異質(zhì)性的水生態(tài)學(xué)論文范文

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1數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1．1研究區(qū)概況

黑河流域是我國(guó)西北干旱地第二大內(nèi)陸河流域，地跨青海、甘肅和內(nèi)蒙古3個(gè)省區(qū)，流域面積14．2萬(wàn)km2，干流全長(zhǎng)821km。黑河流域地勢(shì)上呈現(xiàn)南高北低的特點(diǎn)，流域平均海拔高度為3600m，相對(duì)高差3000m左右，較大的海拔高差使得流域生態(tài)格局、氣候狀況具有明顯的垂直地帶性，整個(gè)黑河流域自南向北依次可劃分為:上游祁連山山區(qū)水源涵養(yǎng)區(qū)、中游張掖人工農(nóng)業(yè)綠洲區(qū)和下游額濟(jì)納旗沙漠綠洲區(qū)三個(gè)典型區(qū)域［7］。上游祁連山區(qū)年降水量相對(duì)較高，處于300～500mm之間，中游河西走廊地區(qū)年降水量100～250mm，而下游額爾濟(jì)納旗綠洲區(qū)域降水量不足45mm，屬于極端干旱荒漠區(qū)域。黑河流域發(fā)源于上游祁連山山區(qū)約有35條主要河流，流域多年平均水資源總量41．73億m3，其中出山徑流量占88．26%。

1．2數(shù)據(jù)來(lái)源

本文水生態(tài)系統(tǒng)及河流水環(huán)境等數(shù)據(jù)主要來(lái)源于野外實(shí)地調(diào)查和采樣分析。按照典型性、代表性和可操作性的原則，根據(jù)流域水生態(tài)系統(tǒng)不同類型設(shè)置了采樣斷面，共設(shè)置了94個(gè)水生態(tài)系統(tǒng)采樣點(diǎn)(圖1)。樣品采集與分析方法主要依據(jù)水生生物調(diào)查有關(guān)技術(shù)規(guī)范［8］。在野外水生態(tài)調(diào)查過(guò)程中，對(duì)河流底質(zhì)、流速、水深進(jìn)行了同步測(cè)定，并采集了河流水質(zhì)、底質(zhì)樣品。按照有關(guān)測(cè)試分析標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成N、P等生源要素的測(cè)試分析。

1．3研究方法

1．3．1指標(biāo)因子歸一化為消除環(huán)境因子指標(biāo)量綱差異的影響，客觀分析指標(biāo)空間上影響特征，需進(jìn)行指標(biāo)歸一化和標(biāo)準(zhǔn)化處理。在指標(biāo)歸一化處理中，考慮各個(gè)指標(biāo)對(duì)于水生態(tài)系統(tǒng)作用特征，對(duì)于流域水生態(tài)系統(tǒng)生長(zhǎng)發(fā)育具有正相關(guān)的指標(biāo)采用公式(1)，呈負(fù)相關(guān)的指標(biāo)則采用公式(2)，從而使得轉(zhuǎn)換后的環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)X''''越大時(shí)，該指標(biāo)對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的生長(zhǎng)發(fā)育等作用就越有利。利用上述歸一化公式，對(duì)環(huán)境因子的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。在完成指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后，采用Arc-GIS樣條空間插值法進(jìn)行柵格化處理，為環(huán)境因子與水生態(tài)系統(tǒng)異質(zhì)性特征分析提供分析數(shù)據(jù)。

1．3．2空間主成分分析考慮到部分環(huán)境因子之間存在一定的相關(guān)性，為消除信息冗余，突出關(guān)鍵環(huán)境因子信息，通過(guò)對(duì)環(huán)境因子主成分分析(PCA)指標(biāo)降維，可獲得相對(duì)彼此獨(dú)立的因子。本文利用ArcGIS地理信息系統(tǒng)軟件中PrincipalComponents工具，對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了空間主成分因子轉(zhuǎn)換。

1．3．3典范對(duì)應(yīng)分析典范對(duì)應(yīng)分析(CCA)是一種數(shù)量排序分析方法，是從對(duì)應(yīng)分析發(fā)展而來(lái)的。在該排序方法中，通過(guò)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)分析與多元回歸的結(jié)合，從而詳細(xì)地研究生物群落與環(huán)境因子之間的相互作用關(guān)系。由于典范對(duì)應(yīng)分析可以將多個(gè)環(huán)境因子結(jié)合在一起進(jìn)行分析，這與直接梯度分析不同，CCA分析結(jié)果直觀明顯，可以更好地反映生物群落與環(huán)境的作用關(guān)系［9］，為研究水生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境因子間的復(fù)雜關(guān)系提供了有利工具。本文采用Cannoca典范對(duì)應(yīng)分析軟件(Cannocaforwindows4．5)，對(duì)流域水生生物物種數(shù)據(jù)和環(huán)境因子數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)分析。水生生物物種數(shù)據(jù)采用物種數(shù)及生物密度數(shù)據(jù)，利用lg(x+1)進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和處理，使之更趨于正態(tài)分布［12］。

2結(jié)果與分析

2．1流域水生態(tài)系統(tǒng)空間異質(zhì)性特征

根據(jù)野外調(diào)查及實(shí)驗(yàn)室水生生物樣品鑒定，對(duì)黑河流域水生生物種類、數(shù)量及優(yōu)勢(shì)物種特征進(jìn)行了整理分析。經(jīng)統(tǒng)計(jì)整理，黑河流域調(diào)查到浮游植物8門98屬231種，其中，硅藻為流域廣布種，占總浮游植物物種數(shù)42．42%。尺骨針桿藻(Synedraul-na(Nitzsch．))、膜孔平板藻(Tabellariafenestrata)和無(wú)常藍(lán)纖維藻(Dactylococcopsisirregularis)為流域內(nèi)浮游藻類的優(yōu)勢(shì)種。黑河流域調(diào)查到浮游動(dòng)物4門44種，其中，原生動(dòng)物為流域優(yōu)勢(shì)類群，共計(jì)20種，占流域總物種數(shù)45．45%。黑河流域調(diào)查到底棲動(dòng)物5門17種，其中，水生昆蟲(chóng)為流域的優(yōu)勢(shì)類群，共11種，占總物種數(shù)64．71%。黑河流域共調(diào)查到19種魚類，其中，野生種類13種，主要以鯉科和高原鰍為主;人工養(yǎng)殖魚類6種，人工養(yǎng)殖魚類主要分布于水庫(kù)、人工池塘或湖泊等水體。利用ArcGIS空間分析與處理技術(shù)，對(duì)黑河流域各個(gè)采樣點(diǎn)調(diào)查到浮游植物、浮游動(dòng)物、底棲動(dòng)物和魚類等水生生物的種類數(shù)或物種密度數(shù)據(jù)，進(jìn)行空間化處理，得到黑河流域水生態(tài)系統(tǒng)空間異質(zhì)性特征(圖2)。可以看出，黑河流域水生態(tài)系統(tǒng)空間分布上具有流域中上游地區(qū)物種數(shù)量相對(duì)較多，而下游區(qū)域相對(duì)較少的特點(diǎn)。

2．2環(huán)境因子及其影響特征分析

2．2．1環(huán)境因子及其生態(tài)表征影響流域水生態(tài)系統(tǒng)空間異質(zhì)性的流域環(huán)境因子是多方面的，具有多樣性和復(fù)雜性的特點(diǎn)［13－15］。為分析不同環(huán)境因子對(duì)于流域水生態(tài)系統(tǒng)的作用關(guān)系，需要構(gòu)建影響流域水生態(tài)系統(tǒng)異質(zhì)性的環(huán)境因子指標(biāo)體系。結(jié)合黑河流域以往開(kāi)展的生態(tài)功能區(qū)劃、自然地理區(qū)劃以及河流水功能區(qū)劃等區(qū)劃指標(biāo)，以及黑河流域干旱區(qū)流域的特點(diǎn)，從氣象氣候、地形地貌、水文、植被等方面，建立了影響流域水生態(tài)特征的指標(biāo)體系，主要包括多年平均降水量(P)、多年平均氣溫(T)、多年平均蒸發(fā)量(E)、多年平均干旱指數(shù)(D)、平均徑流深度(R)、絕對(duì)高度(DEM)、相對(duì)高度、坡向(PECT)、坡度(SLOP)、凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)、植被指數(shù)(NDVI)等，共11個(gè)指標(biāo)。通過(guò)對(duì)各指標(biāo)的作用特點(diǎn)分析［20－21］，概括出不同環(huán)境因子對(duì)于水生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)表征特征(表1)。

2．2．2環(huán)境因子相互作用關(guān)系分析為識(shí)別各個(gè)環(huán)境因子之間的相互作用關(guān)系，在對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，采用探索性空間相關(guān)分析中的相關(guān)性分析(CA)方法，判別影響黑河流域水生態(tài)系統(tǒng)異質(zhì)性的各個(gè)環(huán)境因子之間的作用特征。由相關(guān)分析結(jié)果可以看出，各個(gè)環(huán)境因子指標(biāo)中，絕對(duì)高度與相對(duì)高度、徑流深度、平均降水量、NPP、NDVI以及坡向、坡度之間呈現(xiàn)正相關(guān)性，尤其絕對(duì)高度與相對(duì)高度之間高度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0．99以上;而絕對(duì)高度與平均氣溫、平均蒸發(fā)量和干旱指數(shù)之間，則表現(xiàn)為較為明顯的負(fù)向相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為－0．84、－0．89、－0．79。采用空間主成分分析方法進(jìn)一步探索各個(gè)環(huán)境因子之間的作用關(guān)系。利用ArcGIS空間分析技術(shù)，通過(guò)環(huán)境因子指標(biāo)的主成分因子變換，得到影響黑河流域水生態(tài)系統(tǒng)的主成分因子特征值及貢獻(xiàn)率。由表2可知，前2個(gè)主成分(第一主成分PC1和第二主成分PC2)的累積貢獻(xiàn)率為99．3%，已綜合了各環(huán)境因子的絕大部分信息。其中，第一主成分PC1與絕對(duì)高度(X6)、相對(duì)高度(X7)存在較大的正相關(guān)性(0．661)，而指標(biāo)絕對(duì)高度(X6)與相對(duì)高度(X7)是黑河流域地形特征信息的表征性指標(biāo)，因此第一主成分PC1可以看作是流域地形特征的代表。第二主成分PC2與平均降水量之間具有一定負(fù)相關(guān)關(guān)系(－0．107)，而與平均蒸發(fā)量(X4)具有較強(qiáng)正相關(guān)性(0．928)，與干旱指數(shù)(X5)具有一定的正相關(guān)(0．342)，而指標(biāo)平均降水量(X1)、平均蒸發(fā)量(X4)和干旱指數(shù)(X5)均作為黑河流域氣候特征信息的表征性指標(biāo)，因此第二主成分PC2可以看作流域氣候特征的代表。由此可知，地形要素指標(biāo)和氣候要素指標(biāo)對(duì)于黑河流域水生態(tài)系統(tǒng)空間異質(zhì)性分布具有較大的影響。地形因子中，流域絕對(duì)高度與相對(duì)高度之間具有極強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，可任選其一作為地形因子的表征指標(biāo)，在此選取絕對(duì)高度(DEM)作為黑河流域地形特征的表征指標(biāo)。氣候因子中，流域的降水量(P)與蒸發(fā)量(E)、干旱指數(shù)(D)之間呈較明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而蒸發(fā)量(E)與干旱指數(shù)(D)之間具有一定正相關(guān)性，為減少信息冗余，在蒸發(fā)量(E)和干旱指數(shù)(D)中可選擇其中之一，考慮到干旱指數(shù)(D)反映出西北黑河流域干旱缺水的內(nèi)陸河流域特點(diǎn)，因此將降水量(P)、干旱指數(shù)(D)作為黑河流域的氣候表征指標(biāo)。

2．3水生態(tài)系統(tǒng)異質(zhì)性主要環(huán)境影響要素

利用數(shù)量排序反映物種在分類學(xué)性狀上的差異，明確物種在多個(gè)環(huán)境梯度上的空間位置，是生態(tài)學(xué)上的每一物種在超體積生態(tài)位的n維空間中都由其特定的位置特性所決定。因此，通過(guò)排序手段識(shí)別物種分布與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系，能夠很好地揭示它們?cè)诓煌h(huán)境因子(非生物的和生物的)上的生態(tài)分化現(xiàn)象［16］。典范對(duì)應(yīng)分析(CCA)排序除了能夠反映不同物種的生態(tài)分化現(xiàn)象以外，還可以很好地解釋物種與環(huán)境之間的內(nèi)在聯(lián)系。利用CCA分析，將黑河流域水生態(tài)系統(tǒng)各樣點(diǎn)數(shù)據(jù)與環(huán)境因子指標(biāo)進(jìn)行排序，得到環(huán)境因子二維排序圖(圖3)，通過(guò)排序軸可知，影響黑河流域水生態(tài)系統(tǒng)空間異質(zhì)性特征的各個(gè)環(huán)境因子中，海拔高度、降水量和干旱指數(shù)是3個(gè)影響流域水生物物種數(shù)量及分布的主要環(huán)境變量，該情形也與環(huán)境因子主成分分析(PCA)的結(jié)果相一致。由此判斷，地形因子(DEM)、氣候因子(降水、干旱指數(shù))是干旱區(qū)黑河流域水生態(tài)系統(tǒng)宏觀空間格局分異的主要環(huán)境影響要素。

3討論

研究表明，流域水生生物群落空間異質(zhì)性的直接驅(qū)動(dòng)因子為水量和水質(zhì)條件，這些因子的差異也主要體現(xiàn)在流域水體的局部特征上。對(duì)于黑河流域而言，浮游植物和浮游動(dòng)物等水生生物種類分布主要以中游地區(qū)居多，與黑河中游地區(qū)河道變寬、水流變緩、泥沙易于沉積以及人類活動(dòng)導(dǎo)致水體中具有較多營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)有關(guān)［17］;而且，黑河中游區(qū)域廣泛分布濕地水生維管束植物(中游分布有張掖濕地國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū))，具有適合水生生物生長(zhǎng)的棲息生境［18］。其他研究如太子河流域，著生藻類群落結(jié)構(gòu)也具有明顯的空間異質(zhì)性，驅(qū)動(dòng)著生藻類結(jié)構(gòu)空間格局的水環(huán)境因子為總氮(TN)、電導(dǎo)率(EH)和總?cè)芙夤腆w(TDS)，但研究同時(shí)指出，由于流域不同的土地利用模式、外源性營(yíng)養(yǎng)鹽類型以及人類活動(dòng)強(qiáng)度等差異，致使河流著生藻類群落結(jié)構(gòu)格局有所不同［19］。在太湖流域大型底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的環(huán)境影響因子中，電導(dǎo)率(EH)和總氮(TN)是影響底棲動(dòng)物空間分布的主要環(huán)境因子［20］。巢湖流域浮游植物群落的空間分布結(jié)構(gòu)，主要受到水溫、濁度及入湖水量因子等變化的影響。而流域水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能特征受到不同尺度上多個(gè)環(huán)境因子的綜合作用，在河流或河段尺度上，河道動(dòng)力學(xué)、棲息地特征和生境條件、水質(zhì)和水量差異等往往是造成水生態(tài)系統(tǒng)異質(zhì)性的主要環(huán)境影響要素。但是，在宏觀尺度上，區(qū)域氣候和地質(zhì)條件素通常具有決定性作用，致使流域水生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)宏觀的空間分布格局差異［1］，且宏觀尺度上的環(huán)境要素具有長(zhǎng)期而穩(wěn)定(數(shù)百年或者數(shù)年前)、作用范圍廣(大于幾十平方公里)的特點(diǎn)。實(shí)質(zhì)上，流域的水生態(tài)系統(tǒng)的空間異質(zhì)性分布格局，除了直接與河流等水體環(huán)境的物理化學(xué)條件息息相關(guān)以外，宏觀尺度上的流域環(huán)境要素(地形、地質(zhì)、氣候、土壤等)通過(guò)對(duì)河流水生物棲息環(huán)境的直接或間接作用(如降水變化、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸移、底質(zhì)條件改變、河流形態(tài)變化等)，也會(huì)影響河流水生態(tài)系統(tǒng)的空間分布，使之出現(xiàn)魚類等水生生物區(qū)系、種類及數(shù)量等水生態(tài)系統(tǒng)的空間異質(zhì)性分布特征。

4結(jié)語(yǔ)

(1)黑河流域浮游植物、浮游動(dòng)物、底棲動(dòng)物及魚類等水生生物主要分布在中游區(qū)域，與黑河中游地區(qū)河道變寬、流速變緩、泥沙易于沉積以及水體中具有較多營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等因素有關(guān)，而上游地區(qū)由于祁連山山體高差較大、山勢(shì)陡峭、河流流速相對(duì)較大，水生生物種類密度相對(duì)較小。下游地區(qū)則由于受到阿拉善高原極端少雨、下游河道經(jīng)常斷流等影響，水生生物物種種類和生物密度則相對(duì)更少。(2)影響黑河流域水生態(tài)系統(tǒng)分布格局的環(huán)境因子指標(biāo)中，絕對(duì)高度與相對(duì)高度、徑流深度、平均降水量、NPP、NDVI以及坡向、坡度之間表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系;而絕對(duì)高度與平均氣溫、平均蒸發(fā)量和干旱指數(shù)之間，則具有較為明顯的負(fù)向相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為－0．84、－0．89、－0．79。(3)黑河流域環(huán)境因子指標(biāo)相互作用關(guān)系分析及指標(biāo)空間主成分分析(PCA)表明，第一主成分PC1和第二主成分PC2累積貢獻(xiàn)率已經(jīng)超過(guò)99%，綜合了各環(huán)境因子的絕大部分信息。其中，第一主成分PC1可作為流域的地形特征(海拔高度)的代表，第二主成分PC2可作為流域氣候特征(降水量、干旱指數(shù))的代表。CCA分析結(jié)果也同時(shí)表明，海拔高度、降水量和干旱指數(shù)是影響黑河流域水生物物種數(shù)量及分布的主要環(huán)境變量，是流域水生態(tài)系統(tǒng)宏觀空間格局分異的主要環(huán)境影響要素。

作者：王世巖毛戰(zhàn)坡王亮杜彥良楊素珍單位：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水環(huán)境研究所