柳江流域不同水文季节水质对附生硅藻群落的影响研究

生 态 科 学 39(1): 10–19

月 Ecological Science Jan. 2020

李佳静, 刘威, 邓培雁. 柳江流域不同水文季节水质对附生硅藻群落的影响研究[J]. 生态科学, 2020, 39(1): 10–19.

LI Jiajing, LIU Wei, DENG Peiyan. The effects of water quality on epilithic diatom community in different hydrological seasons in Liujiang River Basin[J]. Ecological Science, 2020, 39(1): 10–19.

柳江流域不同水文季节水质对附生硅藻群落的影响研究

李佳静1, 刘威2, 邓培雁1,*

1. 华南师范大学化学与环境学院, 广州 510631 2. 广州大学环境科学与工程学院, 广州 510405

【摘要】为研究溶解氧(DO)、化学需氧量(CODMn)、氨氮(NH4+-N)、汞(Hg)、铅(Pb)、砷(As)和镉(Cd)在枯水期和丰水期变化对附生硅藻群落结构的影响, 分别于 2017 年 3 月和 6 月对柳江流域进行了调查分析, 旨在为深入研究柳江流域硅藻群落分布特征奠定基础, 以期为该流域水质的利用和管理提供理论依据。柳江流域共鉴定出附生硅藻 137 种, 隶属于 6 目 9 科 34 属。各采样点硅藻丰富度变化范围为 13—42 种, 呈现为丰水期高于枯水期。硅藻优势种组成在枯、丰水期分别有 5 种和 8 种, 具有明显的季节演替。聚类分析(Cluster analysis)显示, 硅藻群落结构在时空分布上存在差异, 枯水期可分为 3 个类群, 基本呈现在干流及支流段的上游、中游和下游; 丰水期可分为 2 个类群, 大致分布在流域的中下游和上游。其中, 在枯水期, Cyclotella fottii、Cyclotella. stelligera、Achnanthes minutissima 和 Cymbella laveis 在上游为优势种, A. minutissima 和 Nitzschia valdecostata 在中游丰度较高, 下游优势种为 Navicula cryptocephala、Amphora montana 和 A. minutissima 等; 在丰水期, 中下游优势种主要以 Nitzschia palea 为主, 上游优势种为 A. minutissima、A. montana 和 Achnanthes petersenii 等。主成分分析(Principle component analysis, PCA)和冗余分析(Redundancy analysis, RDA)显示, 枯水期水质因子对硅藻群落的影响为 Pb>Cd>Hg>As>CODMn>DO, 丰水期为 As>DO>CODMn>NH4+-N>Cd。结果表明, 水质因子 Cd、As、DO 和 CODMn 在枯水期和丰水期都对硅藻群落结构的变化起着重要作用, 但重金属因子在枯水期对硅藻影响较大, 而溶解氧在丰水期对硅藻影响较大。

关键词：硅藻群落; 水质; 聚类分析; 冗余分析

doi:10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.01.002 中图分类号：X835 文献标识码：A 文章编号：1008-8873(2020)01-010-10

The effects of water quality on epilithic diatom community in different hydrological seasons in Liujiang River Basin

LI Jiajing1, LIU Wei2, DENG Peiyan1,*

1. School of Chemistry and Environment, South China Normal University, Guangzhou 510631, China 2. School of Environmental Science and Engineering, Guangzhou University, Guangzhou 510405, China

Abstract: To study the effects of changes in seven water quality factors (Dissolved oxygen, DO; Chemical oxygen demand, CODMn; Ammonia nitrogen, NH4+-N; Mercury, Hg; Plumbum, Pb; Arsenic, As; Cadmium, Cd) during the dry and wet seasons on the community structure of epilithic diatoms, we conducted investigations in March and June 2017 respectively in the Liujiang River Basin, aiming to lay a foundation for the further studies on the distribution characteristics of diatom community in the Liujiang River Basin, and also provide the theoretical basis for the utilization and management of water

收稿日期: 2019-02-20; 修订日期: 2019-03-26 基金项目: 广东省水利科技创新项目(2014-16)

作者简介: 李佳静(1993—), 女, 硕士研究生, 主要从事环境生态学研究, E-mail: ljj15088134078@163.com *通信作者: 邓培雁, 女, 博士, 教授, 主要从事污染生态学研究, E-mail: dpy213@126.com

1期 李佳静, 等. 柳江流域不同水文季节水质对附生硅藻群落的影响研究 11

quality. A total of 137 species of epilithic diatoms were identified, belonging to 34 genera 9 families and 6 orders. The diatom richness of each sampling site ranged 13-42 species, with more in wet season than in dry season. There were 5 species and 8 species of dominant species of diatom in dry and wet seasons, with obvious seasonal succession. The cluster analysis showed that there were differences in the spatial and temporal distribution of diatom community structure, which could be divided into 3 groups in dry season, basically located in the upper, middle, lower reaches of the main streams and the tributary sections; but 2 groups in wet season, roughly distributed in the middle-lower reaches and upper reaches of the investigated basin. In dry season, Cyclotella fottii, Cyclotella stelligera, Achnanthes minutissima and Cymbella laveis were found to be the dominant species of the upstream; A. minutissima and Nitzschia valdecostata were more abundant in middle reaches; Navicula cryptocephala, Amphora montana, A. minutissima played a dominant role in the lower reaches. In wet season, the dominant species of the middle and lower reaches were mainly Nitzschia palea; while those in the upstream were A. minutissima, A. montana, Achnanthes petersenii. Based on the principal component analysis (PCA) and redundancy analysis (RDA), the impacts of water quality factors on diatom community were ranked as Pb> Cd> Hg> As> CODMn> DO in dry season, and As> DO> CODMn> NH4+-N> Cd in wet season. The results indicated that Cd, As, DO and CODMn demonstrated an important role in the changes of diatom community structure in different hydrological seasons. Nevertheless, heavy metal parameters showed a greater impact on diatoms in dry season; while the dissolved oxygen had a greater impact on diatoms in wet season.

Key words: diatom community; water quality; cluster analysis; redundancy analysis

0 前言

硅藻是河流生态系统的重要初级生产者, 在生态系统的物质循环和能量流动中起着重要作用[1]。相对于底栖动物和鱼类, 硅藻具有种类繁多、生命周期短、对水环境变化敏感等特征, 其群落结构变化能较好地反映各种污染物对河流累积产生的综合生态效应[2], 常被广泛用作水质监测和水生态健康评价的有效指示生物[3]。

水质、地理因子、人为干扰等是影响硅藻群落形成时空分布特征的重要因素, 而水质被认为是最主要的影响因素[4–6], 这是因为在流域尺度上, 地理因子或者人为干扰都以水质为介质对附生硅藻群落起作用[7]。然而, 河流作为一个动态系统, 其水质理化特征往往因人为活动和地形、降雨等自然因素的驱动而存在不同的时空差异性[8]。不同硅藻对水体中营养物、有机污染物和重金属等的敏感程度和耐受能力不同, 其群落组成在不同的理化条件下也会产生较大差异[9–10]。刘麟菲等[1]报道了渭河水系硅藻群落特征及其水质影响因子在枯水期和丰水期具有显著差异。Dalu 等[6]也强调了水文季节变化下的水质因子对硅藻种类组成, 群落演替的作用程度不同。因此, 阐明水质动态变化对硅藻群落时空变化的影响, 才可更好地利用硅藻进行河流的生态监测与管理。

柳江流域是珠江流域西江水系的第二大支流, 干流全长 751 km, 面积 58520 km2, 发源于贵州省独山县, 跨越黔、桂、湘三省, 是流域周围居民生活和工农业生产的重要水源[11]。同时, 该流域属于雨

源型河流, 受季风影响显著, 4—8 月为雨季, 降水占全年总降水量的 72%, 与其余月份具有明显的丰、枯水期变化特征[12]。目前已有学者对柳江流域支流贝江[13]和龙江[14]的硅藻群落特征进行了研究, 也有学者基于附生硅藻对柳江河流构建了水质多指标的评价体系[3], 但针对柳江流域硅藻群落结构的时空分布特征及其与水质因子关系的研究尚未见报道。为此, 本文运用聚类分析、主成分分析和冗余分析等方法, 研究了水质因子在不同水文季节变化下的硅藻优势种组成及群落结构的时空分布特征, 并阐明水质动态变化对河流附生硅藻的影响, 旨在为深入研究柳江流域硅藻群落的分布特征奠定基础, 以期为柳江流域水质生物监测评价及水质的利用和管理提供理论依据。 1 材料和方法 1.1 采样时间与位置

本研究于 2017 年3月(枯水期)和 6 月(丰水期)分别对柳江流域的附生硅藻和水质进行采样。根据柳江流域不同河段的地形地貌和环境状况等特征, 共设置 19 个采样点(S1—S19), 覆盖柳江流域的干流及支流, 各采样点地理位置分布如图 1 所示。 1.2 采样与分析方法

根据 EN 13946 和 EN 14407 欧盟标准方法[13], 并结合采样点实际情况进行采样, 为减小误差, 确保采样的代表性和准确性, 每个样点采集 3 个平行样本。附生硅藻采样基质选取能抵抗水流、地势开阔处无树荫遮挡的石头, 在每个采样点至

12 生 态 科 学 39卷

图1 柳江流域采样点分布

Figure 1 Location of the sampling sites in Liujiang River Basin

少采集 5 块石头, 用干净的硬牙刷在石块向阳面刷取硅藻, 经自来水冲洗至不锈钢托盘, 并收集刷洗下的硅藻样品装入广口塑料瓶中, 加入 5%甲醛溶液固定保存。

硅藻样品经 30%的过氧化氢溶液加热后消解, 静置去除上清液, 用浓盐酸进行酸化, 洗涤离心后制成封片。在光学显微镜下采用 1000 倍的油镜镜检, 视野内所有完整及破损面积不超过 1/4 的硅藻细胞都要鉴定和计数, 每个玻片鉴定的总数大于 400 个, 鉴定具体到硅藻的种等级。硅藻种类鉴定主要根据 Krammer & Lange-Bertalot 鉴定体系(1986—1991)

[15]

开展。

水样运送回实验室后, 根据《水和废水监测分析方法(第 4 版)》

[16]

测定高锰酸盐指数(CODMn)、

氨氮(NH4+

-N)、砷(As)、汞(Hg)、镉(Cd)、铅(Pb)等水质指标, 水体溶解氧(DO)用多参数水质分析仪(YSI Pro 2000 美国)现场测定。 1.3 数据处理与分析

Czekanowsiki 相似系数计算公式为:

Sc2C(AB)100% (1)

优势种以优势度指数(Y>0.02)判断, 其计算公式为:

YPi*fi (2)

式中, A、B 分别为枯、丰水期水体中的硅藻种类数, C 为 2 个水期水体中共有的种类数, fi 为第 i 种

的出现频率, Pi 为第 i 种的个体数与样品中总个体数的比值。

选择至少在2个采样点中出现且相对丰度超过

1%的硅藻种, 其种类拉丁文名的缩写见附录。运用主成分分析(PCA)筛选出枯、

丰水期对硅藻群落影响较为显著的水质驱动因子。然后对硅藻相对多度进行降趋势对应分析(Detrended correspondence

analysis, DCA), 用物种单峰影响值梯度来判断是线型分布还是单峰型分布, 以判定影响硅藻群落结构分布的水质因子。单因素方差分析和聚类分析在

IBM SPSS 19.0 软件中处理, PCA 和 DCA 分析等在 Canoco

4.5 软件中完成。 2 结果与分析 2.1 硅藻群落种类组成

共鉴定出附生硅藻137种, 隶属于6目9科34属, 舟形藻属(Navicula)和曲壳藻属(Achnanthes)在各采样点中均有出现, 为该流域的主要优势藻属。枯、丰水期硅藻种数分别为 99 种和 102 种, 种类相似系数为 63.68%。枯水期各采样点硅藻丰富度的范围为 13—35 种, 平均值为 21 种, 丰水期各采样点硅藻丰富度的范围为 16—42 种, 平均值为

31 种(图 2)。在水文季节变化上, 表现为丰水期明显高于枯水期。 2.2 硅藻优势种

两次调查共发现硅藻优势种为 11 种, 其中枯水期有5种, 丰水期有8种, 优势度指数为0.021—

0.363 (表 1)。硅藻优势种组成随水文季节变化呈现明显的更替状态, 极小曲壳藻(Achnanthes minutissima)和隐头舟形藻(Navicula cryptocephala)

图2 各采样点硅藻种类丰富度

Figure 2 Species richness of diatoms at each sampling site

1期 李佳静, 等. 柳江流域不同水文季节水质对附生硅藻群落的影响研究 13

在枯、丰水期都成为优势种, 而 Cyclotella fottii、具星小环藻(Cyclotella stelligera)和 Cymbella laveis 仅在枯水期为优势种, Amphora montana、Achnanthes petersenii、Cymbella minuta、变异直链藻(Melosira varians)、短喙舟形藻(Navicula rostellata)和谷皮菱形藻(Nitzschia palea)仅在丰水期为优势种。 2.3 硅藻群落聚类分析

在同等相似水平下, 枯水期聚类分析将 19 个样点划分为 3 个硅藻类群(图3), 类群 A1 优势种

表1 柳江流域硅藻优势种组成

Table 1 Composition of dominant species of diatoms in Liujiang River Basin

时间

种类

占总个数的出现频

优势度Y

比例Pi /% 率fi /%

组成包括 C. fottii、C. stelligera、A. minutissima 和 C. laveis 等; 类群 A2 优势种 A. minutissima 和 Nitzschia valdecostata 的丰度较高; 类群 A3 优势种为 N. cryptocephala、A. montana和A. minutissima 等(表2)。丰水期 19 个样点被划分为 2 个硅藻类群(图3), 类群 B1 优势种组成主要以 N. palea 为主; 类群 B2 优势种为 A. minutissima、A. montana 和 A. petersenii 等(表3)。 2.4 水质因子及其主成分分析

枯水期 DO 随着类群 A1、A2、A3 在空间分布上的变化呈现依次降低的趋势, 其他水化学指标相反。丰水期 DO 随着类群 B1、B2 的变化呈上升趋势, 其他指标则相反(表 4)。单因素方差分析结果表明, 水质理化指标在枯、丰水期存在显著性差异(P< 0.05), 且 DO、CODMn、NH4+-N、Hg、Cd 和

Achnanthes minutissima 36.30 100 0.363

Cyclotella fottii 4.55 73.68

枯水期

Cyclotella stelligera 4.71 63.16Cymbella laveis 4.69 73.68Navicula cryptocephala 4.61 94.74Amphora montana 4.10 73.68Achnanthes petersenii 2.95 73.68Cymbella minuta 2.87 73.68Melosira varians 2.91 78.95Navicula cryptocephala 3.43 84.21Navicula rostellata 2.95 84.21Nitzschia palea 10.31 94.74

0.030 0.044 0.022

0.034

Pb 在丰水期的平均值均高于枯水期。主成分分析

选定与两主轴相关系数大于 0.3 和 Pb; 丰水期为 DO、CODMn、

(PCA)结果表明, 0.035

的因子为主要水质驱动因子, 枯水期为 DO、

0.030 CODMn、As、Hg、Cd

NH4+-N、As 和 Cd。

2.5 硅藻群落与水质因子的关系

Achnanthes minutissima 29.82 100 0.298

丰水期

0.021 0.023 0.029

DCA 显示枯、丰水期的排序轴梯度最大值为

故应采用冗余分析(RDA)

2.545 和 2.414, 均小于 3.0, 表明柳江流域硅藻物

0.025 种对水质的响应是线性的,

0.098 来分析硅藻群落与水质因子之间的关系。

图3 枯水期(a)和丰水期(b)各样点硅藻群落的聚类分析

Figure 3 The cluster analysis of diatom communities in dry season (a) and wet (b) season

14 生 态 科 学 39卷

表2 枯水期各类群硅藻优势种

Table 2 Dominant species of diatoms in various groups in dry season

类群

采样点 S5 S8

A1

S2 S7 S1 S11 S3 S9 S15

A2

S10 S14 S17 S6 S18 S19

A3

S12 S16 S13

优势种

A. minutissima, C. stelligera, C. fottii

C. fottii, C. stelligera C. fottii, C. stelligera C. laveis, C. stelligera A. minutissima, C. fottii C. fottii, C. stelligera A. minutissima A. minutissima

A. minutissima, Nitzschia valdecostata A. minutissima, Encyonema subalpinum A. minutissima, Nitzschia valdecostata A. minutissima, Nitzschia valdecostata A. minutissima, Encyonema subalpinum

A. montana A. petersenii, A. montana A. minutissima, N. cryptocephala A. minutissima, N. cryptocephala N. cryptocephala, A. montana Gomphonema parvulum, N. cryptocephala

表3 丰水期各类群硅藻优势种

Table 3 Dominant species of diatoms in various groups in wet season

类群

采样点S16 S19 S17

B1

S10 S18 S12 S14 S2 S4 S5 S6 S1 S15

B2

S9 S11 S3 S7 S13 S8

优势种

N. palea, Sellaphora pupula, N. rostellata

N. palea, Sellaphora pupula N. cryptocephala, M. varians

M. varians, N. palea N. rostellata, N. palea N. palea, A. montana N. palea, A. minutissima A. minutissima, N. palea A. minutissima, Cymbella minuta A. minutissima, Delicata delicatula A. minutissima, Luticola mutica A. minutissima, Delicata delicatula A. minutissima, Gomphonema pumilum

A. montana, A. minutissima A. minutissima, A. montana A. minutissima, A. montana A. minutissima, A. petersenii A. minutissima, A. montana A. petersenii, Diadesmis contenta

S4

表4 水质理化特征(平均值±标准差)

Table 4 Physical and chemical characteristics of water quality (Mean ± SD)

枯水期

水质因子 DO/(mg·L–1) CODMn/(mg·L–1) NH4+–N/(mg·L–1) As/(μg·L–1) Hg/(μg·L–1) Cd/(μg·L–1) Pb/(μg·L–1) 注: - 表示未检出。

丰水期

A1 A2 A3 B1 B2 9.04 ± 0.69 0.88 ± 0.41 0.04 ± 0.02 2.667 ± 3.815

– – 0.628 ± 0.413

8.06 ± 0.87 1.40 ± 0.43 0.11 ± 0.08 7.429 ± 3.110 0.004 ± 0.007

– 1.143 ± 0.525

7.10 ± 1.33 1.83 ± 0.61 0.26 ± 0.12 13.667 ± 7.040 0.043 ± 0.056 0.162 ± 0.319 2.670 ± 2.580

9.97 ± 0.95 2.08 ± 0.28 0.38 ± 0.14 1.799 ± 0.623 0.049 ± 0.023 0.381 ± 0.331 4.895 ± 2.454

11.80 ± 0.88 1.57 ± 0.17 0.16 ± 0.11 0.895 ± 0.363 0.033 ± 0.031 0.247 ± 0.232 2.546 ± 1.746

RDA 分析结果显示, 枯水期轴 1 与轴 2 的特征值为 0.116 和 0.099, 丰水期前两轴的特征值分别为 0.133 和 0.064, 结合物种-环境关系的累积百分比, 枯、丰水期分别解释了硅藻群落变化的

位于第三象限, 与轴 1 和轴 2 均呈负相关(图 4); 在丰水期, Cd、As 和 NH4+-N 位于第一轴的右侧, 与轴 1 呈正相关, DO 位于第一轴的左侧, 则呈负相关,

CODMn 位于轴 2 的下方, 与轴 2 呈负相关(图 5)。同时结合水质因子与前 2 轴的相关性分析结果(表

59.7%和 60.3%, 说明枯、丰水期的 RDA 排序图都能较好地反映硅藻种类分布与水质因子之间的相关关系。在枯水期, 重金属因子 Pb、Cd、Hg、As 和

5), 可以看出枯水期主要水质驱动因子对硅藻群落分布的影响程度依次表现为Pb>Cd>Hg> As>CODMn>

CODMn 位于第一轴的右侧, 与轴 1 呈正相关, DO DO, 丰水期则表现为As>DO>CODMn> NH4+-N>Cd。

1期 李佳静, 等. 柳江流域不同水文季节水质对附生硅藻群落的影响研究 15

图4 枯水期硅藻物种与水质因子的RDA排序图

Figure 4 RDA ordination diagram of diatom species and water quality factors in dry season

图5 丰水期硅藻物种与水质因子的RDA排序图

Figure 5 RDA ordination diagram of diatom species and water quality factors in wet season

表5 RDA前2轴与水质因子之间相关系数

Table 5 Correlations between water quality factors and the first two axis of RDA

项目

枯水期 丰水期

轴1

轴2

轴1

轴2

DO –0.5433 –0.5652 –0.5948 0.1938 CODMn 0.5757 –0.2526 0.0796 –0.5181 NH4+

–N

0.4841 –0.3595

As 0.5796 0.1711 0.7706 –0.1297 Hg 0.6733 –0.2030 Cd 0.7021 –0.4033 0.4719 0.2703

Pb 0.7558 –0.1365

RDA 排序图表明, 硅藻优势种与水质驱动因子的对应关系趋势在不同水文季节表现基本一致。

其中, 硅藻优势种 A. minutissima、C. laveis、Aulacoseira ambigua 和 C. stelligera 等都分布在轴

2 的左侧, 主要与溶解氧呈正相关, 表现出偏好溶解氧高, 有机负荷程度低, 重金属污染小的水环境; 而硅藻 A. montana、A. petersenii、N. cryptocephala、M. varians、C. minuta、N. palea 和 N. rostellata 等则分布在轴 2 的右侧, 主要与重金属因子、CODMn 和 NH4+-N 呈正相关, 表明其更喜好有机营养负荷高或重金属含量高的水环境。 3 讨论

3.1 硅藻群落结构特征

本研究中, 硅藻群落在枯、丰水期具有明显的空间分布特征, 主要可能是受各采样点的水质因子所影响[17], 河水的水体理化特征往往因人为活动和降雨等自然因素的驱动而存在不同的时空差异性[8]。在柳江流域中, 枯水期有 3 个不同的硅藻类群大致依次分布在该流域干流及支流段的上游、中游以及下游。其中, 样点 S1 和 S5 分别位于林地和景观区中, S7、S8 和 S11 样点周边多为裸地, 说明上游几个采样点受人为活动影响较小, 水质状况良好, 硅藻优势种组成的相似性较高; 中游大多数采样点

(S3、S6、S9、S10 和 S15)主要分散在乡村附近, 人口较为密集, 养殖、

农业和居民生活等活动明显, 水体主要受生活污水和农业养殖用水排放的影响, 使得流入水体的营养盐等陆源物质类型相似, 营养水平上升, 对硅藻群落影响较为一致; 下游采样点

(S16、S18 和 S19)分布在城市附近, 工业生产等人为活动频繁, 伴随着中上游污染物的积累, 导致水体中重金属及有机物等污染物的含量增加, 进而使

得硅藻群落组成的相似性也较高。

3 个硅藻类群的空间变化体现了采样点周围人为活动方式及强度的不同导致水质的污染来源有所差异[18–19], 从而使得水质逐渐变差, 具有明显的空间梯度变化。进入丰水期, 群落结构演替为 2 个不同的硅藻类群, 基本依次呈现在该流域的中下游和上游。丰水期雨量较大, 地表径流的增加促使有机物等陆源性物质被冲刷汇入河流, 导致各种污染物和离子等浓度的增加[20], 同时充沛的水量增强了河流水系之间的连通性, 也促进了中下游水体之间的流动, 从而缩小了水质在其空间分布上的差异, 提高了群落结构的相似性。因此, 枯、丰水期硅藻群落结构类群划分的不同体现

16 生 态 科 学 39卷

了地表径流受雨季影响的变化, 说明硅藻群落结构及物种组成与水化学变量和水文季节的变化有关[21–22], 可能是人为活动和降雨等水文过程可间接改变水体中的各项理化指标, 进而造成附生硅藻群落分布的差异性[23–24]。

根据 Van 等[25]的硅藻生态指示划分, C. stelligera、C. laveis 和 A. ambigua 为贫污染性种类, 主要出现在溶解氧高, 有机污染负荷和营养水平较低的水体中, 而 A. montana、A. petersenii、N. cryptocephala、M. varians 和 G. parvulum 为 α —中污染性种类, 常生活在中营养状况的水体中, 能够忍耐较高的有机污染物, 与本文的RDA排序结果一致。研究发现, 运动性较强的 N. palea 是富营养化水体和重金属污染水体的常见种[26], 在本文中, 其主要分布在丰水期柳江流域的下游, 偏好于有机营养负荷和重金属含量高的水体。因此, 硅藻群落组成的变化体现了这些种类对水质环境变化的适应性。本文硅藻优势种组成的季节演替伴随着由更敏感的物种向更耐污染的物种组成转变(表 1), 与其他学者

[27–28]

研究的结论大体相同, 反映了该流域丰

水期水质的污染程度高于枯水期, 这与理化监测结果一致(表 4)。

但值得注意的是, 本文 RDA 排序分析显示 A. minutissima 偏好于污染较小的水环境, 但它在柳江流域各个采样点的出现频率却为 100%, 可能是由于该种的分布范围较广, 其对水体环境并不敏感, 无论在是否受到污染的水体中, 它都有可能成为优势种

[29]

。

3.2 水质因子对硅藻群落的影响

RDA 结果表明, 水质因子 Cd、As、DO 和 CODMn 在枯水期和丰水期都对柳江流域附生硅藻群落分布产生影响, 但其影响程度不完全一致。由于不同硅藻物种对水体重金属的敏感程度和耐受能力不同[30], 重金属则是影响附生硅藻群落组成的重要因素[31]。在本研究中, 枯水期附生硅藻分布受水体重金属的影响程度较大。有研究报道, 具星小环藻(C. stelligera)和 C. laveis 与重金属浓度呈负相关[32], 与本文研究结果一致。这一现象说明枯水期硅藻优势种在空间分布上的变化可能是由于其对重金属含量的变化较为敏感。研究发现, 丰水期优势种谷皮菱形藻(N. palea)与重金属 As、Cd 浓度之间呈正相关[33], 且在柳江流域中, Cd、As 是影响硅藻分布的主要重金属因子, 在一定程度上反映了该流

域重金属污染可能主要以 Cd、As 污染为主[12]。

溶解氧是衡量水体初级生产力的重要标志, 它在柳江流域也是影响附生硅藻的主要水质因子之一, 这与其他学者在其他区域的研究结果相似。陈向等[34]研究东江惠州河流段的硅藻群落时, 认为溶解氧对群落结构起着重要作用。在本研究中, 水体溶解氧含量在丰水期较高, 其对硅藻影响较大。究其原因, 一方面可能是丰水期水生植物和藻类的生长迅速, 在光合作用下释放大量的氧气; 另一方面可能是丰水期降雨频繁, 水体持续流动增加了空气中氧的溶解效率, 良好的氧化环境有利于有机物的矿化和营养盐的再生, 从而间接影响硅藻群落结构的特征[35–36]。然而, 在柳江流域下游, 硅藻物种丰富度较高, 但水体中溶解氧含量却下降, 可能是由于人为活动频繁, 大量污水排放和中上游污染物的积累致使水体中营养水平等上升, 从而导致藻类及其他浮游生物的繁殖, 消耗大量的氧气, 使得水体中溶解氧量下降[37]。

柳江流域硅藻群落在一定程度上也受水体中

CODMn 的影响, 说明其在解释硅藻群落结构的时空变化中起着重要作用。CODMn 是衡量水体中有机物含量的指标, 其值越大, 有机物越多, 微生物经氧化分解产生的可被藻类利用的营养盐越多, 而相关研究认为营养盐也是影响硅藻生长的重要因子[38]。本文硅藻优势种与水体 CODMn 存在一定的响应关系, 可能是由于人为活动和地表径流导致水体中

CODMn 出现浓度梯度的变化, 从而影响硅藻群落的分布。从研究结果看, 本文所涉及的水质因子在枯、丰水期分别解释了 59.7%和 60.3%的硅藻群落变异, 尚有部分变化还未能得到相应的解释。除此之外, 其他如水温[35]、透明度[18]及蓝藻、浮游动物的生物作用[39]等也是影响硅藻种群密度和生物量的重要因子。因此, 在探讨硅藻群落结构变化的机理时, 还需要对其他影响硅藻种群特征的影响因素做进一步的基础生态学研究。 4 结论

(1)柳江流域共鉴定出附生硅藻137种, 隶属于6目9科34属, 主要优势藻属以舟形藻属和曲壳藻属为主。其中, 硅藻种在枯水期和丰水期的变化不大, 种类相似度为 63.68%, 而各采样点硅藻丰富度随季节变化明显, 表现为丰水期高于枯水期。硅藻

1期 李佳静, 等. 柳江流域不同水文季节水质对附生硅藻群落的影响研究 17

优势种组成在不同水期也存在差异, 极小曲壳藻和隐头舟形藻为枯、丰水期共有的优势种, 而其余优势种发生了更替。

(2)聚类分析显示, 柳江流域19个采样点在枯水期可划分为3个硅藻类群, 在丰水期则可划分为2个硅藻类群, 其群落结构类群在空间和时间上划分的不同, 可能主要与采样点周围人为活动和地表径流导致水质的空间梯度变化有关。

(3)主成分分析(PCA)和冗余分析(RDA)结果表明, Cd、As、DO 和 CODMn 在枯、丰水期都对柳江流域附生硅藻群落分布产生影响, 但其影响程度发生变化。其中重金属因子在枯水期对硅藻影响较大, 而溶解氧在丰水期对硅藻影响较大。 参考文献

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1期 李佳静, 等. 柳江流域不同水文季节水质对附生硅藻群落的影响研究 19

附表1 硅藻种类及缩写

Appendix 1 Diatom species and abbreviation

缩写

拉丁文

缩写

拉丁文 Cymbella affinis Cymbella laveis Cymbella leei var. sinensis

Cymbella minuta Cymbella microcephala Cymbella tumida Delicata sinensis Diadesmis contenta Diploneis oblongella Delicata delicatula Encyonema subalpinum Navicula microcari Fragialria unla Fragilaria pinnata Navicula lanceolata Gomphonema clavatum Gomphonema clevei Gomphonema minutum Gomphonema parvulumGomphonema pumilum Gyrosigma acuminatum Gyrosigma gracile Luticola mutica Luticola nivalis Luticola ventricosa Melosira varians Navicula cryptocephala Navicula cryptotenelloides

Navicula gregaria

缩写 FCVA FCVE NNOT NRHY NRAD NROS NDIS NPAL NSDE NVLC NCTE NHIN NIGT NMEN NSHR NTRV NVAV NSPD NFBU NLIN NSIT NITZ RABB RSIN SPMU SEBA SHAN POBS SUMI

拉丁文

Fragilaria capucina var. vacheriae Fragilaria construens var. venter

Navicula notha Navicula rhynchocephala

Navicula radiosa Navicula rostellata Nitzschia dissipata Nitzschia palea

Nitzschia sinuata var. delognei

Nitzschia valdecostata Navicula cryptotenella Navicula hintzii Navicula ingrata Navicula menisculus Navicula schroetenri Navicula trivialis Navicula viridula var.avenacea Navicula splendicula var LandinghamNitzschia frustulum var. bulnheimiana

Nitzschia linearis Nitzschia sinuata var. tabellaria

Nitzschia sp Rhoicosphenia abbreviata

Reimeria sinuata Sellaphora pupula Sellaphora bacillum Stephanodiscus hantzschii Pinnularia obscura Surirella minuta

ALIB Amphora libyca CAFF AMMO Amphora montana CLAN APED Amphora pediculus CLSN ALIN Achnanthes linearis CMIN AMSG Amphora strigosa CMIC AALG Achnanthes altergracillima CTUM AALP Achnanthes alpestre DSIN ABIA Achnenthes biasolettiana DCOT ACUR Achnanthes curtissima DOBL ADEF Achnanthes deflexum DDEL ALFT Achnanthes lanceolata ESBA APET Achnanthes petersenii NMCA AMJA

Achnanthes minutissima var jackii

FULN

AAMB Aulacoseira ambigua FPIN AUGR Aulacoseira granulata NLNT AFOR Asterionella formosa GCLA ACOF Amphora coffaeformis GCLE AEXG Achnanthes exigua GMIN APUS Achnanthes pusilla GPAR AMIN Achnanthes minutissima GPUM ASAT Achnanthes subatomoides GYAC CSIL Caloneis silicula GGRA CPED Cocconeis pediculus LMUT CPLE

Cocconeis placentula var.euglypta

LNIV

CFOT Cyclotella fottii LVEN CSTE Cycltella stelligera MVAR CPER Cymbella perpusilla NCRY CSLE Cymbella silesiaca NCTO CTGL Cymbella turgidula NGRE