楊璐，李佳蹊，錢瑭毅，殷旭旺,*，阮贇杰

1. 大連海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院，遼寧省水生生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116023 2. 浙江大學(xué)，新農(nóng)村發(fā)展研究院，杭州 310000

棲息地環(huán)境是河流生態(tài)系統(tǒng)的組成部分，在整個(gè)河流生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，評(píng)估棲息地的質(zhì)量和數(shù)量是保護(hù)和恢復(fù)生物多樣性和維持生態(tài)完整性的主要途徑[1]。良好的河流棲息地是水生生物生存的必要條件，是維持河流生物多樣性和完整性的重要保證，探索河流生物的適宜棲息環(huán)境，是河道修復(fù)和河流管理的依據(jù)和工具[2-3]。早期有學(xué)者進(jìn)行了河流棲息地的評(píng)價(jià)工作[4-5]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開發(fā)出許多河流棲息地評(píng)價(jià)模型和預(yù)測(cè)方法，河流棲息地評(píng)估技術(shù)得到了較好的發(fā)展和完善[6-7]。與大型底棲動(dòng)物和魚類相比，著生藻類在河流健康研究中的應(yīng)用相對(duì)較少；然而，著生藻類不僅只是河流生態(tài)系統(tǒng)食物鏈的重要組成部分，還是指示河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況極佳的類群，其結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定，對(duì)于河流健康具有重要支撐作用，尤其著生藻類是河流的初級(jí)生產(chǎn)者，也是食物鏈的重要一環(huán)，可將無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)元素轉(zhuǎn)移至更高級(jí)的有機(jī)生命體，擔(dān)負(fù)著物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的重要任務(wù)[8]。因此，著生藻類群落的物種多樣性及相對(duì)多度，在某種程度上影響著整個(gè)河流生態(tài)系統(tǒng)的生物群落結(jié)構(gòu)及環(huán)境因子特征[9]。Sergey[10]應(yīng)用著生藻類對(duì)俄國(guó)西北地區(qū)河流的水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)。Griffith等[11]研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用著生藻類對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)要優(yōu)于浮游植物。因此，研究和評(píng)價(jià)著生藻群落的物種、多樣性水平和功能群特征等與棲境環(huán)境因子的響應(yīng)關(guān)系，確定維持生物多樣性以及生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的適宜棲境狀況，是開展河流生態(tài)保護(hù)和修復(fù)，提高河流生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的重要途徑。

水生生物群落結(jié)構(gòu)在生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)和信息傳遞中起著重要作用，而水生生物群落的結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的關(guān)系一直以來(lái)都是生態(tài)學(xué)的熱點(diǎn)話題[11-16]。在水生生物群落結(jié)構(gòu)特征與環(huán)境因子的研究中，項(xiàng)珍龍等[17]在渾河流域調(diào)查分析河流底質(zhì)類型對(duì)硅藻群落的影響時(shí)得出，河流底質(zhì)類型為大石塊和鵝卵石等類型時(shí)，硅藻多樣性較高，而底質(zhì)類型為淤泥和細(xì)沙時(shí)，硅藻多樣性較低；Duan等[18]在深圳觀瀾河的研究表明，污染導(dǎo)致水體溶解氧降至0.2 mg·L-1，可造成大型底棲動(dòng)物無(wú)法存活。對(duì)渾太河流域藻類群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的典范對(duì)應(yīng)分析結(jié)果表明，底質(zhì)指數(shù)(index of substrate, ISO)、溶解氧、電導(dǎo)率、總氮(TN)、總?cè)芙夤腆w(total dissolved solids, TDS)和硬度顯著影響著生藻類群落結(jié)構(gòu)的環(huán)境因子[6,17,19]。目前，關(guān)于河流水生生物與環(huán)境因子相關(guān)性的研究中多是定性分析，利用空間多元統(tǒng)計(jì)分析，確定影響水生生物群落結(jié)構(gòu)的環(huán)境驅(qū)動(dòng)要素[6-7,17,19]。然而，定性分析不能準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)影響水生生物群落變化時(shí)的環(huán)境因子的臨界點(diǎn)，而這種水生生物與環(huán)境因子的定量相關(guān)關(guān)系又是進(jìn)行河流生物多樣性保護(hù)和河流污染物總量控制的重要依據(jù)[20-22]。環(huán)境因子對(duì)水生生物的最適值和閾值往往需要通過(guò)室內(nèi)毒理實(shí)驗(yàn)獲得[13,23-24]，但有學(xué)者已經(jīng)嘗試基于野外實(shí)測(cè)生物和環(huán)境數(shù)據(jù)獲得。Dodds等[25]根據(jù)TN、總磷(TP)濃度數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)，利用外推法回歸定量預(yù)測(cè)了該地區(qū)湖泊的水質(zhì)狀態(tài)。Breiman等[26]以農(nóng)業(yè)土地利用率小于變化點(diǎn)數(shù)值的所有站點(diǎn)的TP、TN濃度的中位數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)限值，定量地確定了營(yíng)養(yǎng)物濃度和農(nóng)業(yè)土地利用之間的關(guān)系。Paul和Gerritsen[27]將數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)與模型回歸相結(jié)合，確定水體的參照狀態(tài)，進(jìn)而以量化的形式研究了水體污染狀況。

此外，通過(guò)建立適宜度指數(shù)模型和加權(quán)平均回歸分析的方法分析物種的環(huán)境因子最適值[28]，或利用臨界指示物種分析(thresholds indicator taxa analysis, TITAN)與加權(quán)平均回歸分析 (weighted averaging, WA)，可以預(yù)測(cè)物種所需環(huán)境因子的閾值[29-30]。目前，TITAN分析法僅在國(guó)內(nèi)三峽水庫(kù)氮磷檢測(cè)中得到應(yīng)用，研究中比較了不同藻類群落參數(shù)的氮磷的閾值，從而篩選出對(duì)河流附石硅藻群落受到影響的指示種，為三峽水庫(kù)入庫(kù)河流生態(tài)管理決策提供科學(xué)依據(jù)[22]；閔文武等[19]采用了WA的方法，計(jì)算了驅(qū)動(dòng)因子對(duì)優(yōu)勢(shì)硅藻類群的最適值，為太子河流域的水生生物保護(hù)、生態(tài)修復(fù)和管理提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

太子河流域是遼寧省的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，由于工業(yè)發(fā)展以及人類農(nóng)業(yè)活動(dòng)干擾的雙重影響，太子河現(xiàn)面臨著嚴(yán)重的水體污染和水資源短缺的問(wèn)題[31]。隨著農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展以及農(nóng)藥化肥和含磷洗滌劑的大量使用，導(dǎo)致太子河流域水體富營(yíng)養(yǎng)化日益嚴(yán)重[32]；研究表明，氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽已經(jīng)成為影響太子河著生藻類群落的主要環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子[6-7]。著生藻類的生境相對(duì)固定，生物多樣性豐富，對(duì)環(huán)境變化響應(yīng)較快，群落變化趨勢(shì)可預(yù)測(cè)性強(qiáng)，并且便于采集[6]，此外，著生藻類群落還是研究河流水環(huán)境營(yíng)養(yǎng)鹽要素(如氮、磷)的重要指示物種，因此，國(guó)際上的學(xué)者已經(jīng)越來(lái)越重視著生藻類在河流生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)中的作用[3]。本研究以遼寧太子河為例，以著生藻類為研究對(duì)象，將TITAN和WA的方法進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，基于2012—2018年期間全流域進(jìn)行的3次野外生態(tài)調(diào)查數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)河流TN、TP對(duì)著生藻類群落的閾值、總氮、總磷的指示種種類和最適值分布范圍，探討著生藻類群落與河流TN、TP營(yíng)養(yǎng)鹽變化的響應(yīng)關(guān)系，以期為太子河流域的水生生物保護(hù)、生態(tài)修復(fù)和管理以及流域污染物總量控制等提供科學(xué)依據(jù)，并為其他河流富營(yíng)養(yǎng)化研究提供借鑒意義。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 研究區(qū)域概況

太子河為遼河水系一大支流，河流長(zhǎng)度413 km，其人類活動(dòng)梯度較為明顯，上游地區(qū)多為森林用地，人類活動(dòng)較少。隨著海拔梯度的逐漸降低，人類活動(dòng)強(qiáng)度增加，農(nóng)業(yè)用地和城鎮(zhèn)用地比例逐漸增高，大量工業(yè)用水和生活污水的產(chǎn)生量也大幅度增加，導(dǎo)致了太子河的污染，其主要污染物為氮、磷等，尤其是太子河流域中下游地區(qū)由于人類活動(dòng)的干擾，魚類、藻類和底棲動(dòng)物等群落及功能受到了一系列的影響，包括其物種組成、生境和耐受性等，利用類型也發(fā)生明顯改變。

1.2 著生藻的采集、分類與鑒定

在太子河進(jìn)行3次采樣調(diào)查(2012年5月、2016年9月和2018年4月)，獲得共計(jì)141個(gè)站位的生態(tài)數(shù)據(jù)(圖1)。用全球定位系統(tǒng)(MAGELLAN eXplorist-200)記錄采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度和海拔高度。為了避免誤差，采取混合樣品作為著生藻類的定量樣品。

圖1 太子河流域采樣點(diǎn)位分布Fig. 1 Locations of sampling sites in Taizi River Basin

在每個(gè)采樣點(diǎn)上下游100 m范圍內(nèi)挑選3個(gè)不同生境，隨機(jī)選9個(gè)石塊(長(zhǎng)度10～20 cm)，每個(gè)石塊用硬毛刷刮取面積為7.1 cm2(直徑3 cm的圓形塑膠環(huán))的著生藻類，混合樣品用自來(lái)水沖刷至不銹鋼托盤中，加入5%甲醛固定后放入廣口塑料瓶中保存。野外樣品運(yùn)到實(shí)驗(yàn)室，靜置24 h后把上清液倒掉，留100 mL，用于著生藻類定量計(jì)算。著生藻類定量是吸取0.1 mL樣品放入100格計(jì)數(shù)框內(nèi)，在顯微鏡400倍鏡下計(jì)數(shù)，每個(gè)計(jì)數(shù)板觀察100個(gè)視野，每個(gè)采樣點(diǎn)計(jì)數(shù)2個(gè)平行樣。著生藻類的種類鑒定依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[33-34]。

1.3 水體理化因子的測(cè)定

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

采用TITAN與WA分析著生藻類群體的TN、TP閾值及其指示種和最適值。棲境環(huán)境因子的最適值是研究對(duì)象最適生存條件下環(huán)境因子的值，而閾值是指引起生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量、性質(zhì)或現(xiàn)象發(fā)生突變的一個(gè)或多個(gè)環(huán)境因子對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，將最適值和閾值有機(jī)結(jié)合起來(lái)綜合探究在物種棲境環(huán)境梯度壓力下，水生生物群落所需求的環(huán)境因子最適宜水平和閾值，這對(duì)了解水生生物群落與環(huán)境因子的響應(yīng)關(guān)系、生物多樣性保護(hù)、生態(tài)修復(fù)以及流域污染物總量控制等具有重要的科學(xué)價(jià)值。WA是分析水生態(tài)對(duì)著生藻類群落影響的最普遍方法之一，該方法可以計(jì)算出水環(huán)境因子對(duì)著生藻類的最適值。TITAN通過(guò)構(gòu)建樹模型來(lái)分析生物與棲境數(shù)據(jù)間的關(guān)系，與一般線性模型相比具有更高的準(zhǔn)確性。用TITAN與WA法聯(lián)合分析多個(gè)生物參數(shù)的環(huán)境閾值則可使研究結(jié)果更為全面。此外，本研究還使用CANOCO(Windows)進(jìn)行典范對(duì)應(yīng)分析(CCA)，篩選出影響太子河流域著生藻類群落結(jié)構(gòu)空間分布特征的主要水環(huán)境因子，為減少實(shí)驗(yàn)分析誤差，選擇了至少在3個(gè)或3個(gè)以上樣品中出現(xiàn)，且相對(duì)豐度超過(guò)1%以上的藻類物種。

本研究通過(guò)TITAN分析著生藻群落組成的TN和TP的閾值，其主要方法利用Bray-Curtis相異度來(lái)度量生物群落對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度變化的響應(yīng)，原理是將各樣點(diǎn)的響應(yīng)變量按照對(duì)應(yīng)的TN和TP環(huán)境梯度進(jìn)行排列，根據(jù)Bray-Curtis相異度來(lái)找到潛在的突變點(diǎn)，進(jìn)而將響應(yīng)變量進(jìn)行平均值和方差差異分析，找到最大2組的環(huán)境變量值，即突變點(diǎn)或閾值[22,36-37]。為減少突變點(diǎn)的不確定因素，對(duì)突變點(diǎn)分析結(jié)果進(jìn)行自舉重抽樣分析，即從原數(shù)據(jù)集中抽取一部分?jǐn)?shù)據(jù)作為新數(shù)據(jù)集進(jìn)行模型擬合，如此重復(fù)抽樣多次直到100次，將得到的100個(gè)閾值進(jìn)行50%分位值化，作為最終的TP和TN環(huán)境閾值，如圖2所示。為了降低突變點(diǎn)之間采樣強(qiáng)度不同的影響，通過(guò)R軟件中的rarefy函數(shù)在處理數(shù)據(jù)前對(duì)物種豐富度數(shù)據(jù)進(jìn)行稀有化處理，設(shè)置300個(gè)稀有化個(gè)體數(shù)。在數(shù)據(jù)分析前，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行l(wèi)g(a+1)數(shù)據(jù)分析以降低罕見種的影響，并排除在5個(gè)以下樣點(diǎn)中出現(xiàn)的物種。另外，TITAN得出初步的物種突變點(diǎn)后，利用自舉抽樣技術(shù)分析物種突變點(diǎn)的不確定性，即突變點(diǎn)分布與自舉抽樣所得數(shù)據(jù)集分布的相異程度，從抽樣數(shù)據(jù)集中得到突變點(diǎn)的可能性(reliability)、純度(purity)(即自舉重抽樣中突變點(diǎn)的響應(yīng)方向與所觀察到響應(yīng)方向一致的比例)和可靠度(reliability)(即在自舉重抽樣的數(shù)據(jù)集中能得出突變點(diǎn)的概率)，最后以不確定性(P<0.05)、可靠度(reliability≥0.90)和純度(purity≥0.95)為依據(jù)確定TN、TP的指示物種[31]。同時(shí)，利用WA計(jì)算TP和TN對(duì)驅(qū)動(dòng)因子的最適值，將TP和TN變量數(shù)據(jù)進(jìn)行l(wèi)g(a+1)轉(zhuǎn)換作為穩(wěn)定物種變量，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平方根轉(zhuǎn)換。通過(guò)100次循環(huán)的自舉重抽樣分析進(jìn)行誤差估計(jì)。

圖2 數(shù)據(jù)處理組織結(jié)構(gòu)圖注：WA表示加權(quán)平均回歸分析，TITAN表示臨界指示物種分析，CCA表示典范對(duì)應(yīng)分析，TN表示總氮，TP表示總磷。Fig. 2 Organization chart of data processingNote: WA is weighted averaging; TITAN is thresholds indicator taxa analysis; CCA is canonical correspondence analusis; TN is total nitrogen; TP is total phosphorus.

以上統(tǒng)計(jì)分析中，TITAN采用的是mvpart軟件包及Baker和King編寫的程序，WA在C2軟件包上完成。

2 結(jié)果(Results)

2.1 太子河著生藻類的群落結(jié)構(gòu)及其與環(huán)境因子的關(guān)系

在太子河流域進(jìn)行3次采樣調(diào)查的141個(gè)站位中，采集著生藻類共計(jì)119種，其中，硅藻門98種，占82%；綠藻門10種，占8.4%；藍(lán)藻門7種，占6%；隱藻門1種，占0.8%；甲藻門1種，占0.8%；裸藻門2種，占1.7%。常見種類包括：尖針桿藻(Synedraacus)、梅尼小環(huán)藻(Cyclotellameneghiniana)、普通等片藻(Diatomavulgare)、卡里舟形藻(Naviculacari)、卵圓雙眉藻(Amphoraovalis)、近緣橋彎藻(Cymbellaaffinis)、胡斯特橋彎藻(C.hustedtii)、小橋彎藻(C.laevis)、扁圓卵形藻(Cocconeisplacentula)和雙頭輻節(jié)藻(Stauroneisanceps)。

太子河水環(huán)境因子與著生藻類群落的典范對(duì)應(yīng)分析(CCA)結(jié)果表明，TP(P=0.0245)、TN(P=0.002)是影響太子河流域著生藻類群落結(jié)構(gòu)空間分布特征的主要水環(huán)境因子；此外，高錳酸鹽指數(shù)(P=0.001)也是太子河流域重要的環(huán)境因子，如圖3所示。

2.2 TN的指示種

采用TITAN分析太子河的著生藻類群落，得到22種TN指示物種，其中13種為負(fù)響應(yīng)物種(即響應(yīng)變量隨環(huán)境因子梯度增加而減少)，9種為正響應(yīng)物種(即響應(yīng)變量隨環(huán)境因子梯度增加而增加)，如表1和圖4所示。TN負(fù)響應(yīng)指示種中，普通等片藻為出現(xiàn)頻數(shù)較高的物種，達(dá)到了98，其次是扁圓卵形藻和肘狀針桿藻出現(xiàn)的頻數(shù)分別達(dá)到85和74，而其他的指示種出現(xiàn)率在39%以下，此外，扁圓卵形藻的閾值為3.68 mg·L-1，是負(fù)響應(yīng)物種中最高的(圖4)。以上結(jié)果說(shuō)明，普通等片藻是負(fù)響應(yīng)出現(xiàn)最多的物種，其數(shù)量隨著TN含量增加而減少。即當(dāng)水體的TN含量達(dá)到3.68 mg·L-1時(shí)，除了扁圓卵形藻外，大部分著生藻負(fù)響應(yīng)物種已超過(guò)TN耐受極限，著生藻類群落已不再產(chǎn)生顯著閾值響應(yīng)。

TN正響應(yīng)指示種中，小片菱形藻出現(xiàn)的頻數(shù)達(dá)到了58，梅尼小環(huán)藻緊隨其后，其頻數(shù)為50，而其他的指示種出現(xiàn)率在20%以下(表1)。正響應(yīng)物種中，閾值最高的是尾裸藻，為8.70 mg·L-1，其次是綠色裸藻、顆粒直鏈藻和小片菱形藻，分別對(duì)應(yīng)的閾值為7.81、6.50和6.05 mg·L-1，閾值最低的是近緣針桿藻，為1.80 mg·L-1；負(fù)響應(yīng)物種中，閾值最高的是扁圓卵形藻，為3.68 mg·L-1，其次是肘狀針桿藻和普通等片藻，分別對(duì)應(yīng)的閾值為2.52和1.54 mg·L-1，閾值最低的是窩形席藻，為0.71 mg·L-1(表1)。以上結(jié)果說(shuō)明，小片菱形藻是正響應(yīng)出現(xiàn)最多的物種，其數(shù)量隨著TN含量增加而增加。當(dāng)水體的TN含量達(dá)到8.70 mg·L-1時(shí)，除了尾裸藻外，大部分著生藻類群體的正響應(yīng)物種已超過(guò)TN耐受極限，著生藻類群落已不再產(chǎn)生顯著閾值響應(yīng)。

圖3 太子河流域著生藻群落與環(huán)境因子的CCA注：TN表示總氮，TP表示總磷，CODMn表示高錳酸鹽，Cond表示電導(dǎo)率，T表示溫度，pH表示酸堿度，DO表示溶解氧。Fig. 3 CCA of algal community and environmental factors in Taizi RiverNote: TN represents total nitrogen; TP represents total phosphorus; CODMn represents permanganate; Cond represents conductivity; T represents temperature; pH represents acid-base value; DO represents dissolved oxygen.

圖4 著生藻物種負(fù)響應(yīng)種和正響應(yīng)種指示總分對(duì)候選總氮(TN)突變點(diǎn)的響應(yīng)曲線Fig. 4 TITAN sum of negative and positive responding species to all candidate change points along total nitrogen (TN)

表1 TITAN分析TN指示物種以及閾值Table 1 Indicating species and thresholds of TN by TITAN analysis

注：閾值表示各物種的響應(yīng)閾值；頻數(shù)表示物種出現(xiàn)的頻數(shù)；方向表示響應(yīng)的方向，其中，“-”表示負(fù)響應(yīng)，“+”表示正響應(yīng)；顯著性表示從數(shù)據(jù)中獲得相等或較大的IndVal分?jǐn)?shù)的可能性；純度表示自舉重抽樣中突變點(diǎn)的響應(yīng)方向與所觀察到響應(yīng)方向一致的比例；可靠性表示在0.05的顯著性水平下自舉抽樣的可靠概率。下同。
Note: Env.cp represents environment change point for each taxon based on IndVal maximum; Freq represents number of non-zero abundance values per taxon; Maxgrp represents the direction of responses, “-” means negative response and “+” means positive response; Obsiv.prob represents the possibility of obtaining an equal or large IndVal score from random data; Purity represents the proportion of correct assignments as a threshold indicator among bootstrap replicates; reliability represents the proportion of obsiv.prob replicates ≤ 0.05. The same below.

2.3 TP的指示種

采用TITAN得到19種TP指示物種，其中，9種為負(fù)響應(yīng)物種，10種為正響應(yīng)物種，如表2和圖5所示。TP指示種中，負(fù)響應(yīng)種中近緣橋彎藻出現(xiàn)頻數(shù)最高，之后是卡里舟形藻，其出現(xiàn)的頻數(shù)為50，其他指示種出現(xiàn)率均較低，<25%(圖5)。以上結(jié)果說(shuō)明，近緣橋彎藻是負(fù)響應(yīng)出現(xiàn)最多的物種，其數(shù)量隨著TP含量增加而減少。當(dāng)水體的TP含量達(dá)到0.06 mg·L-1時(shí)，除卡里舟形藻外，大部分著生藻類群體的負(fù)響應(yīng)物種已超過(guò)TP耐受極限，著生藻類群落已不再產(chǎn)生顯著閾值響應(yīng)。

圖5 著生藻物種負(fù)響應(yīng)種和正響應(yīng)種指示總分對(duì)候選總磷(TP)突變點(diǎn)的響應(yīng)曲線Fig. 5 TITAN sum of negative and positive responding species to all candidate change points along total phosphorus (TP) gradients

表2 TITAN分析TP指示物種以及閾值Table 2 Indicating species and thresholds of TP by TITAN analysis

TP指示種所對(duì)應(yīng)的正響應(yīng)突變點(diǎn)中，小片菱形藻和急尖舟形藻出現(xiàn)頻數(shù)最高，其次是膨大橋彎藻，而其他指示種出現(xiàn)次數(shù)均較低，在全部樣點(diǎn)中出現(xiàn)的百分比不到20%(表2)。正響應(yīng)物種中，閾值最高的是顆粒直鏈藻為0.19 mg·L-1，其次是綠色裸藻、急尖舟形藻和庫(kù)津小環(huán)藻，分別對(duì)應(yīng)的閾值為0.16、0.11和0.11 mg·L-1，閾值最低的是膨大橋彎藻為0.02 mg·L-1；負(fù)響應(yīng)物種中，閾值最高的是卡里舟形藻為0.06 mg·L-1，其次是胡斯特橋彎藻和近緣橋彎藻，分別對(duì)應(yīng)的閾值為0.05和0.05 mg·L-1，閾值最低的是卵圓雙眉藻為0.02 mg·L-1(表2)。以上結(jié)果當(dāng)水體的TP含量達(dá)到0.19 mg·L-1時(shí)，除了顆粒直鏈藻外，此時(shí)大部分著生藻類群體的正響應(yīng)物種已超過(guò)TP耐受極限，著生藻類群落已不再產(chǎn)生顯著閾值響應(yīng)。

2.4 太子河流域著生藻棲息的最適值

太子河流域TN對(duì)著生藻的最適值如表3所示。

表3 太子河流域著生藻指示種的TN和TP的最適值Table 3 The optimum values of TN and TP for indicating species in Taizi River

由表可知，太子河流域著生藻的TN的范圍為12.14～0.65 mg·L-1，平均值為3.18 mg·L-1。綠色裸藻、顆粒直鏈藻和線形菱形藻等能夠適應(yīng)含較高TN的水環(huán)境。菱形藻屬的線形菱形藻、小片菱形藻均適宜棲息于TN相對(duì)較高的水環(huán)境。窩形席藻、膨大橋彎藻和峭壁舟形藻則主要棲息于TN較低的水環(huán)境。以上結(jié)果說(shuō)明，太子河流域的著生藻TN的最適值表現(xiàn)為裸藻>菱形藻>橋彎藻>舟形藻>其他藻。

TP對(duì)著生藻的最適值如表3所示。由表可知，太子河流域著生藻的TP的范圍為0.47～0.02 mg·L-1，平均值為0.08 mg·L-1。顆粒直鏈藻、綠色裸藻、線形菱形藻和庫(kù)津小環(huán)藻等能夠適應(yīng)含較高TP的水環(huán)境。菱形藻屬的線形菱形藻、針形菱形藻、谷皮菱形藻和小片菱形藻均適宜棲息于TP相對(duì)較高的水環(huán)境。鈍鼓藻、比索曲殼藻、小橋彎藻和圓孔異菱藻則主要棲息于TP較低的水環(huán)境。以上結(jié)果說(shuō)明，太子河流域的著生藻TP的最適值表現(xiàn)為直鏈藻>菱形藻>舟形藻>橋彎藻>其他藻。

3 討論(Discussion)

3.1 太子河著生藻群落結(jié)構(gòu)特征及環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子

本研究共采集太子河著生藻類119種，硅藻門占據(jù)了近82%，其常見的種類，如隱頭舟形藻、膨大橋彎藻等，這些藻類已經(jīng)在三峽水庫(kù)中被證明是TN和TP的指示種[22]。在不同的流域內(nèi)，影響著生藻類群落結(jié)構(gòu)的TN與TP的指示種也是不同。渭河水系指示物種以橋彎藻為主，此外還有窄異極藻、肘狀針桿藻縊縮變種、橋彎藻屬和窄異極藻是水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的指示物種[38]。涇河水系指數(shù)物種以菱形藻為主，谷皮菱形藻是典型的富營(yíng)養(yǎng)化指示種，通常出現(xiàn)污染較為嚴(yán)重的水體中，涇河流域森林覆蓋率極低，水土流失較為嚴(yán)重，此外涇河水系農(nóng)業(yè)用地比重較大，農(nóng)業(yè)廢水直接排放到河流中，使得河流富營(yíng)養(yǎng)程度較高，導(dǎo)致了谷皮菱形藻大量富集[39]。洛河水系指示物種非常豐富，有橋彎藻屬、等片藻屬、舟形藻屬和布紋藻屬等，其中舟形藻屬指示作用較強(qiáng)，而本研究中，等片藻屬、橋彎藻屬和舟形藻屬出現(xiàn)的次數(shù)較多。

在不同的流域內(nèi)，影響著生藻類群落結(jié)構(gòu)的環(huán)境因子不盡相同，對(duì)長(zhǎng)江流域的岡曲河研究發(fā)現(xiàn)，影響著生藻類群落結(jié)構(gòu)的環(huán)境因子是總?cè)芙夤腆w、TN和TP，這與本研究的結(jié)果相類似；而對(duì)長(zhǎng)江流域的香溪河的研究則表明，硅酸鹽、TN和TP等是主要影響因子[34]；此外，還有研究發(fā)現(xiàn)，影響河流著生藻類群落結(jié)構(gòu)的環(huán)境因子是電導(dǎo)率[40]。驅(qū)動(dòng)河流著生藻類群落結(jié)構(gòu)形成空間格局的環(huán)境因子會(huì)因流域的外源性營(yíng)養(yǎng)鹽類型、土地利用模式、人類活動(dòng)和采樣季節(jié)與時(shí)間的不同而異[41-43]，而本研究典范對(duì)應(yīng)分析結(jié)果表明，太子河流域驅(qū)動(dòng)著生藻類群落結(jié)構(gòu)空間格局的環(huán)境因子為總?cè)芙夤腆w、高錳酸鹽指數(shù)、TN和TP，表明分析河流TN和TP異質(zhì)性和研究著生藻對(duì)不同TN和TP含量的適宜性，在太子河流域水生態(tài)系統(tǒng)完整性評(píng)估工作中具有重要作用。

3.2 太子河氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)著生藻類群落的最適值

氮、磷是淡水湖泊的主要限制因子，而且控氮、磷也被證明是一種有效的改善水質(zhì)的措施。最近，加拿大和美國(guó)的科學(xué)家基于長(zhǎng)期湖沼學(xué)研究提出了湖泊富營(yíng)養(yǎng)化治理無(wú)需控氮只需控磷的觀點(diǎn)[44]。在本研究中，著生藻不同的物種類群TN、TP最適值差異較大；其中，TN和TP關(guān)聯(lián)分析的指示種中，顆粒直鏈藻TN(6.82 mg·L-1)、TP(0.47 mg·L-1)的最適值最高；其次是庫(kù)津小環(huán)藻TN(5.97 mg·L-1)、TP(0.26 mg·L-1)；最適值最低則為近緣針桿藻TN(3.14 mg·L-1)、TP(0.07 mg·L-1)，以上結(jié)果說(shuō)明，當(dāng)水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度中總氮超過(guò)6.82 mg·L-1和TP超過(guò)0.47 mg·L-1之后，顆粒直鏈藻等少數(shù)物種密度會(huì)發(fā)生突變，但此時(shí)大部分著生藻藻物種已超過(guò)營(yíng)養(yǎng)鹽的最適范圍，著生藻群落已不再產(chǎn)生積極響應(yīng)。近年來(lái)的研究表明，著生藻類也可以利用溶解態(tài)的有機(jī)磷氮，特別是在氮磷限制的湖泊，溶解態(tài)有機(jī)磷的生物可利用性更為重要。在許多湖泊中，溶解性有機(jī)氮磷的濃度要比溶解性的氮磷高1倍以上，其中大約60%的溶解性有機(jī)氮磷可以作用于藻類的生長(zhǎng)[45]。因此，利用著生藻類的TN、TP最適值差異，對(duì)著生藻類的指示種進(jìn)行一定的控制，可以為改善河流水質(zhì)的提供借鑒作用。

棲境環(huán)境因子的最適值是研究對(duì)象最適生存條件下環(huán)境因子的值，是評(píng)價(jià)水生生物群落棲境適宜性的重要手段。閔文武等[19]在研究太子河流域的環(huán)境因子最適值時(shí)發(fā)現(xiàn)，鈍端菱形藻解剖刀變種和尖端菱形藻適宜棲息于底質(zhì)指數(shù)較低而高錳酸鹽指數(shù)較高的水環(huán)境，Gomphonematrancatum和腫大橋彎藻則適宜棲息于底質(zhì)指數(shù)較高的水環(huán)境；纏結(jié)異極藻二叉變種和尖細(xì)異極藻適宜棲息于總?cè)芙夤腆w較高的水環(huán)境，弧形峨眉藻和克洛鈍脆桿藻則適宜棲息于總?cè)芙夤腆w較低的水環(huán)境；弧形峨眉藻和隱頭舟形藻威藍(lán)變種適宜棲息于高錳酸鹽指數(shù)較低的水環(huán)境。針桿藻和橋彎藻對(duì)底質(zhì)指數(shù)的最適值高于舟形藻和菱形藻，以及其他藻種，總?cè)芙夤腆w和高錳酸鹽指數(shù)對(duì)96種硅藻的最適值均表現(xiàn)為菱形藻和異極藻較高、針桿藻和橋彎藻較低[19]。而在本研究中，太子河流域WA結(jié)果顯示，119種TN、TP對(duì)著生藻最適值范圍分別為0.47～0.02 mg·L-1、12.14～0.65 mg·L-1，其中，綠色裸藻TN最適值最高為12.14 mg·L-1，而其TP的最適值相對(duì)較高為0.15 mg·L-1。以上結(jié)果表明，太子河中大部分著生藻類更適合生長(zhǎng)于較高濃度的TN和較低濃度的TP的棲境中，并且同一種著生藻的氮磷最適值相差較大，這可以為控制單一營(yíng)養(yǎng)鹽濃度提供可能，并為河流的富營(yíng)養(yǎng)化治理提供了初步的設(shè)想。

3.3 太子河氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)著生藻類群落的閾值

著生藻類群落各物種與水環(huán)境因子的閾值響應(yīng)關(guān)系和響應(yīng)程度不同，根據(jù)WA和TITAN關(guān)聯(lián)性分析，本研究共得到22種TN指示物種，其中，正響應(yīng)物種普通等片藻和負(fù)響應(yīng)物種小片菱形藻出現(xiàn)的頻數(shù)最高。不同研究之間指示物種的差異并非偶然現(xiàn)象，Patrick等[46]研究發(fā)現(xiàn)，湖沼橋彎藻在清潔水體或中等質(zhì)量水體中的豐度較高，為TN負(fù)響應(yīng)物種。在TN正響應(yīng)閾值研究中發(fā)現(xiàn)，變異直鏈藻、細(xì)端菱形藻和披針形曲殼藻均為污染耐受種，常出現(xiàn)在富營(yíng)養(yǎng)水體中[47-48]。而本研究中，TN正響應(yīng)物種的閾值較高的為尾裸藻、綠色裸藻和庫(kù)津小環(huán)藻，TN負(fù)響應(yīng)物種的閾值較高為扁圓卵形藻、普通等片藻和肘狀針桿藻。有部分研究者將扁圓卵形藻確定為高營(yíng)養(yǎng)物種[49]，也有研究者則將其確定為低營(yíng)養(yǎng)物種或是與營(yíng)養(yǎng)無(wú)關(guān)的物種[50]，而Lowe[51]通過(guò)搜集整理大量的硅藻文獻(xiàn)后總結(jié)得出，扁圓卵形藻與營(yíng)養(yǎng)鹽之間沒(méi)有明顯的指示關(guān)系。除了研究手段會(huì)導(dǎo)致不同研究得到的指示種有差異外，區(qū)域間氣候特征、環(huán)境變量協(xié)同作用及調(diào)查區(qū)域內(nèi)環(huán)境變量取值范圍等的差異，各物種在不同區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)出特定的物種與環(huán)境關(guān)系，也會(huì)導(dǎo)致同一物種在不同區(qū)域呈現(xiàn)不同的指示特征[52]。

本研究共獲得19種TP指示物種，其中近緣橋彎藻、小片菱形藻和急尖舟形藻出現(xiàn)的頻數(shù)最高；顆粒直鏈藻、庫(kù)津小環(huán)藻和急尖舟形藻為TP正響應(yīng)閾值最高的指示物種，卡里舟形藻、胡斯特橋彎藻和鈍鼓藻為TP負(fù)響應(yīng)閾值最高的指示物種。研究表明，在TP指示物種中，負(fù)響應(yīng)種窄異極藻為污染敏感種，在貧營(yíng)養(yǎng)水體中可以較好生長(zhǎng)，而當(dāng)水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度增加時(shí)，其數(shù)量減少[46]。小型異極藻、虱形卵形藻為正響應(yīng)種，它們均為污染耐受種，在富營(yíng)養(yǎng)水體中分布廣泛[48,50-54]。Patrick和Reimer[46]研究發(fā)現(xiàn)，近緣橋彎藻物種一般生活于清潔或中等質(zhì)量水體中，只能耐受一定的TP濃度。人類活動(dòng)干擾程度不同導(dǎo)致了河流水環(huán)境的差異，物種必須適應(yīng)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境脅迫才能得以繼續(xù)生存，這種生物與環(huán)境的驅(qū)動(dòng)關(guān)系，可能是導(dǎo)致太子河流域指示種差異的原因。因此，分析河流棲境營(yíng)養(yǎng)鹽的指示物種，有助于了解河流生物多樣性以及生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的適宜棲境狀況，是開展河流生態(tài)保護(hù)和修復(fù)，提高河流生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的重要途徑。

本研究將環(huán)境因子與水生生物群落特征的關(guān)聯(lián)性以量化的形式進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析著生藻類群落的氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽最適值和閾值，找到影響水生生物群落變化時(shí)的氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的臨界點(diǎn)，探究著生藻群落氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的適宜性需求，為河流生態(tài)修復(fù)、污染物控制提供準(zhǔn)確的科學(xué)數(shù)據(jù)，同時(shí)為其他河流富營(yíng)養(yǎng)化研究提供借鑒，為河流生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改善提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。彌補(bǔ)定性研究水生生物群落特征與環(huán)境因子的缺陷，為修復(fù)太子河流域生態(tài)環(huán)境提供理論依據(jù)。