异质性的水生态学论文范文

1数据来源与研究方法

1．1研究区概况

黑河流域是我国西北干旱地第二大内陆河流域，地跨青海、甘肃和内蒙古3个省区，流域面积14．2万km2，干流全长821km。黑河流域地势上呈现南高北低的特点，流域平均海拔高度为3600m，相对高差3000m左右，较大的海拔高差使得流域生态格局、气候状况具有明显的垂直地带性，整个黑河流域自南向北依次可划分为:上游祁连山山区水源涵养区、中游张掖人工农业绿洲区和下游额济纳旗沙漠绿洲区三个典型区域［7］。上游祁连山区年降水量相对较高，处于300～500mm之间，中游河西走廊地区年降水量100～250mm，而下游额尔济纳旗绿洲区域降水量不足45mm，属于极端干旱荒漠区域。黑河流域发源于上游祁连山山区约有35条主要河流，流域多年平均水资源总量41．73亿m3，其中出山径流量占88．26%。

1．2数据来源

本文水生态系统及河流水环境等数据主要来源于野外实地调查和采样分析。按照典型性、代表性和可操作性的原则，根据流域水生态系统不同类型设置了采样断面，共设置了94个水生态系统采样点(图1)。样品采集与分析方法主要依据水生生物调查有关技术规范［8］。在野外水生态调查过程中，对河流底质、流速、水深进行了同步测定，并采集了河流水质、底质样品。按照有关测试分析标准，在实验室内完成N、P等生源要素的测试分析。

1．3研究方法

1．3．1指标因子归一化为消除环境因子指标量纲差异的影响，客观分析指标空间上影响特征，需进行指标归一化和标准化处理。在指标归一化处理中，考虑各个指标对于水生态系统作用特征，对于流域水生态系统生长发育具有正相关的指标采用公式(1)，呈负相关的指标则采用公式(2)，从而使得转换后的环境指标数据X''''越大时，该指标对水生态系统的生长发育等作用就越有利。利用上述归一化公式，对环境因子的指标数据进行归一化处理。在完成指标标准化后，采用Arc-GIS样条空间插值法进行栅格化处理，为环境因子与水生态系统异质性特征分析提供分析数据。

1．3．2空间主成分分析考虑到部分环境因子之间存在一定的相关性，为消除信息冗余，突出关键环境因子信息，通过对环境因子主成分分析(PCA)指标降维，可获得相对彼此独立的因子。本文利用ArcGIS地理信息系统软件中PrincipalComponents工具，对各个指标进行了空间主成分因子转换。

1．3．3典范对应分析典范对应分析(CCA)是一种数量排序分析方法，是从对应分析发展而来的。在该排序方法中，通过实现对应分析与多元回归的结合，从而详细地研究生物群落与环境因子之间的相互作用关系。由于典范对应分析可以将多个环境因子结合在一起进行分析，这与直接梯度分析不同，CCA分析结果直观明显，可以更好地反映生物群落与环境的作用关系［9］，为研究水生态系统和环境因子间的复杂关系提供了有利工具。本文采用Cannoca典范对应分析软件(Cannocaforwindows4．5)，对流域水生生物物种数据和环境因子数据进行对应分析。水生生物物种数据采用物种数及生物密度数据，利用lg(x+1)进行数据的转换和处理，使之更趋于正态分布［12］。

2结果与分析

2．1流域水生态系统空间异质性特征

根据野外调查及实验室水生生物样品鉴定，对黑河流域水生生物种类、数量及优势物种特征进行了整理分析。经统计整理，黑河流域调查到浮游植物8门98属231种，其中，硅藻为流域广布种，占总浮游植物物种数42．42%。尺骨针杆藻(Synedraul-na(Nitzsch．))、膜孔平板藻(Tabellariafenestrata)和无常蓝纤维藻(Dactylococcopsisirregularis)为流域内浮游藻类的优势种。黑河流域调查到浮游动物4门44种，其中，原生动物为流域优势类群，共计20种，占流域总物种数45．45%。黑河流域调查到底栖动物5门17种，其中，水生昆虫为流域的优势类群，共11种，占总物种数64．71%。黑河流域共调查到19种鱼类，其中，野生种类13种，主要以鲤科和高原鳅为主;人工养殖鱼类6种，人工养殖鱼类主要分布于水库、人工池塘或湖泊等水体。利用ArcGIS空间分析与处理技术，对黑河流域各个采样点调查到浮游植物、浮游动物、底栖动物和鱼类等水生生物的种类数或物种密度数据，进行空间化处理，得到黑河流域水生态系统空间异质性特征(图2)。可以看出，黑河流域水生态系统空间分布上具有流域中上游地区物种数量相对较多，而下游区域相对较少的特点。

2．2环境因子及其影响特征分析

2．2．1环境因子及其生态表征影响流域水生态系统空间异质性的流域环境因子是多方面的，具有多样性和复杂性的特点［13－15］。为分析不同环境因子对于流域水生态系统的作用关系，需要构建影响流域水生态系统异质性的环境因子指标体系。结合黑河流域以往开展的生态功能区划、自然地理区划以及河流水功能区划等区划指标，以及黑河流域干旱区流域的特点，从气象气候、地形地貌、水文、植被等方面，建立了影响流域水生态特征的指标体系，主要包括多年平均降水量(P)、多年平均气温(T)、多年平均蒸发量(E)、多年平均干旱指数(D)、平均径流深度(R)、绝对高度(DEM)、相对高度、坡向(PECT)、坡度(SLOP)、净初级生产力(NPP)、植被指数(NDVI)等，共11个指标。通过对各指标的作用特点分析［20－21］，概括出不同环境因子对于水生态系统的生态表征特征(表1)。

2．2．2环境因子相互作用关系分析为识别各个环境因子之间的相互作用关系，在对各个指标进行标准化处理后，采用探索性空间相关分析中的相关性分析(CA)方法，判别影响黑河流域水生态系统异质性的各个环境因子之间的作用特征。由相关分析结果可以看出，各个环境因子指标中，绝对高度与相对高度、径流深度、平均降水量、NPP、NDVI以及坡向、坡度之间呈现正相关性，尤其绝对高度与相对高度之间高度相关，相关系数高达0．99以上;而绝对高度与平均气温、平均蒸发量和干旱指数之间，则表现为较为明显的负向相关性，相关系数分别为－0．84、－0．89、－0．79。采用空间主成分分析方法进一步探索各个环境因子之间的作用关系。利用ArcGIS空间分析技术，通过环境因子指标的主成分因子变换，得到影响黑河流域水生态系统的主成分因子特征值及贡献率。由表2可知，前2个主成分(第一主成分PC1和第二主成分PC2)的累积贡献率为99．3%，已综合了各环境因子的绝大部分信息。其中，第一主成分PC1与绝对高度(X6)、相对高度(X7)存在较大的正相关性(0．661)，而指标绝对高度(X6)与相对高度(X7)是黑河流域地形特征信息的表征性指标，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与平均降水量之间具有一定负相关关系(－0．107)，而与平均蒸发量(X4)具有较强正相关性(0．928)，与干旱指数(X5)具有一定的正相关(0．342)，而指标平均降水量(X1)、平均蒸发量(X4)和干旱指数(X5)均作为黑河流域气候特征信息的表征性指标，因此第二主成分PC2可以看作流域气候特征的代表。由此可知，地形要素指标和气候要素指标对于黑河流域水生态系统空间异质性分布具有较大的影响。地形因子中，流域绝对高度与相对高度之间具有极强的正相关关系，可任选其一作为地形因子的表征指标，在此选取绝对高度(DEM)作为黑河流域地形特征的表征指标。气候因子中，流域的降水量(P)与蒸发量(E)、干旱指数(D)之间呈较明显的负相关关系，而蒸发量(E)与干旱指数(D)之间具有一定正相关性，为减少信息冗余，在蒸发量(E)和干旱指数(D)中可选择其中之一，考虑到干旱指数(D)反映出西北黑河流域干旱缺水的内陆河流域特点，因此将降水量(P)、干旱指数(D)作为黑河流域的气候表征指标。

2．3水生态系统异质性主要环境影响要素

利用数量排序反映物种在分类学性状上的差异，明确物种在多个环境梯度上的空间位置，是生态学上的每一物种在超体积生态位的n维空间中都由其特定的位置特性所决定。因此，通过排序手段识别物种分布与生态环境之间的关系，能够很好地揭示它们在不同环境因子(非生物的和生物的)上的生态分化现象［16］。典范对应分析(CCA)排序除了能够反映不同物种的生态分化现象以外，还可以很好地解释物种与环境之间的内在联系。利用CCA分析，将黑河流域水生态系统各样点数据与环境因子指标进行排序，得到环境因子二维排序图(图3)，通过排序轴可知，影响黑河流域水生态系统空间异质性特征的各个环境因子中，海拔高度、降水量和干旱指数是3个影响流域水生物物种数量及分布的主要环境变量，该情形也与环境因子主成分分析(PCA)的结果相一致。由此判断，地形因子(DEM)、气候因子(降水、干旱指数)是干旱区黑河流域水生态系统宏观空间格局分异的主要环境影响要素。

3讨论

研究表明，流域水生生物群落空间异质性的直接驱动因子为水量和水质条件，这些因子的差异也主要体现在流域水体的局部特征上。对于黑河流域而言，浮游植物和浮游动物等水生生物种类分布主要以中游地区居多，与黑河中游地区河道变宽、水流变缓、泥沙易于沉积以及人类活动导致水体中具有较多营养物质有关［17］;而且，黑河中游区域广泛分布湿地水生维管束植物(中游分布有张掖湿地部级自然保护区)，具有适合水生生物生长的栖息生境［18］。其他研究如太子河流域，着生藻类群落结构也具有明显的空间异质性，驱动着生藻类结构空间格局的水环境因子为总氮(TN)、电导率(EH)和总溶解固体(TDS)，但研究同时指出，由于流域不同的土地利用模式、外源性营养盐类型以及人类活动强度等差异，致使河流着生藻类群落结构格局有所不同［19］。在太湖流域大型底栖动物群落结构的环境影响因子中，电导率(EH)和总氮(TN)是影响底栖动物空间分布的主要环境因子［20］。巢湖流域浮游植物群落的空间分布结构，主要受到水温、浊度及入湖水量因子等变化的影响。而流域水生态系统的结构和功能特征受到不同尺度上多个环境因子的综合作用，在河流或河段尺度上，河道动力学、栖息地特征和生境条件、水质和水量差异等往往是造成水生态系统异质性的主要环境影响要素。但是，在宏观尺度上，区域气候和地质条件素通常具有决定性作用，致使流域水生态系统出现宏观的空间分布格局差异［1］，且宏观尺度上的环境要素具有长期而稳定(数百年或者数年前)、作用范围广(大于几十平方公里)的特点。实质上，流域的水生态系统的空间异质性分布格局，除了直接与河流等水体环境的物理化学条件息息相关以外，宏观尺度上的流域环境要素(地形、地质、气候、土壤等)通过对河流水生物栖息环境的直接或间接作用(如降水变化、营养物质输移、底质条件改变、河流形态变化等)，也会影响河流水生态系统的空间分布，使之出现鱼类等水生生物区系、种类及数量等水生态系统的空间异质性分布特征。

4结语

(1)黑河流域浮游植物、浮游动物、底栖动物及鱼类等水生生物主要分布在中游区域，与黑河中游地区河道变宽、流速变缓、泥沙易于沉积以及水体中具有较多营养物质等因素有关，而上游地区由于祁连山山体高差较大、山势陡峭、河流流速相对较大，水生生物种类密度相对较小。下游地区则由于受到阿拉善高原极端少雨、下游河道经常断流等影响，水生生物物种种类和生物密度则相对更少。(2)影响黑河流域水生态系统分布格局的环境因子指标中，绝对高度与相对高度、径流深度、平均降水量、NPP、NDVI以及坡向、坡度之间表现为正相关关系;而绝对高度与平均气温、平均蒸发量和干旱指数之间，则具有较为明显的负向相关性，相关系数分别为－0．84、－0．89、－0．79。(3)黑河流域环境因子指标相互作用关系分析及指标空间主成分分析(PCA)表明，第一主成分PC1和第二主成分PC2累积贡献率已经超过99%，综合了各环境因子的绝大部分信息。其中，第一主成分PC1可作为流域的地形特征(海拔高度)的代表，第二主成分PC2可作为流域气候特征(降水量、干旱指数)的代表。CCA分析结果也同时表明，海拔高度、降水量和干旱指数是影响黑河流域水生物物种数量及分布的主要环境变量，是流域水生态系统宏观空间格局分异的主要环境影响要素。

作者：王世岩毛战坡王亮杜彦良杨素珍单位：中国水利水电科学研究院水环境研究所