湖泊科学   2019, Vol. 31 Issue (4): 1182-1190.  DOI: 10.18307/2019.0413.
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研究论文

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郑婷, 曹艳敏, 彭佳, 陈旭, 亚高山湿地摇蚊亚化石记录的近两百年来环境演化——以重庆葱坪湿地为例. 湖泊科学, 2019, 31(4): 1182-1190. DOI: 10.18307/2019.0413.
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ZHENG Ting, CAO Yanmin, PENG Jia, CHEN Xu. Subfossil chironomid-inferred environmental changes in subalpine wetland over the past 200 years-A case of Congping Wetland in Chongqing. Journal of Lake Sciences, 2019, 31(4): 1182-1190. DOI: 10.18307/2019.0413.
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基金项目

国家自然科学基金项目(41877428,41572343,41402307)和湖北省自然科学基金项目(2017CFB532)联合资助

作者简介

郑婷(1994~), 女, 硕士研究生; E-mail:ting19940418@126.com

通信作者

曹艳敏, E-mail:ymcao720@gmail.com

文章历史

2018-09-13 收稿
2018-12-24 收修改稿

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亚高山湿地摇蚊亚化石记录的近两百年来环境演化——以重庆葱坪湿地为例
郑婷1 , 曹艳敏2 , 彭佳1 , 陈旭1     
(1: 中国地质大学(武汉)地球科学学院地理系, 武汉 430074)
(2: 中南民族大学资源与环境学院, 武汉 430074)
摘要:偏远的亚高山湿地受人为活动直接干扰较小,是追踪气候变化和大气沉降双重影响下湿地生态系统演化的理想研究地.本研究以位于巫山的葱坪湿地为研究对象,基于一根50 cm沉积岩芯的210Pb和137Cs测年、摇蚊亚化石和元素序列,探讨该湿地近200年来环境演化历史.结果表明,摇蚊种群由1910年之前的Chironomus anthracinus-type、Limnophyes sp.、Cladotanytarsus mancus-type 1变为1910-1925年的C.mancus-type 1、C.anthracinus-type、Procladius sp.和Endochironomus impar-type的优势组合,这些优势种均指示浅水环境.此后,耐营养种E.impar-type、Polypedilum nubeculosum-type和C.anthracinus-type逐渐成为优势种.冗余分析表明,总磷、总碳和钙是解释摇蚊组合变化的显著环境因子.20世纪30年代以前摇蚊种群可能与进入湿地的径流量小、水位较低相关,而20世纪中叶以来摇蚊组合变化指示大气沉降增长背景下湿地营养富集过程.在大气沉降和气候变化的双重影响下,耐营养属种增加和生物多样性降低表明葱坪湿地生态环境正发生退化.
关键词摇蚊亚化石    元素    大气沉降    亚高山湿地    环境演化    葱坪湿地    
Subfossil chironomid-inferred environmental changes in subalpine wetland over the past 200 years-A case of Congping Wetland in Chongqing
ZHENG Ting1 , CAO Yanmin2 , PENG Jia1 , CHEN Xu1     
(1: Department of Geography, School of Earth Sciences, China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074, P. R. China)
(2: College of Resources and Environmental Science, South-Central University for Nationalities, Wuhan 430074, P. R. China)
Abstract: Remote subalpine wetlands are subjected to limited human direct disturbances, and hence they are ideal sites for tracking the combined effects of climate change and atmospheric deposition on wetland ecosystem evolution. This study investigated environmental changes in Congping Wetland located in the Wushan Mountains during the past 200 years, based on the 210Pb and 137Cs chronology, subfossil chironomids and element contents of a 50 cm long sediment core collected from the wetland. The results revealed that chironomid communities were dominated by Chironomus anthracinus-type, Limnophyes sp. and Cladotanytarsus mancus-type 1 before 1910, and then they were characterized by the co-dominance of C. mancus-type 1, C. anthracinus-type, Procladius sp. and Endochironomus impar-type between 1910 and 1925. All the dominant species mentioned above are adapted to shallow water environment. Thereafter, nutrient-tolerant species, including E. impar-type, Polypedilum nubeculosum-type and C. anthracinus-type became the dominant taxa. Redundancy analyses indicated that total phosphorus, total carbon and Ca were significant environmental variables explaining variance in chironomid data. Chironomid communities before the 1930s might be linked to low runoff input and shallow water table in this wetland, while changes in the communities after the mid-20th century mirrored nutrient enrichment due to intensified atmospheric deposition. Under the combined effect of atmospheric deposition and climate change, the increase of nutrient-tolerant species and biodiversity loss indicate that Congping Wetland is facing with ecological environment degradation.
Keywords: Subfossil chironomid    elements    atmospheric deposition    subalpine wetland    environmental change    Congping Wetland    

亚高山湿地是河流重要水源地,同时为珍稀物种提供栖息地,因此是保护流域生态环境健康的重要屏障[1].由于交通不便,亚高山湿地往往较少受到人为直接干扰,生态环境维持在自然状态[2].然而,工业革命以来,工业活动向大气中排放大量污染物.随着大气干湿沉降过程,这些大气污染物会在亚高山湿地富集,例如在欧洲、北美和青藏高原东缘亚高山湿地中都已检测到活性氮输入增加的信号,以及由此导致的水生生物群落演替过程[3-5].区域工业化导致的大气酸沉降一方面会引起水体酸化[6-7];另一方面,大气沉降输入的氮磷元素会促进水体富营养化[8-9].

西南地区是我国大气氮沉降最严重的地区之一[10],这一地区山地众多,同时在山间盆地发育了一些湖泊和沼泽湿地,这些湿地很好地记录了全新世以来气候变化历史[1].虽然该地区气候重建资料众多,但目前对大气沉降背景下湿地生态环境演化规律了解较少.作为重要水源涵养地,亚高山湿地环境变化将直接影响下游地区饮水安全.为此,本文选取位于重庆市东北部巫山县的葱坪湿地为研究对象,基于湿地沉积物多指标记录反演近两百年来区域环境演化历史.

沉积物摇蚊亚化石已被广泛用于古环境重建,如湖泊营养状况、pH和温度变化等[11-13].目前在我国的一些高山地区也已开展摇蚊古生态学及古环境重建研究,如基于青藏高原东南缘100个湖泊表层沉积物中摇蚊亚化石和现代环境因子调查,Zhang等[14]建立摇蚊-7月气温转换函数;在此基础上,Zhang等[15]基于云南老君山天才湖摇蚊亚化石记录定量重建了区域全新世以来的夏季温度变化;在人为活动干扰较强的云南滇池,摇蚊优势属由Einfeldia sp.向厌氧的Chironomus sp.转变,则主要响应于水体富营养化和水生植被减少[16].在鄂西亚高山泥炭沼泽湿地,摇蚊组合中以耐酸属种为主,且在无人为干扰的湿地中物种多样性更高[17].可见,在自然状态下,湖泊湿地摇蚊种群变化主要响应于气候变化过程;而在人为干扰条件下,摇蚊组合中耐污染属种会增加,同时生物多样性下降.

在大气沉降加剧和气候变化背景下,西南地区亚高山湿地生态环境如何演化,目前对此尚不清楚.本文拟通过重庆巫山葱坪湿地沉积物中摇蚊亚化石分析,结合210Pb/137Cs测年和元素等沉积物记录和历史资料数据,揭示其生态环境演化过程并探讨其潜在的原因.

1 材料与方法 1.1 研究地区

葱坪湿地位于长江上游重庆市巫山县当阳乡高坪村边缘,与湖北神农架林区相连,地势上位于我国第二级阶梯的东部边缘,海拔2045 m(图 1).葱坪湿地发育于一个岩溶盆地内部,周围围岩以灰岩为主,盆地面积约为1.6 km2,盆地内发育有若干小型天然浅水湖泊湿地.该地区受中亚热带季风性湿润气候影响,盆地周围山地植被以针阔混交林为主,盆地内为原生亚高山湿润草甸.湿地周围无人居住,人为直接干扰很少,处于相对原始状态.

图 1 采样点区域图(a)和葱坪盆地地形图(b) Fig.1 Regional map of sampling site (a) and topographic map of Congping Basin (b)

研究点是一个面积约380 m2的浅水湖泊湿地,水位常年维持在10 cm左右.水源补给主要依靠雨季降水、地表径流及地下水,湖水经出水口流入落水孔.水体清澈,湿地内水生植被发育,滨岸带有灯心草等湿生植物及低矮灌木等. 2016年9月采样时水体pH为6.17,电导率为11.72 μS/cm,磷酸盐浓度为3.7 μg/L,硝态氮浓度为73 μg/L.

1.2 方法 1.2.1 样品采集

2016年9月,在葱坪湿地中心处(31°24′13.58″N,110°03′35.83″E)使用重力采样器采集柱状沉积岩芯,岩芯总长度为50 cm,编号CP.现场以1 cm间隔分样,共得到50个样品,样品置于自封袋内带回实验室4℃冷藏以备分析测试.

1.2.2 实验室处理

每间隔1 cm选取沉积样品进行摇蚊亚化石分析,样品依据标准方法[18]处理.具体步骤如下:沉积物样品加入10 % KOH后置于75℃水浴锅中加热15 min,再依次过212和90 μm筛,将剩余样品转移至25倍体视显微镜下,用镊子将摇蚊头壳手动挑拣,并用Hydromatrix©将挑拣出的摇蚊头壳封片.封片后的头壳转移到100~400倍生物显微镜下进行鉴定,摇蚊亚化石属种鉴定主要依据文献[18]进行.将完整的或多于半个颏的头壳记为1个头壳,将半个颏的记为半个头壳,不足一半的不统计.每个沉积样品中摇蚊亚化石统计数至少达50个壳体[19].其中,33 cm以下的样品因摇蚊头壳总数不足50个,故将33~37号样品合并记为35号,38~40号样品合并记为39号,41~43合并记为42号,44~46合并记为45号,47~50合并记为49号样品.

210Pb和137Cs比活度按4 cm间隔取样,共测试14个样品,210Pb比活度采用美国EG&GOrtec公司生产的锗井型探测器(HPGe GWL-120-15)在中国科学院南京地理与湖泊研究所进行测定.其中210Pb标准样品由英国利物浦大学提供,226Ra标准样品由中国原子能科学研究院提供,测试误差小于10 %.沉积物Al、Ca和TP等元素利用等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)在中国科学院南京地理与湖泊研究所测定,仪器精度控制在重复测量误差小于5 %.总碳(TC)、总氮(TN)和S采用元素分析仪(varioELcube)在中国地质大学(武汉)测试,测试误差小于0.1 %.

1.2.3 气象资料来源

由于缺乏完善的实测气象数据资料,葱坪湿地1905年以来的年均降雨量和年距平温度数据均来自荷兰皇家气象研究所(KNMI)网站(http://climexp.knmi.nl/selectfield_obs.cgi),选择研究点所在区域(31°~32°N, 110°~111°E)的数据代表研究区气候.同时,本研究也搜集了重庆市1950年以来气候数据[20],两组数据在降水和温度上均表现出显著正相关(P < 0.05,图 2),这表明可用KNMI资料数据反映区域气候变化并用于排序分析.

图 2 1905-2016年研究区降水量(a)和温度距平(b)变化 Fig.2 Changes in annual precipitation (a) and temperature anomalies (b) in the study region between 1905 and 2016
1.2.4 数理统计分析

摇蚊数据剔除无法鉴别的个体,选取在2个及以上样品中出现,并且至少在1个样品中含量≥2 %的属种参与后续统计分析.摇蚊属种百分比图谱在TILIA-GRAPH 1.7.16软件中绘制,基于CONISS聚类分析[21]并结合断棒模型(Broken-stick)检验[22],划分摇蚊属种组合带.采用降维对应分析(Detrended correspondence analysis,DCA)对摇蚊种群组合数据进行分析,以揭示摇蚊种群组合变化的主要特征.摇蚊亚化石属种数据进行平方根转换,从而对稀有属种做降权处理,以减少对结果产生的偏差. DCA分析结果显示第一轴的梯度长度小于2,故采用线性模型-冗余分析(Redundancy analysis, RDA)进一步揭示摇蚊与解释变量之间的关系[23],其中以摇蚊数据作为响应变量,沉积物元素(Al、Ca、TC、TN、TP和S)、年距平温度和年均降水量作为解释变量.在进行冗余分析之前,因沉积物元素测试间隔为4 cm,故对元素数据进行线性插值处理;对年距平温度及年均降水量数据做3年滑动平均处理,对解释变量进行对数转换(除年距平温度外).基于蒙特卡洛置换检验(P < 0.05;n=499非限制性置换)逐步筛选出解释摇蚊种群组合演替的显著因子,显著解释变量中已剔除共线性的环境因子(VIF≥20).冗余分析基于1910-2016年资料数据齐全的时间段进行. DCA和RDA均在CANOCO 4.5软件中运行[23].

2 研究结果 2.1 钻孔年代序列确定

CP岩芯中的210Pb比活度呈指数递减趋势,在12 cm处137Cs比活度出现明显峰值,对应于1963年全球大气核试验峰值.采用210Pb恒定通量模式[24]计算沉积物年代,并利用137Cs的1963时标对年代进行校正,岩芯底部50 cm所对应的年代在1800年前后,其210Pb比活度、137Cs比活度及年代-深度对应关系如图 3所示.

图 3 CP岩芯沉积物210Pb (a)和137Cs (b)比活度以及年代-深度对应关系(c) Fig.3 The activities of 210Pb (a) and 137Cs (b), and the age-depth relationship in sediment of the CP Core (c)
2.2 摇蚊组合变化

岩芯中共挑拣出6162头摇蚊亚化石(每个样品平均123头,各样品鉴定头数超过50头),鉴定共得34个属种,其中以Chironomus anthracinus-type、Endochironomus impar-type、Polypedilum nubeculosum-type、Cladotanytarsus mancus-type 1和Procladius sp.为主.根据CONISS聚类分析和Broken-stick模型检验结果,可以将摇蚊序列划分为两个组合带,其中组合带Ⅰ又分为两个亚带(图 4).

图 4 CP岩芯主要摇蚊属种组合图谱 Fig.4 Diagram of main chironomid taxa in the CP Core

组合带Ⅰ(50~26 cm; 约1800-1925年):本阶段以摇蚊亚科(Chironominae)和直突摇蚊亚科(Orthocladinae)为主,长足摇蚊亚科(Tanypodinae)仅零星出现.该段主要优势属种C. mancus-type 1、C. anthracinus-type、Procladius sp.、E. impar-type和Limnophyes sp.平均含量分别为30.2 %、20.0 %、9.1 %、7.4 %和6.3 %,Cricotopus intersectus-type、Metriocnemus terrester-type、Psectrocladius sordidellus-type和Pseudosmittia sp.少量出现.组合亚带Ia(约1800-1910年)中,C. anthracinus-type、Limnophyes sp.和C. mancus-type 1的相对丰度较高,平均含量分别为39 %、12.4 %和9.8 %,Cricotopus intersectus-type、Metriocnemus terrester-type、Psectrocladius sordidellus-type和Pseudosmittia sp.少量出现. Ia亚带中摇蚊头壳浓度较低,底部的5个样品采用相邻样品合并的方式得到,所反映的摇蚊组合信息可能存在误差. Ib亚带(约1910-1925年)中,C. anthracinus-type和Limnophyes sp.含量急剧减少,平均含量分别降至1.7 %和0.3 %,而 C. mancus-type 1、E. impar-type和Procladius sp.等属种相对丰度则显著上升,平均含量分别为50 %、12 %和12 %. T. gracilentus-type出现短暂升高后逐渐减少. Ia带头壳浓度平均低于14个/g,Ib带升高至平均101个/g.

组合带Ⅱ(26~0 cm; 约1925-2016年):摇蚊组合在该带发生显著变化,E. impar-type、P. nubeculosum-type和C. anthracinus-type含量明显增加而成为主要优势种,平均含量分别为34 %、20.8 %和15.5 %. C. mancus-type 1和T. gracilentus-type则明显减少,前者含量不超过3.3 %,后者则在1960年后完全消失. Procladius sp.的相对丰度有所降低,Chironomus plumosus-type和Chironomus cf-longipes-type含量虽然不高,但相比前一阶段明显增多.该段摇蚊头壳浓度虽存在波动,但总体维持在71个/g左右.

此外,本文主要根据Brooks等的研究划分了陆生-半陆生摇蚊属种[18, 25-26].结果显示,陆生-半陆生摇蚊属种百分含量在约1925年以前虽有波动但总体较高(均值约为63 %),之后含量下降至32 %以下;N2多样性指数(Hill's diversity number)在1910年以前总体波动下降,此后缓慢升高,在顶部8 cm(约1997年)处开始下降(图 5).

图 5 CP岩芯中元素含量、摇蚊多指标和硅藻指示种[29]变化 Fig.5 Variation of element contents, multiple proxies of chironomid data and indicative diatom species[29] in the CP Core
2.3 元素变化序列

岩芯主要元素序列如图 5所示. Al与Ca含量在约1910年以前相对较高,约1910年以来呈明显降低趋势.元素TP、TC和TN的变化趋势类似,在约1910年以前含量整体较低,此后呈明显上升趋势;在1930s以前S含量较低,自1950s中期S含量快速升高至约2008年峰值,此后小幅回落.

2.4 统计分析

摇蚊属种组合的DCA前四轴分别解释了摇蚊数据方差的30.3 %、13.8 %、4 %和2.4 %,其第一轴和第二轴捕获了摇蚊组合变化的主要信息. DCA第一轴得分在约1800-1884年间总体上升,此后维持高值,在约1925年快速降低后维持低值.

冗余分析结果表明,前两轴共解释了摇蚊组合方差的59.6 %,Ca、TC、TP含量与摇蚊种群组合变化显著相关(图 6).第一轴主要与TC含量相关,自右往左反映湖泊生产力提高,组合亚带Ib(1910-1925年)的样品点(由老往新)沿第一轴自右向左排列,与TC和TP增加的方向一致.第二轴自下往上指示湖泊碱度降低(Ca含量下降)和营养富集过程(TP含量升高).在RDA排序图中,组合带Ⅱ的样品点排列(由老而新)与TP含量升高的方向一致.

图 6 葱坪岩芯1910-2016年样品点与环境因子排序图 Fig.6 The ordination plot of samples and environmental factors in the Congping Core between 1910 and 2016
3 讨论 3.1 摇蚊指示的水位变化

约1800-1925年间,葱坪湿地摇蚊种群以喜浅水环境(沿岸区)属种或陆生-半陆生属种占主导地位[18, 25-26].该阶段的主要优势种C. mancus-type 1为常见的湖泊沿岸种[26-27],而Limnophyes sp.幼虫通常生活于湖泊和溪流等浅水中,部分种则为陆生或半陆生,且有些种与水生植物密切相关[28],沼泽湿地的低水位可能更有助于该属幼虫的生长[17].该时段大量出现的属种还包括浅水种C. anthracinus-type[25-26],陆生-半陆生的Pseudosmittia sp.也较常见[26, 28].在相同的层位,耐旱硅藻种Hantzschia amphioxysPinnularia borealis大量出现,而浮游种很少,同样指示了葱坪湿地处于低水位的陆生或半陆生生境[29].这与该时期(‘明清小冰期’晚期)区域冷干气候[30](图 2)相一致.同时,冷干气候条件下盆地周围山地植被覆盖度降低,植物涵养地下水功能下降,由周围山地输入的地下水将减少,陆生半陆生属种大量出现指示了这一时期的低水位状态.

3.2 摇蚊指示大气沉降变化

RDA结果表明,约1910-1925年间湿地营养和生产力均有小幅升高(图 6).相关资料表明,1912-1925年全国煤和铁的生产量都增加了1倍以上[31],近代工业产生的大气污染可能引起湿地沉积物中TP、TN含量小幅增加,C. mancus-type 1、E. impar-type以及P. nubeculosum-type等相对耐营养的属种[26, 32]缓慢增加指示了湿地营养累积过程.

约1925年后,沉积物S元素含量增加,这与当时区域工业发展密切相关,为避免中日战争的影响,1930s约429家钢铁化工产业(如,汉阳钢铁厂、大渡口钢铁厂等)西迁至重庆[33],导致区域大气污染加剧.统计资料显示,重庆人口从战前的47万人剧增至1945年的124万人,增长近3倍[33],1949-2016年重庆市煤炭消费量增长约50倍[20](图 7),1952-2016年四川省化肥施用量增长约171倍[34](图 7),1995-2008年间重庆市工业SO2年排放量维持在60万吨左右[20].这些因素可能是导致沉积物中氮硫元素快速升高的主要原因.湿地生态系统中,Chironomus sp.和P. nubeculosum-type在此阶段呈明显增加趋势,这2个种曾在瑞典南部的2个酸化湖泊中大量出现[6, 26],反映了氮硫等元素沉降增加背景下水体酸性增强的过程.这一时期,耐酸硅藻种Eunotia mucophila大量出现也证实了水体酸化过程(图 5)[29]. Al和Ca等碱性元素易在酸化水体溶解而流失[35],沉积物中Al和Ca含量降低主要响应于水体酸化过程.

图 7 重庆市1949-2016年煤炭消费量[20]及四川省1952-2016年化肥施用量[34] Fig.7 The coal consumption in Chongqing City from 1949 to 2016[20] and the amount of fertilizer usage between 1952 and 2016 in Sichuan Province[34]

相比于Al和Ca含量的下降,沉积物中TC、TN和TP含量却呈持续增长的趋势,表明湿地营养富集,促进了水生植被和藻类生长[8-9, 16].植物残体增加也为摇蚊提供了更多的食物,摇蚊头壳浓度维持高值指示摇蚊大量生长.随着湿地营养富集,C. anthracinus-type、E. impar-type、P. nubeculosum-type等逐渐成为优势种.在长江中下游湖泊摇蚊-总磷转换函数中[36]E. impar-type和P. nubeculosum-type的TP最适值分别为51和70 μg/L,Chironomus sp.幼虫营养耐受幅较广[37],有些种TP最适浓度甚至高达110 μg/L,这些优势种TP最适浓度与欧洲地区数据库的结果基本一致[26, 37],因此这些中富营养属种大量出现指示该湿地水体营养富集. N2多样性指数(Hill's diversity number)通常用来衡量和比较群落的生物多样性,该岩芯约自1997年开始N2指数下降,反映随湿地营养富集生物多样性减少,长江中游浅水湖泊中也观察到类似现象[38].此外,P. nubeculosum-type自20世纪初持续增加与区域增温过程相对应(图 2图 4),尽管温度不是解释摇蚊组合变化的显著变量,但增温可以通过影响沉积物氮磷营养元素释放过程间接地影响摇蚊生长[39].

4 结论

葱坪湿地沉积物摇蚊记录表明,近两百年来湿地生态环境经历了三阶段变化.摇蚊种群优势种由1910年之前的C. anthracinus-type、Limnophyes sp.、C. mancus-type 1转变为1910-1925年的C. mancus-type 1、C. anthracinus-type、Procladius sp.和E. impar-type,此后E. impar-type、P. nubeculosum-type和C. anthracinus-type逐渐占据优势地位.摇蚊组合揭示了葱坪湿地在1930s以前为陆生-半陆生环境,1930s以来大气沉降成为湿地环境酸化的重要诱因.大气沉降和气候变化的双重影响下,葱坪亚高山湿地水体营养水平明显升高,耐营养摇蚊属种增多,摇蚊多样性降低,反映了湿地生态环境退化.在全球气候变化和大气沉降加剧背景下,我国南方其他亚高山湿地也可能面临相似的环境退化风险.在此背景下,亟待开展亚高山湿地古环境变化研究,进而为保护这些珍稀湿地资源提供重要环境基准信息.

致谢: 乔强龙、张一鸣、夏威岚、朱育新等协助野外和室内实验,谨致谢忱.

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