大量营养物质排入河流引起全球性水污染问题，有效的河流健康状况评价和管理方法成为研究者们所关注的问题^{[1, 2]}。治理水污染的关键是控制氮（N）、磷（P）等的输入，而最近国内外的研究表明，仅仅减氮不能控制浮游藻类生物量，反而会诱导固氮蓝藻水华，从而得出重点控制磷而放宽控制氮的结论^{[3, 4]}。作为河流重要的初级生产者，底栖藻类（Benthic algae or periphyton）在生长过程中通过对磷的吸收、转化和储存作用成为水生生态系统的重要调节者^{[5, 6]}。随着研究的不断发展，人们认识到仅用水体理化指标来评价一条河流的健康状况是不够全面的。因此，结合水体理化指标和底栖藻类的生长，不仅可以了解水环境因子对底栖藻类的作用，还可以全面认识河流生态系统的综合状况。

淦河位于咸宁境内，发源于上游山区，流经农田和市区后注入斧头湖，最后从斧头湖汇入长江，其健康状况的好坏直接影响其下游及斧头湖的生态状况。然而，到目前为止，对于这种流域内土地利用方式不同，河流水体对底栖藻类生长影响的研究鲜有报道。为了更全面地了解淦河流域生态系统的健康状况，本研究测定了淦河流域主要支流及干流的水体理化指标，底栖藻类叶绿素a（Chl a）和无灰干重（Ash free dry mass，AFDM），以及部分样点底栖藻类的磷含量及形态组成，分析不同河段底栖藻类对磷的负荷能力及各组分磷含量，为淦河流域底栖藻类生态学研究提供科学依据。 1 材料与方法 1.1 采样点的设置

淦河流域位于长江中游南岸的湖北省咸宁市境内。据十好桥水文站多年实测资料统计，流域面积854 km²，河长76.6 km。流域地势南高北低，以马桥白鹤为界，以南为海拔100 m以上的山区，占整个流域面积的59%，以北为海拔100 m以下的平原区，占整个流域面积的41%。综合淦河流域的各支流和干流分布特点，设置20个采样点（图 1）。根据其地理位置、生态情况及土地利用格局，将上游所有支流及部分干流样点（S1~S15）视为上游河段，流经咸宁市区的样点（S16~S20）视为下游河段。上游样点为岩石性河床，水质较清澈，耕地密集，河流沿岸地带受到的污染主要为农业生产导致的面源污染、农药污染及农田径流和养分流失等。下游样点为淤泥性河床，水质较浑浊，居民生活用水及工业废水是其主要的污染源。

图 1 咸宁市淦河样点位置图 Figure 1 Sampling sites in Gan River basin in Xianning City

图选项

参照美国环保局（EPA）的方法^[7]，于2012年2月在每个样点取样3份，每份随机选取3~5块该区域内底栖藻类生长的主要天然基质（石块）^[8]，置于冰盒内带回实验室立即处理。同时测定水温（WT）、溶解氧（DO）、电导率（EC）和pH值，并用塑料瓶采集约500 mL水样，加几滴硫酸保存剂带回实验室，按照《水和废水分析监测方法》^[9]测定TN、TP和化学需氧量（COD）等水化学指标。 1.3 底栖藻类样品的处理

用硬毛牙刷将石块基质表面的底栖硅藻样品洗下并记录总体积，分成3份：一份用90%的丙酮溶液提取Chl a，一份用于测定AFDM，方法参考APHA^[10]；一份用于测定5个有代表性样点（上游S4、S7、S8，下游S18、S19）底栖藻类的总磷含量和磷形态组成。各组分磷含量的提取方法参照欧洲标准测试委员会框架下发展的淡水沉积物磷形态连续分离的SMT法^[11]，将底栖藻垫中所提取到的磷分为5种形态，即总磷（Total phosphorus，TP）、无机磷（Inorganic P，IP）、有机磷（Organic P，OP）、铁结合态磷（Iron-bound P，Fe-P）和钙结合态磷（Calcium-bound P，Ca-P），其单位均为μg·cm^-2。 1.4 数据处理与分析

数据计算与处理使用Excel 2003；相关性分析使用统计软件SPSS 19.0进行；作图工具使用Coreldraw X3及Photoshop CS5等软件。 2 结果与分析 2.1 水环境因子

如表 1所示，初春季节采样点水温变化范围在10.3~15.8 ℃。水体的pH值在7.92~8.84之间变化，波动不大，其下游pH值呈下降趋势，低于上游各样点的值。DO在8.5~19.8 mg·L^-1之间波动，淦河下游S16~S20样点的DO值呈下降趋势。各支流间EC的差别比较明显，黄水河样点的均值最小，为221.3 μS·cm^-1，其次是鸣水泉河、龙潭河、柏墩河和南川河，而淦河下游S16~S20样点相对较高，均值为448.8 μS·cm^-1。

表 1 淦河各采样点水质指标 Table 1 Water quality of different sites in Gan River

表选项

COD在各样点间的差异较大，各支流样点除柏墩河COD较高外，其他样点普遍较低，在0.77~7.84 mg·L^-1范围内波动，干流下游样点COD值较高，在9.09~16.48 mg·L^-1范围内波动。水体TP从样点S1到S15变化不大，然而在淦河下游S16~S20样点的TP含量急剧上升，是其上游的10~20倍。TN的含量变化与TP的变化趋势相似，下游5个样点的TN含量明显高于上游。除S3、S6和S14外，其他各样点的氮磷比（N/P）均在9~20之间，其中上游各支流N/P的平均值高于下游样点。 2.2 底栖藻类的生物量

用Chl a和AFDM两个参数评价底栖藻的生物量。在各样点之间，底栖藻类群落Chl a和AFDM的含量变化趋势一致（图 2）。Chl a在各支流样点的变化表现为：黄水河和鸣水泉河支流各样点的Chl a含量在10.94~15.93 μg·cm^-2范围内波动，南川河的S7样点底栖藻类的生物量约为S6样点的2倍；柏墩河自上而下3个样点（S9~S11）的生物量呈下降趋势；而龙潭河3个样点（S13~S15）呈上升趋势；相对来说，淦河干流的各样点波动较大，最大值在S12样点达到47.3 μg·cm^-2。总体来看，上游各支流Chl a的均值在10.2~14.1 μg·cm^-2变动，而下游5个样点的均值为23.7 μg·cm^-2。

图 2 各样点底栖藻群落的生物量 Figure 2 Biomass of benthic algae at different sampling sites

图选项

所测样点的各磷组分含量结果见图 3。5个样点底栖藻垫中磷浓度变化与水体COD和TP的变化趋势一致（表 1），随着水体营养程度的变化，底栖藻类的磷含量也发生变化，上游的3个样点S4、S7、S8总磷含量逐渐上升（S4、S7、S8分别为10、12、22 μg·cm^-2），在市区的S18样点达到最高值（82 μg·cm^-2），而市区下游S19样点的总磷含量有所降低。同时，底栖藻垫中磷浓度变化与生物量浓度变化基本一致，即生物量越高磷含量越高，而且随着河流上游至下游水体污染程度逐渐严重，虽然生物量浓度没有显著增加（图 2），但底栖藻类的磷滞留能力（TP/Chl a比值）却在上升。下游底栖藻垫单位生物量的磷滞留能力平均值比上游高。

图 3 底栖藻类各磷形态含量 Figure 3 Contents of P forms in benthic algae

图选项

底栖藻垫中总磷主要成分是无机磷，而无机磷主要由铁结合态磷和钙结合态磷组成，两者占无机磷的比例达85%~97%；不同磷形态占总磷的百分含量不同，其中铁结合态磷含量最高，达总磷的34%~73%，钙结合态磷占13%~18%；与无机磷相比，有机磷占总磷比例较小，为23%~32%（图 4）。

图 4 底栖藻类各磷形态占总磷的比例 Figure 4 Percentages of each P-fraction to TP in benthic algae

图选项

河流对人类的生存和发展极为重要，有着众多的生态功能，长期以来注重经济发展的同时，却忽视了由此造成的环境污染。实验期间，淦河水质随土地利用格局的不同，变化较为明显，以森林、农业生产为主的上游各支流及干流水质较好，而流经市区后受生活污水及工业废水污染的干流下游段水质急剧下降，水体受到一定程度的污染，水质恶化。

针对氮磷比和藻类Chl a的关系，不少研究人员通过比较不同氮磷比下Chl a的变化来分析藻类生长的限制类型。Smith^[12]（TN/TP：10~17）、Redfield定律^[13]（TN/TP：10~20）、Steven wang^[14]（TN/TP：9~20）等分别给出了3种不同的TN/TP阈值判断是否N、P共同限制。在所有样点中，除了S3和S6样点流经刚施用氮肥的农田导致氮磷比超过30，以及S14样点有养鸭排泄物使氮磷比小于9以外，其他各样点均在9~20之间（表 1），均在N、P共同限制的范围内，据此可推断淦河流域底栖藻类的生长应该属于氮磷共同限制型。在今后的调查中，氮因子也应得到更多关注。不过，氮磷比在同一水平内时，下游的TN和TP含量是上游的10~20倍左右，其底栖藻类Chl a的含量是下游的2倍左右。

Chl a和AFDM都可以反映底栖藻类群落的现存量^[15]，但Chl a侧重反映整个自养生物——光合藻类，而AFDM还包括其他底栖生物（如细菌、底栖动物）和沉淀下来的有机碎屑等^[16]。实验期间，发现各样点的AFDM和Chl a变化趋势非常一致，差异较小（r=0.950 5），表明各样点群落中的有机物碎屑和异养生物所占比例非常小，因而用AFDM和Chl a都能较好地评价淦河流域底栖藻类群落的生物量。

底栖藻类对磷的滞留机理十分复杂^[17]，从淦河流域上游底栖藻类滞留磷的浓度与下游相比看来，水体污染程度越高，底栖藻类生物量相对越高，滞留磷的能力也越强。Portielje等^[18]的研究表明，单位干重底栖群落的最大储磷能力和外部的营养负荷水平呈正相关，当水体中的可利用磷在一定范围内增加时，一些藻类吸收和储存磷的能力也会加强，说明底栖藻类对水体中磷的滞留能力与水体营养浓度正相关。另一方面，底栖藻类在生长过程中吸收水体中的可溶性磷酸盐组成自身有机体，将磷滞留在生物体中，加速了磷的流动^[19]。本研究中，淦河流域底栖藻类对磷的滞留能力最高可达82 μg·cm^-2，底栖藻类的吸磷起到了缓冲剂的作用，这种缓冲能力可以使污染区域的可溶性磷浓度降低到较低的水平。同时，覆盖在沉积物表面的底栖藻类，能截获底泥和基质中释放的磷，减缓了水体中磷含量的增加^[20]。我们也观察到，河床上生长着丰富的丝状绿藻，经光学显微镜观测发现其上附着大量的硅藻种类。这对降低水体的营养程度、稳定生态系统和水生高等植物的恢复等具有十分重要的作用。底栖藻垫中不同磷形态占总磷的百分比与其他文献报道的结果相近^[21]，Fe-P所占比例最高，该部分磷易释放、易为生物所利用^[22]，对底栖藻类-水界面的磷循环起着主要的作用。有机磷占总磷比例为23%~32%，有研究表明，50%~60%的OP可被降解或水解为生物可利用的磷形态^[23]，底栖藻垫中的OP在河流生态系统中也可能发挥着重要作用。 4 结论

（1）水体TN、TP、COD和EC的结果显示淦河流域上游各支流及干流河段水质较好，流经市区后的下游河段受到一定程度的污染，就TN、TP的含量来看，样点S1到S15的水质为Ⅱ类水，样点S16~S20的水质超过了Ⅴ类。

（2）底栖藻类Chl a和AFDM有显著的相关性，都可作为评价淦河流域底栖藻类群落生物量的参数。

（3）底栖藻类对磷的滞留能力在一定范围内随水体营养程度的升高而增强，底栖藻类的磷滞留作用对污染的水体起到一定的缓冲作用。