以江蘇省河流湖泊為例探討基于物種與面積關(guān)系確定大型底棲動物最適及高效采樣量

張 翔,沈 偉,陳 橋,徐東炯

1.江蘇省常州環(huán)境監(jiān)測中心,江蘇 常州 213001 2.江蘇省生態(tài)環(huán)境水環(huán)境生物監(jiān)測重點實驗室,江蘇 常州 213001

采集監(jiān)測點位淡水大型底棲無脊椎動物(以下簡稱大型底棲動物)群落的代表性樣品,必須研究的核心是采樣量。在完全覆蓋采樣點位周邊生境的前提下,選擇多大的采樣量才能使采集到的樣品既具代表性,又兼可操作性,是一個實際又迫切的問題。解決這個問題的科學(xué)基礎(chǔ)是物種與面積關(guān)系(SAR)。物種與面積關(guān)系最早由歐洲科學(xué)家JACCARD[1]在1901年提出,起初的調(diào)查研究對象為植物群落。研究中被業(yè)界廣泛接受的2種方法分別是ARRHENIUS[2-3]在1921年提出的以冪函數(shù)表達物種與面積的關(guān)系以及GLEASON[4-5]在1922年提出的以對數(shù)函數(shù)表達物種與面積的關(guān)系。但諸多研究發(fā)現(xiàn),實際的監(jiān)測結(jié)果通常落在冪函數(shù)曲線和對數(shù)函數(shù)曲線之間[6-7]。TJRVE[8]在2011年提出應(yīng)用冪函數(shù)和對數(shù)函數(shù)混合模型來解決這一問題。從物種與面積關(guān)系可知,在一定區(qū)域內(nèi)采集到的生物物種數(shù)會隨著采樣面積的增加而增加,到達一定的采樣面積后,此區(qū)域內(nèi)的生物物種被采盡,達到峰值后不再變化。以上研究均對應(yīng)于植物等可清晰觀測的生物,但大型底棲動物處于水底,進行物種與面積關(guān)系研究時受采樣區(qū)域選擇和采樣工具差異等影響。從現(xiàn)有研究來看,2000年吳小平等[9]研究長江中下游13個湖泊的淡水貝類物種與面積曲線,發(fā)現(xiàn)可使用對數(shù)函數(shù)表示。2005年段學(xué)花[10]通過定點實驗研究河北省拒馬河的物種與面積曲線,發(fā)現(xiàn)可使用冪函數(shù)表示,并提出最小采樣面積為1 m2,3～5個樣方組合來確保采樣結(jié)果可靠,這一面積值與美國EPA的RBP方法[11]一致。2018年張汲偉等[12]在構(gòu)建中國大型底棲動物水質(zhì)生物監(jiān)測指數(shù)和水質(zhì)等級時提出,可涉水河流合計采集15～20個樣方,采樣面積為1.8～2.4 m2,不可涉水河流與湖泊合計采集3個有效樣方,采樣面積為3/16 m2。

采樣量包含采樣面積、樣方及樣帶數(shù)。從實際采樣操作來看,想達到采盡采樣點位周邊所有大型底棲動物的采樣量是巨大的,實際可操作性不強;而采樣量過少,又不能真實反映大型底棲動物的群落狀況。因此,適合的采樣量是既要獲得采樣點位具代表性的樣品,同時也要考慮成本和效率。在監(jiān)測業(yè)務(wù)工作發(fā)展中,關(guān)于采樣量的疑問和爭議還有不少。MAGURRAN等[13]指出,最準確的多樣性和多度估計值產(chǎn)生于對一個系統(tǒng)長期的密集采樣。確定采樣量需要依賴于2個實際情況:樣本數(shù)量和采樣區(qū)域內(nèi)生境異質(zhì)性[14]。筆者所研究的采樣量包括2項內(nèi)容:采樣面積值、樣方樣帶數(shù)。采樣面積值保證樣本數(shù)量適宜,而樣方及樣帶保證覆蓋采樣區(qū)域內(nèi)生境異質(zhì)性。在植物和其他生物類群研究中,STOHLGREN[15]認為需要5～7個樣方以準確估計采樣區(qū)域的變異,而樣本數(shù)量則需按實際情況確定,如基于估計量的可接受誤差、從預(yù)實驗獲得待估計參數(shù)的變異性及以往的研究,甚至還可以基于經(jīng)驗猜想[16-17]。

筆者選取江蘇省典型河流和湖泊水體,對多生境采樣結(jié)果進行形態(tài)學(xué)分析鑒定并累加計算,使用對數(shù)函數(shù)分析物種與面積曲線,測試大型底棲動物最適采樣量,統(tǒng)計分析其一階導(dǎo)數(shù)曲線,尋找并提出采樣效率和投入成本的平衡點“高效采樣量”。

1 實驗方法

1.1 采樣區(qū)域

江蘇省內(nèi)低山丘陵溪流水庫和平原湖蕩河流水網(wǎng)是其主要的水生態(tài)類型,而省內(nèi)太湖流域和長江段包含這些水生態(tài)類型中的典型水體。該研究即在江蘇省內(nèi)太湖流域和長江段選擇可涉水河流(含涉水可過和涉水不可過河流)、不可涉水河流和湖泊3類水體(表1),開展大型底棲動物最適及高效采樣量研究。

表1 采樣點位情況Table 1 Situation of sampling sites

1.2 采樣方法與樣品采集

使用多生境采樣法采集大型底棲動物樣品。以《流域水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與評價技術(shù)指南》[18]中大型底棲動物的采樣與分析方法為基礎(chǔ),參考《水生態(tài)監(jiān)測技術(shù)指南 河流水生生物監(jiān)測與評價(試行)》[19]及《水生態(tài)監(jiān)測技術(shù)指南湖泊和水庫水生生物監(jiān)測與評價(試行)》[20]中大型底棲動物的測定,充分覆蓋江蘇省內(nèi)水系的各類底質(zhì)條件(硬質(zhì)的鵝卵石和礫石,軟質(zhì)的軟泥、黏土和細沙等)以及不同水生植物等生境類型,并針對不同水體類型選擇適宜的采樣方法和采樣面積(表2),收集不同的樣方和樣帶。樣方使用定量方法收集,樣帶使用半定量和定性方法收集,樣帶包含數(shù)個樣方。采樣方法如下。

表2 采樣點位采樣方式、生境情況和實際采樣面積Table 2 Sampling method,habitat condition and actual sampling area of sampling sites

采樣方法1:河寬10 m及以下,以點位上、下游各50 m范圍為采樣河段,如周邊生境單一,以25 m為間距,上游至下游布設(shè)5個采樣斷面為5個樣方。使用索伯網(wǎng)(0.09 m2)采集5次,計0.45 m2,使用踢網(wǎng)(1 m2)于點位上、下游2個采樣斷面(2個樣帶)采集2次,計2 m2。

采樣方法2:河寬10～200 m,以點位上、下游各500 m范圍為采樣河段,依據(jù)周邊生境情況,布設(shè)12個采樣斷面,左、右岸計24個樣方。使用彼得生采泥器(0.062 5 m2)采集24個樣方,計1.5 m2,使用三角拖網(wǎng)采集6個樣帶,單次采集距離為5 m(1.5 m2),計9 m2。

采樣方法3:河寬200 m以上,以點位上、下游各1 000 m范圍為采樣河段,依據(jù)周邊生境情況,布設(shè)22個采樣點,河段一側(cè)布12個采樣點,設(shè)樣方24個,河段另一側(cè)布10個采樣點,設(shè)樣方20個。使用彼得生采泥器(0.062 5 m2)采集44個樣方,計2.75 m2,使用三角拖網(wǎng)采集9個樣帶,單次采集距離為5 m(1.5 m2),計13.5 m2。

采樣方法4:湖泊點位以半徑為100 m的范圍為采樣區(qū)域,依據(jù)周邊生境情況,布設(shè)12個樣方,3個樣帶。使用彼得生采泥器(0.062 5 m2)采集12個樣方,計0.75 m2,使用三角拖網(wǎng)采集3個樣帶,單次采集距離為5 m(1.5 m2),計4.5 m2。

采樣完成后,使用孔徑為250 μm篩網(wǎng)篩洗樣品,6 h內(nèi)帶回實驗室人工挑揀,當日完成挑揀,用75%乙醇溶液固定樣品,在實驗室內(nèi)參考相關(guān)書籍[21-25],使用體視顯微鏡和生物顯微鏡進行形態(tài)學(xué)分類鑒定,盡可能分類至屬或種級別。按形態(tài)學(xué)鑒定結(jié)果統(tǒng)計每個樣點單次采集的物種分類單元數(shù)和個體數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

獲取的物種分類單元數(shù)和個體數(shù)使用Excel統(tǒng)計,因滸關(guān)上游、太浦河和長江魏村段使用彼得生采泥器單次采集(0.062 5 m2)次數(shù)較多(大于12次),將每4次采集的數(shù)據(jù)結(jié)果整合為單個數(shù)據(jù)結(jié)果集以便分析且能體現(xiàn)代表性,單個數(shù)據(jù)結(jié)果集面積為0.25 m2,其余皆為單次使用采樣工具采集的數(shù)據(jù)結(jié)果。多樣性數(shù)據(jù)分析使用R EstimateS 9.1.0處理,物種數(shù)和采樣面積擬合曲線及一階導(dǎo)數(shù)函數(shù)曲線在Origin中繪制。計算出的采樣面積修約至2位小數(shù),樣方與樣帶總數(shù)修約到“個”數(shù)位。

1.3.1 多生境采樣法

筆者僅討論布點確定后,在采樣點位確定的區(qū)域范圍內(nèi)進行采樣,獲取具有代表性的樣品。國際上常用的方法有3種,即適用于采樣區(qū)域顯示出明顯環(huán)境梯度差異時的等距采樣法[26](美國EPA使用);適用于采樣區(qū)域隨機選擇時的隨機采樣法[27](土壤研究使用);適用于采樣區(qū)域內(nèi)生境需劃分為離散實體以減少采樣誤差時的多生境采樣法[28](歐盟及英國、澳大利亞和日本等使用)。筆者選擇多生境采樣法進行采樣,因其更適合中國當下大型底棲動物監(jiān)測代表性的要求和水生態(tài)狀況變化較大的實情。

1.3.2 最適采樣量確定方法

最適采樣量的設(shè)置是在監(jiān)測點上盡可能采集到不同的物種,而使采樣量具有完整代表性,確保監(jiān)測結(jié)果準確可比時的最小采樣量。筆者選用Chao1指數(shù)來計算最適采樣量是因其對不同物種很敏感,但和個體豐度、均勻度無關(guān)。因Chao1指數(shù)計算最適采樣量可基于隨機反復(fù)抽取,直到所有物種至少被抽到2次(Doubletons),則表明不會再有新的物種被發(fā)現(xiàn),即Doubletons值出現(xiàn)峰值[29-30]。但在現(xiàn)實中,采樣區(qū)域的生境狀況多變,讓最適采樣量完全代表區(qū)域狀況依賴于采樣人員對生境的熟悉程度,一旦采集到新的生境,Doubletons峰值會出現(xiàn)突然跳高的現(xiàn)象,難以對真正最適采樣量進行表征。在此,筆者選擇Chao1指數(shù)95%上限值來表征最適采樣量。因為隨著抽樣的進行,抽取到一次的物種會越來越少,至少被抽到2次的物種越來越多,Chao1指數(shù)的95%上限值會出現(xiàn)峰值后回落,一旦出現(xiàn)這一峰值,可以認為通過采樣收集了絕大部分(>95%)的物種類群,剩下的只是一些偶見物種類群[31]。故以此峰值出現(xiàn)時所對應(yīng)的采樣量為符合統(tǒng)計分析上的最適采樣量。

1.3.3 高效采樣量定義與方法

在實踐中,考慮采樣效率和投入成本的平衡,筆者提出一種“高效采樣量”定義。即以單位采樣面積(如采泥器抓取一次的采樣面積)逐個增加的形式增加采樣面積,當單位采樣面積中新出現(xiàn)物種分類單元數(shù)不足1時,所對應(yīng)的總采樣面積以及單位采樣面積個數(shù)為該水體的高效采樣量。確定高效采樣量的方法為先統(tǒng)計采樣面積與物種數(shù),擬合兩者對數(shù)函數(shù)曲線,再求得其一階導(dǎo)數(shù)曲線。一階導(dǎo)數(shù)曲線就是原函數(shù)的變化率曲線,代表原函數(shù)在增量趨向于0時變化率的極限,故選擇一階導(dǎo)數(shù)y軸值最接近1所對應(yīng)的點(y≈1),即單位采樣面積中新出現(xiàn)物種分類單元數(shù)約為1時變化率的極限,判斷為采樣效率和投入成本的平衡點,以y≈1所對應(yīng)的x軸值為單位采樣面積個數(shù),單位采樣面積個數(shù)與單位采樣面積相乘得總采樣面積。此時,單位采樣面積個數(shù)對應(yīng)樣方及樣帶數(shù),與總采樣面積一起組成“高效采樣量”。

2 結(jié)果與討論

2.1 最適采樣量

從該研究實際數(shù)據(jù)擬合曲線來看,更偏向吳小平等[9]所做的采樣面積研究曲線,即使用對數(shù)函數(shù)來表示物種與面積的關(guān)系。在此,統(tǒng)計物種分類單元數(shù)和個體數(shù),使用采樣面積與物種數(shù)擬合對數(shù)函數(shù)曲線,計算度量物種豐富度的Chao1指數(shù)[32],得到Chao1指數(shù)95%上限峰值及其對應(yīng)的數(shù)據(jù)集數(shù)量和采樣面積(表3)。以Chao1指數(shù)95%上限是否出現(xiàn)峰值來確定最適采樣量是否出現(xiàn),以最高值對應(yīng)的數(shù)據(jù)集數(shù)量來確定樣方和樣帶總數(shù),以最高值對應(yīng)的面積來確定采樣面積。

表3 各點位大型底棲動物采集情況及Chao1指數(shù)結(jié)果Table 3 Collection of freshwater benthic macroinvertebrate and Chao1 index results of sampling sites

從表3來看,6個采樣點中有4個采集到了最適采樣量,通過整理其對應(yīng)的水體類型,可得到部分水體采樣點最適采樣量建議值(表4)。另有2個水體Chao1指數(shù)95%上限峰值未出現(xiàn),故未出現(xiàn)最適采樣量,分別是涉水不可過河流(河寬10 m)和不可涉水河流(河寬200 m),其對應(yīng)的采樣面積分別為2.50、10.50 m2,而最適采樣量的采樣面積應(yīng)大于此值。

表4 部分水體采樣點最適采樣量(建議值)Table 4 Optimal sampling conditions of different water sites (recommended value)

2.2 高效采樣量

2.2.1 采樣點位高效采樣量

選擇江蘇省5個河流點位和1個湖泊點位,對大型底棲動物樣品采樣量及對應(yīng)的物種累計情況進行分析,繪制累計物種數(shù)與面積的對數(shù)函數(shù)曲線、一階導(dǎo)數(shù)函數(shù)曲線,將適宜的單位采樣面積個數(shù)(x值)與采樣工具的最小單位采樣面積相乘,獲取高效采樣量(包括采樣面積個數(shù)和采樣面積),具體情況如下。

1)可涉水河流(涉水可過):茅山西點位

計算茅山西累計物種數(shù)與面積的對數(shù)函數(shù)曲線、一階導(dǎo)數(shù)函數(shù)曲線,見圖1(a)。當單位采樣面積個數(shù)為5.4個(x=5.4),每增加一個此點位采樣工具的最小單位采樣面積(0.09 m2),所獲得的新物種分類單元數(shù)約為1個(y≈1),對應(yīng)的高效采樣面積為0.486 m2。

圖1 各點位采樣面積與物種數(shù)關(guān)系的對數(shù)擬合曲線和一階導(dǎo)數(shù)曲線Fig.1 Logarithmic fitting curve and first derivative curve of the relationship between sampling area and the number of species at each sites

2)可涉水河流(涉水不可過):舊縣點位

計算舊縣曲線圖,見圖1(b)。當單位采樣面積個數(shù)為8.0個(x=8.0),每增加一個此點位采樣工具的最小單位采樣面積(0.062 5 m2),所獲得的新物種分類單元數(shù)約為1個(y≈1),對應(yīng)的高效采樣面積為0.5 m2。

3)不可涉水河流:滸關(guān)上游點位

計算滸關(guān)上游曲線圖,見圖1(c)。當單位采樣面積個數(shù)為3.8個(x=3.8),每增加一個此點位采樣工具的最小單位采樣面積(0.25 m2),所獲得的新物種分類單元數(shù)約為1個(y≈1),對應(yīng)的高效采樣面積為0.95 m2。

4)不可涉水河流:太浦河點位

計算太浦河曲線圖,見圖1(d)。當單位采樣面積個數(shù)為5.1個(x=5.1),每增加一個此點位采樣工具的最小單位采樣面積(0.25 m2),所獲得的新物種分類單元數(shù)約為1個(y≈1),對應(yīng)的高效采樣面積為1.275 m2。

5)不可涉水河流:長江魏村段點位

計算長江魏村段曲線圖,見圖1(e)。當單位采樣面積個數(shù)為5.0個(x=5.0),每增加一個此點位采樣工具的最小單位采樣面積(0.25 m2),所獲得的新物種分類單元數(shù)約為1個(y≈1),對應(yīng)的高效采樣面積為1.25 m2。

6)湖泊:竺山湖心點位

計算竺山湖心曲線圖,見圖1(f)。當單位采樣面積個數(shù)為4.3個(x=4.3),每增加一個此點位采樣工具的最小單位采樣面積(0.062 5 m2),所獲得的新物種分類單元數(shù)約為1個(y≈1),對應(yīng)的高效采樣面積為0.268 75 m2。

2.2.2 不同水體類型高效采樣量

匯總不同水體類型對應(yīng)的高效采樣量和修約結(jié)果(表5)。從河流結(jié)果來看,除長江以外,隨著河寬的增加,高效采樣量同步上升。長江最適采樣量值最高,但高效采樣量卻并非最高,可能與此點最適采樣量的值不完整且長江中大型底棲動物分布稀疏、不均一有關(guān),還需進一步研究?？傮w來看,江蘇省不同水體類型的高效采樣面積值均未超過1.28 m2。

表5 不同水體類型高效采樣量Table 5 Efficient sampling conditions of different water types

從不同水體類型的高效采樣量來看,若僅使用采泥器或者索伯網(wǎng)等單一設(shè)備采樣,其工作量較大,重復(fù)采樣次數(shù)較多,而單一采樣設(shè)備無法應(yīng)對多種生境,不符合大型底棲動物所需的多生境采樣,也不利于監(jiān)測工作推廣。因此,需采用多種采樣工具相結(jié)合的方式采樣,其中湖泊和不可涉水河流采樣應(yīng)使用采泥器、三角拖網(wǎng)及手抄網(wǎng)等,涉水可過和涉水不可過的河流采樣工具應(yīng)包括索伯網(wǎng)、踢網(wǎng)及手抄網(wǎng)等。此外,每個監(jiān)測點位均進行高效采樣量的探索在實際操作中不現(xiàn)實,故應(yīng)以區(qū)系范圍內(nèi)不同水體的代表性點位為基礎(chǔ),在行政區(qū)或自然流域內(nèi)統(tǒng)一界定高效采樣量。

2.2.3 區(qū)域高效采樣量

結(jié)合現(xiàn)行江蘇省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測工作經(jīng)驗,對于江蘇省區(qū)域的涉水可過河流而言,一般使用索伯網(wǎng)定量采集不少于4次(即4個樣方,面積為0.36 m2)及踢網(wǎng)采集不少于1次(即1個樣帶,面積為1.00 m2),累計采樣面積不少于1.36 m2;對于涉水不可過河流而言,使用手抄網(wǎng)采集不少于4次(即4個樣方,面積為0.60 m2)及手抄網(wǎng)采集不少于1 m(即1個樣帶,面積為0.90 m2),累計采樣面積不少于1.50 m2;對于不可涉水河流和湖泊而言,均使用采泥器采集不少于4次(即4個樣方,面積為0.25 m2)及手抄網(wǎng)或三角拖網(wǎng)采集不少于5 m(即1個樣帶,面積為1.50 m2),累計采樣面積不少于1.75 m2(表6)?？梢钥闯?該面積均大于表5中不同類型水體監(jiān)測點位的高效采樣面積,因樣帶含數(shù)個樣方,故樣方與樣帶總數(shù)按水體類型換算所需的數(shù)量時,符合所有水體的要求,具備一定科學(xué)性和可操作性。

表6 江蘇區(qū)域高效采樣量Table 6 Efficient sampling conditions of Jiangsu

2.3 討論

2.3.1 采樣量原則

在國內(nèi)外各類已發(fā)布的文獻中對采樣區(qū)域的描述主要是規(guī)定了河流采樣長度和湖泊采樣范圍,但由于各河流寬度和各湖泊的深度均不相同,實際生境也各有特點,因此實際需要的采樣量各不相同?？茖W(xué)家使用各種方式來尋找物種累積的漸進曲線,但不可避免會不準確[12]。即便如此,大型底棲動物采樣原則依然明晰,在此提出確定實際采樣量的3條原則供討論:①在采樣區(qū)域范圍內(nèi),采樣做到生境全覆蓋;②采樣方式為定量、半定量、定性等相結(jié)合;③選取足夠數(shù)量的樣方、樣帶和適宜的采樣面積,從物種與面積關(guān)系的原理上保證物種累計達到一定的“飽和”,即“高效采樣量”。

2.3.2 高效采樣量的適用條件和實際使用

高效采樣量只是采樣效率和投入成本的平衡點,并非單次采樣的最適采樣量。從監(jiān)測系統(tǒng)多年應(yīng)用來看,高效采樣量適用于監(jiān)測業(yè)務(wù)化(一年2次)長期監(jiān)測,單個監(jiān)測點位大型底棲動物采集到高效采樣量的采樣時間約為60～90 min,屬采樣人員可接受的范圍。如進行本底調(diào)查或生物多樣性調(diào)查研究時,則最好采集到最適采樣量,再進行相關(guān)數(shù)據(jù)分析,使監(jiān)測所獲取的生物信息完整,以便體現(xiàn)出大型底棲動物的分布規(guī)律。

在運用該研究結(jié)果時,仍然需要注意一些問題。如在特殊水生態(tài)區(qū)域中大型底棲動物個體數(shù)自然分布不豐富的情況下,如何選取適宜的采樣量,是否可以因地制宜地使用采集個體數(shù)量終點來替代采樣量要求;又如,通過大型底棲動物研究水生生物多樣性或水生態(tài)健康等不同目的時,對采樣量的要求不同,必須按實際采樣目的來選取對應(yīng)的采樣方法和采樣量。

3 結(jié)論

1)大型底棲動物最適采樣量是在監(jiān)測點位盡可能采集到不同的物種,使采樣量具有完全代表性,是確保監(jiān)測結(jié)果準確可比的最小采樣量。大型底棲動物高效采樣量是以單位采樣面積(如采泥器抓取一次的采樣面積)逐個增加的形式增加采樣面積,當單位采樣面積中新出現(xiàn)物種分類單元數(shù)不足1時,所對應(yīng)的總采樣面積以及樣方樣帶總數(shù)為高效采樣量。

2)河流最適及高效采樣量如下:涉水可過河流的最適采樣量為1.45 m2,樣方和樣帶數(shù)合計6個;涉水不可過河流的最適采樣量應(yīng)大于2.50 m2,河寬2～3 m的高效采樣量為0.49 m2,樣方和樣帶數(shù)合計6個,河寬10 m的高效采樣量為0.50 m2,樣方和樣帶數(shù)合計8個。不可涉水河流中,河寬100 m的最適采樣量為5.50 m2,樣方和樣帶數(shù)合計7個;河寬200 m的最適采樣量應(yīng)大于10.50 m2;河寬2 500 m的最適采樣量為12.75 m2,樣方和樣帶數(shù)合計16個;河寬100 m的高效采樣量為0.95 m2,樣方和樣帶數(shù)合計4個;河寬200 m的高效采樣量為1.28 m2,樣方和樣帶數(shù)合計6個;河寬2 500 m的高效采樣量為1.25 m2,樣方和樣帶數(shù)合計5個。

3)淺水湖泊最適及高效采樣量如下:水深2 m的最適采樣量為2 m2,樣方和樣帶數(shù)合計8個;高效采樣量為0.27 m2,樣方和樣帶數(shù)合計5個。

4)江蘇地區(qū)大型底棲動物涉水可過河流采樣量為1.36 m2,涉水不可過河流采樣量為1.50 m2,不可涉水河流和淺水湖泊采樣量為1.75 m2,均需采集4個樣方1個樣帶。