珠江三角洲水系包括西江、北江思贤滘以下和东江石龙以下河网, 最后分别经由虎门、蕉门、洪奇沥、横门、磨刀门、鸡啼门、虎跳门和崖门8个入海口流入南海。近年来, 珠三角水域的水质不断恶化, 《珠江片水资源公报2011》显示, 珠三角地区近1/4河段水质为劣Ⅴ类。自20世纪80年代初由珠江水产研究所牵头对珠江水系渔业生态环境和水生生物资源进行过系统调查^[1]之后, 有关该水域水生生物组成及动态变化的报道并不多见。裸藻门(Euglenophyta)是浮游植物群落中较低等的一个类群, 除胶柄藻属外, 都是无细胞壁, 有鞭毛, 能自由游动的单细胞植物^[2]。裸藻门中以裸藻科的种类最繁多, 也最常见, 其中尤以裸藻属(Euglena)、扁裸藻属(Phacus)和囊裸藻属(Trachelomonas)的物种组成最丰富。虽然至今尚未发现有毒的裸藻类水华, 但是由于某些种类具有嗜污性和嗜酸性特征, 因此具有一定的环境指示作用^[2]。裸藻属的多数物种具有明显的“裸藻状蠕动”特征, 因此成为水环境污染指示研究的理想材料^[2]。其中, 纤细裸藻(Euglena gracilis)在国内外水污染指示研究和毒理试验中已经得到了广泛应用^[3-5]。然而, 截至目前有关自然水体中裸藻多样性特征的报道不多, 一般仅在浮游植物群落调查研究中有所提及；少数针对性研究报道也偏重分类学研究^[6-7]。

在浮游植物多样性模式研究方面, Irigoien等^[8]提出了全球海洋浮游植物多样性的单峰模式, 作者在此基础上开展了延伸性研究, 发现浮游植物多样性模式具有明显的区域特征和分级特征^[9-12]。本研究旨在了解珠三角河网水域裸藻的多样性特征, 并分析其与环境因子的关联性, 同时探讨生物多样性模式, 为珠江中下游水域生物多样性保护及生态环境评价工作积累科学数据资料。

1 材料与方法 1.1 调查站位和时间

本次调查在珠三角河网水域布设了13个采样站位, 形成伞状布局, 基本覆盖了整个河网水域, 站位布设图及站位分布特征描述见作者已发表的论文^[12]。调查时间分别为2012年的3月、5月、8月和12月, 其中3月和12月代表枯水季节, 5月和8月代表丰水季节, 每个季度的调查均在2—3d内完成整个河网水域的采样工作。

1.2 浮游植物样本采集、处理及数据收集

浮游植物采样取表层水(水面下0.5 m)1 L装入聚乙烯瓶中, 立即用鲁格氏液固定, 使其最终浓度为15‰。水样运回实验室后, 立即移入标记刻度1000 mL玻璃量筒内, 加盖静置24 h后, 用管口包裹筛绢的虹吸管或吸管小心吸去上清液。如此反复多次, 直至将水样浓缩至30—100 mL。分析时取均匀样品1 mL注入Sedgewick-Rafte浮游植物计数框中, 在Nikon TS100倒置显微镜下进行浮游植物的种类鉴定和计数。本文重点引用裸藻门的数据资料, 鉴定过程参见文献^[2]。

物种生物量的计算方法参照Hillebrand等^[13], 通过体积法计算取几何近似值, 分析过程中将生物量在总种群中所占百分比大于5%的物种定义为优势种。

1.3 水化学样本采集、处理及理化环境数据收集

现场环境因子包括水温、盐度、pH、溶解氧、电导率、总固体浓度和氧化还原电位, 使用便携式水质分析仪(YSI6600-02, USA)测定, 透明度数值用透明度盘测定。另取500 mL水样, 现场过滤后置入带冰块的冷藏箱中运回实验室, 用水质流动注射分析仪(SKALAR, 荷兰)对营养盐成分包括磷酸盐、总磷、硝态氮、亚硝态氮、氨氮、总氮、高锰酸盐指数和硅酸盐进行分析, 记录数据。

1.4 数据处理与分析

各季节和调查站位的裸藻种类丰富度数据采用种类数总和, 生物量数据采用平均值。裸藻种类丰富度与生物量进行相关分析时, 生物量数据取对数值。

裸藻的时空分布特征及多样性模式的结果图均用Origin 8.5软件完成；基于裸藻物种多样性特征对调查站位进行的自组织影射图谱(Self-organizing Map, SOM)分析, 用Matlab软件和Ann数据包完成；而裸藻门不同类群的种类丰富度和生物量与环境因子之间关系分析用Canoco 4.5软件完成, 并得到主成分分析(Principle Component Analysis, PCA)的二维降序图。

2 结果 2.1 物种组成

调查期间共采集样本52个, 其中49个样本检出存在裸藻门物种, 检出率为94.23%。共鉴定裸藻12属84种, 占浮游植物总种类数的21.9%。裸藻属是调查水域裸藻门的最重要组成类群, 其种类数达29种, 占裸藻门总种类数的34.12%；生物量均值为383.49 × 10^-4 mg/L, 占裸藻门生物量均值的63.29%；此外, 裸藻属的出现率高达80.77%, 以上特征数据均远高于其他属。扁裸藻属和囊裸藻属的种类数和出现率均较为接近, 分别位居第二和第三位, 但是生物量差异很大, 扁裸藻属的生物量均值高出囊裸藻属2倍。陀螺藻属和鳞孔藻属的特征数据均较为接近, 分别位居第四和第五位。其他7个属均只鉴定1个物种, 且出现率均低于10%(表 1)。

2.2 裸藻门与浮游植物总种群的关系

将裸藻门种类丰富度与对应的浮游植物总种类丰富度进行二项式拟合分析, 发现两者存在极显著(P＜0.0001, r²=0.5201)关联性, 近乎单峰函数, 且集中于上升区(图 1)；将裸藻门生物量的对数值与对应的总种群生物量的对数值进行线性回归分析, 发现两者存在极显著意义(P＜0.0001, r=0.6326)的正相关关系(图 1)。

2.3 调查站位在裸藻门物种组成上的相似性

基于裸藻门不同属的物种组成特征的相似性, 采用自组织图谱法(SOM)分析不同季节调查站位在SOM图谱上的聚类和分布格局。根据Vesanto^[14]提出的方法确定本文中自组织图谱的输出层由81个神经元组成, 即9 × 9个六角晶格。每个季节的13个站位在SOM图谱上的分布情况见图 2。结果显示, 枯水季节(3月和12月)站位间的聚合性优于丰水季节(5月和8月), 说明枯水季节站位间的相似性较高, 在相似性最高的3月份仅5个站位未与其他站位发生聚类, 而在相似性最低的8月仅有2个站位发生聚类。具体到不同调查站位, 莲花山与其他站位在裸藻组成上差异明显, 4个季节均未与其他站位发生聚类；某些站位的聚类呈现明显的季节特征, 如珠江桥、陈村、小塘、新围、外海和左滩仅在枯水季节与其他站位发生聚类；也有个别站位如横沥, 仅在丰水季节与其他站位发生聚类。其他调查站位在裸藻门不同属的物种组成相似性上未呈现明显规律(图 2)。

2.4 裸藻门总种类丰富度与平均生物量的时空特征

调查期间, 裸藻门总种类丰富度呈现丰水季节明显高于枯水季节的特征。总种类数的最大值出现在5月份, 为44种, 其次为8月份的30种；最小值为3月份的25种, 12月份的种类数也仅为26种。具体到不同调查站位种类数的季节特征, 河网外侧站位的季节变动模式与裸藻门总种类数的季节特征一致, 亦为丰水期高于枯水期；而河网中部站位除小塘和北滘外, 其他站位季节间差异很小, 特征不显著(图 3)。

裸藻门总种类丰富度的空间特征显示, 河网中部站位的种类丰富度一般低于河网外侧站位, 但也发现个别中部站位的种类丰富度较高, 如北滘的总种类数达23种。总种类数的最大值出现在珠江桥, 为31种；次高值出现在市桥, 为28种；最低值出现在小榄, 为4种；次低值出现在榄核, 为7种。具体到不同季节裸藻门种类丰富度的空间格局, 丰水季节的空间格局与总种类丰富度的空间特征一致；而枯水季节的空间格局主要表现为邻近广州各站位的种类数明显偏高, 其他站位差异很小, 特征不显著(图 3)。

裸藻门生物量总均值的季节特征显示, 丰水季节的生物量均值明显高于枯水季节。生物量总均值的最大值出现在8月, 为0.142 mg/L, 其次为5月份的0.056 mg/L；最低值出现在3月, 为0.019 mg/L, 次低值为12月的0.026 mg/L。具体站位特征为河网外侧站位的季节变动模式与裸藻门总均值的季节特征一致, 为丰水期高于枯水期；而河网中部站位除小塘和北滘外, 其他站位的季节间差异很小, 特征不明显(图 3)。

裸藻门生物量总均值的空间特征显示, 河网中部站位的生物量一般低于河网外侧站位, 仅个别中部站位的生物量较高, 如北滘的生物量均值为0.136 mg/L, 为次高值。最大值出现在珠江桥, 为0.392 mg/L, 最小值出现在小榄, 为0.004 mg/L, 次低值为榄核的0.009 mg/L。丰水季节的空间格局与生物量总均值的空间特征一致, 而枯水季节表现为邻近广州各站位的生物量明显偏高, 其他站位的季节间差异很小, 特征不明显(图 3)。

2.5 裸藻门各属的相对组成的时空特征

由图 4可知, 裸藻门各属种类丰富度的相对组成具有明显的时空分布特征。季节特征显示, 枯水季节的种类组成相对单一, 其中, 3月份的种类组成以裸藻属和囊裸藻属为主, 而同为枯水季节的12月份的种类组成以裸藻属和扁裸藻属为主；丰水季节的种类组成较为丰富, 尤其是5月份, 其他各属的组成更加丰富, 除小榄为单一属组成外, 其他站位均多于2个属, 且大多数站位多于3个属。尽管5月和8月的种类均以裸藻属为最主要类群, 但是8月份裸藻属的相对优势更加明显, 其他属的比例较低(图 4)。

从空间格局角度看, 不同季节的空间格局差异较大, 且并未呈现明显的规律性。但是我们可以发现, 枯水季节裸藻属在站位间的分布波动明显较大, 且呈现不连续特征, 而丰水季节裸藻属的空间分布相对稳定, 5月份一般不低于40%, 8月份基本不低于70%；囊裸藻属和扁裸藻属的空间格局分别在3月和12月与裸藻属呈现互补特征, 尽管此二属在丰水季节各站位的相对组成中百分比明显下降, 但仍优于除裸藻属之外其他各属, 只是在站位间分布的连续性不强。其他各属在枯水季节少有出现, 在丰水季节的空间分布也未呈现明显的规律。此外, 小榄在各季节均由单一属组成, 由此明显区别于其他站位(图 4)。

裸藻门各属生物量的相对组成的时空特征与种类丰富度基本一致, 两者仅在各季节的个别站位(例如3月横沥, 5月小塘, 8月北滘及12月市桥)存在小的差异。枯水季节由于类群组成少, 生物量与种类丰富度的时空分布差异小于丰水季节。丰水季节生物量与种类丰富度存在的差异也主要集中在类群组成丰富的站位(图 5)。

2.6 裸藻门及主要属的多样性模式

将裸藻门、裸藻属、囊裸藻属和扁裸藻属的生物量取对数值后与对应的种类丰富度进行线性拟合分析, 结果表明裸藻门及各属的生物量与种类丰富度均存在紧密的关联。其中, 裸藻门和裸藻属的多样性拟合关系接近直线, 呈极显著意义(P＜0.0001, r²＞0.75)的正相关关系；而囊裸藻属和扁裸藻属拟合的指数曲线表明这两个属的多样性模式未呈现单一的线性正相关关系, 且两者存在相反的变动趋势(图 6)。

2.7 相关分析

用Canoco软件对裸藻门及各属的种类数和生物量数据分别进行去趋势对应分析(Detrended Correspondence Analysis, DCA), 在所得的各特征值部分发现4个排序轴中梯度最大值均小于3, 因此数据分析选用线性模型中的间接梯度分析PCA模型, 分别获得裸藻门及各属种类丰富度和生物量与16种水环境因子的PCA二维降序图(图 7)。

裸藻种类丰富度的分析图中, 第一、第二排序轴间的相关系数为0, 表明这两个轴所包含的信息是独立的；排序轴1和2的特征值分别为0.626和0.157, 分别包含了所有变量的62.6%和15.7%的信息, 共计含有16种水环境因子的78.3%的信息, 所以可以用PCA二维降序图研究种类丰富度与16种环境因子间的相互关系。裸藻种类丰富度与环境因子第一个排序轴的相关系数为0.73；与环境因子第二个排序轴的相关系数为0.78, 这表明PCA分析结果可以较好地解释裸藻种类丰富度与环境因子之间的关系(图 7)。裸藻类群间的关系显示, 裸藻门与裸藻属的关系密切, 鳞孔藻属和其他属关系密切。与环境因子的关系显示, 水温、氨氮、溶解氧和透明度的变化与裸藻各类群种类数的增减关系最大, 其中水温和氨氮与各类群均呈正相关, 溶解氧和透明度与各类群呈负相关。此外, 除硝态氮以外的营养盐均与各类群种类丰富度呈正相关, 而硝态氮和透明度与各类群呈负相关。

裸藻生物量的分析图中, 排序轴1和2的特征值分别为0.969和0.021, 分别包含了所有变量的96.9%和2.1%的信息, 共计含有16种水环境因子的99.0%的信息, 所以可以用PCA二维降序图研究各类群生物量与16种环境因子间的相互关系。裸藻生物量与环境因子第一个排序轴的相关系数为0.78；与环境因子第二个排序轴的相关系数为0.87, 这表明PCA分析结果可以较好地解释裸藻各类群生物量与环境因子之间的关系(图 7)。裸藻类群间的关系显示, 裸藻门、裸藻属和扁裸藻属的关系密切, 鳞孔藻属、陀螺藻属和其他属的关系密切。与环境因子的关系显示, 氨氮、高锰酸盐指数、水温、硝态氮和溶解氧的变化与裸藻各类群生物量的增减关系最大, 其中氨氮、高锰酸盐指数和水温与各类群均呈正相关, 硝态氮和溶解氧与各类群呈负相关。

3 讨论

研究结果显示, 珠三角河网水域裸藻的出现率高, 种类多样性丰富, 且与浮游植物总种群的关联性高(图 1), 因而是研究水域浮游植物群落中的一个重要类群。与国际上其他江河的研究结果相比, 本研究水域裸藻的种类多样性及其百分比均明显偏高(表 2)。分析原因在于：其一, 河网水源来自西江、北江和东江, 调查结果实际上包含了珠江干流、支流、沿江水库、洼地及水田等不同水体中的裸藻物种；其二, 流域中的陆源污染物也汇集到河网水域, 导致水体富营养化程度高, 营养盐含量丰富, 是不同藻类生长的营养支撑条件, 从而保障了较高的藻类物种多样性。尤其是裸藻偏好污染水体^{[19, 28]}, 因而研究水域的富营养化有助于裸藻多样性的提升。Duangjan等^[29]在泰国农用池塘中发现囊裸藻49种, Alves-da-Silva等^[7]在巴西一个人工湖泊中也发现囊裸藻20种, 对比我们的结果, 反映出静止水体中的裸藻多样性高于流动水体。研究人员发现, 裸藻易在水库等静水水体形成优势种^[30], 而在流动水体中较少形成优势, 也说明了这一点。而裸藻在静水水体中的多样性和优势丰度也为流动水体中的补充供给提供了前提保障。此外, 裸藻在浮游植物群落中的贡献及两者间的紧密关系表明, 该类群在一定程度上可以反映浮游植物群落的动态变化。

作者的前期研究^[31]发现, 裸藻和绿藻的种群动态变化存在紧密联系。分析原因在于, 裸藻和绿藻在江河水体中的组成和丰度均主要依赖于从沿江相对静止水体中的外源汇入, 在丰水期尤为显著^[32-33]。尽管如此, 与该水域绿藻门中栅藻属物种的空间分布特征^[12]相比, 裸藻在站位间分布的相似性明显偏低, 丰水期甚至极少发生站位间的相似性聚合(图 2)。这种差异的原因在于, 栅藻在调查水域的分布主要依赖于被动的漂流, 其物种分布完全依赖于水流作用；而裸藻长有鞭毛, 除了水动力因素外, 其自身具备游泳能力, 这也是影响裸藻在表层水体中分布的重要因素, 进而影响到其空间分布上的相似性。

裸藻门及其主要藻属的生物量与种类丰富度基本呈线性正相关关系(图 6), 两者的时空特征也非常相似(图 3—图 5)。这似乎暗示出, 裸藻在调查水域的现存量主要依赖于外源汇入, 在江河水体中的自主生长并不显著。仅从西江沿线的研究结果来看, 肇庆江段发现裸藻31种^[34], 与青岐站位的27种比较接近。但是, 两个江段的裸藻生物量差异显著, 青岐的年均值(0.052 mg/L)是肇庆段年均值(0.003 mg/L)的17倍, 说明裸藻群体随水流下行过程中存在明显的增长过程。至于西江沿线青岐以下的3个站位(左滩、外海、新围)的种类丰富度和生物量均明显低于青岐, 很可能是由于江河分流的原因造成的, 因为这3个站位的值比较接近。

季节特征显示, 生物量和种类丰富度均呈现丰水季节高于枯水季节, 这主要是由于丰水季节水位上涨, 流域中的静水水体(如水库、浅滩、水洼等)中的裸藻被动地涌入干流, 最终汇入河网水域的原因^[31]。Montesanto等^[16]在希腊Mediterranean江的研究表明, 上游水库发生溢水时, 下游裸藻的浓度有所增加, 这同时也反映了泄洪所带来的有机物的供给作用。此外, 丰水期对应的高温也是裸藻生长的有利条件, PCA结果也显示, 水温与裸藻的种类丰富度和生物量均存在正相关关系。空间特征显示, 丰水期河网外侧站位的生物量和种类丰富度高于中部站位, 主要是由于外侧站位受径流影响较大, 裸藻物种和现存量的补充明显高于相对闭塞的河网中部站位的原因, 因此外侧站位的季节变动模式亦表现为丰水季大于枯水季。与丰水期不同, 枯水季节除广州附近站位的值明显偏高外, 其他站位间差异不大。一是由于枯水期径流对物种的补充效应明显减弱, 外加低温的不利影响, 导致河网大部分站位的值明显偏低；其二营养盐的空间格局也是主要决定因素, PCA分析结果也印证了这一点。广州邻近站位除营养盐含量明显偏高有利于裸藻生长外, 由于位于虎门水道一侧, 既使在枯水期也会受到较强的水流和潮汐涌动的影响, 保证了裸藻的外源供给。调查期间, 河网中部站位小榄均由单一藻属组成(图 4—图 5), 分析发现此站位的氮磷营养盐含量明显低于其他站位。O′Farrell等^[35]在阿根廷的Luján江的研究发现, 裸藻的空间分布与有机污染物浓度密切相关。Wu等^[36]在德国Kielstau江流域的研究也发现, 裸藻对氮浓度的变化反应敏感。此外, 河网中部个别站位(北滘)的值明显偏高, 有可能是周边水体对裸藻组成和丰度有额外供给, 或是局部水域的偶然性污染导致多样性和生物量均明显偏高, 这一点在栅藻的空间分布特征^[12]方面也得到印证。

裸藻门不同藻属的相对组成结果显示, 裸藻属是裸藻门的最主要类群, 囊裸藻属和扁裸藻属次之, 这与国际上其他江河的相对组成结果比较一致(表 2)。PCA分析结果也表明, 裸藻属与裸藻门的关系最紧密, 在一定程度上可以反映裸藻门的变动(图 7)。裸藻属在丰水期的优势程度更明显, 在枯水期的不稳定性较高, 表现为与其他属形成互补优势, 这与Wu等^[36]在德国Kielstau江的研究结果一致。与裸藻属相比, 囊裸藻属和扁裸藻属的藻种属于生长缓慢的K-选择策略型, 富集营养物质的能力一般^[22], 因此不利于其与裸藻属的竞争。囊裸藻属和扁裸藻属主要在枯水季节呈现出明显优势, 且分别在3月和12月与裸藻属形成互补优势。其中一个重要原因在于, 囊裸藻属主要营底栖生活^[37-38], 12月份的透明度明显偏高(均值为57.7 cm), 不利于其悬浮在表层水体中。尽管扁裸藻属物种多为普生性种, 其主要受到裸藻属和囊裸藻属的竞争影响, 仅在3月份呈现一定的优势。

裸藻门及主要属的生物量与种类丰富度基本呈线性正相关关系, 应该偏重于Irigoien等^[8]提出的单峰模式的上升区, 这也丰富了淡水水域藻类多样性模式的区域特征和分级特征。

致谢: 现场样本采集由杨婉玲、高原、曾艳艺等协助完成, 中国科学院南海海洋研究所林强研究员帮助写作, 特此致谢。