甘河著生藻類群落結構及其與環境因子的關系

薛浩，鄭丙輝，孟凡生，王業耀,，程佩瑄，葉匡旻

1. 中國環境科學研究院，北京 100012；2. 北京師范大學水科學研究院，北京，100875；3. 中國環境監測總站，北京 100012

流域生態系統是一個社會-經濟-自然復合生態系統（羅躍初等，2002），環境污染、生境退化和物種入侵是影響流域生態系統健康的主要威脅，它們可以改變河流的生物群落組成、生物多樣性和生態功能（Dudgeon et al.，2010）。中國人口、經濟的高速增長帶來了復雜的環境問題，各流域均呈現不同程度的污染。水生生物群落與水生態系統進行著物質循環和能量流動，其結構特性對水生態系統的干擾具有高度敏感性，反映人類活動對水生態系統的影響程度，因此可以作為水生態健康評價的一個重要方面（焦珂偉等，2015）。

著生藻類作為水生資源和河流生態系統的重要組成部分，已廣泛應用于河流監測與評估。其對水化學成分，如離子含量、pH值、營養物質、有機污染和重金屬等非常敏感（Venkatachalapathy et al.，2015），因此被認為是河流水生態環境質量評價中合適的指示生物（Lavoie et al.，2014；Rimet，2012）。它們能夠對水質退化作出迅速反應，著生藻類群落的完整性可以直接、全面、綜合的測量河流生態系統健康狀況（Bere，2016）。國外學者對著生藻類、大型無脊椎動物、水生植物和魚類群落的指示作用進行了對比研究，結果表明，與其它生物相比，著生藻類群落結構差異更加明顯（Soininen et al.，2004），與河流富營養化梯度有更強的相關性（Hering et al.，2006；Justus et al.，2010），對水化學變化更敏感（Feio et al.，2009），而且著生藻類是不動的、無所不在的，可以更可靠地表明污染梯度（Beyene et al.，2009），因此在水生態健康監測與評價方面指示作用更好。國內關于著生藻類群落的相關研究也逐漸增多，有學者調查了東江（鄧培雁等，2012）、渭河（殷旭旺等，2013）、太子河（殷旭旺等，2012）、梧桐河（薛浩等，2018）等流域的著生藻類并進行了河流生態健康評價，結果表明，在中國廣泛應用著生藻類群落進行生物監測與評價是可行的。

這是首次對嫩江支流甘河流域的著生藻類進行調研，綜合運用Mcnaughton優勢度分析、聚類分析、主成分分析（principal component analysis，PCA）、Spearman相關分析、除趨勢對應分析（detrended correspondence analysis，DCA）和冗余分析（redundancy analysis，RDA）等分析方法，研究了甘河流域豐水期著生藻類群落結構及其與環境因子間的響應關系，希望為中國河流著生藻類尤其是著生硅藻的水生態系統健康監測與評價工作提供基礎數據與研究案例。

1 研究方法

1.1 研究區概況與點位設置

甘河發源于大興安嶺山脈東側沃其山麓，是嫩江的主要一級支流，于黑蒙交界處附近匯入嫩江。河長490 km，流域面積1.97×104km2，多年平均流量130 m·s-1。本研究共設置19個采樣點（見圖1），于2018年8月對甘河干流及其主要支流如克一河、阿里河、吉文河、奎勒河等進行了采樣調查。

1.2 著生藻類樣品采集、處理與分析

在采樣點河流上下游100 m范圍內，依據河流生境的不同(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、落葉等基質的著生藻類樣品（薛浩等，2018）。

樣品運回實驗室，靜置沉淀48 h后，取0.1 mL均勻樣品于400倍顯微鏡（OLMPUS BX51）下進行種類鑒定和細胞計數（劉奕伶等，2015）。取部分樣品進行酸化處理（濃硝酸和濃硫酸），并制成硅藻封片，在1000倍光學顯微鏡（OLMPUS BX51）下進行鑒定計數，每張封片觀察到的硅藻細胞個數不少于400個（Xue et al.，2019）。400倍視野下樣品鑒定到屬，1000倍視野下硅藻樣品鑒定到種。

1.3 水質、水文和生境指標測定

水溫（T）、電導率（Cond）、溶解氧（DO）和pH使用便攜式水質分析儀（YSI Professional Plus，Yellow Springs，OH，USA）現場測定。各采樣點位同步采集河水樣品，預處理后帶回實驗室，測定化學需氧量（CODCr）、高錳酸鹽指數（CODMn）、硝氮（NO3--N）、氨氮（NH4+-N）、總氮（TN）和總磷（TP），水樣采集、預處理、保存以及測定參照《水和廢水監測分析方法(第 4版)》（國家環境保護總局，2002）；按照《棲息地評價指標與評價標準》（鄭丙輝等，2007），現場打分，獲取底質得分（Bott）和生境得分（QHEI）。

1.4 數據分析

本文采用 Mcnaughton優勢度指數來判定優勢種的組成，選取Mcnaughton優勢度指數(Y)＞0.02的藻類為優勢種。公式如下：

圖1 甘河采樣點分布Fig. 1 Sampling sites in Gan River

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

根據著生藻類多度數據計算各采樣點香農多樣性指數（Shannon-Wiener Index）和Pielou均勻度指數（Pielou Index），對著生硅藻物種多度數據進行弦轉化后計算歐氏距離矩陣，使用Ward最小方差法對所有采樣點位進行聚類分析，基于簇內誤差平方和，使用肘方法確定最佳分類數。

對水環境理化數據和生境質量數據，首先進行PCA，判斷影響甘河水環境質量的主要環境因子，對篩選出的主要環境因子進行Spearman相關分析，相關系數＞0.75且顯著相關的兩個水環境理化因子僅保留其一。對著生藻類相對多度數據進行DCA，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。RDA分析過程中，每個變量的貢獻程度通過計算方差膨脹因子（variance inflation factor，VIF）判斷，VIF值超過 10則可能存在共線問題。進行PCA、Spearman相關分析和RDA時，除pH以外的所有水體理化數據和著生藻類相對多度數據均進行數據轉換(Log10[x+1])（薛浩等，2018）。以上分析均通過R 3.5.2完成，聚類分析、PCA、DCA、RDA通過“vegan”程序包實現，聚類最佳分類數確定通過“factoextra”程序包實現。

2 結果與分析

2.1 著生藻類群落分析

2.1.1 著生藻類群落結構

甘河共鑒定出著生藻類5門32屬78種（屬）12變種，其中硅藻門18屬64種12變種，綠藻門7屬，藍藻門5屬，裸藻門和金藻門各1屬。從甘河著生藻類生物量比例可以看出，該流域著生藻類以硅藻門、綠藻門和藍藻門為主；上游（G01—G05）以硅藻門和綠藻門為主，中下游（G06—G19）以硅藻門和藍藻門為主，少數點位硅藻門占比為100%。甘河各點位著生藻類平均生物量為 66.46×104cells·cm-2，著生藻類生物量比較豐富。各河段生物量呈現由上游到下游逐漸減少的趨勢，上游平均生物量為 148.63×104cells·cm-2，下游平均生物量為33.56×104cells·cm-2。

所有采樣點位中，G01點位鑒定出著生藻類物種數量最多，為41種（屬）；G12和G14點位鑒定出物種數量最少，僅15種（屬）；甘河各點位平均物種數22種，各河段及支流物種數量差別較小。甘河豐水期著生藻類主要優勢種為藍藻門細鞘絲藻屬（Leptolyngbya）、綠藻門絲藻屬（Ulothrix）以及硅藻門的極小彎殼藻（Achnanthidium minutissimum）和鈍脆桿藻（Fragilaria capucina）。

2.1.2 著生硅藻群落結構

甘河共鑒定出著生硅藻76種（變種），其中舟形藻屬、菱形藻屬和異極藻屬鑒定出的分類單元最多，分別為13種、11種和10種。所有采樣點位中，G01點位鑒定出著生硅藻物種數量最多，為35種；G06點位鑒定出著生硅藻物種數量最少，僅13種；甘河各點位著生硅藻平均物種數 20種，各河段及支流物種數量差別較小。

甘河豐水期香農多樣性指數平均得分 3.04，Pielou均勻度指數平均得分0.71，說明著生硅藻多樣性與均勻度狀況均較好。其中G01點位香農多樣性指數4.1，得分最高；G05點位香農多樣性指數與均勻度指數得分均最低，分別為1.39和0.32。各點位香農多樣性指數與Pielou均勻度指數結果表明，上游著生藻類多樣性和均勻度平均值最低，分別為2.57和0.58，中游著生藻類多樣性和均勻度平均值最高，分別為3.29和0.77。

選取 Mcnaughton優勢度指數(Y)＞0.02為優勢種，甘河著生硅藻絕對優勢種為Achnanthidium minutissimum，甘河全流域及上、中、下游區域優勢種及優勢度結果見表 1，各藻類代碼參照 IBD（biological diatom index，硅藻生物指數）（Coste et al.，2009）。結果表明，甘河上游、中游的著生硅藻優勢種與全流域優勢種相似度很高，下游著生硅藻優勢種與全流域優勢種完全不同，說明下游硅藻群落發生了較大變化。

圖2展示了甘河全流域優勢種及下游優勢種在硅藻生物指數IBD（Coste et al.，2009）劃分的7類水質（CL1—CL7）中出現的概率，水質等級越高代表水質越好。其中，RES代表該組所有優勢種在7類水質中出現的平均概率。可以看出，全流域優勢種在CL5和CL6兩類水質條件下出現的概率最高，平均概率在60%以上，上游和中游優勢種與全流域優勢種類似，說明上游和中游硅藻群落主要由清潔物種構成。下游優勢種在CL2—CL4三類水質條件下出現的概率最高，平均概率在75%以上，說明下游藻類群落主要由耐污物種構成。

使用肘方法確定最佳分類數，結果表明，甘河最佳分組數為3組。使用Ward最小方差法對所有采樣點位進行聚類分析，聚類分析結果見圖 3。組1包含8個點位，主要位于甘河中游；組2包含6個點位，主要位于甘河上游；組3包含5個點位，均位于甘河下游。

2.2 環境因子與藻類群落分析

2.2.1 環境因子分析

甘河水質總體偏好，不考慮CODMn濃度的情況下，上游地區所有采樣點位水質指標均滿足地表水II類標準，中、下游地區多數點位滿足地表水III類標準，僅有個別點位存在TN和NO3--N超標的現象。

表1 甘河著生硅藻優勢種Table 1 Dominant species of benthic diatom in Gan River

圖3 三組分類的聚類樹狀圖Fig. 3 Dendrogram with boxes around the three selected groups

對甘河12項環境因子執行PCA分析，結果表明，第一主成分和第二主成分解釋率分別為0.64和0.12，第一、第二主成分累積解釋率超過75%，因此保留第一、第二主成分軸繪制排序圖。由PCA排序結果（見圖 4）可以看出，甘河水環境及生境質量基本呈現由上游到下游逐漸變差的趨勢。雙序圖體現了從左到右的水環境變化梯度，點位 G01—G05可以歸為一組，主要位于甘河上游，該組總體生境質量很好，營養鹽濃度較低，水質良好。其中G05點位由于附近施工，人為干擾較強，因此生境質量較其他點位稍差。點位G06—G13可以歸為一組，與上游點位相比，該組生境變差，營養鹽濃度升高。點位G14—G19可以歸為一組，主要集中在甘河下游。可以明顯看出，下游生境質量和水質最差，尤其是G14點位，TN和CODMn超標嚴重，水質為劣V類。

圖4 甘河環境數據PCA分析排序圖Fig. 4 PCA ordination diagram of the Gan River environmental data

PCA結果表明，共有5個環境變量貢獻率大于所有變量的平均貢獻率，分別為 NH4+-N、Cond、NO3--N、CODCr和CODMn。pH的貢獻率較低予以剔除，剩余11個指標進行相關分析。根據相關分析結果（見表2），相關系數＞0.75且顯著相關的環境因子僅保留一個，因此保留CODMn、Cond、TP、DO和QHEI進行后續分析。

2.2.2 著生硅藻與水環境因子的關系分析

根據DCA分析結果，DCA排序前4個軸中最大值為 2.70，小于 3，因此選擇 RDA分析環境因子、藻類群落及采樣點位間的關系。VIF計算結果表明，5個變量的最大VIF值為3.8，說明各變量間線性關系較弱，不存在明顯的共線性問題。硅藻物種與環境因子 RDA分析過程中，剔除了甘河流域出現頻率較低（＜20%）的物種。

樣方與環境因子的RDA排序圖（見圖5a）體現了從左到右的水質、生境變化梯度，以及各采樣點位與環境因子間的關系。沿第一軸從左往右，營養鹽濃度及CODMn逐漸升高，生境質量逐漸降低。聚類分析組2點位（見圖3）全部分布在第一排序軸左側，說明該組QHEI得分和DO濃度較高；聚類分析組3點位全部分布在第一排序軸右側，說明該組CODMn和營養鹽濃度較高，生境質量較差；聚類分析組1點位主要分布在第一排序軸中側，說明該組水質和生境質量均屬于中等水平。

物種與環境因子的RDA排序圖（見圖5b）體現了從左到右的水質、生境變化梯度，以及各硅藻物種與環境因子間的關系。上游和中游著生硅藻優勢種全部分布在第一排序軸左側，說明上、中游優勢種清潔度較高，喜好生活在QHEI和DO較高的水域；下游著生硅藻優勢種主要分布在第一排序軸右側，說明下游優勢種污染耐受性較高，主要存在于CODMn和營養鹽濃度較高的水體中，對QHEI和DO需求度不高。

表2 11個環境因子的Spearman相關系數Table 2 Spearman correlation coefficient of 11 environmental factors

圖5 RDA分析排序圖Fig. 5 Ordination diagram of RDA

3 討論

甘河豐水期著生藻類群落結構從上游到下游表現出明顯的變化趨勢，上游藻類群落主要由硅藻和綠藻構成，下游藻類群落主要由硅藻和藍藻構成。造成這一現象的主要原因可能有兩個，首先，上游位于山林區域，水溫較下游地區低 7—8 ℃左右，水體透明度較大，比較適合鼓藻等綠藻的繁殖（孫春梅等，2010）；其次，下游地區營養鹽濃度比上游地區高，適合藍藻門顫藻屬等中營養-富營養型的指示藻類生長（凌旌瑾等，2008；孫春梅等，2010）。著生藻類生物量從上游到下游表現出明顯的下降趨勢，這是由于上游生境質量好，水體透明度和溶解氧濃度較高，適宜藻類生長。

甘河豐水期著生硅藻平均物種數為 20種，群落結構相對穩定。各點位香農多樣性指數和Pielou均勻度指數得分結果表明，甘河著生硅藻物種多樣性與均勻度狀況均較好。物種多樣性與均勻度呈現由上游到下游先升高后降低的趨勢，中游物種多樣性升高，是因為中游出現了輕度的人類活動干擾，在群落演替過程中，物種多樣性的增加是生態系統對外界輕度干擾的一種良性適應（石娟等，2007）。下游生物多樣性降低可能是因為下游外界干擾強度過大，超過了系統自身的調節能力，著生硅藻的生存環境受到一定破壞。倭肯河流域（薛浩等，2019a）與湯旺河流域（薛浩等，2019b）研究結果也表明，隨著生境質量和水環境質量的下降，香農多樣性指數與Pielou均勻度指數也呈現出先升高后降低的趨勢。

Achnanthidium minutissimum等7個物種為甘河豐水期著生硅藻優勢種，其中A.minutissimum在超過90%點位中均有出現，且相對豐度較高，為絕對優勢種。A.minutissimum廣泛分布于世界各地，為很多地區的常見種（Potapova et al.，2010）。根據 IBD指數，A.minutissimum主要出現在水質較好的區域，為清潔種；甘河其余優勢種也主要分布在 CL5—CL7三類水質等級中（見圖2），均為相對清潔的物種。根據Muscio（2002）建立的美國硅藻耐污指數（pollution tolerance index，PTI），A.minutissimum、Fragilaria capucina、Reimeria sinuata、Encyonema minutum和Gomphonema minutum耐污值均為3（最高分為4），為相對清潔種。此外，澳大利亞河流硅藻指數（diatom species index for Australian rivers，DSIAR）（Chessman et al.，2007）和南美大草原硅藻指數（Pampean diatom index，IDP）（Gómez et al.，2001）物種清單中，A.minutissimum、F.capucina和R.sinuata得分均較高。RDA分析結果（見圖5b）表明，甘河豐水期著生硅藻優勢種全部分布在第一排序軸左側，說明甘河優勢種偏好生活在QHEI和DO較高的環境中。由此可見，甘河豐水期著生硅藻群落以清潔種為主，說明甘河豐水期整體污染較少，水生態環境質量比較健康。

與全流域優勢種相比，上游優勢種發生了輕微變化，Gomphonema productum為上游優勢種之一。與上游相比，中游主要變化表現為Gomphonema parvulum優勢度增加，成為中游優勢種。研究表明，G.parvulum為河流富營養化指示種（Salomoni et al.，2006），經常生長在受干擾較強的水體中，說明與上游相比，中游營養鹽濃度和人為干擾強度均有所升高。下游優勢種與上游完全不同，與中游也僅有G.parvulum一個相同優勢種。下游三分之二的優勢種為菱形藻，其中優勢度最高的為Nitzschia palea和Nitzschia paleaeformis。參照IBD結果（Coste et al.，2009），下游優勢種主要分布在水質較差區域（見圖2），因此可以判斷，下游區域人為干擾嚴重，存在富營養化趨勢。

水質分析結果表明，甘河水質總體偏好，主要的超標水環境因子為CODMn，這是由于甘河CODMn濃度本底值較高導致。陳家厚等（2010）研究表明，松花江流域土壤有機質及腐殖質含量較高，各支流源頭屬于高CODMn河段。根據PCA分析結果（見圖4），甘河水環境及生境質量由上游到下游逐漸變差，這主要是因為與上游相比，中游人類活動干擾強度有所增加，生境和水質質量受人為活動影響變大；下游及庫魯齊河支流，存在大面積的農業活動，面源污染相對嚴重。

與藍綠藻相比，著生硅藻能夠更快地反映環境變化（Kelly et al.，2008；Schneider et al.，2012），更適合作為水生態健康評價的生物指標（Fetscher et al.，2014），因此本研究主要分析著生硅藻群落與環境因子的響應關系。樣方與環境因子 RDA分析結果（見圖5a）表明，甘河水質、生境和硅藻群落結構均體現了從左到右的梯度變化。RDA排序圖體現出由上游到下游的變化梯度，QHEI和DO逐漸降低，Cond、TP和CODMn逐漸升高。第一排序軸左側主要是上游點位，硅藻群落主要由A.minutissimum等清潔種構成，隨著 Cond、TP和CODMn代表的污染強度增加，硅藻群落中耐污種優勢度上升，中游優勢種中首次出現了耐污種G.parvulum。下游開始出現營養富集現象，水體呈現富營養化趨勢，清潔種優勢度明顯下降，硅藻群落主要由N.palea等耐污種構成。

物種與環境因子RDA分析結果（見圖5b）表明，Ceratoneis arcus、Achnanthidium subatomoides和Fragilaria capucina3個物種與DO相關性最強，尤其是C.arcus和A.subatomoides，僅在DO濃度大于 9 mg·L-1的點位中出現。C.arcus、A.subatomoides、Meridion circularevar.constrictum和Gomphonemaolivaceum4個物種與QHEI相關性最強，主要分布在生境質量較好的區域。N.palea和N.paleaeformis兩個物種與CODMn相關性最強，同時與TP具有較強的相關性。研究表明，菱形藻主要生活在水質較差的水體中（Wu，1999），N.palea主要生活在農業活動影響較大（Lavoie et al.，2006）、TP濃度較高（Oeding et al.，2017）的水域，被認為是富營養指示種（Besse-Lototskaya et al.，2011），N.paleaeformis為典型的中營養指示種（Van Dam et al.，1994）。Nitzschia clausii與TP相關性最強，同時與Cond具有較強的相關性，主要出現在TP濃度較高的下游區域。作為中等耐污種，N.clausii在哥斯達黎加一條受污染的河流中出現頻次較高（Silva-Benavides，1996），鄧培雁等（2015）在東江流域的研究結果也表明，N.clausii是東江TN和TP污染的指示種。作為甘河流域的絕對優勢種，A.minutissimum與各環境因子相關性較差，這是因為A.minutissimum幾乎出現在所有采樣點位，在甘河流域指示作用較低。

由RDA排序圖可以看出，CODMn濃度的升高是導致中游著生硅藻群落結構變化的主要原因，TP和 Cond代表的N、P等營養鹽濃度的升高是導致下游著生硅藻群落清潔度降低的主要原因。著生硅藻群落結構與甘河的富營養化程度和有機污染程度相關性較強，下游優勢種除Ulnariaulna外均與Cond、TP和CODMn代表的營養鹽有較強的相關性，可以很好的指示甘河水體污染狀況。國外許多研究也表明，著生硅藻群落可以有效的評估低水平的營養富集（Lavoie et al.，2010）和水體富營養化（Passy et al.，1999）。

4 結論

（1）甘河豐水期共鑒定出著生藻類90種（屬），以硅藻門、綠藻門和藍藻門為主，各點位平均生物量為 66.46×104cells·cm-2，生物量豐富。甘河水生態環境質量狀況較為健康，著生硅藻主要由清潔種構成，其中Achnanthidium minutissimum優勢度0.48，為絕對優勢種。

（2）甘河上游和中游豐水期硅藻群落主要由Achnanthidium minutissimum、Fragilaria capucina和Reimeria sinuata等清潔種構成，隨著人類活動干擾強度的增加，下游水質和生境變差，硅藻群落逐漸由Nitzschia palea和Nitzschia paleaeformis等耐污種構成。

（3）影響中游著生硅藻群落結構的主要水環境因子是CODMn，影響下游著生硅藻群落結構的主要水環境因子是TP和Cond，著生硅藻群落可以很好的指示甘河水體有機污染程度和營養富集程度。