長(zhǎng)江著生藻類群落結(jié)構(gòu)時(shí)空變化規(guī)律研究

衛(wèi) 飛，姚青梅

（湖北省荊門(mén)市水文水資源勘測(cè)局，湖北 荊門(mén)448000）

著生藻類是水體中的重要初級(jí)生產(chǎn)者，不同于其他浮游藻類，其生境固定，能附著在各種基質(zhì)表面。當(dāng)周?chē)w狀況發(fā)生變化時(shí)，著生藻類的數(shù)量、種類以及群落結(jié)構(gòu)都會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，是良好的水體環(huán)境指示物種研究長(zhǎng)江湖北段著生藻類群落結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，分析在長(zhǎng)江這一特定生境下著生藻類對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)［1］。

1 研究區(qū)概況及采樣點(diǎn)布設(shè)

長(zhǎng)江湖北段位于長(zhǎng)江下游，干流全長(zhǎng)432 km，水域面積28萬(wàn)hm2，西接安徽，東入上海，是湖北省內(nèi)三大水系中流域面積最大的水系。流經(jīng)黃石市、鄂州市、黃岡市、武漢市、荊州市、宜昌市六大省轄市，至黃石市分為南北兩大入海支流，北支在宜昌入海，南支流經(jīng)洪湖市后入海。

本研究結(jié)合《湖北水利志》對(duì)長(zhǎng)江湖北段分段情況，并進(jìn)行實(shí)地踏勘，決定在全段均勻分設(shè)6個(gè)采樣點(diǎn)。1號(hào)采樣點(diǎn)宜昌，2號(hào)采樣點(diǎn)荊州，3號(hào)采樣點(diǎn)武漢，4號(hào)采樣點(diǎn)鄂州，5號(hào)采樣點(diǎn)黃岡，6號(hào)采樣點(diǎn)黃石。具體采樣位置和分布圖見(jiàn)表1和圖1。

表1 采樣點(diǎn)位置

圖1 布設(shè)點(diǎn)位圖

2 研究方法

根據(jù)湖北省長(zhǎng)江沿岸地帶的氣候特點(diǎn)，將著生藻類的采樣時(shí)間定為2017年夏季、2017年冬季、2018年夏季、2018年冬季，共4次采樣。藻類采樣鑒定和理化指標(biāo)檢測(cè)參照《湖泊富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范（第二版）》［2］。

2.1 著生藻類采集

收集水面下表面平整的石塊若干，用鋼尺在預(yù)采樣區(qū)劃出面積為10 cm2的形狀規(guī)則區(qū)域，用硬毛刷清除預(yù)采樣區(qū)以外的著生藻類，并用蒸餾水沖洗干凈。隨后用小刀和軟毛刷將區(qū)域內(nèi)的著生藻類小心轉(zhuǎn)移至50 mm采樣瓶中，并用無(wú)藻水反復(fù)沖洗3次，沖洗液也轉(zhuǎn)移至采樣瓶中，以1.5%濃度魯戈試劑固定（魯戈試劑：將40 g碘溶于60 g碘化鉀溶液并定容到1000 mL），貼上標(biāo)簽。

將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，去除泥沙等雜質(zhì)并定容至30 mL離心管中，靜置48 h。定量觀察時(shí)，小心吸取上清液，充分搖勻后用移液槍吸取0.1 mL樣品，置于0.1 mL浮游生物計(jì)數(shù)框中，在10×40倍顯微鏡下進(jìn)行著生藻類種類鑒別和計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)時(shí)采用長(zhǎng)條計(jì)數(shù)法，選取計(jì)數(shù)框的中上下兩條相鄰刻度線之間的區(qū)域?yàn)?個(gè)長(zhǎng)條，每次鏡檢時(shí)計(jì)數(shù)3個(gè)長(zhǎng)條，若出現(xiàn)藻類數(shù)量過(guò)少或其他特殊情況，則整片計(jì)數(shù)。每一個(gè)采樣點(diǎn)鏡檢兩次，取平均值。

2.2 理化指標(biāo)測(cè)定

本研究測(cè)定的理化指標(biāo)包括：溫度（Temp）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）、電導(dǎo)率（Cond）、水體濁度（TDS）、溶解氧（DO）、pH。其中溫度、溶解氧、電導(dǎo)率、水體濁度和pH在現(xiàn)場(chǎng)用便攜式水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀YSI6600測(cè)定。氨氮、總磷水質(zhì)樣品在現(xiàn)場(chǎng)加入3%稀硫酸固定，冷藏后帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。理化指標(biāo)的測(cè)定方法參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》和《湖泊富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范（第二版）》。

2.3 著生藻類密度

著生藻類密度計(jì)算公式如下［3］：

式中：N為單位面積著生藻類數(shù)量，cells/cm2；n為計(jì)數(shù)所得著生藻類個(gè)體數(shù)；C1為樣品定容水容量，mL；C2為實(shí)際鏡檢的樣品水容量，mL；S為刮取著生藻類的面積，cm2。

2.4 著生藻類多樣性指數(shù)

生物多樣性是對(duì)特定環(huán)境下物種豐富程度的反映，是生態(tài)學(xué)研究的重要內(nèi)容。通常情況下，多樣性指數(shù)越高，該地物種越豐富，相應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性也越高［3］。本文采用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（H′），Margalef物種豐度度指數(shù)（D）和Pielou均勻性指數(shù)（J）來(lái)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多角度分析，且大量文獻(xiàn)顯示這三者結(jié)合使用效果最佳［4］。

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（H′）反映了群落結(jié)構(gòu)的多樣化程度，數(shù)值越大，對(duì)環(huán)境的反饋?zhàn)饔迷綇?qiáng)，其計(jì)算公式如下：

式中：S為著生藻類種類總數(shù)；ni為第i種著生藻類密度；N為著生藻類總密度。

其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：H′＞3時(shí)，水體清潔；1＜H′＜3時(shí)，水體中污染；0＜H′＜1時(shí)，水體重污染。

3 研究結(jié)果

3.1 著生藻類密度時(shí)間變化規(guī)律

長(zhǎng)江湖北段著生藻類密度組成圖（見(jiàn)圖2）可以看出，長(zhǎng)江湖北段著生藻類密度具有明顯季節(jié)差異性。綜合來(lái)看，夏季著生藻類密度明顯高于冬季，夏季平均123.7萬(wàn)cells/cm2，冬季平均只有71.8萬(wàn)cells/cm2。分析原因，溫度和光照是影響著生藻類生長(zhǎng)繁殖的重要環(huán)境因素，夏季適宜的溫度和充足的光照為藻類提供了良好的生長(zhǎng)環(huán)境；此外，夏季雨量充沛，豐水期擁有足夠大的徑流量，從上游帶來(lái)大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可供著生藻類利用。

圖2 長(zhǎng)江湖北段2017年～2018年著生藻類密度組成圖

3.2 功能群分布時(shí)間變化規(guī)律

功能群分類方法是根據(jù)著生藻類生理學(xué)、形態(tài)學(xué)以及生態(tài)學(xué)特征，將具有相似生態(tài)特征和環(huán)境適應(yīng)性的藻類歸為一類，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)藻類鑒別只注重藻類同源性的缺點(diǎn)，在分析藻類對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)時(shí)更具有代表性。本研究中功能群分類方法參照胡韌和楊文等總結(jié)的功能群識(shí)別特征劃分［5］。

由于功能群數(shù)量眾多，為便于分析，篩選密度占比排名前5的功能群，占比從大到小排序分別為MP功能群（主要包括顫藻、布紋藻、脆桿藻、卵形藻、橋彎藻、異極藻、羽紋藻、舟形藻等），Tc功能群（主要包括席藻等），D功能群（主要包括菱形藻、針桿藻等），P功能群（主要包括鼓藻、新月藻、直鏈藻等），J功能群（主要包括頂棘藻、集星藻、空星藻、盤(pán)星藻、十字藻、絲藻、四角藻、柵藻等）。

圖3 長(zhǎng)江湖北段2017年～2018年主要功能群密度組成圖

綜合上述分析以及長(zhǎng)江湖北段主要功能群密度組成圖（見(jiàn)圖3）可以看出，長(zhǎng)江湖北段主要功能群密度隨時(shí)間變化規(guī)律明顯。綜合來(lái)看夏季主要功能群密度明顯大于冬季，與著生藻類密度總量規(guī)律保持一致，說(shuō)明主要功能群涵蓋了大部分著生藻類。細(xì)分至不同功能群來(lái)看，MP功能群為第一大功能群，密度占比最高且變化幅度較小，始終保持在50%以上，在各個(gè)采樣點(diǎn)的季節(jié)變化特征有所區(qū)別，但從長(zhǎng)江湖北段綜合狀況來(lái)看，MP功能群密度占比具有冬季高夏季低的特點(diǎn)。Tc功能群為第二大功能群，夏季密度占比約為24%，冬季占比則降至18%，密度占比具有夏高冬低的特點(diǎn)。J功能群密度占比較小，通常情況下不超過(guò)12%具有冬季高于夏季的特點(diǎn)。

3.3 多樣性指數(shù)時(shí)間變化規(guī)律

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)夏季平均值為2.55，冬季平均值為2.40，最大值出現(xiàn)在2017年夏季武漢采樣點(diǎn)，為3.05；最小值出現(xiàn)在2018年冬季黃岡采樣點(diǎn)，為1.78。分析Shannon-Wiener多樣性指數(shù)變化趨勢(shì)圖（見(jiàn)圖4）可知，武漢、黃石采樣點(diǎn)Shannon-Wiener多樣性指數(shù)具有夏季高于冬季的特點(diǎn)，且武漢采樣點(diǎn)各期數(shù)值都高于黃石采樣點(diǎn)；荊州、鄂州采樣點(diǎn)Shannon-Wiener多樣性指數(shù)則是冬季高于夏季，且荊州采樣點(diǎn)各期數(shù)值都高于鄂州；宜昌采樣點(diǎn)在數(shù)值上沒(méi)有明顯波動(dòng)，穩(wěn)定在2.5左右；黃岡采樣點(diǎn)的數(shù)值呈逐漸下降趨勢(shì)。

圖4 2017年～2018年夏冬兩季著生藻類Shannon-Wiener多樣性指數(shù)圖

Margalef豐富度指數(shù)夏季平均值為1.96，冬季平均值為1.55，最大值出現(xiàn)在2017年夏季武漢采樣點(diǎn)，為2.45；最小值出現(xiàn)在2018年冬季黃岡采樣點(diǎn)，為1。分析Margalef豐富度指數(shù)變化趨勢(shì)圖（見(jiàn)圖5）可知，宜昌、荊州、武漢、黃岡、黃石采樣點(diǎn)Margalef豐富度指數(shù)具有夏高冬低的特點(diǎn)，其中宜昌、荊州采樣點(diǎn)相對(duì)變化幅度不大，在1.7～2.2之間波動(dòng)，武漢、黃石、黃岡采樣點(diǎn)夏冬兩季指數(shù)相差懸殊，武漢采樣點(diǎn)尤為明顯；鄂州采樣點(diǎn)Margalef豐富度指數(shù)則是冬季高于夏季，且在數(shù)值上明顯低于其他采樣點(diǎn)。

圖5 2017年～2018年夏冬兩季著生藻類Margalef豐富度指數(shù)圖

3.4 著生藻類密度空間變化規(guī)律

分析著生藻類密度沿程變化圖（見(jiàn)圖6）可知，著生藻類密度夏季普遍高于冬季，具有明顯的沿程規(guī)律，總體來(lái)看夏冬兩季均呈現(xiàn)沿程“先上升后下降”的趨勢(shì)。就夏季而言，宜昌至荊州段密度上升，到武漢段有明顯的回落但依然高于宜昌段；從武漢到黃岡段著生藻類密度沿程增加，在鄂州和黃岡段交界處密度達(dá)到峰值；隨后黃石段密度明顯回落。

圖6 2017年～2018年夏冬兩季著生藻類密度沿程變化圖

就冬季而言，密度最小值從宜昌變?yōu)榍G州，但變化趨勢(shì)基本未發(fā)生變化，從荊州段開(kāi)始著生藻類密度沿程增加，至鄂州和黃岡段交界處達(dá)到峰值，期間不再出現(xiàn)同夏季一樣武漢段密度回落的現(xiàn)象；雖然2017年夏季，黃石段相比黃岡段密度不降反升，但整合兩年數(shù)據(jù)來(lái)看黃石段密度依舊是下降趨勢(shì)。

3.5 著生藻類種類數(shù)空間變化規(guī)律

分析著生藻類種類數(shù)沿程變化圖（見(jiàn)圖7）可知，著生藻類種類數(shù)普遍夏季高于冬季，但鄂州段種類數(shù)夏季與冬季比較接近，種類數(shù)沿程變化具有明顯季節(jié)性。就夏季而言，種類數(shù)總體呈現(xiàn)沿程“先上升后下降再上升”的趨勢(shì)。宜昌至武漢段，種類數(shù)沿程增加；至鄂州段有明顯回落，降至21種左右；隨后種類數(shù)又逐漸上升，至黃石段，種類數(shù)基本與下降前的武漢段持平。

就冬季而言，種類數(shù)變化幅度不如夏季明顯，總體呈現(xiàn)“先下降后上升在下降”的趨勢(shì)，與夏季趨勢(shì)恰好相反。宜昌至荊州段種類數(shù)沿程下降；隨后種類數(shù)沿程不斷上升，至鄂州段達(dá)到峰值；隨后種類數(shù)又逐漸下降，至黃石段，種類數(shù)基本與荊州段持平。

圖7 2017年～2018年夏冬兩季著生藻種類數(shù)沿程變化圖

4 結(jié)論

本文對(duì)長(zhǎng)江湖北段著生藻類群落結(jié)構(gòu)從時(shí)間變化和空間變化兩方面進(jìn)行分析，時(shí)間變化規(guī)律的研究對(duì)象包括著生藻類密度、主要功能群分布、種類數(shù)以及多樣性指數(shù)，空間變化規(guī)律的研究對(duì)象包括著生藻類密度、種類數(shù)以及多樣性指數(shù)。對(duì)其密度組成分析顯示，著生藻類密度總量具有夏高冬低的特點(diǎn)。對(duì)其主要功能群組成分析顯示，主要功能群涵蓋了大部分著生藻類，總密度具有冬高夏低的特點(diǎn)。對(duì)其多樣性指數(shù)分析顯示，Margalef豐富度指數(shù)具有夏高冬低的特點(diǎn)；Pielou均勻度指數(shù)季節(jié)差異不顯著。著生藻類群落結(jié)構(gòu)空間變化規(guī)律不明顯，著生藻類總密度沿程呈現(xiàn)“先上升后下降”的趨勢(shì)。