河溪生境因子對土地利用變化的響應研究

馮澤深，顧 嵐，陳 瓊，高甲榮

（1．北京木聯能軟件技術有限公司，北京100096；2．北京林業大學 教育部水土保持與荒漠化防治重點實驗室，北京100083）

河岸土地利用／覆被變化（LUCC）能通過改變河岸帶生態系統的結構和功能，對河溪生態系統的物質循環和能量流動起著關鍵性影響。由LUCC引起的河溪水質變化和水生生物數量的變化可以作為反映河溪退化程度的重要指標。不當的河岸土地利用方式能減少河岸植被覆蓋，削弱河岸植物根系的故土作用，從而導致河岸帶結構不穩定，進而影響河溪的生態環境。George等［1］研究了不同的河岸土地利用方式對河溪中磷濃度的影響，并按其影響大小對土地利用方式進行了排序；Daniel等［2］解釋了放牧這種河岸利用方式對河溪水生生物數量的影響，Belsky等［3］認為過度放牧這種土地利用方式能極度降低河岸的穩定性，影響沉積物中氮磷的含量，從而影響河溪的水質。雖然該種土地利用方式在北京地區的河溪比較少見，而旅游用地及農地這兩種河岸土地利用方式在北京郊區也較為普遍，但是均能夠加劇面源污染，影響水質及水生生物的數量。因此，研究河溪的生境因子對河岸土地利用方式變化的響應具有重要的意義。目前，國內專家研究了土地利用變化對流域生態需水的影響［4］，探討了土地利用變化對長江上游生態系統服務價值的影響［5］，闡釋了其對河溪廊道功能的削弱作用［6］，分析了土地利用方式的變化對河岸植被的影響［7］，但針對北京郊區河溪的河岸土地利用方式對河溪生境因子的影響卻鮮有報道。由于人類對河溪的持續干預，使北京郊區季節性淹沒區減少，天然濕地喪失，各種生物適宜的生態環境和棲息地被大量壓縮，河溪生境面臨著生物多樣性喪失、水質惡化及河岸帶退化的危險，流域的可持續發展受到了嚴重威脅。本文以北京郊區3條具有代表性的河溪作為研究對象，探討了北京周邊土地利用方式對河溪生境因子的影響，以期為北京郊區合理的河岸規劃與生態修復工作提供參考。

1 研究區概況

選取位于北京市密云、懷柔、房山3個郊區縣的3條典型河溪安達木河、雁棲河、拒馬河為研究對象。這3條河溪受人為干擾程度不同，河岸土地利用方式具有明顯差異，且分別處于北京市的北部、中部和南部，也很具有研究代表性。

安達木河位于北京市的東北部，發源于河北省灤平縣澇洼村北山區和承德縣亂石洞子，分別由北嶺和黑關入密云縣境，在曹家路村東匯合后稱安達木河。研究區位于密云縣境內，北嶺至遙橋峪水庫入庫口段，地 理 坐 標 為 40°40′ —40°38′N，117°26′ —117°22′E，河段長26．8km，受人為干擾較小，河岸利用方式以農地和未利用地為主。雁棲河位于北京市中部懷柔縣境內，發源于八道河鄉對石、西柵子等處山洪溝，經柏崖廠注入北臺上水庫，沿河民俗旅游業發達，受人為干擾較為嚴重。研究區為神堂峪風景區至北臺上水庫入庫口段（40°26′—40°24′N，116°37′—116°39′E），河段長20．2km。河岸土地利用方式以旅游用地和居民用地為主。拒馬河發源于河北省淶源縣西北太行山麓，在北京市南部房山區十渡鎮入市界，流經十渡風景區，旅游業發達，受人為干擾較大。研究區為房山區大沙地村至張坊鎮河段（39°39′—39°33′N ，115°29′—115°41′E），河段長28．4km，河岸土地利用方式以旅游用地為主。

2 研究方法

研究河段選擇。研究河段的選擇基于以下標準［8］：（1）兩岸同一種土地利用方式長度需要超過300m；（2）河岸必須有一種占主導地位的土地利用方式；（3）所有研究河段的流域面積均小于50km2。2007—2009年每年7—8月對研究區進行河溪生境野外調查（這時水位經春汛后已經基本穩定），沿河每1km布設1調查點，在3條河溪共76個河段中最終選擇了50個河段作為研究對象（表1）。

河岸土地利用方式調查。根據北京市郊區土地利用現狀和土地資源的特點，結合同期土地利用詳查資料和野外實地調查，將京郊地區河岸土地利用方式分為農地、旅游用地、公路、居民用地與未利用地5種，記錄各個研究河段的河岸土地利用方式種類。

表1 不同河岸土地利用方式的研究河段綜合特性

生物指數調查。在每個采樣點水域內，采樣面積為5m2，用小于0．5mm的篩網，收集含有大型無脊椎底棲動物的碎屑，將底棲動物逐個挑選出來，放入75%酒精中固定，以便室內進行顯微鏡檢、分類、計數［9］。同樣采用該篩網由底至表垂直拖拽采集浮游植物，所獲標本用5%甲醛現場固定，室內進行分類和統計。

水質因子調查。pH值、溶解氧、氨氮和磷酸鹽的含量采用北京中西儀器廠出品的BD80系列野外便攜式試劑盒滴定測量。流速采用浮標法測定，測量距離為5～10m；每個采樣點取樣3次，取平均值［10］。

數據分析：各調查數據的差異顯著性檢驗、主成分分析與二維平面上的散點圖用SAS 9．0完成。

3 結果與分析

3．1 不同土地利用方式河段生境指標的差異顯著性分析

為研究河岸土地利用方式不同的各河段水生境指標的差異顯著性，應用SAS 9．0對不同河岸土地利用方式的河段的底棲動物多樣性、浮游植物多樣性、流速、pH值、氨氮、磷酸鹽和溶解氧7項生境指標進行不平衡方差分析與相應的Duncan差異顯著性檢驗［11］（如表2所示）。

表2 河岸土地利用方式不同的各河段生境指標差異顯著性檢驗

GLM（general linear model，GLM）方差分析結果表明，河岸土地利用方式不同的各河段底棲動物多樣性、浮游植物多樣性、pH值及氨氮差異不顯著（p＞0．05），而流速和溶解氧差異顯著（p＜0．05），磷酸鹽差異極顯著（p＜0．01）。說明各河溪生境因子對不同的河岸土地利用方式的響應程度有明顯不同。

3．2 不同土地利用方式的河段生境指標的主成分分析

為進一步研究不同土地利用方式對河溪生境因子的具體影響，應用SAS 9．0對不同土地利用方式的各河段的7個生境指標進行主成分分析，得到因子載荷陣，并且建立了因子分析線性模型。為了通過模型對不同土地利用方式與各指標變量的密切關系做出更明確的解釋，用極大方差法對得到的因子載荷陣進行因子旋轉。

如表3所示，在因子分析中，前5個因子（主成分）的累積方差貢獻率才超過85%。通過分別對前5個與前4個因子構成的因子載荷陣進行因子旋轉后發現，用前4個主成分的因子載荷陣進行因子旋轉得到的各因子的綜合指標意義比較明顯，并且該4個因子的累積方差貢獻率已達80．73%，基本可以反映研究區的指標變異信息，因此用前4個因子構成的因子載荷陣進行因子旋轉和因子分析（表4）。

表3 不同土地利用方式的各河段的特征值與各主成分的貢獻率

表4 因子旋轉前后不同土地利用方式的各河段4個因子的因子載荷陣

從表4可以看出，進行因子旋轉以前，每個因子中各指標的載荷分布相對均勻且比較混亂，各因子所反映的綜合指標意義不明顯。因子旋轉可以使每個變量（指標）僅在一個公共因子上有較大載荷，而在其余公共因子上載荷較小，從而使因子載荷陣的結構得到簡化［12］。

因子旋轉以后，因子1中水體pH值、溶解氧與浮游植物多樣性載荷較大，因此因子1是反映pH值、溶解氧與浮游植物多樣性的綜合因子。因子2中底棲動物多樣性與磷酸鹽載荷較大，為反映這2個指標的綜合因子。因子3中流速載荷較大，反映流速因子。因子4中氨氮載荷較大，反映氨氮因子。

3．3 4個綜合因子對不同河岸土地利用方式的響應

研究區的3條河溪其河岸土地利用方式主要有農地、公路、居民用地、旅游用地和未利用土地5種，不同的土地利用方式均會對河溪生境造成一定的影響，從而導致河溪生態系統各項功能的退化。根據建立的因子模型計算各研究河段的4個綜合因子的得分，并用SAS 9．0中的PLOT過程分別做出旋轉后的每2個因子得分在二維平面上的散點圖（圖1）。

圖1 不同河岸土地利用方式下4個綜合因子的相互影響

圖1a，1d，1e說明因子2對旅游用地得分較高，即旅游用地主要影響附近河溪中磷的濃度與底棲動物的多樣性；雁棲河和拒馬河的研究河段中河岸的主導土地利用方式為旅游用地，河岸的度假村所排放的生活污水導致了河溪中磷酸鹽含量的增加；同時部分旅游風景區會采取一定程度的環境保護措施，因而河中底棲動物的多樣性偏高，而底棲動物能攪動底泥，加快底泥中磷的逆向解吸，重新釋放進入上覆水體［13］，因而更促進了磷含量的增加。公路用地的散點也較偏向因子2，但各河段的因子2加權平均得分比旅游用地少42．5%，說明其對底棲動物多樣性和磷酸鹽濃度的影響不及旅游用地。圖1c，1e，1f這3個圖表明因子4對居民用地得分較高，說明居民用地對水中氨氮濃度有較大影響。雁棲河邊居民點較多，而且很多居民都發展民俗旅游業，常有廢水排放入河中，且河邊時常有建筑廢料和生活垃圾堆放，造成河中氨氮濃度偏高。相比第2因子和第4因子得分，第1因子對農地的得分較高，說明農地對河段中pH值、溶解氧濃度及浮游植物的種類有突出的影響；有研究表明，浮游植物的分布格局與pH值和溶解氧呈正相關［14］，水體中藻類的光合作用能引起pH 值的升高［15］，而溶解氧主要來源于藻類的光合作用，因而溶解氧濃度也較大；第3因子對未利用土地的得分較高，說明水流速度較快的河段河岸較少被人為干擾。

4 結 論

本文研究了北京郊區3條典型河溪的水生境因子對不同河岸土地利用方式的響應。通過對生境因子進行不平衡方差分析與相應的Duncan差異顯著性檢驗，發現河岸土地利用方式的不同會造成各項生境指標具有明顯的差異；進一步對各項指標進行因子分析，確定用因子1（pH值、浮游植物多樣性與溶解氧的綜合因子）、因子2（底棲動物多樣性與磷酸鹽綜合因子）、因子3（流速因子）及因子4（氨氮因子）來研究其對不同的河岸土地利用方式的響應情況。

研究區旅游用地對河溪中磷的濃度以及底棲動物多樣性有較大影響，公路也能促進底棲動物多樣性的增加以及磷酸鹽濃度的增大，但影響不及旅游用地；居民用地對氨氮濃度起主要影響，可能人為的傾倒垃圾廢料能導致河溪中氨氮濃度的升高，造成水體污染；農地是造成浮游植物的多樣性增加、pH值和溶解氧的含量升高的主要土地利用方式；水流速度較快的河段河岸較少被人為干擾。

本研究是在夏季對河溪的各項生境因子進行的綜合調查，而在不同的季節，水體浮游植物和底棲動物的組成和數量會有一些變化［16］，因而本次調查結果只能是這種動態變化中的一個剖面，要掌握水體生境因子對土地利用方式的響應的動態變化，還需要做更為長期的系統調查。另外，不同的河岸土地利用方式也會因為改變河溪內沉積物、污染物和營養物的徑流路徑和分布從而影響河溪的水質及水生生物的數量，因此，為了確保北京郊區河溪生態系統的完整性和動態平衡，除了減少人為干擾和控制水體污染外，維持合理的河岸帶土地利用方式尤為重要。

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