硬头河特有鱼类国家级水产种质资源保护区浮游生物群落结构及水质评价

The Plankton Community Structure and Water Quality Assessment in Yingtou River National Aquatic Germplasm Resources Reserve

摘要: 为了解硬头河特有鱼类国家级水产种质资源保护区浮游生物群落结构和水生态环境质量，于2023年8月对硬头河保护区的水体理化性质和浮游生物群落结构及水质健康状况进行了调查，通过对浮游植物和浮游动物的种类组成、丰度、生物量以及多样性指数等方面的研究，评估了该区域水质及生态健康状况。结果表明，调查期间硬头河保护区共监测到浮游植物6门16目24科37属50种，其中硅藻门和绿藻门为主要类群。监测到浮游动物3类27种，浮游动物群落以轮虫和原生动物为主。根据单因子评价和浮游生物多样性指数，硬头河保护区水质处于II类水平，为β-中污型到寡污型河流，水体营养类型为中–富营养型水体。冗余分析(RDA)结果显示：溶氧(DO)、流速和水温是影响硬头河保护区浮游生物群落结构的主要环境因子。本研究为硬头河保护区水生态环境的监测和保护提供了基础依据。

Abstract: To understand the plankton community structure and the quality of the aquatic ecological environment in the Yingtou River National Aquatic Germplasm Resources Reserve, investigations on water physical-chemical properties, plankton community structure, and water quality health status were conducted in the Yingtou River Reserve in August 2023. Through studies on the species composition, abundance, biomass, and diversity indices of phytoplankton and zooplankton, the water quality and ecological health of the area were evaluated. Results showed that during the investigation, 50 phytoplankton species (belonging to 37 genera, 24 families, 16 orders, and 6 phyla) were monitored in the Yingtou River Reserve, with Bacillariophyta and Chlorophyta as the dominant groups. For zooplankton, 27 species from 3 categories were recorded, and the zooplankton community was dominated by rotifers and protozoa. Based on single-factor evaluation and plankton diversity indices, the water quality of the Yingtou River Reserve reached Class II level, classified as a β-mesosaprobic to oligosaprobic river, with a mesotrophic to eutrophic nutrient type. The results of redundancy analysis (RDA) showed that dissolved oxygen (DO), flow velocity, and water temperature are the main environmental factors affecting the plankton community structure in the Yingtou River Reserve. This study provides a fundamental basis for monitoring and protecting the aquatic ecological environment of the Yingtou River Reserve.

1. 引言

河流生态系统是动态、连续和开放的自然生态系统，为人类提供了丰富的物质资源和生存环境[1]。河流受到人类活动不同程度的干扰，导致了水污染、水文情势改变等生态环境问题，使河流生态系统成为受人类影响最严重的生态系统之一[2]。开展河流生态健康监测和水质评价，是治理水体污染和保护水环境的前提和基础[3]。传统的水质评价方法以水体理化指标作为核心参数，能够直接反映出水体的营养状况和受污染程度[4]-[6]，该方法反映的是水体瞬时的营养状况，难以有效持续地评估污染物和水环境之间的累积作用[7]。浮游生物是水生生态系统中广泛存在的生物组成部分，能够对水体环境的变化做出迅速的响应，对维持水生生态系统的结构和功能具有重要作用[8]，其在水生生态系统中的群落结构和现存量是评价水体营养类型的重要指标，能够一定程度地反映水质好坏，可作为水体健康状态的指示生物，也被广泛应用于各个流域[9]-[11]。因此，开展对浮游生物的研究对河流水质健康评价具有重要意义。

硬头河特有鱼类国家级水产种质资源保护区(下称“硬头河保护区”)位于广元市昭化区段，于2011年6月设立，全长70公里。硬头河保护区是嘉陵江水系的重要支流，在长江上游重要水生动物及其生境多样性保护上具有非常重要的地位。近些年来，保护区受到人类活动影响较大，影响到保护区水生态环境，亟需对保护区水生生物资源及水质健康状态进行调查和评估。因此，本研究基于对硬头河保护区水体理化指标测定和浮游生物资源调查的数据，分析其群落结构及优势种，探讨硬头河保护区浮游生物的多样性，并依据多样性指数对硬头河保护区水质健康状态进行评价。

2. 材料与方法

2.1. 采样点设置

本研究于2023年8月进行浮游生物调查和采集。参照《淡水浮游生物调查技术规范》，为了确保样本的代表性，结合硬头河保护区的水域环境特点和工程分布情况，在硬头河保护区分别设置了4个采样点，并详细记录了各采样点的位置信息(见表1)。

Table 1. Geographical locations of sampling sites in the reserve

表1. 保护区采样点地理位置

采样点	经度	纬度
采样点1	105˚53'41.6940"	32˚14'53.7576"
采样点2	105˚53'35.7468"	32˚14'32.1144"
采样点3	105˚54'35.7120"	32˚16'13.3320"
采样点4	105˚53'2.7060"	32˚13'37.3620"

2.2. 水体理化指标测定

本次调查的水体理化指标共5项，在采样现场使用便携式溶解氧测定仪(HACH-HQ4200)测定pH、水温、溶解氧和电导率，使用流速仪(LS300-A)测水体流速定。

2.3. 浮游生物采集和鉴定

浮游生物的采集按照《河流水生生物调查指南》《淡水浮游生物研究方法》和《内陆浮游生物多样性调查与评估技术规定》进行。浮游生物的采集包括定性采集和定量采集。

浮游植物定性和定量采集：浮游植物的定性采集使用25#浮游生物网(孔径0.064 mm)在每个采样点水面下0.5 m水深匀速按照“∞”字形循环拖拽5 min，经清洗后装入定性样品瓶中，加入水样体积1.5%的鲁哥氏液进行固定；定量采集使用采水器在不同水层采集等量的水样混合，然后取1L的混合水样储存于定量样品瓶中，加入固定液，在实验室浓缩后进行镜检。浮游植物参考《中国淡水藻类：系统、分类及生态》[12]在显微镜下进行计数和鉴定。

浮游动物定性和定量采集：浮游动物的定性采集与浮游植物采集方式一致，定量采集使用采水器在水深0.5 m处采集水样10 L，通过25 #浮游生物网过滤浓缩后装入定量样品瓶中，加入水样体积5%的甲醛溶液进行固定，带回实验室进行镜检。浮游动物参考《中国淡水生物图谱》[13]在显微镜下进行计数和鉴定。

2.4. 数据统计与分析

2.4.1. 浮游生物及着生藻类丰度和生物量

浮游植物丰度计算公式如下：

$\begin{array}{c}N=\frac{Cs}{Fs\times Fn}\times \frac{V}{v}\times Pn\end{array}$ (1)

式中：N为1升水样中浮游植物的数量(ind/L)；Cs为计数框的面积(mm²)；Fs为视野面积(mm²)；Fn为每片计数过的视野数；V为1升水样经浓缩后的体积(mL)；v为计数框的容积(mL)；Pn为浮游植物计数所得个体数(ind.)。

浮游动物丰度计算公式如下：

$\begin{array}{c}N=\frac{n\times V1}{C\times V}\end{array}$ (2)

式中：N为1 L水中浮游动物的数量(ind./L)；V1为样品浓缩后的体积(mL)；V为采样体积(L)；C为计数样品体积(mL)；n为计数所获得的个数(ind.)。

浮游生物的生物量计算采用体积换算法，根据不同种类的体形，按最近似的几何体形测量其体积，换算成生物量(设比重为1) [14]。

2.4.2. 优势度及多样性指数

采用优势度指数(Y)来描述浮游生物优势度，Y > 0.02定义为优势种。采用Shannon-Wiener多样性指数(H')、Margalef丰富度指数(D)以及Pielou均匀度指数(J)来评价浮游生物物种多样性[8] [14] [15]。具体计算公式如下：

优势度指数(Y)：

$\begin{array}{c}Y=\left(\frac{n_i}{N}\right)\times f_i\end{array}$ (3)

Shannon-Wiener多样性指数(H')：

$\begin{array}{c}{H}^{\prime }=-{\displaystyle \sum }_{i=1}^S\left[\frac{n_i}{N}\times \ln \frac{n_i}{N}\right]\end{array}$ (4)

Margalef丰富度指数(D)：

$\begin{array}{c}D=\frac{S-1}{\ln N}\end{array}$ (5)

Pielou均匀度指数(J)：

$\begin{array}{c}J=H^{\prime }/{\log }_{2}S\end{array}$ (6)

式中：S代表浮游生物总物种数；N代表所有物种总个体数；n_i代表第i种的个体数；f_i第i种生物在各样点的出现频率。

使用Excel对数据进行统计和处理，采用Origin 2024进行绘图。

2.4.3. RDA分析

采用R语言Vegan包对浮游生物优势种丰度和环境因子进行排序分析。由于去趋势分析(DCA)结果前四轴小于4，因此选择冗余分析(RDA)来探讨浮游生物优势种与环境因子的关系。在进行RDA分析之前，首先对浮游生物优势种丰度数据进行Hellinger转换，对环境因子进行l g转换。

2.4.4. 水质评价标准

Table 2. Water body nutrient type

表2. 水体营养类型

营养类型	贫营养	贫中营养	中营养	富营养	极富营养
浮游植物优势种	金藻	甲藻	硅藻	硅藻、蓝藻	绿藻、裸藻

Table 3. Water quality evaluation criteria for diversity index

表3. 多样性指数的水质评价标准

多样性指数	重污型	α-中污型	β-中污型	寡污型	无污型
Shannon-Wiener多样性指数	<1	1~<2	2~<3	3~<4	≥4
Pielou均匀度指数	<0.3	0.3~<0.4	0.4~<0.5	0.5~<0.8	0.8~<1.0
Margalef丰富度指数	<1	1~<2	2~<3	3~<4	≥4

根据浮游植物优势种来判断调查样点的营养状态[14]，营养状态与浮游植物优势种的对应关系见表2；水质污染情况采用多样性指数进行评价[16]，多样性指数与水质污染情况对应关系见表3。

3. 结果与分析

3.1. 硬头河保护区浮游生物群落结构

3.1.1. 物种组成及优势种

硬头河保护区共采集到浮游植物6门16目24科37属50种。其中，硅藻门最多，为25种，占比为50%；其次为绿藻门14种，占比为28%；隐藻门最少仅1种，占比为2%。各采样点浮游植物组成和种类数各不相同，采样点2采集的浮游植物种类数最多，采样点1采集到浮游植物最少(图1(a))。采集到浮游动物27种。其中，轮虫种类数最多，为12种，占比为44.44%；其次为原生动物8种，占比为29.63%；桡足类最少仅2种，占比为7.41%。各采样点浮游动物物组成和种类数也各不相同，采样点2采集的浮游动物种类数最多，采样点1采集到浮游动物最少(图1(b))。

Figure 1. Variations in plankton species richness across different sampling sites

图1. 不同采样点浮游生物种类数变化

3.1.2. 优势种

在不同采样点，硬头河保护区浮游生物优势种存在差别(表4、表5)。采样点1浮游植物优势种有8种，主要优势种类群为硅藻门，水体营养类型为中营养型；采样点2浮游植物优势种有5种，主要优势种类群为硅藻门，水体营养类型为中营养型；采样点3浮游植物优势种有10种，主要优势类群为硅藻门和绿藻门，水体营养类型为中–富营养型；采样点4浮游植物优势种有11种，主要优势类群为硅藻门和绿藻门，水体营养类型为中–富营养型。采样点1浮游动物优势种有5种，主要优势种类群为轮虫；采样点2、采样点3和采样点4浮游动物优势种有6种，主要优势种类群为原生动物。

从浮游生物优势种的空间变化可以看出，硬头河保护区浮游生物优势种组成的空间差异较大，只有舟形藻(Navicula sp.)、小环藻(Cyclotella sp.)在所有采样点中都为优势种。

3.1.3. 丰度和生物量

硬头河保护区浮游植物总丰度为11.96 × 10⁴ ind./L，各门类丰度变化范围为0.05 × 10⁴ ind./L~6.99 × 10⁴ ind./L，浮游植物总生物量为1.05596 mg/L，各门类生物量变化范围为0.00068 mg/L~0.59478 mg/L (图2(a))。浮游动物总丰度为3.76 × 10⁴ ind./L，各门类丰度变化范围为0.16 × 10⁴ ind./L~1.82 × 104 ind./L，浮游动物总生物量为12.53549 mg/L，各门类生物量变化范围为0.72578 mg/L~5.28190 mg/L (图2(b))。

Table 4. Dominant species and dominance degree of plankton in Yingtou River Reserve

表4. 硬头河保护区浮游生物优势种及优势度

门/类	物种	优势度
		采样点1	采样点2	采样点3	采样点4
硅藻门	谷皮菱形藻(Nitzschia palea)	0.024
	埃伦桥弯藻(Cymbella ehrenbergii)	0.097
	舟形藻(Navicula sp.)	0.194	0.167	0.224	0.111
	意大利直链藻(Melosira italica)	0.065
	小环藻(Cyclotella sp.)	0.097	0.2	0.176	0.159
	扁圆卵形藻(Cocconeis placentula)		0.038	0.035
	变异直链藻(Melosira varians)		0.025
	强壮短缝藻(Eunotia arcus)				0.06
	短纹异极藻(Gomphonema abbreviatum)			0.024
裸藻门	颗粒囊裸藻(Trachelomonas granulate)	0.024		0.035
	扁裸藻(Phacus sp.)	0.024
	梭形裸藻(Euglena acus)				0.032
绿藻门	小球藻(Chlorella vulgaris)			0.035	0.024
	卷曲纤维藻(Ankistrodesmus convolutes)				0.024
	具孔衣藻(Chlamydomonas pertusa)	0.105		0.035	0.036
	近缘鼓藻(Cosmarium connatum)			0.079	0.036
	三叶四角藻(Tetraedron trilobulatum)				0.048
	水绵(Spirogyra sp.)			0.024	0.024
蓝藻门	铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)		0.05	0.026	0.024
原生动物	淡水薄铃虫(Leprotintinnus fluviatile)	0.038
	紫晶喇叭虫(Stentor amethystinus)		0.161	0.125	0.094
	天蓝喇叭虫(Stentor coeruleus)		0.054	0.056
	大草履虫(Paramecium caudatum)		0.054	0.042	0.141
	瘤棘砂壳虫(Diffugia tuberspinifera)			0.083
	冠砂壳虫(Difflugia corona)			0.111	0.031
	凹褶喇叭虫(Buccinosphaera invaginate)				0.063
轮虫	裂痕龟纹轮虫(Anuraeopsis fissa)	0.058
	纤巧异尾轮虫(Trichocerca tenuior)	0.038
	角突臂尾轮虫(Brachionus angularis)	0.038	0.036
	截头皱甲轮虫(Ploesma truncatum)	0.038
	等刺异尾轮虫(Trichocerca similis)		0.027
	懒轮虫(Rotaria tardigrada)			0.042
枝角类	蚤状溞(Daphnia pulex)				0.063
	老年低额溞(Simocephalus Vetulus)		0.036
桡足类	无节幼体(Nauplii)				0.031

Table 5. Physical and chemical indexes of water bodies at each sampling point

表5. 各采样点水体理化指标

	采样点1	采样点2	采样点3	采样点4
水温℃	26.5	25.2	27.2	31.1
溶解氧mg/L	7.75	7.65	6.14	5.6
电导率us/cm	7.6	0.4	0.1	3.5
PH	6.42	6.55	6.55	6.5
流速m/s	0.6	0.4	0.3	0.3

Figure 2. The abundance and biomass of plankton in Yingtou River Reserve

图2. 硬头河保护区浮游生物丰度和生物量

3.2. 硬头河保护区浮游生物多样性及水质评价

3.2.1. 水体理化性质

硬头河保护区4个采样点的水体理化指标的结果如表5所示。根据地表水环境质量标准(GB 3838-2002)，采样点1和采样点2溶解氧符合I类标准，采样点3符合II类标准，采样点4符合III类标准。总体而言，硬头河保护区水质在单因子评价体系下满足II类水质标准。

3.2.2. 浮游生物多样性指数及水质评价

硬头河保护区各采样点浮游植物的Shannon-Wiener多样性指数(H')均值为3.04 (2.79~3.20)，指示水质处于β-中污型至寡污型，其中采样点1为β-中污型，其余采样点为寡污型；Pielou均匀度指数(J)均值为0.65 (0.64~0.66)，各点水质类型均为寡污型；Margalef丰富度指数(D)均值为6.24 (5.24~7.33)，各点水质类型均为无污型(表6)。各采样点浮游动物的Shannon-Wiener多样性指数(H')均值为2.09 (1.96~2.32)，指示水质处于α-中污型至β-中污型，采样点1、2为β-中污型，采样点3、4为β-中污型；Pielou均匀度指数(J)均值为0.65 (0.65~0.66)，各点水质类型为寡污型；Margalef丰富度指数(D)均值为2.84 (2.42~3.30)，水质处于β-中污型至寡污型，其中采样点3、4为β-中污型，其余为寡污型(表6)。总体来看，各采样点浮游动物多样性指数低于浮游植物，综合浮游生物多样性评价硬头河保护区水质为β-中污型至寡污型。

3.3. 硬头河保护区浮游生物群落结构和环境因子的关系

对硬头河保护区浮游生物优势种的RDA分析表明(图3)，环境因子对浮游生物群落结构的解释率为68.83%。水温、流速和溶解氧等环境因子对浮游生物的影响较大，如水绵、卷曲纤维藻、桡足类无节幼体、蚤状溞等与水温；舟形藻属、淡水薄铃虫等与流速；扁裸藻、异尾轮虫属与溶解氧呈正相关。

Table 6. The biodiversity index of plankton in Yingtou River Reserve

表6. 硬头河保护区浮游生物多样性指数

采样点	浮游植物			浮游动物
	H'	D	J	H'	D	J
采样点1	2.79	5.24	0.66	2.1	3.12	0.66
采样点2	3.2	7.33	0.65	2.32	3.3	0.65
采样点3	3.04	5.85	0.64	1.96	2.42	0.65
采样点4	3.12	6.52	0.65	1.96	2.52	0.65

注：Nit谷皮菱形藻Nitzschia palea；Cym埃伦桥弯藻Cymbella ehrenbergii；Gom短纹异极藻Gomphonema abbreviatum；Nav舟形藻属Navicula；Mel意大利直链藻Melosira italica；Cyc小环藻属Cyclotella；Coc扁圆卵形藻Cocconeis placentula；Eun强壮短缝藻Eunotia arcus；Pha扁裸藻Phacus sp.；Tra颗粒囊裸藻Trachelomonas granulate；Eug梭形裸藻Euglena acus；Chl小球藻Chlorella vulgaris；Tet三叶四角藻Tetraedron trilobulatum；Ank卷曲纤维藻Ankistrodesmus convolutes；Chl具孔衣藻Chlamydomonas pertusa；Cos近缘鼓藻Cosmarium connatum；Spi水绵Spirogyra sp.；Mic铜绿微囊藻Microcystis aeruginosa；Lep淡水薄铃虫Leprotintinnus fluviatile；Ste喇叭虫属Stentor；Par大草履虫Paramecium caudatum；Dif砂壳虫属Difflugia；Buc凹褶喇叭虫Buccinosphaera invaginate；Tri异尾轮虫属Trichocerca；Anu裂痕龟纹轮虫Anuraeopsis fissa；Plo截头皱甲轮虫Ploesma truncatum；Bra角突臂尾轮虫Brachionus angularis；Rot懒轮虫Rotaria tardigrada；Sim老年低额溞Simocephalus Vetulus；Dap蚤状溞Daphnia pulex；Nau无节幼体Nauplii。

Figure 3. RDA of dominant plankton species and environmental factors

图3. 浮游生物优势种与环境因子的RDA分析

4. 讨论

4.1. 硬头河保护区浮游生物群落结构

浮游植物是水生态系统中的生产者，浮游动物是水生态系统中的初级消费者，二者对水体变化反应迅速，对水环境中的变化敏感，因此其群落分布能指示水质的状况[17]。本研究中，硅藻门和绿藻门是硬头河保护区浮游植物的主要优势类群，分别占50%和28%。这与同为山区河流的唐家河的浮游植物组成相似[3]。在不同的营养类型的水体中，浮游物种的组成及优势种群存在差异。如中营养型湖泊长江河上游以硅藻门和绿藻门为主要优势类群[8]，而接近富营养型水体的东江源以蓝藻门为浮游植物主要优势种[18]。本研究中，硬头河保护区浮游植物优势种主要类群为硅藻门，绿藻门次之，表明硬头河保护区水体为中–富营养型水体，为避免出现富营养化，应及时对保护区水环境进行管理和保护。本研究调查到的浮游动物群落结构相对简单，其中轮虫种类数最多占浮游动物总物种数的44.44%，原生动物次之，占浮游动物总物种数的29.63%，这与国内大部分河流相似[10] [14] [19]。从优势种来看，砂壳虫属和异尾轮属等耐污性较差物种的存在，反映出硬头河保护区水质状况较好。

4.2. 影响浮游生物群落结构的环境因子

研究发现溶解氧、pH、总氮、高锰酸盐指数、生物需氧量、温度等水体理化指标是影响浮游生物群落结构的主要因素[18]。RDA分析结果显示：水温、溶解氧和流速等环境因子对硬头河保护区浮游生物群落结构具有重要影响。溶解氧是衡量水体自净能力的指标之一，浮游植物通过光合作用成为水体溶解氧的主要来源[20]，因此溶解氧与浮游植物丰度呈正相关。而溶解氧是影响浮游动物群落结构的重要环境因子，溶解在水体中的氧含量为浮游生物生命活动所需[19]。有研究表明溶解氧的降低会导致轮虫密度下降[9]，这在本研究中也能体现，采样点4的溶解氧最低，轮虫密度也最低。轮虫的数量高峰一般在20℃以上的水体中[21]，大多数原生动物适宜的PH为6.6~7.5，在微碱性或碱性的水体中轮虫较少[22]。本次调查期间，保护区水温为25℃~31℃，PH为6.4~6.5，溶解氧为5.6~7.7，属于原生生物和轮虫适宜生存的环境。因此，硬头河保护区原生动物和轮虫的占比较高。

4.3. 硬头河保护区水质评价

本研究调查期间多数采样点的Shannon-Wiener指数较高，意味着浮游生物群落结构较复杂，水生态系统稳定性较强[8]。从硬头河保护区水体理化指标来看，保护区水质整体较好，符合II类水质标准。不同采样点水体理化指标的测定结果表明，采样点1、2的溶解氧含量显著高于采样点3、4，这一差异成为影响不同采样点浮游生物群落结构的重要环境因子之一。依据浮游生物多样性指数评价结果显示，采样点1与采样点2呈现寡污型水体特征，而采样点3和采样点4表现为β-中污型水体。进一步分析发现，采样点3、4所处水域为保护区防洪治理工程以及排污口影响区域，工程施工期间改变河道形态和生境，导致河流几近断流，生活污水的排放致使水体理化性质改变，进而对浮游生物生存产生不利影响。总体来说，根据水体理化指标的单因子评价法硬头河保护区整体处于II类水质水平。依据浮游生物多样性指数表明，硬头河保护区水质为β-中污型至寡污型。因此，对于硬头河保护区的保护应重点关注工程建设及污水排放的影响。针对保护区防洪治理工程，合理规划施工流程，避免河道长时间断流；对生活污水进行集中处理，确保生活污水达标排放；针对水体中–富营养化状况，定期监测氮、磷等营养盐指标，采取生态修复措施。