南水北调工程是我国跨区域、跨流域的战略性基础水利工程，也是有史以来最大的人工调水系统，规划最终每年调水规模448亿立方米以缓解黄淮海流域水资源短缺的严峻形势（图1）。由于输水量巨大，调水过程不可避免地携带大量水源地物种进行跨流域的运输和扩散，而目前国内外对人工调水造成的生物输送的研究极为欠缺，不利于科学评估和管理输水系统造成的水生态影响。由于人工调水系统的特殊性及对水资源管理的要求，难以使用基于捕获的传统调查方法开展大规模生物监测。近年来迅速发展的非损伤性、高效、灵敏的环境DNA（eDNA）技术有助于深入解析精细时空尺度的生物多样性分布模式。

图1. 南水北调中线工程 （图源网络）

2023年1月7日，北京大学生命科学学院和生态研究中心姚蒙课题组在国际重要环境科学期刊Journal of Environmental Management发表了题为“To the north: eDNA tracing of the seasonal and spatial dynamics of fish assemblages along the world's largest water diversion project”的研究论文。本研究以南水北调中线的鱼类为研究对象，在春、秋、冬三季对南起湖北丹江口水库、北至北京的总长度1,277公里的干渠进行了eDNA鱼类多样性分析（图2A），获得了南水北调中线鱼类多样性和群落组成的时空分布数据，并探究了可能影响鱼类跨流域运输的功能形状特征。

图2.（A）南水北调中线采样点；（B）各季各采样点检出鱼类MOTU数量

通过三个季节对中线10个代表性站位（倒虹吸、渡槽、地下暗渠、穿黄河前后等）采集水样提取eDNA，并结合宏条形码扩增和高通量测序，共鉴定获得属于6个目的45种鱼类MOTU（分子可操作分类单元）。分析显示南水北调中线沿线仅有11个鱼类MOTU在三个季节均有检出，鱼类多样性存在季节差异，其中秋季检测到鱼类多样性最高。鱼类多样性通常在进入水渠时最高（针对S01-S09），随之下降，在干渠水运输过程中鱼类物种数相对稳定（图2B）。

对各采样点鱼类多样性的差异进行beta多样性的拆分分析，结果显示采样点间的鱼类物种组成的空间差异主要来自于转换（Turnover）组分而非嵌套（Nestedness）组分（图3）。此外，在三个季节中均检测到鱼类群落组成在80 km范围内存在正向空间自相关，表明即使在封闭的人工水系中鱼类群落组成并非稳定不变，群落相似性随距离增加而衰减，超过80km群落相关性消失（图4）。

图3. 不同季节鱼类群落整体beta多样性及转换、嵌套组分与距离相关性分析

图4. 不同季节基于鱼类群落beta多样性的空间自相关分析

进一步对检测得到鱼类物种的9个生物学和生态学功能性状进行分析，对影响干渠中鱼类运输和存活的功能特征及可能的影响机制进行了探讨。通过对三个季节的Winners（即在干渠内检测到的鱼类，推测为可能在输水中存活的物种）和Losers（即仅在入渠口检测到但在干渠内未发现的鱼类，推测为未进入干渠或进入后迅速死亡的物种）的功能多样性分析表明，中小体型、食性为无脊椎动物、产沉性卵或亲砂石底质卵等性状可能有利于鱼类进入水渠并在输水系统中存活（图5），因而影响不同物种跨流域运输和扩散到水资源输入地的成功率。

图5. 中线干渠中潜在存活（Winners）和死亡（Losers）鱼类物种的功能性状分析

人工输水系统的水生态研究对于科学管理输水质量、评估水源地和受水地区的生态影响以及保障输水系统的可持续服务具有重要意义。本研究揭示了南水北调中线干渠中鱼类多样性和群落组成的时空变化模式，并提供了可能影响鱼类物种跨流域运输的功能性状信息，研究结果为南水北调的生态管理提供了重要信息。此外，本研究方法为评估迅速增长的全球人工引水工程的生态影响提供了借鉴，并对模拟和预测由于输水工程造成的外来物种入侵具有指导价值。

论文第一作者张姗在采集南水北调水样品（左）；采样人员合影（右）

北京大学生命科学学院博士后张姗为本论文的第一作者，姚蒙为论文的通讯作者，中科院水生生物研究所的毕永红研究员对本研究做出重要贡献。该研究得到了国家自然基金委青年基金、云南社会发展项目、生科院启东产业创新基金等的资金支持。感谢水生所的同学们对样品采集的帮助。

原文链接：

Zhang S, Bi Y, Zhao J, Yao M* (2023) To the north: eDNA tracing of the seasonal and spatial dynamics of fish assemblages along the world’s largest water diversion project. Journal of Environmental Management, 331:117217.

https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.117217