环境DNA宏条形码监测湖泊真核浮游植物的精准性

环境DNA（eDNA）宏条形码（metabarcoding）技术是一种基于分子的生物多样性高效监测手段,近年来越来越多地被应用于生态环境中生物要素的监测和评估.开展eDNA宏条形码监测技术的标准化和规范化研究,是将其业务化推广应用的前提.本研究以高原湖泊滇池和抚仙湖的真核浮游藻类为研究对象,探究了基于18S-V9宏条形码测序深度对生物多样性监测的影响;通过分析平行样本间物种分类单元的交叉率及α多样性的变异率（coefficient of variation,CV）,评估了eDNA宏条形码监测真核浮游藻类结果的精确性.并采用eDNA宏条形码监测数据评估了滇池和抚仙湖北的真核藻类多样性.结果表明：①测序深度显著影响宏条形码技术检出物种的数目,适合滇池和抚仙湖北的eDNA真核藻类多样性分析的测序深度为≥30000条;②重复样品（n=3）间遗传分类单元（OTU）交叉率达到45.97%±1.67%,可注释分类单元（属）交叉率达到64.21%±3.25%,α多样性的变异率<10%.③基于现有DNA条码数据库,滇池和抚仙湖北分别鉴定出真核藻类75属和90属,覆盖本地历史记录形态学物种的62.5%和71.05%.④滇池不同水深的真核藻类多样性无明显差异,抚仙湖的真核藻类多样性具有显著垂直分布特征.和抚仙湖北部相比,滇池真核藻类多样性显著偏低,滇池南部的生物多样性明显高于中部和北部（P<0.05）.综上,本研究建立了eDNA宏条形码技术监测结果的精确性评价方法,验证了基于18S-V9引物监测真核浮游植物多样性的可行性,结果可促进eDNA宏条形码监测技术推广与应用.     

黑龙江省穆棱河流域鱼类物种多样性研究

2015年5月、7月及10月对穆棱河流域的鱼类种类和分布进行了野外调查,设置鱼类采样点28个.确定穆棱河水域共有鱼类46种,隶属于5目11科,其中鲤形目,有31种,占鱼类总种数的68.89%;其次是鲑形目,含有5种;鲶形目和鲈形目均含4种;而七鳃鳗目仅含一种.穆棱河流域的全年平均综合污染指数、鱼类物种多样性指数Shannon-Wiener、Pielou均匀度指数及Margalef丰富度指数分别为I=1.10、H'=1.97、J'=0.36、D=1.16.穆棱河水质全年整体呈现中污或重污.典范对应分析结果表明,三个季节影响鱼类物种的水环境因子各不相同,春季pH值、COD_Mn、DO、Fe³⁺、TN、ORP;夏季Fe³⁺、ORP、TN、pH值、TD;秋季WT、NO₂^--N、COND、NO₃^--N.     

环境DNA宏条形码技术在蓝藻群落监测中的应用

全球气候变化下的蓝藻水华大规模暴发成为重要的环境问题,对蓝藻准确、高效和实时的监测是蓝藻水华防控的关键.近年来,环境DNA（environmental DNA,eDNA）宏条形码技术开始应用于蓝藻群落监测,弥补了显微镜镜检法物种鉴定难和受主观经验影响大的缺点.eDNA宏条形码为快速和大规模蓝藻群落监测提供了可能,其应用尚处于初步探索阶段,数据处理方法尚不成熟,因此有必要从引物选择、序列聚类、注释方法和绝对定量4个层面系统综述eDNA宏条形码技术在蓝藻群落监测中的研究进展,以推进eDNA宏条形码在蓝藻群落监测中的应用.引物选择应针对目标蓝藻类群,16S rRNA基因数据库涵盖蓝藻物种范围广,是最常用的eDNA宏条形码,但16S-23S rRNA基因间隔区域（internal transcribed spacer,ITS）和功能基因在属内物种间具有较好的区分效果,为eDNA宏条形码在蓝藻物种水平注释提供可能.序列聚类一般通过设定物种间分类阈值进行OTUs聚类,但可能丢失序列相似度高于分类阈值的不同物种;序列差异低至单核苷酸变异方法的应用进一步区分了隐蔽的物种和生态型,产生的序列具有生物学意义,可以实现跨数据集间的比较分析.在注释方法上,基于数据库参考序列距离相似度的注释方法,注释结果的分辨率和准确度不高;基于系统进化位置的注释方法,提升了注释结果的准确度,反映了物种间的进化关系.加入外源DNA的内标法,以及基于细胞体积和基因拷贝数目关系的细胞体积校正系数法为eDNA宏条形码物种丰度的绝对定量提供了可能.      

长江中下游人工鱼礁最佳布设间距的CFD分析

受三峡蓄水影响,长江中下游水文生态系统发生明显变化,导致四大家鱼产卵适宜度下降以及像中华鲟这类生殖洄游性鱼类鱼卵孵化率降低。建设人工鱼礁是缓解长江渔业资源衰退、保护长江物种多样性、保持长江渔业可持续发展的一项重要措施。该文基于CFD方法,以长江中下游河道水流条件作为建模依据,研究了不同布设间距下透空正六面体型人工鱼礁周围水流的运动规律。在综合考虑鱼礁块体的生态功能性、经济合理性及施工难易程度的基础上,以鱼礁背流面的鱼类最大适应流速作为流速上限,提出以6 m作为长江中下游透空正六面体型人工鱼礁的最佳布设间距。     

东洞庭湖长江江豚及其与鱼类资源相关性

为掌握东洞庭湖长江江豚种群动态分布规律及其与鱼类资源的相关关系，2012年6月~2017年12月，对东洞庭湖进行了54次长江江豚种群调查和8次水声学鱼类资源空间分布调查.调查结果显示：（1）共发现长江江豚1110头次，分布在湘阴-洞庭大桥之间长约65km的区域内；（2）100% MCP）、95% MCP、75% MCP和50% MCP下，长江江豚栖息地面积依次为161.3、114.26、76.95和64.31km²，占保护区总面积百分比依次为24.18%、17.13%、11.54%和9.63%；（3）不同水位条件下，长江江豚观测群次和头次差异显著，枯水期可观测到群次和头次最高，分别为（13.92±4.64）群次/次和（31.92±7.17）头次/次，丰水期观测群次和头次最低，分别为（5.17±1.64）群次/次和（17.25±7.46）头次/次；（4）水声学调查结果显示，2013年3月东洞庭湖鱼类资源平均密度最高为57.21尾/1000m³，东洞庭湖鱼类密度与水位呈弱负相关关系，相关系数r=-0.601（P>0.05）；（5）GIS模型分析结果显示，东洞庭湖鱼类资源低水位时期（枯水期和退水期后期），集中分布于扁山至鲶鱼口区域，高水位时期，东洞庭湖鱼类资源分布较为分散；（6）方差分析结果显示，东洞庭湖低水位期鱼类资源水平密度分布不均，扁山至煤炭湾区域鱼类资源水平空间平均密度最高，与其它区域有显著性差异（P<0.05），高水位时期鱼类分布较为均匀，方差分析显示，除煤炭湾至鹿角区域与城陵矶至洞庭大桥区域和扁山至煤炭湾区域分别有显著差异之外（P<0.05），其他水域之间无显著性差异（P>0.05）；（7）Pearson相关性分析显示长江江豚头次与对应的鱼类密度呈显著正相关，R²=0.86，P<0.01，长江江豚可能具有随鱼群迁徙的行为特征.     

基于鱼类名录的30年来东江干流(惠州段)鱼类多样性变化

为评价东江干流(惠州段)鱼类多样性,并监测其水质变化状况,根据该河段鱼类的调查资料及历史数据,编制了鱼类名录,并计算了鱼类平均分类差异指数和G-F多样性测度指数.结果显示,东江干流(惠州段)共记录近30多年来鱼类11目,29科,77属,94种,鲤形目鱼类占绝对优势;从物种水平看,研究的4个时间段鱼类物种多样性由大到小排序为 、 、 和 ;从科属水平看,鱼类物种多样性由1981~1983向2005~2007减小,再向2007~2010增加,最后向2011~2012减小.其中,1981~1983的多样性最高,2011~2012的多样性最低.平均分类差异指数与G-F多样性测度指数均适宜于东江干流(惠州段)鱼类物种多样性研究.     

滇池李居山生态恢复区昆虫多样性调查与分析

对昆明呈贡李居山原磷矿生态恢复区进行了昆虫多样性调查,结果发现,不同生境和植被下的昆虫相不同.无植被的裸地样方昆虫类群最少,数量也最少,自然生长恢复的杂草植被样方昆虫多样性最为丰富.当年植草坡有昆虫4目10科15种,科数占恢复区科总数的31.3%,物种数仅为恢复区总种数的1/4.植草一年的草坡有昆虫10目31科54种,物种数占恢复区总种数的3/4,昆虫相组成与自然生长恢复的杂草山坡更为接近.     

太湖生物区系研究及与北美五大湖的比较

研究太湖水生生物区系特征,分析各类生物区系的变化及其原因,并与北美五大湖相应的水生生物区系进行了比较. 结果表明:太湖共有水生生物146科442种,其中鱼类25科107种,占24.2%; 底栖动物21科66种,占14.9%; 浮游动物37科103种,占23.3%; 浮游植物29科81种,占18.3%; 水生植物34科85种,占19.2%. 总体上太湖各类水生生物的种数和科数差别都不大,鱼类和浮游动物稍多. 北美五大湖各类水生生物的种数分别为鱼类134种、底栖动物165种、浮游动物132种以及浮游植物1 456种,除浮游植物种类较多外,其他3类水生生物的种数与太湖大致相当. 五大湖鱼类以鲑科和鲤科鱼类为主体,分别占鱼类总数的18.7%和20.1%,其中除伊利湖外其他4个湖都是鲑科占优势; 太湖鱼类以鲤科为主体,占鱼类总数的56.1%,这是太湖鱼类区系的主要特征,也是我国淡水鱼类的主要特征,所以鲤科是我国水质基准推导的优先选择物种. 太湖和五大湖中鱼类、底栖动物和浮游动物3类生物所占比例差别不大.      

长江鱼类的救赎

当长江水域物种灭绝的多米诺骨牌纷纷倒下的时候,作为其中一张牌的人类,也绝不会幸免!长江,是地球上最重要的淡水水生生物基因库,它对地球上生物多样性和生态系统的维护,对满足人类社会可持续发展的需求,具有举足轻重的作用。然而,在这条大河生存的鱼类正面临前所未有的危机。     

浑太河流域鱼类生物完整性指数构建与应用

为了解决在不同区域和不同河流类型间等大尺度范围内F-IBI(鱼类生物完整性指数)评价方法体系的建立问题,以浑河-太子河(下称浑太河)流域为研究区域,构建符合区域性特征的生物完整性评价体系并进行应用研究. 于2014年5月对浑太河流域32个采样点的鱼类进行采样调查,根据鱼类群落特征的空间差异和浑太河流域水生态分区,将采样点分为中上游和下游区域两种类型. 通过综合栖息地和水质的标准化方法确定参照点和受损点,依据候选指标分布范围检验、敏感性分析和相关性检验,筛选出浑太河流域中上游F-IBI核心指标包括总物种数、Shannon-Wiener多样性指数、鲤形目鱼类物种数百分比、雅罗鱼亚科个体数百分比、鳅科鱼类物种数百分比、鲈形目鱼类物种数百分比、杂食性鱼类物种数百分比、肉食性鱼类物种数百分比、敏感性鱼类个体数百分比等9个指标;下游筛选出F-IBI核心指标包括总物种数、Shannon-Wiener多样性指数、鮈亚科鱼类物种数百分比、鲈形目鱼类物种数百分比、虾虎鱼科鱼类物种数百分比、中上层鱼类物种数百分比、东北特有鱼类物种数百分比、无脊椎动物食性鱼类物种数百分比、耐受性鱼类个体数百分比等9个指标. 分别提出了浑太河流域中上游和下游的参数标准化公式和健康评价标准,依此将浑太河流域健康状态划分为极好、好、一般、差和极差5个健康等级. 评价结果表明,浑太河流域健康状况整体偏差,在32个采样点中,健康状况处于差和极差的采样点占采样点总数的37.5%,一般的采样点占21.88%,仅有6.25%的采样点处于极好状态. Pearson相关性分析结果显示,F-IBI分值与电导率、ρ(BOD₅)、ρ(COD_Cr)、ρ(NH₃-N)和ρ(TN)均呈显著负相关,而与栖息地综合指数呈显著正相关,表明F-IBI可有效评估浑太河流域的健康状况.      

不同采样设计对长江口海洋环境监测效果影响的评价

长江口作为我国生物多样性最丰富的河口,海洋环境变化对水生生物种群的分布和数量波动都会有重要影响。但在目前该水域的综合监测调查中,多数监测项目缺少采样优化设计的过程。为评价不同采样设计对长江口海洋环境监测结果的影响,本研究使用普通克里金法（ordinary Kriging,OK）对不同海洋环境要素的空间分布进行插值,在此基础上比较定点采样（stationary sampling,SS）、简单随机采样（simple random sampling,SRS）和分层随机采样（stratified random sampling,StRS）3种调查站点设计对长江口中华鲟自然保护区及周边水域的水温、盐度、溶解氧及化学需氧量（COD）等要素的采样效果,结果显示:（1）各环境要素插值结果与实际调查值相近,普通克里金插值能够较好地模拟研究区域的海洋环境状况;（2）3种采样设计的平均采样效果（design effect,DE）为分层随机采样>定点采样>简单随机采样;（3）分层随机采样对水温、盐度和溶解氧的采样效果最好,而对COD的采样效果差别较小。由于长江口水域盐度要素存在明显的空间分布差异,因此,建议在今后的监测设计中,优先采用分层随机采样的方法,以同时满足多数要素的监测需要。     

基于水经济价值的长江口环境流量探讨

适宜的环境流量对于维持河口生态系统稳定以及保障区域社会经济用水需求有着重要意义。论文以探讨水资源优化配置条件下长江口适宜环境流量为目的,基于水经济价值分析构建了长江中下游水资源优化配置模型,分析了区域缺水量以及环境流量约束的影子成本随长江口环境流量约束的变化。结果表明：当环境流量约束超过临界值后,区域缺水量不断增加,且环境流量约束产生非零影子成本;通过区域供水目标和环境流量约束的影子成本图确定长江口适宜环境流量的上限和下限,得到20%、50%、75%及95%水资源保证率下,长江口适宜环境流量分别为27.10×10⁹~29.65×10⁹、25.50×10⁹~27.12×10⁹、23.08×10⁹~24.62×10⁹及17.72×10⁹~19.65×10⁹ m³/月;该环境流量标准可以满足一定目标下长江口的生态需求。     

长江口浮游植物群落特征及其与环境的响应关系

根据2009年4月、8月、11月对长江口30个站位的调查,分析了浮游植物群落结构的时空变化及其与环境因子的响应特征. 共鉴定出浮游植物8门95属330种,主要优势种是硅藻和甲藻,其中中肋骨条藻占绝对优势. 浮游植物细胞丰度呈单周期季节性变化,夏季为高峰期,长江口近海区为高值区. 浮游植物群落多样性11月最高,主要分布在长江口过渡水域. 浮游植物群落可分为四大类群,各区域不同季节种类组成具有显著差异. CCA(典范对应分析)显示,浮游植物群落与环境因子密切相关,并且其响应机制存在季节性差异.硅藻细胞丰度4月与ρ(NO₃--N)、ρ(COD_Mn),8月与ρ(SiO₄4--Si)、ρ(NO₃--N)、ρ(PO₄3--P),11月与透明度呈显著正相关(P<0.01);11月与ρ(PO₄3--P)、ρ(SiO₄4--Si)呈显著负相关(P<0.01). 甲藻细胞丰度4月与ρ(NH₄+-N),8月与ρ(COD_Mn),11月与透明度、ρ(NO₃--N)呈显著正相关(P<0.05). 长江口环境因子的改变影响浮游植物群落结构的时空变化,各季节引起浮游植物群落结构变异的驱动因素存在差异.      

长江流域总磷污染:分布特征·来源解析·控制对策

针对长江流域总磷污染,开展总磷污染时空特征分析,选择长江流域总磷污染最严重的上游地区岷江和沱江为典型区,分析总磷来源,提出总磷污染控制对策.研究表明:2016年开始总磷成为长江流域主要污染因子,其中上游污染最重,中游污染最轻,总体呈降低趋势;长江流域枯/平水期总磷污染较重,丰水期污染较轻,说明流域主要污染负荷来自点源.总体来说,造成长江流域总磷较高的原因有:磷矿开采和磷化工的污染源高负荷排放,造成部分河段水质严重超标;基础设施建设滞后,城镇生活污染源排放影响河流水质;畜禽养殖废物资源化利用不足;生态流量不足,加剧水污染问题;水污染治理导向不全面和污染源监管措施不系统,影响总磷水质同步改善.针对长江流域总磷污染特征,按照"分区控制、分类治理""突出重点、精准施策"原则,提出长江流域总磷污染控制建议:①抓住长江流域上游重点片区,开展流域总磷污染整治. ②抓住磷化工、城镇生活和畜禽养殖等三类涉磷重点污染源的治理,控制磷污染负荷排放. ③抓住环境监管有效手段,进一步完善水环境标准和监管体系.      

长江上游特有鱼类受威胁及优先保护顺序的定量分析

根据本课题组1997～2002年野外渔获物调查数据并结合相关文献资料,运用濒危系数、遗传损失系数和物种价值系数对长江上游16种特有鱼类的优先保护顺序进行了定量分析.结果表明,达到一级急切保护的有达氏鲟(Acipenser dabryanus)、鲈鲤(Percocypris pingi)2种;达到二级急切保护的有宜宾鲴(Xenocypris fangi)、齐口裂腹鱼(Schizothorax prenanti)、四川白甲鱼(Onychostoma angustistomata)及云南鲴(Xenocypris yunnanensis)4种;达到三级急切保护的有岩原鲤(Procypris rabaudi)、厚颌鲂(Megalobrama pellegrini)、宽口光唇鱼(Acrossocheilus monticola)、黑尾近红鲌(Ancherythroculter nigrocauda)、华鲮(Sinilabeo rendahli)、短体副鳅(Paracobitis potanini)、圆口铜鱼(Coreius guichenoti)、长鳍吻鮈(Rhinogobio ventralis)及长薄鳅(Leptobotia elongata)9种;尚未达到急切保护,即处于四级保护的为异鳔鳅鮀(Gobiobotia boulengeri).     

长江中游近岸表层沉积物重金属污染特征分析及风险评估

为了探究长江中游近岸沉积物中重金属污染情况,2020年6月对长江中游14个采样断面的沉积物进行样品采集并测定沉积物中汞（Hg）、镉（Cd）、砷（As）、铜（Cu）、铅（Pb）、铬（Cr）和锌（Zn）等7种重金属元素的含量.首先分析了长江中游近岸表层沉积物重金属含量的空间分布特征,然后采用相关性分析方法（CA）、主成分分析法（PCA）和正定矩阵因子分解法（PMF）相结合的途径分析表层沉积物中重金属的来源,最后采用地累积指数法（I_geo）、潜在生态风险指数法（RI）和沉积物质量基准法（SQG）对重金属进行了风险评价.结果显示,Hg、Cd、As、Cu、Pb、Cr和Zn的平均含量分别为0.13、0.77、11.20、36.45、36.40、83.99和124.21 mg·kg^-1,其中Cd和Pb的平均含量超过背景值的1.72和1.35倍;PCA提取了前3个主成分（累积贡献率85.16%）,结合CA结果显示重金属Cd、As、Cu、Pb和Zn来源一致,Hg和Cr来源一致;PMF模型将7种重金属元素的污染源分成3个因子并得到因子的贡献率,并且工业和生活废水、煤炭燃烧、采矿业3个因子的综合贡献率为41.96%、32.48%和25.55%;地累积指数法（I_geo）评价结果显示,Cd是主要重金属污染物,处于轻度污染程度等级,Hg、As、Cu、Pb、Cr和Zn等6种重金属元素处于无污染等级;潜在生态风险指数法评价结果显示,Hg的最高风险等级为中等生态风险等级,位于城陵矶和新厂采样点,Cd的最高风险等级为强生态风险等级,位于牯牛沙水道和武汉上采样点,As、Cu、Pb、Cr和Zn在14个采样断面均属于低生态风险等级.综合潜在生态风险指数（RI）为62.59~138.59,其中处于低微和中度风险等级的采样点分别占总采样点的71.43%（10个采样点）和28.57%（4个采样点）,整体上长江中游干流污染不严重;沉积物质量基准法（SQG）评价结果显示,长江中游沉积物等级为Ⅰ级,定性评价为优,显示长江中游14个采样断面的沉积物对底栖生物没有毒性作用.综合以上结果,长江中游重金属污染不严重,Cd为重点防治的重金属元素.     

近40年来长江干流水质变化研究

为掌握长江水质状况及其变化趋势,开展1981—2019年长江干流水质变化特征研究.系统总结了39年间长江干流地表水环境监测情况,以COD_Mn、NH₃-N和TP为研究因子,探讨了长江干流水环境质量变化规律;同时,选取有连续监测结果的断面,分析了长江上游、中游和下游不同断面近40年来的水质变化特征.结果表明:①1981—2019年,我国水环境监测迅速发展,长江干流水环境质量监测在监测点位、监测频次、监测项目和水环境质量等方面都发生了较大变化.②长江干流地表水水质总体相对较好,上游水质好于中下游,上游水体中ρ(COD_Mn)、ρ(NH₃-N)和ρ(TP)均低于中下游.③1981—2005年各江段ρ(COD_Mn)和ρ(NH₃-N)年均值变化特征不同,在2006年之后大体呈逐渐降低的变化趋势.④2006年以来,长江干流水质呈好转态势,水体中ρ(COD_Mn)、ρ(NH₃-N)和ρ(TP)均呈逐年下降趋势.⑤近年来,长江干流断面中TP的污染程度高于COD_Mn和NH₃-N,应引起重视.研究显示,政府的相关管理措施对长江干流水质改善具有正面推动作用,极大改善了长江流域总体水质,也促进了长江干流水质的进一步好转.      

长江流域径流模拟及其对极端降雨的响应

研究流域径流量变化可为水资源科学调配、利用开发、水旱灾害防治、水环境污染整治和国民经济可持续发展等提供重要依据.但近年来受全球变暖影响,极端气候事件,尤其是极端降雨的发生频率和强度出现了变化,直接或间接影响径流量变化.运用SWAT模型模拟1965~2019年间长江流域径流时空变化规律,分析了不同极端降雨条件下径流对降雨的响应.结果表明,1965~2019年间长江流域径流变化并不显著,流域总径流和中下游径流均经历了"枯-丰-枯-丰"4个阶段.极端降雨情景模拟发现,50 a一遇极端降雨下,长江上、中和下游代表性子流域日均径流变化率分别为6200%、21%和15%,月均径流变化率为355%、5%和1.3%,年均变化率为78%、1%和0.24%.而100 a一遇极端降雨下,3个子流域日均径流变化率分别为8000%、25%和17%,月均径流变化率为437%、7%和1.5%,年均变化率为96%、1.2%和0.28%.研究结果可为流域水资源管理和利用及洪涝灾害预测与防控等提供理论依据.