怒江真核浮游生物的海拔分布格局及其环境影响因素_黄杰.pdf

收稿日期：；修回日期：基金项目：云南省重点研发计划项目（）；华能集团总部科技项目（）作者简介：黄 杰（），男，安徽蚌埠人，工程师，博士，主要从事水生态监测工作。：通信作者：胡愈炘（），男，湖北黄冈人，工程师，博士，主要从事分子生态研究。：，（）：怒江真核浮游生物的海拔分布格局及其环境影响因素黄 杰，邓 玥，李天翠，胡明明，刘 威，王雨春，王英才，胡愈炘（生态环境部长江流域生态环境监督管理局 生态环境监测与科学研究中心，武汉；云南启迪实业发展有限公司，昆明；中国水利水电科学研究院 水生态环境研究所，北京）摘 要：为研究怒江真核浮游生物群落的多样性，于 年 月在怒江干流约 的区域布设了 个样点进行样品采集，基于 分子标记进行宏条形码分析，探究了真核浮游生物群落的空间分布差异及其对环境因子的响应。测序共得到 个操作分类单元（），涵盖了真核浮游生物群落共 门 属。多样性显示怒江的真核浮游生物群落能够随海拔梯度的变化明显分为高海拔（以上）、中海拔（）和低海拔（以下）个分组，组间差异大于组内差异。不同海拔真核浮游生物的 多样性显示，表征物种丰富度的 指数、表征群落均匀度的 指数、表征群落整体多样性的 指数和 指数均随着海拔的升高呈降低趋势，说明海拔的升高会影响真核浮游生物的多样性。在不同海拔的群落组成差异上，纤毛虫门和绿藻门的物种相对丰度随着海拔的降低而升高，主要富集于低海拔区域；硅藻门物种是相对丰度最高的物种，主要富集于中海拔区域；节肢动物门的物种相对丰度随着海拔的降低而降低，主要富集于高海拔区域。环境影响因素上，怒江 值和电导率随纬度的降低而降低，水温、溶解氧、流速和浊度随纬度的降低而升高，海拔、水温和流速是显著影响怒江真核浮游生物群落分布的环境因子。关键词：真核浮游生物；海拔梯度；环境因子；怒江中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；，；，）：，（），（），（），（），第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报 年 月 ，；，；，（），（）（），：；研究背景怒江发源于青海省唐古拉山南麓，经西藏于贡山县青拉桶流入怒江州境内，在高黎贡山和怒山的夹持下流向南方，流域平均宽度约 ，面积约万，干流河段全长约 。怒江流域复杂的气候和地理地貌特征造就了其丰富的生物资源，是我国生物多样性保护的重要区域，也是全球性的保护优先区和热点区。怒江上中下游海拔差异较大，多样的环境孕育了多样的微生物群落，为研究真核浮游生物的海拔格局提供了理想的材料。真核浮游生物指的是水体中营浮游生活的一类微小的真核生物，主要包括浮游植物和浮游动物等，它们是能量流动和物质循环的重要环节，其多样性和群落特征能够用于反映生态环境的优劣。目前怒江的水生态研究主要集中在水质、鱼类和底栖动物等，对于真核浮游生物的研究相对较少。我国西南部浮游生物沿海拔梯度变化的相关研究则主要集中于易贡藏布江、拉萨河和雅鲁藏布江等，对于怒江浮游生物沿海拔梯度变化的演替研究也相对较少。本研究采用基于 基因的宏条形码技术研究怒江的真核浮游生物群落结构变化和多样性，该技术能够深入挖掘真核浮游生物的多样性，以充分研究不同海拔梯度下真核浮游生物群落结构的演替及其与环境因子的相关性，以期为怒江生态环境保护提供参考资料。材料方法 研究区域与样品采集 年 月在怒江进行样品采集，本次采样共布设了 个样点，涵盖了怒江自源区至下游干流约 的范围，样点布设如图 所示。N 2N 4 N 1N 3N 7N 8N 9N 1 0N 1 9N 2 0N 5N 6N 1 1N 1 3N 1 2N 1 4N 1 5N 1 6N 1 7N 1 8N 2 1N 2 2N 2 3N 2 4N 2 5N 2 6N 2 7N 2 8N 2 9N 3 0N 3 1N 3 2N 3 3N 3 4N 3 50 1 0 0 2 0 0 3 0 0 k m3 5N3 0N2 5N2 0N8 0E 9 0E 1 0 0EN图 怒江监测点位分布 对于环境 样品，使用高压灭菌处理后的采水器采集 表层水样，使用 孔径的聚碳酸酯滤膜（）真空抽滤水样，每次抽滤前使用次氯酸钠对抽滤装置进行浸泡消毒，洗净后进行抽滤。抽滤后将滤膜装于液氮中运输至实验室，使用 提取试剂盒（）提取滤膜上的，在液氮中保存提取后的 样品。对于水质样品，利用 多参数水质测量仪（）现场测量每个样点的水温（）、值、溶解氧（）、电导率（）等水质指标，浊度（）的测定参照水质 浊度的测定 浊度计法（），使用流速仪（）测定流速（），水体环境因子的测定主要参照地表水环境质量标准（），其中总氮（）的测 长江科学院院报 年 定使用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，总磷（）的测定使用钼酸铵分光光度法，碱度（）的测定使用滴定法，正磷酸盐（）的测定使用钼酸盐比色法，硝酸盐氮（）的测定使用紫外分光光度法，二氧化硅（）的测定使用硅钼黄分光广度法。高通量测序及生物信息学分析使用 分子标记对 样品进行目的片段的扩增，采用引物 和 进行 区的扩增。聚合酶链式反应（，）采用 的反应体系，包括 的，的 、正向和反向引物各、的 ，的，的 模板，然后使用 补足至 。反应条件为：预变性 ；变性、退火、延伸（个循环）；最后 延伸。每个样品进行 次 技术重复，整个采样处理过程以无菌水作为阴性对照，阴性对照无可见扩增，将 份产物混合后用 琼脂糖凝胶电泳检测，使用 凝胶回收试剂盒（）切胶回收 产物，洗脱，再用 琼脂糖电泳检测。使用 建库试剂盒（）进行文库的构建，库检合格后使用 平台（）进行上机测序。测序后得到下机数据使用（）进行质量控制，使用 软件去除接头序列，然后使用 软件进行双端序列的拼接，基于 软件在 的相似水平下进行操作分类单元（，）的聚类同时生成 表，再通过朴素贝叶斯分类器将 序列比对至 数据库（）进行 的注释。典范对应分析（，）以及、多样性分析使用 语言中的 包计算。结果与讨论 真核浮游生物群落的 多样性本研究使用 高通量测序平台测序了 个样品，每个样品测序得到原始序列数目为 条，平均为 条；各样品原始序列的平均长度在，总体平均序列长为。在经过聚类和注释后，基于 的相似度一共获取了 个，涵盖了 门 属。在 水平上对浮游生物群落进行 多样性分析，主坐标分析（，）结果如图 所示。N 1 4.0N 3 5N 1 2N 6N 1 1N 1N 1 7N 4N 5N 2N 8N 9N 7N 1 0N 1 3N 1 8N 3N 1 9N 2 2N 2 5N 2 4N 1 6N 2 7N 2 1N 2 0N 2 3N 2 8N 2 6N 2 9N 3 0N 1 5N 3 1N 3 2N 3 3N 3 4高海拔中海拔低海拔1 8 S 真核生物P C o AP C 2(9%)0.50.40.30.20.10-0.1-0.2-0.3-0.4-0.2 50.2 50.5 0P C 1(1 4%)-0.5 0图 各样点的 多样性分析 图 中（以及）、（不含）和 各断面群落分组内的组成较为类似。为进一步判断其差异，使用（）分析检查 个分组群落组成差异的程度，结果显示统计检验 值为，个分组的群落组成差异显著。其中（以及）所有断面的海拔均位于 以上（高海拔区域），（不含）所有断面的海拔均在 范围内（中海拔区域），各断面海拔均在 以下（低海拔区域）。综上所述，多样性分析较好地对不同海拔的断面进行了区分，后续依照该分组为基础，对不同海拔区域的浮游生物群落进行分析。不同海拔下真核浮游生物群落的多样性为探究怒江真核浮游生物群落在高、中、低海拔上的多样性差异，对其进行 多样性分析。指数和 指数能够考虑生物群落整体的多样性，指数能够反映群落中的丰富度，均匀度指数能够反映群落组成的均匀程度，不同海拔下各指数的线性回归结果如图 所示。指数在考虑整体多样性的同时，对物种丰富度更敏感；指数则是直接表征物种丰富度的指数；二者均显示随着海拔的升高整体多样性、物种丰富度均呈降低趋势。指数在考虑整体多样性的同时，对物种均匀度更为敏感；均匀度指数则是直接表征物种均匀度度的指 第 期黄 杰 等 怒江真核浮游生物的海拔分布格局及其环境影响因素图 怒江真核浮游生物群落不同海拔下的 多样性 数；二者均显示随着海拔的升高整体多样性、物种均匀度也呈降低趋势。综上所述，怒江真核浮游生物群落整体多样性、均匀度和丰富度随着海拔梯度的升高呈降低趋势，其主要原因可能在于海拔的改变带来各类环境条件的改变，例如气候、地形地貌、人类活动和其他因子会随着海拔的改变发生显著变化，从而使得水生群落在不同海拔条件下具有显著的差异。图 怒江真核浮游生物群落的空间分布 怒江真核浮游生物群落的空间分布差异为探究真核浮游生物群落在怒江各区域的空间分布差异情况，在门的分类学水平上展示了各类群在各海拔梯度下的相对丰度情况，结果如图（）所示；属水平的群落组成通过热图展示，如图（）所示。硅藻门主要富集于中海拔区域，该类群是真核浮游生物在所有海拔梯度下相对丰度最高，这与硅藻适宜于生长在河流中密切相关。江源等研究表明硅藻是温带大型河流中的常见类群，也是我国多数河流的主要优势藻类。其中桥弯藻（）主要富集于高海拔区域，星杆藻（）主要富集于中海拔区域，异极藻（）、肘杆藻（）和舟行藻（）等则主要富集于低海拔区域。纤毛门和绿藻门类群的丰度随着海拔的降低逐渐升高，它们主要富集于低海拔区域，可能与低海拔区域相对较高的温度有关，例如绿藻比例会随着河流纵向梯度逐渐升高，较高的海拔和寒冷的气温会导致纤毛虫数量较少；节肢动物门的相对丰度随着海拔的降低而降低，主要富集于高海拔区域，在属水平上可以发现主要是由中镖水蚤（）所引起，该类群主要分布于寒冷气候或高海拔地区。同时发现水树藻（）是中低海拔区域相对丰度最高的物种，这与怒江的湍流、相对较低的水温和充足的光照密切相关。怒江真核浮游生物群落对环境的响应分别分析不同海拔梯度下各环境因子的差异，结果如图 所示。根据本研究对各断面的划分进行海拔的统计检验，结果发现高海拔区域、中海拔区域和低海拔区域在海拔上差异显著。随着海拔的降低，值和 呈降低趋势，其中 值在高低海拔区域差异显著。、和 随纬度的降低而升高，且不同海拔梯度下多为差异显著。表征营养状态的、和 等则没有明显的海拔变化趋势。为探究怒江真核浮游生物群落对环境的响应，使用 研究真核浮游生物群落组成与各环境因子的关系，结果如图 所示。首先根据方差膨胀系数衡量环境因子中的多重共线性，筛选后使用的环 长江科学院院报 年*.*高海拔中海拔低海拔高海拔中海拔低海拔高海拔中海拔低海拔高海拔中海拔低海拔050080055 0 0 04 0 0 03 0 0 02 0 0 01 0 0 0/m(a)8.48.17.8p H(b)p HN S.N S.5 0 04 0 03 0 02 0 01 0 0S P C/(m Sm-1)N S.N S.(c)S P C1 51 0S i O2/(m gL-1)(d)S i O2N S.N S.N S.0.0 7 50.0 5 00.0 2 5T P/(m gL-1)N S.N S.N S.N S.N S.N S.N S.N S.N S.N S.N S.N S.N S.N S.N S.(e)T P0.0 0 40.0 0 30.0 0 20.0 0 1P O4-P/(m gL-1)1.61.20.80.4(f)P O4-PT N/(m gL-1)(g)T N1.0 00.7 50.5 00.2 5N O3-N/(m gL-1)(h)N O3-N1 51 0T/C(i)T1 41 21 0D O/(m gL-1)(j)D O1.51.00.5F V/(m s-1)(k)F V3 02 01 0T u r b/N T U(l)T u r b高海拔中海拔低海拔高海拔中海拔低海拔高海拔中海拔低海拔高海拔中海拔低海拔高海拔中海拔低海拔高海拔中海拔低海拔高海拔中海拔低海拔高海拔中海拔低海拔注：表示差异显著。图 怒江不同海拔水体环境因子差异 N 1N 2N 5N 6N 7N 8N 9N 1 0N 1 1N 1 2N 1 3N 1 6N 1 7N 1 8N 1 9N 2 0N 2 1N 2 2N 2 4N 2 5N 2 6N 2 7N 2 8N 2 9N 3 0N 3 1N 3 2N 3 3N 3 4N 3 5A l t i t u d eD OAAG o m p h o n e l l aC y m b e l l aS i O2-1.0-0.500.51.01.5C C A 1-1.0-0.500.51.0-2.0-1.5C C A 11.0-1.0-0.500.5-1.5C C A 21.0-1.0-0.50.5C C A 20S i O2F VT e m pT u r bT PN 3N 1 5P O4-Pp HS P CN 1 4N 4T NN O3-NN 2 3T u r bF VD OH y d r u r u sT e m pN O3-Np HT NS P CA s t e r i o n e l l aT PP O4-P(a)(b)(5%)图 怒江环境因子的典范对应分析 境因子包括：值、海拔、和。基于置换检验对所有约束轴进行检验，所有约束轴的全模型置换检验，说明 结果可信。无论是断面的群落组成还是浮游生物群落的分布，海拔、和 均是显著影响真核浮游生物的重要环境因子，不同的真核浮游生物具有各自适宜的水温和水文状况，海拔则会通过影响水文水质进而对浮游生物造成影响。例如 等的研究表明，随着温度的升高浮游植物的平均生物量呈增长趋势、多样性呈降低趋势，优势种类的组成也会随着水温的升高而改变；类似的，等的研究 第 期黄 杰 等 怒江真核浮游生物的海拔分布格局及其环境影响因素表明海拔降低带来的水温升高会有助于藻类的生长繁殖；梁培瑜等的研究则表明，流速不仅会影响浮游植物的生长聚集和分布，也会通过影响营养物质的分布从而间接对浮游生物造成影响。显著影响断面群落组成的环境因子还有、和 值。不仅通过影响水体中营养盐的分布与转化从而影响浮游植物生长的水质环境，而且会通过影响水体的透明度改变浮游植物的生存环境，减少了浮游植物的光合作用时间；是浮游生物生长的必要条件，其含量的高低能够显著浮游生物生存生长；值则会通过影响营养元素在水体中的形态、比例和转化，进而对浮游生物群落组成产生影响。显著影响类群分布的环境因子还有，特别是硅藻中的桥弯藻（）的分布受 的影响（图），主要原因可能在于硅藻细胞外覆硅质细胞壁的主要成分为。高海拔区域不仅具有较高的 含量（图），而且富集了相对丰度较高的桥弯藻（图），侧面证明了二者联系密切。结 论本文在怒江进行了真核浮游生物群落的调查，以 基因的宏条形码技术为手段，从空间差异、环境响应和群落组成等方面进行了分析，得到以下结论：（）怒江真核浮游生物群落可以沿海拔梯度分为高海拔（以上）、中海拔（）和低海拔（以下）个类型，不同海拔真核浮游生物群落的组成差异显著。（）海拔升高造成了水文、水质和地貌等方面的改变，使得真核浮游生物群落的多样性呈降低趋势。（）怒江高海拔区域主要富集了节肢动物门的类群，中海拔区域主要富集了硅藻门的类群，低海拔区域主要富集的是纤毛门和绿藻门的类群。（）对于整个怒江而言，海拔、水温和流速是所有环境因子中对真核浮游生物群落有重要影响的环境因子。参考文献：丹 勇，赵萍，胡子龙，等 水库建设对河流沉积物磷形态分布的影响：以澜沧江、怒江为例 三峡大学学报（自然科学版），（）：符建荣，孙治宇，刘少英，等 怒江水电开发的生态影响与保护对策 四川林业科技，（）：周建国，李新旺，胡金明，等 怒江流域云南段生物多样性保护地人为干扰分析 热带地理，（）：褚一凡，赵闪闪，李杲光，等 陈桥东湖浮游生物群落结构特征及水质评价 长江科学院院报，（）：朱晓声，郭小娟，王耀耀，等 梯级水库建设对怒江与澜沧江沉积物氮形态分布的影响 中国环境科学，（）：叶玉适，陈进，许继军，等 长江源和怒江源区水体氮磷化学计量特征初探 长江科学院院报，（）：，刘明典，马波，张驰，等 西藏河流裂腹鱼类分布格局及环境影响因素：以怒江和雅鲁藏布江为例生态环境学报，（）：李 钊，朱峰跃，刘明典，等怒江上游裸腹叶须鱼的年龄结构与生长特性淡水渔业，（）：王 起，刘明典，朱峰跃，等 怒江上游三种裂腹鱼类摄食及消化器官比较研究 动物学杂志，（）：李 斌，徐丹丹，刘绍平，等 怒江西藏段大型底栖动物群落结构及多样性研究 淡水渔业，（）：李 斌，岳兴建，耿相昌，等 怒江云南段大型底栖无脊椎动物群落结构与水质生物评价 四川动物，（）：李 斌，张耀光，王志坚 怒江（云南段）大型底栖动物纵向分布和季节性变化规律研究 西南师范大学学报（自然科学版），（）：李 斌，张耀光，岳兴建，等 怒江流域大型底栖动物资源状况 淡水渔业，（）：郝 盟，张家波，魏 秘，等 易贡藏布江春季浮游生物群落结构特征初步研究 水生态学杂志，（）：张军燕，高 志，沈红保，等 拉萨河春季浮游生物群落结构特征研究 淡水渔业，（）：，张建禄，边 坤，许涛清，等 西藏帕隆藏布秋季浮游生物群落结构特征 基因组学与应用生物学，（）：马宝珊，杨学峰，谢从新，等 雅鲁藏布江谢通门江段浮游生物资源现状及其季节动态 水生态学杂志，（）：葛玉双，程起群环境 及其在水生生物多样性调查中的应用 渔业信息与战略，（）：胡愈炘，彭 玉，李瑞雯，等 基于环境 宏条形码的丹江口水库浮游生物多样性及群落特征 湖泊科学，（）：，（）：长江科学院院报 年 ，（）：，（）：，（）：，：许晴，张放，许中旗，等 指数和 指数若干特征的分析及“稀释效应”草业科学，（）：，（）：，：，（）：江 源，彭秋志，廖剑宇，等 浮游藻类与河流生境关系研究进展与展望 资源科学，（）：马宝珊，魏开金，徐 进，等 雅砻江下游及其主要支流安宁河着生藻类多样性与空间分布 中国水产科学，（）：普 布，袁文军 西藏双湖地区土壤纤毛虫群落特征高原科学研究，（）：李慧明 中国镖水蚤科（桡足类：哲水蚤目）种类多样性、系统发育及生物地理学研究 广州：暨南大学，（，）：，（）：，（）：梁培瑜，王 烜，马芳冰 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