: 大型亚寒带河流长河段内河道中栖息地的季节动态

《Ecohydrology》：Seasonal Dynamics of Instream Mesohabitats Over a Long Section of a Large Subarctic River

　　

识别、测绘和保护适宜栖息地对物种保护至关重要。以往大多数研究集中于短河段或有限的流量情景。这种受限的覆盖范围阻碍了有效的决策制定，因为小规模、短期分析无法捕捉完整的栖息地动态。本研究检验了沿53公里河段以1米xy分辨率的中栖息地类型，量化了从66年日流量记录得出的九个代表性流量情景下中栖息地出现、范围和空间分布的季节变化，并表征了春夏与夏秋之间的中栖息地类别转换，以回答：冰冻期典型的季节水流动态如何重组对大西洋鲑鱼重要的河道中栖息地？使用多光谱机载激光扫描(ALS)、二维水力建模、挪威中栖息地分类法(NMCM)和空间栅格分析，研究人员开发了一种方法，使得能够检查以前由于大面积覆盖的高分辨率数据可用性限制和/或流量变化而在Tana河无法研究的生态现象。深水缓流区、深潭、Walk和深水急流在所有流量情景中均占主导地位，但中栖息地也表现出动态和季节性变化。春汛后，河流的过水面积收缩，导致许多春季中栖息地在夏季干涸。从夏到秋，中栖息地更加稳定，尽管Walk栖息地的比例有所增加。这种季节动态具有支持大西洋鲑鱼生命阶段的潜力，特别是产卵和幼鱼培育。该方法广泛适用于水体清澈度、湍流和河岸结构允许绿激光穿透且存在可靠流量数据的河流。

研究背景与问题：保护物种需要识别和测绘适宜栖息地。以往的研究多集中于短河段、小规模或有限的流量情景，这种小规模、短期的分析无法捕捉完整的栖息地动态，从而阻碍了有效的保护决策。传统的实地调查方法耗时、存在危险，且难以应用于大型、不可涉水的河流。虽然二维水力建模在栖息地研究中逐渐普及，但高分辨率数字地形模型(DTM)的获取仍是一大挑战。近年来，多光谱机载激光扫描(ALS)的发展为获取大面积连续DTM提供了可能，但其在河流研究中的应用仍相对较新。此外，以往研究很少涉及自然的季节性模式。在亚寒带的大型Tana河，季节性水文变化对大西洋鲑鱼等洄游鱼类至关重要，但目前仍缺乏同时覆盖长连续河段、高分辨率地形和水深数据、多种自然流量水平以及捕捉季节性栖息地重组的研究。因此，研究人员在《Ecohydrology》发表论文，旨在结合多光谱ALS、二维水力建模和挪威中栖息地分类法(NMCM)，研究Tana河近原始长河段内中栖息地的季节动态。该研究得出结论，季节性流量变化显著改变了中栖息地的范围和分布，这种动态能支持大西洋鲑鱼不同生命阶段的需求。研究的重要意义在于提供了一种新的观测水平，使得在以前受数据限制的大型河流中研究生态现象成为可能。

关键技术方法：研究人员使用了直升机搭载的多光谱ALS系统获取Tana河53公里河段的高分辨率DTM。利用HEC-RAS 6.6软件建立二维水力模型，并基于多光谱ALS数据和历史水文记录进行校准。结合66年日流量记录设定了九个稳态流量情景。采用NMCM法，基于水流速度、水深、弗劳德数(Fr)和水面坡度等水力阈值进行栖息地分类。最后在QGIS中进行空间栅格分析和栖息地转换分析。样本队列来源为Tana河从Utsjoki到Polmak的53公里河段。

研究结果：
中栖息地类型：通过1米xy分辨率的NMCM分类，在明流期识别出九种中栖息地类别。深水缓流区和深潭最为常见。高流量增加深水缓流区和深水急流；低流量有利于深潭和Walk。Shannon–Weaver指数在秋季最高，春季最低。
中栖息地的横向与纵向分布：浅水中栖息地多集中在河岸。在所有情景中，深槽水深均>0.7 m，被深水中栖息地主导。纵向看，上游交替分布破碎和平滑水面区域，中游Alak?ng?s急流区以深水急流和白水为主，下游以平滑水面中栖息地主导。
不同流量下NMCM类别的面积分布：通过五个情景的比较，发现流速和水深随流量变化最大。破碎水面随流量降低中度下降；水面坡度几乎不变。急流区域大幅减少，深水区域中度下降。
季节间和季节内中栖息地的变化：春夏和春秋之间的中栖息地比例和位置变化大于夏秋。所有季节均由深水缓流区、深潭、Walk和深水急流主导。春季以深水缓流区为主，夏秋两季在深水缓流区和深潭之间交替。深水急流在春季最常见，Walk在秋季最常见。
季节间中栖息地转换：从春季到夏季，浅水春季栖息地大部分干涸，深水栖息地发生重组。从夏季到秋季，变化较小，大部分栖息地保持不变。
与大西洋鲑鱼相关的中栖息地的季节变化：通过分析之前与大西洋鲑鱼产卵和幼鱼培育相关的中栖息地的季节变化，发现潜在产卵栖息地随流量减少而增加，在秋季达到顶峰。幼鱼使用的深水急流在春季最丰富然后下降。浅水慢速和浅水快速栖息地在秋季达到顶峰。

讨论与结论：讨论部分指出Tana河中栖息地随冰冻期流量变化发生显著转移，春汛是栖息地重组的主要原因。中栖息地的季节性重组与大西洋鲑鱼生命阶段需求一致。方法学上，结合多光谱ALS和二维水力建模克服了传统实地调查的局限。结论部分表明，本研究展示了整合多光谱ALS数据、二维水力建模、NMCM和长期流量系列以高时空分辨率分析河道内中栖息地动态的潜力，为生态水文研究提供了新的观测水平。以下观察到的模式也可能适用于具有类似水文状况的北半球其他大型近原始河流：季节性流量变化主要改变水深和流速，导致中栖息地范围、多样性和空间分布发生显著变化；最强的栖息地重组发生在春季和夏季之间，此时春季融雪洪水的消退将广阔的深水栖息地转变为更多样化的中栖息地镶嵌，而夏秋之间的变化要小得多；春季高流量有利于深水缓流区和深水急流，而夏秋流量下降增加了深潭、Walk和其他浅水栖息地的范围；较低的流量似乎支持更高的中栖息地多样性；中栖息地变化既包括栖息地比例的转变，也包括栖息地在空间中的重新定位，表明中栖息地是动态实体而非静态斑块，变化既可发生在季节间也可发生在季节内。中栖息地季节性重组的生态意义在于它与大西洋鲑鱼的需求相一致。对大西洋鲑鱼产卵尤其重要的浅水中栖息地在秋季最为丰富，而春夏之间较深和较浅中栖息地类型的变化可能有益于幼鱼。中栖息地的季节性变化可能有助于在鲑鱼淡水生活史的不同生命阶段维持适宜的栖息地条件。跨越空间和多种流量对中栖息地进行连续测绘，提供了关于大西洋鲑鱼产卵和度过早年的动态环境的定量信息。该方法适用于广泛的河流条件，包括深水和不可涉水的河道，尽管其性能取决于水体清澈度、激光穿透的可能性和流量数据的可用性。缺乏底质信息是一个关键限制，应在该框架的未来发展中予以解决。此外，未来研究应将气候变化驱动的水文情景整合到水力建模框架中，以得出更稳健的结论。总体而言，结果突出了河道内中栖息地的动态和季节性变化特征，并强调了将时间变异性纳入生态水文分析的重要性。扩大综合遥感和水力建模方法的使用，为改善过程理解和支持不断变化的环境条件下的河流管理提供了巨大潜力。