樂安河源區水庫沉積硅藻分布特征及環境響應

摘要：目前在樂安河流域內展開的河流重金屬的污染研究亟待發掘。為充分闡明樂安河河源區水庫環境特征及其環境變化驅動過程，以婺源縣境內不同生態環境與開發背景的清華和石井水庫為研究對象。通過實驗記錄沉積柱巖芯中硅藻種類及理化指標，并結合現代監測資料及多元統計方法，分析影響水庫中沉積硅藻組合群落變化及沉積環境變化的環境特征驅動因子。結果表明，水庫營養水平隨深度至表層逐漸升高，沉積物污染評價也揭示了營養物質的匯集過程。沉積硅藻物種耐污種和富營養化指示種取代由普生種和清潔指示種成為優勢，代表性物種為Achnanthidium minutissima、Navicula minima。多元統計分析結果表明，TP、TN及TP、TOC分別為清華和石井水庫硅藻組合群落結構分布的主要驅動因子（p＜0.05）。18項硅藻指數的箱線圖分析結果顯示，CEE、LOBO指數被篩選并表現出良好的評價適宜性及相關性。不同人類活動方式影響庫區內輸入的外源物質，從而驅動硅藻群落的演替，2座水庫皆有向富營養化邁進的趨勢。

關鍵詞：硅藻；沉積物；富營養化；指數；樂安河

中圖分類號：TV21 文獻標識碼：A 文章編號：1001-9235（2024）04-0077-10

Distribution Characteristics and Environmental Response of Diatoms Deposited in Reservoirs in the Source Region of Le’an River

YIN Hongwei，ZHANG Jie^*，YAN Ruyu，JI Yong，XIAO Weiqi，CAI Gaotang

（School of Hydraulic and Ecological Engineering，Nanchang Institute of Technology，Nanchang 330099，China）

Abstract： At present，the study of heavy metal pollution in the Le’an River Basin should be explored.To fully elucidate the environmental characteristics and change-driven processes of reservoirs in the source region of the Le’an River，this paper employs Qinghua and Shijing reservoirs with different ecological environments and development backgrounds as research objects.Experimental records of diatom species and physicochemical indicators in sedimentary column cores are conducted，and meanwhile combined with modern monitoring data and multivariate statistical methods，environmental characteristics driving factors affecting changes in sedimentary diatom assemblages and sedimentary environment in reservoirs are analyzed.The results show that nutrient levels in the reservoirs gradually increase with the depth to the surface，and the sediment pollution evaluation also reveals the collection process of nutrients.Universal and cleaning indicator species have been replaced by fouling-tolerant and eutrophication indicator species of sedimentary diatoms，with representative species being Achnanthidium minutissima and Navicula minima.The multivariate statistical analysis results show that TP，TN，TP，and TOC are the main driving factors of diatom community structure distribution in Qinghua and Shijing reservoirs respectively （plt;0.05）.Box plot analysis results of 18 diatom indices reveal that CEE and LOBO indices are screened and show sound evaluation suitability and correlation.The input of exogenous materials into the reservoirs is affected by different anthropogenic practices to drive the succession of the diatom community，with a trend towards eutrophication in both reservoirs.

Keywords：diatom;sediment;eutrophication;index;Le’an River

在經濟快速發展條件下，水庫正面臨環境質量和生態系統健康帶來挑戰^［1］。其中，人類活動造成的營養物質輸入，會使得水域環境在短時間內急劇惡化，加速水體富營養化過程。硅藻作為指示物種主要作用為評估水域生態環境的一個有力手段^［2-3］。硅藻分布廣泛、分類系統成熟、數量龐大，同時對環境微小變化反應明顯，通常用來解釋水域營養狀態的變化^［4］。硅藻死亡后，其遺骸大部分能夠長期完整保留下來。硅藻作為指示生物，國際上目前研究主要在以下幾個領域：①構建適合于特定水域的監測與評價指數體系^［5］；②建立近代流域環境變化過程^［6］；③反演流域古環境變化過程^［7］；④評估與預測氣候變化過程^［8］。因此，在確保采樣點沉積記錄的代表性、連續性和完整性的前提下，應用硅藻群落分析水庫生態系統短期的發展和演變歷程，是一種新型和極具潛力的研究方法。

樂安河為中國第一淡水湖鄱陽湖支流饒河的上游主干流，受上游分支德興銅礦、銀山鉛鋅礦和冶煉廠的影響，樂安河重金屬污染問題已受到廣泛關注并在區域中開展了諸多研究^［9-12］。前期眾多學者主要聚焦于樂安河流域重金屬分布及其影響因素和風險評價，未能充分了解調查正源區所處環境狀況，對流經婺源的正源區域進行硅藻群落分析及環境調查較少^［13-15］。樂安河正源所處婺源縣具有良好的生態環境，區域水資源豐富，水庫眾多，是地區主要水資源也是流域內重要的航道，其環境質量也將影響下游輸入鄱陽湖的水環境質量^［16］。為了解短時間尺度上樂安河源區水庫環境狀況及沉積物污染情況，本文通過研究河源區分布于城鎮周邊的石井水庫和河道型清華水庫沉積硅藻群落結構特征結合沉積物理化指標，探求河源區水庫沉積環境特征及關鍵驅動因素，以期為保護樂安河流域水質安全及鄱陽湖生態系統健康提供前期數據。

樂安河婺源以上流域面積2 404.4 km²，生態系統完整，地貌復雜多樣，屬饒河一級支流，具備從源頭至河口不同區段的河流特征，同時各種人類活動（水利工程、重金屬污染、湖庫富營養化及各類土地開發利用等）干擾顯著，目前在樂安河流域內展開的河流主要針對流經德興的上游分支的重金屬污染研究，針對較少污染的樂安河上游婺源段所開展的生態研究亟待發掘。根據不同區段自然環境特征及人類干擾行為，本研究開展區域自然生態環境調查、硅藻種群分布特征調查、指示硅藻對不同脅迫因子的指示效應。通過柱狀沉積物樣本分析、底棲硅藻監測、水環境與水生態分析，獲得研究區域完整的硅藻、水文與水生態歷史過程數據。利用對沉積物物理、化學特征的分析，可以進一步識別不同的環境因子的生態影響程度，分析沉積物理化指標對環境因素的響應模式差異，建立有效的硅藻與不同環境因子之間的統計學關系，闡明不同指標的響應模式差異和可能的有效指標組合，研究結果具有較好的理論價值與區域應用前景，為探明樂安河上游區生態環境具有一定的意義。

1 研究區域概況

樂安河正源段莘水發源于婺源縣北部大庾山、五龍山南麓。流域屬中亞熱帶濕潤季風區，氣候溫和，雨量充沛。流域內多年平均氣溫 16.7℃，多年平均蒸發量和降水量為1 342.5、1 845.19 mm。該區域屬于江南典型的丘陵山區，地勢東南高，西北低，流域內林木蔥郁、峰巒疊嶂。本研究區域位于江西省上饒市婺源縣境內清華水上清華水庫以及石井水庫。據前期調研以及當地實際情況，研究聚焦于樂安河上游支流集發電、灌溉、防洪和養殖等綜合利用的水庫，分別選取樂安河支流高砂水上中云鎮曉林村的石井水庫，支流清華水上清華鎮的清華水庫，主支段莘水上的段莘水庫以及支流賦春水上的鴛鴦湖景區的大塘塢水庫，這些水庫代表著樂安河上游區域。在調研過程中發現其中石井水庫、段莘水庫存在網箱養殖的現象，清華水庫主要流經城鎮區域，大塘塢水庫為鴛鴦湖景區主要發展旅游業。考慮現場實際采樣情況，故安排石井水庫和大塘塢水庫在庫尾區設置采樣，清華水庫和段莘水庫在庫中進行采樣。2座水庫均具備不同環境特征，清華水庫為流經清華鎮的河道型水庫，受城鎮居民生活干擾；石井水庫為婺源縣城周邊封閉型水庫，存在網箱養殖現象（圖1）。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

清華水庫及石井水庫分別位于婺源縣城上下游區域，其受到不同生態特征及人類活動類型影響。2020年12月利用柱狀采樣器采集了25 cm（清華水庫）、43 cm（石井水庫）的沉積柱狀樣品，利用1 cm分樣器經現場分層后立即裝入塑封袋標號記錄，共獲取有效樣品Q1—Q25和S1—S37，柱狀樣采集點詳見圖1。并使用GPS（佳明eTrex-30X）記錄采樣點區域的海拔與經緯度信息。

2.2 化學分析

沉積物樣品自然風干后去除石子樹葉等雜質后經100 mm篩分后以備后續測定TN、TP、有機碳（TOC）等指標。其中，沉積物中TOC采用重鉻酸鉀氧化-分光光度法^［17］，TN采用凱氏法^［18］利用石墨消解儀（海能SH220F）消解樣品后利用凱氏定氮儀（海能K9840）進行蒸餾滴定測得，依據鉬銻抗比色法^［19］使用紫外分光光度計在700 nm波長環境下測定TP濃度。

2.3 硅藻鑒定

利用標準化硅藻處理方法^［20-21］處理樣品中沉積硅藻，稱取0.5 g過篩沉積樣，經80℃水浴去除碳酸鹽及有機質等雜質后用水洗至中性，使用中性樹膠制成硅藻永久片。硅藻鏡檢使用奧林巴斯顯微鏡（型號CX31）在1 000倍油鏡下進行鑒定和計數，視野內超過1/2完好程度均進入計數，每個樣點計數不小于300個，硅藻種屬的鑒定依據《中國淡水藻志》及《歐洲硅藻鑒定系統》^［22-23］。

2.4 分析評價

2.4.1 沉積物污染情況評價

利用有機指數和有機氮評價法進行對沉積物營養鹽污染情況的評判^［24］。有機指數一般用作反映水域沉積物環境狀況，有機氮為表征在氮水平上沉積物污染程度的指標。計算公式如下：

有機指數=有機碳（%）×有機氮（%）（1）

有機碳=有機質÷1.724（2）

有機氮（%）=總氮（%）×95%（3）

2.4.2 硅藻相對豐度及優勢度

計算硅藻豐度（P）并采用Mcnaughton優勢度指數（Y）^［25］將優勢度大于等于 0.02 且至少出現于 2 個樣品中的藻類列為樂安河源區水庫的優勢種。

式中 N_sp——某個樣本中某種硅藻的個數；N——某個樣本中的總硅藻數量；f_i——某樣點中某種硅藻在所有樣點中出現的頻率。

2.4.3 硅藻指數

使用OMNIDIA 5.0（硅藻指數軟件）計算各樣點在18個硅藻指數的得分，分別為阿圖瓦-皮卡第硅藻指數（IDAP）、希佛爾和施賴納指數（SHE）、特定污染敏感指數（IPS）、勒克萊爾指數（IDSE）、硅藻富營養化指數（TDI）、南美大草原硅藻指數（IDP）、富營養污染硅藻指數（EPI-D）、瑞士硅藻指數（DI-CH）、斯雷德切克指數（SLA）、硅藻屬指數（IDG）、污染耐受百分比（PT）、羅特營養指數（ROTTtroph）、硅藻生物指數（IBD）、渡邊指數（WAT）、戴斯指數（DES）、歐盟硅藻指數（CEE）、洛博指數（LOBO）、羅特指數（ROTTsap）。除LOBO指數外，其余指數得分越高，水質越好^［26-27］。

2.5 數據分析

對硅藻豐度及環境理化數據進行lg（x+1）標準化處理以消除極值影響。首先對硅藻優勢種數據進行主成分分析（principal components analysis，PCA）以判定硅藻群落變化的主要方向梯度，之后利用冗余分析（Redundancy Analysis，RDA）以此識別影響硅藻群落分布的驅動因子。本研究利用Excel 2010進行數據整理，利用Spass 22.0和 Canoco 5.0軟件對整理數據進行統計分析，最終結果通過Origin 2020、CorelDRAW及ArcGIS10.2軟件進行圖像繪制。

3 結果與討論

3.1 沉積環境分析

3.1.1 沉積柱沉積特征

由圖2可知，清華和石井水庫沉積物各理化指標在垂向深度上總體呈現逐步下降的趨勢。清華水庫沉積物TOC含量處于10～20.85 g/kg，隨深度含量逐步上升至18～11 cm處快速累積后并于10～0 cm區間逐步增加，有機質含量高指示著清華水庫在這一時期的生產力也相應較高^［28］。沉積物TN的含量在0.97～1.65 g/kg，與TOC含量的變化趨勢相似。石井水庫中沉積物的TOC和TN含量分別為10.02～20.71、0.78～1.51 g/kg，于6～0 cm區間迅速增加，體現了短時間尺度上營養鹽的大量輸入。清華和石井水庫中TP變化范圍分別為0.22～0.73、0.25～0.71 g/kg。在靠近表層處，石井水庫各理化指標都顯現出較高于清華水庫的含量，可能意味著石井水庫受到較多方面營養物質的累積及沉降。通過沉積物C/N值可以較好判定水域有機質和營養鹽的來源，2座水庫的C/N值在9.7～14.5、11.4～14.0，表明水庫沉積物內有機質及營養鹽來源的復雜性，主要來源于水庫中藻類和水生植物，既存在水庫種內源因素的影響也包括局部外源因素的作用。

3.1.2 沉積物污染情況評價

有機指數（指示沉積物環境狀況）和有機氮評價法（氮水平上沉積物污染程度）結果見圖3。有機指數結果顯示，清華水庫在垂直深度上呈現較清潔—尚清潔的變化趨勢，其中表層與中部（12～19 cm）顯示尚清潔程度，與理化指標反映趨勢一致。石井水庫在垂直深度上與清華水庫變化趨勢一致為較清潔-尚清潔，與之不同的是，石井水庫只在表層部分呈現了尚清潔的狀態。而有機氮指數結果顯示清華水庫經歷了尚清潔-有機污染-尚清潔的梯度變化，石井水庫也經歷了尚清潔-有機污染的變化趨勢。將2種評價指標結果進行對比后發現有機氮污染評價等級普遍高于有機污染指數，由此結果推論兩座水庫受含氮元素污染程度普遍較高，其中清華和石井水庫的部分點位中甚至指示了有機污染，表明其水域中營養狀態逐漸升高。

樂安河上游水庫遭到強烈的流域開發，主要以農業生產和旅游業為主，同時也承擔魚類的網箱養殖的壓力影響。其中清華水庫毗鄰清華鎮，屬于河道型水庫，而石井水庫靠近婺源縣中心，四周農田覆蓋。但近年來，隨著水庫周圍禁止養殖以及治理政策的展開，兩水庫中有機物污染評價指數較之前有所下降。從清華和石井水庫沉積物狀況及硅藻組合分布可知，兩座水庫皆存在先升后降的富營養化趨勢。

3.2 沉積硅藻特征

3.2.1 硅藻分布

清華水庫25個沉積樣品共鑒定出硅藻2綱6目10科23屬162種，石井水庫37個沉積樣品共鑒定出19屬123種。將相對豐度大于等于2%的屬種定義為優勢種，其中清華水庫沉積柱中以附生和底棲類硅藻占主要優勢，石井水庫由附生和底棲類硅藻逐漸過渡至以浮游類硅藻為主。根據沉積硅藻豐度在垂向深度上的變化，利用聚類分析將清華和石井水庫整個沉積柱巖芯劃分為2個組合帶（圖4）。

a）組合帶Ⅰ（Q25—Q15；S37—S9）。清華水庫中Achnanthidium minutissima的含量在這一階段急劇上升后下降，含量最高達到20.6%。Navicula cryptocephala和Navicula sp.2含量逐漸下降，降幅變化相似最終豐度都降至3.7%。Meridion circulare常見于水位較低的淡水環境，其含量逐步上升從2%到8.3%。耐污染種Synedra ulna以低含量偶有出現，這一階段表明清華水庫受污染較少，水體較為清潔。石井水庫中Aulacoseira granulata豐度迅速增加以平均含量12.2%占據絕對優勢，這一階段主要以附生和底棲種為主。富營養指示種Cyclotella meneghiniana豐度逐漸增長，高營養鹽指示種Aulacoseira amigua豐度逐步減少。Navicula minima豐度在這一階段在優勢種中占比也較高，平均達到6.1%。Achnanthidium minutissima、Navicula sp.2、Navicula palea、Cymbella affinis、Eunotia minor廣泛分布。

b）組合帶Ⅱ（Q14—Q1；S8—S1）。清華水庫以附生營養種Cocconeis placentula呈現波動性起伏迅速上升占據絕對優勢，平均豐度12.3%。耐污染種Gomphonema parvulum和Navicula cryptocephala含量逐步上升，表明清華水庫正受到多環境因素的污染輸入。營養物質隨地表徑流匯入水庫中，攜帶著流域生活污水及農業肥料使用殘渣，導致了水域的營養富集、水質惡化及藻類的爆發。石井水庫在組合帶Ⅱ中以Aulacoseira granulata迅速上升成為絕對優勢，喜富營養環境的Gomphonema parvulum、Synedra ulna僅在表層處于優勢。在這一組合帶石井水庫沉積硅藻群落主要以富營養化及耐污染指示種為主，也側面反映了石井水庫的富營養化趨勢。其中石井水庫受網箱養殖影響較為嚴重，餌料投放過多以及魚類成長過程中的糞便增加，都會直接導致大量的營養物質進入水域內，使得營養化現象加劇。推斷每年網箱養魚投放大量飼料等現象很可能是石井水庫營養物質積聚的原因，同時也為藻類生長提供了先決條件。

3.2.2 硅藻指數分析

聚類分析結果顯示，清華和石井水庫皆被分為2個類群，故所有樣點共被分為4個類群，記為QⅠ（Q15—Q25）、QⅡ（Q1—Q14）、SⅠ（S9—S37）、SⅡ（S1—S8）。由沉積物污染情況評價結果及硅藻組合優勢種變化情況可知，各個組所指示的水生態系統狀況為組合帶Ⅰ優于組合帶Ⅱ，即QⅠgt;QⅡ，SⅠgt;SⅡ。除LOBO指數外，其余指數得分隨水質變差得分降低并劃分為5個等級：健康（大于17）、好（大于 15 且小于 17）、中等（大于 12 且小于 15）、較差（大于 9 且小于12）、極差（小于 9）。計算 4 個類群在 18 種硅藻指數下的得分，并利用箱型圖剔除與研究

區水環境狀況變化不相符的指標，篩選出適宜評價樂安河源區水庫水環境狀況的硅藻指數。

硅藻指數作為有效的水環境狀況評價方法之一，被廣泛應用于水域生態環境的水質評價^［29-30］。然而，硅藻指數也存在著環境異質性，不同地理環境下所適宜的硅藻指數也不盡相同^［31］。為了篩選出適宜樂安河源區進一步研究和評價的硅藻指數，選取了18個歐洲硅藻指數對清華和石井水庫的樣點進行計算以獲取最適水環境狀況的硅藻指數。圖5所示，IDAP、SHE、CEE、LOBO指數與環境狀況匹配度較高，呈現出了相似的水環境趨勢。IDAP與大多數指數得分、SHE與環境因子沒有顯著相關性，CEE、LOBO指數與其他硅藻指數和環境變量在plt;0.05上顯著相關。因此，CEE、LOBO指數可作為樂安河源區水環境狀況評價的有效硅藻指標。

3.2.3 硅藻驅動因子分析

利用主成分分析探討清華及石井水庫硅藻組合群落變化的主要方向與潛在環境變化梯度，清華水庫由廣布種Achnanthidium minutissima、Gomphonema patricki、Meridion circulare等迅速轉向以混合型富營養化指示種Gomphonema parvulum、Cocconeis placentula等為主的硅藻群落結構。石井水庫從混合型以附生底棲種為主的Navicula minima、Achnanthidium minutissima等轉變到以耐污種和富營養化種為主的Cyclotella meneghiniana、Cymbella affinis等群落結構。耐污種及富營養化指示種的數量激增指示著水庫營養狀況的發生突變，表示在硅藻組合Ⅱ帶的富營養化趨勢，同時也側面反映水庫向富營養化水體轉變的趨勢。組合帶Ⅰ和Ⅱ分別與環境因子具有一定的相關性，隨著組合帶的變化與環境因子的相關性愈發強烈，表明水庫受到的污染輸入逐漸增加，也側面反映出與硅藻組合帶指向相似的富營養化趨勢。

為確定影響水庫沉積硅藻分布的關鍵驅動因素，通過DCA和RDA分析手段探求硅藻組合群落分布的趨勢，提取影響硅藻分布的環境因子^［32］。圖6結果表明，營養指標TP、TN是清華水庫硅藻組合群落結構分布的主要驅動因子（p＜0.05），清華水庫主要接收了來自沿途城鎮居民生活的各項營養物質的輸入，人口和經濟的快速增長導致農業產量及生活污水直接流入水體，化肥的施用和人畜糞便攜帶大量營養鹽，持續性的外源營養物質輸入造成水庫沉積物中 TP 含量不斷升高，加快水體富營養化進程。TOC、TP是石井水庫巖芯中硅藻群落分布的主要驅動因子（p＜0.05），可知因過剩的營養物質，藻類得以大量繁衍生長促進水域的初級生產力^［33］。石井水庫相對封閉的水庫條件圍網養殖、開墾種植等人類活動致使富營養化情況較為明顯，也可解釋水域內TP所反映的生態響應。大量的研究也揭示了大量的人類活動對硅藻的物種組成豐度及硅藻群落變化具有重大影響^［34-35］。

在人為活動影響下，伴隨水庫中營養鹽的持續富集，水庫經歷2個階段：①以附生和底棲類為主要的優勢時期，Achnanthidium minutissima、Navicula cryptocephala、Fragilaria capucina等相對清潔種豐度較高指示水域內以較清潔為主的天然水體狀況；②以快速增長的硅藻富營養指示種時期，水域內呈現營養物質急劇輸入的富營養趨勢。在短期尺度上，清華和石井水庫中Cyclotella meneghiniana、Gomphonema parvulum、Cocconeis placentula等富營養種的頻繁出現表明庫區內生態系統受到內外雙重影響的過程作用，結果顯示在近代沉積物含量較高和日益增長的農作需求及網箱養殖等人類活動下加重了水質向富營養化狀態邁進的趨勢。在所計算的硅藻指數中，數據表明CEE、LOBO指數是最適宜樂安河源區水庫的有效硅藻評價指標。以靠近婺源縣城市的樂安河源區域2座不同生態類型的水庫為例，樂安河源頭區應注重水庫中營養物質輸入和人類活動影響問題。

3.3 討論

本研究利用生物環境代用指標硅藻，探求樂安河上游區水庫的環境特征及硅藻與之的相關性和驅動因素。利用底棲硅藻物種多樣性及水環境理化性質，橫向對樂安河上游區4座水庫短時間尺度的水環境質量做出評價，得出底棲硅藻群落結構變化的關鍵因素；再利用沉積硅藻優勢種分布特征及沉積環境理化指標，縱向分析各水庫長時間尺度下環境質量，得出影響沉積硅藻群落結構的驅動因素。并結合背景、氣候數據及經濟指標數據等對樂安河上游區水庫的變化及現狀探討成因，為了解樂安河上游區婺源縣生態環境狀況及后續研究提供科學依據，也為下游鄱陽湖流域的污染控制與治理研究打好上游基礎。但是，在研究過程中本論文受客觀條件制約，仍有不足之處。

a）在實際采樣過程中，由于水庫水位較深、采樣地形復雜及采樣條件工具的限制，在枯水期采樣時只能采集靠近庫尾處的樣品，未能在水庫中心進行樣品采集，故部分樣品只能表征近現代的環境特征，從而無法獲得更長尺度下更為精確的沉積及硅藻數據。

b）研究通過垂直深度下以1 cm為單位進行樣品分割對沉積硅藻及環境指標進行分析。但所得的數據只能定性反映其變化趨勢和關鍵影響因素，無法結合實際年代從時間角度上定量分析環境演變過程，無法更為精確且明晰樂安河上游區水庫的演變過程。可以在后續的研究中結合測年手段以完善定量分析的缺憾。

c）本文主要選取水質理化指標（TP、TN、NH₃-N、Chl-a、DO、COD_Mn、SD）7項水質數據及沉積理化指標（TN、TP、TOC、C/N）4項沉積數據與硅藻進行綜合分析，探討影響其群落變化的驅動因素。但同時沒有考慮到其他因素（水溫、水深、總鉀、總硫等）對硅藻群落結構變化的影響。因此，在分析探討中可能存在一定程度的局限性而導致結果過于片面。基于此不足，可以在今后的研究中考慮多環境因子綜合對硅藻群落結構變化的驅動機制。

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（責任編輯：高天揚）