巴松措原生动物群落结构季节及垂直分布

杨欣兰,潘瑛子,巴 桑

1 西藏自治区农牧科学院水产科学研究所,拉萨 850000 2 西藏大学理学院青藏高原湿地与流域生态实验室,拉萨 850000

湖泊生态系统是流域与水体生物群落、各种有机和无机物质之间相互作用的开放且复杂的水域生态系统。淡水湖泊为人类生存和发展提供了不可或缺的自然资源和生存环境[1—3]。西藏湖泊星罗棋布,巴松措(湖)作为西藏东部最大的典型冰川堰塞型淡水湖泊,因人为干扰较少而至今保持着相对稳定的原始状态,因此,可作为研究湖泊稳态和生态平衡的典型淡水水体。该湖泊水深可达167m,平均约100 m,为当地居民提供了多种生态系统服务功能,因此,揭示该水域生态环境质量具有重要的生态学意义[4—11]。

原生动物是一类形态多样且分布广泛的单细胞生物。其作为生态系统中重要的组成部分,在物质循环与能量传递过程中发挥着枢纽作用。因其生命周期简短,且对环境的变化反应敏感,一直作为水体环境及生态环境质量的指示者[12—14]。研究该湖泊原生动物群落特征与垂直分布年际动态变化规律,可为深入揭示其生态环境质量及其服务功能提供重要的第一手资料。有关巴松措水体生物多样性研究至今尚未见有报道。本文以巴松措水体为研究对象,初步探讨了该水域原生动物群落结构及垂直分布,为丰富西藏高原生态冰川堰塞湖中淡水湖泊的生物多样性分布、以及生态学特征资料提供了重要的基础资料,并为湖泊生态系统的优化管理与保护提出科学依据。

1 材料和方法

1.1样区概况

巴松措(湖)位于尼洋河最大支流巴河的宽谷中(93°55′39.95"E,30°01′06.04"N),为雅鲁藏布江支流尼洋河水系中最大的高山冰川堰塞湖之一海拔3460 m,湖泊面积26 km2(长13 km,宽约2 km,最大湖深约167 m),平均湖深约100 m。水域面广,负氧离子浓度较高,空气细菌含量低；湖水丰沛,冰封期极短。由于受到印度洋湿润气流的影响,湖泊所在区域形成了高原温带半湿润季风气候,空气湿润,雨量充沛,年无霜期175 d,年平均气温6.3℃,年均降水量646 mm,年日照时数2016 h[15—18]。湖泊所在区域山地除冰川作用外,又受流水切割而形成高山深谷(相对高度差达约2000 m)的深切割地形。巴松措形成于新错和仲错两股古冰川流水相汇而造成的“U”槽谷中,湖口由终碛垅堵塞而成。巴松措补给水源主要为仲错弄巴曲(河)、新错弄巴曲(河)、白朗曲(河)、罗结曲(河)和扎拉河冰川融雪水以及天然降水[19—21]。该湖泊长年水温较低,属于高山型冷水湖泊。湖体周围从低热河谷灌丛到寒寂荒凉高山稀疏垫状植被带,中间依次出现有常绿阔叶林、针阔混交林、云冷杉林、高山柳与杜鹃灌丛、高山草甸等植被垂直带；呈现出由东南向西北由常绿阔叶林-高山松林-高山栎林、亚高山灌丛到高山草甸的水平地带性,其森林覆盖率为80.0%[22]。

1.2 样点设置

采样时间为 2017年11月及2018年5月和9月。根据国家标准方法《水质—微型生物群落监测 PFU 法》(GB/T12990-91)、地表水监测断面的布设原则、巴松措水域的自然环境特征及水体功能与梯度结构等特征设置采样断面和深度,本次研究采用传统的挂锤式测得最大水深为108 m,按水深设置了0.5、2.5、5、15、30、60 m和100 m 共7个梯度,由浅到深依次用B1—B7来表达分层采集的水样(图1)。

图1 巴松措样点分布图Fig.1 Sampling site (B)of Basom-tso lake

1.3 样品的采集与处理

原生动物样品和水化环境样品的采集和处理均参照我国行业规范的研究方法进行[23]。水样用QCC 15卡盖式采水器与有机玻璃采水器,将采水器于水下相应位置,静置5—10 min后采得水样(设置3个平行)；定量样品的采集方法同上,采到水样后立即用10%鲁哥氏液固定；在室内静置24 h后浓缩至50 mL,移取0.1 mL浓缩匀液至0.1 mL计数框,在10×40倍显微镜下全片计数原生动物数量(重复3次)。

1.4 物种鉴定

在室内借助Olympus研究型光学显微镜,采用活体镜检和固定染色法相结合鉴定物种[24],原生动物物种鉴定主要参考文献：《原生动物学》、《淡水微型生物与底栖动物图谱》,《中国黄渤海的自由生纤毛虫》,《西藏水生无脊椎动物》[23,25—28],采用Lynn(2008,2017)分类系统进行分类[29]。

1.5 数据处理与分析

采用Gleason-Margalef 丰富度指数(d)、Shannon-Wiener多样性指数(H)和Simpson优势度指数(S)等指数,计算公式如下：

1)丰度：

RS=(Vs×n)/(V×Va)

2)Gleason-Margalef 丰富度指数：d=(Ns-1)/ln(N)；

3)Shannon-Wiener多样性指数：H=-∑Pi×lnPi(Pi=Ni/N)；

4)Pielou均匀度指数：E=H/ln(Ns)；

5)Simpson优势度指数：S=ΣNi(Ni-1)/(N(N-1)；

6)Mcnaughton优势度系数：Y=fi×Ni/N；

7)Jaccard相似性系数：J=c/a+b-c；

式中,RS为1 L水样中原生动物的数量(个/L)；Vs为样品浓缩后的体积(mL)；n为计数体积观察所获得的个体数(个)；V为采样体积(1 L)；Va为计数样品体积(1 mL)；N为同一样点中个体总数；Ni为第i种的个体数；Ns为物种数；fi为第i种出现的频率；a、b分别为a地和b地的种类数,c为a、b两地共有的种类数[29—34]。

原生动物出现的频率和相对丰度计算依据McNaughton优势度Y≥0.02时定为优势种。群落结构公式采用Excel计算和绘图,使用R语言进行主成分分析PCA和Pearson相关分析；地图用ArcGIS 12.0制作。

2 结果与分析

2.1 原生动物群落结构

2.1.1原生动物物种组成

巴松措共鉴定到原生动物195种(属),隶属于2门11纲24目43科59属。其中春季有86种(属),隶属于2门10纲22目42科57属；优势类群、次优势类群、罕见类群依次为砂壳目占比31.40%,表壳目占比16.28%,隐(藻)滴目占比1.16%,其余为常见类群(占比51.19%)；夏季有93种(属),隶属于2门8纲21目30科53属；优势类群、次优势类群、罕见类群依次为砂壳目占比为32.26%,变形目占比11.83%,隐(藻)滴目占比1.08%,其余为常见类群(占比54.83%)；秋季分布有80种(属),隶属于2门7纲17目34科49属；优势类群、次优势类群、罕见类群依次为砂壳目占比占比为37.50%,变形目占比17.50%,隐(藻)滴目占比1.25%,其余为常见类群(占比43.75%)；砂壳目为该湖泊原生动物群落年际优势类群,年际变化趋势为：春季31.40%>夏季32.26%>秋季37.50%,见图2。

图2 巴松措原生动物群落结构示意图Fig.2 Schematic diagram of protozoan community structure of Basom-tso lake

2.1.2原生动物的优势种

根据McNaughton优势度系数Y≥0.02确定优势种,并用属名的首三位字母加种名的首三位字母作为优势种拉丁名的简写。春季有9个优势物种,其中纤毛虫物种数占55.56%,肉鞭虫占44.44%,排名前三位优势物种依次是飞燕角腰鞭虫(Ceratiumhirundinella)、斜欹螺纹虫(Coxlielladeclivis)和半缘筒壳虫(Tintinnidiumsemiciliatum)。夏季共有13种,其中肉鞭虫占92.31%,纤毛虫占7.69%；前三位优势物种为卵形尾滴虫(Cercomonasovatus)、易变小鞭毛虫(Mastigellacommutans)和卵形单领鞭虫(Monosigaovata)。秋季共有5种,其中纤毛虫占60%,肉鞭虫占40%；前三位优势物种为淡水筒壳虫(Tintinnidiumfluviatile)、盖厢壳虫(Pyxidiculaoperculata)和小旋口虫(Spirostomumminus)。春秋季优势种主要为砂壳纤毛虫；夏季的优势物种主要为肉鞭虫。优势种数和优势度指数从大到小依次为夏季>春季>秋季,呈现出明显的时空差异性,见表1。

表1 巴松措原生动物优势物种分布表Table 1 Dominant species of protozoan at Basom-tso lake

2.1.3原生动物的群落特征参数

春季分布的原生动物种类数为13.9,随水深度增加其种类数和丰度均呈降低趋势,丰度均值为2782 个/L；群落Shannon多样性指数(均值为2.52)与Margalef丰富度指数(均值为2.55)随水深延伸而降低；Simpson优势度指数(均值为0.84)无明显规律；Pielou均匀度指数(均值为0.98)在0.5 m水深为0.88,其余各水层均为1。

夏季分布的原生动物种类数随着水层加深其呈降低趋势(均值为15),最深层样点有少量上升现象,丰度变化趋势与种类数的变化一致(均值为3114 个/L)；群落Shannon多样性指数(均值为2.45)与Simpson优势度指数(均值为0.10)随水深变化无明显规律；Margalef丰富度指数(均值为2.70)随水深的增加而降低；Pielou均匀度指数(均值为0.92)在水深15 m之后保持在1.0水平。

秋季分布的原生动物种类数随水深下降其呈现降低趋势(均值为13.6),丰度则无明显规律(均值为1186 个/L)；群落Shannon多样性指数(均值为2.60)与Margalef丰富度指数(均值为2.58)随水深增加呈下降趋势；Simpson优势度指数无明显变化规律(均值为0.07)；Pielou均匀度指数无明显变化(均值为1.00)。

总体上分析,原生动物种类数随着季节变化的趋势为：夏季>春季>秋季,丰度的季节变化趋势为：夏季>春季>秋季,Shannon多样性指数季节变化规律为：秋季>春季>夏季,Margalef丰富度指数季节变化规律为：夏季>秋季>春季,Simpson优势度指数季节变化规律为：春季>夏季>秋季,Pielou均匀度指数季节变化规律为：秋季>春季>夏季(表2)。该湖泊原生动物种类组成丰富多样,群落结构相对复杂,随水深的增加而相对简单,优势种类变化不明显。春季原生动物群落结构较夏秋季复杂多样,优势种类明显,该湖泊原生动物群落特征指数波动性不明显,相对稳定,这与湖泊水环境相对稳定有关。

表2 巴松措原生动物群落特征参数Table 2 Characteristic parameters of protozoan community in the Basom-tso lake

2.2 原生动物群落结构垂直分布

2.2.1原生动物物种数与丰度垂直分布

为了研究巴松措原生动物垂直分布机制,将原生动物按五大优势类群的物种数和丰度进行分类并绘制占比图,结果显示:各水层物种数和丰度均以砂壳目类群为主要优势。砂壳目类群物种数沿水深呈上升趋势(春季除30 m和100 m处、夏季除5 m和30 m处、秋季除60 m处)；变形目类群沿水深增加之占比呈减低趋势(春季除5 m和100 m处、夏季除15 m处、秋季除60 m处)；表壳目类群物种数无明显的垂直分布,但春季在15 m处达到最大值,夏季于5 m处未见该类群物种；动基体目类群物种仅出现于5 m以浅的水体中,其他类群物种数受垂直分布影响不大。

丰度(RS)：春季19475(个/L)；夏季21800(个/L)；秋季8300(个/L)

砂壳目类群丰度沿水深呈上升趋势(春季除30 m和100 m处、夏季除30 m处、秋季除2.5 m和60 m处)；变形目类群沿水深增加之占比呈减低趋势(春季除5 m和100 m处、夏季除5 m、30 m和60 m处、秋季除60 m处)；表壳目类群丰度无明显的垂直分布,但春季在15 m处达到最大值,夏季于5 m处未见该类群物种；动基体目类群物种仅出现于5 m以浅的水体中,其他类群丰度受垂直分布影响不大,详见图3。

图3 巴松措原生动物主要类群的物相对种数和相对丰度Fig.3 Relative pecies number and relative abundance of main groups in protozoan communities in Basom-tso lake

2.2.2物种聚类分析

为了深入了解巴松措(湖泊)原生动物物种分布和在样点间的季节与垂直分布变化规律,将原生动物物种分布数据进行聚类分析。结果显示：春季原生动物物种聚类特点是,其中B6、B7先聚成小组群,然后再与B3、B4聚集的小组群相聚,之后依次与B5、B2、B1聚集为一个大组群；夏季原生动物物种聚类结果是,从深层至表层依次聚群；秋季原生动物物种聚类结果是,先是B4、B5、B7聚合为一组,之后依次与B6、B3相聚,再次与B1与B2聚合小群相聚形成大群组。从整个聚类分析的结果可以看出,B6、B7水层处原生动物的物种分布较为稳定,物种分布聚类分析变化较大的水层主要在30 m以上水域,具有明显的时空差异性特征,见图4。

图4 巴松措各样点的聚类分析Fig.4 The clustering analysis among sampling sites at Basom-tso lakeB1—B7:水层0.5—100m

2.2.3群落特征参数与水层深度的相关矩阵

为深入研究水深对原生动物群落结构特征的动态影响,将水深和原生动物群落特征参数进行了Pearson相关性分析。结果显示,水深与春季原生动物物种数、Margalef丰富度指数(P<0.05)及Shannon多样性指数(P<0.01)均呈负相关关系；水深与夏季原生动物物种数和Margalef丰富度指数皆呈显著负相关关系(P<0.01)；水深与秋季动物种类数和丰度呈负相关关系(P<0.05),与Simpson优势度指数呈正相关关系(P<0.05),且三个季节群落特征参数与水深相关曲线相似,说明该湖泊水环境较为稳定,见图5。

图5 巴松措各水层与春、夏、秋季原生动物群落参数Pearson相关矩阵Fig.5 The Pearson correlation matrix of protozoan in Spring,Summer and Autumn at Basom-tso lakeNS：物种数 Species number,RS：丰度 Richeness,H：多样性指数 Shannon index,S：优势度指数 Simpson index,E：均匀度指数 Pielou index,d：丰富度指数 Margalef index,WD：水深 Water depth

2.2.4群落结构主成分分析

将巴松措原生动物物种分布的数据按季节(春、夏、秋)首字母(C、S、A)加数字的形式编号进行主成分分析,用三个图分别分析PCA轴的解释率、物种解释率和样点的解释率及贡献值。结果显示：春季PCA 排序第 1轴的解释率为25.6%,主轴1和2的累计解释率为44.2%。原生动物中贡献率排名前三的种类是半缘筒壳虫(Tintinnidiumsemiciliatum)、表壳圆壳虫(Cyclopyxisarcelloides)、普通表壳虫(Arcellavulgaris),并且随着水层位置上升时,物种对各样点(水层)的贡献率也逐渐降低,排名前三的样点是B1、B2和B3。夏季PCA 排序第 1轴的解释率为24%,主轴1、2的累计解释率为45.5%。夏季原生动物中贡献率排名前三的种类是淡水筒壳虫(Tintinnidiumfluviatile)、后湖马氏虫(Mayorellahohuensis)、坚果领细壳虫(Stenosemellanucula),同样是随着水层的升高,其对样点的贡献率也随之降低,排名前三的样点是B1、B2和B3。秋季的PCA排序第一轴解释率为19.8%,主轴1、2的累计解释率为39.3%。秋季原生动物中贡献率排名前三的是淡水筒壳虫(Tintinnidiumfluviatile)、盖厢壳虫(Pyxidiculaoperculata)和蜉蝣筒壳虫(Tintinnidiumephemeridum),并且排名前三的样点是B1、B2和B6。结果表明：原生动物排名前三的物种有较大差异,其对样点的贡献排名相对稳定,见图6。

图6 巴松措春、夏、秋季原生动物PCA分析结果Fig.6 The PCA analysis result of protozoan in Spring,Summer and Autumn in Basom-tso lake

3 讨论

3.1 原生动物群落结构季节分布

本次研究的鉴定结果显示该湖泊原生动物是以砂壳目、表壳目、变形目、动基体目和其他类群为主体的群落结构构架,优势物种的主要成分是肉鞭门物种,较姜建国等[35]和张荣坤等[36]对东湖和白石水库等其他水体[37—39]复杂丰富。物种组成多样且分布均匀,优势度不明显,物种数较低且丰度较少,群落特征参数数值较低,存在明显的优势物种,具有显著的季节差异。

巴松措为深水湖泊,位于中国西藏边陲林芝市内,四季分明,受地理环境影响较明显,春季群落结构较为复杂、秋季则最为简单。其原因可能湖泊生态系统中分布的原生动物群落中不同种类能适应不同的水域环境,并形成相对稳定的群落结构；一旦环境因子发生变化(温度、营养素、pH等),该群落结构的稳定性就会直接或间接的发生变化[40]。巴松措水体受季节影响变化较大,这与其地理位置和海拔高度有关。巴松措属高原湖泊,水源来自冰川融雪水,其气温年际变化会直接影响到湖泊水体水温的波动(水体温度波动尤为显著)。生活在该湖泊的原生动物在长期自然进化过程中适应了这种相对低温低氧环境而生存,从而产生了一些适应该环境的土著种类[41—42]。随着每年春季气温上升,融雪水经地表流入湖泊,为湖泊补充了水源,同时也为水体引入了很多矿质元素,引起了春季湖水原生动物群落结构发生了较大变化(种群数量都有所升高)。夏季光照较为充足,植物的光合作用会释放氧气,强烈的日照会提高湖泊的水温和溶解氧,致使该湖泊原生动物种类数上升。随着雨季到来,地表径流水会不断稀释湖泊原生动物群落,充足的光照、适宜的温度和丰富的养料会滋养适宜物种快速繁殖。因此,夏季湖泊原生动物群落结构较简单,且肉鞭毛类物种占据优势。秋季气温骤降、植物凋谢造成水体处在低温缺氧状态,促使大部分原生动物无法适应急速变化的环境,其中砂壳类纤毛虫能够较好的适应低温和低氧的环境而快速繁衍[43],导致该湖泊秋季原生动物群落结构较为简单；在水体中出现了较多的自养型原生动物成为优势物种,这一结果与其他湖泊原生动物群落多样性研究结果较为一致[44—46]。

3.2 原生动物群落结构的垂直分布

水体深度是影响浮游生物垂直分布的主要区域性环境因子,运用统计学结果分析水深与原生动物群落结构之间关系很有意义。有文献[47]表明巴松措是跃层情况较为复杂的深水型湖泊水体,且有杂志报道巴松措地下水体情况较为复杂应有内流河,具体情况还需长时间、高频率、多季节的观测数据结果提供可靠的科学依据,所以在分析的时候将湖泊大致按跃层分为表3(0.5—5 m)、中(15—30 m)、底(60—100 m)三个水层讨论。

表3 巴松措原生动物群落垂直分布特征Table 3 Vertical distribution of characteristic parameters of protozoan community in the Basom-tso

利用相关性分析结果发现三个季节原生动物的物种数皆受水深的影响,Margalef群落丰富度指数在春夏季也显示出受水深影响(表层>中层>深层),即会随水深的增加而降低。春季Shannon群落多样性指数随水深的增加而降低；秋季的Simpson群落优势度指数会随水深的增加而增加。是根据该湖泊原生动物群落结构和种群数量垂直分布特征：表层>中层>底层(其中秋季：中层>表层>底层)；为聚类分析结果可以看出各样点越深的位置整体的生活环境越相近,物种的分布也会优先聚为一类；为进一步印证巴松措原生动物群落结构季节与垂直分布特征,采取PCA进行分析。分析结果也显示砂壳目类群物种贡献率较大,且多位于表层水体,随水深增加原生动物种类及数量分布越少,底层整体种类和数量分布较少,群落结构简单,与相关性分析和聚类分析的结果一致。其原因是随着水深的增加,可见光、透明度及含氧量等因素会随之降低,甚至会归为无。氧气含量、水温和水压也会随水深而改变,各种适宜原生动物生存的生物因子、物理条件和化学环境都发生了较大变化。原生动物可以分为自养型、异养型以及杂食型等六大营养类群,在光源充足的情况下,自养型原生动物会呈较多的现象,但是随着光变暗,水压升高,环境相对恶劣的情况下,异养型、杂食型原生动物适宜生存而大量繁殖[48—50],形成了随着水深增加会出现耐受性物种优势度而群落多样性降低的现象。底层水域环境较为极端恶劣,极度减少了原生动物常见种的生存和繁殖[51—52],有壳类原生动物对生存环境的要求并不严格且适应性较强,能适应这种极端环境而生存,从而整体形成了原生动物群落结构随水深增加变得简单化,见表3；位于中层水体的原生动物群落结构变化较大,呈现复杂到简单的趋势。概因湖泊透明度在采样时最高可达11.4 m,可见光无法达到中层水体,又在此区间有水体跃层现象[47]。使水体内环境发生变化,直接降低自养型生物和对环境敏感的一些常见水生生物,影响大多数原生动物常规物种的存活。一些异养型和杂食型原生动物的对环境影响反应相对较低,可迅速繁殖生存,致使群落结构和优势物种也跟着变化。在此水层中采样得到的原生动物的组成主要为砂壳类纤毛虫和肉鞭门中表壳目生物,因它们属于带壳类原生动物,对环境的适应能力较高,因此受环境变化影响较低,且据杂志报道巴松措水下20 m能见度低生物稀少且可见鱼类粪便,且水下有大型植被,说明巴松措的水体环境较为复杂,中层水体的原生动物可从其他生物粪便中汲取养分,但无法大量的生殖繁育,这也可以解释中层原生动物群落结构相对稳定但丰度降低的特点。此结果也需有持续检测的数据支撑,有待进一步考究；而60 m之下的水体则处于水位较深且常年无光低氧高压的环境,致使环境更为稳定,砂壳类群物种和其他类群的比例常年不变,基本不受季节的影响。