胡建成, 宋志斌, 周佳誠, 譚 路, 唐 濤,*

1 中國科學(xué)院水生生物研究所,淡水生態(tài)與生物技術(shù)國家重點實驗室,武漢 430072 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049 3 西藏大學(xué)理學(xué)院,拉薩 850000

藻類是河流生態(tài)系統(tǒng)的主要初級生產(chǎn)者,它們具有生活周期短,對環(huán)境變化響應(yīng)敏感等特點[1]。一般可按生活習(xí)性差異將它們分為浮游藻類和著生藻類兩大類。浮游藻類主要在水體中懸浮生活,易受風(fēng)浪和水流的影響而被動運動；而著生藻類主要營附著或固著生長在浸沒于水中的各種基質(zhì)上。這種生活習(xí)性的差異使得浮游藻類和著生藻類具有不同的生境偏好。在源頭、低級別或淺水河流中,著生藻類占優(yōu)勢地位；而隨著河流級別及水流量的增加,浮游藻類多樣性及生物量也會增加[2]。實際上,浮游藻類和著生藻類共存于河流中,它們彼此聯(lián)系、相互競爭,處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)[3—4]。一方面,在特定條件下,浮游藻類和著生藻類可以通過沉降和再懸浮相互轉(zhuǎn)化[5—6]。例如,當(dāng)水流對基質(zhì)的沖刷足夠大時,著生藻類會被沖刷到水體中成為浮游藻類,而當(dāng)水流較小時浮游藻類可能沉淀到基質(zhì)上成為著生藻類。另一方面,由于生長環(huán)境不同,浮游藻類和著生藻類對一些環(huán)境因子可能存在競爭關(guān)系。有研究表明著生藻類對于營養(yǎng)鹽具有競爭優(yōu)勢,而浮游藻類對光照具有競爭優(yōu)勢[7—8]。在高度貧營養(yǎng)水體中,著生藻類可能是主要的初級生產(chǎn)者,他們能夠吸收水體中的營養(yǎng)鹽,并有效減少沉積物中的營養(yǎng)鹽向水體中釋放,從而影響浮游藻類的生長[8—9]。而隨著水體中營養(yǎng)鹽的增加,浮游藻類可能會逐漸成為優(yōu)勢類群,通過遮蔽減少著生藻類對于光的吸收[10—11]。然而,以往的研究很少比較同一條河流中浮游藻類和著生藻類的多樣性格局。

河流藻類群落的時間動態(tài)與環(huán)境的季節(jié)性變化高度相關(guān)[12—14]。水溫、光照強度、流速、流量、水質(zhì)等因素的季節(jié)性變化均會引起藻類群落結(jié)構(gòu)的改變。如,雨季洪水沖刷會導(dǎo)致藻類多樣性及生物量下降[15—16],同時非點源污染也更容易通過地表徑流進入河流[17—18]。而在旱季水流量的降低有利于藻類的穩(wěn)定和繁殖。此外,浮游藻類和著生藻類對季節(jié)性變化的響應(yīng)也可能存在差異。浮游藻類能借助水流、風(fēng)浪遷移,避免長時間處于不利環(huán)境中；而著生藻類由于生境相對固定,難以躲避環(huán)境脅迫的影響[19—20]。因此,相比較而言,著生硅藻對水體環(huán)境的持續(xù)性變化可能具有更好的響應(yīng)。然而,浮游藻類和著生藻類與環(huán)境因子的關(guān)系是否存在季節(jié)性的動態(tài)變化,相關(guān)的研究并不多見。

圖1 金沙江上段干流調(diào)查樣點分布圖Fig.1 Locations the sampling sites in the upper reaches of Jinsha River采樣點：1直門達,2奔達鄉(xiāng), 3 洛須鎮(zhèn), 4麻呷鄉(xiāng),5卡松渡鄉(xiāng),6崗?fù)兴恼?7贈曲河口,8金沙鄉(xiāng),9波羅鄉(xiāng),10巴塘河口,11竹巴龍鄉(xiāng),12蘇洼龍,13奔子欄,14江東村,15五境鄉(xiāng),16上江,17石鼓鎮(zhèn)

金沙江上段地處橫斷山區(qū),人類干擾較少,河流基本處于自然狀態(tài),是生物多樣性的熱點區(qū)域。該區(qū)域內(nèi)河段徑流主要以冰雪融化和降雨為主,存在明顯季節(jié)變化[21],這為探討河流藻類群落格局的季節(jié)性差異提供了理想場所。本研究旨在探究金沙江上段干流浮游藻類和著生藻類的群落結(jié)構(gòu)是否存在差異,以及環(huán)境因子的時間動態(tài)是否會導(dǎo)致浮游藻類和著生藻類群落具有不同的季節(jié)性變化?；卮疬@些問題有助于了解浮游藻類和著生藻類在河流生態(tài)系統(tǒng)中季節(jié)動態(tài)的差異,為河流生物多樣性的管理實踐提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域及樣點設(shè)置

金沙江上段始于青海省玉樹直門達,流經(jīng)四川、西藏,至云南石鼓鎮(zhèn),全長965 km,流域面積2.6×105km2[22]。該區(qū)域內(nèi)地貌復(fù)雜多樣,河谷較深,兩岸陡峭,高差較大,分布有高山冰川、高寒濕地等。流域水系發(fā)達,具有含沙量大、水能資源豐富等特點,降水多集中在夏季(7—8月)[21, 23]。該地區(qū)以藏族居民為主,經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)以農(nóng)牧、畜牧、民族手工業(yè)、旅游業(yè)為主,工業(yè)發(fā)展水平不高。

本研究分別于2019年9月底(秋季)和2020年7月中旬(夏季)對金沙江上段干流的17個樣點展開調(diào)查。金沙江上段夏季處于洪水期,水體含沙量大,藻類生物量較低；而到了秋季水流速減緩,含沙量降低,藻類生物量也逐漸增加。所有17個樣點中(圖1),1個位于青海省境內(nèi)、11個位于四川省境內(nèi),5個位于云南省境內(nèi),經(jīng)緯度跨度為97°14′—99°57′ E, 26°53′—33°00′ N,海拔范圍在1816—3490 m。每個樣點采集浮游藻類和著生藻類標(biāo)本,并測定相應(yīng)的水體理化參數(shù)。

1.2 樣品采集與測定

考慮到金沙江水體流速、含沙量,以及不同季節(jié)水流量差異等特點,適當(dāng)加大了采水量,并且根據(jù)不同季節(jié)實時調(diào)整采樣量,確保能夠盡可能全面地采集到浮游藻類和著生藻類。

浮游藻類使用5 L采水器于距水面0.5m處取2—5 L水現(xiàn)場加魯哥氏液固定。帶回實驗室經(jīng)48 h沉淀后濃縮至50 mL,加4%的福爾馬林溶液保存以備鏡檢。著生藻類以縱向100 m河段作為每個樣點的調(diào)查范圍。在河段內(nèi)隨機選取5個位點,每個位點隨機挑選3個代表性基質(zhì),每個樣點共計采集15個基質(zhì)。具體而言,使用一個半徑為2.4cm的鐵圈確定采樣區(qū)域,然后將圈內(nèi)的藻類用刷子刷下并清洗數(shù)次。每個樣點的藻液集中裝入同一標(biāo)本瓶中,并記錄刷液體積,現(xiàn)場添加4%福爾馬林液保存標(biāo)本。藻類鑒定首先在400倍光學(xué)顯微鏡下對非硅藻分類以及硅藻總數(shù)的統(tǒng)計,非硅藻一般鑒定到屬水平；再將部分藻液進行酸處理制作成永久性硅藻干片,并在1000倍油境下對硅藻進行鑒定和計數(shù),一般鑒定到種或變種水平,并計算藻類的分類單元數(shù)、密度及相對豐度數(shù)據(jù)。由于浮游藻類是在水樣中獲取,因此密度計算單位為“個/L”；而著生藻類是在基質(zhì)表面獲取,因此密度計算單位為“個/cm2”。藻類鑒定參照國內(nèi)外相關(guān)文獻和書籍[24—27]。

在秋、夏季分別測定了15項環(huán)境因子。海拔(Elevation)用手持式GPS儀 (佳明 Drive51)測定,采樣點流速用Global Water FP101 流速儀測定,水溫(WT)、溶解氧(DO)、濁度(Turb)電導(dǎo)率(Cond)、pH用便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀(YSI ProPlus)測定。采集 1L水樣帶回實驗室,參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》測定氨態(tài)氮 (NH3-N)、硝態(tài)氮(NO3-N)、總氮 (TN) 、總 磷 (TP)、磷酸鹽(PO4-P)、化學(xué)需氧量(COD)、可溶性有機碳(DOC)、硅酸鹽(SiO2-Si)的含量[28]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

藻類群落結(jié)構(gòu)分析使用基于相對豐度數(shù)據(jù)的Bray-Curtis相異度距離矩陣進行,分析前根據(jù)Pearson相關(guān)系數(shù)剔除相關(guān)性較高的環(huán)境因子(r>0.8),并對環(huán)境因子進行對數(shù)轉(zhuǎn)換,對物種數(shù)據(jù)進行反正弦平方根轉(zhuǎn)換。

首先,用Mann-Whitney U檢驗分析各樣點浮游藻類和著生藻類密度和物種分類單元數(shù)的季節(jié)差異；用非度量多維尺度分析(Non-metric Multidimensional Scaling,NMDS)解析各個季節(jié)浮游藻類和著生藻類的群落結(jié)構(gòu)特征,并進一步使用置換多元方差分析(Permutational multivariate analysis of variance,PERMANOVA)檢驗不同類群(浮游、著生)和不同季節(jié)(秋、夏季)藻類的差異顯著程度。該方法本質(zhì)是基于F統(tǒng)計的方差分析,依據(jù)距離矩陣(Bray-Curtis相異度)對總方差進行分解的非參數(shù)多元方差分析方法,使用置換多元方差分析(PERMANOVA)可分析不同分組因素對樣品差異的解釋度,并使用置換檢驗進行顯著性統(tǒng)計[29]。另外,還用Mann-Whitney U檢驗分析了各環(huán)境因子的季節(jié)性差異。

接著,用BIO-ENV分析篩選出與藻類群落顯著相關(guān)的環(huán)境因子組合。BIO-ENV分析能夠計算出每一個可能的環(huán)境因子組合的歐式距離矩陣,并計算出群落相異性矩陣和不同變量組合之間的相關(guān)性,從而得出與群落相關(guān)性最高的環(huán)境因子組合[30]。

最后,使用Mantel test分析進一步檢驗藻類群落差異與環(huán)境距離的相關(guān)性,即群落結(jié)構(gòu)差異沿著環(huán)境梯度的距離衰減[31]。Mantel相關(guān)性指數(shù)r>0,表示樣點間藻類群落結(jié)構(gòu)的差異隨著環(huán)境距離的增加而增加,而當(dāng)P<0.05時,則表示這種關(guān)系是顯著性的?？紤]到調(diào)查樣點之間空間跨度較大,因此也考慮了地理距離的影響,使用Partial Mantel test分析檢驗排除地理距離對環(huán)境因子的影響后,環(huán)境距離與藻類群落差異的關(guān)系。環(huán)境距離使用歐氏距離,樣點間的地理距離是基于各樣點經(jīng)緯度數(shù)據(jù)計算得到的最短直線距離。為了保持BIO-ENV分析和Mantel test分析之間的一致性,這里使用BIO-ENV篩選出的環(huán)境因子進行分析。

以上分析均在R語言(Version 3.6.3)分析平臺中進行,Mann-Whitney U檢驗使用stats包,置換多元方差分析(PERMANOVA)、非度量多維尺度分析(NMDS)、BIO-ENV和Mantel檢驗均使用vegan包[32]。

2 結(jié)果

2.1 環(huán)境因子分析

參照國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》對金沙江水體狀況進行了分析[33]。就氮、磷含量而言,多數(shù)樣點達到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及以上；溶解氧含量普遍達到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及以上。通過差異性檢驗發(fā)現(xiàn),大部分環(huán)境因子在夏、秋季存在顯著差異。濁度、流速、溶解性有機碳、水溫在夏季顯著高于秋季；而總磷、磷酸鹽、溶解氧、pH、化學(xué)需氧量則在秋季顯著高于夏季(表1)。

2.2 浮游藻類和著生藻類群落特征差異

2.2.1藻類物種組成及優(yōu)勢種

本次研究共觀察到浮游藻類3門32屬126個分類單元,其中秋季有3門25屬82個分類單元,夏季有1門19屬71個分類單元,硅藻門均為主要類群,相對豐度分別為99.5%、100%。浮游藻類分類單元數(shù)在秋、夏季無顯著差異(W=165.5,P=0.48)(圖2),其中秋季各樣點平均分類單元數(shù)為18種,金沙鄉(xiāng)樣點最高,為31種,崗?fù)兴恼緲狱c最低,為5種；夏季各樣點平均分類單元數(shù)為16種,巴塘河口樣點最高,為31種,竹巴龍和蘇洼龍樣點最低,均為10種。著生藻類共觀察到3門34屬121個分類單元,其中秋季共有3門32屬102個分類單元,夏季共有3門20屬57個分類單元,硅藻門均為主要類群,相對豐度分別為92.1%、89.4%。著生藻類分類單元數(shù)在秋季顯著高于夏季(W=244.5,P<0.001)(圖2),其中秋季各樣點平均分類單元數(shù)為26種,金沙鄉(xiāng)、增曲河口、奔子欄樣點最高,均為33種,奔達鄉(xiāng)最低,為16種；夏季各樣點平均分類單元數(shù)為15種,崗?fù)兴恼緲狱c最高,為32種,江東村最低,僅有1種。

表1 金沙江上段水環(huán)境因子季節(jié)性差異

圖2 金沙江上段藻類分類單元數(shù)和密度箱線圖Fig.2 Boxplots of richness and density of algal communities in the upper reach of the Jinsha River“***”代表差異性顯著,即P<0.001

分析金沙江上段藻類群落的物種組成特征,發(fā)現(xiàn)浮游藻類相對豐度>5%的物種在秋、夏季均有6種,相對豐度>1%的物種分別有14、13種,其余62、52種浮游藻相對豐度<1%。著生藻類相對豐度>5%的物種在秋、夏季分別有3、5種,相對豐度>1%的物種均有20種,其余79、32種著生藻相對豐度<1%。比較不同類群、不同季節(jié)藻類群落結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)金沙江上段藻類群落物種組成差異較大。浮游藻類在秋、夏季的共有物種為28種,著生藻類在秋、夏季的共有物種為37種；就兩類藻而言,秋季浮游藻類和著生藻類共有物種為32種,夏季浮游藻類和著生藻類共有物種為34種。不同藻類的優(yōu)勢種差異也較大,其中只有極小曲殼藻在4個藻類群落中均為優(yōu)勢種,分散菱形藻在秋、夏著生藻類群落中均為優(yōu)勢種(表2)。

表2 金沙江上段浮游藻類和著生藻類優(yōu)勢種相對豐度/%

2.2.2藻類密度

圖3 基于藻類群落Bray-Curtis相異度距離的非度量多維尺度分析(NMDS)排序圖Fig.3 Non-metric Multidimensional Scaling (NMDS) plot based on Bray-Curtis dissimilarity distances of algal communities A：秋季浮游藻類群落 Planktonic algal community in autumn；B：夏季浮游藻類群落 Planktonic algal community in summer；C：秋季著生藻類群落Periphytic algal community in autumn；D：夏季著生藻類群落 Periphytic algal community in summer

浮游藻類密度在秋季顯著高于夏季(W=273,P<0.001)(圖2),其中秋季各樣點平均密度為2.41×105個/L,波羅鄉(xiāng)樣點最高,密度為6.25×105個/L,奔子欄樣點最低,密度為6.72×104個/L；夏季各樣點平均密度為4.84×104個/L,波羅鄉(xiāng)樣點最高,密度為2.98×105個/L,奔達鄉(xiāng)樣點最低,密度為6.14×103個/L。著生藻類密度在秋季顯著高于夏季(W=223.5,P< 0.001)(圖2),其中秋季各樣點平均密度為9.43×103個/cm2,金沙鄉(xiāng)樣點最高,密度為4.41×104個/cm2,奔達鄉(xiāng)樣點最低,密度為1.25×103個/cm2；夏季各樣點平均密度為4.84×103個/cm2,石鼓鎮(zhèn)樣點最高,密度為2.57×104個/cm2,奔子欄樣點最低,密度為3.14×102個/cm2。

2.2.3群落相似度

從非度量多維尺度分析(NMDS)排序圖可見,不同類群、不同季節(jié)的藻類群落相似度存在差異。不同季節(jié)的同一類群在NMDS1軸上分離,同一季節(jié)兩個類群在NMDS2軸上分離(圖3)。置換多元方差分析(PERMANOVA)表明,浮游藻類和著生藻類群落在季節(jié)間均存在顯著差異(浮游藻類：R2=0.244,P<0.001；著生藻類：R2=0.176,P<0.001),秋季和夏季的藻類群落也存在顯著差異(秋季：R2=0.259,P<0.001；夏季：R2=0.179,P<0.001)。

2.3 浮游藻類和著生藻類群落與環(huán)境因子的關(guān)系差異

用BIO-ENV首先篩選出了與不同季節(jié)浮游藻類群落最為相關(guān)的環(huán)境因子組合,其中秋季為總氮、氨態(tài)氮、海拔、流速和可溶性有機碳,夏季為總氮、氨態(tài)氮、電導(dǎo)、海拔。Mantel test和partial Mantel test分析結(jié)果顯示,秋季浮游藻類群落差異隨著環(huán)境距離的增加而顯著增加,但是當(dāng)排除了地理距離對環(huán)境距離的影響后,相關(guān)性則不顯著(圖4,表3)。夏季浮游藻類群落與環(huán)境距離、排除了地理距離影響的環(huán)境距離均顯著相關(guān)(圖4,表3)。

對于著生藻類群落,BIO-ENV篩選出的環(huán)境變量組合在秋季為海拔和硅酸鹽,在夏季為總氮、pH和化學(xué)需氧量。Mantel test和partial Mantel test分析結(jié)果顯示,與浮游藻類類似,秋季著生藻類群落差異也與環(huán)境距離顯著相關(guān),且當(dāng)排除了地理距離對環(huán)境距離的影響后,相關(guān)性則不顯著(圖4,表3)。夏季著生藻類群落差異也與環(huán)境距離、排除了地理距離影響的環(huán)境距離均顯著相關(guān)。不同的是,秋、夏季著生藻類群落差異與環(huán)境距離的Mantel相關(guān)系數(shù)均高于浮游藻類(圖4,表3)。

圖4 藻類群落差異(Bray-Curtis 相異度)沿著環(huán)境距離的變化圖(圖中顯示了每種關(guān)系的Mantel相關(guān)系數(shù)r和顯著性P)Fig.4 Changes of algae community dissimilarity (Bray-Curtis dissimilarity) along the environmental distance (Mantel correlation coefficient (r) and significance (P) of each relationship are shown)

表3 藻類群落差異性(Bray-Curtis相異度)與環(huán)境地理距離的相關(guān)性(Mantel分析)

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn),金沙江上段不同季節(jié)的浮游藻類和著生藻類群落結(jié)構(gòu)均存在顯著差異。同時,本研究發(fā)現(xiàn)雖然兩個類群共有物種較少,但是這些共有物種的平均相對豐度卻較高,達到62.7%—85.8%,這從側(cè)面反映了浮游藻類群落和著生藻類群落也存在著緊密聯(lián)系,即浮游藻類和著生藻類可能相互轉(zhuǎn)化[34]。此外,本研究還發(fā)現(xiàn),金沙江上段浮游藻類和著生藻類群落在秋、夏季的變化既有相似之處也存在差異。相似之處在于硅藻門無論是在物種數(shù)還是密度上均為優(yōu)勢門類,且秋季藻類密度均顯著高于夏季。在金沙江干流其它河段也有類似的發(fā)現(xiàn)[35—37]。不同的是,著生藻類群落的分類單元數(shù)在夏季明顯低于秋季,而浮游藻類分類單元數(shù)的季節(jié)變化不顯著。導(dǎo)致這一差異的原因可能是由于夏季金沙江水流量大、流速急(調(diào)查江段夏季平均流速高達2.39 m/s),大量著生藻類被水流沖刷離開其生境,且難以獲得來自上游水域或浮游藻類的補充。另外,夏季異常渾濁的江水(調(diào)查江段夏季平均濁度為687.1NTU)使得著生藻類難以獲得生長所需的光照,從而限制了它們的生長。相反,浮游藻類卻能夠獲得來自再懸浮的著生藻類,或上游和支流藻類的補充[6,38]。

金沙江上段浮游藻類和著生藻類群落均與環(huán)境距離存在顯著相關(guān)性,即隨著環(huán)境距離的增加,藻類群落結(jié)構(gòu)差異性(即β多樣性)也隨之增加。但同時本研究也發(fā)現(xiàn)著生藻類群落結(jié)構(gòu)的差異與環(huán)境距離的相關(guān)性更高,這表明著生藻類可能對于水質(zhì)變化更為敏感[39]。此外,本研究還發(fā)現(xiàn)與秋、夏季浮游藻類群落差異顯著相關(guān)的環(huán)境因子組成較為相似,而與著生藻類顯著相關(guān)的環(huán)境因子在季節(jié)間差異較大。這說明,影響著生藻類的主要環(huán)境脅迫因子存在季節(jié)性差異。地理距離也會對河流環(huán)境產(chǎn)生一定的影響[40—41]。當(dāng)剔除地理距離對環(huán)境距離的交互作用后,環(huán)境距離與藻類群落結(jié)構(gòu)的相關(guān)性發(fā)生了變化,即環(huán)境距離與夏季藻類群落依然存在顯著相關(guān)性,而與秋季的相關(guān)性卻不顯著,這是因為秋季環(huán)境因子可能存在更顯著的空間相關(guān)性。實際上,任何季節(jié)的環(huán)境因子都存在空間相關(guān)性,金沙江上段各樣點間的海拔梯度可能使得秋季環(huán)境因子的空間化格局更突出,秋季藻類群落均受到海拔因素的影響證明了這一點。

本研究結(jié)果可為金沙江上段生態(tài)管理提供科學(xué)依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)該江段秋、夏季的藻類優(yōu)勢種均以出現(xiàn)在中、貧營養(yǎng)型水體中的清潔指示物種為主,如微小曲殼藻、分散菱形藻、橄欖綠色異極藻、念珠狀等片藻等[42],這反映了金沙江上段水體營養(yǎng)水平不高,根據(jù)金沙江上段氮、磷含量也能發(fā)現(xiàn)這一結(jié)果。相較于浮游藻類,本研究發(fā)現(xiàn)著生藻類群落差異與金沙江上段環(huán)境因子的變化更為相關(guān),因此,宜以著生藻類為主開展河流生態(tài)狀況調(diào)查與評價。此外,金沙江上段雨季流速、可溶性有機碳等環(huán)境因子顯著增加,因此雨季應(yīng)重點關(guān)注農(nóng)業(yè)非點源污染,并保護河岸帶的完整性,減少污染物被沖入河道中；旱季江水中磷營養(yǎng)鹽、溶氧等環(huán)境因子顯著增加,此時應(yīng)重點控制點源污染的排放。

4 結(jié)論

通過比較金沙江上段浮游藻類和著生藻類的群落格局及其與環(huán)境因子的關(guān)系發(fā)現(xiàn),盡管浮游藻類和著生藻類的群落均以硅藻為主,但是它們的物種組成差異顯著,并且在季節(jié)間的動態(tài)變化也十分不同。著生藻類具有更為明顯的季節(jié)動態(tài),且對于環(huán)境變化具有更好的響應(yīng),這表明著生藻類可能比浮游藻類更適用于河流生態(tài)系統(tǒng)的管理和評估。此外,也不能忽略地理距離對于藻類群落的影響,在以后的研究中還需要進一步探討空間過程對于藻類群落構(gòu)建過程的貢獻。

致謝：感謝何智博士、池仕運博士在野外工作中給予的幫助。