李喆，吳松，霍堂斌，王繼隆，馬波，袁玥

（1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黑龍江水產(chǎn)研究所，黑龍江 哈爾濱 150070；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030）

松花江是東北主要水運干線和旅游地區(qū)，也擔負著向哈市提供生活和生產(chǎn)用水的重任[1]。監(jiān)測該江段水生生物意義重大。著生藻類（周叢藻類）（periphyton）系生長在浸沒于水中各種基質(zhì)表面上的藻類群落，物種數(shù)量巨大，群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是初級生產(chǎn)者。在流速適宜的河流中,著生藻類的初級生產(chǎn)力作用超過浮游藻類和高等水生植物[2]，是水生生物監(jiān)測的重要生物類群。著生藻類群落的更新時間較短，能夠?qū)恿魉瘜W(xué)和棲息地環(huán)境質(zhì)量的變化迅速響應(yīng)；群落變化趨勢的可預(yù)測性較強，廣泛應(yīng)用河流水質(zhì)監(jiān)測、凈化與評價[3-7]。著生藻類營固著生活，是河流中較為穩(wěn)固的水生生物類群，多樣性較高，對水環(huán)境因子變化敏感，群落結(jié)構(gòu)特征具有較強的地域性，且便于采集，逐步廣泛應(yīng)用在河流的生物完整性評價以及河流水生態(tài)系統(tǒng)健康評估中[8,9]。本研究通過調(diào)查、分析松花江哈爾濱河段著生藻類分層特征，及不同水層著生藻類群落結(jié)構(gòu)的相似性，提出優(yōu)化河流著生藻類采集策略的建議，為進一步提高著生藻類的相關(guān)研究效率提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查水域自然概況

松花江哈爾濱江段屬于松花江水系，大小河流眾多，右岸較大支流有拉林河、阿什河、蜚殼圖河以及螞蟻河等，左岸較大支流有呼蘭河、少陵河、木蘭達河以及岔林河等。該江段干流西自雙城入境，東至依蘭縣出境，全長約466km[10]，市區(qū)江段長約70km[11]，屬于寬淺河段。受北方寒冷氣候影響，不同季節(jié)松花江水量變化很大，水系水期劃分為：7—9月為豐水期；4—6、10、11 月為平水期；1—3、12 月為枯水期[10]。哈爾濱市位于東經(jīng)125°42'～130°10'，北緯44°04'～46°40'，地處中國東北北部地區(qū)，黑龍江省南部[12]，松花江流經(jīng)哈爾濱市流速減緩[13]，受人為干擾較多，工業(yè)、生活、農(nóng)業(yè)污染以及河段上的水利工程使得松花江哈爾濱段水情復(fù)雜且具有地域性。

1.2 采樣點的設(shè)置

根據(jù)《內(nèi)陸水域漁業(yè)自然資源調(diào)查手冊》[14]并結(jié)合調(diào)查江段人為干擾類型的不同，在松花江哈爾濱段（拉林河段-依蘭段）共設(shè)置8 個采樣點。S1 在哈爾濱城區(qū)碼頭江段，S2 在呼蘭河下游，S3 在呼蘭河河口，S4 在大頂子山壩上，S5 在大頂子山壩下，S6 在依蘭河段，S7 在雙城杏山河段，S8 在雙城拉林河河口（圖1）。

1.3 樣品的采集及處理

著生藻類的采集及處理參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第四版）[15]，選用人工基質(zhì)-載玻片法。2015 年5 月—2016 年5 月明水期逐月采集，共收集7 次著生藻類樣本（2015 年5 月、2016 年4 月只設(shè)置采樣基質(zhì)，未采集著生藻類樣本）。著生藻類樣本鑒定時分別取表層（水面下27cm）、底層（水面下52cm）載玻片進行種類的鑒定和統(tǒng)計。

1.4 優(yōu)勢種類的確定

優(yōu)勢種類的確定結(jié)合優(yōu)勢度[16]。優(yōu)勢度的計算公式：Y=fi× pi

式中，Y 為優(yōu)勢度，fi為第i 物種的出現(xiàn)頻率，pi為第i 物種個體數(shù)量在總數(shù)量的比例，當Y≥0.02時為優(yōu)勢種。

1.5 相似性分析

用Jaccard 相似性系數(shù)比較有限樣本集之間的相似性與差異性[17]。Jaccard 系數(shù)值越大，樣本相似度越高。計算公式：

表1 相似性評價分級[18，19]Tab.1 Classification of similarity evaluation in Jaccard Index

式中,J（A,B）為Jaccard 相似性系數(shù),A 與B 分別為兩個樣本集。相似性評價分級見表1。

1.6 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2016 處理數(shù)據(jù)，著生藻類各門數(shù)量、生物量排序圖以及在各采樣點的分布矩陣圖在生態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)分析軟件Pcord 5.0 中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 表、底層著生藻類種類組成

松花江哈爾濱段著生藻類表層種類共計7 門121 種（含未定種）。其中，硅藻門的種類最多，共83種（含未定種），占68.6%；綠藻門的種類次之，22 種（含未定種），占18.2%；藍藻門11 種（含未定種），占9.1 %；裸藻門2 種（含未定種），占1.7 %，隱藻門、黃藻門及甲藻門各1 種（含未定種），共占2.4%。底層種類共計6 門119 種（含未定種）。其中，硅藻門的種類最多，共78 種（含未定種），占65.5 %；藍藻門的種類次之，18 種（含未定種），占15.1%；綠藻門16 種（含未定種），占13.4%；裸藻門5 種（含未定種），占4.2%；黃藻門、甲藻門各1 種（含未定種），共占1.8%。綜上，明水期，調(diào)查水域表、底層著生藻的總種類數(shù)相似，但底層較表層少隱藻門種類。

各采樣點不同月份表、底層著生藻類的Jaccard相似性系數(shù)值見圖2。由圖2 可知：大部分Jaccard相似性系數(shù)值分布在中等不相似和中等相似區(qū)域（60%分布在中等不相似區(qū)域，14.29%分布在中等相似區(qū)域）；5 月S5 采樣點的相似性系數(shù)值最高（0.77），表、底層著生藻類種類組成極為相似；8 月S2 采樣點的相似性系數(shù)值最低（0），表、底層著生藻類沒有共有種類；S2 采樣點在7 月、8 月，S3 在8月，S4 在4 月、6 月，S5 在7 月、10 月，S6 在5 月，S7在8 月，S8 在5 月、7 月的相似性系數(shù)值≤0.25，占所有相似性系數(shù)值的23.2%，表、底層著生藻類種類組成極不相似（圖2）。

將7 次采樣中成為表、底層共有種類的次數(shù)占總調(diào)查次數(shù)的比值視為該共有種的出現(xiàn)頻率，該出現(xiàn)頻率≥0.5 時，認為是主要共有種。表2 為各采樣點不同月份著生藻類主要共有種類及出現(xiàn)頻率，共有種主要集中在硅藻門，其中針桿藻屬種類較多，共出現(xiàn)5 種，分別為肘狀針桿藻Synedra ulna、近緣針桿藻Synedra affinis、尖針桿藻Synedra acus、偏凸針桿藻Synedra vaucheriae、及偏凸針桿藻小頭變種Synedra vaucheriae var.capitellata，占主要共有硅藻種類的38.5%；硅藻門的喙頭舟形藻Navicula rhynchocephala 和綠藻門的蛋白核小球藻Chlorella pyrenoidosa 是7 個采樣點的主要共有種，共有性也較高；扭曲小環(huán)藻Cyclotella comta、偏凸針桿藻小頭變種、喙頭舟形藻分別是S1 和S7 采樣點各個月份的共有種類，在S1 和S7 采樣點出現(xiàn)頻率達到1（表2）。

2.2 表、底層著生藻類優(yōu)勢種類

表層著生藻類的優(yōu)勢種類中84.2 %為硅藻門種類，包括扭曲小環(huán)藻、變異直鏈藻、顆粒直鏈藻最窄變種Melosira granulate var.angustissima、肘狀針桿藻、近緣針桿藻、偏凸針桿藻、偏凸針桿藻小頭變種、尖針桿藻、鈍脆桿藻、普通等片藻Diatoma vulgare、胡斯特橋彎藻、膨脹橋彎藻、箱形橋彎藻Cymbella cistula、喙頭舟形藻、細布紋藻Gyrosigma kützingii、扁圓卵形藻；綠藻門的蛋白核小球藻、絲藻Ulothrix sp.以及黃藻門的小型黃絲藻Tribonema minus 也在調(diào)查期間占優(yōu)勢。底層著生藻類優(yōu)勢種類較表層優(yōu)勢種類多了綠藻門的四尾柵藻Scenedesmus quadricauda，少了硅藻門的胡斯特橋彎藻以及黃藻門的小型黃絲藻。各優(yōu)勢種在各月份的優(yōu)勢度見表3。根據(jù)Jaccard 相似系數(shù)計算，表、底層著生藻類優(yōu)勢種類相似性高達0.85，相似等級達極為相似。表、底層著生藻類各優(yōu)勢種類的總優(yōu)勢度趨勢一致，其中，變異直鏈藻、偏凸針桿藻小頭變種、喙頭舟形藻以及蛋白核小球藻的總優(yōu)勢度較高（圖3）。

表2 松花江哈爾濱河段各采樣點不同月份著生藻類主要共有種類及出現(xiàn)頻率Tab.2 The main common species and frequency of periphyton in different months of each sampling site in Harbin Reach of Songhua River

表3 松花江哈爾濱河段表、底層著生藻類優(yōu)勢種類及優(yōu)勢度Tab.3 Dominant species and dominance of periphyton between surface and bottom in Harbin Reach of Songhua River

2.3 表、底層著生藻類的數(shù)量、生物量

松花江哈爾濱段著生藻類表層數(shù)量均值總計為6.74×104ind./cm2。其中，硅藻門的數(shù)量最多，5.8×104ind./cm2，占86.1 %；綠藻門次之，0.75×104ind./cm2，占11.1%；藍藻門0.15×104ind./cm2，占2.2%；黃藻門0.03×104ind./cm2,占0.4%；隱藻、裸藻、甲藻門的數(shù)量較少，共占0.2%。底層著生藻類數(shù)量均值總計為5.651×104ind./cm2。其中，硅藻門的數(shù)量最多，4.76×104ind./cm2，占84.2 %；綠藻門次之，0.69×104ind./cm2，占12.2%；藍藻門0.14×104ind./cm2，占2.5 %，黃藻門0.05×104ind./cm2，占0.9%；裸藻、甲藻門數(shù)量較少，共占0.2%。

松花江哈爾濱段著生藻類表層生物量均值總計為0.1375 mg/cm2。其中，硅藻門的生物量最多，0.1332 mg/cm2，占96.9 %；藍藻門次之，0.0022 mg/cm2，占1.6 %；綠藻門，0.0014 mg/cm2，占1.0 %；隱藻、裸藻、黃藻、甲藻門生物量較少，共占0.5%。底層著生藻類生物量均值總計為0.116 mg/cm2。其中，硅藻的生物量最高，0.1126 mg/cm2，占97.1%；藍藻門次之，0.0016 mg/cm2，占1.4%；綠藻門0.0011 mg/cm2，占0.9%；裸藻、黃藻、甲藻門生物量較少，共占0.6%。

由圖4 可知表、底層各藻門數(shù)量、生物量的排序（橫坐標）以及各藻門在不同月份所有采樣點間非空數(shù)值的出現(xiàn)頻率排序（縱坐標）。明水期表、底層著生藻類數(shù)量、生物量排序相似，且主要藻門規(guī)律相同。表、底層著生藻類主要藻門數(shù)量及在不同采樣點間出現(xiàn)頻率為：硅藻門＞綠藻門＞藍藻門（圖4-A、圖4-B）。表、底層著生藻類主要藻門生物量呈現(xiàn)：硅藻門＞藍藻門＞綠藻門，出現(xiàn)頻率排序表現(xiàn)為硅藻門＞綠藻門＞藍藻門（圖4-C、圖4-D）。其中，硅藻門的數(shù)量、生物量以及在各采樣點間出現(xiàn)頻率在表、底層均排第1 位，是明水期調(diào)查江段的優(yōu)勢藻門。

圖5 為56 個表層樣品（圖5-A）以及56 個底層樣品（圖5-B）中著生藻類數(shù)量、生物量兩兩藻門之間的對應(yīng)分布矩陣圖。從表、底層著生藻類各藻門數(shù)量及生物量分布矩陣圖分析，表層各樣品中硅藻與其它藻類的數(shù)量集中在各自散點圖的左側(cè)，尤其是硅藻與藍藻、隱藻、裸藻、黃藻、甲藻較為明顯，而硅藻與綠藻的散點圖在中間區(qū)域也有樣品分布，說明硅藻的數(shù)量在表層分布較為分散，而藍藻、隱藻、裸藻、黃藻、甲藻的數(shù)量在表層分布較為集中，且值較低；而綠藻的數(shù)量在表層也有一定的分布范圍（圖5-A）。底層各樣本數(shù)量，硅藻與裸藻、黃藻、甲藻的數(shù)量集中在各自散點圖的左側(cè)，綠藻、藍藻的散點圖在中間區(qū)域也有分布，說明硅藻的數(shù)量在底層分布不如表層分散，而裸藻、黃藻、甲藻的數(shù)量在表層分布較為集中，且值較低；而綠藻、藍藻的數(shù)量在底層也有一定分布范圍（圖5-B）。表層各樣品中生物量只有硅藻的分布較為分散，而綠藻、藍藻、隱藻、裸藻、黃藻、甲藻的分布較為集中（圖5-A）；底層生物量規(guī)律與表層相似，底層綠藻的生物量分布較表層分散（圖5-B）。

3 討論

3.1 明水期著生藻類分層特征

調(diào)查期間，松花江哈爾濱段表、底層著生藻類主要由硅藻門、綠藻門和藍藻門的種類組成（在表層占總種類的95.9%；在底層占總種類的94%）。本研究采用人工基質(zhì)收集著生藻類，分析基質(zhì)上附著的著生藻類來源于河流中的浮游藻類。據(jù)報道，明水期和冰封期松花江哈爾濱段浮游藻類均以硅藻門的種類為主[19-23]。著生藻類種類組成的優(yōu)勢藻門與浮游藻類相同，均為硅藻門。著生藻類種類相似性分析表明，雖然有2.51%、14.29%和60%的相似性系數(shù)值分別分布在極為相似區(qū)域、中等相似區(qū)域和中等不相似區(qū)域，但仍有23.2%的相似性系數(shù)值分布在極不相似區(qū)域（圖2），可見表、底層著生藻類種類存在差異。盡管表、底層著生藻類種類存在差異，但表、底層的優(yōu)勢種類相似性極高，Jarccard 相似性系數(shù)為0.85，呈現(xiàn)極為相似的特點。表層著生藻類的優(yōu)勢種類中84.2%為硅藻種類，底層優(yōu)勢種類83.3%為硅藻種類（表2）。有報道，松花江哈爾濱段豐水期浮游藻類優(yōu)勢種類以硅藻為主，分別有梅尼小環(huán)藻Cyclotella meneghiniana、顆粒直鏈藻Melosira granulata、尖針桿藻、膨脹橋彎藻[20]。平水期、枯水期浮游藻類優(yōu)勢種類也以硅藻為主，有華麗星桿藻Asterionella formosa、尖針桿藻、平片針桿藻Synedra tabulata、肘狀針桿藻、梅尼小環(huán)藻、顆粒直鏈藻最窄變種和短線脆桿藻Fragilaria brevistriata[21]。冰封期，松花江哈爾濱段冰下浮游藻類仍然以硅藻為主，硅藻優(yōu)勢種類有顆粒直鏈藻最窄變種以及扭曲小環(huán)藻[22]。經(jīng)比較，本研究著生藻類的優(yōu)勢種中31.3%的硅藻優(yōu)勢種與浮游藻類相同。表、底層著生藻類均以硅藻占優(yōu)勢還應(yīng)與硅藻具有良好的光適應(yīng)能力相關(guān)，長期在低光或高光生態(tài)系統(tǒng)中生存的硅藻在低光或高光照強度下均容易形成優(yōu)勢種群[24]。調(diào)查水域表、底層著生藻類數(shù)量、生物量均值總計分別為6.74×104ind./cm2、5.651×104ind./cm2和0.1375mg/cm2、0.116 mg/cm2，表層略高于底層。表、底層著生藻類的數(shù)量、生物量均以硅藻門的數(shù)量、生物量最多，其次數(shù)量是綠藻高于藍藻，生物量是藍藻高于綠藻，且表、底層著生藻類各門數(shù)量、生物量的排序相同（圖4）。綜上所述，明水期松花江哈爾濱段著生藻類的分層特征相似，硅藻在種類組成、優(yōu)勢種類、數(shù)量、生物量方面均排第一位，是調(diào)查水域著生藻類的優(yōu)勢藻門。藻類，特別是硅藻，是水生生態(tài)系統(tǒng)的重要生產(chǎn)者，在食物網(wǎng)和生物地球化學(xué)循環(huán)中發(fā)揮著主要作用，是物種最豐富的生物群體之一[25]。它們棲息在湖泊、濕地、海洋、河口，甚至一些短暫的水生生境中，用于水環(huán)境的相關(guān)評價具有通用性。松花江哈爾濱段著生藻類種類豐富，時空分布以及分層特征均以硅藻為優(yōu)勢藻門，為開展基于著生藻類的松花江哈爾濱段河流生態(tài)評價提供了基礎(chǔ)。

3.2 河流著生藻類的采樣策略優(yōu)化選擇

優(yōu)化著生藻類樣本采集策略有助于顯著提高基于著生藻類的相關(guān)研究的工作效率。對中國北方黃海沿岸著生硅藻樣本采集策略的優(yōu)化研究表明，淺層較深層能更好地反映硅藻檢測分類特異性[26]。水體分層是氣候影響浮游藻類的最重要間接途徑之一，分層不僅提供了垂直的熱結(jié)構(gòu)，還能改變浮游藻類的分布，湖泊中的分層最為明顯，在夏季通常被分離成一個溫暖的、淺的、光線充足的和一個接收較少太陽能的、深冷的水層區(qū)域，由于缺乏垂直混合，上層的養(yǎng)分供應(yīng)可能會減少，較重的、沒有浮力或流動性機制的浮游藻類可能會從最容易獲得光線的上層水域下沉[27]。河流與湖泊不同，較流動性強，水體垂直混合較好。在松花江哈爾濱段著生藻類的分層調(diào)查中，表、底層著生藻類種類組成總數(shù)相差2 種（表層7 門121 種；底層6 門119種）；表、底層優(yōu)勢種類極為相似；表、底層著生藻類各門的數(shù)量、生物量的排列次序相同。建議對河流著生藻類優(yōu)勢種類、數(shù)量、生物量的調(diào)查、評估研究采集策略優(yōu)化為表層采集。但必須指出，表、底層著生藻類種類組成還是存在差異，主要藻門的藻類在表層表現(xiàn)為硅藻門＞綠藻門＞藍藻門，而底層表現(xiàn)為硅藻門＞藍藻門＞綠藻門，且圖2 顯示大部分（60%）表、底層著生藻類相似系數(shù)值分布在中等不相似區(qū)域，建議基于著生藻類種類的研究和評價工作采集表、底層混合水樣。