2015, Vol. 27 
(2: 广西水利电力勘测设计研究院，南宁 530023)
(3: 广西水环境监测中心，南宁 530023)
(2: Guangxi Water and Power Design Institute, Nanning 530023, P.R.China)
(3: Water Environment Monitoring Center of Guangxi Province, Nanning 530023, P.R.China)
硅藻作为水生态系统中的初级生产者，具有很高的繁殖率和很短的生命周期，对水体中的各种环境因子(酸碱度、重金属、富营养化等)和生态环境的变化能够快速响应，主要体现在硅藻群落的变化上，如在较清洁的水体中，清洁指示种如曲壳藻(Achnanthes sp.)等所占比例较大，而当营养盐浓度较高时，耐污性藻属如菱形藻(Nitzschia sp.)的丰度会增加[1].在此基础上，形成了数十种河流硅藻指数，广泛使用的有特定污染敏感指数(specific pollution sensitivity index，IPS)、硅藻生物指数(biological diatom index，IBD)、硅藻属指数(generic diatom index，IDG)、硅藻营养化指数(trophic diatom index，TDI)[2-5]，这些指数在一定程度上可以反映河流生态质量的变化；同时，硅藻群落相对于参考点的变异程度用于评价水生态系统的健康程度和恢复状况在欧盟以及美国广泛使用[6].
群落研究的常见方法是数量分类以及排序，可以揭示群落之间的内部联系及与环境因子之间的生态关系.国内外广泛使用的数量分类方法为双向指示种分析(two-way indicator species analysis, TWINSPAN)，通过数量分类指示种来划分群落；排序方法有除趋势对应分析(detrended correspondence analysis, DCA)以及典范对应分析(canonical correspondence analysis, CCA)等.
贺江流域主要流经广西壮族自治区贺州市，是珠江流域西江的主要支流，漓江的姐妹江，古时是主要的水上交通要道.由于流域的水能开发和支流沿岸采矿、采砂等人类活动的破坏，使其出现水质恶化、重金属污染以及断流等一系列环境问题.本文采用TWINSPAN以及DCA的分析方法，对贺江流域的硅藻群落进行数量分类以及排序，且与硅藻指数进行比较，以期为该流域的生态质量以及环境保护提供生物学依据.
1 材料与方法 1.1 贺江流域概况及采样点贺江流域面积为11536 km2，全长352 km，其上游富川江发源于富川瑶族自治县麦岭乡的茗山，经贺江后在梧州汇入西江干流，其主要的支流有白沙河、西湾河、马尾河、大宁河、东安江，其中支流最大的为东安江，全长168 km.研究中，采样点覆盖了贺江的干流以及一级支流，共38个样点，分布点见图 1.
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图 1 贺江流域硅藻采样点 (1：富阳镇；2：龟石大坝上；3：龟石大坝下；4：钟山县；5：羊头镇；6：黄石村；7：西湾河口；8：贺州水文站；9：大水排；10：小水；11：贺街；12：大宁河口；13：步头；14：库1；15：库2；16：库3；17：库4；18：库5；19：合面狮大坝上；20：合面狮大坝下；21：林洞河口；22：沙冲河口；23：扶隆浮桥；24：都平镇；25：大洲村；26：东安江河口；27：上百吉；28：封开县；29：大旺村；30：川江镇；31：马尾河口；32：龙岩寨；33：新村；34：黄洞；35：大宁镇；36：北平村；37：松木龙；38：信都水文站) Fig.1 The map of diatom sampling sites in Hejiang River |
于2013年6月对贺江流域进行硅藻采样.采样基质选取能抵抗水流、地势开阔且无树荫遮蔽的石头，用干净的牙刷刷取石头的向阳面，装入容量瓶中用甲醛固定，如采样点附近无石头，可以选择挺水植物代替.样品经过氧化氢和浓盐酸消解，封片胶封片，光学显微镜下采用1000倍油镜检验、鉴定，视野内所有硅藻及破损面积不超过1/4的样品都要进行鉴定和计数，每个玻片鉴定总数大于400，鉴定依据Krammer和Lange-Bertalot体系[7]和《中国淡水藻志》[8-9].
1.3 数据处理进行排序以及数量分类时，剔除丰度小于5%的硅藻种类，应用CANOCO软件进行DCA分析，DCA分析的物种数据进行开平方处理，并在CANODRAW中完成排序作图，PC-ORD进行TWINSPAN分析，相关指数计算应用OMNIDIA软件完成，使用SPSS 18.0软件完成箱型图的绘制.
2 结果与分析 2.1 样点TWINSPAN数量分类结果贺江流域38个样点中，样点S2的采样基质为水草，其余为石头，共鉴定出154种硅藻，其中丰度大于5%的硅藻种类有51种，以曲壳藻属(Achnanthes sp.)、舟形藻属(Navicula sp.)、菱形藻属(Nitzschia sp.)为主.结合采样点周围的生境、底质和两岸的人类干扰程度，利用TWINSPAN对硅藻群落进行数量分类，将38个样点分为4类，分类结果见图 2.
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图 2 硅藻群落TWINSPAN分类结果 Fig.2 The classification of diatom communities by TWINSPAN |
Ⅰ：硅藻优势种为Achnanthidium minutissima、Achnanthes biasolettiana、Cocconeis placentula var. lineata、Melosira varians、Navicula gregaria，包括样点1、3、5、6、12、22、26、34、36、37，多分布于贺江的上游(无水电站的干扰)、贺江支流大宁河；采样底质多为鹅卵石、碎石和砂石；生境较复杂，河两岸有水草、枯枝落叶、倒木等；渠道化较少，维持正常的河道模式；河岸两侧农田居多.
Ⅱ：硅藻优势种为Achnanthidium minutissima、Nitzschia palea、Achnanthes biasolettiana、Cocconeis placentula var. lineata、Melosira varians、Gomphonema parvulum、Cyclotella atomus、Navicula erifuga、Fragilaria virescens，包括样点4、7、8、9、24、27、28、29、30、35，主要分布于贺江干流、下游与西江交汇处；鹅卵石、碎石和砂石等基质占25%~50%，其余为细砂等沉积物；生境较复杂，河两岸有水草、枯枝落叶、倒木等；渠道化出现较少，水电站上下游一定范围内的河岸由铁丝和混凝土固定；人类干扰较大，河岸两侧农田居多.
Ⅲ：硅藻优势种为Nitzschia palea、Gomphonema parvulum、Achnanthidium minutissima、Cyclotella atomus、Nitzschia fonticola，包括样点13、20、21、25、32、38；鹅卵石、碎石和砂石等基质占25%~50%，其余为细砂等沉积物；生境较单一，只出现一种或两种生境；渠道化出现较少；人类干扰较大，河岸两侧农田居多.
Ⅳ：硅藻优势种为Nitzschia palea、Gomphonema parvulum、Nitzschia intermedia、Nitzschia fonticola、Achnanthes exiguum、Aulacoseira ambigua，包括样点2、10、11、14、15、16、17、18、19、23、31、33；碎石、鹅卵石、大石少于25%，其余为细砂等沉积物；主要为河道型水库，生境较为单一；河岸两侧为农田或是废弃的耕作土壤.群落Ⅲ与Ⅳ的样点集中在贺江流域的中游，主要包括支流马尾河以及合面狮水电站上下游附近.
2.2 样点DCA排序结果DCA分析结果可以较好地反映出TWINSPAN的数量分类结果(图 3).TWINSPAN数量分类的结果在DCA排序图上均有分布范围和界限，少数样点(样点2、3、30)除外，从图中也可以得知群落Ⅰ与群落Ⅱ相似性较高，群落Ⅱ与群落Ⅲ也具有一定的相似性，同理群落Ⅲ与群落Ⅳ也有一定的相似性.依据Van Dam[10]的硅藻生态指示意义，各个硅藻群落所反映的生态意义也不同.
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图 3 硅藻群落38个样点的DCA排序图 Fig.3 DCA ordination diagram of 38 sampling sites of diatom communities |
群落Ⅰ：Achnanthidium minutissima、Achnanthes biasolettiana和Cocconeis placentula var. lineata主要出现在清洁、营养水平较低的水体中，该群落中占多数的为曲壳藻属(Achnanthes sp.)，虽然曲壳藻属指示的生态意义较宽广，但总体代表着较低的污染水平，Melosira varians常出现在富营养化的水体中，该种类为样点12的第二优势种.
群落Ⅱ：绝大多数点的优势种仍为Achnanthidium minutissima和Achnanthes biasolettiana，样点7、8、24的优势种为Nitzschia palea，为强有机污染和富营养化的指示种，Cyclotella atomus、Melosira varians也是常见的富营养化的指示种.
群落Ⅲ：所有样点的第一优势种均为Nitzschia palea，第二优势种主要为Gomphonema parvulum，其也为富营养化的指示种.
群落Ⅳ：优势种主要为Nitzschia palea，其余为Gomphonema parvulum、Nitzschia intermedia、Nitzschia fonticola，均为有机污染以及富营养化的指示种，主要以菱形藻属居多，而绝大多数菱形藻都指示一定程度的污染.因此4个硅藻群落的水质污染程度从群落Ⅰ到群落Ⅳ逐渐增加.
2.3 硅藻指数箱型图分析选取IPS、IBD、IDG、TDI指数进行回归分析以及与硅藻群落之间进行分析.从表 1可知4种硅藻指数的相关性极显著(P＜0.01).由箱型图了解到，IPS、IDG、IBD的值从群落Ⅰ到群落Ⅳ呈下降趋势，而TDI呈波动变化趋势(图 4).相较TDI而言，IPS、IDG、IBD更加适合评价贺江流域的水生态质量，这也从指数方面验证了从群落Ⅰ到群落Ⅳ的水质污染程度.
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图 4 4种硅藻指数的箱型图 Fig.4 The boxplots of four diatom indexes |
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表 1 硅藻指数之间的pearson相关系数(n=38) Tab.1 The pearson correlative coefficients among four diatom indexes |
群落Ⅰ样点12的优势种为Melosira varians，在排序图上较倾向于群落Ⅱ，呈现一定程度的富营养化，其原因是采样点附近有大片的蔬菜基地，农药和杀虫剂普遍使用；样点7、24在TWINSPAN图上被划分在群落Ⅱ里面，而在DCA排序图上属于群落Ⅲ，从其硅藻组成看，其优势种的组成倾向于群落Ⅲ，从分布点看，样点7位于贺州市区，样点24为都平镇，都是人口密集、城市和农业发达的区域，对美国以及西班牙河流的相关研究也表明城市和农业利用面积会影响硅藻群落分布[11-12]，主要是改变了河流原有的自然环境、水流方向以及水体各项理化指标[13]；群落Ⅲ与群落Ⅳ的大多数样点在库区，水库的蓄水作用和工业、生活污水的排放，使得营养盐富集，N、P等的含量上升[14-16]，从而使富营养化和有机污染的指示种丰度增加.样点2在排序图上偏离划分的群落，这与采样点的基质有关，样点2的采样基质为挺水植物，附着于上面的多为静水硅藻，与石头基质相比，由于基质附着条件的异质性，相关分析会产生一定的偏差[17].
TWINSPAN数量分类是依据指示种划分的，而DCA是依据排序轴的综合信息，将样方排列在一定的空间上，排序轴能反映一定的生态梯度.由于DCA排序分析时并没有引入相关的环境数据，因此并不能具体反映出是哪几种因子的相互作用，但从硅藻优势种和生境质量而言，DCA排序图的第一轴在一定程度上可以反映贺江水质或是生态质量的变化.从样点12、7、8、24的TWINSPAN数量分类和DCA排序可知，两种方法结合使用可以精确地划分硅藻群落，同样的方法也适用于划分其它的群落，如苏日古嘎等[18]采用两种方法结合现场调查划分了松山自然保护区域的植物群落，对群落保护具有指导意义.
TWINSPAN数量分类和DCA划分的硅藻群落在一定程度上反映了河流生境质量对硅藻群落的影响，从群落Ⅰ到群落Ⅳ生境质量逐级下降，栖息地环境变得单一，人为干扰也越来越严重，特别是群落Ⅳ中的样点主要集中在合面狮水电站上游，其特征为河道型水库，且支流马尾河采矿严重，人为干扰比较厉害；依据Van Dam[10]的生态分类体系，水质污染程度从群落Ⅰ到群落Ⅳ逐渐增加，根据广西水环境监测中心提供的水质监测资料，支流马尾河到信都水文站这一段，重金属镉、铊严重超标，水质处于劣Ⅴ类(参考国家《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002))，其它样点的水质都处于Ⅱ、Ⅲ类水质，而处于劣Ⅴ类水质的样点绝大多数都被划分到群落Ⅳ.相关文献表明[19-21]，在小流域尺度上，河流生境质量(诸如河岸带环境、基质、水中悬浮物、河流形态等)以及水质影响硅藻群落分布. Pan等的研究表明河槽形态、河道环境以及河岸带条件是影响California山谷溪流硅藻群落分布的主要因素[22]；Tang等发现河流上梯级电站的修建改变了流速、河槽宽度、pH以及水温，进而对硅藻的密度以及多样性产生一定的影响[23]；在大流域尺度上，土地利用、地形、地质特征、人为干扰和水质对硅群落分布的影响明显，Urrea等[19]研究发现影响西班牙北部的瓜迪亚纳河流域硅藻群落分布的两大主要梯度为水质以及地质构造，流域上游主要为石灰石地质构造，嗜碱性的硅藻如Cymbella affinis、Diatoma moniliformis和Cymbella cymbiformis的相对丰度较大；下游主要为硅酸盐构造，嗜酸性的硅藻如Cyclotella atomus的相对丰度较大.邓培雁等[24]采用偏典型相关分析(CCA)显示，硅藻群落的分布是土地利用、地理因素和水质共同作用的结果.
国内外开发的硅藻指数远不止本文所使用的4种，但是这4种硅藻指数包含了绝大多数的硅藻种类，且相关性较高.最新版本的IPS指数包含了4590种硅藻(包括变种)，IBD指数构建于法国，采取1977-1994年949个断面上的硅藻数据，IBD、IPS指数也比较适合于评价我国的河流，本研究中IPS和IBD之间的相关性达到了0.937.邓培雁等[25]研究发现相对于其它硅藻指数而言，IPS、IBD更适合于东江的水质评估，赵湘桂等[26]利用Van Dam生态类群，通过IBD、IPS指数对漓江的水质进行了较全面的评价；与IPS、IBD显著相关的指数IDG为硅藻属指数，鉴定硅藻只需要鉴定到属，采用此指数进行分析可以减少鉴定工作量，虽然IPS、IBD、IDG的建立都是基于法国河流硅藻数据，在其他国家的流域得到了很好的应用[27-29]，但是国内使用较多的仍为前两种[30]. TDI为硅藻富营养化指数，主要根植于英国的河流，发展至今已有三版，能有效的评估英国河流的富营养化状态[3]，但却不适合评价其他国家的河流[31]，在本文中，TDI在群落的箱型图分布中也没有表现出合理的变化趋势.
4 结论1) TWINSPAN数量分类和DCA排序两种方法结合很好地划分了硅藻群落：群落Ⅰ的主要优势种为清洁指示种，群落Ⅲ、Ⅳ的主要优势种为富营养化和有机污染指示种，群落Ⅱ为群落Ⅰ和Ⅲ、Ⅳ的过渡群落.
2) 贺江流域4组硅藻群落的分布表明：贺江流域上游和下游与西江的交汇处污染以及破坏较少，水生态质量保持良好；贺江干流水质状况普遍低于支流(马尾河除外)；人为干扰对河流生态质量影响很大，马尾河支流到合面狮大坝这一段水域，采矿以及电站的修建，使得营养盐以及污染物富集.
3) 硅藻指数评价中，IPS、IBD、IDG适合评价贺江流域河流生物质量.
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