異質性的水生態學論文范文

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1數據來源與研究方法

1．1研究區概況

黑河流域是我國西北干旱地第二大內陸河流域，地跨青海、甘肅和內蒙古3個省區，流域面積14．2萬km2，干流全長821km。黑河流域地勢上呈現南高北低的特點，流域平均海拔高度為3600m，相對高差3000m左右，較大的海拔高差使得流域生態格局、氣候狀況具有明顯的垂直地帶性，整個黑河流域自南向北依次可劃分為:上游祁連山山區水源涵養區、中游張掖人工農業綠洲區和下游額濟納旗沙漠綠洲區三個典型區域［7］。上游祁連山區年降水量相對較高，處于300～500mm之間，中游河西走廊地區年降水量100～250mm，而下游額爾濟納旗綠洲區域降水量不足45mm，屬于極端干旱荒漠區域。黑河流域發源于上游祁連山山區約有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數據來源

本文水生態系統及河流水環境等數據主要來源于野外實地調查和采樣分析。按照典型性、代表性和可操作性的原則，根據流域水生態系統不同類型設置了采樣斷面，共設置了94個水生態系統采樣點(圖1)。樣品采集與分析方法主要依據水生生物調查有關技術規范［8］。在野外水生態調查過程中，對河流底質、流速、水深進行了同步測定，并采集了河流水質、底質樣品。按照有關測試分析標準，在實驗室內完成N、P等生源要素的測試分析。

1．3研究方法

1．3．1指標因子歸一化為消除環境因子指標量綱差異的影響，客觀分析指標空間上影響特征，需進行指標歸一化和標準化處理。在指標歸一化處理中，考慮各個指標對于水生態系統作用特征，對于流域水生態系統生長發育具有正相關的指標采用公式(1)，呈負相關的指標則采用公式(2)，從而使得轉換后的環境指標數據X''''越大時，該指標對水生態系統的生長發育等作用就越有利。利用上述歸一化公式，對環境因子的指標數據進行歸一化處理。在完成指標標準化后，采用Arc-GIS樣條空間插值法進行柵格化處理，為環境因子與水生態系統異質性特征分析提供分析數據。

1．3．2空間主成分分析考慮到部分環境因子之間存在一定的相關性，為消除信息冗余，突出關鍵環境因子信息，通過對環境因子主成分分析(PCA)指標降維，可獲得相對彼此獨立的因子。本文利用ArcGIS地理信息系統軟件中PrincipalComponents工具，對各個指標進行了空間主成分因子轉換。

1．3．3典范對應分析典范對應分析(CCA)是一種數量排序分析方法，是從對應分析發展而來的。在該排序方法中，通過實現對應分析與多元回歸的結合，從而詳細地研究生物群落與環境因子之間的相互作用關系。由于典范對應分析可以將多個環境因子結合在一起進行分析，這與直接梯度分析不同，CCA分析結果直觀明顯，可以更好地反映生物群落與環境的作用關系［9］，為研究水生態系統和環境因子間的復雜關系提供了有利工具。本文采用Cannoca典范對應分析軟件(Cannocaforwindows4．5)，對流域水生生物物種數據和環境因子數據進行對應分析。水生生物物種數據采用物種數及生物密度數據，利用lg(x+1)進行數據的轉換和處理，使之更趨于正態分布［12］。

2結果與分析

2．1流域水生態系統空間異質性特征

根據野外調查及實驗室水生生物樣品鑒定，對黑河流域水生生物種類、數量及優勢物種特征進行了整理分析。經統計整理，黑河流域調查到浮游植物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42．42%。尺骨針桿藻(Synedraul-na(Nitzsch．))、膜孔平板藻(Tabellariafenestrata)和無常藍纖維藻(Dactylococcopsisirregularis)為流域內浮游藻類的優勢種。黑河流域調查到浮游動物4門44種，其中，原生動物為流域優勢類群，共計20種，占流域總物種數45．45%。黑河流域調查到底棲動物5門17種，其中，水生昆蟲為流域的優勢類群，共11種，占總物種數64．71%。黑河流域共調查到19種魚類，其中，野生種類13種，主要以鯉科和高原鰍為主;人工養殖魚類6種，人工養殖魚類主要分布于水庫、人工池塘或湖泊等水體。利用ArcGIS空間分析與處理技術，對黑河流域各個采樣點調查到浮游植物、浮游動物、底棲動物和魚類等水生生物的種類數或物種密度數據，進行空間化處理，得到黑河流域水生態系統空間異質性特征(圖2)?？梢钥闯?，黑河流域水生態系統空間分布上具有流域中上游地區物種數量相對較多，而下游區域相對較少的特點。

2．2環境因子及其影響特征分析

2．2．1環境因子及其生態表征影響流域水生態系統空間異質性的流域環境因子是多方面的，具有多樣性和復雜性的特點［13－15］。為分析不同環境因子對于流域水生態系統的作用關系，需要構建影響流域水生態系統異質性的環境因子指標體系。結合黑河流域以往開展的生態功能區劃、自然地理區劃以及河流水功能區劃等區劃指標，以及黑河流域干旱區流域的特點，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特征的指標體系，主要包括多年平均降水量(P)、多年平均氣溫(T)、多年平均蒸發量(E)、多年平均干旱指數(D)、平均徑流深度(R)、絕對高度(DEM)、相對高度、坡向(PECT)、坡度(SLOP)、凈初級生產力(NPP)、植被指數(NDVI)等，共11個指標。通過對各指標的作用特點分析［20－21］，概括出不同環境因子對于水生態系統的生態表征特征(表1)。

2．2．2環境因子相互作用關系分析為識別各個環境因子之間的相互作用關系，在對各個指標進行標準化處理后，采用探索性空間相關分析中的相關性分析(CA)方法，判別影響黑河流域水生態系統異質性的各個環境因子之間的作用特征。由相關分析結果可以看出，各個環境因子指標中，絕對高度與相對高度、徑流深度、平均降水量、NPP、NDVI以及坡向、坡度之間呈現正相關性，尤其絕對高度與相對高度之間高度相關，相關系數高達0．99以上;而絕對高度與平均氣溫、平均蒸發量和干旱指數之間，則表現為較為明顯的負向相關性，相關系數分別為－0．84、－0．89、－0．79。采用空間主成分分析方法進一步探索各個環境因子之間的作用關系。利用ArcGIS空間分析技術，通過環境因子指標的主成分因子變換，得到影響黑河流域水生態系統的主成分因子特征值及貢獻率。由表2可知，前2個主成分(第一主成分PC1和第二主成分PC2)的累積貢獻率為99．3%，已綜合了各環境因子的絕大部分信息。其中，第一主成分PC1與絕對高度(X6)、相對高度(X7)存在較大的正相關性(0．661)，而指標絕對高度(X6)與相對高度(X7)是黑河流域地形特征信息的表征性指標，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相關關系(－0．107)，而與平均蒸發量(X4)具有較強正相關性(0．928)，與干旱指數(X5)具有一定的正相關(0．342)，而指標平均降水量(X1)、平均蒸發量(X4)和干旱指數(X5)均作為黑河流域氣候特征信息的表征性指標，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，地形要素指標和氣候要素指標對于黑河流域水生態系統空間異質性分布具有較大的影響。地形因子中，流域絕對高度與相對高度之間具有極強的正相關關系，可任選其一作為地形因子的表征指標，在此選取絕對高度(DEM)作為黑河流域地形特征的表征指標。氣候因子中，流域的降水量(P)與蒸發量(E)、干旱指數(D)之間呈較明顯的負相關關系，而蒸發量(E)與干旱指數(D)之間具有一定正相關性，為減少信息冗余，在蒸發量(E)和干旱指數(D)中可選擇其中之一，考慮到干旱指數(D)反映出西北黑河流域干旱缺水的內陸河流域特點，因此將降水量(P)、干旱指數(D)作為黑河流域的氣候表征指標。

2．3水生態系統異質性主要環境影響要素

利用數量排序反映物種在分類學性狀上的差異，明確物種在多個環境梯度上的空間位置，是生態學上的每一物種在超體積生態位的n維空間中都由其特定的位置特性所決定。因此，通過排序手段識別物種分布與生態環境之間的關系，能夠很好地揭示它們在不同環境因子(非生物的和生物的)上的生態分化現象［16］。典范對應分析(CCA)排序除了能夠反映不同物種的生態分化現象以外，還可以很好地解釋物種與環境之間的內在聯系。利用CCA分析，將黑河流域水生態系統各樣點數據與環境因子指標進行排序，得到環境因子二維排序圖(圖3)，通過排序軸可知，影響黑河流域水生態系統空間異質性特征的各個環境因子中，海拔高度、降水量和干旱指數是3個影響流域水生物物種數量及分布的主要環境變量，該情形也與環境因子主成分分析(PCA)的結果相一致。由此判斷，地形因子(DEM)、氣候因子(降水、干旱指數)是干旱區黑河流域水生態系統宏觀空間格局分異的主要環境影響要素。

3討論

研究表明，流域水生生物群落空間異質性的直接驅動因子為水量和水質條件，這些因子的差異也主要體現在流域水體的局部特征上。對于黑河流域而言，浮游植物和浮游動物等水生生物種類分布主要以中游地區居多，與黑河中游地區河道變寬、水流變緩、泥沙易于沉積以及人類活動導致水體中具有較多營養物質有關［17］;而且，黑河中游區域廣泛分布濕地水生維管束植物(中游分布有張掖濕地國家級自然保護區)，具有適合水生生物生長的棲息生境［18］。其他研究如太子河流域，著生藻類群落結構也具有明顯的空間異質性，驅動著生藻類結構空間格局的水環境因子為總氮(TN)、電導率(EH)和總溶解固體(TDS)，但研究同時指出，由于流域不同的土地利用模式、外源性營養鹽類型以及人類活動強度等差異，致使河流著生藻類群落結構格局有所不同［19］。在太湖流域大型底棲動物群落結構的環境影響因子中，電導率(EH)和總氮(TN)是影響底棲動物空間分布的主要環境因子［20］。巢湖流域浮游植物群落的空間分布結構，主要受到水溫、濁度及入湖水量因子等變化的影響。而流域水生態系統的結構和功能特征受到不同尺度上多個環境因子的綜合作用，在河流或河段尺度上，河道動力學、棲息地特征和生境條件、水質和水量差異等往往是造成水生態系統異質性的主要環境影響要素。但是，在宏觀尺度上，區域氣候和地質條件素通常具有決定性作用，致使流域水生態系統出現宏觀的空間分布格局差異［1］，且宏觀尺度上的環境要素具有長期而穩定(數百年或者數年前)、作用范圍廣(大于幾十平方公里)的特點。實質上，流域的水生態系統的空間異質性分布格局，除了直接與河流等水體環境的物理化學條件息息相關以外，宏觀尺度上的流域環境要素(地形、地質、氣候、土壤等)通過對河流水生物棲息環境的直接或間接作用(如降水變化、營養物質輸移、底質條件改變、河流形態變化等)，也會影響河流水生態系統的空間分布，使之出現魚類等水生生物區系、種類及數量等水生態系統的空間異質性分布特征。

4結語

(1)黑河流域浮游植物、浮游動物、底棲動物及魚類等水生生物主要分布在中游區域，與黑河中游地區河道變寬、流速變緩、泥沙易于沉積以及水體中具有較多營養物質等因素有關，而上游地區由于祁連山山體高差較大、山勢陡峭、河流流速相對較大，水生生物種類密度相對較小。下游地區則由于受到阿拉善高原極端少雨、下游河道經常斷流等影響，水生生物物種種類和生物密度則相對更少。(2)影響黑河流域水生態系統分布格局的環境因子指標中，絕對高度與相對高度、徑流深度、平均降水量、NPP、NDVI以及坡向、坡度之間表現為正相關關系;而絕對高度與平均氣溫、平均蒸發量和干旱指數之間，則具有較為明顯的負向相關性，相關系數分別為－0．84、－0．89、－0．79。(3)黑河流域環境因子指標相互作用關系分析及指標空間主成分分析(PCA)表明，第一主成分PC1和第二主成分PC2累積貢獻率已經超過99%，綜合了各環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)的代表。CCA分析結果也同時表明，海拔高度、降水量和干旱指數是影響黑河流域水生物物種數量及分布的主要環境變量，是流域水生態系統宏觀空間格局分異的主要環境影響要素。

作者：王世巖毛戰坡王亮杜彥良楊素珍單位：中國水利水電科學研究院水環境研究所