黑河流域水生态系统异质性关键影响因子

第四届全国河道治理与生态修复技术交流研讨会王世岩中国水利水电科学研究院2012年4月24黑河流域水生态系统影响指标筛选研究区概况（黑河流域）研究目的与意义1黑河流域水生态系统特征553主要研究结论1、研究目的与意义水生态系统具有明显的空间异质性水生态系统是相互作用、相互制约的各个水生态组成部分的有机整体。受地势、气候以及地质等条件差异制约，水生态系统在流域不同空间上表现出异质性特征。1•上游区也就是河流源头区，一般地势陡峭，河岸坡度较大；•中游区域属于物质的迁移转化区，通常具有较宽的河漫滩和弯曲河道特征•下游区域地势平坦，岸坡平缓，是各种营养物质的“汇集”区1、研究目的与意义水生态退化态势愈加严重，亟待水生态修复流域人为活动强度不断增加，造成河道环境流量难以保障，部分河道及区域沙化，流域水生态系统整体性呈现退化，严重威胁流域生态安全。辽河上游海河永定河2沙尘暴1、研究目的与意义识别水生态系统异质性的关键影响因子，辨识驱动机制识别驱动水生态系统异质性的关键流域影响因子，研究流域各种环境因子对水生态系统的驱动机制，构建流域水生态区划指标体系，对于流域水生态保护和退化系统的恢复等均均具有重要意义。3流域水生态功能区划流域水生态修复•概念与内涵•区划指标体系•管理框架体系•基于栖境保护•基于指示生物•综合修复方法识别关键影响因子外来主要胁迫作用水文情势变异特征指标河流水生态响应机制水生态响应特征水资源时空变化（脉冲特征分析）水生态响应特征分析2、研究区概况黑河流域是我国西北干旱地区第二大内陆河流域，位于河西走廊中部。南以祁连山为界，北与蒙古接壤，东西分别与石羊河、疏勒河流域相邻。涉及青海、甘肃、内蒙三省（区）。黑河流域2、研究区概况流域整体上呈现南高北低，地形复杂，按海拔高度和自然地理特点分为上游祁连山山地、中游走廊平原和下游阿拉善高原三个地貌类型区。上游中游下游2、研究区概况研究意义•研究流域水生态系统空间异质性特征，识别关键影响因子，探索流域环境因子对流域水生态系统空间分布的影响机理，不仅有助于流域水生态功能分区指标构建，而且对于流域水生态系统分布规律及脆弱水生态系统生态保育与恢复等研究具有重要意义。建国以来，随着大规模垦殖与开发，黑河流域生态环境问题日趋突出；尤其80年代以来，人类对于黑河流域有限水资源进行无节制开发利用，以及各种不合理生产活动加剧，导致流域生态环境严重退化；诸多学者对于黑河流域水文水资源、地下水、径流平衡等方面开展了大量研究在流域水生态系统方面进行系统性研究，以及水生态系统异质性特征辨识及驱动机制影响方面基本尚属空白研究区水生态环境问题诊断及研究意义通过河流水生态现状调查，确定采样研究断面，采集和测试样品野外采样、室内分析3、黑河流域水生态系统特征3、黑河流域水生态系统特征藻类浮游动物鱼类（高原鳅）底栖动物（脊尾白虾）对于黑河流域内主要浮游藻类、浮游动物、底栖动物、鱼类以及水生维管束植物等进行了系统的野外调查、采样与鉴定分析，同时对于水环境、栖息地条件也进行了同步采样与调查，为水生态系统空间异质性以及多样性分析等提供基础数据。黑河流域水生态系统异质性特征浮游植物群落结构及空间特征•流域浮游植物共检出8门98属231种，多为普生性种类，以硅藻门、绿藻门为主。•上游区域浮游植物主要以高原低温、营固着生活的藻类为主；中游地区以蓝藻门、绿藻门居多，主要是普生性、喜有机质的种类；下游地区以半咸水性种类为主，嗜盐舟形藻为该段的优势种。浮游植物生物密度•流域浮游动物共检出4门44种，主要为普生性种类，原生动物门为主，占45%。其中以动基片虫和寡毛虫、轮虫为优势种。•浮游动物大多分布在流域中游地区，上游较少，下游地区出现淡水和咸水水体中都能生存的种类。浮游动物群落结构及空间特征浮游动物生物密度黑河流域水生态系统异质性特征底栖动物群落结构及空间特征•底栖动物共检出4门17种，以节肢动物门门为主，以昆虫纲（水生昆虫）为优势种群。•上游区域底栖动物种类较少，中游地区种类最多，优势种有3种，分别为脊尾白虾、水跳虫和土蜗。底栖动物总密度黑河流域水生态系统异质性特征鱼类生物密度•共调查到鱼类19种（野生13种，人工放养6种），高原鳅属鱼类为优势土著鱼类。•流域的鱼类主要分布在上中游地区，其中，上游鱼类检出14种，中游检出14种，下游检出8种。鱼类群落结构及空间特征黑河流域水生态系统异质性特征4、黑河流域水生态系统影响指标筛选（1）指标体系构建序号影响因子生态表征1DEM通过影响气温、降水、水文等环境因子影响物种空间格局和水生态系统2相对高程通过影响气温、降水、水文等环境因子影响物种空间格局和水生态系统3坡度通过形成局部地区异质环境影响水生态系统结构和功能4坡向不同局部接受太阳能量的差异影响水生态系统结构和功能5降水量决定物种的分布格局影响河流水循环过程和水生态过程6径流深从空间上表征水分差异，影响河流水循环过程和水生态过程7气温影响水生态系统空间异质性分布特征的热量条件8蒸发通过水循环影响河流水生态结构和功能过程9干旱指数干旱地区表征水分条件差异性的特征指数，影响水生态格局10NPP表征不同水分差异下植被净第一性生产力异质性特征11NDVI表征不同水分差异下植被覆盖等特征空间异质性特征从流域地形地势、气候、水文、植被等方面构建了流域水生态系统的影响指标体系4、黑河流域水生态系统影响指标筛选（2）指标因子标准化minmaxminiiiiiXXXXX标准化为客观分析各指标空间上影响特征的差异，消除量纲的影响，需对各个指标进行标准化正向影响负向影响minmaxmin1iiiiiXXXXX4、黑河流域水生态系统影响指标筛选（3）基于PCA分析的关键因子识别构建数据矩阵计算相关系数矩阵主成分贡献率及累计贡献率计算主成分载荷在ArcInfoWS中使用princomp命令，进行指标主成分分析主成分分析4、黑河流域水生态系统影响指标筛选（4）基于PCA分析的关键因子识别得到主成分分析协方差矩阵、相关矩阵、因子特征值及主成分贡献率3个主成分综合图第一主成分Z1与X1、X2有较大的正相关，而X1、X2分别为海拔高程和相对高程，表示的是流域的地形特征信息，因此第一主成分可以看作流域地形特征的代表；第二主成分Z2与X8、X9具有较强的正相关，与X5之间具有较好的负相关关系，X8、X9、X5分别为流域多年平均蒸发量、干旱指数及多年平均降水量，表示的是流域的气象气候特征信息。第一主成分Z1、第二主成分Z2所包含的因子信息量已达到99.30%，因此只取前两个主成分即可代表各环境因子的绝大部分信息。4、黑河流域水生态系统影响指标筛选（4）基于主成分分析的关键因子识别4、黑河流域水生态系统影响指标筛选（5）基于CCA分析的关键影响因子识别进行水生态系统野外采样点信息与环境要素信息典范对应分析（CCA）。与水生态系统关系较大的环境因子为海拔、降水及干旱指数，这与影响水生态特征的环境因子主成分分析结果一致。因此，研究认为：影响流域水生态系统的关键因子为高程、降水和干旱指数。5、主要研究结论•（1）、黑河流域水生态系统（浮游植物、浮游动物、底栖动物以及鱼类种类）空间分布具有明显的异质性特征：上游地区由于河流流速较快、水温较低、山势陡峻等原因，水生生物密度较小；中游地区河道变宽、水流变缓以及水体中具有较多营养物质等因素，导致水生生物密度相对较高；而下游地区则由于极端干旱、季节性断流等影响，水生生物种类和密度相对较少；•（2）、黑河流域绝对高程与相对高程、降水、径流深、净初级生产力(NPP)、植被指数(NDVI)以及坡度、坡向之间显著正相关；绝对高程与气温、蒸发、干旱指数之间显著负相关，相关系数分别为-0.842、-0.890、-0.797；5、主要研究结论•（3）、各影响因子空间主成分分析结果表明，第一主成分（Z1）和第二主成分（Z2）的累积贡献率已达到99%，可用来表征各影响因子的综合信息，其中Z1代表了流域的地形特征（DEM），Z2代表了流域的气候特征（降水量、干旱指数）。典范对应分析（CCA）研究结果表明，海拔、降水及干旱指数与水生态系统关系较大，该结果与主成分分析一致。因此从流域角度而言，地形和气候指标是黑河流域水生态系统特征空间异质性的关键影响要素。