柳江流域不同水文季節水質對附生硅藻群落的影響研究

李佳靜，劉威，鄧培雁，

1.華南師范大學化學與環境學院，廣州 510631

2.廣州大學環境科學與工程學院，廣州 510405

0 前言

硅藻是河流生態系統的重要初級生產者，在生態系統的物質循環和能量流動中起著重要作用[1]。相對于底棲動物和魚類，硅藻具有種類繁多、生命周期短、對水環境變化敏感等特征，其群落結構變化能較好地反映各種污染物對河流累積產生的綜合生態效應[2]，常被廣泛用作水質監測和水生態健康評價的有效指示生物[3]。

水質、地理因子、人為干擾等是影響硅藻群落形成時空分布特征的重要因素，而水質被認為是最主要的影響因素[4-6]，這是因為在流域尺度上，地理因子或者人為干擾都以水質為介質對附生硅藻群落起作用[7]。然而，河流作為一個動態系統，其水質理化特征往往因人為活動和地形、降雨等自然因素的驅動而存在不同的時空差異性[8]。不同硅藻對水體中營養物、有機污染物和重金屬等的敏感程度和耐受能力不同，其群落組成在不同的理化條件下也會產生較大差異[9-10]。劉麟菲等[1]報道了渭河水系硅藻群落特征及其水質影響因子在枯水期和豐水期具有顯著差異。Dalu 等[6]也強調了水文季節變化下的水質因子對硅藻種類組成，群落演替的作用程度不同。因此，闡明水質動態變化對硅藻群落時空變化的影響，才可更好地利用硅藻進行河流的生態監測與管理。

柳江流域是珠江流域西江水系的第二大支流，干流全長 751 km，面積 58520 km2，發源于貴州省獨山縣，跨越黔、桂、湘三省，是流域周圍居民生活和工農業生產的重要水源[11]。同時，該流域屬于雨源型河流，受季風影響顯著，4—8 月為雨季，降水占全年總降水量的 72%，與其余月份具有明顯的豐、枯水期變化特征[12]。目前已有學者對柳江流域支流貝江[13]和龍江[14]的硅藻群落特征進行了研究，也有學者基于附生硅藻對柳江河流構建了水質多指標的評價體系[3]，但針對柳江流域硅藻群落結構的時空分布特征及其與水質因子關系的研究尚未見報道。為此，本文運用聚類分析、主成分分析和冗余分析等方法，研究了水質因子在不同水文季節變化下的硅藻優勢種組成及群落結構的時空分布特征，并闡明水質動態變化對河流附生硅藻的影響，旨在為深入研究柳江流域硅藻群落的分布特征奠定基礎，以期為柳江流域水質生物監測評價及水質的利用和管理提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 采樣時間與位置

本研究于 2017 年 3月(枯水期)和 6 月(豐水期)分別對柳江流域的附生硅藻和水質進行采樣。根據柳江流域不同河段的地形地貌和環境狀況等特征，共設置 19 個采樣點(S1—S19)，覆蓋柳江流域的干流及支流，各采樣點地理位置分布如圖1所示。

1.2 采樣與分析方法

根據 EN 13946 和 EN 14407 歐盟標準方法[13]，并結合采樣點實際情況進行采樣，為減小誤差，確保采樣的代表性和準確性，每個樣點采集 3 個平行樣本。附生硅藻采樣基質選取能抵抗水流、地勢開闊處無樹蔭遮擋的石頭，在每個采樣點至少采集 5 塊石頭，用干凈的硬牙刷在石塊向陽面刷取硅藻，經自來水沖洗至不銹鋼托盤，并收集刷洗下的硅藻樣品裝入廣口塑料瓶中，加入 5%甲醛溶液固定保存。

圖1 柳江流域采樣點分布Figure 1 Location of the sampling sites in Liujiang River Basin

硅藻樣品經 30%的過氧化氫溶液加熱后消解，靜置去除上清液，用濃鹽酸進行酸化，洗滌離心后制成封片。在光學顯微鏡下采用 1000 倍的油鏡鏡檢，視野內所有完整及破損面積不超過 1/4 的硅藻細胞都要鑒定和計數，每個玻片鑒定的總數大于400 個，鑒定具體到硅藻的種等級。硅藻種類鑒定主要根據 Krammer & Lange-Bertalot 鑒定體系(1986—1991)[15]開展。

水樣運送回實驗室后，根據《水和廢水監測分析方法(第 4 版)》[16]測定高錳酸鹽指數(CODMn)、氨氮(NH4+-N)、砷(As)、汞(Hg)、鎘(Cd)、鉛(Pb)等水質指標，水體溶解氧(DO)用多參數水質分析儀(YSI Pro 2000 美國)現場測定。

1.3 數據處理與分析

Czekanowsiki 相似系數計算公式為:

優勢種以優勢度指數(Y＞0.02)判斷，其計算公式為:

式中，A、B分別為枯、豐水期水體中的硅藻種類數，C為 2 個水期水體中共有的種類數，fi為第i種的出現頻率，Pi為第i種的個體數與樣品中總個體數的比值。

選擇至少在2個采樣點中出現且相對豐度超過1%的硅藻種，其種類拉丁文名的縮寫見附錄。運用主成分分析(PCA)篩選出枯、豐水期對硅藻群落影響較為顯著的水質驅動因子。然后對硅藻相對多度進行降趨勢對應分析(Detrended correspondence analysis，DCA)，用物種單峰影響值梯度來判斷是線型分布還是單峰型分布，以判定影響硅藻群落結構分布的水質因子。單因素方差分析和聚類分析在IBM SPSS 19.0 軟件中處理，PCA 和 DCA 分析等在 Canoco 4.5 軟件中完成。

2 結果與分析

2.1 硅藻群落種類組成

共鑒定出附生硅藻137種，隸屬于6目9科34屬，舟形藻屬(Navicula)和曲殼藻屬(Achnanthes)在各采樣點中均有出現，為該流域的主要優勢藻屬。枯、豐水期硅藻種數分別為 99 種和 102 種，種類相似系數為 63.68%。枯水期各采樣點硅藻豐富度的范圍為 13—35 種，平均值為 21 種，豐水期各采樣點硅藻豐富度的范圍為 16—42 種，平均值為31 種(圖2)。在水文季節變化上，表現為豐水期明顯高于枯水期。

2.2 硅藻優勢種

圖2 各采樣點硅藻種類豐富度Figure 2 Species richness of diatoms at each sampling site

兩次調查共發現硅藻優勢種為 11 種，其中枯水期有5種，豐水期有8種，優勢度指數為0.021—0.363(表1)。硅藻優勢種組成隨水文季節變化呈現明顯的更替狀態，極小曲殼藻(Achnanthes minutissima)和隱頭舟形藻(Navicula cryptocephala)在枯、豐水期都成為優勢種，而Cyclotella fottii、具星小環藻(Cyclotella stelligera)和Cymbella laveis僅在枯水期為優勢種，Amphora montana、Achnanthes petersenii、Cymbella minuta、變異直鏈藻(Melosira varians)、短喙舟形藻(Navicula rostellata)和谷皮菱形藻(Nitzschia palea)僅在豐水期為優勢種。

2.3 硅藻群落聚類分析

在同等相似水平下，枯水期聚類分析將 19 個樣點劃分為 3 個硅藻類群(圖3)，類群 A1 優勢種組成包括C.fottii、C.stelligera、A.minutissima和C.laveis等；類群 A2 優勢種A.minutissima和Nitzschia valdecostata的豐度較高；類群 A3 優勢種為N.cryptocephala、A.montana和A.minutissima等(表2)。豐水期 19 個樣點被劃分為 2 個硅藻類群(圖3)，類群 B1 優勢種組成主要以N.palea為主；類群 B2 優勢種為A.minutissima、A.montana和A.petersenii等(表3)。

表1 柳江流域硅藻優勢種組成Table 1 Composition of dominant species of diatoms in Liujiang River Basin

2.4 水質因子及其主成分分析

枯水期 DO 隨著類群 A1、A2、A3 在空間分布上的變化呈現依次降低的趨勢，其他水化學指標相反。豐水期 DO 隨著類群 B1、B2 的變化呈上升趨勢，其他指標則相反(表4)。單因素方差分析結果表明，水質理化指標在枯、豐水期存在顯著性差異(P＜ 0.05)，且 DO、CODMn、NH4+-N、Hg、Cd 和Pb 在豐水期的平均值均高于枯水期。主成分分析(PCA)結果表明，選定與兩主軸相關系數大于 0.3的因子為主要水質驅動因子，枯水期為 DO、CODMn、As、Hg、Cd 和 Pb；豐水期為 DO、CODMn、NH4+-N、As 和 Cd。

2.5 硅藻群落與水質因子的關系

DCA 顯示枯、豐水期的排序軸梯度最大值為2.545 和 2.414，均小于 3.0，表明柳江流域硅藻物種對水質的響應是線性的，故應采用冗余分析(RDA)來分析硅藻群落與水質因子之間的關系。

圖3 枯水期(a)和豐水期(b)各樣點硅藻群落的聚類分析Figure 3 The cluster analysis of diatom communities in dry season(a) and wet(b) season

表2 枯水期各類群硅藻優勢種Table 2 Dominant species of diatoms in various groups in dry season

表3 豐水期各類群硅藻優勢種Table 3 Dominant species of diatoms in various groups in wet season

表4 水質理化特征(平均值±標準差)Table 4 Physical and chemical characteristics of water quality(Mean ± SD)

RDA 分析結果顯示，枯水期軸 1 與軸 2 的特征值為 0.116 和 0.099，豐水期前兩軸的特征值分別為 0.133 和 0.064，結合物種-環境關系的累積百分比，枯、豐水期分別解釋了硅藻群落變化的59.7%和 60.3%，說明枯、豐水期的 RDA 排序圖都能較好地反映硅藻種類分布與水質因子之間的相關關系。在枯水期，重金屬因子 Pb、Cd、Hg、As 和CODMn位于第一軸的右側，與軸 1 呈正相關，DO位于第三象限，與軸 1 和軸 2 均呈負相關(圖4)；在豐水期，Cd、As 和 NH4+-N 位于第一軸的右側，與軸 1 呈正相關，DO 位于第一軸的左側，則呈負相關，CODMn位于軸 2 的下方，與軸 2 呈負相關(圖5)。同時結合水質因子與前 2 軸的相關性分析結果(表5)，可以看出枯水期主要水質驅動因子對硅藻群落分布的影響程度依次表現為 Pb＞Cd＞Hg＞ As＞CODMn＞DO，豐水期則表現為 As＞DO＞CODMn＞ NH4+-N＞Cd。

圖4 枯水期硅藻物種與水質因子的RDA排序圖Figure 4 RDA ordination diagram of diatom species and water quality factors in dry season

圖5 豐水期硅藻物種與水質因子的RDA排序圖Figure 5 RDA ordination diagram of diatom species and water quality factors in wet season

表5 RDA前2軸與水質因子之間相關系數Table 5 Correlations between water quality factors and the first two axis of RDA

RDA 排序圖表明，硅藻優勢種與水質驅動因子的對應關系趨勢在不同水文季節表現基本一致。其中，硅藻優勢種A.minutissima、C.laveis、Aulacoseira ambigua和C.stelligera等都分布在軸2 的左側，主要與溶解氧呈正相關，表現出偏好溶解氧高，有機負荷程度低，重金屬污染小的水環境；而硅藻A.montana、A.petersenii、N.cryptocephala、M.varians、C.minuta、N.palea和N.rostellata等則分布在軸 2 的右側，主要與重金屬因子、CODMn和 NH4+-N 呈正相關，表明其更喜好有機營養負荷高或重金屬含量高的水環境。

3 討論

3.1 硅藻群落結構特征

本研究中，硅藻群落在枯、豐水期具有明顯的空間分布特征，主要可能是受各采樣點的水質因子所影響[17]，河水的水體理化特征往往因人為活動和降雨等自然因素的驅動而存在不同的時空差異性[8]。在柳江流域中，枯水期有 3 個不同的硅藻類群大致依次分布在該流域干流及支流段的上游、中游以及下游。其中，樣點 S1 和 S5 分別位于林地和景觀區中，S7、S8 和 S11 樣點周邊多為裸地，說明上游幾個采樣點受人為活動影響較小，水質狀況良好，硅藻優勢種組成的相似性較高；中游大多數采樣點(S3、S6、S9、S10 和 S15)主要分散在鄉村附近，人口較為密集，養殖、農業和居民生活等活動明顯，水體主要受生活污水和農業養殖用水排放的影響，使得流入水體的營養鹽等陸源物質類型相似，營養水平上升，對硅藻群落影響較為一致；下游采樣點(S16、S18 和 S19)分布在城市附近，工業生產等人為活動頻繁，伴隨著中上游污染物的積累，導致水體中重金屬及有機物等污染物的含量增加，進而使得硅藻群落組成的相似性也較高。 3 個硅藻類群的空間變化體現了采樣點周圍人為活動方式及強度的不同導致水質的污染來源有所差異[18-19]，從而使得水質逐漸變差，具有明顯的空間梯度變化。進入豐水期，群落結構演替為 2 個不同的硅藻類群，基本依次呈現在該流域的中下游和上游。豐水期雨量較大，地表徑流的增加促使有機物等陸源性物質被沖刷匯入河流，導致各種污染物和離子等濃度的增加[20]，同時充沛的水量增強了河流水系之間的連通性，也促進了中下游水體之間的流動，從而縮小了水質在其空間分布上的差異，提高了群落結構的相似性。因此，枯、豐水期硅藻群落結構類群劃分的不同體現了地表徑流受雨季影響的變化，說明硅藻群落結構及物種組成與水化學變量和水文季節的變化有關[21-22]，可能是人為活動和降雨等水文過程可間接改變水體中的各項理化指標，進而造成附生硅藻群落分布的差異性[23-24]。

根據 Van 等[25]的硅藻生態指示劃分，C.stelligera、C.laveis和A.ambigua為貧污染性種類，主要出現在溶解氧高，有機污染負荷和營養水平較低的水體中，而A.montana、A.petersenii、N.cryptocephala、M.varians和G.parvulum為 α —中污染性種類，常生活在中營養狀況的水體中，能夠忍耐較高的有機污染物，與本文的RDA排序結果一致。研究發現，運動性較強的N.palea是富營養化水體和重金屬污染水體的常見種[26]，在本文中，其主要分布在豐水期柳江流域的下游，偏好于有機營養負荷和重金屬含量高的水體。因此，硅藻群落組成的變化體現了這些種類對水質環境變化的適應性。本文硅藻優勢種組成的季節演替伴隨著由更敏感的物種向更耐污染的物種組成轉變(表1)，與其他學者[27-28]研究的結論大體相同，反映了該流域豐水期水質的污染程度高于枯水期，這與理化監測結果一致(表4)。但值得注意的是，本文 RDA 排序分析顯示A.minutissima偏好于污染較小的水環境，但它在柳江流域各個采樣點的出現頻率卻為 100%，可能是由于該種的分布范圍較廣，其對水體環境并不敏感，無論在是否受到污染的水體中，它都有可能成為優勢種[29]。

3.2 水質因子對硅藻群落的影響

RDA 結果表明，水質因子 Cd、As、DO 和CODMn在枯水期和豐水期都對柳江流域附生硅藻群落分布產生影響，但其影響程度不完全一致。由于不同硅藻物種對水體重金屬的敏感程度和耐受能力不同[30]，重金屬則是影響附生硅藻群落組成的重要因素[31]。在本研究中，枯水期附生硅藻分布受水體重金屬的影響程度較大。有研究報道，具星小環藻(C.stelligera)和C.laveis與重金屬濃度呈負相關[32]，與本文研究結果一致。這一現象說明枯水期硅藻優勢種在空間分布上的變化可能是由于其對重金屬含量的變化較為敏感。研究發現，豐水期優勢種谷皮菱形藻(N.palea)與重金屬 As、Cd 濃度之間呈正相關[33]，且在柳江流域中，Cd、As 是影響硅藻分布的主要重金屬因子，在一定程度上反映了該流域重金屬污染可能主要以 Cd、As 污染為主[12]。

溶解氧是衡量水體初級生產力的重要標志，它在柳江流域也是影響附生硅藻的主要水質因子之一，這與其他學者在其他區域的研究結果相似。陳向等[34]研究東江惠州河流段的硅藻群落時，認為溶解氧對群落結構起著重要作用。在本研究中，水體溶解氧含量在豐水期較高，其對硅藻影響較大。究其原因，一方面可能是豐水期水生植物和藻類的生長迅速，在光合作用下釋放大量的氧氣；另一方面可能是豐水期降雨頻繁，水體持續流動增加了空氣中氧的溶解效率，良好的氧化環境有利于有機物的礦化和營養鹽的再生，從而間接影響硅藻群落結構的特征[35-36]。然而，在柳江流域下游，硅藻物種豐富度較高，但水體中溶解氧含量卻下降，可能是由于人為活動頻繁，大量污水排放和中上游污染物的積累致使水體中營養水平等上升，從而導致藻類及其他浮游生物的繁殖，消耗大量的氧氣，使得水體中溶解氧量下降[37]。

柳江流域硅藻群落在一定程度上也受水體中CODMn的影響，說明其在解釋硅藻群落結構的時空變化中起著重要作用。CODMn是衡量水體中有機物含量的指標，其值越大，有機物越多，微生物經氧化分解產生的可被藻類利用的營養鹽越多，而相關研究認為營養鹽也是影響硅藻生長的重要因子[38]。本文硅藻優勢種與水體 CODMn存在一定的響應關系，可能是由于人為活動和地表徑流導致水體中CODMn出現濃度梯度的變化，從而影響硅藻群落的分布。從研究結果看，本文所涉及的水質因子在枯、豐水期分別解釋了 59.7%和 60.3%的硅藻群落變異，尚有部分變化還未能得到相應的解釋。除此之外，其他如水溫[35]、透明度[18]及藍藻、浮游動物的生物作用[39]等也是影響硅藻種群密度和生物量的重要因子。因此，在探討硅藻群落結構變化的機理時，還需要對其他影響硅藻種群特征的影響因素做進一步的基礎生態學研究。

4 結論

(1)柳江流域共鑒定出附生硅藻 137種，隸屬于6目9科34屬，主要優勢藻屬以舟形藻屬和曲殼藻屬為主。其中，硅藻種在枯水期和豐水期的變化不大，種類相似度為 63.68%，而各采樣點硅藻豐富度隨季節變化明顯，表現為豐水期高于枯水期。硅藻優勢種組成在不同水期也存在差異，極小曲殼藻和隱頭舟形藻為枯、豐水期共有的優勢種，而其余優勢種發生了更替。

(2)聚類分析顯示，柳江流域19個采樣點在枯水期可劃分為 3個硅藻類群，在豐水期則可劃分為 2個硅藻類群，其群落結構類群在空間和時間上劃分的不同，可能主要與采樣點周圍人為活動和地表徑流導致水質的空間梯度變化有關。

(3)主成分分析(PCA)和冗余分析(RDA)結果表明，Cd、As、DO 和 CODMn在枯、豐水期都對柳江流域附生硅藻群落分布產生影響，但其影響程度發生變化。其中重金屬因子在枯水期對硅藻影響較大，而溶解氧在豐水期對硅藻影響較大。

附表1 硅藻種類及縮寫Appendix 1 Diatom species and abbreviation