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土地利用变化和气候变化是当前河流生态系统环境变化的两大驱动因子。二者既影响了水和物质的循环过程,又影响了水生生物的栖息地质量。尤其是在水质恶化、土地利用强度与河岸带景观破碎化程度增加等多重环境胁迫之下,水生生物的栖息地质量更加令人堪忧。基于此,本研究在对东亚季风区河流--香溪河的大型底栖无脊椎动物群落长期监测的基础上,就土地利用变化和气候变化对河流生态系统的影响进行了分析,主要结果如下:
1.于2006年7月到2007年5月对三峡水库和葛洲坝水库湖北库区的7条主要入库支流进行了季节调查。结果表明,研究区域的优势大型底栖无脊椎动物为细蜉(Caenis sp.)、四节蜉(Baetis sp.)、扁蜉(Heptagenia sp.)和侧枝纹石蛾(Ceratopsyche sp.),密度相对丰富度分别为10.59％、6.92％、6.13％和5.27％；密度丰富度和生物量的季节差异不显著,而空间差异显著；物种丰富度、Shannon-Wiener和Margalef指数则相反,其季节差异显著,空间差异却不明显；均匀度指数的时空差异均不显著。对7个流域4个季节大型底栖无脊椎动物群落结构的DCA分析表明,季节相似性高于空间相似性。对比各流域的生境特征发现,香溪河流域具有多种生境类型,更适合开展多种类型的生态学研究。
2.对香溪河流域进行土地利用格局影响的分析。结果表明,77个样点(2004年6月)共采集到大型底栖无脊椎动物126个分类单元,隶属7纲59科,其中,水生昆虫是绝对优势类群,种类数达118种。四节蜉(Baetis sp.)、艾恩蜉(Ironsp.)、侧枝纹石蛾(Ceratopsyche sp.)和舌石蛾(Glossosoma sp.)为香溪河流域的优势类群,密度相对丰富度分别为30.05％、12.91％、6.61％和5.09％。大型底栖无脊椎动物群落组成与环境因子的典型相关分析表明,总氮、磷酸盐、水深、森林面积和海拔是生物群落空间分布的主要影响因子。虽然大型底栖无脊椎动物群落组成对土地利用特征较为敏感,但是其它类型的环境因子对生物群落的影响更为重要。
3.针对香溪河河流生态系统受到的土地利用变化的干扰,构建了底栖生物完整性指数(Benthic Index of Biotic Integrity,B-IBI),并对土地利用格局对生物群落的影响进行了评价。依据水体理化、生物因子和土地利用信息,将77个样点(2004年6月)区分为参照点和受损点,并从35个候选参数中筛选出了6个核心参数,构成香溪河流域的B-IBI评价体系。采用四分法和0-10分值法计算了各样点的B-IBI值,并对香溪河流域的水体健康状况进行了评价,结果表明,香溪河流域的生境差异明显,且多数样点的生境退化程度较重。利用主成分分析(PrincipalComponents Analysis,PCA)探讨了B-IBI及其核心参数与水体理化、土地利用之间的关系,PCA结果表明,营养盐含量和土地利用强度解释了样点空间分布的绝大多数变异；开发程度较轻子流域的生物多样性较高,B-IBI得分也较高。
4.气候变化对陆地和海洋生态系统影响的研究已较为广泛,而河流生态系统响应的证据还较为缺乏。基于对香溪河6年的生物监测(2001年7月～2007年6月),重点分析了气候变化对大型底栖无脊椎动物群落的影响。结果表明,近30年来,香溪河流域的年均气温上升了0.60℃,流量则显著减少。未来水温上升1℃将会导致大型底栖无脊椎动物的密度丰富度和多样性分别下降11.70％和6.77％。南方涛动指数(Smoothed Southern Oscillation Index,SSOI)增加10个单位的情景下,大型底栖无脊椎动物的密度丰富度和多样性将分别降低38％和20％左右。此外,水温升高将会降低Cricotopus sp.、Potthastia gaedii、Orthocladius clarkei等的密度丰富度,而Polypedilum sp.、Oligochaeta spp.、Rheopelopia sp.等的密度丰富度则将会随温度的升高而增加。虽然温度升高3℃时,多数物种依然能够存活,但Orthocladius clarkei和Hippeutis umbilicalis等部分物种将面临灭绝的风险。
5.选择山区河流密度丰富度较高的类群之一--襀翅目,进行了四川短尾石蝇(Nemoura sichuanensis)生活史及其与气候因子(温度)关系的研究(2003年7月～2007年6月)。结果表明,四川短尾石蝇完成一个世代需要一年,其受精卵于7月孵化,此后持续生长到次年2月,羽化出现在三月中旬,并持续到4月下旬。四川短尾石蝇的生长过程分为起始期、快速生长期和稳定期。起始期(7月到9月)的生长率最低(0.07％·dw·d-1),10月到次年2月的快速生长期达到0.57％·dw·d-1,稳定期(3月、4月)的生长率减少为0.35％·dw·d-1。野外条件下,四川短尾石蝇羽化所需的临界温度为9℃,且昼夜温差≥10℃,四川短尾石蝇稚虫从孵化到羽化需要的生理时间为250d左右,有效积温需达到2500度日。整体而言,四川短尾石蝇的生长速率和生理时间、有效积温成非线性关系,Logistic方程较好地模拟了这种非线性关系。
6.洪水干扰和土地利用方式转变对河流生态系统健康的影响较大,但考虑二者的交互作用并区分其对生物群落影响的研究尚鲜见报道。基于对香溪河流域两条不同土地利用方式(森林和农田)河流的逐月研究(2004年7月～2007年6月),重点分析了洪水干扰和土地利用方式对大型底栖无脊椎动物的影响。结果表明,大型底栖无脊椎动物的主要优势物种、密度丰富度、生物量、物种丰富度、EPT物种数和Margale脂数均在洪水后显著下降。洪水后,部分物种能够快速恢复,如Baetis sp.、Orthocladius sp.、Epeorus sp.和Heptagenia sp.。森林河流密度丰富度的恢复时间约为5个月,而农田河流的恢复时间稍长。生物因子与水文因子(月均流量,Qmean)、时间因子(洪水后低流量的天数,Ndays)之间的多元逐步回归分析表明,生物因子与Qmean负相关,与Ndays则正相关,表明洪水能够破坏生物群落的稳定性,而低流量天数对生物群落的恢复至关重要。对时间因子(月份)和土地利用方式进行双因素方差分析,结果表明,时间因子比土地利用方式对大型底栖无脊椎动物群落的影响更为重要。
7.基于对香溪河流域的多年研究资料,以该流域河流大型底栖无脊椎动物最优势类群Baetis sp.为指示生物,建立了我国大陆地区第一个基于长期的连续的野外实测数据的水生生物栖息地适合度模型(Habitat Suitability Model,HSM)。为保护河流生态系统的完整性,将河道内环境流量分为三个层次,即河道内最小需水量、最小环境流量和适宜环境流量,并分别利用水文法和加权可利用面积法构建了这三个层次的河道内环境流量的计算模型。结果表明,研究地点的最小需水量为Tennant法描述为“差”的流量(即0.675m3 s-1)；为保护河流生态系统健康,维系河道景观多样性,应将多年平均流量的39.10％(即2.639m3 s-1)作为研究地点的适宜环境流量。本研究综合考虑了水文和生物因素,从三个层次确定了河道内环境流量,可为香溪河流域水资源的合理配置与综合管理提供技术支持,同时为香溪河流域应对极端枯水事件提供适应性对策。