明水期松花江哈尔滨段着生藻类分层特征

李喆，吴松，霍堂斌，王继隆，马波，袁玥

（1.中国水产科学研究院黑龙江水产研究所，黑龙江 哈尔滨 150070；2.东北农业大学动物科学技术学院，黑龙江 哈尔滨 150030）

松花江是东北主要水运干线和旅游地区，也担负着向哈市提供生活和生产用水的重任[1]。监测该江段水生生物意义重大。着生藻类（周丛藻类）（periphyton）系生长在浸没于水中各种基质表面上的藻类群落，物种数量巨大，群落结构复杂，是初级生产者。在流速适宜的河流中,着生藻类的初级生产力作用超过浮游藻类和高等水生植物[2]，是水生生物监测的重要生物类群。着生藻类群落的更新时间较短，能够对河流水化学和栖息地环境质量的变化迅速响应；群落变化趋势的可预测性较强，广泛应用河流水质监测、净化与评价[3-7]。着生藻类营固着生活，是河流中较为稳固的水生生物类群，多样性较高，对水环境因子变化敏感，群落结构特征具有较强的地域性，且便于采集，逐步广泛应用在河流的生物完整性评价以及河流水生态系统健康评估中[8,9]。本研究通过调查、分析松花江哈尔滨河段着生藻类分层特征，及不同水层着生藻类群落结构的相似性，提出优化河流着生藻类采集策略的建议，为进一步提高着生藻类的相关研究效率提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 调查水域自然概况

松花江哈尔滨江段属于松花江水系，大小河流众多，右岸较大支流有拉林河、阿什河、蜚壳图河以及蚂蚁河等，左岸较大支流有呼兰河、少陵河、木兰达河以及岔林河等。该江段干流西自双城入境，东至依兰县出境，全长约466km[10]，市区江段长约70km[11]，属于宽浅河段。受北方寒冷气候影响，不同季节松花江水量变化很大，水系水期划分为：7—9月为丰水期；4—6、10、11 月为平水期；1—3、12 月为枯水期[10]。哈尔滨市位于东经125°42'～130°10'，北纬44°04'～46°40'，地处中国东北北部地区，黑龙江省南部[12]，松花江流经哈尔滨市流速减缓[13]，受人为干扰较多，工业、生活、农业污染以及河段上的水利工程使得松花江哈尔滨段水情复杂且具有地域性。

1.2 采样点的设置

根据《内陆水域渔业自然资源调查手册》[14]并结合调查江段人为干扰类型的不同，在松花江哈尔滨段（拉林河段-依兰段）共设置8 个采样点。S1 在哈尔滨城区码头江段，S2 在呼兰河下游，S3 在呼兰河河口，S4 在大顶子山坝上，S5 在大顶子山坝下，S6 在依兰河段，S7 在双城杏山河段，S8 在双城拉林河河口（图1）。

1.3 样品的采集及处理

着生藻类的采集及处理参照《水和废水监测分析方法》（第四版）[15]，选用人工基质-载玻片法。2015 年5 月—2016 年5 月明水期逐月采集，共收集7 次着生藻类样本（2015 年5 月、2016 年4 月只设置采样基质，未采集着生藻类样本）。着生藻类样本鉴定时分别取表层（水面下27cm）、底层（水面下52cm）载玻片进行种类的鉴定和统计。

1.4 优势种类的确定

优势种类的确定结合优势度[16]。优势度的计算公式：Y=fi× pi

式中，Y 为优势度，fi为第i 物种的出现频率，pi为第i 物种个体数量在总数量的比例，当Y≥0.02时为优势种。

1.5 相似性分析

用Jaccard 相似性系数比较有限样本集之间的相似性与差异性[17]。Jaccard 系数值越大，样本相似度越高。计算公式：

表1 相似性评价分级[18，19]Tab.1 Classification of similarity evaluation in Jaccard Index

式中,J（A,B）为Jaccard 相似性系数,A 与B 分别为两个样本集。相似性评价分级见表1。

1.6 数据处理

用Excel 2016 处理数据，着生藻类各门数量、生物量排序图以及在各采样点的分布矩阵图在生态学数据分析软件Pcord 5.0 中完成。

2 结果与分析

2.1 表、底层着生藻类种类组成

松花江哈尔滨段着生藻类表层种类共计7 门121 种（含未定种）。其中，硅藻门的种类最多，共83种（含未定种），占68.6%；绿藻门的种类次之，22 种（含未定种），占18.2%；蓝藻门11 种（含未定种），占9.1 %；裸藻门2 种（含未定种），占1.7 %，隐藻门、黄藻门及甲藻门各1 种（含未定种），共占2.4%。底层种类共计6 门119 种（含未定种）。其中，硅藻门的种类最多，共78 种（含未定种），占65.5 %；蓝藻门的种类次之，18 种（含未定种），占15.1%；绿藻门16 种（含未定种），占13.4%；裸藻门5 种（含未定种），占4.2%；黄藻门、甲藻门各1 种（含未定种），共占1.8%。综上，明水期，调查水域表、底层着生藻的总种类数相似，但底层较表层少隐藻门种类。

各采样点不同月份表、底层着生藻类的Jaccard相似性系数值见图2。由图2 可知：大部分Jaccard相似性系数值分布在中等不相似和中等相似区域（60%分布在中等不相似区域，14.29%分布在中等相似区域）；5 月S5 采样点的相似性系数值最高（0.77），表、底层着生藻类种类组成极为相似；8 月S2 采样点的相似性系数值最低（0），表、底层着生藻类没有共有种类；S2 采样点在7 月、8 月，S3 在8月，S4 在4 月、6 月，S5 在7 月、10 月，S6 在5 月，S7在8 月，S8 在5 月、7 月的相似性系数值≤0.25，占所有相似性系数值的23.2%，表、底层着生藻类种类组成极不相似（图2）。

将7 次采样中成为表、底层共有种类的次数占总调查次数的比值视为该共有种的出现频率，该出现频率≥0.5 时，认为是主要共有种。表2 为各采样点不同月份着生藻类主要共有种类及出现频率，共有种主要集中在硅藻门，其中针杆藻属种类较多，共出现5 种，分别为肘状针杆藻Synedra ulna、近缘针杆藻Synedra affinis、尖针杆藻Synedra acus、偏凸针杆藻Synedra vaucheriae、及偏凸针杆藻小头变种Synedra vaucheriae var.capitellata，占主要共有硅藻种类的38.5%；硅藻门的喙头舟形藻Navicula rhynchocephala 和绿藻门的蛋白核小球藻Chlorella pyrenoidosa 是7 个采样点的主要共有种，共有性也较高；扭曲小环藻Cyclotella comta、偏凸针杆藻小头变种、喙头舟形藻分别是S1 和S7 采样点各个月份的共有种类，在S1 和S7 采样点出现频率达到1（表2）。

2.2 表、底层着生藻类优势种类

表层着生藻类的优势种类中84.2 %为硅藻门种类，包括扭曲小环藻、变异直链藻、颗粒直链藻最窄变种Melosira granulate var.angustissima、肘状针杆藻、近缘针杆藻、偏凸针杆藻、偏凸针杆藻小头变种、尖针杆藻、钝脆杆藻、普通等片藻Diatoma vulgare、胡斯特桥弯藻、膨胀桥弯藻、箱形桥弯藻Cymbella cistula、喙头舟形藻、细布纹藻Gyrosigma kützingii、扁圆卵形藻；绿藻门的蛋白核小球藻、丝藻Ulothrix sp.以及黄藻门的小型黄丝藻Tribonema minus 也在调查期间占优势。底层着生藻类优势种类较表层优势种类多了绿藻门的四尾栅藻Scenedesmus quadricauda，少了硅藻门的胡斯特桥弯藻以及黄藻门的小型黄丝藻。各优势种在各月份的优势度见表3。根据Jaccard 相似系数计算，表、底层着生藻类优势种类相似性高达0.85，相似等级达极为相似。表、底层着生藻类各优势种类的总优势度趋势一致，其中，变异直链藻、偏凸针杆藻小头变种、喙头舟形藻以及蛋白核小球藻的总优势度较高（图3）。

表2 松花江哈尔滨河段各采样点不同月份着生藻类主要共有种类及出现频率Tab.2 The main common species and frequency of periphyton in different months of each sampling site in Harbin Reach of Songhua River

表3 松花江哈尔滨河段表、底层着生藻类优势种类及优势度Tab.3 Dominant species and dominance of periphyton between surface and bottom in Harbin Reach of Songhua River

2.3 表、底层着生藻类的数量、生物量

松花江哈尔滨段着生藻类表层数量均值总计为6.74×104ind./cm2。其中，硅藻门的数量最多，5.8×104ind./cm2，占86.1 %；绿藻门次之，0.75×104ind./cm2，占11.1%；蓝藻门0.15×104ind./cm2，占2.2%；黄藻门0.03×104ind./cm2,占0.4%；隐藻、裸藻、甲藻门的数量较少，共占0.2%。底层着生藻类数量均值总计为5.651×104ind./cm2。其中，硅藻门的数量最多，4.76×104ind./cm2，占84.2 %；绿藻门次之，0.69×104ind./cm2，占12.2%；蓝藻门0.14×104ind./cm2，占2.5 %，黄藻门0.05×104ind./cm2，占0.9%；裸藻、甲藻门数量较少，共占0.2%。

松花江哈尔滨段着生藻类表层生物量均值总计为0.1375 mg/cm2。其中，硅藻门的生物量最多，0.1332 mg/cm2，占96.9 %；蓝藻门次之，0.0022 mg/cm2，占1.6 %；绿藻门，0.0014 mg/cm2，占1.0 %；隐藻、裸藻、黄藻、甲藻门生物量较少，共占0.5%。底层着生藻类生物量均值总计为0.116 mg/cm2。其中，硅藻的生物量最高，0.1126 mg/cm2，占97.1%；蓝藻门次之，0.0016 mg/cm2，占1.4%；绿藻门0.0011 mg/cm2，占0.9%；裸藻、黄藻、甲藻门生物量较少，共占0.6%。

由图4 可知表、底层各藻门数量、生物量的排序（横坐标）以及各藻门在不同月份所有采样点间非空数值的出现频率排序（纵坐标）。明水期表、底层着生藻类数量、生物量排序相似，且主要藻门规律相同。表、底层着生藻类主要藻门数量及在不同采样点间出现频率为：硅藻门＞绿藻门＞蓝藻门（图4-A、图4-B）。表、底层着生藻类主要藻门生物量呈现：硅藻门＞蓝藻门＞绿藻门，出现频率排序表现为硅藻门＞绿藻门＞蓝藻门（图4-C、图4-D）。其中，硅藻门的数量、生物量以及在各采样点间出现频率在表、底层均排第1 位，是明水期调查江段的优势藻门。

图5 为56 个表层样品（图5-A）以及56 个底层样品（图5-B）中着生藻类数量、生物量两两藻门之间的对应分布矩阵图。从表、底层着生藻类各藻门数量及生物量分布矩阵图分析，表层各样品中硅藻与其它藻类的数量集中在各自散点图的左侧，尤其是硅藻与蓝藻、隐藻、裸藻、黄藻、甲藻较为明显，而硅藻与绿藻的散点图在中间区域也有样品分布，说明硅藻的数量在表层分布较为分散，而蓝藻、隐藻、裸藻、黄藻、甲藻的数量在表层分布较为集中，且值较低；而绿藻的数量在表层也有一定的分布范围（图5-A）。底层各样本数量，硅藻与裸藻、黄藻、甲藻的数量集中在各自散点图的左侧，绿藻、蓝藻的散点图在中间区域也有分布，说明硅藻的数量在底层分布不如表层分散，而裸藻、黄藻、甲藻的数量在表层分布较为集中，且值较低；而绿藻、蓝藻的数量在底层也有一定分布范围（图5-B）。表层各样品中生物量只有硅藻的分布较为分散，而绿藻、蓝藻、隐藻、裸藻、黄藻、甲藻的分布较为集中（图5-A）；底层生物量规律与表层相似，底层绿藻的生物量分布较表层分散（图5-B）。

3 讨论

3.1 明水期着生藻类分层特征

调查期间，松花江哈尔滨段表、底层着生藻类主要由硅藻门、绿藻门和蓝藻门的种类组成（在表层占总种类的95.9%；在底层占总种类的94%）。本研究采用人工基质收集着生藻类，分析基质上附着的着生藻类来源于河流中的浮游藻类。据报道，明水期和冰封期松花江哈尔滨段浮游藻类均以硅藻门的种类为主[19-23]。着生藻类种类组成的优势藻门与浮游藻类相同，均为硅藻门。着生藻类种类相似性分析表明，虽然有2.51%、14.29%和60%的相似性系数值分别分布在极为相似区域、中等相似区域和中等不相似区域，但仍有23.2%的相似性系数值分布在极不相似区域（图2），可见表、底层着生藻类种类存在差异。尽管表、底层着生藻类种类存在差异，但表、底层的优势种类相似性极高，Jarccard 相似性系数为0.85，呈现极为相似的特点。表层着生藻类的优势种类中84.2%为硅藻种类，底层优势种类83.3%为硅藻种类（表2）。有报道，松花江哈尔滨段丰水期浮游藻类优势种类以硅藻为主，分别有梅尼小环藻Cyclotella meneghiniana、颗粒直链藻Melosira granulata、尖针杆藻、膨胀桥弯藻[20]。平水期、枯水期浮游藻类优势种类也以硅藻为主，有华丽星杆藻Asterionella formosa、尖针杆藻、平片针杆藻Synedra tabulata、肘状针杆藻、梅尼小环藻、颗粒直链藻最窄变种和短线脆杆藻Fragilaria brevistriata[21]。冰封期，松花江哈尔滨段冰下浮游藻类仍然以硅藻为主，硅藻优势种类有颗粒直链藻最窄变种以及扭曲小环藻[22]。经比较，本研究着生藻类的优势种中31.3%的硅藻优势种与浮游藻类相同。表、底层着生藻类均以硅藻占优势还应与硅藻具有良好的光适应能力相关，长期在低光或高光生态系统中生存的硅藻在低光或高光照强度下均容易形成优势种群[24]。调查水域表、底层着生藻类数量、生物量均值总计分别为6.74×104ind./cm2、5.651×104ind./cm2和0.1375mg/cm2、0.116 mg/cm2，表层略高于底层。表、底层着生藻类的数量、生物量均以硅藻门的数量、生物量最多，其次数量是绿藻高于蓝藻，生物量是蓝藻高于绿藻，且表、底层着生藻类各门数量、生物量的排序相同（图4）。综上所述，明水期松花江哈尔滨段着生藻类的分层特征相似，硅藻在种类组成、优势种类、数量、生物量方面均排第一位，是调查水域着生藻类的优势藻门。藻类，特别是硅藻，是水生生态系统的重要生产者，在食物网和生物地球化学循环中发挥着主要作用，是物种最丰富的生物群体之一[25]。它们栖息在湖泊、湿地、海洋、河口，甚至一些短暂的水生生境中，用于水环境的相关评价具有通用性。松花江哈尔滨段着生藻类种类丰富，时空分布以及分层特征均以硅藻为优势藻门，为开展基于着生藻类的松花江哈尔滨段河流生态评价提供了基础。

3.2 河流着生藻类的采样策略优化选择

优化着生藻类样本采集策略有助于显著提高基于着生藻类的相关研究的工作效率。对中国北方黄海沿岸着生硅藻样本采集策略的优化研究表明，浅层较深层能更好地反映硅藻检测分类特异性[26]。水体分层是气候影响浮游藻类的最重要间接途径之一，分层不仅提供了垂直的热结构，还能改变浮游藻类的分布，湖泊中的分层最为明显，在夏季通常被分离成一个温暖的、浅的、光线充足的和一个接收较少太阳能的、深冷的水层区域，由于缺乏垂直混合，上层的养分供应可能会减少，较重的、没有浮力或流动性机制的浮游藻类可能会从最容易获得光线的上层水域下沉[27]。河流与湖泊不同，较流动性强，水体垂直混合较好。在松花江哈尔滨段着生藻类的分层调查中，表、底层着生藻类种类组成总数相差2 种（表层7 门121 种；底层6 门119种）；表、底层优势种类极为相似；表、底层着生藻类各门的数量、生物量的排列次序相同。建议对河流着生藻类优势种类、数量、生物量的调查、评估研究采集策略优化为表层采集。但必须指出，表、底层着生藻类种类组成还是存在差异，主要藻门的藻类在表层表现为硅藻门＞绿藻门＞蓝藻门，而底层表现为硅藻门＞蓝藻门＞绿藻门，且图2 显示大部分（60%）表、底层着生藻类相似系数值分布在中等不相似区域，建议基于着生藻类种类的研究和评价工作采集表、底层混合水样。