淮河河南段著生藻類群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的關(guān)系

白 薈，李發(fā)站，王化儒

(華北水利水電大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，河南 鄭州 450046)

著生藻類是指廣泛存在于水體中的各類人工或天然基質(zhì)上的微觀植物群落[1]。著生藻類是河流生態(tài)系統(tǒng)重要的初級生產(chǎn)者，在水生生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，其生境類型多樣、種類繁多、群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易受到環(huán)境變化和人類活動的影響。當(dāng)棲息地破壞、水體富營養(yǎng)化和水體重金屬污染等情況發(fā)生時，著生藻類群落組成和相對豐度會隨環(huán)境因素而波動[2]。由于其生命周期短，能夠?qū)恿魉|(zhì)或環(huán)境變化產(chǎn)生快速響應(yīng)，且不同藻類對不同污染物有不同的耐受性、敏感性和適應(yīng)性，是開展河流生態(tài)與環(huán)境變化響應(yīng)關(guān)系研究的重要指示性生物研究之一，受到了廣泛的關(guān)注。

淮河位于我國東中部，介于長江和黃河兩大流域之間，面積達(dá)27多萬km2，由于人類生產(chǎn)活動的干擾，對河流生境產(chǎn)生了不利的影響，生物多樣性下降[3]。近年來，許多學(xué)者對淮河流域的浮游植物[4]、浮游動物[5]、底棲動物[6-7]等進(jìn)行了研究，但對著生藻類的研究分析較少。本研究于2021年4月和9月分別進(jìn)行了淮河河南段著生藻類群落結(jié)構(gòu)調(diào)查，并同步進(jìn)行了水環(huán)境監(jiān)測分析，探討了水的物理和化學(xué)性質(zhì)以及藻類細(xì)胞豐度在時間和空間上的差異，探索著生藻類對環(huán)境的響應(yīng)機(jī)制，為深入推進(jìn)淮河生態(tài)保護(hù)和修復(fù)提供一定的基礎(chǔ)支撐作用。

1 材料與方法

1.1 采樣時間與地點(diǎn)

于2021年4月(平水期)和9月(豐水期)在淮河干支流共設(shè)置9個樣點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查采樣(S1：大坡嶺、S2：出山店水庫、S3：長臺關(guān)、S4：梅黃、S5：息縣、S6：南灣水庫、S7：平橋公園、S8：竹竿鎮(zhèn)、S9：南李店)，其中淮河干流采樣點(diǎn)5個，浉河采樣點(diǎn)2個，竹竿河采樣點(diǎn)2個，點(diǎn)位布置圖如圖1所示。

1.2 樣品采集與測定

每個樣點(diǎn)選擇河流斜坡且距離水面0.1～0.3m藻類生長的地方作為著生藻類樣品采集區(qū)域，隨機(jī)采集5塊不同的卵石、礫石以及樹木殘干等基質(zhì)，取樣面積為100cm2。將采集獲得的基質(zhì)在水中輕輕晃動，以清除松散附著的表面污染物。將基質(zhì)從水中取出并置于潔凈搪瓷盤中，用純水輕微沖洗基質(zhì)表面的松散泥沙，并用毛刷、鑷子、小刀用力刮刷基質(zhì)表面30s以上，至基質(zhì)表面無肉眼可見的生物著生印跡。用純水沖洗采樣工具，使用樣品瓶收集沖洗液并用1%魯哥氏液固定。帶回實(shí)驗(yàn)室濃縮、沉淀后，每個樣品定容至30mL。搖晃均勻后，取0.1mL樣品置于浮游生物計數(shù)框中，物種鑒定和計數(shù)在顯微鏡下進(jìn)行，放大倍數(shù)為400倍或1000倍[8]。

水溫采用WQG-17表層水溫度計測定，溶解氧采用上海雷磁便攜式溶解氧分析儀測定，pH值使用pH值測試表進(jìn)行測定。高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、化學(xué)需氧量、總磷和氟化物等參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[9]進(jìn)行測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

運(yùn)用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)H′、Margalef豐富度指數(shù)D、Simpson多樣性指數(shù)D以及優(yōu)勢度Y指數(shù)描述著生藻類群落特征，計算公式：

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)：

(1)

Margalef豐富度指數(shù)：

D=(S-1)/log2N

(2)

Simpson指數(shù)：

(3)

優(yōu)勢度指數(shù)：

Y=(ni/N)fi

(4)

(當(dāng)優(yōu)勢度指數(shù)Y>0.02時，定為優(yōu)勢種)

式中，ni—第i種生物的個體數(shù)；N—總個體數(shù)；Pi—第i種生物個體數(shù)占總個體數(shù)的比值；S—一個取樣點(diǎn)生物的物種總數(shù)；fi—某個種類在樣點(diǎn)中出現(xiàn)的頻率。

水質(zhì)判定標(biāo)準(zhǔn)：選用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Margalef豐富度指數(shù)對水質(zhì)進(jìn)行評價。H′值0～1.0為重度污染，1.0～3.0為中度污染(其中，1-2為α中污，2-3為β中污)，>3.0為輕度污染或無污染；D>5為水質(zhì)清潔，>4為寡污型，>3為β中污型，<3為α中污型[10]。

運(yùn)用Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并作圖，使用CANOCO5軟件進(jìn)行冗余分析，并用Origin2021進(jìn)行作圖。物種豐度及環(huán)境數(shù)據(jù)除pH值外都進(jìn)行l(wèi)g(x+1)轉(zhuǎn)換。

2 結(jié)果與分析

2.1 淮河流域水環(huán)境分布特征

表1 淮河流域環(huán)境因子狀況

圖2 各點(diǎn)位環(huán)境因子情況

2.2 著生藻類群落結(jié)構(gòu)特征

2.2.1群落組成

通過對各采樣斷面的著生藻類進(jìn)行定性分析，平水期和豐水期共檢出著生藻類8門194種，其中硅藻門種類最多，為130種，占67.01%；綠藻門為38種，占19.59%，藍(lán)藻門為17種，占8.76%；裸藻門為3種，占1.55%；隱藻門和甲藻門均為2種，分別占1.03%；金藻門和黃藻門均為1種，分別占0.52%。

從不同水期著生藻類種類組成看，平水期共鑒定出8門117種，其中硅藻門種類最多，為92種，占78.63%，其次為藍(lán)藻門和綠藻門，為10種，分別各占8.55%，甲藻門、裸藻門、隱藻門、金藻門、黃藻門均為1種，各占0.85%。豐水期共鑒定出6門129種，其中硅藻門82種，占63.57%，其次為綠藻門，為27種，占20.93%，藍(lán)藻門15種，占11.63%，裸藻門3種，占2.33%，隱藻門和甲藻門均為1種，占0.78%。

著生藻類種類時空分布如圖3所示，其中平水期共鑒定出8門95種，浉河8門46種，竹竿河8門34種；豐水期共鑒定出5門84種，浉河6門81種，竹竿河2門23種。各區(qū)域著生藻類物種數(shù)變化顯著，浉河不同水期物種數(shù)變化明顯，其余區(qū)域無顯著差異。

圖3 著生藻類種類分布時空變化

圖4 著生藻類相對豐度與細(xì)胞豐度

2.2.2豐度和生物量時空分布

淮河河南段著生藻類豐度和生物量情況見表2。平水期各點(diǎn)位著生藻類豐度為0.0216×106～0.7106×106cells/cm2，平均值為0.3159×106cells/cm2，生物量為0.0074～1.0203mg/cm2，平均值為0.2726mg/cm2；豐水期各點(diǎn)位著生藻類豐度為0.0052×106～2.0405×106cells/cm2，平均值為0.6558×106cells/cm2，生物量為0.0011～0.4060mg/cm2，平均值為0.1599mg/cm2。不同時期著生藻類豐度和生物量存在顯著差異。

表2 著生藻類豐度和生物量

從不同門類著生藻類豐度看：平水期，硅藻門豐度最高，為1.4073×106cells/cm2，甲藻門豐度最低，為0.000274508×106cells/cm2；豐水期，藍(lán)藻門豐度最高，為4.7276×106cells/cm2，甲藻門豐度最低，為0.00072×106cells/cm2，豐水期著生藻類的豐度大于平水期著生藻類的豐度。

從不同門類著生藻類生物量看：平水期，硅藻門生物量最高，為1.4713mg/cm2，金藻門生物量最低，為0.0016mg/cm2；豐水期，硅藻門生物量最高，為0.8605mg/cm2，隱藻門生物量最低，為0.000073mg/cm2。

從各區(qū)域豐度和生物量來看，兩個水期著生藻類豐度和生物量分布均依次為淮河干流>浉河>竹竿河。除淮河干流外，各區(qū)域著生藻類豐水期生物量均大于平水期生物量。

2.2.3優(yōu)勢種

根據(jù)優(yōu)勢度指數(shù)，Y>0.02的著生藻類被列為優(yōu)勢種。淮河河南段常見著生藻類優(yōu)勢種有20種，其中平水期共有16種，豐水期9種，主要以硅藻門、藍(lán)藻門、綠藻門組成。平水期主要以硅藻門為主，豐水期以藍(lán)藻門為主。不同時期的著生藻類優(yōu)勢種及變化見表3。

表3 不同時期著生藻類優(yōu)勢種指數(shù)變化

2.2.4生物多樣性指數(shù)

淮河河南段著生藻類多樣性指數(shù)包括物種數(shù)、豐富度指數(shù)、均勻性指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)。如圖5所示，淮河河南段平水期和豐水期物種數(shù)分別在9～43和5～52之間，豐水期高于平水期，兩者差異不顯著(F=1.416，P=0.251)；Shannon-Wiener多樣性指數(shù)范圍分別在1.69～2.78和0.9～2.68之間，均值為2.02，平水期高于豐水期，兩者差異不顯著(F=1.21，P=0.288)，參照H′值水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)，為α-β中污染狀態(tài)；Margalef豐富度指數(shù)分別在0.8～3.12和0.47～3.56之間，均值為2.06，豐水期高于平水期，兩者差異不顯著(F=1.226，P=0.285)，參照豐富度水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)，為α中污型水質(zhì)；Simpson指數(shù)分別在0.62～0.91和0.14～0.90之間，均值為0.75，平水期高于豐水期，兩者差異不顯著(F=1.401，P=0.254)。綜合來看，淮河河南段水質(zhì)為α-β中污型狀態(tài)。淮河河南段水質(zhì)評價見表4。

表4 基于生物多樣性的淮河河南段水質(zhì)評價

圖5 淮河河南段著生藻類多樣性指數(shù)

2.3 著生藻類群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子之間的冗余分析

以著生藻類各門類豐度數(shù)據(jù)為響應(yīng)變量，首先進(jìn)行去趨勢對應(yīng)分析(DCA)分析。DCA分析結(jié)果顯示，平水期排名軸上最大長度梯度為1.18；豐水期排名軸最大長度梯度為1.32。平水期和豐水期都采用RDA分析來解釋環(huán)境因素對著生藻類生物群落的驅(qū)動作用。

對平水期著生藻類與環(huán)境因子進(jìn)行RDA分析(如圖6所示)，結(jié)果表明，前4個軸共解釋了著生藻類豐度83.69%的變異情況，軸1和軸2的特征值分別為0.2738、0.1876。根據(jù)蒙特卡洛前向選擇方法檢驗(yàn)后，顯示高錳酸鹽指數(shù)與總磷與著生藻類豐度有顯著相關(guān)性，甲藻、硅藻、隱藻與高錳酸鹽指數(shù)和總磷呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，裸藻、黃藻與總磷呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。

對豐水期著生藻類與環(huán)境因子進(jìn)行RDA分析(如圖7所示)，結(jié)果表明，前4個軸共解釋了著生藻類豐度81.61%的變異情況，軸1和軸2的特征值分別為0.3206、0.1893。根據(jù)蒙特卡洛前向選擇方法，共篩選出3個環(huán)境變量解釋著生藻類群落結(jié)構(gòu)變異，包括溶解氧、pH、高錳酸鹽指數(shù)。結(jié)果顯示，甲藻和綠藻與溶解氧呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；硅藻、藍(lán)藻、甲藻與pH呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；綠藻、裸藻與高錳酸鹽指數(shù)呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。

圖7 豐水期RDA

3 討論

3.1 著生藻類群落結(jié)構(gòu)

從關(guān)于淮河流域著生藻類的研究來看，李睿等在2002年4、6月對淮河流域南灣水庫著生藻類進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果表明該水庫主要由硅藻、藍(lán)藻等組成[11]；胡帆等在2021年平水期對淮河流域淮安段著生藻類進(jìn)行調(diào)查，共檢出著生藻類3門23科32屬，硅藻門占主要優(yōu)勢種[12]。本研究在淮河流域河南段平水期和豐水期共檢測出著生藻類194種，物種組成以硅藻門為主；著生藻類豐度組成平水期為硅藻-藍(lán)藻型，豐水期為藍(lán)藻型，與之前調(diào)查相似。淮河硅藻分布廣泛，種類繁多，可能與其較強(qiáng)的繁殖能力和環(huán)境的適應(yīng)能力有關(guān)[13]。硅藻門種類通常喜低溫環(huán)境，而藍(lán)藻門則偏好高溫環(huán)境[14]。本研究中，淮河河南段平水期水溫10.2～15℃，豐水期水溫12.4～19.2℃，豐水期水溫略高于平水期，這可能是豐水期硅藻門相對豐度減少而藍(lán)藻門相對豐度增加的原因。

3.2 著生藻類生物多樣性指數(shù)及水質(zhì)評價

在水質(zhì)評估系統(tǒng)中，生物多樣性指數(shù)是表明和評估水體健康和營養(yǎng)狀況的一個重要參數(shù)[15]。Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Margalef豐富度指數(shù)的評價標(biāo)準(zhǔn)為多樣性指數(shù)越高，其種類結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，群落穩(wěn)定性越大，水質(zhì)越好[16]。本研究中Shannon-Wiener多樣性指數(shù)平水期高于豐水期，而Margalef豐富度指數(shù)豐水期高于平水期，兩個指標(biāo)所指示的不同時期水質(zhì)變化趨勢不同，但水質(zhì)評價結(jié)果基本相似，除息縣和竹竿鎮(zhèn)豐水期水質(zhì)較差，為重度污染，其余點(diǎn)位不同時期都為α-β中污型狀態(tài)。

3.3 影響著生藻類群落結(jié)構(gòu)的環(huán)境因子

著生藻類群落結(jié)構(gòu)受其生物學(xué)特征、水溫、pH、營養(yǎng)鹽等條件共同影響[17-19]。本研究結(jié)果顯示，平水期淮河河南段著生藻類的豐度與高錳酸鹽指數(shù)和TP有關(guān)，而豐水期主要與pH、DO、高錳酸鹽指數(shù)有關(guān)，不同季節(jié)影響著生藻類群落結(jié)構(gòu)的因素不同。有些環(huán)境因素在一定時期內(nèi)是限制因素，但其限制情況也會隨著季節(jié)和時間的變化而變化[20]。營養(yǎng)鹽是限制著生藻類群落結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因子，本研究中，高錳酸鹽指數(shù)平水期(4.08)高于豐水期(3.31)，而藍(lán)藻的相對豐度在豐水期增加，冗余分析表示，高錳酸鹽指數(shù)與藍(lán)藻呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。一般情況下，在合適的氮磷比值范圍內(nèi)，藻類繁殖速度與水體中的磷濃度呈正相關(guān)關(guān)系[10]，與本研究結(jié)果相符合。營養(yǎng)鹽可認(rèn)為是著生藻類生長的主要驅(qū)動環(huán)境因子。溶解氧與pH含量的變化與藻類的生長密切相關(guān)。張澎浪等人研究表明溶解氧主要來源于藻類的光合作用，當(dāng)光合作用的產(chǎn)氧速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于呼吸作用的耗氧速率時，溶解氧最高可達(dá)到飽和溶解氧的3倍[21]。pH呈弱堿性時，會促進(jìn)藻類加快光合作用[22]，淮河流域大部分點(diǎn)位為弱堿性，對著生藻類的生長起促進(jìn)作用，隨著水中藻類含量的增加，溶解氧含量將增大，pH值亦將增大。

4 結(jié)論

(1)淮河河南段共檢測出著生藻類8門194種，其中優(yōu)勢種20種，主要門類為硅藻門、藍(lán)藻門、綠藻門。

(2)著生藻類豐度時空變化顯著，豐度從大到小依次是淮河干流、浉河、竹竿河。平水期，硅藻門豐度最高，為1.4073×106cells/cm2；豐水期，藍(lán)藻門豐度最高，為4.7276×106cells/cm2，著生藻類的豐度豐水期大于平水期。

(3)從多樣性指數(shù)來看，淮河河南段水質(zhì)為α-β中污型狀態(tài)。

(4)RDA分析結(jié)果顯示，平水期甲藻、硅藻、隱藻與高錳酸鹽指數(shù)和TP呈顯著正相關(guān)，裸藻、黃藻與TP呈顯著負(fù)相關(guān)。豐水期甲藻和綠藻與DO呈顯著負(fù)相關(guān)；硅藻、藍(lán)藻、甲藻與pH呈顯著正相關(guān)；綠藻、裸藻與高錳酸鹽指數(shù)呈顯著正相關(guān)。