水质对东江流域附生硅藻群落的影响

邓培雁, 张 婉, 王旭涛, 曾宝强, 刘 翔, 刘 威

1 华南师范大学化学与环境学院, 广州 51063 2 珠江流域水环境监测中心, 广州 510611 3 香港教育学院科学与环境研究系, 香港 999077 4 四川师范大学生命科学学院, 成都 610068

水质对东江流域附生硅藻群落的影响

邓培雁1,*, 张 婉1, 王旭涛2, 曾宝强3, 刘 翔4, 刘 威2

1 华南师范大学化学与环境学院, 广州 51063 2 珠江流域水环境监测中心, 广州 510611 3 香港教育学院科学与环境研究系, 香港 999077 4 四川师范大学生命科学学院, 成都 610068

运用相关分析(CA)，典型对应分析(CCA)，加权平均分析(WA)研究了影响东江流域附生硅藻的主要水质因子及对应的最适生态范围。CA显示，13项水质指标中溶解氧(Dissolved Oxygen，DO)、氨氮(NH4-N)、亚硝氮(NO2-N)、氯化物(Cl)、五日生化需氧量(BOD5)、磷酸盐(PO4-P)与其它指标间的相关性较强(P<0.05)，其余指标间相关性较低(P<0.05)。以相关性较弱的pH、电导率(Cond.)、硅酸盐(SiO2)、总磷(TP)、总氮(TN)、硝氮(NO3-N)、化学需氧量(CODKMnO4)进行CCA分析，排序显示影响附生硅藻的水质因子依次为Cond.、NO3-N、CODKMnO4、TP、TN，对应的生态最适范围分别为39.20—642.00μs/cm、0.46—2.77mg/L、1.0—5.5mg/L、0.02—0.64mg/L、0.48—3.43mg/L。研究表明，Cond、NO3-N、CODKMnO4、TP、TN是影响东江附生硅藻分布的主要水质因子，Cyclostephanosinvisitatus、Gomphonemaolivaceum、Nitzschiaacicularis、N.capitellata、N.intermedia可以指示东江较高的电导率，Aulacoseiraambigua、A.lirata、Cyclotellameneghiniana、Cyclostephanosinvisitatus、Eunotiaminor、Nitzschiaacicularis、N.Clausii、Pinnulariasubcapitata是东江TN、TP污染的指示种。Nitzschiaacicularis对TN、TP的耐受性最高，Naviculaeidrigiana对TN、TP敏感性最强。

东江; 附生硅藻; 典型对应分析; 加权平均回归分析; 指示种

附生硅藻是河流生态系统食物链的重要组成部分，其结构和功能的稳定，对于河流健康具有重要支撑作用[1-2]。因此，阐明影响河流附生硅藻的重要环境因素具有重要的理论和现实意义[3]。

东江是珠江流域三大水系之一，为深圳、香港提供生活、生产用水，对于该区域社会和经济稳定起着举足轻重的作用。然而，经济发展的同时也对东江的环境质量和生态平衡造成了重大威胁。

本文以东江流域为研究区域，利用相关性分析，典型对应分析，加权平均回归分析，研究了13项水质因子对河流附生硅藻群落的影响，目的是阐明影响东江河流附生硅藻群落的主要水质因子和相应的最适生态范围，以期为东江河流健康管理提供科学依据。

图1 采样点分布图Fig.1 Location of the sampling sites

1 材料和方法

1.1 研究区域概况及采样点

东江发源于江西省寻乌县，在广东省龙川县合河坝与安远水汇合后称东江，经龙川、河源、紫金、惠阳、博罗、东莞等县市注入狮子洋。干流全长562 km，流域面积达35340km2。全流域共设置24个采样点，覆盖所有一级支流， 2012年3月进行采样，分布如图1。为保障结果的可比性，采样分多组，于3日内全部完成。

1.2 附生硅藻样本采集、处理与分析

采样方法根据欧盟标准方法EN 13946[11]和EN 14407[12]：附生硅藻采样基质选取能抵抗水流、地势开阔处无树荫遮挡的石头，每个采样点至少采集5块石头，干净牙刷刷洗石头向阳面，取混合样甲醛(3%—4%)固定。

样品经35%过氧化氢和98%浓盐酸消解，Naphrax (RI=1.74)封片胶封片，光学显微镜(LM)1000倍油镜镜头下检出，视野内所有完整及破损面积不超过1/4的硅藻细胞都要鉴定和计数，每个样片计数需超过400个细胞，根据Krammer and Lange-Bertalot 鉴定体系(1986—1991)[13]鉴定到种。

1.3 水质因子的测定与分析

现场测定pH值、电导率(Cond.)、溶解氧(DO)3项因子。实验室测得五日生化需要量(BOD5)，高锰酸盐指数(CODKMnO4)、总氮(TN)、氨氮(NH4-N)、硝氮(NO3-N)、亚硝氮(NO2-N)、总磷(TP)、磷酸盐(PO4-P)、硅酸盐(SiO2)和氯化物(Cl)等13项水质因子。测定方法参照《水与废水监测分析方法(第4版)》[14]。

1.4 数据分析

相关性分析(CA)和典型对应分析(CCA)可将多个环境因子筛选到几个有显著解释性的主要环境因子。CCA是一种多变量直接梯度分析方法[15]，每次计算将硅藻数据与环境因子进行回归，其结果可同时显示采样点、硅藻种类和环境因子三者间的关系。

硅藻的最适值加权平均回归分析(WA)得到。其分析方法是假定硅藻在某一环境因子上呈高斯分布，其最大含量所对应的环境指标值即是该种的最适生态值[16]，计算公式见式(1)：

式中，xi是采样点i中的环境变量值；yki是属种k在采样点i中的百分含量；n是数据资料中的总采样点数。

为了研究水质与河流附生硅藻群落分布，进行以下分析：

(1)对13项水质因子使用相关性分析，删除显著相关的环境因子。将剩下的环境因子进行CCA分析；

(2)使用典范对应分析(CCA)筛选出影响附生硅藻群落分布的主要环境因子；

(3)使用加权平均回归分析(WA)，计算附生硅藻对主要环境因子的最适值。

为减少分析误差，选择那些至少在两个或两个以上样品中出现，相对丰度超过1%以上的种。使用CANOCO for Windows 4.5 进行典范对应分析(CCA)，使用SPSS18.0进行相关性分析，使用C2统计软件进行加权平均回归分析(WA)[17]。所有环境变量数据(除pH外)对其进行log(x+1)转换。为稳定物种变量，物种相对丰度进行平方根转换，以减少优势种的影响。通过1000次循环的bootstrapping进行函数误差估计[18]。

2 结果

2.1 附生硅藻种类组成

24个采样点共鉴定出附生硅藻27属83种(含变种)，相对丰度大于1%有62种。常见属为异极藻属(Gomphonema)、菱形藻属(Nitzschia)、曲壳藻属(Achnanthes、Achnanthidium)、舟形藻属(Navicula)。种类数最多的属是菱形藻属，种类数共有14种。异极藻是优势种，占附生硅藻种类总数的25.9%。

2.2 13项水质因子间的相关性分析

表1显示，13项指标中DO、NH4-N、NO2-N、Cl、BOD5、PO4-P 与其它指标间的相关性较强，pH、SiO2与其它水质参数指标相关性较低。NO3-N与pH、TN存在显著相关，TN、TP均与CODKMnO4存在显著相关，TP还与PO4-P、NO2-N显著相关，CODKMnO4与DO、pH、SiO2、Cl、NO3-N不具有显著相关性 (P<0.05)。

2.3 附生硅藻与7项水质因子间的CCA分析

对应分析(DCA)发现，第一轴和第二轴的梯度均大于2，表明东江流域附生硅藻对水质的响应是非线性的，利用单峰模型的CCA分析硅藻群落和水质因子的关系是适合的[10]。

为确保水质参数的独立代表性，剔除6个显著相关的水质因子(DO、NH4-N、NO2-N、Cl、BOD5、PO4-P)，以其余的7个水质因子进行CCA分析。CCA显示前两轴的特征值分别是0.331和0.204，前两个轴的物种与环境因子的相关系数是0.932和0.847，前两轴共解释了附生硅藻群落数据累积方差值的47.3%(表2)。且第一轴与第二轴的相关性较小，仅为0.0375，说明其排序图能很好地反映物种与环境因子之间的相关关系。

表2 排序轴特征值、种类与环境因子排序轴的相关系数Table 2 Eigenvalues for CCA axis and species-environment correlation

表3 7个水质因素与两排序轴的相关性

Table 3 Correlation coefficients of water quality parameters with the first two axes of CCA

参数Parameters轴Axis12化学需氧量CODKMnO40.5030*-0.2443电导率Cond.0.8455*-0.0788pH0.1524-0.2272硅酸盐SiO2-0.0084-0.1724硝氮NO3-N-0.13620.5382*总氮TN0.32240.3574总磷TP0.36130.2172

* 表示P< 0.05水平上显著相关

图2反映的是附生硅藻群落与7个环境因子的排序图，从图上箭头与第一排序轴的夹角可以看出，环境因子与第一轴的相关性大小为：Cond.>TP>CODKMnO4>TN>pH，这些环境因子与第一轴呈正相关；与第二轴相关性为SiO2> NO3-N>pH>TN>TP。由表3显示的7个环境因子与第一轴的相关性系数大小比较，它们之间的相关性大小为：Cond.>CODKMnO4> TP> TN >pH。因此，结合表3，从第一、第二排序轴的相关性分析可以得出，水质因子对附生硅藻群落分布的影响程度为Cond. > NO3-N> CODKMnO4>TP>TN。

图2 东江流域附生硅藻群落分布与环境因子的CCA分析图Fig.2 Canonical correspondence analysis (CCA) of environmental factors and epilithic diatom species of Dongjiang river basin in the first two axes

2.4 附生硅藻群落对主要环境因子的最适值

通过加权平均回归分析方法(WA)得到了附生硅藻在水体中对Cond.、TP、TN、NO3-N、CODKMnO4的最适值(表4)。结果显示，电导率的最适范围为39.20—642.00μs/cm。Aulacoseiradistans,Nitzschiaintermedia的电导率最适值最高，一部分附生硅藻(Achnanthesminutissimavar.saprophila,Naviculacapitatoradiata,Na.reichardtiana,Ni.sinuatavar.tabellaria)能在低电导率值的水体环境中生存。

TP的最适值范围为0.02—0.64 mg/L。其中发现Ni.Acicularis对TP的最适值最高。Au.lirata,A.lanceolatassp.rostrata,Na.schroeterivar.symmetrica,Ni.amphibia,Ni.inconspicua,Ni.sinuata等附生硅藻具有较高的TP最适值。

TN的最适值范围是0.48—3.43mg/L，NO3-N的最适值范围是0.46—2.77mg/L。在本研究中，随着N含量的变化，附生硅藻出现了适合在相对高的TN、NO3-N环境(Eunotiabilunaris)至适度的TN、NO3-N水体(Achnanthidiumminutissimum,Cyclotellameneghiniana,Gomphonemaolivaceum,Na.schroeteri,Niinconspicua)以及较低TN、NO3-N最适值的(Na.eidrigiana,Achnantheslanceolatassp.Rostrata,Cymbellaaffinis,Ni.sinuata)硅藻群落。

CODKMnO4的最适值范围为1.0—5.5mg/L，CODKMnO4最适值相对较高的附生硅藻群落(Cyclotellameneghiniana,Cyclostephanosinvisitatus,Gomphonemaolivaceum,Nitzschiaacicularis)大部分位于电导率最适值较高的范围内。

3 讨论

3.1 影响附生硅藻的水质因子

孢子悬浮液制备：将摇培获得的悬浮液用纱布过滤去除菌丝后，镜检测定孢子液浓度，并采用无菌水将孢子悬浮液浓度调节至试验所需即可。

本文显示电导率、高锰酸盐指数、硝氮、总磷和总氮是影响东江流域附生硅藻群落分布的主要水质因子。Philibert[19]的研究中也报道了电导率、总氮和总磷是影响澳大利亚东南部的河流硅藻群落分布的主要环境因素。在欧洲一些河流中，由于酸化问题，导致pH和TP是影响河流硅藻群落分布的主要水质因素[20]。

电导率是影响东江流域附生硅藻群落分布的重要因素之一，这与许多研究结果相一致。电导率能反映水体中各种离子的总浓度和总含量，因此，其大小与水体中溶解盐的含量有关。Rott[21]等认为电导率在特定研究区域是决定硅藻群落组成的重要环境因素。Potapova和Charles[8]从美国众多河流中的大量数据分析，认为硅藻群落组成分布的差异性，可以从水体中电导率和营养盐的变化中反映出来。Belore[22]等认为水体电导率能综合流域特征，如基石类型，温度，海拔和流速，进而造成硅藻群落分布的差异性。本研究中，CCA中的第一排序轴与电导率显著相关，也反映了东江流域的附生硅藻群落分布主要受水体电导率影响。

表4 62个硅藻种对Cond.、CODKMnO4、TN、TP、NO3-N的最适值Table 4 the Cond.,CODKMnO4,NO3-N,TP and TN optima of 62 diatom species

本研究CCA显示，CODKMnO4对东江流域附生硅藻群落分布影响也很大。江源[23]等人研究东江浮游植物群落结构与水质的关系时，也认为CODKMnO4浓度和电导率是影响东江干流浮游植物密度及属类数的重要因素。Schiller和Marti[24]通过一些试验发现营养盐是影响硅藻生长的重要因子。本研究中，CODKMnO4是影响附生硅藻的主要因素，其原因可能与水体中大量有机物氧化分解有关，东江沿河城市经济发达，人类活动密集，有机物来源充足，进入水体的有机物经氧化分解，最终变成藻类可利用的营养盐。

本研究CCA显示，在一定程度上东江流域附生硅藻群落也受氮、磷的影响，由水质因子对附生硅藻群落分布的影响程度大小可知，硝氮的影响大于总氮、总磷。Kelly和Whitton[25]，Ponader和Charles[26]，及Lavoie和Campeau[27]认为富营养化和有机污染对硅藻群落结构起重要作用。在美国安大略湖南部的河流[7]、新泽西州北部的河流[26]的研究中也显示总氮和总磷是影响河流硅藻群落的主要环境因素。Pan和Stevenson[28]认为硅藻的生长与水体中的营养物浓度有关，特别是氮、磷的影响，在欧洲河流中总磷的影响更显著。而在东江流域中，硝氮对附生硅藻群落的作用比较大，可能由于水体中的氮主要以水溶性的硝氮大量存在，更容易满足硅藻对氮的需求。Ponader和Charles[29]在对新泽西州河流中硅藻群落研究中也证实，总磷与硝氮能很好地解释硅藻群落的差异。

3.2 附生硅藻最适生态值

本文主要附生硅藻对水质因子的最适值与以往的研究具有较高的一致性。东江流域Cyclotellameneghiniana,Cyclostephanosinvisitatus,Gomphonemaolivaceum,Nitzschiaacicularis,Ni.capitellata,Ni.intermedia,Pinnulariasubcapitata相对其它附生硅藻种类电导率最适值较高。Van Dam[9],Hustedt[30]以电导率为指标，将以上种划分为喜好盐淡水和盐水水体的生态类群，其对电导率要求相对较高。Achnanthesexilis,Fragilariabrevistriata,Ni.pumila,Ni.palea也具有较高的电导率最适值，这与Potapova[3]在美国河流的研究结论相一致。而东江流域的Achnantheslanceolatassp.rostrata,Achnanthidiumminutissimum,Gomphonemaparvulum,Melosiravarians,Ni.amphibia,Ni.dissipata,Ni.inconspicua,Sellaphorapupula的电导率与Potapova[8]的研究相比，最适值偏低，可能美国河流地处典型的喀斯特地形，水体离子的组成和含量增多，水体电导率增大，从而影响这些硅藻对电导率最适值也增大。

东江流域64个主要附生硅藻种中有33个种总磷最适值大于0.09mg/L。东江流域的Cyclotellameneghiniana,Gomphonemaparvulum,Ni.acicularis,Ni.amphibia,Ni.clausii,Ni.inconspicua是普遍性种类，Van Dam[9]认为这些种类属于α-中污染性与强污染性种类，能够忍耐较高的有机污染物，是中营养和富营养状况的指示性种。Eolimnasubminuscula,Ni.amphibia,Ni.inconspicua和Ni.palea在许多文献中都作为高TP“污染”的指示种[21,31-33]。Luticolagoeppertiana也具有高TP的最适值，这与Potapova[32]的报道一致。值得注意的是东江流域的Achnanthidiumminutissimum的TP最适值较高，而Potapova[32]认为A.minutissimum是低营养的指示物种，其TP最适值小于0.01mg/L。Van Dam[9]认为A.minutissimum是水体贫营养到富营养的优势物种。Christine[33也报道了A.minutissimum的TP最适值较低，但Christine同时也认为该种对TP的耐受范围较大。

本研究中，Eunotiabilunaris,Ni.acicularis的TN最适值大于3mg/L，其它TN最适值相对较高的种有Aulacoseiraambigua,Au.lirata,Cyclotellameneghiniana,Cyclostephanosinvisitatus,Diadesmisconfervacea,Ni.acicularis,Ni.clausii。根据Van Dam[9]对生态类群的划分，这些种喜好在溶解氧低，营养水平较高的环境中生存，是富营养状况的指示种。Cymbellaaffinis,Na.eidrigiana,Ni.sinuatavar.tabellaria,Ni.subacicularis这4种附生硅藻TN的最适值小于1mg/L。通过对东江流域和新泽西州北部河流21种相同附生硅藻的对比，发现东江硅藻的TN最适值比在新泽西州的高[26]。本研究中，Ni.acicularis对TN、TP的最适值均最高，分别为3.43mg/L和0.64mg/L；Na.eidrigiana对TN、TP的最适值均最低，分别为0.48mg/L和0.02mg/L。这暗示Ni.acicularis这类附生硅藻可以作为有机物污染水体严重的指示种，而Na.eidrigiana可作为水质清洁的指示种。但是，使用硅藻对水质的指示仍有不确定因素的影响。Pan[28]认为河流中营养物质浓度，尤其是限制性营养元素，会随着时间和空间的改变，出现暂时性的浓度变化，从而影响硅藻群落结构组成。Winter[7]发现由于硅藻种群与河流中其他非硅藻种群(如绿藻Cladophorasp.)存在营养元素竞争，导致水体中营养物质浓度的改变，进而改变硅藻群落分布。这些不确定因素均对河流附生硅藻水质监测与评价带来一定影响，这需要进一步加强河流附生硅藻生态学的基础研究。

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The effects of water quality on epilithic diatoms communities of Dongjiang river basin

DENG Peiyan1,*, ZHANG Wan1, WANG Xutao2, Po Keung Eric Tsang3, LIU Xiang4, LIU Wei2

1SchoolofChemistryandEnvironment,SouthChinaNormalUniversity,Guangzhou510631,China2WaterEnvironmentMonitoringCenterofPearlRiverBasin,Guangzhou510611,China3DepartmentofScienceandEnvironmentalStudies,TheHongKongInstituteofEducation,Hongkong999077,China4SchoolofLifeScience,SichuanNormalUniversity,Chengdu610068,China

The effects of thirteen water quality parameters(Conductivity, pH, Dissolved Oxygen, Biochemistry Oxygen Demand, Chemistry Oxygen Demand, Total Nitrogen, NH4-N, NO3-N, NO2-N, Total Phosphorus, PO4-P, SiO2and Cl) on the distribution of epilithic diatoms in the Dongjiang basin were investigated by correlation analysis (CA), canonical correspondence analysis (CCA) and weighted average (WA). Correlation analysis showed that NH4-N, NO2-N, PO4-P, Cl, DO and BOD5had significant correlations with the other seven water quality parameters, while CCA analysis revealed that the impacts level of the five environmental variables. Cond., CODKMnO4, NO3-N, TN and TP on the variation in community composition of epilithic diatoms were in the order of Cond.> NO3-N > CODKMnO4>TP > TN. Furthermore, the optimum ecological values of Cond., NO3-N, CODKMnO4, TP and TN for epilithic diatoms were calculated using weighted average regression method to be 39.20—642.00μs/cm, 0.46—2.77mg/L, 1.0—5.5mg/L, 0.02—0.64 mg/L and 0.48—3.43mg/L, respectively. The results indicated that Cond., CODKMnO4, NO3-N, TN and TP were the major water quality parameters affecting the distribution of diatom assemblages.Cyclostephanosinvisitatus,Nitzschiaacicularis,N.capitellataandN.intermediacould be used as bioindicators for the higher conductivity in the Dongjiang river basin.Aulacoseiraambigua,A.lirata,Cyclotellameneghiniana,Cyclostephanosinvisitatus,Eunotiaminor,Nitzschiaacicularis,N.clausiiandPinnulariasubcapitatawere indicative species for TN and TP in the Dongjiang river basin. Moreover,Nitzschiaacicularisis the best bioindicator for TN and TP in the Dongjiang basin, whileNaviculaeidrigianais the least sensitive bioindicator for TN and TP.

Dongjiang River basin; epilithic diatom; canonical correspondence analysis; weighted average; bioindicator

公益性行业科研专项(201001021, 201301047)

2013-05-20;

日期:2014-04-25

10.5846/stxb201305201124

*通讯作者Corresponding author.E-mail: dpy213@126.com

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