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基于生态水文耦合机制的水生群落动态研究在半干旱达赭河干流取得新进展。采用 niche-based Metacommunity Dynamics Model（MDM）定量解析了水文-水质-生物群落三维耦合关系，揭示浮游生物通过较宽生态位（平均 niche breadth 2.34±0.15）实现强环境适应性，而底栖生物对水文变异（如流量波动系数达0.68±0.12）和水质参数（总磷>0.5 mg/L时多样性下降42%）表现出显著响应阈值（h = 0.78±0.11）。通过构建累积扩散体积（CDV=152.3±18.7 km3）和相对扩散潜力（RDPI=0.87±0.09）空间模型，证实下游水文连通性提升19.6%，但水质扩散阻力系数达0.53±0.07。研究证实生物互作贡献率（β=0.62±0.08）显著高于单一环境因子，且存在显著的纵向异质性（P<0.001）。
王东华|段立敏|陈思怡|邱宇豪|郭灿阳|罗燕云|王一博|刘盼|高瑞忠|孙冰|王国强|刘婷曦
中国内蒙古自治区农业大学干旱地区水工程生态与环境国家重点实验室，呼和浩特 010018
摘要
在环境压力下，生态水文过程正在经历重大重组，这使得基于过程的生物响应归因于水文和水质条件变得复杂。本研究以大黑河（黄河的一条半干旱支流）为研究对象，探讨了沿纵向梯度的水文、水质和水生群落的耦合动态。采用多维动态模型（MDM）来划分水文、水质和生物变量的解释能力，并利用累积扩散体积（CDV）和相对扩散潜力（RDPI）来表征纵向连通性。分位数回归估计了关键生态位参数，包括环境最适值、生态位宽度和种间相互作用系数。结果表明，浮游生物群落的生态位宽度更广，适应性更强，而底栖动物对环境干扰的敏感性更高。模型的性能在浮游生物方面优于底栖动物，这反映了它们与水文变化的不同关联。研究捕捉到了“上游输出–下游输入”的纵向模式，其中浮游动物表现出最高的空间交换潜力。归因分析表明，生物相互作用具有重要的解释能力，而与水文和水质变量的关联在不同群落间存在差异：浮游生物群落对水质的变化更为敏感，而底栖动物对水文变化的响应更为强烈。水文影响在下游加剧，而水质效应在中游更为明显，反映了生态水文的异质性。这些发现加深了对水文、水质和水生群落多维耦合的理解，证明了MDM框架在基于过程归因中的稳健性，并为解决水资源压力河流系统的生态水文复杂性提供了过程导向的视角。
引言
近几十年来，气候变化加速、人口增长和持续的经济发展导致全球水资源需求增加，对水资源安全的压力也随之增大（Jones等人，2024年；Stringer等人，2021年）。在这种背景下，社会经济系统与水生生态系统之间的耦合加剧，使得水资源生态问题成为区域和流域尺度可持续发展的关键制约因素（Sui等人，2023年；Li等人，2023年）。传统的简化方法，如孤立地解决水资源分配或污染控制，越来越难以应对河流流域尺度上水文过程、水质变化和水生生态系统之间的复杂过程耦合。为应对这些挑战，中国政府提出了“关键河流流域水环境综合治理‘十四五’规划”，强调从单一因素污染控制向水资源、水环境和水生态综合管理的转变（中国国家发展和改革委员会，2021年），同时促进生态保护与社会经济发展的协调。将这一综合目标转化为科学实践需要从系统层面理解水文制度、水质矩阵和多营养级水生群落之间的多维耦合。从过程导向的角度来看，河流流域水系统的演变不是各个组成部分的线性叠加，而是多方面环境驱动力和水生群落在空间和时间上的持续重组。这种系统层面的重组在生物层面上表现为沿环境梯度的群落结构非线性演替。
大量研究已经探讨了水文、水质和生态变量之间的相互作用。然而，大多数现有研究仅关注单一变量、个别分类群或成对关系，往往忽视了这种重组过程的协同复杂性。例如，Sui等人（2025年）表明，水文制度和人类活动显著影响水质的空间和时间变异性。藻类大量繁殖会改变水质并进而重塑水生群落结构（Amorim等人，2021年），而在富营养化条件下，水动力变异性在藻类繁殖中起着关键作用（Li等人，2021年）。超过物理化学阈值会对浮游动物多样性产生负面影响（Majeed等人，2022年），城市地区的人为干扰会降低群落稳定性和生态系统调节能力（Lyu等人，2025年）。尽管这些研究证实了各要素之间的联系，但其视角通常局限于系统的特定部分或简化状态快照。由于基于过程建模框架的研究相对较少，难以将复杂的多层生态过程整合到非线性动态方程中，这限制了研究人员定量分析综合环境变量、生物相互作用和扩散过程对沿河流纵向梯度群落演替的协同效应的能力，从而限制了对河流流域系统空间异质性的深入理解。
方法上，四大主流分析方法在解析这种复杂演替的动态过程时存在某些局限性。第一组包括降维和方差分割方法（如PCA、RDA、VPA、Mantel检验），这些方法本质上倾向于静态相关性分析，在表征群落演变的动态速率方面存在局限性（Song等人，2023年；Zhang等人，2024年；Ma等人，2023年）。第二组包括空间模式和群落组装方法（如距离-衰减关系、零模型和中性模型），这些方法通常侧重于模式推断而非具体过程，对环境过滤和群落演替动态的明确表征不足（Sun等人，2023年；Wan等人，2023年；Shao等人，2025年）。第三组包括变量选择和关系识别技术（如共现网络、机器学习和GAMs），这些方法主要反映共变信号，在区分真实的生物相互作用和共享的环境响应方面存在识别困境（Shang等人，2024年；Feng等人，2025年；Guo等人，2025年）。第四组涉及因果路径建模方法（如SEM、BN），这些方法通常依赖于稳态或协方差平衡假设，在捕捉非平衡系统中的动态反馈和非线性相互作用方面能力有限（Wang等人，2025年；Zhou等人，2025年；Yuan等人，2018年）。总之，这些方法倾向于将河流流域系统的演变视为一系列离散状态，因此在解决时间连续性和“连续重组”过程中的过程归因的动态表征方面仍有改进空间。
为了解决这些局限性，本研究采用了基于生态位的群落动态模型（MDM；Wang等人，2023年）。该模型是一个基于过程的动态框架，明确整合并参数化了生态过程——如内在种群增长、种间竞争、基于生态位的对水文和水质变量的响应以及扩散过程——在一个常微分方程系统中。与关注静态关联的分析不同，MDM通过连续时间步骤模拟群落状态的替换，逻辑上符合河流流域系统的“连续重组”特征。这种基于过程的方法能够定量划分生物相互作用和环境变量的相对贡献，并量化不同分类单元之间扩散过程的变化模式。因此，它提供了一个机制模拟平台，用于理解在水文-水质压力协同作用下的群落重构的非线性轨迹。
在本研究中，我们重点关注大黑河流域，这是黄河上游的一条直接支流。该流域结合了半干旱地区典型的高强度水文压力和生态脆弱性，面临多种人为干扰的复杂挑战，包括工业排放、农业灌溉和城市化驱动的水利调节。大黑河不仅是理解半干旱水文系统如何响应局部环境变化的关键区域（Yu等人，2025年），其显著的生态梯度也为表征“三水”（水资源、水环境和水生态）的过程耦合提供了关键的观察剖面和独特的压力情景。通过对这一通常受到损害的流域进行系统分析，本研究旨在利用基于过程的MDM框架来：（1）阐明不同水生群落的环境耐受特征，并分析跨多维梯度的分类单元之间的生态位重叠和竞争模式；（2）通过计算累积扩散体积（CDV）和相对扩散潜力（RDPI）来细化纵向连通性的表征，以评估空间交换动态；（3）定量划分生物相互作用、水文和水质变量对生物量波动的相对解释能力，以表征它们的协同关联和基于过程的空间异质性。
研究区域和采样点
大黑河是黄河上游末端的一条关键支流，全长约236公里，流域面积18,441平方公里。该流域位于温带半干旱气候区，年平均降水量低（约312毫米），潜在蒸发量高（约962毫米），反映了内陆地区典型的水文气候压力（Duan等人，2024年；Xie等人，2025年；Yue等人，2025年）。这些环境限制使得...
不同群落对环境变量及其环境最适值的响应关系
图3显示了在最优功能形式下PCB与各种环境变量之间的分位数回归结果（仅显示了0.1、0.3、0.5、0.7和0.9分位数以便可视化）。综合拟合曲线分析表明，PCB对流速和水深具有强烈的生态敏感性，突显了这些水动力变量在调节其空间分布和时间变异中的关键作用。
结论
本研究利用基于生态位的群落动态模型（MDM）研究了半干旱大黑河流域水生群落动态的非线性空间异质性和连续重组。主要结论如下：
- (1)
MDM框架有效地表征了多样化水生分类单元的环境耐受性和生态位关系。浮游植物和浮游动物表现出更广的生态位和更高的环境适应性。相比之下，底栖动物...
未引用的参考文献
Chen等人，2025年；Hu等人，2025年；Jin等人，2024年；Pirali zefrehei等人，2022年；Song和Liang，2023年；Sun等人，1991年；Wang等人，2025年；Xie等人，2025年；Yang等人，2025年；Yi等人，2024年；Yu等人，2025年；Yue等人，2025年；Zhang等人，2018年；Zhang等人，2025年；Zhang等人，2024年；Zhao等人，2021年；Zhou等人，2025年。CRediT作者贡献声明
王东华：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，方法学，调查，正式分析，数据管理，概念化。段立敏：撰写 – 审稿与编辑，方法学，调查，资金获取，概念化。陈思怡：调查，概念化。邱宇豪：调查，概念化。郭灿阳：调查，概念化。罗燕云：调查，概念化。王一博：资源，方法学，概念化。刘盼：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（2022YFC3204401）、国家自然科学基金（U23A2001、U2243234）、内蒙古自治区重大科技项目（KCX2024013-1、2022EEDSKJXM005）、内蒙古自治区科技创新领军人才团队（2022LJRC0007）以及内蒙古自治区农业大学基础研究业务经费项目（BR221012、BR221204）的支持。
