硅藻群落結(jié)構(gòu)的差異：比較樣本采集過程與空間梯度*

林金城，蔡德所，*，姚文婷，湯新武，鐘云艷，文宏展

(1：三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，宜昌 443002)

(2：廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，南寧 530004)

(3：廣西水環(huán)境監(jiān)測中心，南寧 530023)

硅藻群落結(jié)構(gòu)的差異：比較樣本采集過程與空間梯度*

林金城1，蔡德所1，2*，姚文婷1，湯新武1，鐘云艷2，文宏展3

(1：三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，宜昌 443002)

(2：廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，南寧 530004)

(3：廣西水環(huán)境監(jiān)測中心，南寧 530023)

硅藻種群的分布與其所處的生境條件密切相關(guān)，但在實(shí)際過程中的一些人為因素，例如取樣方法、樣本的制備以及藻種鑒定都可能會干擾到種群結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果． 因此很有必要探究這些人為因素是否會對真實(shí)的硅藻群落生態(tài)學(xué)研究產(chǎn)生誤導(dǎo)性的判斷，以免干擾硅藻生物水質(zhì)評價(jià)的客觀性． 選取采樣方法及樣本制備為代表的人為因素對硅藻群落生態(tài)分析結(jié)果引入的誤差大小進(jìn)行評估． 結(jié)果顯示，子樣本之間(同一樣品重復(fù)制作的玻片樣本)和樣品之間(同一樣點(diǎn)重復(fù)取樣)群落結(jié)構(gòu)差異大小分別是1.26%和1.97%，同一條河流的樣點(diǎn)之間則為3.38%，而所選定的跨河流研究區(qū)域的樣點(diǎn)間群落結(jié)構(gòu)差異最大(42.03%)． 生態(tài)學(xué)的排序結(jié)果和數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析表明，在硅藻群落結(jié)構(gòu)分析中，現(xiàn)場取樣方法和樣本制備過程相對于不同生境條件所引起的變化，并不會帶來較大的差異． 因此在河流附生硅藻的群落生態(tài)學(xué)研究中，可基本不考慮取樣方法等因子的干擾，而是側(cè)重于環(huán)境因子對硅藻生態(tài)分布的影響．

硅藻；群落結(jié)構(gòu)；樣本采集；空間梯度

在河流水質(zhì)監(jiān)測中，利用水生生物對周圍環(huán)境因子變化的響應(yīng)，分析其生理功能、種類豐度、種群密度、群落結(jié)構(gòu)等特征，能夠較全面地反映水體在一段時(shí)間內(nèi)的污染狀況，在一定程度上補(bǔ)充了傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測的不足[1-3]． 近年來，生物監(jiān)測在河流健康評價(jià)體系中發(fā)揮著重要作用[4]，其靈敏度高、綜合性強(qiáng)等特點(diǎn)[5]，已被許多國家納入本地區(qū)河流健康診斷與治理計(jì)劃中，并且也得到成熟運(yùn)用．

許多學(xué)者對底棲硅藻的研究表明，硅藻與流速、水深、pH、營養(yǎng)元素、電導(dǎo)率等理化因子具有一定的相關(guān)性[6-10]，同時(shí)也會受到土地利用、地形地貌、季節(jié)變遷、植被和氣候變化的影響[11-14]． 基于底棲硅藻的水質(zhì)評價(jià)中，仍存在一些不確定因子會干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果，例如空間變化、時(shí)間變化、取樣方法、樣本的制備、樣本的分析、研究人員因素等，最終會影響分析評價(jià)的客觀準(zhǔn)確性[15-18]． 本文將從取樣方法及樣本制備的角度出發(fā)，分別采集同一條河流的不同樣點(diǎn)和跨河流的硅藻樣品，評估一些人為因素引起群落結(jié)構(gòu)的差異大小，也可為廣西桂北區(qū)域的河流硅藻生物水質(zhì)評價(jià)提供一定的參考意義．

1 材料與方法

1.1 樣點(diǎn)概況及設(shè)置

為進(jìn)行此次驗(yàn)證性工作，將分別從漓江、賀江、刁江、龍江和貝江中采集硅藻樣品． 這些江都受到不同程度的人為活動干擾，包括農(nóng)林業(yè)活動、城鎮(zhèn)化、水利建筑設(shè)施，其中賀江、龍江、刁江上游局部地區(qū)采礦業(yè)較密集，發(fā)生過重金屬污染事件．

位于漓江的陽朔設(shè)為A(24°47′01″N， 110°29′42″E)，賀江的大寧樣點(diǎn)設(shè)為B(24°33′47″N， 111°54′23″ E)，刁江的下考鄉(xiāng)樣點(diǎn)設(shè)為C(24°40′12″N， 107°44′20″E)，龍江的宜州樣點(diǎn)設(shè)為D(24°30′26″N， 108°35′52″E)，貝江的等塘和溝灘樣點(diǎn)分別設(shè)為E(25°13′06″N， 109°10′04″E)和F(25°08′46″N， 109°13′23″E)(圖1)． 其中A點(diǎn)為旅游景區(qū)，河流底質(zhì)主要以鵝卵石、礫石、細(xì)砂等沉積物，水流條件較好且水體透明度高，植被覆蓋率較好，受到一定人為活動干擾；B點(diǎn)與D點(diǎn)處在城鎮(zhèn)河段上游，河流底質(zhì)主要是大石、碎石，水體透明度較高，水流條件較好，但各自水量都受到上游水利樞紐的影響，附近植被覆蓋率一般；C、E、F點(diǎn)兩岸基本是經(jīng)濟(jì)林區(qū)，河岸穩(wěn)定，河流底質(zhì)為鵝卵石、礫石、細(xì)砂等沉積物，水流條件較好，流量不大，水體清澈，屬淺水型河流，周圍植被覆蓋率高．

圖1 采樣點(diǎn)位置Fig.1 Location of sampling sites in the rivers

1.2 樣品采集及處理

于2014年3月對上述5條河流進(jìn)行硅藻采樣． 參考?xì)W州技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)EN 13946[19]，樣點(diǎn)選擇在地勢開闊且無樹蔭遮擋處，選取能抵抗一定水流沖擊的石頭，每個(gè)樣品至少選取5塊石頭，采集范圍控制在大約5 m2內(nèi)，并用干凈的牙刷刷洗石頭的向陽面，再裝入樣品瓶中，加入甲醛(3%～4%)固定保存． 最后帶回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)過氧化消解后，制成合格的永久玻片，每個(gè)樣品重復(fù)相同步驟制成5個(gè)玻片，并分別編號為A1-5、B1-5、C1-5、D1-5，共有20個(gè)玻片． 另外，在E和F樣點(diǎn)中，分別采集兩組樣品，每組沿著垂直河流水流方向，水深依次由淺到深，采集5個(gè)樣品，每個(gè)樣品采集方法和上述一樣，但采集范圍控制在大約2 m2內(nèi)． 每個(gè)樣品分別制作成一個(gè)永久玻片，并分別編號為E1-5、F1-5，一共有10個(gè)玻片．

1.3 硅藻鑒定計(jì)數(shù)及分析

參考?xì)W洲技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)EN 14407[20]，在光學(xué)顯微鏡下采用1000倍油鏡鑒定，視野內(nèi)所有硅藻及破損面積不超過1/4的樣品都要進(jìn)行鑒定和計(jì)數(shù)，每個(gè)玻片鑒定的總數(shù)大于400個(gè)． 硅藻種類的鑒定主要根據(jù)Krammer和Lange-Bertalot的鑒定體系[21]．

采用DCA(CANOCO4.5)分析硅藻群落結(jié)構(gòu)與樣品采集及處理過程中的變量關(guān)系，排序分析過程中剔除每個(gè)樣點(diǎn)里相對豐度小于1%的藻種，并對其進(jìn)行平方根轉(zhuǎn)換． 現(xiàn)將所有樣本分成兩組進(jìn)行DCA分析(第1組A1-5、B1-5、C1-5、D1-5和第2組E1-5、F1-5)， 再對DCA中每個(gè)物種的得分進(jìn)行ANOVA(SPSS 18.0)分析，將所得方差分量與DCA中各軸的解釋量相乘，相加后的和便是本組樣本在不同尺度下群落差異的實(shí)際大小． 另外為比較河流間、同一條河流不同樣點(diǎn)間、同一樣點(diǎn)不同樣品間、子樣本間的差異大小，以第1組差異大小作為參考量，將第2組(E1-5、F1-5)中群落結(jié)構(gòu)的分析值乘以比例(第2組特征值/第1組特征值)[22]．

2 結(jié)果

對第1組樣本(分別從4條不同河流中采集的樣品，并將每個(gè)樣品制成5個(gè)玻片)進(jìn)行DCA排序分析的結(jié)果可知，總特征值為1.679，DCA軸1解釋了群落結(jié)構(gòu)變化的35.7%，軸2解釋了群落結(jié)構(gòu)變化的7.6%(圖2)． 將DCA軸1得分進(jìn)行ANOVA分析，發(fā)現(xiàn)河流間和子樣本間的硅藻群落結(jié)構(gòu)方差分量分別占99.02%和0.98%，其中F(3，16)=538.787，P<0.001，很顯然河流間的群落結(jié)構(gòu)差異遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于子樣本間的差異；將DCA軸2得分進(jìn)行ANOVA分析，發(fā)現(xiàn)河流間與子樣本間硅藻群落結(jié)構(gòu)方差分量分別占87.97%和12.03%，其中F(3，16)=38.969，P<0.001，也說明河流間的群落結(jié)構(gòu)差異大于子樣本間的差異． 因此，河流間的硅藻群落結(jié)構(gòu)實(shí)際差異大小為99.02%×35.7%+87.97%×7.6%=42.03%，子樣本間實(shí)際差異大小為0.98%×35.7%+12.03%×7.6%=1.26%．

對第2組樣本(從第5條河流中兩個(gè)樣點(diǎn)采集的10個(gè)樣品，并將每個(gè)樣品制成1個(gè)玻片)進(jìn)行DCA排序分析的結(jié)果可知，總特征值為0.228，DCA軸1解釋了群落結(jié)構(gòu)變化的39.3%，軸2解釋了群落結(jié)構(gòu)變化的12.2%(圖3)． 將DCA軸1得分進(jìn)行ANOVA分析，顯示樣點(diǎn)間與樣品間的硅藻群落結(jié)構(gòu)方差分量分別占63.25%和36.75%，其中F(1，8)=13.741，P=0.006，樣點(diǎn)間的群落結(jié)構(gòu)差異大于樣品間的差異；將

圖2 每條河流的5個(gè)玻片樣本的DCA排序結(jié)果Fig.2 DCA scores from the 5 slides for each stream

圖3 貝江中每個(gè)樣點(diǎn)5個(gè)樣本的DCA排序結(jié)果Fig.3 DCA scores from the 5 samples collected at 2 sites in the Bei River

DCA軸2得分進(jìn)行ANOVA分析，顯示樣點(diǎn)間與樣品間硅藻群落結(jié)構(gòu)方差分量分別占1.91%和97.71%，其中F(1，8)=0.169，P=0.691，無顯著差異． 因此，樣點(diǎn)間的硅藻群落結(jié)構(gòu)實(shí)際差異大小為63.25%×39.3%×0.228/1.679=3.38%，樣品間實(shí)際差異大小為36.75%×39.3%×0.228/1.679=1.97%．

綜上所述，采樣和樣品處理分析過程中引起的群落差異比較為：跨河流間差異(42.03%)>同一條河流不同樣點(diǎn)間差異(3.38%)>相同樣點(diǎn)的不同樣品間差異(1.97%)>同一樣品的子樣本間差異(1.26%)．

3 討論與結(jié)論

就樣品采集和處理過程對硅藻群落結(jié)構(gòu)對比，發(fā)現(xiàn)除了在河流間、樣點(diǎn)間會出現(xiàn)群落結(jié)構(gòu)差異，在樣品間及子樣本間的群落結(jié)構(gòu)也不是完全一致的，只是差異很小．

這4條河流間的硅藻群落結(jié)構(gòu)差異性達(dá)到了42.03%，河流中的生物群落，除了受到水體理化因子的影響外，與其所處生態(tài)分區(qū)也有一定的關(guān)系[23]． A點(diǎn)所在的漓江屬于旅游景區(qū)，周圍的生境條件良好；B點(diǎn)所在的賀江受采砂、農(nóng)田及城鎮(zhèn)化等干擾；C點(diǎn)所在的刁江受上游地區(qū)采礦及沿岸農(nóng)田影響，且河流的徑流量較??；D點(diǎn)所在的龍江與刁江相鄰，受到城鎮(zhèn)化、采礦活動及梯級電站開發(fā)影響． 另外河流之間相隔較遠(yuǎn)，由于空間效應(yīng)[24]，導(dǎo)致這些河流間群落結(jié)構(gòu)差異性較大． 在第5條河流貝江中，E、F兩個(gè)樣點(diǎn)間的差異性只有3.38%，兩樣點(diǎn)的群落結(jié)構(gòu)相似性較高，這跟其流域特征有一定的關(guān)系，貝江流域面積相對較小，年徑流量也不大，作為柳州水源地，其水質(zhì)條件整體優(yōu)良[25]，兩個(gè)樣點(diǎn)間的河段人口密度小，兩岸翠山環(huán)抱，植被覆蓋率好，也沒有水利建筑設(shè)施等人為干擾，基本處于天然狀態(tài)． 除了生境條件比較接近外，可能還跟這兩點(diǎn)相隔的距離比較近有關(guān)，Hillebrand等發(fā)現(xiàn)硅藻種群的相似性隨著距離的增加而減小[26]，兩個(gè)樣點(diǎn)群落差異性的可能因素是物種自身傳播[27-28]以及與其他生物的互相作用[29]，同一河流相隔較遠(yuǎn)的樣點(diǎn)群落結(jié)構(gòu)差異性會比較明顯． 而在同一個(gè)樣點(diǎn)的5個(gè)樣品間以及同一樣品制成的5個(gè)玻片間的群落結(jié)構(gòu)差異大小分別為1.26%和1.97%，引起差異性的原因可能是由于人員對藻種的鑒定帶有一定主觀性[30]，另外樣品采集[31]和制作玻片過程中也可能存在一些偶然因素． 在整個(gè)數(shù)據(jù)采集過程中，盡管會引起一些誤差，但是其差異性大小都不足2%，基本可以忽略這些因素帶來的影響．

來自不同基質(zhì)的硅藻種群也會有差異性，Kitner等[32]發(fā)現(xiàn)附石、附植、附泥沙中硅藻種群多樣性有較大不同，但Winter等[33]和Cejudo-Figueiras等[34]則認(rèn)為種群結(jié)構(gòu)差異受基質(zhì)影響不明顯． 為了避免因基質(zhì)不同對結(jié)果產(chǎn)生干擾，所有樣點(diǎn)統(tǒng)一選取石頭上的硅藻． 另外Mykr?等[31]報(bào)道了在芬蘭北部河流中的硅藻群落與季節(jié)變遷有關(guān)，O’Driscoll等[35]在北愛爾蘭Burrishoole流域卻未發(fā)現(xiàn)本地區(qū)硅藻群落的季節(jié)性變化，這可能是流域頻發(fā)洪水的水文特征導(dǎo)致的． 此次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)只反映了春季的情況，屬于平水期，在其他季節(jié)，不同尺度下的種群差異性是否會增大或者減小，在文中未進(jìn)行驗(yàn)證，但樣點(diǎn)間差異大于樣品間差異的結(jié)論，與Kelly[36]對比硅藻群落結(jié)構(gòu)在年際間的變化差異結(jié)果是一致的．

本文評價(jià)了樣品采集和處理過程中可能帶來的誤差大?。?跨河流及不同樣點(diǎn)間的群落差異較明顯，這主要是因?yàn)樗w中的理化條件不同，而樣品采集和樣本制備中出現(xiàn)的偶然因素對群落結(jié)構(gòu)的干擾遠(yuǎn)小于理化因子、生態(tài)分區(qū)、空間距離等因素的影響．

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Variation in diatom community structures：Comparison between sampling procedures and spatial gradients

LIN Jincheng1， CAI Desuo1，2， YAO Wenting1， TANG Xinwu1， ZHONG Yunyan2& WEN Hongzhan3

(1：CollegeofHydraulicandEnvironmentalEngineering，ChinaThreeGorgesUniversity，Yichang443002，P．R．China)

(2：CollegeofCivilEngineeringandArchitecture，GuangxiUniversity，Nanning530004，P．R．China)

(3：WaterEnvironmentMonitoringCenterofGuangxiProvince，Nanning530023，P．R．China)

The distribution of diatom is closely related to the habitat characteristics． But some anthropogenic factors， such as sampling method， sample preparation and species identification may affect the result of analyzing community structure． It is necessary to ensure no misleading judgments that would be generated by these factors in the diatom community ecology study because such misleading judgments may affect the evaluation of water quality． This paper was to quantify the amount of variability in community structure of benthic diatom， which related to sampling method and sample preparation． The results showed that the variability in community structure was minimal among sub-samples (repeated microscope slides of the same sample) and samples (repeated sampling at the same site)， 1.26% and 1.97%， respectively． Differences in community structure were 3.38% at two sites located in the same river． Amount of dissimilarity in community structure across the streams was up to 42.03%． Multivariate analysis suggested that field sampling and sample preparation did not contribute to a large amount of variation in our analysis of diatom community structure that related to habitat conditions across sites． Therefore， in the study of diatoms community in river areas， emphasis should be put on the effects of environments rather than the factors about sampling methods．

Diatoms; community structure; sampling; spatial gradients

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40971280， 30870345)資助.2014-07-17收稿；2014-10-12收修改稿． 林金城(1988～)，男，碩士研究生；E-mail：jchlin@foxmail．com．

J.LakeSci.(湖泊科學(xué))， 2015， 27(3)： 407-411

http： //www.jlakes.org.E-mail： jlakes@niglas.ac.cn

?2015 byJournalofLakeSciences

**通信作者；E-mail：caidesuo@vip.163．com．