黄河底栖生物多样性格局及驱动机制研究学术报告

作者与发表信息

本研究由Xu Zhao（中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室）、Yu Ma（中国环境监测总站）、Huiyu Xie（北京师范大学水科学研究院）等组成的跨学科团队完成，通讯作者为Xiaowei Jin（中国环境监测总站）。论文《Spatial distribution of benthic taxonomic and functional diversity in the Yellow River Basin: From ecological processes to associated determinant factors》于2024年5月发表在环境领域权威期刊*Environment International*（Volume 188, 108745），遵循CC BY-NC开放获取许可协议。

研究背景与科学问题

作为全球第六大河流系统，黄河流域（Yellow River Basin, YRB）面临气候变化与人类活动的双重压力，其水生态系统的生物多样性维持机制亟待解析。尽管大型底栖无脊椎动物（macroinvertebrates）因其对环境变化的敏感性被广泛用作淡水生态健康指示生物（如欧盟水框架指令WFD的核心指标），但学界对中尺度流域内物种分选（species sorting）与扩散限制（dispersal limitation）两类生态过程的相对作用仍存争议。本研究提出三大假设：(1) 环境因子（水质、土地利用等）对生物多样性的解释力显著高于空间地理因素；(2) 黄河不同河段因自然地理与人类活动差异呈现异质性生物群落格局；(3) 在中尺度流域内，环境梯度驱动的物种分选是群落构建的主导机制。

研究方法与技术路线

研究团队于2021年5-7月在黄河全流域设置117个采样点（源头17个、上游47个、中游40个、下游13个），涵盖河道（74个）与湖泊/水库（43个）两类水体，通过多维度数据采集与分析框架展开研究：

1. 生物与环境数据采集

• 底栖动物群落：定量采样后鉴定118个物种，计算α多样性（分类多样性：物种丰富度、Shannon指数、Simpson指数、Pielou均匀度；功能多样性：功能丰富度FRic、功能均匀度FEve等）与β多样性（Bray-Curtis相异性分解为周转组分betasim与嵌套组分betasne）。
  
• 环境因子：
  
  • 地理因素：经纬度、海拔（GPS实测）
    
  • 水质参数：总磷（TP）、总氮（TN）、化学需氧量（COD）、pH等（现场监测）
    
  • 气候水文：降水量、温度（IDW空间插值）、水位
    
  • 土地利用：城市、农田、牧场等比例（遥感解译）
    

2. 数据分析方法

• 群落变异解析：通过主坐标分析（PCoA）与PERMANOVA检验不同河段/水体类型间群落差异。
  
• 驱动因子识别：
  
  • Mantel检验：量化α/β多样性与环境因子的相关性
    
  • 方差分解（VPA）：分离地理因素与环境因素的独立/交互贡献
    
  • 随机森林模型：评估各因子对多样性的解释重要性
    
• 机制路径分析：构建结构方程模型（SEM），解析地理因子通过气候、水质等间接影响生物多样性的路径（采用Fisher’s C检验模型拟合优度）。
  

主要研究结果

1. 生物多样性的空间格局

• α多样性梯度：从源头至下游，分类α多样性（如Shannon指数）显著增加，功能多样性（如功能离散度FDis）同步升高，表明下游物种功能性状分化更明显（图S4）。
  
• β多样性变化：总β多样性下游低于上游，且以嵌套组分（betasne）为主（占比>80%），反映下游群落均质化趋势（图S5）。中游与下游群落结构稳定性较高，优势种如Parakiefferiella sp.在源头贡献率达21.66%，至下游降至1.45%（表S6）。
  

2. 环境与空间因子的相对作用

• 方差分解结果：环境因子对群落变异的解释量（18.2%）是地理因子（6.0%）的3倍（图S6），支持物种分选的主导性。
  
• 关键驱动因子：
  
  • 上游：低温与低降水是主要限制因子（随机森林解释率73.11%）
    
  • 中游：水质（氟化物、COD）与土地利用（城市、水域比例）影响显著（解释率51.95%）
    
  • 下游：城市化与农业集约化导致的水污染压力突出（表S9）
    
• SEM路径分析：地理因子通过调控水温（直接效应50.1%）与总氮（间接效应43.7%）间接影响α多样性；水质对β功能多样性的直接效应最强（标准化系数0.28），其中高锰酸盐指数与氟化物的负效应显著（图5-6）。
  

研究结论与价值

本研究首次在黄河全流域尺度证实：环境过滤（environmental filtering）是底栖动物群落构建的核心机制，人类活动导致的下游均质化可能削弱生态系统功能。科学价值体现在：
1. 理论层面：验证了“扩散-环境控制模型”在大型河流系统的适用性，补充了中尺度流域生态过程的认识空白。
2. 应用层面：提出分区管理建议——上游需关注气候变化适应，中下游应优先控制面源污染与城市化影响。
3. 方法创新：整合功能多样性指数与SEM路径分析，为流域生物监测提供新范式。

研究亮点与局限性

亮点：
- 多维度指标（分类+功能多样性）揭示群落响应机制
- 揭示地理因子通过环境介导的间接作用路径
- 明确黄河不同河段差异化主导因子（气候→水质→土地利用）

局限：
- 时间尺度单一（仅2021年数据），未涵盖水文年际波动
- 未考虑沉积物特征等潜在关键因子
- 缺乏系统发育多样性分析

未来研究可结合长期观测与多营养级群落数据，进一步解析全球变化下流域生态系统的韧性机制。