長江著生藻類群落結構時空變化規律研究

衛 飛，姚青梅

（湖北省荊門市水文水資源勘測局，湖北 荊門448000）

著生藻類是水體中的重要初級生產者，不同于其他浮游藻類，其生境固定，能附著在各種基質表面。當周圍水體狀況發生變化時，著生藻類的數量、種類以及群落結構都會發生相應變化，是良好的水體環境指示物種研究長江湖北段著生藻類群落結構變化規律，分析在長江這一特定生境下著生藻類對環境因子的響應［1］。

1 研究區概況及采樣點布設

長江湖北段位于長江下游，干流全長432 km，水域面積28萬hm2，西接安徽，東入上海，是湖北省內三大水系中流域面積最大的水系。流經黃石市、鄂州市、黃岡市、武漢市、荊州市、宜昌市六大省轄市，至黃石市分為南北兩大入海支流，北支在宜昌入海，南支流經洪湖市后入海。

本研究結合《湖北水利志》對長江湖北段分段情況，并進行實地踏勘，決定在全段均勻分設6個采樣點。1號采樣點宜昌，2號采樣點荊州，3號采樣點武漢，4號采樣點鄂州，5號采樣點黃岡，6號采樣點黃石。具體采樣位置和分布圖見表1和圖1。

表1 采樣點位置

圖1 布設點位圖

2 研究方法

根據湖北省長江沿岸地帶的氣候特點，將著生藻類的采樣時間定為2017年夏季、2017年冬季、2018年夏季、2018年冬季，共4次采樣。藻類采樣鑒定和理化指標檢測參照《湖泊富營養化調查規范（第二版）》［2］。

2.1 著生藻類采集

收集水面下表面平整的石塊若干，用鋼尺在預采樣區劃出面積為10 cm2的形狀規則區域，用硬毛刷清除預采樣區以外的著生藻類，并用蒸餾水沖洗干凈。隨后用小刀和軟毛刷將區域內的著生藻類小心轉移至50 mm采樣瓶中，并用無藻水反復沖洗3次，沖洗液也轉移至采樣瓶中，以1.5%濃度魯戈試劑固定（魯戈試劑：將40 g碘溶于60 g碘化鉀溶液并定容到1000 mL），貼上標簽。

將樣品帶回實驗室后，去除泥沙等雜質并定容至30 mL離心管中，靜置48 h。定量觀察時，小心吸取上清液，充分搖勻后用移液槍吸取0.1 mL樣品，置于0.1 mL浮游生物計數框中，在10×40倍顯微鏡下進行著生藻類種類鑒別和計數。計數時采用長條計數法，選取計數框的中上下兩條相鄰刻度線之間的區域為1個長條，每次鏡檢時計數3個長條，若出現藻類數量過少或其他特殊情況，則整片計數。每一個采樣點鏡檢兩次，取平均值。

2.2 理化指標測定

本研究測定的理化指標包括：溫度（Temp）、高錳酸鹽指數（CODMn）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）、電導率（Cond）、水體濁度（TDS）、溶解氧（DO）、pH。其中溫度、溶解氧、電導率、水體濁度和pH在現場用便攜式水質監測儀YSI6600測定。氨氮、總磷水質樣品在現場加入3%稀硫酸固定，冷藏后帶回實驗室測定。理化指標的測定方法參照《水和廢水監測分析方法》和《湖泊富營養化調查規范（第二版）》。

2.3 著生藻類密度

著生藻類密度計算公式如下［3］：

式中：N為單位面積著生藻類數量，cells/cm2；n為計數所得著生藻類個體數；C1為樣品定容水容量，mL；C2為實際鏡檢的樣品水容量，mL；S為刮取著生藻類的面積，cm2。

2.4 著生藻類多樣性指數

生物多樣性是對特定環境下物種豐富程度的反映，是生態學研究的重要內容。通常情況下，多樣性指數越高，該地物種越豐富，相應的生態系統穩定性也越高［3］。本文采用Shannon-Wiener多樣性指數（H′），Margalef物種豐度度指數（D）和Pielou均勻性指數（J）來對實驗數據進行多角度分析，且大量文獻顯示這三者結合使用效果最佳［4］。

Shannon-Wiener多樣性指數（H′）反映了群落結構的多樣化程度，數值越大，對環境的反饋作用越強，其計算公式如下：

式中：S為著生藻類種類總數；ni為第i種著生藻類密度；N為著生藻類總密度。

其評價標準為：H′＞3時，水體清潔；1＜H′＜3時，水體中污染；0＜H′＜1時，水體重污染。

3 研究結果

3.1 著生藻類密度時間變化規律

長江湖北段著生藻類密度組成圖（見圖2）可以看出，長江湖北段著生藻類密度具有明顯季節差異性。綜合來看，夏季著生藻類密度明顯高于冬季，夏季平均123.7萬cells/cm2，冬季平均只有71.8萬cells/cm2。分析原因，溫度和光照是影響著生藻類生長繁殖的重要環境因素，夏季適宜的溫度和充足的光照為藻類提供了良好的生長環境；此外，夏季雨量充沛，豐水期擁有足夠大的徑流量，從上游帶來大量營養物質可供著生藻類利用。

圖2 長江湖北段2017年～2018年著生藻類密度組成圖

3.2 功能群分布時間變化規律

功能群分類方法是根據著生藻類生理學、形態學以及生態學特征，將具有相似生態特征和環境適應性的藻類歸為一類，彌補了傳統藻類鑒別只注重藻類同源性的缺點，在分析藻類對環境變化的響應時更具有代表性。本研究中功能群分類方法參照胡韌和楊文等總結的功能群識別特征劃分［5］。

由于功能群數量眾多，為便于分析，篩選密度占比排名前5的功能群，占比從大到小排序分別為MP功能群（主要包括顫藻、布紋藻、脆桿藻、卵形藻、橋彎藻、異極藻、羽紋藻、舟形藻等），Tc功能群（主要包括席藻等），D功能群（主要包括菱形藻、針桿藻等），P功能群（主要包括鼓藻、新月藻、直鏈藻等），J功能群（主要包括頂棘藻、集星藻、空星藻、盤星藻、十字藻、絲藻、四角藻、柵藻等）。

圖3 長江湖北段2017年～2018年主要功能群密度組成圖

綜合上述分析以及長江湖北段主要功能群密度組成圖（見圖3）可以看出，長江湖北段主要功能群密度隨時間變化規律明顯。綜合來看夏季主要功能群密度明顯大于冬季，與著生藻類密度總量規律保持一致，說明主要功能群涵蓋了大部分著生藻類。細分至不同功能群來看，MP功能群為第一大功能群，密度占比最高且變化幅度較小，始終保持在50%以上，在各個采樣點的季節變化特征有所區別，但從長江湖北段綜合狀況來看，MP功能群密度占比具有冬季高夏季低的特點。Tc功能群為第二大功能群，夏季密度占比約為24%，冬季占比則降至18%，密度占比具有夏高冬低的特點。J功能群密度占比較小，通常情況下不超過12%具有冬季高于夏季的特點。

3.3 多樣性指數時間變化規律

Shannon-Wiener多樣性指數夏季平均值為2.55，冬季平均值為2.40，最大值出現在2017年夏季武漢采樣點，為3.05；最小值出現在2018年冬季黃岡采樣點，為1.78。分析Shannon-Wiener多樣性指數變化趨勢圖（見圖4）可知，武漢、黃石采樣點Shannon-Wiener多樣性指數具有夏季高于冬季的特點，且武漢采樣點各期數值都高于黃石采樣點；荊州、鄂州采樣點Shannon-Wiener多樣性指數則是冬季高于夏季，且荊州采樣點各期數值都高于鄂州；宜昌采樣點在數值上沒有明顯波動，穩定在2.5左右；黃岡采樣點的數值呈逐漸下降趨勢。

圖4 2017年～2018年夏冬兩季著生藻類Shannon-Wiener多樣性指數圖

Margalef豐富度指數夏季平均值為1.96，冬季平均值為1.55，最大值出現在2017年夏季武漢采樣點，為2.45；最小值出現在2018年冬季黃岡采樣點，為1。分析Margalef豐富度指數變化趨勢圖（見圖5）可知，宜昌、荊州、武漢、黃岡、黃石采樣點Margalef豐富度指數具有夏高冬低的特點，其中宜昌、荊州采樣點相對變化幅度不大，在1.7～2.2之間波動，武漢、黃石、黃岡采樣點夏冬兩季指數相差懸殊，武漢采樣點尤為明顯；鄂州采樣點Margalef豐富度指數則是冬季高于夏季，且在數值上明顯低于其他采樣點。

圖5 2017年～2018年夏冬兩季著生藻類Margalef豐富度指數圖

3.4 著生藻類密度空間變化規律

分析著生藻類密度沿程變化圖（見圖6）可知，著生藻類密度夏季普遍高于冬季，具有明顯的沿程規律，總體來看夏冬兩季均呈現沿程“先上升后下降”的趨勢。就夏季而言，宜昌至荊州段密度上升，到武漢段有明顯的回落但依然高于宜昌段；從武漢到黃岡段著生藻類密度沿程增加，在鄂州和黃岡段交界處密度達到峰值；隨后黃石段密度明顯回落。

圖6 2017年～2018年夏冬兩季著生藻類密度沿程變化圖

就冬季而言，密度最小值從宜昌變為荊州，但變化趨勢基本未發生變化，從荊州段開始著生藻類密度沿程增加，至鄂州和黃岡段交界處達到峰值，期間不再出現同夏季一樣武漢段密度回落的現象；雖然2017年夏季，黃石段相比黃岡段密度不降反升，但整合兩年數據來看黃石段密度依舊是下降趨勢。

3.5 著生藻類種類數空間變化規律

分析著生藻類種類數沿程變化圖（見圖7）可知，著生藻類種類數普遍夏季高于冬季，但鄂州段種類數夏季與冬季比較接近，種類數沿程變化具有明顯季節性。就夏季而言，種類數總體呈現沿程“先上升后下降再上升”的趨勢。宜昌至武漢段，種類數沿程增加；至鄂州段有明顯回落，降至21種左右；隨后種類數又逐漸上升，至黃石段，種類數基本與下降前的武漢段持平。

就冬季而言，種類數變化幅度不如夏季明顯，總體呈現“先下降后上升在下降”的趨勢，與夏季趨勢恰好相反。宜昌至荊州段種類數沿程下降；隨后種類數沿程不斷上升，至鄂州段達到峰值；隨后種類數又逐漸下降，至黃石段，種類數基本與荊州段持平。

圖7 2017年～2018年夏冬兩季著生藻種類數沿程變化圖

4 結論

本文對長江湖北段著生藻類群落結構從時間變化和空間變化兩方面進行分析，時間變化規律的研究對象包括著生藻類密度、主要功能群分布、種類數以及多樣性指數，空間變化規律的研究對象包括著生藻類密度、種類數以及多樣性指數。對其密度組成分析顯示，著生藻類密度總量具有夏高冬低的特點。對其主要功能群組成分析顯示，主要功能群涵蓋了大部分著生藻類，總密度具有冬高夏低的特點。對其多樣性指數分析顯示，Margalef豐富度指數具有夏高冬低的特點；Pielou均勻度指數季節差異不顯著。著生藻類群落結構空間變化規律不明顯，著生藻類總密度沿程呈現“先上升后下降”的趨勢。