面对未来不确定的环境条件，迫切需要能够管理水生系统的工具和方法。本文提供了开展针对性流域评估的方法，使资源管理者能够构建基于景观的累积效应模型，并将其应用于情景分析管理框架中。
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摘要
摘要
在受到严重影响的流域内，迫切需要能够管理水生系统的工具和方法。由于无法在相关空间尺度上量化和预测当前及未来土地利用情景所产生的复杂累积效应，现有努力往往难以奏效。本文旨在提供一种有针对性的流域评估方法，使资源管理者能够构建基于景观的累积效应模型，并将其应用于情景分析管理框架中。首先，通过识别位于已知胁迫因子独立梯度及其组合上的样点，确定纳入流域评估的站点。随后，采用野外和实验室技术，获取多种土地利用活动对物理、化学和生物方面影响的数据。接着，利用多元线性回归分析构建基于景观的累积效应模型，以预测水生环境状况。最后，本文讨论并演示了如何将累积效应模型整合到情景分析框架中，以指导正在开发的流域内的管理与监管决策（例如，许可审批与缓解措施），案例研究涵盖中阿巴拉契亚山区山顶采矿区域内的两个子流域。本文所提供的流域评估与管理方法，可帮助资源管理者在保护水生资源的同时促进经济与开发活动，并通过有针对性的修复措施创造净生态效益的机会。
引言
人类对自然景观的改变是当前全球水生生态系统面临的最严重威胁之一1。在许多地区，若以目前的速度持续退化，将导致水生资源遭受不可逆转的损害，最终限制其提供宝贵且不可替代的生态系统服务的能力。因此，迫切需要能够管理正在开发流域内水生系统的工具和方法2-3。这一点尤为重要，因为管理者往往需要在持续发展的社会经济和政治压力下，承担保护水生资源的任务。
在快速发展的区域中，水生系统的管理需要具备预测拟议开发活动可能影响的能力，这些预测需结合已有的自然和人为景观特征3, 4。在严重退化的流域内，水生资源管理面临的主要挑战之一是在相关空间尺度上量化并管理多种土地利用胁迫因子所产生的复杂（即，叠加性或交互性）累积效应2, 5。尽管目前仍存在诸多挑战，累积效应评估正逐步被纳入全球范围内的监管指南中5-6。
旨在针对多种土地利用胁迫因素下的全范围条件进行采样的靶向流域评估，可生成能够模拟复杂累积效应的数据7。此外，将此类模型纳入情景分析框架中（即预测在一系列现实或拟议的开发、流域管理（修复与缓解）情景下的生态变化），有望显著改善受强烈影响流域内的水生资源管理3, 5, 8-9。尤为重要的是，情景分析通过将科学信息（生态关系和统计模型）、监管目标以及利益相关者的需求整合到一个....
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方案
1. 流域评估中应包含的目标位点
- 识别影响目标8位水文单元代码（HUC）流域理化和生物状况的主要土地利用活动3, 7.
注意：本方法假设已具备关于目标流域内重要胁迫因子的先验知识。然而，咨询熟悉该系统的监管机构或流域管理组织可有助于此项工作。 - 选择基于景观的主导土地利用活动测度指标例如， 2011年全美土地覆被数据库（NLCD） 3, 7.
- 参考已发表的文献，以帮助确定适用于每种土地利用活动的最佳基于景观的度量指标10联系自然资源机构，以识别并获取可供使用的区域特定景观数据集。然而，可能需要创建新的景观变量或数据集。
- 使用地理信息系统（GIS）软件将土地覆盖和利用属性制表至 1:24,000 或 1:100,000 国家水文数据集（NHD）流域单元。
- 确保每个1:24,000或1:100,000流域具有唯一标识符。可使用任意用户定义的数字或分类标识符作为唯一标识符。
- 制表矢量数据（例如，落入每个汇水区内的点或线。
- 使用每个集水区内的所有矢量特征进行汇总 制表交集 工具 统计学 工具集 分析 工具箱。选择 NHD 流域图层作为输入区域要素，以流域唯一标识符作为区域字段，以感兴趣的矢量....
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结果
在中国西弗吉尼亚州的煤炭河（Coal River）内，选取了40个1:24,000比例的NHD集水区作为研究样地（图2）。研究样地的选择旨在涵盖地表采矿（土地面积百分比24）、住宅开发［建筑密度（个/km2）］和地下采矿［国家污染物排放消除系统（NPDES）许可密度（个/km2）］等不同影响范围，使每种主要土地利用活动尽可能单独出现，也以不同组合形式出现（图3）。在每个样地，均采集了理化环境条件和大型无脊椎动物群落结构的数据。
在之前的一项研究中，这些数据被用于构建累积效应模型，以高精度和准确度预测西弗吉尼亚州溪流状况指数（WVSCI）——一种为西弗吉尼亚州开发的基于分类单元级别的多指标生物完整性指数25，以及比电导率7。本文利用这些模型，在多种土地利用开发情景下，预测科爾河（.......
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讨论
我们提供了一个用于评估和管理在受强烈影响流域中多种土地利用活动累积效应的框架。本文所述方法解决了以往在管理受强烈影响流域水生系统时所发现的局限性5-6。尤为突出的是，目标流域评估设计（即，沿单一和复合胁迫梯度进行采样）所产生的数据非常适合通过易于解释和实施的建模技术，在相关空间尺度（即，流域尺度）上量化复杂的累积效应3, 7。此外，这些模型可轻松整合到情景分析框架中，从而准确预测未来管理措施（例如，生态修复与缓解措施）以及开发活动的结果。因此，该方法对于水生资源管理者而言可能具有重要价值，后者正越来越多地依赖在不同土地利用情景下对环境状况的预测，以支持监管决策27。
德劳迪溪与劳雷尔叉流的对比凸显了在社会经济重要且处于积极开发区域中管理水生系统时，所提出框架的实用性。情景分析表明，仅受地表采矿（10.9%）影响的劳雷尔叉流能够在不超出化学和生物学标准的前提下同化额外的土地利用开发。而受到相当程度地表采矿影响（10.7%）的德劳迪溪，由于与地下采矿和居民建筑相关的累.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
我们感谢众多参与本研究各项工作的野外和实验室协助人员，特别是Donna Hartman、Aaron Maxwell、Eric Miller和Alison Anderson。本研究的资金由美国地质调查局提供，得到了美国环境保护署（EPA）第三区的支持。本研究部分基于美国环保署授予的“实现成果科学”（Science To Achieve Results）奖学金援助协议编号FP-91766601-0。尽管本文所述研究由美国环保署资助，但尚未经过该机构要求的同行评审和政策审查，因此不一定反映该机构的观点，不应推断其官方认可。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Slack 倒置采样套件 | Wildco | 3-425-N56 | |
| HDPE 方形瓶 | 美国塑料公司 | 66188 | 32 盎司；用于储存固定的复合无脊椎动物样本 |
| 乙醇 190 proof | PHARMCO-AAPER | 111000190 | 用于无脊椎动物样本的固定与保存 |
| 5 英寸 × 20 英寸 大型无脊椎动物亚样品分格板 | N/A | N/A | 此物品无法购买，必须自行制备 |
| 体视显微镜 Stemi 2000 配 C 型 LED 支架 | ZEISS | 000000-1106-133 | 用于大型无脊椎动物的分拣与鉴定 |
| Thermo Scientific Nalgene 可重复使用滤器支架（带接收瓶） | Fisher Scientific | 09-740-23A | |
| Immobilon-NC 转印膜 | Millipore | HATF04700 | 无Triton，混合纤维素酯，0.45 μ米，47 毫米，圆片 |
| Actron 真空泵刹车排气工具包 | 高级汽车零部件 | CP7835 | |
| 硝酸溶液 | HACH | 254049 | 1:1, 500 毫升 |
| 椭圆形NDPE广口瓶 | 托马斯科学公司 | 1229Z38 | 250 ml；用于采集水样 |
| 650 多参数显示器，标准内存 | Fondriest Environmental | 650-01 | |
| 带温度/电导率传感器的600XL探头 | Fondriest Environmental | 065862 | |
| pH 校准缓冲液套装 | Fondriest Environmental | 603824 | 各2品脱的pH值为4和7的溶液 &和 10 |
| 电导率标准品 | Fondriest Environmental | 065270 | 1 夸脱，1,000 µS |
| Flo-Mate 2000 | TTT 环境 | 2000-11 | |
| Keson 英制/公制开放式卷盘玻璃纤维卷尺 | 林业供应商 | 40025 | 300'/100 m |
| ArcGIS 10.3.1 | ESRI |
参考文献
- Allan, J. D. Landscapes and riverscapes: the influence of land use on stream ecosystems. Annu. Rev. Ecol. Evol. Syst. 35, 257-284 (2004).
- Merovich, G. T., Petty, J. T., Strager, M. P., Fulton, J. B.
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重印与许可
