樂安河源區(qū)水庫底棲硅藻分布特征及環(huán)境響應(yīng)分析

金 毅，王 浩，嚴(yán)如玉，計 勇*，胡倩楠，柏東辰

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

底棲硅藻作為初級生產(chǎn)者處于水庫生態(tài)系統(tǒng)的始端，其物種多樣性高且不同種類對環(huán)境的耐受性差異大，是湖庫水環(huán)境中可靠的指示種。Schmidt等[1]認(rèn)為營養(yǎng)鹽濃度變化會使底棲硅藻優(yōu)勢種發(fā)生改變，Smith等[2]認(rèn)為底棲硅藻對酸堿度敏感，因此國內(nèi)外廣泛應(yīng)用底棲硅藻這一指示物種進(jìn)行水體營養(yǎng)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(qū)湖泊表層沉積硅藻及多次季節(jié)性水樣調(diào)查分析，研究了57個常見硅藻屬種對總磷指標(biāo)的生態(tài)學(xué)特征，認(rèn)為硅藻組合與湖泊營養(yǎng)態(tài)的變化相響應(yīng)。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?yàn)檠芯繀^(qū)域，認(rèn)為營養(yǎng)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(qiáng)。楊軍飛[8]研究調(diào)查了鄱陽湖南磯山保護(hù)區(qū)的水質(zhì)參數(shù)，探究了歐洲硅藻指數(shù)在南磯山碟形湖內(nèi)的適用性。同時通過主成分分析和冗余分析認(rèn)為南磯山碟形湖歷史環(huán)境變化的主要驅(qū)動因素為總氮、總磷，為后續(xù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)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(fā)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(qū)，蘊(yùn)藏豐富的礦產(chǎn)資源，礦業(yè)發(fā)達(dá)，促進(jìn)了該地的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。但是，持續(xù)的開采使得周邊地區(qū)重金屬元素含量超標(biāo)，生活質(zhì)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(qū)域的底泥、表土、上覆水進(jìn)行重金屬含量分析，認(rèn)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(xué)者在其基礎(chǔ)上對樂安河流域進(jìn)行重金屬時空分布特征及風(fēng)險評價[10-12]。夏楨妍[13]以樂安河流域12個樣點(diǎn)的附生硅藻為研究對象，探討重金屬污染與附生藻類的標(biāo)志物響應(yīng)。本文以樂安河源區(qū)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(jiān)測工作提供硅藻名錄，為樂安河水系健康監(jiān)測方案制定和水生態(tài)保護(hù)與目標(biāo)管理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域及方法

1.1 區(qū)域概況及采樣點(diǎn)設(shè)置

婺源縣地處贛、浙、皖三省交界處，縣內(nèi)具有江灣景區(qū)、大鄣山臥龍谷景區(qū)等著名景點(diǎn)，生態(tài)環(huán)境優(yōu)良。婺源縣以農(nóng)業(yè)休閑旅游的優(yōu)先發(fā)展的目標(biāo)，使得林地、草地等生態(tài)空間轉(zhuǎn)為了農(nóng)田、果林等生產(chǎn)空間[14]，加之金礦的開采，水源地水質(zhì)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(shè)置了11個代表性采樣點(diǎn)進(jìn)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(qū)大塘塢水庫4個(DTW1—DTW4)，中云鎮(zhèn)石井水庫3個(SJ1—SJ3)，清華鎮(zhèn)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(diǎn)分布

1.2 樣品采集及處理

本研究參考劉靜等[17]的方法進(jìn)行樣品采集，樣點(diǎn)選取地勢相對開闊的水域，采樣范圍為5 m× 5 m內(nèi)[18]，樣品用干凈軟質(zhì)牙刷在石頭表面(向陽)進(jìn)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(diǎn)附近水面下0.5 m處的水樣1 L，水樣采集完畢后及時運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室且放置陰涼處。

硅藻樣品的處理與制片采用ECRC標(biāo)準(zhǔn)硅藻處理方法[19]。具體處理方法和制片過程如下：對各樣點(diǎn)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(fēng)環(huán)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(jī)質(zhì)。用超純水水洗并離心，離心前應(yīng)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(shù)下隨機(jī)選取不同視域進(jìn)行觀察和統(tǒng)計。硅藻殼體面積的破損程度大于1/4的不計入總數(shù)，每個樣品鏡檢的硅藻殼數(shù)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(xiàn)[20-21]。

1.3 環(huán)境指標(biāo)測定及評價

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用Origin 2021對硅藻及水環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行分析處理，確定硅藻的相對豐度及硅藻優(yōu)勢種，計算如平均值、最小值、最大值，標(biāo)準(zhǔn)偏差等描述性數(shù)據(jù)；通過硅藻相對豐度計算各樣點(diǎn)真香農(nóng)多樣性指數(shù)(HT)進(jìn)行底棲硅藻生物多樣性分析；通過Pearson相關(guān)性分析研究對其硅藻群落結(jié)構(gòu)和各環(huán)境因子之間的相關(guān)關(guān)系；利用Canoco 5.0對采樣點(diǎn)理化指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理(進(jìn)行l(wèi)g(x+1)轉(zhuǎn)換)后，采用冗余分析(RDA)闡述影響表層硅藻分布的主要環(huán)境因子及其空間變化過程，分析各環(huán)境因子與硅藻的響應(yīng)關(guān)系。

2 底棲硅藻群落分布特征

2.1 底棲硅藻群落結(jié)構(gòu)

在采集的11個樣點(diǎn)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(huán)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(yōu)勢屬，硅藻種數(shù)分別為5、3、12、10、9、7種，硅藻種數(shù)所占比例分別為6.85%、4.11%、16.44%、13.70%、12.33%、9.59%。優(yōu)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(yōu)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(yōu)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(yuǎn)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(xiàn)為密集分布；舟形藻屬和小環(huán)藻屬在大塘塢水庫和清華水庫占優(yōu)勢地位，石井水庫則幾乎沒有出現(xiàn)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(qū)水庫出現(xiàn)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(lián)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(diǎn)屬種分布

2.2 底棲硅藻群落多樣性

樂安河源區(qū)的大塘塢水庫、清華水庫、石井水庫采樣點(diǎn)底棲硅藻種類數(shù)的平均值分別為51、42、45種。單個采樣點(diǎn)底棲硅藻種類數(shù)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(diǎn)的真香農(nóng)多樣性指數(shù)的平均值分別為13.79、12.14和13.47。單個采樣點(diǎn)真香農(nóng)多樣性指數(shù)最高為31.25，位于DTW2；最低為2.11，位于SJ2附近，該樣點(diǎn)相對豐度大于1%的硅藻種高達(dá)18種，是該點(diǎn)真香農(nóng)多樣性指數(shù)較小的主要原因。根據(jù)生態(tài)環(huán)境的不同，對73種硅藻進(jìn)行功能群劃分后發(fā)現(xiàn)所占種數(shù)最多的是中營養(yǎng)中小型水體硅藻，且對分層敏感[24]。

3 環(huán)境因子特征

3.1 環(huán)境因子分布特征

表1 采樣點(diǎn)環(huán)境因子特征 單位：mg/L

3.2 環(huán)境因子評價與分析

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

4 底棲硅藻分布特征與環(huán)境因子的關(guān)系

4.1 底棲硅藻與環(huán)境因子的相關(guān)分析

硅藻的分布呈現(xiàn)多樣性，其原因有2個方面，一是以物理因素及化學(xué)因素等組成的局部環(huán)境因子，二是區(qū)域歷史因素進(jìn)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(huán)境因子之間的關(guān)系是非確定性關(guān)系，即為相關(guān)關(guān)系。由于所測水環(huán)境因子是連續(xù)變量，則采用Pearson相關(guān)性關(guān)系分析較為合適，其相關(guān)性分析結(jié)果見圖3，縮寫代表的含義同圖2。

圖3 底棲硅藻屬種與環(huán)境因子之間的Pearson相關(guān)關(guān)系

結(jié)果表明：NCTE與MVAR、MGAN、MGRA、CSTE成較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)大，表現(xiàn)為顯著相關(guān)。CSTE與CMEN、PVIR、SAMP、SBER成較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)大，表現(xiàn)為顯著相關(guān)；同時SBER與CTMD、ALIN成正相關(guān)關(guān)系，且表現(xiàn)為顯著相關(guān)。

4.2 底棲硅藻與環(huán)境因子的RDA分析

為揭示樂安河源區(qū)水庫底棲硅藻的主要驅(qū)動因子，結(jié)合優(yōu)勢硅藻數(shù)據(jù)與水環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行了RDA分析，排序見圖4。圖中紅色箭頭指向環(huán)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(huán)境因子的RDA分析

5 結(jié)論

通過對樂安河源區(qū)水庫底棲硅藻分析數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)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(huán)境之間的響應(yīng)，得到以下結(jié)論。

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

b)通過各樣點(diǎn)水樣的測定，判斷出清華水庫的水質(zhì)情況最優(yōu)，大塘塢水庫次之，石井水庫最差。清華水庫水質(zhì)良好，符合先前預(yù)期；大塘塢水庫作為飲用水源水庫，有機(jī)污染較高，應(yīng)該加強(qiáng)對水庫的管理；石井水庫的水質(zhì)情況可能是其水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)和旁邊的農(nóng)場所致，應(yīng)加強(qiáng)管控。