淮河河南段着生藻类群落结构与环境因子的关系

白 荟，李发站，王化儒

(华北水利水电大学环境与市政工程学院，河南 郑州 450046)

着生藻类是指广泛存在于水体中的各类人工或天然基质上的微观植物群落[1]。着生藻类是河流生态系统重要的初级生产者，在水生生态系统中发挥着关键作用，其生境类型多样、种类繁多、群落结构复杂，容易受到环境变化和人类活动的影响。当栖息地破坏、水体富营养化和水体重金属污染等情况发生时，着生藻类群落组成和相对丰度会随环境因素而波动[2]。由于其生命周期短，能够对河流水质或环境变化产生快速响应，且不同藻类对不同污染物有不同的耐受性、敏感性和适应性，是开展河流生态与环境变化响应关系研究的重要指示性生物研究之一，受到了广泛的关注。

淮河位于我国东中部，介于长江和黄河两大流域之间，面积达27多万km2，由于人类生产活动的干扰，对河流生境产生了不利的影响，生物多样性下降[3]。近年来，许多学者对淮河流域的浮游植物[4]、浮游动物[5]、底栖动物[6-7]等进行了研究，但对着生藻类的研究分析较少。本研究于2021年4月和9月分别进行了淮河河南段着生藻类群落结构调查，并同步进行了水环境监测分析，探讨了水的物理和化学性质以及藻类细胞丰度在时间和空间上的差异，探索着生藻类对环境的响应机制，为深入推进淮河生态保护和修复提供一定的基础支撑作用。

1 材料与方法

1.1 采样时间与地点

于2021年4月(平水期)和9月(丰水期)在淮河干支流共设置9个样点进行调查采样(S1：大坡岭、S2：出山店水库、S3：长台关、S4：梅黄、S5：息县、S6：南湾水库、S7：平桥公园、S8：竹竿镇、S9：南李店)，其中淮河干流采样点5个，浉河采样点2个，竹竿河采样点2个，点位布置图如图1所示。

1.2 样品采集与测定

每个样点选择河流斜坡且距离水面0.1～0.3m藻类生长的地方作为着生藻类样品采集区域，随机采集5块不同的卵石、砾石以及树木残干等基质，取样面积为100cm2。将采集获得的基质在水中轻轻晃动，以清除松散附着的表面污染物。将基质从水中取出并置于洁净搪瓷盘中，用纯水轻微冲洗基质表面的松散泥沙，并用毛刷、镊子、小刀用力刮刷基质表面30s以上，至基质表面无肉眼可见的生物着生印迹。用纯水冲洗采样工具，使用样品瓶收集冲洗液并用1%鲁哥氏液固定。带回实验室浓缩、沉淀后，每个样品定容至30mL。摇晃均匀后，取0.1mL样品置于浮游生物计数框中，物种鉴定和计数在显微镜下进行，放大倍数为400倍或1000倍[8]。

水温采用WQG-17表层水温度计测定，溶解氧采用上海雷磁便携式溶解氧分析仪测定，pH值使用pH值测试表进行测定。高锰酸盐指数、氨氮、化学需氧量、总磷和氟化物等参照《水和废水监测分析方法》[9]进行测定。

1.3 数据处理与分析

运用Shannon-Wiener多样性指数H′、Margalef丰富度指数D、Simpson多样性指数D以及优势度Y指数描述着生藻类群落特征，计算公式：

Shannon-Wiener多样性指数：

(1)

Margalef丰富度指数：

D=(S-1)/log2N

(2)

Simpson指数：

(3)

优势度指数：

Y=(ni/N)fi

(4)

(当优势度指数Y>0.02时，定为优势种)

式中，ni—第i种生物的个体数；N—总个体数；Pi—第i种生物个体数占总个体数的比值；S—一个取样点生物的物种总数；fi—某个种类在样点中出现的频率。

水质判定标准：选用Shannon-Wiener多样性指数和Margalef丰富度指数对水质进行评价。H′值0～1.0为重度污染，1.0～3.0为中度污染(其中，1-2为α中污，2-3为β中污)，>3.0为轻度污染或无污染；D>5为水质清洁，>4为寡污型，>3为β中污型，<3为α中污型[10]。

运用Excel 2007软件进行数据分析并作图，使用CANOCO5软件进行冗余分析，并用Origin2021进行作图。物种丰度及环境数据除pH值外都进行lg(x+1)转换。

2 结果与分析

2.1 淮河流域水环境分布特征

表1 淮河流域环境因子状况

图2 各点位环境因子情况

2.2 着生藻类群落结构特征

2.2.1群落组成

通过对各采样断面的着生藻类进行定性分析，平水期和丰水期共检出着生藻类8门194种，其中硅藻门种类最多，为130种，占67.01%；绿藻门为38种，占19.59%，蓝藻门为17种，占8.76%；裸藻门为3种，占1.55%；隐藻门和甲藻门均为2种，分别占1.03%；金藻门和黄藻门均为1种，分别占0.52%。

从不同水期着生藻类种类组成看，平水期共鉴定出8门117种，其中硅藻门种类最多，为92种，占78.63%，其次为蓝藻门和绿藻门，为10种，分别各占8.55%，甲藻门、裸藻门、隐藻门、金藻门、黄藻门均为1种，各占0.85%。丰水期共鉴定出6门129种，其中硅藻门82种，占63.57%，其次为绿藻门，为27种，占20.93%，蓝藻门15种，占11.63%，裸藻门3种，占2.33%，隐藻门和甲藻门均为1种，占0.78%。

着生藻类种类时空分布如图3所示，其中平水期共鉴定出8门95种，浉河8门46种，竹竿河8门34种；丰水期共鉴定出5门84种，浉河6门81种，竹竿河2门23种。各区域着生藻类物种数变化显著，浉河不同水期物种数变化明显，其余区域无显著差异。

图3 着生藻类种类分布时空变化

图4 着生藻类相对丰度与细胞丰度

2.2.2丰度和生物量时空分布

淮河河南段着生藻类丰度和生物量情况见表2。平水期各点位着生藻类丰度为0.0216×106～0.7106×106cells/cm2，平均值为0.3159×106cells/cm2，生物量为0.0074～1.0203mg/cm2，平均值为0.2726mg/cm2；丰水期各点位着生藻类丰度为0.0052×106～2.0405×106cells/cm2，平均值为0.6558×106cells/cm2，生物量为0.0011～0.4060mg/cm2，平均值为0.1599mg/cm2。不同时期着生藻类丰度和生物量存在显著差异。

表2 着生藻类丰度和生物量

从不同门类着生藻类丰度看：平水期，硅藻门丰度最高，为1.4073×106cells/cm2，甲藻门丰度最低，为0.000274508×106cells/cm2；丰水期，蓝藻门丰度最高，为4.7276×106cells/cm2，甲藻门丰度最低，为0.00072×106cells/cm2，丰水期着生藻类的丰度大于平水期着生藻类的丰度。

从不同门类着生藻类生物量看：平水期，硅藻门生物量最高，为1.4713mg/cm2，金藻门生物量最低，为0.0016mg/cm2；丰水期，硅藻门生物量最高，为0.8605mg/cm2，隐藻门生物量最低，为0.000073mg/cm2。

从各区域丰度和生物量来看，两个水期着生藻类丰度和生物量分布均依次为淮河干流>浉河>竹竿河。除淮河干流外，各区域着生藻类丰水期生物量均大于平水期生物量。

2.2.3优势种

根据优势度指数，Y>0.02的着生藻类被列为优势种。淮河河南段常见着生藻类优势种有20种，其中平水期共有16种，丰水期9种，主要以硅藻门、蓝藻门、绿藻门组成。平水期主要以硅藻门为主，丰水期以蓝藻门为主。不同时期的着生藻类优势种及变化见表3。

表3 不同时期着生藻类优势种指数变化

2.2.4生物多样性指数

淮河河南段着生藻类多样性指数包括物种数、丰富度指数、均匀性指数和Shannon-Wiener多样性指数。如图5所示，淮河河南段平水期和丰水期物种数分别在9～43和5～52之间，丰水期高于平水期，两者差异不显著(F=1.416，P=0.251)；Shannon-Wiener多样性指数范围分别在1.69～2.78和0.9～2.68之间，均值为2.02，平水期高于丰水期，两者差异不显著(F=1.21，P=0.288)，参照H′值水质评价标准，为α-β中污染状态；Margalef丰富度指数分别在0.8～3.12和0.47～3.56之间，均值为2.06，丰水期高于平水期，两者差异不显著(F=1.226，P=0.285)，参照丰富度水质评价标准，为α中污型水质；Simpson指数分别在0.62～0.91和0.14～0.90之间，均值为0.75，平水期高于丰水期，两者差异不显著(F=1.401，P=0.254)。综合来看，淮河河南段水质为α-β中污型状态。淮河河南段水质评价见表4。

表4 基于生物多样性的淮河河南段水质评价

图5 淮河河南段着生藻类多样性指数

2.3 着生藻类群落结构与环境因子之间的冗余分析

以着生藻类各门类丰度数据为响应变量，首先进行去趋势对应分析(DCA)分析。DCA分析结果显示，平水期排名轴上最大长度梯度为1.18；丰水期排名轴最大长度梯度为1.32。平水期和丰水期都采用RDA分析来解释环境因素对着生藻类生物群落的驱动作用。

对平水期着生藻类与环境因子进行RDA分析(如图6所示)，结果表明，前4个轴共解释了着生藻类丰度83.69%的变异情况，轴1和轴2的特征值分别为0.2738、0.1876。根据蒙特卡洛前向选择方法检验后，显示高锰酸盐指数与总磷与着生藻类丰度有显著相关性，甲藻、硅藻、隐藻与高锰酸盐指数和总磷呈显著正相关(P<0.05)，裸藻、黄藻与总磷呈显著负相关(P<0.05)。

对丰水期着生藻类与环境因子进行RDA分析(如图7所示)，结果表明，前4个轴共解释了着生藻类丰度81.61%的变异情况，轴1和轴2的特征值分别为0.3206、0.1893。根据蒙特卡洛前向选择方法，共筛选出3个环境变量解释着生藻类群落结构变异，包括溶解氧、pH、高锰酸盐指数。结果显示，甲藻和绿藻与溶解氧呈显著负相关(P<0.05)；硅藻、蓝藻、甲藻与pH呈显著正相关(P<0.05)；绿藻、裸藻与高锰酸盐指数呈显著正相关(P<0.05)。

图7 丰水期RDA

3 讨论

3.1 着生藻类群落结构

从关于淮河流域着生藻类的研究来看，李睿等在2002年4、6月对淮河流域南湾水库着生藻类进行调查，结果表明该水库主要由硅藻、蓝藻等组成[11]；胡帆等在2021年平水期对淮河流域淮安段着生藻类进行调查，共检出着生藻类3门23科32属，硅藻门占主要优势种[12]。本研究在淮河流域河南段平水期和丰水期共检测出着生藻类194种，物种组成以硅藻门为主；着生藻类丰度组成平水期为硅藻-蓝藻型，丰水期为蓝藻型，与之前调查相似。淮河硅藻分布广泛，种类繁多，可能与其较强的繁殖能力和环境的适应能力有关[13]。硅藻门种类通常喜低温环境，而蓝藻门则偏好高温环境[14]。本研究中，淮河河南段平水期水温10.2～15℃，丰水期水温12.4～19.2℃，丰水期水温略高于平水期，这可能是丰水期硅藻门相对丰度减少而蓝藻门相对丰度增加的原因。

3.2 着生藻类生物多样性指数及水质评价

在水质评估系统中，生物多样性指数是表明和评估水体健康和营养状况的一个重要参数[15]。Shannon-Wiener多样性指数和Margalef丰富度指数的评价标准为多样性指数越高，其种类结构越复杂，群落稳定性越大，水质越好[16]。本研究中Shannon-Wiener多样性指数平水期高于丰水期，而Margalef丰富度指数丰水期高于平水期，两个指标所指示的不同时期水质变化趋势不同，但水质评价结果基本相似，除息县和竹竿镇丰水期水质较差，为重度污染，其余点位不同时期都为α-β中污型状态。

3.3 影响着生藻类群落结构的环境因子

着生藻类群落结构受其生物学特征、水温、pH、营养盐等条件共同影响[17-19]。本研究结果显示，平水期淮河河南段着生藻类的丰度与高锰酸盐指数和TP有关，而丰水期主要与pH、DO、高锰酸盐指数有关，不同季节影响着生藻类群落结构的因素不同。有些环境因素在一定时期内是限制因素，但其限制情况也会随着季节和时间的变化而变化[20]。营养盐是限制着生藻类群落结构的关键因子，本研究中，高锰酸盐指数平水期(4.08)高于丰水期(3.31)，而蓝藻的相对丰度在丰水期增加，冗余分析表示，高锰酸盐指数与蓝藻呈负相关关系。一般情况下，在合适的氮磷比值范围内，藻类繁殖速度与水体中的磷浓度呈正相关关系[10]，与本研究结果相符合。营养盐可认为是着生藻类生长的主要驱动环境因子。溶解氧与pH含量的变化与藻类的生长密切相关。张澎浪等人研究表明溶解氧主要来源于藻类的光合作用，当光合作用的产氧速率远远大于呼吸作用的耗氧速率时，溶解氧最高可达到饱和溶解氧的3倍[21]。pH呈弱碱性时，会促进藻类加快光合作用[22]，淮河流域大部分点位为弱碱性，对着生藻类的生长起促进作用，随着水中藻类含量的增加，溶解氧含量将增大，pH值亦将增大。

4 结论

(1)淮河河南段共检测出着生藻类8门194种，其中优势种20种，主要门类为硅藻门、蓝藻门、绿藻门。

(2)着生藻类丰度时空变化显著，丰度从大到小依次是淮河干流、浉河、竹竿河。平水期，硅藻门丰度最高，为1.4073×106cells/cm2；丰水期，蓝藻门丰度最高，为4.7276×106cells/cm2，着生藻类的丰度丰水期大于平水期。

(3)从多样性指数来看，淮河河南段水质为α-β中污型状态。

(4)RDA分析结果显示，平水期甲藻、硅藻、隐藻与高锰酸盐指数和TP呈显著正相关，裸藻、黄藻与TP呈显著负相关。丰水期甲藻和绿藻与DO呈显著负相关；硅藻、蓝藻、甲藻与pH呈显著正相关；绿藻、裸藻与高锰酸盐指数呈显著正相关。