城市水体通常受到人类活动的干扰而出现不同程度的生态环境问题(Duong et al., 2006；周淑春等, 2006；Fu et al., 2009；Ezeabasili et al., 2015), 例如水体污染、生物多样性下降等。因此, 城市水体环境变化一直是环境科学领域的一个热点问题。

位于三峡库区腹地的重庆市第二大城市——万州, 其水体环境变化需引起关注。首先, 万州是一个典型的移民城市, 其周边地区大量的居民由于三峡水库的修建而搬迁汇聚于此。2016年万州城区的人口已达到80万, 大量涌入人口给万州城区带来了不小的环境压力。万州的多条河流, 如苎溪河、五桥河、龙宝河, 水体污染严重且这些污染废水最终会排放至长江, 进而威胁到三峡库区的水生态安全。其次, 三峡水库蓄清排混的调水措施深刻地改变了三峡库区的水文体系, 出现了水位的周期性波动, 水流变缓、水体污染物滞留时间延长等现象(Zeng et al., 2007), 影响了水体的物质能量循环。例如, 在蓄水期, 水位上升导致的氧化还原电位降低促进了沉积物的磷元素向上覆水体释放(Han et al., 2018)。总之, 万州水体环境发生了显著变化, 可能进一步影响其中浮游动物的群落结构。

浮游动物是水生生态系统食物链的重要组分, 既能够捕食浮游植物, 又能够为鱼类提供良好的饵料, 是一种重要的生物资源(姚建良, 2007)。浮游动物通常包括原生动物、轮虫、枝角类和桡足类, 具有种类多、繁殖世代时间短、对环境敏感和方便采集等特点, 是水生生态学重要的研究对象。目前, 三峡库区关于浮游动物的研究集中在三峡水库蓄水以来浮游动物的群落特征方面, 如香溪河河湾轮虫的时空分布特征以及垂直迁移规律(Zhou et al., 2007, 2009)、三峡库区澎溪河浮游动物的季节演替特征(杨建, 2010；翟世涛等, 2012)、三峡库区长江干支流桡足类和枝角类的群落结构(冯坤等, 2012)等。而三峡库区流经城区的河流既受到人类排污的影响又受到水库蓄水的影响, 这类河流干支流的浮游动物群落与环境因子的关系尚无详尽的研究。

本次调查以三峡库区腹地重庆万州为研究区, 旨在了解水体污染现状、浮游动物生物学现状(种类数、密度、生物量和物种多样性), 揭示三峡水库蓄水后库区腹地浮游动物群落结构特征与水质因子的关系, 探究浮游动物群落演替规律, 为万州水域的水体污染、生物资源状况以及三峡水库蓄水对浮游动物群落结构的影响提供基础资料。

1 材料与方法 1.1 采样样点设置

万州位于三峡库区腹地(图 1：A), 为亚热带季风季候, 年平均温度17.6 ℃±1.2 ℃, 年平均降水量1 187.4 mm±203.0 mm(程燕等, 2016), 区内河流众多, 包括长江次级支流苎溪河、龙宝河、五桥河等。在万州长江干流的下游宜昌, 修建有世界上最大的调蓄水库——三峡水库。三峡水库稳定运行后, 在每年6月前后开闸放水, 维持145 m的水位高程；在每年11月前后闭闸蓄水, 水位升至175 m高程。水位周期性的巨大涨落对重庆三峡库区的水环境、水生态产生了重要影响。例如, 苎溪河汇入长江的河口处存在一座人工堤坝, 在三峡水库低水位运营时苎溪河和长江干流的水体不能交换, 形成了一个人工尾闾湖(即天仙湖), 但在三峡水库高水位运营时二者的表层水体联通, 水体物质能够发生交换。

本调查于2017年11月在三峡水库最高水位高程(175 m)时采集水样和浮游动物样品, 用以调查三峡水库蓄水后万州段长江干支流水环境和浮游动物现状。本调查在三峡库区的万州段长江干流设置5个采样点, 在流经万州城区的3条主要支流(苎溪河、龙宝河、五桥河)设置7个采样点, 共计12个采样点(图 1：B)。

1.2 实验方法 1.2.1 样品的采集与处理

于各采样点利用5 L的有机玻璃采水器采取水面下20 cm的水样装入洁净塑料瓶中, 放入置有冰块的保温箱中低温保存, 带回实验室分析水质参数。同时, 取水15 L用25号浮游生物网(网孔0.064 mm)过滤采集大型浮游动物枝角类、桡足类, 浓缩至30 mL, 现场加入甲醛溶液保存；取水1.5 L并现场加入鲁哥式液固定, 带回实验室沉降48 h, 弃上清得到30 mL的浓缩液, 加入甲醛溶液保存, 用于鉴定原生动物和轮虫。浮游动物样本的分类、鉴定和计数参考《中国淡水轮虫志》(王家揖, 1961)、《中国动物志节肢动物门甲壳纲淡水枝角类》(蒋燮治, 堵南山, 1979)、《中国动物志(淡水桡足类)》(沈嘉瑞等, 1979)、《淡水浮游生物研究方法》(章宗涉, 黄祥飞, 1991)和《淡水微型生物图谱》(周凤霞, 陈剑虹, 2005)。

1.2.2 理化因子测定

利用YSI ProPlus现场测定水温(T)和溶解氧(DO), 利用便携式pH计现场测定pH。其他水质参数在实验室中测定, 包括总氮(TN)、溶解性总氮(DTN)、硝态氮(NO₃-N)、亚硝态氮(NO₂-N)、氨态氮(NH₃-N)、总磷(TP)、溶解性总磷(DTP)、活性磷(SRP)、高锰酸盐指数(COD_Mn)和总悬浮物(TSS), 方法参照《水和废水监测分析方法》(国家环境保护总局, 2002)。水体叶绿素含量(Chl a)利用90%的丙酮遮光提取12 h, 详细步骤参照American Public Health Association(1998)。

1.2.3 数据分析

营养状态指数(trophic state index, TSI)用于定量描述水体的营养状态, 计算公式参考Xu等(1997)和Guan等(2011)。30≤TSI＜50时为中营养, 50≤TSI＜60时为轻度富营养, 60≤TSI＜70时为中度富营养, TSI≥70时为重度富营养。

物种优势度(Y)=P_if_i, 当 Y >0.02时, 该物种为群落的优势种。生物多样性指数采用Shannon-Wiener多样性指数(H′)、Margalef物种丰富度指数(D)、Pielou均匀度指数(J)来比较, 具体计算公式如下(Lan et al., 2018)：H′=-Σ _i=1^SP_i lnP_i、D=(S-1)/ lnN、J=H′ /lnS, 式中, P_i 为每个样品中第 i 种的个体数与样品总个体数的比值, f_i 为第 i 种在各采样点出现的频率, S 为样品的种类总数, N 为样品中所有物种的总个体数。相似性指数(similarity index, SIMI)：, 式中, P_ai 和 P_bi 分别表示第 i 个物种在群落a和群落b的丰度。SIMI的数值为0~1, 数值越大表明群落相似性越高(兰波, 2011)。

由于本次调查基于浮游动物物种数据的去趋势对应分析梯度大于3, 浮游动物群落和环境因子的多元统计分析采用典范对应分析(canonical correspondence analysis, CCA)。CCA基于物种数据矩阵和环境因子矩阵迭代计算, 将物种、样点及环境因子之间的关系直观地展现在二维坐标系中, 能反映群落物种组成及环境因子对群落的影响作用(兰波, 2011)。在分析前, 首先将种类数据子集进行lg(1 000 x +1)转换, 环境数据子集开方根转化, 以减小数据方差差异过大引起的误差；其后剔除膨胀因子(inflation factor, IF)大于10的环境变量, 以减少环境因子之间的多重共线性；再利用交互向前引入法进一步筛选环境因子, 用Monte Carlo置换检验挑选出对第一轴、第二轴影响最大的环境因子。CCA排序在Canoco 5.0中完成。相关性采用Spearman秩相关分析, 显著性水平按照 P < 0.05、P < 0.01依次认为差异有统计学意义和有高度统计学意义。所有数据分析在SPSS 22.0中完成。

2 结果 2.1 水环境现状

水质理化数据显示(表 1)：温度和pH在所有位点中变化都不明显。而指示营养盐水平的指标——TN、TP和Chl a的含量, 万州段长江干流整体低于3条支流。万州段长江干流Y5样点的TSS是所有样点中最高的, TP样点也高于Y1~Y4样点。龙宝河(LB1、LB2)和五桥河(WQ1、WQ2)样点水体的氮磷污染相对严重。总体而言, 万州段长江干流的水质优于长江支流。

万州段长江干流TSI均值为59.4(58.8~60.9), 属于轻度富营养化状态, 苎溪河的TSI均值为68.9(61.7~73.7), 接近重度富营养化状态, 龙宝河的TSI均值为71.1(70.3~72.6), 五桥河的TSI均值为74.3(69.0~79.8), 为重度富营养化水体(图 2)。

2.2 浮游动物群落结构 2.2.1 浮游动物组成和优势种

本次调查共鉴定出28属39种浮游动物, 隶属于原生动物、轮虫、枝角类、桡足类(表 2)。各采样点的优势种类合计13种, 其中, 干流的优势种有5种, 分别为钟虫 Vorticella sp.、浮游累枝虫 Epistylis rotans、东方角突臂尾轮虫 Brachionus angularis orientalis、长肢多肢轮虫 Polyarthra dolichoptera 和长圆疣毛轮虫 Synchaeta oblonga。支流的优势种有9种, 分别为食藻斜管虫 Chilodonella algivora、钟虫、纤毛虫Ciliate、懒轮虫 Rotaria tardigrada、螺形龟甲轮虫 Keratella cochlearis、无棘龟甲轮虫 Keratella tecta、前节晶囊轮虫 Asplanchna priodonta、颈沟基合溞 Bosminopsis deitersi 和剑水蚤桡足幼体Cyclopoida copepodite。

2.2.2 浮游动物多样性

浮游动物种类以小型的原生动物和轮虫为主, 分别鉴定出15种和20种, 占总种数的36.6%和48.8%；大型的枝角类和桡足类种类偏少, 分别鉴定出4种和2种, 占总种数的9.8%和4.9%(图 3)。Y1样点未发现浮游动物；Y3、ZX1、WQ1样点均只有1种浮游动物；Y2和ZX2样点的浮游动物种类最多, 均为14种。总的来说, 除Y2样点外, 长江干流的浮游动物数目整体低于支流的；该物种分布特征与生物多样性指数具有一致性。除了Y2样点的 H′ 较高外, 长江干流其他样点的整体低于支流的；长江干流的为0~1.79, 平均0.60；支流的为0~2.19, 平均1.29。长江干流的 D 为0~3.46, 平均1.03；支流的为0~3.25, 平均1.63。干流和支流的 J 变化较小。

2.2.3 浮游动物密度和生物量

Y4、LB2和WQ2样点浮游动物的密度均高于19.6 ind·L^-1, Y1、Y3、ZX1样点的密度低于0.1 ind·L^-1(图 4：A)。各采样点不同类型的浮游动物密度差异明显, 其中原生动物和轮虫的密度明显高于枝角类和桡足类。Y2、ZX2和LB2样点浮游动物的生物量高于29.4 μg·L^-1, Y1、ZX1、ZX3和WQ1样点的生物量低于0.4 μg·L^-1(图 4：B), 其中, 桡足类和轮虫的生物量高于其他类型。浮游动物密度和生物量变化最明显的是Y4样点, 即原生动物密度最高、生物量较低, 这与原生动物个体偏小的生物学特性有关。

2.2.4 浮游动物的空间相似性

根据各采样点浮游动物的丰度进一步分析万州段长江干支流浮游动物的SIMI, 结果表明, 万州段长江干流的浮游动物组成与3条支流的存在很大差异, 其SIMI值均低于0.020；龙宝河和五桥河出现了最高的SIMI值(表 3)。

2.3 浮游动物-环境因子的对应关系

CCA排序探索万州水体浮游动物群落与环境因子之间的关系结果表明, 所有典范特征轴与浮游动物的种群变化均极显著相关(P < 0.01)。第一、二轴的特征值分别为0.941和0.752, 分别解释了浮游动物18.0%和14.5%的物种数据方差变异以及23.3%和18.6%的物种-环境关系变异(表 4)。第三轴和第四轴分别解释了12.8%和10.7%的物种数据方差变异以及16.6%和13.7%的物种-环境关系变异。

环境因子与第一、二轴的关系表明, NO₃-N与第一轴呈显著负相关, TSS与第二轴呈显著正相关, 即NO₃-N和TSS对本次调查中浮游动物的空间分布存在最显著的影响(图 5；与排序轴无显著相关性的环境因子未显示, P < 0.05)。沿着NO₃-N的浓度梯度, 浮游动物出现了显著的分异, 例如针棘刺胞虫 Acanthocystis aculeata、纵长钟虫 Vorticella elongata、疣毛轮虫 Synchaeta sp.、转轮虫 Rotaria rotatoria、懒轮虫、裂痕龟纹轮虫 Anuraeopsis fissa、罗氏异尾轮虫 Trichocerca rousseleti、前节晶囊轮虫、无棘龟甲轮虫、颈沟基合溞等适应高NO₃-N浓度的水环境, 而裂足臂尾轮虫 Brachionus diversicornis、短棘方形臂尾轮虫 B. quadridentatus brevispinus、长棘方形臂尾轮虫 B. quadridentatus melheni、长三肢轮虫 Filinia longiseta、等刺异尾轮虫 Trichocerca similis、无棘匣壳虫 Centropyxis ecornis、浮游累枝虫、短尾秀体溞 Diaphanosoma brachyurum、剑水蚤桡足幼体、桡足类无节幼体Copepod nauplius则喜好NO₃-N浓度相对较低的水体环境。

浮游动物生物多样性指数与环境因子的相关性分析表明(表 5), NO₃-N、DTN、Chl a与 H′ 呈显著正相关, 其中, NO₃-N与 H′ 的相关性最高(r=0.82, P < 0.01), 而TSS与原生动物、桡足类的分别呈正、负相关性。该结果与CCA的排序结果具有一致性。

进一步分析NO₃-N和TSS分别与表征浮游动物群落特征的 H′ 和浮游动物生物量的数量关系, 发现上述2个环境因子均与 H′ 和浮游动物生物量存在较好的拟合关系(图 6)。NO₃-N(x)与 H′ (y)的拟合关系为：y=-9.89 x ³+20.07 x ²-6.89 x (r²=0.75), 而NO₃-N(x)与浮游动物生物量(y)的拟合关系为：y=840.28 x ³+856.01 x ²+219.86 x (r²=0.73)。TSS则分别与 H′ 和浮游动物生物量呈现出相对较弱的拟合关系。

3 讨论 3.1 环境及浮游动物空间差异

本研究结果显示, 万州段长江干流的水质营养水平明显低于支流。这是因为支流流经城区且水量少, 污染物更容易相对富集, 从而更易出现水体富营养化；而干流水量大, 对营养物质有一定的稀释作用。但是长江流经了万州城区, 受城市排污的影响, 长江干流万州段的水体营养状态相对于三峡库区长江干流非城市区域相对偏高, 例如2014年春季万州沱口的营养状态指数逼近50(轻度富营养化的下限值), 高于长江干流非城市区域的营养水平(营养状态指数为35~45)(裴中平等, 2018)。由此可见, 万州城市的水体污染防治需要引起有关部门高度重视。

各采样点浮游动物的多样性(H′)差异明显, 其中Y1、Y3、ZX1、WQ1样点为0, 可能是因为这些位点未检测出或者仅检测出1种浮游动物种类, 其多样性为0。长江干支流浮游动物群落的空间相似性差异大可能与河流的营养、水文状况及食物链有关。例如, 万州段长江干流水体的氮磷含量整体要低于3条支流, 而龙宝河、五桥河水体的氮磷污染相对严重, 富营养化程度更严重。研究表明, 营养盐的差异可能对浮游动物的丰度、组成和多样性产生重要影响(郭坤等, 2017；Li et al., 2019)。此外, 河流的流速、流量、扰动、食物与捕食者等也是影响浮游动物群落的可能因素(姚建良等, 2007；Zhou et al., 2009；冯坤等, 2012；王英才等, 2012；吴利等, 2020)。

3.2 浮游动物与环境因子的关系

研究结果显示, NO₃-N和TSS对浮游动物的空间分布存在显著影响。NO₃-N可能是影响湖泊、水库浮游动物群落结构最重要的环境变量(Dai et al., 2014；鞠永富等, 2016)；罗氏异尾轮虫的出现与高浓度NO₃-N密切相关(徐少林等, 2017)；针棘刺胞虫、钟虫属、裂痕龟纹轮虫、前节晶囊轮虫、无棘龟甲轮虫等是中-富营养水体的优势种(Duggan et al., 2001；李强等, 2015；徐少林等, 2017)；等刺异尾轮虫、裂足臂尾轮虫、短棘方形臂尾轮等多为寡-中营养水体的指示物种(Sládeček, 1983)。本研究中浮游动物所指示的营养梯度与水体NO₃-N的变化趋势是一致的, 表明NO₃-N在水体富营养化过程中可能起到了重要作用。

TSS通常与水体的透明度密切相关, 即TSS高则透明度低, 反之亦然。小型原生动物与TSS正相关, 而轮虫、大型的桡足类与TSS负相关, 即原生动物相对于轮虫、桡足类能更好地适应高TSS的水体环境。本研究中轮虫喜好高透明度的洁净水体, 该结果与他人研究结果(Branco et al., 2002；王庆等, 2010)相似。而透明度是影响浮游动物群落分布的一个重要因素(王庆等, 2010；邱小琮等, 2012；李强等, 2015), 其通过浮游植物间接地影响浮游动物, 即浮游植物既影响了水体透明度, 同时也作为被捕食对象而调控了浮游动物的变化(邱小琮等, 2012；郭坤等, 2017)。本研究中浮游动物的生物多样性指数(H′、D)与Chl a显著正相关, 表明Chl a对浮游动物的群落结构起到了明显的调控作用。此外, TSS影响浮游动物的原因还可能与水体悬浮物的泥沙粒径有关, 因为泥沙容易影响到大个体的浮游动物的摄食活动(陈光荣等, 2008), 并最终影响浮游动物的群落结构(Kirk & Gilbert, 1990；黄海强, 2008)。

NO₃-N相对于TSS, 与 H′ 和浮游动物生物量表现出更好的拟合关系, 验证了NO₃-N对浮游动物起到了最重要的调控作用, 而TSS则发挥了次级调控作用, 一定程度地影响了浮游动物的群落变化。

3.3 浮游动物群落的生态演替

随着三峡大坝的蓄水, 三峡库区的水文情势发生了巨大的变化, 改变了水体的物质能量循环过程(Zeng et al., 2007)。这些变化也影响了三峡库区河流生态系统中浮游动物的物种组成和群落结构。研究浮游动物的生物学现状, 对评价本研究区浮游动物的资源状况和揭示生态环境演变规律具有重要意义。

对比三峡库区长江干流浮游动物群落变化的文献发现：

(1) 三峡水库蓄水前后, 原生动物、轮虫、枝角类和桡足类的优势度出现了变化。在20世纪80年代尚未修建三峡水库时, 三峡库区的原生动物以珍珠映毛虫 Cinetochilum margaritaceum、钩刺斜管虫 Chilodonella uncineta、瞬目膜袋虫 Cyclidium glaucoma、小轮毛虫 Trochilia minuta 和纤毛虫占绝对优势；2003年蓄水初期, 优势种演变为钟虫、针棘匣壳虫 Centropyxis aculeata、宽口圆壳虫 Cyclopyxis eurostoms、球砂壳虫 Difflugia globulosa 和壳吸管虫 Acineta spp.；2003—2006年, 纤毛虫比例逐渐增大, 优势种越来越不明显, 食细菌者增多等(郑金秀等, 2009)；2009年冬季, 三峡库区水体以原生动物普通表壳虫 Arcella vulgaris 为主(王英才等, 2012)；2017年, 三峡库区的原生动物以钟虫、浮游累枝虫为主。随着三峡水库蓄水完成, 水环境的稳定使水库中原生动物的种类逐渐从喜流水型向喜静水型转变, 与其他湖库趋于相似(郑金秀等, 2009)。长江干流万州段的枝角类和桡足类在2003年冬春季含量为0(姚建良等, 2007；吴惠仙等, 2009), 而本次调查却发现了少量的短尾秀体溞、颈沟基合溞、剑水蚤桡足幼体、桡足类无节幼体。这表明随着三峡水库运营的逐步稳定化, 枝角类和桡足类有了一定程度的恢复。整个浮游动物群落的多样性显示, 本次调查中的浮游动物比2012年同期(何滔等, 2014)少。造成这种变化的一种原因可能和三峡水库水位波动而导致的水文变化有关, 因为三峡水库蓄水导致的水流减缓可能是影响浮游动物群落长期演替的重要驱动因素(Obertegger et al., 2007)；另一种原因可能和库区人类活动强度不断增加而导致的水体污染有关(Vörösmarty et al., 2010；Carnicer et al., 2015)。长江干流浮游动物多样性的减少需要引起注意, 以防止三峡库区水生生态系统发生严重的生态危机。

(2) 2012年冬春季, 三峡库区长江干流巫山段浮游动物的密度为4.98 ind. ·L^-1, 生物量为36 μg·L^-1(何滔等, 2014)；2017年11月, 三峡库区长江干流万州段浮游动物的平均密度为8.36 ind. ·L^-1, 平均生物量为8.63 μg·L^-1。这2次调查中浮游动物的密度和生物量变化不大, 而导致浮游动物密度与生物量反向变化的原因在于浮游动物各类型的相对丰度变化：2012年个体质量较小的原生动物和轮虫的相对丰度合计为78.3%, 个体质量较大的枝角类和桡足类的相对丰度为21.7%；2017年原生动物和轮虫的相对丰度明显增加, 合计高达98.1%, 枝角类和桡足类的相对丰度为1.9%, 因此导致密度和生物量出现上述不同步变化。

4 结论

本研究通过调查2017年11月万州段长江干支流的浮游动物种类和组成变化, 分析了浮游动物和水体环境因子之间的关系, 并对比了万州及其周边地区长江干流浮游动物的长期演替情况, 得出了以下结论：

(1) 流经万州的长江干流水质达到了轻度富营养化状态, 而支流(苎溪河、龙宝河、五桥河)水质达到了中-重度富营养化状态。城市水体污染防治需要引起高度重视, 防止其威胁到三峡库区的水生态安全。

(2) 本次调查共鉴定出28属39种浮游动物, 隶属于原生动物、轮虫、枝角类、桡足类4大类。优势种类共有13种, 其中干流的优势种有5种, 分别为钟虫、浮游累枝虫、东方角突臂尾轮虫、长肢多肢轮虫、长圆疣毛轮虫。支流的优势种有9种, 分别为食藻斜管虫、钟虫、纤毛虫、懒轮虫、螺形龟甲轮虫、无棘龟甲轮虫、前节晶囊轮虫、颈沟基合溞以及剑水蚤桡足幼体。

(3) 本次调查浮游动物以原生动物和轮虫为主, 其密度明显高于枝角类和桡足类。长江干流的浮游动物多样性整体低于支流的。CCA排序表明, 与第一轴最为相关的环境因子是NO₃-N, 与第二轴最为相关的环境因子是TSS, 这二者是影响浮游动物的种群变化最重要的环境因子。NO₃-N、TSS与浮游动物的多样性指数、生物量存在明显的拟合关系。

(4) 对比三峡库区万州及其周边地区长江干流浮游动物的长期演替发现：随着水环境的稳定, 水体中原生动物的种类逐渐从喜流水型向喜静水型转变。原生动物和轮虫的相对丰度相对于2012年同期偏高。浮游动物生物多样性相对于2012年同期偏低, 可能和水位波动的长期影响或者水体污染有关。长江干流浮游动物多样性的减少需要引起注意, 以防止三峡库区水生生态系统发生严重的生态危机。