长江三源浮游植物群落特征差异与环境因子关系

李 伟，李鲁丹，李 欢，贡丹丹，郭伟杰，乔强龙，杜 琦

(1.长江科学院 流域水环境研究所，武汉 430010；2.流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

长江源区地处青藏高原腹地，源区水系复杂，正源沱沱河、北源楚玛尔河以及南源当曲共同组成了长江的3个主要源头河流[1]。沱沱河与当曲汇合于囊极巴陇，以下称通天河。通天河自囊极巴陇向东流，在曲麻河乡莱涌滩接纳楚玛尔河来水，该河段为通天河上段，楚玛尔河河口以下至玉树市巴塘河口为通天河下段，以下河段称金沙江。三源的发源地、河流比降、流经区域以及流向均不同，沱沱河发源于青海省格尔木市的格拉丹冬雪山群姜根迪如冰川，当曲发源于青海省玉树藏族自治州杂多县境内唐古拉山脉东段北支霞舍日阿巴山(或者且曲)[2]，当曲流经大面积沼泽也是当曲区别于沱沱河和楚玛尔河的特点，楚玛尔河发源于距玉树藏族自治州的多尔改错约150 km远的可可西里山东麓。长江三源中，沱沱河全长约350 km，平均比降为1.71‰;当曲全长约352 km，河床平均坡降0.991‰;楚玛尔河全长约530 km，平均坡降1.37‰[3]。沱沱河整体位于海西州格尔木市唐古拉山镇，当曲整体位于玉树州杂多县西部，楚玛尔河位于青海省玉树藏族自治州西部(青藏公路之西位于治多县西部北麓河乡，之东位于曲麻莱县境内。流向方面，沱沱河和楚玛尔河总体流向为自西向东流，而当曲流向为自东向西北。尽管均处于青藏高原腹地，但不同的河流起源、坡降和流向，造成了三源不同的营养盐和水文情势。源区的人类活动相对较弱，生态系统尚稳定，但源区特殊的高原大陆型气候特征使其水生态环境变得脆弱、敏感，浮游植物等水生生物极易随环境因子改变而改变[2-5]。

由于源区气候条件恶劣，关于三大源区水体中浮游植物特征差异和关键环境因子分析尚不清晰，已有研究将三源作为整体展开对浮游植物的分析[6-7]。长江源区浮游植物具有细胞丰度较低，种类较少，且大多为高原特有种属，如峨眉藻(Ceratoneissp.)等特点。这些物种维系了高原水体生态系统的初级生产力，是重要的生物资源和基因库，具有物种保存、科学研究、生物多样性和自然资源保护等方面的重要意义[8]。近年来，长江水利委员会长江科学院对长江源的沱沱河、楚玛尔河、当曲干流的浮游植物群落特征进行了连续多年的观察和分析。本文通过对比分析三源的浮游植物特征，找出环境作用因子，丰富了研究长江源浮游植物研究，并为研究物候反应提供参考。

2 研究方法

2.1 时间和样点设置

为了探究浮游植物与江源河流的生境关系，于2012—2016年在长江源区对浮游植物进行了调查，调查时间和考察点设置见表1，各样点位置如图1所示。按照从上游至下游的沿程顺序，以及人类可以到达和开展调查的河段处设置考察点，考察点设置原则按照与水文测流样点一致，以便利用水文参数，实现水质监测与生物监测的结合，如直门达等；水系较大支流汇入前的河口处设置考察点，如多朝能—且曲和布曲等；在水系源头处应设监测考察点，如沱沱河、曲麻莱、楚玛尔河、当曲等。

图1 长江源水系及各采样点位置分布Fig.1 River system of the headwaters of the Yangtze River and the location of sampling sites

表1 长江源区浮游植物调查时间及样点设置Table 1 Time of phytoplankton survey and location of sampling sites in the headwaters of the Yangtze River

2.2 浮游植物调查及分析方法

浮游植物采集采用定量和定性2种方法。定量采集方法为在河流中采集1 000 mL表层水样现场加鲁哥试剂固定后，沉淀24～48 h，然后缓慢吸出上层清液，将剩下的50 mL左右的沉淀物转入50 mL定量瓶中。定量标本的鉴定采用视野计数法。步骤为：将定量瓶中的样品摇匀，吸出0.1 mL，用0.1 mL的计数框，在10×40倍显微镜下观察计数；每瓶计数2片，取其平均值。

浮游植物的定性采集用25#定性网在采样点水体表层进行水平拖取，使网口在水面以下深约50 cm处，做 “∞”形反复拖曳，拖曳速度约20～30 cm/s，时间为3～5 min，然后将网提起抖动，待水滤去后，打开阀门，倒入贴有标签的标本瓶中。样品用4%福尔马林液固定。所有标本均整理编号放入标本瓶中保存，随后在实验室内采用显微镜(Zeiss，AX10)进行鉴定以及数据分析。

生物多样性指数采用研究水生生物群落结构常用的香农-威纳指数(Shannon-Wiener Index)，计算公式为

(1)

式中：H为多样性指数；S为物种数目；Pi为样品中属于第i种的个体的比例，如样品总个体数为N，第i种个体数为n，则Pi=n/N。

2.3 环境因子调查及分析方法

测定了各采样点13种环境因子参数，包括海拔、水温、悬移质含沙量、床沙中值粒径、酸碱度、电导率、总溶解性固体、溶解氧、浊度、总硬度、高锰酸盐指数、总氮和总磷。海拔采用GPS定位(GPS接收器，中海达，Qpad X5)；水温、酸碱度、电导率、总溶解性固体、溶解氧、浊度、总硬度、高锰酸盐指数现场采用多参数水质分析仪测定(YSI，EXO2)；悬移质泥沙含量采用烘干称重方法测定(电热鼓风干燥箱，Boxun，BGZ)；床沙中值粒径采用激光粒度仪测定(英国马尔文仪器有限公司，Mastersizer 3000)，总磷、总氮采用紫外分光光度法测定(紫外分光光度计，SHIMADZU，UV-2600)。

2.4 数据分析

由于长江源2012—2016未发生大的生态环境事件，各源所有年的样点不进行年际间分析，统一作为独立的采样点。各源区各样点的浮游植物种类、密度、生物多样性数据以及环境数据均表示为mean±SD。各源区浮游植物特征对比结果采用Origin9.1作图，环境因子主成分分析以及浮游植物特征和环境因子的典范对应分析采用Canoco5.0软件分析并作图。

3 结果与讨论

3.1 源区浮游植物分布特征

2012—2016年长江源区浮游植物调查结果显示整个长江源区，包括正源、南源、北源共计发现浮游植物4门49种，其中硅藻门29种，绿藻门11种，蓝藻门7种，隐藻门2种。硅藻门为优势类群，百分占比为59.2%。

3.1.1 长江正源

在种类组成方面，鉴定出的浮游植物隶属于4门35种，其中硅藻门26种，绿藻门6种，蓝藻门3种，硅藻门种类数占比达74.3%。各样点种类数均值为11种，种类数最多的是直门达(2014)，为18种；其次为沱沱河唐古拉山采样点(2016)，为16种；而2012年沱沱河唐古拉山采样点种类数最少，为7种(图2(a))。密度方面，3个样点平均密度为36.84×104ind/L。在多样性指数方面，香农-威纳多样性指数分析表明，沱沱河平均生物多样性指数为2.50，2016年时达到最大值即3.34，直门达(2015)的多样性指数次之，为2.74，干流中曲麻莱(2012)多样性指数最低为1.41(图2(b))。

图2 长江正源浮游植物种类组成特征Fig.2 Species composition and biodiversity index of phytoplankton in the central source of the Yangtze River

3.1.2 长江南源

在种类组成方面，共鉴定出浮游植物4门38种，其中硅藻门23种，绿藻门7种，蓝藻门6种，隐藻门2种，硅藻门种类数占比达60.5%。样点平均物种数为18种，其中当曲4(多朝能—且曲交汇口)的物种最为丰富，达到21种，当曲2(2014、2015)最少，为14种(图3(a))。密度方面，长江南源当曲的浮游植物密度均值为28.90×104ind/L。在多样性指数方面，香农-威纳多样性指数分析表明，长江南源浮游植物多样性指数均值为3.04。其中以当曲1(2014)的多样性指数最大，为3.40；其次为当曲3(2014)，为3.27。2015年时当曲2的多样性指数最低，为2.64(图3(b))。

图3 长江南源浮游植物种类组成特征Fig.3 Species composition and biodiversity index of phytoplankton in the southern source of the Yangtze River

3.1.3 长江北源

长江北源浮游植物调查共计发现浮游植物18种，隶属于3门，硅藻门16种，绿藻门1种，蓝藻门1种，硅藻门种类数占比达88.9%(图4(a)),样点平均种类数为9种。楚玛尔河浮游植物平均密度为37.70×104ind/L，香农-威纳多样性指数为1.84(图4(b))。

图4 长江北源浮游植物种类组成特征Fig.4 Species composition and biodiversity index of phytoplankton in the northern source of the Yangtze River

3.2 长江三大源区浮游植物特征比较

本研究分别从浮游植物的种类组成、现存量(以总密度表示)和物种多样性对长江三大源区的浮游植物特征进行了横向比较(图5)。

图5 长江三源河流浮游植物特征比较Fig.5 Comparison of phytoplankton characteristics among three sources of the Yangtze River

3.2.1 各源区浮游植物特征分析

在种类组成上，隐藻门仅在南源当曲被发现。长江南源样点的浮游植物平均种类数最多，为18种，长江北源最少，为9种。整体上看，源区浮游植物平均种类是偏少的。年际差异方面，2012年楚玛尔河五道梁和沱沱河唐古拉山样点的种类均少于2016年的原因在于水文情势的差异。2012年两样点的采样时间分别为8月3日和8月4日，此时为长江源的洪水末期。2016年两样点采样时间均为6月2日，此时洪水期尚未到来。在洪水期，水量大、流速快，导致河流泥沙含量高。高泥沙含量(>1 kg/m3)不利于浮游植物的光合作用，种类丰度亦受到抑制。而在非洪水期，水量小、流速慢，泥沙含量低。低泥沙含量(<0.2 kg/m3)有利于浮游植物的光合作用，有利于较大的种类丰度。

在现存量方面，长江北源样点的的浮游植物平均密度最大，为37.70×104ind/L(每升液体里生物个体的数量)，南源平均密度最小，为28.90×104ind/L。

在多样性方面，长江南源样点的的浮游植物平均生物多样性指数最高，达到3.04，长江北源的浮游植物平均生物多样性指数最低，为1.84。

江源等[9]通过对来自不同河流的浮游藻类调查数据的对比分析，发现从平均密度来看，除了北方的海河干流、汾河部分河段出现较高的数量外，大部分河流的平均密度均处于相对较低的水平，通常<100×104ind/L。从4次科考的结果来看，长江源的藻类平均密度均符合此规律。洪松等[10]通过对黑龙江、松花江、海河、黄河、长江、汉江、赣江、湘江和珠江等地已有研究结果的对比分析，结果表明几乎在所有河流中，硅藻的密度都是最高的，常常占浮游植物总密度的50%或更多。从优势藻类来看，在长江源区硅藻门占绝对优势也符合天然的规律。

3.2.2 各源区浮游植物特征差异原因分析

对各采样点的13项环境因子(海拔、水温、泥沙含量、床沙中值粒径、电导率、总溶解性固体、溶解氧、pH值、浊度、总氮、总磷、化学需氧量、总硬度)进行主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)。将筛选出的环境因子与浮游植物特征进行典范对应分析(Canonical Correspondence Analysis，CCA)，找出影响浮游植物分布特征的关键环境因子。

长江三大源区13种环境因子的PCA结果表明，PCA两轴分别解释了数据承载量的71.23%和28.77%(图6)。第一主要成分主要解释的环境因子为总氮、电导率，主要代表了河流营养物特征；第二主要成分主要解释的环境因子为海拔、床沙中值粒径、水温、含沙量和化学需氧量，主要代表河流生境状况。

注：Alt-海拔，Tep-水温，San-泥沙含量，D-床沙中值粒径，pH-酸碱度，Con-电导率，TDS-总溶解性固体，DO-溶解氧，Tur-浊度，TH-总硬度，CODMn-高锰酸盐指数，TP-总磷，TN-总氮；Zy-长江正源，Ny-长江南源，By-长江北源。图6 各源区环境因子主成分分析Fig.6 Principal Component Analysis (PCA)of environmental factors in each source

环境驱动因子与浮游植物的CCA如图7所示。在门类上，蓝藻门种类数对总氮有一定的正响应关系；隐藻门种类数对海拔和床沙中值粒径有强烈的正响应关系；绿藻门种类数对海拔、化学需氧量和床沙中值粒径有明显的正响应关系；隐藻门和绿藻门种类数和含沙量、水温呈明显的负响应关系。

注：Bac-硅藻门，Cry-隐藻门，Chl-绿藻门，Cya-蓝藻门，Den-密度，Spe-种类，Indx-多样性指数。图7 环境驱动因子与浮游植物特征典型对应分析Fig.7 Canonical Correspondence Analysis (CCA)of environmental driving factors and phytoplankton feature

蓝藻门种类数和总氮呈现明显的正响应，反映了蓝藻门的高营养盐需求，这与内地水华机制类似，水中营养盐浓度会对浮游植物的生长起到重要的调控作用[11]。相比较而言，硅藻占优通常与水体中硅酸盐浓度关系更大，因此江源区硅藻并未呈现出对总磷和总氮的明显响应关系。水温通过影响藻类的酶促反应和水体中营养物质的溶解度从而直接、间接地影响藻类的代谢与增殖[12]。不同藻种对温度的适应范围各有差异，蓝藻的最适生长温度为25～35 ℃，绿藻为20～30 ℃，硅藻在15～35 ℃之间均可较好地生长[13]。在笔者的研究中，长江三源硅藻门种类数百分占比为60.5%～88.9%，为绝对优势种，体现了长江源偏低的水温(采样时水温(12.3±4.8)℃，范围7.1～19.4 ℃)适合硅藻生长的特性。陈燕琴等[14]在对长江源沱沱河调查过程中，也发现浮游植物群落结构特征以硅藻门为优势种群，主要是由于其多为狭冷性物种，适合生活在较冷的环境中[15-16]。浮游植物的种类受环境条件影响明显，不同年份、不同季节、同一条河的不同河段都存在一定的差异[6]，而且大型河流中藻类的种类组成与湖泊相比稳定性较差[9]。因此在本研究中，将同一源区不同年、不同样点的样本统一分析，有助于减少样点间的采样误差。

水体中泥沙不仅可以通过表面作用对氮、磷等营养物质进行吸附和解吸，从而影响水体中营养盐的分布与转化[17-18]，还可以决定水体的浊度和透明度，从而改变浮游植物的生存环境[19-20]。隐藻门仅在当曲存在，反映了和悬移质泥沙的负响应关系。在本研究中，仅在当曲上游发现了隐藻门，和当曲上游含沙量低(0.002～0.1 kg/m3)、水质较为清澈有关。在当曲上游，尤其是多朝能和且曲交汇口水质清澈，原因也是在于当曲源头水流主要来自沼泽而不是山体。当曲湿地植被覆盖度高，固沙能力强，洪水冲刷携带的泥沙较少，且该采样点流量小，坡降缓，流速较低。相比之下，在沱沱河和楚玛尔河采样时，采样季节为洪水季节，采样点流量大，流速快，水体携带了大量的悬移质泥沙，采样断面水体呈现砖红色，含沙量分别达到7 kg/m3和3 kg/m3。胡俊等[20]对黄河内蒙古河段进行研究，也发现较高的泥沙含量区浮游植物群落的种类和数量明显降低，这和我们发现浮游植物的种类和多样性对泥沙的负响应现象一致。

3.3 藻类生物学评价

选择采样时间最近的2016年的样点，并利用现存量法和多样性指数法来对水质进行相应的评价。

3.3.1 现存量法

根据已有研究，水体浮游植物的密度低于1×106ind/L为贫营养，(1～40)×106ind/L为中营养，而高于40×106ind/L为富营养[21]。沱沱河样点处的浮游植物密度最高，达到92.50×104ind/L，杂多点处最小，为8.00×104ind/L，均低于1×106ind/L，故水体均处于贫营养状态。

3.3.2 多样性指数法

生物多样性也是判断水质优劣的重要依据，一般认为Shannon-Wiener多样性指数H>3时为清洁，H为2～3时为轻度污染，H在1～2时为中度污染，H<1时则为重污染，且多样性指数越大，水质越好[22]。其中沱沱河、当曲样点的多样性指数大多>3，则其代表的水体处于清洁状态；楚玛尔河五道梁点的多样性指数为2.81，介于2～3之间，这和在楚玛尔河五道梁采集到的浮游植物种类数较少以及可见部分垃圾入河有关。

综上所述，长江源区的浮游植物密度较低，水体均处于贫营养状态，浮游植物的多样性指数相对较高，藻类生物学评价表明长江源水质大体为无污染等级，处于近自然状态。长江源河床比降大，水体流速快，水体含沙量大且水温较低，更适于狭冷型和流水型浮游植物的生存，但物种少、丰度低[23]。近几十年，受气候变化和人类活动的影响，长江源生态环境改变，因此需要长期、定点地开展观测，取得系统的基础数据和资料，为促进江源保护、加强流域管理打下坚实的基础。

4 结 论

(1)长江源区的浮游植物密度较低，水体均处于贫营养状态，藻类生物学评价显示水体整体为清洁状态。长江三源浮游植物的特征不同，隐藻门仅在南源当曲被发现，浮游植物分布呈现南源浮游植物样点平均种类数(18种)与生物多样性指数(3.04)较大，北源平均密度较大(37.70×104ind/L)的特点。

(2)长江三源环境因子存在差异，体现在第一轴主要成分(71.23%)可解释为总氮、电导率，主要代表了河流营养物特征；第二轴主要成分(28.77%)可解释为海拔、床沙中值粒径、水温、含沙量和化学需氧量，主要代表河流生境状况。

(3)长江源区浮游植物和环境作用方面，蓝藻门种类数与总氮、隐藻门种类数与海拔和床沙中值粒径，绿藻门种类数与海拔、化学需氧量和床沙中值粒径均呈明显的正响应关系。