1. 引言
1.1. 研究背景
浮游动物作为水生生态系统的重要组成部分，在物质循环、能量流动以及食物网调控中发挥着不可替代的作用[1]。它们对环境变化极为敏感，其种群动态与生活史策略常随营养盐水平、温度、种间关系等关键因子的改变而发生显著调整，因此被视为水环境监测与生态健康评估的理想指示生物[2]。在众多环境因子中，磷作为浮游动物生长与繁殖的关键限制性营养元素，其浓度变化直接影响浮游动物的个体发育、繁殖力及种间竞争格局，进而塑造群落结构与生态系统功能[3]-[5]。
当前，随着人类活动影响的加剧，全球范围内水体磷负荷普遍升高，导致水体富营养化现象日益突出，已成为威胁湿地生态健康的主要环境问题之一。在富营养化进程中，磷浓度的升高不仅直接促进藻类增殖，也可能通过“上行效应”影响浮游动物的种群增长与群落组成[6]。然而，磷营养盐对浮游动物的影响并非简单的线性关系，其效应往往与种间竞争、世代传递等多种生物互作过程交织在一起，形成复杂的生态响应网络[7]。尽管已有研究关注磷对浮游动物生长的影响，但多数集中于单一物种或短期暴露效应，对磷与种间竞争共同作用下的响应机制、生活史策略的塑造调整以及种间差异等方面的认识仍较为有限，尤其缺乏在模拟自然群落竞争情境下的长期动态观察[8]。
温州三垟湿地作为典型的浅水湿地生态系统，其浮游动物群落结构具有明显的时空异质性，且受磷等营养盐影响显著。前期野外调查已证实，磷是驱动该湿地浮游动物群落变化的关键因子之一。在此背景下，选择该湿地中常见的两种枝角类浮游动物——角突网纹溞(Ceriodaphnia cornuta)和微型裸腹溞(Moina micrura)作为研究对象，具有典型的区域代表性和生态指示价值。两者在生活史策略、竞争能力与环境适应性上可能存在显著差异，对其响应机制的比较研究有助于揭示湿地浮游动物适应环境变化的生态策略。
因此，本研究旨在通过室内控制实验，系统探究不同磷营养盐梯度下两种溞类的生活史响应及其在竞争条件下的动态变化，特别关注磷与竞争互作对种群增长、繁殖特征、个体发育等方面的跨代效应。该研究不仅可弥补现有研究在复合胁迫与跨代传递方面的不足，也为深入理解湿地浮游动物群落的形成与维持机制提供实验依据。
2. 研究方法
2.1. 实验设计
2.1.1. 竞争培养实验
分别从角突网纹溞(Ceriodaphnia cornuta)和微型裸腹溞(Moina micrura)中筛选100只体型相近的成体个体用于竞争实验，在25℃恒温培养箱中进行扩大培养以消除母体效应。培养期间每日更换50%的培养基，及时清除残体和代谢废物，培养7天后从每个群体中挑选出生时间小于24小时的幼体作为实验对象。
设置5个磷营养盐梯度开展微型裸腹溞(Moina micrura)和角突网纹溞(Ceriodaphnia cornuta)单培养及竞争实验，竞争实验条件设置见表1，每组包含3个重复。
单培处理方式为：从单物种培养群体中随机选取10只体型相近个体，置于装有400 mL新鲜培养液的500 mL烧杯中进行单独培养，每日更换50%培养基。
竞争组处理方式为：对选取的两种浮游动物各取10只个体，混合置于同一500 mL烧杯中培养，培养液添加量与更换频率与单培组一致。培养基更换采用虹吸法操作，每次更换后补充新鲜培养液至400 mL刻度线。实验持续40天，每隔4天进行一次存活个体统计。
首次统计时记录全部存活个体，第二次统计50%培养基中的个体，后续统计20%培养基样本。计数前将培养基充分混匀，定量转移至玻璃培养皿后，依据形态特征(体型、运动模式)在光照条件下分类计数。统计完成后将溞类与培养基回注原培养容器继续培养。
Table 1. Competitive experimental conditions
表1. 竞争实验条件
磷含量(mg/L) |
培养方式 |
物种(n = 3) |
1.55 |
单种培养 |
角突网纹溞 微型裸腹溞 |
混合培养 |
角突网纹溞 + 微型裸腹溞 |
1.0 |
单种培养 |
角突网纹溞 微型裸腹溞 |
混合培养 |
角突网纹溞 + 微型裸腹溞 |
0.5 |
单种培养 |
角突网纹溞 微型裸腹溞 |
混合培养 |
角突网纹溞 + 微型裸腹溞 |
0.05 |
单种培养 |
角突网纹溞 微型裸腹溞 |
混合培养 |
角突网纹溞 + 微型裸腹溞 |
0.00 |
单种培养 |
角突网纹溞 微型裸腹溞 |
混合培养 |
角突网纹溞 + 微型裸腹溞 |
2.1.2. 生命表实验
在实验周期内，分别于第0、10、20、30天从各组平行样本中随机选取4只新生个体(出生时间 < 24小时)，置于10 mL六孔板中，在25℃ ± 1℃恒温条件下培养。培养过程中小球藻浓度维持在0.5 × 106 cells/mL，每日更换50%培养基并同步补充等量新鲜培养基。实验持续10天，每日记录成熟个体存活数及新生幼体数量。在首次繁殖时，对母代个体及其第一胎后代进行形态学测量(体长等参数)，并通过显微镜记录体长数据。
2.2. 测定指标及方法
生命表计算：
特定年龄存活率(lx)：年龄组x起始存活个体比例；
特定年龄繁殖率(mx)：年龄组x个体平均产仔数；
净生殖率(R0)：种群经过一个世代后的净增长率，
；
世代时间(T)：种群中子代从母代出生到子代再产子的平均时间，
。
内禀增长率(rm)：种群在特定实验条件下的最大增长率，
，的精确值是在粗略计算的基础上根据方程
通过设定的程序用试算法在Excel中运算求得。
2.3. 数据分析
本研究使用Excel 2010进行数据整理，统计分析结果使用GraphPad Prism 10.1.2和Origin 23.0进行绘图。
3. 研究结果
3.1. 竞争条件下两种枝角类浮游动物亲代的生活史响应
3.1.1. 竞争条件下角突网纹溞生活史响应
双因素方差分析表明，磷浓度与竞争培养方式对角突网纹溞(Ceriodaphnia cornuta)的多数生活史指标产生了独立或交互的显著影响，揭示了其应对环境压力的复杂策略(表2)。
Table 2. Single-factor ANOVA results on the effect of phosphorus concentration on the life history indicators of parent Ceriodaphnia cornuta in a competition culture experiment
表2. 竞争培养实验中磷浓度对亲代角突网纹溞生活史指标影响的单因素方差分析结果
生活史指标 |
平方和(SS) |
自由度(df) |
均方(MS) |
F值 |
p值 |
内禀增长率(d−1) |
磷浓度 |
0.05994 |
4 |
0.01498 |
5.618* |
0.0124 |
培养方式 |
0.0001605 |
1 |
0.0001605 |
0.06017 |
0.8112 |
磷浓度 * 培养方式 |
0.02903 |
4 |
0.007257 |
2.721 |
0.0908 |
净繁殖率(R0) |
磷浓度 |
84.48 |
4 |
21.12 |
6.027** |
0.0098 |
培养方式 |
10.41 |
1 |
10.41 |
2.971 |
0.1155 |
磷浓度 * 培养方式 |
72.6 |
4 |
18.15 |
5.179* |
0.016 |
世代周期(d) |
磷浓度 |
3.754 |
4 |
0.9385 |
1.202 |
0.3685 |
培养方式 |
3.028 |
1 |
3.028 |
3.878 |
0.0773 |
磷浓度 * 培养方式 |
2.818 |
4 |
0.7046 |
0.9022 |
0.4983 |
平均寿命() |
磷浓度 |
6.492 |
1 |
1.623 |
6.44** |
0.0079 |
培养方式 |
1.352 |
1 |
1.352 |
5.365* |
0.043 |
磷浓度 * 培养方式 |
2.548 |
4 |
0.637 |
2.528 |
0.1068 |
首次繁殖日龄() |
磷浓度 |
1.8 |
4 |
0.45 |
9** |
0.0024 |
培养方式 |
14.45 |
1 |
14.45 |
289*** |
0.0001 |
磷浓度 * 培养方式 |
1.8 |
4 |
0.45 |
9** |
0.0024 |
性成熟体长(μm) |
磷浓度 |
66582 |
4 |
16645 |
49.99*** |
0.0001 |
培养方式 |
1.02 |
1 |
1.02 |
0.0030 |
0.957 |
磷浓度 * 培养方式 |
1827 |
4 |
456.8 |
1.372 |
0.311 |
新生幼体体长(μm) |
磷浓度 |
5636 |
4 |
1409 |
7.339** |
0.005 |
培养方式 |
447.5 |
1 |
447.5 |
2.331 |
0.1578 |
磷浓度 * 培养方式 |
221.3 |
4 |
55.33 |
0.2882 |
0.8791 |
注：显著性水平：*p < 0.05，**p < 0.01，*** p < 0.001。下同。
(1) 种群增长参数
磷浓度对角突网纹溞(Ceriodaphnia cornuta)内禀增长率具有显著的主效应(F (4, 20) = 5.618, p < 0.05)，而竞争的主效应及两者间的交互作用均未达到显著性水平(p > 0.05) (图1(A))。而净繁殖率同时受到磷浓度的显著主效应(F (4, 20) = 6.027, p < 0.01)及磷浓度与竞争的显著交互作用的影响(F (4, 20) = 5.179, p < 0.05) (图1(B))，这表明竞争对繁殖输出的影响依赖于环境磷水平。世代周期则未受磷浓度或竞争的显著影响(p > 0.05) (图1(C))。
Figure 1. The intrinsic growth rate (A), net reproduction rate (B), and age cycle (C) of the parent Ceriodaphnia cornuta under different concentrations of phosphorus nutrients in a competition culture experiment
图1. 竞争培养实验中不同磷营养盐浓度下亲代角突网纹溞的内禀增长率(A)，净繁殖率(B)，世代周期(C)
(2) 个体生存、发育与体型
磷浓度与种间竞争均显著影响角突网纹溞(Ceriodaphnia cornuta)的生存与发育。首次繁殖日龄对磷浓度(F = 9.000, p < 0.01)和竞争(F = 289.000, p < 0.001)均表现出极强的响应，且存在显著的交互作用(F = 9.000, p < 0.01) (图2(A))，表明竞争对生殖启动时间的影响因磷浓度不同而异。平均寿命受到磷浓度(F= 6.440, p < 0.01)与竞争(F= 5.365, p < 0.05)的显著主效应影响，但两者无交互作用(图2(B))。在个体大小方面，性成熟体长与新生幼体体长均仅受磷浓度的显著主效应影响(分别为F = 49.990，p < 0.001；F = 7.339，p < 0.01)，竞争及交互作用均不显著(图2(C)、图2(D))。
Figure 2. The age at first reproduction (A), average lifespan (B)，mature body length (C) and body length (D) of newborn offspring of parent Ceriodaphnia cornuta under different phosphorus nutrient concentrations in a competition culture experiment
图2. 竞争培养实验中不同磷营养盐浓度下亲代角突网纹溞的首次繁殖日龄(A)，平均寿命(B)，性成熟体长(C)，新生幼体体长(D)
3.1.2. 竞争条件下微型裸腹溞生活史响应
双因素方差分析结果表明，竞争培养方式对微型裸腹溞(Moina micrura)的多数关键生活史指标产生了主导性影响，而磷浓度的效应相对较弱，且两者在部分指标上表现出显著的交互作用(表3)。
Table 3. Single-factor ANOVA results on the effect of phosphorus concentration on the life history indicators of parent Moina micrura in a competition culture experiment
表3. 竞争培养实验中磷浓度对亲代微型裸腹溞生活史指标影响的单因素方差分析结果
生活史指标 |
平方和(SS) |
自由度(df) |
均方(MS) |
F值 |
p值 |
内禀增长率(d−1) |
磷浓度 |
0.01848 |
4 |
0.004619 |
3.29 |
0.0576 |
培养方式 |
0.0462 |
1 |
0.0462 |
32.9*** |
0.0002 |
磷浓度 * 培养方式 |
0.01527 |
4 |
0.003819 |
2.72 |
0.0909 |
净繁殖率(R0) |
磷浓度 |
121.5 |
4 |
30.38 |
3.466 |
0.0504 |
培养方式 |
271.9 |
1 |
271.9 |
31.02*** |
0.0002 |
磷浓度 * 培养方式 |
158.4 |
4 |
39.6 |
4.519* |
0.0242 |
世代周期() |
磷浓度 |
2.203 |
4 |
0.5506 |
1.113 |
0.4028 |
培养方式 |
3.199 |
1 |
0.7998 |
1.617 |
0.2447 |
磷浓度 * 培养方式 |
0.2318 |
4 |
0.2318 |
0.4687 |
0.5091 |
平均寿命() |
磷浓度 |
1. 48 |
4 |
0.37 |
0.6229 |
0.6567 |
培养方式 |
0.002 |
1 |
0.002 |
0.003367 |
0.9549 |
磷浓度 * 培养方式 |
2.168 |
4 |
0.542 |
0.9125 |
0.4932 |
首次繁殖日龄() |
磷浓度 |
1.3 |
4 |
0.325 |
2.167 |
0.1466 |
培养方式 |
1.25 |
1 |
1.25 |
8.333* |
0.0162 |
磷浓度 * 培养方式 |
2.5 |
4 |
0.625 |
4.167* |
0.0306 |
性成熟体长(μm) |
磷浓度 |
209179 |
4 |
52295 |
5.497* |
0.0132 |
培养方式 |
25713 |
1 |
25713 |
2.703 |
0.1312 |
磷浓度 * 培养方式 |
66606 |
4 |
16651 |
1.75 |
0.2153 |
新生幼体体长(μm) |
磷浓度 |
35625 |
4 |
8906 |
17.9*** |
0.0001 |
培养方式 |
11786 |
1 |
11786 |
23.68*** |
0.0007 |
磷浓度 * 培养方式 |
70122 |
4 |
17530 |
35.23*** |
0.0001 |
(1) 种群增长参数
竞争对微型裸腹溞(Moina micrura)的种群增长表现出强烈的抑制效应。微型裸腹溞(Moina micrura)的内禀增长率(F = 32.9, p < 0.001)和净繁殖率(F = 31.02, p < 0.001)均受到竞争的极显著主效应抑制，而磷浓度的主效应及交互作用均未达显著性水平(图3(A))。同时净繁殖率受到磷浓度与竞争的显著交互作用的影响(F = 4.519, p < 0.05) (图3(B))，表明竞争对其繁殖力的影响程度依赖于环境磷水平。世代周期未受任一因子或其交互作用的显著影响(图3(C))。
(2) 个体发育与体型
在发育时间上，首次繁殖日龄受到竞争的显著主效应影响(F = 8.333, p < 0.05)，且存在显著的交互作用(F = 4.167, p < 0.05) (图4(A))，表明竞争对生殖启动时间的影响因磷浓度不同而异。平均寿命则未受磷浓度或竞争的显著影响(图4(B))。在个体大小方面，性成熟体长主要受磷浓度的显著主效应影响(F = 5.497, p < 0.05) (图4(C))。与之形成鲜明对比的是，新生幼体体长同时受到磷浓度(F = 17.9, p < 0.001)与竞争(F = 23.68, p < 0.001)的极显著主效应影响，并且两者之间存在极显著的交互作用(F = 35.23, p < 0.001) (图4(D))，表明亲代所处环境共同决定了后代的初始大小。
Figure 3. The intrinsic growth rate (A), net reproduction rate (B), and age cycle (C) of the parent Moina micrura under different concentrations of phosphorus nutrients in a competition culture experiment
图3. 竞争培养实验中不同磷营养盐浓度下亲代微型裸腹溞的内禀增长率(A)，净繁殖率(B)，世代周期(C)
Figure 4. The age at first reproduction (A), average lifespan (B), mature body length (C) and body length (D) of newborn offspring of parent Moina micrura under different phosphorus nutrient concentrations in a competition culture experiment
图4. 竞争培养实验中不同磷营养盐浓度下亲代微型裸腹溞的(A) 首次繁殖日龄，(B) 平均寿命，(C) 性成熟体长，(D) 新生幼体体长
图5展示了不同磷浓度条件下角突网纹溞(Ceriodaphnia cornuta)和微型裸腹溞(Moina micrura)在单独培养与竞争培养中的最大种群密度变化，在单培养条件下，角突网纹溞(Ceriodaphnia cornuta)的最大种群密度随磷浓度的升高呈现明显上升趋势，在磷浓度达到较高水平(如2.0 mg/L)时，其种群密度接近15,000 ind./L，表明磷营养盐对其种群增长具有显著促进作用。而在与微型裸腹溞(Moina micrura)共培养的条件下，角突网纹溞(Ceriodaphnia cornuta)在各磷浓度下的最大种群密度均低于单独培养，尤其在低磷条件下(如0.5 mg/L)下降更为明显，说明种间竞争显著限制了种群增长。
微型裸腹溞(Moina micrura)在单独培养时亦表现出随磷浓度升高种群密度增加的趋势，在磷浓度为0.05 mg/L时达到约12,000 ind./L。然而，在竞争条件下，其种群密度整体低于单培组，尤其在中等磷浓度(如1.0 mg/L)下下降幅度较大，反映其在与角突网纹溞(Ceriodaphnia cornuta)的种间竞争过程中受到明显制约。
综上，磷营养盐水平对两种枝角类的种群增长均具有重要影响，高磷环境有利于其种群发展；同时，种间竞争显著限制了两者在各磷水平下的最大种群密度，表明在资源有限条件下竞争关系对种群动态具有关键调控作用。
Figure 5. Maximum population density of Ceriodaphnia cornuta (A) and B Moina micrura (B) in monoculture and competitive culture experiments under different phosphorus nutrient concentrations
图5. 不同磷浓度条件下，单培和竞争培养实验中角突网纹溞 (A)和微型裸腹溞 (B) 的最大种群密度
4. 结论与建议
4.1. 总结
本研究以温州三垟湿地为背景，采用野外试验和室内实验方法，探究了浮游动物群落时空分布特征及环境因子对浮游动物群落结构的影响。基于野外试验结果，选取角突网纹溞(Ceriodaphnia cornuta)和微型裸腹溞(Moina micrura)作为室内实验受试生物，通过开展室内模拟实验，探究了不同磷营养盐浓度及种间竞争对两种溞生活史策略的影响。主要结论如下：
(1) 磷营养盐的影响存在显著物种差异
高磷环境显著促进角突网纹溞体长增长与净繁殖率提升，表现出典型的“资源促进型”响应。而微型裸腹溞(Moina micrura)子代的新生幼体体长始终对磷浓度极为敏感，而亲代的体长仅在后期才受显著影响。此种结果表明，在资源受限时，亲代采取了一种“优先后代质量”的适应策略[9]，即将有限资源优先用于保障后代的初始竞争能力(较大的幼体通常具有更高的存活率)，而相对牺牲了自身的躯体生长。这种策略在波动环境中可能具有进化优势。
此外，在当前繁殖与未来生存/繁殖的权衡上，竞争压力下的子代普遍表现出首次繁殖日龄推迟和内禀增长率下降。这符合生命史理论中的“赌徒原理”，在预期死亡率高(竞争激烈)的环境中，生物体倾向于延迟繁殖并将能量用于维持生存，以待更佳时机[10]。然而，这种策略的代价是降低了种群的内禀增长能力，这或许可以解释为何在竞争培养中，微型裸腹溞(Moina micrura)的种群数量增长往往受限。
(2) 种间竞争对不同物种的影响强度不同
角突网纹溞在竞争条件下主要表现为首次繁殖延迟与平均寿命缩短，竞争效应依赖磷水平。而微型裸腹溞对竞争更为敏感，竞争显著抑制其内禀增长率与净繁殖率，尤其在中等磷浓度下抑制效应最强。
(3) 磷与竞争具有交互作用
两种溞的净繁殖率、首次繁殖日龄等指标均表现出显著的“磷 × 竞争”交互效应，说明环境磷水平调节了种间竞争的强度与方向。
(4) 种群密度受磷与竞争共同调控
高磷条件下两种溞在单培养中种群密度均显著上升；而竞争条件下两者种群密度普遍下降，角突网纹溞在低磷环境中受竞争抑制更明显。
综上，本研究采用室内实验方法，揭示了单一磷营养盐因子及其与种间竞争交互作用对浮游动物生活史的影响机制，为湿地水质管理和生物多样性保护提供了重要的理论支持。
4.2. 展望
本研究分析了不同磷营养盐条件下角突网纹溞(Ceriodaphnia cornuta)和微型裸腹溞(Moina micrura)单独培养时的增长规律及竞争培养时的竞争关系。根据实验结果，未来的研究可以从以下几个方面展开：
(1) 多营养盐交互与环境因子耦合研究：后续研究可结合温度、光照等环境因子与氮营养盐、磷营养盐等营养盐的交互作用，探究多因子耦合条件下浮游动物种群动态变化规律及生活史策略，为真实水生态系统中浮游动物群落演替研究提供支撑。
(2) 浮游动物种群增长机制的微观与分子层面解析：可深入开展生理生化及分子机制研究，例如分析不同磷营养条件下两种溞类的代谢产物差异、抗氧化系统响应及营养吸收相关基因的表达规律，从微观层面揭示竞争优势的内在调控机制。
(3) 外源添加磷元素不仅可以直接影响浮游动物的生长及发育过程，还会通过影响食物质量间接影响浮游动物[3]，因此后续应重点聚焦水体磷添加实验中“溶解磷环境”与“食物磷质量”的独立及交互影响机制。例如，采用不同磷浓度预培养藻类作为食物来源，系统量化溶解态磷对水体环境的直接作用与藻类磷含量(食物磷质量)对浮游动物的间接作用，明确二者在水体生态过程(如浮游生物生长、群落结构变化)中的差异化贡献；为水体磷循环相关研究的实验设计优化和结论严谨性提升提供理论支撑与实践参考。