流域土地利用变化的水生态响应研究

范俊韬, 张依章, 张 远, 张孟衡, 孟 伟*, 夏 瑞, 李梦娣

1.北京师范大学水科学研究院, 北京 100875 2.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

流域土地利用变化的水生态响应研究

范俊韬1,2, 张依章2, 张 远2, 张孟衡2, 孟 伟2*, 夏 瑞1,2, 李梦娣2

1.北京师范大学水科学研究院, 北京 100875 2.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

流域土地利用变化造成水体物理、化学条件变化，并对诸多水生生物产生影响，进而破坏水系的生态系统结构和功能. 研究显示：①流域土地利用变化将引起水文、底质、生境改变等物理响应，以及水体营养盐、细菌、有毒有害物含量、溶解氧变化等化学响应，分布式水文模型成为研究物理和化学响应的重要工具；②流域土地利用变化的生物响应表现为水生生物与自然用地类型呈正相关，而与农业用地、城镇用地呈负相关，并且存在明显的尺度效应，统计学分析是主要的研究方法；③大尺度的土地利用变化在水文过程下造成河段尺度上的外源物质输入、水文条件、底质结构等物理化学因子变化，是影响水生生物生境的直接原因. 存在主要问题：①流域土地利用变化的生物响应关系机制尚不明晰；②流域土地利用变化的生物响应是通过物理响应、化学响应来间接作用的，但三者之间的非线性关系十分复杂；③水生生物对环境因子变化的敏感性和适用性存在较大差异. 因此，未来研究应关注流域水文过程驱动下的物质迁移转化过程及由此带来的物理、化学和生物响应以及三者之间的关系，加强流域水文规律总结和参数率定，构建符合流域特征的参数数据库，并着力构建以保护水生态系统结构与功能为核心的流域山水林田湖系统综合管控模式.

土地利用; 水生态系统; 水生生物; 分布式水文模型; 模拟

Abstract： The variation of physicochemical conditions in freshwater caused by land use change in watersheds influences aquatic organisms and damages the structure and function of the ecosystem. Previous studies have found that: (1) Land use change in watersheds causes physical change responses, for example in hydrology, substrata and habitat, as well as chemical change responses in nutrient, bacteria, toxic and harmful substances and dissolved oxygen in freshwater ecosystems. Distributed hydrological model has become an important tool for simulating these changes. (2) The results of biological response of land use change in watersheds indicates that aquatic organisms are positively correlated with natural land use types, but negatively correlated with agricultural and urban land use types, and a significant scale effect exists. Statistical analysis is one of the main study methods. (3) The exogenous substance input, the hydrology, substrata and other physical and chemical alteration at reach-scale directly influence the aquatic organisms, which is caused by land use change at watershed-scale through the hydrological process. However, current studies are also facing some challenges: first, the mechanism of biological response of land use change is not clear yet. Second, the biological response of land use change is indirectly through physical and chemical responses, but the nonlinear relationship between the three is very complex. Third, there is also a great difference in the sensitivity and applicability of aquatic organisms to environmental factors. Therefore, future studies should pay more attention to the process of material migration and transformation under the background of hydrological processes, strengthen the exploration of hydrology regularity and calibration of hydrological model at river basin scale, develop a parameter database matching the watershed characteristics, and focus on the construction of integrated management mode to mountains, rivers, forests, farmland and lakes system of watershed, to protect the structure and function of water ecosystems.

Keywords： land use; freshwater ecosystem; aquatic organisms; distributed hydrological model; modeling

流域土地利用变化是水态系统退化的主要驱动力之一[1-2]，它改变了流域营养物富集、颗粒物沉降、水文情势、栖息地环境等生态过程[3-5]，继而对水生态系统产生影响[6]. 这种影响广泛而深远，控制和治理的难度也很大[7-8]. 但土地利用又是流域的最可控因子之一[9-10]，合理的土地利用方式可以改善和恢复河流水文、生境，减少污染输出，转化和拦截陆地污染物进入水体[11]. 因此，流域土地利用变化的水生态响应关系以及如何根据水生态响应对流域土地利用进行优化和调控成为当前的研究热点[12-13].

流域土地利用变化造成的物理条件(如水文、生境)变化，以及化学条件〔如总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH3-N)等〕变化，将对诸多水生生物(如藻类[14]、大型底栖动物[15]、鱼类[16]等)产生影响，进而破坏整个水系的生态系统结构和功能. 水生生物对流域整个水系的生态系统稳定与生物多样性维持发挥着重要作用[17]，并且能够反映环境压力对水生态系统的长期累积效应[18-19]. 美国、欧盟、澳大利亚等均将水生生物在水生态系统保护及修复中的重要地位予以规定[20-21]. 我国科学家则指出，生物完整性是流域水生态系统健康与生态文明建设的重要内涵[22-23]. 因此，研究流域土地利用变化的水生态响应关系，不仅要关注物理响应、化学响应，也应关注生物响应.

基于此，该研究综述了国内外近年来流域土地利用变化的水生态响应关系研究成果，揭示水生态系统对流域土地利用变化的物理、化学与生物响应及它们间的相互关系，以期能指导以保护水生态系统物理、化学和生物完整性为目标的流域土地利用优化与调控，为维持水生态系统的结构和功能，实现流域社会经济的可持续发展提供支撑.

1 国内外研究进展

1.1 流域土地利用变化的物理响应关系

水生态系统对流域土地利用变化的物理响应主要包括改变径流量造成水量(产流)的变化，以及改变悬浮物量(产沙)造成底质等的变化. 流域森林砍伐、草地过牧、湿地排水、干旱区无效灌溉及非农建设用地增加等都对水分循环产生影响，是造成产流产沙变化的原因[24]. Ghaffari等[25]在伊朗Zanjanrood流域的研究认为，牧草地向雨养农业和裸地的转变将导致地表径流的增加. Nie等[26]在San Pedro流域的研究表明，城市化是导致流域地表径流增加的主要原因. 刘玉明等[27]研究表明，妫水河流域城镇用地的增加和草地的减少导致径流量增加，在汛期增加尤为明显. 庞靖鹏等[28]研究发现，土地利用变化是影响密云水库流域产沙的重要因素，耕地的土壤侵蚀情况最为严重，其次是草地，而林地的水土保持效果最好. 曾赟等[29]研究发现，在四川紫色丘陵区，随着林地覆盖率的增加，径流泥沙都有了不同程度的减少，泥沙量减少的幅度大于径流量，表明植被增多、耕地减少的土地利用变化对流域产流产沙量的减小影响显著. Bronstert等[30]认为，在区域尺度上主要包括植被变化、农业开发活动、道路建设以及城镇化等是影响流域水文的主要原因，而从全球尺度而言，毁林和造林是最主要的驱动因素.

流域土地利用变化的物理响应关系的研究方法可以归结为三类：流域对比试验法、水文特征参数法和流域水文模型模拟法[24]. 流域对比试验法适用于较小流域，其优点是较易获取试验结果，但研究周期较长且对比性差，因而不易找到主要影响因子；水文特征参数法易于计算，但无法解释水文变化的机理；流域分布式水文模型参数物理意义明确，充分考虑了空间异质性,更适于研究人类活动造成的水文效应,特别是在计算机技术、3S技术日趋成熟及数据库建设不断完善的条件下的优势明显，但对操作人员和数据的要求较高.

1.2 流域土地利用变化的化学响应关系

流域土地利用变化的化学响应主要是由于化肥、农药的使用以及污水灌溉等产生的污染物质在降雨淋溶和冲刷下随径流进入含水层、湖泊、河流、滨岸生态系统，引起水体营养盐、细菌、有毒有害物含量增加，溶解氧减少，水体富营养化和酸化等问题[31-33]. 研究认为，土地利用方式不同，污染物产流、迁移特征差异巨大，农业活动被认为是河流非点源污染问题的最主要原因，城市地表径流居其次[34-35]. 耕地、园地和居民地是非点污染发生的主要土地利用类型，而森林、草地对污染物存在截留作用[36]. 李铸衡等[37]在浑太流域的研究认为，不同用地类型的非点源污染负荷贡献率从大到小的排序依次为旱地、水田、城镇、农村、林地和灌木地，TP负荷的空间分布与TN基本一致，负荷较高的地区是人口密集的沈阳、辽阳和鞍山区域. 土地利用对非点源污染形成过程的影响不仅表现在数量结构上，还表现在空间分布上. 在数量关系相同时，空间分布的差异也会导致非点源污染形成的不同[38]. 流域内的土地利用景观越破碎类型越丰富，斑块分布越零散，污染物的输出也就越多[39]. 这是由于景观格局的差异导致污染物入渗、汇流以及流域生态系统调节机制发生了改变.

流域土地利用变化化学响应关系的研究方法一般包括经验公式法和水文模型法. 经验公式法计算简单方便，但结果不够详细和精确，如污染分割法、相关关系法、输出系数法等，其中，输出系数模型是较早且被广泛应用于土地利用与污染负荷之间关系的主要经验模型之一[40-42]. 分布式水文模型考虑了水文参数和过程的空间异质性，将流域离散成很多较小单元，水分在离散单元之间运动和交换，这种假设与自然界中下垫面的复杂性和降水时空分布不均匀性导致的流域产汇流高度非线性的特征相符，因而所揭示的水文循环物理过程更接近客观世界，更能真实地模拟水文循环过程,是水文模型发展的必然趋势[43-45]. 在诸多模型中，美国农业部农业研究中心(USDA-ARS)开发的SWAT(soil and water assessment tool)模型是流域尺度、时间连续、基于过程的分布式水文物理模型，应用最为广泛，被认为是适用于长期模拟以农业为主的流域的模型[46-48].

1.3 流域土地利用变化的生物响应关系

近年来，将土地利用与水生生物进行直接关联，以探寻不同尺度下土地利用开发的水生态效应逐渐成为研究热点. 此类研究通常采用回归分析、典型对应分析、冗余分析等统计学方法，将土地利用指标作为自变量，水生生物的生态学指数作为因变量进行分析. 研究主要关注不透水用地(城镇建设用地)、农业用地与自然用地(包括人工林)三大土地利用类型的面积比例、空间布局与水生生物的关系，以及在何种尺度下这种关系最为明显[49-54]. 一般认为，水生生物与自然用地类型呈正相关，而与农业用地、城镇用地呈负相关. Lussier等[55]研究罗德岛城市用地对河流生境和生物完整性的影响发现，不透水面积比为8%～47%，居民地面积比为245%～59%时，水生物种组变化发生明显退化. 而城镇用地与农业用地对水生生物的影响程度也不尽相同，如Morley和Karr等发现城镇用地面积比在流域尺度下对底栖动物完整性指数(B-IBI)的影响程度最强[56]. 在太子河流域，无论是流域尺度还是河段尺度，城镇用地比例同等增幅对鱼类完整性的影响比农业用地更加突出[49].

土地利用对河流的影响存在尺度效应也受到关注. 在时间尺度上，在不同年份和季节变化下，景观变化对河流生物种群的重要性也不一致. 在空间尺度上，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. 如Lammert等[57]研究发现，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[58]也发现，小尺度的农业用地可以很好地区分F-IBI(鱼类完整性指数)等级. 而在太子河的研究[49]发现，F-IBI对流域尺度农业用地的响应更为敏感，研究区域土地利用背景在决定河流生物群落结构上发挥了重要作用，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.

1.4 流域土地利用变化的生物响应机制

大尺度的土地利用变化在水文过程作用下造成河段尺度上的外源物质输入、水文条件、底质结构等物理、化学因子发生变化[59]，这些物理、化学特征的改变又影响着水生生物的组成[60](见图1). 以鱼类对化学因子变化的响应为例，这种响应可以反映在细胞、个体、种群、群落、生态系统五个层次[61](见表1). 在细胞和个体层次上，水中的污染物会对鱼类产生“致癌、致畸、致突变”效应[62-63]. 在种群及更高层次上，水环境因子将造成水生群落组成成分的缺损、组成生物群落的种类和种群数量的增减，某些有指示种(如对某种污染有耐性或敏感的种类)的出现或消失，生物自养-异养程度的变化，从而对物种的丰富度、耐污种或清洁种个体数量、完整性指数(IBI)等生态学指数产生影响[64]. 在检测方法上，细胞和个体层次的受损，可以通过对细胞、组织和个体的生物学和毒性检测来判断. 在种群及以上层次，检测方法一般采用历史文献记录、专家咨询、压力与指标模型、与参照点的比较等方法综合进行判断.

研究表明，pH与水生生物群落结构存在正相关关系，pH过高或过低都将对水生生物群落产生不利影响；溶解氧(DO)通常与种群结构、物种丰富度、生物量、IBI指数等呈正相关[65-67]；氨氮(NH3-N)、总磷(TP)、电导率(EC)通常与群落完整性指标呈负相关[68-70]. 物理因子也是影响水生生物的重要因素，苏玉等[71]研究发现，水量是影响太子河流域水生生物群落结构的重要环境因子. 河流物理生境变化也是鱼类和大型底栖动物的重要因素. 物理、化学因子对水生生物产生的协同影响更为普遍，泥沙携带的营养盐及其对底质生境的改变，同时影响着藻类和大型底栖动物群落[72-73].

图1 流域土地利用变化的水生生物响应机制概念图Fig.1 Conceptual map of aquatic organism response mechanism of land use change in watersheds

层次正常受损检测方法细胞稳定溶酶体,遗传完整性存在解毒机制,遗传损伤个体无形态异常,体况良好,寄生虫少,行为自然病变,烂鳍,肿瘤发展,体况不佳,行为异常鱼类细胞、组织和个体生物学、毒性检测种群幼年期补充足够维持种群,种群的年龄、层次结构,以及空间分布跟预期相符幼年期补充较差,青年期鱼类数量少,成年期阶段缺失或较差,空间分布改变群落物种丰富度与预期相符,种间组合和互动正常,季节性周期变化跟预期相符可用猎物减少,多样性低于预期,珍稀种或敏感种损失生态系统无物理-化学损害,能维持种群承载力,捕食与被捕食相互关系跟预期相符生态位减少,生境完整性降低,食物网改变,高级捕食者减少历史文献记录、专家咨询、压力与指标模型、与参照点的比较,以及各种方法综合

不同尺度上所对应的环境因子，如流域尺度上的气候、海拔、河流等级，河段尺度上的植被覆盖状况、土地利用、水质，微生境尺度上的底质状况等，都影响了水生群落的分布与结构组成[74-77]. 因此，在研究人类活动干扰下的土地利用变化影响时，要尽量剔除气候、海拔、河流等级等自然因子的影响，可以通过流域水生态分区等方法，在各水生态区系内采用相应的水生生物指数和参照标准进行研究[78].

2 当前研究的难点

流域土地利用变化的水生态响应分为物理响应、化学响应和生物响应. 分布式水文模型能够比较完整地揭示流域径流、泥沙等水文情势的物理变化，以及营养盐、杀虫剂等非点源化学污染从发生到进入水体的客观过程，其参数和输出结果更易与遥感和GIS结合，能够灵活地设置土地利用变化情景，模拟不同土地利用变化情景下的水文响应，已成为目前研究流域土地利用变化的物理响应、化学响应关系的重要工具，并且具有明确的物理意义. 但是，目前流域土地利用变化的生物响应关系机制尚不明晰，多数研究仅从统计学角度分析了流域土地利用变化的生物响应关系，缺乏机理角度的分析.

流域土地利用变化的生物响应是通过物理响应、化学响应来间接作用的. 生物因子与物理、化学因子间的非线性关系十分复杂，如水生生物与水量、泥沙、营养盐等物理、化学因子之间存在着高度复杂的非线性关系，同时各种因子在不同的时空尺度上又存在很强的相关性，因此，要对水生生物与物理、化学因子的关系进行准确模拟十分困难[79].

水生生物对环境因子变化的敏感性和适用性也存在较大差异. 水生生物的生态学指数类型众多，有反映生物多样性、群落结构、优势类群、生活习性和洄游特征的指数，还有反映生态型、耐污类群和敏感类群等指数，但一些指数对干扰的敏感性及其稳定性尚待验证. 如较低浓度的氮、磷营养盐增加将促进藻类的生长，在一定程度上还会提高藻类生物多样性，但对鱼类和大型底栖动物却几乎没有影响，因此藻类被广泛用于水体富营养化监测[80]，鱼类更广泛地被应用于对河道阻断如水利设施建设的影响[81]，大型底栖动物则更多应用于有机物[82]和重金属污染[83]监测. 此外，不同的时空尺度也将对生物响应产生影响.

3 未来研究方向及对我国流域水生态系统管理的启示

3.1 未来研究方向

针对以上问题，未来研究应重点关注流域土地利用变化的生物响应关系，在传统的统计学方法分析基础上，进一步探讨在流域水文过程驱动下的物质迁移转化过程及由此带来的物理响应、化学响应，以及物理化学条件变化产生的生物响应，揭示流域土地利用变化的生物响应机制(见图2).

图2 流域土地利用变化的水生态响应关系未来关注方向Fig.2 Sketch map of future direction of concern for the response of freshwater ecosystem to land use change in watersheds

在物理响应、化学响应关系的模拟上，应减少模拟的不确定性. 如灌区有其特殊的地表水、土壤水和地下水转换关系，以及水库、塘堰、灌排系统等水体的水量交换问题，而当前绝大多数分布式水文模型对灌区的水分循环过程考虑较粗. 中国北方的很多地区由于干旱缺水，灌区都设计成持水系统，即通过各种堤坝拦截径流以供灌溉需要，这一点和北美的情况有极大不同[84]，而在中国缺乏根据实际情况的模型修正，可能导致模拟结果的不准确. 此外，还有水电站或水库、农业灌溉引水、城市取用水等水资源管理措施对河道水量过程影响非常敏感，也给水文及污染物的模拟带来了很大的不确定性. 因此，未来的研究方向主要是解决水文系统高度非线性导致的模型参数率定和验证、不同尺度上水文变量和参数的空间变异性问题、不同时间尺度上水循环的机理、流域水文循环全要素过程的动态耦合模拟、水文循环与水资源循环的耦合模拟问题以及资料的限制等问题[43].

在水生生物与物理化学因子的关系模拟上，除细胞和个体可以通过毒理实验方法预测外，在种群及以上水平，需要开发合适的方法模拟其对物理、化学条件变化的响应关系. 可采用的模型一般可以分为确定性方法和随机性方法[85]. 基于过程的确定性模型在预测环境变化的生态学效应等方面已经得到了广泛应用，但是影响生物群落变化的物理机制较为复杂，如生物群落之间存在的复杂相互作用，以及没有足够的观测数据来解释这些作用，因此限制了确定性方法在模拟水生生物群落中的应用[86-87]. 这时，需要一种替代方法进行模拟，即随机性方法. 传统的统计方法只有在样本数量趋于无穷大时才能有理论上的保证，而在实际应用中样本数量通常都是有限的,对此基于大数定律的传统统计方法难以取得理想的效果，需要开发适合小样本数量的模拟方法.

要构建符合流域特征的水生生物生态学指数体系. 依据不同流域的特征对各种生物生态学指数进行筛选，以敏感反映水生态系统的压力状况；同时，将不同群落的水生生物指数有机结合，可以有效反映水生态系统在短期和长期环境压力影响下的受损状况，使结果更加客观全面. 如何根据河流所处的自然和人类干扰特点，选择和开发合适的水生生物指数及参照值体系，也是分析流域土地利用变化的生物响应的重要科学问题.

3.2 对我国流域水生态系统管理的启示

我国大多数河流的上游河段工业点源污染较少，但流域内普遍存在着农业生产、矿山开采等土地利用开发活动，由此带来的生境破坏、非点源污染等问题成为水生态系统退化的主要驱动因素. 对土地利用进行调控以控制非点源污染等问题成为世界各国流域综合管理的有效措施之一，最具代表性的是20世纪70年代美国提出的“最佳管理措施”，它是以合理利用土地为基础,通过管理措施和非管理措施的有效组合以控制非点源污染物的产生和运移，防止污染物进入水库、湖泊、河流等水体，从而避免农业非点源污染的产生和形成[88]. 此外，发达国家和地区还把流域水生态系统的生物、化学和物理完整性作为流域非点源污染控制等综合调控措施的目标，体现了土地利用调控对水生态系统的整体保护[20-21].

目前，我国的流域水环境管理目标体系单一，水质达标以重点控制常规污染物氨氮与高锰酸盐指数为主，对其他常规污染物指标如总磷、总氮，有毒有害及新型污染物关注较少；关注点源的控源减排较多，关注非点源污染较少；关注水质达标及饮用水安全较多，关注流域内水生态系统的物理、化学和生物完整性较少. 在今后点源污染得到进一步控制的基础上，我国应重点关注土地利用变化带来的水文情势、非点源污染输出等物理化学条件改变及其对水生态系统造成的影响，并逐步建立以保护水生态系统健康为目标的流域管理机制. 如在物理条件变化占主导影响的流域，应采取控制产流产沙为主的措施，在化学条件变化占主导影响的流域，应采取削减污染物为主的措施，但控制措施的最终结果应符合流域水生态系统结构和功能改善的目标，即体现在水质改善和水生生物群落恢复上. 因此，应根据流域自然特征，科学确定不同生态分区内的水质和水生生物保护目标，制定差异化的控制措施.

4 结论与展望

a) 流域土地利用变化驱动下的产流产沙、污染物输出变化，已成为世界范围内水生态系统面临的重要压力. 这些物理、化学条件变化引起的藻类、鱼类、底栖动物等水生生物的细胞乃至群落层次上的改变，并通过食物网、竞争、共生等机制在不同水生生物类群间相互作用，从而将该影响延伸至生态系统过程与功能水平.

b) 流域土地利用变化的水生态响应关系研究难点在于水生生物响应关系的构建，包括减少流域水文过程下的物理响应、化学响应关系的不确定性，构建水生生物对物理、化学条件变化的响应关系分析方法，以及筛选和开发符合流域特点的水生生物指数等. 未来研究应进一步探讨在流域水文过程驱动下的物质迁移转化过程及由此带来的物理响应、化学响应以及物理化学条件变化产生的生物响应，揭示流域土地利用变化的生物响应机制.

c) 目前，我国的流域水环境管理目标体系单一，以保护水生态系统健康为目标的流域管理机制尚未建立. 在流域土地利用变化产生的非点源污染等问题逐渐突出的背景下，对一特定地域范围内相关环境要素实施系统管控，水陆统筹，对山水林田湖进行统一保护、统一修复十分必要. 因此，应加强流域水文规律总结和参数率定，构建符合流域特征的参数数据库，并着力构建以保护水生态系统结构与功能为核心的流域山水林田湖系统综合管控模式.

[1] MARZINELLI E M,ZAGAL C J,CHAPMAN M G,etal.Do modified habitats have direct or indirect effects on epifauna?[J].Ecology,2009,90(10):2948- 2955.

[2] 赵彦伟,汪思慧,于磊,等.流域景观格局变化的河流生物响应研究进展[J].生态学杂志,2010,29(6):1228- 1234. ZHAO Yanwei,WANG Sihui,YU Lei,etal.Responses of river organisms to watershed landscape pattern change:a review[J].Chinese Journal of Ecology,2010,29(6):1228- 1234.

[3] ALLAN J D,ERICKSON D L,FAY J.The influence of catchment land use on stream integrity across multiple spatial scales[J].Freshwater Biology,1997,37(1):149- 161.

[4] STRAYER D L,BEIGHLEY R E,THOMPSON L C,etal.Effects of land cover on stream ecosystems:roles of empirical models and scaling issues[J].Ecosystems,2003,6(5):407- 423.

[5] TOWNSEND C R,DOLEDEC S,NORRIS R,etal.The influence of scale and geography on relationships between stream community composition and landscape variables:description and prediction[J].Freshwater Biology,2003,48(5):768- 785.

[6] PAUL M J,MEYER J L.Streams in the urban landscape[J].Annual Review of Ecology and Systematics,2001,32:333- 365.

[7] KING R S,BAKER M E,WHIGHAM D F,etal.Spatial considerations for linking watershed land cover to ecological indicators in streams[J].Ecological Applications,2005,15(1):137- 153.

[8] AHEARN D S,SHEIBLEY R W,DAHLGREN R A,etal.Land use and land cover influence on water quality in the last free flowing river draining the western Sierra Nevada,California[J].Journal of Hydrology,2005,313:234- 247.

[9] BASNYAT P,TEETER L D,FLYNN K M,etal.Relationship between landscape characteristics and non-point sources pollution inputs to coastal Estuaries[J].Journal of Environmental Management,1999,23:539- 549.

[10] 刘瑞民,杨志峰,丁晓雯,等.土地利用/覆盖变化对长江上游非点源污染影响研究[J].环境科学,2006,27(12):2407- 2414. LIU Ruimin,YANG Zhifeng,DING Xiaowen,etal.Effect of land use/cover change on pollution load of non-point source in upper reach of Yangtze River Basin[J].Environmental Science,2006,27(12):2407- 2414.

[11] 王秀娟,刘瑞民,何孟常.土地利用及其变化对松辽流域非点源污染影响研究[J].地理科学,2009,29(4):555- 559. WANG Xiujuan,LIU Ruimin,HE Mengchang.Effect of landuse/cover change on non-point source pollution in Songliao Basin[J].Scientia Geographica Sinica,2009,29(4):555- 559.

[12] INOSTROZA P A,VERA-ESCALONA I,WICHT A J,etal.Anthropogenic stressors shape genetic structure:insights from a model freshwater population along a land use gradient[J].Environmental Science & Technology,2016,50:11346- 11356.

[13] ALLAN J D.Landscapes and riverscapes:the influence of land use on stream ecosystems[J].Annual Review of Ecology,Evolution,and Systematics,2004,35:257- 284.

[14] PILKAITYTE R,SCHOOR A,SCHUBERT H.Response of phytoplankton communities to salinity changes:a mesocosm approach[J].Hydrobiologia,2004,513:27- 38.

[15] BERNHARDT E S,LUTZ B D,KING R S,etal.How many mountains can we mine? assessing the regional degradation of central Appalachian rivers by surface coal mining[J].Environmental Science & Technology,2012,46:8115- 8122.

[16] KIMMEL W G,ARGENT D G.Stream fish community response to a gradient of specific conductance[J].Water,Air,Soil Pollution,2009,206:49- 56.

[17] MEYER J L,STRAYER D L,WALLACE J B,etal.The contribution of headwater streams to biodiversity in river networks[J].Journal of the American Water Resources Association,2007,43:86- 103.

[18] CAIRNS J,PRATT J R.A history of biological monitoring using benthic macroinvertebrates[M]//ROSENBERG D M,RESH V H.Freshwater biomonitoring and benthic macroinvertebrates.New York:Chapman and Hall,1993:10- 27.

[19] BRYCE S A,HUGHES R M.Variable assemblage responses to multiple disturbance gradients:oregon and appalachian,USA,case studies[M]//SIMON T P.Biological response signatures:indicator patterns using aquatic communities.Boca Raton FL:CRC Press LLC,2002:539- 560.

[20] US EPA.A primer on using biological assessments to support water quality management[R].Washington DC:US EPA,2011.

[21] European Commission.Common implementation strategy for the water framework directive (2000/60/EC)[R].Brussels:European Commission,2000.

[22] 孟伟,范俊韬,张远.流域水生态系统健康与生态文明建设[J].环境科学研究,2015,28(10):1495- 1500. MENG Wei,FAN Juntao,ZHANG Yuan.Freshwater ecosystem health and ecological civilization construction at the watershed scale[J].Research of Environmental Sciences,2015,28(10):1495- 1500.

[23] 孟伟,张远,李国刚,等.流域水质目标管理理论与方法学导论[M].北京:科学出版社,2015.

[24] 姚允龙,吕宪国,王蕾.流域土地利用/覆被变化水文效应研究的方法评述[J].湿地科学,2009,7(1):83- 88. YAO Yunlong,LU Xianguo,WANG Lei.A review on study methods of effect of land use and cover change on watershed hydrology[J].Wetland Science,2009,7(1):83- 88.

[25] GHAFFARI G,KEESSTRA S,GHODOUSI J,etal.SWAT-simulated hydrological impact of land-use change in the Zanjanrood Basin,Northwest Iran[J].Hydrological Processes,2010,24(7):892- 903.

[26] NIE W M,YUAN Y P,KEPNER W,etal.Assessing impacts of land use and land cover changes on hydrology for the upper San Pedro watershed[J].Journal of Hydrology,2011,407(1/2/3/4):105- 114.

[27] 刘玉明,张静,武鹏飞,等.北京市妫水河流域人类活动的水文响应[J].生态学报,2012,32(23):7549- 7558. LIU Yuming,ZHANG Jjing,WU Pengfei F,etal.The hydrological response to human activities in Guishui River Basin,Beijing[J].Acta Ecologica Sinica,2012,32(23):7549- 7558.

[28] 庞靖鹏,刘昌明,徐宗学.密云水库流域土地利用变化对产流和产沙的影响[J].北京师范大学学报(自然科学版),2010,46(3):290- 299. PANG Jingpeng,LIU Changming,XU Zongxue.Impact of land use change on runoff and sediment yield in the Miyun Reservoir Catchment[J].Journal of Beijing Normal University(Natural Science),2010,46(3):290- 299.

[29] 曾赟,魏琳.土地利用和气候变化对四川省紫色丘陵区径流泥沙变化的影响研究[J].水土保持通报,2013,33(3):1- 6. ZENG Yun,WEI Lin.Impacts of climate and land use changes on runoff and sediment yield in Sichuan Purple Hilly Area[J].Bulletin of Soil and Water Conservation,2013,33(3):1- 6.

[30] AXEL B,NIEHOFF D,BÜRGER G.Effects of climate and land-use change on storm runoff generation:present knowledge and modelling capabilities[J].Hydrological Processes,2002,16(2):509- 529.

[31] 杨爱玲,朱颜明.地表水环境非点源污染研究[J].环境工程学报,1999,7(5):60- 67. YANG Ailing,ZHU Yanming.Study on non-point source pollution of surface water environment[J].Chinese Journal of Environmental Engineering,1999,7(5):60- 67.

[32] 张维理,冀宏杰,KOLBE H,等.中国农业非点源 污染形势估计及控制对策:Ⅱ.欧美国家农业非点源污染状况及控制[J].中国农业科学,2004,37(7):1018- 1025. ZHANG Weili,JI Hongjie,KOLBE H,etal.Estimation of agriculture non-point source pollution in China and the alleviating strategies:Ⅱ.status of agriculture non-point source pollution and the alleviating strategies in European and American Countries[J].Scientia Agriculture Sinica,2004,37(7):1018- 1025.

[33] LEON L F,SOULIS E D,KOUWEN N,etal.Non-point source pollution:a distributed water quality modeling approach[J].Water Research,2001,35:997- 1007.

[34] DENNIS L C,PETER J V,KEITH L.Modeling non-point source pollution in vadose zone with GIS[J].Environment Science and Technology,1997,8:2157- 2175.

[35] 路月仙,陈振楼,王军,等.地表水环境非点源污染研究的进展与展望[J].环境保护,2003(11):22- 26. LU Yuexian,CHEN Zhenlou,WANG Jun,etal.Research progress and prospect of surface water environmental non-point source pollution[J].Environmental Protection,2003(11):22- 26.

[36] 陈利顶,傅伯杰,赵文武.“源”“汇”景观理论及其生态学意义[J].生态学报,2006,26(5):1444- 1449. CHEN Liding,FU Bojie,ZHAO Wenwu.Source-sink landscape theory and its ecological significance[J].Acta Ecologica Sinica,2006,26(5):1444- 1449.

[37] 李铸衡,刘淼,李春林,等.土地利用变化情景下浑河-太子河流域的非点源污染模拟[J].应用生态学报,2016,27(9):2891- 2898. LI Zhuheng,LIU Miao,LI Chunlin,etal.Non-point source pollution simulation under land use change scenarios in Hun-Taizi River watershed[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2016,27(9):2891- 2898.

[38] 李俊然,陈利顶,郭旭东,等.土地利用结构对非点源污染的影响[J].中国环境科学,2000,20(6):506- 510. LI Junran,CHEN Liding GUO Xudong,etal.Effects of land use structure on non-point source pollution[J].China Environmental Science,2000,20(6):506- 510.

[39] 李明涛,王晓燕,刘文竹.潮河流域景观格局与非点源污染负荷关系研究[J].环境科学学报,2013,33(8):2296- 2306. LI Mingtao,WANG Xiaoyan,LIU Wenzhu.Relationship between landscape pattern and non-point source pollution loads in the Chaohe River Watershed[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2013,33(8):2296- 2306.

[40] 孟晓云,于兴修,泮雪芹.云蒙湖流域土地利用变化对非点源氮污染负荷的影响[J].环境科学,2012,33(6):1789- 1794. MENG Xiaoyun,YU Xingxiu,PAN Xueqin.Impact of the land-use change on the non-point source nitrogen load in Yunmeng Lake Watershed[J].Environmental Science,2012,33(6):1789- 1794.

[41] MATTIKALLI N M,RICHARDS K S.Estimation of surface water quality changes in response to land use change:application of the export coefficient model using remote sensing and geographical information system[J].Journal of Environmental Management,1996,48(3):263- 282.

[42] 李兆富,杨桂山,李恒鹏.基于改进输出系数模型的流域营养盐输出估算[J].环境科学,2009,30(3):668- 672. LI Zhaofu,YANG Guishan,LI Hengpeng.Estimated nutrient export loads based on improved export coefficient model in Xitiaoxi Watershed[J].Environmental Science,2009,30(3):668- 672.

[43] 徐宗学,程磊.分布式水文模型研究与应用进展[J].水利学报,2010,41(9):1009- 1017. XU Zongxue,CHENG Lei.Progress on studies and applications of the distributed hydrological models[J].Journal of Hydraulic Engineering,2010,41(9):1009- 1017.

[44] SIVAPALAN M,TAKEUCHI K,FRANKS S W,etal.IAHS decade on predictions in Ungauged Basins(PUB),2003- 2012:shaping an exciting future for the hydrological sciences[J].Hydrological Sciences Journal,2003,48(6):857- 880.

[45] 徐宗学.水文模型[M].北京:科学出版社,2009.

[46] DEBELE B,SRINIVASAN R,PARLANGE J Y.Coupling upland watershed and downstream water body hydrodynamic and water quality models(SWAT and CE-QUAL-W2) for better water resources management in Complex River basins[J].Environmental Modeling and Assessment,2008,13(1):135- 153.

[47] IOANNIS P,MARIA M,MARIA K.Estimation of nitrogen and phosphorus losses to surface water and groundwater through the Implementation of the SWAT model for Norwegian soils[J].Journal of Soils and Sediments,2007,7(4):223- 231.

[48] 庞靖鹏,徐宗学,刘昌明.SWAT模型研究应用进展[J].水土保持研究,2007,14(3):31- 35. PANG Jingpeng,XU Zongxue,LIU Changming.SWAT model application:state-of-the-art review[J].Research of Soil and Water Conservation,2007,14(3):31- 35.

[49] 高欣,丁森,张远,等.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[J].生态学报,2015,35(21):7198- 7206. GAO Xin,DING Sen,ZHANG Yuan,etal.Exploring the relationship among land-use,riparian habitat quality,and biological integrity of a fish community[J].Acta Ecologica Sinica,2015,35(21):7198- 7206.

[50] 刘珍环,李猷,彭建.河流水质的景观组分阈值研究进展[J].生态学报,2010,30(21):5983- 5993. LIU Zhenhuan,LI You,PENG Jian.The landscape components threshold of stream water quality:a review[J].Acta Ecologica Sinica,2010,30(21):5983- 5993.

[51] ALBERTI M,BOOTH D,HILL K,etal.The impact of urban pattern on aquatic ecosystems:an empirical analysis in Puget lowland sub-basins[J].Landscape and Urban Planning,2007,80:345- 361.

[52] MORLEY S A,KARR J R.Assessing and restoring the health of urban streams in the Puget Sound basin[J].Conservation Biology,2002,16:1498- 1509.

[53] UTZ R M,HILDERBRAND R H,BOWARD D M.Identifying regional differences in threshold responses of aquatic invertebrates to land cover gradients[J].Ecological Indicators,2009,9:556- 567.

[54] KARR J R,CHU E W.Sustaining living rivers[J].Hydrobiologia,2000,422:1- 14.

[55] LUSSIER S M,DA SILVA S N,CHARPENTIER M,etal.The influence of suburban land use on habitat and biotic integrity of coastal Rhode Island streams[J].Environmental Monitor Assessment,2008,139:119- 136.

[56] MORLEY SA,KARR J R.Assessing and restoring the health of urban streams in the Puget Sound basin[J].Conservation Biology,2002,16(6):1498- 1509.

[57] LAMMERT M,ALLAN J D.Assessing biotic integrity of streams:effects of scale in measuring the influence of land use/cover and habitat structure on fish and macroinvertebrates[J].Environmental Management,1999,23(2):257- 270.

[58] HEITKE J D,PIERCE C L,GELWICKS G T,etal.Habitat,land use,and fish assemblage relationships in iowa streams:preliminary assessment in an agricultural landscape[J].American Fisheries Society Symposium,2006,48:287- 303.

[59] ALLAN D,ERICKSON D,FAY J.The influence of catchment land use on stream integrity across multiple spatial scales[J].Freshwater Biology,1997,37(1):149- 161.

[60] MEADOR M R,GOLDSTEIN R M.Assessing water quality at large ographic scales:relations among land use,water physicochemistry,riparian condition,and fish community structure[J].Environmental Management,2003,31(4):504- 517.

[61] WHITFIELD A K,ELLIOTT M.Fishes as indicators of environmental and ecological changes within estuaries:a review of progress and some suggestions for the future[J].Journal of Fish Biology,2002,61(S1):229- 250.

[62] 陈家长,张瑞涛,胡庚东.鱼类“致癌、致畸、致突变”测试技术在渔业环境监测中的应用[J].中国水产科学,1999(1):93- 96. CHEN Jiazhang,ZHANG Ritao,HU Gengdong.Application of analytical technique for fish canceration,malformation and mutation in fisheries environmental monitoring[J].Journal of Fishery Sciences of China,1999(1):93- 96.

[63] 姜礼燔,曹萃禾.中华鲟肝脏癌变的环境污染诱因初探[J].水产科技情报,1988(4):7- 8. JIANG Lifan,CAO Cuihe.Study on environmental pollution causes of Chinese sturgeon liver cancer[J].Fisheries Science & Technology Information,1988(4):7- 8.

[64] SIMON T P.The use of biological criteria as a tool for water resource management[J].Environmental Science and Policy,2000,3:43- 49.

[65] EKLÖV A G,GREENBERG L A,BRÖNMARK C,etal.Response of stream fish to improved water quality:a comparison between the 1960s and 1990s[J].Freshwater Biology,1998,40(4):771- 782.

[66] VEGA-CENDEJAS M E,SANTILLANA M H D,NORRIS S.Habitat characteristics and environmental parameters influencing fish assemblages of karstic pools in southern Mexico[J].Neotropical Ichthyology,2013,11(4):859- 870.

[67] REASH R J,PIGG J.Physicochemical factors affecting the abundance and species richness of fishes in the Cimarron River[J].Research,1990,70:23- 28.

[68] LEIGH C,QU X,ZHANG Y,etal.Assessment of river health in the Liao River basin(Taizi subcatchment)[R].Brisbane,Australia:International Water Centre,2012.

[69] WALTERS D M,ROY A H,LEIGH D S.Environmental indicators of macroinvertebrate and fish assemblage integrity in urbanizing watersheds[J].Ecological Indicators,2009,9:1222- 1233.

[70] YEOM D H,CHUNG KH,KIM Y H,etal.Ecological health and causal assessment of fish communities experiencing multiple stressors in Gap Stream,South Korea[J].Toxicology and Environmental Health Sciences,2009,1(2):97- 108.

[71] 苏玉,王东伟,文航,等.太子河流域本溪段水生生物的群落特征及其主要水质影响因子分析[J].生态环境学报,2010,19(8):1801- 1808. SU Yu,WANG Dongwei,WEN Hang,etal.Analysis of key water quality factors of the aquatic assemblages community in Benxi district of the Taizi basin[J].Ecology and Environmental Sciences,2010,19(8):1801- 1808.

[72] HERING D R K,JOHNSON S,KRAMM S,etal.Assessment of European streams with diatoms,macrophytes,macroinvertebrates and fish:a comparative metric-based analysis of organism response to stress[J].Freshwater Biology,2006,51:1757- 1785.

[73] DAHM V,HERING D,NEMITZ D,etal.Effects of physico-chemistry,land use and hydromorphology on three riverine organism groups:a comparative analysis with monitoring data from Germany and Austria[J].Hydrobiologia,2013,704:389- 415.

[74] 丁森,张远,渠晓东,等.影响太子河流域鱼类空间分布的不同尺度环境因子分析[J].环境科学,2012,33(7):2272- 2280. DING Sen,ZHANG Yuan,QU Xiaodong,etal.Influence on the spatial distribution of fish in Taizi River Basin by environmental factors at multiple scales[J].Environmental Science,2012,33(7):2272- 2280.

[75] LORENZ A,FELD C K,HERING D.Typology of streams in Germany based on benthic invertebrates:ecoregions,zonation,geology and substrate[J].Limnologica-Ecology and Management of Inland Waters,2004,34(4):379- 389.

[76] 孔德平,陈小勇,杨君兴.泸沽湖鱼类区系现状及人为影响成因的初步探讨[J].动物学杂志,2006,27(1):94- 97. KONG Deping,CHEN Xiaoyong,YANG Junxing.Fish fauna status in the lugu lake with preliminary analysis on cause and effect of human impacts[J].Zoological Research,2006,27(1):94- 97.

[77] 高峰,尹洪斌,胡维平,等.巢湖流域春季大型底栖动物群落生态特征及与环境因子关系[J].应用生态学报,2010,21(8):2132- 2139. GAO Feng,YIN Hongbing,HU Weipin,etal.Ecological characteristics of macrobenthos communities in Chaohu Basin in spring and their relationships with environmental factors[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2010,21(8):2132- 2139.

[78] 孟伟,张远,张楠,等.流域水生态功能分区与质量目标管理技术研究的若干问题[J].环境科学学报,2011,31(1):1345- 1351. MENG Wei,ZHANG Yuan,ZHANG Nan,etal.Study on aquatic ecological function regionalization and water quality target management in the river basin[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2011,31(7):1345- 1351.

[79] LEE J H W,HUANG Y,DICKMAN M,etal.Neural network modeling of coastal algal blooms[J].Ecological Modelling,2003,159:179- 201.

[80] STEVENSON R J,PAN T D.Assessing environmental conditions in rivers and streams with diatoms[M]//The diatoms:applications for the environmental and Earth Sciences.Cambridge:Cambridge University Press,2004.

[81] ARTHINGTON A H,BUNN S E,ANGELA H,etal.The challenge of providing environmental flow rules to Sustain River ecosystems[J].Ecological Applications,2006,16(4):1311- 1318.

[83] QU X D,WU N C,TANG T,etal.Effects of heavy metals on benthic macroinvertebrate communities in high mountain streams[J].International Journal of Limnology,2010,46:291- 302.

[84] 于涛,孟伟,ONGLEY E,等.我国非点源负荷研究中的问题探讨[J].环境科学学报,2008,28(3):401- 407. YU Tao,MENG Wei,ONGLE E,etal.Problems and recommendations for non-point source pollution identification in China[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2008,28(3):401- 407.

[85] PARK Y,CHO KH,PARK J,etal.Development of early-warning protocol for predicting chlorophyll:a concentration using machine learning models in freshwater and estuarine reservoirs,Korea[J].Science of the Total Environment,2015,502:31- 41.

[86] LEE H S,LEE J H W.Continuous monitoring of short term dissolved oxygen and algal dynamics[J].Water Resources,1995,29(12):2789- 2796.

[87] YABUNAKA K,HOSOMI M,MURAKAMI A.Novel application of a back-propagation artificial neural network model formulated to predict algal bloom[J].Water Science & Technology,1997,36(5):89- 97.

[88] JOHNSON R D,SAMPLE D J.A semi-distributed model for locating stormwater best management practices in coastal environments[J].Environmental Modelling & Software,2017,91:70- 86.

Response of Freshwater Ecosystem to Land Use Change in Watersheds

FAN Juntao1,2, ZHANG Yizhang2, ZHANG Yuan2, ZHANG Mengheng2, MENG Wei2*, XIA Rui1,2, LI Mengdi2

1.College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, China 2.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

2017-02-28

2017-04-21

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2015ZX07202012，2014ZX07510)

范俊韬(1984-)，男，重庆人，高级工程师，主要从事流域水生态保护技术研究，fanjt@craes.org.cn.

*责任作者，孟伟(1956-)，男，山东青岛人，中国工程院院士，研究员，博士，博导，主要从事流域水污染控制与水生态保护研究，mengwei@craes.org.cn

X705

1001- 6929(2017)07- 0981- 10

A

10.13198/j.issn.1001- 6929.2017.02.45

范俊韬,张依章,张远,等.流域土地利用变化的水生态响应研究[J].环境科学研究,2017,30(7):981- 990.

FAN Juntao,ZHANG Yizhang,ZHANG Yuan,etal.Response of freshwater ecosystem to land use change in watersheds[J].Research of Environmental Sciences,2017,30(7):981- 990.