CN106093365A - 一种珍稀水禽生态健康评价的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种珍稀水禽生态健康评价的方法，包括以下步骤：S1：对珍稀水禽胃部残留物分析以及粪便成份进行分析；S2：利用同位素检测技术分析水禽栖息地典型的生物种类以及珍稀水禽本身的δ¹⁵Nδ¹³C以及δ³³S特征；S3：使用珍稀水禽的体外组织富集的重金属的水平来指示珍稀水禽体内某些污染物富集较敏感的器官组织的富集状况指示；S4：采集珍稀水禽的体外组织，测定体外组织所富集的典型重金属含量水平，参考已有重金属元素产生副作用的临界含量获得实验样本珍稀水禽的生态健康状况。本发明提出的方法，在不影响种群的稳定和违反法律的情况下准确测定珍稀水禽体内Cd的富集程度，并能反应种群的生态健康状况。

Description

一种珍稀水禽生态健康评价的方法

技术领域

本发明涉及环境毒理学领域，尤其涉及一种珍稀水禽生态健康评价的方法。

背景技术

我国湿地面积约6594万公顷。这些湿地沼泽成为很多珍稀水禽的栖息地和繁殖地。近年来受人为强烈干扰和自然因素双重作用下，湿地的生态环境质量发生了明显的退化，这也导致Cd等重金属在该湿地中富集。在很多珍稀水禽的繁殖地、迁徙中途停歇地和越冬地都有因Cd等重金属中毒死亡的记录。这可能是很多珍稀水禽种群数量和规模急剧减少，甚至濒临灭亡的一个原因。但是由于这些珍稀水禽(尤其是濒危珍稀水禽)数量稀少且受到法律的保护，人们很难获得相应的生物样本和进行相关的监测实验，使得珍稀水禽受环境污染的胁迫状况以及其生态健康状况很难被人们了解。这直接导致了迄今尚未见有关该区域以珍稀水禽的生态健康为主题的研究，如何测定野生珍稀水禽体内的Cd所富集的程度，但是又不至于影响它们种群的稳定和违反法律成为整个世界珍稀水禽生态健康研究以及生态保护需要解决的至关重要的问题。

国外的研究已经证实，水禽的羽毛发育形成阶段，体内的重金属往往能够通过血液循环转移部分到羽毛当中，因此鸟类的羽毛可以作为这种鸟富集重金属特征的指示物。此外，也有学者则更选择使用鸟类孵化残留的蛋壳的重金属含量来指证动物体内的水平。不同鸟类从 相同环境中富集重金属的水平存在差异，另外不同鸟类面对同一种重金属污染的毒性影响阈值存在差异。同时，不同重金属对鸟类的生态健康的影响程度也不同。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种珍稀水禽生态健康评价的方法。

一种珍稀水禽生态健康评价的方法，包括以下步骤：

S1：对珍稀水禽胃部残留物分析以及粪便成份进行分析；

S2：利用同位素检测技术分析水禽栖息地典型的生物种类以及珍稀水禽本身的δ¹⁵N、δ¹³C以及δ³³S特征，包括珍稀水禽在内的整个生态食物网结构变化的特征；

S3：使用珍稀水禽的体外组织富集的重金属的水平来指示珍稀水禽体内某些污染物富集较敏感的器官组织的富集状况指示；

S4：采集珍稀水禽的体外组织，测定体外组织所富集的典型重金属含量水平，参考已有重金属元素产生副作用的临界含量获得实验样本珍稀水禽的生态健康状况。

优选的，所述δ¹⁵N、营养位、δ¹³C以及δ³³S的计算公式为：

${\mathrm{\δ}}^{15}N=\[\frac{N_{Sample}}{N_{S\tan dard}}-1\]\×1000$

$N_{sample}=\frac{{N_{15}}_{Sample}}{{N_{14}}_{Sample}}$

$N_{\tan dard}=\frac{{N_{15}}_{S\tan dard}}{{N_{14}}_{S\tan dard}}$

其中，¹⁵N_sample为样品中¹⁵N同位素的量；

¹⁵N_tandard为标准中¹⁵N同位素的量；

¹⁴N_sample为样品中¹⁴N同位素的量；

¹⁴N_tandard为标准中¹⁴N同位素的量；

其中，δ¹⁵N_consumer为消费者的氮同位素丰度；

δ¹⁵N_baseline为初级消费者的氮同位素丰度；

${\mathrm{\δ}}^{13}C=\[\frac{C_{Sample}}{C_{S\tan dard}}-1\]\×1000$

其中，C_sample为样品中C的量；

C_tandard为标准中C的量；

${\mathrm{\δ}}^{33}S=\[\frac{S_{Sample}}{S_{S\tan dard}}-1\]\×1000$

其中，S_sample为样品中S的量；

S_tandard为标准中S的量。

优选的，所述Shanno-Weaver多样性指数和Pielou均匀度指数的计算公式为：

Shanno-Weaver多样性指数：

$H^{\′}=-\underset{i=1}{\overset{s}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i{\log }_2{P}_i$

Pielou均匀度指数：

$J=\frac{H}{{\log }_{2}N}$

其中，S为总种数；

N为所有种个体总数；

P_i为第i种个体数量在总个体数量中的比例。

本发明提出的珍稀水禽生态健康评价的方法，能够在不影响种群的稳定和违反法律的情况下准确测定珍稀水禽体内Cd的富集程度，通过重金属Cd沿着珍稀水禽种群的栖息地的食物网进行迁移和富集的特点，同时结合珍稀水禽的体外组织富集重金属Cd水平共同反应其种群的生态健康状况，本发明可为环境污染对珍稀水禽生态健康的潜在风险研究提供一种新思路，方法客观准确，环境生态学意义明确。

附图说明

图1为本发明提出的一种珍稀水禽生态健康评价的方法的技术路线图；

图2为底泥、芦苇、水生动物以及丹顶鹤样品采集点分布图；

图3为生态系统在食物链各组份稳定同位素特征(a，b)以及年际变动(c，d)；

图4为扎龙湿地系统中典型生物种群的营养位；

图5为丹顶鹤体外组织和体内组织富集Cd水平的相关图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。

本发明提出的一种珍稀水禽生态健康评价的方法，包括以下步骤：

S1：对珍稀水禽胃部残留物分析以及粪便成份进行分析，利用意外死亡的珍稀水禽样本进行解剖，在解剖的时候需要把口至小肠包括胃和沙囊部分都截取下来，胃部用手术刀片剖开后把其中的残留物用 70％浓度的酒精洗到烧杯当中，食物成份分为：植物、动物和矿物质3大类，矿物质的粒径使用湿筛法进行确定，烘干后分别确定0.2～2mm的粗砂，2～5mm的细砾，以及5～10mm的中等砾石的重量并确定其比例，收集珍稀水禽巢穴富集的保存完好的粪便，在野外用镊子小心的把这些粪便收集起来并称重，然后带回室内进行食性鉴定，带回室内后进行风干，碾碎，使用放大镜和显微镜进行成份鉴定；

S2：利用同位素检测技术分析水禽栖息地典型的生物种类以及珍稀水禽本身的δ¹⁵N、δ¹³C以及δ³³S特征，包括珍稀水禽在内的整个生态食物网结构变化的特征；

S3：使用珍稀水禽的体外组织富集的重金属的水平来指示珍稀水禽体内某些污染物富集较敏感的器官组织的富集状况指示；

S4：采集珍稀水禽的体外组织，测定体外组织所富集的典型重金属含量水平，参考已有重金属元素产生副作用的临界含量获得实验样本珍稀水禽的生态健康状况。

本发明中，所述δ¹⁵N、营养位、δ¹³C以及δ³³S的计算公式为：

${\mathrm{\δ}}^{15}N=\[\frac{N_{Sample}}{N_{S\tan dard}}-1\]\×1000$

$N_{sample}=\frac{{N_{15}}_{Sample}}{{N_{14}}_{Sample}}$

$N_{\tan dard}=\frac{{N_{15}}_{S\tan dard}}{{N_{14}}_{S\tan dard}}$

其中，¹⁵N_sample为样品中¹⁵N同位素的量；

¹⁵N_tandard为标准中¹⁵N同位素的量；

¹⁴N_sample为样品中¹⁴N同位素的量；

¹⁴N_tandard为标准中¹⁴N同位素的量；

其中，δ¹⁵N_consumer为消费者的氮同位素丰度；

δ¹⁵N_baseline为初级消费者的氮同位素丰度；

${\mathrm{\δ}}^{13}C=\[\frac{C_{Sample}}{C_{S\tan dard}}-1\]\×1000$

其中，C_sample为样品中C的量；

C_tandard为标准中C的量；

${\mathrm{\δ}}^{33}S=\[\frac{S_{Sample}}{S_{S\tan dard}}-1\]\×1000$

其中，S_sample为样品中S的量；

S_tandard为标准中S的量。

本发明中，所述Shanno-Weaver多样性指数和Pielou均匀度指数的计算公式为：

Shanno-Weaver多样性指数：

$H^{\′}=-\underset{i=1}{\overset{s}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i{\log }_2{P}_i$

Pielou均匀度指数：

$J=\frac{H}{{\log }_{2}N}$

其中，S为总种数；

N为所有种个体总数；

P_i为第i种个体数量在总个体数量中的比例。

本发明中选择丹顶鹤作为典型的珍稀水禽代表，并在扎龙湿地布 设19个取样点取底泥、芦苇以及典型的水生动物，其中S1和S2样点位于湿地上游，S3～S10、S15和S16位于扎龙保护区缓冲区A，S11～S14、S17和S18位于保护区核心区，S19点位于缓冲区B，实验采集了6大类水生动物，包括3种无脊椎动物：蚯蚓、水螺、龙虱以及蜻蜓和3种鱼：鲤鱼、泥鳅以及老头鱼，并且所有样品通过蒸馏水清洗后，放置于冷藏环境运回实验室。

对样品进行食性调查，结果见下表：

表1丹顶鹤栖息地生物多样性调查

从表1可以看出，丹顶鹤觅食地的植物组成部分是芦苇和苔草，不同样地存在明显的变化；水生动物则主要包括老头鱼、龙虱和水螺等种属，另外蜻蜓也是常见的动物。根据野外观察，这些植物和动物都是丹顶鹤常见的食物种类。

表2丹顶鹤的胃容物的重量统计(干重，n＝3)

从表2可知，丹顶鹤的胃部残留物重量在10.62～26.32g之间，且以砂粒为主(占87％)，残留的食物的重量不到13％。残留食物组份包括植物种子、根茎、玉米、以及水生动物(鱼和贝类)。

表3丹顶鹤粪便的物理组成

根据表3可知，丹顶鹤粪便残留物存在植物根茎以及鱼和甲壳类动物残体。

参照图2，并结合表2、表3可知，丹顶鹤的食物组成包括植物和水生动物，并且从重量来看植物明显多于动物。玉米、种子和芦苇组织(根/茎)的残体是植物主要种类。动物残体包括底栖动物和浮游动物，其中底栖类(水螺和龙虱)为主要组成。

对样品的食物网结构进行研究，实验结果如下：

参照图3，从图3a可见，研究区各组分的碳同位素丰度为-30‰～-18‰之间，不同物种的碳同位素丰度变化较大，藻类、水螺和龙虱以及鱼类脂肪的碳同位素丰度变动较大。含脂量较高的龙虱、鱼和鸟类的脂肪部分的碳同位素丰度都明显低于其它物种以及同类其它组织(器官)。水螺、藻类、鱼以及4种水禽的碳同位素丰度较为相似(-20‰左右)。从图3b可知，常见物种的氮同位素丰度为3.2‰～9.8‰，表现为植物(3.2～4.8‰)＜水生动物(4.1～6.3‰)＜鸟类(7.8～9.8‰)。藻类的氮同位素丰度最低，东方白鹳的氮同位素丰度最高(9.8‰)，丹顶鹤(7.8‰)、野鸭(8.4‰)和白枕鹤(8.2‰)三种群的氮同位素丰度较为相似。另外，从图3cd两部分看出两种同位素的丰度还表现出一定的年际波动特征，其中碳稳定同位素的波动在6‰左右，氮的稳定同位素波动范围在1.2‰左右。

图4为研究区近年来各种群所处的营养位分布情况。从图可见，扎龙湿地整个生态系统为4级营养关系，属于复杂的生态系统。底栖动物：水螺、龙虱和泥鳅的营养位处于正跟他生物种群的底层，营养位都在2.5以下。鱼类的平均营养位2.7，但是尺寸和种类对营养位的影响较大，个体大的鱼营养位较高(最高营养位在3以上)，尺寸较小的个体以及以藻类为食的鱼的营养位则较低，甚至和泥鳅的营养位相近。鸟类的营养位在3.0以上，其中丹顶鹤的营养位为3.1±0.2，东方白鹳的营养位最高(为3.9±0.2)。

结合食性调查以及同位素监测结果可以断定，丹顶鹤是杂食动 物，植物根、茎和种子是植物类的主要食物来源，水生动物(例如鱼和软体动物)是丹顶鹤的主要食物来源。这些食物种类富集的重金属情况直接决定着丹顶鹤体内Cd的富集水平以及生态健康状况。

对样品的重金属沿着食物网的富集与丹顶鹤生态健康的评价，结果如下：

参照图5，可见，丹顶鹤的羽毛富集的Cd与体内肝脏以及肾脏体内的Cd浓度成显著的正相关。蛋壳富集的Cd与体内组织的Cd浓度关系不明显。

表4研究区采集的底泥-芦苇(根系)-水生动物的Cd浓度(底泥浓度单位：mg kg^-1，其余浓度为μg kg^-1)

其中，上角标a为浓度超过可能影响水平；上角标b为对农业经济作物产生影响的水平；上角标c为水生动物体内浓度超过安全阈值。

从表4可知，Cd在扎龙湿地中富集了一定程度的Cd，上游地区 以及缓冲区底泥中Cd浓度均超过了背景值数倍，甚至达到了影响生态安全的阈值界限。植物(芦苇根)容易富集Cd，水生动物体内也富集一定的Cd，且缓冲区A所捕获的水螺体内的Cd的最高浓度为53.26mg/kg，却超过了安全浓度(50mg/kg)。

表5鸟类组织Cd暴露阈值以及野生丹顶鹤富集Cd水平(n＝8)

其中：*为浓度超过安全阈值。

参照表5，可见随着食物营养位的增加，有机体内Cd浓度逐渐增加，表现出明显的富集特征。表5为丹顶鹤体外组织和体内组织富集Cd浓度以及根据羽毛富集的Cd浓度进行的预测值。根据表5可知，所采集的8份样品中羽毛和蛋壳的平均值都超过Cd的环境暴露值，而且丹顶鹤肝脏体内Cd富集的最高值也超过了Cd的环境暴露阈值。但是肾脏以及肝脏的平均Cd浓度低于环境暴露值，且所有组织的Cd浓度远远低于Cd中毒的范围。根据丹顶鹤羽毛和肝脏以及肾脏富集Cd的关系，本发明进一步进行丹顶鹤体内富集Cd浓度的预测。预测结果也表明，个体丹顶鹤肝脏体内富集Cd浓度已经超过了环境暴露阈值，与实测值较为一致，偏差小于10％。丹顶鹤典型食物富集的Cd绝大部分都低于环境暴露值，因此本地区丹顶鹤体内的Cd水平整体 低于环境暴露水平，尚未受到明显的Cd暴露风险。但是部分底泥以及水生动物以及丹顶鹤个体存在环境暴露的风险。因此该区域应当增强环境污染物(尤其是含Cd的污染物)排放的治理，以更好的保护丹顶鹤种群。

本发明提出的珍稀水禽生态健康评价的方法，能够在不影响种群的稳定和违反法律的情况下准确测定珍稀水禽体内Cd的富集程度，通过重金属Cd沿着珍稀水禽种群的栖息地的食物网进行迁移和富集的特点，同时结合珍稀水禽的体外组织富集重金属Cd水平共同反应其种群的生态健康状况，本发明可为环境污染对珍稀水禽生态健康的潜在风险研究提供一种新思路，方法客观准确，环境生态学意义明确。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种珍稀水禽生态健康评价的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：对珍稀水禽胃部残留物分析以及粪便成份进行分析；

S2：利用同位素检测技术分析水禽栖息地典型的生物种类以及珍稀水禽本身的δ¹⁵N、δ¹³C以及δ³³S特征，包括珍稀水禽在内的整个生态食物网结构变化的特征；

S3：使用珍稀水禽的体外组织富集的重金属的水平来指示珍稀水禽体内某些污染物富集较敏感的器官组织的富集状况指示；

S4：采集珍稀水禽的体外组织，测定体外组织所富集的典型重金属含量水平，参考已有重金属元素产生副作用的临界含量获得实验样本珍稀水禽的生态健康状况。

2.根据权利要求1所述的一种珍稀水禽生态健康评价的方法，其特征在于，所述δ¹⁵N、营养位、δ¹³C以及δ³³S的计算公式为：

${\mathrm{\δ}}^{15}N=\[\frac{N_{Sample}}{N_{S\tan dard}}-1\]\×1000$

$N_{sample}=\frac{{N_{15}}_{Sample}}{{N_{14}}_{Sample}}$

$N_{\tan dard}=\frac{{N_{15}}_{S\tan dard}}{{N_{14}}_{S\tan dard}}$

其中，¹⁵N_sample为样品中¹⁵N同位素的量；

¹⁵N_tandard为标准中¹⁵N同位素的量；

¹⁴N_sample为样品中¹⁴N同位素的量；

¹⁴N_tandard为标准中¹⁴N同位素的量；

其中，δ¹⁵N_consumer为消费者的氮同位素丰度；

δ¹⁵N_baseline为初级消费者的氮同位素丰度；

${\mathrm{\δ}}^{13}C=\[\frac{C_{Sample}}{C_{S\tan dard}}-1\]\×1000$

其中，C_sample为样品中C的量；

C_tandard为标准中C的量；

${\mathrm{\δ}}^{33}S=\[\frac{S_{Sample}}{S_{S\tan dard}}-1\]\×1000$

其中，S_sample为样品中S的量；

S_tandard为标准中S的量。

3.根据权利要求1所述的一种珍稀水禽生态健康评价的方法，其特征在于，所述生物种类的分析主要通过Shanno-Weaver多样性指数和Pielou均匀度指数进行生物多样性分析，所述Shanno-Weaver多样性指数和Pielou均匀度指数的计算公式为：

Shanno-Weaver多样性指数：

$H^{\′}=-\underset{i=1}{\overset{s}{\Σ}}{P}_i{\log }_2{P}_i$

Pielou均匀度指数：

$J=\frac{H}{{\log }_{2}N}$

其中，S为总种数；

N为所有种个体总数；

P_i为第i种个体数量在总个体数量中的比例。