基于HABITAT模型的生物棲息地評價
——以瀘沽湖寧蒗裂腹魚為例

黃 煒

(江蘇盛立環保工程有限公司，南京 210019)

棲息地是生物賴以生存、繁衍的空間和環境，關系著生物的食物鏈及能量流，也是各種自然環境保持健康的根本。良好的生物棲息地狀況能夠孕育良好的生態質量，而由于人類規模性的開發建設造成的生物棲息地破壞，會嚴重影響當地的生態質量，進一步將帶來生態災難[1-3]。對生物棲息地進行模擬和評估，探求改變生物棲息地的影響因子，是保護和管理生物棲息地環境的關鍵。

20世紀70年代以來，國外提出了多種生物棲息地評估方法，為管理生物棲息地提供了依據，并就生物量及生物分布以及棲息地異質性與生物多樣性之間的關系進行了大量研究。Bovee等首先將河道內流量增加方法IFIM應用到棲息地評估中[4-5]；郝增超等利用IFIM方法和棲息地適應度曲線對新疆額爾齊斯河中游魚類產卵期的生態需水量進行了研究[6]；Hayes等利用邏輯回歸模型對班鱒魚的棲息地選擇情況進行了研究[7]；Binns等利用多重回歸模型對鮭魚的棲息地適宜性進行了分析[8]。上述方法在生物棲息地模擬研究和適宜性分析中取得了卓有成效的成果，但是它們也有其局限性，如：模型缺乏廣泛適應性，對參數選擇要求高，與水文、水質模型耦合困難等[9]。針對這種情況，HABITAT模型被開發出來。該模型是由荷蘭代爾夫特水利學研究所開發的軟件系統，其以生態水力學為核心，利用生物棲息地適宜性指數(HSI)和生物棲息地底圖，模擬不同的生存環境情況下生態棲息地變化狀況，并通過GIS地圖對生態棲息地變化情況進行可視化顯示。由于該模型輸入數據格式與同為代爾夫特水利學研究所開發的水質模擬軟件(Delft-3D WAQ或SOBEK)的輸出數據格式一致，因此其在與水文、水質模型耦合方面具有天然的適應性，也使其應用范圍更加廣泛， Haasnoot等人[10]在2005年利用HABITAT模型對荷蘭的Ijsselmeer湖中的Zebra Mussel物種進行了棲息地面積分布研究。

本文借助Delft-3D軟件模擬瀘沽湖水質變化情況，并以HABITAT模型為基礎，建立反映水質變化對魚類生態棲息地影響程度的評價模型，研究魚類棲息地演變狀況，旨在為我國湖泊生物棲息地環境保護和生態建設提供參考。

1 基于HABITAT模型的生物棲息地評價方法

HABITAT模型其核心是以生態水力學為基礎，建立水流中介質與生物棲息地之間的定量關系，計算不同生存環境下水生生物棲息地可利用數量指標。由于棲息地是一個為生物體的生存和繁殖提供水、食物、空間等環境因素的組合，是物種種群生長和生活的自然環境，因此影響棲息地環境改變的因素非常之多，如水質、水量、水位、流速、底質等[11-13]；同時，這些因素對生物棲息地的影響程度不盡相同，而且它們之間相互作用的關系也非常復雜，不可能將其全部描述清楚，因此在HABITAT模型應用過程中采用以下兩個假設：(1)模型中所有變量對生物的生存和繁殖具有等同的重要性；(2)模型中所有變量對生物棲息地的影響都是相互獨立的，互不影響?；谏鲜黾僭O，本文以HABITAT模型為基礎建立生物棲息地評價方法，建立的基本步驟如下所示：

① 通過實地調查研究區域內的主要水生動物類型，從生態價值、社會價值、經濟價值等多個方面綜合比選后，選取出需要模擬的指示物種類型；

② 分析選取出的指示物種的生理特性，確定對其生長和擴展有重要影響的環境因子，主要包括水位、流速、湖泊底質、水體中的溶解氧、磷酸鹽濃度等；

③ 建立基于棲息地適宜性指數(HSI)的水生動物生境因子與湖泊環境因子之間響應關系，HSI指數介于0～1之間，其中0意味著對特殊的棲息地條件沒有偏愛，1意味著對特定條件有最高偏好[14]。

④ 網格化研究區域，運用Delft-3D中的水流和水質模塊模擬湖泊中的水質情況；

⑤ 按照HABITAT模型要求的格式建立指示物種在不同環境條件下的演變規律；根據模擬出的水質環境條件以及棲息地響應關系，評價各物種類型的生境適應性，并計算其適宜面積，從而獲得研究湖泊在未來不同水平年的棲息地格局。

2 實例研究

2.1 研究區域

瀘沽湖位于中國西南部，四川省和云南省境內，瀘沽湖水文參數見表1。隨著瀘沽湖周邊旅游業的發展，排入瀘沽湖的水污染物量急劇增加，造成其水質日趨惡化，嚴重威脅了當地的生物棲息地。裂腹魚作為瀘沽湖中的特有珍稀魚類，包括厚唇裂腹魚、寧蒗裂腹魚、小口裂腹魚3種，其存在對于研究云貴高原地區裂腹魚類的系統進化和生態演化具有非常重要的意義和價值。然而隨著瀘沽湖水質的惡化，其生存環境已有遭受破壞的趨勢。

達祖村和落水村分別位于瀘沽湖的東北角和西南部(見圖1)，并分別歸屬四川省和云南省管理。是瀘沽湖周邊旅游業和經濟發展最好的兩個村莊，其產生的水污染對瀘沽湖水質造成影響的程度也是最大的。因此，本文選擇達祖村和落水村作為研究目標，用于模擬在不同污染物濃度排放情況下，瀘沽湖裂腹魚生物棲息地的變化狀況。

表1 瀘沽湖水文參數[15]

圖1 瀘沽湖

2.2 指示物種選擇

指示物種一般選擇特定流域保護性目標物種，如魚類和無脊椎動物。本文選取瀘沽湖寧蒗裂腹魚作為指示物種，其作為瀘沽湖中特有的珍稀魚種，具有重要的經濟和觀賞價值，研究其生態棲息地變化情況對保護這種特有的珍稀魚種有著重要的意義。

2.3 適宜度曲線的建立

本文參考有關文獻中的資料建立了寧蒗裂腹魚的棲息地適宜度曲線。根據文獻[16-18]顯示，寧蒗裂腹魚主要生活在瀘沽湖水深0～1.5 m處，其流速約為0.4～0.8 m/s。寧蒗裂腹魚常年生活環境溫度在18～26 ℃之間；當環境溫度大于39 ℃或小于3 ℃時，沒有寧蒗裂腹魚能夠生存。寧蒗裂腹魚對總磷的承受濃度范圍為10～100μg/L，過低的總磷濃度可能導致寧蒗裂腹魚缺少必需的營養物質，而過高的總磷濃度也可使寧蒗裂腹魚中毒而導致死亡。參考以上數據，建立寧蒗裂腹魚適宜度曲線如圖2所示。

圖2 裂腹魚棲息地適宜度曲線

2.4 水質預測

對研究區域瀘沽湖進行網格化，并根據實際調查資料生成瀘沽湖的水深和溫度網格圖(見圖3)。

由于瀘沽湖水質污染源主要為游客及當地住戶的生活污染源，考慮到瀘沽湖旅游相對較發達地區主要為達組村和落水村，因此在建立模型時，污染源位置定為達祖村和落水村。水質因子主要考慮為生活污染源中的TP。根據瀘沽湖水質現狀監測數據，利用Delft-3D中的Flow和WAQ模塊，建立水質預測模型。預測年限分別為2009年和2059年。預測結果將直接作為HABITAT模型的輸入數據。

圖3 瀘沽湖的水深和溫度網格圖

2.5 棲息地預測方案設置

由于瀘沽湖為四川省和云南省共同管理的湖泊，因此達祖村和落水村在水污染控制和生態環境管理上存在一定差異，向瀘沽湖湖體排放的水污染總量和污染濃度也不盡相同。本文考慮兩省間不同的管理策略和效果，對引起瀘沽湖水質變化的水污染排放情況設置了四種方案，并分別按2009年和2059兩個年度進行預測。瀘沽湖棲息地預測方案設置情況見表2所示。

表2 瀘沽湖棲息地評價方案設置

續表2

3 結果分析

分別預測2009年至2059年中，瀘沽湖水質的變化對寧蒗裂腹魚棲息地的影響，定量給出寧蒗裂腹魚各類適宜度生物棲息地面積，并分析棲息地面積變化趨勢。

3.1 方案一

圖4(a)、(b)分別表示方案一情況下2009年、2059年寧蒗裂腹魚棲息地預測示意圖。

圖4 寧蒗裂腹魚棲息地預測示意(方案一)

由兩圖比較可知，寧蒗裂腹魚不適宜棲息地(HSI<0.1)的區域主要為湖體中部及東南角(草海)；2009年及2059年相比，其棲息地面積有所減少，但不是特別明顯。由此可知，兩省若控制對瀘沽湖的排污，其對寧蒗裂腹魚的棲息地影響不大。

3.2 方案二

圖5(a)、(b)表示方案二情況下2009年、2059年寧蒗裂腹魚棲息地預測示意圖。

與圖4相比，落水村附近水域對寧蒗裂腹魚棲息地的適宜性有所增加，更加適宜裂腹魚的生存，這主要是因為排放的磷酸鹽在一定范圍內時可以作為裂腹魚的營養物質，因此有利于其生長；而到2059年，隨著污染物濃度的持續增加，濃度過高的磷酸鹽將對裂腹魚產生致毒性，導致裂腹魚的死亡。所以，落水村附近水質已完全不適宜寧蒗裂腹魚生存。

圖5 寧蒗裂腹魚棲息地預測示意 (方案二)

3.3 方案三

圖6(a)、(b)表示方案三情況下2009年、2059年寧蒗裂腹魚棲息地預測示意圖。

與前一種情況相似，達祖村附近水質對裂腹魚棲息地的適宜性有所增加，而到2059年，達祖村附近水質已完全不適宜寧蒗裂腹魚生存。

圖6 寧蒗裂腹魚棲息地預測示意 (方案三)

3.4 方案四

圖7(a)、(b)表示方案四情況下2009年、2059年裂腹魚棲息地預測示意圖。

圖7 寧蒗裂腹魚棲息地預測示意(方案四)

由圖中可以看到，2009年落水村和達祖村附近水質對寧蒗裂腹魚的適宜性增加，到2059年兩排污點附近已不適宜寧蒗裂腹魚生存，瀘沽湖對裂腹魚的棲息地面積也明顯減少。

由以上示意圖可以看出，在向瀘沽湖排放水污染物時(以總磷為例)，當污染物濃度未超過湖中水生生物(裂腹魚)生存閾值時，由于污染物帶來更多的營養物質，水生生物生存環境反而得到改善，適宜的棲息地面積增大；當污染物濃度超過湖中水生生物生存閾值時，會造成水生生物中毒，甚至致死，其生存環境惡化，不適宜棲息地面積增加。表3中列出了不同方案情況下適宜、中等適宜和不適宜寧蒗裂腹魚生存的棲息地面積。

表3 寧蒗裂腹魚棲息地面積 km2

4 結論

本文利用基于HABITAT模型的生物棲息地評價方法，模擬不同水質情況下的裂腹魚棲息地變化情況，分析和研究表明，當瀘沽湖中水污染物濃度未超過寧蒗裂腹魚生存閾值時，寧蒗裂腹魚能夠獲得更多的營養物質，適宜的棲息地面積增大；當污染物濃度超過生存閾值時，將造成寧蒗裂腹魚中毒，甚至致死，不適宜的棲息地面積增加。本文研究結果可為中國西部及西北部生態脆弱區流域的綜合研究和科學管理提供依據。

由于實測數據資料的限制，本文在水質模擬中做了一定的簡化處理，計算結果與實際情況可能存在一定的偏差；另外，在研究分析中僅僅考慮了溫度、水深和流速等影響因素,并且認為這些影響因素是相互獨立的，而事實是各影響因素是關聯在一起來提供物種生存的環境。因此，在下一步工作中，應加強對計算結果和實際情況的偏差分析，以及溫度、水深、流速等因素綜合影響物種生存環境的研究。

參 考 文 獻

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