评估不同地区溪流特征与涵洞结构属性之间的关系，以探讨这些因素对鱼类通行的影响

《River Research and Applications》：Assessing Regional Variation in the Relationships Between Local Stream Characteristics and Culvert Barrier Attributes Relative to Fish Passage

本研究利用贝叶斯分层模型，分析了美国东南部15个生态区中水流梯度、流域面积及土地利用与涵管出口 drop 和 openness 的关系，发现区域间存在显著差异，但矛盾关系较少，强调区域差异对优先调查的重要性。

　　流体分割是淡水鱼类多样性面临的主要威胁之一，通常由道路与河流交叉口安装的无法通过的涵洞造成。在美国，数百万个涵洞加剧了这种分割现象，因此，评估涵洞对水生生物通行的影响，并优先考虑需要移除的涵洞，是至关重要的。这些优先评估工作需要涵洞障碍物的库存数据库，但对所有涵洞进行实地调查在现实中并不现实。通过统计模型量化遥感流域特征与涵洞属性之间的关系，可以改善涵洞库存实地调查的优先区域划分。然而，目前尚未对不同生态区的涵洞属性与景观预测变量之间的关系进行跨区域的比较。在本研究中，我们调查了美国东南部各生态区中涵洞属性与景观变量之间的关系变化情况。我们使用贝叶斯分层模型，量化了流速、流域面积和土地利用等因素对涵洞出口落差和开放度的影响，并在15个东南部美国生态区中进行了分析。

总的来说，我们发现大多数预测变量系数估计值的大小和范围都依赖于生态区的特征。这种区域差异在预测变量的重要性方面最为明显，真正存在矛盾关系的情况很少。这些结果表明，量化这种区域差异对于更全面地理解流域特征与涵洞属性之间的关系至关重要，而这种理解又是优先进行涵洞属性直接测量的必要前提。进一步研究这种差异，将有助于更高效地构建涵洞障碍物库存，从而最终改善障碍物移除工作。

研究的背景在于，人工结构对河流网络的分割是全球淡水鱼类面临的重要威胁。传统上，大多数关于栖息地分割对鱼类影响的研究都集中在大型水坝上。然而，近年来的研究表明，较小的障碍物，如涵洞，也可能对河流分割产生与大型水坝相当的累积效应。因此，对问题性涵洞进行广泛修复是恢复河流连通性的必要条件，而建立涵洞地图并根据其物理属性量化其对水生生物通行的影响，是实现这一目标的重要第一步。尽管已有多个区域规模的河流障碍物库存正在推进，但这些努力可以通过更好地理解影响涵洞通行的因素而得到改善。然而，由于美国境内数百万个涵洞的存在，对所有涵洞进行水生生物通行评估并不实际。因此，大型连通性恢复计划可以受益于简化模型，这些模型可以基于遥感数据预测未评估涵洞的水生生物通行概率。

研究人员传统上将水生生物通行视为局部尺度的问题，关注结构本身的物理特征。然而，越来越多的研究尝试将景观背景纳入水生生物分割研究中。逐渐清楚的是，涵洞的物理属性是在更广泛的空间尺度上形成并受其影响的。因此，理解景观尺度过程与个体涵洞通行性之间的关系，可以改善障碍物修复工作，使研究人员更好地识别鱼类无法通过涵洞的潜在原因。为了这一目的，研究人员越来越多地使用景观尺度数据来推断与通行性相关的涵洞特征。例如，多个研究表明，高海拔地区具有高流速的流域可能拥有更可能位于水面之上的涵洞，从而形成通行障碍。

尽管景观尺度研究具有一定的实用性，但由于不同研究之间的区域差异，它们可能提供不一致甚至矛盾的结果。我们目前对涵洞如何影响水生生物通行的理解是区域性的，因为大多数景观尺度研究只在单一生态区进行。将这些结果推广到所有生态区是不合适的，因为不同生态区之间的水文地理差异会影响河流及其流域。这些差异可能影响景观尺度变量与水生生物通行性相关涵洞属性之间的关系。例如，在地形陡峭的生态区中，流速可能与涵洞障碍严重程度呈正相关；但在地形起伏较小的生态区中，流速可能对涵洞严重程度的影响较小。因此，在不同生态区中，相同的结构和环境条件可能对涵洞的通行性产生不同的结论。

本研究的目标是比较不同生态区中水文和土地覆盖数据与水生生物通行性相关涵洞属性之间的关系差异。我们在美国东南部的15个生态区进行了研究，这是一个地理多样性丰富的区域，目前正在进行大量的涵洞评估工作。我们重点关注了两个广泛影响水生生物通行性的涵洞属性：涵洞出口落差和涵洞开放度。我们还关注了三个常见的影响涵洞属性的局部变量：流速、流域面积和流域土地覆盖。我们使用贝叶斯分层模型来实现两个目标。首先，我们试图估算所有生态区综合考虑下的每个变量对响应变量的影响。其次，我们试图估算每个生态区中变量的影响，通过将它们作为随机斜率引入模型。不同生态区中变量系数估计值的方向、大小和不确定性（即“统计显著性”）的差异描述了景观变量与涵洞属性之间的区域差异。

在研究方法中，我们使用了贝叶斯框架下的广义线性混合效应模型，以估算涵洞属性与河流和土地覆盖特征之间的关系。为了完成这一任务，我们首先从东南水生资源合作伙伴（SARP）国家水生障碍物库存中获取涵洞数据。我们包括了来自15个生态区的6577个涵洞的数据。对于我们的景观预测变量，我们从国家水文数据集中获取了流速和流域面积，以及从国家土地覆盖数据集中获取了农业和城市土地覆盖数据。我们使用分层贝叶斯模型来估算预测变量对响应变量的整体固定效应和生态区特定的随机效应。我们通过比较条件生态区特定效应与整体固定效应来评估景观变量与涵洞属性之间的区域差异。

研究结果表明，综合考虑所有生态区，出口落差与流速呈正相关，与流域面积和两种土地覆盖类型的关系较为中性。然而，这些变量在不同生态区之间的关系主要取决于所处的生态区。对于出口落差与流速的关系，七个生态区显示出完全正相关的95%置信区间，其余生态区的置信区间则重叠于零。对于出口落差与流域面积的关系，三个生态区显示出正相关，其余生态区的置信区间则重叠于零。对于出口落差与农业土地覆盖的关系，蓝岭生态区显示出完全负相关，而南中央平原生态区显示出完全正相关，其余生态区的置信区间则重叠于零。城市土地覆盖则在所有生态区中都没有显示出与出口落差之间的关系。

对于开放度，综合考虑所有生态区，开放度与流速呈正相关，与流域面积和两种土地覆盖类型的关系较为中性。然而，这些变量在不同生态区之间的关系在某些生态区中为正相关，而在其他生态区中则为中性。涵洞开放度与流速在六个生态区中呈正相关，与流域面积在四个生态区中呈正相关，与农业土地覆盖在六个生态区中呈正相关。其他生态区中开放度与流速、流域面积和农业土地覆盖的关系则为中性，其95%置信区间重叠于零。城市土地覆盖则在两个生态区中显示出与开放度的相反关系，其中一个生态区显示为完全正相关，另一个生态区则为完全负相关。

需要注意的是，尽管许多生态区的置信区间不重叠于零，但每个预测变量的置信区间大多与其他生态区的置信区间重叠，且与综合所有生态区的置信区间也重叠。因此，当我们标记一个预测变量的影响为“正”或“负”时，我们仅意味着该变量的置信区间不重叠于零，而不是该变量对所有生态区的影响都不重叠。景观变量和水文变量对涵洞属性的影响在不同生态区中的差异表明，某些变量在某些生态区中可能显著影响涵洞属性，而在其他生态区中则可能不显著。这种差异对于试图通过景观分析改进涵洞库存实地调查优先区域的实践者来说是一个重要的方面。

未来的研究方向可以进一步改进对未评估涵洞的普遍性。虽然我们展示了局部决定涵洞属性的区域差异，但我们并未展示哪些生态区变量导致了这种差异。由于仅考虑了15个生态区的小样本量，我们只能将生态区身份作为名义变量，说明过程在不同生态区中有所不同，但未能解释其差异的原因。要推断这种差异的区域因果关系，需要足够大的样本量，以代表生态区层面连续预测变量的差异（即在更多生态区中进行更多的道路-河流交叉口调查）。使用更大的样本量进行研究将允许对生态区层面的预测变量进行索引，并在扩展的分层模型中创建一个额外的层次（Gelman和Hill, 2007; Soranno等, 2014）。

正如本研究和许多其他研究所示，景观尺度的分析在估算水文和景观变量与水生生物通行性相关涵洞属性之间的关系方面具有一定的实用性。然而，这些关系在预测涵洞属性时的能力是有限的。许多局部变量可以影响涵洞特征，而这些影响无法通过景观尺度预测。在我们尚无法预测的情况下，局部河流状况、土地管辖权和人类安装选择在决定任何特定涵洞的通行性方面起着重要作用。此外，涵洞具有各种属性，这些属性可能影响水生生物的通行（SARP, 2021）。我们的结果可能会被这些其他属性进一步解释或混淆。此外，我们效应系数的平均值大多接近于零，且具有较宽的95%置信区间，这进一步显示了涵洞属性在所包含生态区中的变化。因此，我们的研究结果对于理解水文和景观变量与涵洞属性之间的一般关系如何在不同生态区中可能有所不同最为有用。由于所有这些原因，还需要进行更多的细尺度研究，以区分景观和局部变量对涵洞属性的相对影响。

研究的结论强调了在估算景观变量对水生生物通行性相关涵洞属性的影响时，考虑区域差异的重要性。随着障碍物评估的空间范围扩大，更好地预测涵洞属性的机会将增加，但只有在考虑景观变量如何为更局部的影响提供背景的情况下，才能实现这一目标。随着更多涵洞在我们所包含的生态区及其他生态区中被评估，研究人员可以开发出更机制性的理解，阐明景观因素与局部因素之间因果关系的影响。对景观动态如何影响涵洞属性的更深入理解，将有助于预测最严重的障碍物可能出现在哪里，并指导在哪些区域进行直接障碍物测量最为有效。在涵洞属性更容易预测的地区，可以放宽对涵洞属性的估算，从而将更多资源用于在属性更难以建模的地区进行调查。这种更高效的障碍物识别可以带来显著的改善，减少栖息地分割，这是淡水保护面临的最大挑战之一。