魚類生物群落對太子河流域土地利用、河岸帶棲息地質量的響應

高 欣, 丁 森, 張 遠，*,馬淑芹, 劉思思, 孟 偉

1 中國環境科學研究院, 環境基準與風險評估國家重點實驗室，北京 100012 2 中國環境科學研究院, 流域水生態保護技術研究室，北京 100012

魚類生物群落對太子河流域土地利用、河岸帶棲息地質量的響應

高 欣1,2, 丁 森1,2, 張 遠1,2，*,馬淑芹1,2, 劉思思1,2, 孟 偉1

1 中國環境科學研究院, 環境基準與風險評估國家重點實驗室，北京 100012 2 中國環境科學研究院, 流域水生態保護技術研究室，北京 100012

河流生態系統的退化是多空間尺度環境因子作用的結果。探討不同尺度環境因子及水生生物之間的作用關系，識別影響水生生物群落完整性的尺度問題，是有效開展水生生物保護的基礎?；?009年對太子河流域15個樣點的魚類、河岸帶棲息地質量評價，結合遙感影像解譯的太子河流域土地利用情況(包括流域尺度和河段尺度)，研究魚類完整性指數(F-IBI)與兩種尺度土地利用、棲息地質量參數之間的關系。結果表明太子河上游地區河岸棲息地質量較好，下游地區由于農業用地、城鎮用地比例的增加河岸棲息地質量明顯下降。F-IBI與自然用地比例呈正相關，與農業、城鎮用地比例呈負相關。農業用地對F-IBI的影響體現在流域尺度，而城鎮用地在兩種尺度上都存在顯著影響。相比于農業用地，城鎮用地相同比例的增加會導致F-IBI更快的下降。底質、水質狀況、人類活動強度是顯著影響F-IBI的棲息地質量評價參數。3項參數均隨農業和城鎮用地比例增加而降低，農業用地主要在流域尺度上對3項參數產生影響，城鎮用地主要影響底質和水質狀況2項參數，而在兩種尺度上的影響相差不大。

太子河；魚類；尺度；土地利用；棲息地質量

近年來，隨著社會經濟的不斷發展，我國農業和建設用地比例大幅度增加。用地類型的變化改變了流域的景觀結構，并通過營養物富集、顆粒物沉降、水文情勢、河岸帶生境質量等生態過程的改變繼而對河流生態系統產生負面影響[1]。土地利用與河流生態系統的關系一直是研究熱點，同時尺度效應(包括流域尺度和河段尺度)，也是科學工作者最為關注的問題[2]。目前，國外學者對多尺度比較的土地利用尺度效應研究較為全面[3- 6]。而國內的學者則較多地關注單一尺度上土地利用的水生態效應[7- 8]，僅吳璟等[9]研究了西苕溪支流大型底棲動物群落結構對不同尺度土地利用的響應關系。這些少量的研究資料并不能滿足進一步辨識我國土地利用的水生態學效應的需要。

魚類作為頂級營養類群，是水生態系統健康監測的主要指示生物。20世紀80年代初Karr[10]提出了魚類生物完整性指數(F-IBI)，隨后在世界范圍內廣泛應用。相比群落指數，如多樣性、物種豐度、指示種等單一性指數，F-IBI為水生態系統健康提供了更為綜合全面的評價信息[11]。在流域景觀或棲息地質量下降情況下，F-IBI更能反映河流健康狀況的退化。

流域景觀格局是由自然和人類經營斑塊所組成的嵌塊體，也是流域管理的重要內容。新的河流概念中包含著保障河流生態安全的內涵，要求從景觀角度減少對河流生態安全的威脅，限制人類建設活動以及對自然資源的過渡開發[12]，即包括對流域內土地利用方式的規劃。本文通過分析太子河流域土地利用、棲息地質量與F-IBI三者之間的相互作用關系，以期探討魚類群落對不同尺度環境要素的響應并為流域管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況與樣點布設

太子河位于遼寧省東部地區(122°55′40″-124°55′16″ E，40°28′48″-41°38′46″ N)，全長413 km，流域總面積約1.39×104km2。多年平均天然徑流量為44.96×108m3。該流域屬暖溫帶濕潤-半濕潤季風氣候，上游地區為低山丘陵，植被類型以落葉闊葉林為主，植被覆蓋率較高。中下游為平原區，沿途分布有本溪、鞍山、遼陽等重要城市，農業活動和城鎮建設較強烈。于2009年8月在太子河設置了15個調查樣點(圖1)，開展魚類采集和河岸帶棲息地質量評價。

圖1 太子河流域調查樣點Fig.1 Sampling sites in Taizi River basin

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用格局分析

太子河土地利用格局以大遼河流域2007年9月的3景Landsat5 TM影像為數據源(軌道號P118R31、P119R31、P119R32)，在ENVI 4.4中對遙感影像進行幾何精校正、影像拼接、影像截取等預處理后，導入Definiens Developer 7.0中將流域景觀分為森林、草地、農業用地、城鎮用地、河流、水庫、灘地、沼澤、魚塘等9種類型，結合流域野外實地踏查，采用人工解譯和鄰近分類相結合的人機交互式解譯方法，進行信息提取，并結合研究區地形圖和野外調查情況，對初步解譯結果進行修正，形成最終解譯結果。

從所有土地利用類型中選取森林、草地、農業用地、城鎮用地等4種類型進行分析，其中森林和草地合并作為自然用地類型。分別計算自然用地、農業用地、城鎮用地在流域尺度和河段尺度上所有調查樣點上所占的比例：流域尺度上3種土地類型所占比例以調查樣點上游集水區范圍進行計算獲得；河段尺度上3種土地類型所占比例以調查樣點上游10 km、河岸帶兩側各1 km范圍計算獲得。

1.2.2 河岸帶棲息地質量評價

通過人工打分方式對太子河流域調查樣點河岸帶棲息地質量進行評價，選取包括底質、棲息地復雜性、速度-深度結合特性、堤岸穩定性、河道變化、河水水量狀況、植被多樣性、水質狀況、人類活動強度、河岸土地利用類型等10項指標，各項指標滿分20分，總分共計200分。所有點位的棲息地評價均由同一位調查者完成，以消除由于人為誤差引起的評價結果不一致。各評價指標的評定內容及判定標準詳見表1[13]。

1.2.3 魚類及環境因子采集及測定方法

在每個調查樣點設置300 m的調查區間，選用電魚法和掛網法配合完成樣品采集。岸邊可涉水區域及對于水深小于1.5 m的樣點，采用雙肩背32管超聲電魚器電漁法(單位輸出為16.7ms)。具體做法如下：調查人員肩背安全電源，手持電極和抄網，沿河一側緩慢行進采集魚類，采樣時間維持在1 h左右；對于水深大于1.5 m的樣點，使用刺網進行掛網采集魚類，掛網時間維持在1 h左右。使用的網具包括3種不同網徑：6 cm×6 cm、12 cm×12 cm、20 cm×20 cm，以保證獲得較為全面的魚類樣品?，F場鑒定魚類種類后立即放生，對于不能現場鑒定的種類，選取3—5尾保存帶回實驗室完成種類鑒定。

現場使用YSI-80型水質檢測儀測定溶解氧(DO)、電導率(EC)和懸浮物濃度(SS)。水樣低溫保存，在24h之內送回實驗室進行BOD5、高錳酸鹽指數(CODMn)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)和總磷(TP)的測定。測定方法按照《水和廢水監測方法》執行。每個指標測定3個平行樣品。

利用太子河流域水系圖并依據Strahler的河流等級計算方法[14]得到所有樣點所處的河流等級。

1.3 數據分析

太子河F-IBI研究結果見相關研究[15]，故不再贅述生物完整性評價過程，直接引用計算結果并附上每個樣點的基礎環境因子信息(表2)。利用相關性分析和回歸分析方法探討不同尺度土地利用、F-IBI指數、河岸帶棲息地狀況間的相關關系，所有統計過程在SPSS17.0下完成。

表1 太子河流域棲息地環境質量調查項目及評分標準Table 1 The surveyed environmental items and grade criterion of habitat in Taizi River basin

表2 太子河F-IBI評價等級、河岸帶棲息地質量得分結果及各個點位環境因子信息Table 2 The results of F-IBI evaluation, riparian habitat condition score and environmental factors information for each site in Taizi River

2 結果與分析

2.1 河岸帶棲息地質量與流域土地利用

太子河各點位間河岸帶棲息地質量變化較大(表1)。上游地區(T5、T8、T12等樣點)河岸帶棲息地質量評價得分較高，表明該地區干擾程度較輕；中下游地區(T20、T21、T28、T34、T41、T47等樣點)棲息地質量評價得分較低，反映了該地區人類干擾大，棲息地質量退化明顯。

在河段尺度上，中上游地區(T1、T5、T8、T16、T24等樣點)自然用地比例較高，而城鎮用地比例較低；下游地區(T41、T44、T47、T59、T61等樣點)農業用地比例較高，自然用地比例大幅降低，同時城鎮用地比例有所上升(圖2)。在流域尺度上，自然用地比例整體相對較高，僅下游樣點農業用地和城鎮用地比例相對上升，體現了該區域人類活動強度有所增加。

圖2 太子河流域3種土地類型比例Fig.2 Percentage of three land use types in Taizi River basin

2.2 土地利用與F-IBI的關系

由圖3可見，自然用地類型與F-IBI呈正相關，農業用地、城鎮用地與F-IBI呈負相關。F-IBI對兩種尺度土地利用響應強度不同。自然用地比例在河段尺度(r=0.864，P<0.01)和流域尺度(r=0.798，P<0.01)都對F-IBI產生影響，但河段尺度與F-IBI的相關性要強于流域尺度。農業用地僅在流域尺度上(r=-0.741，P<0.01)會顯著影響F-IBI。城鎮用地在河段尺度上(r=-0.774，P<0.01)與F-IBI的相關性略強于流域尺度(r=-0.746，P<0.01)。

圖3 兩種尺度土地類型與F-IBI的關系Fig.3 Relationship between land use types at two scales and F-IBI**表示P<0.01

2.3 棲息地質量與F-IBI的關系

10項棲息地質量評價參數與F-IBI的相關性結果見表3，底質、水質狀況、人類活動強度與F-IBI呈顯著正相關關系。此3項參數總得分與F-IBI也呈顯著正相關，且相關性要強于各單項參數。

2.4 流域土地利用與河岸帶棲息地狀況的關系

圖4可見底質、水質狀況、人類活動強度3項棲息地質量參數得分均隨著農業用地和城鎮用地比例的增加而有所降低。底質與農業用地的相關性在流域尺度(r=-0.528，P<0.05)要強于河段尺度(r=-0.427，P>0.05)。水質狀況(r=-0.531，P<0.05)、人類活動強度(r=-0.582，P<0.05)只與流域尺度農業用地呈負相關。城鎮用地與底質的相關性在河段尺度(r=-0.600，P<0.05)要強于流域尺度(r=-0.576，P<0.05)，與水質狀況的相關性流域尺度(r=-0.630，P<0.05)強于河段尺度(r=-0.617，P<0.05)，而與人類活動強度均無顯著相關。

表3 河岸帶棲息地狀況與F-IBI得分的相關關系Table 3 Correlation between riparian habitat conditions and F-IBI score

圖4 兩種尺度土地類型與棲息地質量參數的關系Fig.4 Relationship between land use types at two scales and habitat parameter●表示河段尺度，○表示流域尺度；*P<0.05；**P<0.01

3 討論

自然用地、農業用地和城鎮用地比例在太子河流域內變化較大，呈區域性集中分布特征。自然用地主要集中在流域東部上游地區，此地區降雨充沛，以落葉闊葉林為主[16]。當地政府以旅游業為發展定位，特別強調對自然林區的保護，維持自然用地的覆蓋面積。中下游地區自然用地比例下降，農業用地和城鎮用地比例增加，原因有二：第一，中下游為平原區和丘陵過渡區，較為平坦的地形使得此地區適合開展農業生產活動；第二，我國快速城市化進程帶動了該地區自然用地向城鎮用地的轉化。朱君君等[17]分析了自1988年至2004年太子河流域景觀變化特征，發現流域內草地面積逐漸下降并向城鎮用地類型轉化。太子河流域中下游自然用地的減少，表現出植被多樣性的下降與生境破碎化的加劇，影響了河岸穩定性、水質、底質等棲息地質量特征[18]。此外，實地調查中還發現中下游大部分河段有嚴重的挖沙活動，采砂場大多沿岸設立，破壞了河岸帶植被覆蓋。太子河中下游強烈的人類干擾(用地類型，挖沙活動)造成其河岸帶棲息地質量評價得分較低。

土地利用對河流的影響存在尺度效應。河道物理形態、有機質輸入主要受河岸帶植被覆蓋(小尺度土地利用)的影響，外源物質的地表徑流輸入、水文條件、河道地貌類型等主要取決于流域景觀特征(大尺度土地利用)的影響[19]，這些物理、化學特征的改變又影響著水生生物的組成[20]。Lammert和Allan[21]發現魚類和大型底棲動物群落對農業用地的響應在河段尺度要強于在流域尺度；Heitke等[22]也發現小尺度的農業用地可以很好地區分F-IBI等級。本研究結果與上述兩個研究相反，F-IBI對流域尺度農業用地的響應更為敏感。究其原因，上述兩個報道都選擇了典型農業流域為研究區，農業用地比例在流域上下游的變化并不大。這種過于均一的農業用地分布，顯然會減弱農業用地對魚類群落特征差異的解釋能力。Pinto等[23]在探討流域尺度土地利用與魚類群落關系時指出，變化幅度在5%—80%的草地面積比例與F-IBI呈顯著正相關關系，而變化幅度僅在0—15%的森林面積對F-IBI解釋能力較差。太子河流域上游以自然用地類型為主，中下游農業用地比例逐漸增加(圖2)。流域尺度上農業用地比例的變化與F-IBI的相關性更強，說明在流域尺度上變化幅度較大的景觀變量與水生生物群落結果更為緊密相關，研究區域土地利用背景在決定河流生物群落結構上起到了重要作用。另一方面，底質、水質狀況、人類活動強度等參數也對流域尺度農業用地的響應更明顯。這也證實了在流域整體干擾不均一的情況下，大尺度的環境因子對河流生態系統的影響發揮更大的作用。

Allan[2]曾指出除了底質與水化學特征，河岸帶棲息地質量與非透水性區域幾乎毫不相關。這與本研究結果的發現相同，兩種尺度的城鎮用地都與底質、水質狀況顯著相關。城鎮用地、水化學特征、河道底質之間是互相關聯的[1]，非透水性區域引起入河顆粒物與污染物的增加，改變水文、水化學、河道內生境等特征，進而影響水生生物群落結構。兩種尺度的城鎮用地均對F-IBI產生影響，但與農業用地相比，城鎮用地比例更小幅度的增加就可導致F-IBI明顯下降。流域尺度城鎮用地比例超過13%時(圖3)，F-IBI得分就低于10分(評價等級為“極差”)，而流域尺度農業用地達到40%左右時，F-IBI的評價結果才為極差等級。在美國Ohio州，當地環保局曾指出流域尺度城鎮用地超過15%會導致魚類種群受到嚴重破壞[24]，與本研究發現13%城鎮用地比例基本一致(圖3)。在河段尺度上，城鎮用地比例達到30%左右F-IBI評價結果為極差等級，遠低于相對應的農業用地比例。由此可見，無論是流域尺度還是河段尺度，城鎮用地比例同等增長幅度對魚類完整性的影響比農業用地要更加突出。因此太子河流域城鎮化建設發展的同時，要結合考慮F-IBI所反映的河流生態健康狀況，合理制定流域城鎮發展建設規劃，盡量降低對河岸帶的開發利用。

河岸帶棲息地質量影響著魚類群落結構的穩定。以往關于棲息地質量與魚類群落結構的研究，只關注河岸帶的植被情況與侵蝕情況[23]。本研究綜合考慮了10項河岸帶棲息地質量參數，發現河岸帶棲息地質量越高魚類群落結構越穩定，底質、水質狀況、人類活動強度是影響該區域魚類群落的關鍵因素。國外流域管理一直強調與生物評價相結合，其目的就是為開展河流生態修復提供基礎。河流生態修復的目的是為了恢復水生生物的完整性，重點還在于河流物理生境和水體質量的改善[25]。底質、水質狀況、人類活動強度作為影響太子河F-IBI的3項參數，也是河流生態系統保護與恢復的重要內容[25- 27]。這為太子河生態系統恢復與魚類保護提供了管理方向，圍繞這些環境要素的保護閾值研究將成為下一步的工作。

致謝：黃顯偉、溫濤協助完成魚類采集與鑒定工作，孔維靜、萬峻博士在太子河流域土地利用GIS分析工作中提供幫助，在此一并致謝。

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Exploring the relationship among land-use, riparian habitat quality, and biological integrity of a fish community

GAO Xin1,2, DING Sen1,2, ZHANG Yuan1,2,*, MA Shuqin1,2, LIU Sisi1,2, MENG Wei1

1StateKeyLaboratoryofEnvironmentalCriteriaandRiskAssessment,ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012,China

2LaboratoryofRiverineEcologicalConservationandTechnology,ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012,China

River ecosystems are being degraded by various environmental factors across multi-spatial scales. In general, aquatic organism conservation aims to explore the relationship between aquatic organisms and environmental factors across multi-spatial scales, and to discern the scale at which the biological integrity of aquatic organisms is affected. We collected data about fishes and riparian habitat conditions at 15 sampling sites in the Taizi River basin during August, 2009. In parallel, we collected data on land use at the both of catchment and reach scales by interpreting the satellite images. We explored the relationship among the fish index of biotic integrity (F-IBI), land use at two scales, and riparian habitat condition. The results showed that riparian habitat condition is relatively better in the upper regions than the lower regions of rivers, due to a percentage increase in farmland and urban areas in the lower regions. F-IBI showed a positive correlation with the proportions of natural areas, but showed a negative correlation with the proportions of farmland and urban areas. F-IBI exhibited a stronger response to the proportion of farmland at the catchment scale, and to the proportion of urban areas at both scales. Compared to farmland, the same percentage increase in urban area resulted in a faster decrease of F-IBI. Substrate, water quality, and anthropogenic disturbances were three key riparian habitat parameters that significantly degraded F-IBI. These three parameters decreased with increasing proportions of farmland and urban areas. Farmland showed a significant effect on the three parameters at the catchment scale, whereas urban areas only significantly affected substrate and water quality at both scales.

Taizi River; fish; scale; land use; habitat quality

國家自然科學基金(41401066)；國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07501-001-04)；中歐環境可持續發展計劃(DCI-ASIE/2013/323-261)

2014- 01- 14;

日期:2015- 04- 14

10.5846/stxb201401140106

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhangyuan@craes.org.cn

高欣, 丁森, 張遠,馬淑芹, 劉思思, 孟偉.魚類生物群落對太子河流域土地利用、河岸帶棲息地質量的響應.生態學報,2015,35(21):7198- 7206.

Gao X, Ding S, Zhang Y, Ma S Q, Liu S S, Meng W.Exploring the relationship among land-use, riparian habitat quality, and biological integrity of a fish community.Acta Ecologica Sinica,2015,35(21):7198- 7206.