以江苏省河流湖泊为例探讨基于物种与面积关系确定大型底栖动物最适及高效采样量

张 翔,沈 伟,陈 桥,徐东炯

1.江苏省常州环境监测中心,江苏 常州 213001 2.江苏省生态环境水环境生物监测重点实验室,江苏 常州 213001

采集监测点位淡水大型底栖无脊椎动物(以下简称大型底栖动物)群落的代表性样品,必须研究的核心是采样量。在完全覆盖采样点位周边生境的前提下,选择多大的采样量才能使采集到的样品既具代表性,又兼可操作性,是一个实际又迫切的问题。解决这个问题的科学基础是物种与面积关系(SAR)。物种与面积关系最早由欧洲科学家JACCARD[1]在1901年提出,起初的调查研究对象为植物群落。研究中被业界广泛接受的2种方法分别是ARRHENIUS[2-3]在1921年提出的以幂函数表达物种与面积的关系以及GLEASON[4-5]在1922年提出的以对数函数表达物种与面积的关系。但诸多研究发现,实际的监测结果通常落在幂函数曲线和对数函数曲线之间[6-7]。TJRVE[8]在2011年提出应用幂函数和对数函数混合模型来解决这一问题。从物种与面积关系可知,在一定区域内采集到的生物物种数会随着采样面积的增加而增加,到达一定的采样面积后,此区域内的生物物种被采尽,达到峰值后不再变化。以上研究均对应于植物等可清晰观测的生物,但大型底栖动物处于水底,进行物种与面积关系研究时受采样区域选择和采样工具差异等影响。从现有研究来看,2000年吴小平等[9]研究长江中下游13个湖泊的淡水贝类物种与面积曲线,发现可使用对数函数表示。2005年段学花[10]通过定点实验研究河北省拒马河的物种与面积曲线,发现可使用幂函数表示,并提出最小采样面积为1 m2,3～5个样方组合来确保采样结果可靠,这一面积值与美国EPA的RBP方法[11]一致。2018年张汲伟等[12]在构建中国大型底栖动物水质生物监测指数和水质等级时提出,可涉水河流合计采集15～20个样方,采样面积为1.8～2.4 m2,不可涉水河流与湖泊合计采集3个有效样方,采样面积为3/16 m2。

采样量包含采样面积、样方及样带数。从实际采样操作来看,想达到采尽采样点位周边所有大型底栖动物的采样量是巨大的,实际可操作性不强;而采样量过少,又不能真实反映大型底栖动物的群落状况。因此,适合的采样量是既要获得采样点位具代表性的样品,同时也要考虑成本和效率。在监测业务工作发展中,关于采样量的疑问和争议还有不少。MAGURRAN等[13]指出,最准确的多样性和多度估计值产生于对一个系统长期的密集采样。确定采样量需要依赖于2个实际情况:样本数量和采样区域内生境异质性[14]。笔者所研究的采样量包括2项内容:采样面积值、样方样带数。采样面积值保证样本数量适宜,而样方及样带保证覆盖采样区域内生境异质性。在植物和其他生物类群研究中,STOHLGREN[15]认为需要5～7个样方以准确估计采样区域的变异,而样本数量则需按实际情况确定,如基于估计量的可接受误差、从预实验获得待估计参数的变异性及以往的研究,甚至还可以基于经验猜想[16-17]。

笔者选取江苏省典型河流和湖泊水体,对多生境采样结果进行形态学分析鉴定并累加计算,使用对数函数分析物种与面积曲线,测试大型底栖动物最适采样量,统计分析其一阶导数曲线,寻找并提出采样效率和投入成本的平衡点“高效采样量”。

1 实验方法

1.1 采样区域

江苏省内低山丘陵溪流水库和平原湖荡河流水网是其主要的水生态类型,而省内太湖流域和长江段包含这些水生态类型中的典型水体。该研究即在江苏省内太湖流域和长江段选择可涉水河流(含涉水可过和涉水不可过河流)、不可涉水河流和湖泊3类水体(表1),开展大型底栖动物最适及高效采样量研究。

表1 采样点位情况Table 1 Situation of sampling sites

1.2 采样方法与样品采集

使用多生境采样法采集大型底栖动物样品。以《流域水生态环境质量监测与评价技术指南》[18]中大型底栖动物的采样与分析方法为基础,参考《水生态监测技术指南 河流水生生物监测与评价(试行)》[19]及《水生态监测技术指南湖泊和水库水生生物监测与评价(试行)》[20]中大型底栖动物的测定,充分覆盖江苏省内水系的各类底质条件(硬质的鹅卵石和砾石,软质的软泥、黏土和细沙等)以及不同水生植物等生境类型,并针对不同水体类型选择适宜的采样方法和采样面积(表2),收集不同的样方和样带。样方使用定量方法收集,样带使用半定量和定性方法收集,样带包含数个样方。采样方法如下。

表2 采样点位采样方式、生境情况和实际采样面积Table 2 Sampling method,habitat condition and actual sampling area of sampling sites

采样方法1:河宽10 m及以下,以点位上、下游各50 m范围为采样河段,如周边生境单一,以25 m为间距,上游至下游布设5个采样断面为5个样方。使用索伯网(0.09 m2)采集5次,计0.45 m2,使用踢网(1 m2)于点位上、下游2个采样断面(2个样带)采集2次,计2 m2。

采样方法2:河宽10～200 m,以点位上、下游各500 m范围为采样河段,依据周边生境情况,布设12个采样断面,左、右岸计24个样方。使用彼得生采泥器(0.062 5 m2)采集24个样方,计1.5 m2,使用三角拖网采集6个样带,单次采集距离为5 m(1.5 m2),计9 m2。

采样方法3:河宽200 m以上,以点位上、下游各1 000 m范围为采样河段,依据周边生境情况,布设22个采样点,河段一侧布12个采样点,设样方24个,河段另一侧布10个采样点,设样方20个。使用彼得生采泥器(0.062 5 m2)采集44个样方,计2.75 m2,使用三角拖网采集9个样带,单次采集距离为5 m(1.5 m2),计13.5 m2。

采样方法4:湖泊点位以半径为100 m的范围为采样区域,依据周边生境情况,布设12个样方,3个样带。使用彼得生采泥器(0.062 5 m2)采集12个样方,计0.75 m2,使用三角拖网采集3个样带,单次采集距离为5 m(1.5 m2),计4.5 m2。

采样完成后,使用孔径为250 μm筛网筛洗样品,6 h内带回实验室人工挑拣,当日完成挑拣,用75%乙醇溶液固定样品,在实验室内参考相关书籍[21-25],使用体视显微镜和生物显微镜进行形态学分类鉴定,尽可能分类至属或种级别。按形态学鉴定结果统计每个样点单次采集的物种分类单元数和个体数。

1.3 数据处理方法

获取的物种分类单元数和个体数使用Excel统计,因浒关上游、太浦河和长江魏村段使用彼得生采泥器单次采集(0.062 5 m2)次数较多(大于12次),将每4次采集的数据结果整合为单个数据结果集以便分析且能体现代表性,单个数据结果集面积为0.25 m2,其余皆为单次使用采样工具采集的数据结果。多样性数据分析使用R EstimateS 9.1.0处理,物种数和采样面积拟合曲线及一阶导数函数曲线在Origin中绘制。计算出的采样面积修约至2位小数,样方与样带总数修约到“个”数位。

1.3.1 多生境采样法

笔者仅讨论布点确定后,在采样点位确定的区域范围内进行采样,获取具有代表性的样品。国际上常用的方法有3种,即适用于采样区域显示出明显环境梯度差异时的等距采样法[26](美国EPA使用);适用于采样区域随机选择时的随机采样法[27](土壤研究使用);适用于采样区域内生境需划分为离散实体以减少采样误差时的多生境采样法[28](欧盟及英国、澳大利亚和日本等使用)。笔者选择多生境采样法进行采样,因其更适合中国当下大型底栖动物监测代表性的要求和水生态状况变化较大的实情。

1.3.2 最适采样量确定方法

最适采样量的设置是在监测点上尽可能采集到不同的物种,而使采样量具有完整代表性,确保监测结果准确可比时的最小采样量。笔者选用Chao1指数来计算最适采样量是因其对不同物种很敏感,但和个体丰度、均匀度无关。因Chao1指数计算最适采样量可基于随机反复抽取,直到所有物种至少被抽到2次(Doubletons),则表明不会再有新的物种被发现,即Doubletons值出现峰值[29-30]。但在现实中,采样区域的生境状况多变,让最适采样量完全代表区域状况依赖于采样人员对生境的熟悉程度,一旦采集到新的生境,Doubletons峰值会出现突然跳高的现象,难以对真正最适采样量进行表征。在此,笔者选择Chao1指数95%上限值来表征最适采样量。因为随着抽样的进行,抽取到一次的物种会越来越少,至少被抽到2次的物种越来越多,Chao1指数的95%上限值会出现峰值后回落,一旦出现这一峰值,可以认为通过采样收集了绝大部分(>95%)的物种类群,剩下的只是一些偶见物种类群[31]。故以此峰值出现时所对应的采样量为符合统计分析上的最适采样量。

1.3.3 高效采样量定义与方法

在实践中,考虑采样效率和投入成本的平衡,笔者提出一种“高效采样量”定义。即以单位采样面积(如采泥器抓取一次的采样面积)逐个增加的形式增加采样面积,当单位采样面积中新出现物种分类单元数不足1时,所对应的总采样面积以及单位采样面积个数为该水体的高效采样量。确定高效采样量的方法为先统计采样面积与物种数,拟合两者对数函数曲线,再求得其一阶导数曲线。一阶导数曲线就是原函数的变化率曲线,代表原函数在增量趋向于0时变化率的极限,故选择一阶导数y轴值最接近1所对应的点(y≈1),即单位采样面积中新出现物种分类单元数约为1时变化率的极限,判断为采样效率和投入成本的平衡点,以y≈1所对应的x轴值为单位采样面积个数,单位采样面积个数与单位采样面积相乘得总采样面积。此时,单位采样面积个数对应样方及样带数,与总采样面积一起组成“高效采样量”。

2 结果与讨论

2.1 最适采样量

从该研究实际数据拟合曲线来看,更偏向吴小平等[9]所做的采样面积研究曲线,即使用对数函数来表示物种与面积的关系。在此,统计物种分类单元数和个体数,使用采样面积与物种数拟合对数函数曲线,计算度量物种丰富度的Chao1指数[32],得到Chao1指数95%上限峰值及其对应的数据集数量和采样面积(表3)。以Chao1指数95%上限是否出现峰值来确定最适采样量是否出现,以最高值对应的数据集数量来确定样方和样带总数,以最高值对应的面积来确定采样面积。

表3 各点位大型底栖动物采集情况及Chao1指数结果Table 3 Collection of freshwater benthic macroinvertebrate and Chao1 index results of sampling sites

从表3来看,6个采样点中有4个采集到了最适采样量,通过整理其对应的水体类型,可得到部分水体采样点最适采样量建议值(表4)。另有2个水体Chao1指数95%上限峰值未出现,故未出现最适采样量,分别是涉水不可过河流(河宽10 m)和不可涉水河流(河宽200 m),其对应的采样面积分别为2.50、10.50 m2,而最适采样量的采样面积应大于此值。

表4 部分水体采样点最适采样量(建议值)Table 4 Optimal sampling conditions of different water sites (recommended value)

2.2 高效采样量

2.2.1 采样点位高效采样量

选择江苏省5个河流点位和1个湖泊点位,对大型底栖动物样品采样量及对应的物种累计情况进行分析,绘制累计物种数与面积的对数函数曲线、一阶导数函数曲线,将适宜的单位采样面积个数(x值)与采样工具的最小单位采样面积相乘,获取高效采样量(包括采样面积个数和采样面积),具体情况如下。

1)可涉水河流(涉水可过):茅山西点位

计算茅山西累计物种数与面积的对数函数曲线、一阶导数函数曲线,见图1(a)。当单位采样面积个数为5.4个(x=5.4),每增加一个此点位采样工具的最小单位采样面积(0.09 m2),所获得的新物种分类单元数约为1个(y≈1),对应的高效采样面积为0.486 m2。

图1 各点位采样面积与物种数关系的对数拟合曲线和一阶导数曲线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(涉水不可过):旧县点位

计算旧县曲线图,见图1(b)。当单位采样面积个数为8.0个(x=8.0),每增加一个此点位采样工具的最小单位采样面积(0.062 5 m2),所获得的新物种分类单元数约为1个(y≈1),对应的高效采样面积为0.5 m2。

3)不可涉水河流:浒关上游点位

计算浒关上游曲线图,见图1(c)。当单位采样面积个数为3.8个(x=3.8),每增加一个此点位采样工具的最小单位采样面积(0.25 m2),所获得的新物种分类单元数约为1个(y≈1),对应的高效采样面积为0.95 m2。

4)不可涉水河流:太浦河点位

计算太浦河曲线图,见图1(d)。当单位采样面积个数为5.1个(x=5.1),每增加一个此点位采样工具的最小单位采样面积(0.25 m2),所获得的新物种分类单元数约为1个(y≈1),对应的高效采样面积为1.275 m2。

5)不可涉水河流:长江魏村段点位

计算长江魏村段曲线图,见图1(e)。当单位采样面积个数为5.0个(x=5.0),每增加一个此点位采样工具的最小单位采样面积(0.25 m2),所获得的新物种分类单元数约为1个(y≈1),对应的高效采样面积为1.25 m2。

6)湖泊:竺山湖心点位

计算竺山湖心曲线图,见图1(f)。当单位采样面积个数为4.3个(x=4.3),每增加一个此点位采样工具的最小单位采样面积(0.062 5 m2),所获得的新物种分类单元数约为1个(y≈1),对应的高效采样面积为0.268 75 m2。

2.2.2 不同水体类型高效采样量

汇总不同水体类型对应的高效采样量和修约结果(表5)。从河流结果来看,除长江以外,随着河宽的增加,高效采样量同步上升。长江最适采样量值最高,但高效采样量却并非最高,可能与此点最适采样量的值不完整且长江中大型底栖动物分布稀疏、不均一有关,还需进一步研究。总体来看,江苏省不同水体类型的高效采样面积值均未超过1.28 m2。

表5 不同水体类型高效采样量Table 5 Efficient sampling conditions of different water types

从不同水体类型的高效采样量来看,若仅使用采泥器或者索伯网等单一设备采样,其工作量较大,重复采样次数较多,而单一采样设备无法应对多种生境,不符合大型底栖动物所需的多生境采样,也不利于监测工作推广。因此,需采用多种采样工具相结合的方式采样,其中湖泊和不可涉水河流采样应使用采泥器、三角拖网及手抄网等,涉水可过和涉水不可过的河流采样工具应包括索伯网、踢网及手抄网等。此外,每个监测点位均进行高效采样量的探索在实际操作中不现实,故应以区系范围内不同水体的代表性点位为基础,在行政区或自然流域内统一界定高效采样量。

2.2.3 区域高效采样量

结合现行江苏省生态环境监测工作经验,对于江苏省区域的涉水可过河流而言,一般使用索伯网定量采集不少于4次(即4个样方,面积为0.36 m2)及踢网采集不少于1次(即1个样带,面积为1.00 m2),累计采样面积不少于1.36 m2;对于涉水不可过河流而言,使用手抄网采集不少于4次(即4个样方,面积为0.60 m2)及手抄网采集不少于1 m(即1个样带,面积为0.90 m2),累计采样面积不少于1.50 m2;对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个样方,面积为0.25 m2)及手抄网或三角拖网采集不少于5 m(即1个样带,面积为1.50 m2),累计采样面积不少于1.75 m2(表6)。可以看出,该面积均大于表5中不同类型水体监测点位的高效采样面积,因样带含数个样方,故样方与样带总数按水体类型换算所需的数量时,符合所有水体的要求,具备一定科学性和可操作性。

表6 江苏区域高效采样量Table 6 Efficient sampling conditions of Jiangsu

2.3 讨论

2.3.1 采样量原则

在国内外各类已发布的文献中对采样区域的描述主要是规定了河流采样长度和湖泊采样范围,但由于各河流宽度和各湖泊的深度均不相同,实际生境也各有特点,因此实际需要的采样量各不相同。科学家使用各种方式来寻找物种累积的渐进曲线,但不可避免会不准确[12]。即便如此,大型底栖动物采样原则依然明晰,在此提出确定实际采样量的3条原则供讨论:①在采样区域范围内,采样做到生境全覆盖;②采样方式为定量、半定量、定性等相结合;③选取足够数量的样方、样带和适宜的采样面积,从物种与面积关系的原理上保证物种累计达到一定的“饱和”,即“高效采样量”。

2.3.2 高效采样量的适用条件和实际使用

高效采样量只是采样效率和投入成本的平衡点,并非单次采样的最适采样量。从监测系统多年应用来看,高效采样量适用于监测业务化(一年2次)长期监测,单个监测点位大型底栖动物采集到高效采样量的采样时间约为60～90 min,属采样人员可接受的范围。如进行本底调查或生物多样性调查研究时,则最好采集到最适采样量,再进行相关数据分析,使监测所获取的生物信息完整,以便体现出大型底栖动物的分布规律。

在运用该研究结果时,仍然需要注意一些问题。如在特殊水生态区域中大型底栖动物个体数自然分布不丰富的情况下,如何选取适宜的采样量,是否可以因地制宜地使用采集个体数量终点来替代采样量要求;又如,通过大型底栖动物研究水生生物多样性或水生态健康等不同目的时,对采样量的要求不同,必须按实际采样目的来选取对应的采样方法和采样量。

3 结论

1)大型底栖动物最适采样量是在监测点位尽可能采集到不同的物种,使采样量具有完全代表性,是确保监测结果准确可比的最小采样量。大型底栖动物高效采样量是以单位采样面积(如采泥器抓取一次的采样面积)逐个增加的形式增加采样面积,当单位采样面积中新出现物种分类单元数不足1时,所对应的总采样面积以及样方样带总数为高效采样量。

2)河流最适及高效采样量如下:涉水可过河流的最适采样量为1.45 m2,样方和样带数合计6个;涉水不可过河流的最适采样量应大于2.50 m2,河宽2～3 m的高效采样量为0.49 m2,样方和样带数合计6个,河宽10 m的高效采样量为0.50 m2,样方和样带数合计8个。不可涉水河流中,河宽100 m的最适采样量为5.50 m2,样方和样带数合计7个;河宽200 m的最适采样量应大于10.50 m2;河宽2 500 m的最适采样量为12.75 m2,样方和样带数合计16个;河宽100 m的高效采样量为0.95 m2,样方和样带数合计4个;河宽200 m的高效采样量为1.28 m2,样方和样带数合计6个;河宽2 500 m的高效采样量为1.25 m2,样方和样带数合计5个。

3)浅水湖泊最适及高效采样量如下:水深2 m的最适采样量为2 m2,样方和样带数合计8个;高效采样量为0.27 m2,样方和样带数合计5个。

4)江苏地区大型底栖动物涉水可过河流采样量为1.36 m2,涉水不可过河流采样量为1.50 m2,不可涉水河流和浅水湖泊采样量为1.75 m2,均需采集4个样方1个样带。