鱼类生物群落对太子河流域土地利用、河岸带栖息地质量的响应

高 欣, 丁 森, 张 远，*,马淑芹, 刘思思, 孟 伟

1 中国环境科学研究院, 环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012 2 中国环境科学研究院, 流域水生态保护技术研究室，北京 100012

鱼类生物群落对太子河流域土地利用、河岸带栖息地质量的响应

高 欣1,2, 丁 森1,2, 张 远1,2，*,马淑芹1,2, 刘思思1,2, 孟 伟1

1 中国环境科学研究院, 环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012 2 中国环境科学研究院, 流域水生态保护技术研究室，北京 100012

河流生态系统的退化是多空间尺度环境因子作用的结果。探讨不同尺度环境因子及水生生物之间的作用关系，识别影响水生生物群落完整性的尺度问题，是有效开展水生生物保护的基础。基于2009年对太子河流域15个样点的鱼类、河岸带栖息地质量评价，结合遥感影像解译的太子河流域土地利用情况(包括流域尺度和河段尺度)，研究鱼类完整性指数(F-IBI)与两种尺度土地利用、栖息地质量参数之间的关系。结果表明太子河上游地区河岸栖息地质量较好，下游地区由于农业用地、城镇用地比例的增加河岸栖息地质量明显下降。F-IBI与自然用地比例呈正相关，与农业、城镇用地比例呈负相关。农业用地对F-IBI的影响体现在流域尺度，而城镇用地在两种尺度上都存在显著影响。相比于农业用地，城镇用地相同比例的增加会导致F-IBI更快的下降。底质、水质状况、人类活动强度是显著影响F-IBI的栖息地质量评价参数。3项参数均随农业和城镇用地比例增加而降低，农业用地主要在流域尺度上对3项参数产生影响，城镇用地主要影响底质和水质状况2项参数，而在两种尺度上的影响相差不大。

太子河；鱼类；尺度；土地利用；栖息地质量

近年来，随着社会经济的不断发展，我国农业和建设用地比例大幅度增加。用地类型的变化改变了流域的景观结构，并通过营养物富集、颗粒物沉降、水文情势、河岸带生境质量等生态过程的改变继而对河流生态系统产生负面影响[1]。土地利用与河流生态系统的关系一直是研究热点，同时尺度效应(包括流域尺度和河段尺度)，也是科学工作者最为关注的问题[2]。目前，国外学者对多尺度比较的土地利用尺度效应研究较为全面[3- 6]。而国内的学者则较多地关注单一尺度上土地利用的水生态效应[7- 8]，仅吴璟等[9]研究了西苕溪支流大型底栖动物群落结构对不同尺度土地利用的响应关系。这些少量的研究资料并不能满足进一步辨识我国土地利用的水生态学效应的需要。

鱼类作为顶级营养类群，是水生态系统健康监测的主要指示生物。20世纪80年代初Karr[10]提出了鱼类生物完整性指数(F-IBI)，随后在世界范围内广泛应用。相比群落指数，如多样性、物种丰度、指示种等单一性指数，F-IBI为水生态系统健康提供了更为综合全面的评价信息[11]。在流域景观或栖息地质量下降情况下，F-IBI更能反映河流健康状况的退化。

流域景观格局是由自然和人类经营斑块所组成的嵌块体，也是流域管理的重要内容。新的河流概念中包含着保障河流生态安全的内涵，要求从景观角度减少对河流生态安全的威胁，限制人类建设活动以及对自然资源的过渡开发[12]，即包括对流域内土地利用方式的规划。本文通过分析太子河流域土地利用、栖息地质量与F-IBI三者之间的相互作用关系，以期探讨鱼类群落对不同尺度环境要素的响应并为流域管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况与样点布设

太子河位于辽宁省东部地区(122°55′40″-124°55′16″ E，40°28′48″-41°38′46″ N)，全长413 km，流域总面积约1.39×104km2。多年平均天然径流量为44.96×108m3。该流域属暖温带湿润-半湿润季风气候，上游地区为低山丘陵，植被类型以落叶阔叶林为主，植被覆盖率较高。中下游为平原区，沿途分布有本溪、鞍山、辽阳等重要城市，农业活动和城镇建设较强烈。于2009年8月在太子河设置了15个调查样点(图1)，开展鱼类采集和河岸带栖息地质量评价。

图1 太子河流域调查样点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辽河流域2007年9月的3景Landsat5 TM影像为数据源(轨道号P118R31、P119R31、P119R32)，在ENVI 4.4中对遥感影像进行几何精校正、影像拼接、影像截取等预处理后，导入Definiens Developer 7.0中将流域景观分为森林、草地、农业用地、城镇用地、河流、水库、滩地、沼泽、鱼塘等9种类型，结合流域野外实地踏查，采用人工解译和邻近分类相结合的人机交互式解译方法，进行信息提取，并结合研究区地形图和野外调查情况，对初步解译结果进行修正，形成最终解译结果。

从所有土地利用类型中选取森林、草地、农业用地、城镇用地等4种类型进行分析，其中森林和草地合并作为自然用地类型。分别计算自然用地、农业用地、城镇用地在流域尺度和河段尺度上所有调查样点上所占的比例：流域尺度上3种土地类型所占比例以调查样点上游集水区范围进行计算获得；河段尺度上3种土地类型所占比例以调查样点上游10 km、河岸带两侧各1 km范围计算获得。

1.2.2 河岸带栖息地质量评价

通过人工打分方式对太子河流域调查样点河岸带栖息地质量进行评价，选取包括底质、栖息地复杂性、速度-深度结合特性、堤岸稳定性、河道变化、河水水量状况、植被多样性、水质状况、人类活动强度、河岸土地利用类型等10项指标，各项指标满分20分，总分共计200分。所有点位的栖息地评价均由同一位调查者完成，以消除由于人为误差引起的评价结果不一致。各评价指标的评定内容及判定标准详见表1[13]。

1.2.3 鱼类及环境因子采集及测定方法

在每个调查样点设置300 m的调查区间，选用电鱼法和挂网法配合完成样品采集。岸边可涉水区域及对于水深小于1.5 m的样点，采用双肩背32管超声电鱼器电渔法(单位输出为16.7ms)。具体做法如下：调查人员肩背安全电源，手持电极和抄网，沿河一侧缓慢行进采集鱼类，采样时间维持在1 h左右；对于水深大于1.5 m的样点，使用刺网进行挂网采集鱼类，挂网时间维持在1 h左右。使用的网具包括3种不同网径：6 cm×6 cm、12 cm×12 cm、20 cm×20 cm，以保证获得较为全面的鱼类样品。现场鉴定鱼类种类后立即放生，对于不能现场鉴定的种类，选取3—5尾保存带回实验室完成种类鉴定。

现场使用YSI-80型水质检测仪测定溶解氧(DO)、电导率(EC)和悬浮物浓度(SS)。水样低温保存，在24h之内送回实验室进行BOD5、高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)和总磷(TP)的测定。测定方法按照《水和废水监测方法》执行。每个指标测定3个平行样品。

利用太子河流域水系图并依据Strahler的河流等级计算方法[14]得到所有样点所处的河流等级。

1.3 数据分析

太子河F-IBI研究结果见相关研究[15]，故不再赘述生物完整性评价过程，直接引用计算结果并附上每个样点的基础环境因子信息(表2)。利用相关性分析和回归分析方法探讨不同尺度土地利用、F-IBI指数、河岸带栖息地状况间的相关关系，所有统计过程在SPSS17.0下完成。

表1 太子河流域栖息地环境质量调查项目及评分标准Table 1 The surveyed environmental items and grade criterion of habitat in Taizi River basin

表2 太子河F-IBI评价等级、河岸带栖息地质量得分结果及各个点位环境因子信息Table 2 The results of F-IBI evaluation, riparian habitat condition score and environmental factors information for each site in Taizi River

2 结果与分析

2.1 河岸带栖息地质量与流域土地利用

太子河各点位间河岸带栖息地质量变化较大(表1)。上游地区(T5、T8、T12等样点)河岸带栖息地质量评价得分较高，表明该地区干扰程度较轻；中下游地区(T20、T21、T28、T34、T41、T47等样点)栖息地质量评价得分较低，反映了该地区人类干扰大，栖息地质量退化明显。

在河段尺度上，中上游地区(T1、T5、T8、T16、T24等样点)自然用地比例较高，而城镇用地比例较低；下游地区(T41、T44、T47、T59、T61等样点)农业用地比例较高，自然用地比例大幅降低，同时城镇用地比例有所上升(图2)。在流域尺度上，自然用地比例整体相对较高，仅下游样点农业用地和城镇用地比例相对上升，体现了该区域人类活动强度有所增加。

图2 太子河流域3种土地类型比例Fig.2 Percentage of three land use types in Taizi River basin

2.2 土地利用与F-IBI的关系

由图3可见，自然用地类型与F-IBI呈正相关，农业用地、城镇用地与F-IBI呈负相关。F-IBI对两种尺度土地利用响应强度不同。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)都对F-IBI产生影响，但河段尺度与F-IBI的相关性要强于流域尺度。农业用地仅在流域尺度上(r=-0.741，P<0.01)会显著影响F-IBI。城镇用地在河段尺度上(r=-0.774，P<0.01)与F-IBI的相关性略强于流域尺度(r=-0.746，P<0.01)。

图3 两种尺度土地类型与F-IBI的关系Fig.3 Relationship between land use types at two scales and F-IBI**表示P<0.01

2.3 栖息地质量与F-IBI的关系

10项栖息地质量评价参数与F-IBI的相关性结果见表3，底质、水质状况、人类活动强度与F-IBI呈显著正相关关系。此3项参数总得分与F-IBI也呈显著正相关，且相关性要强于各单项参数。

2.4 流域土地利用与河岸带栖息地状况的关系

图4可见底质、水质状况、人类活动强度3项栖息地质量参数得分均随着农业用地和城镇用地比例的增加而有所降低。底质与农业用地的相关性在流域尺度(r=-0.528，P<0.05)要强于河段尺度(r=-0.427，P>0.05)。水质状况(r=-0.531，P<0.05)、人类活动强度(r=-0.582，P<0.05)只与流域尺度农业用地呈负相关。城镇用地与底质的相关性在河段尺度(r=-0.600，P<0.05)要强于流域尺度(r=-0.576，P<0.05)，与水质状况的相关性流域尺度(r=-0.630，P<0.05)强于河段尺度(r=-0.617，P<0.05)，而与人类活动强度均无显著相关。

表3 河岸带栖息地状况与F-IBI得分的相关关系Table 3 Correlation between riparian habitat conditions and F-IBI score

图4 两种尺度土地类型与栖息地质量参数的关系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 讨论

自然用地、农业用地和城镇用地比例在太子河流域内变化较大，呈区域性集中分布特征。自然用地主要集中在流域东部上游地区，此地区降雨充沛，以落叶阔叶林为主[16]。当地政府以旅游业为发展定位，特别强调对自然林区的保护，维持自然用地的覆盖面积。中下游地区自然用地比例下降，农业用地和城镇用地比例增加，原因有二：第一，中下游为平原区和丘陵过渡区，较为平坦的地形使得此地区适合开展农业生产活动；第二，我国快速城市化进程带动了该地区自然用地向城镇用地的转化。朱君君等[17]分析了自1988年至2004年太子河流域景观变化特征，发现流域内草地面积逐渐下降并向城镇用地类型转化。太子河流域中下游自然用地的减少，表现出植被多样性的下降与生境破碎化的加剧，影响了河岸稳定性、水质、底质等栖息地质量特征[18]。此外，实地调查中还发现中下游大部分河段有严重的挖沙活动，采砂场大多沿岸设立，破坏了河岸带植被覆盖。太子河中下游强烈的人类干扰(用地类型，挖沙活动)造成其河岸带栖息地质量评价得分较低。

土地利用对河流的影响存在尺度效应。河道物理形态、有机质输入主要受河岸带植被覆盖(小尺度土地利用)的影响，外源物质的地表径流输入、水文条件、河道地貌类型等主要取决于流域景观特征(大尺度土地利用)的影响[19]，这些物理、化学特征的改变又影响着水生生物的组成[20]。Lammert和Allan[21]发现鱼类和大型底栖动物群落对农业用地的响应在河段尺度要强于在流域尺度；Heitke等[22]也发现小尺度的农业用地可以很好地区分F-IBI等级。本研究结果与上述两个研究相反，F-IBI对流域尺度农业用地的响应更为敏感。究其原因，上述两个报道都选择了典型农业流域为研究区，农业用地比例在流域上下游的变化并不大。这种过于均一的农业用地分布，显然会减弱农业用地对鱼类群落特征差异的解释能力。Pinto等[23]在探讨流域尺度土地利用与鱼类群落关系时指出，变化幅度在5%—80%的草地面积比例与F-IBI呈显著正相关关系，而变化幅度仅在0—15%的森林面积对F-IBI解释能力较差。太子河流域上游以自然用地类型为主，中下游农业用地比例逐渐增加(图2)。流域尺度上农业用地比例的变化与F-IBI的相关性更强，说明在流域尺度上变化幅度较大的景观变量与水生生物群落结果更为紧密相关，研究区域土地利用背景在决定河流生物群落结构上起到了重要作用。另一方面，底质、水质状况、人类活动强度等参数也对流域尺度农业用地的响应更明显。这也证实了在流域整体干扰不均一的情况下，大尺度的环境因子对河流生态系统的影响发挥更大的作用。

Allan[2]曾指出除了底质与水化学特征，河岸带栖息地质量与非透水性区域几乎毫不相关。这与本研究结果的发现相同，两种尺度的城镇用地都与底质、水质状况显著相关。城镇用地、水化学特征、河道底质之间是互相关联的[1]，非透水性区域引起入河颗粒物与污染物的增加，改变水文、水化学、河道内生境等特征，进而影响水生生物群落结构。两种尺度的城镇用地均对F-IBI产生影响，但与农业用地相比，城镇用地比例更小幅度的增加就可导致F-IBI明显下降。流域尺度城镇用地比例超过13%时(图3)，F-IBI得分就低于10分(评价等级为“极差”)，而流域尺度农业用地达到40%左右时，F-IBI的评价结果才为极差等级。在美国Ohio州，当地环保局曾指出流域尺度城镇用地超过15%会导致鱼类种群受到严重破坏[24]，与本研究发现13%城镇用地比例基本一致(图3)。在河段尺度上，城镇用地比例达到30%左右F-IBI评价结果为极差等级，远低于相对应的农业用地比例。由此可见，无论是流域尺度还是河段尺度，城镇用地比例同等增长幅度对鱼类完整性的影响比农业用地要更加突出。因此太子河流域城镇化建设发展的同时，要结合考虑F-IBI所反映的河流生态健康状况，合理制定流域城镇发展建设规划，尽量降低对河岸带的开发利用。

河岸带栖息地质量影响着鱼类群落结构的稳定。以往关于栖息地质量与鱼类群落结构的研究，只关注河岸带的植被情况与侵蚀情况[23]。本研究综合考虑了10项河岸带栖息地质量参数，发现河岸带栖息地质量越高鱼类群落结构越稳定，底质、水质状况、人类活动强度是影响该区域鱼类群落的关键因素。国外流域管理一直强调与生物评价相结合，其目的就是为开展河流生态修复提供基础。河流生态修复的目的是为了恢复水生生物的完整性，重点还在于河流物理生境和水体质量的改善[25]。底质、水质状况、人类活动强度作为影响太子河F-IBI的3项参数，也是河流生态系统保护与恢复的重要内容[25- 27]。这为太子河生态系统恢复与鱼类保护提供了管理方向，围绕这些环境要素的保护阈值研究将成为下一步的工作。

致谢：黄显伟、温涛协助完成鱼类采集与鉴定工作，孔维静、万峻博士在太子河流域土地利用GIS分析工作中提供帮助，在此一并致谢。

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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

国家自然科学基金(41401066)；国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07501-001-04)；中欧环境可持续发展计划(DCI-ASIE/2013/323-261)

2014- 01- 14;

日期:2015- 04- 14

10.5846/stxb201401140106

*通讯作者Corresponding author.E-mail: zhangyuan@craes.org.cn

高欣, 丁森, 张远,马淑芹, 刘思思, 孟伟.鱼类生物群落对太子河流域土地利用、河岸带栖息地质量的响应.生态学报,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.