洱海湖滨带冬季水鸟的水质指示作用∗
2017-07-31张淑霞吴慧琳
张淑霞,吴慧琳,周 俊,高 颖,蒋 鋆,肖 文∗∗
(1:大理大学东喜玛拉雅研究院,大理671003)(2:大理大学农学与生物科学学院,大理671003)
洱海湖滨带冬季水鸟的水质指示作用∗
张淑霞1,吴慧琳2,周 俊2,高 颖2,蒋 鋆2,肖 文1∗∗
(1:大理大学东喜玛拉雅研究院,大理671003)
(2:大理大学农学与生物科学学院,大理671003)
水鸟在物种或群落水平上可以对湿地营养状态有所响应,预警生态系统有害的改变.以大型淡水湖泊洱海为例,基于2015年2月沿岸17个观察点的冬季水鸟调查与水质同步监测,研究小(Podiceps ruficollis)、白骨顶(Fulica atra)和黑水鸡(Gallinula chloropus)密度对沿岸水体中总磷和总氮浓度的响应关系.结果发现白骨顶和小密度均与总氮浓度呈显著正相关,也均与总磷浓度呈显著正相关;黑水鸡密度与总氮和总磷浓度无显著相关性.结果表明,水鸟可以在物种水平上对洱海湖滨带水中营养物质变化有所响应,也强调了根据具体指示物种的生态学习性选择水鸟指示物种尤为重要.白骨顶和小在更大空间和时间尺度上的水质指示作用有待于更多湖泊或水库水体的长期相关研究.
淡水湖;生物指示;水鸟;水质;洱海
水鸟是湿地中较容易监测的生物类群,水鸟的强运动能力使其对湿地中食物资源的变化反应迅速[1-2].在水生态系统中,由于不同生物类群对相同环境变量反应的趋同性很弱,因此应仔细挑选特定生物类群,使其对特定环境变量有所响应[3-4].已有的研究表明水鸟能够对湿地水环境变量变化有所响应[1,5].水鸟既对湿地营养状态[6-7],也对湿地水文过程有所响应[8-10].水鸟群落指示河流河岸带人为干扰和水质状况的研究也得到了广泛的关注[11-13].
影响水鸟对栖息地利用的因素近半个世纪以来在鸟类学界也得到了广泛的研究,也从另一个角度说明了水鸟这一生物类群对湿地环境因子的响应,例如Ma等[14]综述认为湿地的水深、水位波动、植被、盐度、食物资源、食物资源可获得性、湿地大小和湿地连通性均是影响水鸟对栖息地利用的重要因素;除此之外,湿地的底泥和水质特征也可以直接或间接的影响水鸟对湿地的利用.除环境因素外,人为干扰因素也会影响水鸟对栖息地的利用[15].
虽然水鸟作为湿地指示物种早期曾一度被怀疑,因为它们或许缺乏与湿地中其他生物类群或湖沼学变量变化的直接可测量响应.虽然在某些情况下,鸟类并不与以与其他生物类群相同的方式对湿地特征响应,这时鸟类可能不适宜指示其他监测类群的变化;然而,在另一些情况下,鸟类可以是营养状态,鱼类资源或水生植物多度可靠的指示生物[1].另一方面,因为水鸟与湖泊中的非生物环境和食物网具有很密切的关系,越来越多的研究者开始尝试将水鸟整合进湖泊生态系统的研究中[16],而且已有研究也表明水鸟的确对湿地水体的营养状态或水质指标变化有所响应,而且是以物种或群落的方式有所响应[17-19].在西班牙东南部的Mar Menor泄湖,随着湖泊营养程度的增加,凤头(Podiceps cristatus)的数量也显著增加,而在西班牙全国凤头的数量并没有显著的增加,说明凤头量增长不是由更大尺度上的外部原因造成,凤头
是对湖泊营养状态有所响应的水鸟物种[20];在该泄湖富营养化晚期阶段,白骨顶(Fulica atra)则是水质状态变化的响应物种[17].在美国佛罗里达州的大沼泽地,黑水鸡(Gallinula chloropus)在富营养的水域中数量更多[21].综上,在特定物种对湿地营养状态的响应上,凤头、白骨顶和黑水鸡是对水体营养程度有所响应的水鸟物种,也说明在物种水平上开展相关研究的重要性.
对Mar Menor泄湖局部湖滨带分段进行的水鸟物种与营养盐之间响应关系的研究表明,特定水鸟物种的密度并不与沿岸营养盐变化有响应关系[18].在大型淡水湖泊,人类对物种水平上水鸟与不同片区水质的响应关系知之甚少.已开展的滇池和洱海水生植物覆盖状况与水质关系的研究表明,营养盐含量较高的湖滨带,水生植物覆盖度较高[22],而水鸟依赖水生植物提供的食物来源或庇护场所生存[23],因此,预期营养盐含量高的湖滨带,指示水鸟的数量也将较大.
洱海是云南省第二大淡水湖泊,属国家重点保护的水域之一,具有农田灌溉、工业、生活用水和水能利用的功能[24-25].近年来,韩联宪等对洱海西岸湖滨带的陆地鸟类和水鸟多样性进行了研究,共记录到鸟类115种,离岸200 m内近岸明水面的优势种为白骨顶、小(Podiceps ruficollis)、黑水鸡、赤麻鸭(Tadorna ferruginea)和红嘴鸥(Larus ridibundus)[26].本研究以洱海为研究地点,研究小、白骨顶和黑水鸡的个体数量对沿岸水体中TP和TN浓度的响应关系,检验上述3种水鸟数量是否与沿岸水体中TN和TP浓度均具有相关关系,评价鸟类这一生物类群对淡水湖泊湖滨带水质变化是否具有响应关系;通过水鸟对水质指示作用的探讨性研究,为未来开展湖滨带水质的快速生物评价提供基础资料.
1 研究方法
1.1 研究区域概况
洱海(25°36′~25°58′N,100°06′~100°18′E)位于云南省大理白族自治州境内,是一个典型的内陆断陷淡水湖泊.水位1973.66 m时,长42.58 km,最大宽8.0 km,湖面面积249.0 km2,最大水深20.7 m,平均水深10.17m[25].洱海湖滨带全长128 km,其中西部48 km,南部8 km,东部51 km,北部11 km[27].湖区属中亚热带高原季风气候,年平均气温15.0℃,1月平均气温8.5℃,极端最低气温-4.2℃,7月平均气温20.1℃,极端最高气温34.0℃.多年平均日照时数2472 h,无霜期305 d,年均降水量1056.6m,最大年降水量1456.5mm,最小年降水量650.2mm,5-10月雨季降水量占全年的85%~96%[25].近50 a来,随着洱海流域社会经济的快速发展,进入洱海的氮、磷负荷持续增加,洱海水质持续下降,同时水位大幅波动,从而导致洱海水生态系统发生退化,沉水植物多样性下降且群落结构趋于简单化[28].
1.2 调查方法
根据洱海水鸟聚集点的分布,避开密集的休闲娱乐人群,在洱海环湖湖滨带选择了17个水鸟观察点,2个观察点之间最小距离至少1 km,或有明显的边界标志(图1).2015年1月25-26日快速完成一次环湖水鸟调查和水样同步采集.水鸟调查由2个调查人员完成,对每个观察点以观察点为圆心,半径1 km内水域中的小、黑水鸡和白骨顶进行分种计数.使用莱卡20-60×77变焦望远镜(Leica APO TELEVID 77,产地德国)和10×42双筒望远镜(Olympus EXWP I,产地日本),采用“Look-See”方法[29]对视野内的水鸟进行观察.调查日均为晴天,且风浪小,调查仅在有日照时间段内进行(09∶00-17∶00),调查时段内的观察点水域均无船只活动.
图1 洱海湖滨带冬季水鸟观察点位Fig.1 The wintering waterbirds observation sites in lakeshore of Lake Erhai
水鸟观察计数的同时,在每个水鸟观察点近岸区域(离岸0~60m范围),由第3个调查人员专门采集上覆水样,全湖共采集17份.水样带回实验室后立即进行测定,总氮(TN)浓度采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定;总磷(TP)浓度采用钼锑抗分光光度法测定[30].
1.3 数据分析
在ArcGIS下,根据每个观察点的GPS点位信息计算每个点半径1 km的缓冲区.然后,叠加洱海水域,获得观察范围内的水域范围.最后,根据视野范围内的遮挡(树林、建筑等),去除不可观察的范围,得到每个点的可观测范围,并计算观测范围的面积.根据每个观察点观察到的水鸟数量和实际观察水面面积分种计算水鸟的密度.在SPSS 13.0软件中完成小、黑水鸡和白骨顶密度(只/hm2)和TN、TP变量的描述性统计,使用Kolmogorov-Smirnov test检验数据的分布是否符合正态分布,对符合正态分布的变量采用Pearson相关性分析.
2 结果
2.1 洱海湖滨带常见水鸟与水质的变异
表1 洱海湖滨带17个观察点3种水鸟密度和水质指标的描述性统计Tab.1 Summary statistics for three waterbirds densities and water quality index in 17 shoreline sections of Lake Erhai
在水质指标中,TP浓度平均值为0.086mg/L,处于Ⅳ类水水平;TN浓度平均值为0.709mg/L,处于Ⅲ类水水平.TP和TN浓度的最大值分别为0.313和1.732 mg/L,均出现在洱海西北岸的沙坪湾观察点,TP浓度的最小值为0.049mg/L,出现在东南岸的南村观察点;TN浓度的最小值为0.293mg/L,出现在东岸的老太庙观察点.根据水质监测结果,沙坪湾观察点的水质已达劣Ⅴ类,部分观察点的水质为Ⅴ类,包括西岸的才村(TP=0.105 mg/L)、新生邑(TN=1.694mg/L)和东岸的康廊(TN=0.117mg/L)观察点.
2.2 水鸟密度与水质的相关性
经过Kolmogorov-Smirnov test检验,认为各变量数据基本均符合正态分布.对5个变量两两之间进行Pearson相关分析(表2),发现白骨顶密度(r=0.613,P=0.009)、小
密度(r=0.550,P=0.022)均与TN浓度呈显著正相关;白骨顶密度(r=0.511,P=0.036)、小密度(r=0.532,P=0.028)均与TP浓度呈显著正相关.白骨顶密度与小的密度分布呈显著正相关(r=0.532,P=0.028),TP与TN浓度呈显著正相关(r=0.603,P=0.010).
表2 洱海湖滨带17个观察点3种水鸟密度与水质指标的Pearson相关分析结果Tab.2 Pearson correlation matrix for three waterbirds densities and water quality index in 17 shoreline sections of Lake Erhai
3 讨论
3.1 指示水质的水鸟物种选择
指示水质变化的水鸟应严格依赖水体觅食活动,并且容易被观察到[14].虽然冬季洱海也有相当数量的雁鸭类[26],但是雁鸭类性机警,对人类干扰活动较敏感,一般在距岸边观察点接近或超过1 km的水域中活动,雁鸭类作为洱海的近岸水质指示并不合适;另外,部分雁鸭类可能仅选择洱海作为日间休息地,不进行觅食活动,因此综合多种因素,雁鸭类不适于作为洱海近岸水质的指示生物.对于鹭类等涉禽来说,其觅食地并不严格依赖水体,有时在附近农田中觅食,因此也不符合水质指示物种的要求.洱海冬季虽然为较多红嘴鸥利用,但是红嘴鸥的食物来源部分来自湖泊外部,例如人类的投喂食物,因此鸥类也未被选作水质指示物种.综合已开展的相关研究[17-18,20-21]和洱海近岸水鸟的分布[26],本研究最后选择小、黑水鸡和白骨顶3种水鸟尝试研究其水质指示作用,这3种水鸟严格依赖洱海近岸水体及其底质觅食.
3.2 观察点水域水质的代表性
洱海在弱风浪水动力扰动下,湖滨带近岸(离岸0~60 m范围)区域水体TN、TP浓度与远岸(离岸70~190 m内)差异不显著[27];在西班牙泄湖Mar Menor,在离岸1 km以内,营养盐浓度随着距岸边距离增加而快速下降,不同湖滨带的水质差异在离岸50m内就得以充分体现[17].本研究的重点在于区分洱海内不同湖滨带之间的水质和水鸟差异,每个采样点都在离岸50 m以内的地方采用相同的方案采集水样,已经反映了洱海不同湖滨带之间的水质差异;17个观察点TN和TP浓度均呈现较大的变异,TN浓度在0.293~1.732 mg/L之间,TP浓度在0.049~0.313 mg/L之间,且与已开展的洱海湖滨带水质研究结果[27]相似,即在空间上呈现北部营养盐浓度最高,东部营养盐浓度最低的格局;造成湖滨带水质发生空间变异的原因为不同湖滨带周边的土地利用、沿岸生产方式有所差异,从而可能导致相应湖滨带的入湖营养盐总量有较大差异.在今后的深入研究中,在水鸟观察范围内按距离分层取水样将更为精细地揭示水鸟对湖滨带水质的响应规律.
3.3 洱海湖滨带3种水鸟对水质变化的响应
在洱海整个湖滨带水体水质空间变异大的背景下,本研究中白骨顶和小的种群密度均与TN和TP浓度呈显著正相关,即随着湖滨带不同观察点水体中TN和TP浓度的增加,白骨顶和小的数量亦增加.研究结果不同于已开展的物种水平上研究,西班牙泄湖Mar Menor西端长约4.12 km的湖滨带,白骨顶和
类水鸟密度对湖滨带营养盐的变化并没有响应,水鸟对沿岸淡水资源的依赖可能是其没有响应的原因[17];本研究结果亦不同于基于群落水鸟多样性指数的研究结果,因为相关研究表明水鸟多样性指数与富营养指数、污染程度呈负相关关系[31-32],而与北美佛罗里达州基于46个湖泊的群落研究结果相似,表明水鸟群落物种丰富度和多度与TN和TP浓度均呈正相关[6].采用不同的水鸟响应变量以及差别较大的研究地环境条件可能是造成研究结果不同的主要原因.
在其他生物类群中,对洱海浮游植物群落多度影响最大的水环境因子为TN和TP浓度[33],影响洱海轮虫分布的环境因子包括TN浓度[34];对洱海底栖动物群落变异的水环境因子为TP和Ca2+浓度[35].综上,本研究和已开展的研究表明水鸟同湖泊中其他生物类群一样,可以对洱海湖滨带水体营养盐TN和TP浓度变化表现出响应关系.
与美国佛罗里达州everglades湿地相关研究[21]不同的是,黑水鸡并没有对洱海湖滨带水质有所响应,这可能与黑水鸡在洱海的生境偏好有关.根据观察,黑水鸡与白骨顶和小的生境偏好并不相同,虽然黑水鸡也在靠近岸边的区域活动,但多数时间是在紧邻岸边的挺水植物和浮水植物丛中活动,而白骨顶和小
通常是在距离岸边有一定距离的明水面活动.本研究的水质采样点并不在挺水植物和浮水植物带内,这可能是黑水鸡未对洱海湖滨带水质有所响应的原因,也说明了在物种水平上根据物种的具体生态学习性来选择水鸟指示物种尤为重要[1].
4 结论
鸟类是开展生物多样性监测的重要指示类群,未来我国将大力发展全国范围内的鸟类监测工作[36].水鸟作为湿地水质生物指示虽有一定局限性[1],但本研究认为白骨顶和小是对洱海湖滨带近岸水体TN、TP浓度有一定响应关系的物种,在物种水平上开展相关监测工作可能是提高水鸟水质指示作用的途径.在未来冬季洱海湖滨带水质快速评价时,可以尝试使用这2个物种作为洱海冬季近岸水体水质状态的指示生物.白骨顶和小在更大空间和时间尺度上的水质指示作用有待于更多湖泊或水库水体的长期相关研究.
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The bio-indicator role ofw intering waterbirds in littoral zone of Lake Erhai,Yunnan Province
ZHANG Shuxia1,WU Huilin2,ZHOU Jun2,GAO Ying2,JIANG Jun2&XIAOWen1∗∗
(1:Institute ofEastern-Himalaya Biodiversity Research,Dali University,Dali 671003,P.R.China)
(2:Agriculture and Biology College,Dali University,Dali671003,P.R.China)
Waterbirds respond sensitivly to the nutrient change ofwetlands in a species-specific or community way,which can provide early warning for changes that could negatively affect ecosystems.We studied the relationship between waterbird density and water quality index among 17 lakeshore sections in Lake Erhai,a large freshwater lake.We counted individual numbers of Little Grebe(Podiceps ruficollis),Common Coot(Fulica atra),Common Moorhen(Gallinula chloropus)and collected water samples synchronously in February 2015.Pearson correlation analysis showed that the population densities of both Common Coot and Little Grebe were significantly correlated to the total nitrogen concentration and the total phosphorus concentration.While the population density of Common Moorhen was not correlated to either the total nitrogen concentration or the total phosphorus concentration.The results suggested thatwaterbirds could respond to nutrient changes in littoral zone of Lake Erhai in a species-specific way,and a thorough knowledge of the ecology of a given species is required to properly choose awaterbird bio-indicator species.Further studies in more lakes or reservoirs could justify the bio-indicator role of Common Cootand Little Grebe at larger temporal and spatial scales.
Freshwater lake;bio-indicator;waterbirds;water quality;Lake Erhai
DOI 10.18307/2017.0403
©2017 by Journal of Lake Sciences
∗国家水体污染控制与治理科技重大专项(2013ZX07105-005-02-02,2012ZX07105-003-01-01)、云南省高校洱海流域保护与可持续发展研究重点实验室项目、中国三江并流区域生物多样性协同创新中心项目和大理大学博士科研启动项目联合资助.2016-04-20收稿;2016-08-02收修改稿.张淑霞(1977~),女,博士,高级工程师;E-mail:Zhangsx@eastern-himalaya.cn.
∗∗通信作者;E-mail:Xiaow@eastern-himalaya.cn.