利用传统方法和环境DNA宏条形码技术评估城市化对鱼类多样性和河流生态健康的影响

《Regional Studies in Marine Science》：Evaluating the effects of urbanization on fish diversity and river ecological health using traditional and environmental DNA metabarcoding methods

本研究通过整合环境DNA（eDNA） metabarcoding与传统方法，评估了新疆河流英墩段的鱼类多样性和水生态健康。结果表明：eDNA检测到的鱼类物种数显著高于传统方法，城市化导致外来物种入侵，化学需氧量（COD）和水温是影响鱼类群落结构的关键因素，整体生态健康状态为“亚健康”，山区优于农业区。

　　本研究聚焦于新疆河 Yingtan 河段的鱼类多样性及其水生态健康状况，通过结合传统方法与环境DNA（eDNA）元条形码技术，为河流生态系统的保护和管理提供了新的视角。新疆河作为鄱阳湖的第二大支流，具有重要的生态和经济功能，包括防洪、供水和航运。同时，它也是重要的淡水渔业资源。近年来，由于人类活动的加剧，特别是城市化进程的快速发展，该河段的鱼类资源出现了显著下降，鱼类种群结构也发生了变化，因此亟需采取有效的措施来保护和恢复鱼类资源，并开发新的非侵入式鱼类监测技术。

在传统的鱼类调查方法中，主要依赖于形态学鉴定，这种方法虽然在一定程度上能够提供鱼类的种类信息，但存在诸多局限性。例如，形态学鉴定不仅耗时耗力，而且在采样过程中可能会对鱼类造成伤害，进而影响河流生态系统的稳定性。此外，形态学鉴定需要较高的专业知识，且对于一些形态相似或幼年阶段的鱼类难以准确识别。这些问题限制了传统方法在大规模、高频次鱼类监测中的应用，尤其是在生态环境复杂、鱼类种类繁多的河流系统中。

相比之下，环境DNA元条形码技术为鱼类监测提供了一种更为高效、非侵入且环保的解决方案。该技术通过从水体中提取环境DNA，结合PCR扩增和高通量测序技术，能够快速识别多种生物类群，包括鱼类。这种方法不仅避免了对鱼类的直接采样，从而减少了对生态系统的干扰，还能够检测到传统方法可能遗漏的稀有或隐秘物种。此外，eDNA技术的应用使得研究人员能够在不破坏生态环境的前提下，获取更全面的生物多样性数据，为生态评估和生物多样性保护提供了强有力的支持。

在本研究中，通过eDNA元条形码技术，研究人员共检测到114种鱼类，其中104种为本地物种，10种为外来物种。而在同一区域采用传统方法进行调查时，所检测到的鱼类种类数量明显少于eDNA方法的结果。这一发现表明，eDNA技术在鱼类多样性监测方面具有更高的灵敏度和效率，能够更全面地反映河流生态系统中的生物组成。同时，研究还发现，在农业区、城市区和山区中，eDNA方法检测到的鱼类种类数量存在显著差异。农业区检测到的鱼类种类最多，达到110种，其中包含10种外来物种；城市区的鱼类种类数量次之，为104种，同样包含10种外来物种；山区则排在第三位，检测到97种鱼类，其中9种为外来物种。这一结果进一步说明了外来物种对鱼类社区结构的影响，尤其是在城市化程度较高的区域。

城市化是影响河流生态系统健康的重要因素之一。随着城市规模的扩大，河流周边的土地利用模式发生了显著变化，如建筑用地的增加、农业活动的扩展以及自然景观的破坏。这些变化不仅改变了河流的物理环境，如水温、流速和水质，还引入了外来物种，对本地鱼类种群构成威胁。研究结果表明，城市化过程对鱼类社区结构产生了显著影响，主要体现在外来物种的入侵和本地物种的减少上。例如，在城市区，外来物种的种类和数量均高于其他区域，这可能与城市化带来的水体污染、栖息地破碎化以及人类活动干扰有关。

为了更深入地理解城市化对鱼类社区的影响，研究人员还进行了冗余分析（RDA），以确定哪些理化参数对鱼类社区结构具有关键作用。分析结果显示，化学需氧量（COD）和水温是影响鱼类社区的主要因素。COD是衡量水体有机污染程度的重要指标，其升高通常意味着水体中有机物的积累，这可能对鱼类的生存环境造成不利影响。而水温的变化则直接影响鱼类的代谢率、繁殖能力和分布范围，尤其是在温带河流中，水温的波动可能导致某些鱼类种群的减少或迁移。这些理化参数的变化可能是城市化过程中土地利用模式转变和人类活动增加的直接后果。

除了城市化对鱼类社区的影响，研究还通过鱼类生物完整性指数（FIBI）对水生态健康状况进行了评估。FIBI是一种综合性的生态评估工具，能够反映水体中鱼类种群的健康状况以及整个生态系统的功能完整性。研究结果显示，Yingtan 河段的水生态健康状况总体为“次健康”，其中山区的水生态健康状况最好，城市区次之，而农业区的水生态健康状况最差。这一结果表明，不同土地利用类型对河流生态系统的健康状况具有不同的影响。山区由于植被覆盖率高，水体受到的污染相对较少，生态系统较为稳定；而城市区虽然在某些方面具有较高的生态健康值，但仍然受到人类活动的显著影响；农业区则因农药、化肥等农业污染物的排放，导致水体质量下降，进而影响鱼类的生存环境。

在实际应用中，eDNA元条形码技术不仅能够用于鱼类多样性监测，还具有广泛的应用前景。例如，在入侵生物学研究中，eDNA技术可以快速识别外来物种，为生物入侵的防控提供数据支持；在生物多样性保护中，该技术能够帮助研究人员了解生态系统中物种的组成和分布，为制定保护策略提供依据；在生态管理中，eDNA技术可以用于评估河流生态系统的健康状况，监测环境变化对鱼类种群的影响，并为生态修复提供指导。此外，eDNA技术的非侵入性和高效性使其在大规模生态调查中具有显著优势，能够显著降低监测成本和时间，提高数据的准确性和完整性。

本研究的发现对新疆河流域的鱼类资源保护和生态管理具有重要的指导意义。首先，研究结果表明，eDNA技术在鱼类多样性监测中具有更高的效率和灵敏度，能够更全面地反映水体中的生物组成，为生物多样性研究提供了新的工具。其次，城市化对鱼类社区结构的影响不容忽视，特别是在外来物种入侵方面，城市区的鱼类多样性受到了较大冲击。因此，在城市化进程中，应加强对外来物种的监测和防控，避免其对本地鱼类种群造成进一步威胁。同时，农业区的水生态健康状况较差，提示需要采取措施改善水质，减少农业污染物的排放，以保护鱼类资源和生态系统的完整性。

此外，本研究还强调了理化参数对鱼类社区结构的影响，尤其是化学需氧量和水温的变化。这些参数的变化可能是城市化过程中土地利用模式转变和人类活动增加的直接后果。因此，在城市规划和土地管理过程中，应充分考虑这些理化参数的变化趋势，采取相应的措施来改善水体环境，提高水生态系统的稳定性。例如，可以通过建设污水处理设施、推广生态农业等方式，减少污染物的排放，提高水体的自净能力，从而改善鱼类的生存环境。

综上所述，本研究通过结合eDNA元条形码技术与传统方法，对新疆河Yingtan河段的鱼类多样性及其水生态健康状况进行了系统评估。研究结果不仅揭示了城市化对鱼类社区结构的显著影响，还突显了eDNA技术在鱼类监测和生态评估中的重要价值。未来，随着eDNA技术的不断发展和完善，其在生态学研究和环境管理中的应用将更加广泛。通过进一步推广和优化eDNA技术，研究人员能够更高效、准确地评估水体中的生物多样性，为生态保护和可持续发展提供科学依据。同时，结合传统方法的优势，形成多元化的监测体系，将有助于全面了解河流生态系统的动态变化，为制定科学的保护和管理策略提供支持。