北京河流底棲硅藻沿城鄉(xiāng)梯度帶空間分布及其季節(jié)變化

陳 向,周偉奇,李偉峰

1 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學院大學, 北京 100049

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北京河流底棲硅藻沿城鄉(xiāng)梯度帶空間分布及其季節(jié)變化

陳 向1, 2,周偉奇1,2,*,李偉峰1

1 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學院大學, 北京 100049

研究了北京市區(qū)沿城鄉(xiāng)梯度帶河流底棲硅藻的空間分布及其季節(jié)變化特征。通過在2014年的春季、夏季和秋季在山區(qū)對照溪流、城市上游河道和城市下游河道3個樣區(qū),共23個樣點進行了底棲硅藻樣品采集。分析表明,主要優(yōu)勢種的空間差異明顯。在對照溪流,主要優(yōu)勢種為極小曲絲藻(Achnanthidiumminutissimum)；在城市上游河道,主要優(yōu)勢種分別為短文假十字脆桿藻(Pseudostaurosirabrevistriata)和連結十字脆桿藻腹面變種(Staurosiraconstruensvar.venter)；在城市下游河道,主要優(yōu)勢種為谷皮菱形藻(Nitzschiapalea)。然而,3個樣區(qū)內的主要優(yōu)勢種相對豐度季節(jié)變化較小(P>0.05)。其中,A.minutissimum及P.brevistriata的季節(jié)變化特征均為春季>秋季>夏季,而S.construensvar.venter及N.palea的季節(jié)變化特征均為春季>夏季>秋季。結果發(fā)現(xiàn),北京市城鄉(xiāng)梯度帶的河流硅藻種類組成差異較大,但主要優(yōu)勢屬種季節(jié)變化相對較小,表明硅藻種類能較好地反映城鄉(xiāng)梯度帶的河流環(huán)境變化狀況,可用于北京市河流水質生物監(jiān)測。

底棲硅藻；季節(jié)變化；城市河流；城鄉(xiāng)梯度；北京

城市化的快速發(fā)展對城市河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了重要影響。但相關研究主要集中在城市河道水文和地貌的改變[1],水體營養(yǎng)鹽濃度的升高[2],以及污染物種類的增加[3]等方面,而對水生生物特別是藻類等初級生產(chǎn)者的研究尚顯不足[4-5]。底棲硅藻是河流生態(tài)系統(tǒng)主要的初級生產(chǎn)者,其生物多樣性甚至超過綠藻、藍藻及金藻等藻類[6]。由于其具有分布范圍廣,遷移速度慢,生命周期短,以及對周圍環(huán)境變化敏感等特性,在國內外常被用于河流水質生物監(jiān)測及河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價[7-9]。我國河流生物監(jiān)測和生態(tài)系統(tǒng)健康評價起步較晚,相關基礎資料相對較少,尚未建立起基于硅藻的生物監(jiān)測與評價方法和體系。

了解硅藻種類組成的季節(jié)變化特征,能更準確地評價河流生態(tài)狀況,并對理解城市化影響河流生態(tài)系統(tǒng)的種群演替具有重要意義[10]。例如,在英國,Kelly等人[7]對大多數(shù)河流開展了春季和秋季的硅藻采樣,并對河流健康狀況進行了分類與評價。在美國,National Water Quality Assessment(NAWQA)項目常年對硅藻進行采樣,并將其作為水質評價的一部分[11-12]。在北京的一項研究顯示,硅藻能很好地反映城市化對城市河流的影響過程[13]。如在受城市化影響較小的山區(qū)溪流中,清潔種極小曲絲藻(Achnanthidiumminutissimum)為主要優(yōu)勢種；在城市上游河道,短文假十字脆桿藻(Pseudostaurosirabrevistriata)和連結十字脆桿藻腹面變種(Staurosiraconstruensvar.venter)為主要優(yōu)勢種；而在城市下游河道,耐污種谷皮菱形藻(Nitzschiapalea)為主要優(yōu)勢種。但是該項研究主要是基于夏季的采樣,而在不同季節(jié),在城市化影響下的硅藻種類分布是否存在相同的特征尚不清楚。

本文以北京市為例,重點研究城市河流底棲硅藻組成的空間特征及其季節(jié)變化規(guī)律,主要的研究目的包括：1)探討河流底棲硅藻沿城鄉(xiāng)梯度帶的分布特征；2)研究河流底棲硅藻在不同梯度帶的季節(jié)變化規(guī)律。研究可為建立基于硅藻的北京市河流生態(tài)健康評價方法提供基礎數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域及樣點設置

北京市位于我國華北平原北部地區(qū),屬典型的北溫帶半濕潤大陸性季風氣候。1980—2014年間,年平均溫度為12.9℃,夏季平均溫度為25.8℃,春秋季平均溫度在13—14℃左右,冬季平均溫度為-1.38℃。年降水量平均為538.2 mm,降水主要發(fā)生在6—9月份,約占全年降水量的80%左右。全市面積16410.54 km2,建設用地面積1505 km2。2014年,常住人口2151.6萬人,城鎮(zhèn)人口1859萬人,占常住人口的86.4%；GDP為21330.8億元,人均GDP達99995元/人[14]。北運河水系是北京市5條主要的水系之一,發(fā)源于燕山山脈,全長89.4 km,流域面積4348 km2,貫穿北京市主要城區(qū),是北京市中心城區(qū)的主要泄洪和排污河道[15]。2014年12月南水北調工程開通之前,密云水庫是是北京市的主要飲用水來源,并通過京密引水渠到達頤和園附近的團城湖供給各自來水廠,其余的水繼續(xù)從京密引水渠及長河等河道供向市中心(S8—S13),補充市區(qū)居民部分生活及工業(yè)用水和各大河流與湖泊的景觀用水。

根據(jù)本文的研究目的,分別在2014年的春季(5月)、夏季(8月)和秋季(11月)進行了采樣。以前期的研究為基礎[13],本次研究中,在北運河水系的河流中共設置了23個采樣點。其中,在人類活動較少,森林植被覆蓋度高的山區(qū)溪流設置了7個對照樣點(S1—S7)。在人類干擾強度較大,建設面積比例較高的五環(huán)城區(qū)內,共設置了16個采樣點,包括城市上游河道共有6個采樣點(S8—S13),城市下游河道共有10個采樣點(S14—S23)(圖1)。研究表明,五環(huán)內上下游河道的水質差異明顯(表1),城市上游河道樣點水質指標濃度顯著低于城市下游河道樣點(P<0.05)。

圖1 研究區(qū)域及樣點分布情況Fig.1 The locations of the urban sampling sites within the fifth ring road, and the reference stream sites圖中“S”代表不同樣點

1.2 樣品采集與處理

在采集硅藻時用硬質牙刷將底質上的附著硅藻刷在容器中,并用蒸餾水將底質沖洗干凈,然后將刷取到的樣品倒入刻度為100 mL的透明瓶中,并定容至100 mL,樣品按4%的比例加甲醛溶液固定,用于底棲硅藻的種類鑒定和定量分析。為了能充分反映采樣地點的硅藻群落結構,在選擇的采樣點范圍內對不同生境梯度的自然底質進行硅藻采集,每個采樣點采集3—5個石塊[16]。

表1 不同采樣區(qū)的水體理化因子情況

*P≤0.05; **P≤0.01; ***P≤0.001

實驗室內將甲醛固定的硅藻樣品進行前期處理,并用折射率為1.74的Naphrax?封片膠將樣品做成永久玻片,然后在Olympus BX51型光學顯微鏡下用100倍的油鏡進行鏡檢,每個玻片鏡檢的硅藻殼數(shù)量在500個左右[8]。硅藻種類的鑒定主要參考胡鴻鈞和魏印心[17]、Krammer 和 Lange-Bertalot[18]系統(tǒng)分類書及美國密歇根州立大學自然科學研究院帕特里克環(huán)境研究中心的標準硅藻圖譜(http://diatom.ansp.org/)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析前,將硅藻種類的相對豐度和水質指標進行l(wèi)og10(X+1)的對數(shù)化處理。用單因素方差分析法(One-Way ANOVA)檢驗不同季節(jié)的硅藻組成及各水質指標在對照溪流、城市上游河道及城市下游河道的差異顯著性(LSD法,α=0.05)。單因素方差分析在IBM SPSS 19.0軟件中完成。

2 結果

2.1 底棲硅藻空間分布特征

本次研究中,共鑒定出硅藻64屬200種(包括亞種和變種)。優(yōu)勢屬主要有曲殼絲屬(Achnanthidium)、卵形藻屬(Cocconeis)、小環(huán)藻屬(Cyclotella)、脆桿藻屬(Fragilaria)、異極藻屬(Gomphonema)、舟形藻屬(Navicula)、菱形藻屬(Nitzschia)、假十字脆桿藻屬(Pseudostaurosira)及十字脆桿藻屬(Staurosira)等(圖2)。

3個樣區(qū)的主要優(yōu)勢屬差異明顯。其中,對照溪流的主要優(yōu)勢屬為Achnanthidium,平均相對豐度達38.3%,高于Nitzschia(16.88%)及Navicula(10.89%)等優(yōu)勢屬。其主要優(yōu)勢種為Achnanthidiumminutissimum。而在城市上游河道,主要優(yōu)勢屬為Pseudostaurosira和Staurosira,平均相對豐度分別為20.88%和18.03%,高于Achnanthidium(17.00%)及Fragilaria(11.42%)等優(yōu)勢屬。主要優(yōu)勢種分別為Pseudostaurosirabrevistriata和Staurosiraconstruensvar.venter。雖然該樣區(qū)Achnanthidium的平均相對豐度與主要優(yōu)勢屬Pseudostaurosira和Staurosira的平均相對豐度相差較小,但其主要是在城市上游河道的S8樣點中較高,平均相對豐度為29.68%,而在該樣區(qū)其它樣點相對豐度則相對較低,平均為13.43%。城市下游河道的主要優(yōu)勢屬為Nitzschia,平均相對豐度為34.08%,高于Cyclotella(11.14%)及Achnanthidium(10.94%)等優(yōu)勢屬。主要優(yōu)勢種為Nitzschiapalea,平均相對豐度為21.7%。

圖2 對照溪流、城市上游河道和城市下游河道優(yōu)勢屬相對豐度季節(jié)變化情況Fig.2 Seasonal variation of the relative abundance of Achnanthidium, Cocconeis, Cyclotella, Fragilaria, Gomphonema, Navicula, Nitzschia, Pseudostaurosira, Staurosira in reference stream, urban upstream, and urban downstream

2.2 主要優(yōu)勢屬的季節(jié)變化特征2.2.1 不同樣區(qū)主要優(yōu)勢屬的相對豐度季節(jié)變化特征

總體上,3個樣區(qū)的主要優(yōu)勢屬相對豐度季節(jié)變化較小(圖2)。在對照溪流,Achnanthidium的平均相對豐度在春季時為34.03%,在夏季為37.31%,均低于秋季的43.65%,但季節(jié)差異均不顯著(P>0.05)。在城市上游河道,Pseudostaurosira和Staurosira的平均相對豐度在春季時分別為19.11%和23.38%,高于夏季的16.79%和18.78%及秋季的18.18%和20.49%,但季節(jié)差異均不顯著(P>0.05)。在城市下游河道,Nitzschia的相對豐度在春季時為35.71%,在夏季為39.27%,均高于秋季的27.25%,季節(jié)差異不顯著(P>0.05)。

2.2.2 不同樣區(qū)主要優(yōu)勢屬相對豐度季節(jié)變化差異特征

在各樣區(qū)中,主要優(yōu)勢屬的相對豐度季節(jié)變化差異程度不同,但主要優(yōu)勢屬的相對豐度在春季的變化均大于夏季和秋季(圖3)。在對照溪流,Achnanthidium的相對豐度季節(jié)變化差異為春季>秋季>夏季。在城市上游河道,Pseudostaurosira的相對豐度與其他優(yōu)勢屬季節(jié)變化差異相比較小,但仍表現(xiàn)為春季>秋季>夏季。而Staurosira的相對豐度季節(jié)變化差異為春季>夏季>秋季。在城市下游河道,Nitzschia的相對豐度季節(jié)變化差異為春季>夏季>秋季。

2.2.3 不同樣區(qū)內部硅藻季節(jié)變化特征

在不同樣區(qū),主要優(yōu)勢屬的季節(jié)變化差異為城市下游河道>對照溪流>城市上游河道。而在3個樣區(qū)內部,硅藻的季節(jié)變化主要體現(xiàn)為優(yōu)勢屬的季節(jié)變化及主要優(yōu)勢屬相對豐度的季節(jié)變化(圖3)。在不同樣區(qū)的部分樣點中,優(yōu)勢屬季節(jié)變化明顯。如在對照溪流,在春季,S2樣點優(yōu)勢屬Navicula,Achnanthidium,Nitzschia的相對豐度均在20%以上,而在夏季,Cocconeis,Achnanthidium的相對豐度分別為33.14%和21.63%,在秋季,Nitzschia的相對豐度達41.57%。在S5樣點的春季,Achnanthidium的相對豐度為78.43%,而在夏季,優(yōu)勢屬Cocconeis的相對豐度達67.41%,但在秋季,Achnanthidium的相對豐度增加到30.14%,Cocconeis的相對豐度為12.64%。在城市上游河道的S8樣點,在春季時,Fragilaria相對豐度為45.5%,而在夏季和秋季,Achnanthidium分別為41.07%和51.06%。城市下游河道的S17樣點,在春季,Nitzschia相對豐度達80.74%；在夏季,Nitzschia相對豐度下降到36.29%,Cyclotella相對豐度為17.55%,Navicula為23.47%；在秋季,Nitzschia相對豐度為17.27%,但麥爾藻屬(Mayamaea)相對豐度達57.54%,其主要種類為原子麥爾藻(Mayamaeaatmous, 51.82%)。

而在其它部分樣點中,主要優(yōu)勢屬相對豐度的季節(jié)變化明顯。如在對照溪流,春季時S1樣點的Achnanthidium相對豐度為3.99%,而在夏季和秋季,其相對豐度分別增加到54.63%和57.06%。而在城市上游河道,春季時,S13樣點主要優(yōu)勢屬Pseudostaurosira相對豐度為45.79%,Achnanthidium為7.14%。而在夏季和秋季,Pseudostaurosira分別為25.3%和23.57%,而Achnanthidium分別為39.44%和23.57%。在城市下游河道,春季時S15樣點的Fragilaria相對豐度為34.21%,Achnanthidium為30.26%,Nitzschia為26.13%；在夏季,Fragilaria相對豐度降低到6.65%,Achnanthidium為48.29%,Nitzschia為27.38%；而在秋季,Fragilaria為10.4%,Achnanthidium為14.38%,Nitzschia為39.86%。

圖3 23個樣點主要優(yōu)勢屬組成及季節(jié)變化情況Fig.3 Composition of dominant genus of Achnanthidium, Cocconeis, Cyclotella, Fragilaria, Gomphonema, Navicula, Nitzschia, Pseudostaurosira, and Staurosira in 23 sampling sites during spring, summer, and autumn

2.3 主要優(yōu)勢種相對豐度的季節(jié)變化特征2.3.1 不同樣區(qū)主要優(yōu)勢種的相對豐度季節(jié)變化特征

3個樣區(qū)的主要優(yōu)勢種相對豐度季節(jié)變化較小。A.minutissimum為對照溪流的主要優(yōu)勢種,在該樣區(qū)的平均相對豐度為20.51%。其秋季的平均相對豐度為25.23%,高于春季的18.07%和夏季的17.44%,但差異不顯著(P>0.05)。P.brevistriata與S.construensvar.venter為城市上游河道的主要優(yōu)勢種,在該樣區(qū)的平均相對豐度分別為 21.72%和20.17%。春季的平均相對豐度分別為19.11%和22.21%,高于夏季的16.79%和16.71%,及秋季的18.18%和18.86%,但季節(jié)差異不顯著(P>0.05)。N.palea為城市下游河道的主要優(yōu)勢種,在該樣區(qū)的平均相對豐度為21.7%。其春季的平均相對豐度為18.43%,低于夏季的24.74%,高于秋季的13.2%,但均無顯著差異(P>0.05)。

2.3.2 不同樣區(qū)主要優(yōu)勢種相對豐度季節(jié)變化差異特征

各樣區(qū)主要優(yōu)勢種的相對豐度季節(jié)變化差異程度不同(圖4),但主要優(yōu)勢種的相對豐度在春季的變化均大于夏季和秋季。在對照溪流,A.minutissimum的相對豐度季節(jié)變化差異為春季>秋季>夏季。在城市上游河道,P.brevistriata的相對豐度與其他優(yōu)勢屬季節(jié)變化差異同樣為春季>秋季>夏季。而S.construensvar.venter的相對豐度季節(jié)變化差異為春季>夏季>秋季。在城市下游河道,N.palea的相對豐度季節(jié)變化差異為春季>夏季>秋季。

2.3.3 不同樣區(qū)內部主要優(yōu)勢種季節(jié)變化特征

在不同樣區(qū),主要優(yōu)勢種的季節(jié)變化差異為城市下游河道>對照溪流>城市上游河道。而在不同樣區(qū)的部分樣點中,主要優(yōu)勢種的相對豐度季節(jié)變化較大(圖4)。如A.minutissimum在對照溪流的S1樣點,其相對豐度在春季為2.08%,在夏季和秋季,分別增加到22.01%和37.77%。在城市上游河道和城市下游河道,雖然A.minutissimum不是主要優(yōu)勢種,但在少部分樣點,如S8、S15等,其相對豐度較高,且季節(jié)變化明顯。如城市上游河道的S8樣點,其相對豐度在春季時為12.7%,在夏季和秋季分別增加到32.32%和44.01%。P.brevistriata與S.construensvar.venter在城市上游河道的相對豐度季節(jié)變化相對較小。但在S13樣點,P.brevistriata的相對豐度在春季為45.79%,在夏季和秋季,分別下降到25.3%和23.57%。N.palea在城市下游河道中部分樣點中季節(jié)變化較大。如在S17樣點,其相對豐度在春季為57.78%,在夏季和秋季,分別降低到31.56%和2.91%。但在城市下游河道,S14樣點的主要優(yōu)勢種為S.construensvar.venter,其平均相對豐度為74.91%,但季節(jié)變化較小。

圖4 優(yōu)勢種Achnanthidium minutissimum, Pseudostaurosira brevistriata, Staurosira construens var. venter及Nitzschia palea的季節(jié)變化Fig.4 Seasonal changes of the dominant species of Achnanthidium minutissimum, Pseudostaurosira brevistriata, Staurosira construens var. venter, and Nitzschia palea in the sampling sites

3 討論

結果表明,總體上,3個樣區(qū)之間的硅藻主要優(yōu)勢屬種差異明顯(圖2)。其中,Achnanthidium(A.minutissimum)為對照溪流的主要優(yōu)勢屬(種),Pseudostaurosira(P.brevistriata)和Staurosira(S.construensvar.venter)為城市上游河道主要優(yōu)勢屬(種),Nitzschia(N.palea)為城市下游河道主要優(yōu)勢屬(種)。硅藻組成的空間差異與之前的研究結果一致。這主要與各樣區(qū)處于不同的環(huán)境有關。其中,溫度可能是影響硅藻種類分布差異的主要因素之一。城市上游河道和城市下游河道的水溫比山區(qū)對照溪流高將近5—8℃(P<0.001),呈現(xiàn)明顯的城市河流“熱島效應”[19]。Wenger 等人[20]認為,主要可能是由于城市植被覆蓋面積少而不透水面積大所產(chǎn)生的熱污染,以及在降雨過程中,吸收地表熱量后的雨水直接流入到河道中,導致城市中的河流水溫較高,從而對硅藻種類組成產(chǎn)生重要影響。

同時,污染物濃度也是各樣區(qū)硅藻種類差異的重要因素。在山區(qū)對照溪流,岸邊基本為森林覆蓋,大量的林地通過過濾、吸收等作用將地表徑流中的營養(yǎng)物截留,同時岸邊大量植物根部的微生物通過礦化、轉化等作用也降低了水體離子及營養(yǎng)物濃度[21-22],從而使山區(qū)溪流水質相對較好,A.minutissimum為主要優(yōu)勢種。但在城市河流中,河道兩岸的固化措施雖然縮短了汛期洪水的通過時間,但減少了河流與河岸自然土壤中水分及營養(yǎng)物之間的交換過程[1,23]。同時,由于城市地表徑流、污水管網(wǎng)泄漏及部分未經(jīng)處理的城市污水等因素使大量污染物進入河道中,從而引起城市水體水質惡化,并對水生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了重要影響[5]。如在本研究中,城市上游河道的第一個樣點(S8)為京密引水渠的水體作為北京市景觀用水的起始點,其水質仍相對較好,主要優(yōu)勢種與對照溪流類似,均為寡營養(yǎng)型的A.minutissimum[13,24],但在之后的幾個樣點中(S9—S13),由于受人類活動影響的增加,主要優(yōu)勢種逐漸變?yōu)槟椭形坌偷腜.brevistriata和S.construensvar.venter[13,25]；而在城市下游河道樣點中(S15—S23),大量城市污水進入河流,導致污染物的濃度較高,耐污型的N.palea成為主要優(yōu)勢種[13,25]。

雖然3個樣區(qū)主要優(yōu)勢屬種的季節(jié)變化較小,但在各樣區(qū)內部,部分樣點的優(yōu)勢屬相對豐度季節(jié)變化明顯?？赡苁窃诓煌瑯訁^(qū)的樣點,受到的影響因素差異較大。如對照溪流的S1樣點位于山區(qū)里正在新建公路橋下的一個小型圍堰旁邊,在春季時,由于融雪等因素的影響,使大量累積的污染物進入到溪流中,使水體營養(yǎng)物濃度升高[26],從而對硅藻種類組成影響較大[27]。如春季時Achnanthidium的相對豐度為3.99%,而Navicula和Nitzschia的相對豐度分別為26.34%和26.86%,并且對S2—S4也產(chǎn)生了同樣的影響。但在夏季和秋季,由于雨季大量雨水的沖刷和稀釋作用,水體污染物濃度降低[28-29],使該樣點的Navicula和Nitzschia均降低到10%—15%左右,而Achnanthidium的相對豐度在夏季和秋季分別增加到54.63%和57.06%。

在北京城市河流中,不同季節(jié)降水形成的地表徑流對城市水體水質影響明顯[14]。地表徑流對河流水質的影響主要表現(xiàn)為,在降水產(chǎn)流過程中氮、磷等營養(yǎng)物,病菌,有機污染物及鉛、銅、鋅等重金屬污染物大量進入水體中[30]。早在20世紀90年代,美國EPA發(fā)現(xiàn)城市雨水對河流污染的貢獻能達9%,并將城市地表徑流列為導致美國河流與湖泊水體污染的第三大污染源[31]。研究表明,城市地表徑流中TSS、TN和COD等污染物濃度在產(chǎn)流形成后的20 min內能達到峰值,且為徑流后期污染物濃度的幾十倍[32]。1980—2014年,北京冬季平均降水量為3.2 mm,春季為23.5mm,而夏季達124.6 mm,季節(jié)差異十分明顯。由于冬季降水很少,春季末夏季初的雨水形成的徑流中含有大量高濃度的污染物[26],導致城市上游河道春季的污染物濃度高于夏季和秋季。因此,P.brevistriata和S.construensvar.venter等硅藻優(yōu)勢種的相對豐度在春季時高于夏季和秋季,而A.minutissimum的相對豐度在春季為最低。

城市下游河流中,城市污水處理廠等設施對城市下游河道水質的改善作用明顯[33]。目前,污水處理廠排放的再生水已經(jīng)成為緩解北京水資源緊缺的有效途徑[34]。再生水主要用于城市雜用、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)灌溉用水及景觀用水等方面,不僅能緩解區(qū)域水資源短缺的問題,又能改善水環(huán)境質量[35-36]。本研究的部分城市下游河道樣點在污水處理廠附近。如在S14樣點為清河污水處理廠,其再生水日均排放為32萬t,對改善清河的水環(huán)境有重要作用。研究結果表明,與其他樣點相比,S14樣點的硅藻主要優(yōu)勢屬為耐中污型的Staurosira,優(yōu)勢種為S.construensvar.venter,其平均相對豐度達74.91%,與城市上游河道主要優(yōu)勢屬種相同,而耐污型的Nitzschiapalea平均相對豐度為1.26%,遠低于城市下游河道18.79%的平均水平。

4 結論

(1)通過在北京城區(qū)及對照溪流不同季節(jié)的采樣,共鑒定出硅藻64屬200種(包括亞種和變種),優(yōu)勢屬主要有Achnanthidium、Cocconeis、Cyclotella、Fragilaria、Gomphonema、Navicula、Nitzschia、Pseudostaurosira及Staurosira等。

(2)北京城市河流底棲硅藻種類組成空間差異明顯。其中,對照溪流的主要優(yōu)勢屬為Achnanthidium,主要優(yōu)勢種為A.minutissimum；城市上游河道的主要優(yōu)勢屬為Pseudostaurosira及Staurosira,主要優(yōu)勢種為P.brevistriata和S.construensvar.venter；城市下游河道的主要優(yōu)勢屬為Nitzschia,主要優(yōu)勢種為N.palea。

(3)在不同樣區(qū),主要優(yōu)勢屬種季節(jié)變化差異為城市下游河道>對照溪流>城市上游河道。各樣區(qū)主要優(yōu)勢屬種的季節(jié)變化差異不顯著,表現(xiàn)為春季>夏季、秋季。其中,Achnanthidium及A.minutissimum主要表現(xiàn)為春季>秋季>夏季；Pseudostaurosira及P.brevistriata主要表現(xiàn)為春季>秋季>夏季；Staurosira及S.construensvar.venter主要表現(xiàn)為春季>夏季>秋季；Nitzschia及N.palea主要表現(xiàn)為春季>夏季>秋季。

(4)在各樣區(qū)樣點中,主要優(yōu)勢屬種的相對豐度季節(jié)變化較大。

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Benthic diatom assemblages and their seasonal variation in streams along an urban-rural gradient in the Beijing metropolitan area

CHEN Xiang1, 2, ZHOU Weiqi1, 2 *, LI Weifeng1

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Here, we investigated benthic diatom assemblages and their seasonal variation in streams along an urban-rural gradient in the Beijing metropolitan area. The samples were collected from 23 sites (7 from rural reference streams, 6 from upstream urban areas, and 10 from downstream urban areas) across three seasons of 2014, namely, spring (May), summer (August), and autumn (November). A total of 200 diatom species and sub-species belonging to 64 genera were identified during the period of sampling. AlthoughAchnanthidium,Cocconeis,Cyclotella,Fragilaria,Gomphonema,Navicula,Nitzschia,Pseudostaurosira, andStaurosirawere the dominant genera in the sampling sites, the major dominant genera and species differed considerably among the samples. In rural reference streams,Achnanthidiumwas the major dominant genus, with an average relative abundance of up to 40.6%.Achnanthidiumminutissimumwas the major dominant species, with an average relative abundance of 20.51%. In urban upstream sites,PseudostaurosiraandStaurosirawere the major dominant genera, with average relative abundances of 21.72% and 22.18%, respectively.PseudostaurosirabrevistriataandStaurosiraconstruensvar.venterwere the major dominant species, with average relative abundances of 21.72% and 20.17%, respectively. In urban downstream sites,Nitzschiawas the major dominant genus, with an average relative abundance of 37.46%, andNitzschiapaleawas the major dominant species, with an average relative abundance of 21.7%. There was no significant effect of seasonal variation in the relative abundance of the major dominant genera among the three sampling zones (P> 0.05). The relative abundance ofAchnanthidiumin reference streams was 34.03% in spring and 37.22% in summer, both of which were lower than that of 43.75% in autumn (P> 0.05). The relative abundances ofPseudostaurosiraandStaurosirain urban upstream sites were 19.11% and 23.38% in spring, which were higher than those of 16.79% and 18.78% in summer and 18.18% and 20.49% in autumn (P> 0.05). The relative abundance ofNitzschiain urban downstream sites was 35.71% in spring and 39.27% in summer, both of which were higher than that of 27.25% in autumn (P> 0.05). The relative abundance of the major dominant species did not differ significantly in the three seasons. The relative abundance ofA.minutissimumin the reference streams was 18.07% in spring and 17.44% in summer, which were lower than that (25.23%) in autumn (P> 0.05). The relative abundances ofP.brevistriataandS.construensvar.venterin urban upstream sites were 19.11% and 22.21% in spring, respectively, which were higher than the corresponding values of 16.79% and 16.71% in summer, and 18.18% and 18.86% in autumn (P> 0.05). The relative abundance ofN.paleain urban downstream sites was 18.43% in spring and 13.2% in autumn, which were lower than that of 24.74% in summer (P> 0.05). However, the results showed that changes in the relative abundance ofAchnanthidiumandA.minutissimumin reference streams andPseudostaurosiraandP.brevistriatain urban upstream sites were larger in spring than in autumn and summer. Similarly, changes in the relative abundance ofStaurosiraandS.construensvar.venterin urban upstream sites andNitzschiaandN.paleain urban downstream sites were larger in spring than in summer and autumn. Our results indicate that the distribution of diatom assemblages and their seasonal compositions might well reflect differences in urban-rural stream environments and their changes, and thus the diatom assemblages can be used for biological monitoring of streams in Beijing.

benthic diatom; seasonal change; urban stream; urban-rural gradient; Beijing

國家自然科學基金重大項目(41590840)

2016- 02- 20; 網(wǎng)絡出版日期:2017- 02- 17

10.5846/stxb201602200302

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wzhou@rcees.ac.cn

陳向,周偉奇,李偉峰.北京河流底棲硅藻沿城鄉(xiāng)梯度帶空間分布及其季節(jié)變化.生態(tài)學報,2017,37(10):3586- 3595.

Chen X, Zhou W Q, Li W F.Benthic diatom assemblages and their seasonal variation in streams along an urban-rural gradient in the Beijing metropolitan area.Acta Ecologica Sinica,2017,37(10):3586- 3595.