2023, Vol. 44
2. 黑龙江省水生生物多样性研究重点实验室, 哈尔滨 150025
2. Key Laboratory of Biodiversity of Aquatic Organisms, Harbin Normal University, Harbin 150025, China
河流作为淡水生态系统物质循环、能量传递的通道及载体, 具有为有机体提供栖息地、容纳和降解污染物等生态功能[1].受城镇化和工农业等人为活动的干扰, 河流生态系统的初级生产力和生物完整性等面临极大的挑战[2].因此, 河流生态系统健康及功能评价研究逐渐成为解决水体富营养化、生物多样性丧失和完整性破坏等问题的水域生态学研究热点[2~4].由于河流受污染类型和程度不一, 河流生态健康受多种因素叠加影响, 单一生物参数法受限于反映水体受干扰后的敏感程度及范围不同, 不能准确和完全地反映水体健康状况和受干扰的强度[5~8].自20世纪80年代开始, 众多学者对水生态系统健康评价研究转向了包括生物完整性指数(IBI)、生态质量指数(EQI)等多指标评价方法(MMIs).其中, 和单个生物参数相比, 生物完整性指数可以精准、综合、完整地反映河流生态系统健康状态[3, 9, 10], 在河流生态健康评价中应用较为广泛[4, 5].生物完整性指数的概念最先由Karr[11]在1981年提出, 以鱼类作为研究对象而建立.随后基于底栖生物[5, 6, 12, 13]、浮游生物[14]和水生细菌[15]等水生生物类群的生物完整性指数建立, 被广泛应用于溪流、河流和湖泊等多种类型的水体评价.
底栖硅藻广泛分布于世界不同水体中, 其形态特征[16]、种群数量变化[17]和群落演替规律[18]对温度[19, 20]、营养[18]、水文状况条件[17, 18]和人为活动干扰[16, 21]的响应迅速, 被广泛应用于环境监测及评价[7, 16, 22].利用底栖硅藻构建IBI体系(D-IBI)评价河流生态健康已在欧洲[23]、美国[24]和加拿大[25]等国家和地区得到应用并取得较好的效果.然而, 针对受农业活动影响类型河流的底栖硅藻生物完整性指数研究相对匮乏, 已有成果尚不能满足对寒区受农业影响流域生物完整性进行精准评估的需求.
拉林河流域是黑龙江和吉林两省重要粮食基地之一, 流域内农业活动频繁, 对水资源开发及利用量大[26, 27].大规模农业活动和生活污水排放成为威胁流域生物多样性、水体环境保护和水生态系统功能维持的主要因素之一[16, 21, 26].有研究表明, 在受农业活动影响的流域, 硅藻群落组成具有较好的识别作用[28].本文以典型寒区受农业影响流域——拉林河为研究载体, 以底栖硅藻为研究对象, 系统地阐述了受农业影响流域拉林河底栖硅藻时空分布群落结构特征; 构建基于底栖硅藻生物完整性评价体系, 对拉林河流域水生态系统进行健康评价, 以期为受农业活动影响流域的水生态系统生物多样性保护及河流生态系统评价提供基础数据和理论依据.
1 材料与方法 1.1 研究区域概况拉林河是松花江干流一级支流, 同时也是国家重要粮食种植区灌溉水源[29].横跨黑龙江和吉林两省, 全长450 km, 流域面积19 923 km2.流域位于东经125°34′~128°34′、北纬44°00′~45°30′之间.拉林河流域有3座大型水库, 为磨盘山水库、龙凤山水库和亮甲山水库, 主要支流包括牤牛河、细鳞河和卡岔河[29, 30].拉林河流域年均径流量在23亿~62亿m3, 以地表径流为主, 具有春季冰雪消融带来的春汛和夏季暴雨带来的夏汛两个汛期.拉林河两岸是黑龙江省和吉林省水田和旱田的主要种植区, 农业污染问题已受到广泛关注[30].
拉林河流域上游为山区溪流, 森林覆盖率较高, 流域自然生境保存较为完整.该河段河道较窄, 流速较快, 鹅卵石驳岸类型使河段含沙量较低.中游水域河道流经农业区, 主要受水田等非点源污染影响.下游水域河道开阔, 河道底质变为泥沙类型, 浊度上升, 该河段主要受旱田及农牧等农业活动影响.
1.2 采样点设置于2021年4月底对拉林河流域设置了23个采样点, 其中S1~S4和S12~S14采样点分布于上游, S5~S11和S15~S19采样点分布于中游, S19~S23采样点分布于下游; S1~S6位于支流牤牛河, S8~S11位于支流卡岔河, S12~S23位于拉林河干流(图 1).
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图 1 拉林河采样点位置示意 Fig. 1 Location diagram of sampling sites in Lalin River |
在研究区域, 随机选取3个受人为影响较小、抗水流冲刷能力较强的石块作为底栖硅藻的附着基质.从每个石块上用牙刷和吸管等工具刷取面积约为25 cm2的样品, 经纯净水冲洗多次后, 转移至标本瓶中并定容到50 mL, 现场用4%的甲醛固定保存[17].
在实验室对定量样品加入过量的浓硝酸, 于(130±5)℃下加热1~3 h直至样品呈现白色絮状沉淀, 用蒸馏水清洗5~7次使上清pH接近7后, 接着进行离心、弃上清, 沉淀后使用95%的酒精保存, 最后取15 μL用Naphrax胶制成永久封片.每张封片在10×100倍油镜下进行计数, 在计数过程中排除破损面积超过1/4的壳体[17].并依据文献[31~33]对底栖硅藻进行种类的分类和鉴定.
1.4 水体理化性质的测定现场使用YSI Pro Plus手持式多参数水质分析仪(美国维赛公司)对水温(WT)、电导率(Cond.)、溶解氧(DO)和pH进行测定; 使用便携式浊度计(聚创环保, JC-WGZ-1B型)进行浊度(Tur.)的测定.在实验室中, 水样在24 h之内进行高锰酸盐指数、总氮(TN)、总磷(TP)和5 d生化需氧量(BOD5)等理化指标的测定.其中, 高锰酸盐指数、TN、TP和BOD5含量均参照文献[34]进行测定.
1.5 数据分析和处理 1.5.1 多元统计分析与优势种基于KMO和Bartlett球形检验法检验理化变量进行因子分析的可行性; 用主成分分析和方差极大正交旋转提取因子和旋转因子, 保留特征根大于1的主成分因子, 对主成分因子负荷贡献大于70%的理化变量保留作为主要水质参数[23].参照McNaughton对优势度指数(Y)的计算, 将Y≥0.02的种确定为优势种[35].各样点的底栖藻类计算以下群落特征参数：物种丰富度(物种数)、丰度、物种多样性(硅藻Shannon多样性指数)和优势种相对丰度变化.
1.5.2 底栖硅藻生物完整性(D-IBI)评价指标体系(1) 清洁参照点筛选根据实际情况, 利用土地利用、水质状况、栖息地环境质量和人为活动等定位相对清洁的参照点[3, 6, 11].
(2) 候选指标计算从物种丰富度、多样性、种类组成、生态型、密度、敏感性与耐污能力和营养状态这7个方面构建拉林河河流D-IBI评价候选指标体系.具体候选指数如表 1所示.
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表 1 各候选指数和代码 Table 1 Candidate indexes and codes |
(3) 硅藻指数适用性分析对引用的7项硅藻指数(GDI、BDI、SLAD、IDP、DDI、PTI和TDI)与环境因子做Pearson相关性适用性分析.
(4) 候选指标的筛选首先, 进行分布范围分析, 筛选掉分布较散且标准差大的指标; 随干扰增强而数值降低范围过小的指标; 随干扰增强而数值增加范围过大的指标[6, 13].其次, 采用箱线图判别能力分析, 依据参照点和受损点在25%~75%分位数范围内箱体重叠情况(即箱体IQ)进行赋值, 没有重叠, IQ=3; 部分重叠, 但中位数都在对方箱体之外, IQ=2; 仅一个中位数在对方箱体之内, IQ=1; 中位数值都在对方箱体范围之内, IQ=0, 只有IQ≥2的指标判别能力较好, 适合构建D-IBI[36].最后对筛选出的指标进行Spearman相关性分析, 去除相关性较高的指标r>0.75, 避免指标的重复[6, 10, 11].
(5) 指标分值计算及评价标准将最终筛选的指数作为拉林河D-IBI指标体系, 应用比值法计算D-IBI各参数分值, 以参照点D-IBI的25%分位值为健康阈值, 将其4等分为健康、较好、一般、轻度污染和重度污染这5个等级.应用Mann-Whitney U非参数检验和对不同区域D-IBI值进行单因素方差分析(P < 0.05)来对评价结果的准确性进行验证.所有非正态数据进行lg(x+1)处理.因子分析、相关性分析和Mann-Whitney U非参数检验等使用SPSS 20.0完成; 地图绘制使用ArcMap10.2完成; 箱体图绘制使用Origin 2022完成; ANOSIM分析和SIMPER分析使用Primer 5.0完成; RDA分析使用Canoco 5完成.
2 结果与分析 2.1 水环境因子拉林河流域部分水体理化因子空间特征差异显著(图 2).WT(平均值为10℃, 变化范围为6.3~13℃)、Cond.(平均值为135.2 μS·cm-1, 变化范围为42.1~405 μS·cm-1)、ρ(TN)(平均值为0.76mg·L-1, 变化范围为0.45~0.94mg·L-1)、Tur.(平均值为34.6 NTU, 变化范围为4.4~127.9 NTU)上游、中游和下游差异显著, 且呈现逐渐增加的趋势. ρ(TP)(平均值为0.15 mg·L-1, 变化范围为0.02~0.89 mg·L-1)、高锰酸盐指数(平均值为5.45mg·L-1, 变化范围为2.88~10.24mg·L-1)呈现出上游至下游逐渐增加的趋势.pH(平均值为8.28, 变化范围为7.56~9.36)整体呈弱碱性.DO(平均值为13.63mg·L-1, 变化范围为7.21~16.60mg·L-1)中游、上游和下游差异显著, BOD5(平均值为6.34mg·L-1, 变化范围为3.57~7.91mg·L-1)上游和中游差异显著, 呈现出上游至下游降低的趋势.
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*表示P＜0.05, **表示P＜0.01 图 2 拉林河上下游主要水环境因子情况 Fig. 2 Main water environmental factors in the upper and lower reaches of the Lalin River |
根据KMO和Bartlett球形检验, KMO值0.626, Bartlett球形检验显著水平P＜0.05, 可以进行因子分析.主成分分析结果表明, 4个主成分累积解释总方差的83.72%, 特征根均大于1, 前4个成分已反映原始数据所提供的大部分信息.对主成分负荷贡献大于0.75%的5项理化参数(TP、TN、高锰酸盐指数、pH和BOD5)作为主要水质参数.
2.2 底栖硅藻群落结构本次研究期间共鉴定底栖硅藻146种, 隶属于2纲、6目、10科和45属.其中以羽纹纲的种类最多, 共41属(136种), 占总物种丰富度的93.2%; 而中心纲的种类则相对单一, 仅4属(10种), 占总物种丰富度的6.8%.其中, 共鉴定优势种15种, 包括弧形汉氏藻[Hannaea arcus (Ehrenberg) Patrick]、小内丝藻(Encyonema minutum Mann)、极小曲丝藻(Achnanthesidium minutissimum Kützing)、小异极藻(Gomphonema minutum Agardh)、极小冠盘藻[Stephanodiscus minutulus (Kützing) Cleve&J.D. Möller]、肘状肘形藻[Ulnaria ulna (Nitzsch) Ehrenberg]、变异直链藻(Melosira varians Agardh)、簇生舟形藻(Navicula gregaria Donkin)、华丽星杆藻(Asterionella formosa Hassall)、谷皮菱形藻[Nitzschia palea (Kützing) W. Smith]、钝脆杆藻(Fragilaria capucina Desmazières)、上凸舟形藻[Navicula upsaliensis (Grunow) Peragallo]、丹尼卡肘形藻[Ulnaria danica (Kützing) Compere&Bukhtiyarova]和舟形藻(Navicula slesvicensis Grunow).上游优势种主要为弧形汉氏藻、极小曲丝藻和小内丝藻等; 中游优势种主要为肘状肘形藻、钝脆杆藻和变异直链藻等.下游优势种主要为极小冠盘藻、簇生舟形藻和谷皮菱形藻等.
拉林河流域底栖硅藻的物种丰富度呈现出上游多于下游的趋势[图 3(a)].拉林河全流域底栖硅藻丰度均较低[图 3(b)], 底栖硅藻丰度较高的区域位于拉林河的上游及中游, 而丰度较低的区域集中于拉林河下游及支流牤牛河.拉林河流域底栖硅藻群落的多样性呈现出支流略低于干流的趋势[图 3(c)], 其中, 拉林河干流物种多样性呈现上游至下游逐渐降低, 河流交汇处的生物多样性增加的趋势.
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Han_arc: 弧形汉氏藻; Ach_min: 极小曲丝藻; Enc_min: 小内丝藻; Mel_var: 变异直链藻; Ste_min: 极小冠盘藻; Nit_pal: 谷皮菱形藻 图 3 拉林河全流域底栖硅藻群落结构 Fig. 3 Community structure of benthic diatoms in the whole basin of Lalin River |
将人为干扰较少, 水质相对清洁的S1~S4和S12~S15划分为参照点, S5~S11和S16~S22划分为受损点.
2.3.2 硅藻指数的适用性分析GDI、IDP、TDI和DDI与一种或多种水体理化指标存在较强的相关性(图 4), 适用于该地区水质评价, 可以引用它们进行IBI构建.同时GDI、DDI、IDP和TDI这4项硅藻指数的IQ≥2(图 5), 辨别能力较强, 适用于拉林河流域水质评价.
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1.WT, 2.DO, 3.Cond., 4.pH, 5.TP, 6.Tur., 7.高锰酸盐指数, 8.TN, 9.BOD5, 10.TLI, 11.GDI, 12.IDP, 13.BDI, 14.TDI, 15.SLAD, 16.DDI, 17.PTI; *表示P≤0.05 图 4 环境因子与引用硅藻指数相关性分析 Fig. 4 Correlation analysis between environmental factors and reference diatom index |
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C表示清洁样点, P表示受损点 图 5 拉林河流域候选参数在参照点位和受损点位的箱体分布 Fig. 5 Box distribution of candidate parameters at reference sites and damaged sites in Lalin River Basin |
针对分布范围分析筛选出的22个侯选指标, 进一步采用箱线图法进行判别能力分析, 结果如图 5所示, M2、M8、M9、M12、M14、M15、M20、M21和M24这9个指标IQ≥2, 箱体没有重叠或箱体部分重叠, 但中位数都在对方箱体之外, 换言之, 这些生物指标参照点和受损点之间的差异性较为显著, 判别能力较好, 故将其保留至下一步筛选(图 5).
2.3.4 相关性分析对判别力较好的9个生物指数进行Spearman相关分析, M9与M12、M14、M15、M20和M24存在显著或极显著相关关系, M21和M2存在极显著相关关系, 去除相关性较高的候选指数, 最终筛选出M2、M8、M12、M14、M15、M20和M24作为构建拉林河流域生物完整性的核心指数.
2.3.5 D-IBI评价指标体系的建立及生态健康评价采用表 2的公式计算核心指标分值, D-IBI得分越高, 表示生态健康水平越高.选用参照点25%分位数作为健康阈值, 拉林河D-IBI健康评价标准如表 3所示.
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表 2 核心指标分值计算公式 Table 2 Calculation formula of core index score |
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表 3 拉林河D-IBI健康评价标准 Table 3 D-IBI health assessment criteria of Lalin River |
利用D-IBI对23个采样点的水质进行综合评价, 结果显示(图 6)：在整个调查流域共有7个样点生态健康状况为健康, 有3个样点健康状况为较好, 5个采样点健康状况为一般, 4个采样点健康状况为轻度污染, 4个采样点健康状况为重度污染, D-IBI范围在2.73~6.43之间, 平均值为4.25, 健康状况为一般.从空间上看, 上游至下游生态健康状况呈现逐渐变差的趋势(图 6).其中, 上游山区溪流(S1~S4和S12~S15)健康状况为健康.中游水田区域(S5~S11、S16~S19)健康状况由较好转变为轻度污染, 下游旱田区域(S20~S23)健康状况为轻度污染至重度污染状态.
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图 6 各采样点生物完整性健康评价 Fig. 6 Biological integrity health assessment of each sampling site |
底栖硅藻的分布格局和结构特征可以对水域环境状态进行有效指示[37], 一方面水域环境特征的变化会限制底栖硅藻的群落分布, 另一方面某些藻类对污染物所引起的环境变化具有一定耐受能力, 其他藻类消失或大量减少后, 耐受种类能够占据消失物种生态位, 而成为优势种群[16].底栖硅藻群落结构会受人为活动[16, 21]、升温[19, 20]和降雨[17, 18]等外界因素的影响而呈现出时空差异性.在本研究中, 由于上游到下游农业种植类型的差异(图 7), 底栖硅藻优势种呈现出由敏感的清洁种占优势向耐污种转变的趋势, 上游的弧形汉氏藻(寡污带指示种)、极小曲丝藻(清洁状态指示种)和小内丝藻等优势种在中下游逐渐被极小冠盘藻、谷皮菱形藻、变异直链藻(富营养指示种)和簇生舟形藻(污染耐受种)等优势种取代(图 3).RDA结果表明, 拉林河底栖硅藻分布受水体TP、TN和BOD5影响较大(图 7).农业活动带来的营养物浓度变化是影响各样区硅藻优势种群差异的重要因素之一[16].一方面, 在上游山区溪流, 岸边基本为森林覆盖, 大量的林地通过过滤、吸收等作用将地表径流中的营养物截留, 此处人口密度低, 受人为干扰较少, 水质相对较好[38, 39], 清洁种类大量繁殖.另一方面, 在中下游河段, 受农业活动、村镇生活污水排放等因素影响, 土壤中残留的化肥农药等污染物和无机盐被地表径流裹挟进入河道, 从而引起河流水体质量改变, 对原有水生态系统造成了重要影响[2].此外, 拉林河流域农业区引水灌田和水田广布使得水体滞留时间较长, 促进了可溶性物质(有机物和其他营养物)的富集和积蓄作用[26, 30].原有清洁种类生态位被极小冠盘藻、谷皮菱形藻等耐污种和富营养化指示种所占据, 这和其他学者研究结论大体相同[28, 40], 进一步说明农业活动等人为因素对河流的影响会间接导致底栖硅藻群落结构改变.本研究中优势种群的空间变化格局反映了拉林河流域硅藻群落对水质环境差异和不同人类活动类型的适应性[7, 21], 进一步验证了底栖硅藻对不同农业活动类型的指示意义.
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Han_arc: 弧形汉氏藻; Ach_min: 极小曲丝藻; Enc_min: 小内丝藻; Mel_var: 变异直链藻; Ste_min: 极小冠盘藻; Nit_pal: 谷皮菱形藻; Gom_min: 小异极藻; Uln_uln: 肘状肘形藻; Nav_gre: 簇生舟形藻; Ast_for: 华丽星杆藻; Nit_pal: 谷皮菱形藻; Fra_cap: 钝脆杆藻; Nav_ups: 上凸舟形藻; Uln_dan: 丹尼卡肘形藻; Nav_sle: 舟形藻 图 7 各样点底栖硅藻优势种和环境变量的RDA分析 Fig. 7 RDA analysis of benthic diatom dominant species and environmental variables at different sites |
SIMPER分析表明, 小内丝藻、弧形汉氏藻、极小冠盘藻、舟形藻(Navicula slesvicensis Grunow)、极小曲丝藻、小异极藻、肘状肘形藻、华丽星杆藻和谷皮菱形藻是拉林河流域农业区样点和非农业区样点底栖硅藻群落差异的主要贡献种类.弧形汉氏藻、极小曲丝藻和华丽星杆藻为清洁和寡污指示种类, 对水体污染较为敏感, 在受水体污染后会逐渐消失[38].本研究中, 弧形汉氏藻、极小曲丝藻和华丽星杆藻在中下游农业活动区域丰度大量减少(图 3).极小冠盘藻、谷皮菱形藻、肘状肘形藻和变异直链藻为污染耐受种, 常出现在富营养水体中[7, 16, 37].本研究中, 谷皮菱形藻和变异直链藻与TN呈显著正相关(P < 0.01), 并在S11、S19和S23等TN含量较高的样点占据一定优势.极小冠盘藻易于高磷环境下分布并形成一定优势地位, 常作为富营养化的指示物种[41].本研究中极小冠盘藻和TP呈显著相关性(P < 0.01), 并在S9、S10、S20和S21等水体开阔、流速较缓的样点大量繁殖并占据优势地位.邢爽[42]和赵杨[43]在2017~2019年对拉林河底栖硅藻研究中, 小内丝藻、变异直链藻和小型异极藻两年间始终占据优势地位.Lu等[28]在2020年对拉林河研究中, 发现硅藻的种类组成能够区分拉林河营养特征, 优势种群在农业活动区域和非农业活动区域具有显著差异.以上研究表明, 受农业活动影响的拉林河流域底栖硅藻群落结构在年际间具有一定的稳定性且能够表征农业活动产生的影响.
3.2 IBI的建立IBI的建立应使其能够有效地描述物种组成和生态结构, 并对气候变化和人类活动做出可预测的反应[10, 11].参照点的选择是构建D-IBI体系的关键性因素, 是评估河流健康受损程度的基准, 对最终的评价结果有着重要的影响[6, 10].本研究中选取参照点综合了土地利用、水质状况、栖息地环境质量和人为活动这4个方面, 涵盖了森林覆盖率较高、人口密度低、自然生境保存较为完整的上游, 和受农业活动影响的中下游区域具有较好的对照效果.针对拉林河流域建立的D-IBI体系包括25个指标, 这些指标合理地描述了拉林河流域的底栖硅藻群落, 并和不同程度的人为干扰(如富营养化和物理栖息地改变)相对应.拉林河中下游主要受农业活动影响, 且有研究发现该地区底栖硅藻群落结构在年际和不同季节间都存在着较好的稳定性[42, 43].因此, 基于底栖硅藻的IBI分析对研究流域农业活动所带来的影响进行评价具有较高的可行性.此外, 多指标的评价体系有利于评估采样点的整体生态健康状况, 河流受干扰后也能够深入了解发生干扰的原因.
经Spearman相关分析得到TDI、DDI、属数目、菱形藻占比、极小曲丝藻占比、具柄硅藻占比和DQ作为构建IBI的核心指数.TDI作为欧洲和其他大部分利用硅藻监测的国家和地区最受欢迎的指标之一, 对溪流和河流磷污染具有较好的指示作用, 并和有机污染具有很好的相关性[44, 45].TDI能解决目前普遍采用大型底栖动物监测河流富营养化的缺陷[46], 利用其评价水质具有较高的可靠性.本研究中, TDI与高锰酸盐指数、TN和BOD5等主要环境因子之间存在显著或极显著的相关关系(图 4), 且受损点和参照点之间IQ≥2(图 5), 能够较好地指示水体营养, 辨别出受人类活动影响的水体营养化状态.此外, TDI在距离拉林河流域较近和气候条件相似的浑太河流域也得到较好的应用[47].DDI在评估水体pH、电导率、生物需氧量、氨、硝酸盐和磷酸盐方面具有较好的效果[48].本研究中, DDI和TN具有极显著的相关关系, 能够较好地指示由于农业活动所带来的N污染负荷, 且与桥弯藻占比、GDI和IDP具有极显著相关关系.利用DDI参与水质评估和IBI建立, 可信度较高.硅藻物种丰富度(DSpR)能够表征小河流水体的受损伤程度, 常用作环境评估的指标[49].本研究中, 表征DSpR的属数目受损点和参照点之间IQ≥2, 判别能力较强.具柄硅藻对附着基质上的营养吸收效率较低, 是低有机质和营养水平的有效指标[50].菱形藻的运动性使其能够在水环境中找到获取营养的最佳位置, 多生长于富营养水域, 常用作河流水质监测的重要指标[51].此外, 菱形藻生长和运动状态能对农药等毒性物质进行规避, 较好地反映化学因素对水体的污染程度[16, 45, 52].极小曲丝藻作为拉林河流域森林用地优势种, RDA结果显示其与TN和TP间呈显著负相关关系(P < 0.01), 说明其具有对水体污染较高的敏感度和较高的判别能力.DQ反映了水体营养化水平和受污染状况[53].
3.3 拉林河水生态健康评价IBI揭示了区域物种组成、多样性和功能组织, 具备反映综合的生境条件下的生物群落的能力[10].本研究期间, 拉林河流域生态健康状况总体为一般.具体而言, 牤牛河、拉林河主体上游为山区溪流, 森林覆盖率较高, 流域自然生境较为完整, 水体处于健康状态.流域生态学相关研究表明[54], 流域内陆地系统的土地利用状况会对河流产生深远的影响.土地利用率较高且主要受水田影响的中游河流健康处于较好至轻度污染状态, 说明农业活动在一定程度上影响了河流的生态健康状况.由于大面积的旱田和放牧等农业活动影响, 下游河流生态健康状况为轻度污染至重度污染状态.大规模灌溉和两岸放牧会对拉林河流域水质造成影响, 降雨径流冲刷农田和放牧区后, 携带了大量的化肥、农药残留物质和动物粪便, 对拉林河水质造成集中污染[26].有研究表明, 拉林河水资源开发利用现状已经影响到河道内最小生态环境用水需求[27].根据中度干扰假说[51, 55], 下游干扰频度和强度已超过中度干扰, 底栖硅藻多样性降低(图 3), 能自由移动的运动类群(谷皮菱形藻、簇生舟形藻等)因有效适应高强度压力环境, 在下游成为优势种群.IBI评价结果显示下游的河流健康状况更差.因此, 对于拉林河水资源的利用和开发应在河流可承受范围内进行, 以保证河流生态系统的稳定.
本研究中, 受影响的样点生态状况从较好下降到重度污染, 其中, 大规模灌溉和放牧对于水生生态系统的总体影响较严重.农业灌溉发展应充分考虑水资源承载能力, 以维持河流生态系统健康, 但肥料的用量、单位面积的取水量和放牧量以及缓冲带的设置等尚不清楚, 但后续可以使用D-IBI来验证水资源利用改革举措的有效性, 为保护淡水生态系统功能提供帮助.
4 结论(1) 拉林河流域共计采集底栖硅藻146种, 隶属于2纲、6目、10科和45属.其中羽纹纲136种, 占总种类数的93.2%; 中心纲10种, 占总种类数的6.8%.底栖硅藻的群落结构具有明显的空间异质性, 表现为物种数和丰度上游多于下游的趋势.
(2) 对候选生物指数进行判别能力分析和Spearman相关分析最终确定属数目、菱形藻占比、极小曲丝藻占比、具柄硅藻占比、DQ、DDI和TDI适用于拉林河流域生物学评价, 经统一量纲处理后构建D-IBI.
(3) D-IBI表明农业活动会对底栖硅藻群落结构和生物完整性造成一定影响, 随着农业活动和人类影响的增加, 会给河流生态系统健康造成一定压力.
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