水生生物棲息地模擬

前言

第1章 緒論 1

1.1 河流生態(tài)系統(tǒng)的特征 1

1.1.1 河流生態(tài)系統(tǒng)的組成特征 1

1.1.2 河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征 2

1.1.3 河流生態(tài)系統(tǒng)的特征 4

1.2 生態(tài)水力學(xué) 5

1.2.1 生態(tài)水力學(xué)發(fā)展歷程 5

1.2.2 生態(tài)水力學(xué)定義及研究方法 6

1.3 河道內(nèi)流量增量法 8

1.3.1 河道內(nèi)流量增量法的起源 8

1.3.2 河道內(nèi)流量增量法的基本理論及框架 9

1.3.3 IFIM的概念模型 13

1.4 水生生物棲息地模擬模型 15

1.4.1 水生生物棲息地模擬模型的研究意義 15

1.4.2 棲息地模擬模型的研究進(jìn)展 16

1.4.3 棲息地模擬方法的優(yōu)缺點(diǎn) 23

參考文獻(xiàn) 24

第2章 生態(tài)需水計算方法 33

2.1 水文學(xué)方法 34

2.1.1 7Q10法 34

2.1.2 Tennant法 34

2.1.3 RVA法 37

2.1.4 Texas法 38

2.1.5 基本流量法 38

2.1.6 水文學(xué)方法的優(yōu)缺點(diǎn) 38

2.2 水力學(xué)方法 39

2.2.1 濕周法 40

2.2.2 R2-Cross法 41

2.2.3 水力學(xué)方法的優(yōu)缺點(diǎn) 41

2.3 棲息地模擬方法 42

2.4 綜合分析法 43

2.4.1 BBM法 44

2.4.2 整體分析法 45

2.4.3 ELOHA法 46

2.4.4 強(qiáng)制流量轉(zhuǎn)換的下游響應(yīng)法 47

2.4.5 專家小組評估法 47

2.4.6 科學(xué)小組評估法 48

2.4.7 綜合分析法的優(yōu)缺點(diǎn) 48

參考文獻(xiàn) 49

第3章 河流生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)概念 51

3.1 河流連續(xù)性相關(guān)概念 53

3.1.1 河流連續(xù)體概念 53

3.1.2 河流不連續(xù)體概念 55

3.2 河流生境相關(guān)概念 56

3.2.1 基于分級結(jié)構(gòu)的河流生境分類 56

3.2.2 斑塊動力概念 57

3.3 水概念 58

3.4 河床形態(tài)與演變規(guī)律 61

3.5 濱河植被 63

3.5.1 沖積河流的濱河植被 63

3.5.2 濱河植被在河床演變中的作用 65

3.5.3 樹木年輪地貌學(xué) 69

3.5.4 濱河植被對河流功能的影響 72

3.6 河流系統(tǒng)各單元的交互作用 73

3.6.1 群落交錯區(qū)及連通性 73

3.6.2 物質(zhì)的遷移 75

3.6.3 交界面的過濾器效應(yīng) 75

3.6.4 群落分布與水動力之間的關(guān)系 76

3.7 生態(tài)應(yīng)力 77

3.7.1 概述 77

3.7.2 自然應(yīng)力 77

3.7.3 人類影響 79

3.7.4 外來物種人侵 86

3.7.5 中度干擾假說 90

參考文獻(xiàn) 90

第4章 河流物理棲息地組成 97

4.1 水文情勢 96

4.2 物理棲息地結(jié)構(gòu) 98

4.2.1 流速 99

4.2.2 水深 100

4.2.3 底質(zhì) 101

4.2.4 懸沙濃度 104

4.2.5 遮蔽物類型 104

4.2.6 深潭和淺灘 105

4.3 水溫與水質(zhì) 106

4.3.1 水溫 106

4.3.2 水質(zhì) 110

4.4 無量綱物理量 112

4.4.1 弗勞德數(shù) 112

4.4.2 雷諾數(shù) 112

4.5 描述水流復(fù)雜程度的棲息地特征量 113

參考文獻(xiàn) 115

第5章 數(shù)據(jù)采集與分析 117

5.1 地形數(shù)據(jù) 117

5.2 河流水文數(shù)據(jù) 118

5.3 生態(tài)數(shù)據(jù)的采集與分析 119

5.4 魚類指示物種篩選及調(diào)查 121

5.4.1 魚類指示物種篩選 121

5.4.2 魚類調(diào)査 121

5.4.3 數(shù)據(jù)處理和評價 127

5.4.4 時間尺度 125

5.4.5 魚類作為指示物種的優(yōu)缺點(diǎn) 127

5.5 大型底棲動物指示物種篩選及調(diào)查 127

5.5.1 底棲動物指示物種選取 128

5.5.2 底棲動物調(diào)査 128

5.5.3 數(shù)據(jù)處理 132

5.5.4 底棲動物作為指示物種的優(yōu)缺點(diǎn) 134

5.6 大型水生植物 134

5.6.1 水生植物調(diào)査 135

5.6.2 數(shù)據(jù)處理 137

5.6.3 水生植物作為指示物種的優(yōu)缺點(diǎn) 137

參考文獻(xiàn) 138

第6章 基于生境單元的棲息地適宜度評價方法 140

6.1 基于專家經(jīng)驗的評價方法 141

6.1.1 適宜度曲線法 141

6.1.2 模糊邏輯方法 149

6.2 基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計的評價方法 157

6.2.1 多元線性回歸 157

6.2.2 主成分分析法 163

6.2.3 邏輯回歸 165

6.2.4 廣義線性模型 165

6.2.5 廣義加和模型 166

6.2.6 變量選擇 168

6.2.7 嶺回歸 169

6.3 基于人工智能的評價方法 170

6.3.1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 170

6.3.2 數(shù)據(jù)驅(qū)動的模糊邏輯法 171

6.3.3 最大熵方法 172

6.4 其他評價方法 174

6.5 多物種和群落的統(tǒng)計分析 174

6.6 本章小結(jié) 176

參考文獻(xiàn) 178

第7章 水環(huán)境模型 185

7.1 模型維度選擇 186

7.2 一維水環(huán)境模型 188

7.2.1 一維恒定流水動力模型控制方程 188

7.2.2 一維非恒定流水沙模型控制方程 190

7.3 二維水環(huán)境模型 193

7.3.1 直角坐標(biāo)系下平面二維水沙模型控制方程 193

7.3.2 貼體坐標(biāo)系下平面二維水沙模型控制方程 196

7.3.3 二維水沙控制方程的修正 198

7.3.4 模型方程的求解 201

7.3.5 二維水沙基本方程的離散 202

7.4 三維水環(huán)境模型 213

7.5 模型的構(gòu)建 216

7.6 本章小結(jié) 218

參考文獻(xiàn) 219

第8章 生物棲息地質(zhì)量評價及修復(fù) 221

8.1 棲息地質(zhì)量評價的意義 221

8.1.1 參考條件和目標(biāo) 221

8.1.2 結(jié)果的解釋與運(yùn)用 222

8.2 微觀生境質(zhì)量評價方法 223

8.2.1 基于偏好方程的單元生境質(zhì)量 223

8.2.2 基于模糊規(guī)則的棲息地單元質(zhì)量 225

8.3 整體生境質(zhì)量評價方法 228

8.3.1 整體棲息地質(zhì)量計算 228

8.3.2 棲息地地圖 230

8.3.3 時間序列分析 230

8.3.4 棲息地統(tǒng)計分布 232

8.3.5 空間結(jié)構(gòu) 234

8.4 中觀尺度棲息地模型 234

8.4.1 MesoHABSIM模型 234

8.4.2 MesoCASiMiR模型 235

8.5 宏觀棲息地評價 238

8.5.1 宏觀生境因子 238

8.5.2 受多重影響的河流、水系、流域 239

8.5.3 宏觀生境與微觀生境的整合評價方法 240

8.6 棲息地修復(fù) 242

8.6.1 棲息地修復(fù)的內(nèi)涵 242

8.6.2 流域內(nèi)棲息地修復(fù) 242

8.6.3 河道內(nèi)棲息地修復(fù) 246

8.6.4 河岸帶恢復(fù) 252

8.6.5 補(bǔ)償與置換技術(shù) 255

8.6.6 其他恢復(fù)措施 257

參考文獻(xiàn) 258

第9章 長江中華鱘產(chǎn)卵場適宜度模擬 262

9.1 目標(biāo)物種選取及生態(tài)習(xí)性分析 262

9.2 生境特征 263

9.3 二維水沙數(shù)學(xué)模型 265

9.3.1 二維水沙數(shù)學(xué)模型基本方程 266

9.3.2 數(shù)值計算格式及數(shù)值解 269

9.3.3 模型方程的求解及相關(guān)處理 270

9.3.4 模型驗證 272

9.4 基于適宜度曲線的魚類棲息地適宜度模型 275

9.4.1 建立基于偏好曲線的適宜度方程 276

9.4.2 棲息地適宜度方程驗證 279

9.4.3 模型驗證 282

9.4.4 敏感性分析 283

9.4.5 基于偏好曲線的棲息地適宜度模型應(yīng)用 285

9.5 基于模糊邏輯的棲息地適宜度模型 286

9.5.1 模糊集和模糊規(guī)則 286

9.5.2 棲息地適宜度評價指標(biāo) 289

9.5.3 基于模糊邏輯法的棲息地適宜度模型驗證 289

9.5.4 中華鋳產(chǎn)卵場棲息地適宜度模擬 290

9.5.5 討論 297

9.6 本章小結(jié) 299

參考文獻(xiàn) 300

第10章 植被生境適宜度模型 303

10.1 目標(biāo)物種及生態(tài)習(xí)性 303

10.2 研究區(qū)域 304

10.3 植被生境適宜度模型構(gòu)建 305

10.3.1 數(shù)據(jù)來源 305

10.3.2 變量選擇 306

10.3.3 參數(shù)設(shè)置 307

10.4 結(jié)果和討論 307

10.4.1 模型表現(xiàn)和變量貢獻(xiàn) 307

10.4.2 響應(yīng)曲線 309

10.4.3 水楊柳生境適宜度分布 310

10.5 氣候變化和水電開發(fā)對河岸帶植被的影響 311

10.5.1 三個時期水楊柳生境適宜度分布模擬 311

10.5.2 氣候變暖情景下水楊柳適宜生境分布 315

10.6 本章小結(jié) 317

參考文獻(xiàn) 318 2100433B

本書主要闡述了水生生物棲息地模擬相關(guān)的基本概念、理論、方法和模型，系統(tǒng)地介紹了國內(nèi)外最新研究成果，梳理了作者在水生生物棲息地適宜度模擬方面的研究成果，內(nèi)容包括柯流生態(tài)系統(tǒng)的特征，生態(tài)需水計算方法，河道地形及水文數(shù)據(jù)的采集，指示物種的篩選、野外調(diào)查及數(shù)據(jù)分析方法，棲息地適宜度評價方法，數(shù)學(xué)模型建立的基本理論、方法和步驟及模型優(yōu)劣的評價方法，同時基于長江珍稀魚類中華餌和瀕危河岸帶植物一一水楊柳的棲息地適宜度模擬進(jìn)行了案例介紹。

本研究針對當(dāng)前扎龍保護(hù)區(qū)野生丹頂鶴棲息地現(xiàn)狀，在景觀生態(tài)學(xué)與保護(hù)生物學(xué)理論的指導(dǎo)下，結(jié)合原有的棲息地研究工作基礎(chǔ)，借助地理信息系統(tǒng)與遙感成像等先進(jìn)技術(shù)手段，開展珍稀水禽棲息地的監(jiān)測及質(zhì)量評價研究。本研究建立了丹頂鶴繁殖棲息地質(zhì)量評價的指標(biāo)體系，借助遙感手段定量提取研究區(qū)丹頂鶴棲息地的生境因子及其空間結(jié)構(gòu)特征（包括植被類型、植被生境結(jié)構(gòu)特征、淹水范圍與巢下水深、植被蓋度與人為干擾等），基于以上的特征參量建立適宜性評價模型評價研究區(qū)丹頂鶴棲息地的質(zhì)量。研究結(jié)果表明，1）基于隨機(jī)森林兼容光學(xué)遙感圖像與地學(xué)輔助數(shù)據(jù)的分類方法可以有效提高沼澤濕地植被的分類精度，采用鄰域統(tǒng)計分析技術(shù)可獲取生境結(jié)構(gòu)參量（丹頂鶴巣域范圍內(nèi)沼澤濕地所占的面積百分比）；2） Envisat ASAR 合成孔徑雷達(dá)圖像的HH與VV極化方式圖像可以較好的識別出濕地植被冠層下的淹水范圍，與大比例尺的地形圖與實測水深相結(jié)合可獲取區(qū)域積水深度，并據(jù)此劃分丹頂鶴巣址選址的適宜程度；3）針對本研究的淡水沼澤濕地區(qū)，采用MNF、PPI與n維可視化方法可獲取純植被、不透水面與明水面象元的光譜特征，基于線性光譜混合像元分解的方法可以提取植被蓋度因子；4）綜合以上因子，建立了丹頂鶴繁殖棲息地適宜性評價模型，成功的識別出丹頂鶴潛在巣址的位置。將其與實測的巣址位置進(jìn)行比對驗證，取得較高的預(yù)測精度。本研究為珍禽水禽棲息地的管理人員提供了獲取當(dāng)前保護(hù)區(qū)的生境質(zhì)量與確定優(yōu)先保護(hù)區(qū)域的新方法，并為保護(hù)區(qū)的管理和規(guī)劃提供了新的理論依據(jù)，對于區(qū)域生物多樣性保護(hù)具有十分重要的科學(xué)意義和實用價值。目前項目負(fù)責(zé)人與項目組成員已完成項目計劃書中的研究任務(wù)，項目執(zhí)行期間接收與發(fā)表SCI文章2篇，投稿SCI文章1篇，發(fā)表EI國際會議論文2篇，發(fā)表國內(nèi)核心期刊6篇，待出版專著1部，培養(yǎng)已畢業(yè)碩士研究生1名，在讀碩士研究生1名，項目組成員多人參加國內(nèi)及國際學(xué)術(shù)會議并作特邀報告與分會報告。

群落結(jié)構(gòu)的特征主要在種類組成、群落外貌、垂直結(jié)構(gòu)和水平結(jié)構(gòu)方面表現(xiàn)。群落的生物種類是群落結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)；群落的外貌和結(jié)構(gòu)是群落中生物之間、生物與環(huán)境之間相互關(guān)系的標(biāo)志。群落中的各種生物對周圍的生態(tài)環(huán)境都有一定的要求，周圍環(huán)境起了變化，它們就會產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)，表現(xiàn)為群落中生物的種類和數(shù)量的增減；群落外貌、垂直結(jié)構(gòu)和水平結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生變化。因此，水體污染必然引起水生生物群落結(jié)構(gòu)的變化。研究這些變化，就可以評價水體的質(zhì)量狀況。

丹麥學(xué)者E.弗耶丁斯塔在1963～1965年根據(jù)污水中的優(yōu)勢群落把水體分成9個生物帶,用以評價水體的污染狀況。他提出可用裸藻群落表示甲型多污帶，即溶解氧甚至可以低到零并含有硫化氫(H2S)的污染水體。在這種水體中,優(yōu)勢種是耐低溶解氧的綠色裸藻(Euglenaviri-dis)、靜裸藻(E.deses)、華麗裸藻 (E.phaecodies)等。而主要由羽枝竹枝藻(Draparnaldia plumosa)和河生胭脂藻 (Hildenbrandia rivularis)等不耐污種類組成的綠藻群落，則可表示清水帶。

70年代英國人根據(jù)大型底棲無脊椎動物和魚類群落結(jié)構(gòu)的變化提出了評價河流水質(zhì)的四級標(biāo)準(zhǔn)。近年來，北美和歐洲大多利用底棲無脊椎動物的群落結(jié)構(gòu)變化，作為生物監(jiān)測手段，因為這些動物個體較大（成體長度最小為3～5毫米），活動力較差，壽命較長，易于采集和識別。

60年代初，中國一些單位調(diào)查了第二松花江污染引起的水生生物群落結(jié)構(gòu)變化。70年代，又廣泛開展了長江、湘江、官廳水庫、鴨兒湖等水體的生物群落研究，利用底棲動物群落結(jié)構(gòu)變化來評價這些水域所受的有機(jī)農(nóng)藥或重金屬污染，并根據(jù)寡毛類、水生昆蟲幼蟲、軟體動物的比例，劃分評價標(biāo)準(zhǔn)的等級。

水生態(tài)系統(tǒng)中的水生生物，依其環(huán)境和生活方式，可分為5個生態(tài)類群；①浮游生物。借助水的浮力浮游生活，包括浮游植物和浮游動物兩大類，前者如硅藻、綠藻和藍(lán)藻等。后者有原生動物、輪蟲、枝角類、橈足類等。②游泳生物。能夠自由活動的生物，如魚類、兩棲類、游泳昆蟲等。③底棲生物。生長或生活在水底沉積物中，包括底生植物和底棲動物，前者有水生高等植物和著生藻類，后者有環(huán)節(jié)動物、節(jié)肢動物、軟體動物等。④周叢生物。生長在水中各種基質(zhì)（石頭、木樁、沉水植物等）表面的生物群，如著生藻類、原生動物和輪蟲。⑤漂浮生物。系生活在水體表面的生物，如浮萍、鳳眼蓮和水生昆蟲。

水中的為生物包括細(xì)菌、真菌、病毒和放線菌等，分屬于上列不同的類群。這類生物數(shù)量多，分布廣，繁殖快，在水生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)中起著很重要的作用。各種生物在水中分布是長期適應(yīng)和自然選擇的結(jié)果。