基于景观生态学指标的鱼类生境质量评价方法研究

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(1.三峡大学 a.水利与环境学院；b.三峡库区生态环境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002；2.南京水利科学研究院 生态环境研究中心, 南京 210029；3.湖北工业大学 资源与环境学院，武汉 430000)

1 研究背景

河流在人类活动和维持生态系统方面发挥了非常重要的作用。然而，绝大多数河流却遭到人类不同程度的影响[1]。特别是近几十年以来，水利工程建设改变了河流的水文情势，使得水环境因子发生变化，从而改变了水生生物栖息地的时空分布，导致部分水生生物栖息地退化或者消失[2-3]。鱼类是水生态系统的重要指示性生物，因此成为水生态研究的重点。

鱼类栖息地是鱼类赖以生存的环境。自20世纪70年代起，鱼类栖息地的研究一直备受关注，并且成为河流健康影响评价中的重要部分。鱼类栖息地的质量可反映河流的健康状况。由于栖息地质量不能直接测量获得[4]，因此，通过建立栖息地模型对河流生物栖息地进行质量评价为一种有效的方法。

本文选择漓江中游一河段为研究区域，以光倒刺鲃为研究对象，建立了鱼类栖息地适应性模型，并与水环境模型耦合。将适应性模型的结果导入地理信息系统(GIS)中进行分析，引入景观生态学中相关指标进行栖息地质量评价，该方法能较准确对研究区域的生境质量进行评价，从而为鱼类保护提供参考。

2 研究方法

为了对鱼类栖息地质量进行定量评价,采用栖息地适应性指数(HSI)作为量化指标,将水环境模型和行为学实验结果相结合，建立基于模糊综合评价方法的鱼类栖息地适应性模型。

2.1 水环境模型

河段的水流和水质条件采用二维垂向平均，水环境模型包括流速、水深、水温和溶解氧,由于缺乏研究河段上下游控制断面的监测数据，因此采用率定后的一维全河段模型计算出二维模型的边界条件[5]。

一维全河段水流模型采用圣维南方程组,包括连续性方程和动量方程[6]:

(1)

(2)

式中：A为过流断面面积(m2)；t为时间(s)；Q为流量(m3/s)；x为河长(m)；qlat为旁侧入流(m3/s)；g为重力加速度(m/s2)；H为水位(m)；C为谢才系数(m1/2/s)；R为水力半径(m);模型上游边界条件为日均流量,下游边界条件为日均水位。

二维局部河段水环境采用二维浅水方程组及对流扩散方程[7-8]：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Q为流量(m3/s)；H为水深(m)；u，ν为x，y方向上的流速(m/s)；υ为水平黏性系数(m2/s)；ρ0为密度(kg/m3)；p为压强(kPa);c为t时刻x位置物质浓度(g/m3)；S为源相(g/m3·s)；f为科氏力系数；τx，τy为底部切应力(N/m)；Dx,Dy为扩散系数(m2/s);fR为反应项。

模型的上游边界条件为一维模型输出的日均流量，下游边界条件为一维模型输出的日均水位，模型的初始条件以冷启动的形式给出，即全场2个流速分量给定为0。在经过一段时间的运行之后初始条件的影响逐渐可以忽略，模型的结果作为正式模拟时的热启动文件[9]。

2.2 鱼对水环境因子的响应

建立目标鱼类对水环境因子的响应关系是建立鱼类适应性模型的关键，目前，采用的较多的方法主要有以下几种：一种是对研究河段的目标鱼类进行高密度的捕捞，通过鱼类出现的频率建立与水环境因子的响应关系；一种是通过室内行为学实验，建立鱼类单因子适配曲线；还有一种是通过射频声学标签跟踪鱼的活动，建立鱼与水环境的关系[5, 10]。

本研究采用了野外调查和鱼类行为学实验相结合的方法，建立了目标鱼与流速、溶解氧、温度、水深之间单因子的响应关系。

2.3 栖息地适应性模型

鱼类栖息地适应性模型采用模糊综合评价方法，在野外调查和行为学实验的基础上建立鱼类对水环境因子的隶属度函数。用水环境模型的结果作为适应性模型的输入条件，模型结果为适应性指数HSI。

模糊综合评价法是一种基于模糊数学的综合评价方法。该综合评价方法根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，即用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体的评价。它具有结果清晰、系统性强的特点,能较好地解决模糊的、难以量化的问题,适合各种非确定性问题的解决，对受多种因素影响的事物做出全面评价的一种十分有效的多因素决策方法[11-12]。

本研究中选取流速、水深、温度和溶解氧作为综合评价的评价因素集,将适应、中适应、基本适应、不适应作为评价标准集,选用隶属度加权型进行综合评价,评价结果按隶属度最大原则输出。

2.4 栖息地质量分析

将鱼类适应性模型的结果导入ArcGIS中进行分类，分为适应、中适应、基本适应、不适应4类，分类后运用景观生态学的相关指标进行分析，本研究选取了斑块数、面积、连接度、凝聚度、最大斑块指数等指标对鱼类栖息地适应性指数进行分析。

3 应用实例

3.1 研究区域概述

本研究选择漓江中游一河段进行模型的实例应用。漓江位于广西省桂林市,发源于华南第一峰猫儿山,全流域214 km,流域面积12 285 km2,河道平均坡降为0.67‰。

漓江是我国鱼类研究开展较早的河流。近几年来，因漓江鱼类资源极度衰竭而引起世人高度关注[13]。本文选取中游6 km河段进行鱼类栖息地质量评价研究，研究区域见图1。

图1 研究区域

3.2 研究鱼类选取

通过对漓江现场鱼类调查结果，并结合对当地渔业部门以及渔民的访谈情况，确定了研究物种为光倒刺鲃。光倒刺鲃是漓江主要的经济鱼类，在珠江水系的上游和中游均有分布。

3.3 模型设置

3.3.1 数据收集

研究河段的水下地形数据采用SonTek YSI公司生产的River Cat进行测量, 可获取断面水深、流速、流量数据。断面测量间距大约为100 m，对于地形复杂的地段进行加密测量；岸边地形使用水准仪和全站仪测量。对测量获取的断面进行线性插值，从而可获取整个研究河段的高程数据。

3.3.2 边界及初始条件

水环境模型空间步长为10 m，时间步长3 s。二维水流模型上游边界为月平均流量，下游边界为月均水位；水质模型考虑温度和溶氧2个参数，以月均数据作为初始条件。

3.3.3 隶属度函数的建立

本研究选取光倒刺鲃产卵期的生境进行适应性分析。光倒刺鲃产卵期为5—9月份，产卵主要集中在5—7月。根据鱼的生活习性和专家经验，选取流速、水深、温度、溶解氧4个因子进行适应性分析，在行为学实验和查阅文献的基础上确定了光倒刺鲃对4个环境因子的隶属度函数。如图2所示，根据隶属度函数可建立基于模糊综合评价的栖息地适应性模型。

图2 各参数的隶属度

3.4 模拟结果

水环境模型的率定和验证详细结果可参考文献[9]。通过对光倒刺鲃产卵期栖息地适应性模拟，从图3中可以看出各个月份栖息地适应性指数的分布情况，5月份栖息地适应性指数分布以中适应性和基本适应性分布为主，6月、7月以适应性和不适应性分布为主。

图3 5—7月份栖息地适应性指数分布图

通过选取斑块面积、斑块数、 斑块凝聚度、连接度等景观生态学中相关指标对栖息地适应性模型的结果进行栖息地质量评价，从表1中可以看出，在5月份栖息地适应性分布中,中适应性区域的面积最大,占总面积的42.62%;从表2中可以看出,6月份不适应性区域面积为43.96 hm2,占总面积的43.58%;从表3中可以看出，7月份栖息地的适应性指数分布以高适应性区域分布为主,占总面积的55.84%。

表1 5月份栖息地适应性分类表

注：面积指不同分类区域的面积；面积百分比指不同分类区域面积占总面积的比例，以下同。

表2 6月份栖息地适应性分类表

表3 7月份栖息地适应性分类表

通过比较5—7月份栖息地适应性指数大于0.6的分布情况，从表4可以看出，5—7月份高适应区域的总面积分别为62.24，49.42，62.41 hm2，分别占整个河道面积的65.72%，48.99%，61.88%。如果仅仅以面积大小作为评价指标，3个月份的单因子评价结果分别为好、中、好。引入景观生态学中的相关指数，综合评价的结果分别为中、差、好。

表4 5—7月份栖息地质量评价表(HIS>0.6)

4 讨 论

本文引入景观生态学的相关指标对鱼类栖息地质量进行了评价。运用此方法能较准确地反映鱼类栖息地的质量及其时空变化。传统的鱼类生境质量评价一般都采用加权可利用面积作为评价指标[14-15]，实际上，仅仅通过加权可利用面积的大小来评价栖息地的质量是不科学的，它并不能全面、真实地反映栖息地质量状况，例如：当鱼类栖息地的加权可利用面积很大，但斑块多，即栖息地破碎度高，按照传统的评价方法，栖息地的质量评价结果为优，这个评价结果显然不合理，没有真实反映鱼类生境的状况。本研究不仅考虑了栖息地不同适应性区域面积的大小，而且从栖息地的破碎性、连通性、凝聚度等方面全面评价了栖息地质量。

本研究将栖息地适应性模型的结果作为栖息地质量评价的对象，因此，栖息地质量评价的准确性取决于栖息地适应性模型的准确性。模型中仅选取了水深、流速、水温和溶解氧作为关键因子，没有考虑底质、盐度等其他因子的影响，因此，模拟的结果可能与实际情况存在差异。为了提高栖息地评价的可靠性，对于模型中关键因子的选取和隶属度函数的建立方面还需要进一步的研究。

在不考虑地形地貌演变和外界干扰的情况下，栖息地质量随着流量的不同而呈动态变化，因此，通过栖息地适应性模型的模拟，在运用景观生态学指标进行鱼类生境质量评价后，可建立流量与栖息地质量之间的响应关系，本文仅选取产卵期3个月的月均流量进行模拟，没有建立流量与栖息地质量之间的响应关系。下一步研究中，将考虑建立流量与栖息地质量之间的动态响应关系，以便进行栖息地质量预测以及为生态调度提供依据[16]。

本研究引入了景观生态学的指标进行鱼类栖息地质量评价，只是为鱼类生境质量评价提供了一种方法和思路，评价的指标选取及评价结果的确定方法还有待进一步改进。

本研究建立的评价方法主要为河流生物栖息地保护提供参考。

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