巴松措原生動物群落結構季節及垂直分布

楊欣蘭,潘瑛子,巴 桑

1 西藏自治區農牧科學院水產科學研究所,拉薩 850000 2 西藏大學理學院青藏高原濕地與流域生態實驗室,拉薩 850000

湖泊生態系統是流域與水體生物群落、各種有機和無機物質之間相互作用的開放且復雜的水域生態系統。淡水湖泊為人類生存和發展提供了不可或缺的自然資源和生存環境[1—3]。西藏湖泊星羅棋布,巴松措(湖)作為西藏東部最大的典型冰川堰塞型淡水湖泊,因人為干擾較少而至今保持著相對穩定的原始狀態,因此,可作為研究湖泊穩態和生態平衡的典型淡水水體。該湖泊水深可達167m,平均約100 m,為當地居民提供了多種生態系統服務功能,因此,揭示該水域生態環境質量具有重要的生態學意義[4—11]。

原生動物是一類形態多樣且分布廣泛的單細胞生物。其作為生態系統中重要的組成部分,在物質循環與能量傳遞過程中發揮著樞紐作用。因其生命周期簡短,且對環境的變化反應敏感,一直作為水體環境及生態環境質量的指示者[12—14]。研究該湖泊原生動物群落特征與垂直分布年際動態變化規律,可為深入揭示其生態環境質量及其服務功能提供重要的第一手資料。有關巴松措水體生物多樣性研究至今尚未見有報道。本文以巴松措水體為研究對象,初步探討了該水域原生動物群落結構及垂直分布,為豐富西藏高原生態冰川堰塞湖中淡水湖泊的生物多樣性分布、以及生態學特征資料提供了重要的基礎資料,并為湖泊生態系統的優化管理與保護提出科學依據。

1 材料和方法

1.1樣區概況

巴松措(湖)位于尼洋河最大支流巴河的寬谷中(93°55′39.95"E,30°01′06.04"N),為雅魯藏布江支流尼洋河水系中最大的高山冰川堰塞湖之一海拔3460 m,湖泊面積26 km2(長13 km,寬約2 km,最大湖深約167 m),平均湖深約100 m。水域面廣,負氧離子濃度較高,空氣細菌含量低；湖水豐沛,冰封期極短。由于受到印度洋濕潤氣流的影響,湖泊所在區域形成了高原溫帶半濕潤季風氣候,空氣濕潤,雨量充沛,年無霜期175 d,年平均氣溫6.3℃,年均降水量646 mm,年日照時數2016 h[15—18]。湖泊所在區域山地除冰川作用外,又受流水切割而形成高山深谷(相對高度差達約2000 m)的深切割地形。巴松措形成于新錯和仲錯兩股古冰川流水相匯而造成的“U”槽谷中,湖口由終磧垅堵塞而成。巴松措補給水源主要為仲錯弄巴曲(河)、新錯弄巴曲(河)、白朗曲(河)、羅結曲(河)和扎拉河冰川融雪水以及天然降水[19—21]。該湖泊長年水溫較低,屬于高山型冷水湖泊。湖體周圍從低熱河谷灌叢到寒寂荒涼高山稀疏墊狀植被帶,中間依次出現有常綠闊葉林、針闊混交林、云冷杉林、高山柳與杜鵑灌叢、高山草甸等植被垂直帶；呈現出由東南向西北由常綠闊葉林-高山松林-高山櫟林、亞高山灌叢到高山草甸的水平地帶性,其森林覆蓋率為80.0%[22]。

1.2 樣點設置

采樣時間為 2017年11月及2018年5月和9月。根據國家標準方法《水質—微型生物群落監測 PFU 法》(GB/T12990-91)、地表水監測斷面的布設原則、巴松措水域的自然環境特征及水體功能與梯度結構等特征設置采樣斷面和深度,本次研究采用傳統的掛錘式測得最大水深為108 m,按水深設置了0.5、2.5、5、15、30、60 m和100 m 共7個梯度,由淺到深依次用B1—B7來表達分層采集的水樣(圖1)。

圖1 巴松措樣點分布圖Fig.1 Sampling site (B)of Basom-tso lake

1.3 樣品的采集與處理

原生動物樣品和水化環境樣品的采集和處理均參照我國行業規范的研究方法進行[23]。水樣用QCC 15卡蓋式采水器與有機玻璃采水器,將采水器于水下相應位置,靜置5—10 min后采得水樣(設置3個平行)；定量樣品的采集方法同上,采到水樣后立即用10%魯哥氏液固定；在室內靜置24 h后濃縮至50 mL,移取0.1 mL濃縮勻液至0.1 mL計數框,在10×40倍顯微鏡下全片計數原生動物數量(重復3次)。

1.4 物種鑒定

在室內借助Olympus研究型光學顯微鏡,采用活體鏡檢和固定染色法相結合鑒定物種[24],原生動物物種鑒定主要參考文獻：《原生動物學》、《淡水微型生物與底棲動物圖譜》,《中國黃渤海的自由生纖毛蟲》,《西藏水生無脊椎動物》[23,25—28],采用Lynn(2008,2017)分類系統進行分類[29]。

1.5 數據處理與分析

采用Gleason-Margalef 豐富度指數(d)、Shannon-Wiener多樣性指數(H)和Simpson優勢度指數(S)等指數,計算公式如下：

1)豐度：

RS=(Vs×n)/(V×Va)

2)Gleason-Margalef 豐富度指數：d=(Ns-1)/ln(N)；

3)Shannon-Wiener多樣性指數：H=-∑Pi×lnPi(Pi=Ni/N)；

4)Pielou均勻度指數：E=H/ln(Ns)；

5)Simpson優勢度指數：S=ΣNi(Ni-1)/(N(N-1)；

6)Mcnaughton優勢度系數：Y=fi×Ni/N；

7)Jaccard相似性系數：J=c/a+b-c；

式中,RS為1 L水樣中原生動物的數量(個/L)；Vs為樣品濃縮后的體積(mL)；n為計數體積觀察所獲得的個體數(個)；V為采樣體積(1 L)；Va為計數樣品體積(1 mL)；N為同一樣點中個體總數；Ni為第i種的個體數；Ns為物種數；fi為第i種出現的頻率；a、b分別為a地和b地的種類數,c為a、b兩地共有的種類數[29—34]。

原生動物出現的頻率和相對豐度計算依據McNaughton優勢度Y≥0.02時定為優勢種。群落結構公式采用Excel計算和繪圖,使用R語言進行主成分分析PCA和Pearson相關分析；地圖用ArcGIS 12.0制作。

2 結果與分析

2.1 原生動物群落結構

2.1.1原生動物物種組成

巴松措共鑒定到原生動物195種(屬),隸屬于2門11綱24目43科59屬。其中春季有86種(屬),隸屬于2門10綱22目42科57屬；優勢類群、次優勢類群、罕見類群依次為砂殼目占比31.40%,表殼目占比16.28%,隱(藻)滴目占比1.16%,其余為常見類群(占比51.19%)；夏季有93種(屬),隸屬于2門8綱21目30科53屬；優勢類群、次優勢類群、罕見類群依次為砂殼目占比為32.26%,變形目占比11.83%,隱(藻)滴目占比1.08%,其余為常見類群(占比54.83%)；秋季分布有80種(屬),隸屬于2門7綱17目34科49屬；優勢類群、次優勢類群、罕見類群依次為砂殼目占比占比為37.50%,變形目占比17.50%,隱(藻)滴目占比1.25%,其余為常見類群(占比43.75%)；砂殼目為該湖泊原生動物群落年際優勢類群,年際變化趨勢為：春季31.40%>夏季32.26%>秋季37.50%,見圖2。

圖2 巴松措原生動物群落結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of protozoan community structure of Basom-tso lake

2.1.2原生動物的優勢種

根據McNaughton優勢度系數Y≥0.02確定優勢種,并用屬名的首三位字母加種名的首三位字母作為優勢種拉丁名的簡寫。春季有9個優勢物種,其中纖毛蟲物種數占55.56%,肉鞭蟲占44.44%,排名前三位優勢物種依次是飛燕角腰鞭蟲(Ceratiumhirundinella)、斜欹螺紋蟲(Coxlielladeclivis)和半緣筒殼蟲(Tintinnidiumsemiciliatum)。夏季共有13種,其中肉鞭蟲占92.31%,纖毛蟲占7.69%；前三位優勢物種為卵形尾滴蟲(Cercomonasovatus)、易變小鞭毛蟲(Mastigellacommutans)和卵形單領鞭蟲(Monosigaovata)。秋季共有5種,其中纖毛蟲占60%,肉鞭蟲占40%；前三位優勢物種為淡水筒殼蟲(Tintinnidiumfluviatile)、蓋廂殼蟲(Pyxidiculaoperculata)和小旋口蟲(Spirostomumminus)。春秋季優勢種主要為砂殼纖毛蟲；夏季的優勢物種主要為肉鞭蟲。優勢種數和優勢度指數從大到小依次為夏季>春季>秋季,呈現出明顯的時空差異性,見表1。

表1 巴松措原生動物優勢物種分布表Table 1 Dominant species of protozoan at Basom-tso lake

2.1.3原生動物的群落特征參數

春季分布的原生動物種類數為13.9,隨水深度增加其種類數和豐度均呈降低趨勢,豐度均值為2782 個/L；群落Shannon多樣性指數(均值為2.52)與Margalef豐富度指數(均值為2.55)隨水深延伸而降低；Simpson優勢度指數(均值為0.84)無明顯規律；Pielou均勻度指數(均值為0.98)在0.5 m水深為0.88,其余各水層均為1。

夏季分布的原生動物種類數隨著水層加深其呈降低趨勢(均值為15),最深層樣點有少量上升現象,豐度變化趨勢與種類數的變化一致(均值為3114 個/L)；群落Shannon多樣性指數(均值為2.45)與Simpson優勢度指數(均值為0.10)隨水深變化無明顯規律；Margalef豐富度指數(均值為2.70)隨水深的增加而降低；Pielou均勻度指數(均值為0.92)在水深15 m之后保持在1.0水平。

秋季分布的原生動物種類數隨水深下降其呈現降低趨勢(均值為13.6),豐度則無明顯規律(均值為1186 個/L)；群落Shannon多樣性指數(均值為2.60)與Margalef豐富度指數(均值為2.58)隨水深增加呈下降趨勢；Simpson優勢度指數無明顯變化規律(均值為0.07)；Pielou均勻度指數無明顯變化(均值為1.00)。

總體上分析,原生動物種類數隨著季節變化的趨勢為：夏季>春季>秋季,豐度的季節變化趨勢為：夏季>春季>秋季,Shannon多樣性指數季節變化規律為：秋季>春季>夏季,Margalef豐富度指數季節變化規律為：夏季>秋季>春季,Simpson優勢度指數季節變化規律為：春季>夏季>秋季,Pielou均勻度指數季節變化規律為：秋季>春季>夏季(表2)。該湖泊原生動物種類組成豐富多樣,群落結構相對復雜,隨水深的增加而相對簡單,優勢種類變化不明顯。春季原生動物群落結構較夏秋季復雜多樣,優勢種類明顯,該湖泊原生動物群落特征指數波動性不明顯,相對穩定,這與湖泊水環境相對穩定有關。

表2 巴松措原生動物群落特征參數Table 2 Characteristic parameters of protozoan community in the Basom-tso lake

2.2 原生動物群落結構垂直分布

2.2.1原生動物物種數與豐度垂直分布

為了研究巴松措原生動物垂直分布機制,將原生動物按五大優勢類群的物種數和豐度進行分類并繪制占比圖,結果顯示:各水層物種數和豐度均以砂殼目類群為主要優勢。砂殼目類群物種數沿水深呈上升趨勢(春季除30 m和100 m處、夏季除5 m和30 m處、秋季除60 m處)；變形目類群沿水深增加之占比呈減低趨勢(春季除5 m和100 m處、夏季除15 m處、秋季除60 m處)；表殼目類群物種數無明顯的垂直分布,但春季在15 m處達到最大值,夏季于5 m處未見該類群物種；動基體目類群物種僅出現于5 m以淺的水體中,其他類群物種數受垂直分布影響不大。

豐度(RS)：春季19475(個/L)；夏季21800(個/L)；秋季8300(個/L)

砂殼目類群豐度沿水深呈上升趨勢(春季除30 m和100 m處、夏季除30 m處、秋季除2.5 m和60 m處)；變形目類群沿水深增加之占比呈減低趨勢(春季除5 m和100 m處、夏季除5 m、30 m和60 m處、秋季除60 m處)；表殼目類群豐度無明顯的垂直分布,但春季在15 m處達到最大值,夏季于5 m處未見該類群物種；動基體目類群物種僅出現于5 m以淺的水體中,其他類群豐度受垂直分布影響不大,詳見圖3。

圖3 巴松措原生動物主要類群的物相對種數和相對豐度Fig.3 Relative pecies number and relative abundance of main groups in protozoan communities in Basom-tso lake

2.2.2物種聚類分析

為了深入了解巴松措(湖泊)原生動物物種分布和在樣點間的季節與垂直分布變化規律,將原生動物物種分布數據進行聚類分析。結果顯示：春季原生動物物種聚類特點是,其中B6、B7先聚成小組群,然后再與B3、B4聚集的小組群相聚,之后依次與B5、B2、B1聚集為一個大組群；夏季原生動物物種聚類結果是,從深層至表層依次聚群；秋季原生動物物種聚類結果是,先是B4、B5、B7聚合為一組,之后依次與B6、B3相聚,再次與B1與B2聚合小群相聚形成大群組。從整個聚類分析的結果可以看出,B6、B7水層處原生動物的物種分布較為穩定,物種分布聚類分析變化較大的水層主要在30 m以上水域,具有明顯的時空差異性特征,見圖4。

圖4 巴松措各樣點的聚類分析Fig.4 The clustering analysis among sampling sites at Basom-tso lakeB1—B7:水層0.5—100m

2.2.3群落特征參數與水層深度的相關矩陣

為深入研究水深對原生動物群落結構特征的動態影響,將水深和原生動物群落特征參數進行了Pearson相關性分析。結果顯示,水深與春季原生動物物種數、Margalef豐富度指數(P<0.05)及Shannon多樣性指數(P<0.01)均呈負相關關系；水深與夏季原生動物物種數和Margalef豐富度指數皆呈顯著負相關關系(P<0.01)；水深與秋季動物種類數和豐度呈負相關關系(P<0.05),與Simpson優勢度指數呈正相關關系(P<0.05),且三個季節群落特征參數與水深相關曲線相似,說明該湖泊水環境較為穩定,見圖5。

圖5 巴松措各水層與春、夏、秋季原生動物群落參數Pearson相關矩陣Fig.5 The Pearson correlation matrix of protozoan in Spring,Summer and Autumn at Basom-tso lakeNS：物種數 Species number,RS：豐度 Richeness,H：多樣性指數 Shannon index,S：優勢度指數 Simpson index,E：均勻度指數 Pielou index,d：豐富度指數 Margalef index,WD：水深 Water depth

2.2.4群落結構主成分分析

將巴松措原生動物物種分布的數據按季節(春、夏、秋)首字母(C、S、A)加數字的形式編號進行主成分分析,用三個圖分別分析PCA軸的解釋率、物種解釋率和樣點的解釋率及貢獻值。結果顯示：春季PCA 排序第 1軸的解釋率為25.6%,主軸1和2的累計解釋率為44.2%。原生動物中貢獻率排名前三的種類是半緣筒殼蟲(Tintinnidiumsemiciliatum)、表殼圓殼蟲(Cyclopyxisarcelloides)、普通表殼蟲(Arcellavulgaris),并且隨著水層位置上升時,物種對各樣點(水層)的貢獻率也逐漸降低,排名前三的樣點是B1、B2和B3。夏季PCA 排序第 1軸的解釋率為24%,主軸1、2的累計解釋率為45.5%。夏季原生動物中貢獻率排名前三的種類是淡水筒殼蟲(Tintinnidiumfluviatile)、后湖馬氏蟲(Mayorellahohuensis)、堅果領細殼蟲(Stenosemellanucula),同樣是隨著水層的升高,其對樣點的貢獻率也隨之降低,排名前三的樣點是B1、B2和B3。秋季的PCA排序第一軸解釋率為19.8%,主軸1、2的累計解釋率為39.3%。秋季原生動物中貢獻率排名前三的是淡水筒殼蟲(Tintinnidiumfluviatile)、蓋廂殼蟲(Pyxidiculaoperculata)和蜉蝣筒殼蟲(Tintinnidiumephemeridum),并且排名前三的樣點是B1、B2和B6。結果表明：原生動物排名前三的物種有較大差異,其對樣點的貢獻排名相對穩定,見圖6。

圖6 巴松措春、夏、秋季原生動物PCA分析結果Fig.6 The PCA analysis result of protozoan in Spring,Summer and Autumn in Basom-tso lake

3 討論

3.1 原生動物群落結構季節分布

本次研究的鑒定結果顯示該湖泊原生動物是以砂殼目、表殼目、變形目、動基體目和其他類群為主體的群落結構構架,優勢物種的主要成分是肉鞭門物種,較姜建國等[35]和張榮坤等[36]對東湖和白石水庫等其他水體[37—39]復雜豐富。物種組成多樣且分布均勻,優勢度不明顯,物種數較低且豐度較少,群落特征參數數值較低,存在明顯的優勢物種,具有顯著的季節差異。

巴松措為深水湖泊,位于中國西藏邊陲林芝市內,四季分明,受地理環境影響較明顯,春季群落結構較為復雜、秋季則最為簡單。其原因可能湖泊生態系統中分布的原生動物群落中不同種類能適應不同的水域環境,并形成相對穩定的群落結構；一旦環境因子發生變化(溫度、營養素、pH等),該群落結構的穩定性就會直接或間接的發生變化[40]。巴松措水體受季節影響變化較大,這與其地理位置和海拔高度有關。巴松措屬高原湖泊,水源來自冰川融雪水,其氣溫年際變化會直接影響到湖泊水體水溫的波動(水體溫度波動尤為顯著)。生活在該湖泊的原生動物在長期自然進化過程中適應了這種相對低溫低氧環境而生存,從而產生了一些適應該環境的土著種類[41—42]。隨著每年春季氣溫上升,融雪水經地表流入湖泊,為湖泊補充了水源,同時也為水體引入了很多礦質元素,引起了春季湖水原生動物群落結構發生了較大變化(種群數量都有所升高)。夏季光照較為充足,植物的光合作用會釋放氧氣,強烈的日照會提高湖泊的水溫和溶解氧,致使該湖泊原生動物種類數上升。隨著雨季到來,地表徑流水會不斷稀釋湖泊原生動物群落,充足的光照、適宜的溫度和豐富的養料會滋養適宜物種快速繁殖。因此,夏季湖泊原生動物群落結構較簡單,且肉鞭毛類物種占據優勢。秋季氣溫驟降、植物凋謝造成水體處在低溫缺氧狀態,促使大部分原生動物無法適應急速變化的環境,其中砂殼類纖毛蟲能夠較好的適應低溫和低氧的環境而快速繁衍[43],導致該湖泊秋季原生動物群落結構較為簡單；在水體中出現了較多的自養型原生動物成為優勢物種,這一結果與其他湖泊原生動物群落多樣性研究結果較為一致[44—46]。

3.2 原生動物群落結構的垂直分布

水體深度是影響浮游生物垂直分布的主要區域性環境因子,運用統計學結果分析水深與原生動物群落結構之間關系很有意義。有文獻[47]表明巴松措是躍層情況較為復雜的深水型湖泊水體,且有雜志報道巴松措地下水體情況較為復雜應有內流河,具體情況還需長時間、高頻率、多季節的觀測數據結果提供可靠的科學依據,所以在分析的時候將湖泊大致按躍層分為表3(0.5—5 m)、中(15—30 m)、底(60—100 m)三個水層討論。

表3 巴松措原生動物群落垂直分布特征Table 3 Vertical distribution of characteristic parameters of protozoan community in the Basom-tso

利用相關性分析結果發現三個季節原生動物的物種數皆受水深的影響,Margalef群落豐富度指數在春夏季也顯示出受水深影響(表層>中層>深層),即會隨水深的增加而降低。春季Shannon群落多樣性指數隨水深的增加而降低；秋季的Simpson群落優勢度指數會隨水深的增加而增加。是根據該湖泊原生動物群落結構和種群數量垂直分布特征：表層>中層>底層(其中秋季：中層>表層>底層)；為聚類分析結果可以看出各樣點越深的位置整體的生活環境越相近,物種的分布也會優先聚為一類；為進一步印證巴松措原生動物群落結構季節與垂直分布特征,采取PCA進行分析。分析結果也顯示砂殼目類群物種貢獻率較大,且多位于表層水體,隨水深增加原生動物種類及數量分布越少,底層整體種類和數量分布較少,群落結構簡單,與相關性分析和聚類分析的結果一致。其原因是隨著水深的增加,可見光、透明度及含氧量等因素會隨之降低,甚至會歸為無。氧氣含量、水溫和水壓也會隨水深而改變,各種適宜原生動物生存的生物因子、物理條件和化學環境都發生了較大變化。原生動物可以分為自養型、異養型以及雜食型等六大營養類群,在光源充足的情況下,自養型原生動物會呈較多的現象,但是隨著光變暗,水壓升高,環境相對惡劣的情況下,異養型、雜食型原生動物適宜生存而大量繁殖[48—50],形成了隨著水深增加會出現耐受性物種優勢度而群落多樣性降低的現象。底層水域環境較為極端惡劣,極度減少了原生動物常見種的生存和繁殖[51—52],有殼類原生動物對生存環境的要求并不嚴格且適應性較強,能適應這種極端環境而生存,從而整體形成了原生動物群落結構隨水深增加變得簡單化,見表3；位于中層水體的原生動物群落結構變化較大,呈現復雜到簡單的趨勢。概因湖泊透明度在采樣時最高可達11.4 m,可見光無法達到中層水體,又在此區間有水體躍層現象[47]。使水體內環境發生變化,直接降低自養型生物和對環境敏感的一些常見水生生物,影響大多數原生動物常規物種的存活。一些異養型和雜食型原生動物的對環境影響反應相對較低,可迅速繁殖生存,致使群落結構和優勢物種也跟著變化。在此水層中采樣得到的原生動物的組成主要為砂殼類纖毛蟲和肉鞭門中表殼目生物,因它們屬于帶殼類原生動物,對環境的適應能力較高,因此受環境變化影響較低,且據雜志報道巴松措水下20 m能見度低生物稀少且可見魚類糞便,且水下有大型植被,說明巴松措的水體環境較為復雜,中層水體的原生動物可從其他生物糞便中汲取養分,但無法大量的生殖繁育,這也可以解釋中層原生動物群落結構相對穩定但豐度降低的特點。此結果也需有持續檢測的數據支撐,有待進一步考究；而60 m之下的水體則處于水位較深且常年無光低氧高壓的環境,致使環境更為穩定,砂殼類群物種和其他類群的比例常年不變,基本不受季節的影響。