流域土地利用对泉水依赖性生物栖息地适宜性与分布格局的影响机制研究

时间:2025年9月11日
来源:Ecological Research

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本研究通过广义线性模型(GLM)与最大熵模型(MaxEnt)综合分析流域尺度土地利用与局域湿地环境因子对日本濒危物种“Lefua echigonia”分布的协同影响,揭示了渗透性地表比例(PPS)、泉水稳定性指数(SS)及夏季温度(Tmax)等关键驱动因素,为地下水依赖型生态系统的保护规划提供了多尺度建模范例与空间显式决策支持。

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1 引言

湿地生态系统依赖地下水排泄维持水温稳定,为珍稀特有种提供关键栖息环境。全球范围内地下水储量急剧下降,但管理措施远滞后于地表水资源。泉水依赖性动物对地下水动态高度敏感,其分布模式可间接反映地下水条件变化。城市化引发的土地利用转型通过改变地下水补给量与温度,间接影响此类物种生存。本研究以日本特有濒危物种“Lefua echigonia”(八须泥鳅)为指示生物,整合流域尺度土地利用特征与局域生境因子,通过广义线性模型(GLM)与最大熵模型(MaxEnt)解析其分布驱动机制,并提出基于土地利用的保育规划框架。

2 材料与方法

2.1 研究区域

研究区位于日本中东部印旛沼流域(约33 km × 37 km),地貌以平坦台地环绕的小型一级谷地为主。谷底沿台地边缘渗出泉水形成狭窄河道(宽度通常<1 m)。谷底曾为稻田(1960年代前耕作),现多废弃并被芦苇(Phragmites australis)或秋麒麟草(Solidago altissima)覆盖。台地区域(即谷地泉水的集水区)土地利用显著变化,森林与草地逐步转为住宅与工业用地。

2.2–2.3 物种分布调查

通过网具捕捞与环境DNA(eDNA)代谢条形码技术相结合,在102个一级谷地开展调查。eDNA样本采集后添加苯扎氯铵防腐,使用GF/F玻璃纤维滤膜过滤,通过MiFish-U引物扩增12S rRNA基因区域,经DADA2流程去噪和decontam去污染,最终通过本地BLAST与NCBI分类算法鉴定物种。测序深度经rarefaction分析验证,阴性对照未检测到目标物种污染。

2.4 环境变量

GLM分析包含11项变量:集水区面积(CS)、渗透地表面积(APS)、渗透地表比例(PPS)、加权渗透面积(WPA)、地下水补给量(GR)、最大月降水量(Pmax,10月)、最小月降水量(Pmin,1月)、年降水量(AP)、最高月均温(Tmax,8月)、谷地长度(LV)及稻田废弃年限(APV)。MaxEnt分析采用500 m网格分辨率变量:PPS500、Tmax500、地形湿度指数(TWI500)及降水变量。

2.5 分析方法

通过主成分分析(PCA)降维处理高相关性变量(CS/APS/WPA/GR合并为泉水稳定性指数SS;Pmax/Pmin/AP合并为降水综合变量)。GLM采用二项分布与模型选择(AIC准则),以五折交叉验证的AUC值评估性能。MaxEnt分析测试多变量组合,参数设置为10次重复、子抽样运行方式及20%测试比例。

3 结果

3.1 物种分布确认

eDNA分析检测到75,863条L. echigonia序列(12个点位),结合野外采样共确认15个存在点位。68个未检测点位视为缺失数据。

3.2 分布影响因子

GLM显示降水、APV、PPS、LV与SS对物种存在呈正效应,Tmax为负效应。模型AUC>0.8,变量贡献稳健。MaxEnt中PPS500贡献度最高(77.4%–95.5%),Tmax500为负向影响因子。潜在适生区集中于流域南部与东部。

3.3 空间适宜性预测

GLM与MaxEnt模型一致性高(r>0.94),均指示渗透地表比例与低温条件是核心驱动因素。适生地图显示南部及东部区域栖息地质量最优。

4 讨论

4.1 分布机制解析

集水区规模与渗透地表面积通过增强地下水补给稳定性(SS指数)正面影响物种分布。城市化导致的渗透地表流失与热岛效应(抬升地下水温)加剧栖息地退化。长期废弃稻田(APV)可能因农药残留减少或天然水文条件保留而成为潜在适生区,但需警惕弃耕对湿地生物多样性的普遍负面影响。

4.2 保育实践意义

泉水依赖性物种的保育需统筹湿地管理与集水区地下水循环维护。森林等高渗透性地表具有关键补给功能,城市化区域可通过渗透井或透水铺装增强入渗。跨行政区的集水区协作管理是可持续地下水保护的核心。

致谢

本研究受日本环境恢复保育机构环境研究技术开发基金(JPMEERF20232002)资助。

利益冲突声明

作者声明无利益冲突。数据采集由Y.H.、H.K.、N.I.K.与J.N.完成;数据分析由Y.H.、N.M.与J.N.实施;文稿由Y.H.与J.N.主笔。

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