河流景观中的地下水结构、鱼类生长与渔业产量

《Freshwater Biology》：Groundwater Structures Fish Growth and Production Across a Riverscape

　　地下水通过调节溪流水温和种群密度影响雅鱼生长时空异质性。基于贝叶斯层次模型和遥感数据，研究发现高地下水区域形成秋季生长峰值和更大生产量，而低地下水区域呈现持续下降趋势。这种格局揭示了地下水作为稳定因子在流域尺度上塑造生态系统服务的关键作用。

　　

摘要

1. 景观由不同的栖息地斑块及其在空间和时间上的变化条件组成。虽然栖息地的多样性和复杂性可以支持重要的生态过程和生态系统服务，但栖息地的动态特性也可能限制生物的生长和生产力，因为最佳条件往往是短暂的。在河流生态系统中，地下水流入溪流可以稳定水温和流量模式，从而影响栖息地复杂性的表现。然而，栖息地的稳定性如何影响整个景观矩阵中的生物生长和生产力仍不甚明了。
2. 在这项研究中，我们探讨了美国怀俄明州上斯内克河流域幼年黄石切喉鳟（Oncorhynchus virginalis bouvieri）的生长和生产在时空上的变化受地下水影响的情况。我们结合了机器学习技术和遥感景观数据来估计整个河流网络中的地下水可用性，并将其与溪流温度模式和同种鱼类的密度相关联。随后，我们使用贝叶斯层次模型量化了温度、密度和地下水对52个研究区域中鱼类生长和生产时空变化的影响。最后，我们预测了鱼类体型的变化轨迹以及总生产力的时空趋势，以了解地下水在河流景观尺度上的作用。
3. 在河谷底部地形突然变化的区域，地下水流入溪流，这些区域通常由粗粒冰川沉积物构成。地下水稳定了温度模式，并与较高的鳟鱼密度相关。温度和密度相互作用，影响生长速率：温度升高时生长速率显著增加，但当密度较高时这种效应会减弱。因此，不同溪流段之间地下水可用性的差异导致了生长和生产模式的多样化。在地下水可用性较低的溪流段，生长和生产力从夏季峰值逐渐下降。相比之下，在地下水可用性较高的溪流段，生长和生产力的时间趋势呈驼峰形——在秋季达到峰值——且平均生产力更高。在河流景观尺度上，生长速率的时间差异导致了生长能力的空间聚集，但与密度结合后，形成了明显的生产力热点。
4. 我们的研究结果表明，作为水生生态系统异质性的重要驱动因素，地下水在空间和时间上影响着鳟鱼的生长和生产力。值得注意的是，虽然稀有但稳定的栖息地可能在较大空间尺度上对生态过程产生重要影响，并成为种群多样性的关键来源。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

用于运行模型的所有原始数据均可在美国地质调查局的数据发布中找到（https://doi.org/10.5066/P1YJCBPU；Al-Chokhachy等人，2024）。代码和最终模型输出可在GitHub仓库https://github.com/j-baldock/Baldock-et-al_GroundwaterGrowthProduction_2024中获取。