乐安河源区水库底栖硅藻分布特征及环境响应分析
时间：2022-12-08 18:05:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
金 毅，王 浩，严如玉，计 勇*，胡倩楠，柏东辰
(1.南昌工程学院瑶湖学院，江西 南昌 330099；
2.河北工程大学水利水电学院，河北 邯郸 056000；
3.南昌工程学院水利与生态工程学院，江西 南昌 330099)
底栖硅藻作为初级生产者处于水库生态系统的始端，其物种多样性高且不同种类对环境的耐受性差异大，是湖库水环境中可靠的指示种。Schmidt等[1]认为营养盐浓度变化会使底栖硅藻优势种发生改变，Smith等[2]认为底栖硅藻对酸碱度敏感，因此国内外广泛应用底栖硅藻这一指示物种进行水体营养水平及污染特征的评估[3-5]。董旭辉等[6]通过长江中下游地区湖泊表层沉积硅藻及多次季节性水样调查分析，研究了57个常见硅藻属种对总磷指标的生态学特征，认为硅藻组合与湖泊营养态的变化相响应。此外，硅藻组合还可以在一定程度上指示草型及藻型湖泊的特征。刘静[7]以东江流域为研究区域，认为营养水平对东江流域底栖硅藻的集合群落的变化解释能力最强。杨军飞[8]研究调查了鄱阳湖南矶山保护区的水质参数，探究了欧洲硅藻指数在南矶山碟形湖内的适用性。同时通过主成分分析和冗余分析认为南矶山碟形湖历史环境变化的主要驱动因素为总氮、总磷，为后续湖泊生态系统的演变提供了理论支持。
乐安河是鄱阳湖流域“五河一湖”中饶河的干流，发源于江西省东北部的婺源县，全长279 km，流域面积8 456 km2。乐安河中下游的德兴、乐平等地区，蕴藏丰富的矿产资源，矿业发达，促进了该地的经济发展。但是，持续的开采使得周边地区重金属元素含量超标，生活质量得不到的保障。简敏菲等[9]通过采集乐安河两岸及鄱阳湖典型湿地区域的底泥、表土、上覆水进行重金属含量分析，认为样品中Cu污染和Cd污染主要源于矿山开采排放的重金属酸性废水，许多学者在其基础上对乐安河流域进行重金属时空分布特征及风险评价[10-12]。夏桢妍[13]以乐安河流域12个样点的附生硅藻为研究对象，探讨重金属污染与附生藻类的标志物响应。本文以乐安河源区水库底栖硅藻为研究对象，分析底栖硅藻属种分布特征、提取底栖硅藻指示物种，为基于硅藻的生物监测工作提供硅藻名录，为乐安河水系健康监测方案制定和水生态保护与目标管理提供依据。
1.1 区域概况及采样点设置
婺源县地处赣、浙、皖三省交界处，县内具有江湾景区、大鄣山卧龙谷景区等著名景点，生态环境优良。婺源县以农业休闲旅游的优先发展的目标，使得林地、草地等生态空间转为了农田、果林等生产空间[14]，加之金矿的开采，水源地水质较前些年均有不同程度的下降[15]。
乐安河有东西二源，其东源头是赣皖边界五龙山南麓的段莘水，西源头是浮梁县与婺源县边界香油尖东南麓的古坦水[16]。本研究在婺源县共设置了11个代表性采样点进行底栖硅藻的采集和理化因子的采集，具体位置见图1。其中鸳鸯湖景区大塘坞水库4个(DTW1—DTW4)，中云镇石井水库3个(SJ1—SJ3)，清华镇清华水库4个(QH1—QH4)。采样时间为2020年12月，属于枯水期。
图1 采样点分布
1.2 样品采集及处理
本研究参考刘静等[17]的方法进行样品采集，样点选取地势相对开阔的水域，采样范围为5 m× 5 m内[18]，样品用干净软质牙刷在石头表面(向阳)进行附着物的刮取。刷洗后装入50 mL的采样瓶中，并加入乙醇固定保存。同时使用聚乙烯瓶采集硅藻采样点附近水面下0.5 m处的水样1 L，水样采集完毕后及时运回实验室且放置阴凉处。
硅藻样品的处理与制片采用ECRC标准硅藻处理方法[19]。具体处理方法和制片过程如下：对各样点编号后量取适量的硅藻样品置于50 mL的离心管中，在80℃下水浴加热同时在通风环境下加入适量浓HCl(37%)直至停止冒出大量气泡为止，加入适量的H2O2(30%)搅拌均匀去除有机质。用超纯水水洗并离心，离心前应定容到30 mL且去除上清液，直至洗至中性。取100 μL样品滴在干净的2 cm×2 cm的盖玻片上，用电热板烘干后将其盖于滴有树胶的洁净载玻片上烘干。
使用奥林巴斯型显微镜(CX31)在1000放大倍数下随机选取不同视域进行观察和统计。硅藻壳体面积的破损程度大于1/4的不计入总数，每个样品镜检的硅藻壳数目不小于300，鉴定具体到硅藻的种等级。硅藻鉴定主要参考文献[20-21]。
1.3 环境指标测定及评价
1.4 数据分析
使用Origin 2021对硅藻及水环境指标进行分析处理，确定硅藻的相对丰度及硅藻优势种，计算如平均值、最小值、最大值，标准偏差等描述性数据；
通过硅藻相对丰度计算各样点真香农多样性指数(HT)进行底栖硅藻生物多样性分析；
通过Pearson相关性分析研究对其硅藻群落结构和各环境因子之间的相关关系；
利用Canoco 5.0对采样点理化指标标准化处理(进行lg(x+1)转换)后，采用冗余分析(RDA)阐述影响表层硅藻分布的主要环境因子及其空间变化过程，分析各环境因子与硅藻的响应关系。
2.1 底栖硅藻群落结构
在采集的11个样点中共鉴定出硅藻24属73种，羽纹纲21属67种其所占比例为91.78%，中心纲3属6种其所占比例为8.21%。小环藻属(Cyclotella)、直链藻属(Melosira)、舟形藻属(Navicula)、异极藻属(Gomphonema)、曲壳藻属(Achnanthes)和针杆藻属(Synedra)空间分布最广，为主要优势属，硅藻种数分别为5、3、12、10、9、7种，硅藻种数所占比例分别为6.85%、4.11%、16.44%、13.70%、12.33%、9.59%。优势种(相对丰度大于2%的硅藻种)共计20个，如MVAR、MGAN、MGRA、CSTE、NVIR、ABRE、CPLA等，具体优势种分布见图2。CSTE在3个水库所占比重最大，且分布广泛，是主要优势种。对底栖硅藻的空间分布特征分析可知：SCCL以及MGRA、MVAR、MGAN所代表的直链藻属在石井水库分布较为集中，其所占百分比远大于其他2个水库；
NCTE、SAMP、SBER也集中在清华水库分布；
FVIR、NCTE和NVIR在大塘坞水库呈现为密集分布；
舟形藻属和小环藻属在大塘坞水库和清华水库占优势地位，石井水库则几乎没有出现舟形藻属。MGAN在SJ2所占比为8%，为SJ1和SJ3的2倍。值得注意的是源区水库出现SAMP、CSTE这2个广泛分布在四川、湖北等地的硅藻属种，印证了各水系之间的联系。
注：MVAR—Melosira varians；
MGAN—Melosira granulata var.angustissima；
MGRA—Melosira granulata；
CSTE—Cyclotella stelligera；
CMEN—Cyclotella meneghiniana；
NCTE—Navicula cryptotenella；
NCTO—Navicula cryptotenelloides；
NVIR—Navicula viridula；
CPER—Cymbella perpusilla；
CTMD—Cymbella tumidula；
PVIR—Pinruularia viridis；
FVIR—Fragilaria virescens；
SCCL—Synedra cyclopum；
SBER—Synedra berolinensis；
SAMP—Synedra amphicephala；
GCCA—Gomphonema constrictum var.capitatum；
AEHE—Achnanthes exigua var.heterovalvata；
ABRE—Achnanthes brevipes；
ALIN—Achnanthes linearis；
CPLA—Cocconeis placentula。图2 各样点属种分布
2.2 底栖硅藻群落多样性
乐安河源区的大塘坞水库、清华水库、石井水库采样点底栖硅藻种类数的平均值分别为51、42、45种。单个采样点底栖硅藻种类数最高为62种，位于DTW4附近；
最低为28种，位于SJ2附近。大塘坞水库、清华水库、石井水库采样点的真香农多样性指数的平均值分别为13.79、12.14和13.47。单个采样点真香农多样性指数最高为31.25，位于DTW2；
最低为2.11，位于SJ2附近，该样点相对丰度大于1%的硅藻种高达18种，是该点真香农多样性指数较小的主要原因。根据生态环境的不同，对73种硅藻进行功能群划分后发现所占种数最多的是中营养中小型水体硅藻，且对分层敏感[24]。
3.1 环境因子分布特征
表1 采样点环境因子特征 单位：mg/L
3.2 环境因子评价与分析
选取Chla、TP、TN、SD、CODMn共5项指标作为湖泊富营养化评价的指标，结果表明：清华水库、大塘坞水库、石井水库的综合营养状态指数分别为38.44(中营养级别)、49.41(中营养级别)、63.52(中度富营养级别)。由此可见，石井水库在3个水库中富营养化程度最高。因此，相关管理人员在注重通过水库来改善民生的同时也要发挥水库的生态效益。
4.1 底栖硅藻与环境因子的相关分析
硅藻的分布呈现多样性，其原因有2个方面，一是以物理因素及化学因素等组成的局部环境因子，二是区域历史因素进化等控制作用，前者被视为影响微生物分布的决定性因素。水库底栖硅藻丰度和水环境因子之间的关系是非确定性关系，即为相关关系。由于所测水环境因子是连续变量，则采用Pearson相关性关系分析较为合适，其相关性分析结果见图3，缩写代表的含义同图2。
图3 底栖硅藻属种与环境因子之间的Pearson相关关系
结果表明：NCTE与MVAR、MGAN、MGRA、CSTE成较强的负相关关系，相关系数大，表现为显著相关。CSTE与CMEN、PVIR、SAMP、SBER成较强的负相关关系，相关系数大，表现为显著相关；
同时SBER与CTMD、ALIN成正相关关系，且表现为显著相关。
4.2 底栖硅藻与环境因子的RDA分析
为揭示乐安河源区水库底栖硅藻的主要驱动因子，结合优势硅藻数据与水环境指标数据进行了RDA分析，排序见图4。图中红色箭头指向环境变量，绿色箭头指向各硅藻种，缩写代表的含义同图2。
图4 底栖硅藻属种与样品和环境因子的RDA分析
通过对乐安河源区水库底栖硅藻分析数据进行系统整理与研究，查清了婺源县石井水库、清华水库、大塘坞水库底栖硅藻的空间分布特征，并探讨了硅藻分布与水环境之间的响应，得到以下结论。
a)3个水库中共鉴定出硅藻24属73种，优势种20个，所占种数最多的是中营养中小型水体硅藻。CSTE、MGRA、ABRE、CPLA等为主要优势种。
b)通过各样点水样的测定，判断出清华水库的水质情况最优，大塘坞水库次之，石井水库最差。清华水库水质良好，符合先前预期；
大塘坞水库作为饮用水源水库，有机污染较高，应该加强对水库的管理；
石井水库的水质情况可能是其水产养殖业和旁边的农场所致，应加强管控。
