊Chaoborus sp.和浮游植物肘狀針桿藻Synedra ulna在排序圖中位置相近。它們與磷酸鹽含量相關性顯著。研究發現，隨著溫度的升高，底棲動物如霍甫水絲蚓的磷酸鹽釋放率逐漸升高[40]。水絲蚓能顯著提高水體營養鹽水平，這些營養鹽被浮游植物利用后會促進浮游植物的生長[41]，而浮游植物是底棲動物的可口餌料，底棲動物與浮游植物的依存關系離不開磷酸鹽等營養鹽濃度的高低變化。

3.3 小結

農業面源污染使莫力達瓦旗某水庫浮游生物和底棲動物物種較單一，優勢種多為耐污種類。多樣性指數分析表明：水庫水環境為α-中度污染。水溫、透明度和磷酸鹽含量是影響莫力達瓦旗某水庫浮游生物和底棲動物群落結構及其分布的主要環境因子。應加強水庫水環境保護工作，防止水庫生態環境進一步惡化，保證呼倫貝爾水資源的合理利用。在農民按照化肥質量標準施肥的基礎上，針對水庫農業面源污染情況，提出以下建議：（1）減少人類活動對沿岸帶的破壞和干擾，阻止泥沙向水庫運動，水庫沿岸開展植被緩沖帶，維系河岸帶植被；（2）根據不同季節水文情況，科學合理調整水庫調度方式；（3）選擇合理方式開展水庫清淤工作，消除水庫的水生態環境潛在威脅。