人為干擾對姑娘湖陸地生態(tài)環(huán)境的影響

人為干擾對內(nèi)蒙古自治區(qū)姑娘湖陸地物種多樣性的影響北京市中關(guān)村中學(xué)初二19班劉天騏董逸文初一11班趙竟軒指導(dǎo)教師劉曄徐軍張崢摘要為研究人為干擾對內(nèi)蒙古自治區(qū)姑娘湖陸地物種多樣性的影響，我們將樣地分為A(北岸人為干擾較小區(qū)域)、B（南岸的人為干擾較大區(qū)域)兩區(qū)。利用1mx1m的樣方框在A區(qū)圈出2個樣方，在B區(qū)圈出3個樣方。用昆蟲網(wǎng)在每塊樣方內(nèi)掃50下，收集昆蟲并分類、計數(shù)；再把樣方內(nèi)的草皮挖出，分類后鑒定草本植物的種類并計數(shù)。用Excel軟件做一般結(jié)果分析，導(dǎo)師指導(dǎo)我們在R語言程序軟件中輸入數(shù)據(jù)，采用內(nèi)推和外推的稀疏曲線法計算α多樣性，以呈現(xiàn)樣方內(nèi)部物種的多度；利用歐氏距離的相異性指數(shù)表示β多樣性，以顯示不同樣方之間物種組成的差異性。結(jié)果1、A區(qū)域昆蟲的α多樣性顯著高于B區(qū)域。2、A區(qū)域中物種組成相似程度非常高；A區(qū)域與B區(qū)域之間的物種組成差異很大；B區(qū)域的物種組成的異質(zhì)性更高。3、A區(qū)的植物高度至少為50cm以上，而B區(qū)的植物高度集中在10cm以下；A區(qū)的植物種類數(shù)多于B區(qū)；A區(qū)的植物更加茂密，而B區(qū)的植物較比稀疏。結(jié)論我們首次采用內(nèi)推和外推的稀疏曲線法計算α多樣性以呈現(xiàn)姑娘湖陸地物種的多度，利用歐氏距離的相異性指數(shù)呈現(xiàn)β多樣性顯示姑娘湖人為干擾較小區(qū)域與人為干擾較大區(qū)域之間物種的異質(zhì)性。說明了人為干擾影響陸地物種的多樣性。關(guān)鍵詞人為干擾姑娘湖昆蟲草本植物多樣性1.引言生物多樣性是人類賴以生存的基礎(chǔ)。ADDINEN.CITE<EndNote><CiteAuthorYear="1"><Author>Whittaker</Author><Year>1972</Year><RecNum>24</RecNum><DisplayText>Whittaker(1972)</DisplayText><record><rec-number>24</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="z5efa555axv2p3evx91v5sf8z5zv0wf55r0w"timestamp="0">24</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Whittaker,R.H.</author></authors></contributors><titles><title>Evolutionandmeasurementofspeciesdiversity</title><secondary-title>Taxon</secondary-title></titles><periodical><full-title>Taxon</full-title><abbr-1>Taxon</abbr-1><abbr-2>Taxon</abbr-2></periodical><pages>213-251</pages><volume>21</volume><dates><year>1972</year></dates><isbn>0040-0262</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>Whittaker(1972)提出了三個生物多樣性的概念：α多樣性是指樣方或者群落內(nèi)部物種的多度，β多樣性指的是不同樣方之間物種組成的差異性，γ多樣性指的是大區(qū)域內(nèi)的多樣性，相當(dāng)于α和β多樣性的組合。通過研究α多樣性，我們可以直觀比較不同棲息地之間的生物物種數(shù)量及多樣性程度，α多樣性值高的地區(qū)往往意味著更好的生境。通過研究β多樣性，我們可以得知不同棲息地之間物種組成的差異，高的β多樣性意味著兩個樣點物種組成區(qū)別更大。7月下旬，我們在老師們帶領(lǐng)下到內(nèi)蒙古多倫縣開展科學(xué)考察活動，其中一項內(nèi)容就是考察姑娘湖地區(qū)的植物和昆蟲。姑娘湖位于內(nèi)蒙古多倫縣蔡木山自然保護區(qū)南緣，距多倫縣城48公里。這里地處渾善達克沙地的邊緣，是一處天然形成的湖泊，湖水清澈，不淤不漫。湖水中有鯉魚、鯽魚、華子魚、鯰魚等。這里的楊、樺、榆等天然次生林資源非常豐富，狍、獐、狐貍等野生動物繁多，是多倫縣天然次生林資源和野生動物資源較為集中的地方。圖1姑娘湖鳥瞰我們來到姑娘湖邊，爬上附近的一個小沙丘，自上而下俯瞰姑娘湖，發(fā)現(xiàn)姑娘湖是一個南北窄、東西長的月亮彎型的湖泊，她南面的草很矮小，離湖岸兩米開外幾乎寸草不生，全是裸露的沙石地，相反它北邊的草要高大很多，也十分茂密，幾乎沒有裸露的地面。經(jīng)過觀察，我們發(fā)現(xiàn)這與人為活動有著很大關(guān)系：游客絕大部分都在南邊游覽、觀賞，而植物茂密、昆蟲繁多的北面幾乎沒有人去；南面的湖邊甚至有幾個煙熏火燎的燒烤攤，一群又一群的人圍著燒烤攤吃吃喝喝，草叢中還有許多塑料瓶、紙巾、包裝袋等垃圾。看到這些，我們不由得想：人為干擾對這里的生態(tài)環(huán)境究竟有多大的影響呢？為了更深入地理解這個問題，我們對姑娘湖南北兩岸的草本植物和昆蟲展開了調(diào)查，想通過分析計算地域的生物多樣性指數(shù)，以期發(fā)現(xiàn)人們的旅游活動對環(huán)境所產(chǎn)生的影響。昆蟲是世界上最多的真核生物，占所有物種的一半以上。許多昆蟲對環(huán)境變化非常敏感，所以很多昆蟲種類常常作為生物多樣性的指示劑，如鞘翅目和鱗翅目的昆蟲ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Zou</Author><Year>2011</Year><RecNum>311</RecNum><DisplayText>(Zouetal.2011)</DisplayText><record><rec-number>311</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="z5efa555axv2p3evx91v5sf8z5zv0wf55r0w"timestamp="0">311</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Zou,Y.</author><author>Feng,J.</author><author>Xue,D.</author><author>Sang,W.</author><author>Axmacher,J.C.</author></authors></contributors><titles><title>Insectdiversity:addressinganimportantbutstronglyneglectedresearchtopicinChina</title><secondary-title>JournalofResourcesandEcology</secondary-title></titles><pages>380-384</pages><volume>2</volume><number>4</number><dates><year>2011</year></dates><isbn>1674-764X</isbn><urls></urls><electronic-resource-num>10.3969/j.issn.1674-764x.2011.04.013</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>(Zouetal.2011)。相對于大型的哺乳動物來說，昆蟲的采集比較簡單，且由于昆蟲數(shù)量眾多，致死性的采集基本上也不會昆蟲的種群造成影響。所以研究昆蟲多樣性能夠快速的了解整個生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)。本課題的主要目的是比較人為干擾較大地區(qū)和人為干擾較小地區(qū)的草本植物和昆蟲多樣性的情況。在干擾較小的情況下，草本植物和昆蟲的多樣性是否高于干擾較大地區(qū)。另外，通過比較β多樣性，了解兩個地區(qū)的物種組成的差異性。2.方法研究地點我們將樣地選在了姑娘湖南岸及北岸草地離湖水2m處。此時的時間段為八月中旬，是游客最多的時候，同時對南岸草地的干擾度是最大的。而北岸因為游客較少，所以保持著相對原始的狀態(tài)。兩岸的氣溫在20-26攝氏度左右。我們7月21日開展了預(yù)實驗，但由于沒有找到技巧，實驗設(shè)備也沒有準(zhǔn)備齊全，我們只是把樣方中的每種植物拔一棵拍照做樣本，并估算其在樣方中的占地面積的百分比。但預(yù)實驗的時候工作方法存在許多漏洞：首先我們選的樣方的地點不好，由于姑娘湖邊植物種類多樣，工作量太大，我們無法全都進行鑒定，我們這次只研究草本植物及昆蟲，卻把灌木也圈進了樣方；其次，我們沒有規(guī)范的樣方框，所以用繩子拉出來的樣方不一定是規(guī)范的正方形；然后，我們這種估算的方法不夠準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)不具說服力；我們只是掃網(wǎng)捕捉飛行昆蟲，無法捕捉地下的昆蟲幼蟲。發(fā)現(xiàn)了這幾點問題，我們先回家查找了一些有關(guān)的文獻，完善研究方案。準(zhǔn)備好研究必備的工具后，我們8月下旬再次來到姑娘湖邊。取樣方法我們將樣地分為A、B兩區(qū)，A區(qū)代表北岸的無人為干擾區(qū)，B區(qū)則代表南岸的人為干擾區(qū)。經(jīng)過初步的測量，我們發(fā)現(xiàn)B區(qū)的植物高度集中在10cm以下，而A區(qū)的植物高度至少為50cm以上。圖2姑娘湖兩岸采樣點我們利用已經(jīng)做好的1mx1m的樣方框把樣地圈起來，然后用昆蟲網(wǎng)在每塊樣方內(nèi)無干擾掃50下網(wǎng)。在A區(qū)圈了2個樣方，分別命名為A1、A2。在B區(qū)圈了3個樣方，分別命名為B1、B2、B3。由于估算的方法不準(zhǔn)確，我們決定把樣方內(nèi)的草皮挖出來，分類后一棵棵地數(shù)每種草本植物的數(shù)量。為避免時間不同而導(dǎo)致昆蟲數(shù)量有變化，我們幾乎是同一時間在每個樣方掃網(wǎng)50下，在毒瓶中處死后倒進大指形管中保存，之后再開始鏟草皮的。（插入照片）我們把每個樣方鏟下來的草皮各裝進袋子并標(biāo)上其編號，拿到一片空曠的地方。我們先統(tǒng)計A1樣方，倒出標(biāo)有A1袋子中的草皮，把同種植物從草皮上拔下來平鋪在白紙上，放在一起，同時就開始計數(shù)了。剛開始我們沒經(jīng)驗，舉個例子：一人拿起一小塊草皮，先數(shù)委陵菜，看到三棵并把它們拔出來，就在標(biāo)有“委陵菜”的白紙上記“+3”，以此類推。但是這樣的方法并不是最好的。因為這樣的數(shù)法不僅效率不高，還容易數(shù)混。經(jīng)過觀察，我們發(fā)現(xiàn)樣地中禾本科的植物是優(yōu)勢種。于是我們換了一種方式：一個人專職記錄，其他人一起，先把草皮分成若干小塊，每人各拿一塊；之后，我們先數(shù)其中非禾本科的植物，把優(yōu)勢種——禾本科的留下。例如：數(shù)到三棵蒲公英，負(fù)責(zé)記錄的同學(xué)會在標(biāo)有蒲公英的紙上記“+3”，這樣的流水作業(yè)大大提高了統(tǒng)計的效率。當(dāng)然，遇到一些不太確定其種類的植物就連根拔出，拿給老師鑒定。把非禾本科的數(shù)完后，最后再數(shù)禾本科植物的數(shù)目就方便多了。（插入照片）在清點完畢植物種類和數(shù)量后我們將它們編上號。編號的規(guī)律是:樣方-第幾種植物-這種植物的數(shù)量。例如A1-1-3就是A1樣地的第一種植物，有三株。編完號的植物要拍照，然后做成植物標(biāo)本。還有一些叫不出名字的植物就帶回去請植物所老師幫忙鑒定植物名稱。昆蟲的分類方法是將一塊樣方內(nèi)的所有昆蟲倒入盛有干凈酒精的托盤內(nèi)。然后用鑷子把昆蟲分別夾入裝了干凈酒精的各種昆蟲的小指形管中，同時計數(shù)。數(shù)據(jù)分析采用內(nèi)推和外推的稀疏曲線法ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Colwell</Author><Year>2012</Year><RecNum>1266</RecNum><DisplayText>(Colwelletal.2012)</DisplayText><record><rec-number>1266</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="z5efa555axv2p3evx91v5sf8z5zv0wf55r0w"timestamp="0">1266</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Colwell,RobertK</author><author>Chao,Anne</author><author>Gotelli,NicholasJ</author><author>Lin,Shang-Yi</author><author>Mao,ChangXuan</author><author>Chazdon,RobinL</author><author>Longino,JohnT</author></authors></contributors><titles><title>Modelsandestimatorslinkingindividual-basedandsample-basedrarefaction,extrapolationandcomparisonofassemblages</title><secondary-title>JournalofPlantEcology</secondary-title></titles><periodical><full-title>JournalofPlantEcology</full-title><abbr-1>JPlantEcol</abbr-1><abbr-2>JPlantEcol</abbr-2></periodical><pages>3-21</pages><volume>5</volume><number>1</number><dates><year>2012</year></dates><isbn>1752-9921</isbn><urls></urls><research-notes><styleface="normal"font="default"size="100%">Estimator,samplebasedorindividualbasedJan</style><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">推薦</style></research-notes></record></Cite></EndNote>(Colwelletal.2012)計算α多樣性，利用歐氏距離（Euclideandistance）的相異性指數(shù)β多樣性顯示物種組成的相異性。所有的分析都在R語言程序軟件中實現(xiàn)ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>RDevelopmentCoreTeam</Author><Year>2011</Year><RecNum>925</RecNum><DisplayText>(RDevelopmentCoreTeam2011)</DisplayText><record><rec-number>925</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="z5efa555axv2p3evx91v5sf8z5zv0wf55r0w"timestamp="0">925</key></foreign-keys><ref-typename="ComputerProgram">9</ref-type><contributors><authors><author>RDevelopmentCoreTeam,</author></authors></contributors><titles><title>R:Alanguageandenvironmentforstatisticalcomputing</title></titles><dates><year>2011</year></dates><pub-location>Vienna,Austria.</pub-location><publisher>RFoundationforStatisticalComputing</publisher><isbn>3-900051-07-0</isbn><urls><related-urls><url>http://www.R-/</url></related-urls></urls></record></Cite></EndNote>(RDevelopmentCoreTeam2011).3.結(jié)果一般結(jié)果在五個樣方，我們一共采集了包括金龜科、歩甲科、瓢蟲科等24個科的昆蟲，采集了包括禾本科、菊科、蒲公英等33個科的植物。表1姑娘湖昆蟲數(shù)據(jù)統(tǒng)計表表2姑娘湖草本植物數(shù)據(jù)統(tǒng)計表。圖3A、B區(qū)昆蟲和植物種類及數(shù)量比較圖注：昆蟲數(shù)量=昆蟲實際數(shù)量÷10，植物數(shù)量=植物實際數(shù)量÷100。昆蟲的α多樣性比較α多樣性的計算采用了內(nèi)推和外推的稀疏曲線法ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Colwell</Author><Year>2012</Year><RecNum>1266</RecNum><DisplayText>(Colwelletal.2012)</DisplayText><record><rec-number>1266</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="z5efa555axv2p3evx91v5sf8z5zv0wf55r0w"timestamp="0">1266</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Colwell,RobertK</author><author>Chao,Anne</author><author>Gotelli,NicholasJ</author><author>Lin,Shang-Yi</author><author>Mao,ChangXuan</author><author>Chazdon,RobinL</author><author>Longino,JohnT</author></authors></contributors><titles><title>Modelsandestimatorslinkingindividual-basedandsample-basedrarefaction,extrapolationandcomparisonofassemblages</title><secondary-title>JournalofPlantEcology</secondary-title></titles><periodical><full-title>JournalofPlantEcology</full-title><abbr-1>JPlantEcol</abbr-1><abbr-2>JPlantEcol</abbr-2></periodical><pages>3-21</pages><volume>5</volume><number>1</number><dates><year>2012</year></dates><isbn>1752-9921</isbn><urls></urls><research-notes><styleface="normal"font="default"size="100%">Estimator,samplebasedorindividualbasedJan</style><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">推薦</style></research-notes></record></Cite></EndNote>(Colwelletal.2012)。人為干擾較小的區(qū)域（A區(qū)域）采集的116個個體中，有19個物種；當(dāng)外推到一倍的個體（332個個體）時，估計可以采集到24.6±8.3個物種。人為干擾較大的區(qū)域（B區(qū)域）的169個個體中，采集到了11個物種；當(dāng)外推到338個個體時，只能采集到12.6±4.2個物種。從曲線上看，A區(qū)域曲線還是陡峭上升，說明物種數(shù)隨著取樣個體的增加還能顯著提高。而B區(qū)域的曲線接近平緩，說明取樣幾乎完全了，再增加個體數(shù)的話物種數(shù)量并不會顯著增加（圖1）。稀疏曲線表明人為干擾較小的地區(qū)的α多樣性顯著高于干擾較大的地區(qū)。也就是說，干擾較小的A地區(qū)的物種種類多，其多樣性顯著高于干擾較大的B地區(qū)。 圖4.兩個樣地物種豐富度內(nèi)推和外推曲線注：其中點代表實際觀察的樣本數(shù)量，實線代表內(nèi)推曲線，虛線代表外延曲線，陰影部分代表誤差。A區(qū)域是干擾較小的區(qū)域，B區(qū)域是干擾較大的區(qū)域3.3昆蟲和植被β多樣性的比較β多樣性主要關(guān)注于物種組成的相異性，采用了歐氏距離（Euclideandistance）的相異性指數(shù)，用非度量多維標(biāo)度(NonmetricMultidimensionalScaling，NMDS)投影到二維的軸上，這樣可以直觀的看出樣點之間物種組成差異情況。NMDS的二維投影圖可以看出，無論對于昆蟲（圖5）還是植被（圖6），A區(qū)域的兩個樣地在圖上幾乎靠在一起，說明A區(qū)域兩個點的物種組成相似程度非常高。A區(qū)域的兩個樣點跟B區(qū)域的兩個樣點距離比較遠(yuǎn)，說明兩個區(qū)域之間的物種組成差異很大。此外，B區(qū)域本身三個點之間的距離也很大，說明B區(qū)域的物種組成的差異性更高，人為選擇性高。圖5：昆蟲的五個樣點的物種組成的差異性；注：圓圈代表沒有干擾的A區(qū)域，方框代表有干擾的B區(qū)域圖6：植被的五個樣點的物種組成的差異性注：圓圈代表沒有干擾的A區(qū)域，方框代表有干擾的B區(qū)域4.討論4.1在此次研究中，以姑娘湖的昆蟲和植物為研究對象，考察了人為干擾對姑娘湖的生態(tài)系統(tǒng)的影響。對于姑娘湖來說，在人為干擾較大的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)可能比人為干擾較小區(qū)域更容易被破壞。A樣方為人為干擾較小區(qū)，B樣方為人為干擾較大區(qū)，從表面上A樣方的植物數(shù)量與B樣方的植物數(shù)量差不多，但實際上A樣方的植物種類數(shù)要多于B樣方的植物種類數(shù)。而B樣方的植物株數(shù)明顯比A樣方的植物株數(shù)多，卻不比其植物種類數(shù)多，是因為人為的踩踏導(dǎo)致植物種類比較單一，使得昆蟲的棲息地片段化。人為干擾較小的A樣地區(qū)域植物的高度普遍在50cm以上，而有人為干擾較大的B樣地植物高度不會超過10cm。我們認(rèn)為這是人為因素的影響之一。而在植物疏密的方面，人為干擾較大的B樣地比人為干擾小的A樣地的植物要稀疏，植物種類少，這說明人為干擾影響了植物的多樣性。4.2在自然環(huán)境中，昆蟲是世界上最多的真核生物，在生態(tài)系統(tǒng)中扮演各種重要的角色，占所有物種的一半以上。許多昆蟲對環(huán)境變化非常敏感，所以昆蟲種類常常作為生物多樣性的指示劑，反應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)受影響的程度。在此次研究中，我們發(fā)現(xiàn)人為干擾較小的A區(qū)域的昆蟲種類顯著高于人為干擾較大的B區(qū)域,與A、B樣區(qū)內(nèi)植物種類數(shù)量相一致。說明當(dāng)昆蟲的棲息地—植物被破壞，片段化后，昆蟲的種類和數(shù)量便隨之發(fā)生變化，降低了其中昆蟲的物種多樣性。4.3人為干擾造成物種人為被選擇。通過我們利用歐氏距離（Euclideandistance）的相異性指數(shù)顯示了人為干擾較大的B區(qū)域，樣點之間的物種差異比較大，說明在這個區(qū)域物種被人為選擇了，可能與昆蟲的棲息地——植物破碎化，對物種的生存產(chǎn)生不利的影響有關(guān)。昆蟲在生態(tài)系統(tǒng)中扮演各種重要的角色，包括捕食者，植食者，腐食者等。低的昆蟲物種多樣性意味著生態(tài)系統(tǒng)更脆弱。而片段化的棲息地又能夠進一步加速物種的滅絕，造成惡性循環(huán)。因此，減少人為干擾，保護姑娘湖的生態(tài)環(huán)境非常重要。5.結(jié)論在本次研究中，我們首次采用內(nèi)推和外推的稀疏曲線法計算α多樣性以呈現(xiàn)姑娘湖陸地物種的多度，利用歐氏距離的相異性指數(shù)呈現(xiàn)β多樣性顯示姑娘湖人為干擾較小區(qū)域與人為干擾較大區(qū)域之間物種的差異性。說明了人為干擾影響了陸地物種的多樣性。6.設(shè)想在我們的預(yù)實驗當(dāng)中，我們通過計算植物覆蓋率來研究人為干擾區(qū)域和無人為干擾區(qū)域植物的區(qū)別。但是我們發(fā)現(xiàn)這樣的估算是不準(zhǔn)確的。這次預(yù)實驗為我們的研究積累了經(jīng)驗。關(guān)于昆蟲的種類及分類統(tǒng)計，我們設(shè)定土表面的昆蟲為我們統(tǒng)計的樣本。所以在昆蟲方面，我們統(tǒng)計的數(shù)量以及種類可能會比實際要稍少一些。由于研究時間短，數(shù)據(jù)量少，研究對象單一，只有姑娘湖一地，還不能完全說明人為干擾對生態(tài)系統(tǒng)的破壞，希望今后進行多地多樣本的調(diào)查。7.參考文獻[1]ADDINEN.REFLISTColwell,R.K.,A.Chao,N.J.Gotelli,S.-Y.Lin,C.X.Mao,R