应用大型底栖无脊椎动物和底栖硅藻评价水质的比较研究

摘要

基于溪流底栖硅藻和大型底栖无脊椎动物的生物监测和评价是有效评价溪流水质，溪流水生态系统健康、保护溪流多样性的重要手段。但是在溪流水质生物评价和监测过程中存在一些难点，主要有:一、不同生物类群（底栖硅藻和大型底栖无脊椎动物）对不同干扰类型（农田、城镇）的响应是否存在差异？二、在生物评价过程中，如何构建一个可靠、稳健的生物指数？三、不同尺度环境因子引起生物指数变化的相对重要性？基于这些科学问题，以底栖硅藻、大型底栖无脊椎动物为对象展开了对比研究，主要研究结果如下:
　　基于渭河流域西安段15个参照样点、27个农田样点和12个城镇样点的环境、底栖硅藻和大型底栖无脊椎动物数据。采用非参数多维尺度分析(NMDS)、相似性分析（ANOSIM）、t检验和CCA分析研究底栖动物和底栖硅藻对不同干扰类型的响应。结果表明，三种干扰类型样点相互之间水质、生境和土地利用均有大部份指标存在显著差异;底栖动物和底栖硅藻群落组成也均存在显著差异。底栖动物6个生物参数No.of taxa、No.of EPT taxa、Shannon diversity index、1/Simpson index和Pielou index能很好地区分干扰类型，但是硅藻的6个生物参数PTI、％Eutraphentic,No.of taxa、Shannon diversity index、1/Simpson index、Pielou index没有能够有效区分干扰类型间的差异。CCA分析表明影响底栖硅藻群落结构的关键环境因子，有亚硝酸根、总磷、森林面积百分比、平均水深、海拔，它们累积解释了17.5％的生物变异。影响底栖动物的关键因子有浑浊度打分、温度、酸碱度、化学需氧量、硝酸根、农田面积百分比、亚硝酸根，累积解释了26.2％的生物变异。
　　分别利用经随机森林法(Random forest，RF)和未经RF法校正自然环境梯度对生物参数影响的方法，构建上述地区评价溪流生态健康的硅藻多参数指数(Multimetric Index，MMI):即校正的MMI.RF和未校正的MMI.Ori。精确度、偏差、响应能力和敏感度的比较研究结果表明，经RF法校正自然变量影响后的MMI.RF的精确度、偏差、响应能力、敏感度均优于MMI.Ori。回归分析分析表明，影响MMI的关键环境胁迫是城镇利用比例(％Urban)、农田利用比例(％Farm)、NH4+和TN。但％Farm对MMI.RF的解释量(5.13％)远小于MMI.Ori(17.64％)。这可能与农地利用比例高的样点与参照点之间存在较高的自然梯度差异有关。
　　基于钱塘江中游78个点位的底栖动物和底栖硅藻数据和环境数据构建MMI指数。结果表明，使用RF法校正自然环境梯度对生物参数影响后的MMI指数的精度、响应能力和敏感度都高于未经RF法校正的MMI指数。底栖硅藻D.MMI.RF在精确度和偏差方面优于底栖动物，但在响应能力和敏感度上弱于底栖动物M.MMI.RF。对于底栖硅藻，自然变异影响未校正的MMI.RF，能被自然预测因子解释其54.41％的变异。自然预测因子对校正后的D.MMI.RF的解释量为0。但是经RF校正后的底栖动物M.MMI.RF，自然预测因子的解释量仍超过10％。采用回归分析研究流域尺度、河段尺度和沿岸带尺度的环境变量对MMI.RF指数的影响以及相对重要性。结果表明，影响底栖动物M.MMI.RF值的环境变量有9个，共可解释M.MMI.RF值82.88％的变异，流域尺度(78.34％)和河段尺度(73.46％)环境都起重要作用，其中，流域尺度略大于河段尺度。影响底栖硅藻D.MMI.RF值的关键变量有8个，共可解释D.MMI.RF值74.45％的变异，相对重要性为:河段尺度(71.66％)＞沿岸带尺度(52.05％)＞流域尺度(39.44％)。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 生物评价在水生生态系统中的意义

1．2 底栖硅藻和大型底栖无脊椎动物

1．2．1 底栖硅藻的概况及在生物监测中的应用

1．2．2 底栖动物概况及在生物监测中的应用

1．3 底栖硅藻和底栖动物指数的应用

1．4 不同生物间生物评价的比较及作用

1．5 生物完整性指数(多参数生物指数指数)

1．6 模型的意义

1．7 不同尺度环境因子对底栖生物的影响

1．8 研究的目的与内容

第二章 利用大型底栖无脊椎动物与底栖硅藻作为水质评价指示生物的比较研究

2．1 研究区域概况

2．2 材料与方法

2．2．1 采样点位设置

2．2．2．土地利用的计算

2．2．3 环境变量的测定

2．2．4 底栖硅藻的采集及计数

2．2．5 大型底栖无脊椎动物的采集

2．2．6 数据处理

2．3 结果分析

2．3．1 大型底栖无脊椎动物和底栖硅藻

2．3．2 水体理化指标和流域土地利用

2．3．3 大型底栖无脊椎动物和底栖硅藻

2．3．4 生物参数

2．3．5 硅藻CCA分析

2．3．6 大型底栖无脊椎动物的CCA分析

2．4 讨论

2．4．1 对比不同生物类群对农田、城镇干扰的响应

2．4．2 影响大型底栖无脊椎动物和底栖硅藻的主要环境因子

第三章 利用预测模型的方法构建MMI——以渭河流域西安段为例

3．1 材料与方法

3．1．1 参照、严重受损样点的选取

3．1．2 样品采集

3．1．3 土地利用和自然预测因子的提取

3．1．4 MMI的建立

3．1．5 MMI表现力的检验

3．1．6 定量生物参数与人为胁迫之间的关系

3．2 结果

3．2．1 MMI值的计算

3．2．2 MMI．RF与MMI．Ori表现能力的比较

3．2．3 生物参数和胁迫之间的关系

3．3 讨论

3．3．1 控制自然变量的作用

3．3．2 MMI．RF、MMI．Ori对环境胁迫的响应

第四章 钱塘江大型底栖无脊椎动物与底栖硅藻MMI值的比较研究

4．1 材料与方法

4．1．1 研究区域概况

4．1．2 采样点的设置

4．1．3 数据的采集

4．1．4 MMI的建立

4．1．5 不同生物类群(底栖硅藻、底栖动物)MMI表现能力的比较

4．1．6 不同尺度环境因子对生物指数(MMI)的影响

4．2 结果

4．2．1 MMI值的计算

4．2．2 不同生物类群MMI表现力的比较

4．2．3 环境变量对MMI的解释力

4．3 讨论

4．3．1 底栖动物和底栖硅藻表现力的比较

4．3．2 不同尺度的环境因子对MMI的影响

4．3．3 不同尺度环境因子的相对重要性

参考文献

附录

攻读学位期间发表的论文

致谢