烏梁素海浮游植物群落優勢物種種間聯結研究

許冬雪，李 興,*，王曉麗，勾芒芒

(1.內蒙古師范大學化學與環境科學學院，內蒙古節水農業工程研究中心，內蒙古呼和浩特010022；2.內蒙古自治區環境化學重點實驗室，內蒙古呼和浩特010022；3.內蒙古機電職業技術學院水利與土木建筑工程系，內蒙古呼和浩特010070)

種間聯結是指不同物種在空間分布上的相互關聯性，可以用來描述環境差異造成的物種之間分布的相互關系[1]。從涉及物種的關系來分，物種聯結可分為總體聯結和種對間聯結；從物種聯結的種類來分，物種聯結可以分為正聯結、負聯結和無關聯[2]。種間聯結包括5種關系：物種A的存在依賴于物種B 的存在；雖然物種A 對物種B 存在依賴關系，但物種C 可以代替物種B；物種A 與物種B 的存在沒有關系；物種B 的存在減少物種A的存在機會；物種B 的存在使物種A 不能存在[3]。研究物種間的聯結性對于了解物種間的相互作用、分布特征和演替規律，對保護生物多樣性和修復生態環境[4]具有重要意義。

研究種間聯結的方法包括方差比率法、卡方檢驗、種間聯結系數(AC)、Dice 指數、Ochiai 系數、Jaccard 指數、Pearson相關分析和Spearman分析方法等[5-9]。近年來，國內學者采用這些方法在種間聯結方面取得了很多研究成果。對滇中地區云南楊梅(Myrica nana)灌叢木本植物的種間聯結特征的研究表明，主要物種總體聯結性顯著正關聯，群落結構趨于穩定，群落種對間聯結較弱，各物種間呈獨立分布格局[10]。對浙江省南部近海主要蝦類種間的關系研究表明，主要蝦類總體顯著正關聯，種間聯結性趨于正相關[11]。對草本藥用植物與海拔分布關系的分析結果表明，種間具有顯著正聯結性[12]。

已經開展的研究集中在草本植物、木本植物、魚類和蝦等，缺乏對浮游植物種間關系的研究。因此，本研究以烏梁素海浮游植物優勢物種為研究對象，采用方差比率法、χ2檢驗、共同出現百分率(PC)和種間聯結系數(AC)，探究浮游植物優勢物種的種間關系，為烏梁素海浮游植物的管理提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區

烏梁素海(40°36′N至41°3′N，108°43′E至108°57′E)位于河套平原東端烏拉特前旗境內，湖區呈現南北長(35～40 km)、東西窄(5～10 km)的特點[13]。烏梁素海水域面積為285.38 km2，其中生長蘆葦的面積占比為41.69%，明水面積所占比例為38.94%[14]。每年的11 月至翌年3 月末4 月初為烏梁素海的冰封期。農田退水、工業廢水和生活污水是烏梁素海主要的補給來源[15]。烏梁素海屬于草-藻型湖泊，具有調節水量、凈化水質、減緩水體富營養化進程、防止河套灌區土壤鹽堿化等多種生態功能[16]。

1.2 采樣點布設、樣品采集及處理

根據烏梁素海污染源分布、水文及環境特征，設置了12 個采樣點(圖1)。2018 年和2019 年，選擇1 月20 日作為冬季采樣日，4 月16 日和5 月16日作為春季采樣日，6 月18 日、7 月17 日和8 月16日作為夏季采樣日，9 月19 日、10 月18 日和11 月13日作為秋季采樣日，在每個采樣日，采集樣品。

圖1 烏梁素海浮游植物采樣點分布圖Fig.1 Distribution of sampling sites of phytoplankton in Ulansuhai Lake

采集浮游植物定性樣品時，利用25 號浮游生物網，在水體表面下0.5 m處，以“∞”形緩慢拖網，撈取浮游植物，然后將其濃縮，倒入100 mL 標本瓶，加入甲醛固定，帶回實驗室，用于浮游植物種類鑒定。

采集浮游植物定量樣品分為冰封期采樣和非冰封期采樣。在冰封期，利用冰鉆采集器破冰。在采樣現場根據冰層的實際情況，將冰層按照每層10 cm 的厚度分為3～5 層(不同采樣點的冰層厚度存在差異)，將分層取的冰樣置于2 000 mL的塑料瓶內，做好標記帶回實驗室，使其在室溫條件下自然融化后進行浮游植物鑒定和計數。浮游植物鑒定前，按照非冰封期采樣方式處理。破冰后，用采樣器同步采集1 000 mL 冰下水體，進行水質測試和浮游植物鑒定、計數。在非冰封期，首先用采樣器在水面以下0.5 m 處，采集水樣1 000 mL，現場加入魯哥氏液固定，然后帶回實驗室靜置；再經過虹吸和靜置，最終保留30 mL樣品；將樣品搖勻后，取0.1 mL樣品置于0.1 mL計數框內，在400倍顯微鏡下，鑒定浮游植物種類并計數。

1.3 數據處理

采用Mcnaughton 優勢度指數，計算浮游植物優勢度，其計算公式為：

公式(1)中，Y為浮游植物優勢度；ni為樣品中第i種浮游植物數量；N為樣品中所有浮游植物數量；fi為第i種浮游植物在各站位出現的頻率。將優勢度Y≥0.02且出現頻率≥0.333的浮游植物定為優勢物種。在本研究中，當浮游植物出現頻率＜0.333時，說明浮游植物僅出現在1 個采樣點、2 個采樣點或3個采樣點，浮游植物優勢物種僅在當月占優勢，并不在季節占優勢。

以種間關聯指數(VR)，來度量物種總體關聯性，計算方法詳見文獻[9]。借助假設檢驗來考核物種總體關聯性，如果VR等于1，則浮游植物種間總體無關聯；如果VR大于1，則浮游植物種間總體呈正關聯；如果VR小于1，則浮游植物種間總體呈負關聯。

通過浮游植物優勢種群的統計量(W)，檢測種間關聯指數VR是否顯著偏離1，W=VR×N。如果烏梁素海浮游植物優勢物種總體無關聯，則W落入[χ20.95(df)，χ20.05(df)]區間的概率為90%。

采用χ2統計量，檢驗浮游植物種間聯結性是否顯著[17]，其計算公式為：

采用共同出現百分率(PC)，評價物種間的正聯結程度[17]，其計算公式為：

采用種間聯結系數(AC)，進一步檢驗χ2結果，其計算公式為：

公式(2)～(6)中，n為調查期間布設采樣點數量；a為兩物種都出現的采樣點數量；b、c分別為僅有一個物種出現的采樣點數量；d為兩物種都未出現的采樣點數量。當ad大于bc時，兩物種種間聯結性為正聯結；當ad小于bc時?兩物種種間聯結性為負聯結。當χ2＜3.841 時，表明兩物種種間無聯結性；當3.841≤χ2≤6.635 時，兩物種種間聯結性顯著；當χ2＞6.635 時，兩物種種間聯結性極顯著[18]。當共同出現百分率(PC)值為0時，說明在同一采樣點兩物種不同時出現，它們形成的種對沒有關聯；當PC值為1時，說明在每一個采樣點兩物種都同時出現，它們形成的種對關聯程度最強[19]。當種間聯結系數(AC)值等于0時，兩物種的種間完全獨立；當AC值大于0，且1與AC值的差越小時，兩物種種間正聯結性越強；當AC值小于0，且-1 與AC值的差越大時，兩物種的種間負聯結性越強[20]。

當某物種在采樣點的相對頻度為1時，它與其他物種形成的種對中b、d值都為0，導致χ2檢驗、種間聯結系數(AC)公式的分母為0，公式沒有意義，影響種對間聯結性的測定。為了減輕這種影響，當某物種在采樣點的相對頻度為1時，把χ2檢驗、種間聯結系數(AC)公式中的b、d值加權為1[21-22]。

1.4 其他數據分析

利用Excel 2007 軟件，計算浮游植物優勢度和優勢物種總體關聯性。利用R 語言，計算浮游植物優勢物種種間χ2統計量、共同出現百分率(PC)和聯結系數(AC)，并繪圖。

2 結果與分析

2.1 浮游植物群落的物種組成和優勢物種

2018年和2019年，在烏梁素海共鑒定出浮游植物7門78屬185種(表1)。根據物種出現頻率大于33.33%且優勢度Y≥0.02，確定調查期間烏梁素海浮游植物優勢物種有5 門19 屬32 種(表2)。2018 年，浮游植物優勢物種有4 門16 屬25 種；2019 年，浮游植物優勢物種有5 門19 屬31 種。2018年和2019年的每個季節，尖針桿藻和四尾柵藻都為優勢物種，表明尖針桿藻和四尾柵藻的適應性相對最強，尖針桿藻的密度為0.89×106～22.27×106cells/L，四尾柵藻的密度為1.54×106～34.51×106cells/L。點形平裂藻、優美平裂藻、尾裸藻在春季、夏季和秋季為優勢物種，其密度分別為0.60×106～52.45×106cells/L、2.71×106～74.64×106cells/L、0.05×106～2.09×106cells/L。細小隱球藻在春季和夏季為優勢物種，2019 年春季細小隱球藻的密度(1.00×106cells/L)相對最小，2018 年春季的密度(12.86×106cells/L)相對最大。點形平裂藻、優美平裂藻、尾裸藻和細小隱球藻對環境具有較強的適應性。谷皮菱形藻僅在夏季為優勢物種，2018 年夏季谷皮菱形藻的密度為1.11×106cells/L，2019年夏季的密度為0.79×106cells/L。谷皮菱形藻對生境要求高，對烏梁素海水環境變化敏感，適應性較弱。

表1 烏梁素海中浮游植物名錄Table 1 List of phytoplankton in Ulansuhai Lake

表2 烏梁素海中浮游植物群落的優勢物種密度Table 2 Density of dominant species of phytoplankton communities in Ulansuhai Lake

2.2 浮游植物優勢物種的總體關聯規律

2018年和2019年各季節，烏梁素海浮游植物優勢物種的種間關聯指數VR值都大于1(表3)，因此，2018年和2019年浮游植物優勢物種種間總體上都正關聯。2018年春季、2019年春季和2019年夏季，浮游植物優勢種群的統計量W落入χ2臨界值范圍內，而其他季節的統計量W沒有落入χ2臨界值范圍內，2018 年春季、2019 年春季和2019 年夏季浮游植物優勢物種種間總體無顯著關聯，其他季節浮游植物優勢物種種間總體都顯著關聯。

表3 烏梁素海中浮游植物群落的優勢物種間關聯性的參數值Table 3 The values of correlations of dominant species of phytoplankton communities in Ulansuhai Lake

2.3 浮游植物優勢物種種間關聯規律

以χ2檢驗為基礎，進一步結合共同出現百分率(PC)和種間聯結系數(AC)，定量分析優勢物種的種間關聯性。圖中橫縱坐標軸為烏梁素海浮游植物優勢物種，方塊中不同符號代表不同范圍的χ2值、PC值和AC值。

2.3.1 種間聯結性χ2檢驗

將χ2檢驗結果分為5個層次[22-24]，依次為正聯結性顯著(3.841≤χ2≤6.635，0.01≤p≤0.05，ad＞bc)、正聯結性極顯著(χ2＞6.635，p＜0.01，ad＞bc)、負聯結性顯著(3.841≤χ2≤6.635，0.01≤p≤0.05，ad＜bc)、正聯結性不顯著(χ2＜3.841，p＞0.05，ad＞bc)和負聯結性不顯著(χ2＜3.841，p＞0.05，ad＜bc)。

2018 年，在25 種浮游植物優勢物種構成的260 個種對中，正聯結性種對共有160 對，占2018年物種總種對數的61.54%(圖2)。正聯結性顯著的種對有2對，分別為夏季的沼澤顫藻與谷皮菱形藻、沼澤顫藻與尾裸藻形成的種對，正聯結性極顯著的種對有3對，分別為夏季的梅尼小環藻與星芒小環藻、梅尼小環藻與小球藻、星芒小環藻與小球藻形成的種對。負聯結性種對共有100 對，占2018 年物種總種對數的38.46%。負聯結性顯著的種對有4對，分別為夏季的尖針桿藻與梅尼小環藻、尖針桿藻與星芒小環藻、尖針桿藻與小球藻、雙頭輻節藻與居氏腔球藻形成的種對。2018年聯結性不顯著的種對有251對，其中正聯結性不顯著的有155 對，負聯結性不顯著的有96 對。由此可見，2018年浮游植物優勢物種種對間聯結性較弱，在一定程度上獨立分布。

圖2 2018年和2019年浮游植物優勢物種種間卡方檢驗(χ2檢驗)半矩陣圖Fig.2 The semi-matrix of chi-square test(χ2 test)among dominant phytoplankton species in 2018 and 2019

2019 年，在31 種浮游植物優勢物種構成的516 個種對中，正聯結性種對共有319 對，占2019年物種總種對數的61.82%。正聯結性顯著的種對有6對，分別為春季的居氏腔球藻與細小隱球藻、居氏腔球藻與優美平裂藻、沼澤顫藻與鏈絲藻形成的種對，夏季的谷皮菱形藻與梅尼小環藻、谷皮菱形藻與雙頭輻節藻形成的種對，秋季的點形平裂藻與裂孔柵藻形成的種對。負聯結性種對共有197 對，占2019 年物種總種對數的38.18%。2019年僅有的負聯結性顯著種對為夏季的尖針桿藻與梅尼小環藻形成的種對。2019年聯結性不顯著的種對有509 對，其中正聯結性不顯著的有313 對，負聯結性不顯著的有196 對。由此可見，2019 年浮游植物優勢物種種對間聯結性較弱，在一定程度上獨立分布。

2.3.2 共同出現百分率

將浮游植物優勢物種共同出現百分率(PC)結果分為6 個層次[25]，依次為正聯結性無關(PC=0)、正聯結性最弱(0＜PC＜0.2)、正聯結性較弱(0.2≤PC＜0.4)、正聯結性一般(0.4≤PC＜0.6)、正聯結性較強(0.6≤PC＜0.8)和正聯結性最強(0.8≤PC≤1)。

2018 年浮游植物優勢物種中，正聯結性最強種對有27 對，正聯結性較強種對有53 對，正聯結性一般的種對有87對，正聯結性較弱的種對有58對，正聯結性最弱的種對有29對，種間聯結性無關的種對有6 對，它們分別占總種對數的10.39%、20.39%、33.46%、22.31%、11.15%和2.30%(圖3)。共同出現百分率小于0.6 的弱聯結種對有180 對，占總種對數的69.23%。由此可見，2018 年浮游植物優勢物種種間聯結性較弱，種間獨立性相對較強。

圖3 2018年和2019年浮游植物優勢物種種間共同出現百分率(PC)半矩陣圖Fig.3 The PC semi-matrix of cooccurrence percentages among dominant phytoplankton species in 2018 and 2019

2019 年浮游植物優勢物種中，正聯結性最強的種對有50 對，正聯結性較強的種對有70 對，正聯結性一般的種對有168對，正聯結性較弱的種對有162對，正聯結性最弱的種對有56對，種間聯結性無關的種對有10 對，它們分別占總種對數的9.69% 、13.57% 、32.56% 、31.39% 、10.85% 和1.94%。共同出現百分率小于0.6的弱聯結性種對有396對，占總種對數的76.74%。由此可見，2019年浮游植物優勢物種種間聯結性較弱，種間獨立性相對較強。

2.3.3 種間聯結系數

將種間聯結系數(AC)按照聯結性正負和強弱分為7 個層次[26]，依次為負聯結性較強(-1≤AC＜-0.6)、負聯結性較弱(-0.6≤AC＜-0.4)、負聯結性一般(-0.4≤AC＜-0.1)、聯結性無關(-0.1≤AC＜0.1)、正聯結性一般(0.1≤AC＜0.4)、正聯結性較弱(0.4≤AC＜0.6)和正聯結性較強(0.6≤AC≤1)。

2018 年，浮游植物優勢物種中呈現正聯結性的種對有119對，其中正聯結性較強的有39對，占總種對數的15.00%，正聯結性較弱的有28 對，占總種對數的10.77%，其他52 對的聯結性一般，占總種對數的20.00%(圖4)。2018 年浮游植物優勢物種中呈現負聯結性的種對有99 對，其中負聯結性較強的有48 對，占總種對數的18.46%，負聯結性較弱的有24對，占總種對數的9.23%，負聯結性一般的有27對，占總種對數的10.39%。種間趨向獨立的對數為42對，占總種對數的16.15%。種間聯結系數AC值在-0.6與0.6之間的弱聯結性種對有173 對，占總種對數的66.54%，由此可見，2018年浮游植物優勢物種種間聯結性較弱，種間獨立性相對較強。

圖4 2018年和2019年浮游植物優勢物種種間聯結系數(AC)半矩陣圖Fig.4 The AC semi-matrix of interspecific association coefficients for dominant phytoplankton species in 2018 and 2019

2019 年，浮游植物優勢物種中呈現正聯結性的種對有230對，其中正聯結性較強的有67對，占總種對數的12.98%，正聯結性較弱的有48 對，占總種對數的9.30%，其他115 對的聯結性一般，占總種對數的22.29%(圖4)。2019 年浮游植物優勢物種中呈現負聯結性的種對有193對，其中負聯結性較強的有75 對，占總種對數的14.53%，負聯結性較弱的有41對，占總種對數的7.95%，負聯結性一般的有77對，占總種對數的14.92%。種間趨向獨立的對數為93對，占總種對數的18.02%。種間聯結系數AC值在-0.6與0.6之間的弱聯結性種對有374 對，占總種對數的72.48%，由此可見，2019年浮游植物優勢物種種間聯結性較弱，種間獨立性相對較強。

3 討 論

由方差比率分析結果可知，2018年和2019年烏梁素海浮游植物優勢物種種間總體上正相關，2018年春季、2019年春季和2019年夏季浮游植物優勢物種種間總體關聯不顯著，其他季節浮游植物優勢物種種間總體關聯都顯著。這說明2018年春季、2019年春季和2019年夏季浮游植物優勢物種種間總體關聯接近，物種間彼此獨立，其他季節群落結構處于相對穩定階段[27-28]。由于各季節浮游植物群落結構不同，不同種類浮游植物的生物學特性不同，優勢物種總體聯結性不一定與優勢物種種對之間的聯結性一致[29]。

由χ2檢驗結果可知，2018年冬季、春季、夏季和秋季浮游植物優勢物種聯結性不顯著的種對在當季種對所占比例分別為100.00%、100.00%、93.38%和100.00%，2019年冬季、春季、夏季和秋季浮游植物優勢物種聯結性不顯著的種對在當季種對所占比例分別為100.00%、98.25%、98.25%和99.35%。各季節聯結性不顯著的種對占比都較大，這是因為各優勢物種生活習性和生態特征都不同，導致物種間的相互作用弱。2018年和2019年未發現負聯結性極顯著的種對，這與對包頭南海湖浮游植物優勢物種種間聯結的研究結果一致[23]。說明烏梁素海浮游植物種間競爭比較溫和。群落物種越復雜，兩物種同時出現的概率就越低，導致部分物種間聯結性較弱，不可能出現極顯著負聯結[25]。

χ2檢驗僅能定性描述物種聯結的顯著性，不能定量描述物種聯結強度，并且物種聯結不顯著并不代表物種間沒有聯結性，因此可以采用共同出現百分率、種間聯結系數進一步驗證[30-31]。根據共同出現百分率結果可知，2018 年冬季、春季、夏季和秋季浮游植物優勢物種正聯結性較弱(PC＜0.6)的種對在當季種對所占比例分別為90.00%、75.00%、75.00%和53.85%，2019年浮游植物優勢物種正聯結性較弱(PC＜0.6)的種對在當季種對所占比例分別為95.24%、83.63%、74.85%和68.63%。冬季浮游植物優勢物種正聯結性較弱(PC＜0.6)的種對在當季種對所占比例最大，其次是春季、夏季和秋季。冬季受氣溫限制，浮游植物種類和數量比較少，相互作用比較強的兩種浮游植物可能僅有一種存在。春季、夏季和秋季氣溫較高，水體中營養鹽含量豐富，浮游植物種類和數量較多，群落結構更復雜，種間相互作用強的種對比例提升。

種間聯結系數彌補了χ2檢驗和共同出現百分率的不足，不僅可以定性描述物種聯結的顯著性，還可以定量描述物種聯結的強弱和正負關系。2018年冬季、春季、夏季和秋季浮游植物優勢物種聯結性較弱(-0.6≤AC＜0.6)的種對在當季種對所占比例分別為80.00%、88.89%、55.15%和74.36%，2019年浮游植物優勢物種聯結性較弱(-0.6≤AC＜0.6)的種對在當季種對所占比例分別為57.14%、79.53%、63.74%和76.47%。該結果與共同出現百分率的分析結果有差異，原因是種間聯結系數和共同出現百分率對強弱的等級劃分標準不同[32]。

兩個物種間關系表現為正聯結說明它們的生物學特性相近，對生境有相似的要求；兩個物種間關系表現為負聯結說明它們具有不同的生物學特性，對生境的要求不同[33]。兩個物種間關系表現為強聯結，說明它們的關系緊密，種對間依賴性強，當受到外界干擾后，群落容易發生波動。兩個物種間關系表現為弱聯結，說明它們的關系松散，種對間獨立性強，當受到外界干擾后，群落相對穩定[34]。

4 結 論

2018年和2019年調查期間，烏梁素海共鑒定出浮游植物7門78屬185種，其中優勢物種5門19屬32種。

2018年和2019年調查期間，烏梁素海浮游植物優勢物種種間總體上都正關聯，2018 年春季、2019 年春季和2019 年夏季浮游植物優勢物種種間總體無顯著關聯，其他季節浮游植物優勢物種種間總體都顯著關聯。烏梁素海浮游植物優勢物種種對之間的聯結性較弱，相對獨立性較強，表明烏梁素海浮游植物群落結構較穩定。