陳怡卉,汪振華,2,*,章守宇,2,程曉鵬,鄒沁東,林 沅
1上海海洋大學海洋生態(tài)與環(huán)境學院,上海 201306
2上海海洋大學海洋牧場工程技術研究中心,上海 201306
海洋生物多樣性的多面性研究已深入到魚類、底棲動物、海藻等,但針對生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)環(huán)流和能量傳遞的關鍵環(huán)節(jié)——甲殼類這一特殊功能類群的報道罕見[17—19]。近海棲息地會使生物多樣性受到生境結(jié)構復雜性的影響。本研究在大陳島海洋牧場建設區(qū)域進行,分別選取了較為開闊的海域和巖礁附近進行采樣分析,該海域是位于27°—29°N之間的東海近岸海域,地處中緯度地帶,屬亞熱帶季風氣候,受臺灣暖流、浙江沿岸流、大陸徑流等三大水系交匯影響,水質(zhì)肥沃,溫鹽適宜,餌料豐富,其區(qū)位優(yōu)勢和地理條件為許多甲殼類提供了理想的棲息及繁殖場所。而巖礁生境周邊分布有網(wǎng)箱等人工養(yǎng)殖設施,多種物理空間尺度的嵌套或疊置從而形成結(jié)構復雜、水文和營養(yǎng)等環(huán)境要素梯度差異顯著的特征,使得棲息地格局及海底環(huán)境多變。本文參考其它海洋生物類群的多樣性研究文獻,篩選出具有不同生態(tài)功能和屬性的甲殼類性狀組合,用于計算功能多樣性,同時結(jié)合物種多樣性和譜系多樣性,在分析多維度多樣性的基礎上,主要研究3個問題:(1)不同季節(jié)、不同生境的生物多樣性的差異程度;(2)不同多樣性之間的關系;(3)不同多樣性對局地環(huán)境因子的響應是否相同。本文通過對上述問題的系統(tǒng)研究,全面揭示大陳島礁海域甲殼類多樣性的格局及潛在驅(qū)動因子。
站點設置與采樣方法同論文《大陳島礁海域甲殼類群落結(jié)構時空格局及其環(huán)境驅(qū)動》。
物種多樣性選擇物種豐富度(S)、Shannon-Wiener指數(shù)(H′)、Pielou均勻度指數(shù)(J′)和Simpson多樣性指數(shù)(1-D)進行度量。
基于林奈分類樹,計算譜系多樣性的四個指數(shù):分類多樣性指數(shù)(Delta)、分類差異指數(shù)(Delta*)、平均分類差異指數(shù)(Delta+)和分類差異變異指數(shù)(Lambda+)。指數(shù)計算利用R語言vegan包中的“taxondive”和“taxa2dist”語句完成。甲殼類分類階元為綱、目、科、屬、種5個等級,各等級多樣性權重值依次為100、80、60、40、20。
參照大型底棲動物的功能性狀的選取,考慮性狀的容易獲取程度,本研究選取了體型、成體大小、棲息方式、運動方式、食性、餌料類群及壽命7個甲殼類功能性狀,共計22種性狀類型[18](表1)。每個物種的功能性狀信息通過在線數(shù)據(jù)庫)、專著以及文獻等獲得,對于無法精確獲取性狀信息的物種參照使用同屬物種[20—21]。根據(jù)物種與性狀的相符程度,采用模糊編碼法(范圍0—3)進行賦值,其中0表示完全不相符,3表示高度相符(附錄1)[18]?;谛誀钚畔⒑臀锓N豐度,利用R語言FD包中的“dbFD”語句計算功能豐富度指數(shù)(FRic)、功能均勻度指數(shù)(FEve)、功能分異指數(shù)(FDiv)以及功能分散指數(shù)(FDis)[22—24]。
表1 大陳島海域甲殼類的性狀及其類型
首先,選擇夏皮羅-威爾克檢驗(Shapiro-Wilk test)對生物多樣性指數(shù)和環(huán)境變量進行正態(tài)性檢驗,并對不符合正態(tài)性分布的指數(shù)和變量進行l(wèi)g轉(zhuǎn)換以待進一步分析。單因素方差分析(ANOVA)用于比較4個季節(jié)、4個區(qū)域和2個水深帶(10—20m和20—30m)的甲殼類群落的多樣性差異,方差齊性選擇HSD檢驗法進行事后比較,否則選用Games-Howell檢驗。Pearson相關性分析用于檢驗生物多樣性指數(shù)之間的一致性。
多元線性回歸(MLR)被廣泛用于探索生物多樣性模式的生態(tài)驅(qū)動因子。MLR分析之前,檢查8個環(huán)境變量的正態(tài)性并對非正態(tài)性變量進行l(wèi)g轉(zhuǎn)換。同時檢查不同環(huán)境變量之間的相關性,對相關性較高的環(huán)境變量進行剔除以減少共線性(Pearson′sr>0.80)。對于MLR,首先構建全模型,并進行全局檢驗,P<0.05則具有統(tǒng)計學意義,進入下一步模型選擇。選擇向前法進行逐步回歸,根據(jù)AIC信息準則,構建最優(yōu)模型,并進行模型診斷。
統(tǒng)計分析及繪圖均在R語言中實現(xiàn),站點圖使用ArcGIS 10.8繪制。
①河流沖積主要包括下更新統(tǒng)(下部)潯江組(Q1x)、下更新統(tǒng)(上部)銅鼓嶺組(Q1t)、中更新統(tǒng)白沙組(Q2b)、更新統(tǒng)望高組(Q3w)、全新統(tǒng)桂平組(Q4g)。
對調(diào)查所得53種甲殼類(隸屬2目13科29屬,包括蝦類30種、蟹類15種和口足目8種,詳見附錄1)的多樣性參數(shù)進行時空格局分析。季節(jié)間ANOVA結(jié)果顯示(圖1),多樣性指數(shù)的三個維度均存在明顯季節(jié)變化,但具體表現(xiàn)各有不同。物種多樣性層面,物種豐富度(S)的季間差異極顯著(P<0.001),秋季出現(xiàn)最高值,與其它季節(jié)形成鮮明對比;Shannon-Wiener指數(shù)(H′)在夏季最低,且顯著低于秋季和春季(P=0.018)。譜系多樣性層面,秋季與春季的分類多樣性指數(shù)(Delta)、分類差異指數(shù)(Delta*)顯著高于夏季與冬季,平均分類差異指數(shù)(Delta+)四季變化不明顯,分類差異變異指數(shù)(Lambda+)季節(jié)間變化幅度較大(P<0.001),夏季基本為物種多樣性和譜系多樣性的最低季節(jié),但分類差異變異指數(shù)(Lambda+)在夏季出現(xiàn)最高值。功能多樣性的季間差異在三個維度中最為突出,功能豐富度指數(shù)(FRic)的季節(jié)變化相當劇烈(P<0.001),與其它兩個層面相反,夏冬兩季的功能豐富度指數(shù)(FRic)極顯著高于秋春兩季,而功能分異指數(shù)(FDiv)以及功能分散指數(shù)(FDis)依然變現(xiàn)為夏季顯著低于其它三季;秋季的功能均勻度指數(shù)(FEve)顯著低于冬春兩季。
圖1 甲殼類多樣性指數(shù)的季節(jié)變化
區(qū)域間ANOVA結(jié)果顯示,多樣性指數(shù)在水平方向上的差異不具有統(tǒng)計學意義;同時,水深帶間的ANOVA結(jié)果表明,垂直方向上個別多樣性指數(shù)存在顯著差異:全年時間范圍內(nèi),顯著性差異僅存在于物種豐富度(S)和分類差異變異指數(shù)(Lambda+),具體表現(xiàn)為:20—30m水深的甲殼類物種豐富度(S)高于10—20m(P=0.028),而分類差異變異指數(shù)(Lambda+)相反(P=0.021),Pearson分析說明,水深與物種豐富度(S)之間存在較弱的正相關關系(R=0.32,P=0.01)。時間尺度縮短至各季節(jié),夏季各指數(shù)均未有明顯差異,而秋季的功能均勻度指數(shù)(FEve)在20—30m水深相對更高(P=0.002),冬季則物種豐富度(S)、分類差異變異指數(shù)(Lambda+)在20—30m水深相對更高(P=0.033,P=0.015),功能均勻度指數(shù)(FEve)相反(P=0.003),春季,分類差異變異指數(shù)(Lambda+)依然保持在較深水域有更高值(P=0.008),功能分異指數(shù)(FDiv)則相反。綜上,甲殼類群落多樣性空間差異較小,未表現(xiàn)出明顯的空間格局。
同一維度內(nèi)的多樣性指數(shù)間相關性各不同(圖2)。物種多樣性維度內(nèi),Shannon-Wiener指數(shù)(H′),作為一個豐富度與均勻度的綜合指數(shù),全年范圍內(nèi)與豐富度指數(shù)(S)呈弱正相關(0.3< r<0.5,P<0.001),與均勻度指數(shù)(J′)呈中度正相關(0.5
不同維度間的多樣性指數(shù)相關性集中在部分指數(shù)間,同時具有季節(jié)波動(圖2)。物種多樣性與譜系多樣性兩維度之間,Shannon-Wiener指數(shù)(H′)、辛普森指數(shù)(1-D)和均勻度指數(shù)(J′)在物種較豐富的秋冬季均與譜系多樣性指數(shù)(Delta)具有強烈正相關關系;Shannon-Wiener指數(shù)(H′)、均勻度指數(shù)(J′)在秋季與分類差異指數(shù)(Delta*)呈中度正相關;Shannon-Wiener指數(shù)(H′)在秋季與分類差異變異指數(shù)(Lambda+)呈中度負相關,豐富度指數(shù)(S)與分類差異變異指數(shù)(Lambda+)在秋季和夏季分別呈中度和高度負相關,而均勻度指數(shù)(J′)與分類差異變異指數(shù)(Lambda+)呈中度正相關。物種多樣性與功能多樣性維度間,Shannon-Wiener指數(shù)(H′)、辛普森指數(shù)(1-D)與功能分異指數(shù)(FDiv)、功能分異指數(shù)(FDiv)的關系相同,在春季與功能分異指數(shù)(FDiv)表現(xiàn)為中度負相關關系,與功能分散指數(shù)(FDis)在不同季節(jié)則有中度到高度的正相關關系;物種豐富度指數(shù)(S)與功能豐富度指數(shù)(FRic)在全年均呈中度正相關;均勻度指數(shù)(J′)則與功能分散指數(shù)(FDis)在秋冬季呈中度正相關。譜系多樣性與功能多樣性維度間,譜系多樣性指數(shù)(Delta)與功能分散指數(shù)(FDis)全年均呈中度至高度正相關;分類差異指數(shù)(Delta*)與功能分異指數(shù)(FDiv)、功能分異指數(shù)(FDiv)呈正相關;平均分類差異指數(shù)(Delta+)與功能均勻度指數(shù)(FEve)、功能分異指數(shù)(FDiv)為負相關;分類差異變異指數(shù)(Lambda+)與功能豐富度指數(shù)(FRic)、功能分散指數(shù)(FDis)具有負相關關系。
MLR結(jié)果顯示,不同多樣性指數(shù)具有不同數(shù)量的環(huán)境驅(qū)動因素,如表2所示。前向選擇表明,包含水文環(huán)境、初級生產(chǎn)力、營養(yǎng)物質(zhì)在內(nèi)的3類生態(tài)因素對多樣性均有影響,但作用程度依賴于不同維度。對于物種多樣性維度指數(shù),前向選擇確定的環(huán)境變量集中在底層鹽度( BS)、底層葉綠素(BChl.a)和無機氮(DIN),基于調(diào)整后的R2值,可以解釋5.2%—38.2%的指數(shù)變化。對于譜系多樣性緯度指數(shù),BS、BChl.a和DIN保留的基礎上,篩選確定出底層溫度(BT),4個環(huán)境變量可解釋4.3%—64.1%的指數(shù)變化,且對于分類差異變異指數(shù)(Lambda+),BT和DIN是影響其變動的重要環(huán)境因子(Adj.R2=64.1%)。功能多樣性維度的指數(shù)受到更多環(huán)境變量的影響,除水深(Depth)之外的其它7個環(huán)境變量均會對功能多樣性產(chǎn)生重要作用,相較前兩維度,活性磷酸鹽(PO4-P)、pH和底層溶氧(BDO)的作用不可忽視,對指數(shù)變化的解釋量也相較提高(17.3%—44.1%),功能豐富度指數(shù)(FRic)和功能分異指數(shù)(FDiv)對環(huán)境因子的響應較強烈。
表2 大陳島礁海域甲殼類多樣性指數(shù)的多元線性回歸分析
大陳島礁海域甲殼類三維多樣性指數(shù)的季節(jié)變化明顯。該海域的環(huán)境要素在季節(jié)間變化明顯,體現(xiàn)在甲殼類生物多樣性上,不同指數(shù)對環(huán)境因子季間波動的反應程度不同。物種豐富度指數(shù)(S)、分類差異變異指數(shù)(Lambda+)、功能豐富度指數(shù)(FRic)以及功能離散度指數(shù)(FDis)能很好的檢驗出甲殼類因環(huán)境因子的季節(jié)變化而產(chǎn)生的物種組成、親緣關系以及功能特征方面的差異。而從Pielou均勻度指數(shù)(J′)、平均分類差異指數(shù)(Delta+)的表現(xiàn)來看,各季節(jié)間甲殼類物種分布無明顯差異,親緣關系由近到遠的變化趨不大。其它指數(shù)則反應適中,部分季節(jié)間存在明顯差異。
物種多樣性在秋季達到最高,夏季最低。分類多樣性指數(shù)(Delta)和分類差異指數(shù)(Delta*)與物種多樣性相似,也在秋季具有中位數(shù)的最高值,夏季具有最低值,而平均分類差異指數(shù)(Delta+)在春季中位數(shù)最高,秋季次之,說明春季甲殼類群落中物種的親緣關系較遠。從分類差異變異指數(shù)(Lambda+)來看,夏季甲殼類親緣關系分布最不均勻??偠灾?大陳島的甲殼類群落在秋季達到了多樣性高峰期,冬春季發(fā)生下降。有趣的是,在多數(shù)研究中物種豐富的夏季成為了本調(diào)查中的多樣性最低季節(jié),這是本研究更值得關注的問題。洄游性物種的季節(jié)遷移是造成多樣性季節(jié)變化的主要原因,這一點已經(jīng)是普遍認識[25—27]。春季水體回暖,產(chǎn)卵群體開始向近岸淺水區(qū)聚集,經(jīng)歷夏季秋節(jié)的繁殖,索餌群體的過度,冬季逐漸向外海越冬洄游,因此,大陳島作為洄游性物種的重要產(chǎn)卵場,在夏秋季節(jié)匯集繁雜的洄游物種,此時,海域內(nèi)物種組成在定居種的基礎上增加洄游性物種,使得秋季的物種多樣性和分類多樣性明顯高于冬春季,這一現(xiàn)象在沿岸島礁海域調(diào)查中多有體現(xiàn)[25,27]。而到了翌年夏季,生態(tài)系統(tǒng)處于最活躍狀態(tài),從初級生產(chǎn)力到最高級消費者,各營養(yǎng)級生物的資源量空前之大,而處于中間環(huán)節(jié)的甲殼類,其群體數(shù)量雖得到了補充和滋養(yǎng),但同時所遭受的捕食壓力也空前強烈,加之以禁漁期的實施,剔除了人為活動的干擾,使得魚類資源休養(yǎng)生息,甲殼類卻在此時面臨著能否虎口脫險的最大挑戰(zhàn)。所以,研究推測,強大的捕食壓力是造成甲殼類在夏季生物多樣性最低的原因。
功能多樣性方面,種類豐富的秋季和春季反過來成為一年中功能豐富度較低的季節(jié)。秋季,口蝦蛄和三疣梭子蟹為作為季節(jié)優(yōu)勢種,生物量占比達60.56%,二者組成捕食性甲殼類的代表,一家獨大,造成該季節(jié)功能豐富度的變化范圍縮小,中位數(shù)降低,相似特點在春季也有出現(xiàn),而其它季節(jié)就相對均衡一些,功能均勻度秋季較低也做了印證。
三個緯度多樣性指數(shù)的單因素方差分析顯示,水平方向上多樣性未產(chǎn)生區(qū)域間明顯分化,同時,垂直方向上物種豐富度(S)與水深有較弱相關性,僅在冬季形成較深水層多樣性高的格局。大陳島礁海域島嶼分布復雜、除上下大陳島作為主島外,還存在眾多小島,加之鑲嵌其中的各種養(yǎng)殖設施和海岸工程結(jié)構體,使得空間異質(zhì)性提高,水文環(huán)境多變。海域西側(cè)常年受沿岸流的影響,東側(cè)有臺灣暖流在不同時期產(chǎn)生較大影響,溫鹽條件存在區(qū)域化差異。然而,三個層面的多樣性指數(shù)并未反應出水體環(huán)境的復雜性,是因為局地尺度的空間因子和環(huán)境要素梯度對群落生物多樣性的變化驅(qū)動力弱,在該海域表現(xiàn)出生物多樣性的空間一致性。
生物多樣性的不同方面可能是互補的,并提供關于各種生態(tài)過程的不同信息,因此生態(tài)學、生物地理學和保護學的研究強調(diào)了生物多樣性分析和環(huán)境評估中使用多樣性的多個方面的重要性[28—29]。本研究中,探討了大陳島礁海域甲殼類Alpha多樣性的不同維度之間的關系。發(fā)現(xiàn)一些生物多樣性指數(shù)在一定程度上具有相關性,而另一些指數(shù)則沒有表現(xiàn)出顯著的相關性。此外,不同季節(jié)的多樣性指數(shù)之間關系強度不同。這表明,水生生態(tài)系統(tǒng)中的生物多樣性指數(shù)之間的關系可能是高度可變的,且受研究對象和度量方式的影響。盡管如此,的確發(fā)現(xiàn)了這些多樣性指數(shù)在3個維度之間的相似性或相異性的一些規(guī)律。同緯度多樣性內(nèi)部,物種多樣性指數(shù)之間的相關性相對強烈,Shannon-Wiener指數(shù)(H′)是基于物種豐富度和物種均勻度,所以Shannon-Wiener指數(shù)(H′)與均勻度指數(shù)(J′)和豐富度指數(shù)(S)存在顯著的中強度相關。分類多樣性指數(shù)(Delta)和分類差異指數(shù)(Delta*)與分類差異變異指數(shù)(Lambda+)呈中度負相關。不同多樣性之間,物種豐富度指數(shù)(S)與功能豐富度指數(shù)(FRic)存在顯著正相關,一些研究表明物種豐富度與功能多樣性有較強的相關性[15,30]。這是因為FRic反映了功能特征的范圍,因而總是受到物種豐富度(S)的約束。分類多樣性指數(shù)(Delta)和分類差異指數(shù)(Delta*)與功能分散指數(shù)(FDis)存在顯著相關,這一發(fā)現(xiàn)部分支持了功能多樣性和譜系多樣性應該由于進化保守而相互關聯(lián)的觀點,許多與生態(tài)過程相關的性狀具有某種程度的系統(tǒng)發(fā)育信號[31]。
生物多樣性的三個方面對環(huán)境變量的反應不同,這符合先驗假設。群落生態(tài)學、生物地理學和保護生物學的研究強調(diào),群落組成和多樣性的形成受多個尺度的因素影響,包括局地決定因素、區(qū)域效應和歷史因素[6,32—33]。本研究只探討局地環(huán)境因素對多樣性的影響。有研究表明,局地壓力在解釋多樣性指數(shù)變化中占比最高,且在水生生態(tài)系統(tǒng)的群落形成中環(huán)境因素過濾的作用超過了空間因素[6,34—35]。MLR確定了不同多樣性指數(shù)對局地環(huán)境過濾因子的響應程度和數(shù)量。三個維度相較,物種多樣性指數(shù)對局地環(huán)境因子的響應最小,譜系多樣性次之,功能多樣性指數(shù)最強烈。先前的研究證明,功能多樣性可能是由幾個環(huán)境變量在精細的空間尺度(例如生境異質(zhì)性))作用的結(jié)果,空間因素對于功能多樣性作用不明顯,甚至微弱可忽略不計[2,36]。相比功能多樣性與空間因素之間的弱聯(lián)系,譜系多樣性與空間因素之間的關系應該更加復雜,與多個生態(tài)過程有關,包括那些在廣泛尺度(例如,進化和擴散過程)和精細尺度(即生物相互作用和環(huán)境過濾)的作用。一般來說,如果生態(tài)位保守、性狀環(huán)境關系占主導地位,與物種多樣性相比,譜系多樣性應該受到環(huán)境過濾的影響更大[37]。簡單來說,物種多樣性受到局地尺度的環(huán)境因素的影響程度最小,譜系多樣性次之,功能多樣性與環(huán)境因素聯(lián)系最強烈。在此基礎上,本研究的結(jié)果就可以理解了。另外,一般而言,環(huán)境過濾(相對于空間因素)對多樣性變化的相對貢獻可能很大程度上取決于環(huán)境梯度的長度,如底棲生物棲息地條件和營養(yǎng)鹽濃度的范圍[29]。
除局地壓力,群落組成和多樣性在一定程度上也受大尺度因素(氣候因素)的影響,一些發(fā)現(xiàn)強調(diào)了生物多樣性分析中考慮區(qū)域或者景觀等大尺度的環(huán)境變化的重要性[15,38]。一般來說,氣候因素通過對局部環(huán)境條件的影響而間接影響大型無脊椎動物群落[39]。例如,氣溫的變化調(diào)節(jié)水生生物的生長,并通過對水溫的影響間接地限制各種景觀的物種分布[40]。同樣,降水的變化可能在很大程度上影響水體流態(tài),從而進一步調(diào)劑生物組合和生態(tài)系統(tǒng)功能[41]。盡管環(huán)境過濾通常是生物群落的主要決定因素,先前的研究還是強調(diào)了水生群落也受到空間過程的影響[28—29,39]。因此,研究應從不同尺度全面分析該海域甲殼類生物多樣性的生態(tài)驅(qū)動。
本文選取大陳島礁海域這一典型近岸島礁,針對生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)的關鍵中間營養(yǎng)級——甲殼類,綜合分析物種多樣性(S、H′、J′和1-D)、譜系多樣性(Delta、Delta*、Delta+和Lambda+)和功能多樣性(FRic、FEve、FDiv和FDis)的時空格局、不同維度多樣性指數(shù)關系以及對生境中環(huán)境因子的響應差異,主要結(jié)論如下:
(1)甲殼類物種多為一年生,其三個維度生物多樣性均具有顯著的季節(jié)差異,秋季的群落物種組成最為豐富,親緣關系相對較遠,而功能豐富度最低,口蝦蛄和三疣梭子蟹構成的捕食性甲殼類占領主體生態(tài)空間,仍有生態(tài)空間空余,有效資源利用效率不高;夏季則物種數(shù)目最少,但功能豐富度較高,生態(tài)空間利用程度較高,資源利用更充分;冬春季物種數(shù)目居中,生態(tài)位互補程度高。巖礁生境與較開闊海域之間并未表現(xiàn)出生物多樣性的空間差異。
(2)相同維度多樣性指數(shù)間有不同程度的相關性,物種多樣性指數(shù)間相關性最強烈;不同緯度多樣性間,物種豐富度與功能多樣性有較強的相關性,FRic總是受到物種豐富度(S)的約束,分類多樣性指數(shù)(Delta)和分類差異指數(shù)(Delta*)與功能分散指數(shù)(FDis)顯著相關。
(3)生物多樣性的三個方面是由不同的生態(tài)驅(qū)動因素決定的,功能多樣性對局地尺度環(huán)境因子響應最強烈,譜系多樣性次之,物種多樣性可能主要受較大尺度生態(tài)因素的驅(qū)動。綜合運用各維度多樣性在生物多樣性評估中將揭示指數(shù)背后更為全面和完整的生態(tài)過程。