馬 凱,張海萍,渠曉東,黃曉榮,張 敏,劉曉波(1.四川大學(xué),水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610065；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院,四川 成都 610065；.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,北京10008)

灤河流域土地利用對(duì)大型底棲動(dòng)物生物指數(shù)的路徑分析

馬 凱1,2,3,張海萍3,渠曉東3,黃曉榮1,2*,張 敏3,劉曉波3(1.四川大學(xué),水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610065；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院,四川 成都 610065；3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,北京100038)

基于灤河流域65個(gè)樣點(diǎn)的河流景觀與大型底棲動(dòng)物調(diào)查數(shù)據(jù),分別采用回歸分析、排序分析等統(tǒng)計(jì)方法和結(jié)構(gòu)方程模型,探討了流域尺度的土地利用格局對(duì)大型底棲動(dòng)物群落及其重要生物指數(shù)的影響路徑.結(jié)果表明:1)對(duì)大型底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的主要水環(huán)境和物理生境是電導(dǎo)率、全氮含量和細(xì)粒物質(zhì)比例;2)基于關(guān)鍵因子構(gòu)建的結(jié)構(gòu)方程模型,分別對(duì)底棲動(dòng)物生物完整性指數(shù)、香農(nóng)-威納多樣性指數(shù)和總分類(lèi)單元數(shù)指數(shù)的總體解釋度達(dá)到47%、33%和47%,其路徑分析結(jié)果指出,流域土地利用格局(耕地%、草地%)影響水環(huán)境狀況(氨氮、總磷、電導(dǎo)率),進(jìn)而影響了大型底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)及生態(tài)功能.研究表明結(jié)構(gòu)方程模型可有效探討流域尺度土地利用格局對(duì)河流大型底棲動(dòng)物影響的路徑,相關(guān)結(jié)果可為了解不同尺度人類(lèi)活動(dòng)對(duì)河流生物的影響過(guò)程,以及河流生態(tài)修復(fù)提供重要的參考依據(jù).

土地利用格局；大型底棲動(dòng)物；路徑分析；結(jié)構(gòu)方程模型

大型底棲動(dòng)物具有類(lèi)群多樣、分布廣泛、易于采集、能夠響應(yīng)環(huán)境壓力等優(yōu)點(diǎn)[1],可以作為河流生態(tài)系統(tǒng)的指示類(lèi)群,被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)[2-4].河流底棲動(dòng)物分布受到不同尺度環(huán)境因素的影響,研究較多的為大尺度/流域尺度因子和中尺度/河段尺度因子.在大尺度因子中,土地利用格局被認(rèn)為是綜合性和長(zhǎng)期性的大尺度環(huán)境因素[4].在中尺度因子中,水質(zhì)、底質(zhì)組成、河岸帶特征等是重要的環(huán)境因素.關(guān)于流域土地利用與河流大型底棲動(dòng)物關(guān)系研究,國(guó)內(nèi)外主要從土地利用結(jié)構(gòu)以及空間分布格局角度出發(fā),分析了流域內(nèi)耕地、城市、點(diǎn)源等因素的影響[3-6],但系統(tǒng)分析其影響路徑的研究相對(duì)較少.

根據(jù) Frissell[7]的等級(jí)理論,小尺度因子受到大尺度因子的影響,流域特征(氣候、地質(zhì)、植被、土地利用等)影響水環(huán)境和物理生境(水質(zhì)、底質(zhì)、有機(jī)顆粒物等),進(jìn)而直接影響了河流水生生物,識(shí)別“流域尺度-水環(huán)境和物理生境-生物”的影響路徑,對(duì)于關(guān)鍵影響源識(shí)別較為重要,也是目前流域人類(lèi)活動(dòng)干擾與河流生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)關(guān)系研究中的難點(diǎn).

結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)融合了多變量統(tǒng)計(jì)方法,能夠進(jìn)行路徑分析,近年來(lái)逐漸應(yīng)用于淡水生態(tài)學(xué)研究,為生態(tài)學(xué)中不同尺度的復(fù)雜問(wèn)題提供了系統(tǒng)的研究方法[8].本研究基于灤河流域內(nèi)土地利用格局分析、水環(huán)境和物理生境調(diào)查和大型底棲動(dòng)物等調(diào)查數(shù)據(jù),以明確“流域土地利用格局–水環(huán)境和物理生境–底棲動(dòng)物”的影響路徑為目的,進(jìn)行研究.研究結(jié)果以期為不同尺度上河流生態(tài)修復(fù)提供參考.

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

灤河發(fā)源于內(nèi)蒙古高原,流經(jīng)燕山地區(qū)、冀東平原,最后流入渤海,全長(zhǎng) 885km.灤河流域位于華北地區(qū)東北部,流域面積為5.8×104km2,流域內(nèi)地表水資源量39.29億m3.灤河流域地形多樣,自西北向東南隨海拔的降低,人口密度逐漸增大,人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng),土地利用格局變化明顯,河岸帶干擾程度變化明顯,為本次研究提供了較好的干擾梯度條件.

1.2 大型底棲動(dòng)物數(shù)據(jù)

分別于2011年7月、2012年5月和9月在灤河流域共選取65個(gè)采樣點(diǎn)(圖1).大型底棲無(wú)脊椎動(dòng)物的采集使用D型網(wǎng)(60目),為獲取最大程度的生物多樣性信息,采用復(fù)合生境采樣法[9],根據(jù)主要生境類(lèi)型及其面積,按照面積比例進(jìn)行采集.灤河流域河流中沉水植物及大型水生植物較少,對(duì)底棲動(dòng)物分布影響有限,同時(shí),為減少人為破壞生境產(chǎn)生的影響,在曾經(jīng)的采砂河段采集數(shù)據(jù)時(shí),盡量選擇恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)的區(qū)域進(jìn)行采集,采集后參照相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)所采集的底棲動(dòng)物進(jìn)行分類(lèi)鑒定[10-12].研究選用大型底棲動(dòng)物分類(lèi)單元數(shù)(TR)(分類(lèi)到屬),大型底棲動(dòng)物香農(nóng)-威納多樣性指數(shù)(H′)和大型底棲動(dòng)物生物完整性指數(shù)(B-IBI)分別指示灤河大型底棲動(dòng)物的物種豐富度、物種多樣性和生物完整性.其中,大型底棲動(dòng)物生物完整性指數(shù)(B-IBI)采用灤河流域已構(gòu)建的核心指標(biāo)和賦分標(biāo)準(zhǔn)[13-14].

圖1 灤河流域采樣點(diǎn)分布示意Fig.1 The distribution of sampling sites in Luan River Basin

1.3 水環(huán)境和物理生境因子

針對(duì)影響大型底棲動(dòng)物的重要物理和化學(xué)指標(biāo),每個(gè)樣點(diǎn)分析水環(huán)境、表層沉積物與河岸帶土地利用狀況.水環(huán)境因子使用YSI Proplus便攜式水質(zhì)分析儀,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定電導(dǎo)率和溶解氧,同時(shí)采集水樣,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用 WTW Photolab S12(濾色光度計(jì))測(cè)定水體中總氮、總磷和氨氮含量[3].底質(zhì)組成狀況通過(guò)分樣網(wǎng)篩,測(cè)定粒徑小于 2mm細(xì)粒物質(zhì)比例.表層沉積物營(yíng)養(yǎng)狀況主要測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量、全碳和全氮含量,底泥中有機(jī)質(zhì)采用水合熱重鉻酸鉀氧化－比色法測(cè)定,底泥中全氮、全碳采用Element(元素分析儀)測(cè)定.河岸帶土地利用狀況則采用生境質(zhì)量狀況評(píng)估方法,采用半定量評(píng)估法測(cè)定耕地、林地和草地的比例,其基本信息和代碼信息見(jiàn)表1.

表1 水環(huán)境和物理生境因子基本信息和代碼Table 1 The descriptions and codes of water environmental and habitat variables

1.4 流域土地利用格局

基于數(shù)字高程模型和數(shù)字河網(wǎng),本研究選擇2010年1:100000土地利用數(shù)據(jù),土地利用類(lèi)型選擇城市居民地、農(nóng)村居民地、林地、草地和耕地,采用ArcGIS根據(jù)底棲動(dòng)物監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置劃分子流域,分別計(jì)算流域土地利用格局指數(shù)(P)、歐式距離緩沖區(qū)的土地利用格局指數(shù)(河岸帶緩沖區(qū)寬度為2000m,B_2000m)和基于水流路徑緩沖區(qū)的土地利用格局指數(shù)(河岸帶緩沖區(qū)寬度為2000m,FL_2000m),分別指示流域匯水區(qū)尺度和河岸帶緩沖區(qū)尺度的土地利用格局.基于水流路徑緩沖區(qū)的土地利用格局指數(shù),水流路徑長(zhǎng)度計(jì)算方法較符合實(shí)際水文過(guò)程,基于水流路徑的“水流長(zhǎng)度”,考慮了物質(zhì)和能量在流域運(yùn)移的實(shí)際距離[15],由數(shù)字高程模型中水文分析模塊計(jì)算得出.

1.5 統(tǒng)計(jì)分析方法

1.5.1 分析思路 大型底棲動(dòng)物作為河流中生活的重要水生生物類(lèi)群,可以綜合指示短期和長(zhǎng)期的人為活動(dòng)影響,土地利用格局對(duì)河流底棲動(dòng)物的影響又分為直接影響和間接影響,因此流域土地利用格局與水生生物的相互影響通常較為復(fù)雜(圖 2).本研究首先采用冗余分析(RDA),識(shí)別對(duì)大型底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)特征具有重要影響的水環(huán)境和物理生境因子,再采用多元線性逐步回歸分析,探討流域尺度的土地利用格局對(duì)河流化學(xué)、物理和水生生物的綜合影響,最后建立結(jié)構(gòu)方程模型,探討“流域土地利用格局–水環(huán)境和物理生境–大型底棲動(dòng)物群落”的影響路徑.排序分析和回歸分析分別采用 CANOCO4.5軟件和STATISTICA7.0軟件.進(jìn)行排序分析前,分別對(duì)物種數(shù)據(jù)、水環(huán)境和物理生境數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和標(biāo)準(zhǔn)化.

圖2 分析思路Fig.2 The technical route of the study

1.5.2 結(jié)構(gòu)方程模型及模型構(gòu)建 采用AMOS7.0軟件分析不同尺度和類(lèi)型的人為活動(dòng)對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響的路徑及其系數(shù)(Pc)[16].在構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型時(shí),需要先根據(jù)河流生態(tài)學(xué)研究的基本理論和區(qū)域河流生態(tài)系統(tǒng)研究的相關(guān)成果,構(gòu)建區(qū)域內(nèi)河流生態(tài)系統(tǒng)概念模型,并對(duì)模型進(jìn)行修正.

模型原理可由矩陣方程組表示[17],描述觀察變量和潛變量之間的關(guān)系.觀察變量指可直接測(cè)量的觀察指標(biāo)或?qū)嵶C指標(biāo),潛變量指無(wú)法直接測(cè)量,可由其它觀察變量估計(jì)評(píng)價(jià)的指標(biāo).模型根據(jù)觀察變量的方差和協(xié)方差進(jìn)行參數(shù)估計(jì),采用最大似然估計(jì)法(ML)進(jìn)行適配.適配指標(biāo)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn):卡方值(x2)顯著性概率值P ＞ 0.05、漸進(jìn)殘差均方和平方根(RMSEA)小于 0.05表示適配良好,0.05～0.08表示適配合理.模范卡方(NC)大于5表示模型需要修正,1 ＜ NC ＜ 3時(shí),表示模型適配良好.調(diào)整后適配度指數(shù)(AGFI)、比較適配度指數(shù)(CFI)、適配度指數(shù)(GFI)大于0.9表示模型適配良好[18].

結(jié)合河流生態(tài)學(xué)的基本理論和灤河已經(jīng)開(kāi)展大型底棲動(dòng)物生態(tài)學(xué)研究成果,建立 “流域土地利用格局-水環(huán)境和物理生境-底棲動(dòng)物”的影響路徑,根據(jù)灤河流域土地利用的總體特征,選擇了林地、耕地、草地、城市居民地和農(nóng)村居民地5個(gè)方面(圖3),對(duì)水質(zhì)的影響主要考慮了氨氮、總氮、總磷、溶氧和電導(dǎo)率5個(gè)參數(shù);對(duì)河道內(nèi)生境的影響主要考慮底質(zhì)細(xì)粒組成和表層沉積物中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)構(gòu)成,底質(zhì)化學(xué)指標(biāo)包括有機(jī)質(zhì)、全氮和全碳含量;河岸帶土地利用主要考慮耕地、林地和草地[17].采用回歸系數(shù) R2表征模型整體對(duì)大型底棲動(dòng)物生物指數(shù)的解釋度,用路徑系數(shù)(Pc)比較不同路徑的影響程度[19].在概念模型的基礎(chǔ)上,采用實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,改善模型適配度,使假設(shè)的理論模型和實(shí)際觀察數(shù)據(jù)匹配度更高.對(duì)模型進(jìn)行修正的主要原因通常包括河流生態(tài)學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)總量較少,數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布、不同環(huán)境因子之間存在自相關(guān)性、樣本數(shù)據(jù)總量偏少、模型界定不符合實(shí)際情況等.如果模型適配度較一般,則需要進(jìn)行修正,根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[20]通過(guò)刪除變量和增加變量等方式,以提高模型的適配度.

圖3 概念模型(矩形框代表觀察變量,橢圓框代表潛變量)Fig.3 Condceptual model diagram of the study (The rectangle represents the observation variable, the ellipse represents the latent variable)

2 結(jié)果

2.1 影響底棲動(dòng)物的水環(huán)境和物理生境

共采集底棲動(dòng)物47419個(gè),隸屬于7綱14目62科117屬,其中以昆蟲(chóng)綱、雙殼綱和腹足綱為主,分別占84.9%、7.8%和4.1%.密度優(yōu)勢(shì)物種為毛翅目網(wǎng)棲石蛾科(Hydropsychidae)、雙翅目搖蚊 科 (Chironomidae)和 蜉 蝣 目 四 節(jié) 蜉 科(Baetidae),密度百分比分別為 34.6%、25.8%和21.7%.毛翅目網(wǎng)棲石蛾科屬全流域廣布物種,主要分布于上游源頭和中游區(qū)域,雙翅目搖蚊科在武烈河、鸚鵡河以及中游區(qū)域分布廣泛,蜉蝣目四節(jié)蜉科主要分布于上游區(qū)域,中游區(qū)域相對(duì)較少.

河段尺度主要研究影響底棲動(dòng)物的水環(huán)境和物理生境.土地利用格局與水質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系較弱,僅電導(dǎo)率與流域城市居民地%(R = 0.606, P ＜ 0.01)、基于歐氏距離的草地%(R = 0.639, P ＜ 0.01)、城市居民地%(R = -0.253, P ＜0.05)相關(guān)性顯著.根據(jù)水環(huán)境和物理生境因子的相關(guān)性檢驗(yàn),初選結(jié)果顯示Sub_C和Cond(R = 0.295, P ＜ 0.05)、R_grass(R = 0.397, P ＜ 0.01)、Sub_N(R = 0.888, P ＜ 0.01)相關(guān)性較高,R_grass和Cond(R = 0.385, P ＜ 0.01)、R_crop(R = -0.314, P ＜ 0.05)、Sub_N(R = 0.521, P ＜ 0.01)相關(guān)性較高,在排序分析中將其剔除,同時(shí),去除點(diǎn)位中出現(xiàn)頻率低于5%的物種.排序分析前,通過(guò)除趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析得出每個(gè)軸的特征值,最大值為2.671(小于 3),故采用冗余分析(RDA),進(jìn)一步研究環(huán)境因子和底棲動(dòng)物的耦合關(guān)系.RDA分析前,通過(guò)前選步驟進(jìn)行關(guān)鍵環(huán)境變量的篩選,每一步都采用蒙特卡洛置換檢驗(yàn)評(píng)估對(duì)解釋物種變異貢獻(xiàn)較高的環(huán)境變量(P ＜ 0.05),最后選擇其中方差膨脹因子小于10的變量.結(jié)果顯示(表2),排序軸第一軸和第二軸的特征值相對(duì)較高(0.192和 0.067),共解釋了物種數(shù)據(jù)累計(jì)方差24.9%的變異,蒙特卡羅檢驗(yàn)表明前兩軸的解釋率達(dá)到顯著性水平(F = 0.389, P ＜ 0.01).對(duì)第一軸貢獻(xiàn)度較高的環(huán)境因子主要為 Fine%(F = 9.257, P ＜ 0.01)和Sub_N(F = 2.722, P ＜ 0.05),第二軸主要為Cond(F = 3.209, P ＜ 0.01).灤河流域上、下游自然環(huán)境的差異和人類(lèi)活動(dòng)影響是造成大型底棲動(dòng)物群落差異的重要因素(圖 4).上游樣點(diǎn)主要分布于 RDA排序軸的第四象限,中游樣點(diǎn)主要分布在第二、第三象限,表現(xiàn)出較為明顯的過(guò)渡特點(diǎn),下游多集中于第二象限.通過(guò) RDA分析表明,直接影響灤河流域底棲動(dòng)物分布的因素中,水質(zhì)因素主要為電導(dǎo)率,底質(zhì)因素主要為細(xì)粒物質(zhì)比例,河岸帶的植被特征影響較小.

表2 RDA 分析綜合數(shù)據(jù)Table 2 Summary for the redundancy analysis

圖4 底棲動(dòng)物群落與水環(huán)境和物理生境的RDA分析結(jié)果Fig.4 Redundancy analysis(RDA)plot relating benthic communities and water environmental and habitat variables

表3 景觀指數(shù)與底棲動(dòng)物生物指標(biāo)多元線性回歸結(jié)果Table 3 Multiple linear regression results of landscape Indices and macroinvertebrate biological Indices

續(xù)表3

表4 SEM模型中各景觀指數(shù)對(duì)底棲動(dòng)物生物指標(biāo)的解釋度Table 4 Explain ability of three landscape Indices and three macroinvertebrate biological indices in nine Structural equation models

2.2 生物指標(biāo)對(duì)流域土地利用格局的綜合響應(yīng)

大型底棲動(dòng)物群落特征可以較好地指示流域尺度土地利用格局的長(zhǎng)期變化特征,采用流域尺度土地利用和底棲動(dòng)物生物指數(shù)進(jìn)行多元線性逐步回歸,調(diào)整 R2值表示景觀指數(shù)的解釋度,預(yù)測(cè)因子表示對(duì)生物指數(shù)影響最大的因素.結(jié)果表明,流域尺度上不同景觀格局指數(shù),都對(duì)大型底棲動(dòng)物的生物指數(shù)具有較好的線性擬合,香農(nóng)多樣性指數(shù)僅與基于水流路徑的景觀格局指數(shù)具有顯著的線性擬合(R2=0.124, P＜0.05),同時(shí)該指數(shù)對(duì)大型底棲動(dòng)物生物完整性指數(shù)的擬合性也最高(R2=0.157, P＜0.01).各景觀指數(shù)主要指示出流域內(nèi)農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的影響最大,其次城市居民用地對(duì)生物多樣性也有一定的影響(表3).

2.3 流域土地利用格局對(duì)大型底棲動(dòng)物影響的路徑分析

結(jié)合 RDA分析與回歸分析的結(jié)果,構(gòu)建了不同土地利用格局指標(biāo)對(duì) 3個(gè)生物指數(shù)的結(jié)構(gòu)方程模型:分別為底棲動(dòng)物生物完整性指數(shù)的影響路徑(SEM-BIBI)模型、底棲動(dòng)物香農(nóng)-威納多樣性指數(shù)的影響路徑(SEM-H′)模型和底棲動(dòng)物總分類(lèi)單元數(shù)的影響路徑(SEM-TR)模型(表 4).所構(gòu)建的9個(gè)結(jié)構(gòu)方程模型中,確定了7個(gè)具有較可靠解釋的模型(P＞0.05),結(jié)果同時(shí)表明,對(duì) 3個(gè)生物指數(shù)解釋度較高的流域景觀格局指數(shù)均為基于水流路徑的景觀格局指數(shù)(表4).

基于水流路徑土地利用格局指數(shù)的SEM-BIBI模型總體解釋了大型底棲動(dòng)物生物完整性指數(shù)47%的變異,從其影響路徑來(lái)看,主要影響了河流的水質(zhì)(Pc=0.84),水質(zhì)惡化進(jìn)而影響B(tài)-IBI指數(shù)(Pc=-0.71)(圖 5).流域尺度上景觀格局的變化對(duì)水質(zhì)的影響,主要集中于NH4-N、TP和Cond,路徑系數(shù)Pc依次為0.41、0.31和0.31.同時(shí),基于水流路徑的土地利用格局指數(shù)還直接對(duì)河道細(xì)粒物質(zhì)比例(Pc=-0.50)造成影響,沉積物中細(xì)粒徑底質(zhì)的增加,影響 B-IBI指數(shù)(Pc=-0.43).基于水流路徑的土地利用格局指數(shù)通過(guò)其他路徑對(duì)B-IBI指數(shù)的影響相對(duì)較小(圖 5).流域土地利用格局指數(shù)中,耕地%對(duì)基于水流路徑的土地利用格局指數(shù)的貢獻(xiàn)最大(Pc=0.76),其次為草地%(Pc=-0.62)和林地%(Pc=-0.31).

圖5 結(jié)構(gòu)方程模型SEM-BIBI (a), SEM-H′(b),SEM-TR(c)Fig.5 The structural equation model for biological index, SEM-BIBI (a), SEM-H′(b), SEM-TR (c)

基于水流路徑的土地利用格局指數(shù)的 SEM-H′模型解釋了香農(nóng)威納指數(shù) 33%的變異,主要通過(guò)影響水質(zhì)(Pc=0.77)進(jìn)而影響大型底棲動(dòng)物的香農(nóng)多樣性(Pc=-0.64),流域尺度的景觀格局變化對(duì)水質(zhì)NH4-N、Cond、TP和DO影響較大,路徑系數(shù)依次為0.45、0.37、0.30和0.22,流域尺度的景觀格局變化對(duì)底質(zhì)的影響,主要表現(xiàn)為對(duì)底泥化學(xué)指標(biāo)中有機(jī)質(zhì)含量(Pc=0.42)和底泥全碳含量(Pc=0.30)的影響(圖 5).基于水流路徑的土地利用格局指數(shù)還對(duì)細(xì)粒物質(zhì)比例(Pc=-0.55)和底泥化學(xué)指標(biāo)(Pc = -0.44)具有較顯著的影響,進(jìn)而影響到大型底棲動(dòng)物的香農(nóng)生物多樣性(Pc=-0.33和Pc=-0.27).與大型底棲動(dòng)物生物完整性指數(shù)較為相似,在香農(nóng)多樣性指數(shù)影響的路徑中對(duì)流域景觀格局指數(shù)貢獻(xiàn)較大的土地利用主要為草地%(Pc=-0.75)和耕地%(Pc=0.73),林地%的貢獻(xiàn)相對(duì)較小(Pc=-0.39).

基于水流路徑的土地利用格局指數(shù)的SEM-TR模型總體解釋了大型底棲動(dòng)物總分類(lèi)單元47%的變異,主要是通過(guò)影響河流的水質(zhì)(Pc =0.71),進(jìn)而影響TR指數(shù)(Pc=-0.57).流域尺度上的變化對(duì)水質(zhì)影響較大的分別是NH4-N、TP、DO和Cond,路徑系數(shù)Pc依次為0.48、0.31、0.21和0.20(圖5).基于水流路徑的土地利用格局指數(shù)還直接對(duì)河道細(xì)粒物質(zhì)比例(Pc=-0.48)造成影響,沉積物中細(xì)粒徑底質(zhì)的增加,進(jìn)而影響 TR指數(shù)(Pc=-0.44).基于水流路徑的土地利用格局指數(shù)通過(guò)其他路徑對(duì) TR指數(shù)的影響相對(duì)較小.流域土地利用格局指數(shù)中,耕地%對(duì)基于水流路徑的土地利用格局指數(shù)的貢獻(xiàn)最大(Pc=0.81),其次為草地%(Pc=-0.60)和林地%(Pc=-0.31).

3 討論

在分析比較不同尺度因子影響程度的同時(shí),不同尺度因子之間的關(guān)系識(shí)別是進(jìn)一步了解影響源和影響路徑的研究難題.在以往的研究中,研究較多的尺度包括流域尺度和河段尺度,在不同區(qū)域的研究結(jié)果表明影響大型底棲動(dòng)物的關(guān)鍵尺度不一致,流域尺度因子主要為流域土地利用結(jié)構(gòu)、采樣位置等,河段尺度因子主要為河床底質(zhì)、水質(zhì)、河岸帶特征等,同時(shí)研究表明不同尺度因子之間也存在聯(lián)系[3-6].本文結(jié)果表明,根據(jù)等級(jí)理論[7,21],灤河流域耕地是對(duì)大型底棲動(dòng)物影響最大的土地利用方式(圖5),流域尺度的土地利用格局主要通過(guò)影響河流的水環(huán)境狀況和河道內(nèi)底質(zhì)微生境質(zhì)量,進(jìn)而影響大型底棲動(dòng)物的分布,同時(shí)研究表明無(wú)論基于何種方法進(jìn)行流域土地利用格局的計(jì)算,其對(duì)大型底棲動(dòng)物影響的路徑具有較高的一致性.相關(guān)研究表明,耕地面積的增加通常會(huì)伴隨著自然植被的減少,進(jìn)而影響流域水文過(guò)程,導(dǎo)致流域年徑流量與暴雨徑流量的增加、河流基流量降低、徑流土壤下滲量的減小,造成生物棲息地內(nèi)淺水區(qū)域增加,生境結(jié)構(gòu)趨于簡(jiǎn)化,對(duì)水生生物的生長(zhǎng)繁殖不利[22].Riseng等[16]研究美國(guó) 4大區(qū)域農(nóng)業(yè)土地利用比例對(duì)底棲動(dòng)物完整性的影響,發(fā)現(xiàn)東部沿海平原區(qū),農(nóng)田主要影響電導(dǎo)率和水中溶解的無(wú)機(jī)氮含量,而在中西部地區(qū),主要通過(guò)水質(zhì)的懸浮顆粒濃度對(duì)底棲動(dòng)物產(chǎn)生影響.Egler等[23]評(píng)估了巴西東南部河流不同的土地利用(森林,牧場(chǎng)和農(nóng)業(yè))對(duì)水質(zhì)和大型底棲動(dòng)物的影響,結(jié)果表明,由于農(nóng)業(yè)地區(qū)水質(zhì)中氮磷含量高和富營(yíng)養(yǎng)化等原因,農(nóng)業(yè)用地區(qū)域底棲動(dòng)物的豐度明顯低于林地和牧場(chǎng)區(qū);同時(shí),該區(qū)域內(nèi)河邊侵蝕現(xiàn)象明顯,導(dǎo)致沉積物增加,造成大型無(wú)脊椎動(dòng)物的棲息地喪失.Descloux等[24]選取了3條溫帶河流,比較增加細(xì)粒沉積物百分比和人為改變底質(zhì)顆粒分布對(duì)底棲動(dòng)物產(chǎn)生的影響,結(jié)果表明底質(zhì)中細(xì)粒物質(zhì)比例的增加顯著降低了大型無(wú)脊椎底棲動(dòng)物的棲息地質(zhì)量,限制了溪流受干擾后的恢復(fù)能力.國(guó)內(nèi)相關(guān)研究表明,底質(zhì)異質(zhì)性是影響底棲動(dòng)物的重要因素之一[25-26].草地對(duì)大型底棲動(dòng)物生物指數(shù)的影響僅次于耕地(圖5),河岸帶草地具有攔截泥沙、移除地表徑流的氮含量和磷含量的作用[27].灤河上游地區(qū)存在過(guò)度放牧現(xiàn)象,河岸帶草地功能減弱,上游工業(yè)污染直接影響水體水質(zhì),進(jìn)而影響底棲動(dòng)物生境中底質(zhì)組成及其化學(xué)成分.

在本研究結(jié)果中,土地利用格局指數(shù)和底質(zhì)的關(guān)系,受到了流域內(nèi)部自然特征,長(zhǎng)期干擾因素和短期干擾因素的影響.其中,自然特征表現(xiàn)為灤河流域上游、中游和下游地質(zhì)類(lèi)型存在差異,河床通過(guò)長(zhǎng)期自然演化,底質(zhì)組成存在差異性;長(zhǎng)期干擾因素主要指農(nóng)田開(kāi)發(fā)和植被變化,通過(guò)影響流域水土運(yùn)移進(jìn)而影響底質(zhì)狀況;短期干擾因素主要指河道挖沙導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重,河道變淺,泥沙增多,多處出現(xiàn)淺灘,對(duì)底棲動(dòng)物生境產(chǎn)生嚴(yán)重影響.綜合以上三種因素,流域土地利用格局與河床底質(zhì)組成之間的關(guān)系,由于受到數(shù)據(jù)精度限制和實(shí)際干擾因素影響,有待進(jìn)一步研究.

灤河流域土地利用格局與水質(zhì)關(guān)系的研究受到以下因素影響:水質(zhì)受到包括點(diǎn)源排放的瞬時(shí)影響以及點(diǎn)源和非點(diǎn)源的綜合影響;對(duì)于靜態(tài)的土地利用格局和單次水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù),研究二者的相關(guān)關(guān)系本身存在較大的局限性.灤河流域上游受流域內(nèi)土地利用和點(diǎn)源污染的影響,主要表現(xiàn)為水體有機(jī)物污染、富營(yíng)養(yǎng)化、底質(zhì)受到水土流失后表層沉積物中的細(xì)顆粒物增加,對(duì)大型底棲動(dòng)物的干擾明顯;中游河流多經(jīng)過(guò)城鎮(zhèn),污水排放造成有機(jī)質(zhì)增加,水質(zhì)變差;下游區(qū)域位于河北省唐山市較發(fā)達(dá)地區(qū),污染物輸入造成電導(dǎo)率、總氮和氨氮濃度升高,沉積物中有機(jī)氮含量較低,河流初級(jí)生產(chǎn)力的下降[28],從而對(duì)底棲動(dòng)物產(chǎn)生影響.解瑩[29]選取了灤河流域上游地區(qū) 29個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn),分析結(jié)果顯示上游地區(qū)整體水質(zhì)一般,個(gè)別站點(diǎn)水質(zhì)較差,主要污染物為總氮、氨氮,該污染使河流呈現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài),與本文路徑分析結(jié)果相符合.黎潔[30]通過(guò)對(duì)灤河浮游動(dòng)物多樣性的調(diào)查,認(rèn)為灤河上游主要受工業(yè)廢水和生活污水的影響污染嚴(yán)重,下游水流較大,自?xún)裟芰^強(qiáng),為輕度至中度污染.沈洪艷[31]在太子河流域的研究也表明,農(nóng)田導(dǎo)致的水質(zhì)惡化,總氮增加等因素影響底棲動(dòng)物的空間分布.

本文構(gòu)建的模型與傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法結(jié)果相比較,所得結(jié)果不僅驗(yàn)證了傳統(tǒng)方法的分析結(jié)果,同時(shí)綜合了各個(gè)尺度因子,優(yōu)化因果關(guān)系結(jié)構(gòu)并增加了生物指標(biāo)的解釋度.首先,模型的構(gòu)建基于先驗(yàn)的因果關(guān)系體系.基于變量和路徑選擇的先驗(yàn)理論降低了數(shù)據(jù)誤差,構(gòu)成的潛變量能夠更好的處理指示指標(biāo)(不同尺度因子)和響應(yīng)指標(biāo)(生物指數(shù))之間的關(guān)系[32].其次,SEM包含潛變量,觀察數(shù)據(jù)之間的相關(guān)關(guān)系為潛變量的構(gòu)建提供了基礎(chǔ),解釋度的增加源于模型包含了潛變量和變量之間的多重影響評(píng)估.第三,構(gòu)建了間接路徑,估計(jì)直接關(guān)系和間接關(guān)系并得到路徑系數(shù),能夠更好的體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜的多重因果關(guān)系.本研究的SEM還有待于進(jìn)一步改進(jìn),包括增加數(shù)據(jù)樣本量、增加環(huán)境指標(biāo)類(lèi)型,使模型解釋度更高.在流域大尺度干擾因子與微生境生物狀況之間的關(guān)系研究中,雖然存在較多待研究科學(xué)問(wèn)題,包括流域景觀格局對(duì)流域生態(tài)過(guò)程的影響、尺度轉(zhuǎn)換問(wèn)題等, 但SEM在生態(tài)水文學(xué)[33]、土壤生態(tài)學(xué)[34]、河流生態(tài)健康評(píng)價(jià)[35]和森林生態(tài)系統(tǒng)[36]等方面,得到了多方面的探索和應(yīng)用. SEM 能夠整合不同尺度因子,在描述大尺度土地利用格局和河流生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)系中,闡明長(zhǎng)期宏觀尺度(人為活動(dòng))對(duì)微觀尺度(生物類(lèi)群)的影響程度和影響過(guò)程,為多尺度多變量的生態(tài)學(xué)問(wèn)題提供了綜合性的分析方法和新的研究視角.

4 結(jié)論

4.1 對(duì)灤河流域底棲動(dòng)物產(chǎn)生影響的水環(huán)境和物理生境因子中,水質(zhì)因素主要為電導(dǎo)率,底質(zhì)因素主要為細(xì)粒物質(zhì)比例和全氮含量.

4.2 流域尺度不同的景觀格局指數(shù)中,基于水流路徑緩沖區(qū)的土地利用格局指數(shù) FL_2000m與各生物指標(biāo)的擬合性最高,主要影響因素為耕地和城市居民地,表明相對(duì)于簡(jiǎn)單百分比指數(shù),經(jīng)過(guò)距離加權(quán)改進(jìn)的景觀指數(shù)能夠提高對(duì)河流生態(tài)狀況的解釋度.

4.3 通過(guò)分析“流域土地利用格局-水環(huán)境和物理生境-底棲動(dòng)物”的生態(tài)學(xué)聯(lián)系,構(gòu)建了 3個(gè)結(jié)構(gòu)方程模型,解釋度分別達(dá)到47%、33%和47%.

SEM-BIBI模型主要影響路徑:流域土地利用格局(耕地%)-水質(zhì)(NH4-N、TP、Cond)-底棲生物指標(biāo)(B-IBI).

SEM-TR模型主要影響路徑:流域土地利用格局(耕地%)-水質(zhì)(NH4-N、TP)-底棲生物指標(biāo)(TR).

SEM-H′模型主要影響路徑:流域土地利用格局(耕地%、草地%)-水質(zhì)(NH4-N、Cond、TP)-底棲生物指標(biāo)(H′).

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Effects of land use patterns on biological indices of macroinvertebrates via multiple pathways in the Luan River watershed.

watershed. MA Kai1,2,3, ZHANG Hai-ping3, QU Xiao-dong3, HUANG Xiao-rong1,2*, ZHANG Ming3, LIU Xiao-bo3(1.State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering, Chengdu 610065, China；2.College of Water Resource & Hydropower, Sichuan University, Chengdu 610065, China；3.China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China). China Environmental Science, 2017,37(7)：2674～2683

Based on ecological surveys of 65sites within the Luan River watershed, we analyzed multiple pathways about how land use patterns affect biological indices of macroinvertebrates by using statistical analysis and Structural Equation Model (SEM). The results showed that conductivity, concentration of total nitrogen and percentage of fine sediments were the mostly dominant variables of water quality and habitat environment, those which affected the biological indices of macroinvertebrates in the reach scale. Based on key factors selection, SEM models explained 47%, 33% and 47% of variations of indices of biological integrity, Shannon-Winner diversity, taxa richness of macroinvertebrates, respectively. The path coefficient (Pc) indicated that percentages of cropland and grassland in the watershed scale directly and significantly affected the ammonia nitrogen, total phosphorus and conductivity in the river reach scale. Then those water quality variables directly and significantly affected the community structure and ecological function of macroinvertebrates. This study confirmed that the SEM models could be used effectively to explore pathways through complex and multiple land uses scales, and provide important reference and recommendations for river protection and restoration.

land use pattern；macroinvertebrate；path analysis；structural equation model

X171.1

A

1000-6923(2017)07-2674-10

馬 凱(1992-),男,甘肅武威人,碩士研究生,主要從事生態(tài)水文與水資源方面的研究.

2016-11-23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41501204,51479219, 51579161);中國(guó)水利水電科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(WE0145B062016)

* 責(zé)任作者, 教授, hxiaorong@scu.edu.cn