太子河流域大型底棲動物生物完整性指數(shù)(B-IBI)與環(huán)境因子的關(guān)系.pdf

1、生物完整性指數(shù)(index of biological integrity，IBI)是一種被廣泛用于評估生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的指標(biāo)。研究生物完整性指數(shù)和環(huán)境因子之間的響應(yīng)關(guān)系，有助于了解環(huán)境因子對生態(tài)系統(tǒng)健康的作用和影響，為環(huán)境管理者的決策提供科學(xué)依據(jù)。
　　本文以大型底棲動物為指示生物類群，根據(jù)2009年～2010年太子河流域干流及支流共計(jì)280個樣點(diǎn)的野外調(diào)查獲得的生物和環(huán)境數(shù)據(jù)，首先綜合考慮生境條件和水質(zhì)條件篩選參考點(diǎn)和受損點(diǎn)，

2、計(jì)算大型底棲動物生物完整性指數(shù)(B-IBI)并利用其對流域進(jìn)行健康狀況評價；而后通過自組織映射網(wǎng)絡(luò)(self-organizing map，SOM)將樣點(diǎn)按照環(huán)境因子的空間差異進(jìn)行分類，探討了環(huán)境因子與B-IBI之間的關(guān)系；然后利用多元線性回歸(multiple linear regression， MLR)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(back-propagation neural network，BPNN)建立了環(huán)境因子對B-IBI的預(yù)測模型，定

3、量化確定了環(huán)境因子對B-IBI變異的貢獻(xiàn)；最后將預(yù)測模型應(yīng)用于環(huán)境管理目標(biāo)的設(shè)定，為類似預(yù)測模型的應(yīng)用方向提供了建議。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：
　　(1)利用B-IBI開展太子河流域水生態(tài)健康狀況評價，結(jié)果顯示，所有樣點(diǎn)中健康、亞健康、一般、較差和差的樣點(diǎn)數(shù)量占比分別為5％、18.6%、43.2%、21.1%和12.1%。太子河中上游地區(qū)樣點(diǎn)總體較健康，中下游地區(qū)樣點(diǎn)總體較差。從上游到下游，河流的健康狀況逐漸下降。絕大多數(shù)樣點(diǎn)在平

4、水期和豐水期的健康狀況一致，說明季節(jié)變化對其健康狀況的影響不大。
　　(2)根據(jù)所有樣點(diǎn)的21個環(huán)境因子數(shù)據(jù)，利用SOM方法將所有樣點(diǎn)劃分為有較大差異的8類，按照從下游到上游的方向分布于4個區(qū)域。SOM的樣點(diǎn)劃分結(jié)果與環(huán)境因子存在空間差異的實(shí)際結(jié)果吻合，而不同類別樣點(diǎn)的B-IBI值也存在差別。上游區(qū)域中B-IBI的較高值主要是受林地等原始自然環(huán)境保存較好，受人類干擾少，棲境底質(zhì)利于底棲動物生存的影響；而下游區(qū)域中B-IBI的較低值

5、，主要受到了較高濃度的營養(yǎng)鹽物質(zhì)、受人類干擾較大的土地利用面積較大的影響。
　　(3)利用MLR和BPNN分別建立環(huán)境因子對B-IBI的預(yù)測模型，結(jié)果表明，兩個模型都有較好的穩(wěn)定性，MLR的穩(wěn)定性(CCI＝0.67)略優(yōu)于 BPNN(CCI＝0.58)；MLR的學(xué)習(xí)能力(R2＝0.65)差于 BPNN(R2＝0.82)，預(yù)測能力與 BPNN相近(R2＝0.61和0.65)。這與MLR僅能識別數(shù)據(jù)間的線性關(guān)系，而BPNN能夠識別非線

6、性的復(fù)雜關(guān)系有關(guān)。若要進(jìn)一步提升模型對于太子河流域B-IBI的預(yù)測能力，應(yīng)當(dāng)增加至少一個與表征土地利用綜合作用的指標(biāo)作為模型自變量。
　　(4)MLR模型認(rèn)為能夠解釋B-IBI變異的環(huán)境因子有4個，分別為底質(zhì)指數(shù)、NH3-N、TDS和距入?？诰嚯x，其中距入?？诰嚯x和NH3-N是貢獻(xiàn)較大的因子。除了距入?？诰嚯x和 NH3-N，BPNN中貢獻(xiàn)度較大的環(huán)境因子還有建筑面積占比、林地面積占比、耕地面積占比、CODMn、流速、坡降、水深、海