长江流域浮游植物群落的环境驱动及生态评价_张静.pdf
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1、Eco-EnvironmentalKnowledge Web环 境 科 学Environmental Science第44卷第4期 2023年4月Vol44,No4 Apr,2023长江流域浮游植物群落的环境驱动及生态评价张静,胡愈炘*,胡圣,黄杰(生态环境部长江流域生态环境监督管理局生态环境监测与科学研究中心,武汉430010)摘要:浮游植物常用于水生态健康评价,国内已有大量相关的研究开展,但多数研究涉及范围较为局限 从流域尺度开展浮游植物调查,在长江源区至入海口的干流重点区域、八大一级支流和三峡支流共布设了 139 个样点进行样品采集 在长江流域一共鉴定出浮游植物 7 门 82 属,其中隐
2、藻门、蓝藻门和硅藻门为优势类群 首先对长江流域各区域的浮游植物群落组成进行分析,使用 LEfSe 分析各区域显著富集的物种,然后基于 CCA 探究了长江流域各区域浮游植物群落和环境因子之间的关系在流域尺度上,广义线性模型显示 TN 和 TP 与浮游植物密度显著正相关,TITAN 分析则揭示了环境指示种和它们对应的最适生长阈值范围 最后,分别从水生生物和水质两个方面对长江流域各区域进行评价,尽管两个方面的评价结果不一致,但基于随机森林算法综合所有指标进行评价,能够得到长江流域全面且客观的生态评价结果关键词:长江流域;浮游植物;环境驱动因子;随机森林;生态评价中图分类号:X173文献标识码:A文章
3、编号:0250-3301(2023)04-2072-11DOI:1013227/j hjkx202206095收稿日期:2022-06-08;修订日期:2022-06-22基金项目:国家重点研发计划项目(2021YFC3201002)作者简介:张静(1986 ),女,博士,高级工程师,主要研究方向为流域生态学,E-mail:zhangjinghappy100126 com*通信作者,E-mail:ssshyx163 comEnvironmental Driving Factors and Assessment on the Aquatic Ecosystem of PeriphyticAlga
4、e of Six Inflow ivers in Yangtze iver BasinZHANG Jing,HU Yu-xin*,HU Sheng,HUANG Jie(Yangtze iver Basin Ecological Environment Monitoring and Scientific esearch Center,Yangtze iver Basin Ecological Environment Supervision and Administration Bureau,Ministry of Ecology and Environment,Wuhan 430010,Chin
5、a)Abstract:Phytoplankton is frequently utilized in the assessment of water ecological health,and a great number of related studies have been conducted in China;however,most of them are limited in scope A phytoplankton survey was carried out at the basin scale in this study A total of 139 sampling si
6、tes were set up in crucial locations of themain stream,from the Yangtze ivers source region to the estuary,as well as the eight primary tributaries and the Three Gorgestributaries In the Yangtze iver Basin,phytoplankton was found in seven phyla and 82 taxa,with Cryptophyta,Cyanophyta,and Bacillariop
7、hyta being the dominant species To begin,the composition ofphytoplankton communities in various sections of the Yangtze iver Basin was studied,and LEfSe was utilized to identify highly enriched species in different regions Theassociation between phytoplankton communities and environmental factors in
8、 different sections of the Yangtze iver Basin was then investigated using CCA The generalizedlinear model demonstrated that TN and TP were strongly positively linked with phytoplankton density at the basin scale,whereas TITAN analysis identified the environmentalindicator species and their correspon
9、ding optimal growth threshold range Finally,the study assessed each Yangtze iver Basin egion in terms of biotic and abiotic factorsAlthough the results of the two aspects were incongruent,the analysis of all indicators using the random forest method can yield comprehensive and objective ecologicalev
10、aluation results for each section of the Yangtze iver BasinKey words:Yangtze iver Basin;phytoplankton;environmental drivers;random forest algorithm;ecological evaluation长江流域是我国第一大流域,横跨我国西南、华中和华东三大区,从西到东跨越我国地势的三大阶地1 长江流域具有丰富的河流地貌和复杂的生态系统,是我国横贯东西的黄金水道,珍稀水生生物的天然宝库,在我国经济社会发展和生态环境保护中占有重要的战略地位 随着长江流域经济高速发
11、展以及工业化、城市化和农业现代化进程不断加快,人类活动、气候变化和经济快速发展改变了流域自然水文情势和径流时空分配格局,对流域水生态系统的完整性及其功能产生广泛而深远的影响2,3 为评估长江流域水生态系统状况的变化,目前已大量开展了基于浮游植物与环境因子间的相关性研究 长江源区的浮游植物相关研究显示,影响浮游植物群落的各类因素会直接或间接与海拔相联系,随着海拔的不同,人类活动强度、气候和地理环境等均会产生显著的不同,进而对浮游植物群落组成产生影响;其中人类活动强度是影响源区浮游植物群落的重要环境因子4 在长江干流的研究中,浮游植物群落组成会随着季节和空间的不同产生显著变化,水温、溶解氧、化学需
12、氧量、亚硝酸盐和氨氮均是影响干流浮游植物群落组成的重要环境因子5 在长江入海口近 50 年的数据表明,人类活动和气候变化使得长江口物理化学因素产生变化,例如氮磷浓度和比例的上升、水温的上升和浊度的下降等,以上环境条件的变化对浮游植物群落组成造成深远影响6 尽管在长江流域已经开展了大量的浮游植物相4 期张静等:长江流域浮游植物群落的环境驱动及生态评价关研究,但大多数研究都开展于有限的区域,目前仍然缺乏从整个流域尺度进行大面积的宏观研究 本文在长江流域开展浮游植物调查,研究区域包括了长江干流中的源区(青海省区域)、金沙江(青海省、四川省交界处的玉树州直门达至四川宜宾)、长江上游(四川宜宾至湖北宜昌
13、)和长江中下游(湖北宜昌至上海入海口),长江支流中的八大支流(赣江、汉江、嘉陵江、岷江、乌江、湘江、雅砻江、沅江)和三峡支流(香溪河、童庄河、神农溪、绵竹峡、大宁河、梅溪河、磨刀溪)本研究聚焦流域尺度的浮游植物群落组成、与环境因子的关系和生态评价,以期为流域生态环境管理和水生态健康评价提供参考依据1材料与方法2020 年6 月至2020 年10 月在长江流域进行浮游植物样品采集,共布设了139 个采样点,调查区域涵盖了长江干支流各区域,具体点位布设如图1 所示图 1采样点分布示意Fig 1Location of the sampling sites in the Yangtze iver Ba
14、sin参照文献 7进行浮游植物的样品采集,每个样点使用有机玻璃采水器采集 1.5 L 表层水样,添加 1%的鲁哥氏溶液进行固定 将样品带回实验室沉淀浓缩,定容至 30 mL 将定容样品充分摇晃均匀后,取 0.1 mL 置于浮游生物计数框中,在10 40 显微镜下将藻类鉴定至属,进行定量分析,浮游植物的分类鉴定参考文献 8 12 利用 YSI 多参数水质测量仪(Xylem)现场测量各样点的水温(T)、pH、溶解氧(DO)和电导率(Cond),高锰酸盐指数、氨氮(NH+4-N)、总氮(TN)和总磷(TP)参照文献 13进行测定浮游植物群落 Shannon-Wiener 多样性指数、Pielou 均
15、匀度指数和 Margalef 丰富度指数的计算及其评价标准参照相关文献 14 浮游植物群落的优势度计算参照相关文献,将优势度大于 0.02 的种类视为优势种15 综合水质指数(WQI)选取 T、pH、Cond、DO、TN、TP、高锰酸盐指数和NH+4-N共计 8个水质指标来计算,计算方法及评价标准同文献 16 使用秩和检验比较各区域间浮游植物密度、Shannon-Wiener 多样性指数、Pielou 均匀度指数、Margalef 丰富度指数和 WQI 指数的差异 使用 LEfSe分析各区域间的物种差异(http:/huttenhower sphharvard edu/lefse/),以 LD
16、A 值高于 4 和克鲁斯卡尔-沃利斯检验(Kruskal-Wallis test)P 值小于 0.05为标准鉴别各区域富集的物种 使用 语言的vegan 包17 进 行 典 型 关 联 分 析(canonicalcorrespondence analysis,CCA)和除趋势对应分析(detrended correspondence analysis,DCA)分析浮游植物群落的环境驱动因子,通过 vegan 包中的anosim 函数进行相似性分析(analysis of similarities,ANOSIM)分析不同分组间的显著性差异,通过 语言中的 glm 函数基于广义线性模型分析浮游植物
17、密度与各环境因子间的相关性,使用 语言中的TITAN2 包分析浮游植物的指示物种及其环境因子阈值18 根据 Shannon-Wiener 指数、Pielou 均匀度指数、Margalef 丰富度指数和 WQI 指数这 4 个指标,基于随机森林算法对水生态状况进行评价19 根据相关标准14,20,21,将 Shannon-Wiener、Pielou、Margalef 和WQI 指数分为5 个评价等级,如表1 所示 从中可知各个阈值范围,每个评价等级随机生成 100 组,5 个等级共计 500 组样本,随机选取 350 组作为训练样本,随机选取 150 组作为检验样本构建随机森林模型,然后将本研究
18、得到的结果代入模型,计算各区域的水生态健康状况3702环境科学44 卷表 1长江流域各项指标的评价标准Table 1Parameters considered for ecosystem assessment in Yangtze iver Basin评价等级Shannon-Wiener 指数Pielou 指数Margalef 指数WQI 指数差0000 25较差0 10 0.30 0.625 50一般1 20.3 0.50.6 150 70良好2 30.5 0.81 1.670 90优秀3 +0.8 11.6 390 100(a)不同分组区域 ANOSIM 分析,(b)浮游植物密度,(c)浮
19、游植物群落组成;为 P 0.001,为 P 0.01,*为 P 0.05,NS 为差异不显著图 2长江流域浮游植物密度及其群落组成Fig 2Phytoplankton algae density and composition of different areas in the Yangtze iver Basin2结果与分析2.1长江流域浮游植物群落组成的空间格局在长江流域共监测到浮游植物 7 门 82 属,其中绿藻门 31 属,硅藻门 28 属,蓝藻门 14 属,其他藻类9 属(包括甲藻门、隐藻门、裸藻门、金藻门)将长江流域的浮游植物群落分为长江源区、金沙江、长江上游、长江中下游、八大支流
20、和三峡支流共 6 个分组,使用 ANOSIM 分析分组的差异显著性如图 2(a)所示,结果显示 0 且 P 0.01,说明分组有效且不同分组间的差异显著22 各区域浮游植物细胞密度如图 2(b)所示 长江干流中,长江中下游的浮游植物密度显著高于其他区域,长江源区为干流中密度第二高的区域,长江上游和金沙江间的浮游植物密度不具显著差异 长江支流中,三峡支流的浮游植物密度显著高于八大支流 对比干流和支流,三峡支流与长江中下游的浮游植物密度均显著高于其他区域;八大支流与长江源区的浮游植物密度均显著高于金沙江和长江上游综上所述,长江流域各区域浮游植物密度可以分为三类水平,从高到低为:三峡支流和长江中下游
21、区域、八大支流和长江源区区域、金沙江和长江上游区域各区域浮游植物的群落组成见图 2(c)长江源47024 期张静等:长江流域浮游植物群落的环境驱动及生态评价区、金沙江、长江上游和八大支流的主要优势类群为硅藻;长江中下游和三峡支流的主要优势类群为(a)门、纲、目、科和属这 5 个分类学水平的进化分枝,1:Cyclotella,2:Melosira,3:Coscinodiscaceae,4:Diatoma,5:Synedra,6:Fragillariaceae,7:Gomphonema,8:Gomphonemaceae,9:Cymbella,10:Navicula,11:Naviculaceae,
22、12:Sceaedsmus,13:Scenedesmaceae,14:Pandorina,15:Volvocaceae,16:Cryptomonas,17:Cryptomonadaceae,18:Aphanizomenon,19:Nostocaceae,20:Oscillatoria,21:Oscillatoriaceae,22:ivulaiaceae,23:Pseudoanabaena,24:Pseudanabaenaceae,25:Oscillatoriales,26:Cyanophyceae,27:Hormogonales,28:Cyptomonadales,29:Cryptophyce
23、ae,30:Volvocales,31:Chlorophyceae,32:Chlorococcales,33:Biraphidinales,34:Pennatae,35:Araphidiales,36:Coscinodiscales,37:Centricae;(b)门和属分类学水平的富集物种 LDA 值,1:Pseudoanabaena,2:Cyanophyta,3:Aphanizomenon,4:Chlorophyta,5:Scenedesmus,6:Oscillatoria,7:Bacillariophyta,8:Navicula,9:Diatoma,10:Cymbella,11:Gomp
24、honema,12:Bacillariophyta,13:Cyclotella,14:Cryptomonas,15:Cryptophyta,16:Bacillariophyta,17:Melosira,18:Synedra,19:Bacillariophyta图 3长江流域浮游植物各区域的 LEfSe 分析Fig 3LEfSe method shows the spatial variation in the enriched group of algae蓝藻 其中,长江干流自西向东,硅藻所占比例呈降低趋势,其他藻类(绿藻、蓝藻和隐藻)所占比例呈上升趋势 八大支流和三峡支流的隐藻所占比例均为第
25、二高,是支流中的优势类群基于 LEfSe 分析(图 3),以 LDA 大于 4 为阈值可以发现,长江源区主要富集了硅藻门种类,主要包5702环境科学44 卷括舟形藻(Navicula)、等片藻(Diatoma)、桥弯藻(Cymbella)和异极藻(Gomphonema);金沙江主要富集了硅藻门中的直链藻(Melosira);长江上游主要富集了硅藻门中的小环藻(Cyclotella);长江中下游主要富集了绿藻门和蓝藻门种类,主要包括假鱼腥藻(Pseudoanabaena)、束丝藻(Aphanizomenon)、栅藻(Scenedesmus)和颤藻(Oscillatoria);八大支流主要富集了硅
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