基于著生硅藻指數(shù)的梧桐河水生態(tài)健康評價

薛浩，鄭丙輝，孟凡生，王業(yè)耀，張鈴松，程佩瑄

1. 北京師范大學水科學研究院， 北京 100875 2. 中國環(huán)境科學研究院，北京 100012 3. 中國環(huán)境監(jiān)測總站，北京 100012

近年來，由于人類活動的干擾，河流生態(tài)系統(tǒng)功能遭到了嚴重破壞，生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)完整性顯著下降[1]。因此，河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價越來越受到國內(nèi)外學者的關(guān)注，大量水生生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法應運而生[2-5]。著生藻類是水生資源和河流生態(tài)系統(tǒng)的一個重要組成部分[6]，在營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和向更高營養(yǎng)級轉(zhuǎn)化的循環(huán)過程中起著關(guān)鍵作用[7]，研究表明，著生硅藻對水質(zhì)變化[8]以及人類干擾活動[9]具有較好的指示作用，已被廣泛應用于河流生態(tài)監(jiān)測及健康評價[10-14]。在中國，已有學者應用多種著生硅藻指數(shù)對東江[15]、渭河[16]、太子河[17]、北江[18]進行了河流生態(tài)健康評價，研究表明硅藻評價指數(shù)具有最佳適用區(qū)域，各指數(shù)在不同流域適用性不同[15-18]。目前著生硅藻指數(shù)在松花江流域應用較少，缺少不同指數(shù)在松花江流域的適用性研究。

研究調(diào)查了黑龍江省梧桐河著生藻類的群落結(jié)構(gòu)特征，分析了水環(huán)境因子與硅藻群落結(jié)構(gòu)的相關(guān)關(guān)系，綜合運用主成分分析 (principal component analysis, PCA)、除趨勢對應分析(detrended correspondence analysis, DCA)、冗余分析(redundancy analysis, RDA)、Spearman相關(guān)分析和箱體圖等分析方法，研究了硅藻生物評價指數(shù)[17](Diatom Bioassessment Index, DBI)、相似度指數(shù)[19](Jaccard Index, JI)、美國硅藻污染耐受指數(shù)[20](Pollution Tolerance Index, PTI)、富營養(yǎng)化硅藻指數(shù)[21](Trophic Diatom Index, TDI)、硅藻生物指數(shù)[22](Biological Diatom Index, BDI)、硅藻屬指數(shù)[23](Generic Index of Diatom, GI)、澳大利亞河流硅藻生物評價指數(shù)(屬)[24](Diatom Index for Australian Rivers, DIAR)和澳大利亞河流硅藻生物評價指數(shù)(種)[25](Diatom Species Index for Bioassessment of Australian Rivers, DSIAR)8種常見的硅藻指數(shù)在梧桐河的適用性，篩選出適合梧桐河生態(tài)系統(tǒng)健康評價的硅藻指數(shù)，為梧桐河生態(tài)系統(tǒng)健康評價提供理論支持和研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法 (Materials and methods)

1.1 研究區(qū)域概況與采樣點

梧桐河是松花江一級支流，地處小興安嶺南麓山丘及山前過渡到平原地帶，全長357 km，梧桐河流域大部分區(qū)域?qū)儆邡Q崗市行政區(qū)域。流域面積4 516 km2，其中山區(qū)面積3 636 km2，平原面積880 km2[26]。本研究共設(shè)置13個采樣點(見圖1)，分別于2016年7月、9月對梧桐河流域進行采樣調(diào)查。

1.2 硅藻樣品采集、處理與分析

在采樣點河流上下游100 m 范圍內(nèi)，依據(jù)河流生境的不同(流速、水深和透明度)，挑選3個石塊(石塊上表面積<200 cm2)，用底面直徑2.8 cm鐘形塑料蓋劃定取樣范圍，用硬毛刷刮取該范圍內(nèi)著生藻，用純凈水沖刷至不銹鋼托盤中，加5%甲醛溶液固定后轉(zhuǎn)移到廣口塑料瓶中保存，作為著生藻類的定量樣品。對于沒有石頭的點位，刷取枯枝、落葉等基質(zhì)的著生藻類樣品[17]。

圖1 梧桐河采樣點分布Fig. 1 Sampling sites in Wutong River

樣品運回實驗室后，進行酸化處理(濃硝酸和濃硫酸體積比為1:1)，并制成硅藻封片，在1 000倍光學顯微鏡(OLMPUS BX51)下進行鑒定計數(shù)，每張封片觀察到的硅藻細胞個數(shù)不少于400個[27]。

本文采用Mcnaughton優(yōu)勢度指數(shù)來判定優(yōu)勢種的組成，選取Mcnaughton優(yōu)勢度指數(shù)(Y)>0.02的藻類作為本流域中的優(yōu)勢種[28]。公式如下：

Y = (ni/N)fi

(1)

式中：N為所有藻類的總細胞數(shù)；ni為第i種藻類的細胞總數(shù)；ni/N為第i種藻類的細胞數(shù)占所有藻類總細胞數(shù)的比值；fi為第i種藻類在樣點中出現(xiàn)的頻率。

1.3 水質(zhì)、水文和生境指標測定

水溫(Temp)、電導率(Cond)、溶解氧(DO)、氧化還原電位(ORP)、總?cè)芙夤腆w(TDS)和pH使用便攜式水質(zhì)分析儀現(xiàn)場測定；水寬、河寬和流速(Velo)使用測距儀和流速儀現(xiàn)場測定，并計算水寬與河寬比例(Ratio)，其中河寬采用堤岸間寬度或河槽寬度計算。各采樣點位同步采集河水樣品，預處理后帶回實驗室，測定氨氮(NH3-N)、硝氮(NO3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)和磷酸鹽(Phos)，水樣采集、預處理、保存以及測定參照《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》[29]；按照《棲息地評價指標與評價標準》[30]，現(xiàn)場打分，獲取底質(zhì)得分(Bott)和生境得分(QHEI)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

對水環(huán)境理化數(shù)據(jù)和生境質(zhì)量數(shù)據(jù)，首先進行PCA，篩選出影響梧桐河水環(huán)境質(zhì)量的主要環(huán)境因子。對篩選出的主要環(huán)境因子進行Spearman相關(guān)分析，相關(guān)性較強的2個水環(huán)境理化因子僅保留其一。對著生藻類相對多度數(shù)據(jù)進行DCA分析，如果DCA排序前4個軸中最大值超過4，選擇單峰模型排序更合適；如果是小于3，則選擇線性模型更好[31]。進行PCA、Spearman相關(guān)分析和RDA分析時，除pH以外的所有水體理化數(shù)據(jù)和著生藻類相對多度數(shù)據(jù)均進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換(Log10[x+1])。

根據(jù)著生藻類相對多度數(shù)據(jù)計算各采樣點香農(nóng)多樣性指數(shù)(Shannon-Wiener Index)和Pielou均勻度指數(shù)(Pielou Index)，并計算8種硅藻指數(shù)評價結(jié)果。采用箱體圖法[32]進行硅藻指數(shù)判別能力分析，篩選出適合在梧桐河應用的硅藻指數(shù)，采用相關(guān)分析研究環(huán)境因子與各硅藻指數(shù)間的關(guān)系。

2 結(jié)果(Results)

2.1 硅藻群落結(jié)構(gòu)特征

梧桐河流域共鑒定出著生硅藻29屬122種(變種)，13個采樣點位中，S1點位鑒定出著生硅藻物種數(shù)量最多，為54種；S8點位鑒定出物種數(shù)量最少，僅18種；梧桐河各點位平均物種數(shù)29種，著生硅藻物種較為豐富。選取Mcnaughton優(yōu)勢度指數(shù)(Y)>0.02為優(yōu)勢種，梧桐河著生硅藻絕對優(yōu)勢種(見表1)為Gomphonema parvulum。

各點位香農(nóng)多樣性指數(shù)與Pielou均勻度指數(shù)結(jié)果(見圖2)表明，S1點位香農(nóng)多樣性指數(shù)與均勻度指數(shù)得分最高；S3點位香農(nóng)多樣性指數(shù)與均勻度指數(shù)得分最低。13個采樣點位中，S1、S5、S9和S13這4個點位著生硅藻群落穩(wěn)定性較好，香農(nóng)多樣性指數(shù)及均勻度指數(shù)平均值分別為3和0.83；S2、S3、S7、S8、S10和S11著生硅藻群落穩(wěn)定性較差，香農(nóng)多樣性指數(shù)及均勻度指數(shù)平均值分別為1.84和0.59，水質(zhì)分析及生境評分結(jié)果顯示，這幾個點位水質(zhì)氮磷污染或人為干擾較為嚴重。

2.2 水環(huán)境因子與硅藻群落結(jié)構(gòu)

對梧桐河水系觀測的15個環(huán)境因子(水質(zhì)、水文和生境)進行PCA分析，結(jié)果表明，主要環(huán)境因子包括：NH3-N、TN、TP、Phos、Cond、DO、pH、Ratio、Velo、QHEI和Bott。對以上11個環(huán)境因子進行Spearman相關(guān)分析，結(jié)果(見表2)表明，TN、Ratio、QHEI和Bott與多個環(huán)境因子相關(guān)性較強，予以剔除。著生藻類DCA排序前4個軸中“Axis lengths”最大值為2.87，小于3，適合選擇線性模型，因此對剩余的7個環(huán)境因子和著生藻類群落數(shù)據(jù)進行RDA分析。RDA結(jié)果(見圖3)表明，根據(jù)著生藻類群落結(jié)構(gòu)差異，梧桐河流域可分為3組：第1組包括S2、S3、S8和S11，主要影響因子為Velo和TP；第2組包括S6、S7、S9和S10，主要影響因子為NH3-N、Phos和DO，其中DO與該組負相關(guān)；第3組包括S1、S4、S5、S12和S13，主要影響因子為Cond和pH。

2.3 硅藻指數(shù)健康評價

硅藻指數(shù)計算完成后均轉(zhuǎn)換成0～20內(nèi)的數(shù)值，選擇水質(zhì)及生境質(zhì)量較好的S1、S9和S13點位作為參照點，剩余點位作為受損點，使用箱體圖法對8個硅藻指數(shù)做判別分析。箱體圖分析結(jié)果(見圖4)顯示，GI和DIAR參照點位(reference site, Ref.)得分低于受損點位(damaged site, Dam.)，判別能力較差，其余6個參數(shù)均有較強的判別能力。

圖2 各點位香農(nóng)多樣性指數(shù)與均勻度指數(shù)Fig. 2 Shannon-Wiener Index and Pielou Index

表1 梧桐河著生硅藻優(yōu)勢種Table 1 Dominant species of benthic diatom in Wutong River

表2 環(huán)境因子相關(guān)分析Table 2 The correlation coefficient between eleven candidate environmental factors

注：**表示顯著相關(guān)(P<0.01)，*表示顯著相關(guān)(P<0.05)。

Note:**means significant correlation (P<0.01)，*means significant correlation (P<0.05).

根據(jù)劉麟菲等[16]在渭河流域使用的評價標準對各硅藻指數(shù)得分進行評價，結(jié)果(見圖5)顯示，TDI評價結(jié)果整體偏低，13個點位評價結(jié)果均為“極差”；DSIAR評價結(jié)果區(qū)分度不高，13個點位評價結(jié)果均為“較差”。JI評價結(jié)果顯示，90%以上點位評分為“極差”和“較差”，PTI、DBI與BDI評價結(jié)果相近，大部分點位評價結(jié)果為“較差”和“一般”。

將7個環(huán)境因子與香農(nóng)多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、PTI、DBI和BDI指數(shù)進行相關(guān)分析，結(jié)果(見表3)表明，TP和Velo與所有指數(shù)負相關(guān)，Cond與所有指數(shù)正相關(guān)，NH3-N和Phos與大多數(shù)指數(shù)負相關(guān)，DO、pH與各指數(shù)相關(guān)性較差。

3 討論(Discussion)

梧桐河著生硅藻絕對優(yōu)勢種為G. parvulum，根據(jù)Muscio硅藻耐污值研究結(jié)果[20]，G. parvulum耐污值為1，屬高耐污種；Salomoni等[33]的研究結(jié)果表明，G. parvulum為河流富營養(yǎng)化指示種；Kihn 等[34]的研究結(jié)果表明，G. parvulum經(jīng)常生長在受干擾較強的富含有機質(zhì)水體中。根據(jù)PTI[20]與TDI[21]硅藻耐污值結(jié)果，G. angustatum、Cymbella naviculiformis、C. sinuata和Melosira varians均為中-輕度污染指示種，說明梧桐河水系存在一定程度的污染。水質(zhì)分析結(jié)果表明，一半以上采樣點位TN濃度較高，水質(zhì)處于Ⅴ類或劣Ⅴ類水平。

圖3 RDA分析結(jié)果Fig. 3 Result of redundancy analysis

圖4 硅藻指數(shù)箱體圖分析Fig. 4 Boxplot analysis of eight diatom indexes

圖5 硅藻指數(shù)評分結(jié)果Fig. 5 Scores of eightdiatom indexes

本研究選用的8個硅藻指數(shù)中，GI和DIAR以屬為分類單元，其余指數(shù)以種為分類單元。箱體圖判別分析結(jié)果(圖4)顯示，GI與DIAR參照點位得分比受損點位低，GI與DIAR在梧桐河的評價結(jié)果不合理。GI是以Achnanthes、Cocconeis、Cymbella、Cyclotella、Melosira、Nitzschia這6類硅藻屬物種多度為基礎(chǔ)建立的硅藻指數(shù)[23]，但梧桐河流域Achnanthes、Cocconeis、Cyclotella和Nitzschia分布較少，導致GI評價結(jié)果偏差較大。由于同一屬的不同物種耐污值分布范圍較廣，DIAR[24]以屬內(nèi)所有物種的平均耐污能力作為賦分標準，耐污值范圍為1～10，分值越高對人為干擾越敏感，Gomphonema屬耐污值為6。但在PTI、TDI等指數(shù)的計算過程中，G. parvulum分值均偏低，以PTI(耐污值范圍1～4，數(shù)值越高對人為干擾反應越敏感)為例，G. parvulum分值為1。因此DIAR評分結(jié)果中，G. parvulum為絕對優(yōu)勢種的幾個受損點位得分偏高，DIAR在梧桐河不適用。DSIAR是在DIAR的研究基礎(chǔ)上將分類單

元細化到種，與DIAR相比，DSIAR判別能力有所提升，但是13個點位DSIAR評價結(jié)果均為“較差”，區(qū)分度不高，DSIAR在梧桐河也不適用。JI與TDI均表現(xiàn)出較強的判別能力，但是與PTI、DBI和BDI相比，評分明顯偏低。JI評價結(jié)果顯示，13個點位中有8個點位健康狀況為“極差”；TDI評價結(jié)果顯示，13個點位健康狀況全部為“極差”，評價結(jié)果最為嚴格，與劉麟菲等[16]在渭河流域得出的結(jié)論一致。PTI、DBI和BDI指數(shù)評價結(jié)果比較接近，梧桐河流域13個采樣點位健康狀況大部分“較差”，少數(shù)“一般”或“極差”，僅有S1點位DBI結(jié)果顯示“較好”。綜合考慮3個指數(shù)得分，健康狀況得分最高的點位依次為S1、S10和 S13，得分最低的點位依次為S3、S8和S11。

本研究中根據(jù)RDA結(jié)果將梧桐河流域13個點位劃分為3組(分組結(jié)果見2.2章節(jié))，第一組以G. parvulum為絕對優(yōu)勢種，其中S3采樣點 G. parvulum相對多度為68.2%，多樣性和均勻度為13個點位中最差；第一組香農(nóng)多樣性指數(shù)平均值僅為1.77，硅藻指數(shù)評分為3組最低，屬于中-重度污染組。該組硅藻群落主要影響因子為Velo和TP，Honeyfield等[35]在美國Appalachian山脈的研究結(jié)果表明，Velo是冬季著生硅藻群落的主要影響因子；Jowett 等[36]的研究表明，高流速河段著生藻類物種量較緩流河段明顯偏低；第一組點位流速較高，是導致物種量和多樣性偏低的主要原因。Tang等[6]的研究結(jié)果表明，TP濃度是導致海河流域著生藻類群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的主要影響因子之一；相關(guān)分析結(jié)果表明，Velo、TP兩項指標與5個指數(shù)均負相關(guān)，與第一組評價結(jié)果一致。第二組著生硅藻以C. naviculiformis和C. sinuata為主，香農(nóng)多樣性指數(shù)與硅藻指數(shù)評分也比第一組略好，屬于輕-中度污染組，該組主要影響因子為河流營養(yǎng)狀況指標和DO，其中DO與該組負相關(guān)。Christie等[37]的研究表明，河流營養(yǎng)狀況對著生藻類群落結(jié)構(gòu)有顯著影響，營養(yǎng)狀況指標與多數(shù)指數(shù)負相關(guān)，與評價結(jié)果一致。第三組藻類群落結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，香農(nóng)多樣性指數(shù)平均值為3，硅藻指數(shù)評分最高，屬于輕污染或清潔組。該組硅藻群落的主要影響因子為Cond和pH，Cond與5個指數(shù)均正相關(guān)，與評價結(jié)果一致。

表3 環(huán)境因子與硅藻指數(shù)相關(guān)分析Table 3 The correlation coefficient between environmental factors and diatom indexes

由圖1可以看出，點位S1、S2和S3均屬于梧桐河上游地區(qū)，但3個點位評分差異較大，造成這一結(jié)果的主要原因是與S1點位相比，S2和S3點位附近存在不同程度的人為干擾。S2點位一側(cè)為農(nóng)田，水質(zhì)分析結(jié)果顯示，該點位TP超標嚴重；藻類鑒定結(jié)果顯示，該點位藻類構(gòu)成以小型耐污種為主，因此評分較低。S3點位位于采砂場附近，采砂作業(yè)導致生態(tài)環(huán)境受到較強破壞，水生生物生境受到極大干擾，生境評分得分較低；水質(zhì)分析結(jié)果表明，該點位NH3-N與TN均超標，屬于Ⅴ類水；藻類鑒定結(jié)果顯示，該點位G. parvulum為絕對優(yōu)勢種，因此各指數(shù)評分均較低。點位S11、S12和S13均屬于梧桐河下游地區(qū)，但相對于S12和S13點位，S11點位評分較低。S12和S13點位河漫灘自然植被生長茂盛，以草本為主，喬灌木較少，而S11點位兩岸均為玉米田及水稻田，人為干擾相對較強，可能是該點位評分較低的原因。綜上，采砂活動、農(nóng)業(yè)活動等人為干擾是造成河流生態(tài)健康評價結(jié)果較差的主要原因。

致謝：感謝中國環(huán)境科學研究院水環(huán)境研究所劉錄三、王瑜、蔡文倩、夏陽、劉云龍等老師在野外采樣過程中的幫助。