以江蘇省河流湖泊為例探討基于物種與面積關系確定大型底棲動物最適及高效采樣量

張 翔,沈 偉,陳 橋,徐東炯

1.江蘇省常州環境監測中心,江蘇 常州 213001 2.江蘇省生態環境水環境生物監測重點實驗室,江蘇 常州 213001

采集監測點位淡水大型底棲無脊椎動物(以下簡稱大型底棲動物)群落的代表性樣品,必須研究的核心是采樣量。在完全覆蓋采樣點位周邊生境的前提下,選擇多大的采樣量才能使采集到的樣品既具代表性,又兼可操作性,是一個實際又迫切的問題。解決這個問題的科學基礎是物種與面積關系(SAR)。物種與面積關系最早由歐洲科學家JACCARD[1]在1901年提出,起初的調查研究對象為植物群落。研究中被業界廣泛接受的2種方法分別是ARRHENIUS[2-3]在1921年提出的以冪函數表達物種與面積的關系以及GLEASON[4-5]在1922年提出的以對數函數表達物種與面積的關系。但諸多研究發現,實際的監測結果通常落在冪函數曲線和對數函數曲線之間[6-7]。TJRVE[8]在2011年提出應用冪函數和對數函數混合模型來解決這一問題。從物種與面積關系可知,在一定區域內采集到的生物物種數會隨著采樣面積的增加而增加,到達一定的采樣面積后,此區域內的生物物種被采盡,達到峰值后不再變化。以上研究均對應于植物等可清晰觀測的生物,但大型底棲動物處于水底,進行物種與面積關系研究時受采樣區域選擇和采樣工具差異等影響。從現有研究來看,2000年吳小平等[9]研究長江中下游13個湖泊的淡水貝類物種與面積曲線,發現可使用對數函數表示。2005年段學花[10]通過定點實驗研究河北省拒馬河的物種與面積曲線,發現可使用冪函數表示,并提出最小采樣面積為1 m2,3～5個樣方組合來確保采樣結果可靠,這一面積值與美國EPA的RBP方法[11]一致。2018年張汲偉等[12]在構建中國大型底棲動物水質生物監測指數和水質等級時提出,可涉水河流合計采集15～20個樣方,采樣面積為1.8～2.4 m2,不可涉水河流與湖泊合計采集3個有效樣方,采樣面積為3/16 m2。

采樣量包含采樣面積、樣方及樣帶數。從實際采樣操作來看,想達到采盡采樣點位周邊所有大型底棲動物的采樣量是巨大的,實際可操作性不強;而采樣量過少,又不能真實反映大型底棲動物的群落狀況。因此,適合的采樣量是既要獲得采樣點位具代表性的樣品,同時也要考慮成本和效率。在監測業務工作發展中,關于采樣量的疑問和爭議還有不少。MAGURRAN等[13]指出,最準確的多樣性和多度估計值產生于對一個系統長期的密集采樣。確定采樣量需要依賴于2個實際情況:樣本數量和采樣區域內生境異質性[14]。筆者所研究的采樣量包括2項內容:采樣面積值、樣方樣帶數。采樣面積值保證樣本數量適宜,而樣方及樣帶保證覆蓋采樣區域內生境異質性。在植物和其他生物類群研究中,STOHLGREN[15]認為需要5～7個樣方以準確估計采樣區域的變異,而樣本數量則需按實際情況確定,如基于估計量的可接受誤差、從預實驗獲得待估計參數的變異性及以往的研究,甚至還可以基于經驗猜想[16-17]。

筆者選取江蘇省典型河流和湖泊水體,對多生境采樣結果進行形態學分析鑒定并累加計算,使用對數函數分析物種與面積曲線,測試大型底棲動物最適采樣量,統計分析其一階導數曲線,尋找并提出采樣效率和投入成本的平衡點“高效采樣量”。

1 實驗方法

1.1 采樣區域

江蘇省內低山丘陵溪流水庫和平原湖蕩河流水網是其主要的水生態類型,而省內太湖流域和長江段包含這些水生態類型中的典型水體。該研究即在江蘇省內太湖流域和長江段選擇可涉水河流(含涉水可過和涉水不可過河流)、不可涉水河流和湖泊3類水體(表1),開展大型底棲動物最適及高效采樣量研究。

表1 采樣點位情況Table 1 Situation of sampling sites

1.2 采樣方法與樣品采集

使用多生境采樣法采集大型底棲動物樣品。以《流域水生態環境質量監測與評價技術指南》[18]中大型底棲動物的采樣與分析方法為基礎,參考《水生態監測技術指南 河流水生生物監測與評價(試行)》[19]及《水生態監測技術指南湖泊和水庫水生生物監測與評價(試行)》[20]中大型底棲動物的測定,充分覆蓋江蘇省內水系的各類底質條件(硬質的鵝卵石和礫石,軟質的軟泥、黏土和細沙等)以及不同水生植物等生境類型,并針對不同水體類型選擇適宜的采樣方法和采樣面積(表2),收集不同的樣方和樣帶。樣方使用定量方法收集,樣帶使用半定量和定性方法收集,樣帶包含數個樣方。采樣方法如下。

表2 采樣點位采樣方式、生境情況和實際采樣面積Table 2 Sampling method,habitat condition and actual sampling area of sampling sites

采樣方法1:河寬10 m及以下,以點位上、下游各50 m范圍為采樣河段,如周邊生境單一,以25 m為間距,上游至下游布設5個采樣斷面為5個樣方。使用索伯網(0.09 m2)采集5次,計0.45 m2,使用踢網(1 m2)于點位上、下游2個采樣斷面(2個樣帶)采集2次,計2 m2。

采樣方法2:河寬10～200 m,以點位上、下游各500 m范圍為采樣河段,依據周邊生境情況,布設12個采樣斷面,左、右岸計24個樣方。使用彼得生采泥器(0.062 5 m2)采集24個樣方,計1.5 m2,使用三角拖網采集6個樣帶,單次采集距離為5 m(1.5 m2),計9 m2。

采樣方法3:河寬200 m以上,以點位上、下游各1 000 m范圍為采樣河段,依據周邊生境情況,布設22個采樣點,河段一側布12個采樣點,設樣方24個,河段另一側布10個采樣點,設樣方20個。使用彼得生采泥器(0.062 5 m2)采集44個樣方,計2.75 m2,使用三角拖網采集9個樣帶,單次采集距離為5 m(1.5 m2),計13.5 m2。

采樣方法4:湖泊點位以半徑為100 m的范圍為采樣區域,依據周邊生境情況,布設12個樣方,3個樣帶。使用彼得生采泥器(0.062 5 m2)采集12個樣方,計0.75 m2,使用三角拖網采集3個樣帶,單次采集距離為5 m(1.5 m2),計4.5 m2。

采樣完成后,使用孔徑為250 μm篩網篩洗樣品,6 h內帶回實驗室人工挑揀,當日完成挑揀,用75%乙醇溶液固定樣品,在實驗室內參考相關書籍[21-25],使用體視顯微鏡和生物顯微鏡進行形態學分類鑒定,盡可能分類至屬或種級別。按形態學鑒定結果統計每個樣點單次采集的物種分類單元數和個體數。

1.3 數據處理方法

獲取的物種分類單元數和個體數使用Excel統計,因滸關上游、太浦河和長江魏村段使用彼得生采泥器單次采集(0.062 5 m2)次數較多(大于12次),將每4次采集的數據結果整合為單個數據結果集以便分析且能體現代表性,單個數據結果集面積為0.25 m2,其余皆為單次使用采樣工具采集的數據結果。多樣性數據分析使用R EstimateS 9.1.0處理,物種數和采樣面積擬合曲線及一階導數函數曲線在Origin中繪制。計算出的采樣面積修約至2位小數,樣方與樣帶總數修約到“個”數位。

1.3.1 多生境采樣法

筆者僅討論布點確定后,在采樣點位確定的區域范圍內進行采樣,獲取具有代表性的樣品。國際上常用的方法有3種,即適用于采樣區域顯示出明顯環境梯度差異時的等距采樣法[26](美國EPA使用);適用于采樣區域隨機選擇時的隨機采樣法[27](土壤研究使用);適用于采樣區域內生境需劃分為離散實體以減少采樣誤差時的多生境采樣法[28](歐盟及英國、澳大利亞和日本等使用)。筆者選擇多生境采樣法進行采樣,因其更適合中國當下大型底棲動物監測代表性的要求和水生態狀況變化較大的實情。

1.3.2 最適采樣量確定方法

最適采樣量的設置是在監測點上盡可能采集到不同的物種,而使采樣量具有完整代表性,確保監測結果準確可比時的最小采樣量。筆者選用Chao1指數來計算最適采樣量是因其對不同物種很敏感,但和個體豐度、均勻度無關。因Chao1指數計算最適采樣量可基于隨機反復抽取,直到所有物種至少被抽到2次(Doubletons),則表明不會再有新的物種被發現,即Doubletons值出現峰值[29-30]。但在現實中,采樣區域的生境狀況多變,讓最適采樣量完全代表區域狀況依賴于采樣人員對生境的熟悉程度,一旦采集到新的生境,Doubletons峰值會出現突然跳高的現象,難以對真正最適采樣量進行表征。在此,筆者選擇Chao1指數95%上限值來表征最適采樣量。因為隨著抽樣的進行,抽取到一次的物種會越來越少,至少被抽到2次的物種越來越多,Chao1指數的95%上限值會出現峰值后回落,一旦出現這一峰值,可以認為通過采樣收集了絕大部分(>95%)的物種類群,剩下的只是一些偶見物種類群[31]。故以此峰值出現時所對應的采樣量為符合統計分析上的最適采樣量。

1.3.3 高效采樣量定義與方法

在實踐中,考慮采樣效率和投入成本的平衡,筆者提出一種“高效采樣量”定義。即以單位采樣面積(如采泥器抓取一次的采樣面積)逐個增加的形式增加采樣面積,當單位采樣面積中新出現物種分類單元數不足1時,所對應的總采樣面積以及單位采樣面積個數為該水體的高效采樣量。確定高效采樣量的方法為先統計采樣面積與物種數,擬合兩者對數函數曲線,再求得其一階導數曲線。一階導數曲線就是原函數的變化率曲線,代表原函數在增量趨向于0時變化率的極限,故選擇一階導數y軸值最接近1所對應的點(y≈1),即單位采樣面積中新出現物種分類單元數約為1時變化率的極限,判斷為采樣效率和投入成本的平衡點,以y≈1所對應的x軸值為單位采樣面積個數,單位采樣面積個數與單位采樣面積相乘得總采樣面積。此時,單位采樣面積個數對應樣方及樣帶數,與總采樣面積一起組成“高效采樣量”。

2 結果與討論

2.1 最適采樣量

從該研究實際數據擬合曲線來看,更偏向吳小平等[9]所做的采樣面積研究曲線,即使用對數函數來表示物種與面積的關系。在此,統計物種分類單元數和個體數,使用采樣面積與物種數擬合對數函數曲線,計算度量物種豐富度的Chao1指數[32],得到Chao1指數95%上限峰值及其對應的數據集數量和采樣面積(表3)。以Chao1指數95%上限是否出現峰值來確定最適采樣量是否出現,以最高值對應的數據集數量來確定樣方和樣帶總數,以最高值對應的面積來確定采樣面積。

表3 各點位大型底棲動物采集情況及Chao1指數結果Table 3 Collection of freshwater benthic macroinvertebrate and Chao1 index results of sampling sites

從表3來看,6個采樣點中有4個采集到了最適采樣量,通過整理其對應的水體類型,可得到部分水體采樣點最適采樣量建議值(表4)。另有2個水體Chao1指數95%上限峰值未出現,故未出現最適采樣量,分別是涉水不可過河流(河寬10 m)和不可涉水河流(河寬200 m),其對應的采樣面積分別為2.50、10.50 m2,而最適采樣量的采樣面積應大于此值。

表4 部分水體采樣點最適采樣量(建議值)Table 4 Optimal sampling conditions of different water sites (recommended value)

2.2 高效采樣量

2.2.1 采樣點位高效采樣量

選擇江蘇省5個河流點位和1個湖泊點位,對大型底棲動物樣品采樣量及對應的物種累計情況進行分析,繪制累計物種數與面積的對數函數曲線、一階導數函數曲線,將適宜的單位采樣面積個數(x值)與采樣工具的最小單位采樣面積相乘,獲取高效采樣量(包括采樣面積個數和采樣面積),具體情況如下。

1)可涉水河流(涉水可過):茅山西點位

計算茅山西累計物種數與面積的對數函數曲線、一階導數函數曲線,見圖1(a)。當單位采樣面積個數為5.4個(x=5.4),每增加一個此點位采樣工具的最小單位采樣面積(0.09 m2),所獲得的新物種分類單元數約為1個(y≈1),對應的高效采樣面積為0.486 m2。

圖1 各點位采樣面積與物種數關系的對數擬合曲線和一階導數曲線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(涉水不可過):舊縣點位

計算舊縣曲線圖,見圖1(b)。當單位采樣面積個數為8.0個(x=8.0),每增加一個此點位采樣工具的最小單位采樣面積(0.062 5 m2),所獲得的新物種分類單元數約為1個(y≈1),對應的高效采樣面積為0.5 m2。

3)不可涉水河流:滸關上游點位

計算滸關上游曲線圖,見圖1(c)。當單位采樣面積個數為3.8個(x=3.8),每增加一個此點位采樣工具的最小單位采樣面積(0.25 m2),所獲得的新物種分類單元數約為1個(y≈1),對應的高效采樣面積為0.95 m2。

4)不可涉水河流:太浦河點位

計算太浦河曲線圖,見圖1(d)。當單位采樣面積個數為5.1個(x=5.1),每增加一個此點位采樣工具的最小單位采樣面積(0.25 m2),所獲得的新物種分類單元數約為1個(y≈1),對應的高效采樣面積為1.275 m2。

5)不可涉水河流:長江魏村段點位

計算長江魏村段曲線圖,見圖1(e)。當單位采樣面積個數為5.0個(x=5.0),每增加一個此點位采樣工具的最小單位采樣面積(0.25 m2),所獲得的新物種分類單元數約為1個(y≈1),對應的高效采樣面積為1.25 m2。

6)湖泊:竺山湖心點位

計算竺山湖心曲線圖,見圖1(f)。當單位采樣面積個數為4.3個(x=4.3),每增加一個此點位采樣工具的最小單位采樣面積(0.062 5 m2),所獲得的新物種分類單元數約為1個(y≈1),對應的高效采樣面積為0.268 75 m2。

2.2.2 不同水體類型高效采樣量

匯總不同水體類型對應的高效采樣量和修約結果(表5)。從河流結果來看,除長江以外,隨著河寬的增加,高效采樣量同步上升。長江最適采樣量值最高,但高效采樣量卻并非最高,可能與此點最適采樣量的值不完整且長江中大型底棲動物分布稀疏、不均一有關,還需進一步研究。總體來看,江蘇省不同水體類型的高效采樣面積值均未超過1.28 m2。

表5 不同水體類型高效采樣量Table 5 Efficient sampling conditions of different water types

從不同水體類型的高效采樣量來看,若僅使用采泥器或者索伯網等單一設備采樣,其工作量較大,重復采樣次數較多,而單一采樣設備無法應對多種生境,不符合大型底棲動物所需的多生境采樣,也不利于監測工作推廣。因此,需采用多種采樣工具相結合的方式采樣,其中湖泊和不可涉水河流采樣應使用采泥器、三角拖網及手抄網等,涉水可過和涉水不可過的河流采樣工具應包括索伯網、踢網及手抄網等。此外,每個監測點位均進行高效采樣量的探索在實際操作中不現實,故應以區系范圍內不同水體的代表性點位為基礎,在行政區或自然流域內統一界定高效采樣量。

2.2.3 區域高效采樣量

結合現行江蘇省生態環境監測工作經驗,對于江蘇省區域的涉水可過河流而言,一般使用索伯網定量采集不少于4次(即4個樣方,面積為0.36 m2)及踢網采集不少于1次(即1個樣帶,面積為1.00 m2),累計采樣面積不少于1.36 m2;對于涉水不可過河流而言,使用手抄網采集不少于4次(即4個樣方,面積為0.60 m2)及手抄網采集不少于1 m(即1個樣帶,面積為0.90 m2),累計采樣面積不少于1.50 m2;對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個樣方,面積為0.25 m2)及手抄網或三角拖網采集不少于5 m(即1個樣帶,面積為1.50 m2),累計采樣面積不少于1.75 m2(表6)。可以看出,該面積均大于表5中不同類型水體監測點位的高效采樣面積,因樣帶含數個樣方,故樣方與樣帶總數按水體類型換算所需的數量時,符合所有水體的要求,具備一定科學性和可操作性。

表6 江蘇區域高效采樣量Table 6 Efficient sampling conditions of Jiangsu

2.3 討論

2.3.1 采樣量原則

在國內外各類已發布的文獻中對采樣區域的描述主要是規定了河流采樣長度和湖泊采樣范圍,但由于各河流寬度和各湖泊的深度均不相同,實際生境也各有特點,因此實際需要的采樣量各不相同。科學家使用各種方式來尋找物種累積的漸進曲線,但不可避免會不準確[12]。即便如此,大型底棲動物采樣原則依然明晰,在此提出確定實際采樣量的3條原則供討論:①在采樣區域范圍內,采樣做到生境全覆蓋;②采樣方式為定量、半定量、定性等相結合;③選取足夠數量的樣方、樣帶和適宜的采樣面積,從物種與面積關系的原理上保證物種累計達到一定的“飽和”,即“高效采樣量”。

2.3.2 高效采樣量的適用條件和實際使用

高效采樣量只是采樣效率和投入成本的平衡點,并非單次采樣的最適采樣量。從監測系統多年應用來看,高效采樣量適用于監測業務化(一年2次)長期監測,單個監測點位大型底棲動物采集到高效采樣量的采樣時間約為60～90 min,屬采樣人員可接受的范圍。如進行本底調查或生物多樣性調查研究時,則最好采集到最適采樣量,再進行相關數據分析,使監測所獲取的生物信息完整,以便體現出大型底棲動物的分布規律。

在運用該研究結果時,仍然需要注意一些問題。如在特殊水生態區域中大型底棲動物個體數自然分布不豐富的情況下,如何選取適宜的采樣量,是否可以因地制宜地使用采集個體數量終點來替代采樣量要求;又如,通過大型底棲動物研究水生生物多樣性或水生態健康等不同目的時,對采樣量的要求不同,必須按實際采樣目的來選取對應的采樣方法和采樣量。

3 結論

1)大型底棲動物最適采樣量是在監測點位盡可能采集到不同的物種,使采樣量具有完全代表性,是確保監測結果準確可比的最小采樣量。大型底棲動物高效采樣量是以單位采樣面積(如采泥器抓取一次的采樣面積)逐個增加的形式增加采樣面積,當單位采樣面積中新出現物種分類單元數不足1時,所對應的總采樣面積以及樣方樣帶總數為高效采樣量。

2)河流最適及高效采樣量如下:涉水可過河流的最適采樣量為1.45 m2,樣方和樣帶數合計6個;涉水不可過河流的最適采樣量應大于2.50 m2,河寬2～3 m的高效采樣量為0.49 m2,樣方和樣帶數合計6個,河寬10 m的高效采樣量為0.50 m2,樣方和樣帶數合計8個。不可涉水河流中,河寬100 m的最適采樣量為5.50 m2,樣方和樣帶數合計7個;河寬200 m的最適采樣量應大于10.50 m2;河寬2 500 m的最適采樣量為12.75 m2,樣方和樣帶數合計16個;河寬100 m的高效采樣量為0.95 m2,樣方和樣帶數合計4個;河寬200 m的高效采樣量為1.28 m2,樣方和樣帶數合計6個;河寬2 500 m的高效采樣量為1.25 m2,樣方和樣帶數合計5個。

3)淺水湖泊最適及高效采樣量如下:水深2 m的最適采樣量為2 m2,樣方和樣帶數合計8個;高效采樣量為0.27 m2,樣方和樣帶數合計5個。

4)江蘇地區大型底棲動物涉水可過河流采樣量為1.36 m2,涉水不可過河流采樣量為1.50 m2,不可涉水河流和淺水湖泊采樣量為1.75 m2,均需采集4個樣方1個樣帶。