乌梁素海浮游植物群落优势物种种间联结研究

许冬雪，李 兴,*，王晓丽，勾芒芒

(1.内蒙古师范大学化学与环境科学学院，内蒙古节水农业工程研究中心，内蒙古呼和浩特010022；2.内蒙古自治区环境化学重点实验室，内蒙古呼和浩特010022；3.内蒙古机电职业技术学院水利与土木建筑工程系，内蒙古呼和浩特010070)

种间联结是指不同物种在空间分布上的相互关联性，可以用来描述环境差异造成的物种之间分布的相互关系[1]。从涉及物种的关系来分，物种联结可分为总体联结和种对间联结；从物种联结的种类来分，物种联结可以分为正联结、负联结和无关联[2]。种间联结包括5种关系：物种A的存在依赖于物种B 的存在；虽然物种A 对物种B 存在依赖关系，但物种C 可以代替物种B；物种A 与物种B 的存在没有关系；物种B 的存在减少物种A的存在机会；物种B 的存在使物种A 不能存在[3]。研究物种间的联结性对于了解物种间的相互作用、分布特征和演替规律，对保护生物多样性和修复生态环境[4]具有重要意义。

研究种间联结的方法包括方差比率法、卡方检验、种间联结系数(AC)、Dice 指数、Ochiai 系数、Jaccard 指数、Pearson相关分析和Spearman分析方法等[5-9]。近年来，国内学者采用这些方法在种间联结方面取得了很多研究成果。对滇中地区云南杨梅(Myrica nana)灌丛木本植物的种间联结特征的研究表明，主要物种总体联结性显著正关联，群落结构趋于稳定，群落种对间联结较弱，各物种间呈独立分布格局[10]。对浙江省南部近海主要虾类种间的关系研究表明，主要虾类总体显著正关联，种间联结性趋于正相关[11]。对草本药用植物与海拔分布关系的分析结果表明，种间具有显著正联结性[12]。

已经开展的研究集中在草本植物、木本植物、鱼类和虾等，缺乏对浮游植物种间关系的研究。因此，本研究以乌梁素海浮游植物优势物种为研究对象，采用方差比率法、χ2检验、共同出现百分率(PC)和种间联结系数(AC)，探究浮游植物优势物种的种间关系，为乌梁素海浮游植物的管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区

乌梁素海(40°36′N至41°3′N，108°43′E至108°57′E)位于河套平原东端乌拉特前旗境内，湖区呈现南北长(35～40 km)、东西窄(5～10 km)的特点[13]。乌梁素海水域面积为285.38 km2，其中生长芦苇的面积占比为41.69%，明水面积所占比例为38.94%[14]。每年的11 月至翌年3 月末4 月初为乌梁素海的冰封期。农田退水、工业废水和生活污水是乌梁素海主要的补给来源[15]。乌梁素海属于草-藻型湖泊，具有调节水量、净化水质、减缓水体富营养化进程、防止河套灌区土壤盐碱化等多种生态功能[16]。

1.2 采样点布设、样品采集及处理

根据乌梁素海污染源分布、水文及环境特征，设置了12 个采样点(图1)。2018 年和2019 年，选择1 月20 日作为冬季采样日，4 月16 日和5 月16日作为春季采样日，6 月18 日、7 月17 日和8 月16日作为夏季采样日，9 月19 日、10 月18 日和11 月13日作为秋季采样日，在每个采样日，采集样品。

图1 乌梁素海浮游植物采样点分布图Fig.1 Distribution of sampling sites of phytoplankton in Ulansuhai Lake

采集浮游植物定性样品时，利用25 号浮游生物网，在水体表面下0.5 m处，以“∞”形缓慢拖网，捞取浮游植物，然后将其浓缩，倒入100 mL 标本瓶，加入甲醛固定，带回实验室，用于浮游植物种类鉴定。

采集浮游植物定量样品分为冰封期采样和非冰封期采样。在冰封期，利用冰钻采集器破冰。在采样现场根据冰层的实际情况，将冰层按照每层10 cm 的厚度分为3～5 层(不同采样点的冰层厚度存在差异)，将分层取的冰样置于2 000 mL的塑料瓶内，做好标记带回实验室，使其在室温条件下自然融化后进行浮游植物鉴定和计数。浮游植物鉴定前，按照非冰封期采样方式处理。破冰后，用采样器同步采集1 000 mL 冰下水体，进行水质测试和浮游植物鉴定、计数。在非冰封期，首先用采样器在水面以下0.5 m 处，采集水样1 000 mL，现场加入鲁哥氏液固定，然后带回实验室静置；再经过虹吸和静置，最终保留30 mL样品；将样品摇匀后，取0.1 mL样品置于0.1 mL计数框内，在400倍显微镜下，鉴定浮游植物种类并计数。

1.3 数据处理

采用Mcnaughton 优势度指数，计算浮游植物优势度，其计算公式为：

公式(1)中，Y为浮游植物优势度；ni为样品中第i种浮游植物数量；N为样品中所有浮游植物数量；fi为第i种浮游植物在各站位出现的频率。将优势度Y≥0.02且出现频率≥0.333的浮游植物定为优势物种。在本研究中，当浮游植物出现频率＜0.333时，说明浮游植物仅出现在1 个采样点、2 个采样点或3个采样点，浮游植物优势物种仅在当月占优势，并不在季节占优势。

以种间关联指数(VR)，来度量物种总体关联性，计算方法详见文献[9]。借助假设检验来考核物种总体关联性，如果VR等于1，则浮游植物种间总体无关联；如果VR大于1，则浮游植物种间总体呈正关联；如果VR小于1，则浮游植物种间总体呈负关联。

通过浮游植物优势种群的统计量(W)，检测种间关联指数VR是否显著偏离1，W=VR×N。如果乌梁素海浮游植物优势物种总体无关联，则W落入[χ20.95(df)，χ20.05(df)]区间的概率为90%。

采用χ2统计量，检验浮游植物种间联结性是否显著[17]，其计算公式为：

采用共同出现百分率(PC)，评价物种间的正联结程度[17]，其计算公式为：

采用种间联结系数(AC)，进一步检验χ2结果，其计算公式为：

公式(2)～(6)中，n为调查期间布设采样点数量；a为两物种都出现的采样点数量；b、c分别为仅有一个物种出现的采样点数量；d为两物种都未出现的采样点数量。当ad大于bc时，两物种种间联结性为正联结；当ad小于bc时‚两物种种间联结性为负联结。当χ2＜3.841 时，表明两物种种间无联结性；当3.841≤χ2≤6.635 时，两物种种间联结性显著；当χ2＞6.635 时，两物种种间联结性极显著[18]。当共同出现百分率(PC)值为0时，说明在同一采样点两物种不同时出现，它们形成的种对没有关联；当PC值为1时，说明在每一个采样点两物种都同时出现，它们形成的种对关联程度最强[19]。当种间联结系数(AC)值等于0时，两物种的种间完全独立；当AC值大于0，且1与AC值的差越小时，两物种种间正联结性越强；当AC值小于0，且-1 与AC值的差越大时，两物种的种间负联结性越强[20]。

当某物种在采样点的相对频度为1时，它与其他物种形成的种对中b、d值都为0，导致χ2检验、种间联结系数(AC)公式的分母为0，公式没有意义，影响种对间联结性的测定。为了减轻这种影响，当某物种在采样点的相对频度为1时，把χ2检验、种间联结系数(AC)公式中的b、d值加权为1[21-22]。

1.4 其他数据分析

利用Excel 2007 软件，计算浮游植物优势度和优势物种总体关联性。利用R 语言，计算浮游植物优势物种种间χ2统计量、共同出现百分率(PC)和联结系数(AC)，并绘图。

2 结果与分析

2.1 浮游植物群落的物种组成和优势物种

2018年和2019年，在乌梁素海共鉴定出浮游植物7门78属185种(表1)。根据物种出现频率大于33.33%且优势度Y≥0.02，确定调查期间乌梁素海浮游植物优势物种有5 门19 属32 种(表2)。2018 年，浮游植物优势物种有4 门16 属25 种；2019 年，浮游植物优势物种有5 门19 属31 种。2018年和2019年的每个季节，尖针杆藻和四尾栅藻都为优势物种，表明尖针杆藻和四尾栅藻的适应性相对最强，尖针杆藻的密度为0.89×106～22.27×106cells/L，四尾栅藻的密度为1.54×106～34.51×106cells/L。点形平裂藻、优美平裂藻、尾裸藻在春季、夏季和秋季为优势物种，其密度分别为0.60×106～52.45×106cells/L、2.71×106～74.64×106cells/L、0.05×106～2.09×106cells/L。细小隐球藻在春季和夏季为优势物种，2019 年春季细小隐球藻的密度(1.00×106cells/L)相对最小，2018 年春季的密度(12.86×106cells/L)相对最大。点形平裂藻、优美平裂藻、尾裸藻和细小隐球藻对环境具有较强的适应性。谷皮菱形藻仅在夏季为优势物种，2018 年夏季谷皮菱形藻的密度为1.11×106cells/L，2019年夏季的密度为0.79×106cells/L。谷皮菱形藻对生境要求高，对乌梁素海水环境变化敏感，适应性较弱。

表1 乌梁素海中浮游植物名录Table 1 List of phytoplankton in Ulansuhai Lake

表2 乌梁素海中浮游植物群落的优势物种密度Table 2 Density of dominant species of phytoplankton communities in Ulansuhai Lake

2.2 浮游植物优势物种的总体关联规律

2018年和2019年各季节，乌梁素海浮游植物优势物种的种间关联指数VR值都大于1(表3)，因此，2018年和2019年浮游植物优势物种种间总体上都正关联。2018年春季、2019年春季和2019年夏季，浮游植物优势种群的统计量W落入χ2临界值范围内，而其他季节的统计量W没有落入χ2临界值范围内，2018 年春季、2019 年春季和2019 年夏季浮游植物优势物种种间总体无显著关联，其他季节浮游植物优势物种种间总体都显著关联。

表3 乌梁素海中浮游植物群落的优势物种间关联性的参数值Table 3 The values of correlations of dominant species of phytoplankton communities in Ulansuhai Lake

2.3 浮游植物优势物种种间关联规律

以χ2检验为基础，进一步结合共同出现百分率(PC)和种间联结系数(AC)，定量分析优势物种的种间关联性。图中横纵坐标轴为乌梁素海浮游植物优势物种，方块中不同符号代表不同范围的χ2值、PC值和AC值。

2.3.1 种间联结性χ2检验

将χ2检验结果分为5个层次[22-24]，依次为正联结性显著(3.841≤χ2≤6.635，0.01≤p≤0.05，ad＞bc)、正联结性极显著(χ2＞6.635，p＜0.01，ad＞bc)、负联结性显著(3.841≤χ2≤6.635，0.01≤p≤0.05，ad＜bc)、正联结性不显著(χ2＜3.841，p＞0.05，ad＞bc)和负联结性不显著(χ2＜3.841，p＞0.05，ad＜bc)。

2018 年，在25 种浮游植物优势物种构成的260 个种对中，正联结性种对共有160 对，占2018年物种总种对数的61.54%(图2)。正联结性显著的种对有2对，分别为夏季的沼泽颤藻与谷皮菱形藻、沼泽颤藻与尾裸藻形成的种对，正联结性极显著的种对有3对，分别为夏季的梅尼小环藻与星芒小环藻、梅尼小环藻与小球藻、星芒小环藻与小球藻形成的种对。负联结性种对共有100 对，占2018 年物种总种对数的38.46%。负联结性显著的种对有4对，分别为夏季的尖针杆藻与梅尼小环藻、尖针杆藻与星芒小环藻、尖针杆藻与小球藻、双头辐节藻与居氏腔球藻形成的种对。2018年联结性不显著的种对有251对，其中正联结性不显著的有155 对，负联结性不显著的有96 对。由此可见，2018年浮游植物优势物种种对间联结性较弱，在一定程度上独立分布。

图2 2018年和2019年浮游植物优势物种种间卡方检验(χ2检验)半矩阵图Fig.2 The semi-matrix of chi-square test(χ2 test)among dominant phytoplankton species in 2018 and 2019

2019 年，在31 种浮游植物优势物种构成的516 个种对中，正联结性种对共有319 对，占2019年物种总种对数的61.82%。正联结性显著的种对有6对，分别为春季的居氏腔球藻与细小隐球藻、居氏腔球藻与优美平裂藻、沼泽颤藻与链丝藻形成的种对，夏季的谷皮菱形藻与梅尼小环藻、谷皮菱形藻与双头辐节藻形成的种对，秋季的点形平裂藻与裂孔栅藻形成的种对。负联结性种对共有197 对，占2019 年物种总种对数的38.18%。2019年仅有的负联结性显著种对为夏季的尖针杆藻与梅尼小环藻形成的种对。2019年联结性不显著的种对有509 对，其中正联结性不显著的有313 对，负联结性不显著的有196 对。由此可见，2019 年浮游植物优势物种种对间联结性较弱，在一定程度上独立分布。

2.3.2 共同出现百分率

将浮游植物优势物种共同出现百分率(PC)结果分为6 个层次[25]，依次为正联结性无关(PC=0)、正联结性最弱(0＜PC＜0.2)、正联结性较弱(0.2≤PC＜0.4)、正联结性一般(0.4≤PC＜0.6)、正联结性较强(0.6≤PC＜0.8)和正联结性最强(0.8≤PC≤1)。

2018 年浮游植物优势物种中，正联结性最强种对有27 对，正联结性较强种对有53 对，正联结性一般的种对有87对，正联结性较弱的种对有58对，正联结性最弱的种对有29对，种间联结性无关的种对有6 对，它们分别占总种对数的10.39%、20.39%、33.46%、22.31%、11.15%和2.30%(图3)。共同出现百分率小于0.6 的弱联结种对有180 对，占总种对数的69.23%。由此可见，2018 年浮游植物优势物种种间联结性较弱，种间独立性相对较强。

图3 2018年和2019年浮游植物优势物种种间共同出现百分率(PC)半矩阵图Fig.3 The PC semi-matrix of cooccurrence percentages among dominant phytoplankton species in 2018 and 2019

2019 年浮游植物优势物种中，正联结性最强的种对有50 对，正联结性较强的种对有70 对，正联结性一般的种对有168对，正联结性较弱的种对有162对，正联结性最弱的种对有56对，种间联结性无关的种对有10 对，它们分别占总种对数的9.69% 、13.57% 、32.56% 、31.39% 、10.85% 和1.94%。共同出现百分率小于0.6的弱联结性种对有396对，占总种对数的76.74%。由此可见，2019年浮游植物优势物种种间联结性较弱，种间独立性相对较强。

2.3.3 种间联结系数

将种间联结系数(AC)按照联结性正负和强弱分为7 个层次[26]，依次为负联结性较强(-1≤AC＜-0.6)、负联结性较弱(-0.6≤AC＜-0.4)、负联结性一般(-0.4≤AC＜-0.1)、联结性无关(-0.1≤AC＜0.1)、正联结性一般(0.1≤AC＜0.4)、正联结性较弱(0.4≤AC＜0.6)和正联结性较强(0.6≤AC≤1)。

2018 年，浮游植物优势物种中呈现正联结性的种对有119对，其中正联结性较强的有39对，占总种对数的15.00%，正联结性较弱的有28 对，占总种对数的10.77%，其他52 对的联结性一般，占总种对数的20.00%(图4)。2018 年浮游植物优势物种中呈现负联结性的种对有99 对，其中负联结性较强的有48 对，占总种对数的18.46%，负联结性较弱的有24对，占总种对数的9.23%，负联结性一般的有27对，占总种对数的10.39%。种间趋向独立的对数为42对，占总种对数的16.15%。种间联结系数AC值在-0.6与0.6之间的弱联结性种对有173 对，占总种对数的66.54%，由此可见，2018年浮游植物优势物种种间联结性较弱，种间独立性相对较强。

图4 2018年和2019年浮游植物优势物种种间联结系数(AC)半矩阵图Fig.4 The AC semi-matrix of interspecific association coefficients for dominant phytoplankton species in 2018 and 2019

2019 年，浮游植物优势物种中呈现正联结性的种对有230对，其中正联结性较强的有67对，占总种对数的12.98%，正联结性较弱的有48 对，占总种对数的9.30%，其他115 对的联结性一般，占总种对数的22.29%(图4)。2019 年浮游植物优势物种中呈现负联结性的种对有193对，其中负联结性较强的有75 对，占总种对数的14.53%，负联结性较弱的有41对，占总种对数的7.95%，负联结性一般的有77对，占总种对数的14.92%。种间趋向独立的对数为93对，占总种对数的18.02%。种间联结系数AC值在-0.6与0.6之间的弱联结性种对有374 对，占总种对数的72.48%，由此可见，2019年浮游植物优势物种种间联结性较弱，种间独立性相对较强。

3 讨 论

由方差比率分析结果可知，2018年和2019年乌梁素海浮游植物优势物种种间总体上正相关，2018年春季、2019年春季和2019年夏季浮游植物优势物种种间总体关联不显著，其他季节浮游植物优势物种种间总体关联都显著。这说明2018年春季、2019年春季和2019年夏季浮游植物优势物种种间总体关联接近，物种间彼此独立，其他季节群落结构处于相对稳定阶段[27-28]。由于各季节浮游植物群落结构不同，不同种类浮游植物的生物学特性不同，优势物种总体联结性不一定与优势物种种对之间的联结性一致[29]。

由χ2检验结果可知，2018年冬季、春季、夏季和秋季浮游植物优势物种联结性不显著的种对在当季种对所占比例分别为100.00%、100.00%、93.38%和100.00%，2019年冬季、春季、夏季和秋季浮游植物优势物种联结性不显著的种对在当季种对所占比例分别为100.00%、98.25%、98.25%和99.35%。各季节联结性不显著的种对占比都较大，这是因为各优势物种生活习性和生态特征都不同，导致物种间的相互作用弱。2018年和2019年未发现负联结性极显著的种对，这与对包头南海湖浮游植物优势物种种间联结的研究结果一致[23]。说明乌梁素海浮游植物种间竞争比较温和。群落物种越复杂，两物种同时出现的概率就越低，导致部分物种间联结性较弱，不可能出现极显著负联结[25]。

χ2检验仅能定性描述物种联结的显著性，不能定量描述物种联结强度，并且物种联结不显著并不代表物种间没有联结性，因此可以采用共同出现百分率、种间联结系数进一步验证[30-31]。根据共同出现百分率结果可知，2018 年冬季、春季、夏季和秋季浮游植物优势物种正联结性较弱(PC＜0.6)的种对在当季种对所占比例分别为90.00%、75.00%、75.00%和53.85%，2019年浮游植物优势物种正联结性较弱(PC＜0.6)的种对在当季种对所占比例分别为95.24%、83.63%、74.85%和68.63%。冬季浮游植物优势物种正联结性较弱(PC＜0.6)的种对在当季种对所占比例最大，其次是春季、夏季和秋季。冬季受气温限制，浮游植物种类和数量比较少，相互作用比较强的两种浮游植物可能仅有一种存在。春季、夏季和秋季气温较高，水体中营养盐含量丰富，浮游植物种类和数量较多，群落结构更复杂，种间相互作用强的种对比例提升。

种间联结系数弥补了χ2检验和共同出现百分率的不足，不仅可以定性描述物种联结的显著性，还可以定量描述物种联结的强弱和正负关系。2018年冬季、春季、夏季和秋季浮游植物优势物种联结性较弱(-0.6≤AC＜0.6)的种对在当季种对所占比例分别为80.00%、88.89%、55.15%和74.36%，2019年浮游植物优势物种联结性较弱(-0.6≤AC＜0.6)的种对在当季种对所占比例分别为57.14%、79.53%、63.74%和76.47%。该结果与共同出现百分率的分析结果有差异，原因是种间联结系数和共同出现百分率对强弱的等级划分标准不同[32]。

两个物种间关系表现为正联结说明它们的生物学特性相近，对生境有相似的要求；两个物种间关系表现为负联结说明它们具有不同的生物学特性，对生境的要求不同[33]。两个物种间关系表现为强联结，说明它们的关系紧密，种对间依赖性强，当受到外界干扰后，群落容易发生波动。两个物种间关系表现为弱联结，说明它们的关系松散，种对间独立性强，当受到外界干扰后，群落相对稳定[34]。

4 结 论

2018年和2019年调查期间，乌梁素海共鉴定出浮游植物7门78属185种，其中优势物种5门19属32种。

2018年和2019年调查期间，乌梁素海浮游植物优势物种种间总体上都正关联，2018 年春季、2019 年春季和2019 年夏季浮游植物优势物种种间总体无显著关联，其他季节浮游植物优势物种种间总体都显著关联。乌梁素海浮游植物优势物种种对之间的联结性较弱，相对独立性较强，表明乌梁素海浮游植物群落结构较稳定。