基于浮游植物相似性指数的破碎化河流生态评估：以东江梯级水库系统为例

《Hydrobiologia》：Phytoplankton similarity indices as ecological metrics in a fragmented river system

语 本研究针对梯级筑坝导致的河流破碎化问题，以东江为研究对象，通过Jaccard和Bray-Curtis相似性指数分析浮游植物群落动态。结果表明，非优势藻类（如裸藻、甲藻等）对环境因子（总氮、磷、光照）的响应比优势类群更敏感，其相似性指数对水体营养状态具有更高预测力。研究揭示了梯级水库系统下浮游植物群落的“湖化”趋势，强调将稀有藻类纳入水质监测框架的生态意义，为河流生态管理提供新思路。

　　

在全球范围内，河流生态系统正面临日益严重的人类活动干扰，尤其是水坝建设导致的生境破碎化问题。据估计，全球超过60%的大型河流已失去自然流动状态，仅37%长度超1000公里的河流保持全程自由流动。这种水文连通性的丧失不仅阻碍了沉积物、能量和生物的空间传输，还通过改变流速、水位和水质等基础水文特征，重塑了河流的物理、化学和生物过程。作为水生生态系统的关键初级生产者，浮游植物因其短生命周期、易识别性和低成本监测优势，被广泛视为水环境变化的敏感指示器。然而，在梯级水库主导的破碎化河流中，浮游植物群落如何响应多重环境压力？其群落相似性能否反映空间距离或环境梯度？哪些类群更具生态指示潜力？这些问题亟待系统解答。

针对上述问题，胡铁焕等研究人员在《Hydrobiologia》发表了题为“Phytoplankton similarity indices as ecological metrics in a fragmented river system”的论文，以东江（珠江支流）为研究区，于2018年11月（枯水期）和2019年7月（丰水期）对13座梯级水库的62个采样点展开调查。研究创新性地将浮游植物群落划分为“总群落”“硅藻门”“绿藻门”和“其他藻类”（含裸藻、蓝藻、甲藻等非优势类群），通过Jaccard（基于物种存在/缺失）和Bray-Curtis（基于生物量）指数量化群落相似性，并结合冗余分析（RDA）和自组织映射（SOM）模型，揭示了环境驱动机制。

关键技术方法

研究团队在东江干流布设60-62个采样点，涵盖水库区、坝下急流区及坝间流动区。浮游植物样本通过Lugol碘液固定，采用沉淀法浓缩后，使用倒置显微镜进行物种鉴定和生物量（基于几何模型计算）统计。环境因子包括水温、pH、溶解氧（DO）、总磷（TP）、磷酸盐（P-PO₄^3-）、总氮（TN）、硝酸盐（N-NO₃^-）等，均按标准方法测定。数据分析采用R语言vegan包进行相似性指数计算和RDA排序，并通过SOM和线性判别分析（LDA）评估不同藻类群对环境参数的预测能力。

研究结果

1. 浮游植物群落结构与相似性时空格局

枯水期共鉴定415种浮游植物，硅藻门占主导（224种，生物量占比73.6%）；丰水期物种数略降（411种），但绿藻门和蓝藻门物种增加。相似性指数空间分析表明：

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  总群落、硅藻门和绿藻门在枯水期上游水库区相似性较高，而中下游区域丰枯期交替主导；
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  其他藻类则呈现相反模式，上游波动下降，中下游枯水期相似性显著升高（图2D、图3D）。
  

2. 空间距离对群落相似性的影响微弱

线性回归显示，仅枯水期绿藻门Jaccard指数与站点距离呈负相关（P<0.05，r²=0.098），其他类群无显著关系或相关性极低（r²<0.1）（图4）。表明梯级水库的“湖化”效应削弱了距离对群落分异的驱动作用。

3. 环境因子主导群落相似性变化

RDA分析指出：

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  总群落、硅藻门和绿藻门与磷酸盐显著正相关（图5B、图6A-C），反映东江磷富集特征（氮磷摩尔比均值7.58:1）；
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  其他藻类与总氮（TN）正相关（图5B、图6D），对营养盐变化的敏感性优于优势类群。
  

4. 非优势藻类具更高环境预测力

SOM-LDA模型显示，“其他藻类”对环境参数的解释率最高（67.50%），且Bray-Curtis指数预测力（51.67%）优于Jaccard指数（表3），说明生物量信息能更精准捕捉环境波动。

结论与讨论

本研究通过多指数联合分析，证实梯级水库驱动下东江浮游植物群落呈现“湖化”特征，表现为空间距离对相似性的影响减弱，而磷、氮等营养盐成为关键驱动因子。尤为重要的是，传统监测中常被忽视的非优势藻类（如裸藻、甲藻）展现出比硅藻、绿藻等优势类群更优的环境指示潜力。这一发现挑战了以优势种为核心的生态评估范式，强调应将稀有物种纳入河流健康监测体系。研究结果不仅为破碎化河流的生态管理提供新指标，也为理解水文调控下微生物群落响应机制提供了理论依据。未来需进一步探究非优势藻类功能性状与环境胁迫的耦合机制，以优化河流修复策略。