陳輝煌，王文平，薛媛媛，高肖飛，金 磊，楊 軍**

(1：中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所，城市環(huán)境與健康重點實驗室，福建省流域生態(tài)重點實驗室，水生態(tài)健康研究組，廈門 361021)

(2：中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

目前，我國是世界上水庫數(shù)量最多的國家，隨著城鎮(zhèn)化進程的加快和地下水的短缺，越來越多的水庫被選為城鎮(zhèn)供水水源地[1-3]. 作為飲用水水源地的水庫，管理者對水庫采取魚類養(yǎng)殖限制或禁止措施，加之水庫水體較深、水位波動較大，導(dǎo)致深水水庫缺少底棲動物、挺水和沉水植物，因此，浮游生物成為水庫生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分.

淡水浮游生物包括細(xì)菌、浮游植物(藻類)、微型動物等，是生態(tài)和進化地位都十分重要、獨特、多樣的類群. 它們既是水生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)者、也是消費者和分解者，在物質(zhì)循環(huán)、污染物降解和水體自凈等方面發(fā)揮基礎(chǔ)和關(guān)鍵作用[2-3]. 后生浮游動物一方面以懸浮物為食，另一方面又是魚類和其他高等水生動物的天然餌料[4]. 浮游動物群落組成和種群生長受多種因素影響，除了魚類捕食壓力外[5]，還容易受食物的影響[6-8]. 食物的種類[9]、質(zhì)量[10]和大小[11-12]對浮游動物種群動態(tài)具有一定的影響，浮游生物生態(tài)模型(plankton ecology group model)中強調(diào)了食物質(zhì)量對后生浮游動物的重要性. 食物質(zhì)量包括了化學(xué)計量組成、生物化學(xué)成分和食物的形態(tài)特征[6]. 溫度也是影響浮游動物選擇性攝食食物的主要原因，研究發(fā)現(xiàn)浮游動物在高溫條件下偏好攝食碳含量高的自養(yǎng)生物，低溫條件下偏好攝食異養(yǎng)生物[13]. 此外，水位波動[14]、氣象和水文的組合干擾[15]影響浮游植物的生物量和群落組成，浮游植物會顯著影響到浮游動物群落結(jié)構(gòu)[16]. 因此，后生浮游動物群落結(jié)構(gòu)與動態(tài)受多重因素的影響，本研究擬探討食物質(zhì)量和食物濃度對浮游動物的影響.

溪東水庫是廈門市重要的供水水庫，2014年10月水庫曾發(fā)生藍藻(微囊藻)水華. 水庫藍藻水華促進底層水體厭氧氨氧化菌豐度的顯著增加，隨著藍藻水華的消亡，水庫的水質(zhì)逐漸恢復(fù)[17]. 藍藻水華期間自由生浮游細(xì)菌的抗生素抗性基因比非水華期間的豐度低[18]. 藍藻水華也顯著改變了真核浮游微生物的群落組成[19]. 水華期和水華消退后的水庫后生浮游動物群落組成在時空上是否發(fā)生變化？食物質(zhì)量(水體碳磷比、氮磷比)如何影響到浮游動物？食物濃度(細(xì)菌豐度、浮游植物生物量)如何影響浮游動物？針對這些尚未充分解答的問題，本文以溪東水庫為例，分水層采集水華期至水華消退后的浮游生物樣品，分析后生浮游動物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的關(guān)系. 旨在闡明食物質(zhì)量和食物濃度對浮游動物群落變化的貢獻，揭示環(huán)境因子對浮游動物化學(xué)計量(磷)特征的影響.

1 材料與方法

1.1 樣品采集

溪東水庫位于福建省廈門市同安區(qū)，廈門的單位面積水庫數(shù)量在福建省各市中最高，但人均蓄水量最低[20]. 溪東水庫壩址以上控制流域面積為23.4 km2，庫容0.14×108m3，平均水深23 m，多年平均氣溫20.7℃，多年平均降雨量為1335.8 mm，多年日照時數(shù)1914 h. 根據(jù)2014年廈門市氣候公報，2014年同安區(qū)年平均氣溫偏高，為22.2℃；年降水量偏少，為1308.9 mm；日照時數(shù)偏少，為1620 h. 于2014年10-12月對溪東水庫大壩前水體(24°49′N, 118°10′E)進行采樣，采集表層(0.5 m)、氧躍層或溫躍層(12～20 m)和底層(25 m)水樣，共采6次(采樣日297、304、325、332、346和363對應(yīng)具體日期分別為2014年的10月24日、10月31日、11月21日、11月28日、12月12日和12月29日)，采樣期間的理化因子變化趨勢參見文獻[18-19].

1.2 現(xiàn)場理化測定

沿著水庫水體垂直剖面，用多參數(shù)水質(zhì)分析儀(美國HACH, Hydrolab DS5)測定水體表層至底層每0.5 m的水溫、pH、溶解氧(DO)濃度、濁度、葉綠素a(Chl.a)濃度、電導(dǎo)率、氧化還原電位(ORP)，用塞氏透明度盤監(jiān)測水體透明度[21].

1.3 營養(yǎng)鹽及葉綠素a濃度分析

1.4 懸浮物

懸浮物樣品用5 L采水器采集表層水樣(0.5 m)，過濾到預(yù)灼燒(經(jīng)500℃，4 h的灼燒)的Whatman GF/F 濾膜上，收集3份碳穩(wěn)定同位素樣品，3份氮穩(wěn)定同位素樣品，在50℃下烘干48 h至恒重. 碳穩(wěn)定同位素樣品用12 mol/L濃鹽酸在干燥器熏蒸4 h處理，之后在50℃烘箱再次干燥4 h[23]. 最后所有懸浮物樣品均保存在真空干燥器中.

1.5 自由生浮游細(xì)菌

自由生浮游細(xì)菌(0.22～3 μm)樣品用5 L采水器采集表層、氧躍層和底層水樣，樣品帶回實驗室. 水樣先經(jīng)3 μm孔徑濾膜過濾，再經(jīng)0.2 μm濾膜(美國Millipore)過濾. 濾膜置于-80℃冰箱，直至DNA提取[21]. 浮游細(xì)菌DNA提取使用FastDNA SPIN Kit(美國MP Biomedicals)方法. 浮游細(xì)菌的16S rRNA基因拷貝數(shù)測定采用SYBR-Green熒光探針法和Lightcyler480儀器(瑞士Roche)進行定量PCR分析. 主要步驟為[21]：1)制作標(biāo)準(zhǔn)曲線；2)每個樣品包括3個平行樣，并設(shè)置陰性及陽性對照. 16S rRNA基因PCR引物為341F：(5′-CCTACGGGNGGCWGCAG-3′)和515R(5′-ATTCCGCGGCTGGCA-3′)，每個PCR反應(yīng)均采用20 μL體系，其組成包括：10 μL SYBR Premix Ex TaqTM(日本Takara Bio Inc.)、2 μL 模板DNA、各引物濃度都為0.25 μmol、最后用RNase-free水補齊到20 μL. 按照說明書設(shè)定擴增反應(yīng)程序為：95℃預(yù)變性3 min；40個循環(huán)：95℃變性15 s，56℃退火34 s[21]. 本研究中，PCR擴增效率為90%～110%.

1.6 浮游植物

浮游植物定量樣品用5 L采水器采集表層、氧躍層和底層水樣，每層收集2.5 L水樣，立即加入魯哥試劑固定. 固定樣品經(jīng)過48 h的靜置沉淀后，采用虹吸法去除上清液并濃縮至30 mL. 浮游植物細(xì)胞采用Sedgewick Rafter計數(shù)板在400倍的倒置顯微鏡下進行計數(shù)，所有的物種都盡可能鑒定到種屬的水平[24]，每個樣品至少計數(shù)500個個體[25]，同時對每一個物種的尺寸大小進行測量. 浮游植物體積的估算基于標(biāo)準(zhǔn)的幾何學(xué)公式[26]，并按照密度為1 g/cm3進行估算. 2014年10月24日，水庫表層藍藻水華優(yōu)勢種為銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)，經(jīng)過估算生物量為14.29 mg/L，占浮游植物生物量的82.65%[19].

1.7 后生浮游動物

后生浮游動物定性樣品用25#浮游生物網(wǎng)于水體底層垂直向上拖網(wǎng)至表層，樣品帶回實驗室用純水清養(yǎng)4～12 h，在體視顯微鏡下對橈足類鏢水蚤(舌狀葉鏢水蚤)進行挑選、富集，碳、氮穩(wěn)定同位素樣品和生態(tài)化學(xué)計量P樣品各收集3份. 所有樣品均置于50℃烘箱中烘干48 h至恒重，碳穩(wěn)定同位素樣品用12 mol/L濃鹽酸在干燥器熏蒸4 h處理后，在50℃烘箱再次干燥4 h. 所有樣品均保存在真空干燥器中[23].

定量樣品用5 L采水器采集表層、氧躍層和底層水樣，每層采20 L水樣，現(xiàn)場用25#浮游生物網(wǎng)過濾至采樣瓶中，加入波恩試液固定. 對固定好的樣品進行定容，用移液槍吸取1 mL樣品至1 mL計數(shù)框中. 在倒置顯微鏡或解剖境下觀察樣品，進行種類鑒定并計數(shù)；通常每份樣品至少鑒定300個個體. 浮游動物豐度的計算參考章宗涉和黃祥飛的方法[27]，采用體積法，將每個浮游動物當(dāng)成一個幾何圖形，按求積公式獲得生物體積，并假定浮游動物的密度為1 g/cm3，計算浮游動物的生物量. 求積公式參考文獻[27]，測量相應(yīng)種類的長、寬和高的數(shù)據(jù)，代入公式得到濕重生物量.

1.8 碳、氮穩(wěn)定同位素測定

利用穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀(美國Thermo Fisher Scientific Inc.)測定懸浮物和浮游動物的碳、氮穩(wěn)定同位素[23]. 浮游動物磷含量采用國家標(biāo)準(zhǔn)鉬銻抗分光光度法進行檢測[23，28].

1.9 營養(yǎng)級計算

利用浮游動物與懸浮物之間的δ15N值差異來計算浮游動物的營養(yǎng)級水平，δ15N的營養(yǎng)級分餾系數(shù)取3.4‰[29].

1.10 數(shù)據(jù)分析

所有的統(tǒng)計分析使用R(version 4.1.0)(R Development Core Team，2021)[30]和PRIMER 7.0進行分析. 分析群落數(shù)據(jù)前將浮游動物生物量進行Hellinger轉(zhuǎn)化，除pH值以外的所有環(huán)境因子進行對數(shù)轉(zhuǎn)化. 利用相似性分析(analysis of similarity，ANOSIM)評價不同組之間浮游動物群落是否存在顯著差異. 通過R軟件中vegan包進行Mantel檢驗、冗余分析(redundancy analysis，RDA)和方差分解分析(variation partitioning analysis，VPA)，利用plspm包進行偏最小二乘法路徑模型(PLS-PM)分析，利用ggplot2包進行繪圖. 采用Mantel分析選擇能夠顯著解釋浮游動物群落組成顯著變化的環(huán)境因子(P<0.05). 采用RDA分析進一步檢驗Mantel分析篩選的環(huán)境因子對浮游動物群落的解釋量，解釋量使用校正后的R2. 使用VPA分析來量化食物質(zhì)量(水體C∶P比值和N∶P比值)和食物濃度(自由生浮游細(xì)菌豐度、綠藻生物量和藍藻生物量)對浮游動物群落組成的貢獻. 最后使用路徑模型分析考察食物質(zhì)量和食物濃度對浮游動物群落的直接和間接效應(yīng).

2 結(jié)果

2.1 浮游動物群落結(jié)構(gòu)的基本特征

共鑒定后生浮游動物23種，其中橈足類5種、枝角類9種、輪蟲9種(表1). 研究期間，浮游動物總豐度的變化范圍為3.70～216.30 ind./L，平均豐度為66.92 ind./L. 其中橈足類、枝角類和輪蟲分別占總豐度比例的49.4%、29.6%和21.0%(圖1a). 浮游動物總生物量的變化范圍為21.63～1994.54 μg/L，平均生物量為392.81 μg/L(圖1b). 其中橈足類生物量占比最大(73.5%)，枝角類和輪蟲生物量分別占總生物量的23.1%和3.4%.

表1 溪東水庫后生浮游動物種類

圖1 后生浮游動物的豐度和生物量組成變化

2.2 浮游動物群落結(jié)構(gòu)的時空差異

ANOSIM檢驗表明，后生浮游動物群落組成在不同時期之間的差異顯著(Globalr=0.452,P=0.001)，在不同水深之間的差異不顯著(表2). 在不同時期之間，橈足類群落在非水華期1與非水華期2(Globalr=0.237,P=0.019)之間差異顯著，但在水華期與非水華期1、水華期與非水華期2之間的差異均不顯著(P>0.05). 枝角類和輪蟲群落在水華期、非水華期1和非水華期2之間的差異均顯著(P<0.05).

表2 基于生物量的不同時空尺度后生浮游動物群落的ANOSIM檢驗*

2.3 環(huán)境因子與浮游動物群落的關(guān)系

Mantel檢驗表明，后生浮游動物群落與濁度、總碳、總氮、水體N∶P比值、輪蟲生物量和橈足類生物量顯著相關(guān). 從浮游生物各類群來看，與橈足類群落顯著相關(guān)的因子包括濁度、總碳、水體N∶P比值和輪蟲生物量；與枝角類群落顯著相關(guān)的因子包括水溫、總碳、總有機碳、藍藻Chl.a、浮游植物Chl.a、藍藻生物量和浮游植物總生物量；與輪蟲群落顯著相關(guān)的因子包括總碳、綠藻Chl.a和綠藻生物量(表3，4).

表3 后生浮游動物群落與環(huán)境因子的Mantel檢驗結(jié)果*

RDA結(jié)果表明，食物質(zhì)量(水體C∶P和N∶P比值)和食物濃度(自由生浮游細(xì)菌、綠藻生物量和藍藻生物量)對后生浮游動物群落RDA軸1和軸2的總解釋量為34.6%(圖2a)；方差分解結(jié)果表明，食物質(zhì)量和食物濃度對后生浮游動物群落的解釋度為33%，食物質(zhì)量和食物濃度對浮游動物群落的影響極顯著(P<0.01). 從浮游生物各類群來看，食物質(zhì)量和食物濃度對橈足類的解釋量為32%，橈足類群落受食物質(zhì)量影響更大(P<0.01)，但是食物濃度對橈足類群落的解釋不顯著(P>0.05). 食物質(zhì)量和食物濃度對枝角類的解釋量為29%，枝角類群落主要受食物濃度的顯著影響(P<0.01)，食物質(zhì)量對枝角類群落的解釋不顯著(P>0.05). 食物質(zhì)量和食物濃度對輪蟲的解釋量為40%，食物質(zhì)量和食物濃度均顯著影響輪蟲群落(P<0.05)，食物質(zhì)量的影響大于食物濃度(圖2b). 路徑分析表明，水溫對食物質(zhì)量和食物濃度有著顯著的直接效應(yīng)(P=0.045，P=0.011)，路徑系數(shù)分別為0.48和0.62；食物濃度對枝角類有顯著的直接效應(yīng)(P=0.018)，路徑系數(shù)為0.68，輪蟲對橈足類有顯著的直接效應(yīng)(P<0.01)，路徑系數(shù)為0.85(圖2c).

表4 后生浮游動物群落與浮游生物生物量的Mantel檢驗結(jié)果*

圖2 食物質(zhì)量和濃度與后生浮游動物群落的關(guān)系：RDA分析(a)、VPA分析(b)、PLS-PM分析(c)(***P<0.001,**P<0.01, *P<0.05)

2.4 營養(yǎng)級對鏢水蚤的影響

碳穩(wěn)定同位素分析結(jié)果表明，水華期舌狀葉鏢水蚤的主要食物來源是水庫水體中的懸浮物(圖3a). 水華期至非水華期2，舌狀葉鏢水蚤與懸浮物之間的營養(yǎng)級變化范圍為1.28～2.84. 從營養(yǎng)級與磷含量和水溫的分析來看(圖3b)，舌狀葉鏢水蚤的營養(yǎng)級隨著體內(nèi)磷含量(PZoo)降低而增加(n=5,r=-0.79,P=0.069)；隨著表層水溫的下降，舌狀葉鏢水蚤的營養(yǎng)級顯著增加(n=5,r=-0.84,P=0.049). 從磷含量與水體總磷濃度和水溫的分析來看，舌狀葉鏢水蚤體內(nèi)的磷含量與水柱總磷平均濃度(TPAverage)呈顯著正相關(guān)(n=5,r=0.93,P=0.015)，與水溫呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)(n=5,r=0.95,P=0.007).

圖3 舌狀葉鏢水蚤與懸浮物碳氮穩(wěn)定同位素分布特征(a)、舌狀葉鏢水蚤營養(yǎng)級與磷含量和水溫的關(guān)系(b)、舌狀葉鏢水蚤磷含量與水體總磷和水溫的關(guān)系(c)

3 討論

3.1 浮游動物群落結(jié)構(gòu)與食物的關(guān)系

溫度和食物是影響浮游動物群落變化的主要因素[5]. 輪蟲個體較小、生命周期短，通常對水體營養(yǎng)級的響應(yīng)相對枝角類和橈足類更敏感[31-32]. 本研究中，溪東水庫輪蟲的群落結(jié)構(gòu)受環(huán)境因子的影響顯著，群落結(jié)構(gòu)在水華期、非水華期1和非水華期2之間的差異均顯著，表現(xiàn)出與水體總碳和綠藻生物量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05).

溪東水庫枝角類的群落結(jié)構(gòu)也受環(huán)境因子的顯著影響，藍藻水華期枝角類主要以小型種類(長額象鼻溞)為優(yōu)勢種，長額象鼻溞生物量與水溫、水體C∶N比值、自由生浮游細(xì)菌和藍藻生物量呈顯著正相關(guān)，說明溪東水庫長額象鼻溞受水溫和食物的影響，且食物對其影響更顯著. 相對浮游植物而言，浮游細(xì)菌磷含量較高且相對穩(wěn)定，因此細(xì)菌的食物質(zhì)量較高[33-34]. 溪東水庫水體中浮游細(xì)菌與總碳和藍藻生物量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，藍藻水華為浮游細(xì)菌提供了大量碳源，是水華期間浮游細(xì)菌大量生長的主要原因，自由生浮游細(xì)菌的大量生長為食菌者提供了充足的食物，進而促進小型枝角類長額象鼻溞的生長.

橈足類群落結(jié)構(gòu)在水華期與非水華期之間的差異不顯著，但其群落變化與濁度、總碳、輪蟲生物量和水體N∶P比值等因子顯著相關(guān). 橈足類生物量在非水華期2的中層出現(xiàn)急劇增加，期間優(yōu)勢種舌狀葉鏢水蚤的營養(yǎng)級均值為2.8. 非水華期1舌狀葉鏢水蚤的營養(yǎng)級均值為1.6，說明舌狀葉鏢水蚤在非水華期2攝食了更高營養(yǎng)水平的食物. 不過，本研究只采用一個站位3個水層不同時期橈足類優(yōu)勢種和懸浮物數(shù)據(jù)，并不能完全代表整個水庫生態(tài)系統(tǒng)的食物網(wǎng). 因此，非水華期2橈足類生物量劇增的原因還需要進一步深入研究分析，包括不同站位的其他浮游動物、不同粒徑懸浮物等.

3.2 浮游動物與營養(yǎng)級的關(guān)系

Boersma等研究發(fā)現(xiàn)海洋橈足類浮游動物長角寬水蚤(Temoralongicornis)的營養(yǎng)級隨著水溫升高而降低，主要原因是高溫時它偏向攝食自養(yǎng)生物紅胞藻(Rhodomonassalina)[13]；在高溫條件下，浮游動物具更高的新陳代謝速率，需要更多的碳源來維持代謝需求[12]. 同樣，本研究中，舌狀葉鏢水蚤不僅是初級消費者，也是次級消費者，營養(yǎng)級變化較大，隨著水溫降低而升高，而且與體內(nèi)磷濃度呈顯著負(fù)相關(guān). Boersma等認(rèn)為長角寬水蚤在高溫偏好攝食碳含量高的自養(yǎng)生物，而不是低溫造成氮、磷需求的增加，但作者在實驗過程中并未檢測長角寬水蚤體內(nèi)磷含量的變化[13]. 溪東水庫藍藻水華發(fā)生時期浮游動物體內(nèi)的磷含量也較高，這與水柱總磷濃度較高相吻合. 10-12月由于水溫的下降，水庫氧躍層伴隨溫躍層逐漸向下移動，最終由分層期轉(zhuǎn)變到混合期，水柱總磷濃度逐漸降低，導(dǎo)致舌狀葉鏢水蚤體內(nèi)的磷含量下降. 在水庫水體水柱的總磷濃度下降過程中，橈足類的生物量呈現(xiàn)增加趨勢，可能原因是溶解氧充足、溫度適宜的湖上層區(qū)域擴大導(dǎo)致適合橈足類生長繁殖的空間擴大. 因此，水體環(huán)境總磷濃度下降與橈足類的繁殖與生長過程可能是導(dǎo)致橈足類磷含量下降的主要原因. 此外，由于營養(yǎng)(磷元素)的需求，舌狀葉鏢水蚤需要攝食磷含量較高的食物，導(dǎo)致其營養(yǎng)級水平增加[35]. 因此，我們認(rèn)為水溫的下降伴隨浮游動物營養(yǎng)級的增加，不僅是因為新陳代謝的變化，而且是水環(huán)境總磷濃度下降與浮游動物繁殖和生長的共同作用下，促進浮游動物偏好攝食磷含量高的浮游生物或有機顆粒物，導(dǎo)致其營養(yǎng)級的增加.