黄河中游不同土地利用类型对大型无脊椎动物群落结构与多样性的影响

作者及机构
本研究由河南师范大学水产学院的Ning Wang、Jingxiao Zhang（通讯作者）等合作完成，合作机构包括河南省水生动物养殖工程技术研究中心、河南省丹江口水库水生态系统观测研究站以及国家生态质量综合监测站（鹤壁站）。论文于2025年发表在Ecological Indicators期刊（Volume 179, Article 114259），采用CC BY-NC-ND 4.0开放获取许可。

学术背景

研究领域与科学问题
本研究属于淡水生态学与景观生态学的交叉领域，聚焦人类活动驱动的土地利用变化对水生生物多样性的影响。黄河中游（Middle Reaches of the Yellow River, MYR）是典型的生态脆弱区，兼具黄土高原水土流失敏感性与下游农业平原的强烈人类干扰。尽管已有研究探讨温带或城市流域的土地利用对河流生态系统的影响，但针对此类生态敏感区的研究仍存在空白。

研究动机
过去几十年，黄河中游土地利用格局发生显著变化：农业用地持续扩张（尤其是河岸带），城市化进程加速（如河套平原与关中平原），导致自然森林减少、河岸缓冲带退化及水文连通性降低。这些变化可能威胁水生生态系统的结构与功能平衡。大型无脊椎动物（macroinvertebrates）因其对环境变化的敏感性、功能性状多样性及在有机质分解和养分循环中的关键作用，被选为指示生物。

研究目标
1. 揭示不同土地利用类型（林地、农业用地、城市化用地）对大型无脊椎动物群落结构与功能多样性的影响；
2. 分析分类多样性（Taxonomic Diversity, TD）与功能多样性（Functional Diversity, FD）的响应机制；
3. 识别驱动群落变化的关键环境因子。

研究方法与流程

1. 研究区域与采样点设置

研究区域覆盖黄河中游内蒙古河口镇至郑州桃花峪段（32°–42°N, 104°–113°E），全长1206.4公里。基于Sentinel-2遥感影像（分辨率10米）和《土地利用现状分类》（GB/T 21010-2017），在2021年5月至7月设置33个采样点，包括：
- 林地：6个点（植被覆盖率高，干扰低）；
- 农业用地：15个点（农田扩张显著）；
- 城市化用地：12个点（建筑用地密集）。

2. 大型无脊椎动物采集与鉴定

• 采样方法：使用D型手抄网采集底栖生物，40目筛现场筛选，75%乙醇固定保存。
  
• 鉴定流程：通过解剖显微镜（Olympus SMZ800N）和复合显微镜（Nikon Eclipse CI-L）鉴定至种或属级，参考《中国动物志》等权威分类指南。共鉴定82种，隶属3门7纲19目47科。
  

3. 环境因子检测

• 原位参数：使用Hach便携水质分析仪测定水温（Temp）、浊度（Turb）、pH、溶解氧（DO）、电导率（EC）。
  
• 实验室分析：依据《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）检测高锰酸盐指数（CODMn）、氨氮（NH3-N）、总氮（TN）、总磷（TP）。
  

4. 土地利用健康指数（Land Use Health Index, LUI）计算

LUI量化采样点周边人类干扰强度，公式为：
[ \text{LUI} = \sum (d_i \times wi){\text{近端}} \times \sum (d_i \times wi){\text{远端}} ]
其中，(d_i)为不同土地利用类型的面积占比，(w_i)为权重（如林地权重低，城市化用地权重大）。

5. 多样性分析

• α多样性：
  
  • 分类α多样性：物种丰富度（Species Richness）、香农-维纳指数（Shannon-Wiener Index）、物种均匀度（Species Evenness）。
    
  • 功能α多样性：功能丰富度（Functional Richness, FRic）、功能均匀度（Functional Evenness, FEve）、功能分歧度（Functional Divergence, FDiv）。
    
• β多样性：基于Sørensen相异性指数，分解为物种周转（βsim）和嵌套性（βsne）。
  
• 统计分析：使用R语言（vegan、betapart包）进行PERMANOVA、PCoA和冗余分析（RDA）。
  

主要研究结果

1. 群落结构差异

• 分类组成：节肢动物占比最高（62.2%），其次为软体动物（28%）和环节动物（9.8%）。林地物种数最多（52种），城市化用地最少（42种）。
  
• 优势种：林地以蜉蝣目（Potamanthus luteus）和蜻蜓目（Dytiscidae sp.）为主；农业用地以摇蚊科（Cricotopus sp.）和螺类（Bellamya purificata）为主；城市化用地以耐污种（Limnodrilus sp.）为主。
  
• 密度分布：农业用地密度最高（692.35 ind./m²），林地最低（209.51 ind./m²）。功能摄食群显示：林地以捕食者为主，农业用地以刮食者为主，城市化用地以收集者为主。
  

2. 功能性状响应

• 林地：半化性/单化性（Semivoltine/Univoltine）个体占99%，流线型体型（适应急流）；
  
• 农业用地：沉积型栖息（Rheophily 1）占62%，固定庇护所（Refuge 2）占87%；
  
• 城市化用地：鳃呼吸（Respiration 2）占86%，中等体型（Size 2）占89%，高骨化防御结构（Armoring 2）占86%。
  

3. 多样性模式

• α多样性：林地显著高于农业和城市化用地（p < 0.05）。功能多样性中，FRic和FEve在林地最高，FDiv在城市用地较高。
  
• β多样性：以物种周转（βsim）为主导（占比>70%），表明不同土地利用类型间群落更替显著。
  

4. 环境驱动因子

RDA分析显示：
- 正向关联：LUI、林地比例、DO与α/β多样性正相关；
- 负向关联：农业/城市化用地比例、NH3-N、TP、浊度与多样性负相关。
LUI解释度最高（R²=0.159, p=0.002），其次是林地比例（R²=0.075）。

研究结论与价值

1. 科学价值：首次系统量化了黄河中游生态脆弱区土地利用对水生生物分类与功能多样性的梯度影响，填补了高价值脆弱系统研究的空白。
   
2. 管理启示：林地的高FRic与FEve表明自然植被保护对维持生态系统功能冗余至关重要；农业与城市化用地的功能同质化警示需优化土地利用强度。
   
3. 方法论贡献：整合LUI指数与功能性状分析，为生态健康评估提供了多维度指标。
   

研究亮点

1. 创新性发现：揭示了大型无脊椎动物功能性状对土地利用类型的适应性分化（如城市化用地中骨化防御结构的普遍性）。
   
2. 方法创新：开发了LUI指数量化人类干扰的空间累积效应，并结合RDA解析多环境因子的协同作用。
   
3. 应用潜力：成果可为黄河流域生态保护规划提供依据，尤其是河岸带缓冲区的设计与管理。
   

其他有价值内容

研究指出未来需结合多季节监测与多生物类群（如底栖硅藻、浮游生物）的协同分析，以全面评估土地利用的长期生态效应。