青藏高原沙柳河流域自然径流驱动的流域生物信息流量化特征——以环境微生物为指标

物质流、能量流、信息流是生态系统过程研究中的三大主题。然而，在流域生态学研究中，有关信息流的研究一直缺位。为了推动流域信息流研究，从生物信息流切入，提出"流域生物信息流"概念，将其定义为"生物信息依托于流域生态系统过程在不同空间和系统之间进行传递、交流、作用、反馈的路径、过程与控制"，并将其研究内容拟定为主要关注于水陆间、干支流间、上下游间、不同生态斑块间的流域生物信息流及其周期性节律和趋势性变迁，以及地貌、水文、人类活动等对这些生物信息流的影响等。然后，以青藏高原上青海湖重要入湖河流--沙柳河的河流水体微生物和岸带土壤微生物为研究对象，利用环境DNA技术，对沙柳河流域的自然径流驱动的流域生物信息流进行量化研究。结果表明（1）岸带土壤到水体的流域生物信息流主要由地表表面流、地下潜流等驱动，并受环境过滤效应影响，其输移效率降雨天约为62.76%、晴天约为44.16%，其中输移能力降雨天约为68.49%、晴天约为56.82%，环境过滤效应降雨天约为8.38%、晴天约为22.28%；（2）水体上游到下游的流域生物信息流主要由河川径流驱动，并受衰减效应影响，其基础综合输移效率约为97.41%/km，其中径流输移能力约为99.42%/km，无效流域生物信息流占比约为43.46%，无效流域生物信息流的半衰距离约为14.52 km；（3）降雨通过增加地表表面流等的冲蚀搬运能力并削弱环境过滤效应，促使岸带土壤到水体的流域生物信息流输移能力和输移效率增大；（4）流域生物信息流的输入在一定程度上增加了输入地的可检出生物多样性，但这种增加对于流水生态系统来讲是非累积的。     

北京市潮白河流域鱼类物种组成的历史演变和多样性现状

本研究结合历史鱼类标本和研究资料,整理了密云水库建成前潮白河流域的鱼类物种组成,并与2017年在潮白河流域23个调查点的采集数据进行了分析对比。结果显示,潮白河流域的土著鱼类由密云水库建成之前的至少48种减少为现阶段的35种;此外现阶段另有8种鱼类为外来种。目前潮白河流域内鲤科鱼类占物种总数的67%,且大多数为小型低营养级鱼类,流域内占比最高的优势种是宽鳍(Zacco platypus)。本研究还以Margalef丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数、Pielou′s均匀性指数分析评估了潮白河流域内6条河流的鱼类多样性程度和空间变化,结果显示,流域内干流的多样性程度明显高于支流,密云水库上游河流明显高于下游河流,此外白河是本区域内多样性程度最高的河流,应加以重点保护。潮白河流域的密云水库是南水北调中线工程的受水水库,在这样的背景下,还应持续关注潮白河流域可能出现的外来物种问题。     

流域库坝工程开发的生物多样性敏感度分区

流域生态敏感性是流域生态系统遇到干扰时产生生态失衡与生态环境问题的难易程度和可能性大小,生物多样性是其影响最为重要的生态因子。主要考虑物种丰富度、珍稀程度、濒危程度、保护等级和生态系统类型等生物多样性敏感因子,借助GIS强大的空间数据采集和建模分析能力,在专家打分求取敏感因子权重基础上,通过空间模型计算生物多样性敏感度综合得分。基于二级流域综合得分最大值,采用ARCGIS自然间断点法实现敏感度分区,结果表明:极敏感区域主要分布在长江区的岷沱江、金沙江石鼓以下、金沙江石鼓以上、宜宾至宜昌、嘉陵江流域,珠江区的郁江、红柳河和西江流域,西南诸河区的澜沧江、红河和怒江及伊洛瓦底江流域,黄河区的龙羊峡以上流域等,这些区域水生生物特有种和受威胁物种丰度大,国家级自然保护区密集,是陆地生物多样性最丰富的地区。不敏感区域主要分布在松花江区除第二松花江以外流域,西北诸河区的塔里木盆地荒漠、古尔班通古特荒漠、中亚西亚内陆河、塔里木河干流等荒漠区,松花江区低温高寒,具有大森林、大草原、大湿地、大农田和大水域的特点,库坝工程对其生物多样性产生影响的可能性较小,西北诸河的荒漠区生境严酷,生物多样性贫乏,也不具备修建大型水库的条件,生物多样性敏感度也较低。其它区域介于二者之间,因其所处的生态系统类型、物种丰富度、珍稀程度、濒危程度和保护等级不一样,生物多样性敏感度各异。对流域库坝工程产生的生物多样性敏感度进行辨识,可为未来流域水资源合理和适度开发提供科学依据。     

河流山区段水生态安全评估——以太子河为例

河流山区段上游地区的水生态状况直接影响着流域整个水系生态系统的安全.本研究以生态安全评估模型PSFR(压力-状态-功能-响应,Pressure-State-Function-Response)框架为基础,选取辽宁太子河上游山区段为研究区域,结合太子河流域山区段河流的特征,构建了包括4个方案层、11个要素层和23个指标层的评估指标体系,从水生态压力、水生态状态、生态功能和社会响应4个方面,对太子河流域山区段进行河流生态安全评估.评估结果显示,在5种安全等级标准下,研究区内35个子流域的水生态安全状态有3种:不安全状态、基本安全状态和较安全状态,未出现极不安全和非常安全状态.其中,处于不安全状态的子流域有9个,比例为25.7%;处于基本安全状态的子流域有22个,占总流域的62.9%;处于较安全状态的子流域有4个,只占11.4%.表明太子河流域山区段水生态安全的主要压力来自于农业活动.流域栖息地环境质量下降、水质恶化及生境面积的衰退,导致河流生态系统的生态功能受损,河流水体内珍稀和特有物种减少、生物多样性降低,从而威胁河流生态系统的完整性,影响整体水生态安全.本研究结果能诊断流域内影响河流水生态安全的主要因子,为河流生态修复提供科学决策依据.     

城镇化背景下深圳典型流域鱼类群落特征及驱动因子

理解城镇的快速发展对河流鱼类群落结构的影响,是城镇河流科学管理和生物多样性保护的关键基础。本研究于2019年丰水期（8月）和枯水期（11月）,选取我国城镇化典型城市-深圳域内两个处于不同城镇化程度的代表性流域,应用多重统计方法比较分析了流域间鱼类群落结构的差异,并探讨了驱动鱼类群落变异的关键环境要素。结果发现,城镇化程度高的观澜河流域其鱼类种类组成、优势类群、生物多样性指数与城镇化程度低的坪山河流域有明显差别。 具体表现为：城镇化程度高的流域土著敏感种类如异鱲、吸鳅等几近消失,优势类群为外来入侵耐受种类,其物种多样性显著低于城镇化程度低的流域（P<0.05）。同时,外来鱼类在城镇河段其数量占比平均达92.5%,广泛分布于深圳城镇河流中。在环境因素方面,城镇化程度高的观澜河流域水体理化指标总氮、总磷、氨氮、化学需氧量、生化需氧量、高锰酸盐指数均显著性高于城镇化程度低的坪山河流域（P<0.05）。基于Bray-Curtis距离的冗余分析显示：城镇用地占比和总氮是影响观澜河和坪山河流域鱼类群落差异的主要因素。城镇化进程中河流生境的改变已影响到土著鱼类的生物多样性。因此,推动以恢复土著鱼类生物多样性的河流生态治理与保护是今后水生态目标管理的重要方向。     

新疆阿勒泰地区额尔齐斯河和乌伦古河流域鱼类多样性演变和流域健康评价

为了解阿勒泰地区额尔齐斯河和乌伦古河流域的鱼类多样性现状和历史演变, 本研究于2013-2016年间在该流域的鱼类多样性进行了连续调查, 并结合历史资料和标本, 以Margalef丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数分析评估了流域内鱼类的多样性水平和时空变化。该流域历史上分布有土著鱼类23种, 当前记录到19种, 流域内还有外来鱼类15种。阿勒泰鱼类的区系组成以鲤科种类为主, 其中特有和珍稀濒危物种占比高, 具有重要的保护价值。多样性指数计算结果显示, 2013-2016年鱼类多样性情况整体稳定, 额尔齐斯河鱼类物种数多于乌伦古河。研究还基于鱼类生物完整性指数(Fish Index of Biological Integrity, F-IBI)对34个采集点的河流健康状况进行了评价, 结果显示额尔齐斯河流域大多数调查点的健康状况处于“亚健康”或“一般”水平, 乌伦古河流域多数调查点的健康状况处于“健康”水平。水利工程、外来物种、过度捕捞是影响阿勒泰地区鱼类多样性的重要因素。未来应通过水利工程的联合调度、下泄合理生态流量、布设鱼类通道、规范养殖渔业、严控外来物种、本地土著鱼类的人工增殖放流, 以及合理的就地保护措施对阿勒泰地区的鱼类多样性加以保护, 提升水体健康程度。     

挠力河流域河流的B-IBI评价

挠力河流域是中国东北三江平原地区重要的商品粮基地之一.选择挠力河流域干支流6个河段21个样点,2007年7月进行河流大型无脊椎动物样本的采集和鉴定,并分别采用3分法和比值法进行了河流大型无脊椎动物完整性指数(简称B-IBI)计算与评价.结果显示,使用两种方法得出的评价结果基本一致,且与水质、生境质量评价结果呈显著正相关关系.研究表明,挠力河流域河流生物完整性总体良好,个别样点较差.全流域属于无干扰和轻度干扰的样点占71.4%,中度干扰的样点占23.8%,重度干扰的仅占4.8%.得分较高的样点多处于挠力河支流或干流上游的山区,人类活动较少,河流周围为茂密的森林植被;分值较低的样点主要位于支流下游或干流中游,均临近居民点,水体质量较差,河岸人类活动密集,植被覆盖度低,土地开发利用强烈等特征.这表明,河流B-IBI受到河岸土地覆被和土地利用(LULC)的重要影响.     

水文连通性对西洞庭湖大型底栖动物群落结构的影响

人为活动干扰纵向与横向水文连通性,对全球景观的生态完整性造成威胁。全球大型河流的洪泛区,包括中国最大的河流长江,都面临着水文连通性下降而造成的生物多样性灾难性损失。了解水文连通性如何影响生物在生境之间的扩散潜力,对于恢复和维持区域和局地生物多样性至关重要。评估了水文连通度对西洞庭湖大型底栖动物群落的影响。沿连通性梯度对54个地点进行了采样,包括河流27个样点,连通湖泊9个样点,阻隔湖泊9个样点和改造洲滩9个样点。结果表明,丰富度,Shannon-wiener指数和Margalef指数等α多样性指数之间存在显着差异（P < 0.05）,其中连通湖泊与阻隔湖泊的丰富度与丰度较高。连通性最低的改造洲滩α与β多样性最小。更重要的是,丰富度替换是造成河流、连通湖泊和阻隔湖泊中群落组成变化的主要因素,这表明在扩散限制下的中性动态可能是塑造这些生境中底栖动物群落的主要过程。但是,在改造洲滩中,嵌套的重要性很高,可以与丰富度替换相提并论,这反映了在这种不利的环境中,由于生态位分化而导致物种消失的非随机过程。广义线性模型证实,大型底栖动物群落组成空间转换的关键驱动力是水文连通性。研究表明,维持水文连通对于维持洪泛区生态系统的生态完整性至关重要。     

巢湖流域水质生物学评价——以大型底栖动物为例

由于长期暴露在自然环境中,底栖动物可整合不同时间尺度的物理、化学及生物信息,能反映污染物质对其造成的协同危害特征,因而被广泛应用于水体健康评价。为了弄清巢湖流域水体污染状况,于2009年4月对巢湖流域大型底栖动物进行采样调查。59个采样点中,鉴定出大型底栖动物共23种,其中:环节动物门6种,占26.1%;节肢动物门8种,占34.8%;软体动物门9种,占39.1%。尽管不同栖息环境中底栖动物的优势种有较大变化,但霍甫水丝蚓(Limnodrilus hoffmeisteri)、苏氏尾鳃蚓(Branchiura sowerbyi)和铜锈环棱螺(Bellamya aeruginosa)为整个巢湖流域优势物种。河流综合生物污染指数评价结果表明,巢湖流域水体均已受到不同程度的污染,南淝河的污染程度>白石山河>派河>巢湖湖体>柘皋河>杭埠河>裕溪河>丰乐河,这一结果与水质指标评价结果基本一致。     

河湖交汇区底栖动物群落特征及生态健康评价——以南四湖为例

为探究河湖交汇区大型底栖无脊椎动物群落特征以及生态系统的健康状况,2020年9月和2021年4月以南四湖流域14条入湖河流的河湖交汇区为研究区域,开展水质、沉积物质量与底栖动物群落调查,共采集到底栖动物55种,隶属6纲15目39科。非度量多维尺度分析表明,春季各样点底栖动物群落相似性比秋季底栖动物群落相似性高,不同季节新薛河(S7)、蟠龙河(S9)和北沙河(S11)3个样点分别具有较高的相似性。冗余分析表明,水体中的总磷、COD_Cr和沉积物中的总碳是影响底栖动物群落的重要环境因子。生物耐污敏感性指数(BMWP)与水质特征相似,对南四湖流域河湖交汇区健康状况的评估具有较强的应用性。结果表明,南四湖流域主要河湖交汇区健康状况总体处在轻微-中度污染水平。本研究可为河湖交汇区生态恢复提供依据。     

Abundance estimation of riverine macrophyte Egeria densa using environmental DNA: effects of sampling season and location

Invasive macrophytes can have a variety of effects on aquatic ecosystems. The early detection and abundance estimation of an invasive species is important to effectively control it and minimize the ecosystem impacts. It is imperative to develop more efficient sampling methods for the abundance quantification of aquatic plants in large riverine systems. We examined (1) relationships between the environmental DNA (eDNA) concentrations of the invasive macrophyte, Egeria densa, and the upstream coverage area on the multiple life-history stages (dormant, growing, and senescence seasons) in a large riverine system in Japan and (2) if the relationships between the eDNA concentrations and coverage area could vary with the lateral sampling locations (left bank, middle, and right bank). The eDNA concentrations had significant positive relationships with the upstream coverage area of E. densa at multiple spatial scales for the dormant and senescence seasons. These results suggest that the eDNA analysis could be useful to quantify the relative abundance of this aquatic macrophyte in the riverine system; however, the selection of the eDNA sampling season could be important to accurately estimate abundance. Our results also showed that the eDNA concentrations of E. densa did not significantly differ from the lateral sampling location, suggesting that the eDNA samples could reflect the relative abundance of E. densa upstream of the study sites regardless of the lateral sampling location.

     

环境DNA在两栖动物监测中的应用研究进展

两栖动物是我国受威胁程度最高的动物类群,加强两栖动物资源调查和多样性监测,是开展两栖动物保护和濒危物种拯救行动的关键性基础工作。传统的两栖动物监测主要以形态学和声学为基础,耗时费力,且难以发现一些隐蔽性较强的稀有物种。基于环境DNA(environmental DNA, eDNA)的调查方法以其快速、灵敏、高效、无创等独特优势,为两栖动物多样性监测及保护提供了新的工具。综述了eDNA在两栖动物多样性监测、外来入侵和珍稀濒危物种调查、物种丰度或生物量估测等研究领域的应用进展,分析了两栖动物eDNA产生、扩散、迁移和降解的动态变化特征及其关键影响因子,探讨了eDNA应用于两栖动物监测研究的局限性并提出了优化建议,同时对未来的研究方向进行了展望,以充分挖掘eDNA在两栖动物监测中的应用潜力,为两栖动物多样性保护和管理提供新的思路。     

The importance of including imperfect detection models in eDNA experimental design

Environmental DNA (eDNA) is DNA that has been isolated from field samples, and it is increasingly used to infer the presence or absence of particular species in an ecosystem. However, the combination of sampling procedures and subsequent molecular amplification of eDNA can lead to spurious results. As such, it is imperative that eDNA studies include a statistical framework for interpreting eDNA presence/absence data. We reviewed published literature for studies that utilized eDNA where the species density was known and compared the probability of detecting the focal species to the sampling and analysis protocols. Although biomass of the target species and the volume per sample did not impact detectability, the number of field replicates and number of samples from each replicate were positively related to detection. Additionally, increased number of PCR replicates and increased primer specificity significantly increased detectability. Accordingly, we advocate for increased use of occupancy modelling as a method to incorporate effects of sampling effort and PCR sensitivity in eDNA study design. Based on simulation results and the hierarchical nature of occupancy models, we suggest that field replicates, as opposed to molecular replicates, result in better detection probabilities of target species.     

Estimating species richness using environmental DNA

The foundation for any ecological study and for the effective management of biodiversity in natural systems requires knowing what species are present in an ecosystem. We assessed fish communities in a stream using two methods, depletion‐based electrofishing and environmental DNA metabarcoding (eDNA) from water samples, to test the hypothesis that eDNA provides an alternative means of determining species richness and species identities for a natural ecosystem. In a northern Indiana stream, electrofishing yielded a direct estimate of 12 species and a mean estimated richness (Chao II estimator) of 16.6 species with a 95% confidence interval from 12.8 to 42.2. eDNA sampling detected an additional four species, congruent with the mean Chao II estimate from electrofishing. This increased detection rate for fish species between methods suggests that eDNA sampling can enhance estimation of fish fauna in flowing waters while having minimal sampling impacts on fish and their habitat. Modern genetic approaches therefore have the potential to transform our ability to build a more complete list of species for ecological investigations and inform management of aquatic ecosystems.     

环境DNA技术在贻贝入侵监测中的应用挑战

沼蛤(Limnoperna fortunei)和斑马贻贝(Dreissena polymorpha)是淡水系统中常见的入侵贻贝物种,对其种群规模的持续监测是入侵贻贝防治管控中的关键环节。随着分子生物学技术的发展,入侵物种监测中逐渐尝试利用环境DNA(eDNA)技术实现快速、灵敏检测。然而,在入侵物种引入-定植-扩散过程的监测中,eDNA技术的灵敏度及定量效果受到诸多因素的影响,给实际应用带来挑战。系统梳理了国内外学者利用eDNA技术监测沼蛤、斑马贻贝等入侵物种的研究进展;分析了eDNA技术的采样方案、引物设计、定量分析、质量保证、原位便携仪器设计等影响监测效率与准确率的关键环节;进一步探讨了eDNA技术在贻贝入侵监测中的优势和局限性,以及未来的改进方向。     

Use of invertebrate traits for the biomonitoring of European large rivers: the effects of sampling effort on genus richness and functional diversity

1. Studies on biodiversity and ecosystem function require considering metrics for accurately describing the functional diversity of communities. The number of taxa (richness) is commonly used to characterise biological diversity. The disadvantage of richness as a measure of biological diversity is that all taxa are taken into account on an equal basis regardless of their abundance, their biological characteristics or their function in the ecosystem. 2. To circumvent this problem, we applied a recently described measure of biological diversity that incorporates dissimilarities among taxa. Dissimilarities were defined from biological traits (e.g. life history, morphology, physiology and behaviour) of stream invertebrate taxa and the resulting biological diversity index was considered as a surrogate for functional diversity. 3. As sampling effort is known to affect the number of taxa collected within a reach, we investigated how change in functional diversity is affected by sampling effort. We used stream invertebrate community data from three large European rivers to model accumulation curves and to assess the number of samples required to estimate (i.e. closeness to the maximal value) functional diversity and genera richness. We further evaluated the precision of estimates (i.e. similarity of temporal or spatial replicates) of the total functional diversity. 4. As expected, richness estimates were strongly dependent on sampling effort, and 10 replicate samples were found to underestimate actual richness. Moreover, richness estimates showed much variation with season and location. In contrast, functional diversity had greater accuracy with less sampling effort and the precision of the estimates was higher than richness both across sampling occasions and sampling reaches. These results are further arguments towards conducting research on the design of a biomonitoring tool based on biological traits.     

Repurposing environmental DNA samples—detecting the western pearlshell (Margaritifera falcata) as a proof of concept

Information on the distribution of multiple species in a common landscape is fundamental to effective conservation and management. However, distribution data are expensive to obtain and often limited to high‐profile species in a system. A recently developed technique, environmental DNA (eDNA) sampling, has been shown to be more sensitive than traditional detection methods for many aquatic species. A second and perhaps underappreciated benefit of eDNA sampling is that a sample originally collected to determine the presence of one species can be re‐analyzed to detect additional taxa without additional field effort. We developed an eDNA assay for the western pearlshell mussel (Margaritifera falcata) and evaluated its effectiveness by analyzing previously collected eDNA samples that were annotated with information including sample location and deposited in a central repository. The eDNA samples were initially collected to determine habitat occupancy by nonbenthic fish species at sites that were in the vicinity of locations recently occupied by western pearlshell. These repurposed eDNA samples produced results congruent with historical western pearlshell surveys and permitted a more precise delineation of the extent of local populations. That a sampling protocol designed to detect fish was also successful for detecting a freshwater mussel suggests that rapidly accumulating collections of eDNA samples can be repurposed to enhance the efficiency and cost‐effectiveness of aquatic biodiversity monitoring.     

基于环境DNA-宏条形码技术的底栖动物监测及水质评价研究进展

底栖动物是淡水生态系统中物种多样性最高的类群,也是应用最广泛的水质监测指示生物之一。传统的底栖动物监测以形态学为基础,耗时费力,无法满足流域尺度大规模监测的需求。环境DNA-宏条形码技术是一种新兴的生物监测方法,其与传统方法相比优势在于采样方法简单、低成本、高灵敏度,不受生物样本和环境状况的影响,不依赖分类专家和鉴定资料,能够快速准确地对多个类群进行大规模、高通量的物种鉴定。然而,在实际应用中该方法的效果受诸多因素的影响,不同的方法、流程往往会产生差异较大的结果。鉴于此,着重分析总结了应用环境DNA-宏条形码技术监测底栖动物的关键影响因素,包括样品采集与处理流程、分子标记选择、引物设计、PCR偏好性、参考数据库的完整性及相应的优化。并基于此探讨了提高环境DNA-宏条形码技术在底栖动物监测效率和准确率的途径,以期为底栖动物环境DNA-宏条形码监测方案的制定提供可靠的参考。最后对该技术在底栖动物监测和水质评价中的最新发展方向进行了展望。     

基于Budyko假设的潮河流域气候和植被变化对实际蒸散发的影响研究

由于参数较少且具有明确的物理学意义,基于水热平衡理论的Budyko假设常用于定量分析以及评价气候变化和植被变化对实际蒸散发的影响,对研究流域水量平衡和能量分配具有重要意义。依据位于我国北方密云水库上游的潮河流域1961—2015年的水文气象数据,选取了4种基于Budyko假设的模型来研究潮河流域水热耦合平衡关系,确定了该流域最适用模型以及模型参数最优值,并且采用情景设置法分析了流域实际蒸散发对气候以及植被变化的响应。结果表明:(1)与经典Budyko模型相比,采用流域下垫面参数修正的Budyko模型计算实际蒸散发的精度更高。其中,傅抱璞模型精度最高,决定系数、相对误差、纳什效率系数和均方根误差分别为0.85、4.30%、0.82和27.66 mm;(2)对傅抱璞模型下垫面参数ω进行优化,确定适用于潮河流域的模型参数取值为2.54,优化后的傅抱璞模型能够更好地反映流域实际蒸散发的变化特征;(3)情景模拟表明,气候变化和植被变化的共同作用导致潮河流域实际蒸散发的上升。其中,气候变化是引起流域蒸散发变化的主要驱动因素。