流域农业和城镇用地变化对溪流底栖动物群落功能多样性的影响及机制

Identifying the processes of environmental changes on community is among the key tasks in ecology and environmental science. Theoretic simulations and empirical data have proved that functional diversity indices shed light on the deepen exploration the impact of land use change on shaping community structure and function. However, the effect of agricultural and urban land use changes on benthic macroinvertebrate functional diversity is rare and remains implicit. In this project, we are aiming to explore the response diversity of functional diversity indices to urban and agricultural land use intensity, look for the most responsive indices and test the positive effect of habitat heterogeneity on functional diversity. We are planning to firstly investigate a total of 300 stream reaches of urban streams, agricultural streams and forest streams for macroinvertebrates, water quality and habitat heterogeneity in the middle and lower Qiantang River. Then we designate the upstream watershed of sampling sites and calculate the percentage of agricultural, urban and forest land use. Lastly we calculate four functional indices: functional richness, functional divergence, functional evenness and Rao’s quadratic entropy (RaoQ), and functional redundancy index for each community based a species-trait matrix. We are going to examine the relationships between functional diversity indices and agricultural and urban land use intensity, and functional diversity and habitat heterogeneity using null model, general linear model and non-parameter test. We are expecting our study could provide more insights into the land use change impact on macroinvertebrate function and assembly rule, and be helpful in stream biodiversity protection and watershed land use policy.

科学揭示环境变化对生物群落功能的影响一直是生态学和环境学关注的主要内容。底栖动物是水生态系统中的重要功能类群。农业和城镇用地是影响底栖动物群落功能的重要胁迫因素，但目前对于影响规律和机制缺乏清楚的认识。项目将在钱塘江中下游流域300余个农业和城镇溪流样点的生物、水质和底质异质性的野外调查和室内分析工作基础上；计算功能多样性指数FRic、FDiv、FEve、RaoQ和功能冗余度指数FR。通过零模型验证、结构方程模型、多元线性回归等方法解析功能多样性指数与土地利用强度间的关系，揭示农业和城镇用地影响底栖动物群落功能多样性的特点和规律，确定对农业和城镇用地变化都有显著响应的功能多样性指数，验证底质异质性降低是否为农业用地影响底栖动物群落功能多样性的机制之一。研究结果有助于科学认识农业和城镇用地引起的水生态功能退化的过程和机制，并可为流域水生生物多样性保护和流域土地利用规划等提供有价值的参考依据。

人类活动引起的物种丧失及其相关联的功能多样性下降是人类社会可持续发展迫切需要解决的全球科学问题。物种丧失引起的功能多样性的退化过程和机制是科学回答这一问题的重要内容，但是目前还没有共识性结论。因为它们不仅与胁迫因子强度导致的物种丢失速率有关，也可能与物种对胁迫因子的敏感性导致的物种丢失顺序，丢失物种的功能贡献大小等有关。项目完成了钱塘江中上游92个溪流样点的底栖动物、水质、生境和上游流域城镇和农业用地的面积比的采集与计算，其中城镇用地面积比为0-41%，农业用地面积比为0-86%。结合历史资料数据，我们采用负二项分布模型计算了底栖动物对城镇的敏感性，构建了底栖动物功能性状数据集。研究发现城镇用地对溪流底栖动物群落功能多样性的影响显著强于农业土地利用，城镇和农业土地利用对底栖动物性状结构都有显著影响，且形成了较为相似的性状过滤模式。生境异质性可以显著提高底栖动物群落的功能多样性。明确了城镇化和农业用地导致的流域内环境异质性增大是底栖动物群落形成Clementsian结构的重要驱动因子。通过模拟分析，揭示了城镇化引起的物种丧失引起的功能多样性退化存在阈值响应模式，物种对城镇化的敏感性与物种功能独特性之间的关系是决定功能多样性退化模式的机制之一，并首次归纳和提出了重合的物种功能与响应性状的敏感性差异是产生群落功能多样性退化4种概念模式。另外，项目培养2名博士1名硕士，发表SCI论文9篇，主持召开国际会议1次。项目提出的物种性状角度来解释物种丢失引起的功能多样退化的不同模式和机制，拓宽了现有关于群落功能多样性退化机制认知的不足。研究结果对生物多样性保护策略的制订有积极的参考价值。