姚文婷，蔡德所,2，唐 鑫，文宏展

(1: 三峽大學水利與環(huán)境學院，宜昌 443002)(2: 廣西水利電力勘測設計研究院，南寧 530023)(3: 廣西水環(huán)境監(jiān)測中心，南寧 530023)

珠江流域西江支流賀江水體硅藻群落結構、分布和評估*

姚文婷1，蔡德所1,2**，唐 鑫1，文宏展3

(1: 三峽大學水利與環(huán)境學院，宜昌 443002)(2: 廣西水利電力勘測設計研究院，南寧 530023)(3: 廣西水環(huán)境監(jiān)測中心，南寧 530023)

綜合運用TWINSPAN數量分類和DCA排序方法評估了賀江流域硅藻群落，結合硅藻生物指數(IBD)、硅藻屬指數(IDG)、硅藻營養(yǎng)化指數(TDI)和特定污染敏感指數(IPS)對其結果進行進一步驗證.結果顯示，TWINSPAN將賀江流域的38個樣點分為4組，且群落Ⅰ到群落Ⅳ其生境質量逐漸變得單一，人為干擾程度逐漸加大；劃分的四組群落在DCA排序圖上有明顯的界限，依據Van Dam硅藻生態(tài)指示意義，水環(huán)境污染程度從群落Ⅰ到群落Ⅳ逐漸加劇，有爭議的樣點7、8和24在DCA排序圖上也傾向于群落Ⅲ.4種硅藻指數都是顯著相關的，但IBD、IPS、IDG在硅藻群落的箱型圖中明顯呈現出合理的趨勢.以上研究表明，劃分的硅藻群落較好地反映了賀江流域的生態(tài)質量，IBD、IPS、IDG適合于賀江流域生物監(jiān)測與評價.

硅藻群落；TWINSPAN分類;DCA排序；硅藻指數；賀江;西江；珠江流域

硅藻作為水生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產者，具有很高的繁殖率和很短的生命周期，對水體中的各種環(huán)境因子(酸堿度、重金屬、富營養(yǎng)化等)和生態(tài)環(huán)境的變化能夠快速響應，主要體現在硅藻群落的變化上，如在較清潔的水體中，清潔指示種如曲殼藻(Achnanthessp.)等所占比例較大，而當營養(yǎng)鹽濃度較高時，耐污性藻屬如菱形藻(Nitzschiasp.)的豐度會增加[1].在此基礎上，形成了數十種河流硅藻指數，廣泛使用的有特定污染敏感指數(specific pollution sensitivity index，IPS)、硅藻生物指數(biological diatom index，IBD)、硅藻屬指數(generic diatom index，IDG)、硅藻營養(yǎng)化指數(trophic diatom index，TDI)[2-5]，這些指數在一定程度上可以反映河流生態(tài)質量的變化；同時，硅藻群落相對于參考點的變異程度用于評價水生態(tài)系統(tǒng)的健康程度和恢復狀況在歐盟以及美國廣泛使用[6].

群落研究的常見方法是數量分類以及排序，可以揭示群落之間的內部聯系及與環(huán)境因子之間的生態(tài)關系.國內外廣泛使用的數量分類方法為雙向指示種分析(two-way indicator species analysis, TWINSPAN)，通過數量分類指示種來劃分群落；排序方法有除趨勢對應分析(detrended correspondence analysis, DCA)以及典范對應分析(canonical correspondence analysis, CCA)等.

賀江流域主要流經廣西壯族自治區(qū)賀州市，是珠江流域西江的主要支流，漓江的姐妹江，古時是主要的水上交通要道.由于流域的水能開發(fā)和支流沿岸采礦、采砂等人類活動的破壞，使其出現水質惡化、重金屬污染以及斷流等一系列環(huán)境問題.本文采用TWINSPAN以及DCA的分析方法，對賀江流域的硅藻群落進行數量分類以及排序，且與硅藻指數進行比較，以期為該流域的生態(tài)質量以及環(huán)境保護提供生物學依據.

1 材料與方法

1.1 賀江流域概況及采樣點

賀江流域面積為11536 km2，全長352 km，其上游富川江發(fā)源于富川瑤族自治縣麥嶺鄉(xiāng)的茗山，經賀江后在梧州匯入西江干流，其主要的支流有白沙河、西灣河、馬尾河、大寧河、東安江，其中支流最大的為東安江，全長168 km.研究中，采樣點覆蓋了賀江的干流以及一級支流，共38個樣點，分布點見圖1.

1.2 樣品采集與處理

于2013年6月對賀江流域進行硅藻采樣.采樣基質選取能抵抗水流、地勢開闊且無樹蔭遮蔽的石頭，用干凈的牙刷刷取石頭的向陽面，裝入容量瓶中用甲醛固定，如采樣點附近無石頭，可以選擇挺水植物代替.樣品經過氧化氫和濃鹽酸消解，封片膠封片，光學顯微鏡下采用1000倍油鏡檢驗、鑒定，視野內所有硅藻及破損面積不超過1/4的樣品都要進行鑒定和計數，每個玻片鑒定總數大于400，鑒定依據Krammer和Lange-Bertalot體系[7]和《中國淡水藻志》[8-9].

1.3 數據處理

進行排序以及數量分類時，剔除豐度小于5%的硅藻種類，應用CANOCO軟件進行DCA分析，DCA分析的物種數據進行開平方處理，并在CANODRAW中完成排序作圖，PC-ORD進行TWINSPAN分析，相關指數計算應用OMNIDIA軟件完成，使用SPSS 18.0軟件完成箱型圖的繪制.

2 結果與分析

2.1 樣點TWINSPAN數量分類結果

賀江流域38個樣點中，樣點S2的采樣基質為水草，其余為石頭，共鑒定出154種硅藻，其中豐度大于5%的硅藻種類有51種，以曲殼藻屬(Achnanthessp.)、舟形藻屬(Naviculasp.)、菱形藻屬(Nitzschiasp.)為主.結合采樣點周圍的生境、底質和兩岸的人類干擾程度，利用TWINSPAN對硅藻群落進行數量分類，將38個樣點分為4類，分類結果見圖2.

圖1 賀江流域硅藻采樣點(1：富陽鎮(zhèn)；2：龜石大壩上；3：龜石大壩下；4：鐘山縣；5：羊頭鎮(zhèn)；6：黃石村；7：西灣河口；8：賀州水文站；9：大水排；10：小水；11：賀街；12：大寧河口；13：步頭；14：庫1；15：庫2；16：庫3；17：庫4；18：庫5；19：合面獅大壩上；20：合面獅大壩下；21：林洞河口；22：沙沖河口；23：扶隆浮橋；24：都平鎮(zhèn)；25：大洲村；26：東安江河口；27：上百吉；28：封開縣；29：大旺村；30：川江鎮(zhèn)；31：馬尾河口；32：龍巖寨；33：新村；34：黃洞；35：大寧鎮(zhèn)；36：北平村；37：松木龍；38：信都水文站)Fig.1 The map of diatom sampling sites in Hejiang River

圖2 硅藻群落TWINSPAN分類結果Fig.2 The classification of diatom communities by TWINSPAN

圖3 硅藻群落38個樣點的DCA排序圖Fig.3 DCA ordination diagram of 38 sampling sites of diatom communities

Ⅰ：硅藻優(yōu)勢種為Achnanthidiumminutissima、Achnanthesbiasolettiana、Cocconeisplacentulavar.lineata、Melosiravarians、Naviculagregaria，包括樣點1、3、5、6、12、22、26、34、36、37，多分布于賀江的上游(無水電站的干擾)、賀江支流大寧河；采樣底質多為鵝卵石、碎石和砂石；生境較復雜，河兩岸有水草、枯枝落葉、倒木等；渠道化較少，維持正常的河道模式；河岸兩側農田居多.

Ⅱ：硅藻優(yōu)勢種為Achnanthidiumminutissima、Nitzschiapalea、Achnanthesbiasolettiana、Cocconeisplacentulavar.lineata、Melosiravarians、Gomphonemaparvulum、Cyclotellaatomus、Naviculaerifuga、Fragilariavirescens，包括樣點4、7、8、9、24、27、28、29、30、35，主要分布于賀江干流、下游與西江交匯處；鵝卵石、碎石和砂石等基質占25%～50%，其余為細砂等沉積物；生境較復雜，河兩岸有水草、枯枝落葉、倒木等；渠道化出現較少，水電站上下游一定范圍內的河岸由鐵絲和混凝土固定；人類干擾較大，河岸兩側農田居多.

Ⅲ：硅藻優(yōu)勢種為Nitzschiapalea、Gomphonemaparvulum、Achnanthidiumminutissima、Cyclotellaatomus、Nitzschiafonticola，包括樣點13、20、21、25、32、38；鵝卵石、碎石和砂石等基質占25%～50%，其余為細砂等沉積物；生境較單一，只出現一種或兩種生境；渠道化出現較少；人類干擾較大，河岸兩側農田居多.

Ⅳ：硅藻優(yōu)勢種為Nitzschiapalea、Gomphonemaparvulum、Nitzschiaintermedia、Nitzschiafonticola、Achnanthesexiguum、Aulacoseiraambigua，包括樣點2、10、11、14、15、16、17、18、19、23、31、33；碎石、鵝卵石、大石少于25%，其余為細砂等沉積物；主要為河道型水庫，生境較為單一；河岸兩側為農田或是廢棄的耕作土壤.群落Ⅲ與Ⅳ的樣點集中在賀江流域的中游，主要包括支流馬尾河以及合面獅水電站上下游附近.

2.2 樣點DCA排序結果

DCA分析結果可以較好地反映出TWINSPAN的數量分類結果(圖3).TWINSPAN數量分類的結果在DCA排序圖上均有分布范圍和界限，少數樣點(樣點2、3、30)除外，從圖中也可以得知群落Ⅰ與群落Ⅱ相似性較高，群落Ⅱ與群落Ⅲ也具有一定的相似性，同理群落Ⅲ與群落Ⅳ也有一定的相似性.依據Van Dam[10]的硅藻生態(tài)指示意義，各個硅藻群落所反映的生態(tài)意義也不同.

群落Ⅰ：Achnanthidiumminutissima、Achnanthesbiasolettiana和Cocconeisplacentulavar.lineata主要出現在清潔、營養(yǎng)水平較低的水體中，該群落中占多數的為曲殼藻屬(Achnanthessp.)，雖然曲殼藻屬指示的生態(tài)意義較寬廣，但總體代表著較低的污染水平，Melosiravarians常出現在富營養(yǎng)化的水體中，該種類為樣點12 的第二優(yōu)勢種.

群落Ⅱ：絕大多數點的優(yōu)勢種仍為Achnanthidiumminutissima和Achnanthesbiasolettiana，樣點7、8、24的優(yōu)勢種為Nitzschiapalea，為強有機污染和富營養(yǎng)化的指示種，Cyclotellaatomus、Melosiravarians也是常見的富營養(yǎng)化的指示種.

群落Ⅲ：所有樣點的第一優(yōu)勢種均為Nitzschiapalea，第二優(yōu)勢種主要為Gomphonemaparvulum，其也為富營養(yǎng)化的指示種.

群落Ⅳ：優(yōu)勢種主要為Nitzschiapalea，其余為Gomphonemaparvulum、Nitzschiaintermedia、Nitzschiafonticola，均為有機污染以及富營養(yǎng)化的指示種，主要以菱形藻屬居多，而絕大多數菱形藻都指示一定程度的污染.因此4個硅藻群落的水質污染程度從群落Ⅰ到群落Ⅳ逐漸增加.

2.3 硅藻指數箱型圖分析

選取IPS、IBD、IDG、TDI指數進行回歸分析以及與硅藻群落之間進行分析.從表1可知4種硅藻指數的相關性極顯著(P<0.01).由箱型圖了解到，IPS、IDG、IBD的值從群落Ⅰ到群落Ⅳ呈下降趨勢，而TDI呈波動變化趨勢(圖4).相較TDI而言，IPS、IDG、IBD更加適合評價賀江流域的水生態(tài)質量，這也從指數方面驗證了從群落Ⅰ到群落Ⅳ的水質污染程度.

表1 硅藻指數之間的pearson相關系數(n=38)

**表示相關系數達到極顯著水平(P≤0.01，自由度38).

3 討論

群落Ⅰ樣點12的優(yōu)勢種為Melosiravarians，在排序圖上較傾向于群落Ⅱ，呈現一定程度的富營養(yǎng)化，其原因是采樣點附近有大片的蔬菜基地，農藥和殺蟲劑普遍使用；樣點7、24在TWINSPAN圖上被劃分在群落Ⅱ里面，而在DCA排序圖上屬于群落Ⅲ，從其硅藻組成看，其優(yōu)勢種的組成傾向于群落Ⅲ，從分布點看，樣點7位于賀州市區(qū)，樣點24為都平鎮(zhèn)，都是人口密集、城市和農業(yè)發(fā)達的區(qū)域，對美國以及西班牙河流的相關研究也表明城市和農業(yè)利用面積會影響硅藻群落分布[11-12]，主要是改變了河流原有的自然環(huán)境、水流方向以及水體各項理化指標[13]；群落Ⅲ與群落Ⅳ的大多數樣點在庫區(qū)，水庫的蓄水作用和工業(yè)、生活污水的排放，使得營養(yǎng)鹽富集，N、P等的含量上升[14-16]，從而使富營養(yǎng)化和有機污染的指示種豐度增加.樣點2在排序圖上偏離劃分的群落，這與采樣點的基質有關，樣點2的采樣基質為挺水植物，附著于上面的多為靜水硅藻，與石頭基質相比，由于基質附著條件的異質性，相關分析會產生一定的偏差[17].

TWINSPAN數量分類是依據指示種劃分的，而DCA是依據排序軸的綜合信息，將樣方排列在一定的空間上，排序軸能反映一定的生態(tài)梯度.由于DCA排序分析時并沒有引入相關的環(huán)境數據，因此并不能具體反映出是哪幾種因子的相互作用，但從硅藻優(yōu)勢種和生境質量而言，DCA排序圖的第一軸在一定程度上可以反映賀江水質或是生態(tài)質量的變化.從樣點12、7、8、24的TWINSPAN數量分類和DCA排序可知，兩種方法結合使用可以精確地劃分硅藻群落，同樣的方法也適用于劃分其它的群落，如蘇日古嘎等[18]采用兩種方法結合現場調查劃分了松山自然保護區(qū)域的植物群落，對群落保護具有指導意義.

圖4 4種硅藻指數的箱型圖Fig.4 The boxplots of four diatom indexes

TWINSPAN數量分類和DCA劃分的硅藻群落在一定程度上反映了河流生境質量對硅藻群落的影響，從群落Ⅰ到群落Ⅳ生境質量逐級下降，棲息地環(huán)境變得單一，人為干擾也越來越嚴重，特別是群落Ⅳ中的樣點主要集中在合面獅水電站上游，其特征為河道型水庫，且支流馬尾河采礦嚴重，人為干擾比較厲害；依據Van Dam[10]的生態(tài)分類體系，水質污染程度從群落Ⅰ到群落Ⅳ逐漸增加，根據廣西水環(huán)境監(jiān)測中心提供的水質監(jiān)測資料，支流馬尾河到信都水文站這一段，重金屬鎘、鉈嚴重超標，水質處于劣Ⅴ類(參考國家《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002))，其它樣點的水質都處于Ⅱ、Ⅲ類水質，而處于劣Ⅴ類水質的樣點絕大多數都被劃分到群落Ⅳ.相關文獻表明[19-21]，在小流域尺度上，河流生境質量(諸如河岸帶環(huán)境、基質、水中懸浮物、河流形態(tài)等)以及水質影響硅藻群落分布.Pan等的研究表明河槽形態(tài)、河道環(huán)境以及河岸帶條件是影響California山谷溪流硅藻群落分布的主要因素[22]；Tang等發(fā)現河流上梯級電站的修建改變了流速、河槽寬度、pH以及水溫，進而對硅藻的密度以及多樣性產生一定的影響[23]；在大流域尺度上，土地利用、地形、地質特征、人為干擾和水質對硅群落分布的影響明顯，Urrea等[19]研究發(fā)現影響西班牙北部的瓜迪亞納河流域硅藻群落分布的兩大主要梯度為水質以及地質構造，流域上游主要為石灰石地質構造，嗜堿性的硅藻如Cymbellaaffinis、Diatomamoniliformis和Cymbellacymbiformis的相對豐度較大；下游主要為硅酸鹽構造，嗜酸性的硅藻如Cyclotellaatomus的相對豐度較大.鄧培雁等[24]采用偏典型相關分析(CCA)顯示，硅藻群落的分布是土地利用、地理因素和水質共同作用的結果.

國內外開發(fā)的硅藻指數遠不止本文所使用的4種，但是這4種硅藻指數包含了絕大多數的硅藻種類，且相關性較高.最新版本的IPS指數包含了4590種硅藻(包括變種)，IBD指數構建于法國，采取1977-1994年949個斷面上的硅藻數據，IBD、IPS指數也比較適合于評價我國的河流，本研究中IPS和IBD之間的相關性達到了0.937.鄧培雁等[25]研究發(fā)現相對于其它硅藻指數而言，IPS、IBD更適合于東江的水質評估，趙湘桂等[26]利用Van Dam生態(tài)類群，通過IBD、IPS指數對漓江的水質進行了較全面的評價；與IPS、IBD顯著相關的指數IDG為硅藻屬指數，鑒定硅藻只需要鑒定到屬，采用此指數進行分析可以減少鑒定工作量，雖然IPS、IBD、IDG的建立都是基于法國河流硅藻數據，在其他國家的流域得到了很好的應用[27-29]，但是國內使用較多的仍為前兩種[30].TDI為硅藻富營養(yǎng)化指數，主要根植于英國的河流，發(fā)展至今已有三版，能有效的評估英國河流的富營養(yǎng)化狀態(tài)[3]，但卻不適合評價其他國家的河流[31]，在本文中，TDI在群落的箱型圖分布中也沒有表現出合理的變化趨勢.

4 結論

1) TWINSPAN數量分類和DCA排序兩種方法結合很好地劃分了硅藻群落：群落Ⅰ的主要優(yōu)勢種為清潔指示種，群落Ⅲ、Ⅳ的主要優(yōu)勢種為富營養(yǎng)化和有機污染指示種，群落Ⅱ為群落Ⅰ和Ⅲ、Ⅳ的過渡群落.

2) 賀江流域4組硅藻群落的分布表明：賀江流域上游和下游與西江的交匯處污染以及破壞較少，水生態(tài)質量保持良好；賀江干流水質狀況普遍低于支流(馬尾河除外)；人為干擾對河流生態(tài)質量影響很大，馬尾河支流到合面獅大壩這一段水域，采礦以及電站的修建，使得營養(yǎng)鹽以及污染物富集.

3) 硅藻指數評價中，IPS、IBD、IDG適合評價賀江流域河流生物質量.

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Distribution and evaluation of diatom community in Hejiang River, a branch of Xijiang River, Pearl River basin

YAO Wenting1, CAI Desuo1,2， TANG Xin1& WEN Hongzhan3

(1：CollegeofHydraulicandEnvironmentalEngineering，ChinaThreeGorgesUniversity，Yichang443002，P.R.China)(2：GuangxiWaterandPowerDesignInstitute,Nanning530023，P.R.China)(3：WaterEnvironmentMonitoringCenterofGuangxiProvince，Nanning530023，P.R.China)

The diatom communities of Hejiang River, a branch of Xijiang River, Pearl River basin were evaulated by means of two-way indicator species analysis and detrended correspondence analysis. The diatom indexes of Generic Diatom Index(IDG), Biological diatom index(IBD), Specific Pollution sensitivity Index(IPS) and Trophic Diatom Index(TDI)were then further used to validate the conclusion. According to TWINSPAN, the 38 sampling sites of Hejiang River were classified into 4 types, the quality of ecological habitat and human disturbance were getting worse and worse from community Ⅰto community Ⅳ; the obvious boundaries of four communities existed on DCA ordination diagram, the ecological value of Van Dam showed that water environmental pollution gradually increased from Ⅰto Ⅳ, the controversial samples of 7, 8 and 24 tended to community Ⅲ on DCA ordination diagram. The results indicated that the divided diatom communities can better reflect the ecological quality, in addition,IBD,IPS,IDGcan be applied for monitoring and evaluating rivers in Hejiang River.

Diatom community; two-way indicator species analysis; detrended correspondence analysis; diatom indexes; Hejiang River; Xijiang River ; Pearl River basin

*國家自然科學基金項目(40971280,30870345)資助.2014-02-24收稿；2014-04-15收修改稿.姚文婷(1990～)，女，碩士研究生;E-mail:602632774@qq.com.

**通信作者；E-mail：caidesuo@vip163.com.