南水北调中线干渠两个水工构筑物对着生藻类群落的影响

朱宇轩 米武娟 李 波 梁建奎 宋高飞 毕永红

(1. 中国科学院水生生物研究所淡水生态与生物技术国家重点实验室, 武汉 430072; 2. 中国科学院大学, 北京 100049;3. 南水北调中线干线工程建设管理局, 北京 100038)

全长1432 km的南水北调中线工程于2014年12月完工通水, 借助该人工渠道, 将汉江流域丹江口水库的水分流至河南、河北、北京和天津等沿线的20个大城市和100个县, 一期工程运行达到设计条件后, 年平均调水量95亿m3, 惠及总人口近2亿。干渠通水以来, 生态补水效果明显, 受水区地下水超采问题得到缓解, 发挥了巨大的社会效益、经济效益和生态效益。另一方面, 尽管干渠营养盐保持着相对动态稳定, 但作为对水环境最敏感的类群, 干渠中的藻类种类、数量和生物量发生快速改变, 表现出对输水动态的明显响应, 藻类群落出现单一优势种, 优势度和生物量居高不下, 特定时间局部渠段藻类群落快速增殖, 浮游植物细胞密度最高达到107cells/L数量级; 着生藻类生物量快速增长并出现衰老脱落上浮等现象。

着生藻类是附生在水下基质表面的微小植物群落[1]; 在包括河流、水库和湖泊等淡水环境广泛存在; 着生藻类所处的不同生境使得群落结构有很大差异[2]。中线工程干渠是一个全新的特化人工系统, 大面积的混凝土坡壁和适宜的光照为着生藻类提供了良好的生长环境。尽管着生藻类已在一定程度上影响中线工程的运行和水质稳定, 但迄今为止, 对干渠内着生藻类的研究资料极其匮乏, 从干渠输水安全的角度考虑[3,4], 研究水工构筑物对着生藻类群落的影响具有重要意义。

为深入认识水工构筑物对着生藻类的影响, 本研究选取干渠内最大的渡槽——沙河渡槽(槽体长11.9 km)和最大涵管——穿黄工程(管线长19.3 km)进行着生藻类群落的原位调查监测, 通过16S rDNA和18S rDNA测序了解群落结构状况, 认识大型渡槽和大型涵管对着生藻类群落结构的影响, 确认了这种影响主要表现在优势种和群落生物量的显著差异上, 反映了着生藻类群落对水工构筑物的响应,为认识中线总干渠着生藻类群落特征及其对水工构筑物的响应提供了依据, 并为着生藻类生态风险的防控提供支撑。

1 材料与方法

1.1 采样位点与采样保存方法

样品采集于2018年10月, 基于研究目的, 根据输水构筑物结构形态变化共设置8个采样位点, 分别位于沙河渡槽上游明渠、沙河渡槽入口、沙河渡槽中点、沙河渡槽出口、穿黄工程入口、穿黄工程出口、穿黄工程下游明渠和穿黄工程下游沁河倒虹吸(由南至北, 其中沙河渡槽中点由于水流速度快、垂直内壁, 壁上未能发现足够的着生藻类群落, 故该位点数据不列入本文讨论), 剩下的7个点由南至北分别编号: 沙河渡槽渠段的P1、P2和P3, 穿黄工程前的P4，穿黄工程后的P5、P6和P7(图1)。对每个样点进行表层水样和着生藻类样品的采集, 并对水体理化参数进行现场同步测定。

图1 采样位点分布Fig. 1 Location of sampling site

水样采集与保存方法: 在各点利用采水器将渠水收集至岸边后, 分装入4个500 mL塑料样品瓶中,然后放入4℃冰箱保存。

着生藻类样品采集与保存方法: 在各样点的渠道边坡上着生藻类生长区域(选择距离水面20—50 cm的区域), 利用小铁铲、小刀与牙刷刮取5块10 cm2的着生藻类样品, 将这5块样品放入白瓷盘中加适量纯水搅拌均匀, 分为三等分, 其中2份分别装入冻存管, 编号用铝箔纸包裹好置于液氮中速冻保存, 带回实验室后放入–80℃冰箱保存, 用于提取DNA。

1.2 水质指标的分析方法

采用YSI(556MPS, USA)现场监测水样的温度(T)、pH、电导率(SPC)和溶解氧(DO)等理化参数。水样采用GF/C膜过滤, 总磷(TP)和正磷酸盐测定利用钼酸铵分光光度法; 硝酸盐氮测定利用紫外分光光度法; 氨氮(NH3-N)测定利用纳氏试剂分光光度法; 总氮(TN)测定利用过硫酸钾氧化分光光度法, 高锰酸钾指数(CODMn)测定利用高锰酸钾消解滴定法。

1.3 测序分析

DNA提取与测序方法: 样品过滤并收集滤膜,用预先经75%酒精擦拭过的医用剪刀剪碎后, 利用QiagenDNeasy Blood & Tissue Kit试剂盒(Qiagen, CA,USA)提取微生物总DNA。提取的DNA经紫外分光光度计和1%的琼脂糖凝胶电泳检测浓度及纯度后,–20℃保存备用。提取完成后利用细菌引物338F(5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3′)、806R(5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)和3NDF(5′-GGCAAGTCTGGTGCCAG-3′)、V4_euk_R2(5′-ACGGTATCT(AG)ATC(AG)TCTTCG-3′)构建Illumina HiSeq高通量测序PCR扩增文库[5]。利用软件QIIME, 对得到的序列进行筛选, 以确保有效性。

数据分析方法: 对原始的分子序列进行质量过滤和修剪后, 将所得序列按97%相似度划分OTU,基于OTU数据进一步计算反映着生藻类群落丰富度的Sobs、Chao和Ace指数; 反映群落多样性的Shannon和Simpson指数; 反映群落覆盖度的Coverage指数。

分类学分析: 为得到每个OTU对应的物种分类信息, 采用RDP classifier贝叶斯算法对97%相似水平的OTU代表序列进行分类学分析, 通过与Silva数据库进行比对获得每个OTU对应的物种分类信息,分别在门(Phylum)、纲(Class)、目(Order)、科(Family)、属(Genus)和种(Species)的水平上进行计群落物种组成的统计。

1.4 数据整理与统计分析方法

使用Past 3.0计算着生藻类群落Alpha多样性指数。使用Origin 9.0绘制着生藻类群落结构。在R 4.0.0环境下使用vegan包进行非加权组平均法(Unweighted pair-group method with arithmetic means,UPGMA)聚类、非度量多维尺度分析(Non-metric multidimensional scaling, NMDS)和相似性分析(Analysis of similarities, ANOSIM), 比较位点间着生藻类群落结构的相似性。使用CANOCO 4.5进行冗余分析(Redundancy analysis, RDA), 分析着生藻类、理化因子与位点间的相关关系。使用SPSS 20.0计算优势种与理化因子间的相关系数, 并在R 4.0.0环境下使用pheatmap包绘制为相关性热图。

2 结果

2.1 水体理化参数

如表1所示, P3与P5的浊度与流速同其他点位有显著差异(P<0.05)。

表1 各位点的水体理化指标检测结果Tab. 1 Physical and chemical testing results of water quality at each site

2.2 着生藻类的物种丰富度与多样性

如表2所示, 所有样本coverage均在99%以上,说明这些样本可代表位点的大部分着生藻类物种。蓝藻的Chao1和Ace指数在P3和P6点较低, 真核藻类的Chao1和Ace指数在P3和P5点较低。从Shannon指数来看, 蓝藻: 渡槽后P3位点Shannon指数低于渡槽前的P2位点, 穿黄工程后P5位点Shannon指数高于穿黄工程其他3个位点的Shannon指数;真核藻类: 渡槽后P3位点Shannon指数低于渡槽前P2位点, 穿黄工程后P5位点Shannon指数低于穿黄工程前P4位点的Shannon指数。

表2 着生藻类群落Alpha多样性指数Tab. 2 Alpha diversity index of Periphyticalgal communities

2.3 着生藻类群落

对着生藻类测序所得原始分子序列进行质控过滤后, 分别获得16S rDNA和18S rDNA基因的clean reads, 分别包含17599和20094个reads。对reads按97%相似度进行聚类获得OUT, 并通过与Silva数据库比对获得每个OTU对应的物种分类信息。

蓝藻共比对出23属, 各位点属水平的蓝藻组成见图2a和图2b。比较reads总量, 沙河渡槽前后3位点中, P2最低, P1较高, P3最高; 穿黄工程前后各位点中P5最低, P4较高, P6和P7最高, P1—P5位点reads总量与鞘丝藻(Leptolyngbyasp.)reads数量相关性显著(P<0.05), P6和P7两位点reads总量与胶须藻(Rivulariasp.)reads数量相关性显著(P<0.05; 图2a)。所有样点中均存在的优势种包括: 鞘丝藻(Leptolyngbyasp.)、聚球藻(Synechococcussp.)、眉藻(Calothrixsp.)、席藻(Phormidiumsp.)、集胞藻(Synechocystissp.)和拟色球藻(Chroococcidiopsissp.)等, 这些优势种在各位点的相对丰度分别为70.9%、6.0%、5.0%、2.9%、1.2%和1.1%, 其中鞘丝藻(Leptolyngbyasp.)在各位点保持优势地位, P6与P7两点胶须藻(Rivulariasp.)相对丰度由6.2%增至61.8%, 占据优势地位, 聚球藻(Synechococcussp.)在P5处相对丰度明显高于其他位点。

真核藻类共比对出15门79属, 各位点属水平的真核藻类组成见图2c和图2d。比较reads总量, 沙河渡槽前后3位点中, P2最高, P3较低, P1最低; 穿黄工程前后各位点中P5和P7较低, P4和P6较高(图2c)。根据相对丰度数据, P1至P2位点链带藻(Desmodesmussp.)由48.4%降至2.8%、针杆藻(Synedrasp.)由20.8%增至52.4%、肘形藻(Ulnariasp.)由20.9%增至37.2%; P2至P3位点链带藻(Desmodesmussp.)由26.4%增至77.4%、针杆藻(Synedrasp.)由10.4%降至0.4%、肘形藻(Ulnariasp.)由2.3%降至0.4%。总体上, 7个位点占优势的真核藻类包括链带藻(Desmodesmussp.)、土佐牧野藻(Makinoellasp.)、芒球藻(Radiococcussp.)、盘星藻(Monactinussp.)、卵囊藻(Oocystellasp.)、菱形藻(Nitzschiasp.)、针杆藻(Synedrasp.)和肘形藻(Ulnariasp.)等。

图2 着生藻类属水平丰度Fig. 2 Periphytic algae abundance on genus level

由图3可知, 非加权组平均法聚类结果和非度量多维标度分析的排序结果基本一致。从蓝藻群落结构聚类和排序结果来看, 分为P1和P2、 P3和P4、P5、P6和P7四组(图3a和图3c)。从真核藻类群落结构聚类和排序结果来看, 分为P1、P2和P3;P4、P5、P6和P7两组(图3b和图3d)。从相似性分析(ANOSIM)结果来看, 蓝藻群落结构在沙河渡槽位点和穿黄工程位点组内差异较大, 组间差异不显著(P>0.05; 图3e); 真核藻类群落结构在沙河渡槽位点和穿黄工程位点组内差异较小, 沙河渡槽位点组内差异小于穿黄工程位点组内差异, 两组组间差异显著(P<0.05; 图3f)。

图3 群落相似性Fig. 3 Similarity of community

2.4 着生藻类与环境因子的相关性分析

对着生的蓝藻物种进行去趋势对应分析(DCA),结果显示Length of gradient均小于3, 故采用RDA进行物种与环境因子的分析。RDA分析结果显示4个排序轴对物种与环境因子关系的累计方差为84.5%,累计解释量为65.1%。

由图4a可知, P1和P2位点呈现一定的相似性,均受氨氮、电导率和阳离子交换量的影响; P4、P6和P7位点呈现一定的相似性, 受溶氧、pH和高锰酸钾指数影响较为明显; P3和P5位点与其他5个样点相似性较低, 其中P3受硝酸盐氮、水温、总氮和流速影响较为明显, P5与浊度、叶绿素a和流速相关性较高。总体来看两个水工构筑物各自的出口位点与其他位点差异较为明显, 其中P5与穿黄工程其他3个位点的差异更为明显。

由图4b可知，在属水平上, 拟色球藻(Chroococcidiopsissp.)、节旋藻(Arthrospirasp.)、盖丝藻(Geitlerinemasp.)与电导率、氨氮呈正相关。眉藻(Calothrixsp.)、宽球藻(Pleurocapsasp.)与阳离子交换量正相关。绿球藻(Gleocapsasp.)、微囊藻(Microcystissp.)、集胞藻(Synechocystissp.)与叶绿素a、pH呈正相关。聚球藻(Synechococcussp.)与水温、流速、浊度呈正相关。细鞘丝藻(Leptolyngbyasp.)、胶须藻(Rivulariasp.)、席藻(Phormidiumsp.)与硝酸盐氮、总氮、水温呈负相关。管胞藻(Chamaesiphonsp.)、微鞘藻(Microcoleussp.)与溶解氧、pH、高锰酸钾指数呈负相关。

对着生的真核藻类物种进行去趋势对应分析(DCA), 结果显示Length of gradient均小于3, 故采用RDA进行物种与环境因子的分析。RDA分析结果显示4个排序轴对物种与环境因子关系的累计方差为85.3%, 累计解释量为62.5%。

由图4c可知, P1、P2和P4位点呈现一定的相似性, 受各形态氮和电导率影响较为明显, 其中P1同时还受电导率和阳离子交换量影响; P3、P5和P7位点呈现一定的相似性, 与流速和浊度相关性高;P6位点与其他6个样点差异较为明显, 受pH、叶绿素a和高锰酸钾指数影响较为明显。

由图4d可知，在属水平上, 四环藻(Tetracyclussp.)与溶解氧、pH呈正相关。链带藻(Desmodesmussp.)、芒球藻(Radiococcussp.)与流速、浊度呈正相关。水绵(Spirogyrasp.)、针杆藻(Synedrasp.)、肘形藻(Ulnariasp.)与水温、形态氮呈正相关。海链藻(Thalassiosirasp.)、菱形藻(Nitzschiasp.)与正磷酸盐、高锰酸钾指数呈正相关。芒球藻(Radiococcussp.)、土佐牧野藻(Makinoellasp.)与水温、形态氮呈负相关。拟内丝藻(Encyonopsissp.)、桥弯藻(Cymbellasp.)、鞍型藻(Sellaphorasp.)、舟形藻(Naviculasp.)与流速、浊度呈负相关。

图5a为主要蓝藻与环境因子相关性热图, 聚球藻(Synechococcussp.)与浊度、流速显著正相关, 眉藻(Calothrixsp.)与阳离子交换量显著正相关, 细鞘丝藻(Leptolyngbyasp.)与氨氮、总氮、硝酸盐氮显著负相关, 与总磷显著正相关。图5b为主要真核藻类与环境因子相关性热图, 针杆藻(Synedrasp.)与总氮、硝酸盐氮正相关, 相关性分析结果与图4中的RDA分析结果相吻合, 证明相关性分析结果的可靠性高。

图4 着生藻类RDA分析Fig. 4 Redundancy analysis of Periphytic algae

图5 主要着生藻类与环境变量相关性热图Fig. 5 Correlationheatmap between periphytic algae and environment variable

3 讨论

3.1 着生藻类群落特征

着生藻类建群过程可归纳为5步: (1)颗粒态或者溶解有机物依靠静电吸附于基质上; (2)细菌开始生长, 为其他有机体附着生长提供条件; (3)羽纹纲硅藻吸附到母体基质上; (4)直立的、短茎或者长茎的藻菌以莲座状或者黏质状着生在基质上; (5)着生的是直立的丝状藻类或红藻[6,7]。本研究显示, 沙河渡槽或穿黄工程的着生藻类群落群落既有蓝藻又有真核藻类, 丝状藻类为常见种类。由此可见,中线干渠经过约3年的输水运行, 着生藻类群落生物膜已处于成熟阶段。

不同着生藻类群落具有不同特征[8], 可根据着生藻类群落的颜色、生长形式、持续的储存速率和光合作用特征对其进行分类: 黑色群落、褐色群落、绿色群落和绿色丝状藻类群落[9,10]。沙河渡槽和穿黄工程的着生藻类群落生长在深度小于等于0.5 m的光照充足的岸边, 生长迅速, 生物量丰富,具有明显的绿色丝状藻类群落特征, 是生长迅速的藻类类群, 尤其在温度适宜的春夏交加季节及秋冬交加季节, 值得引起注意。

类似的河流型水体着生藻类群落动态一直受到学者的关注; Nicolli等[2]研究发现自然水体中的生境复杂性会影响着生藻类的物种多样性、结构多样性和功能多样性; Medeiros等[11]发现在理化因子和水流情况共同作用下同一河流的上游与下游的着生藻类差异显著。Shevchenko等[12]发现在一座水库及所在河流的不同水域由于流速、水位波动和风力驱动波浪不同, 着生藻类物种组成发生变化, 细胞密度和生物量差异显著。在本研究中不同位点的物种多样性变化明显, 渡槽前位点的蓝藻物种多样性高于渡槽后, 穿黄工程后蓝藻物种多样性高于穿黄工程前, 两个构筑物入口前的位点的真核藻类生物多样性高于各自出口后的位点。沿程不同位点的群落结构相似程度较低, 其中蓝藻群落结构各点间相似程度较低; 真核藻类群落结构在渡槽位点相似程度高, 在穿黄工程位点相似程度低。这说明不同形态水体中着生藻类群落具有显著的空间差异。

3.2 水工构筑物对着生藻类的影响

本研究显示, 位点间着生藻类群落结构存在显著差异, 体现了明显的空间异质性特征, 说明水工构筑物对着生藻类群落的影响显著。

沙河渡槽中流速是变化最明显的因素。渡槽入口流速大于上游明渠, 较高的流速维持至渡槽出口。原设计位点沙河渡槽中点垂直内壁上着生藻类极少, 说明渡槽的高流速与垂直内壁对着生藻类生长存在抑制, 抑制原因可能是: 高流速使着生稳定性较弱的藻类脱落, 削减着生藻类原有生物量,破坏了适宜着生藻类附着的缓流状态, 增大了新生着生藻类完成附着的难度, 降低浮游藻类被着生藻类拦截几率, 削减着生藻类生物量的增长[12—14]。渡槽出口流速相较于渡槽中减小, 着生藻类相较渡槽中明显增加, 说明减缓的流速适宜着生藻类群落生长。

穿黄工程对沿渠流速影响较小, 对出口处水位稳定性影响更显著。穿黄出口水流从渠底部涌向水面, 出口处水流周期性上下起伏, 使穿黄出口水流条件与其他位点差异明显。穿黄出口丝状蓝藻相对丰度低于其他各点丝状蓝藻相对丰度, 有研究发现丝状蓝藻着生稳定性易受到水流条件的影响[15,16], 说明穿黄出口水流起伏对着生蓝藻的生长存在抑制, 特别是对丝状蓝藻的着生存在影响。

有研究发现相似的水质理化因子使着生藻类群落结构趋于相似[17,18]。穿黄出口下游明渠与穿黄出口下游沁河倒虹吸的水质理化因子无显著差异(P>0.05), 但这两个位点的真核藻类群落结构差异显著(P<0.05), 说明两位点间的真核藻类群落结构差异不仅仅受水质理化因子影响。导致上述两位点间真核藻类群落结构差异的原因是: 穿黄出口被冲刷脱落裹挟至穿黄出口下游明渠的藻类较多,其中硅藻细胞结构强度较大[19], 更容易在穿黄出口至穿黄出口下游明渠渠段存活、迁移, 穿黄出口下游明渠水流起伏减小, 部分硅藻通过沉降或被拦截落入着生藻类中, 使得穿黄出口下游明渠硅藻丰度增加, 真核藻类群落结构与相邻位点差异显著。

综上, 不同水工构筑物对着生藻类的影响存在差异, 水工构筑物对蓝藻和真核藻类的影响存在差异, 水工构筑物通过影响水流条件和水质理化因子对着生藻类产生影响。

4 结论

(1)两种构筑物前后着生的蓝藻优势种:Leptolyngbyasp.、Synechococcussp.、Calothrixsp.、Phormidiumsp.、Synechocystissp.和Chroococcidiopsissp.; 着生真核藻类优势种:Desmodesmussp.、Makinoellasp.、Radiococcussp.、Monactinussp.、Oocystellasp.、Nitzschiasp.、Synedrasp.和Ulnariasp.。(2)沙河渡槽与穿黄工程着生藻类群落结构呈现明显的空间异质性, 不同水工构筑物对着生藻类的影响存在差异, 水工构筑物对蓝藻和真核藻类的影响存在差异, 两个水工构筑物通过影响水流条件和水质理化因子对着生藻类群落发挥显著的影响。

致谢:

感谢南水北调中线管理局沙河渡槽管理处和鲁山管理处为本研究提供的大力协助和支持; 感谢博士生黄顺对本研究野外工作的协助。