2017, Vol. 38
2. 中国环境科学研究院流域水生态保护技术研究室, 北京 100012;
3. 大连海洋大学水产与生命学院, 大连 116023
2. Laboratory of Riverine Ecological Conservation and Technology, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China;
3. College of Fisheries and Life Science, Dalian Ocean University, Dalian 116023, China
浑太河流域是辽宁省重要的经济和工业发展区域, 近年来面临着严重的河流生态系统结构和功能退化的威胁[1].由于人类活动的干扰, 工业废水、生活污水的大量排放以及农业面源的污染使得该区域的营养盐污染严重[2], 以氨氮为例, 点源及面源的入河排放量达到2.1×105 t·a-1[3]. US EPA[4]认为氮磷营养盐过高是导致河流水环境恶化的重要因素, 其过量输入会引起底栖硅藻群落结构及生态系统机能发生改变, 严重影响水生态系统健康.底栖硅藻作为河流生态系统中重要的初级生产者, 对水环境中的营养盐非常敏感[5], 其中NH4+-N作为底栖硅藻最易吸收的氮素形态[6], 对底栖硅藻的影响尤为显著.通过墨西哥湾北部的密西西比河、美国佛罗里达州的阿波普卡湖、纽约州的乔治湖的水生态修复[7], 发现同时控制水生态系统N、P浓度, 可以在一定程度上抑制底栖硅藻的过度繁殖, 有效保护水生态系统健康.
生态阈值是指生态系统中某一个或多个关键生态因子微弱的附加改变导致其从一种状态快速转变为另一种状态的某个点或一段区间[8].合理确定水生态系统的营养盐阈值, 对于保护底栖硅藻群落的多样性及提高生态系统的稳定性, 尤为重要[9, 10].目前针对生态阈值的研究, 多集中于整个流域[11~14], 然而不同的生境条件下底栖硅藻的耐受性是不同的[15~17], 在更小的区域范围内研究该阈值更具有适用性.水生态分区是水环境管理及水生生物多样性保护的重要单元, 广泛应用于淡水水体的生态管理[18].有研究表明, 太子河不同水生态区EPT(ephemeropter、plecoptera、trichoptera)[19]、鱼类[20]的群落结构, 及对其产生显著影响的环境因子均存在差异性, 因此, 在水生态区内开展水生生物对环境干扰的响应研究, 更为必要.
LOWESS是在回归树模型(regression tree, RT)基础上发展起来的一种稳健的非参数模型, 由于可以很好地描述变量之间的细微关系, 且不需要确定的函数关系[21], 在生态系统的阈值研究中得到了广泛的应用[22~24]. Chambers[22]为了解底栖硅藻在加拿大4个不同生态区中的TN、TP阈值, 利用LOWESS对富营养化硅藻指数(trophic diatom index, TDI)、加拿大硅藻指数(eastern Canadian diatom index, IDEC)、香农多样性指数(shannon diversity index)进行阈值估算, 研究结果表明3个生物参数的TN、TP阈值不同, 而且在不同的生态区中, 河流的TN、TP阈值也存在差异.本研究拟通过上述方法, 利用综合反映底栖硅藻群落结构与功能的硅藻生物完整性指数(diatom index of biotic integrity, D-IBI)[25, 26], 确立NH4+-N、TP的阈值, 以期为水生态区的管理提供基础数据与技术支持.
1 材料与方法 1.1 研究区域概况浑太河位于我国东北部(122°05′~125°17′E、40°40′~42°10′N), 由浑河、太子河两条独立的水系构成.其中浑河发源于清原县湾甸子镇滚马岭西侧, 全长415.4 km, 流域面积12 216 km2; 太子河发源于辽宁省新宾满族自治县境内的长白山脉, 全长413 km, 流域面积13 883 km2.两条水系在三岔河汇合入大辽河.属温带湿润-半湿润季风气候, 年内温差大, 最高气温出现在7~8月, 最低气温出现在1~2月, 降水多集中于夏季.流经抚顺、辽阳、鞍山、本溪等主要工业城市, 受人类活动的干扰严重, 以山区为主, 约占全流域面积的70%.
浑太河流域包括3个水生态二级区[27], 分别是水生态Ⅰ区(太子河上游-中起伏山地森林-多水区)、水生态Ⅱ区(辽河东部-低起伏山地森林-多水区)、水生态Ⅲ区(下辽河-平原农作物-少水区).水生态Ⅰ区由长白山脉组成, 是太子河支流水系的发源地, 多为中起伏山地; 水生态Ⅱ区是浑河、太子河的主要产流区, 建有多座水库(大伙房水库、观音阁水库等), 植被覆盖率高, 多为小起伏山地; 水生态Ⅲ区为平原, 分布有沈阳、鞍山等工业城市, 城市化严重, 受人类干扰最为严重, 面临着严峻的水生态安全问题.
1.2 采样点设置为了解浑太河底栖硅藻的群落结构及分布特征, 调查区域共设置287个采样点, 其中太子河干流(T)70个, 浑河(H)62个, 太子河支流(北沙BS、南沙NS、汤河TH、小汤河XTH、海城河HCH、细河XH、兰河LH)共122个, 以及太子河南支15个、北支18个.调查于2009年5月至2010年5月进行.水生态Ⅰ区包括采样点122个, Ⅱ区86个, Ⅲ区79个.采样点分布详见图 1.
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图 1 浑太河底栖硅藻采样点及水生态区分布示意 Fig. 1 Location of sampling sites and aquatic ecoregions in the Huntai River |
依据欧盟标准方法EN 13946[28]和EN 14407[29], 在地势开阔且无树荫的河流中, 根据河流生境(流速、水深、透明度等)的不同, 在100 m范围内选取9块天然石头, 用干净毛刷刷取向阳面硅藻15.2 cm2(直径4.4 cm的圆形塑胶环), 置于干净的白瓷盘中, 纯净水冲刷至广口塑料瓶, 加入5%(体积分数)的甲醛进行固定后, 带回实验室进行分类鉴定.底栖硅藻的鉴定参照文献[30, 31].
采用多参数水质分析仪(YSI Incorporated, Yellow Spring, Ohio, 美国)现场测定水温、pH、DO、浊度、TDS、电导率等, 其他指标如NH4+-N、TP、BOD5、COD、高锰酸盐指数等在48 h带回实验室, 参照文献[32]测定.
1.4 数据处理营养盐数据满足方差齐性与正态分布.为研究不同水生态区营养盐因子(NH4+-N、TP)的分布特征, 首先利用箱体图分析NH4+-N、TP在不同水生态区的分布范围, 其次对各水生态区的营养盐因子进行单因素方差分析(one-way ANOVA), 研究其浓度在3个水生态区间的差异性.为分析不同水生态区生物参数的分布情况, 箱体图分析各生物参数在3个水生态区的分布特征, K-W非参数检验各生物参数在不同水生态区间的差异性.为研究不同生物参数对NH4+-N、TP作出的响应关系, 将各生物参数与NH4+-N、TP进行Pearson相关性分析.为确定3个水生态区NH4+-N、TP的阈值, 利用LOWESS分别以NH4+-N、TP为横坐标, 以D-IBI为纵坐标, 进行曲线拟合.
其中, 生物参数的选择, 参考周莹等[33]采取的综合法选择参照点位与受损点位, 通过分布范围、判别能力、相关性分析筛选生物参数(表 1), 确定构成硅藻生物完整性指数的生物参数; 采用比值法[34]计算各采样点位的D-IBI值, 计算过程如下：
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表 1 浑太河硅藻完整性指数(D-IBI)构成体系候选参数及计算方法 Table 1 Description and calculation of candidate metrics for D-IBI in the Huntai River |
(1) 生物参数标准化
① 随干扰增强而增大的参数:
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式中, Pij表示第i个参数在第j个采样点的标准化参数值, Oij表示第i个参数在第j个采样点的原始观测值, maxOij表示第i个参数在m个采样点中的最大值, Si5表示第i个参数的标准化阈值, 取全部采样点中第i个参数5%分位数的原始观测值; i=1, 2, …, n; j=1, 2, …, m.
② 随干扰增强而变小的参数:
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式中, Pij表示第i个参数在第j个采样点的标准化参数值, Oij表示第i个参数在第j个采样点的原始观测值, Si95表示第i个参数的标准化阈值, 取全部采样点中第i个参数95%分位数的原始观测值; i=1, 2, …, n; j=1, 2, …, m.
(2) D-IBI值计算
各点位的D-IBI值即该点位各标准化参数的均值：
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式中, Ij表示各点位D-IBI值.
单因素方差分析、K-W非参数检验、Pearson相关性分析均在SPSS 19.0上进行, 箱体图在Origin 8.0中进行, LOWESS在R.3.1.2中完成.
2 结果与分析 2.1 不同水生态区营养盐因子特征分析由图 2可知, 水生态Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区的NH4+-N平均浓度依次为0.19、0.37、1.09 mg·L-1, 呈现出水生态Ⅰ区 < 水生态Ⅱ区 < 水生态Ⅲ区的趋势, 单因素方差分析表明NH4+-N在3个水生态区间差异显著(P < 0.05). TP呈现出与NH4+-N一致的变化趋势, 水生态Ⅰ区的浓度最低, 水生态Ⅱ区次之, 水生态Ⅲ区最高, 且在3个水生态区间差异性显著(P < 0.05);平均浓度分别为0.03、0.07、0.15 mg·L-1.
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箱体上方的字母“a、b、c”表示单因素方差分析的组间差异 图 2 浑太河3个水生态区NH4+-N、TP分布箱体图 Fig. 2 Box-whisker plot of NH4+-N and TP in different AEs of the Huntai River |
浑太河共采集并鉴定出底栖硅藻233种, 隶属于2纲5目10科22属.其中, 水生态Ⅰ区159种, 以等片藻属(Diatoma sp.)、桥弯藻属(Cymbella sp.)、脆杆藻属(Fragilaria sp.)为主(图 3), 分别占水生态Ⅰ区总个体数的29.89%、18.24%、17.80%;优势种为扁圆卵形藻(Cocconeis placentula)、扁圆卵形藻线性变种(Cocconeis placentula var. linearis)、偏肿桥弯藻(Cymbella ventricosa)、近缘桥弯藻(Cymbella affinis)、霍克曲壳藻(Achnanthes hauckiana)、小型异极藻(Gomphonema parvulum)、缠结异极藻矮小变种(Gomphonema intricatum var. pumila)、汉式桥弯藻(Cymbella hantzschiana)、钝脆杆藻(Fragilaria capucina)、肘状针杆藻缢缩变种(Synedra ulna var. constracta).水生态Ⅱ区210种, 以舟形藻属(Navicula sp.)、等片藻属(Diatoma sp.)、桥弯藻属(Cymbella sp.)为主, 各占33.98%、23.23%、14.89%, 优势种为简单舟形藻(Navicula simplex)、沃切里脆杆藻(Fragilaria vaucheriae)、普通等片藻(Diatoma vulgaris)、胡斯特桥弯藻(Cymbella hustedtii)、扁圆卵形藻(Cocconeis placentula).水生态Ⅲ区共采集到底栖硅藻物种数为180种, 等片藻属(Diatoma sp.)、舟形藻属(Navicula sp.)和针杆藻属(Synedra sp.)相对丰度较高, 分别占据的比例为29.95%、18.86%、17.09%;优势种为梅尼小环藻(Cyclotella meneghiniana)、钝脆杆藻(Fragilaria capucina)、简单舟形藻(Navicula simplex)、小片菱形藻(Nitzschia frustulum).
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图 3 浑太河不同水生态区底栖硅藻群落结构 Fig. 3 Benthic diatom community structure in different AEs of the Huntai River |
将13个底栖硅藻候选生物参数进行分布范围、辨别能力及相关性分析, 共筛选出7个生物参数, 分别为M1(运动性硅藻百分比)、M2(敏感性硅藻百分比)、M3(具柄硅藻百分比)、M10(Pielou均匀度指数)、M11(特定污染敏感指数IPS)、M12(硅藻生物指数IBD)、M13(硅藻属指数IDG).由图 4可见, 7个生物参数在不同水生态区之间存在差异.除硅藻生物指数IBD以外, 其余6个生物参数在3个水生态区间均差异显著.运动性硅藻百分比在3个水生态区中逐渐升高, 水生态Ⅲ区的运动性硅藻百分比显著高于水生态Ⅰ区、Ⅱ区.敏感性硅藻百分比、具柄硅藻百分比、特定污染敏感指数IPS、Pielou均匀度指数、硅藻属指数IDG在水生态Ⅰ区均显著高于水生态Ⅱ区、Ⅲ区.上述7个生物参数在3个水生态区的变化趋势与该参数对干扰的响应均是一致的, 说明水生态Ⅲ区受到的干扰程度高于水生态Ⅰ区、Ⅱ区, 水生态Ⅰ区受到的干扰相对较小.
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箱体上方的字母“a”“b”“c”表示K-W非参数检验的组间差异 图 4 浑太河7个生物参数在3个水生态区的分布特征及差异显著性比较 Fig. 4 Characteristics of the seven diatom metrics and a comparison of the significance in the three AEs of the Huntai River |
Pearson相关性分析可知, 不同生物参数在同一水生态区受NH4+-N、TP的影响程度不同, 而同一生物参数在不同的水生态区受NH4+-N、TP的影响程度也是不同的(表 2).对于水生态Ⅰ区, NH4+-N显著影响敏感性硅藻百分比(P < 0.05)、具柄硅藻百分比(P < 0.05)、Pielou均匀度指数(P < 0.01) 的变化, 随着NH4+-N浓度的升高, 敏感性硅藻百分比、具柄硅藻百分比显著下降, 而Pielou均匀度指数显著上升; TP显著影响运动性硅藻百分比的变化(P < 0.05), 运动性硅藻百分比随着TP浓度的升高而显著上升.水生态Ⅱ区中, 运动性硅藻百分比及特定污染敏感指数IPS受NH4+-N、TP浓度的共同影响, 随着NH4+-N、TP浓度的上升, 运动性硅藻百分比与特定污染敏感指数IPS表现出相反的变化, 运动性硅藻百分比显著增加(P < 0.05), 而特定污染敏感指数IPS显著下降(P < 0.01);具柄硅藻百分比仅与NH4+-N显著负相关(P < 0.05);敏感性硅藻百分比与硅藻生物指数IBD仅与TP显著相关, 并随着TP浓度的升高, 敏感性硅藻百分比与硅藻生物指数IBD均显著下降(P < 0.05).对于水生态Ⅲ区, 运动性硅藻百分比及硅藻属指数IDG受TP浓度影响显著(P < 0.05), 随着TP浓度的升高, 运动性硅藻百分比显著上升(P < 0.05), 硅藻属指数IDG显著下降(P < 0.01); Pielou均匀度指数同时受到NH4+-N、TP的影响, 并随着NH4+-N、TP浓度的升高而显著下降(P < 0.05), 值的注意的是, 该指数受NH4+-N浓度的影响在水生态Ⅰ区与Ⅲ区间是相反的, 这可能与水生态Ⅰ区、水生态Ⅲ区的NH4+-N浓度范围不同有关.
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表 2 浑太河3个水生态区NH4+-N、TP浓度与7个生物参数之间的Pearson相关性1) Table 2 Pearson's correlation between the nutrients and diatom metrics in the three AEs of the Huntai River |
2.3 不同水生态区营养盐阈值分析
LOWESS拟合曲线表明浑太河3个水生态区的NH4+-N、TP拐点存在差异(图 5). NH4+-N在水生态Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区的拐点值分别为0.13、0.30、1.98 mg·L-1, 经独立样本T检验可知以上拐点两侧D-IBI值差异性显著(P < 0.05). TP在3个水生态区的拐点分别为0.04、0.06、0.20 mg·L-1, 独立样本T检验结果表明, 上述拐点两侧D-IBI值存在显著性差异(P < 0.05).
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垂直实线对应的横坐标即营养盐因子阈值 图 5 浑太河不同水生态区营养盐因子的LOWESS曲线及阈值 Fig. 5 LOWESS fitting curves and nutrient thresholds for different AEs of the Huntai River |
本研究表明, 浑太河3个水生态区NH4+-N、TP浓度表现为水生态Ⅰ区 < 水生态Ⅱ区 < 水生态Ⅲ区.水生态Ⅰ区以中起伏的山地森林为主, 植被覆盖率较高; 水生态Ⅱ区以低起伏的山地为主, 开发明显且土地利用以农业用地为主; 而水生态Ⅲ区以平原为主, 人口密度较高, 工业污染严重, 城镇化严重.与水生态Ⅰ区、Ⅱ区相比较, 水生态Ⅲ区受到的人类干扰更为严重, 营养盐浓度也较高, 该水生态区的河流属于典型的城镇化河流[35].通过研究重庆两江新区城镇化严重区域与未经历大规模城镇化地区河流水质的差异, Luo等[36]发现城镇化严重区域水体的营养盐浓度显著高于未经历大规模城镇化区域营养盐浓度, 前者的NH4+-N浓度高达后者的10倍, TP浓度是后者的3倍左右, 而且城镇化是导致营养盐浓度显著升高的重要原因.另外, 建筑活动可能会降低土壤的蓄水能力, 大量污废水直接随着地表径流排入河流, 导致水体的营养盐负荷增加[37].
3.2 浑太河不同水生态区营养盐对底栖硅藻的影响运动性硅藻百分比、敏感性硅藻百分比、具柄硅藻百分比、Pielou均匀度指数、特定污染敏感指数IPS、硅藻生物指数IBD、硅藻属指数IDG这7个生物参数较全面地反映了底栖硅藻的群落结构特征, 本研究发现, 随着干扰程度的增大, 敏感性硅藻百分比、具柄硅藻百分比、Pielou均匀度指数、特定污染敏感指数IPS、硅藻生物指数IBD、硅藻属指数IDG均呈现出下降的趋势, 而运动性硅藻百分比显著增大.
运动性硅藻百分比、敏感性硅藻百分比和具柄硅藻百分比均在属的水平上反映了水体中底栖硅藻对污染物和生境扰动性作出的不同响应[38].运动性硅藻百分比反映的是舟形藻属、菱形藻属与双菱藻属的相对丰度, 该指数在水生态Ⅲ区中最大, 说明水生态Ⅲ区受到人类的干扰程度最大, 而且在3个水生态区中该指数均与TP显著正相关, 由此TP是影响运动性硅藻百分比的一个重要因素.具柄硅藻百分比显示了异极藻属、楔形藻属、曲壳藻属的相对丰度状况, 敏感性硅藻百分比是基于底栖硅藻的耐污值(PTI≥3) 计算得出的硅藻相对丰度, 这两个指数越低, 说明该水生态区受人类的干扰越大.特定污染敏感指数IPS、硅藻生物指数IBD、硅藻属指数IDG是在河流健康评价中应用较为广泛的硅藻指数.硅藻生物指数IBD对水体的富营养状况、有机污染物浓度变化状况及水体酸化程度具有较好的指示作用[39]; 硅藻属指数IDG以属水平的底栖硅藻指示河流的水生态健康状况, 该值越高, 水体的受污染程度越轻[40]; 特定污染敏感指数IPS基于底栖硅藻特殊污染敏感种的耐污值[41], 从敏感种的角度指示水体的受污染状况.上述3个指数均在水生态Ⅲ区最低, 说明水生态Ⅲ区水质状况相对较差.
在不同的水生态区中, NH4+-N、TP对底栖硅藻特征指标的影响程度是不同的, 如敏感性硅藻百分比在水生态Ⅰ区仅受到NH4+-N的显著负影响, 在水生态Ⅱ区中仅受TP的显著负影响; 硅藻属指数IDG仅在水生态Ⅲ区受到TP的显著负影响.因此针对不同的水生态区分别建立NH4+-N、TP的生态阈值可以更有效地保护底栖硅藻群落及多样性, 达到保护河流水生态系统健康的目的.
3.3 不同水生态区底栖硅藻的营养盐阈值分析D-IBI在水质生物学评价中应用较为广泛[25, 26], 综合多个生物参数, 系统地反映了底栖硅藻群落对环境变化作出的响应, 通过推导该指数的营养盐阈值可起到预警和保护底栖硅藻群落的作用.本研究以底栖硅藻为研究对象, 利用LOWESS研究D-IBI的NH4+-N、TP阈值, 发现浑太河3个水生态区的生态阈值存在差异, D-IBI在水生态Ⅰ区的NH4+-N、TP阈值远低于水生态Ⅲ区.水生态Ⅰ区、Ⅱ区的TP阈值分别为0.04 mg·L-1、0.06 mg·L-1, 远低于Cao等[13]利用TITAN推导出的滇池浮游植物的TP负响应阈值(131.5 μg·L-1), 而水生态Ⅲ区TP阈值(0.20 mg·L-1)要高于该负响应阈值. Black等[12]通过RF对美国农业流域溪流的多个硅藻指数进行TP阈值计算, 发现TP阈值范围为0.03~0.28mg·L-1, 这与浑太河3个水生态区D-IBI的TP阈值范围(0.04~0.20 mg·L-1)是相似的.有关NH4+-N阈值的研究相对较少, 学者更多地关注于TN阈值的确立[14, 22, 24], 但是NH4+-N作为底栖硅藻最容易吸收的氮素形态[6], 对底栖硅藻的生长繁殖起着更重要的作用, 因此有必要更多地关注于底栖硅藻NH4+-N阈值的制定.本课题组在研究浑河底栖硅藻的NH4+-N阈值时发现(未发表), 该河流的NH4+-N阈值为0.43 mg·L-1, 该值介于本研究的水生态Ⅱ区与水生态Ⅲ区NH4+-N阈值之间, 远高于水生态Ⅰ区.由于浑太河流域底栖硅藻群落具有空间异质性, 采取统一的保护阈值, 不足以起到真正保护底栖硅藻群落的目的, 因此在水生态区内研究营养盐阈值, 可以有针对性地治理和保护河流水生态系统.
4 结论(1) 浑太河3个水生态区间营养盐浓度存在显著差异, 且呈现出水生态Ⅰ区 < 水生态Ⅱ区 < 水生态Ⅲ区的变化趋势.
(2) 底栖硅藻特征指标(运动性硅藻百分比、敏感性硅藻百分比、具柄硅藻百分比、Pielou均匀度指数、特定污染敏感指数IPS、硅藻生物指数IBD、硅藻属指数IDG)均在3个水生态区间存在差异, 运动性硅藻百分比呈现出水生态Ⅰ区 < 水生态Ⅱ区 < 水生态Ⅲ区的变化, 而其余6个生物参数的变化与之相反.
(3) 经LOWESS拟合和独立样本T检验, 发现3个水生态区底栖硅藻的NH4+-N、TP保护阈值不同, 水生态Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区的NH4+-N阈值分别为0.13、0.30、1.98 mg·L-1, TP阈值分别为0.04、0.06、0.20 mg·L-1.
致谢: 本研究在GIS图的绘制中得到了北京林业大学林学院夏会娟博士的指导与帮助, 在此表示感谢！| [1] | Zhang Y, Guo F, Meng W, et al. Water quality assessment and source identification of Daliao river basin using multivariate statistical methods[J]. Environmental Monitoring and Assessment, 2009, 152(1-4): 105-121. DOI:10.1007/s10661-008-0300-z |
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