樂安河源區水庫底棲硅藻分布特征及環境響應分析

金 毅，王 浩，嚴如玉，計 勇*，胡倩楠，柏東辰

(1.南昌工程學院瑤湖學院，江西 南昌 330099；2.河北工程大學水利水電學院，河北 邯鄲 056000；3.南昌工程學院水利與生態工程學院，江西 南昌 330099)

底棲硅藻作為初級生產者處于水庫生態系統的始端，其物種多樣性高且不同種類對環境的耐受性差異大，是湖庫水環境中可靠的指示種。Schmidt等[1]認為營養鹽濃度變化會使底棲硅藻優勢種發生改變，Smith等[2]認為底棲硅藻對酸堿度敏感，因此國內外廣泛應用底棲硅藻這一指示物種進行水體營養水平及污染特征的評估[3-5]。董旭輝等[6]通過長江中下游地區湖泊表層沉積硅藻及多次季節性水樣調查分析，研究了57個常見硅藻屬種對總磷指標的生態學特征，認為硅藻組合與湖泊營養態的變化相響應。此外，硅藻組合還可以在一定程度上指示草型及藻型湖泊的特征。劉靜[7]以東江流域為研究區域，認為營養水平對東江流域底棲硅藻的集合群落的變化解釋能力最強。楊軍飛[8]研究調查了鄱陽湖南磯山保護區的水質參數，探究了歐洲硅藻指數在南磯山碟形湖內的適用性。同時通過主成分分析和冗余分析認為南磯山碟形湖歷史環境變化的主要驅動因素為總氮、總磷，為后續湖泊生態系統的演變提供了理論支持。

樂安河是鄱陽湖流域“五河一湖”中饒河的干流，發源于江西省東北部的婺源縣，全長279 km，流域面積8 456 km2。樂安河中下游的德興、樂平等地區，蘊藏豐富的礦產資源，礦業發達，促進了該地的經濟發展。但是，持續的開采使得周邊地區重金屬元素含量超標，生活質量得不到的保障。簡敏菲等[9]通過采集樂安河兩岸及鄱陽湖典型濕地區域的底泥、表土、上覆水進行重金屬含量分析，認為樣品中Cu污染和Cd污染主要源于礦山開采排放的重金屬酸性廢水，許多學者在其基礎上對樂安河流域進行重金屬時空分布特征及風險評價[10-12]。夏楨妍[13]以樂安河流域12個樣點的附生硅藻為研究對象，探討重金屬污染與附生藻類的標志物響應。本文以樂安河源區水庫底棲硅藻為研究對象，分析底棲硅藻屬種分布特征、提取底棲硅藻指示物種，為基于硅藻的生物監測工作提供硅藻名錄，為樂安河水系健康監測方案制定和水生態保護與目標管理提供依據。

1 研究區域及方法

1.1 區域概況及采樣點設置

婺源縣地處贛、浙、皖三省交界處，縣內具有江灣景區、大鄣山臥龍谷景區等著名景點，生態環境優良。婺源縣以農業休閑旅游的優先發展的目標，使得林地、草地等生態空間轉為了農田、果林等生產空間[14]，加之金礦的開采，水源地水質較前些年均有不同程度的下降[15]。

樂安河有東西二源，其東源頭是贛皖邊界五龍山南麓的段莘水，西源頭是浮梁縣與婺源縣邊界香油尖東南麓的古坦水[16]。本研究在婺源縣共設置了11個代表性采樣點進行底棲硅藻的采集和理化因子的采集，具體位置見圖1。其中鴛鴦湖景區大塘塢水庫4個(DTW1—DTW4)，中云鎮石井水庫3個(SJ1—SJ3)，清華鎮清華水庫4個(QH1—QH4)。采樣時間為2020年12月，屬于枯水期。

圖1 采樣點分布

1.2 樣品采集及處理

本研究參考劉靜等[17]的方法進行樣品采集，樣點選取地勢相對開闊的水域，采樣范圍為5 m× 5 m內[18]，樣品用干凈軟質牙刷在石頭表面(向陽)進行附著物的刮取。刷洗后裝入50 mL的采樣瓶中，并加入乙醇固定保存。同時使用聚乙烯瓶采集硅藻采樣點附近水面下0.5 m處的水樣1 L，水樣采集完畢后及時運回實驗室且放置陰涼處。

硅藻樣品的處理與制片采用ECRC標準硅藻處理方法[19]。具體處理方法和制片過程如下：對各樣點編號后量取適量的硅藻樣品置于50 mL的離心管中，在80℃下水浴加熱同時在通風環境下加入適量濃HCl(37%)直至停止冒出大量氣泡為止，加入適量的H2O2(30%)攪拌均勻去除有機質。用超純水水洗并離心，離心前應定容到30 mL且去除上清液，直至洗至中性。取100 μL樣品滴在干凈的2 cm×2 cm的蓋玻片上，用電熱板烘干后將其蓋于滴有樹膠的潔凈載玻片上烘干。

使用奧林巴斯型顯微鏡(CX31)在1000放大倍數下隨機選取不同視域進行觀察和統計。硅藻殼體面積的破損程度大于1/4的不計入總數，每個樣品鏡檢的硅藻殼數目不小于300，鑒定具體到硅藻的種等級。硅藻鑒定主要參考文獻[20-21]。

1.3 環境指標測定及評價

1.4 數據分析

使用Origin 2021對硅藻及水環境指標進行分析處理，確定硅藻的相對豐度及硅藻優勢種，計算如平均值、最小值、最大值，標準偏差等描述性數據；通過硅藻相對豐度計算各樣點真香農多樣性指數(HT)進行底棲硅藻生物多樣性分析；通過Pearson相關性分析研究對其硅藻群落結構和各環境因子之間的相關關系；利用Canoco 5.0對采樣點理化指標標準化處理(進行lg(x+1)轉換)后，采用冗余分析(RDA)闡述影響表層硅藻分布的主要環境因子及其空間變化過程，分析各環境因子與硅藻的響應關系。

2 底棲硅藻群落分布特征

2.1 底棲硅藻群落結構

在采集的11個樣點中共鑒定出硅藻24屬73種，羽紋綱21屬67種其所占比例為91.78%，中心綱3屬6種其所占比例為8.21%。小環藻屬(Cyclotella)、直鏈藻屬(Melosira)、舟形藻屬(Navicula)、異極藻屬(Gomphonema)、曲殼藻屬(Achnanthes)和針桿藻屬(Synedra)空間分布最廣，為主要優勢屬，硅藻種數分別為5、3、12、10、9、7種，硅藻種數所占比例分別為6.85%、4.11%、16.44%、13.70%、12.33%、9.59%。優勢種(相對豐度大于2%的硅藻種)共計20個，如MVAR、MGAN、MGRA、CSTE、NVIR、ABRE、CPLA等，具體優勢種分布見圖2。CSTE在3個水庫所占比重最大，且分布廣泛，是主要優勢種。對底棲硅藻的空間分布特征分析可知：SCCL以及MGRA、MVAR、MGAN所代表的直鏈藻屬在石井水庫分布較為集中，其所占百分比遠大于其他2個水庫；NCTE、SAMP、SBER也集中在清華水庫分布；FVIR、NCTE和NVIR在大塘塢水庫呈現為密集分布；舟形藻屬和小環藻屬在大塘塢水庫和清華水庫占優勢地位，石井水庫則幾乎沒有出現舟形藻屬。MGAN在SJ2所占比為8%，為SJ1和SJ3的2倍。值得注意的是源區水庫出現SAMP、CSTE這2個廣泛分布在四川、湖北等地的硅藻屬種，印證了各水系之間的聯系。

注：MVAR—Melosira varians；MGAN—Melosira granulata var.angustissima；MGRA—Melosira granulata；CSTE—Cyclotella stelligera；CMEN—Cyclotella meneghiniana；NCTE—Navicula cryptotenella；NCTO—Navicula cryptotenelloides；NVIR—Navicula viridula；CPER—Cymbella perpusilla；CTMD—Cymbella tumidula；PVIR—Pinruularia viridis；FVIR—Fragilaria virescens；SCCL—Synedra cyclopum；SBER—Synedra berolinensis；SAMP—Synedra amphicephala；GCCA—Gomphonema constrictum var.capitatum；AEHE—Achnanthes exigua var.heterovalvata；ABRE—Achnanthes brevipes；ALIN—Achnanthes linearis；CPLA—Cocconeis placentula。圖2 各樣點屬種分布

2.2 底棲硅藻群落多樣性

樂安河源區的大塘塢水庫、清華水庫、石井水庫采樣點底棲硅藻種類數的平均值分別為51、42、45種。單個采樣點底棲硅藻種類數最高為62種，位于DTW4附近；最低為28種，位于SJ2附近。大塘塢水庫、清華水庫、石井水庫采樣點的真香農多樣性指數的平均值分別為13.79、12.14和13.47。單個采樣點真香農多樣性指數最高為31.25，位于DTW2；最低為2.11，位于SJ2附近，該樣點相對豐度大于1%的硅藻種高達18種，是該點真香農多樣性指數較小的主要原因。根據生態環境的不同，對73種硅藻進行功能群劃分后發現所占種數最多的是中營養中小型水體硅藻，且對分層敏感[24]。

3 環境因子特征

3.1 環境因子分布特征

表1 采樣點環境因子特征 單位：mg/L

3.2 環境因子評價與分析

選取Chla、TP、TN、SD、CODMn共5項指標作為湖泊富營養化評價的指標，結果表明：清華水庫、大塘塢水庫、石井水庫的綜合營養狀態指數分別為38.44(中營養級別)、49.41(中營養級別)、63.52(中度富營養級別)。由此可見，石井水庫在3個水庫中富營養化程度最高。因此，相關管理人員在注重通過水庫來改善民生的同時也要發揮水庫的生態效益。

4 底棲硅藻分布特征與環境因子的關系

4.1 底棲硅藻與環境因子的相關分析

硅藻的分布呈現多樣性，其原因有2個方面，一是以物理因素及化學因素等組成的局部環境因子，二是區域歷史因素進化等控制作用，前者被視為影響微生物分布的決定性因素。水庫底棲硅藻豐度和水環境因子之間的關系是非確定性關系，即為相關關系。由于所測水環境因子是連續變量，則采用Pearson相關性關系分析較為合適，其相關性分析結果見圖3，縮寫代表的含義同圖2。

圖3 底棲硅藻屬種與環境因子之間的Pearson相關關系

結果表明：NCTE與MVAR、MGAN、MGRA、CSTE成較強的負相關關系，相關系數大，表現為顯著相關。CSTE與CMEN、PVIR、SAMP、SBER成較強的負相關關系，相關系數大，表現為顯著相關；同時SBER與CTMD、ALIN成正相關關系，且表現為顯著相關。

4.2 底棲硅藻與環境因子的RDA分析

為揭示樂安河源區水庫底棲硅藻的主要驅動因子，結合優勢硅藻數據與水環境指標數據進行了RDA分析，排序見圖4。圖中紅色箭頭指向環境變量，綠色箭頭指向各硅藻種，縮寫代表的含義同圖2。

圖4 底棲硅藻屬種與樣品和環境因子的RDA分析

5 結論

通過對樂安河源區水庫底棲硅藻分析數據進行系統整理與研究，查清了婺源縣石井水庫、清華水庫、大塘塢水庫底棲硅藻的空間分布特征，并探討了硅藻分布與水環境之間的響應，得到以下結論。

a)3個水庫中共鑒定出硅藻24屬73種，優勢種20個，所占種數最多的是中營養中小型水體硅藻。CSTE、MGRA、ABRE、CPLA等為主要優勢種。

b)通過各樣點水樣的測定，判斷出清華水庫的水質情況最優，大塘塢水庫次之，石井水庫最差。清華水庫水質良好，符合先前預期；大塘塢水庫作為飲用水源水庫，有機污染較高，應該加強對水庫的管理；石井水庫的水質情況可能是其水產養殖業和旁邊的農場所致，應加強管控。