北京水毛茛分布與環(huán)境特征關(guān)系研究

韓叢海,范雅倩,蔣 健,宋 澤,趙新元

(北京松山國家級自然保護區(qū)管理處,北京 102115)

人類活動加劇與全球氣候變暖導致大量物種瀕臨滅絕,由此引起生物多樣性降低從而削弱生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性[1]。水體面積占全球地表總面積的76%[2],其中生存的大量水生植物對于維持全球生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性具有舉足輕重的作用。例如,毛茛科(RanunculusL.)沉水植物具有調(diào)節(jié)氣候、改善水質(zhì)、提供醫(yī)藥材料[3]等作用,是重要的植物種質(zhì)資源庫和遺傳基因庫。研究表明,水體水深、水溫、溶解氧、pH、鹽離子、總氮、濁度等物理化學因素對水生植物生長分布具有顯著影響[4],水環(huán)境變化會導致某些水生植物種群絕滅,尤其是某些生境范圍較窄的水生植物,如，北京水毛茛。

北京水毛茛(BatrachiumpekinenseL.Liou)為北京市特有沉水植物,是北京市Ⅰ級保護植物,為毛茛科、水毛茛屬下的一個種,主要分布在北京昌平南口至居庸關(guān)一帶的山谷丘陵溪水中[5]。北京水毛茛對水質(zhì)要求極高,一般生長于渾濁度低、化學需氧量低的清澈水體中,是水體質(zhì)量的重要指示物種,對于水生生態(tài)系統(tǒng)的健康評估具有重要指導意義。北京水毛茛群落結(jié)構(gòu)單一,常形成單優(yōu)群落,抗干擾能力較差,近年來,北京水毛茛種群和個體數(shù)量呈減少趨勢[6],亟待保護。由于北京水毛茛分布的地域性,關(guān)于其群落調(diào)查的研究極少,現(xiàn)有的研究多為水生植被群落調(diào)查性研究[7-8],僅有個別研究探討北京水毛茛水環(huán)境因子[9],對于影響北京水毛茛生長分布的環(huán)境因素一直以來缺乏全面深入的研究。

目前,對于珍稀植物的保護方式主要有就地保護和遷地保護。就地保護是以建立國家公園、自然保護區(qū)、風景名勝區(qū)等自然保護地的方式,對珍稀植物及其生境進行保護,這是對物種原生生境保護的首選方式。本文全面調(diào)研了松山自然保護區(qū)及其相鄰的玉渡山自然保護區(qū)內(nèi)北京水毛茛的生長分布情況,并對水系水文特征、水質(zhì)特征與微生物多樣性等生態(tài)環(huán)境指標進行了調(diào)查分析,旨在揭示影響北京水毛茛生長分布的物理、化學與生物因素。

1 研究區(qū)概況

北京松山國家級自然保護區(qū)位于北京延慶區(qū)境內(nèi),地理坐標為北緯40°29′05″～40°35′40″、東經(jīng)115°43′44″～115°52′38″,總面積達6 212.96 hm2,海拔位于627～2 233 m之間,是華北地區(qū)典型暖溫帶森林生態(tài)系統(tǒng),年均氣溫8.5 ℃,年降水量493 mm。松山保護區(qū)內(nèi)野生動植物資源豐富,據(jù)不完全統(tǒng)計,現(xiàn)有維管束植物757種、哺乳動物29種、鳥類120種。松山保護區(qū)面積僅占北京市總面積的0.37%,而其裸子植物和被子植物種類卻分別占北京市種類的50%和42%,成為北京地區(qū)重要的物種多樣性中心[6]。

玉渡山區(qū)級自然保護區(qū)位于北京延慶區(qū)境內(nèi),與松山保護區(qū)相鄰,地理坐標為北緯40°29′24″～40°37′0″、東經(jīng)115°49′22″～115°59′8″,總面積達9 082.6 hm2,海拔位于600～1 600 m之間。據(jù)不完全統(tǒng)計,玉渡山保護區(qū)內(nèi)有維管束植物713種、哺乳動物20余種、鳥類125種。

2 研究方法

2.2 樣點設(shè)置與樣品采集

經(jīng)實地踏查,松山保護區(qū)塘子溝與玉渡山保護區(qū)西北溝分布有北京水毛茛。2019年6月,在上述2條溪流中分別設(shè)置樣點4處、3處,各樣點設(shè)置3個1 m×1 m的樣方作為重復,共設(shè)置21個樣方(表1),記錄每個樣方內(nèi)水生植物種類與蓋度。經(jīng)調(diào)查,采樣區(qū)域內(nèi)僅有北京水毛茛一種水生植物,為北京水毛茛單優(yōu)群落,此類單優(yōu)群落也見于延慶西卓家營濕地[4],北京水毛茛生境范圍窄是造成這種分布現(xiàn)象的主要原因。溪流寬度是水系特征的重要指標,本研究用激光測距儀(PD-S)測定溪流寬度(表1)。在各樣方內(nèi)用500 ml無菌水樣瓶采集中層深度的水樣,用于水質(zhì)測定與水體微生物測序。

2.2 水文與水質(zhì)測定

在野外用超聲波多普勒流速流量儀(LSH10-1QC)測定水體流速,用便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀(AP-800,AQUAREAD)測定水深、水溫、水體pH、溶解氧、Cl-濃度、總?cè)芙夤腆w等指標。在實驗室應用鉬酸銨分光光度法測定水體總磷含量,堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定水體總氮含量,應用總有機碳分析儀(TOC-VCPH)通過燃燒氧化-非分散紅外吸收法測定水體總有機碳含量,應用原子吸收分光光度計(TAS-990F)通過原子吸收分光光度法測定銅含量(檢測下限為0.05 mg/L),應用紫外可見分光光度計(TU-1901)通過二笨碳酰二胼分光光度法測定六價鉻含量(檢測下限為0.004 mg/L)。研究樣點位置信息與水系水文特征如表1所示。

表1 研究樣點位置信息與水系水文特征Tab. 1 The location information and the water system and hydrological characteristics at the studied sites

2.2 水體微生物富集與測序

采集到的水樣當天完成微生物富集,通過隔膜真空泵(LH-85L)將水體中的微生物富集至孔徑0.2 μm的聚碳酸酯濾膜(Millipore)上,每個樣品富集5 L水樣。應用DNA抽提試劑盒(MP FastDNA?SPIN Kit)提取濾膜上的水體微生物宏基因組DNA,通過HiSeq平臺進行細菌16S rRNA V4區(qū)域和真菌ITS1區(qū)域高通量測序,其中細菌測序引物為515F和806R[10],真菌測序引物為ITS1和ITS2[11]。應用QIIME平臺對高通量數(shù)據(jù)進行質(zhì)控與分析,并計算每個樣品的微生物群落物種豐富度(Chao1指數(shù),表2)。Chao1指數(shù)的計算公式[12]如下:

表2 研究樣點水質(zhì)特征與水體微生物群落多樣性Tab.2 The water quality features and the microbial communities diversity at the studied sites

(1)

式中:Schao1為估計的OTU數(shù),Sobs為實際觀測到的OTU數(shù),n1為只有一條序列的OTU數(shù)目,n2為只有兩條序列的OTU數(shù)目。

3 結(jié)果與討論

3.3 北京水毛茛分布特征

經(jīng)實地調(diào)查發(fā)現(xiàn),松山保護區(qū)內(nèi)北京水毛茛目前僅分布在塘子溝。2017年以來,松山森林旅游區(qū)關(guān)閉、保護區(qū)內(nèi)人類活動削弱,助推了北京水毛茛就地保護工作,目前塘子溝內(nèi)北京水毛茛長勢向好。玉渡山保護區(qū)內(nèi)僅在西北溝發(fā)現(xiàn)北京水毛茛生長。

塘子溝樣點2,4與西北溝樣點6,7均分布有北京水毛茛(表1),塘子溝北京水毛茛平均蓋度為70%±6.6%(平均值±標準誤,下同),西北溝北京水毛茛平均蓋度為97%±2.2%,前者顯著小于后者(T檢驗,P<0.01),由此可見西北溝北京水毛茛群落分布更茂密、長勢更好。

3.3 水系與水文特征

本研究中水系特征以溪流寬度表示,水文特征包括水溫、水深、流速3個指標(表3)。塘子溝海拔顯著低于西北溝(P<0.001,表3),塘子溝水溫相對較高、平均為(12±0.2) ℃,西北溝水溫平均為(9.6±0.4) ℃。兩條溪流水深與水體流速無顯著差異(P>0.05,表3)。在水系特征方面,塘子溝溪流寬度(3±0.3)m顯著小于西北溝((4.7±0.6)m,P<0.05,表3)。

表3 研究樣點水系與水文特征Tab.3 The water system and hydrological characteristics at the studied sites

從水系與水文特征的角度分析影響北京水毛茛分布的因素,Pearson相關(guān)分析結(jié)果表明,僅溪流寬度與北京水毛茛蓋度有顯著相關(guān)性(r=0.57,P<0.01)。通過回歸擬合發(fā)現(xiàn),溪流寬度與北京水毛茛蓋度之間的二次曲線擬合(R2=0.42,P<0.01)優(yōu)于線性擬合(R2=0.33,P<0.01,圖1)。這一結(jié)果表明,北京水毛茛蓋度與溪流寬度不是簡單的線性關(guān)系；只有當溪流寬度大于一定數(shù)值時(根據(jù)圖1二次曲線的拐點橫坐標,這一寬度數(shù)值為2.4 m),溪流寬度與北京水毛茛蓋度才呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系,此時溪流越寬、北京水毛茛的物理生存空間越大,北京水毛茛才得以大量生長繁殖。

圖1 北京水毛茛群落蓋度與溪流寬度的關(guān)系Fig.1 Relationship between community coverage and stream width of Ranunculus japonicus in Beijing

水體流速是影響許多沉水植物分布的重要環(huán)境因素,尤其在流水中,流速慢有助于營養(yǎng)物質(zhì)持留,從而形成穩(wěn)定的植物群落結(jié)構(gòu)。本研究中,水體流速小于0.23 m/s,流速較慢。因此,流速對北京水毛茛生長分布的影響不明顯。研究表明,水溫對沉水植物的生長有重要影響,如在人工繁育實驗中,毛茛屬沉水植物水生毛茛(Ranunculusaquatilis)在15℃水溫比在低溫水體中生長速度快[13],這一研究說明15℃左右的水溫比較適合沉水植物生存。北京水毛茛環(huán)境適應性窄,一般生活在水溫14 ℃左右的水體中[7],與水生毛茛適宜水溫較為接近。本研究區(qū)域水溫介于10～13.4 ℃之間,水溫適宜、空間差異小,因此本研究中北京水毛茛生長分布不受水溫限制。

水深常影響沉水植物生長,如Zhou等[14]的研究表明在水面以下0.6～1.2 m范圍內(nèi),眼子菜屬植物菹草(Potamogetoncrispus)的生物量最高。然而,該研究未考慮水面寬度、水體pH、總?cè)芙夤腆w含量等其他重要水文水質(zhì)指標對菹草生長的影響。菹草常生活在弱酸及中性水體中,是富營養(yǎng)化淺水湖泊的常見種[15],與北京水毛茛生境截然不同。本研究區(qū)域水體清澈、水質(zhì)條件好,水深為(0.26±0.01)m,整體水深很淺、變化不大,因此植被分布沒有顯示出層次性的變化,水深對北京水毛茛蓋度無顯著影響。

3.3 水質(zhì)特征

本研究調(diào)查了水體pH、溶解氧、Cl-濃度、總?cè)芙夤腆w、總磷、總氮、總有機碳、銅、六價鉻等9個重要水質(zhì)指標。研究區(qū)域內(nèi)水體pH在7.6～8.5之間,溶解氧含量在10.6～11.7 mg/L之間(表2)。塘子溝和西北溝的水體pH、溶解氧含量均無顯著差異(P>0.05),且均符合Ⅰ類地表水標準(表4)。Pearson相關(guān)分析表明,自上游至下游,隨著海拔下降,塘子溝水體pH由8.3顯著下降到7.7(r=0.92,P<0.001,表2),而西北溝水體pH由7.6顯著升高到7.9(r=0.76,P<0.05,表2),這兩條水系水體pH隨海拔變化的差異可能是溪流源頭母巖母質(zhì)不同造成的。塘子溝水體溶解氧含量隨海拔升高(Pearson相關(guān)系數(shù)r=0.59,P<0.05),這是因為水溫下降會導致溶解氧含量升高[16]；西北溝由于海拔跨度小、水溫變化小,因而溶解氧含量隨海拔變化不顯著(P>0.05)。塘子溝Cl-濃度、總?cè)芙夤腆w均顯著低于西北溝(T檢驗:P<0.05,P<0.001；表4),說明西北溝水中鹽粒子與固體雜質(zhì)較多。塘子溝水中總磷(0.007±0.001)mg/L與總氮(0.153±0.005)mg/L含量符合Ⅰ類地表水標準(≤ 0.02 mg/L,GB 3838-2002),且顯著低于西北溝總磷(0.024±0.004)mg/L與總氮含量((0.267±0.02)mg/L,表4)。2014年,塘子溝水體總磷與總氮平均含量分別為0.03 mg/L,1.1 mg/L[9],遠大于目前水平,說明松山保護區(qū)近年來水質(zhì)大幅改善。塘子溝與西北溝水體總有機碳含量差別不顯著(P>0.05),銅含量均低于檢測上限0.05 mg/L,六價鉻含量均低于檢測上限0.004 mg/L,銅、六價鉻含量均符合Ⅰ類地表水標準(表4)?？傮w來說,松山塘子溝水質(zhì)符合Ⅰ類地表水標準,西北溝水中鹽離子與固體雜質(zhì)較多、氮磷含量偏高。

表4 研究樣點水質(zhì)特征Tab.4 The water quality features at the studied sites

Pearson相關(guān)分析表明,上述所調(diào)查的水質(zhì)指標中,北京水毛茛蓋度與總?cè)芙夤腆w、總磷、總有機碳含量均有顯著正相關(guān)關(guān)系(表5),其中與水體總有機碳相關(guān)性最強(r=0.62,P<0.01)。據(jù)實地調(diào)查,本研究中北京水毛茛分布的區(qū)域底泥相對較厚,其中蘊藏了大量的有機碳,有機碳是植被有機質(zhì)主要來源[17],因此,水體有機質(zhì)與底泥含量較多的河段北京水毛茛生長更為茂密,這與水體流速慢的水域有助于營養(yǎng)物質(zhì)持留從而形成穩(wěn)定的植物群落結(jié)構(gòu)的結(jié)論[4]較為一致?？?cè)芙夤腆w是溶解在水里的無機鹽和有機物的總稱,隨著水生植被生物量的增大,水生植被根系分泌物增多,總?cè)芙夤腆w含量增多,因而北京水毛茛蓋度與總?cè)芙夤腆w含量成正比。

表5 水質(zhì)北京水毛茛蓋度的相關(guān)性Tab.5 The Pearson correlation between water quality and coverage of Batrachium Pekinense L.Liou

磷是植物生長發(fā)育必須的大量元素,缺磷對植物光合作用、呼吸作用及生物合成等過程均有影響。水體富營養(yǎng)化會導致水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,當總磷含量高于0.11 mg/L、總氮含量高于1.2 mg/L時,水體出現(xiàn)富營養(yǎng)化；當水體總氮含量高于2.4～3.9 mg/L,或總磷含量高于0.05 mg/L時,水生植物蓋度和多樣性下降,浮游植物逐漸占主導[18]。本研究涉及的水體總磷含量在0.005～0.04 mg/L之間(表2),遠未達到富營養(yǎng)化水平,在現(xiàn)有的總磷含量范圍內(nèi),總磷含量的適度增加有利于提高于北京水毛茛凈初級生產(chǎn)力。因此,水體總磷與總氮含量不是本區(qū)域內(nèi)北京水毛茛生長分布的限制性環(huán)境因素。水體重金屬影響沉水植物群落結(jié)構(gòu),本研究區(qū)域內(nèi)銅、六價鉻含量極低,均符合Ⅰ類地表水標準(表4),因此,重金屬含量對北京水毛茛生長分布無顯著影響。

3.3 微生物群落多樣性

微生物能附著在水生植物表面形成生物膜,通過硝化與反硝化作用、金屬還原等影響水生植物養(yǎng)分來源與水質(zhì)狀況,因此,探討北京水毛茛生長分布與水體微生物的關(guān)系對于北京水毛茛就地保護意義重大。高通量測序分析表明,塘子溝細菌與真菌群落Chao1指數(shù)分別為3803±80,1030±56,西北溝細菌與真菌群落Chao1指數(shù)分別為2 602±189,745±148(表2),T檢驗表明塘子溝比西北溝細菌群落多樣性高(P<0.001),而真菌群落多樣性差異不顯著(P>0.05)。Pearson相關(guān)分析表明,隨海拔上升,研究區(qū)域內(nèi)細菌群落多樣性顯著下降(r=-0.74,P<0.001,表6),而真菌群落多樣性隨海拔無顯著變化(P>0.05,表6),這是由于塘子溝采樣點海拔跨度大且海拔低、水溫高,多樣的生境和適宜的溫度導致塘子溝水體細菌多樣性較西北溝高,而真菌對環(huán)境變化的敏感性低,因此真菌群落多樣性未表現(xiàn)出隨海拔和地點的變化。

基于高通量測序結(jié)果,北京水毛茛群落蓋度與水體細菌、真菌群落多樣性無顯著相關(guān)性(P>0.05,表6),這可能是因為研究區(qū)域內(nèi)水質(zhì)條件較好,塘子溝水質(zhì)達到國家Ⅰ類地表水標準,玉渡山區(qū)級保護區(qū)水質(zhì)也接近國家Ⅰ類地表水標準,清澈水體中微生物與植物生長繁殖態(tài)勢穩(wěn)定,未表現(xiàn)出同步變化的趨勢。

表6 水體微生物群落多樣性、環(huán)境因子、北京水毛茛蓋度三者之間的相關(guān)性Tab.6 The Pearson correlations among aquatic microbial community diversity,environmental factors and the coverage of Batrachium pekinense L.Liou

4 結(jié)論

珍稀植物的保護方法包括就地保護與遷地保護,其中就地保護是保護珍稀植物原生生境的有效方法[19],例如,建立自然保護區(qū)、風景名勝區(qū)等。無論何種保護措施,都需要深入了解植物生長限制因子,盡量營造一個適宜的生境以保證物種的正常繁殖。本研究針對松山自然保護區(qū)及其毗鄰的玉渡山自然保護區(qū),綜合水系與水文特征、水質(zhì)特征與水體微生物等多方面因素,從物理、化學、生物等多角度闡釋影響自然保護區(qū)內(nèi)北京水毛茛分布的環(huán)境因素,是對已有研究的極大擴展和補充。研究結(jié)果表明,水體總有機碳含量和溪流寬度是影響北京水毛茛分布的主要因素,其次為水體總?cè)芙夤腆w含量和總磷含量。因此,在北京水毛茛種群就地保護工作中應注意促進底泥堆積、加強水質(zhì)管理、適當增大溪流寬度,提高生境質(zhì)量和生態(tài)容量,促進北京水毛茛生長繁殖,保護這一珍稀種質(zhì)資源。

本研究首次發(fā)現(xiàn)溪流寬度對于沉水類植物的影響,當流量一定時,溪流寬度越大,水深越淺、流速越慢,則更有利于底泥和有機物的積累,有利于擴大北京水毛茛的適生生境。同時,溪流底部的巖石構(gòu)造、光滑程度等也會影響到底泥和有機物積累。而在流速急、水量大、深水流域,底泥和有機質(zhì)難以在河底沉積,水生植物根系無處固著,此時溪流寬度可能無法影響北京水毛茛的分布,或者此類水域不適合北京水毛茛生長。溪流寬度、河床結(jié)構(gòu)、水量水速等多種物理因素等都會影響底泥和有機質(zhì)的堆積,從而影響到北京水毛茛的生長分布。由此可見,在適宜的水文水質(zhì)條件下,底泥和有機質(zhì)含量的多少是影響北京水毛茛生長分布的主要因素。研究認為,在北京水毛茛就地保護工作中,不僅要注意水質(zhì)、物種競爭等化學、生物要素的影響,同時也要關(guān)注物理環(huán)境變化所帶來的影響。

本研究區(qū)域內(nèi)有4處水域(樣點2,4,6,7,表1)適合北京水毛茛生長,具體生境特征為:溪流寬度介于1.2～7.0 m之間,水深介于0.15～0.37 m,水體流速小于0.23 m/s,水溫10～13.4 ℃(表1)；水體呈弱堿性,水體溶解氧含量介于10.6～11.4 mg/L,水體總固體含量小于223 mg/L,水體總磷含量小于0.04 mg/L、總氮含量小于0.33 mg/L,水體總有機碳含量1.5～3.0 mg/L,水體重金屬銅含量小于0.05 mg/L、六價鉻含量小于0.004 mg/L(表2)。上述生境指標數(shù)據(jù)為后續(xù)北京水毛茛環(huán)境特征分布模型的建立以及臨近區(qū)縣潛在分布區(qū)的預測提供了數(shù)據(jù)支撐,有利于下一步在相關(guān)區(qū)域開展針對性保護工作。

本研究揭示了水體底泥有機質(zhì)和溪流水系特征對北京水毛茛生長分布的影響,明確了研究區(qū)域內(nèi)北京水毛茛生境特征閾值。北京水毛茛是水質(zhì)好壞的生物指示器,自然保護區(qū)應借助科學調(diào)查結(jié)果制定相關(guān)保護措施,深化研究結(jié)果的實踐指導意義。后續(xù)研究將擴大調(diào)查范圍,針對自然保護區(qū)、濕地、平原等不同區(qū)域開展北京水毛茛的調(diào)查研究,深化這一珍稀野生植物的研究與保護工作。