基于浮游動物完整性的扎龍濕地水生態狀況評價

陳 慶，柴一涵，王天鵝，孫 旭，于洪賢，柴方營，林 洪

1.黑龍江省森林草原防火預警監測中心，黑龍江 哈爾濱 150090 2.東北林業大學奧林學院，黑龍江 哈爾濱 150040 3.哈爾濱學院地理與旅游學院，黑龍江 哈爾濱 150086 4.大連海洋大學水產與生命學院，遼寧 大連 116023 5.東北林業大學野生動物與自然保護地學院，黑龍江 哈爾濱 150040 6.黑龍江科技大學管理學院，黑龍江 哈爾濱 150020

扎龍濕地是丹頂鶴最為重要的繁殖地，是白鶴遷徙期間重要的停歇地，也是其他100余種水禽的繁殖和停歇場所[1]。典型、原始的生態系統和豐富的生物多樣性，使扎龍濕地在全球生物多樣性保護工作中占有非常重要地位[2]。1992年中國政府加入《關于特別是作為水禽棲息地的國際重要濕地公約》，扎龍保護區被首批列入國際重要濕地名錄，受到國際社會的廣泛關注[3]。

濕地提供了重要的生態系統功能和價值，如野生動物棲息地、水過濾和防洪[4]。扎龍濕地作為淡水濕地的典型代表，其水環境既具有一般性又具有特殊性[5]。近年來隨著經濟發展和人類活動，扎龍濕地湖泊旱情嚴重，東升水庫、克欽湖等一些大型水庫、湖泡水位驟降或幾乎干涸[6]，河道及湖泊周圍草地面積呈略減趨勢[7]，最終導致扎龍濕地嚴重缺水，面積急劇萎縮，濕地生態環境遭到嚴重破壞[8]。

浮游動物是初級生產者和較高營養水平之間的紐帶，其營養結構呈季節性變化，與強烈的消費控制相一致，同時與浮游植物生物量和磷呈負相關[9]。浮游動物的分布受到環境變量的強烈影響，環境變量控制著浮游動物群落的結構，營養動態的變化也會產生同樣強烈的潛在交互作用[10]。浮游動物的營養結構對營養物濃度和硝酸鹽及亞硝酸鹽濃度有顯著的響應[11]。

根據浮游動物完整性指數來進行健康評價，揭示出與環境因子的關系，可以找到淡水生態系統浮游生物完整性的環境保護閾值[12]，研究結果對淡水生態系統的監測和保護具有指導意義。水生態系統健康的定量評價是制定水環境管理和生態恢復政策的關鍵。本文以扎龍濕地為研究區，通過采樣調查浮游動物資源，構建浮游動物完整性指數進行健康評價，對扎龍濕地生態系統恢復狀況具有重要現實意義。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區域概況

扎龍濕地上游多年平均徑流深為150～1 000 mm，下游低平原區徑流深小于10 mm，徑流量主要集中在7—9月[13]。扎龍濕地土壤主要有沼澤土、草甸鹽土、風沙土等。土壤分布以水體為中心向崗地蔓延并呈同心圓狀分布，隨著地形的起伏，分布有草甸鹽土、風沙土。蘆葦沼澤是扎龍濕地典型的沼澤類型，此類沼澤地表常年積水[14]，水深一般在20 cm以上[15]，最適宜蘆葦生長的水深為30 cm左右[16]。

1.2 研究方法

根據扎龍濕地類型，選取湖泡明水3處，蘆葦沼澤11處，濕草甸10處，共設置24個采樣點，每個采樣點設置3個重復(圖1，表1)，于2019年5、8、10月分別進行春、夏、秋季3次采樣調查。

圖1 扎龍濕地采樣點分布圖Fig.1 Distribution of samplingsites in Zhalong Wetland

表1 扎龍濕地采樣點信息Table 1 Information of sampling sites in Zhalong Wetland

浮游動物采集：根據水深，用5 L有機玻璃采水器分別采集上、中、下層混合水樣共20 L，通過25#浮游生物網(網眼為64 μm)過濾后，再加入5%甲醛溶液固定樣品。帶回實驗室沉淀濃縮，用Motic BA400光學顯微鏡進行物種鑒定和計數。原生動物參考《微型生物監測新技術》[17]，輪蟲參考《中國淡水輪蟲志》[18]，枝角類參考《中國動物志·淡水枝角類》[19]，橈足類參考《中國動物志·淡水橈足類》[20]。

1.3 數據分析方法

浮游動物豐度根據章宗涉等[21]的研究計算。

Nz=(Vs×n)/(V×Va)

(1)

式中：Nz為浮游動物豐度；V為采集水樣體積；Vs為沉淀后水樣的體積；Va為計數水樣體積。

浮游動物生物量根據趙文[22]的研究計算，按照體積法把浮游動物生物體看作近似的幾何體，并假定相對密度為1，從而得到濕重，即為生物量。

浮游動物Shannon-Wiener多樣性指數(H′)、Pielou 均勻度指數(J)和Margalef 豐富度指數(d)根據蘆康樂等[23]的研究進行計算。

(2)

d=(S-1)/lnN

(3)

J=H′/lnS

(4)

式中：ni表示第i物種的個數；N表示物種總數量；S表示樣品的總種類數。

1.4 浮游動物完整性指數的構建

本研究主要從4個方面考慮(群落豐富度、浮游動物豐度和生物量、浮游動物多樣性指數和浮游動物營養結構)，構建浮游動物完整性指數。經過確定參照點和受損點、篩選候選生物指標、構建核心指標以及分析分布范圍、判別能力和相關性等步驟[24]，最終確定扎龍濕地浮游動物完整性指數，并對扎龍濕地做出健康評價。

2 結果與討論

2.1 浮游動物群落結構特征

扎龍濕地共發現浮游動物4門類44屬72種，其中輪蟲20屬36種，原生動物13屬20種，枝角類6屬8種，橈足類5屬8種。

2.2 候選生物指標的選取

結合相關研究[25]及調查數據，本文從浮游動物群落豐富度、豐度生物量、多樣性指數、營養結構4個方面共選取24個候選生物指標(表2)。

表2 候選生物指標及參照點的候選生物指標分布情況Table 2 Candidate bioindicators and distribution of candidate bioindicators in reference sites

2.3 核心指標構建

根據參照點的調查數據，分別對24個候選生物指標的平均值、標準差、最小值、最大值、25%分位數、中位數(50%分位數)和75%分位數進行計算[26]，具體分布情況見表2。參照點和受損點候選生物指標的箱線圖見圖2。

圖2 參照點和受損點候選生物指標的箱線圖Fig.2 Box plots of candidate bioindicators of the impaired and reference sampling sites

從圖2可以看出，總分類單元數(M1)、原生動物分類單元數(M2)、輪蟲分類單元數(M3)、枝角類分類單元數(M4)、橈足類分類單元數(M5)、原生動物生物量(M10)、枝角類生物量(M12)、Margalef豐富度指數(M16)和中型浮游動物捕食者(M22)共計9個候選生物指標的IQ≥2，通過了判別能力分析[27]。

將通過判別能力分析的9個候選生物指標進行Pearson相關分析，根據Maxted標準，當相關系數(r)的絕對值大于0.75時，說明2個指標高度相關，信息較為相似，取其一即可[28]。由表3可知，總分類單元數(M1)與原生動物分類單元數(M2)、輪蟲分類單元數(M3)與原生動物生物量(M10)、橈足類分類單元數(M5)與枝角類生物量(M12)、原生動物生物量(M10)與中型浮游動物捕食者(M22)相關系數的絕對值均大于0.75。我們將原生動物分類單元數(M2)、輪蟲分類單元數(M3)和橈足類分類單元數(M5)和原生動物生物量(M10)剔除，其余指標保留。

表3 候選生物指標的Pearson相關分析Table 3 Pearson correlation analysis of candidate bioindicators

最終確定扎龍濕地浮游動物完整性核心指標由總分類單元數(M1)、枝角類分類單元數(M4)、枝角類生物量(M12)、Margalef豐富度指數(M16)和中型浮游動物捕食者(M22)共計5個生物指標組成。

2.4 分值計算與評價標準

分別采用三分法制(表4)、四分法制(表5和表6)和比值法(表7)對扎龍濕地浮游動物完整性指數設定記分標準，進行比較后找出最適合的方法[29]。

表4 5個指數值在參照點中的分布及分值計算標準Table 4 Descriptive statistics and scores for five biological index

表5 5個指數值在所有樣點中的統計分布Table 5 Descriptive statistics of five biological index within all sampling sites

表6 5個指數分值評分標準Table 6 Four scoring thresholds for five biological index

表7 比值法計算5個指標分值的公式Table 7 Formulas for calculation of five biological index scores

按照以上3種方法分別計算出扎龍濕地參照點和受損點的分值，并進行判別能力分析。通過比較，我們發現3種方法的判別能力都很高，IQ均為3(圖3)。

圖3 3種記分法計算所得浮游動物完整性指數的判別能力分析Fig.3 Discriminatory power of Z-IBI derived from three scoring biological index methods

從相關性分析結果來看，3種記分方法之間都呈現出極好的線性關系，擬合指數R2分別為0.88、0.93和0.95，說明這3種記分方法都是可行的(圖4)。

圖4 3種記分法評價結果之間的相關性分析Fig.4 Correlation analysis of three scoring methods

通過3種記分方法計算浮游動物完整性指數在參照點和全部采樣點種的分布，采用參照點浮游動物完整性指數(Z-IBI)分布的25%分位數和全部采樣點Z-IBI分布的95%分位數法，確定3種記分方法扎龍濕地健康狀況的評價標準(表8)。

表8 浮游動物完整性指數在參照點和全部采樣點中的分布及健康標準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種標準，對各個采樣點進行健康評價，同時根據健康標準分別評價參照點和受損點的準確率(表9)。三分制法評價參照點的準確率從77.78%提高到86.11%，然而降低受損點的準確率從88.89%下降到80.56%；四分制法也提高了參照點的準確率，其準確率由81.94%上升到87.5%，同時也降低了受損點準確率，從93.06%降至84.72%。與前2種記分方法相比，比值法則提高參照點的準確率，由83.33%升至91.67%，但受損點的準確率降低的幅度并不大，由94.44%降至93.06%，僅下降了1.38%，結果較三分制法和四分制法的評價結果更準確。

表9 浮游動物完整性指數不同評價標準的準確率Table 9 Accuracy of Z-IBI criteria of health of three scoring metrics methods %

扎龍濕地浮游動物完整性指數采用比值法來記分，對0～2.91分布范圍數值進行三等分，以建立評價扎龍濕地浮游動物完整性指數健康評價標準。當02.91時，扎龍濕地無干擾。

2.5 扎龍濕地健康評價

從圖5可見：僅有3個采樣點(1#、6#和11#)無干擾；有10個采樣點(2#、4#、8#、10#、12#、14#、15#、16#、18#和21#)受到輕度干擾；有10個采樣點(3#、7#、9#、13#、17#、19#、20#、22#、23#和24#)受到中度干擾；有1個采樣點(5#)受到重度干擾。

圖5 扎龍濕地健康評價結果Fig.5 Health evaluation results of Zhalong Wetland

3 結論

1)扎龍濕地共發現浮游動物4門類44屬72種。其中輪蟲20屬36種，占50%；原生動物13屬20種，占27.78%；枝角類6屬8種，占11.11%；橈足類5屬8種，占11.11%。

2)根據相關標準，確定9個參照點和15個受損點，共選取24個候選生物指標，構建了扎龍濕地浮游動物完整性指數。核心指標由總分類單元數、枝角類分類單元數、枝角類生物量、Margalef豐富度指數和中型浮游動物捕食者組成。

3)扎龍濕地浮游動物完整性指數采用比值法來記分，對0～2.91分布范圍進行三等分，以建立健康評價標準:02.91，無干擾。