基于浮游动物完整性的扎龙湿地水生态状况评价

2022-10-28柴一涵王天鹅于洪贤柴方营

中国环境监测 2022年5期

陈庆，柴一涵，王天鹅，孙旭，于洪贤，柴方营，林洪

1.黑龙江省森林草原防火预警监测中心，黑龙江哈尔滨 150090 2.东北林业大学奥林学院，黑龙江哈尔滨 150040 3.哈尔滨学院地理与旅游学院，黑龙江哈尔滨 150086 4.大连海洋大学水产与生命学院，辽宁大连 116023 5.东北林业大学野生动物与自然保护地学院，黑龙江哈尔滨 150040 6.黑龙江科技大学管理学院，黑龙江哈尔滨 150020

扎龙湿地是丹顶鹤最为重要的繁殖地，是白鹤迁徙期间重要的停歇地，也是其他100余种水禽的繁殖和停歇场所[1]。典型、原始的生态系统和丰富的生物多样性，使扎龙湿地在全球生物多样性保护工作中占有非常重要地位[2]。1992年中国政府加入《关于特别是作为水禽栖息地的国际重要湿地公约》，扎龙保护区被首批列入国际重要湿地名录，受到国际社会的广泛关注[3]。

湿地提供了重要的生态系统功能和价值，如野生动物栖息地、水过滤和防洪[4]。扎龙湿地作为淡水湿地的典型代表，其水环境既具有一般性又具有特殊性[5]。近年来随着经济发展和人类活动，扎龙湿地湖泊旱情严重，东升水库、克钦湖等一些大型水库、湖泡水位骤降或几乎干涸[6]，河道及湖泊周围草地面积呈略减趋势[7]，最终导致扎龙湿地严重缺水，面积急剧萎缩，湿地生态环境遭到严重破坏[8]。

浮游动物是初级生产者和较高营养水平之间的纽带，其营养结构呈季节性变化，与强烈的消费控制相一致，同时与浮游植物生物量和磷呈负相关[9]。浮游动物的分布受到环境变量的强烈影响，环境变量控制着浮游动物群落的结构，营养动态的变化也会产生同样强烈的潜在交互作用[10]。浮游动物的营养结构对营养物浓度和硝酸盐及亚硝酸盐浓度有显著的响应[11]。

根据浮游动物完整性指数来进行健康评价，揭示出与环境因子的关系，可以找到淡水生态系统浮游生物完整性的环境保护阈值[12]，研究结果对淡水生态系统的监测和保护具有指导意义。水生态系统健康的定量评价是制定水环境管理和生态恢复政策的关键。本文以扎龙湿地为研究区，通过采样调查浮游动物资源，构建浮游动物完整性指数进行健康评价，对扎龙湿地生态系统恢复状况具有重要现实意义。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况

扎龙湿地上游多年平均径流深为150～1 000 mm，下游低平原区径流深小于10 mm，径流量主要集中在7—9月[13]。扎龙湿地土壤主要有沼泽土、草甸盐土、风沙土等。土壤分布以水体为中心向岗地蔓延并呈同心圆状分布，随着地形的起伏，分布有草甸盐土、风沙土。芦苇沼泽是扎龙湿地典型的沼泽类型，此类沼泽地表常年积水[14]，水深一般在20 cm以上[15]，最适宜芦苇生长的水深为30 cm左右[16]。

1.2 研究方法

根据扎龙湿地类型，选取湖泡明水3处，芦苇沼泽11处，湿草甸10处，共设置24个采样点，每个采样点设置3个重复(图1，表1)，于2019年5、8、10月分别进行春、夏、秋季3次采样调查。

图1 扎龙湿地采样点分布图Fig.1 Distribution of samplingsites in Zhalong Wetland

表1 扎龙湿地采样点信息Table 1 Information of sampling sites in Zhalong Wetland

浮游动物采集：根据水深，用5 L有机玻璃采水器分别采集上、中、下层混合水样共20 L，通过25#浮游生物网(网眼为64 μm)过滤后，再加入5%甲醛溶液固定样品。带回实验室沉淀浓缩，用Motic BA400光学显微镜进行物种鉴定和计数。原生动物参考《微型生物监测新技术》[17]，轮虫参考《中国淡水轮虫志》[18]，枝角类参考《中国动物志·淡水枝角类》[19]，桡足类参考《中国动物志·淡水桡足类》[20]。

1.3 数据分析方法

浮游动物丰度根据章宗涉等[21]的研究计算。

Nz=(Vs×n)/(V×Va)

(1)

式中：Nz为浮游动物丰度；V为采集水样体积；Vs为沉淀后水样的体积；Va为计数水样体积。

浮游动物生物量根据赵文[22]的研究计算，按照体积法把浮游动物生物体看作近似的几何体，并假定相对密度为1，从而得到湿重，即为生物量。

浮游动物Shannon-Wiener多样性指数(H′)、Pielou 均匀度指数(J)和Margalef 丰富度指数(d)根据芦康乐等[23]的研究进行计算。

(2)

d=(S-1)/lnN

(3)

J=H′/lnS

(4)

式中：ni表示第i物种的个数；N表示物种总数量；S表示样品的总种类数。

1.4 浮游动物完整性指数的构建

本研究主要从4个方面考虑(群落丰富度、浮游动物丰度和生物量、浮游动物多样性指数和浮游动物营养结构)，构建浮游动物完整性指数。经过确定参照点和受损点、筛选候选生物指标、构建核心指标以及分析分布范围、判别能力和相关性等步骤[24]，最终确定扎龙湿地浮游动物完整性指数，并对扎龙湿地做出健康评价。

2 结果与讨论

2.1 浮游动物群落结构特征

扎龙湿地共发现浮游动物4门类44属72种，其中轮虫20属36种，原生动物13属20种，枝角类6属8种，桡足类5属8种。

2.2 候选生物指标的选取

结合相关研究[25]及调查数据，本文从浮游动物群落丰富度、丰度生物量、多样性指数、营养结构4个方面共选取24个候选生物指标(表2)。

表2 候选生物指标及参照点的候选生物指标分布情况Table 2 Candidate bioindicators and distribution of candidate bioindicators in reference sites

2.3 核心指标构建

根据参照点的调查数据，分别对24个候选生物指标的平均值、标准差、最小值、最大值、25%分位数、中位数(50%分位数)和75%分位数进行计算[26]，具体分布情况见表2。参照点和受损点候选生物指标的箱线图见图2。

图2 参照点和受损点候选生物指标的箱线图Fig.2 Box plots of candidate bioindicators of the impaired and reference sampling sites

从图2可以看出，总分类单元数(M1)、原生动物分类单元数(M2)、轮虫分类单元数(M3)、枝角类分类单元数(M4)、桡足类分类单元数(M5)、原生动物生物量(M10)、枝角类生物量(M12)、Margalef丰富度指数(M16)和中型浮游动物捕食者(M22)共计9个候选生物指标的IQ≥2，通过了判别能力分析[27]。

将通过判别能力分析的9个候选生物指标进行Pearson相关分析，根据Maxted标准，当相关系数(r)的绝对值大于0.75时，说明2个指标高度相关，信息较为相似，取其一即可[28]。由表3可知，总分类单元数(M1)与原生动物分类单元数(M2)、轮虫分类单元数(M3)与原生动物生物量(M10)、桡足类分类单元数(M5)与枝角类生物量(M12)、原生动物生物量(M10)与中型浮游动物捕食者(M22)相关系数的绝对值均大于0.75。我们将原生动物分类单元数(M2)、轮虫分类单元数(M3)和桡足类分类单元数(M5)和原生动物生物量(M10)剔除，其余指标保留。

表3 候选生物指标的Pearson相关分析Table 3 Pearson correlation analysis of candidate bioindicators

最终确定扎龙湿地浮游动物完整性核心指标由总分类单元数(M1)、枝角类分类单元数(M4)、枝角类生物量(M12)、Margalef丰富度指数(M16)和中型浮游动物捕食者(M22)共计5个生物指标组成。

2.4 分值计算与评价标准

分别采用三分法制(表4)、四分法制(表5和表6)和比值法(表7)对扎龙湿地浮游动物完整性指数设定记分标准，进行比较后找出最适合的方法[29]。

表4 5个指数值在参照点中的分布及分值计算标准Table 4 Descriptive statistics and scores for five biological index

表5 5个指数值在所有样点中的统计分布Table 5 Descriptive statistics of five biological index within all sampling sites

表6 5个指数分值评分标准Table 6 Four scoring thresholds for five biological index

表7 比值法计算5个指标分值的公式Table 7 Formulas for calculation of five biological index scores

按照以上3种方法分别计算出扎龙湿地参照点和受损点的分值，并进行判别能力分析。通过比较，我们发现3种方法的判别能力都很高，IQ均为3(图3)。

图3 3种记分法计算所得浮游动物完整性指数的判别能力分析Fig.3 Discriminatory power of Z-IBI derived from three scoring biological index methods

从相关性分析结果来看，3种记分方法之间都呈现出极好的线性关系，拟合指数R2分别为0.88、0.93和0.95，说明这3种记分方法都是可行的(图4)。

图4 3种记分法评价结果之间的相关性分析Fig.4 Correlation analysis of three scoring methods

通过3种记分方法计算浮游动物完整性指数在参照点和全部采样点种的分布，采用参照点浮游动物完整性指数(Z-IBI)分布的25%分位数和全部采样点Z-IBI分布的95%分位数法，确定3种记分方法扎龙湿地健康状况的评价标准(表8)。

表8 浮游动物完整性指数在参照点和全部采样点中的分布及健康标准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种标准，对各个采样点进行健康评价，同时根据健康标准分别评价参照点和受损点的准确率(表9)。三分制法评价参照点的准确率从77.78%提高到86.11%，然而降低受损点的准确率从88.89%下降到80.56%；四分制法也提高了参照点的准确率，其准确率由81.94%上升到87.5%，同时也降低了受损点准确率，从93.06%降至84.72%。与前2种记分方法相比，比值法则提高参照点的准确率，由83.33%升至91.67%，但受损点的准确率降低的幅度并不大，由94.44%降至93.06%，仅下降了1.38%，结果较三分制法和四分制法的评价结果更准确。