DENSITY ON THE SURVIVAL RATE, OVULATION RATE, WATER QUALITY, WATER, AND INTESTINAL MICROBIAL COMMUNITY OF BROODSTOCK MACROBRACHIUM ROSENBERGII
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摘要:
为探讨保种期罗氏沼虾(Macrobrachium rosenbergii)种虾合理的放养密度, 实验以温室保种期的种虾为研究对象, 雌雄比例2﹕1, 雌虾初始体重为(17.95±1.11) g, 雄虾初始体重为(21.39±1.63) g, 设置3个放养密度: LD (1.0 kg/m3)、MD (1.5 kg/m3)、HD (2.0 kg/m3), 研究了密度对罗氏沼虾种虾抱卵率、存活率、水质、水体和肠道微生物群落的影响。结果表明: 水质未稳定前, 水体中氨氮和亚硝态氮的含量随着放养密度的增加而升高, HD组显著高于LD组(P<0.05)。水质稳定后各密度组之间无显著差异(P>0.05)。LD组和MD组雌虾的抱卵率显著大于HD组(P<0.05), LD组和MD组无显著差异(P>0.05)。存活率随着放养密度的增加显著降低(P<0.05)。放养密度显著影响罗氏沼虾的规格, 小规格虾的比例随着放养密度的升高显著增加(P<0.05)。水体微生物群落结果表明, 水体中氨氮含量最高时, 硝化螺旋菌属(Nitrospira)为HD组的指示物种。肠道微生物结果表明, 在相同的采样时间, 放养密度对罗氏沼虾肠道微生物菌群组成无显著影响。但当水体中氨氮含量最高时, 潜在病原菌柠檬酸杆菌(Citrobacter)的占比在MD组和HD组有所升高, 说明密度引起的水质变化显著影响中高密度组的肠道微生物群落组成。综上, 建议保种期罗氏沼虾的放养密度以1.0 kg/m3为宜。
Abstract:This study aims to investigate the appropriate stocking density for broodstock Macrobrachium rosenbergii. The experiment was conducted in a greenhouse setting, using M. rosenbergii broodstock with a sex ratio of 2﹕1 (females to males). The initial weight of the female shrimps was (17.95±1.11) g, and the male shrimp weighed (21.39±1.63) g. Three stocking densities were tested: LD (1.0 kg/m3), MD (1.5 kg/m3), and HD (2.0 kg/m3). The effects of these stocking densities on brooding rate, survival rate, water quality, and microbial communities in both water and the shrimp gut were analyzed. The results showed that before water quality stabilized, ammonia nitrogen and nitrite nitrogen levels increased with higher stocking density, with the HD group exhibiting significantly higher levels than the LD group (P<0.05). After stabilizing the water quality, no significant differences were observed among the density groups (P>0.05). The ovulation rate of female shrimp in the LD and MD groups was significantly higher than that in the HD group (P<0.05), while there was no significant difference between the LD and MD groups (P>0.05). Survival rate decreased significantly as stocking density increased (P<0.05). Meanwhile, stocking density had a notable effect on the size distribution of broodstock M. rosenbergii, with a significantly higher proportion of smaller shrimp in the higher density groups (P<0.05). Gut microflora results showed that stocking density had no significant effect on bacterial community composition at any sampling time. However, at the peak of ammonia nitrogen content, the proportion of potentially pathogenic Citrobacter increased in both MD and HD groups, indicating that water quality changes caused by higher density significantly influenced the gut microbiota composition in these groups. In conclusion, a stocking density of 1.0 kg/m3 was suggested as the most suitable for broodstock M. rosenbergii. The results of this study provide a valuable reference for determining the appropriate stocking density for M. rosenbergii.
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黄河是我国第二大河流, 历史悠久, 被称为中国的“母亲河”, 是西北、华北地区十分重要的水资源。在资源性缺水严重的黄河流域, 特殊的水流泥沙特征、水生态污染、纳污能力及生态环境承载能力低等生态环境问题, 已然成为制约经济社会可持续发展的主要瓶颈之一。黄河在河南省境内全长约711 km, 坐标在北纬34°34′—36°08′, 东经110°22′—116.07′[1], 横跨8市26县(市、区), 总面积190000 hm2, 主要位于河南省北部, 水系包括干流、若干支流及水库, 具有丰富的生物资源和自然资源, 为河南省经济发展提供强大的资源动力。
浮游植物作为水生态系统的主要初级生产者, 种类繁多, 能够适应多种环境条件, 不同物种对水质环境变化十分敏感, 能够及时准确、综合反映水域生态系统特征[2]。虽已有大量文献表明浮游藻类对水体评价具有较可靠的参考意义和价值[3, 4], 但若仅仅基于传统浮游植物分类无法很好地准确表征生境特征和水质状况[5]。为能够更好地分析浮游藻类在环境变化中的响应及表征环境特征, Reynolds等[6]和Padisák等[7]提出浮游藻类功能群理论(Functional groups, FG), 胡韧等[8]也对功能群的意义和分类方法进行了较为系统的归纳和阐述, 在我国已有不少生态学者探究了湖泊、水库、河流等水体藻类功能群组成及生境特征[9, 10]。FG分类法是根据浮游藻类对不同环境的敏感性、耐受性差异, 从而反映出藻类生境的属性, 将藻类划分成适应不同环境特征的类群, 迄今为止共划分出39种藻类功能群, 涵盖大部分藻类, 也是我国在河流、湖库研究中较为常用的分类法[11]。基于FG功能群划分法, 专为湖库、河流制定的Q指数[12]及Qr指数[13]对评价水生态环境质量具有重要意义。
本研究在黄河流域河南段设置16个调查位点, 通过FG划分法对流域内浮游藻类功能群特征进行分析, 比较黄河河南段各水系间的环境因子差异, 并采用RDA冗余分析探究影响浮游藻类生长的关键环境因子, 综合评价黄河流域河南段水生态环境状况, 旨为黄河水资源综合利用、渔业资源保护、水生态环境保护等提供基础资料和理论支撑。
1. 调查方法
1.1 采样时间及位点设置
2021年6月, 参照国控及省控水质监测断面并结合自然保护区、省界断面同时综合考虑与流域生态保护重点区域的协同性, 在黄河河南段流域共设置16个采样点, 包括干流、支流及水库, 以满足所监测生物种类、生境条件的采样要求。详细调查点位设置见表 1, 并采用Arcgis 10.2地理软件绘制黄河流域河南段采样点位分布见图 1。
表 1 黄河流域河南段16个调查点位信息Table 1. Sampling sites of the Yellow River Basin in Henan Province序号
Number所属区域
Area点位
Site水体级别
Water system所在水体
Water body经度(度)
Longitude (%)纬度(度)
Latitude (%)1 中游Middle reaches 洛宁长水LuoNingChangShui 支流
Tributary洛河
Luohe River111.4467 34.3302 2 洛河大桥LuoHe bridge 111.1195 34.0950 3 高崖寨GaoYa Village 112.3856 34.5992 4 白马寺White Horse Temple 112.5978 34.7088 5 七里铺Qilipu 113.0567 34.8265 6 陶湾Taowan 伊河
Yihe River111.4618 33.8182 7 龙门大桥Longmen Bridge 112.4751 34.5295 8 岳滩Yuetan 112.7759 34.6831 9 五龙口Wulongkou 沁河
Qinhe River112.6784 35.1665 10 沁阳伏背Qinyang Fu Bei 112.7889 35.1398 11 武陟渠首Wuzhi headworks 113.5111 34.9944 12 南村Nancun 小浪底水库
Xiaolangdi Dam Reservoir111.8301 35.0617 13 南山Nanshan 112.0280 35.0517 14 大横岭Daheng ridge 112.2540 34.9478 15 小浪底Xiaolangdi 干流
Main stream黄河
Yellow River112.3992 34.9196 16 下游Lower reaches 花园口Huayuankou 113.6801 34.9190 ![]()
图 1 黄河流域河南段调查位点布设区域Figure 1. Graph of sampling sites of the Yellow River Basin in Henan Province1.2 采样方法及鉴定分类
浮游藻类采样方法 定量样品采用1 L采水器, 在水面至以下0.5—1 m区域, 采集1 L水样置于样品瓶中。定性样品采用25#浮游生物网在水中缓慢做“∞”形拖拉2min, 将收集到的样品装入100 mL样品瓶中。定量样品的固定与处理: 固定按1%—1.5% 的比例在水样中加入鲁哥氏液[14]。沉降浓缩: 将固定样品沉淀24 h浓缩至50—80 mL, 待鉴定。
浮游藻类鉴定与计数 取0.1 mL样品在10×10格的浮游植物计数框中, 从一侧斜入盖上盖玻片, 盖玻片时须防止气泡产生, 然后在40×10倍光学显微镜下观察, 通过形态分类方法鉴定浮游藻类至属(种)[15]。通过公式换算, 得出密度(丰度)值, 再通过浮游藻类平均湿重(湿质量)及丰度关系得出生物量, 即浮游藻类的密度与藻类湿质量的乘积[16]。其中丰度单位为 cells/L, 生物量单位为 mg/L。
功能群的划分 功能群划分方法有FG、MFG、MBFG和PFT四种, FG分类法更偏向浮游植物类群与环境特征之间的联系, 把符合某种特定生境特征、具有相似敏感性的浮游藻类划分为一个功能群。本文中将黄河流域河南段16个点位所鉴定出的藻类属(种), 参照Padisák等[7]在2009年补充提出的39种FG功能群分类法进行划分。为进一步分析整个调查流域内藻类分布状况及藻类与环境之间的关系, 将功能群总生物量占比＞5%的功能群归为优势功能群。
水质样品采集、测定及评价 现场监测所调查水体水温(WT)、pH、溶解氧(DO)、电导率(Cond)、浊度(NTU), 高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮(
${\rm{NH}}^+_4 $ -N)、总磷(TP)和总氮(TN)测定在实验室内分析完成, 参照《水和废水监测分析方法》第4版[14]。河流、湖泊和水库水质评价, 采用单因子评价法, 将水质评价类别分为Ⅰ—Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类和劣Ⅴ类水质, 分别对应水质状况为优、良好、轻度污染、中度污染和重度污染, 详细方法参照《地表水环境质量标准》(GB3838-2002), 本次调查主要以DO、CODMn、
${\rm{NH}}^+_4 $ -N、TP和TN指标进行水质评价。1.3 数据分析处理
生物多样性指数 根据浮游藻类群落密度计算Shannon-Wiener多样性指数(H′), 其中n为藻类总体个数, S为藻类种类数, ni为第i种藻类总个体数, Shannon-Wiener多样性指数(H')[17, 18]计算如下:
$$ H'=-\displaystyle{\sum}_{i=1}^{S}\left(\frac{n_i}{n}\right){\rm{log}}_2\left(\frac{n_i}{n}\right) $$ 生物多样性指数数值越小, 说明水体受到污染越严重[19], Shannon-Wiener多样性指数水质评价结果分级表示为, 0—1重度污染, 1—2中度污染, 2—3轻度污染, 3—+∞水质清洁[20, 21]。
Qr指数和Q指数 运用Qr[13]指数和Q指数[12]对黄河流域河南段的河流及水库水质进行进一步评价分析, 其中n*为浮游藻类功能群的数量, Pi为第i个功能群生物量占总生物量比例, 因子数Fi为第i个功能群赋值, 计算如下:
$$ Q\left({Q}^{r}\right)=\sum _{i=1}^{{n}^{*}}{P}_{i}{F}_{i} $$ 式中, F因子赋值与功能群藻类的营养状态、湍流度和滞留时间等有关, 且与藻类栖息环境的物理及化学性质有关, 所以需具备一定经验的研究人员进行综合判断并赋值, 由于具有主观因素, F因子并非固定值。本文中结合调查位点的环境特征(水色、海拔、湍流度、深浅等)和Borics等[13]提出的水体评价研究理论, 对F因子进行综合赋值(表 3)。
表 3 黄河流域河南段浮游藻类功能群组成及生境特征Table 3. Composition of phytoplankton functional groups and habitat characteristics of the Yellow River Basin in Henan Province功能群
Functional
group藻属组成
Species
composition生境特征
Habitat
characteristic耐受性
ToleranceF因子
F
Factor功能群
Functional
group藻属组成
Species
composition生境特征
Habitat
characteristic耐受性
ToleranceF因子
F
FactorB 直链藻属
Melosira sp.中营养、中小型或大型浅水水体 低光照 4 LO 乌龙藻属
Woronichinia sp.贫到富营养、中到大型水体、可深可浅 营养分层 1 小环藻属
Cyclotella sp.裸甲藻属
Gymnodinium sp.冠盘藻属
Stephanodiscus sp.多甲藻属
Peridinium sp.C 沟链藻属
Aulacoseira sp.富营养、中小型水体 低光照、低含碳量 3 平裂藻属
Merismopedia sp.星杆藻
Asterionella sp.M 微囊藻属
Microcystis sp.小到中型、富营养到超富营养、稳定、透明度较高 暴晒 0 D 针杆藻属Synedra sp. 含有营养盐、浑浊 冲刷 4 MP 拟柱胞藻属Cylindrospermopsis sp. 经常性搅动、浑浊、浅水 混合搅动 5 菱形藻属
Nitzschia sp.曲壳藻属
Achnanthes sp.E 锥囊藻属
Dinobryon sp.贫营养或异养型、小型水体、浅水 低营养(有赖于混合营养) 3 N 鼓藻属
Cosmarium sp.持续或半持续的混合水层 低营养 3 F 卵囊藻属Oocystis sp. 中到富营养、洁净、混合强 低营养、高浑浊 3 角星鼓藻属Staurastrum sp. 蹄形藻属
Kirchneriella sp.P 新月藻属
Closterium sp.持续或半持续的混合水层 中程度的低光照和低碳含量 4 G 团藻属Volvox sp. 富营养、停滞水体 高光照 1 S1 浮丝藻属Planktothrix sp. 混合浑浊、
透明度低极低的光照 0 空球藻属
Eudorina sp.假鱼腥藻属Pseudanabaena sp. 实球藻属
Pandorina sp.T 转板藻属
Mougeotia sp.持续混合水层 低光照 3 H1 鱼腥藻属
Anabaena sp.富营养、分层、浅水 低含碳量 1 并联藻属
Quadrigula sp.束丝藻属Aphanizomenon sp. W1 裸藻属Euglena sp. 有机污染、
浅水高生化需氧量 1 J 盘星藻属
Pediastrum sp.高营养、混合、浅水 2 扁裸藻属Phacus sp. 空星藻属
Coelastrum sp.W2 囊裸藻属Trachelomonas sp. 中营养、浅水 3 十字藻属
Crucigenia sp.X1 纤维藻属Ankistrodesmus sp. 超富营养、
浅水分层 3 LM 角藻属Ceratium sp. 富到超富营养、中小型水体 很低的碳含量 1 小球藻属
Chlorella sp.束球藻属Gomphosphaeria sp. X2 蓝隐藻Chroomonas placoidea 中到富营养、浅水 分层 4 X3 弓形藻属Schroederia sp. 贫营养、混合、浅水 恶劣环境条件 3 XPh 壳衣藻属
Phacotus sp.含钙高、光照好、碱性、小型水体 2 Y 隐藻属
Cryptomonas sp.静水环境 低光照 3 注: *F因子按照采样点环境及藻类群落分布综合评价赋值, 在引文F赋值表中所定范围内, 由研究人员主观赋值Note: *The given value of *Factor F is assigned according to the comprehensive evaluation of the sampling point environment and the distribution of phytoplankton community, which is subjectively assigned by the researchers Qr指数与Q指数计算方式相同, Qr指数用以评价河流水质[12], Q指数用以评价水库[13]及湖泊水质, 水质评价结果分级: 0—1(差)、1—2(耐受)、2—3(中等)、3—4(好)和4—5(极好)[8]。
绘图及生物统计分析 采用Excel 2019、SPSS 26.0、GraphPad Prism 8.0.2软件对所得数据进行统计分析、图表绘制; 对所有藻类功能群及环境因子数据均通过lg(1+x)转换标准化统一后, 采用Canoco 5.0软件对浮游植物功能群和环境因子进行DCA和RDA分析作图。
2. 结果
种类组成 本次16个调查点位共鉴定浮游藻类65属154种, 隶属于硅藻门、蓝藻门、绿藻门、隐藻门、甲藻门、裸藻门和金藻门7门。其中, 绿藻门在种类组成上占优势(68种, 占比44.16%), 调查流域内无优势种; 其次是硅藻门(60种, 占比38.96%), 调查流域内优势种为小环藻(Cyclotella sp.)、颗粒沟链藻极窄变种(Aulacoseira granulata var. angustissima); 蓝藻门(11种, 占比7.14%), 优势种为束丝藻(Aphanizomenon sp.)、假鱼腥藻(Pseudanabaena sp.); 此外, 裸藻门(6种, 占比3.9%); 隐藻门和甲藻门(4种, 各占比2.6%); 金藻门(1种, 占比0.65%)。黄河河南段流域内浮游植物优势种及优势度见表 2。
表 2 黄河流域河南段浮游藻类优势种及优势度Table 2. Dominant phytoplankton species and their dominance of the Yellow River Basin in Henan Province门类
Phylum优势种
Dominant species优势度
Dominance硅藻门
Bacillariophyta小环藻 Cyclotella sp. 0.1322 颗粒沟链藻极窄变种Aulacoseira granulata var. angustissima 0.0430 蓝藻门
Cyanophyta束丝藻 Aphanizomenon sp. 0.0220 假鱼腥藻 Pseudanabaena sp. 0.1046 功能群划分 黄河流域河南段浮游藻类按照FG分类法共划分23个功能群(表 3), 分别是功能群B、C、D、E、F、G、H1、J、LM、Lo、M、MP、N、P、S1、T、W1、W2、X1、X2、X3、Xph和Y。其中, 功能群C、D、MP、J、Lo、F、P、X1和Y在所有点位中出现频次大于80%, 为黄河流域河南段常见类群; 功能群LM、X2、S1、M出现频次在30%—80%, 仅在其适宜的条件下出现; 而其他功能群出现频次低于30%, 出现概率较低。
将总生物量占比＞5%的藻类功能群定义为优势功能群, 包括功能群C、D、MP、P和J, 5类优势功能群的共同特征为适应高营养、混合搅动, 偏浑浊的水体, 其中以小环藻、沟链藻为代表的功能群C生物量远高于其他功能群, 其次是功能群D。
浮游藻类功能群空间分布 不同调查点位、水系中浮游藻类功能群的组成及相对生物量存在差异, 其中黄河干流2个调查点位功能群的平均生物量为0.524 mg/L, 平均丰度为6.825×105 cells/L; 支流11个点位功能群的平均生物量为3.674 mg/L, 平均丰度为5.68×106 cells/L; 水库3个点位功能群的平均生物量为2.345 mg/L, 平均丰度为4.27×106 cells/L。
从图 2可知, 白马寺的生物量最高, 为10.121 mg/L, 其次是岳滩, 生物量为9.979 mg/L, 这两个调查位点位于洛阳市黄河支流水系, 两个调查位点直线距离较近, 且两位点均具有16个功能群, 鉴定到浮游藻类种类多, 因此生物量相对较高; 但白马寺是以小环藻为代表的功能群C为主, 而岳滩则以菱形藻和针杆藻为代表的功能群D为主。其余调查位点中, 生物量最低的是小浪底, 生物量仅有0.229 mg/L, 只包含7种功能群, 是黄河流域河南段功能群种类分布最少的调查位点。
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图 2 黄河流域河南段功能群组成分布及相对生物量Figure 2. Composition distribution and biomass of phytoplankton functional group of the Yellow River Basin in Henan Province环境理化因子及分析 黄河流域河南段16个调查点位的水温区间在13.9—27.1℃, pH在7.0—8.7, 溶解氧在6.3—11.4 mg/L, 高锰酸盐指数在1.4—4.2 mg/L, 氨氮在0.02—0.35 mg/L, 总磷在0.05—0.089 mg/L, 总氮在1.67—5.43 mg/L, 浊度在1.4—174。通过对干流、水库、支流三大水系各环境因子特征分析, 黄河流域河南段水域水温(WT)、pH、溶解氧(DO)、高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮(
${\rm{NH}}^+_4 $ -N)、总磷(TP)和总氮(TN)均不具显著性差异; 干支流与水库之间的浊度(NTU)具有显著性差异(P＜0.05)。空间分布按照干流、水库、支流的顺序, WT呈上升趋势, TN、NTU呈下降趋势, DO、CODMn和TP变化幅度不大(图 3)。![]()
图 3 黄河流域河南段各水系环境因子分析对比Figure 3. Analysis of environmental factors of the Yellow River Basin in Henan Province通过对各环境因子指标(OD、CODMn、
${\rm{NH}}^+_4 $ -N和TP)进行水质类别分析表明干、支流水质均属Ⅰ—Ⅱ类(优), 水库位点水体中TP含量微高, 水质属Ⅲ—Ⅳ类(轻度磷污染); 而调查全流域水体TN含量都比较高, 水质属劣Ⅴ类(重度氮污染)。本次调查的11个支流位点涉及到伊河、沁河和洛河, 通过对不同支流间环境因子进行分析表明不同支流之间各环境因子均不具显著性差异。其中, 洛河水温最高, 总磷含量最高, 浊度最高且分布较均匀; 伊河流域溶解氧最低, 高锰酸盐指数最高; 洛河流域和伊河流域总氮分布差异较大, 沁河流域和伊河流域浊度分布差异较大(图 4)。
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图 4 黄河流域河南段不同支流环境因子分析对比Figure 4. Analysis and comparison of environmental factors in different tributaries of the Yellow River Basin in Henan Province水体中营养盐对浮游藻类的生长有着非常重要的作用, 而N、P通常被认为是限制藻类生长的关键因子。对黄河流域河南段各调查点位进行氮磷比分析, 结果显示支流中的氮磷比分布具有一定差异, 其中沁河流域五龙口调查位点氮磷比最高, 为592﹕1, 沁河流域武陟渠首调查点位最低, 为29﹕1; 水库和干流的氮磷比相对支流较低(图 5)。
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图 5 黄河流域河南段各位点氮磷比分析结果Figure 5. Analysis of nitrogen and phosphorus ratio of the Yellow River Basin in Henan Province优势功能群与环境因子的相关性分析 通过对5类优势功能群(C、D、MP、P和J)进行DCA分析显示最大梯度值为2.2, 更适合线性模型RDA冗余分析探究优势功能群与环境理化因子间的关系, RDA排序如图 6所示, 其中一轴的解释度为49.37%, 二轴的解释度为29.02%, 前两轴能够较好地解释环境理化因子与浮游藻类功能群的关系。蒙特卡洛置换检验结果表明, 功能群C与TN呈负相关; 功能群MP与TP、
${\rm{NH}}^+_4 $ -N、WT、pH和CODMn呈负相关; 功能群P与${\rm{NH}}^+_4 $ -N、WT和CODMn呈正相关; 功能群D与TN呈正相关; 功能群J与NTU呈正相关, 与DO呈强负相关; 环境因子CODMn (P=0.0273)为黄河流域河南段浮游藻类的主要影响影子。![]()
图 6 黄河流域河南段浮游藻类优势功能群与环境因子RDA分析Figure 6. RDA analysis between dominant phytoplankton functional group and environmental factors of the Yellow River Basin in Henan Province生物多样性指数、Q指数与Qr指数评价分析 根据浮游藻类密度计算黄河流域河南段Shannon-Wiener多样性指数, Shannon-Wiener指数在2.23—3.96 (图 7)。干流水系小浪底为2.62 (轻度污染), 花园口为2.51 (轻度污染); 水库流域南山为2.99 (轻度污染), 大横岭为2.98 (轻度污染), 南村为3.33 (水质清洁); 支流水系武陟渠首为3.17 (水质清洁), 五龙口为3.63 (水质清洁), 沁阳伏背为2.85 (轻度污染), 龙门大桥为3.95 (水质清洁), 陶湾为3.39 (水质清洁), 岳滩为2.23 (轻度污染), 白马寺为3.14 (水质清洁), 七里铺为2.42 (轻度污染), 洛宁长水为2.27 (轻度污染), 洛河大桥为3.63 (水质清洁), 高崖寨为2.58 (轻度污染)。干流平均值为2.57 (轻度污染), 水库平均值为3.1 (水质清洁), 支流平均值为3.02 (水质清洁)。
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图 7 黄河流域河南段Q指数与多样性指数分析结果Figure 7. Analysis of Shannon-Wiener and Q index of the Yellow River Basin in Henan Province基于FG功能群分类得出的调查流域点位的Q指数和Qr指数范围为2.05—3.98 (图 8)。干流水系小浪底为2.56 (中等), 花园口为4.27 (极好); 水库流域南山为2.89 (中等), 大横岭为2.25 (中等), 南村为2.94 (中等); 支流水系武陟渠首为3.38 (好), 五龙口为3.92 (好), 沁阳伏背为3.85 (好), 龙门大桥为3.95 (好), 陶湾为3.61 (好), 岳滩为3.71 (好), 白马寺为3.28 (好), 七里铺为3.31 (好), 洛宁长水为3.47 (好), 洛河大桥为4.16 (极好), 高崖寨为3.28 (好)。干流平均值为3.41 (好), 水库平均值为2.69 (中等), 支流平均值为3.63 (好)。
结合地表水环境评价来看, 白马寺、龙门大桥、洛河大桥、陶湾、五龙口和武陟渠首6个调查点位的3种方式评价结果均为水质清洁, 且均为支流流域; 而大横岭、南村评价结果均为轻度污染, 水质结果表示呈轻度磷污染。
3. 讨论
3.1 黄河流域河南段浮游藻类功能群组成及分布
黄河流域水生态环境的保护与我国经济高质量发展密不可分, 黄河河南段主要位于黄河流域的中下游, 包含干流、支流和水库等, 水系交错复杂, 遍布范围广, 对河南省社会经济发展具有促进作用。然而近几十年来, 受全球气候改变和经济发展需求, 黄河流域遭受河道阻流、水质恶化、污染物排放、渔资源滥捕和生物入侵等人类活动的影响, 黄河流域的水质和生物多样性呈下降趋势[22]。浮游藻类作为水体中最主要的初级生产者, 对水体的污染物反应非常灵敏, 因此藻类的群落结构变化对水体水质具有指示作用[23], 通过对浮游藻类群落结构研究能够为黄河水质、生物多样性的监测与评估提供数据理论支持。在本研究中, 黄河流域河南段藻类组成种类主要为硅藻门、绿藻门和蓝藻门, 其中绿藻门种类最多, 与已有黄河流域藻类群落结构的研究报道相一致[24－27]。调查流域内以硅藻门的小环藻、沟链藻和蓝藻门的束丝藻、假鱼腥藻为优势种(优势度≥0.02)。以蓝藻为优势种的水体通常属于富营养化体, 其中岳滩调查位点以H1功能群为主要贡献者, 代表种类为假鱼腥藻和束丝藻, 该点位氮磷比为115.5﹕1。值得注意的是, Schindler[28]认为低氮磷比会诱发束丝藻与假鱼腥藻的生长, 而此次调查期间水体氮磷比为52—592, 远远大于Redfield比率, 即藻类健康生长的氮磷比例16﹕1[29, 30], 所以本文研究发现束丝藻和假鱼腥藻在高氮磷比水体中也能成为优势类群。
基于FG功能群划分法, 黄河流域河南段共划分23个浮游藻类功能群, 其中优势类群为功能群C、D、MP、P和J类。除功能群J外, 功能群C、D、MP和P主要贡献物种均为硅藻门种类, 这些功能群的共同特征为适应富含营养盐、高营养的水体。功能群C可存在于中小型水体, 且耐受低光照和低含碳量, 在所调查流域中占绝对优势; 功能能群D常出现在浑浊的水体中, 黄河泥沙含量高, 透明度低, 较低的透明度会明显抑制浮游植物的生长[31], 成为大部分藻类的限制因子, 因此耐受低光照的功能群D也更容易在黄河流域生长; 功能群MP和P常出现在持续或半持续混动的水体中, 因此河流型水体更容易诱发这两种藻类功能群占优势。在此次调查中, 特征为在静水的水库水体中, 功能群MP和P生物量占比明显低于水流具有一定混动的支流和干流水系。功能群J适宜生长在混合型富营养化的水体中, 而对高强度光照敏感, 在以功能群J为绝对优势功能群的调查位点大横岭、南山和小浪底中, 水温均大于24.5℃, 并且调查时间处于夏季, 这与武安泉和郭宁[32]所探究的功能群J喜高温, 夏季易形成优势功能群的结论一致。
不同空间上浮游藻类功能群在丰度和生物量方面也存在一定差异。支流流域面积广泛, 有的位处干流、湖库的进出水口, 并且受生活污水、农田污水影响大, 营养盐含量高, 水流较缓, 浮游藻类组成较为丰富。随着人口和经济的增长, 黄河下游支流部分地区形成的天然河漫滩被大面积开垦为农田, 还包括工业、畜牧业等人类活动的影响, 其中最大的来源是农田开垦导致大量富含氮、磷的化学肥料注入, 导致土壤中氮、磷含量逐渐增大, 这在李英臣等的研究[33]中得到证实, 而含氮、磷的工业污水和农业污水引起的水体的富营养化可以在短时间内出现[34], 这可能是支流不同点位氮磷比具有明显差异的原因。有研究证实硅藻门种类可耐受高含量氮并大量生长[35, 36], 而在高氮磷比条件下蓝藻更易成为优势类群[37]。在本次调查流域内水体高含量氮、高氮磷比的情况下, 同样发现是以硅藻和蓝藻为代表的功能群C、D、MP和P占优势。此外, 调查的水库位点轻度磷污染, 应防范水库水体富营养化的发生, 可根据磷污染总量制定更为严格的磷排放标准, 实施引排污染源, 有节制地进行农田开垦, 限制施肥时间、改进施肥方式[38]。在本次调查中发现干流功能群种类远远少于支流和水库的功能群数量, 可能是由于干流水体流速快、泥沙含量高、透光度低导致浮游藻类群落结构简单, 这与Straskraba等[39]的研究结论一致, 较快的水流流速会使得浮游藻类流失量增加, 种群丰度和种类都相应减少, 而在这种环境下就更适合以耐冲刷的针杆藻为代表的功能群D生长[40]。
3.2 黄河流域河南段浮游藻类功能群与环境因子的相关性
本次调查研究中各环境因子, 除浊度在干支流与水库间呈显著差异外, 其他因子均不具显著性差异。通过RDA冗余分析结果表明, CODMn为黄河流域河南段浮游藻类组成与分布的关键驱动因子。其中优势功能群C与TN呈强负相关; 功能群MP与TP、
${\rm{NH}}^+_4 $ -N、WT、pH和CODMn呈负相关; 功能群P与${\rm{NH}}^+_4 $ -N、WT和CODMn呈正相关; 功能群D与TN呈正相关, 功能群J与NTU呈正相关, 与DO呈强负相关。功能群P、J类群生境特征为耐受低光照、低碳含量、半扰动或浅层水体, 黄河水体含沙量高, 透光度低, 有利于功能群P类群大量生长, 由于黄河流域河南段水文及人文影响, 例如河漫滩地势、人工围造农田污染等会导致氮、磷营养盐的大量输入, 可能导致以硅藻门、绿藻门为代表的功能群P、J类群浮游植物大量生长, 通常浮游藻类的大量生长会导致CODMn增加, 这与本研究的水化学检测结果一致。各调查点位氮磷比分析结果均大于已报道的藻类生长最佳条件氮磷比(40﹕1)[41], 且黄河流域河南段RDA冗余分析表明, 总磷与各优势功能群均不具显著差异(P>0.05), 总氮与浮游藻类分布生长呈负相关, 说明总磷可能并不是影响流域内浮游藻类的主要限制因子。3.3 基于环境评价的黄河水生态保护建议
浮游藻类传统分类法通常以生物多样性指数来评价水体环境状态, 其主要是把藻类丰度分布包含的信息归为单一的统计结果来反映水体状态[42], 以藻类群落结构的复杂程度来计算并指示水质健康状况。FG功能群划分方法是基于浮游藻类与水生态环境间的关系建立的, 基于FG功能群的Q指数评价则主要考虑特定环境特征(包括营养盐、水体大小、深度和光照等)来进行水质评价[43, 44], 与生物多样性指数评价侧重点不同, 评价结果也会存在差异。在本次调查中发现, 水库流域的大横岭和南村, 支流流域的白马寺、龙门大桥、洛河大桥、陶湾、五龙口和武陟渠首8个调查点位的生物多样性、Q指数评价结果均为水质清洁良好, 且与地表水环境评价结果相符, 两种评价方法结果也可看出洛河流域水质相较于其他支流水质较差。而花园口、南村、高崖寨、洛宁长水、七里铺、沁阳伏背和岳滩7个点位的评价结果不一致, 结合地表水环境评价分析来看, 干流和支流水质均为优良(TN不参评), 相比较Q指数评价结果更为准确。此外, 地表水环境评价结果表明黄河流域河南段水体呈重度氮污染, 支流的优势类群为功能群H1和S1, 主要包括对高氮、高磷营养盐更耐受的蓝藻门类, 能够充分利用氮、磷元素成为优势种[45], 进一步证实了藻类功能群可较好的表征生境特征, 据此, 基于功能群提出的Qr与Q指数水质评价结果相较于生物多样性指数可能具有更好的借鉴作用。将三种方法结合起来分析, 洛河流域相对其他支流水质偏差, 小浪底水库呈轻度磷污染, 需要重点关注的是黄河河南段全流域水质呈重度氮污染。河南省为国家粮食大省, 农村面积占比大、人口密集, 土地开垦利用程度高。作为世界最大的化肥消费国, 粗放型耕作方式致使河流受化肥、农药和农田残留等污染。沿河支流形成的河漫滩、人工围造农田开垦过度, 造成耕地质量下降、水质富营养化。同时受河南地域降水规律, 汛期一般在夏季, 恰逢农田耕作的重要时期, 使得生活污水、肥料污水、农田污水随地表水注入水体, 并污染邻近河流水质[46], 导致氮磷含量超标。因此, 建议未来着手控制农田、肥料污染导致的氮源输入, 鼓励研究绿色新型配方肥料, 提高农民环保意识[47]; 控制工业、生活污水的排放。要想从根本上降低氮磷污染, 还要掌握控氮磷技术。结合浮游藻类与环境因子的分析结果及优势功能群的环境指示特征表明, 黄河流域河南段有一定的富营养化特征和趋势。所以针对此情况, 未来需着重进行干流及水库水质监测, 预防蓝藻水华的暴发。
4. 结论
(1)本次黄河流域河南段调查共鉴定浮游藻类65属154种, 以硅藻门的小环藻、沟链藻和蓝藻门的束丝藻、假鱼腥藻为绝对优势种; 同时将鉴定藻类归入23个功能群, 其中功能群C、D、MP、P和J为优势功能群, 优势功能群分布与TN呈负相关, 与TP、
${\rm{NH}}^+_4 $ -N、CODMn和WT呈正相关。(2)结合地表水环境评价、基于功能群的Q指数与Qr指数评价、生物多样性评价, 黄河河南段全流域水质呈重度氮污染, 干、支流水质较好(河流TN不参评), 水库呈轻度磷污染, 洛河流域相对其他支流水质偏差。黄河流域河南段具有水体富营养化的特征和趋势, 建议未来着重对流域内干流及水库进行水质监测、减少氮磷输入、预防蓝藻水华发生。(3)最后要需要指出的是, 此次调查的时间在6月份, 只能得出晚春早夏的浮游藻类功能群分布特征及部分环境影响因子相关性, 对于其他水文水动力因子对黄河流域河南段浮游藻类是否具有驱动影响及各因子的权重仍需更深入地探讨。 -
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图 3 不同密度组罗氏沼虾的抱卵率和存活率
Figure 3. Ovigerous and survival rate of M. rosenbergii in different density groups
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图 4 放养密度对罗氏沼虾规格分布的影响
A为雌性罗氏沼虾, B为雄性罗氏沼虾
Figure 4. The effects of different densities on size distribution of M. rosenbergii
A represents female M. rosenbergii, B represents male M. rosenbergii
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图 5 不同密度组水体的细菌群落组成
A表示门水平; B表示属水平; W9、W17、W41表示保种9d、14d和41d的水样; LD、MD、HD表示1.0、1.5和2.0 kg/m3组; 下同
Figure 5. Community composition of microbes in different density groups of M. rosenbergii
A represents phylum level, B represents genus level; W9, W17, and W41 mean water samples of the 9th, 14th, and 41st days of preservation; LD, MD, and HD indicate the 1.0, 1.5 and 2.0 kg/m3 group respectively; the same applies below
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图 6 不同密度组养殖水体细菌群落的差异物种分析
A为LEFSe分析; B为线性判别分析(LDA)
Figure 6. Analysis of different bacterial genera identified among different density groups of M. rosenbergii
A represents LEFSe analysis; B represents Linear discriminant analysis (LDA)
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图 7 不同密度组罗氏沼虾肠道菌群在属水平的组成图
F表示雌虾, M表示雄虾; 9、17、41表示养殖时间; F9—LD表示保种9d时1.0 kg/m3组的雌虾; 下同
Figure 7. Community composition of intestine microbes in different density groups of M. rosenbergii on genus level
F represents female shrimp, M represents male shrimp, the number of 9, 17, and 41 represent culturing time. F9—LD means female shrimp in 1.0 kg/m3, culturing 9d; the same applies below
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图 8 基于OTU水平的雌雄罗氏沼虾肠道微生物群落PCoA图
A代表雄性罗氏沼虾; B代表雌性罗氏沼虾
Figure 8. PCoA analysis of male and female M. rosenbergii on OTU level
A represents male M. rosenbergii; B represents female M. rosenbergii
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图 9 罗氏沼虾雌虾肠道微生物群落组间差异性检验
Figure 9. The significant differences of intestinal microbial communities among female M. rosenbergii
表 1 罗氏沼虾肠道微生物α多样性指数表
Table 1 The α diversity indices of intestinal microbial of M. rosenbergii
指数-组别
Index-GroupOTUs
OTU numberAce指数
Ace indexChao1指数
Chao indexPD指数
PD indexF9-LD 368.67±153.96ab 453.85±122.55ab 446.26±129.97ab 76.45±27.66abc F9-MD 459.00±110.57ab 561.45±100.92abc 569.25±86.70abc 77.78±5.78abc F9-HD 414.00±190.49ab 512.30±196.26abc 502.71±198.44abc 64.21±22.75a F17-LD 308.33±39.27a 380.91±49.97a 379.37±57.21a 61.43±17.61a F17-MD 463.00±111.64ab 572.12±142.93abc 575.42±150.66abc 88.71±18.33abc F17-HD 416.33±52.27ab 501.06±78.10abc 500.37±61.86abc 82.29±22.19abc F41-LD 698.00±167.68cde 829.47±154.82d 825.67±179.17de 122.33±18.13d F41-MD 809.33±86.32ef 875.56±61.31de 888.23±60.96def 123.05±15.66d F41-HD 961.00±138.39f 1055.05±140.63e 1055.87±131.80f 160.52±5.75e M9-LD 397.33±87.92ab 490.50±96.76ab 486.13±98.48abc 70.68±5.87ab M9-MD 496.67±139.00ab 584.66±148.84abc 593.49±168.64abc 82.88±10.25abc M9-HD 516.33±64.79abc 626.14±22.31bc 611.09±33.49bc 85.17±10.74abc M17-LD 357.67±19.35ab 442.89±41.13ab 430.79±56.97ab 74.93±11.59ab M17-MD 407.00±74.99ab 472.55±125.97ab 471.20±112.77abc 72.96±20.33ab M17-HD 435.67±34.79ab 510.36±29.06abc 514.13±20.32abc 72.84±11.97ab M41-LD 556.67±87.13bcd 712.98±58.34cd 688.98±71.86cd 91.02±12.32abc M41-MD 799.33±132.76ef 917.02±167.07de 917.18±141.86ef 106.47±16.34cd M41-HD 731.00±103.87de 834.31±110.76d 842.62±108.03de 101.00±13.58bcd 注: 同列数据肩标相同小写字母表示差异不显著(P>0.05), 不同小写字母表示差异显著(P<0.05)Note: In the same column, values with the same lowercase letter mean no significant difference (P>0.05), while with different lowercase superscript mean significant difference (P<0.05) 
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