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摘要

有工具和能够在未来不确定的条件下，面对管理水系统的方法迫切需要。我们为开展有针对性的分水岭评估，使资源管理者以生产景观累积效应模型的情景分析管理框架内的使用方法。

摘要

有工具和能力管理严重影响流域内的水生生态系统的方法迫切需要。目前的努力往往功亏一篑为无法量化和预测在相关的空间尺度的当前和未来的土地使用场景复杂累积效应的结果。这份手稿的目的是为开展有针对性的分水岭评估，使资源管理者以生产景观累积效应模型的情景分析管理框架内的使用方法。网站是通过识别在独立梯度和已知压力的组合落在网站首次入选流域内评估纳入。场和实验室技术随后被用于获取在物理，化学数据，以及多个土地使用活动的生物效应。然后多元线性回归分析被用于生产基于风景累积效应模型，用于预测水性抽动条件。最后，对于一个情景分析框架内引入累积效应模型指导管理和监管决策的积极开发流域内（ 例如，允许和缓解）方法进行了探讨，并展示了阿巴拉契亚中部山顶采矿区域内的2个子流域。本文所提供的分水岭考核及管理办法使资源管理，促进经济和发展活动，同时保护水生生物资源和生产用于通过有针对性的整治网络生态效益的机会。

引言

自然景观的人为改变是水生生态系统在世界各地1的最大电流威胁。在许多地区，以目前的速度持续下降将导致水产资源造成不可挽回的损失，最终限制其能力，以提供宝贵的，不可替代的生态系统服务。因此，存在对工具和能力开发流域2-3内管理水生系统的方法的一个关键需求。鉴于管理者常常与社会经济和政治压力的面节约水生资源继续开发活动的任务，这是特别重要的。

积极发展区域内的水生生态系统的管理要求的预先存在的自然和人为景观的背景下预测提出了开发活动可能产生的影响的能力属性3，4。一个主要的挑战aquat重度退化流域内IC资源管理是量化，并在相关的空间尺度2,5管理复杂（ 也就是说 ，添加剂或交互式）多次土地使用压力的累积效应的能力。尽管当前面临的挑战，然而，累积效应评估正被纳入世界各地的5-6监管指引。

有针对性的分水岭评估设计相对于多个土地使用压力可产生能够模拟复杂的累积效应7的数据采样全方位的条件。此外，结合情景分析框架内，这样的模型[在一系列现实的或拟开发或流域管理（恢复和减缓）情景预测生态变化]有严重影响流域3,5内大大提高水产资源管理，8的潜力-9。最值得注意的是，情景分析提供对于通过将科学信息（生态关系和统计模型），监管的目标和利益相关者加入客观性和透明度管理决策的框架需要到一个单一的决策框架3,9。

我们提出了一个方法，评估和情景分析框架中管理多个土地利用活动的累积效应。我们首先描述如何适当目标根据已知的土地使用压力的分水岭评估中纳入网站。我们描述了对多种土地利用活动的生态影响的数据获取现场和实验室技术。我们简要描述了生产基于景观累积效应模型的建模技术。最后，我们讨论如何情景分析框架内引入累积效应模型，展示在协助监管决策这种方法的实用程序（ 例如，允许和休息祭文）在西弗吉尼亚州南部的深入挖掘流域内。

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研究方案

1.目标位点的流域纳入考核

  1. 标识正在影响理化和生物条件3,7目标8位数水文单元代码（HUC）流域内占主导地位的土地利用活动。
    注意:此方法假设感兴趣的流域内的重要压力已经存在的知识。然而，咨询监管机构或熟悉该系统可以在这方面的努力有助于分水基。
  2. 显性的土地利用活动的选择基于景观措施[ 例如，2011年全国土地覆盖数据库（NLCD）3,7。
    1. 咨询发表的文献，以帮助确定每个土地利用活动10最好的基于景观措施。联系自然资源机构确定并获取特定区域的景观数据集可用于使用。然而，可能有必要创建新的景观的变量或数据集。
  3. 制表土地覆盖和使用属性到1:24,000或1:用地理信息（GIS）软件100000国家水文数据集（NHD）集水区。
    1. 确保每个1:24,000或1:100,000流域有一个唯一的标识符。使用用户定义的任何数值或类别标识符作为唯一标识符。
    2. 制表矢量数据（ 如点或线）各下跌流域内。
      1. 通过总结分析工具箱的统计工具集内的制表工具相交每个流域内的所有矢量要素。选择NHD集水层作为输入区功能，集水唯一标识符区域字段，以及利益为输入类别特征矢量数据集。
      2. 加入表格景观属性集水层。右键单击内容表中的集水层上，并选择加入，并从下拉菜单中涉及 ，并从我们携手ubsequent菜单。选择的唯一标识符作为该连接将根据场，从1.3.2.1输出表作为表被接合，并且该连接将基于在表中的唯一标识符作为字段。
    3. 制表使用面积制表工具所在的空间分析工具箱中的工具带状内的栅格数据。
      1. 装载空间分析扩展。从自定义菜单中选择扩展 。在扩展对话框中，选中对应于空间分析扩展模块的框。
      2. 在制表领域对话框中，选择NHD流域shape文件作为输入栅格或要素区域数据，唯一标识符（ 例如 ，FEATUREID）作为区域字段和土地覆盖数据集（ 例如 ，NLCD）作为输入栅格或要素类数据。
      3. 加入表格景观属性以下步骤1.3.2.2协议的集水层，用制表面积结果表作为联接表。
  4. 厚积薄发所有NHD流域景观属性。
    1. 下载NHDPlusV2流域在http://www2.epa.gov/waterdata/nhdplus-tools属性分配和积累工具（CA3TV2）。使用CA3TV2的积累功能属性的积累1:100000 NHD集水区11。
      注:我们使用自定义编写的代码，积累景观属性1:24,000比例NHD分水岭12。使用CA3TV2详细说明被整合到工具，并且可以通过帮助功能进行访问。
  5. 选择的基础上积累了景观属性NHD流域为研究基地。
    1. 创建所有NHD流域相对于主要的土地利用活动（ 图1A）累积值的散点图。
    2. 选择考察地点（大约每8位HUC流域40个站点​​）来表示，完全R从目标分水岭（ 图1B）中发现的主要土地利用活动的影响力法兰。选择独立的应激梯度（ 即由单一的土地利用活动的影响）和应激组合（即由多个土地利用活动的影响）（ 图1B）中的网站。
    3. 确保研究地点在整个靶分水岭和相互独立的空间分布相对于下游的排水。确保每一个掉落个人和组合的应激梯度内的网站也有类似的平均盆地地区。

figure-protocol-1849
NHD流域相对于图1.假设的散点图从2土地利用活动的影响力 。在假想的W的所有NHD流域2土地利用活动的影响力大小atershed（N = 4,229）（A）。选择的研究基地（N = 40），代表全方位的相对独立和联合应激梯度（B）流域内观察到的情况。 请点击此处查看该图的放大版本。

2，现场协议理化与生物信息的收集

注意:每个网站的所有数据都应正常基流条件相同的现场考察时收集。这里提出的协议代表了环境保护（WVDEP）13西弗吉尼亚部门的标准作业程序。它可能更适合使用状态或者联邦政府认可程序的具体分水岭正在评估。

  1. 划定为每个站点为40×有效通道宽度（ACW）在采样范围，最大和最小的150长度和300米3,7。
  2. 样本的水质从流动的水是整个采样点（ 例如 ，不直接或支流排水管输入影响）的特征位置属性。
    1. 获得的溶解氧，比电导率，温度和pH值使用手持传感器瞬间的措施。校准之前，以下制造商的说明每个采样事件传感器。
    2. 冲洗过滤设备之前与水样品收集去离子水。
    3. 过滤250ml水（混合纤维素酯膜滤器，0.45微米孔径）为溶解的金属的分析。固定至pH <2，以确保金属保持溶解在溶液中。
      注意:酸的正确体积可以下列样品收集被加入到水样。可替换地，正确的体积可以被添加到之前的取样事件的瓶子。固定至pH <2所需的体积取决于酸的强度。
      1. 对于这里所描述的研究中，每个站点收集的单一过滤样品并用硝酸修复测定溶解铝，钙，铁，镁，锰，钠，锌，钾，钡，镉，铬，镍，硒3 7。
        注:分析物的选择应以流域特有的土地利用活动的指导。
    4. 通过完全浸没在水体中样品瓶收集250毫升未过滤样品（多个）。轻轻挤压瓶子，抹去残留的空气，同时放置在样品瓶帽。样品（S）修正至pH <2，如果必要（ 例如 ，避免影响营养物质的生物活性）。
      1. 对于这里所描述的研究中，收集每个站点中的两台未过滤的样品。固定第一与硫酸测定的 NO 2和NO 3和总P的不要固定第二未过滤样品，并用它来 ​​确定总和碳酸氢盐的碱度，氯，SO 4，和总溶解如此盖3,7。
        注:分析物的选择应以流域特有的土地利用活动的指导。
    5. 获取每个采样活动期间使用的每个定影剂领域的空白。通过使用去离子水作为最终样本以下的所有协议样本采集（ 即 ，漂洗，过滤，固定）获得场空白。
      注:现场空白样品用于收集和分析，以确定污染。
    6. 在4℃下保存所有的水样，直到所有的分析都完成。确保所有被分析物的规定保持时间14内测量。
  3. 在测量每个样品的网站流量。
    1. 除以润湿流宽度成大小相等的增量。
    2. 在每个部分的中点测量深度和平均流速。
      1. 使用深度计杆，测量深度为从流床到水的表面的距离。
      2. 使用真正水流NT仪，测量在60％水深水流速度。
    3. 计算放电如速度，深度和宽度的所有部分的产物的总和。
  4. 品尝大型底栖动物群落在每个站点。
    1. 获得踢样品（净尺寸335×508毫米2用500微米筛目）从整个采样到达的整个长度分布的4个独立的代表浅滩。
      1. 在每个位置踢，将踢净垂直于水流，立即惊动上游河床的0.50×0.50 平方米 （ 即 0.25 平方米 ）的区域。确保所有的生物体和碎片下游流入踢入网。
      2. 结合在4球样品的有机体和碎屑成一个单一的复合试样（表示1.00米河床的2），并立即用95％的乙醇保持。
  5. 测量物理栖息地质量并在整个流达到的复杂性。
    1. 以沿深泓（通过其主要的或最快速流动时流的一部分）均匀分隔点水深，液压通道单元类型，泥沙类和鱼类盖物体的距离测量。进行测量每1 ACW的流<5米宽，每隔0.5 ACW的流>宽5米15。
      1. 分类通道单元内的每个位置深泓的位置（ 例如，浅滩，运行，游泳池或滑翔）16。
      2. 使用深度计杆，测量深度为从流床到水的表面的距离。
      3. 随机找出一块泥沙，并确定其大小温特沃斯分类（淤泥，沙子，碎石，鹅卵石，巨石）17。
      4. 估计每个深泓点与最近盖物体的距离。
        注:鱼盖被定义为有效通道的任何结构能够隐瞒20.3前端2厘米（8英寸）的鱼18。
    2. 算上在工作通道内大型木质残骸的所有作品。
    3. 美国环境保护署（EPA）的快速可视化的栖息地评估（RVHA）估计栖息地质量协议19。
  6. 获得研究地点的随机选择10％的重复测量和样品。重复的措施来估计采样和实验室分析精度。

3.实验室协议理化与生物数据

注:描述实验室协议定量水化学属性是这个手稿的范围之内。然而，目前的研究中使用水和废物14标准的化学方法。

  1. 包含在每个大型无脊椎动物样品中的生物子样，以获得大型底栖动物群落的每个站点有代表性的子样本（使用2.4节协议收取）。
    1. 将整个复合无脊椎动物样品放入100 2网格排序（测定5×20 2）。随机每1 2网格数分配从1到100。
    2. 使用立体显微镜来计数，并确定随机选择1 2格之内的所有生物，直到有序个体的总数为200±20％。识别生物体使用无脊椎动物键，例如那些由梅里特和Cummins 20发布到属。
    3. 编译属层次丰富的资料进社区指标[ 例如，总的丰富性和蜉蝣目％，襀翅目，毛翅和（EPT）用作统计模型和随后的情景分析3，7响应变量。

4，统计和分析方案

  1. 构建广义线性模型插播物理，化学预测，并基于景观indicato生物条件主导土地利用活动的RS。
    注:协议和分析，在R语言和环境统计计算（版本3.2.1）21进行。
    1. 试验使用夏皮罗-威尔克常态[shaprio.test（）函数中的R包统计 21]测试和变换变量，以满足参数分析的假设和线性关系。
    2. 飞度最大的初始模型指定所有的土地使用预测中双向交互[GLM（）中的R包函数统计 21]。
    3. 套用一个落后的缺失，以确定最低适当的模型3，7，22。
      1. 确定的最大模型的至少显著（ 即，解释了变化量最少的）变量[摘要（）中的R包函数统计 21]和适合与[GLM（）中的R包函数统计 21]这个变量排除的新模式。
      2. 继续删除变量直到所有剩余的预测分别为0和解释力显著的不同不从使用偏差表和似然比检验[R中包lrtest（）函数lmtest 23]分析每个响应变量的最大模型显著不同。
  2. 预测当前的条件。
    1. 使用最终模型整个流域的目标，将所有未抽样NHD流域内预测理化和生物条件给定电流景观特征[预测（）中的R包函数统计 21]。
    2. 在可视化GIS软件的预测。
      1. 加入预言NHD流域。右键单击内容表中的集水层上，并选择加入，并从下拉菜单中涉及 ，并从随后的菜单中加入 。选择的唯一标识符作为该连接将根据场，预测文件作为表被接合和唯一标识符，所述连接表中的字段将基于
      2. 右键单击集水层上，然后选择属性 。在图层属性对话框中，单击符号选项卡，选择数量上。选择感兴趣的值字段中的预测值，然后单击应用 。
        注:取值范围可以手动更改以匹配使用分类按钮公认的生态标准。
  3. 进行情景分析来比较下各土地利用情景水产品条件预测的变化。
    1. 更新当前数据集景观，模拟未来可能出现的发展或减缓情景。对于这里所描述的研究中，手动更新积累的景观值的属性表内利息集水区（ 例如 ，改变10英亩的森林开采土地覆盖）。
      1. 选择INTERES集水T使用选择由位于选择下拉菜单中的属性功能。在选择按属性对话框，选择NHD集水区为层。在唯一标识符的属性，双击，选择=，然后键入标识符在方程式框中感兴趣的集水区。
      2. 通过右键单击目录表中的集水层，从下拉菜单中选择打开属性表打开NHD集水属性表。选择仅显示选定的集水区。
      3. 在只选择集水显示，右键点击感兴趣的列，并选择字段计算器中输入新的模拟值。注:多个集水可以改变整个模拟大空间尺度上发生的多空间明确的发展或管理活动。
        注:另外，原来的矢量和栅格数据集可以通过数字化的新功能或改变和删除原来的FE进行更新atures模拟的预先存在的土地使用的影响24个新的土地利用活动或管理。这可以通过使用编辑器工具栏来完成。
    2. 重新分配和使用步骤1.3-1.4提出的协议都NHD集水区再累加景观属性。
    3. 预测的物理化学和生物学条件作为更新风景数据集的函数[预测（）中的R包函数统计 21]。
    4. 可视化预测下使用在第4.2.2提出的协议替代的土地利用方案的条件。

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结果

四十1:24,000 NHD流域被选为煤河中研究基地，西弗吉尼亚（ 图2）。被选定研究网站涵盖从地面开采（％土地面积24），住宅开发[结构密度（no./km 2）]，和地下开采[国家污染物排放消除系统（NPDES）许可证密度（不指定范围的影响。 /千米2）]，使得两个单独和组合的范围内可能的（ 图3）发生每个主要用地活性。在每个站点?...

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讨论

我们提供评估和管理的严重影响流域多个土地利用活动的累积效应的框架。本文描述的方法解决先前确定了与管理在很大程度上影响了流域水生5-6系统相关的限制。最值得注意的是，有针对性的流域评估设计（ 即沿着从个人和组合的应激抽样轴）产生，非常适合通过简单易懂的和可实施的建模技术3，7定量在相关的空间尺度（ 即流域尺度）复杂的累积效应数据此外?...

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披露声明

The authors have nothing to disclose.

致谢

我们感谢参与这项工作的各个方面，尤其是唐娜·哈特曼，亚伦麦克斯韦，埃里克·米勒和安德森艾莉森了大量的现场和实验室助手。这项研究的经费是由美国地质调查局通过从美国环境保护局（EPA）三区提供支持。该研究部分科学下开发取得成效奖学金援助协议号FP-91766601-0美国环保局颁发。虽然本文中描述的研究已经得到了美国环境保护署资助的，它并没有受到机构的要求同行和政策审查，因此不一定反映该机构的观点，并没有正式认可应推断。

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材料

NameCompanyCatalog NumberComments
Slack Invert Sampling KitWildco3-425-N56
HDPE Square JarsUS Plastic Corp6618832 oz; for storing fixed, composite invertebrate samples
Ethyl Alcohol 190 ProofPHARMCO-AAPER111000190For fixing and storing invertebrate samples
5 in. by 20 in. Macroinvertebrate sub-samplilng gridN/AN/AThis item cannot be purchased and must be made in house
Stereomicroscope Stemi 2000 with stand C LEDZEISS000000-1106-133For macroinvertebrate sorting and identification
Thermo Scientific Nalgene Reusable Filter Holders with ReceiverFisher Scientific09-740-23A
Immobilon-NC Transfer MembraneMilliporeHATF04700Triton-free, mixed cellulose exters, 0.45 μm, 47 mm, disc
Actron Vacuum Pump Brake Bleeder KitAdvanced Auto PartsCP7835
Nitric Acid SolutionHACH2540491:1, 500 ml
Oblong NDPE Wide Mouth BottlesThomas Scientific1229Z38250 ml; for collection of water samples
650 Multi-parameter display, standard memoryFondriest Environmental650-01
600XL Sonde with temperature/conductivity sensorFondriest Environmental065862
pH calibration buffer packFondriest Environmental6038242 pints each of pH 4, 7, & 10
conductivity standardFondriest Environmental0652701 quart, 1,000 µS
Flo-Mate 2000TTT Environmental2000-11
Keson English/Metric Open Reel Fiberglass TapeForestry Suppliers40025300'/100 m
ArcGIS 10.3.1ESRI

参考文献

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