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再生水是指污水经生物、化学和物理等方法处理后达到一定水质标准、可再次使用的水资源[1]。由于其水源稳定可靠、环境效益明显,如今已成为城市用水的重要组成部分,常被用于城市景观、天然水体补充等领域,对缓解水资源供需矛盾、改善环境污染等方面起到积极作用[2]。但再生水营养盐含量较高,在特定的条件下容易导致河流富营养化,影响生态系统结构及功能,威胁水体生态健康[3-4]。
浮游动物在水生态系统中主要扮演初级消费者的角色,主要被分为原生动物、轮虫、枝角类和桡足类4大类群[5],是食物链中能量传递的重要环节[6]。在我国大部分区域,以体型较小的原生动物和轮虫为主,较大的枝角类和桡足类数量相对较少[7-9]。其主要依靠水流进行长距离迁移,这种被动运动方式使得其对环境变化异常敏感,因此常被作为水体理化指标和系统营养状况变化的指示生物,枝角类和桡足类比例越大,生态结构越稳健[10]。在再生水补充的河流中,浮游动物群落组成同时也受水体营养状况和季节变化的双重影响[11]。
近些年,关于浮游动物群落调查的研究较多,例如北京潮白河浮游动物的主要类群为原生动物和轮虫,其密度随春、夏、秋季递增[12]。而早在2012年5~12月份对温榆河和清河的调研发现,两条河流中体型较大的浮游动物物种数量均在夏季出现最高值,并在秋季、冬季依次递减[13]。更早(2004~2006年)的一项对温榆河和白河浮游动物的调查,也表明这两条河流以原生动物为主,且物种种类基本相同,但枝角类、桡足类等体型较大的浮游动物差别较大[14]。然而,这些研究主要侧重于生态群落调查,而基于不同再生水混合比差异对河流浮游动物群落结构产生影响的研究较少。实际研究过程中,由于天然降雨量随季节变化和侧渗作用,如何衡量再生水的补给比例是研究过程中面临的一个难题。由于再生水氯离子和天然水体差异很大,其浓度变化为表征水体再生水混合比例提供了方法。
本研究选取北京市完全再生水补给河流(清河)、部分再生水补给河流(温榆河)、无再生水补充的天然河流(白河)为研究对象,分季节调查了3条河流浮游动物的分布特征,旨在揭示再生水补给条件下河流浮游动物分布特征及其季节动态,为城市生态修复过程中采用的生态补水方案提供依据支撑。
再生水补给差异对浮游动物群落结构的影响
——以北京市清河、温榆河、白河为例Effect of reclaimed water supply difference on zooplankton community structure ——Taking Qing River, Wenyu River and Bai River in Beijing as the example
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摘要: 再生水补给对河流浮游动物的分布特征、生态系统稳定等方面有着重要意义。文章选取北京市完全再生水补给河流(清河)、部分再生水补给河流(温榆河)、无再生水补给河流(白河)为研究对象,分别于春夏秋冬四季对浮游动物和水质指标进行检测。结果表明,3条河流原生动物和轮虫均为优势浮游动物类群,浮游动物密度为温榆河>清河>白河;3条河流浮游动物密度均在夏季达到最高值,两条再生水河流中Berger-Parker物种优势度指数均在冬季达到最高值;两条再生水补给河流中,浮游动物密度、Shannon-Wiener多样性指数、Margalef丰富度指数、均匀度指数总体上均高于无再生水补给河流;完全再生水河流Shannon-Wiener指数和Margalef指数随水体综合营养状态指数的增高而显著降低。Abstract: The reclaimed water supply is significant for the distribution characteristics and eco-system stabilization of the zooplankton in the river. Therefore, the Qing River (a river totally supplied with reclaimed water), Wenyu River (a river mixed with reclaimed water) and Bai River (a natural river) were selected as the research objects to measure the zooplankton diversity and water quality indexes in spring, summer, autumn and winter, respectively. The results showed that protozoan and rotifer were the dominant zooplankton taxa in these rivers. The zooplankton density in the two reclaimed water rivers was higher than that in the natural river. The largest density was obtained in the summer for all the three rivers. The Berger-Parker index reached the highest values in winter for the two reclaimed water rivers. In general, the abundance and biodiversity indexes of Shannon-Wiener, Margalef and Evenness of the zooplankton in the two rivers supplied with reclaimed water were all higher than those in the natural river (Bai River). The Shannon-Wiener and Margalef biodiversity indexes decreased significantly with the increase of the comprehensive trophic state index of water body for Qing River.
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Key words:
- zooplankton /
- mixing ratio of reclaimed water /
- biodiversity /
- seasonal variation
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表 1 3条河流水质差异
mg·L−1 检测指标 清河 温榆河 白河 chl-a 12.46b 114.11a 7.76b TN 9.01a 11.10a 2.60b TP 0.11 0.53 0.08 CODCr 16.91b 43.21a 4.97b NH4+-N 0.53 1.06 0.10 NO3−-N 6.32a 5.96a 1.86b DO 11.86ab 13.64a 8.40b 注:不同字母表示河流之间对应的水质指标存在显著差异(P<0.05)。 表 2 3条河流浮游动物物种数
种 河流 原生动物 轮虫 枝角类 桡足类 清河 22 24 8 6 温榆河 18 32 4 5 白河 2 7 1 1 表 3 3条河流浮游动物多样性指数
河流 H' D d E 清河 1.46a 2.087a 0.44b 0.75a 温榆河 1.89a 2.75a 0.51ab 0.72a 白河 0.78b 0.91a 0.75a 0.49a 注:不同字母表示河流之间对应的生物多样性指数存在显著差异(P<0.05)。 表 4 3条河流浮游动物密度分布特征
ind·L−1 浮游动物 温榆河 清河 白河 原生动物 151.66 28.33 0.52 轮虫 211.50 24.18 2.89 枝角类 0.54 1.02 0.08 桡足类 21.86 2.58 0.08 合计 385.56 56.11 3.57 表 5 3条河流不同季节浮游动物的密度分布特征
ind·L−1 河流名称 春季 夏季 秋季 冬季 清河 10.83 192.00 16.85 60.87 温榆河 25.83 687.10 56.95 1.16 白河 1.07 2.00 0.50 − 注:由于冰封,未能获取白河冬季数据。 表 6 3条河流不同季节浮游动物多样性指数变化特征
季节 清河 温榆河 白河 H′ D E d H′ D E d H′ D E d 春 1.86a 1.88b 0.89a 0.32a 1.56b 1.54c 0.72a 0.42a 1.40 1.44 0.78 0.54 夏 1.14b 1.34b 0.78a 0.52a 2.83a 5.65a 0.81a 0.46a 0 0 0 1 秋 1.84a 3.51a 0.71a 0.33a 1.52b 3.11b 0.51b 0.48a 0.94 1.30 0.68 0.70 冬 1.02b 1.61b 0.62a 0.59a 1.65b 0.71c 0.84a 0.66a − − − − 注:白河夏季发现物种数为1;由于冰封未能获取白河冬季数据;不同字母表示浮游动物多样性指数在不同季节间存在显著差异(P<0.05)。 表 7 浮游动物与多样性指数相关性
chl-a TN TP CODcr NH4+-N NO3−-N DO 丰度 0.13** −0.09 0.07* 0.10** −0.12** −0.21** 0.23* H′ 0.26** 0.16* 0.12* 0.16 0.05 −0.01 −0.22 D 0.03** −0.01 −0.08 −0.09 −0.04** 0.22 −0.01 d −0.12 0.05* 0.06** −0.14 −0.35 −0.08 −0.01 注:*表示P<0.05;**表示P<0.01。 -
[1] KINNEY C A, FURLONG E T, WERNER S L, et al. Presence and distribution of wastewater-derived pharmaceuticals in soil irrigated with reclaimed water[J]. Environmental Toxicology & Chemistry, 2010, 25(2): 317 − 326. [2] THURSTON J A, FOSTER K E, KARPISCAK M M. Fate of indicator microorganisms, giardia and cryptosporidium in subsurface flow constructed wetlands[J]. Water Research, 2001, 35(6): 1547 − 1551. doi: 10.1016/S0043-1354(00)00414-0 [3] 张瑞, 刘操, 孙德智, 等. 北京地区再生水补给型河湖水质改善工程案例分析与问题诊断[J]. 环境科学研究, 2016, 29(12): 1872 − 1881. [4] 周雪, 李兆欣, 黄炳彬, 等. 基于水生生物调控的再生水生态稳定性分析[J]. 环境科学与技术, 2017, 40(4): 176 − 182. [5] GULATI R D. Zooplankton and its grazing as indicators of trophic status in Dutch lakes[J]. Environmental Monitoring and Assessment, 1983, 3(3-4): 343 − 354. doi: 10.1007/BF00396229 [6] VLADIMÍR S. Rotifers as indicators of water quality[J]. Hydrobiologia, 1983, 100(1): 169 − 201. doi: 10.1007/BF00027429 [7] 张达娟, 闫启仑, 王真良. 典型河口浮游动物种类数及生物量变化趋势的研究[J]. 海洋与湖沼, 2008(5): 536 − 540. doi: 10.3321/j.issn:0029-814X.2008.05.017 [8] WU L, ZHOU M, SHEN Z, et al. Spatio-temporal variations in zooplankton community structure and water quality in a Chinese eutrophic river[J]. Applied Ecology and Environmental Research, 2017, 15(3): 1417 − 1442. doi: 10.15666/aeer/1503_14171442 [9] XIONG W, NI P, CHEN Y, et al. Zooplankton community structure along a pollution gradient at fine geographical scales in river ecosystems: The importance of species sorting over dispersal[J]. Molecular Ecology, 2017: 4351 − 4360. [10] LEE C Y, LIU D C, SU W C. Seasonal and spatial variations in the planktonic copepod community of Ilan Bay and adjacent Kuroshio waters off northeastern Taiwan[J]. Zoological Studies, 2009, 48(2): 151 − 161. [11] LI K, HE W, HU Q, et al. Ecological restoration of reclaimed wastewater lakes using submerged plants and zooplankton[J]. Water & Environment Journal, 2014, 28(3): 323 − 328. [12] 陈英硕. 再生水补水的潮白河水环境特征及变化趋势研究[D]. 北京: 中国地质大学, 2015. [13] 曾阳, 付秀娥, 苗明升, 等. 基于大型浮游动物多样性与水质参数相关性分析的温榆河水质评价[J]. 生态毒理学报, 2012, 7(2): 171 − 176. [14] 李莉娜, 陈卫, 高思佳, 等. 北京白河与温榆河浮游动物调查[J]. 四川动物, 2008, 27(5): 802 − 804. [15] 中国生态系统研究网络科学委员会. 水域生态系统观测规范[M]. 北京: 中国环境科学出版社, 2007. [16] 杨江华. 太湖流域浮游动物物种多样性与环境污染群落生态效应研究[D]. 南京: 南京大学, 2017. [17] 王晓. 南黄海浮游动物群落及环境因子对其分布影响的研究[D]. 青岛: 中国海洋大学, 2012. [18] 金相灿, 刘树坤, 章宗涉, 等. 中国湖泊环境[M]. 北京: 海洋出版社, 1995. [19] 王晶. 浅析地表水中高锰酸盐指数(CODMn)和化学需氧量(CODCr)之间的相关性分析[J]. 科技经济导刊, 2019, 27(29): 100. [20] 高远, 慈海鑫, 亓树财, 等. 沂河4条支流浮游植物多样性季节动态与水质评价[J]. 环境科学研究, 2009, 22(2): 176 − 180. [21] BROOKS J L, DODSON S I. Predation, body size, and composition of plankton[J]. Science, 1965, 150(3692): 28 − 35. doi: 10.1126/science.150.3692.28 [22] HALL D J, THRELKELD S T, BURNS C W, et al. The size-efficiency hypothesis and the size structure of zooplankton communities[J]. Annual Review of Ecology and Systematics, 1976, 7(1): 177 − 208. doi: 10.1146/annurev.es.07.110176.001141 [23] VANNI M J. Effects of food availability and fish predation on a zooplankton community[J]. Ecological Monographs, 1987, 57(1): 61 − 88. doi: 10.2307/1942639 [24] 朱利英, 陈媛媛, 刘静, 等. 温榆河水环境质量与浮游植物群落结构的时空变化及其相互关系[J]. 环境科学, 2020, 41(2): 702 − 712. [25] JIANG X, XU S, LIU Y, et al. River ecosystem assessment and application in ecological restorations: A mathematical approach based on evaluating its structure and function[J]. Ecological Engineering, 2015, 76: 151 − 157. doi: 10.1016/j.ecoleng.2014.04.027 [26] CARPENTER S R, KITCHELL J F, COTTINGHAM K L, et al. Chlorophyll variability, nutrient input, and grazing: evidence from whole-lake experiments[J]. Ecology, 1996, 77(3): 725 − 735. doi: 10.2307/2265497 [27] 刘静, 马克明, 张育新, 等. 温榆河夏季浮游植物群落结构及其与环境因子的关系[J]. 水生态学杂志, 2015, 36(5): 22 − 28. [28] 郭婧, 田颖, 梁云平, 等. 1998-2017年温榆河流域水质变化特征[J]. 中国环境监测, 2019, 35(4): 85 − 92. [29] 林青. 滴水湖浮游动物群落结构与环境因子的关系及水质综合评价研究[D]. 上海: 华东师范大学, 2013. [30] 陈光荣, 钟萍, 张修峰, 等. 惠州西湖浮游动物及其与水质的关系[J]. 湖泊科学, 2008, 20(3): 351 − 356. doi: 10.3321/j.issn:1003-5427.2008.03.014 [31] KOBAYASHI T, SHIEL R J, GIBBS P, et al. Freshwater zooplankton in the Hawkesbury-Nepean River: comparison of community structure with other rivers[J]. Hydrobiologia, 1998, 377(1-3): 133 − 145. [32] MARTINS J, TELES L O, VASCONCELOS V. Assays with Daphnia magna and Danio rerio as alert systems in aquatic toxicology[J]. Environment International, 2007, 33(3): 414 − 425. doi: 10.1016/j.envint.2006.12.006 [33] XIANG F, YANG W, CHEN Y, et al. Acute toxicity of nitrite and ammonia to Daphnia similoides of different developmental stages: using the modified Gaussian model to describe[J]. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 2010, 84(6): 708 − 711. doi: 10.1007/s00128-010-0017-x [34] ARAUZO M, VALLADOLID M. Short-term harmful effects of unionised ammonia on natural populations of Moina micrura and Brachionus rubens in a deep waste treatment pond[J]. Water Research, 2003, 37(11): 2547 − 2554. doi: 10.1016/S0043-1354(03)00023-X [35] 吴甘霖, 黄敏毅, 段仁燕, 等. 不同强度旅游干扰对黄山松群落物种多样性的影响[J]. 生态学报, 2006, 26(12): 3924 − 3930. doi: 10.3321/j.issn:1000-0933.2006.12.002 [36] MATHIVANAN V, VIJAYAN P, SABHANAYAKAM S, et al. An assessment of plankton population of Cauvery river with reference to pollution[J]. Journal of Environmental Biology, 2007, 28(2): 523 − 526. [37] 郑白雯. 北部湾北部浮游生物生态学研究[D]. 厦门: 厦门大学, 2014. [38] MARQUES S C, AZEITEIRO U M, MARQUES J C, et al. Zooplankton and ichthyoplankton communities in a temperate estuary: spatial and temporal patterns[J]. Journal of Plankton Research, 2006, 28(3): 297 − 312. doi: 10.1093/plankt/fbi126 [39] 姜会超, 陈海刚, 宋秀凯, 等. 莱州湾金城海域浮游动物群落结构及与环境因子的关系[J]. 生态学报, 2015, 35(22): 7308 − 7319. [40] 白海锋. 渭河流域浮游动物群落结构时空格局的研究[D]. 大连: 大连海洋大学, 2014. [41] 胡梦红, 杨丽丽, 刘其根. 竞争捕食作用对千岛湖浮游动物群落结构的影响[J]. 湖泊科学, 2014, 26(5): 751 − 758. doi: 10.18307/2014.0513 [42] SARMA S S S, NANDINI S, GULATI R D. Life history strategies of cladocerans: comparisons of tropical and temperate taxa[J]. Hydrobiologia, 2005, 542(1): 315 − 333. doi: 10.1007/s10750-004-3247-2 [43] CONFER J L, KAARET T, LIKENS G E. Zooplankton diversity and biomass in recently acidified lakes[J]. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 1983, 40(1): 36 − 42. doi: 10.1139/f83-006 [44] 邹伟, 朱广伟, 蔡永久, 等. 综合营养状态指数(TLI)在夏季长江中下游湖库评价中的局限及改进意见[J]. 湖泊科学, 2020, 32(1): 36 − 47. doi: 10.18307/2020.0104 [45] 钟晶晶, 刘茂松, 王玉, 等. 太湖流域河流与湖泊间主要水质指标的空间关联特征[J]. 生态学杂志, 2014, 33(8): 2176 − 2182. [46] 渠晓东, 刘志刚, 张远. 标准化方法筛选参照点构建大型底栖动物生物完整性指数[J]. 生态学报, 2012(15): 60 − 71. [47] 宗志祥, 许崇任, 任久长, 等. 洋河水库轮虫群落用于水质评价的研究[J]. 环境科学学报, 993, 13(1): 101 − 106. [48] 熊金林. 不同营养水平湖泊浮游生物和底栖动物群落多样性的研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2005. [49] STEMBERGER R S, GILBERT J J. Body size, food concentration, and population growth in planktonic rotifers[J]. Ecology, 1985, 66(4): 1151 − 1159. doi: 10.2307/1939167 [50] 渠晓东, 张远, 马淑芹, 等. 太子河流域大型底栖动物群落结构空间分布特征[J]. 环境科学研究, 2013, 26(5): 509 − 515. [51] HANAZATO T, YASUNO M. Zooplankton community structure driven by vertebrate and invertebrate predators[J]. Oecologia, 1989, 81(4): 450 − 458. doi: 10.1007/BF00378951