田盼盼,桑 翀,馬徐發(fā),沈建忠,周 瓊,*
1 華中農(nóng)業(yè)大學水產(chǎn)學院,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部淡水生物繁育重點實驗室,武漢 430070 2 長江經(jīng)濟帶大宗水生生物產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展教育部工程研究中心,武漢 430070
周叢藻類作為水體重要的初級生產(chǎn)者,附著于各種基質(zhì)表面,為魚類等水生動物提供食物來源和棲息場所[1—2]。它具有生活環(huán)境穩(wěn)定、生命周期較短、繁殖快、群落物種豐富等優(yōu)點,相較浮游藻類能更好地反映水質(zhì)狀況。其耐受力較強,生長環(huán)境受到破壞時,無法遷移躲避,因此可通過周叢藻類的群落結(jié)構(gòu)特征來準確反映河流環(huán)境的相應變化[3—4]。此外,周叢藻類能夠在短時間內(nèi)實現(xiàn)群落結(jié)構(gòu)的重建,迅速而靈敏的反映水質(zhì)健康狀況。周叢藻類的生長與繁殖受水溫、光照、營養(yǎng)鹽等多種理化因子的影響,環(huán)境因子的改變會引起周叢藻類物種組成[5—7]、數(shù)量[8—9]及分布差異[10—11]。因此,國內(nèi)外很多學者將周叢藻類作為河流水質(zhì)健康的監(jiān)測生物,并廣泛應用于河流生態(tài)系統(tǒng)的健康評價[12—13]。
額爾齊斯河為新疆第二大河流,也是我國唯一注入北冰洋的國際河流。該河發(fā)源于新疆北部的阿爾泰山南麓,由額爾齊斯河水系、烏倫古河水系、吉木乃諸小河水系構(gòu)成。流域內(nèi)全部支流均由北向南匯入干流,使額爾齊斯河水系呈單向梳狀不對稱性[14]。額爾齊斯河全長4248 km,其在中國境內(nèi)河長為633 km,流域面積為5.70×104km2,年徑流量為111.09×108m3,是阿勒泰地區(qū)最大的河流。近年來,大量水利工程的建設(shè)與引水設(shè)施對額爾齊斯河部分支流及河段的生態(tài)環(huán)境造成了一定程度的破壞和影響[15]。本研究通過調(diào)查額爾齊斯河周叢藻類群落結(jié)構(gòu)特征及其與環(huán)境因子之間的相關(guān)性,并運用周叢藻類生物完整性指數(shù)(P-IBI)對額爾齊斯河水生態(tài)進行健康評價,為額爾齊斯河流域的保護與管理提供生態(tài)學數(shù)據(jù)。
由于氣候、水文等環(huán)境因素的影響,不同的水文期水量變化顯著。考慮到每年的洪水期(6至8月)及冰封期(11至3月)對流域生態(tài)環(huán)境的影響,本研究于2019年5月(平水期)、7月(豐水期)、9月(枯水期)依據(jù)河道情勢、交通條件、采樣條件等因素,在額爾齊斯河流域中國境內(nèi)河段選取10個典型采樣點(圖1)對周叢藻類進行定性和定量采集。

圖1 額爾齊斯河水質(zhì)與生物樣品的采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling sites for water quality and biological samples in the Irtysh river采樣點代碼:1#:185團灣;2#:別列則克;3#:哈巴河;4#:沖乎爾鄉(xiāng);5#:布爾津河口;6#:克蘭河小東溝;7#:鹽池;8#:635樞紐;9#:富蘊縣;10#:可可托海
在選擇的采樣點上下游100 m范圍內(nèi),依據(jù)河流生境類型(流速、水深和透明度)對周叢藻類進行定性和定量采集。周叢藻類定性樣品通過天然基質(zhì)取樣,用硬毛刷將附著在石頭上的藻類刷入裝有蒸餾水的磁盤中,轉(zhuǎn)移至塑料瓶,帶至實驗室濃縮至50 mL樣品瓶中,并加入甲醛溶液固定保存(國家環(huán)保局《水生生物監(jiān)測手冊》編委會1993)。定量樣品通過選擇附有藻類的形狀規(guī)則、易于測量表面積的石塊,每塊石頭用毛刷刮取面積為20 cm2的藻類并用蒸餾水沖刷至不銹鋼托盤中,然后轉(zhuǎn)移至塑料瓶中,定容至1 L,加入魯哥氏液15 mL進行固定,并帶回室內(nèi)沉淀24—48 h,通過虹吸法定容至50 mL[13]。

將處理好的樣品在×40倍光學顯微鏡下進行觀察,通過0.1 mL計數(shù)板對周叢藻類進行定量計數(shù),每片計數(shù)不得少于300個,每瓶樣品計數(shù)2次,2次計數(shù)結(jié)果之差應在15%之內(nèi),否則增加計數(shù)次數(shù),有效統(tǒng)計數(shù)值取平均后即為該片的周叢藻類數(shù)量。藻類的鑒定主要參照《中國淡水藻類》[17]和《淡水和污水生物學手冊》[18]等工具書。每個樣品的周叢藻類密度由單位面積上的細胞個體數(shù)表示(個/m2)。最后計算出每種著生藻類的相對豐度(用百分含量表示)和每個采樣點的藻密度。生物量的測算采用體積換算法[19],根據(jù)周叢藻類的體形,按最近似的幾何形測量其體積、形狀特殊的種類分解為幾個部分測量,然后結(jié)果相加。生物量為各種藻類的數(shù)量乘以各自的平均體積,單位為mg/m2。
本研究使用Shannon-wiener多樣性指數(shù)(H′)[20]、Pielou均勻度指數(shù)(J)[21]以及Margalef豐富度指數(shù)(D)[22]描述周叢藻類群落結(jié)構(gòu)特征,計算公式如下:
H′ =-∑(Ni/N)log2(Ni/N)
(1)
D=(S-1)/log2N
(2)
J=H′/log2S
(3)
Y=(Ni/N)fi
(4)
式中,Ni為第i種藻類密度;N為總密度;S為藻類物種數(shù);fi為第i種藻類各采樣點出現(xiàn)頻率。將Y≥0. 02的藻類定為優(yōu)勢種。H′值0—1為重污,1—2為α-中污型,2—3為β-中污型,>3為寡污型或無污。
生物完整性指數(shù)(Index of biotic integrity,IBI)創(chuàng)建于20世紀80年代,該方法開創(chuàng)了河流健康評價方式與方法的新局面,被廣泛應用于全球領(lǐng)域河流健康的評價[23—26]。通過構(gòu)建合適的IBI體系,結(jié)合相應的環(huán)境指標,分析二者之間的相關(guān)性,從而高效、靈敏的指示河流健康狀況以及人類活動對水體的干擾[27]。
本研究首先選取34個對干擾響應較敏感的特征參數(shù)作為候選指標,并對這34個候選參數(shù)進行分布范圍、判別能力和相關(guān)性分析的篩選[12,28—29]。然后并結(jié)合參考相關(guān)文獻[30—31],根據(jù)經(jīng)驗法以額爾齊斯河的水文狀況和環(huán)境特征作為選取參照點的首要評判基準[32],找出受人類干擾較小的點位作為參照點。
對確定的核心參數(shù)進行比值法賦分[33],所有核心參數(shù)計算后的分值總和為該采樣點的P-IBI值。以參照點P-IBI的25%分位值為健康閾值,將其四等分劃分為5個評價等級: 健康、亞健康、一般、差、極差,將其作為P-IBI體系的評價標準。最后,利用Mann-Whitney U非參數(shù)檢驗以及對不同月份P-IBI值進行單因素方差分析(P<0.05)來對評價結(jié)果的準確性進行驗證。
本研究使用Excel對各樣點水環(huán)境因子數(shù)據(jù)進行初步統(tǒng)計處理,然后進行主成分分析(Principal component analysis,PCA)與偏相關(guān)分析(Partial correlation test,PCT),最后篩選出影響額爾齊斯河流域水環(huán)境的主要環(huán)境因子(P<0.05)。對各采樣點的周叢藻類數(shù)據(jù)進行除趨勢對應分析(Detrended correspondence analysis,DCA),根據(jù)DCA結(jié)果中4個軸中梯度最長值的大小,選擇單峰或者線性模型。如果(最大值)超過4,選擇單峰模型典范對應分析(Canonical correspondence analysis,CCA)更合適;如果小于3,選擇線性模型冗余分析(Redundancy analysis,RDA)比較合理;若介于3—4之間,單峰模型和線性模型都是合適的[34]。統(tǒng)計分析時,除pH值以外的所有水體理化數(shù)據(jù)和周叢藻類數(shù)據(jù)均進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化[lg(x+1)]。
額爾齊斯河流域10個典型采樣點共鑒定周叢藻類6門41屬102種,其中硅藻門種類數(shù)量最多(67種,65.69%),其次是綠藻門(20種,19.61%),藍藻門與裸藻門均有6種(5.88%),隱藻門2種(1.96%),黃藻門1種(0.98%)。各個月份優(yōu)勢種均屬硅藻門種類(表1),其中5月優(yōu)勢種主要有普通等片藻(Diatomavulgare)、偏腫橋彎藻(Cymbellalaevis)、扁圓卵形藻(Cocconeisplacentula)、橄欖形異極藻(Gomphonemaolivaceum)等,7月優(yōu)勢種主要有偏腫橋彎藻、極小橋彎藻(C.perpusilla)、長等片藻(D.elongatum)等,9月優(yōu)勢種主要有窄異極藻(G.angustatum)、系帶舟形藻(Naviculacincta)、雙頭針桿藻(Synedraamphicephala)等。參照《淡水和污水生物學手冊》[18],額爾齊斯河流域周叢藻類優(yōu)勢種以寡污帶(長等片藻、窄異極藻、弧形峨眉藻等)和β-中污帶指示種(普通等片藻、偏腫橋彎藻、橄欖形異極藻等)為主,水體健康狀況整體上較好。

表1 周叢藻類優(yōu)勢種及其編號
2019年5、7、9月額爾齊斯河周叢藻類密度和生物量分別為8.89×108個/m2和3859.71 mg/m2、1.64×109個/m2和2450.78 mg/m2、2.08×109個/m2和3859.71 mg/m2。從圖2中可以看到,周叢藻類密度總體上5月、7月、9月呈上升趨勢,其中5月(平水期)總體密度平均低于9.0×108個/m2,9月(枯水期)總體密度最大,部分樣點(6#)甚至到達7.40×109個/m2。由于各樣點水域環(huán)境的不同,其周叢藻類密度也存在差異,其中克蘭河小東溝平均密度與生物量最高(5.35×109個/m2和4527.70 mg/m2),布爾津河口平均密度與生物量最低(1.67×108個/m2和346.07 mg/m2)。從時間分布來看,9月(枯水期)>7月(豐水期)>5月(平水期)。空間上,額爾齊斯河流域中下游周叢藻類密度與生物量高于上游。

圖2 額爾齊斯河周叢藻類密度與生物量Fig.2 Density and biomass of periphytic algae in the Irtysh River
額爾齊斯河周叢藻類5、7、9月Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)、Margalef豐富度指數(shù)(D)和Pielou均勻度指數(shù)(J)的平均值分別為3.52、3.02和0.75,變化范圍依次為1.56—4.38、1.78—4.45、0.43—0.88(圖3)。從3個指數(shù)平均值來看,額爾齊斯河流域整體水質(zhì)為寡污或無污,但從變化范圍和各樣點情況來看,大部分樣點屬于寡污或無污,部分樣點(4#、5#、8#)屬于β-中污染。

圖3 額爾齊斯河周叢藻類多樣性指數(shù)Fig.3 Diversity indices of periphytic algae in the Irtysh River
PCA(圖4)與PCT分析結(jié)果表明,影響額爾齊斯河水環(huán)境的主要環(huán)境因子在不同時期略有差異,其中5月(平水期)主要有水溫、鎂、pH、溶解氧、鈣鎂總量、懸浮物、總氮、硝酸鹽氮,7月(豐水期)主要有鈣、氨氮、水溫、氨氮、pH、鈣鎂總量、懸浮物、高錳酸鹽指數(shù),9月(枯水期)主要有水溫、總氮、硝酸鹽氮、pH、溶解氧、懸浮物、鈣鎂總量、鈣。CCA分析結(jié)果(圖5)表明,5月(平水期)顯著影響額爾齊斯河流域群落結(jié)構(gòu)的環(huán)境因子為pH、溶解氧、懸浮物、總氮、硝酸鹽氮,7月(豐水期)為水溫、氨氮、pH、懸浮物、高錳酸鹽指數(shù),9月(枯水期)為總氮、硝酸鹽氮、pH、溶解氧、懸浮物。

圖4 額爾齊斯河水環(huán)境因子的主成分分析 (PCA)Fig.4 Principal component analysis of environmental factors in the Irtysh River
CCA分析結(jié)果顯示(圖5),3個月份前四個排序軸對累計種類環(huán)境因子百分比的解釋分別為97.91%(5月)、99.45%(7月)、99.43%(9月),基本可以反映額爾齊斯河周叢藻類群落與環(huán)境因子間的關(guān)系。根據(jù)藻類密度與環(huán)境因子的關(guān)系可以看出,由于不同月份周叢藻類物種密度分布存在差異,影響因子亦發(fā)生變化。5月(平水期)CCA排序圖第一軸和第二軸的特征值分別為0.535和0.343,物種數(shù)據(jù)累計變化率的87.93%在軸1和軸2中得到解釋。平水期優(yōu)勢種在四個象限較為分散,懸浮物對普通等片藻、偏腫橋彎藻密度顯著正相關(guān),對扁圓卵形藻有較強的負相關(guān)性,溶解氧、硝酸鹽氮、高錳酸鹽指數(shù)對橄欖形異極藻、極小橋彎藻密度有顯著影響。其中pH和懸浮物對5月(平水期)周叢藻類分布有較大影響。7月(豐水期)前兩個軸的特征值分別為0.565和0.235,共解釋了80.23%物種數(shù)據(jù)累計變化,豐水期優(yōu)勢種主要集中在第一象限與高錳酸鹽指數(shù)和懸浮物顯著負相關(guān),與氨氮呈正相關(guān)。懸浮物和氨氮對豐水期周叢藻類分布有較大影響。9月(枯水期)第一軸和第二軸的特征值分別為0.563和0.219,種類數(shù)據(jù)累計變化率的78.18%被解釋,枯水期懸浮物對扁圓卵形藻、系帶舟形藻、窄異極藻影響顯著,偏腫橋彎藻、彎曲橋彎藻與總氮、溶解氧、硝酸鹽氮呈正相關(guān)。9月(枯水期)影響周叢藻類分布的主要環(huán)境因子為懸浮物、溶解氧。

圖5 周叢藻類群落與水環(huán)境因子的典范對應分析(CCA)Fig.5 Canonical correspondence analysis of periphytic algae community and environmental factors
通過分布范圍檢驗、判別能力分析以及相關(guān)性分析最終篩選出8種生物指數(shù)作為額爾齊斯河流域的P-IBI核心參數(shù)。以參照點P-IBI的25%分位值作為健康閾值,將低于25%分位數(shù)的值四等分,建立P-IBI的評價標準(表2)。基于各采樣點5月、7月、9月的數(shù)據(jù),參照P-IBI的評價標準得出額爾齊斯河健康狀況(表3)。
結(jié)果顯示: 5個采樣點位于健康狀態(tài),1個采樣點位于亞健康狀態(tài),3個采樣點為一般狀況,1個采樣點極差。所有樣點的P-IBI值的變化范圍在0.46—5.35之間,平均值為2.46,屬于評價標準的亞健康范圍內(nèi),說明額爾齊斯河流域總體呈亞健康狀態(tài)。空間分布來看,支流采樣點健康狀況優(yōu)于干流,大多支流采樣點呈健康狀況,而干流采樣點健康狀況多為一般,特別是干流7#采樣點處于極差狀態(tài)。從月份來看(表3)9月份總體P-IBI分值最高,7月份次之,5月份最低。

表2 額爾齊斯河流域的P-IBI健康評價標準

表3 基于P-IBI的額爾齊斯河各采樣點不同月份評價結(jié)果
Mann-Whitney U非參數(shù)檢驗結(jié)果顯示,額爾齊斯河參照點與受損點的P-IBI值之間存在顯著差異(P<0.05,圖6),表明本研究所構(gòu)建的P-IBI評價體系對于評價額爾齊斯河的水質(zhì)健康是適用的。

圖6 參照點和受損點P-IBI值的比較(R代表參照點,I代表受損點)Fig.6 Comparison of the B-IBI values between the reference and impaired sites (R: reference sites; I: impaired sites)
根據(jù)周叢藻類群落結(jié)構(gòu)組成來看硅藻門占據(jù)絕對優(yōu)勢,這與李君等[35—36]學者對于額爾齊斯河周叢藻類的研究結(jié)果一致。這是由于額爾齊斯河為歐亞大陸腹地的冷水性河流,所在區(qū)域具有高緯度、高寒、流速相對穩(wěn)定等特征,這些特征有利于硅藻的生長繁殖[16]。時間變化來看,周叢藻類的平均密度與生物多樣性指數(shù)均表現(xiàn)為:9月>7月>5月,這與水文的改變和人類活動的干擾具有一定的相關(guān)性[37]。5—7月份由于自然降水和冰雪融化而形成額爾齊斯河流域的汛期,在此期間流速較高、流量較大,周叢藻類附著生境被淹沒,原始生境的喪失及汛期較快的水流不利于周叢藻類的附著與累積[38]。此外,當?shù)剞r(nóng)業(yè)用水率最高可達95%[39],農(nóng)耕灌溉及畜牧用水等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對額爾齊斯河產(chǎn)生較大程度的人為干擾,周叢藻類群落結(jié)構(gòu)受到影響,導致5、7 月份周叢藻類密度與生物多樣性較9月份低。9月份洪水退去,河流水環(huán)境相對穩(wěn)定,隨著水溫升高和光照時間增長,周叢藻類在重新裸露的原始生境快速生長繁殖[35],短時間內(nèi)重建其群落結(jié)構(gòu)。克蘭河小東溝(6#)9月份的密度與生物量最高(7.36×109個/m2和7146.6 mg/m2),遠高于其他樣點,這是由于該地區(qū)屬于上游山林區(qū)域,生境質(zhì)量較好,水體透明度和溶解氧含量較高,為藻類提供了適宜的生長環(huán)境[40]。受海拔及人類活動的影響,額爾齊斯流域周叢藻類密度與生物量在空間上表現(xiàn)為中下游高于上游。上游地區(qū)所處海拔更高,溫度較中下游地區(qū)更低,這將不利于周叢藻類的生長,其次中下游地區(qū)城鎮(zhèn)化程度較高,輸入河流中的營養(yǎng)鹽增加,促進了周叢藻類的生長與繁殖[41]。
己有的相關(guān)研究表明,水溫、溶解氧、營養(yǎng)鹽及其他水文因子是影響河流周叢藻類群落長期季節(jié)變化的主要因子[16,42—44]。氮、磷等營養(yǎng)鹽對藻類的生長繁殖具有重要影響并且其含量與人類活動密切相關(guān)[45]。布爾津河口(5#)與布爾津縣毗鄰,受人類活動干擾的影響,氨氮和亞硝酸鹽氮等營養(yǎng)鹽含量偏高,促使周叢藻類大量繁殖。水體溶解氧和透明度隨著藻類的大量增殖而降低,溶解氧直接關(guān)系到藻類的光合作用和新陳代謝[46],因此低溶解氧濃度進一步抑制了硅藻的生長,從而導致布爾津河口周叢藻類物種多樣性指數(shù)處于較低水平。不同水文期造成的水位波動及流速變化可能導致懸浮物、透明度等發(fā)生改變,從而影響額爾齊斯河周叢藻類密度與生物量的空間分布。PCA和CCA分析表明,懸浮物在7月份為主要影響因素,這可能是因為7月份為豐水期,較高的流速與較大的流量導致水體混濁,懸浮物含量增加降低了水體透明度,藻類的光合作用受到影響,最終導致藻類群落結(jié)構(gòu)及分布的變化[47]。本研究發(fā)現(xiàn)懸浮物不僅受水文因素的影響,也受當?shù)丨h(huán)境的影響,位于銅礦采集區(qū)的別列則克(2#),金屬及泥沙等懸浮物在此聚集導致水體透明度的下降,因而該區(qū)域周叢藻類物種多樣性和密度呈現(xiàn)較低水平,這與其它研究[13,48]中懸浮物對藻類群落結(jié)構(gòu)影響具有相似的趨勢。
李雪健等[48—49]學者基于魚類和大型底棲動物生物完整性指數(shù)對額爾齊斯河進行水生態(tài)健康評價,盡管與本研究所選指示種不同,但與本研究呈現(xiàn)相似的趨勢。一般(不含)等級以上的占比為60%(表3),相對于李雪健[48]對額爾齊斯河2014—2016健康評價結(jié)果一般(不含)等級所占比重80%—55%的下降趨勢有所提升,這可能與2017年以來新疆生態(tài)保護與修護工作的陸續(xù)啟動有關(guān)[40]。雖然額爾齊斯河水生態(tài)健康狀況在不同年份有少許波動,但總體來看近幾年并未發(fā)生較大改變,表明其水生生態(tài)系統(tǒng)相對較為穩(wěn)定。對比基于P-IBI和周叢藻類多樣性指數(shù)的水生態(tài)健康評價結(jié)果,發(fā)現(xiàn)除鹽池(7#)存在差異外,其它采樣點的健康評價結(jié)果均保持一致。其原因可能是多樣性指數(shù)與物種數(shù)有關(guān)[50],物種越多則多樣性指數(shù)越大,水質(zhì)評價結(jié)果越好。而P-IBI則是各個候選參數(shù)共同作用的結(jié)果,鹽池(7#)藻類種(屬)較多,但多為污染指示種,候選參數(shù)中的硅藻耐污指數(shù)偏大,導致基于P-IBI的水質(zhì)健康評價結(jié)果較差。
從空間分布上看,額爾齊斯河上游健康狀況優(yōu)于下游,支流優(yōu)于干流。人類活動干擾導致周叢藻類群落結(jié)構(gòu)改變,進而影響河流健康狀況,這一現(xiàn)象在國內(nèi)外研究中比較普遍[51—54]。哈巴河、沖乎爾鄉(xiāng)、克蘭河小東溝等城鎮(zhèn)化較低且植被覆蓋率較高的的支流水體處于健康狀態(tài)。而城鎮(zhèn)化程度及土地利用率相對較高的185團灣、布爾津河口等干流水體河流健康等級處于一般,說明人類活動在一定程度上影響了它的生態(tài)健康狀況。由于水工程的建設(shè)[49],干流中游鹽池(7#)水生態(tài)健康狀況為極差。相關(guān)研究表明,水工程的建設(shè)導致額爾齊斯河水文情勢達到中度改變[15]。水流減緩、泥沙沉積等水文變化對該流域生境產(chǎn)生了嚴重影響。而已建成多年的635樞紐工程的水質(zhì)狀況為亞健康水平,這可能與河流的自我恢復能力有關(guān)。有研究顯示,浮游細菌在壩下呈現(xiàn)較低豐度,但在距壩較遠距離時,豐度上升并恢復,環(huán)境逐漸變好[55],研究者將其主要歸因于河流的自我恢復能力。本研究中也有類似情況,下游健康狀況明顯優(yōu)于中游鹽池的健康狀況。由此可見,我們應在河流可承受范圍內(nèi)開發(fā)利用,維持河流生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)平衡。
從時間變化來看,額爾齊斯河5、7、9月份水生態(tài)健康水平稍有差異 這可能與周叢藻類在不同水文期群落組成與分布有關(guān)。艾雪等[56]學者應用大型底棲動物完整性指數(shù)對松花江流域的水質(zhì)健康評價中,基于時間尺度的趨勢分析顯示: 水體理化因子發(fā)生改變會相應的影響水生生物的群落結(jié)構(gòu)及組成,IBI健康評價結(jié)果隨之發(fā)生改變。額爾齊斯河流域在不同水文期的鹽度、水溫、溶解氧和流速等理化因子會產(chǎn)生一定的變化,周叢藻類的群落結(jié)構(gòu)及組成會對這些水環(huán)境狀況的時空變化產(chǎn)生一定程度的響應[16],最終導致了不同水文期該流域水質(zhì)健康水平的差異。