《Hydrobiologia》：Urbanization results in highly dynamic, degraded benthic macroinvertebrate communities in North Carolina streams
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为探究城市土地覆盖对溪流大型无脊椎动物群落的影响，北卡罗来纳州立大学研究人员对比 20 个城市和 12 个森林溪流站点。结果显示城市溪流群落退化，物种组成变化但与土地覆盖无关，γ 多样性下降。该研究为城市溪流管理提供依据。
在全球城市化进程不断加速的今天，城市土地覆盖范围持续扩张，这一变化对生态环境产生了深远影响。溪流生态系统首当其冲，受到城市土地利用的强烈冲击，引发了一系列被统称为 “城市溪流综合征（Urban Stream Syndrome）” 的问题。城市中不透水表面的径流和雨水排放，导致溪流中的营养物质、金属和污染物浓度大幅上升，水质恶化；暴雨后，水流迅速通过不透水表面汇入溪流，造成峰值流量增大且变化迅速，而基流则因入渗减少或基础设施渗漏等原因出现不稳定变化；同时，城市溪流的栖息地复杂性相较于森林溪流显著降低。
这些物理和化学性质的改变，严重影响了溪流中的生物群落，藻类、鱼类和大型无脊椎动物等都难以幸免。大型无脊椎动物作为溪流生态系统中的重要组成部分，对水质变化反应敏感，并且具有生活周期较长、分布广泛、易于采集和鉴定等特点，是理想的溪流健康生物指标。然而，目前关于溪流大型无脊椎动物的长期（>15 年）研究较为匮乏，针对高度开发流域中大型无脊椎动物群落动态的研究结果也不尽相同。有的研究观察到群落年际变化大但无方向性响应，有的发现土地利用对群落有不同程度的影响，还有研究表明城市溪流中大型无脊椎动物的丰富度和多样性会随着水质改善而增加。因此，开展深入的长期研究迫在眉睫，这对于准确评估城市溪流生态系统的变化趋势至关重要。
为了深入探究城市土地覆盖对溪流大型无脊椎动物群落的影响，北卡罗来纳州立大学（North Carolina State University）的研究人员 Riley C. Westman 和 Katherine L. Martin 展开了一项具有重要意义的研究。他们的研究成果发表在《Hydrobiologia》杂志上，为我们理解城市溪流生态系统的变化提供了关键信息。
研究人员运用了多种技术方法来开展此项研究。首先，通过 StreamStats 软件和 QGIS 地理信息系统，结合美国国家土地覆盖数据库（NLCD）的数据，精确分析了各个站点流域的土地覆盖情况，包括开发区域、森林区域、农业区域以及不透水表面覆盖（ISC）的比例等。在大型无脊椎动物样本采集方面，依据北卡罗来纳州环境质量部的标准操作程序，分别在城市和森林溪流站点进行采样，并将样本鉴定到属或种的水平。随后，利用 R 语言计算了多种群落指标，如丰富度、α 多样性、北卡罗来纳生物指数（NCBI）、EPT-H 生物百分比等，同时还计算了 β 多样性和 γ 多样性，以全面评估群落结构和物种组成的变化。此外，研究人员运用非度量多维缩放（NMDS）、置换多元方差分析（PERMANOVA）等统计方法，深入分析了不同区域和不同年份间群落的差异以及土地覆盖变量对群落的影响。
研究结果主要体现在以下几个方面：
流域土地覆盖情况 ：通过对比发现，所有位于罗利（Raleigh）的城市溪流流域，其开发土地覆盖（44.10 - 100%）和不透水表面覆盖（8.89 - 55.15%）显著高于森林溪流所在的詹姆斯湖（Lake James）地区，而森林土地覆盖（0 - 47.89%）则远低于后者。进一步分析罗利地区不同年份的数据，发现 2001 - 2021 年间，该地区各土地覆盖类型均发生了显著变化，开发土地和不透水表面覆盖增加，森林土地覆盖减少。大型无脊椎动物群落比较 ：与森林溪流相比，城市溪流中的大型无脊椎动物群落表现出更低的丰富度、α 多样性和 EPT-H 生物百分比，其基于 NCBI 值的生物分类等级也更差，这表明城市溪流的生物群落受到了严重的干扰和退化。在 β 多样性方面，森林溪流和城市溪流相似，且两者的 β 多样性主要由物种周转引起，而非嵌套性。区域多样性则呈现出森林溪流高于城市溪流的特点，森林溪流的 γ 多样性为 112 种，而城市溪流仅为 23 种。城市溪流大型无脊椎动物群落时间趋势 ：在对城市溪流 2001 - 2021 年的时间序列分析中，发现只有 NCBI 和 EPT-H 生物百分比在不同年份间存在显著差异，丰富度和 α 多样性无显著变化。β 多样性在各年份间变化不大，同样主要由物种周转驱动。γ 多样性呈现出下降趋势，表明城市溪流的物种数量在逐渐减少。尽管物种组成随时间发生了显著变化，但这种变化与土地覆盖的变化并无明显关联。
研究结论和讨论部分指出，该研究清晰地揭示了流域土地覆盖，尤其是不透水表面覆盖，对大型无脊椎动物群落有着至关重要的影响。城市溪流与森林溪流的大型无脊椎动物群落处于不同的状态，城市溪流群落的退化主要归因于广泛的不透水表面和森林土地覆盖的缺失。城市溪流中的低 α 和 γ 多样性，意味着其生物多样性较低，且主要由少数耐受性物种主导，这不仅影响了溪流的生态功能，还可能导致生态系统服务的简化。尽管城市溪流和森林溪流的 β 多样性相似，但二者的驱动因素不同，森林溪流可能源于环境和微生境的异质性，而城市溪流则主要是受到各种干扰因素的影响。
此外，研究还发现城市溪流的物种组成在 20 年间不断变化，但群落水平的指标却保持相对稳定，这凸显了长期、物种水平监测的重要性。单一的采样难以捕捉到物种随时间的变化情况，而城市溪流中大型无脊椎动物群落的年际变化较大，需要通过重复监测才能准确把握其特征。在城市溪流管理方面，研究结果表明，降低流域不透水表面覆盖对于改善溪流健康状况至关重要，低影响开发策略，如建造池塘和湿地，有望增加大型无脊椎动物的多样性。然而，如果不解决流域不透水表面覆盖的问题，城市溪流的恢复工作可能成效有限。
综上所述，该研究为城市溪流生态系统的保护和管理提供了重要的理论依据，有助于我们更好地理解城市化对溪流生物群落的影响机制，为制定科学合理的保护策略奠定了基础，对推动城市溪流生态系统的可持续发展具有重要意义。
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