青藏高原沙柳河流域自然徑流驅(qū)動(dòng)的流域生物信息流量化特征——以環(huán)境微生物為指標(biāo)

楊海樂,杜 浩,祁洪芳,俞錄賢,危起偉,*

1 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院長江水產(chǎn)研究所,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部淡水生物多樣性保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430223 2 青海湖裸鯉救護(hù)中心, 青海省青海湖裸鯉繁育與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西寧 810016

流域是生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)基本單元[1-2],對(duì)于生態(tài)學(xué)研究具有非常重要的意義[3-4]。流域生態(tài)學(xué)(watershed ecology)是研究流域范圍內(nèi)陸地和水體生態(tài)系統(tǒng)相互關(guān)系的學(xué)科(全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)),其主體在于以流域生態(tài)系統(tǒng)過程為核心將所關(guān)聯(lián)起的流域內(nèi)各相關(guān)子系統(tǒng)整合起來進(jìn)行研究[5]。流域生態(tài)系統(tǒng)過程研究的核心工作是對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)中依托于水循環(huán)過程的各個(gè)子系統(tǒng)之間及之內(nèi)的物質(zhì)流、能量流、信息流進(jìn)行研究[6]。在近百年來的流域生態(tài)相關(guān)研究中,物質(zhì)流和能量流的問題都得到了廣泛的關(guān)注和深入的研究[7- 10],相比較而言,信息流雖然曾有研究涉及[11- 14],但還很少,也沒有建立起相應(yīng)的研究范式、概念模型和框架體系,是整個(gè)流域生態(tài)系統(tǒng)過程研究中的明顯短板。為推動(dòng)流域生態(tài)學(xué)研究格局的進(jìn)一步完善,并促進(jìn)其進(jìn)一步發(fā)展,有必要探索流域信息流的研究,尤其是流域生物信息流的研究。

生物信息流有三個(gè)層次:1)不同生命物質(zhì)間的信息傳遞,即分子生物學(xué)層面的轉(zhuǎn)錄、翻譯等過程所承載的生物信息傳遞[15-16]；2)生物物種間及生物個(gè)體間相互作用的信息傳遞,即生態(tài)學(xué)層面的生物相互作用過程所承載的生物信息傳遞[17-18]；3)生物空間遷移的信息傳遞,即生物體或生物物質(zhì)的擴(kuò)散與遷移過程所承載的生物信息傳遞[19-20]。結(jié)合流域生態(tài)系統(tǒng)過程和生物信息流的研究內(nèi)容,本研究提出“流域生物信息流”的概念,并將其定義為“生物信息依托于流域生態(tài)系統(tǒng)過程在不同空間和系統(tǒng)之間進(jìn)行傳遞、交流、作用、反饋的路徑、過程與控制”,主要關(guān)注生物體及生物質(zhì)所承載的生物信息在時(shí)空上的遷移擴(kuò)散,以及與生物體及生物質(zhì)間相互作用相伴隨的生物信息作用和反饋。流域生態(tài)系統(tǒng)過程研究主要關(guān)注流域生態(tài)系統(tǒng)的水陸間、干支流間、上下游間、不同生態(tài)斑塊間、不同要素間的相互作用過程、周期性節(jié)律和趨勢性變遷[21]。相應(yīng)的,流域生物信息流研究主要關(guān)注于水陸間、干支流間、上下游間、不同生態(tài)斑塊間的生物信息流,這些生物信息流的周期性節(jié)律和趨勢性變遷,以及地貌、水文、人類活動(dòng)對(duì)這些生物信息流的影響等。

本研究以青藏高原區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)組成相對(duì)簡單、人類干擾相對(duì)較弱的青海湖重要入湖河流——沙柳河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域,以河流水體微生物和岸帶土壤微生物為研究對(duì)象,用環(huán)境DNA技術(shù)對(duì)沙柳河流域由陸地到水體、由上游到下游、由支流到干流的流域生物信息流(即自然徑流驅(qū)動(dòng)的微生物種類的空間輸移)進(jìn)行定量研究,(1)量化由陸地到水體的流域生物信息流的輸移效率并探討其驅(qū)動(dòng)因素,(2)量化由上游到下游、由支流到干流的流域生物信息流的輸移效率并探討其驅(qū)動(dòng)因素,(3)量化降雨對(duì)流域生物信息流輸移效率的影響并探討其影響機(jī)制。以期拋磚引玉,為流域生態(tài)學(xué)研究者的流域生態(tài)系統(tǒng)過程相關(guān)研究和探索提供借鑒。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

青海湖位于中國西部青藏高原上,是中國最大的高原半咸水內(nèi)陸湖泊,對(duì)于生態(tài)保護(hù)來講具有重要的戰(zhàn)略意義,同時(shí)其流域生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)簡單,對(duì)于流域生態(tài)學(xué)研究來講具有重要的模式意義。沙柳河是青海湖五條主要入湖河流之一,發(fā)源于青海省海北藏族自治州剛察縣境內(nèi)桑斯扎山南麓,全長106 km,流經(jīng)剛察縣城后注入青海湖,流域面積1320 km2。流域內(nèi)以山間草原-草甸牧區(qū)為主,生態(tài)系統(tǒng)類型在空間分布上同質(zhì)性較高,人類活動(dòng)干擾也較弱,對(duì)于流域生物信息流研究來講,是一個(gè)較為理想的簡化模型式的研究區(qū)域。

本研究在沙柳河干支流上共設(shè)置9個(gè)樣點(diǎn)(如圖1),沿沙柳河干流由下而上依次是SL1、SL2、SL3、SL4、SL5m。SL4b是位于SL3和SL4之間的一個(gè)支流上的一個(gè)樣點(diǎn),SL4b處的河流徑流量小于SL4處的河流徑流量,SL5、SL6、SL6b是位于SL4和SL5m之間的一個(gè)支流上的3個(gè)樣點(diǎn),SL5處的河流徑流量小于SL5m處的河流徑流量,SL6b處的河流徑流量小于SL6處的河流徑流量。

圖1 樣點(diǎn)設(shè)置Fig.1 Sampling sitesSL1,即沙柳河1號(hào)采樣點(diǎn)；采樣點(diǎn)下括號(hào)內(nèi)的距離,指該采樣點(diǎn)到河流入湖口的徑流距離

1.2 研究方法

2019年6月25日和26日,自沙柳河入湖口向上游依次采樣,每個(gè)樣點(diǎn)采河流水樣和岸帶土樣,其中岸帶土壤采樣處離河流水體直線距離不超過5 m。6月25日,白天天氣晴好,河水清澈,共采了河流入湖口SL1和河流下游SL2共2個(gè)樣點(diǎn)的樣品；6月25日晚,開始下雨,26日白天繼續(xù)下零星小雨,河水較濁,自下而上依次采了剩下的7個(gè)樣點(diǎn)的樣品。

河流水樣采集,用新的純凈水水瓶在河中流水區(qū)域用河水涮洗3次后取1.5 L河水,在冰袋泡沫箱中保持低溫,帶回剛察青海湖裸鯉放流站實(shí)驗(yàn)室。用0.2 μm水系微孔濾膜抽濾,將抽濾后的濾膜裝入滅菌的50 mL離心管,-20℃保存帶回武漢農(nóng)業(yè)農(nóng)村部淡水生物多樣性保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。用DNeasy PowerWater Kit試劑盒提取微生物DNA,送測序公司基于Illumina HiSeq測序平臺(tái)針對(duì)細(xì)菌16S rRNA擴(kuò)增子(V3—V4區(qū))進(jìn)行高通量測序。

岸帶土樣采集,用滅菌的50 mL離心管在岸帶離水體5 m距離內(nèi)的區(qū)域采取草皮下的土壤樣品,在冰袋泡沫箱中保持低溫,帶回剛察青海湖裸鯉放流站實(shí)驗(yàn)室,-20℃冷凍處理并保存帶回武漢農(nóng)業(yè)農(nóng)村部淡水生物多樣性保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。用DNeasy PowerSoil Kit試劑盒提取微生物DNA,送測序公司基于Illumina HiSeq測序平臺(tái)針對(duì)細(xì)菌16S rRNA擴(kuò)增子(V3—V4區(qū))進(jìn)行高通量測序。

對(duì)測序所得序列(reads)進(jìn)行拼接過濾,獲得優(yōu)化序列(clean tags),并進(jìn)行聚類劃分(0.97的相似度),整理出OTUs(Operational Taxonomic Units),以silva132/16s_bacteria為比對(duì)物種分類數(shù)據(jù)庫進(jìn)行物種注釋(分類置信度0.7),然后進(jìn)行樣品間OTUs種類組成的對(duì)比分析等。

1.3 流域生物信息流分析

流域生物信息流可通過兩個(gè)量化層面而分為兩類:第一類是數(shù)量定量,即基于流域生態(tài)系統(tǒng)過程中所輸移的生物信息的堿基數(shù)來定量分析,該類(層面)的流域生物信息流的量化用信息論的量化方式來量化；第二類是種類定量,即基于流域生態(tài)系統(tǒng)過程中所輸移的生物信息的種類(比如OTUs、物種等)來定量分析,該類(層面)的流域生物信息流的量化用基于種類的平行對(duì)比來量化。種類定量的流域生物信息流的量化,用以描述流域生物信息流輸出生態(tài)系統(tǒng)的生物組成特征及其對(duì)輸入生態(tài)系統(tǒng)的生物組成的影響方式,監(jiān)測技術(shù)和計(jì)算方案相對(duì)簡單。數(shù)量定量的流域生物信息流的量化,用以描述流域生物信息流輸出生態(tài)系統(tǒng)的群落結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)輸入生態(tài)系統(tǒng)的各相關(guān)種群結(jié)構(gòu)的影響能力,對(duì)監(jiān)測技術(shù)要求較高。本文的流域生物信息流探索性研究,從相對(duì)較簡單的種類定量著手。

根據(jù)流域生物信息流由陸地到水體、由上游到下游的過程,比較相關(guān)樣品間的所檢出生物種類組成(OTU)數(shù)據(jù),用覆蓋度(coverage)和有效度(efficiency)來種類定量衡量流域生物信息流的基本特征。覆蓋度用輸入的OTU種類數(shù)(源-匯共有部分)占所輸入生態(tài)系統(tǒng)總的OTU種類數(shù)(匯的整體部分)的比例來表示,衡量流域生物信息流輸入對(duì)匯生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性檢出狀況的貢獻(xiàn)和影響(公式1)；有效度用輸入的OTU種類數(shù)(源-匯共有部分)占輸出生態(tài)系統(tǒng)總的可輸出的OTU種類數(shù)(源的整體部分)的比例來表示,衡量流域生物信息流所承載的生物多樣性信息對(duì)匯生態(tài)系統(tǒng)的輸入能力(公式2)。

(1)

(2)

其中,c指流域生物信息流的覆蓋度,e指流域生物信息流的有效度,SOTU指源樣品(上下游流域生物信息流中的上游樣品、陸水流域生物信息流中的陸地樣品)的OTU種類組成,POTU指匯樣品(上下游流域生物信息流中的下游樣品、陸水流域生物信息流中的水體樣品)的OTU種類組成,SOTU∩POTU指源-匯共有的OTU種類組成,Num(SOTU∩POTU)指源-匯共有的OTU種類數(shù),Num(POTU)指匯的OTU種類數(shù),Num(SOTU)指源的OTU種類數(shù)。

根據(jù)影響流域生物信息流由陸地到水體、由上游到下游過程的要素,比較相關(guān)樣品間的所檢出生物種類組成(OTU)數(shù)據(jù),用輸移能力(transport capacity)、環(huán)境過濾效應(yīng)(filtration)、衰減效應(yīng)(attenuation)來量化描述流域生物信息流的控制性過程。對(duì)于由陸地到水體的流域生物信息流來講,以同一樣點(diǎn)的土壤樣品與水體樣品共有OTU種類數(shù)占該土壤樣品所擁有的OTU種類總數(shù)的比例,表征該樣點(diǎn)岸帶生物信息向水體的輸移效率(即有效度,公式2)；以同一樣點(diǎn)的土壤樣品與水體樣品共有OTU種類數(shù)占該土壤樣品與所有水體樣品共有OTU類型數(shù)的比例,表征該樣點(diǎn)岸帶生物信息向水體的輸移能力(公式3)；以各土壤樣品與所有水體樣品共有OTU類型數(shù)占該土壤樣品OTU類型總數(shù)的比例,從對(duì)立面反映該樣點(diǎn)岸帶生物信息在輸入水體過程中的環(huán)境過濾效應(yīng)(公式4)；流域生物信息流當(dāng)中既包括有效流域生物信息流(標(biāo)記有生命活性物質(zhì)的生物信息的輸移和傳遞),也包括無效流域生物信息流(標(biāo)記無生命活性物質(zhì)的生物信息的輸移和傳遞),無效流域生物信息流在輸移過程中存在自然降解衰減的過程,這種衰減一定程度上可以反映到生物信息種類的減少,因?yàn)樗憳狱c(diǎn)間距不超過5 m,所以忽略衰減效應(yīng)。

(3)

(4)

其中,t指輸運(yùn)流域生物信息流的輸移能力,f指流域生物信息流所經(jīng)歷的環(huán)境過濾效應(yīng),SOTU指源樣品(在此指土壤樣品)的OTU種類組成,POTU指匯樣品的OTU種類組成,WOTU指所有水體樣品整體的OTU種類組成,SOTU∩POTU指源-匯共有的OTU種類組成,SOTU∩WOTU指源-水共有的OTU種類組成Num(SOTU∩POTU)指源-匯共有的OTU種類數(shù),Num(SOTU∩WOTU)指源-水共有的OTU種類數(shù),Num(SOTU)指源的OTU種類數(shù)。

因?yàn)楹恿魃嫌蔚较掠蔚牧饔蛏镄畔⒘鬏斠凭嚯x較長,無效流域生物信息流在輸移過程中的自然降解導(dǎo)致了一定的無效流域生物信息流衰減效應(yīng),所以需要予以考慮。由河川徑流驅(qū)動(dòng)的流域生物信息流其輸移能力在上下游間幾近一致,因此本研究設(shè)定單位距離內(nèi)的輸移能力為一個(gè)常數(shù)；河流上下游之間的生態(tài)環(huán)境具有一定的一致性,因此本研究設(shè)定基于河流水體生物信息的流域生物信息流中的無效流域生物信息流為一個(gè)常數(shù)；衰減效應(yīng)隨著輸移過程中無效流域生物信息流的淘汰出清而由上到下逐漸減弱,因而本研究引入半衰距離概念；樣點(diǎn)間物理化學(xué)環(huán)境發(fā)生明顯變化時(shí)會(huì)形成環(huán)境過濾效應(yīng),環(huán)境過濾效應(yīng)主要作用于有效流域生物信息流,環(huán)境過濾效應(yīng)的強(qiáng)弱主要依賴于物理化學(xué)環(huán)境變化的程度,所以本研究設(shè)定特定樣點(diǎn)間的環(huán)境過濾效應(yīng)為一個(gè)常數(shù)；基于以上,可得計(jì)算公式5。

(5)

其中,e指流域生物信息流累計(jì)輸移效率,t指單位距離內(nèi)的輸移能力,k指流域生物信息流中的無效流域生物信息流占比,d指流域生物信息流的輸移距離,D指無效流域生物信息流的半衰距離,f指環(huán)境過濾效應(yīng)。

本研究中,由于由樣點(diǎn)SL3到SL2的流域生物信息流涉及采樣天氣狀況不一致的問題,由樣點(diǎn)SL2到SL1的流域生物信息流涉及入湖口咸淡水交匯產(chǎn)生的環(huán)境過濾效應(yīng)的問題,所以以樣點(diǎn)SL3以上的各樣點(diǎn)間流域生物信息流數(shù)據(jù)進(jìn)行基礎(chǔ)的流域生物信息流輸移能力、無效流域生物信息流占比和無效流域生物信息流半衰距離的估算,然后與樣點(diǎn)SL2處的流域生物信息流數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,估算采樣天氣條件切換帶來的影響,與樣點(diǎn)SL1處的流域生物信息流數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,估算環(huán)境過濾效應(yīng)。用演化算法進(jìn)行規(guī)劃求解,以隨機(jī)數(shù)為初始值,進(jìn)行30次計(jì)算,然后對(duì)所得參數(shù)組進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 各樣品的序列狀況和OTU狀況

本實(shí)驗(yàn)包括9個(gè)水體微生物樣品(W系列)和9個(gè)土壤微生物樣品(S系列),測序共獲得優(yōu)化序列968122條,優(yōu)化堿基402800844bp,優(yōu)化序列平均長度為416.06bp。各樣品的序列數(shù)量和長度分布如圖2。

圖2 各樣品的序列數(shù)量和長度Fig.2 The number and length of DNA sequences in each sample樣品以樣品類型(S、W)加樣點(diǎn)編號(hào)(SL1、SL2、SL3、SL4、SL4b、SL5m、SL5、SL6、SL6b)的形式來表示,其中S指土壤樣品,W指水體樣品。比如S_SL1,即樣點(diǎn)SL1處的土壤樣品

對(duì)所有樣品的數(shù)據(jù)進(jìn)行OTU物種注釋分析,共獲得7436個(gè)OTU,隸屬于2515種、1154屬、569科、328目、109綱、42門,其中水體微生物樣品中共有6356個(gè)OTU,土壤微生物樣品中共有5297個(gè)OTU。具體到各個(gè)樣品,水體微生物樣品的OTU數(shù)量呈基本穩(wěn)定態(tài)勢,土壤微生物樣品的OTU數(shù)量則呈自下游到上游逐漸遞減的態(tài)勢；水體微生物樣品的OTU種類整體上比土壤微生物樣品的要多,除了樣點(diǎn)SL1和SL2(圖3)。

圖3 各樣品的OTU數(shù)量和種類Fig.3 The numbers and types of OTU in each sampleS指土壤樣品,W指水體樣品,種類指OTU的種類數(shù),數(shù)量指OTU的數(shù)量總數(shù)

分析土壤微生物樣品的OTU種類的空間差異,即比較上下游相鄰樣點(diǎn)的土壤微生物樣品OTU種類,統(tǒng)計(jì)上游樣點(diǎn)所獨(dú)有的OTU種類數(shù)。結(jié)果顯示(1)樣點(diǎn)SL5m、SL5與相鄰下游樣點(diǎn)SL4之間的OTU種類差異最小,(2)下游樣點(diǎn)與上游(流量相對(duì)較大的)干流樣點(diǎn)之間的OTU種類差異相比于與上游(流量相對(duì)較小的)支流樣點(diǎn)之間的OTU種類差異更小(圖4)。

圖4 上下游相鄰樣點(diǎn)的土壤微生物樣品OTU種類差異統(tǒng)計(jì)Fig.4 The differences of OTU types in the soil samples between adjacent sampling sites along the river network上下游相鄰樣點(diǎn)間的差異,其差異對(duì)用點(diǎn)位對(duì)比表示,例如SL1-2指樣點(diǎn)SL1和樣點(diǎn)SL2之間的對(duì)比

2.2 各樣點(diǎn)間的流域生物信息流

覆蓋度用以衡量流域生物信息流輸入對(duì)匯生態(tài)系統(tǒng)的生物種類組成信息的貢獻(xiàn)和影響；有效度用以衡量流域生物信息流所承載的生物種類組成信息對(duì)匯生態(tài)系統(tǒng)的有效輸入能力。由土壤到水體、由上游到下游的流域生物信息流的覆蓋度大都小于有效度(除了W_SL5-W_SL4這對(duì)關(guān)系和涉及SL1和SL2的2個(gè)位點(diǎn)的4對(duì)關(guān)系)；由土壤到水體的流域生物信息流的覆蓋度均小于相鄰位點(diǎn)的由水體上游到下游的流域生物信息流的覆蓋度；樣點(diǎn)SL1和SL2(降雨前采樣)的由土壤到水體的流域生物信息流的有效度小于其他7個(gè)樣點(diǎn)(降雨期間采樣)的(表1)。

表1 由陸地到水體、由上游到下游的流域生物信息流特征(用OTU種類來計(jì)算)

流域生物信息流用樣品間的對(duì)比來表示。例如S_SL6-W_SL6指在樣點(diǎn)SL6處由岸帶土壤到河流水體的流域生物信息流；W_SL6-W_SL5指從樣點(diǎn)SL6到樣點(diǎn)SL5的由上游到下游的水體中的流域生物信息流

降雨天(中上游7個(gè)樣點(diǎn)),由陸地到水體的流域生物信息流的輸移效率為62.76%左右(0.627643±0.087327),輸移能力為68.49%左右(0.684876±0.091302),環(huán)境過濾效應(yīng)為8.38%左右(0.083816±0.020574),因?yàn)樗憳狱c(diǎn)間距不超過5m,所以忽略其衰減效應(yīng)。各樣點(diǎn)由陸地到水體的流域生物信息流的環(huán)境過濾效應(yīng)、輸移能力、輸移效率具體見表2。

表2 各樣點(diǎn)由陸地到水體的流域生物信息流的輸移能力、環(huán)境過濾效應(yīng)、輸移效率

由上到下的流域生物信息流,以各干支流最上游樣點(diǎn)為起點(diǎn),沿河川徑流方向由上到下,共4條流域生物信息流連續(xù)輸移線。計(jì)算各河流上游到下游的流域生物信息流路徑的點(diǎn)間輸移效率和累計(jì)輸移效率(表3),該效率是上下游樣點(diǎn)區(qū)域間輸移能力、衰減效應(yīng)、環(huán)境過濾效應(yīng)共同作用的結(jié)果。

表3 4條由上到下的流域生物信息流的點(diǎn)間徑流距離、點(diǎn)間輸移效率、累計(jì)徑流距離、累計(jì)輸移效率

由上到下的流域生物信息流,其輸移能力約為99.42%(0.994245±0.000941) km,其無效流域生物信息流占比約為43.46%(0.434635±0.041681),無效流域生物信息流的半衰距離約為14.52(14.523377±1.440539)km,樣點(diǎn)SL3和SL2的采樣天氣條件切換(上游雨下游晴)帶來的環(huán)境過濾效應(yīng)約為0.57%(0.005687±0.005450),河口樣點(diǎn)SL1處的半咸水所產(chǎn)生的環(huán)境過濾效應(yīng)約為54.42%(0.544164±0.010042)。根據(jù)由上游到下游的流域生物信息流計(jì)算公式,不考慮樣點(diǎn)SL2、SL1的環(huán)境過濾效應(yīng),基礎(chǔ)綜合流域生物信息流輸移有效度約為97.41%(0.974105±0.000926) km。

比較干支流交匯處上下游的3個(gè)樣點(diǎn)中的4個(gè)樣品的OTU種類,共3組,結(jié)果顯示,W_SL6對(duì)W_SL5的覆蓋度比W_SL6b對(duì)W_SL5的覆蓋度更大,W_SL5m對(duì)W_SL4的覆蓋度比W_SL5對(duì)W_SL4的覆蓋度更大,W_SL4對(duì)W_SL3的覆蓋度比W_SL4b對(duì)W_SL3的覆蓋度更大；在3組樣品的OTU種類比較中,W_SL4、W_SL5、W_SL3三個(gè)樣品中的獨(dú)有OTU種類占比依次增加,即來自上游2個(gè)樣點(diǎn)到本樣點(diǎn)(W_SL4、W_SL5、W_SL3)間匯水區(qū)的流域生物信息流特異性依次增強(qiáng)(表4)。

表4 3組干支流交匯處上下游的3個(gè)樣點(diǎn)中的4個(gè)樣品的OTU種類對(duì)比統(tǒng)計(jì)分析

3 討論

3.1 流域生物信息流增加了輸入?yún)^(qū)域的可檢出生物多樣性

流域生物信息流是流域生態(tài)系統(tǒng)過程的重要組成部分,包括有效流域生物信息流和無效流域生物信息流(圖5)。在自然徑流驅(qū)動(dòng)的流域生態(tài)系統(tǒng)過程中,物質(zhì)、能量、信息都沿著由陸地到水體、由支流到干流、由上游到下游的方向進(jìn)行流動(dòng)[22-23]。對(duì)下游樣點(diǎn)的水體環(huán)境DNA進(jìn)行檢測,可以了解上游區(qū)域的生物群落組成情況[12, 24]；對(duì)水體樣點(diǎn)的環(huán)境DNA進(jìn)行檢驗(yàn),可以了解流域內(nèi)陸地上生物群落組成情況[11, 25]。對(duì)于宏體生物來講,以環(huán)境DNA形式從陸地到水體、從支流到干流、從上游到下游的流域生物信息流往往只是其組織碎片或者游離細(xì)胞,甚至裸露的DNA[24, 26- 28]。對(duì)于微生物來講,以環(huán)境DNA形式從陸地到水體、從支流到干流、從上游到下游的流域生物信息流往往既包含活的生物個(gè)體或細(xì)胞,也有死的生物個(gè)體或細(xì)胞[29-30]。宏體生物的組織碎片、游離細(xì)胞和裸露DNA,以及微生物的死亡個(gè)體和細(xì)胞,因?yàn)椴辉倬哂猩钚?相應(yīng)地其承載的流域生物信息流都是無效流域生物信息流,因而對(duì)輸入地生態(tài)系統(tǒng)的生物種類組成不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。宏體生物個(gè)體甚至種群,以及微生物的存活個(gè)體和細(xì)胞,因?yàn)榫哂猩钚?相應(yīng)地其承載的流域生物信息流(比如魚類洄游[31-32],水生生物入侵[33-34]等)屬于有效流域生物信息流,因而對(duì)輸入地生態(tài)系統(tǒng)的生物種類組成及群落結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較明顯的影響。

有效流域生物信息流在一定程度上增加了輸入地的生物多樣性。對(duì)于宏體生物來講,周期性的生物遷入能夠增加遷入地的生物多樣性,比如一些山間河流和季節(jié)性河流,洄游產(chǎn)卵親魚和季節(jié)性遷移水生生物的到來,在一定程度上增加了該河流的生物多樣性[35]。對(duì)于微生物來講,由上游和由陸地輸入的有效流域生物信息流能夠在一定程度上增加輸入地的微生物生物多樣性。本研究中,同一樣點(diǎn)的岸帶土壤微生物和河流水體微生物在種類組成上有一定程度的重合(表1),可以認(rèn)為絕大多數(shù)是陸地土壤對(duì)河流水體的微生物輸入,雖然不能排除由人類、家畜、陸生野生動(dòng)物等的取水、飲水、涉河等活動(dòng)將一些水體微生物帶到岸帶土壤中,但因?yàn)槠湓谡麄€(gè)流域生態(tài)系統(tǒng)過程中所占份額遠(yuǎn)不及自然徑流所驅(qū)動(dòng)的由陸到水的流域生態(tài)系統(tǒng)過程所占份額,所以其絕對(duì)不是主要的部分。上下游相鄰樣點(diǎn)間的水體微生物在種類組成上有一定程度的重合(表1),可以認(rèn)為絕大多數(shù)是上游對(duì)下游的微生物輸入,雖然不能排除由水生野生動(dòng)物的溯河遷移等活動(dòng)將一些下游水體微生物帶到上游,但因?yàn)槠湓谡麄€(gè)流域生態(tài)系統(tǒng)過程中所占份額遠(yuǎn)不及自然徑流所驅(qū)動(dòng)的由上游到下游的流域生態(tài)系統(tǒng)過程所占份額,所以其絕對(duì)不是主要的部分。

流域生物信息流對(duì)輸入地的生物多樣性的增加是非累積的。本研究中,由土壤到水體、由上游到下游的微生物群落組成覆蓋度普遍小于有效度(除了W_SL5-W_SL4這對(duì)關(guān)系和涉及SL1和SL2的2個(gè)位點(diǎn)的4對(duì)關(guān)系)(表1),也就是說,多來源的流域生物信息流的輸入使得匯生態(tài)系統(tǒng)的可檢出生物多樣性獲得增長,且大于任一源生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性。Deiner等曾提出一個(gè)描述生物多樣性、環(huán)境DNA與河流等級(jí)之間關(guān)系的概念模型[11],涉及這一問題。其假設(shè)環(huán)境DNA所反映的物種豐富度隨著河流的Strahler等級(jí)的增大而不斷升高最終達(dá)到穩(wěn)定,但對(duì)空間尺度適用范圍并沒有給出一個(gè)說明和限定[11]。本研究中,雖然從上游到下游每個(gè)樣點(diǎn)水體微生物生物多樣性都受流域生物信息流的輸入影響而增長,但從這一系列樣點(diǎn)的OTU種類數(shù)來看,并沒有出現(xiàn)Deiner等的模型所預(yù)期的持續(xù)增長最終達(dá)到穩(wěn)定的情況,而是呈現(xiàn)為OTU種類基本穩(wěn)定(除了樣點(diǎn)SL1和SL2),且從上游到下游的流域生物信息流在輸移過程中存在相當(dāng)程度的丟失(圖3),每個(gè)樣點(diǎn)的水體微生物多樣性相當(dāng)程度上依賴于其上游緊鄰的有限長度河段匯水區(qū)的微生物多樣性。而決定這一河段長度的是流域生物信息流的輸移效率。這一規(guī)律對(duì)于水體環(huán)境DNA技術(shù)應(yīng)用來講,尤其重要。

流域生物信息流對(duì)輸入地的生物多樣性影響的大小,依賴于各個(gè)源生態(tài)系統(tǒng)的總生物信息量(在本研究中指種類)和流域生物信息流的輸移效率。因?yàn)橥寥牢⑸飿悠返腛TU種類整體上比水體微生物樣品的要少(圖3),由土壤到水體(同一樣點(diǎn)的兩種樣品間比較)的流域生物信息流輸移效率普遍小于由上游到下游(相鄰樣點(diǎn)間比較)的流域生物信息流輸移效率(表1),導(dǎo)致由土壤到水體的流域生物信息流普遍小于由上游到下游的流域生物信息流,所以由土壤到水體的流域生物信息流對(duì)輸入地生態(tài)系統(tǒng)的影響也普遍小于由上游到下游的流域生物信息流對(duì)輸入地生態(tài)系統(tǒng)的影響,反映在指標(biāo)上即,由土壤到水體的微生物組成覆蓋度普遍小于由水體上游到下游的相鄰位點(diǎn)的微生物組成覆蓋度(表1)。

3.2 流域生物信息流的輸移效率及其影響因素

輸移效率和輸移距離是流域生物信息流過程的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。由上游到下游、由支流到干流的流域生物信息流在環(huán)境DNA監(jiān)測的視角被探討得比較多[12, 24],但其輸移效率究竟有多大？輸移距離究竟有多遠(yuǎn)？目前并尚沒有系統(tǒng)的研究,輸移效率的估算只有少量研究涉及[12, 36]；輸移距離的估算,只有一些針對(duì)宏體生物的環(huán)境DNA可監(jiān)測距離的研究,估算出的距離從小幾十米[37-38],到幾百米、數(shù)千米[36, 39],再到上百千米[40]都有。當(dāng)然,已有的這些都是無效流域生物信息流的輸移距離和輸移效率,而有效流域生物信息流的輸移距離和輸移效率則未見相關(guān)研究。由陸地到水體的流域生物信息流也在環(huán)境DNA監(jiān)測的視角有所探討[11, 25],其輸移效率有多大？輸移距離有多遠(yuǎn)？相關(guān)研究更為稀少,雖然Deiner等提出了一個(gè)描述生物多樣性、環(huán)境DNA與河流等級(jí)之間關(guān)系的概念模型,以及一個(gè)只用幾個(gè)水體環(huán)境DNA樣品就能評(píng)估流域?qū)用娴纳锒鄻有誀顩r的愿景[11],但是,并沒有量化分析輸移效率和輸移距離的問題。

本研究中,由土壤到水體的流域生物信息流,在雨天,其輸移效率為62.76%左右(中上游7個(gè)樣點(diǎn),降雨第二天采樣,且采樣時(shí)伴有零星小雨)；在晴天,其輸移效率約為44.16%(樣點(diǎn)SL2,降雨前采樣),而河流入湖口樣點(diǎn)SL1由于受青海湖咸水脅迫約束,其輸移效率約為20.17%(降雨前采樣)(表1)。需要強(qiáng)調(diào)說明的是,這里的輸移效率是河流水體5米距離內(nèi)岸帶的樣點(diǎn)到鄰近水體的流域生物信息流輸移效率。在雨天,由河流上游到下游的流域生物信息流,其基礎(chǔ)綜合輸移效率為97.41%/km(中上游7個(gè)樣點(diǎn)之間,降雨第二天采樣,且采樣時(shí)伴有零星小雨)；雖然樣點(diǎn)SL2是在降雨前采樣,SL3是在降雨天采樣,SL3到SL2的流域生物信息流涉及到晴/雨條件轉(zhuǎn)換的問題,但其環(huán)境過濾效應(yīng)僅為約0.57%,因而其輸移效率約為96.32%/km,也就是說晴雨條件并不對(duì)由河流上游到下游的流域生物信息流輸移產(chǎn)生明顯；由于樣點(diǎn)SL2和上游樣點(diǎn)一樣是淡水環(huán)境,河流入湖口樣點(diǎn)SL1則是咸淡水交匯區(qū),并且樣點(diǎn)SL1和SL2都是在晴天采的樣,所以由SL2輸入到SL1的有效流域生物信息流主要受半咸水環(huán)境脅迫問題的影響(環(huán)境過濾效應(yīng)約為54.42%),其輸移效率約為84.63%/km,也就是說水體理化條件對(duì)由河流上游到下游的流域生物信息流輸移產(chǎn)生了明顯影響。

由陸地到水體的流域生物信息流主要受地表表面流和地下潛流驅(qū)動(dòng),同時(shí)還受由陸到水的環(huán)境轉(zhuǎn)變所產(chǎn)生的環(huán)境過濾效應(yīng)的影響；由河流上游到下游的流域生物信息流主要受河川徑流驅(qū)動(dòng),同時(shí)還受遠(yuǎn)距離輸移過程中的衰減效應(yīng)的影響(圖6)。由陸地到水體、由上游到下游、由支流到干流的流域生態(tài)系統(tǒng)過程(包括流域生物信息流)主要由自然徑流(包括地表表面流、地下潛流、河川徑流)所驅(qū)動(dòng)[22-23]。因?yàn)?1)地表表面流和地下潛流遠(yuǎn)不及河道徑流對(duì)顆粒物和碎屑的攜帶能力大,其所驅(qū)動(dòng)的由土壤到水體的流域生物信息流輸移能力也小于由上游到下游的流域生物信息流輸移能力,(2)陸-水環(huán)境轉(zhuǎn)變所產(chǎn)生的環(huán)境過濾效應(yīng)比上-下游輸移過程中的衰減效應(yīng)強(qiáng),所以導(dǎo)致了由土壤到水體的流域生物信息流輸移效率也小于由上游到下游的流域生物信息流輸移效率,即由土壤到水體的微生物組成有效度普遍小于由水體上游到下游的相鄰位點(diǎn)的微生物組成有效度(表1)。

本研究中,由土壤到水體的流域生物信息流,在雨天(大量地表碎屑被侵蝕、搬運(yùn)而沖入河道,河水渾濁),輸移能力為68.49%左右(即約68.49%的生物信息能從陸地上輸移到水體里),環(huán)境過濾效應(yīng)為8.38%左右(即約8.38%的生物信息流在陸水界面切換時(shí)被過濾掉),進(jìn)而其輸移效率為62.76%左右；而在晴天,輸移能力則降為約56.82%,環(huán)境過濾效應(yīng)升為約22.28%,進(jìn)而其輸移效率降為約44.16%(表2)。由河流上游到下游的流域生物信息流,輸移能力約為99.42%/km,其中無效流域生物信息流比例約為43.46%,無效流域生物信息流的半衰距離約為14.52 km,其基礎(chǔ)綜合輸移效率為97.41%/km左右。

降雨促使地表表面流、地下潛流和河道徑流增加,增加了對(duì)顆粒物和碎屑的輸移能力,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)了由陸地到水體的流域生物信息流輸移能力的增大,同時(shí)也通過顆粒物營造的微環(huán)境減弱了陸-水環(huán)境切換帶來的環(huán)境過濾效應(yīng)[41],進(jìn)而增大了流域生物信息流的輸移效率。本研究中,由岸帶土壤到河流水體的流域生物信息流,在雨天,輸移能力為68.49%左右,環(huán)境過濾效應(yīng)為8.38%左右,其輸移效率為62.76%左右；在晴天,輸移能力約為56.82%,環(huán)境過濾效應(yīng)約為22.28%,其輸移效率約為44.16%(表2)。雨天的輸移能力顯著大于晴天的輸移能力,雨天的環(huán)境過濾效應(yīng)顯著小于晴天的環(huán)境過濾效應(yīng),進(jìn)而導(dǎo)致雨天的輸移效率顯著大于晴天的輸移效率。

有效流域生物信息流的影響力主要與徑流強(qiáng)度相關(guān),而非與河流徑流距離相關(guān)。在由上游到下游的流域生物信息流中,徑流強(qiáng)度越大,流域生物信息流輸移能力往往也越大,對(duì)匯生態(tài)系統(tǒng)影響的程度往往也越大。本研究中,對(duì)3組干支流交匯處上下游的3個(gè)樣點(diǎn)的水體微生物樣品的OTU種類的對(duì)比統(tǒng)計(jì)分析顯示,河川徑流量大的樣點(diǎn)輸出的流域生物信息流對(duì)下游生態(tài)系統(tǒng)的影響(覆蓋度)更大,而非距離近的樣點(diǎn)(表4)。對(duì)于無效流域生物信息流來講,因?yàn)槭墉h(huán)境DNA的降解、沉淀、被吸附等的限制,其往往受河流徑流距離的影響[12, 36,42]。對(duì)于有效流域生物信息流來講則不受這些因子的影響,因而有效流域生物信息流對(duì)匯生態(tài)系統(tǒng)影響的程度也就與河流徑流距離沒有明確的相關(guān)關(guān)系。但這個(gè)判斷只在一定空間尺度內(nèi)(比如本研究中河流徑流距離在幾千米至小幾十千米范圍內(nèi))可檢驗(yàn),尺度太小就會(huì)受無效流域生物信息流的影響,尺度太大就會(huì)受水環(huán)境狀況異質(zhì)性和區(qū)間匯水區(qū)生物組成異質(zhì)性的影響,進(jìn)而都會(huì)與河流徑流距離存在一定的相關(guān)性。在本研究的3組干支流交匯處上下游的3個(gè)樣點(diǎn)中的4個(gè)樣品OTU種類的比較中,3個(gè)下游樣點(diǎn)的水體微生物樣品中的獨(dú)有OTU種類占比的大小(表4),反映了來自相鄰2個(gè)上游樣點(diǎn)到下游樣點(diǎn)間匯水區(qū)的流域生物信息流的特異性強(qiáng)弱,而流域生物信息流的特異性強(qiáng)弱基本依賴于匯水區(qū)內(nèi)微生物群落相比于前后樣點(diǎn)的特異性大小(圖4)。在大空間尺度上來講,越遠(yuǎn)的空間距離往往也意味著匯水區(qū)內(nèi)越大的群落差異,進(jìn)而也就意味著上游樣點(diǎn)對(duì)下游樣點(diǎn)越小的流域生物信息流影響力。

4 結(jié)論

本文根據(jù)流域生態(tài)學(xué)發(fā)展的需要和流域生態(tài)系統(tǒng)過程研究的需要,提出了流域生物信息流概念,并對(duì)青藏高原沙柳河流域的一系列水體微生物和土壤微生物樣品進(jìn)行了分析,從生物信息種類組成層面定量研究了陸地到水體、支流到干流、上游到下游的流域生物信息流。研究結(jié)果顯示:①流域生物信息流在一定程度上增加了輸入地的可檢出生物多樣性,但這種增加是非累積的,依賴于樣點(diǎn)上游緊鄰的有限長度河段匯水區(qū)的生物多樣性和流域生物信息流的輸移效率；②降雨導(dǎo)致了地表表面流的產(chǎn)生、地下潛流和河道徑流的增加,增強(qiáng)了對(duì)顆粒物和碎屑的沖蝕和搬運(yùn)能力,進(jìn)而導(dǎo)致了流域生物信息流的輸移能力增大、環(huán)境過濾效應(yīng)減弱、輸移效率增大。

目前迅速發(fā)展的環(huán)境DNA在水生態(tài)中的應(yīng)用[11-12, 24],其理論基礎(chǔ)之一就是流域生物信息流。在目前的水體環(huán)境DNA研究中,既涉及由上游到下游、由支流到干流的流域生物信息流[12, 24],也涉及由陸地到水體的流域生物信息流[11, 25],但目前做的最多的、關(guān)注最多的是由上游到下游、由支流到干流的流域生物信息流,既涉及無效流域生物信息流[11],也涉及有效流域生物信息流[25],但關(guān)注最多研究最多的是無效流域生物信息流。本文中對(duì)這幾類流域生物信息流均做了相關(guān)的厘定和探討。另外,本文還初步提及了由下游到上游、由水體到岸上的流域生物信息流。但在本案例研究中,暫未實(shí)質(zhì)性區(qū)分有效生物信息流和無效生物信息流,暫未區(qū)分魚類(青海湖裸鯉)洄游所驅(qū)動(dòng)的流域生物信息流,暫未區(qū)分放牧(人、羊、牦牛、馬、狗等)和野生動(dòng)物(鼠兔、鳥類、狐貍等)活動(dòng)對(duì)流域生物信息流的影響,暫未區(qū)分沙塵輸移(春季的大風(fēng)沙)對(duì)流域生物信息流的影響,這些都需要下一步進(jìn)行更為深入的研究。