三峽庫區支流花溪河浮游植物種間關聯及影響因子分析

施軍瓊，何書晗,歐陽添，趙璐，紀璐璐，吳忠興

(西南大學 生命科學學院，重慶 400715)

三峽大壩自建立后，其經濟和社會效益顯著，但也因庫區“冬蓄夏排”的水體調度模式，使庫區水體理化因子發生較大改變，影響了浮游植物群落結構，易引起浮游植物種間關聯發生變化[1-3].目前，對三峽庫區水體浮游植物的研究主要集中在物種組成與環境因子的研究，水生態系統的關聯性分析研究較少.花溪河作為三峽庫區的重要支流之一，其群落結構和水文情況受到不同程度的影響.本研究以三峽庫區一級支流花溪河作為研究區域，通過χ2檢驗、種間聯結系數(association coefficient,CA)和逐步回歸等方法分析花溪河浮游植物種間關聯情況及其與環境因子的關系，旨在探究三峽庫區水位調度對浮游植物種間關系的影響，為三峽庫區浮游植物研究及水生態管理提供科學依據.

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

花溪河源于重慶市巴南區石崗鄉碑埡巖口，屬于三峽庫區一級支流.本研究從2017年11月16日至2018年10月18日從花溪河源頭到入江口共設置11個采樣點，依次為S0(碑埡村),S1(賀家灣),S2(南彭水庫),S3(柏樹灣),S4(蒲蘆塘),S5(吉慶村),S6(虎嘯村),S7(南泉鎮),S8(堤坎),S9(建新村)和S10(入江口)(圖1)，每月對11個采樣點分別進行調查.

1.2 水體理化指標的測定

1.3 浮游植物及多樣性指數

定性樣品采集和分析：通過孔徑為20 μm的浮游生物網采集，加入Lugol溶液進行固定，然后使用Nikon E-Ci顯微鏡進行物種鑒定，參考文獻[5-8].定量樣品采集和分析：用1 L廣口瓶取樣，滴加Lugol溶液固定，避光處靜置96 h，濃縮至30 mL.浮游植物定量采用面積為20 mm×20 mm，容量為0.1 mL的浮游植物計數框進行計數.通過Shannon 多樣性指數(H)，物種豐富度(S)和均勻度(J)計算物種的多樣性情況.

1.4 種間關聯分析

因每個季節物種數量和優勢種所占比例不同，本研究春季選頻率大于60%的24個物種，夏季選頻率大于40%的20個物種，秋季選頻率大于40%的19個物種，冬季選頻率大于40%的22個物種進行種對聯結性分析.通過基于2×2列聯表的χ2值、種間聯結系數(CA)以及成對物種的Pearson相關分析來衡量物種間的種間關聯情況.通過Yates的連續性公式計算χ2值[9]，其中χ2<3.814 為不顯著種間聯結，3.814≤χ2<6.635 為顯著種間聯結,χ2≥6.635為極顯著種間聯結.

種間聯結系數CA的計算公式：

(1)

(2)

(3)

其中a是成對物種都出現的樣方數，d是成對物種都不出現的樣方數，b是僅有物種B出現的樣方數，c是僅有物種A出現的樣方數.

CA的取值范圍在[-1,1]之間，CA越靠近1，正聯結性越強，CA越靠近-1，負聯結性越強，CA等于0，物種對之間完全獨立.CA≥0.67(正聯結程度高)、0.67>CA>0(正聯結程度弱)，CA=0(無聯結)，-0.67

1.5 數據處理與分析

用Excel對數據進行整理統計；用Origin 2019進行作圖；RStudio 的spaa包計算種間CA分析群落種間關聯情況以及繪制CA值半矩陣圖；SPSS 22.0 軟件分析種間關聯與環境因子間的相關性.

2 結果與分析

2.1 水體理化特征

2.2 群落結構

花溪河全年檢測出藍藻、綠藻、硅藻、裸藻、甲藻、隱藻、金藻和黃藻共8門藻類(附圖Ⅰ)，主要以硅藻和綠藻為主，均占總物種數的32.6%；裸藻和藍藻物種數量占比分別為16.6%和9.2%.春夏季節物種數相對高于秋冬季節，5月份達到最大值197種，2月份最低為140種.對不同月份藻密度分析發現2月份、5至9月份藻密度相對較高，在7月份達到最高密度.S1和S2樣點在一年中藻密度明顯高于其他樣點，5月至10月份藻密度較高，在7月份S2樣點藻密度最高達2.85×108L-1.

2.3 種間關聯性

Pearson相關性分析中，春季物種對不顯著相關(P>0.05)占比高達85.6%，夏季、秋季和冬季的種間關聯不顯著相關(P>0.05)比例分別為80.1%，80%和80.1%，均大于顯著相關的物種對數(附表Ⅰ).4個季節大多數物種對的種間關聯未達到顯著相關水平，物種對間的聯結性總體呈松散狀況.此外，花溪河物種種間關聯情況以χ2檢驗為基礎，結合CA來定量分析.其中，春季不顯著聯結性種對有452對，占78.4%，只有11.7%表現為極顯著性聯結.夏季不顯著聯結物種對有336對，占83.9%，只有10.2%表現為極顯著性聯結.同樣，秋季和冬季種對間不顯著聯結比例分別為83%和74% (附表Ⅰ) .Pearson相關性檢驗和χ2檢驗均表明物種對間聯結性不顯著.

花溪河浮游植物4個季節主要物種間的種間聯結系數CA半矩陣圖(圖3)可以看出，春季聯結程度弱和無聯結藻類物種對數有占87.7%，物種對之間聯結程度弱，種間聯結系數CA≥0.67的種對數有31對，占全部對數10.3%( 圖3(a)).其中尖針桿藻(Synedraacusvar)與顆粒直鏈藻(Melosiragranulata),菱形藻(Nitzschiasp.),四尾柵藻(Scenedesmusquadricauda)以及假魚腥藻(Pseudoanabaenasp.)等大多說藻類的正聯結程度高(CA≥0.67).CA≤-0.67 的藻類物種只有6對.這6對之間表現為極強的負聯結性，占比為2%，比如，尖針桿藻(S.acusvar)與舟形藻(Naviculasp.). 夏季種間聯結系數CA≥0.67的物種對數有9對，占全部對數4.3%，其中雙對柵藻(Scenedesmusbijuba)與雙棘柵藻(Scenedesmusspinosus)、四尾柵藻(S.quadricauda)、梅尼小環藻(Cyclotellameneghiniana)之間的正聯結程度高.水華束絲藻(Aphanizomenonflos-aquae)與四尾柵藻(S.quadricauda)、尖針桿藻(S.acus)物種對負聯結程度高， ( 圖3(b)).

秋季菱形藻(N.sp.)與尖針桿藻(S.acusvar)，二形柵藻(Scenedesmusdimorphus)與小環藻(Cyclotellasp.)、尖針桿藻(S.acusvar)等物種之間的正聯結程度高(CA≥0.67).尖針桿藻(S.acusvar)與四足十字藻(Crucigeniatetrapedia)負聯結程度高(CA≤-0.67)( 圖3(c)).冬季浮游藻類尖針桿藻(S.acusvar)與其他物種間正聯結程度和春季情況類似，即與大部分藻種之間的正聯結程度都很高，總的CA≥0.67共有28對，占11.1%.水華束絲藻(A.flos-aquae)與四足十字藻(C.tetrapedia)物種對負聯結程度高(CA≤-0.67) ( 圖3(d)).

2.4 種間關聯影響因子

為探究影響不同程度種間關聯的環境因子，將環境因子變化量與種間關聯變化量進行逐步線性回歸分析，探究出引起浮游植物種間關聯變化的主要環境因子.種間關聯與環境因子之間的逐步回歸關系(附表Ⅱ).CA≥0.67，0.67>CA>0和CA=0這三種情況與環境因子之間的逐步回歸系數依次為0.786，0.738和0.615，P值均小于 0. 05.其中，物種均勻度的變化是CA≥0.67和0.67>CA>0兩種情況主要影響因子.葉綠素a的變化是影響物種間無聯結(CA=0)主要生物因子，兩者的線性回歸關系為：Y=-0.01+0.003CA(Y:Chl.a,P=0.033).負聯結(0>CA>-0.67和CA≤-0.67)情況未篩選出主要的影響因子.

在逐步線性回歸定量分析種間關聯與環境因子關系的基礎上，通過主成分分析，剔除對總體種間關聯影響較小的環境因子后，蒙特卡羅置換檢驗結果顯示，花溪河物種均勻度變化對種間關聯的貢獻值為56.7%，高錳酸鹽指數變化對種間關聯的貢獻值為11.7%，而總氮、電導率、葉綠素a、硝態氮和透明度等變化對種間關聯的貢獻值分別為9.9%，5.1%，3.9%，3.4%和2.8%，這7種環境因子對種間關聯的貢獻值高達93.5%，是影響種間關聯的主要因子.種間關聯與環境因子進行 PCA二維排序分析中(圖4)，CA≥0.67(正聯結程度高)與透明度、高錳酸鹽指數、電導率、總磷、電導率和物種均勻度具有較強相關.0.67>CA>0(正聯結程度弱)與硝態氮、總氮、氧化還原電位和物種均勻度有較強相關.CA=0(正聯結)與葉綠素a具有較強的相關，這與逐步線性回歸結果一致.

3 討 論

3.1 浮游植物種間關聯分析

種對聯結主要是反應物種在空間分布上的關聯性[9]，物種關系外在的表現可以通過種間關系描述，體現群落的現狀或群落內物種種間競爭的結果[10].花溪河浮游植物四個季節的種對聯結性檢驗(Pearson相關性和χ2檢驗)結果中，種對不顯著聯結所占的比例遠大于顯著性聯結所占比例，種對間不顯著聯結物種對比例由高到低為：夏季(83.9%)，秋季(83.0%)，春季(78.4%)，冬季(74.0%).夏季的不顯著聯結物種對最多.這可能與夏季藻類水華暴發相關，其主要因由是藻類現存量較高，物種多樣性較單一引起.已有研究發現物種種間競爭加強，種群結構容易發生變化；冬季種間不顯著聯結最小，可能與冬季水溫過低和營養鹽含量少限制了藻類生長，物種組成少，藻密度低群落相對穩定有關[11].

種間聯結可反映出群落結構和數量特點，與群落的演化形成緊密相關，是種間相互關系的表現形式[12].種間CA值半矩陣圖中，四個季節的弱聯結性顯著大于其他聯結程度，物種間多為相互獨立，群落結構松散聯結不緊密.對比南海湖浮游植物種間聯結性多為弱聯結或無聯結，可能是在空間分布上的獨立性造成的[13].花溪河浮游植物種間多為弱聯結的主要原因可能是優勢種間生態位重疊少，物種間獨立程度高.物種對環境要求的趨同性、趨異性和物種在生活型、生態型上的差異是影響種間關聯的重要因素[14].其中，正聯結物種對生境要求相似，物種間因生物或非生物因子限制互相依存生長在一起，生態位重疊程度高.負聯結物種對由于對生境要求差異較大，或因為種間競爭相互排斥，導致物種間傾向于分離狀態，生態位重疊少，最終表現為負聯結(CA<0).負聯結程度越高，因種間競爭導致物種消失的概率越大.在春季和冬季，尖針桿藻(S.acusvar)與菱形藻(N.sp.)和梅尼小環藻(C.meneghiniana)等種間正聯結性程度高，這與它們對生活環境要求、生態策略和生態功能相似有關.在廣泛使用的FG(Functional Groups)法中，針桿藻(Synedrasp.)、菱形藻(Nitzschiasp.)、小環藻(Cyclotellasp.)等都屬于功能群D，生境為窮營養，耐沖刷，較渾濁的淺水水體[15]. 舟形藻(Naviculasp.)屬于功能群MP，生境為淺水湖泊，頻繁干擾的渾濁型水體.不同功能群物種間正聯結程度弱，傾向于負聯結.這也是尖針桿藻(S.acusvar)與舟形藻(Naviculasp.)負聯結程度高的重要原因.

種間聯結程度對研究群落的動態演替具有重要意義，不僅能體現目前群落結構，還可以反映群落未來的演替方向和趨勢.一般正向演替中，演替初期，群落種間聯結多為負聯結，隨著向頂級演替發展，群落穩定性增加，種對正聯結比例增加，在一定時間內形成穩定狀況.花溪河浮游植物四個季節種間弱聯結占比大，物種間獨立性較強，生境要求有差異，生態位重疊小.因此花溪河浮游植物群落結構不穩定，還需要較長時間的演替才能達到多物種共存的穩定狀況.這與南四湖浮游植植物種間負聯結最大，群落結構穩定性差的研究結果一致[16].

3.2 種間關聯與環境因子

種間競爭作用會促進物種均勻度的變化[17].花溪河浮游植物總體種間關聯與環境因子的PCA排序結果中物種均勻度對種間關聯貢獻值高達74.1%，不同的種間關聯程度與環境因子關系的逐步線性回歸分析中發現，物種均勻度與CA≥0.67和0.67>CA>0均具有較強的正相關(附表Ⅱ).表明了物種均勻度是維持花溪河浮游植物種間關系極其重要的因素.高錳酸鹽指數反映水體被還原性物質污染的程度，能體現水中所含有機物的多少，對浮游植物群落結構組成具有較大影響[18].本研究中高錳酸鹽指數對種間關聯的貢獻值為11.7%,僅次于物種均勻度，主要與CA≥0.67的關聯性最強(圖4)，高錳酸鹽指數也是影響浮游植物種間關系不可忽視的因子.

葉綠素a含量和不同門類浮游植物密切相關，浮游植物優勢種的變更會引起葉綠素a濃度也發生變化.花溪河浮游植物不同季節各優勢種之間獨立性較強，有著自己的生態位，種間多為無聯結，而葉綠素a含量隨優勢種的變化而變化，所以呈現出葉綠素a與種間無聯結(CA=0)呈Y=-0.01+0.003χ(P=0.033)的線性回歸關系.整體而言，三峽庫區浮游植物種間關聯并非某一種因子作用的結果，而是受生物因子和非生物因子的綜合影響.

附 錄

附圖、附表見電子版(DOI:10.16366/j.cnki.1000-2367.2022.05.015).