基于附石藻類生物完整性指數對汝溪河水生態系統健康的評價

楊燕君徐 沙劉 瑞許金鑄施軍瓊吳忠興

(1. 西南大學三峽庫區生態環境教育部重點實驗室, 重慶市三峽庫區植物生態與資源重點實驗室, 北碚 400715; 2. 武漢市環境監測中心, 武漢 430015)

基于附石藻類生物完整性指數對汝溪河水生態系統健康的評價

楊燕君1徐 沙1劉 瑞2許金鑄1施軍瓊1吳忠興1

(1. 西南大學三峽庫區生態環境教育部重點實驗室, 重慶市三峽庫區植物生態與資源重點實驗室, 北碚 400715; 2. 武漢市環境監測中心, 武漢 430015)

以三峽庫區支流-汝溪河自然河段為研究區域, 調查了自然河段內9個樣點的附石藻類群落和水環境理化特征, 并在此基礎上應用生物完整性評價指數(Index of Biotic Integrity, IBI), 對汝溪河水生態系統進行健康評價。結果表明, 汝溪河自然河段附石藻類群落結構具有明顯的空間和時間異質性, 驅動附石藻類群落結構形成的水環境因子為電導率、濁度、硝態氮和溶解氧。IBI結果表明, 上游生物完整性較高; 中下游和下游生物完整性較差; 枯水期生物完整性較高, 而平水期和豐水期生物完整性較低。由此可見, 汝溪河自然河段生物完整性一般, 表明汝溪河水生態系統已處于亞健康程度。

附石藻類; 生物完整性指數; 群落結構; 水生態系統; 健康評價

隨著人類對河流水資源開發和利用, 河流生態系統產生了許多問題如: 河道斷流、枯竭、生物多樣性退化以及水環境污染等, 導致了河流生態系統受到嚴重破壞[1], 因此, 開展河流生態系統健康評價已受到廣泛關注。

著生藻類(Periphyton)是河流生態系統食物鏈的起點, 也是最重要的初級生產者。其可將無機營養元素轉移至更高級的有機生命體, 擔負著物質循環和能量流動的重要任務[2]。由于其群落的更新時間較短、物種多樣性較高、群落快速響應環境變化及采集方便等特點, 因而著生藻類已被廣泛應用于河流生態系統環境評價[3]。近年來, 利用著生藻類群落完整性指數(Index of Biotic Integrity, IBI)對河流生態系統的進行健康評價已受國際學者的關注[4—7], 然而國內針對其相關的研究相對較少[8—10]。

為探討三峽庫區重點支流-汝溪河自然河段的水生態系統健康, 本研究調查了附石藻類的群落結構特征, 并在此基礎上應用單因子評價(硅藻生物評價指數) 和生物完整性評價體系對汝溪河自然河段水生態系統進行健康評價, 旨在為我國河流附石藻類健康評價指標的選擇和方法的建立提供參考,還為汝溪河流域水生態系統健康的維護及管理提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 研究區域

汝溪河位于庫區的腹心地帶, 是三峽庫區長江重要一級支流之一。其發源于重慶萬州區分水鎮三角凼, 流經培文鎮, 在梁平縣境內和汝溪河另一支流交匯, 流經忠縣汝溪鎮, 在汝溪河下游與池溪溝、郭河以及納溪溝3條二級支流匯合后經忠縣涂井鄉注入長江。全流域面積720 km2, 主河道長54.5 km, 在忠縣境內流域面積272.9 km2, 主河道長25.4 km。多年平均徑流總量達1.49×109km3[11]。

1.2 樣點設置

在本研究中, 在汝溪河自然河段布設了9個樣點(圖 1)進行研究, 范圍為北緯30°27′35′—30°31′58′,東經108°01′11′—108°06′15′。參照位點以人類干擾較少, 水環境理化質量較高, 且流域生境保持較為完整的區域為原則[12], 選定樣點S1為控制樣點。分別于2013年4月(平水期)、8月(豐水期)、12月(枯水期)以及2014年4月進行樣品采集和理化指標的測定。為便于比較, 每次采樣均在當月中旬, 盡量選晴天進行。

圖 1 樣點分布圖Fig. 1 Sampling stations in the Ruxi River

1.3 附石藻類采集、處理及定性、定量分析

附石藻類采集依據美國環保署(EPA)的采樣方法[13]。將采集的附石藻類樣品混勻, 分兩份進行保存, 一份取50 mL加入魯哥式固定液固定, 在400倍顯微鏡下觀察和統計, 得到藍綠藻等藻類定性定量數據。另一份取50 mL藻液加入福爾馬林固定, 經酸處理后分別在1000倍油鏡下和掃描電子顯微鏡下對硅藻進行鑒定。藻類鑒定鑒定參考《中國淡水藻類》[14]、《中國淡水藻類-系統、分類及生態》[15]及《歐洲硅藻鑒定系統》[16]。最后計算各樣點的藻類個體數總和, 并換算為單位面積石塊上的藻類密度(單位: ind./m2)。

1.4 水體理化參數的測定

各采樣點的水溫、pH、電導率、溶解氧(DO)、氧化還原電位及濁度用多參數水質分析儀DS5/DS5X (Hydrolab, 美國)現場測定; 透明度(SD)用塞氏盤測量, 水體流速用國產LS45A型旋杯式流速儀現場測定。每個樣點, 取混合水樣, 用500 mL白色塑料瓶裝, 于48h內帶回實驗室, 根據標準方法[17]測定水體中堿度和葉綠素a; 總氮、總磷、正磷酸鹽、銨態氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、可溶性二氧化硅、高錳酸鹽指數(CODMn)等化學指標通過Flowsys連續流動分析儀(SYSTEA, 意大利)進行測定。

1.5 數據分析和處理

附石藻類群落結構特征和水環境因子分析

各樣點的附石藻類計算以下群落特征參數: 物種多度、密度、均勻度指數(Margalef指數)和香農多樣性指數(Shannon-wiener指數)。

為了研究采樣月份對環境因子的影響以及采樣點空間變化對環境因子的影響, 以18項環境因子為觀測變量, 分別以時間和空間為控制變量進行單因素方差分析, 研究汝溪河水環境因子時空變化的顯著性。再分別用主成分分析(Principal component analysis, PCA)和偏相關分析(Partial correlation test, PCT)對各樣點水環境理化因子進行篩選, 以判定顯著影響附石藻類群落空間分布特征的水環境因子(P＜0.05)。進行PCA和PCT分析時, 除pH外的所有水體理化參數和附石藻類相對多度均進行對數轉換[lg(x+1)]。

附石藻類生物完整性(IBI)評價指標體系選取對干擾響應較為敏感的30個特征參數作為侯選指標, 這些特征參數屬于6類屬性: 現存量、硅藻評價參數、多樣性指數、生長型指數、相似度指數、物種組成參數(表 1)。對30個侯選指標分別進行分布范圍、判別能力和相關性分析的篩選[12,18,19]。具體包括如下: (1)分布范圍的篩選: 若某指標超過95%分位數時, 則放棄該指標; (2)判別能力的篩選:利用箱體圖比較受損點和參照點各候選指標在25%—75%分位數內重疊的情況, 初步篩選出判別能力強的指標; (3)對判別能力強的指標進行Pearson相關性檢驗, 若兩個指標顯著相關(R＞0.80)則取其中一個能含大部分信息的指標。

對上述確定的核心參數用比值法進行賦分[20],累加得到最終的IBI得分。然后, 以參照樣點IBI得分值的25%分位數作為健康評價的期望值[18], 若某一樣點的IBI分值大于期望值, 則表示該樣點評價結果為健康; 當樣點分值小于期望值時, 將其分布范圍進行四等分, 確定出亞健康、一般、較差、極差4個等級的劃分標準。

此外, 為了甄別IBI體系的可靠性, 將各調查樣點的IBI分值與篩選出的主要環境因子(流速、總氮、電導率、DO、CODMn、堿度等)進行相關性分析。

數據分析應用SPSS 16.0 進行單因素方差(One-way ANOVA)、PCT和Pearson相關性分析; PCA分析在Statistica 8.0上進行, 各個評價參數及干擾指數得分值在各生境的變化箱形圖由Origin 8.6完成。

2 結果

2.1 附石藻類群落結構特征

汝溪河自然河流段共觀察到硅藻32屬179種,其中舟形藻屬(Navicula)(31種)、異極藻屬(Gomphonema)(20種)、菱形藻屬(Nitzschia)(27種)、橋彎藻(Cymbella)(13種)以及雙菱藻(Surirella)(10種)為主要優勢屬, 分別占總種數的17.9%、14.5%、11.7%、7.3%和5.6%。

表 1 附石藻類群落參數Tab. 1 Community attributes of epilithic algae

附石硅藻總密度和葉綠素a (Chl. a)含量都能在一定程度上表明附石藻類的生物量。從圖 2可以看到, 就Chl. a而言, 平水期(4月份)含量最低, 豐水期(8月份)含量最高, 而枯水期居中。藻密度與Chl. a含量趨勢具有較大差異, 豐水期時(8月份), 硅藻總密度為最低, 整體低于6.5×105ind./cm2, 枯水期時(12月份)則相對較高, 部分樣點(S8)甚至達到3.8× 106ind./cm2。而根據采樣點的不同, 豐水期和平水期各樣點之間無明顯差異, 枯水期時位于下游的樣點S8、S9相對較高。無論是豐富度(Margalef指數)還是多樣性(Shannon-wiener指數), 參考樣點的附石藻類豐富度和多樣性均高于其他樣點。而枯水期時, 最下游樣點(S8, S9)硅藻多樣性和豐富度則低于其他樣點。

以相對豐富度大于5%劃分優勢屬, 汝溪河不同時期附石藻類優勢屬相對豐富度變化較大(圖 3) Gomphonema、Navicula、Nitzschia及Cymbella為主要優勢屬, 采樣期間大部分樣點其相對豐富度均大于5%。Cyclotella僅在平水期時為優勢屬, 除參考樣點外Cyclotella 在其他樣點相對豐富度均大于5%(10.18%—36.70%), Cocconeis sp.在平水期和豐水期為優勢種, 平水期時, 除樣點S6與S9(分別為4.74%和4.36%)外, 相對豐富度為10.86%—44.04%。

Melosira sp.在豐水期和枯水期時均為優勢種, Fragilaria和Synedra僅在豐水期部分樣點為優勢屬。就空間分布而言, Melosira sp.、Cyclotella sp.以及Achnanthes sp.傾向與分布在汝溪河上游, 而Fragilaria sp.與Synedra sp.則主要傾向于分布在下游的采樣點。

2.2 水環境因子分析

圖 2 汝溪河附石藻類群落結構特征Fig. 2 Community structure of epilithic algae in the Ruxi River

圖 3 汝溪河附石藻類優勢屬不同時期相對豐富度Fig. 3 The relative abundance of epilithic algae dominant genera in different seasons of the Ruxi River

水環境理化因子One-way ANOVA分析表明:光照(PAR)、水溫(Tem)、pH、濁度以及總堿度等指標隨采樣時間的變化有顯著差異(P＜0.05), 而P、TP、流速、氧化還原電位(ORP)、電導率(SPC)、CODMn等則根據采樣點的不同, 具有顯著的空間差異(P＜0.05)。如圖 4所示, 自上游至下游,含量上升, 而含量逐漸下降。趨勢一致, 自上游向下, 兩者均有上升趨勢, 最下游樣點分別高達0.11和0.20 mg/L。氧化還原電位與電導率最大值出現在參考樣點S1, 分別為389.3 mV和528.1 μs/cm, 兩者整體趨勢一致, 自上游向下, 逐漸降低, 最下游樣點S9稍有不同, 較與之鄰近的樣點高, 分別達到354.7 mV和416.6 μs/cm。

PCA結果表明(圖 5), 不同時期對環境影響較大的主要水環境因子有所差別, 枯水期主要有濁度(Tur)、溶解氧(DO)、 TP、SiO2、CODMn; 豐水期影響流域的水環境因子主要有PAR、SPC、Tem、SiO2、Tur、平水期主要有濁度、TP、SiO2、SPC、Tem、CODMn8個水環境因子。對這些水環境理化因子間的偏相關性分析(PCT)分析, 結果表明, 顯著影響汝溪河附石藻類群落結構的環境因子為DO、Tur、SPC、( MCT, P＜0.05)。

2.3 IBI體系的建立和健康評價結果

經單因素方差(One-way ANOVA)分析剔除了Margalef指數、Shannon-Wiener指數、PTI耐污指數、pH、需氧指數等共計25個參數; 通過箱體圖分析, 共有38個IBI參數進入Pearson相關性檢驗, 最終篩選出8個參數成為構建汝溪河IBI體系的核心參數(表 2、圖 6), 即硅藻總密度(Total density)、物種數(Species)、直立型相對含量% (% erect individuals)、運動型硅藻所占比例(NNS%)、3種優勢屬的相對豐富度(Cyclotella、Achnanthes、Gomphonema)及營養狀態指數(Trophic state), 這8項參數分別用A1—A8來表示。根據各核心參數值在所有樣點中值的統計分布, 制定各核心參數的賦分標準(以枯水期數據為例, 表 3)。

圖 4 汝溪河水環境因子含量年度變化Fig. 4 Spatial fluctuation of environmental factors content in the Ruxi River

圖 5 汝溪河水環境因子的主成分分析 (PCA)Fig. 5 Principal component analysis of environmental factors of the Ruxi River

2.4 汝溪河水生態系統健康評價結果

采用IBI值分布的25%分位數作為健康評價的標準值(4.740), 確定汝溪河水生態系統健康標準(表4)。結果表明, 汝溪河所有樣點中IBI值的變化范圍為1.85—6.29, 平均值為4.53, 平均值處于健康評價標準的的亞健康水平, 表明汝溪河自然河段生物完整性一般, 水生態系統處于亞健康程度。就不同樣點而言, IBI值具有明顯的空間異質性, 最上游的參照位點(S1)和最下游的樣點(S9)IBI得分明顯高于其他樣點, 中上游位點水環境狀況最差, 都處于亞健康狀態(表 5)。而不同時期汝溪河的健康狀況也不同, 在枯水期的樣點中, 4個為健康, 4個為亞健康, 1個為較差; 豐水期有5個健康樣點, 2個亞健康樣點, 2個較差樣點; 平水期有6個健康樣點, 2個亞健康樣點, 1個較差樣點; 總體顯示汝溪河平水期和豐水期的健康程度優于枯水期的趨勢。

3 討論

硅藻具有種類多、分布廣等特點, 對水環境條件如: 水體溫度、pH、電導率、營養鹽濃度等的變化極其敏感[21], 尤其是那些在某種特定的環境下才能大量生存的藻類的種類和數量, 可直接反映出環境條件的改變和水質污染的程度[22]。本研究中平水期和豐水期, 梅尼小環藻均為優勢種(圖 3), 而豐水期顆粒直鏈藻(Melosira granulata)以及鈍脆桿藻(Fragilaria capucina)為優勢種, 一定程度上反映汝溪河水體已經達到中-富營養化水平。另外, 就污染指示種而言, 谷皮菱形藻(Nitzschia palea)為多污帶指示生物, 且耐污性強。普通等片藻(Diatoma vulgure)為油污染的指示種。扁圓卵形藻(Cocconeis placentula)為中污帶指示種[23]。α-中污帶指示種類有谷皮菱形藻。β-中污帶的指示藻類主要有:梅尼小環藻、變異直鏈藻(Melosira varians)、尖針桿藻(Synedra acus)、窄雙菱藻(Surirella angustata)、小型異極藻(Gomphonema parvulum)[24], 而以上藻類在汝溪河的各個樣點或多或少的成為優勢種, 說明汝溪河的水質已經受到了較嚴重的污染。

就營養鹽含量(氮磷等營養鹽)而言, 汝溪河的水質整體已經達到中-富營養化水平。單個從營養鹽含量來看(圖 4), 磷含量自上游向下游有上升的趨勢, 而氮含量總體變化不大, 但和N含量具有相反的趨勢, 說明自上游向下游雖然氮的總量變化不大, 但其存在形式發生了轉變。水文指標的分析發現氧化還原電位(ORP)和電導率(SPC)自上游向下有下降的趨勢, 進一步說明上游水質較下游好, 但是沒有明顯的顯著性(P＞0.05)。綜合水文、水化和水生態三者的分析可以說明人類活動對汝溪河水體造成了較大的影響, 導致水體水質整體下降。

經PCA和PCT, 確定驅動因子主要為水環境中的可溶性營養元素: 硝酸鹽氮和溶解氧(DO)。營養鹽濃度(氨氮、硝態氮等)是反映人類活動強度的水環境因子, IBI與的顯著負相關性顯示, 進一步支持了上述結論。盡管電導率(SPC)對附石藻類群落的影響不顯著, 但它們仍舊是汝溪河流域主要的水環境因子(圖 5)。有研究指出, 電導率和土地利用類型改變后而引發的可溶性營養鹽含量有著明顯的相關性[25,26], 汝溪河流域的電導率與總氮、總磷和銷酸鹽氮的顯著的相關性(P＜0.05)為其提供了證據。

表 2 附石藻類評價參數的Pearson相關矩陣Tab. 2 Pearson correlations among 8 component metrics of the epilithic algae communities

圖 6 附石藻類8項參數在3組不同生境的箱形圖Fig. 6 Box plots of eight metrics of epilithic algae in 3 different habitats圖中大方框表示25%—75%位點范圍, 中間的橫線表示中位數, 不同字母表示差異顯著, P＜0.05; G1. 參考樣點; G2. 中上游樣點S2-S5; G3. 下游樣點S6-S9Boxes show interquartile ranges of 25thand 75thpercentiles, middle lines are medians, and the dots are outliers. Values with different letters mean significant difference at 0.05 levels; G1. Reference site; G2. Upper and middle reaches, S2-S5; G3. Lower reaches, S6-S9

表 3 汝溪河IBI核心參數的分布范圍及其賦分標準Tab. 3 Scoring ranges of core IBI metrics in Ruxi River

表 4 基于附石藻類生物完整性指數(IBI)的汝溪河水生態健康標準Tab. 4 Assessment criteria for biological integrity of epilithic algae in the Ruxi River

表 5 汝溪河各調查樣點IBI計算及評價結果Tab. 5 IBI scores for the sampling sites of the reservoirs in Ruxi River

生物完整性評價被認為是一種高效、靈敏和簡便的河流健康評價方法[27,28], 然而, 河流的生物完整性并不等同于河流的生態系統健康[29], 健康的生態系統不僅包含生物完整性, 還應包括生境棲息地的化學完整性和物理完整性[2]。本研究中構建IBI體系的8個核心參數, 均能很好的反映出參照點位和受損點位的狀況(表 2、圖 6), IBI評價結果基本反映了汝溪河流域水環境理化特征和流域生境質量特征。基于附石藻類群落構建的IBI評價體系有明顯的空間異質性。從汝溪河全流域的尺度上看, 上游和下游河流健康狀況較好, 中游河流健康狀況較差, 水生態系統整體呈現出亞健康的狀態(表 5)。這是因為上游和下游山地區域人類開發較少, 河流兩岸以森林為主, 點源污染和面源污染較少, 而中游區域城鎮化程度較高, 土地利用和小水電站的分布以及人類活動造成的附石藻類群落結構顯著改變, 盡管無明顯的化學污染, 但是附石藻類IBI仍然較低, 從而反映出生境的喪失對于附石藻類群落的顯著影響。

從時間尺度上看, 汝溪河的生物完整性具有明顯的季節變化, 表現出春夏季(3月—8月)高于秋冬季(10月—翌年2月)的趨勢(表 5), 這主要與各樣點所受外界干擾程度有關。平水期時, 水體流速相對較緩,環境不會發生劇烈的變化。豐水期時, 水體總量大,河流對污染的自凈能力較其他時期要強。而冬季(枯水期), 河流流速降低, 河流中的有機物質沉積于河底, 水體自凈能力下降, 水質變差; 而且水體溫度僅9.67—11.10℃, 此時許多藻類已經停止生長繁殖,溫度成為限制藻類群落的一大重要因子[30,31]。

綜上所述, 汝溪河自然河段共計采集附石硅藻32屬179種, 水文、水化和水生態特征都反映汝溪河水體已經達到中-富營養化水平。附石藻類生物完整性指數表明, 上游和下游生物完整性較高, 中游生物完整性一般; 平水期和豐水期生物完整性較高, 而枯水期生物完整性較低。影響汝溪河自然河段附石藻類生物完整性的主要水環境因子為溶解氧和硝態氮。建議加強對汝溪河氮源特別是硝態氮的控制, 保持流域生態系統健康。

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USING EPILITHIC ALGAE ASSEMBLAGES TO ASSESS STREAM HEATH OF THE RUXI RIVER, CHINA

YANG Yan-Jun1, XU Sha1, LIU Rui2, XU Jin-Zhu1, SHI Jun-Qiong1and WU Zhong-Xing1
(1. Key Laboratory of Eco-environments in Three Gorges Reservoir Region (Ministry of Education), Chongqing Key Laboratory of Plant Ecology and Resources Research in Three Gorges Reservoir Region, Southwest University, Beipei 400715, China; 2. Wuhan Environmental Monitoring Center, Wuhan 430015, China)

The present study investigated the community structure of epilithic algae and characteristics of environmental factors among 9 sample sites in Ruxi River, a tributary of the Three Gorges Reservoir. The health of freshwater ecosystem in the stream conditions of Ruxi River was assessed via Index of Biological Integrity (IBI). The results indicated that there were significant spatial and temporal differences in the epilithic algae community structure in Ruxi River and conductivity, dissolved oxygen, nitrate nitrogen and turbidity were the major environmental factors in Ruxi River. IBI result showed that the upstream area of Ruxi River were in excellent biological integrity, while the midstream and downstream area were in severe impairment. The biological integrity in dry season was preferable to the normal. Thus, the biological integrity in natural stream of Ruxi River showed a general level, suggesting that a subhealth aquatic ecosystem was found in Ruxi River.

Epilithic algae; Biotic integrity assessment index; Community structure; River ecosystem; Health assessment

Q143

A

1000-3207(2017)01-0228-10

10.7541/2017.29

2016-01-16;

2016-04-16

國家自然科學基金項目(31170372)資助 [Supported by National Natural Science Foundation of China (31170372)]

楊燕君(1991—), 女, 四川廣安人; 碩士; 主要從事藻類生理生態學研究。E-mail: 18883341908@163.com

吳忠興(1975—), 男, 福建邵武人; 教授; 主要從事藻類生理生態學研究。E-mail: wuzhx@swu.edu.cn