基于浮游動物完整性的扎龍濕地水生態(tài)狀況評價

陳 慶，柴一涵，王天鵝，孫 旭，于洪賢，柴方營，林 洪

1.黑龍江省森林草原防火預(yù)警監(jiān)測中心，黑龍江 哈爾濱 150090 2.東北林業(yè)大學(xué)奧林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040 3.哈爾濱學(xué)院地理與旅游學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150086 4.大連海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院，遼寧 大連 116023 5.東北林業(yè)大學(xué)野生動物與自然保護地學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040 6.黑龍江科技大學(xué)管理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150020

扎龍濕地是丹頂鶴最為重要的繁殖地，是白鶴遷徙期間重要的停歇地，也是其他100余種水禽的繁殖和停歇場所[1]。典型、原始的生態(tài)系統(tǒng)和豐富的生物多樣性，使扎龍濕地在全球生物多樣性保護工作中占有非常重要地位[2]。1992年中國政府加入《關(guān)于特別是作為水禽棲息地的國際重要濕地公約》，扎龍保護區(qū)被首批列入國際重要濕地名錄，受到國際社會的廣泛關(guān)注[3]。

濕地提供了重要的生態(tài)系統(tǒng)功能和價值，如野生動物棲息地、水過濾和防洪[4]。扎龍濕地作為淡水濕地的典型代表，其水環(huán)境既具有一般性又具有特殊性[5]。近年來隨著經(jīng)濟發(fā)展和人類活動，扎龍濕地湖泊旱情嚴重，東升水庫、克欽湖等一些大型水庫、湖泡水位驟降或幾乎干涸[6]，河道及湖泊周圍草地面積呈略減趨勢[7]，最終導(dǎo)致扎龍濕地嚴重缺水，面積急劇萎縮，濕地生態(tài)環(huán)境遭到嚴重破壞[8]。

浮游動物是初級生產(chǎn)者和較高營養(yǎng)水平之間的紐帶，其營養(yǎng)結(jié)構(gòu)呈季節(jié)性變化，與強烈的消費控制相一致，同時與浮游植物生物量和磷呈負相關(guān)[9]。浮游動物的分布受到環(huán)境變量的強烈影響，環(huán)境變量控制著浮游動物群落的結(jié)構(gòu)，營養(yǎng)動態(tài)的變化也會產(chǎn)生同樣強烈的潛在交互作用[10]。浮游動物的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)對營養(yǎng)物濃度和硝酸鹽及亞硝酸鹽濃度有顯著的響應(yīng)[11]。

根據(jù)浮游動物完整性指數(shù)來進行健康評價，揭示出與環(huán)境因子的關(guān)系，可以找到淡水生態(tài)系統(tǒng)浮游生物完整性的環(huán)境保護閾值[12]，研究結(jié)果對淡水生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測和保護具有指導(dǎo)意義。水生態(tài)系統(tǒng)健康的定量評價是制定水環(huán)境管理和生態(tài)恢復(fù)政策的關(guān)鍵。本文以扎龍濕地為研究區(qū)，通過采樣調(diào)查浮游動物資源，構(gòu)建浮游動物完整性指數(shù)進行健康評價，對扎龍濕地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)狀況具有重要現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

扎龍濕地上游多年平均徑流深為150～1 000 mm，下游低平原區(qū)徑流深小于10 mm，徑流量主要集中在7—9月[13]。扎龍濕地土壤主要有沼澤土、草甸鹽土、風(fēng)沙土等。土壤分布以水體為中心向崗地蔓延并呈同心圓狀分布，隨著地形的起伏，分布有草甸鹽土、風(fēng)沙土。蘆葦沼澤是扎龍濕地典型的沼澤類型，此類沼澤地表常年積水[14]，水深一般在20 cm以上[15]，最適宜蘆葦生長的水深為30 cm左右[16]。

1.2 研究方法

根據(jù)扎龍濕地類型，選取湖泡明水3處，蘆葦沼澤11處，濕草甸10處，共設(shè)置24個采樣點，每個采樣點設(shè)置3個重復(fù)(圖1，表1)，于2019年5、8、10月分別進行春、夏、秋季3次采樣調(diào)查。

圖1 扎龍濕地采樣點分布圖Fig.1 Distribution of samplingsites in Zhalong Wetland

表1 扎龍濕地采樣點信息Table 1 Information of sampling sites in Zhalong Wetland

浮游動物采集：根據(jù)水深，用5 L有機玻璃采水器分別采集上、中、下層混合水樣共20 L，通過25#浮游生物網(wǎng)(網(wǎng)眼為64 μm)過濾后，再加入5%甲醛溶液固定樣品。帶回實驗室沉淀濃縮，用Motic BA400光學(xué)顯微鏡進行物種鑒定和計數(shù)。原生動物參考《微型生物監(jiān)測新技術(shù)》[17]，輪蟲參考《中國淡水輪蟲志》[18]，枝角類參考《中國動物志·淡水枝角類》[19]，橈足類參考《中國動物志·淡水橈足類》[20]。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

浮游動物豐度根據(jù)章宗涉等[21]的研究計算。

Nz=(Vs×n)/(V×Va)

(1)

式中：Nz為浮游動物豐度；V為采集水樣體積；Vs為沉淀后水樣的體積；Va為計數(shù)水樣體積。

浮游動物生物量根據(jù)趙文[22]的研究計算，按照體積法把浮游動物生物體看作近似的幾何體，并假定相對密度為1，從而得到濕重，即為生物量。

浮游動物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)、Pielou 均勻度指數(shù)(J)和Margalef 豐富度指數(shù)(d)根據(jù)蘆康樂等[23]的研究進行計算。

(2)

d=(S-1)/lnN

(3)

J=H′/lnS

(4)

式中：ni表示第i物種的個數(shù)；N表示物種總數(shù)量；S表示樣品的總種類數(shù)。

1.4 浮游動物完整性指數(shù)的構(gòu)建

本研究主要從4個方面考慮(群落豐富度、浮游動物豐度和生物量、浮游動物多樣性指數(shù)和浮游動物營養(yǎng)結(jié)構(gòu))，構(gòu)建浮游動物完整性指數(shù)。經(jīng)過確定參照點和受損點、篩選候選生物指標、構(gòu)建核心指標以及分析分布范圍、判別能力和相關(guān)性等步驟[24]，最終確定扎龍濕地浮游動物完整性指數(shù)，并對扎龍濕地做出健康評價。

2 結(jié)果與討論

2.1 浮游動物群落結(jié)構(gòu)特征

扎龍濕地共發(fā)現(xiàn)浮游動物4門類44屬72種，其中輪蟲20屬36種，原生動物13屬20種，枝角類6屬8種，橈足類5屬8種。

2.2 候選生物指標的選取

結(jié)合相關(guān)研究[25]及調(diào)查數(shù)據(jù)，本文從浮游動物群落豐富度、豐度生物量、多樣性指數(shù)、營養(yǎng)結(jié)構(gòu)4個方面共選取24個候選生物指標(表2)。

表2 候選生物指標及參照點的候選生物指標分布情況Table 2 Candidate bioindicators and distribution of candidate bioindicators in reference sites

2.3 核心指標構(gòu)建

根據(jù)參照點的調(diào)查數(shù)據(jù)，分別對24個候選生物指標的平均值、標準差、最小值、最大值、25%分位數(shù)、中位數(shù)(50%分位數(shù))和75%分位數(shù)進行計算[26]，具體分布情況見表2。參照點和受損點候選生物指標的箱線圖見圖2。

圖2 參照點和受損點候選生物指標的箱線圖Fig.2 Box plots of candidate bioindicators of the impaired and reference sampling sites

從圖2可以看出，總分類單元數(shù)(M1)、原生動物分類單元數(shù)(M2)、輪蟲分類單元數(shù)(M3)、枝角類分類單元數(shù)(M4)、橈足類分類單元數(shù)(M5)、原生動物生物量(M10)、枝角類生物量(M12)、Margalef豐富度指數(shù)(M16)和中型浮游動物捕食者(M22)共計9個候選生物指標的IQ≥2，通過了判別能力分析[27]。

將通過判別能力分析的9個候選生物指標進行Pearson相關(guān)分析，根據(jù)Maxted標準，當相關(guān)系數(shù)(r)的絕對值大于0.75時，說明2個指標高度相關(guān)，信息較為相似，取其一即可[28]。由表3可知，總分類單元數(shù)(M1)與原生動物分類單元數(shù)(M2)、輪蟲分類單元數(shù)(M3)與原生動物生物量(M10)、橈足類分類單元數(shù)(M5)與枝角類生物量(M12)、原生動物生物量(M10)與中型浮游動物捕食者(M22)相關(guān)系數(shù)的絕對值均大于0.75。我們將原生動物分類單元數(shù)(M2)、輪蟲分類單元數(shù)(M3)和橈足類分類單元數(shù)(M5)和原生動物生物量(M10)剔除，其余指標保留。

表3 候選生物指標的Pearson相關(guān)分析Table 3 Pearson correlation analysis of candidate bioindicators

最終確定扎龍濕地浮游動物完整性核心指標由總分類單元數(shù)(M1)、枝角類分類單元數(shù)(M4)、枝角類生物量(M12)、Margalef豐富度指數(shù)(M16)和中型浮游動物捕食者(M22)共計5個生物指標組成。

2.4 分值計算與評價標準

分別采用三分法制(表4)、四分法制(表5和表6)和比值法(表7)對扎龍濕地浮游動物完整性指數(shù)設(shè)定記分標準，進行比較后找出最適合的方法[29]。

表4 5個指數(shù)值在參照點中的分布及分值計算標準Table 4 Descriptive statistics and scores for five biological index

表5 5個指數(shù)值在所有樣點中的統(tǒng)計分布Table 5 Descriptive statistics of five biological index within all sampling sites

表6 5個指數(shù)分值評分標準Table 6 Four scoring thresholds for five biological index

表7 比值法計算5個指標分值的公式Table 7 Formulas for calculation of five biological index scores

按照以上3種方法分別計算出扎龍濕地參照點和受損點的分值，并進行判別能力分析。通過比較，我們發(fā)現(xiàn)3種方法的判別能力都很高，IQ均為3(圖3)。

圖3 3種記分法計算所得浮游動物完整性指數(shù)的判別能力分析Fig.3 Discriminatory power of Z-IBI derived from three scoring biological index methods

從相關(guān)性分析結(jié)果來看，3種記分方法之間都呈現(xiàn)出極好的線性關(guān)系，擬合指數(shù)R2分別為0.88、0.93和0.95，說明這3種記分方法都是可行的(圖4)。

圖4 3種記分法評價結(jié)果之間的相關(guān)性分析Fig.4 Correlation analysis of three scoring methods

通過3種記分方法計算浮游動物完整性指數(shù)在參照點和全部采樣點種的分布，采用參照點浮游動物完整性指數(shù)(Z-IBI)分布的25%分位數(shù)和全部采樣點Z-IBI分布的95%分位數(shù)法，確定3種記分方法扎龍濕地健康狀況的評價標準(表8)。

表8 浮游動物完整性指數(shù)在參照點和全部采樣點中的分布及健康標準Table 8 Distribution of Z-IBI values in reference and all sampling sites respectively and standard of health of three scoring metrics methods

采用以上3種標準，對各個采樣點進行健康評價，同時根據(jù)健康標準分別評價參照點和受損點的準確率(表9)。三分制法評價參照點的準確率從77.78%提高到86.11%，然而降低受損點的準確率從88.89%下降到80.56%；四分制法也提高了參照點的準確率，其準確率由81.94%上升到87.5%，同時也降低了受損點準確率，從93.06%降至84.72%。與前2種記分方法相比，比值法則提高參照點的準確率，由83.33%升至91.67%，但受損點的準確率降低的幅度并不大，由94.44%降至93.06%，僅下降了1.38%，結(jié)果較三分制法和四分制法的評價結(jié)果更準確。

表9 浮游動物完整性指數(shù)不同評價標準的準確率Table 9 Accuracy of Z-IBI criteria of health of three scoring metrics methods %

扎龍濕地浮游動物完整性指數(shù)采用比值法來記分，對0～2.91分布范圍數(shù)值進行三等分，以建立評價扎龍濕地浮游動物完整性指數(shù)健康評價標準。當02.91時，扎龍濕地?zé)o干擾。

2.5 扎龍濕地健康評價

從圖5可見：僅有3個采樣點(1#、6#和11#)無干擾；有10個采樣點(2#、4#、8#、10#、12#、14#、15#、16#、18#和21#)受到輕度干擾；有10個采樣點(3#、7#、9#、13#、17#、19#、20#、22#、23#和24#)受到中度干擾；有1個采樣點(5#)受到重度干擾。

圖5 扎龍濕地健康評價結(jié)果Fig.5 Health evaluation results of Zhalong Wetland

3 結(jié)論

1)扎龍濕地共發(fā)現(xiàn)浮游動物4門類44屬72種。其中輪蟲20屬36種，占50%；原生動物13屬20種，占27.78%；枝角類6屬8種，占11.11%；橈足類5屬8種，占11.11%。

2)根據(jù)相關(guān)標準，確定9個參照點和15個受損點，共選取24個候選生物指標，構(gòu)建了扎龍濕地浮游動物完整性指數(shù)。核心指標由總分類單元數(shù)、枝角類分類單元數(shù)、枝角類生物量、Margalef豐富度指數(shù)和中型浮游動物捕食者組成。

3)扎龍濕地浮游動物完整性指數(shù)采用比值法來記分，對0～2.91分布范圍進行三等分，以建立健康評價標準:02.91，無干擾。