青藏高原沙柳河流域自然徑流驅動的流域生物信息流量化特征——以環境微生物為指標

楊海樂,杜 浩,祁洪芳,俞錄賢,危起偉,*

1 中國水產科學研究院長江水產研究所,農業農村部淡水生物多樣性保護重點實驗室,武漢 430223 2 青海湖裸鯉救護中心, 青海省青海湖裸鯉繁育與保護重點實驗室,西寧 810016

流域是生態系統的一個基本單元[1-2],對于生態學研究具有非常重要的意義[3-4]。流域生態學(watershed ecology)是研究流域范圍內陸地和水體生態系統相互關系的學科(全國科學技術名詞審定委員會),其主體在于以流域生態系統過程為核心將所關聯起的流域內各相關子系統整合起來進行研究[5]。流域生態系統過程研究的核心工作是對流域生態系統中依托于水循環過程的各個子系統之間及之內的物質流、能量流、信息流進行研究[6]。在近百年來的流域生態相關研究中,物質流和能量流的問題都得到了廣泛的關注和深入的研究[7- 10],相比較而言,信息流雖然曾有研究涉及[11- 14],但還很少,也沒有建立起相應的研究范式、概念模型和框架體系,是整個流域生態系統過程研究中的明顯短板。為推動流域生態學研究格局的進一步完善,并促進其進一步發展,有必要探索流域信息流的研究,尤其是流域生物信息流的研究。

生物信息流有三個層次:1)不同生命物質間的信息傳遞,即分子生物學層面的轉錄、翻譯等過程所承載的生物信息傳遞[15-16]；2)生物物種間及生物個體間相互作用的信息傳遞,即生態學層面的生物相互作用過程所承載的生物信息傳遞[17-18]；3)生物空間遷移的信息傳遞,即生物體或生物物質的擴散與遷移過程所承載的生物信息傳遞[19-20]。結合流域生態系統過程和生物信息流的研究內容,本研究提出“流域生物信息流”的概念,并將其定義為“生物信息依托于流域生態系統過程在不同空間和系統之間進行傳遞、交流、作用、反饋的路徑、過程與控制”,主要關注生物體及生物質所承載的生物信息在時空上的遷移擴散,以及與生物體及生物質間相互作用相伴隨的生物信息作用和反饋。流域生態系統過程研究主要關注流域生態系統的水陸間、干支流間、上下游間、不同生態斑塊間、不同要素間的相互作用過程、周期性節律和趨勢性變遷[21]。相應的,流域生物信息流研究主要關注于水陸間、干支流間、上下游間、不同生態斑塊間的生物信息流,這些生物信息流的周期性節律和趨勢性變遷,以及地貌、水文、人類活動對這些生物信息流的影響等。

本研究以青藏高原區域生態系統組成相對簡單、人類干擾相對較弱的青海湖重要入湖河流——沙柳河流域為研究區域,以河流水體微生物和岸帶土壤微生物為研究對象,用環境DNA技術對沙柳河流域由陸地到水體、由上游到下游、由支流到干流的流域生物信息流(即自然徑流驅動的微生物種類的空間輸移)進行定量研究,(1)量化由陸地到水體的流域生物信息流的輸移效率并探討其驅動因素,(2)量化由上游到下游、由支流到干流的流域生物信息流的輸移效率并探討其驅動因素,(3)量化降雨對流域生物信息流輸移效率的影響并探討其影響機制。以期拋磚引玉,為流域生態學研究者的流域生態系統過程相關研究和探索提供借鑒。

1 研究區域與方法

1.1 研究區域

青海湖位于中國西部青藏高原上,是中國最大的高原半咸水內陸湖泊,對于生態保護來講具有重要的戰略意義,同時其流域生態系統相對簡單,對于流域生態學研究來講具有重要的模式意義。沙柳河是青海湖五條主要入湖河流之一,發源于青海省海北藏族自治州剛察縣境內桑斯扎山南麓,全長106 km,流經剛察縣城后注入青海湖,流域面積1320 km2。流域內以山間草原-草甸牧區為主,生態系統類型在空間分布上同質性較高,人類活動干擾也較弱,對于流域生物信息流研究來講,是一個較為理想的簡化模型式的研究區域。

本研究在沙柳河干支流上共設置9個樣點(如圖1),沿沙柳河干流由下而上依次是SL1、SL2、SL3、SL4、SL5m。SL4b是位于SL3和SL4之間的一個支流上的一個樣點,SL4b處的河流徑流量小于SL4處的河流徑流量,SL5、SL6、SL6b是位于SL4和SL5m之間的一個支流上的3個樣點,SL5處的河流徑流量小于SL5m處的河流徑流量,SL6b處的河流徑流量小于SL6處的河流徑流量。

圖1 樣點設置Fig.1 Sampling sitesSL1,即沙柳河1號采樣點；采樣點下括號內的距離,指該采樣點到河流入湖口的徑流距離

1.2 研究方法

2019年6月25日和26日,自沙柳河入湖口向上游依次采樣,每個樣點采河流水樣和岸帶土樣,其中岸帶土壤采樣處離河流水體直線距離不超過5 m。6月25日,白天天氣晴好,河水清澈,共采了河流入湖口SL1和河流下游SL2共2個樣點的樣品；6月25日晚,開始下雨,26日白天繼續下零星小雨,河水較濁,自下而上依次采了剩下的7個樣點的樣品。

河流水樣采集,用新的純凈水水瓶在河中流水區域用河水涮洗3次后取1.5 L河水,在冰袋泡沫箱中保持低溫,帶回剛察青海湖裸鯉放流站實驗室。用0.2 μm水系微孔濾膜抽濾,將抽濾后的濾膜裝入滅菌的50 mL離心管,-20℃保存帶回武漢農業農村部淡水生物多樣性保護重點實驗室。用DNeasy PowerWater Kit試劑盒提取微生物DNA,送測序公司基于Illumina HiSeq測序平臺針對細菌16S rRNA擴增子(V3—V4區)進行高通量測序。

岸帶土樣采集,用滅菌的50 mL離心管在岸帶離水體5 m距離內的區域采取草皮下的土壤樣品,在冰袋泡沫箱中保持低溫,帶回剛察青海湖裸鯉放流站實驗室,-20℃冷凍處理并保存帶回武漢農業農村部淡水生物多樣性保護重點實驗室。用DNeasy PowerSoil Kit試劑盒提取微生物DNA,送測序公司基于Illumina HiSeq測序平臺針對細菌16S rRNA擴增子(V3—V4區)進行高通量測序。

對測序所得序列(reads)進行拼接過濾,獲得優化序列(clean tags),并進行聚類劃分(0.97的相似度),整理出OTUs(Operational Taxonomic Units),以silva132/16s_bacteria為比對物種分類數據庫進行物種注釋(分類置信度0.7),然后進行樣品間OTUs種類組成的對比分析等。

1.3 流域生物信息流分析

流域生物信息流可通過兩個量化層面而分為兩類:第一類是數量定量,即基于流域生態系統過程中所輸移的生物信息的堿基數來定量分析,該類(層面)的流域生物信息流的量化用信息論的量化方式來量化；第二類是種類定量,即基于流域生態系統過程中所輸移的生物信息的種類(比如OTUs、物種等)來定量分析,該類(層面)的流域生物信息流的量化用基于種類的平行對比來量化。種類定量的流域生物信息流的量化,用以描述流域生物信息流輸出生態系統的生物組成特征及其對輸入生態系統的生物組成的影響方式,監測技術和計算方案相對簡單。數量定量的流域生物信息流的量化,用以描述流域生物信息流輸出生態系統的群落結構特征及其對輸入生態系統的各相關種群結構的影響能力,對監測技術要求較高。本文的流域生物信息流探索性研究,從相對較簡單的種類定量著手。

根據流域生物信息流由陸地到水體、由上游到下游的過程,比較相關樣品間的所檢出生物種類組成(OTU)數據,用覆蓋度(coverage)和有效度(efficiency)來種類定量衡量流域生物信息流的基本特征。覆蓋度用輸入的OTU種類數(源-匯共有部分)占所輸入生態系統總的OTU種類數(匯的整體部分)的比例來表示,衡量流域生物信息流輸入對匯生態系統的生物多樣性檢出狀況的貢獻和影響(公式1)；有效度用輸入的OTU種類數(源-匯共有部分)占輸出生態系統總的可輸出的OTU種類數(源的整體部分)的比例來表示,衡量流域生物信息流所承載的生物多樣性信息對匯生態系統的輸入能力(公式2)。

(1)

(2)

其中,c指流域生物信息流的覆蓋度,e指流域生物信息流的有效度,SOTU指源樣品(上下游流域生物信息流中的上游樣品、陸水流域生物信息流中的陸地樣品)的OTU種類組成,POTU指匯樣品(上下游流域生物信息流中的下游樣品、陸水流域生物信息流中的水體樣品)的OTU種類組成,SOTU∩POTU指源-匯共有的OTU種類組成,Num(SOTU∩POTU)指源-匯共有的OTU種類數,Num(POTU)指匯的OTU種類數,Num(SOTU)指源的OTU種類數。

根據影響流域生物信息流由陸地到水體、由上游到下游過程的要素,比較相關樣品間的所檢出生物種類組成(OTU)數據,用輸移能力(transport capacity)、環境過濾效應(filtration)、衰減效應(attenuation)來量化描述流域生物信息流的控制性過程。對于由陸地到水體的流域生物信息流來講,以同一樣點的土壤樣品與水體樣品共有OTU種類數占該土壤樣品所擁有的OTU種類總數的比例,表征該樣點岸帶生物信息向水體的輸移效率(即有效度,公式2)；以同一樣點的土壤樣品與水體樣品共有OTU種類數占該土壤樣品與所有水體樣品共有OTU類型數的比例,表征該樣點岸帶生物信息向水體的輸移能力(公式3)；以各土壤樣品與所有水體樣品共有OTU類型數占該土壤樣品OTU類型總數的比例,從對立面反映該樣點岸帶生物信息在輸入水體過程中的環境過濾效應(公式4)；流域生物信息流當中既包括有效流域生物信息流(標記有生命活性物質的生物信息的輸移和傳遞),也包括無效流域生物信息流(標記無生命活性物質的生物信息的輸移和傳遞),無效流域生物信息流在輸移過程中存在自然降解衰減的過程,這種衰減一定程度上可以反映到生物信息種類的減少,因為水陸樣點間距不超過5 m,所以忽略衰減效應。

(3)

(4)

其中,t指輸運流域生物信息流的輸移能力,f指流域生物信息流所經歷的環境過濾效應,SOTU指源樣品(在此指土壤樣品)的OTU種類組成,POTU指匯樣品的OTU種類組成,WOTU指所有水體樣品整體的OTU種類組成,SOTU∩POTU指源-匯共有的OTU種類組成,SOTU∩WOTU指源-水共有的OTU種類組成Num(SOTU∩POTU)指源-匯共有的OTU種類數,Num(SOTU∩WOTU)指源-水共有的OTU種類數,Num(SOTU)指源的OTU種類數。

因為河流上游到下游的流域生物信息流輸移距離較長,無效流域生物信息流在輸移過程中的自然降解導致了一定的無效流域生物信息流衰減效應,所以需要予以考慮。由河川徑流驅動的流域生物信息流其輸移能力在上下游間幾近一致,因此本研究設定單位距離內的輸移能力為一個常數；河流上下游之間的生態環境具有一定的一致性,因此本研究設定基于河流水體生物信息的流域生物信息流中的無效流域生物信息流為一個常數；衰減效應隨著輸移過程中無效流域生物信息流的淘汰出清而由上到下逐漸減弱,因而本研究引入半衰距離概念；樣點間物理化學環境發生明顯變化時會形成環境過濾效應,環境過濾效應主要作用于有效流域生物信息流,環境過濾效應的強弱主要依賴于物理化學環境變化的程度,所以本研究設定特定樣點間的環境過濾效應為一個常數；基于以上,可得計算公式5。

(5)

其中,e指流域生物信息流累計輸移效率,t指單位距離內的輸移能力,k指流域生物信息流中的無效流域生物信息流占比,d指流域生物信息流的輸移距離,D指無效流域生物信息流的半衰距離,f指環境過濾效應。

本研究中,由于由樣點SL3到SL2的流域生物信息流涉及采樣天氣狀況不一致的問題,由樣點SL2到SL1的流域生物信息流涉及入湖口咸淡水交匯產生的環境過濾效應的問題,所以以樣點SL3以上的各樣點間流域生物信息流數據進行基礎的流域生物信息流輸移能力、無效流域生物信息流占比和無效流域生物信息流半衰距離的估算,然后與樣點SL2處的流域生物信息流數據進行對比,估算采樣天氣條件切換帶來的影響,與樣點SL1處的流域生物信息流數據進行對比,估算環境過濾效應。用演化算法進行規劃求解,以隨機數為初始值,進行30次計算,然后對所得參數組進行統計。

2 結果與分析

2.1 各樣品的序列狀況和OTU狀況

本實驗包括9個水體微生物樣品(W系列)和9個土壤微生物樣品(S系列),測序共獲得優化序列968122條,優化堿基402800844bp,優化序列平均長度為416.06bp。各樣品的序列數量和長度分布如圖2。

圖2 各樣品的序列數量和長度Fig.2 The number and length of DNA sequences in each sample樣品以樣品類型(S、W)加樣點編號(SL1、SL2、SL3、SL4、SL4b、SL5m、SL5、SL6、SL6b)的形式來表示,其中S指土壤樣品,W指水體樣品。比如S_SL1,即樣點SL1處的土壤樣品

對所有樣品的數據進行OTU物種注釋分析,共獲得7436個OTU,隸屬于2515種、1154屬、569科、328目、109綱、42門,其中水體微生物樣品中共有6356個OTU,土壤微生物樣品中共有5297個OTU。具體到各個樣品,水體微生物樣品的OTU數量呈基本穩定態勢,土壤微生物樣品的OTU數量則呈自下游到上游逐漸遞減的態勢；水體微生物樣品的OTU種類整體上比土壤微生物樣品的要多,除了樣點SL1和SL2(圖3)。

圖3 各樣品的OTU數量和種類Fig.3 The numbers and types of OTU in each sampleS指土壤樣品,W指水體樣品,種類指OTU的種類數,數量指OTU的數量總數

分析土壤微生物樣品的OTU種類的空間差異,即比較上下游相鄰樣點的土壤微生物樣品OTU種類,統計上游樣點所獨有的OTU種類數。結果顯示(1)樣點SL5m、SL5與相鄰下游樣點SL4之間的OTU種類差異最小,(2)下游樣點與上游(流量相對較大的)干流樣點之間的OTU種類差異相比于與上游(流量相對較小的)支流樣點之間的OTU種類差異更小(圖4)。

圖4 上下游相鄰樣點的土壤微生物樣品OTU種類差異統計Fig.4 The differences of OTU types in the soil samples between adjacent sampling sites along the river network上下游相鄰樣點間的差異,其差異對用點位對比表示,例如SL1-2指樣點SL1和樣點SL2之間的對比

2.2 各樣點間的流域生物信息流

覆蓋度用以衡量流域生物信息流輸入對匯生態系統的生物種類組成信息的貢獻和影響；有效度用以衡量流域生物信息流所承載的生物種類組成信息對匯生態系統的有效輸入能力。由土壤到水體、由上游到下游的流域生物信息流的覆蓋度大都小于有效度(除了W_SL5-W_SL4這對關系和涉及SL1和SL2的2個位點的4對關系)；由土壤到水體的流域生物信息流的覆蓋度均小于相鄰位點的由水體上游到下游的流域生物信息流的覆蓋度；樣點SL1和SL2(降雨前采樣)的由土壤到水體的流域生物信息流的有效度小于其他7個樣點(降雨期間采樣)的(表1)。

表1 由陸地到水體、由上游到下游的流域生物信息流特征(用OTU種類來計算)

流域生物信息流用樣品間的對比來表示。例如S_SL6-W_SL6指在樣點SL6處由岸帶土壤到河流水體的流域生物信息流；W_SL6-W_SL5指從樣點SL6到樣點SL5的由上游到下游的水體中的流域生物信息流

降雨天(中上游7個樣點),由陸地到水體的流域生物信息流的輸移效率為62.76%左右(0.627643±0.087327),輸移能力為68.49%左右(0.684876±0.091302),環境過濾效應為8.38%左右(0.083816±0.020574),因為水陸樣點間距不超過5m,所以忽略其衰減效應。各樣點由陸地到水體的流域生物信息流的環境過濾效應、輸移能力、輸移效率具體見表2。

表2 各樣點由陸地到水體的流域生物信息流的輸移能力、環境過濾效應、輸移效率

由上到下的流域生物信息流,以各干支流最上游樣點為起點,沿河川徑流方向由上到下,共4條流域生物信息流連續輸移線。計算各河流上游到下游的流域生物信息流路徑的點間輸移效率和累計輸移效率(表3),該效率是上下游樣點區域間輸移能力、衰減效應、環境過濾效應共同作用的結果。

表3 4條由上到下的流域生物信息流的點間徑流距離、點間輸移效率、累計徑流距離、累計輸移效率

由上到下的流域生物信息流,其輸移能力約為99.42%(0.994245±0.000941) km,其無效流域生物信息流占比約為43.46%(0.434635±0.041681),無效流域生物信息流的半衰距離約為14.52(14.523377±1.440539)km,樣點SL3和SL2的采樣天氣條件切換(上游雨下游晴)帶來的環境過濾效應約為0.57%(0.005687±0.005450),河口樣點SL1處的半咸水所產生的環境過濾效應約為54.42%(0.544164±0.010042)。根據由上游到下游的流域生物信息流計算公式,不考慮樣點SL2、SL1的環境過濾效應,基礎綜合流域生物信息流輸移有效度約為97.41%(0.974105±0.000926) km。

比較干支流交匯處上下游的3個樣點中的4個樣品的OTU種類,共3組,結果顯示,W_SL6對W_SL5的覆蓋度比W_SL6b對W_SL5的覆蓋度更大,W_SL5m對W_SL4的覆蓋度比W_SL5對W_SL4的覆蓋度更大,W_SL4對W_SL3的覆蓋度比W_SL4b對W_SL3的覆蓋度更大；在3組樣品的OTU種類比較中,W_SL4、W_SL5、W_SL3三個樣品中的獨有OTU種類占比依次增加,即來自上游2個樣點到本樣點(W_SL4、W_SL5、W_SL3)間匯水區的流域生物信息流特異性依次增強(表4)。

表4 3組干支流交匯處上下游的3個樣點中的4個樣品的OTU種類對比統計分析

3 討論

3.1 流域生物信息流增加了輸入區域的可檢出生物多樣性

流域生物信息流是流域生態系統過程的重要組成部分,包括有效流域生物信息流和無效流域生物信息流(圖5)。在自然徑流驅動的流域生態系統過程中,物質、能量、信息都沿著由陸地到水體、由支流到干流、由上游到下游的方向進行流動[22-23]。對下游樣點的水體環境DNA進行檢測,可以了解上游區域的生物群落組成情況[12, 24]；對水體樣點的環境DNA進行檢驗,可以了解流域內陸地上生物群落組成情況[11, 25]。對于宏體生物來講,以環境DNA形式從陸地到水體、從支流到干流、從上游到下游的流域生物信息流往往只是其組織碎片或者游離細胞,甚至裸露的DNA[24, 26- 28]。對于微生物來講,以環境DNA形式從陸地到水體、從支流到干流、從上游到下游的流域生物信息流往往既包含活的生物個體或細胞,也有死的生物個體或細胞[29-30]。宏體生物的組織碎片、游離細胞和裸露DNA,以及微生物的死亡個體和細胞,因為不再具有生命活性,相應地其承載的流域生物信息流都是無效流域生物信息流,因而對輸入地生態系統的生物種類組成不會產生明顯的影響。宏體生物個體甚至種群,以及微生物的存活個體和細胞,因為具有生命活性,相應地其承載的流域生物信息流(比如魚類洄游[31-32],水生生物入侵[33-34]等)屬于有效流域生物信息流,因而對輸入地生態系統的生物種類組成及群落結構會產生較明顯的影響。

有效流域生物信息流在一定程度上增加了輸入地的生物多樣性。對于宏體生物來講,周期性的生物遷入能夠增加遷入地的生物多樣性,比如一些山間河流和季節性河流,洄游產卵親魚和季節性遷移水生生物的到來,在一定程度上增加了該河流的生物多樣性[35]。對于微生物來講,由上游和由陸地輸入的有效流域生物信息流能夠在一定程度上增加輸入地的微生物生物多樣性。本研究中,同一樣點的岸帶土壤微生物和河流水體微生物在種類組成上有一定程度的重合(表1),可以認為絕大多數是陸地土壤對河流水體的微生物輸入,雖然不能排除由人類、家畜、陸生野生動物等的取水、飲水、涉河等活動將一些水體微生物帶到岸帶土壤中,但因為其在整個流域生態系統過程中所占份額遠不及自然徑流所驅動的由陸到水的流域生態系統過程所占份額,所以其絕對不是主要的部分。上下游相鄰樣點間的水體微生物在種類組成上有一定程度的重合(表1),可以認為絕大多數是上游對下游的微生物輸入,雖然不能排除由水生野生動物的溯河遷移等活動將一些下游水體微生物帶到上游,但因為其在整個流域生態系統過程中所占份額遠不及自然徑流所驅動的由上游到下游的流域生態系統過程所占份額,所以其絕對不是主要的部分。

流域生物信息流對輸入地的生物多樣性的增加是非累積的。本研究中,由土壤到水體、由上游到下游的微生物群落組成覆蓋度普遍小于有效度(除了W_SL5-W_SL4這對關系和涉及SL1和SL2的2個位點的4對關系)(表1),也就是說,多來源的流域生物信息流的輸入使得匯生態系統的可檢出生物多樣性獲得增長,且大于任一源生態系統的生物多樣性。Deiner等曾提出一個描述生物多樣性、環境DNA與河流等級之間關系的概念模型[11],涉及這一問題。其假設環境DNA所反映的物種豐富度隨著河流的Strahler等級的增大而不斷升高最終達到穩定,但對空間尺度適用范圍并沒有給出一個說明和限定[11]。本研究中,雖然從上游到下游每個樣點水體微生物生物多樣性都受流域生物信息流的輸入影響而增長,但從這一系列樣點的OTU種類數來看,并沒有出現Deiner等的模型所預期的持續增長最終達到穩定的情況,而是呈現為OTU種類基本穩定(除了樣點SL1和SL2),且從上游到下游的流域生物信息流在輸移過程中存在相當程度的丟失(圖3),每個樣點的水體微生物多樣性相當程度上依賴于其上游緊鄰的有限長度河段匯水區的微生物多樣性。而決定這一河段長度的是流域生物信息流的輸移效率。這一規律對于水體環境DNA技術應用來講,尤其重要。

流域生物信息流對輸入地的生物多樣性影響的大小,依賴于各個源生態系統的總生物信息量(在本研究中指種類)和流域生物信息流的輸移效率。因為土壤微生物樣品的OTU種類整體上比水體微生物樣品的要少(圖3),由土壤到水體(同一樣點的兩種樣品間比較)的流域生物信息流輸移效率普遍小于由上游到下游(相鄰樣點間比較)的流域生物信息流輸移效率(表1),導致由土壤到水體的流域生物信息流普遍小于由上游到下游的流域生物信息流,所以由土壤到水體的流域生物信息流對輸入地生態系統的影響也普遍小于由上游到下游的流域生物信息流對輸入地生態系統的影響,反映在指標上即,由土壤到水體的微生物組成覆蓋度普遍小于由水體上游到下游的相鄰位點的微生物組成覆蓋度(表1)。

3.2 流域生物信息流的輸移效率及其影響因素

輸移效率和輸移距離是流域生物信息流過程的兩個關鍵指標。由上游到下游、由支流到干流的流域生物信息流在環境DNA監測的視角被探討得比較多[12, 24],但其輸移效率究竟有多大？輸移距離究竟有多遠？目前并尚沒有系統的研究,輸移效率的估算只有少量研究涉及[12, 36]；輸移距離的估算,只有一些針對宏體生物的環境DNA可監測距離的研究,估算出的距離從小幾十米[37-38],到幾百米、數千米[36, 39],再到上百千米[40]都有。當然,已有的這些都是無效流域生物信息流的輸移距離和輸移效率,而有效流域生物信息流的輸移距離和輸移效率則未見相關研究。由陸地到水體的流域生物信息流也在環境DNA監測的視角有所探討[11, 25],其輸移效率有多大？輸移距離有多遠？相關研究更為稀少,雖然Deiner等提出了一個描述生物多樣性、環境DNA與河流等級之間關系的概念模型,以及一個只用幾個水體環境DNA樣品就能評估流域層面的生物多樣性狀況的愿景[11],但是,并沒有量化分析輸移效率和輸移距離的問題。

本研究中,由土壤到水體的流域生物信息流,在雨天,其輸移效率為62.76%左右(中上游7個樣點,降雨第二天采樣,且采樣時伴有零星小雨)；在晴天,其輸移效率約為44.16%(樣點SL2,降雨前采樣),而河流入湖口樣點SL1由于受青海湖咸水脅迫約束,其輸移效率約為20.17%(降雨前采樣)(表1)。需要強調說明的是,這里的輸移效率是河流水體5米距離內岸帶的樣點到鄰近水體的流域生物信息流輸移效率。在雨天,由河流上游到下游的流域生物信息流,其基礎綜合輸移效率為97.41%/km(中上游7個樣點之間,降雨第二天采樣,且采樣時伴有零星小雨)；雖然樣點SL2是在降雨前采樣,SL3是在降雨天采樣,SL3到SL2的流域生物信息流涉及到晴/雨條件轉換的問題,但其環境過濾效應僅為約0.57%,因而其輸移效率約為96.32%/km,也就是說晴雨條件并不對由河流上游到下游的流域生物信息流輸移產生明顯；由于樣點SL2和上游樣點一樣是淡水環境,河流入湖口樣點SL1則是咸淡水交匯區,并且樣點SL1和SL2都是在晴天采的樣,所以由SL2輸入到SL1的有效流域生物信息流主要受半咸水環境脅迫問題的影響(環境過濾效應約為54.42%),其輸移效率約為84.63%/km,也就是說水體理化條件對由河流上游到下游的流域生物信息流輸移產生了明顯影響。

由陸地到水體的流域生物信息流主要受地表表面流和地下潛流驅動,同時還受由陸到水的環境轉變所產生的環境過濾效應的影響；由河流上游到下游的流域生物信息流主要受河川徑流驅動,同時還受遠距離輸移過程中的衰減效應的影響(圖6)。由陸地到水體、由上游到下游、由支流到干流的流域生態系統過程(包括流域生物信息流)主要由自然徑流(包括地表表面流、地下潛流、河川徑流)所驅動[22-23]。因為(1)地表表面流和地下潛流遠不及河道徑流對顆粒物和碎屑的攜帶能力大,其所驅動的由土壤到水體的流域生物信息流輸移能力也小于由上游到下游的流域生物信息流輸移能力,(2)陸-水環境轉變所產生的環境過濾效應比上-下游輸移過程中的衰減效應強,所以導致了由土壤到水體的流域生物信息流輸移效率也小于由上游到下游的流域生物信息流輸移效率,即由土壤到水體的微生物組成有效度普遍小于由水體上游到下游的相鄰位點的微生物組成有效度(表1)。

本研究中,由土壤到水體的流域生物信息流,在雨天(大量地表碎屑被侵蝕、搬運而沖入河道,河水渾濁),輸移能力為68.49%左右(即約68.49%的生物信息能從陸地上輸移到水體里),環境過濾效應為8.38%左右(即約8.38%的生物信息流在陸水界面切換時被過濾掉),進而其輸移效率為62.76%左右；而在晴天,輸移能力則降為約56.82%,環境過濾效應升為約22.28%,進而其輸移效率降為約44.16%(表2)。由河流上游到下游的流域生物信息流,輸移能力約為99.42%/km,其中無效流域生物信息流比例約為43.46%,無效流域生物信息流的半衰距離約為14.52 km,其基礎綜合輸移效率為97.41%/km左右。

降雨促使地表表面流、地下潛流和河道徑流增加,增加了對顆粒物和碎屑的輸移能力,進而驅動了由陸地到水體的流域生物信息流輸移能力的增大,同時也通過顆粒物營造的微環境減弱了陸-水環境切換帶來的環境過濾效應[41],進而增大了流域生物信息流的輸移效率。本研究中,由岸帶土壤到河流水體的流域生物信息流,在雨天,輸移能力為68.49%左右,環境過濾效應為8.38%左右,其輸移效率為62.76%左右；在晴天,輸移能力約為56.82%,環境過濾效應約為22.28%,其輸移效率約為44.16%(表2)。雨天的輸移能力顯著大于晴天的輸移能力,雨天的環境過濾效應顯著小于晴天的環境過濾效應,進而導致雨天的輸移效率顯著大于晴天的輸移效率。

有效流域生物信息流的影響力主要與徑流強度相關,而非與河流徑流距離相關。在由上游到下游的流域生物信息流中,徑流強度越大,流域生物信息流輸移能力往往也越大,對匯生態系統影響的程度往往也越大。本研究中,對3組干支流交匯處上下游的3個樣點的水體微生物樣品的OTU種類的對比統計分析顯示,河川徑流量大的樣點輸出的流域生物信息流對下游生態系統的影響(覆蓋度)更大,而非距離近的樣點(表4)。對于無效流域生物信息流來講,因為受環境DNA的降解、沉淀、被吸附等的限制,其往往受河流徑流距離的影響[12, 36,42]。對于有效流域生物信息流來講則不受這些因子的影響,因而有效流域生物信息流對匯生態系統影響的程度也就與河流徑流距離沒有明確的相關關系。但這個判斷只在一定空間尺度內(比如本研究中河流徑流距離在幾千米至小幾十千米范圍內)可檢驗,尺度太小就會受無效流域生物信息流的影響,尺度太大就會受水環境狀況異質性和區間匯水區生物組成異質性的影響,進而都會與河流徑流距離存在一定的相關性。在本研究的3組干支流交匯處上下游的3個樣點中的4個樣品OTU種類的比較中,3個下游樣點的水體微生物樣品中的獨有OTU種類占比的大小(表4),反映了來自相鄰2個上游樣點到下游樣點間匯水區的流域生物信息流的特異性強弱,而流域生物信息流的特異性強弱基本依賴于匯水區內微生物群落相比于前后樣點的特異性大小(圖4)。在大空間尺度上來講,越遠的空間距離往往也意味著匯水區內越大的群落差異,進而也就意味著上游樣點對下游樣點越小的流域生物信息流影響力。

4 結論

本文根據流域生態學發展的需要和流域生態系統過程研究的需要,提出了流域生物信息流概念,并對青藏高原沙柳河流域的一系列水體微生物和土壤微生物樣品進行了分析,從生物信息種類組成層面定量研究了陸地到水體、支流到干流、上游到下游的流域生物信息流。研究結果顯示:①流域生物信息流在一定程度上增加了輸入地的可檢出生物多樣性,但這種增加是非累積的,依賴于樣點上游緊鄰的有限長度河段匯水區的生物多樣性和流域生物信息流的輸移效率；②降雨導致了地表表面流的產生、地下潛流和河道徑流的增加,增強了對顆粒物和碎屑的沖蝕和搬運能力,進而導致了流域生物信息流的輸移能力增大、環境過濾效應減弱、輸移效率增大。

目前迅速發展的環境DNA在水生態中的應用[11-12, 24],其理論基礎之一就是流域生物信息流。在目前的水體環境DNA研究中,既涉及由上游到下游、由支流到干流的流域生物信息流[12, 24],也涉及由陸地到水體的流域生物信息流[11, 25],但目前做的最多的、關注最多的是由上游到下游、由支流到干流的流域生物信息流,既涉及無效流域生物信息流[11],也涉及有效流域生物信息流[25],但關注最多研究最多的是無效流域生物信息流。本文中對這幾類流域生物信息流均做了相關的厘定和探討。另外,本文還初步提及了由下游到上游、由水體到岸上的流域生物信息流。但在本案例研究中,暫未實質性區分有效生物信息流和無效生物信息流,暫未區分魚類(青海湖裸鯉)洄游所驅動的流域生物信息流,暫未區分放牧(人、羊、牦牛、馬、狗等)和野生動物(鼠兔、鳥類、狐貍等)活動對流域生物信息流的影響,暫未區分沙塵輸移(春季的大風沙)對流域生物信息流的影響,這些都需要下一步進行更為深入的研究。