【摘要】：針對近年來美國產(chǎn)漂流性卵小型魚類瀕臨滅絕的問題,本文以具有代表性的阿肯色河流域鯉魚(Arkansas River Shiner, Notropis girardi,以下簡稱ARS)為研究對象,開展了產(chǎn)漂流性卵小型魚類的生態(tài)位建模及分析研究,旨在為河流生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和瀕危魚類生境恢復(fù)提供參考依據(jù)。本文在美國地質(zhì)調(diào)查局(United States Geological Survey)的"Biotic and Abiotic Factors Related to Declining Distribution of a Federally Threatened Cyprinid"課題資助下完成,具體研究內(nèi)容如下：(1)提高生態(tài)位模型轉(zhuǎn)移能力的方法研究以生態(tài)位模型MAXENT為例,基于投影概念和Parolo等提出的計(jì)算模型轉(zhuǎn)移前后預(yù)測結(jié)果的相關(guān)性理論,定義了模型的轉(zhuǎn)移能力系數(shù)：“預(yù)測”能力系數(shù)和“追溯”能力系數(shù)。通過分析四種常規(guī)方法：基于環(huán)境變量間Spearman's rho相關(guān)性系數(shù)的變量篩選方法、基于環(huán)境變量方差膨脹因子VIF的變量篩選方法、基于主成分分析PCA的環(huán)境變量重組方法和調(diào)節(jié)模型自適應(yīng)參數(shù)"Regularization Multiplier"方法,提出了提高生態(tài)位模型轉(zhuǎn)移能力的最佳方法。研究結(jié)果表明：四種常規(guī)方法均能有效提高模型的轉(zhuǎn)移能力,其中,增加"Regularization Multiplier"值提高效果最明顯,“預(yù)測”能力系數(shù)提高了67%,“追溯”能力系數(shù)提高了74%,但"Regularization Multiplier"值過高會(huì)影響模型的模擬效果(自適應(yīng)性)。而利用調(diào)節(jié)"Regularization Multiplier"與變量相關(guān)性分析方法相結(jié)合的方式,可以在保證生態(tài)位模型自適應(yīng)性的基礎(chǔ)上,達(dá)到模型轉(zhuǎn)移能力提高的最佳效果。(2)ARS棲息地適宜性分析方法研究基于地理信息系統(tǒng)(GIS)和遙感技術(shù)(RS),研究收集自1950年至2010年可能影響阿肯色河流域ARS潛在分布的自然環(huán)境數(shù)據(jù),包括生物氣候數(shù)據(jù)、地形地貌數(shù)據(jù)、坡度高程數(shù)據(jù)、河流流態(tài)數(shù)據(jù)和外來入侵物種數(shù)據(jù)等；計(jì)算人為活動(dòng)諸如主要河流周邊的點(diǎn)源、地下水開采井及攔水大壩的分布數(shù)據(jù)�；贛AXENT生態(tài)位模型,針對不同時(shí)期ARS的分布情況進(jìn)行建模,旨在分析自然環(huán)境和人為活動(dòng)對ARS潛在分布的影響,確定瀕危魚類對象適宜的生存環(huán)境。研究結(jié)果表明：河流流態(tài)(年平均流量和河流等級)及人為活動(dòng)(地下水開采因子和點(diǎn)源因子)對不同時(shí)期MAXENT生態(tài)位模型貢獻(xiàn)率較大(5%),即對ARS的潛在棲息地分布的影響較大。不同時(shí)期ARS適生曲線與各因子的反應(yīng)曲線形狀不同,主要原因在于兩個(gè)時(shí)期ARS的分布數(shù)量與范圍相差較大。建立大尺度流域環(huán)境空間和大跨度時(shí)間范圍內(nèi)的棲息地適應(yīng)性模型,從宏觀角度上確定了特定魚類對象適宜的生存環(huán)境。(3)ARS繁殖期關(guān)鍵生態(tài)水文因子識別方法研究研究選取分布于整個(gè)流域40個(gè)水文站點(diǎn)自1950年至2010年的日徑流數(shù)據(jù),分析產(chǎn)漂流性卵小型魚類繁殖期特有的水文條件需求,給出了3個(gè)生態(tài)水文因子：繁殖期高流量、繁殖期高流量歷時(shí)與繁殖期斷流歷時(shí)。將生態(tài)水文因子分別與其他環(huán)境因子相結(jié)合,構(gòu)建了不同時(shí)期的MAXENT生態(tài)位模型,發(fā)現(xiàn)大型水利工程建設(shè)時(shí)期之前和之后的流域自然流態(tài)變化較大。研究結(jié)果表明：繁殖期高流量對生態(tài)位模型的貢獻(xiàn)率最高(歷史時(shí)期65.8%,當(dāng)前時(shí)期55.7%),進(jìn)一步證明了繁殖期高流量對于ARS產(chǎn)卵期的影響。此外,研究得到的歷史時(shí)期ARS對高流量的適應(yīng)范圍,有助于量化形成河流生態(tài)目標(biāo),指導(dǎo)實(shí)施河流生態(tài)系統(tǒng)的重建或調(diào)控操作。(4)氣候變化情形下ARS的潛在生境動(dòng)態(tài)分析方法研究研究利用IPCC AR5發(fā)布的最新氣候情景數(shù)據(jù),分析生物氣候因子的生態(tài)學(xué)意義及其相關(guān)性,優(yōu)選5個(gè)氣候因子,模擬CCSM4.0共同體氣候系統(tǒng)模式下2030年、2050年和2070年阿肯色河流域ARS潛在適宜生境的變化規(guī)律。針對阿肯色河流域東西區(qū)域的氣候分布不均勻的情況,結(jié)合Palmer干旱強(qiáng)度指數(shù)(PDSI),提出按照最小外包絡(luò)矩形分為東西兩個(gè)子區(qū)域建模分析方法,通過對比子區(qū)域模型與整體區(qū)域模型預(yù)測結(jié)果的增加率(Gain)和丟失率(Loss),可驗(yàn)證模型的預(yù)測精度。研究結(jié)果表明：增加率比(Gain Rate)和丟失率比(Loss Rate)范圍均在1±0.3內(nèi),表明子區(qū)域模型和整體模型預(yù)測結(jié)果具有一致性,模型預(yù)測的結(jié)果較為準(zhǔn)確。通過繪制2030年、2050年和2070年三個(gè)時(shí)期ARS潛在適宜生境的變化趨勢,發(fā)現(xiàn)ARS的地理分布格局受溫度變化方差和最熱月份最高溫度變化的影響,將整體向西部的加拿大河上游河段偏移,東部區(qū)域除錫馬龍河和阿肯色河的交匯處有增加趨勢外,其他河段的分布概率將越來越小。研究方法有利于降低未來氣候變化對瀕危物種的影響。
[Abstract]:In order to solve the problem of the extinction of the small-scale fish in the USA in recent years, the ecological niche modeling and analysis of the small fish with rafting eggs are carried out in the paper by Arkanas River Siner, Norois girardi (hereinafter referred to as" ARS "). The aim of this paper is to provide a reference for the conservation of the river ecosystem and the restoration of the endangered fish habitat. In this paper, under the aid of the "Biotic and Abiotic Factors Related to Declining Distribution of a Federally Threatened Cyprinid" of the United States Geological Survey, the research contents are as follows: (1) The method of improving the transfer ability of the niche model is studied with the ecological niche model MAXENT as an example. Based on the concept of projection and the correlation theory of the prediction results before and after transfer, the transfer capability coefficient of the model is defined: the "forecast" capacity coefficient and the "retroactively" capacity coefficient. The invention provides a variable screening method based on a Spearman's rho correlation coefficient between environment variables, a variable screening method based on an environment variable variance expansion factor VIF, an environment variable recombination method based on the principal component analysis PCA, and an adaptive parameter "Regularization Multiplier" method for adjusting the model, The best way to improve the transfer ability of niche model is put forward. The results show that four conventional methods can effectively improve the transfer ability of the model, in which, the increase of the "Regularization Multiplier" value is the most obvious, the "forecast" capacity coefficient is improved by 67%, the "retroactively" capacity coefficient is improved by 74%, But the high "Regularization Multiplier" value can affect the simulation effect (self-adaptability) of the model. By means of the combination of the adjusting "Regularization Multiplier" and the variable correlation analysis method, the best effect of improving the model transfer capability can be achieved on the basis of ensuring the adaptability of the ecological niche model. (2) The research on the suitability analysis method of the ARS habitat is based on the geographic information system (GIS) and the remote sensing technology (RS), and the data collected from 1950 to 2010 may affect the potential distribution of ARS in the river basin, including the biological and climatic data and the topographic and geomorphological data. Slope elevation data, river flow pattern data and alien invasive species data, etc.; the distribution data of point sources, groundwater exploitation wells and water retaining dams, such as major river perimeters, are calculated. Based on the MAXENT niche model, the distribution of ARS in different periods is modeled. The purpose of this paper is to analyze the influence of natural environment and man-made activities on the potential distribution of ARS, and to determine the appropriate living environment of the endangered fish. The results show that the flow regime of the river (annual average flow and river level) and man-made activities (groundwater exploitation factors and point source factors) have a great contribution to the model of the MAXENT niche model in different periods (5%), that is, the influence of the potential habitat distribution of ARS is large. The response curve of ARS in different period is different from that of each factor. The main reason is that the distribution quantity of ARS is different from the range. The environment space and the habitat adaptability model of the large-scale basin are set up, and the appropriate living environment of the specific fish object is determined from the macroscopic angle. (3) The research and study on the key ecological hydrological factors of the ARS propagation period selected the daily runoff data from 1950 to 2010 in the 40 hydrological stations of the whole basin, and analyzed the special hydrological condition demand of the small-scale fish breeding period, and gave three ecological hydrological factors: The high-flow rate, the high-flow duration of the breeding period and the duration of the breeding period. The ecological hydrological factors are combined with other environmental factors to construct the MAXENT niche model in different periods, and the natural flow pattern of the basin before and after the construction of the large-scale water conservancy project is found to be great. The results showed that the contribution rate of high-flow rate to niche model was the highest in the breeding period (65.8% in the historical period and 55.7% in the current period), and the effect of high-flow rate on the egg-producing period of ARS was further proved. In addition, the high-flow adaptation range of ARS is helpful to quantify the formation of river ecological targets and to guide the implementation of the reconstruction or control operation of the river ecosystem. (4) The research and research on the potential habitat dynamic analysis of ARS in the case of climate change, using the latest climate scene data published by the IPCC AR5, and analyzing the ecological significance and the correlation of the bioclimate factors, preferably 5 climate factors, The changes of the potential suitable habitat for ARS in the Meihe River Basin,2030,2050 and 2070, are simulated by the CCSM4.0 community climate system model. In view of the non-uniform distribution of the climate in the east and west of the river basin, combined with the Palmer's drought intensity index (PDSI), the method of modeling and analyzing two sub-regions according to the minimum outer envelope rectangle is proposed. The prediction accuracy of the model can be verified by comparing the increase rate (Gain) and the loss rate (Loss) of the sub-region model and the overall region model prediction result. The results show that the increase rate ratio (Gain Rate) and the loss rate ratio (LosRate) range are within 1-0.3, indicating that the sub-region model and the overall model prediction result are consistent, and the result of the model prediction is more accurate. By plotting the change trend of the potential suitable habitat for ARS in the three periods of 2030,2050 and 2070, the distribution pattern of ARS is found to be affected by the variation of temperature variation and the highest temperature in the hottest month, and the whole is shifted to the upstream reach of the Canadian river in the west. In the eastern region, the distribution probability of other reaches will be smaller and smaller in addition to the increasing trend of the junction of the Maolong River and the East River. The research approach is beneficial to reducing the impact of future climate change on endangered species.
【學(xué)位授予單位】：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：S931.1

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