人为干扰对姑娘湖陆地生态环境的影响。

1人为干扰对内蒙古自治区姑娘湖陆地物种多样性的影响北京市中关村中学初二19班刘天骐董逸文初一11班赵竟轩指导教师刘晔徐军张峥摘要为研究人为干扰对内蒙古自治区姑娘湖陆地物种多样性的影响，我们将样地分为A(北岸人为干扰较小区域)、B（南岸的人为干扰较大区域)两区。利用1mx1m的样方框在A区圈出2个样方，在B区圈出3个样方。用昆虫网在每块样方内扫50下，收集昆虫并分类、计数；再把样方内的草皮挖出，分类后鉴定草本植物的种类并计数。用Excel软件做一般结果分析，导师指导我们在R语言程序软件中输入数据，采用内推和外推的稀疏曲线法计算α多样性，以呈现样方内部物种的多度；利用欧氏距离的相异性指数表示β多样性，以显示不同样方之间物种组成的差异性。结果1、A区域昆虫的α多样性显著高于B区域。2、A区域中物种组成相似程度非常高；A区域与B区域之间的物种组成差异很大；B区域的物种组成的异质性更高。3、A区的植物高度至少为50cm以上，而B区的植物高度集中在10cm以下；A区的植物种类数多于B区；A区的植物更加茂密，而B区的植物较比稀疏。结论我们首次采用内推和外推的稀疏曲线法计算α多样性以呈现姑娘湖陆地物种的多度，利用欧氏距离的相异性指数呈现β多样性显示姑娘湖人为干扰较小区域与人为干扰较大区域之间物种的异质性。说明了人为干扰影响陆地物种的多样性。关键词人为干扰姑娘湖昆虫草本植物多样性1.引言生物多样性是人类赖以生存的基础。Whittaker(1972)提出了三个生物多样性的概念：α多样性是指样方或者群落内部物种的多度，β多样性指的是不同样方之间物种组成的差异性，γ多样性指的是大区域内的多样性，相当于α和β多样性的组合。通过研究α多样性，我们可以直观比较不同栖息地之间的生物物种数量及多样性程度，α多样性值高的地区往往意味着更好的生境。通过研究β多样性，我们可以得知不同栖息地之间物种组成的差异，高的β多样性意味着两个样点物种组成区别更大。7月下旬，我们在老师们带领下到内蒙古多伦县开展科学考察活动，其中一项内容就是考察姑娘湖地区的植物和昆虫。姑娘湖位于内蒙古多伦县蔡木山自然保护区南缘，距多伦县城48公里。这里地处浑善达克沙地的边缘，是一处天然形成的湖泊，湖水清澈，不淤不漫。湖水中有鲤鱼、鲫鱼、华子鱼、鲶鱼等。这里的杨、桦、榆等天然次生林资源非常丰富，狍、獐、狐狸等野生动物繁多，是多伦县天然次生林资源和野生动物资源较为集中的地方。2图1姑娘湖鸟瞰我们来到姑娘湖边，爬上附近的一个小沙丘，自上而下俯瞰姑娘湖，发现姑娘湖是一个南北窄、东西长的月亮弯型的湖泊，她南面的草很矮小，离湖岸两米开外几乎寸草不生，全是裸露的沙石地，相反它北边的草要高大很多，也十分茂密，几乎没有裸露的地面。经过观察，我们发现这与人为活动有着很大关系：游客绝大部分都在南边游览、观赏，而植物茂密、昆虫繁多的北面几乎没有人去；南面的湖边甚至有几个烟熏火燎的烧烤摊，一群又一群的人围着烧烤摊吃吃喝喝，草丛中还有许多塑料瓶、纸巾、包装袋等垃圾。看到这些，我们不由得想：人为干扰对这里的生态环境究竟有多大的影响呢？为了更深入地理解这个问题，我们对姑娘湖南北两岸的草本植物和昆虫展开了调查，想通过分析计算地域的生物多样性指数，以期发现人们的旅游活动对环境所产生的影响。昆虫是世界上最多的真核生物，占所有物种的一半以上。许多昆虫对环境变化非常敏感，所以很多昆虫种类常常作为生物多样性的指示剂，如鞘翅目和鳞翅目的昆虫(Zouetal.2011)。相对于大型的哺乳动物来说，昆虫的采集比较简单，且由于昆虫数量众多，致死性的采集基本上也不会昆虫的种群造成影响。所以研究昆虫多样性能够快速的了解整个生态系统的状态。本课题的主要目的是比较人为干扰较大地区和人为干扰较小地区的草本植物和昆虫多样性的情况。在干扰较小的情况下，草本植物和昆虫的多样性是否高于干扰较大地区。另外，通过比较β多样性，了解两个地区的物种组成的差异性。2.方法2.1研究地点我们将样地选在了姑娘湖南岸及北岸草地离湖水2m处。此时的时间段为八月中旬，是游客最多的时候，同时对南岸草地的干扰度是最大的。而北岸因为游客较少，所以保持着相对原始的状态。两岸的气温在20-26摄氏度左右。我们7月21日开展了预实验，但由于没有找到技巧，实验设备也没有准备齐全，我们只是把样方中的每种植物拔一棵拍照做样本，并估算其在样方中的占地面积的百分比。但预实验的时候工作方法存在许多漏洞：首先我们选的样方的地点不好，由于姑娘湖边植物种类多样，3工作量太大，我们无法全都进行鉴定，我们这次只研究草本植物及昆虫，却把灌木也圈进了样方；其次，我们没有规范的样方框，所以用绳子拉出来的样方不一定是规范的正方形；然后，我们这种估算的方法不够准确，数据不具说服力；我们只是扫网捕捉飞行昆虫，无法捕捉地下的昆虫幼虫。发现了这几点问题，我们先回家查找了一些有关的文献，完善研究方案。准备好研究必备的工具后，我们8月下旬再次来到姑娘湖边。2.2取样方法我们将样地分为A、B两区，A区代表北岸的无人为干扰区，B区则代表南岸的人为干扰区。经过初步的测量，我们发现B区的植物高度集中在10cm以下，而A区的植物高度至少为50cm以上。图2姑娘湖两岸采样点我们利用已经做好的1mx1m的样方框把样地圈起来，然后用昆虫网在每块样方内无干扰扫50下网。在A区圈了2个样方，分别命名为A1、A2。在B区圈了3个样方，分别命名为B1、B2、B3。由于估算的方法不准确，我们决定把样方内的草皮挖出来，分类后一棵棵地数每种草本植物的数量。为避免时间不同而导致昆虫数量有变化，我们几乎是同一时间在每个样方扫网50下，在毒瓶中处死后倒进大指形管中保存，之后再开始铲草皮的。（插入照片）我们把每个样方铲下来的草皮各装进袋子并标上其编号，拿到一片空旷的地方。我们先统计A1样方，倒出标有A1袋子中的草皮，把同种植物从草皮上拔下来平铺在白纸上，放在一起，同时就开始计数了。刚开始我们没经验，举个例子：一人拿起一小块草皮，先数委陵菜，看到三棵并把它们拔出来，就在标有“委陵菜”的白纸上记“+3”，以此类推。但是这样的方法并不是最好的。因为这样的数法不仅效率不高，还容易数混。经过观察，我们发现样地中禾本科的植物是优势种。于是我们换了一种方式：一个人专职记录，其他人一起，先把草皮分成若干小块，每人各拿一块；之后，我们先数其中非禾本科的植物，把优势种——禾本科的留下。例如：数到三棵蒲公英，负责记录的同学会在标有蒲公英的纸上记“+3”，这样的流水作业大大提高了统计的效率。当然，遇到一些不太确定其种类的植物就连根拔出，拿给老师鉴定。把非禾本科的数完后，最后再数禾本科植物的数目就方便多了。（插入照片）在清点完毕植物种类和数量后我们将它们编上号。编号的规律是:样方-第几种植物-这种4植物的数量。例如A1-1-3就是A1样地的第一种植物，有三株。编完号的植物要拍照，然后做成植物标本。还有一些叫不出名字的植物就带回去请植物所老师帮忙鉴定植物名称。昆虫的分类方法是将一块样方内的所有昆虫倒入盛有干净酒精的托盘内。然后用镊子把昆虫分别夹入装了干净酒精的各种昆虫的小指形管中，同时计数。2.3数据分析采用内推和外推的稀疏曲线法(Colwelletal.2012)计算α多样性，利用欧氏距离（Euclideandistance）的相异性指数β多样性显示物种组成的相异性。所有的分析都在R语言程序软件中实现(RDevelopmentCoreTeam2011).3.结果3.1一般结果在五个样方，我们一共采集了包括金龟科、歩甲科、瓢虫科等24个科的昆虫，采集了包括禾本科、菊科、蒲公英等33个科的植物。表1姑娘湖昆虫数据统计表表2姑娘湖草本植物数据统计表。5图3A、B区昆虫和植物种类及数量比较图注：昆虫数量=昆虫实际数量÷10，植物数量=植物实际数量÷100。3.2昆虫的α多样性比较α多样性的计算采用了内推和外推的稀疏曲线法(Colwelletal.2012)。人为干扰较小的区域（A区域）采集的116个个体中，有19个物种；当外推到一倍的个体（332个个体）时，估计可以采集到24.6±8.3个物种。人为干扰较大的区域（B区域）的169个个体中，采集到了11个物种；当外推到338个个体时，只能采集到12.6±4.2个物种。从曲线上看，A区域曲线还是陡峭上升，说明物种数随着取样个体的增加还能显著提高。而B区域的曲线接近平缓，说明取样几乎完全了，再增加个体数的话物种数量并不会显著增加（图1）。稀疏曲线表明人为干扰较小的地区的α多样性显著高于干扰较大的地区。也就是说，干扰较小的A地区的物种种类多，其多样性显著高于干扰较大的B地区。图4.两个样地物种丰富度内推和外推曲线注：其中点代表实际观察的样本数量，实线代表内推曲线，虚线代表外延曲线，阴影部分代表误差。A区域是干扰较小的区域，B区域是干扰较大的区域0102030405060A1A2B1B2B3昆虫数量昆虫种类植物数量植物种类●●01020300100200300NumberofindividualsNumberofspeciesArea●●ABOrderABMethodinterpolationextrapoltion63.3昆虫和植被β多样性的比较β多样性主要关注于物种组成的相异性，采用了欧氏距离（Euclideandistance）的相异性指数，用非度量多维标度(NonmetricMultidimensionalScaling，NMDS)投影到二维的轴上，这样可以直观的看出样点之间物种组成差异情况。NMDS的二维投影图可以看出，无论对于昆虫（图5）还是植被（图6），A区域的两个样地在图上几乎靠在一起，说明A区域两个点的物种组成相似程度非常高。A区域的两个样点跟B区域的两个样点距离比较远，说明两个区域之间的物种组成差异很大。此外，B区域本身三个点之间的距离也很大，说明B区域的物种组成的差异性更高，人为选择性高。图5：昆虫的五个样点的物种组成的差异性；注：圆圈代表没有干扰的A区域，方框代表有干扰的B区域图6：植被的五个样点的物种组成的差异性注：圆圈代表没有干扰的A区域，方框代表有干扰的B区域74.讨论4.1在此次研究中，以姑娘湖的昆虫和植物为研究对象，考察了人为干扰对姑娘湖的生态系统的影响。对于姑娘湖来说，在人为干扰较大的区域生态系统可能比人为干扰较小区域更容易被破坏。A样方为人为干扰较小区，B样方为人为干扰较大区，从表面上A样方的植物数量与B样方的植物数量差不多，但实际上A样方的植物种类数要多于B样方的植物种类数。而B样方的植物株数明显比A样方的植物株数多，却不比其植物种类数多，是因为人为的踩踏导致植物种类比较单一，使得昆虫的栖息地片段化。人为干扰较小的A样地区域植物的高度普遍在50cm以上，而有人为干扰较大的B样地植物高度不会超过10cm。我们认为这是人为因素的影响之一。而在植物疏密的方面，人为干扰较大的B样地比人为干扰小的A样地的植物要稀疏，植物种类少，这说明人为干扰影响了植物的多样性。4.2在自然环境中，昆虫是世界上最多的真核生物，在生态系统中扮演各种重要的角色，占所有物种的一半以上。许多昆虫对环境变化非常敏感，所以昆虫种类常常作为生物多样性的指示剂，反应生态系统受影响的程度。在此次研究中，我们发现人为干扰较小的A区域的昆虫种类显著高于人为干扰较大的B区域,与A、B样区内植物种类数量相一致。说明当昆虫的栖息地—植物被破坏，片段化后，昆虫的种类和数量便随之发生变化，降低了其中昆虫的物种多样性。4.3人为干扰造成物种人为被选择。通过我们利用欧氏距离（Euclideandistance）的相异性指数显示了人为干扰较大的B区域，样点之间的物种差异比较大，说明在这个区域物种被人为选择了，可能与昆虫的栖息地——植物破碎化，对物种的生存产生不利的影响有关。昆虫在生态系统中扮演各种重要的角色，包括捕食者，植食者，腐食者等。低的昆虫物种多样性意味着生态系统更脆弱。而片段化的栖息地又能够进一步加速物种的灭绝，造成恶性循环。因此，减少人为干扰，保护姑娘湖的生态环境非