趙 楊 陸欣鑫 馬 煜 李禎祥 劉 妍 范亞文

阿什河流域底棲硅藻群落特征及水環(huán)境健康評(píng)價(jià)*

趙 楊 陸欣鑫 馬 煜 李禎祥 劉 妍①范亞文①

(哈爾濱師范大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 黑龍江省水生生物多樣性研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 哈爾濱 150025)

為探索黑龍江省阿什河流域底棲硅藻群落特征及環(huán)境相關(guān)性, 并對(duì)阿什河流域進(jìn)行水環(huán)境健康評(píng)價(jià), 本研究于2018年7月(豐水期)和2018年10月(枯水期)對(duì)阿什河流域8個(gè)典型采樣點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查。基于相似性分析檢驗(yàn)(analysis of similarities, ANOSIM)和相似百分比分析(similarity percentages, SIMPER)分析探索枯水期與豐水期之間底棲硅藻的群落差異, 通過(guò)冗余分析 (redundancy analysis, RDA)對(duì)驅(qū)動(dòng)底棲硅藻的關(guān)鍵環(huán)境因子進(jìn)行篩選; 使用硅藻生物指數(shù)(biological diatom index, IBD)、硅藻屬指數(shù)(generic index of diatom, GI)和水體營(yíng)養(yǎng)指數(shù)(trophic state index, TSI)對(duì)研究區(qū)域水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行初步評(píng)價(jià)。結(jié)果表明, 研究期間共鑒定底棲硅藻89種, 其中豐水期80種、枯水期57種。獨(dú)立樣本檢驗(yàn)(-test)表明阿什河流域物種豐富度豐水期顯著高于枯水期(<0.05), Shannon-wiener指數(shù)變化不顯著(>0.05)。ANOSIM結(jié)合SIMPER分析結(jié)果顯示阿什河流域硅藻群落格局存在一定的時(shí)空異質(zhì)性。RDA分析表明水的電導(dǎo)率是驅(qū)動(dòng)阿什河流域底棲硅藻空間分布的環(huán)境因子, 枯水期與豐水期之間高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)含量的變化是影響硅藻群落演替的因素之一。IBD、GI和TSI指數(shù)結(jié)果顯示阿什河流域受人為活動(dòng)干擾區(qū)域營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)較差, IBD指數(shù)較GI指數(shù)能更有效的反映阿什河流域水體營(yíng)養(yǎng)狀況。

阿什河流域; 硅藻; 硅藻生物指數(shù)(biological diatom index, IBD); 硅藻屬指數(shù)(generic index of diatom, GI); 冗余分析(redundancy analysis, RDA)

底棲硅藻作為水域生態(tài)系統(tǒng)的重要初級(jí)生產(chǎn)者, 由于其具有生長(zhǎng)周期短(Van Vuuren, 2018)、分布廣泛、繁殖速度快及對(duì)水環(huán)境變化反應(yīng)敏感(Gautam, 2017; Bouchard, 2018)等特點(diǎn), 其群落特征通常用于指示水體健康狀況(Benito, 2018)。水域中特定底棲硅藻的分布格局, 是指示短期內(nèi)水體富營(yíng)養(yǎng)化、工業(yè)污染及水體連通程度的有效生物指示信號(hào)(Weilhoefer, 2008)。近年來(lái), 我國(guó)對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)底棲硅藻的研究主要集中于硅藻多樣性、硅藻指數(shù)適用性、生態(tài)完整性評(píng)價(jià)等方面(項(xiàng)珍龍等, 2016; 譚香等, 2018)。在我國(guó)溫帶地區(qū)遼河、渭河、香溪河、崗曲河及亞熱帶東江流域等已廣泛開(kāi)展底棲硅藻群落特征的生態(tài)研究(李國(guó)忱等, 2012; 陳向等, 2012)。硅藻生物指數(shù)(biological diatom index, IBD)是應(yīng)用最為廣泛的指數(shù)之一, 它基于硅藻物種豐富度、環(huán)境污染敏感度和耐污性來(lái)檢測(cè)水體富營(yíng)養(yǎng)狀況、有機(jī)污染物濃度變化狀況和水體酸化程度。硅藻屬指數(shù)(generic index of diatom, GI )是偏好清潔水體的硅藻屬與偏好污染水體的硅藻屬的比值, 其大小被認(rèn)為可以較好的反應(yīng)水體狀況。IBD及 GI等(Coste, 2009)已逐漸在我國(guó)水環(huán)境生態(tài)分析中發(fā)揮效能。目前涉及松花江及相關(guān)流域底棲硅藻的生態(tài)研究尚較少, 相關(guān)指數(shù)適用性及評(píng)價(jià)體系的效果尚待評(píng)估。

河流作為淡水生態(tài)系統(tǒng)重要的載體之一, 相對(duì)于湖泊、水庫(kù)及濕地等靜水生態(tài)系統(tǒng)而言, 其水文環(huán)境具有明顯的周期性和極高的空間異質(zhì)性(李曉琳等, 2016)。流域內(nèi)氣候、水文及土地利用率等因素, 共同決定河流的生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力狀況(周浩等, 2017), 其健康狀態(tài)亦反映了人為活動(dòng)干擾和生物多樣性特征(廖夢(mèng)娜等, 2018)。松花江流域?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候, 是我國(guó)溫帶河流生態(tài)系統(tǒng)的主要生態(tài)載體(陳威等, 2018), 其生態(tài)健康狀況與區(qū)域生態(tài)平衡及生物多樣性保護(hù)關(guān)系密切(周浩等, 2017)。阿什河是松花江一級(jí)支流, 位于松花江哈爾濱段東側(cè), 是松花江哈爾濱段重要的水源和蓄洪灌溉用水, 對(duì)松花江流域及臨近水域生態(tài)系統(tǒng)有重要影響。阿什河流域受地表徑流、工業(yè)點(diǎn)面源污染等人為活動(dòng)干擾影響, 部分區(qū)域水質(zhì)達(dá)到Ⅴ類(lèi)。目前關(guān)于阿什河生態(tài)研究, 主要集中在點(diǎn)面源污染控制、營(yíng)養(yǎng)鹽控制及底棲動(dòng)物多樣性格局等方面(馬廣文等, 2014; 董雪等, 2016; 張莉等, 2017), 而阿什河流域內(nèi)底棲硅藻多樣性格局、枯水期與豐水期之間演替模式及理化驅(qū)動(dòng)因子尚不清楚。鑒于此, 本研究于2018年豐水期和枯水期對(duì)該流域底棲硅藻進(jìn)行研究, 闡述阿什河流域底棲硅藻群落特征; 基于多元統(tǒng)計(jì)分析探索驅(qū)動(dòng)底棲硅藻演替格局的關(guān)鍵理化因子; 根據(jù)IBD、GI與水體營(yíng)養(yǎng)指數(shù)(trophic state index, TSI)的相關(guān)性探究?jī)煞N指數(shù)在阿什河流域的適用性。

1 材料和方法

1.1 采樣點(diǎn)設(shè)置

阿什河流域干流總長(zhǎng)度為213km, 流域總面積為3581km2, 受人為活動(dòng)干擾影響, 是目前松花江流域內(nèi)營(yíng)養(yǎng)水平較高的支流之一。本研究于2018年豐水期(7月)和枯水期(10月)對(duì)阿什河流域進(jìn)行水樣及底棲硅藻樣品采集。

查閱本底數(shù)據(jù), 根據(jù)阿什河流域水體生態(tài)特征(河道相通程度、濕生植物及工業(yè)排污口等), 本研究共設(shè)置8個(gè)采樣點(diǎn)(圖1), 基本涵蓋了阿什河流域典型水體, 結(jié)合中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心的2018年中國(guó)土地利用遙感檢測(cè)數(shù)據(jù), 自下游至上游, 主要可分為受人為活動(dòng)干擾影響的污水排污口(含國(guó)控污染點(diǎn)) (S1—S4)、農(nóng)業(yè)區(qū)(S5、S6)及西泉眼水庫(kù)保護(hù)區(qū)(靠近阿什河源頭) (S7、S8)。采樣點(diǎn)設(shè)置定位采用GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。樣點(diǎn)地圖的繪制通過(guò)Google earth定位及ArcMap 10.2完成。

圖1 阿什河流域地采樣點(diǎn)布設(shè)示意圖

1.2 樣品采集處理及鑒定

底棲硅藻樣品的采集方法主要參考美國(guó)EPA標(biāo)準(zhǔn)(Barbour, 1999), 用4%的甲醛溶液固定。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)硅藻樣品進(jìn)行前期處理, 并用Naphrax膠制作硅藻永久性封片。用10×100倍蔡司光學(xué)顯微鏡對(duì)硅藻隨機(jī)計(jì)數(shù), 排除破損面積大于1/4的殼體, 每個(gè)樣點(diǎn)封片計(jì)數(shù)不少于600個(gè)硅藻殼面。底棲硅藻的鑒定及生態(tài)分布信息主要參照中國(guó)淡水藻類(lèi)——系統(tǒng)、分類(lèi)及生態(tài)、《歐洲硅藻》等文獻(xiàn)(Krammer, 2002; 胡鴻鈞等, 2006)。本研究中, 種的優(yōu)勢(shì)度依據(jù)McNaughton優(yōu)勢(shì)度指數(shù)計(jì)算, 并將≥0.02的種確定為優(yōu)勢(shì)種(Lampitt, 1993)。

1.3 水體理化因子測(cè)定

在采集現(xiàn)場(chǎng), 使用Hydrolab多參數(shù)水質(zhì)分析儀, 測(cè)定水體pH、水溫(WT)、電導(dǎo)率(Conductivity)、溶解氧(DO)、濁度(Turbidity)以及葉綠素(chl); 用2L有機(jī)玻璃采水器在水面以下約0.5m處進(jìn)行水樣采集, 并用500mL棕色玻璃瓶將水樣密封保存, 12h內(nèi)根據(jù)國(guó)標(biāo)《GB-38382002》對(duì)總氮(TN)、總磷(TP)及高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)和5日生化需氧量(BOD5)進(jìn)行測(cè)定。

1.4 多元統(tǒng)計(jì)分析

使用群落相似分析(ANOSIM)探索豐水期和枯水期之間底棲硅藻群落的差異性, 通過(guò)獨(dú)立樣本檢驗(yàn), 檢驗(yàn)物種豐富度的差異, 使用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)對(duì)研究區(qū)域水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行劃分。其中, ASNOSIM使用PRIMER5.0軟件完成, 獨(dú)立樣本檢驗(yàn)和相關(guān)性分析使用SPSS22.0完成。TSI指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn): 050為富營(yíng)養(yǎng), 5070為重度富營(yíng)養(yǎng)。硅藻指數(shù)IBD的計(jì)算式基于Zelinka等(1961)的經(jīng)典方程來(lái)計(jì)算:

式中,a表示硅藻種的相對(duì)豐度,V代表種的環(huán)境指示值,S代表種境的敏感值。IBD評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn): IBD<5為很差; 9>IBD≥5差; 13>IBD≥9中等; 17>IBD≥13好。

GI指數(shù)的計(jì)算公式為(Wu, 2002):

式中,a表示曲殼藻屬(sp.)的相對(duì)豐度,a表示卵形藻屬(sp.)的相對(duì)豐度,a表示小環(huán)藻屬(sp.)的相對(duì)豐度,a表示橋彎藻屬(sp.)的相對(duì)豐度,a表示直鏈藻屬(sp.)的相對(duì)豐度,a表示菱形藻屬(sp.)的相對(duì)豐度。

GI評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn): <1.5為重度污染, 1.5—5為中度污染, 5—11為輕度污染, 11—30為微污染, >30為極輕微污染。

2 結(jié)果與分析

2.1 阿什河水體理化環(huán)境特征

研究期間, 阿什河流域水體理化因子空間部分特征差異明顯(圖2)。水體電導(dǎo)率(平均272μs/cm, 變化范圍139—471μs/cm)、溶解氧(平均3.3mg/L, 變化范圍1.1—5.7mg/L)、葉綠素(平均13.9μg/L, 變化范圍3.4—59.4μg/L)、總氮(平均0.37mg/L, 變化范圍0.25—0.52mg/L)、總磷(平均0.15mg/L, 變化范圍0.01—0.42mg/L)、高錳酸鹽指數(shù)(平均4.6mg/L, 變化范圍1.6—7.8mg/L)及5日生化需氧量(平均1.83mg/L, 變化范圍1.1—2.8mg/L) 7項(xiàng)指標(biāo), 以上理化因子變化均表現(xiàn)為排污口最高(S1—S4), 水庫(kù)保護(hù)區(qū)前后(S7、S8)最低的分布格局。水體濁度(平均57.9 NTU, 變化范圍30.6—95.1 NTU)與上述7項(xiàng)指標(biāo)不同, 表現(xiàn)為枯水期高值依舊出現(xiàn)在排污口區(qū)域, 但豐水期為農(nóng)業(yè)區(qū)最高的規(guī)律。在枯水期與豐水期之間水體電導(dǎo)率、濁度和氧化還電位等變化不明顯, 而葉綠素、總氮、總磷及高錳酸鹽指數(shù)變化差異顯著(<0.05)。

2.2 阿什河流域底棲硅藻群落結(jié)構(gòu)

在研究期間共鑒定底棲硅藻89種, 隸屬于2綱12目20科36屬。其中, 豐水期共鑒定硅藻80種, 枯水期鑒定硅藻57種。物種豐富度和Shannon-Wiener指數(shù)變化范圍在16—36種和1.04—2.32之間, 其中物種豐富度最高值出現(xiàn)在豐水期的S8站位為36種, 而枯水期的S6站位物種豐富度最低, 僅為16種; Shannon-Wiener指數(shù)最高值出現(xiàn)在枯水期的S1站位, 最低值出現(xiàn)在枯水期S7站位(圖3)。獨(dú)立樣本檢驗(yàn)(-test)表明阿什河流域物種豐富度豐水期顯著高于枯水期(<0.05), Shannon-Wiener指數(shù)變化不顯著(>0.05)。群落相似性分析(analysis of similarities, ANOSIM)表明, 阿什河流域豐水期和枯水期之間硅藻群落結(jié)構(gòu)差異明顯(<0.05) (表1)。污水排污口與農(nóng)業(yè)區(qū)硅藻群落結(jié)構(gòu)空間異質(zhì)性差異明顯(<0.05), 農(nóng)業(yè)區(qū)和保護(hù)區(qū)群落結(jié)構(gòu)差異不顯著(>0.05) (表1, 圖4)。

2.3 營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)

綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TSI)表明, 阿什河流域水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)在時(shí)空分布上呈現(xiàn)一定規(guī)律。在空間上, 污水排污口區(qū)域(S1—S4)處于中營(yíng)養(yǎng)-輕度富營(yíng)養(yǎng)水平, 農(nóng)業(yè)區(qū)和水源保護(hù)區(qū)(S5—S8)處于貧營(yíng)養(yǎng)-中營(yíng)養(yǎng)水平。在枯水期與豐水期之間, 營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)呈現(xiàn)豐水期顯著高于枯水期的規(guī)律(<0.05)。

基于11項(xiàng)水體理化指標(biāo)的層次聚類(lèi)分析表明, 研究期間污水排污口區(qū)域水體營(yíng)養(yǎng)水平與其他區(qū)域特征差別明顯, 在研究期間通常處于中營(yíng)養(yǎng)-高營(yíng)養(yǎng)水平, 流經(jīng)西泉眼水庫(kù)保護(hù)區(qū)的站位營(yíng)養(yǎng)水平最低, 通常處于貧營(yíng)養(yǎng)-中營(yíng)養(yǎng)之間, 受農(nóng)業(yè)污水影響的區(qū)域則在枯水期與豐水期之間, 均保持中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)(圖5)。

圖2 阿什河流域理化指標(biāo)指數(shù)時(shí)空分布

注： pH: 酸堿度; WT: 水溫; DO: 溶解氧; Conductivity: 電導(dǎo)率; Turbidity: 濁度; chl: 葉綠素; TN: 總氮; TP: 總磷; CODMn: 高錳酸鹽指數(shù); BOD5: 五日生化需氧量

硅藻生物指數(shù)IBD值與水體健康水平成正相關(guān), 指數(shù)值越大, 表示水體健康水平越高。IBD值表明阿什河污水排污口區(qū)域(S1—S4)和農(nóng)業(yè)區(qū)(S5—S6)的評(píng)價(jià)為“很差”和“差”。而水庫(kù)保護(hù)區(qū)(S7、S8)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為“差”和“中等”(圖6)。在枯水期與豐水期之間呈現(xiàn)枯水期IBD得分要高于豐水期的規(guī)律, 反映枯水期的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)要好于豐水期。這與TSI評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致。與IBD指數(shù)相似, 硅藻屬指數(shù)GI數(shù)值越高, 水體健康水平越好。本次研究中, GI值評(píng)價(jià)認(rèn)為工業(yè)排污口區(qū)域(S1—S4)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)要好于其他區(qū)域, 這與TSI和IBD評(píng)價(jià)結(jié)果相反。

注： IBD: biological diatom index, 硅藻生物指數(shù); GI: generic index of diatom, 硅藻屬指數(shù)

表1 阿什河流域底棲硅藻群落結(jié)構(gòu)ANOSIM及SIMPER分析

Tab.1 Two-way crossed ANOSIM and SIMPER for testing the area and period on diatom communities in Ashi River Basin, and the differences in diatom communities between area and period

2.4 底棲硅藻分布格局與環(huán)境因子的關(guān)系

對(duì)阿什河流域水溫(WT)、pH、電導(dǎo)率(Conductivity)、溶解氧(DO)、濁度(Turbidity)、葉綠素(chl)、總磷(TP)、總氮(TN)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)及5日生化需氧量(BOD5)共10種理化因子與優(yōu)勢(shì)種硅藻進(jìn)行排序分析, 探究阿什河流域底棲硅藻在枯水期與豐水期和人為互動(dòng)干擾區(qū)域之間的分布格局, 并對(duì)驅(qū)動(dòng)阿什河流域底棲硅藻時(shí)空分布的主要環(huán)境因子進(jìn)行篩選與識(shí)別。篩選優(yōu)勢(shì)種硅藻進(jìn)行除趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析(detrended correspondence analysis, DCA), DCA結(jié)果表明排序軸最長(zhǎng)梯度長(zhǎng)度值為2.31。因此, 線性模型冗余分析(redundancy analysis, RDA)可更好地解釋阿什河流域底棲硅藻分布格局與環(huán)境因子關(guān)系。

排序分析結(jié)果顯示, RDA排序軸1和軸2的特征值分別為0.36和0.19, 硅藻群落與環(huán)境因子相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.86和0.86, 前四個(gè)排序軸共解釋92.0%的累計(jì)種類(lèi)環(huán)境變量百分比。說(shuō)明本次RDA排序結(jié)果可靠, 基本反映了研究期間阿什河流域底棲硅藻與環(huán)境因子之間的生態(tài)關(guān)系。經(jīng)蒙特卡洛檢驗(yàn), 電導(dǎo)率和高錳酸鹽指數(shù)與阿什河流域底棲硅藻時(shí)空分布特征關(guān)系密切(2=3.148,2=2.27,<0.05) (圖7)。

3 討論

3.1 阿什河流域底棲硅藻群落結(jié)構(gòu)

底棲硅藻的時(shí)空分布特征與流域內(nèi)水環(huán)境特征關(guān)系密切, 當(dāng)枯水期與豐水期間水溫、營(yíng)養(yǎng)鹽及光照發(fā)生改變時(shí), 硅藻群落能通過(guò)演替來(lái)完成對(duì)水環(huán)境條件的生態(tài)適應(yīng), 進(jìn)而維持群落的能量流動(dòng)和信息傳遞的平衡(陳向等, 2012; 譚香等, 2018)。研究表明枯水期與豐水期之間水文條件的變化對(duì)河流硅藻群落結(jié)構(gòu)有著重要影響(Elias, 2012)。如水溫、降雨量帶來(lái)的地表徑流變化都會(huì)影響硅藻光合作用的過(guò)程, 進(jìn)而對(duì)硅藻的群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生限制(陶建霜等, 2015)。本次研究共鑒定隸屬于36個(gè)屬的底棲硅藻共89種。物種豐富度與太子河(90種)流域和東江流域(83種)研究結(jié)果相近, 但遠(yuǎn)低于渾河(230種)和黔桂喀斯特流域(516種)。研究期間底棲硅藻Shannon- Wiener多樣性指數(shù)表明阿什河底棲硅藻群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性一般, 這主要因?yàn)榘⑹埠恿饔蚴艹鞘谢顒?dòng)污染較為明顯, 在不同人為活動(dòng)干擾下河段整體營(yíng)養(yǎng)水平較高, 優(yōu)勢(shì)種支配地位明顯。ANOSIM分析表明, 研究期間豐水期和枯水期之間優(yōu)勢(shì)種的變化存在一定演替規(guī)律。SIMPER分析結(jié)果表明變異直鏈藻(Agardh)和谷皮菱形藻[(Kützing) Smith]是枯水期與豐水期間的關(guān)鍵影響物種, 其對(duì)群落相似性差異貢獻(xiàn)度分別超過(guò)20%和10% (表1)。直鏈藻是河流生態(tài)系統(tǒng)中的代表性硅藻, 其中變異直鏈藻相對(duì)于其他種類(lèi)如顆粒直鏈藻[(Ehrenberg) Ralfs]對(duì)于水體擾動(dòng)環(huán)境的適應(yīng)相對(duì)較弱(Rusanov, 2012)。變異直鏈藻喜好營(yíng)養(yǎng)鹽水平較高的棲息環(huán)境, 在富營(yíng)養(yǎng)化程度較高的水域中容易成為優(yōu)勢(shì)種群(Lepist?, 2006)。阿什河流域受農(nóng)業(yè)污水影響的樣點(diǎn)水體營(yíng)養(yǎng)水平普遍較高, 加之枯水期降雨量減少, 地表徑流降低, 較高的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)水平為變異直鏈藻提供了適宜的生存環(huán)境, 因此該種在枯水期硅藻群落中的相對(duì)豐度明顯升高。谷皮菱形藻是廣泛分布的耐污種類(lèi), 被認(rèn)為是指示水體環(huán)境變化的有效生態(tài)指標(biāo)(Triest, 2012)。谷皮菱形藻的生態(tài)適應(yīng)機(jī)制屬于耐受于水體擾動(dòng)和沖刷(Flushing) (Reynolds, 2002), 這可能也是該種能在雨量較高的豐水期中占據(jù)優(yōu)勢(shì)的主要原因之一。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究表明谷皮菱形藻對(duì)光照強(qiáng)度反映敏感, 適度的光照增加能提升該種的生物量(徐婷婷等, 2014)。盡管阿什河枯水期降雨量減少, 水體擾動(dòng)降低, 其他種類(lèi)如披針舟形藻[(Agardh) Kützing]、對(duì)稱(chēng)舟形藻(Patrick)和輻頭舟形藻(Germain)也可以在與谷皮菱形藻資源競(jìng)爭(zhēng)中逐漸占據(jù)優(yōu)勢(shì), 導(dǎo)致其相對(duì)豐度逐漸升高(圖4), 但由于水體穩(wěn)定的光照環(huán)境, 谷皮菱形藻在阿什河枯水期仍然能夠占據(jù)一定優(yōu)勢(shì)。

圖4 阿什河流域硅藻群落特征

圖5 阿什河流域理化因子聚類(lèi)分析

注： TSI: trophic state index, 水體營(yíng)養(yǎng)指數(shù)

圖6 阿什河流域TSI指數(shù)時(shí)空分布

表2 TSI、IBD及GI指數(shù)Spearman相關(guān)性分析

Tab.2 Spearman correlation of dominate species, TSI, IBD, and GI

注：*表示差異顯著

圖7 基于優(yōu)勢(shì)種硅藻和環(huán)境因子的RDA排序圖

Fig 7 RDA ordination based on dominate diatom and environmental factors in Ashi River Basin

注：-:Kützing (梅尼小環(huán)藻),-:Agardh (變異直鏈藻),-:Kützing (小型異極藻),-:Patrick (對(duì)稱(chēng)舟形藻),-:Germain (輻頭舟形藻),-:(Agardh) Kützing (披針舟形藻),-:(Kützing) Smith (谷皮菱形藻),-:Kützing (窄雙菱藻).

DO: 溶解氧; Conductivity: 電導(dǎo)率; TP: 總磷; chl: 葉綠素; TN: 總氮; BOD5: 五日生化需氧量; CODMn: 高錳酸鹽指數(shù); WT: 水溫; pH: 酸堿度

3.2 阿什河底棲硅藻群落對(duì)環(huán)境梯度的生態(tài)響應(yīng)

相對(duì)于濕地、湖泊及水庫(kù)等靜水生態(tài)系統(tǒng)而言, 河流作為一種流動(dòng)性水體, 水體理化環(huán)境存在明顯的周期性和極高的空間異質(zhì)性(李麗娟等, 2015)。隨著人口的增加和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、農(nóng)牧業(yè)活動(dòng)增加, 大量的廢水直接排入水體中, 使阿什河流域持續(xù)保持了較高的富營(yíng)養(yǎng)水平(馬廣文等, 2014)。底棲硅藻群落分布特征受水體中物理(WT、Conductivity)和化學(xué)(N、P、CODMn等)因子共同驅(qū)動(dòng)(孟昭翠等, 2013)。作為河流生態(tài)系統(tǒng)中的主要初級(jí)生產(chǎn)者, 底棲硅藻的分布模式?jīng)Q定了流域內(nèi)的初級(jí)生產(chǎn)力, 生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定與平衡也反映了環(huán)境梯度的變化規(guī)律(項(xiàng)珍龍等, 2018)。本次研究中RDA前2軸分別與電導(dǎo)率、總氮、高錳酸鹽指數(shù)和水溫關(guān)系密切(2=-0.6749,-0.4636,-0.4635和-0.6026)關(guān)系密切, 采樣點(diǎn)排序軸中的位置基本反映了阿什河流域水環(huán)境梯度特征及硅藻群落分布格局對(duì)主要環(huán)境因子梯度的生態(tài)響應(yīng)。

電導(dǎo)率(Conductivity)是影響淡水生態(tài)系統(tǒng)中生物群落結(jié)構(gòu)的主要環(huán)境因子, 特別是河流生態(tài)系統(tǒng)中電導(dǎo)率的高低是表征水體純凈及地表徑流特征的關(guān)鍵指標(biāo)之一。許多研究表明, 電導(dǎo)率同樣也是影響硅藻群落分布的主要環(huán)境因子(易燃等, 2015; 李巧玉等, 2017)。阿什河流域水體電導(dǎo)率的變化與硅藻群落空間分布特征具有很好的響應(yīng)關(guān)系。本次研究中, RDA排序表明電導(dǎo)率是驅(qū)動(dòng)阿什河流域硅藻群落空間分布的關(guān)鍵因子(=3.148,<0.05), 這與我國(guó)東江流域、桂江流域及渾河流域的相關(guān)研究結(jié)果相吻合(鄧培雁等, 2012; 陳向等, 2012; 項(xiàng)珍龍等, 2018)。受城市污水排放影響, 阿什河流域水質(zhì)從上游水庫(kù)保護(hù)區(qū)(S7、S8)到下游污水排放口區(qū)域(S1—S4), 水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)梯度呈明顯升高趨勢(shì)。ANONSIM分析表明排污口區(qū)域與農(nóng)業(yè)區(qū)群落結(jié)構(gòu)差異明顯(<0.05)(表1), 排污口區(qū)域電導(dǎo)率(平均364μs/cm)顯著高于農(nóng)業(yè)區(qū)和水庫(kù)保護(hù)區(qū)(<0.05)。從RDA排序圖顯示, 硅藻中的谷皮菱形藻和對(duì)稱(chēng)舟形藻在排污口區(qū)域呈現(xiàn)較高的權(quán)重, 其相對(duì)豐度與電導(dǎo)率含量變化密切相關(guān)(圖7)。SIMPER分析也可看出谷皮菱形藻和對(duì)稱(chēng)舟形藻是排污口區(qū)域與農(nóng)業(yè)區(qū)域硅藻群落結(jié)構(gòu)差異的主要物種。谷皮菱形藻被普遍認(rèn)為是河流和濕地水體中的富營(yíng)養(yǎng)指示種; Weilhoefer等(2006)對(duì)美國(guó)中部(Mid-Atlantic Highlands)河流底棲硅藻群落與環(huán)境關(guān)系表明谷皮菱形藻分布特征反映了總磷和電導(dǎo)率的梯度變化; 鄧培雁等(2015)對(duì)我國(guó)東江流域硅藻研究表明谷皮菱形藻對(duì)電導(dǎo)率具有較高的最適值。屬的種類(lèi)廣泛應(yīng)用于指示水體的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài), Grenier等(2010)對(duì)法國(guó)Lawrence Basin底棲硅藻生態(tài)閾值研究中表明, 對(duì)稱(chēng)舟形藻分布可作為水環(huán)境梯度有效指示種(指示值為84); 對(duì)稱(chēng)舟形藻也是中度營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的指示種。阿什河流域中的谷皮菱形藻和對(duì)稱(chēng)舟形藻分布亦對(duì)水體電導(dǎo)率具有明顯的生態(tài)響應(yīng)。此外, 在阿什河流域附近開(kāi)展的濕地(馬廣文等, 2014)和湖泊浮游生物群落結(jié)構(gòu)(董雪等, 2016)研究表明, 電導(dǎo)率與水環(huán)境中的浮游生物多樣性格局關(guān)系密切。

高錳酸鹽指數(shù)是反映水體有機(jī)污染的指標(biāo), 水體有機(jī)物釋放過(guò)程中所導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)鹽含量變化, 是影響硅藻個(gè)體生長(zhǎng)代謝的因素之一(王倩等, 2009)。阿什河流域地處溫帶季風(fēng)氣候, 年平均降水量為545.7mm, 豐水期水流通過(guò)地表徑流攜帶污染物匯入阿什河水體造成污染, 是使豐水期水體營(yíng)養(yǎng)程度升高的原因之一(張莉等, 2017)。RDA分析結(jié)果表明, 阿什河枯水期與豐水期之間高錳酸鹽指數(shù)梯度的將豐水期和枯水期硅藻群落結(jié)構(gòu)明顯劃分為兩個(gè)部分。RDA排序圖顯示,Kützing (小型異極藻)在豐水期采樣點(diǎn)權(quán)重較高, 其相對(duì)豐度與高錳酸鹽指數(shù)含量正相關(guān)。相關(guān)研究表明, 水體有機(jī)污染和富營(yíng)養(yǎng)化與小型異極藻豐度關(guān)系密切; 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)也表明sp.在金屬及有機(jī)污染脅迫下, 其生理生化特征會(huì)明顯改變(Gautam, 2017)。變異直鏈藻是淡水生態(tài)系統(tǒng)的廣布種, 能在富營(yíng)養(yǎng)化水體及污染水體中形成優(yōu)勢(shì)種群, 是富營(yíng)養(yǎng)化水體及污染水體的典型指示藻種(張琦等, 2016)。ANONSIM和SIMPER分析指出變異直鏈藻是構(gòu)成枯水期與豐水期之間硅藻群落差異的主要物種, 但本研究的RDA排序分析顯示隨著高錳酸鹽指數(shù)含量升高變異直鏈藻并未呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì), 這可能是因?yàn)樽儺愔辨溤鍖儆趶V譜性分布物種, 對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽含量變化具有較高的耐受性。綜合來(lái)看, 阿什河流域水體高錳酸鹽指數(shù)和電導(dǎo)率含量的變化驅(qū)動(dòng)了枯水期與豐水期之間硅藻群落結(jié)構(gòu)的時(shí)空分布, 而谷皮菱形藻、對(duì)稱(chēng)舟形藻和小型異極藻這些優(yōu)勢(shì)種的分布特征, 與阿什河流域的水環(huán)境梯度變化有較好的響應(yīng)。

3.3 硅藻指數(shù)對(duì)阿什河水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的指示

河流生態(tài)系統(tǒng)獨(dú)特的水流方向性, 使其流域內(nèi)生物完整性具有獨(dú)特的分布特征, 其多樣性分布格局是對(duì)流域內(nèi)地形、氣候、地表徑流及人為活動(dòng)干擾響應(yīng)的綜合生態(tài)載體, 特別是底棲硅藻的分布特征更是指示營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的有效生物指示信號(hào)(陳向等, 2017)。目前, 基于底棲硅藻指數(shù)已廣泛應(yīng)用于河流水質(zhì)的監(jiān)測(cè)及水體環(huán)境的重演中(劉園園等, 2016; 項(xiàng)珍龍等, 2016)。

TSI指數(shù)是綜合多個(gè)環(huán)境因子對(duì)水體進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)的方法, 與單因子評(píng)價(jià)相比其結(jié)果準(zhǔn)確性更高。該指數(shù)常應(yīng)用于湖泊(楊梅玲等, 2013)、濕地(黃小波等, 2009)、水庫(kù)及河流(周曉鐵等, 2010)等諸多水體的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)。由于不同緯度、人為活動(dòng)干擾所帶來(lái)的氣候條件、水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)差異, 硅藻指數(shù)的應(yīng)用效果存在一定的區(qū)域和空間局限性。IBD指數(shù)評(píng)價(jià)法是基于硅藻生態(tài)適應(yīng)性(耐污、敏感性)及物種豐富度特征發(fā)展而來(lái)的指數(shù), 能有效的指示水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)及有機(jī)污染情況。目前IBD指數(shù)已廣泛應(yīng)用于歐盟水框架河流水質(zhì)評(píng)價(jià)中, 并取得可靠的結(jié)果(Coste, 2009)。阿什河是典型的受人為活動(dòng)干擾所導(dǎo)致水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)空間異質(zhì)性差異明顯的河流, 本次研究中基于IBD和TSI指數(shù)分析表明, IBD和TSI評(píng)價(jià)結(jié)果較為類(lèi)似。阿什河受人為活動(dòng)干擾的排污口和農(nóng)業(yè)區(qū), 水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)多處于“差”或“中營(yíng)養(yǎng)水平”, 而水庫(kù)保護(hù)區(qū)則為“中等”或“貧營(yíng)養(yǎng)”水平, 這與水體理化指標(biāo)所指示的水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)特征基本吻合。Spearman相關(guān)性分析表明IBD和TSI值成正相關(guān), 結(jié)合兩個(gè)指標(biāo)所反映的生態(tài)指示意義, 說(shuō)明應(yīng)用IBD指數(shù)評(píng)價(jià)阿什河流域水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)較為可靠。理論上GI指數(shù)評(píng)價(jià)水體健康狀況的高值區(qū)應(yīng)與TSI和IBD指數(shù)的高值區(qū)相反, 而本研究中Spearman相關(guān)性分析表明GI指數(shù)與TSI指數(shù)呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(>0.05)。如S1樣點(diǎn)實(shí)際水體富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)較為嚴(yán)重, 但GI指數(shù)卻在表征營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)較好的高值區(qū), 而S1樣點(diǎn)基于IBD和TSI指數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)也與GI指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果相悖。對(duì)亞熱帶流域河流底棲硅藻研究表明, GI指數(shù)評(píng)價(jià)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)效果不如IBD指數(shù)可靠(鄧培雁等, 2015)。本研究Spearman相關(guān)性分析表明GI指數(shù)與優(yōu)勢(shì)種之一的梅尼小環(huán)藻相對(duì)豐度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(<0.05) (表2)。梅尼小環(huán)藻被認(rèn)為是廣普性耐污指示種, 通常生活在營(yíng)養(yǎng)水平較高的環(huán)境中, 較高的梅尼小環(huán)藻豐度是水域富營(yíng)養(yǎng)指示信號(hào)。這進(jìn)一步驗(yàn)證了GI指數(shù)對(duì)阿什河水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)的效果并不理想。

隨著水域生物多樣性研究的深入, 從各種生態(tài)角度出發(fā)的硅藻指數(shù)逐漸應(yīng)用于河流生態(tài)研究中。然而, 底棲硅藻指數(shù)的適用性需綜合考量, 如: 水體理化參數(shù)、河流等級(jí)、人為活動(dòng)干擾及海拔等諸多因素的改變, 都可能改變硅藻指數(shù)健康評(píng)價(jià)的結(jié)果(Tan, 2013)。從物種本身指示意義出發(fā), 結(jié)合水生態(tài)環(huán)境特征對(duì)硅藻指數(shù)的應(yīng)用仍然是現(xiàn)階段最可靠的方法。對(duì)指示效能較低的硅藻指數(shù)篩選與排除, 是河流生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系完善的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

4 結(jié)論

底棲硅藻是水域生態(tài)系統(tǒng)的重要初級(jí)生產(chǎn)者及環(huán)境指示生物, 本研究選擇典型城市污染河流阿什河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域, 基于多元統(tǒng)計(jì)分析探索了底棲硅藻的多樣性格局及環(huán)境相關(guān)性, 通過(guò)IBD和GI指數(shù)及TSI等對(duì)水體健康狀態(tài)進(jìn)行分析。研究期間阿什河流域共鑒定底棲硅藻89種, 枯水期與豐水期之間底棲硅藻群落特征存在一定差異。驅(qū)動(dòng)阿什河流域底棲硅藻生態(tài)分布的主要環(huán)境因子為高錳酸鹽指數(shù)和電導(dǎo)率。綜合本底數(shù)據(jù)分析, 表明硅藻生物指數(shù)IBD能較好的反應(yīng)阿什河流域水體健康狀況。

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Benthic Diatom Community Characteristics in Ashi River Basin and Aquatic ENVIRONMENTAL Health Assessment

ZHAO Yang, LU Xin-Xin, MA Yu, LI Zhen-Xiang, LIU Yan, FAN Ya-Wen

(College of Life Science and Technology, Harbin Normal University, Key Laboratory of Biodiversity of Aquatic Organisms, Harbin Normal University, Heilongjiang Province, Harbin 150025, China)

The characteristics of benthic diatom communities and their response to the environment in the Ashi River Basin, Heilongjiang, NE China were explored, and the health state of water was evaluated. Eight typical sampling sites of the basin were investigated in wet season (July 2018) and dry season (October 2018). The differences of benthic diatom communities between the two seasons were studied by the analysis of similarities (ANOSIM) and the similarity percentages (SIMPER). The key environmental factors driving benthic diatoms were specified by RDA (redundancy analysis). The water trophic status of the area was determined using IBD (biological diatom index), GI (generic index of diatom), and TSI (trophic state index). Results show that there were a total of 89 taxa, of which 80 species in wet season and 57 species in dry season were identified. The richness of the wet season was significantly higher than the dry season (<0.05), while there was no significant change in Shannon-Wiener index among different seasons (>0.05) as indicated in the independent sample-test. In addition, the spatial and temporal heterogeneity was certain in the diatom community patterns in the area as revealed in ANOSIM and SIMPER. Water conductivity was found the driving factor on the spatial distribution of benthic diatoms in the Ashi River Basin as confirmed in RDA, and the change of CODMnbetween the seasons was one of the factors contributing to the succession of diatom communities. Overall, the nutritional status of Ashe River Basin was poor as shown by IBD, GI, and TSI, of which IBD index was more effective than GI index.

Ashi River Basin; diatom; IBD (biological diatom index); GI (generic index of diatom); RDA (redundancy analysis)

* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目, 31870187號(hào), 31970213號(hào)。趙 楊, 碩士研究生, E-mail: zyang0201@163.com

范亞文, 博士生導(dǎo)師, 教授, E-mail: fanyaw@163.com; 劉 妍, 碩士生導(dǎo)師, 副教授, E-mail: liuyanll@sina. com

2019-10-01,

2019-12-14

Q178.1

10.11693/hyhz20191000184