王 強(qiáng),袁興中 ,劉 紅,龐 旭2,3,,王志堅(jiān),張耀光
(1.淡水魚類資源與生殖發(fā)育教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室水產(chǎn)科學(xué)重慶市市級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,重慶 400715;2.西南資源開發(fā)及環(huán)境災(zāi)害控制工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重慶大學(xué),重慶 400044;3.煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重慶大學(xué),重慶 400044;4.資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院重慶大學(xué),重慶 400044)
河流生境一般指包括河床、河岸、濱岸帶在內(nèi)的河流的物理結(jié)構(gòu)[1-2]。河流生境為河流生物提供了生存繁殖所必需的條件,同時也是保持河流健康的必要因素。河流生境評價有助于識別生境退化的原因[3],為河流生態(tài)修復(fù)提供依據(jù)[4]。長期以來,河流生境退化對河流生態(tài)系統(tǒng)的影響被認(rèn)為不如水質(zhì)的影響重要,未得到足夠重視[5]。隨著流域水環(huán)境問題和水資源危機(jī)的日益突出,充分掌握河流的生境、水質(zhì)和生物資源信息,系統(tǒng)開展河流完整性評價,對河流生態(tài)修復(fù)和流域可持續(xù)管理顯得尤為緊迫[6]。
國外河流生境的研究起步早,已構(gòu)建多套生境調(diào)查、評估體系。英國河流生境調(diào)查(RHS)始于1992年[7]。1997年,應(yīng)歐盟水框架指令(European Water Framework Directive,WFD)要求[8],英國環(huán)保署發(fā)布了RHS野外調(diào)查手冊[9],并于2003年對手冊進(jìn)行了完善[10]。RHS擬通過調(diào)查河流物理結(jié)構(gòu),收集人為干擾因素的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),然后按照河流類型,評估生境質(zhì)量,確定河段保護(hù)價值,為河流環(huán)境管理,尤其是為河流生態(tài)修復(fù)和以破壞河流物理結(jié)構(gòu)為主的建設(shè)項(xiàng)目的環(huán)境影響評估提供決策依據(jù)。RHS主要由4部分內(nèi)容組成[11]:(1)河流生境野外調(diào)查方法;(2)調(diào)查數(shù)據(jù)管理系統(tǒng);(3)河流生境質(zhì)量評價指標(biāo)體系(HQA);(4)評價人為活動對河流物理結(jié)構(gòu)破壞程度的生境退化指數(shù)(HMS)。因此,RHS是一套包含調(diào)查方法和評價模型的河流生境研究技術(shù)體系。目前RHS已成為WFD推薦的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)查方法,同時也是眾多河流生境評估方法中應(yīng)用最廣泛的一種[12-18]。我國河流生境評價的研究剛剛起步[19]。部分學(xué)者已開始嘗試開展河流生境評估工作[2-4,20],但系統(tǒng)的河流生境調(diào)查和評估技術(shù)體系尚未建立。
本研究在位于三峽庫區(qū)腹心的東河上選擇51個河段,采用RHS方法調(diào)查河流生境,并選用RHS生境評價模型對河流生境現(xiàn)狀進(jìn)行評估,為東河河流生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)管理服務(wù),同時向國內(nèi)相關(guān)研究者展示RHS在河流生境評價中的使用方法及特點(diǎn),為我國的河流生境調(diào)查與評價提供借鑒,也為科學(xué)全面地評價我國河流生境提供一些新的思路。
東河系長江干流左岸一級支流澎溪河的正源,發(fā)源于重慶市開縣白泉鄉(xiāng)一字梁(圖1)。東河干流全長 96.7 km,流域面積 1426.6 km2,海拔高程 160—2626 m,河道平均比降7.9‰。東河源頭在位于大巴山南坡的雪寶山國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi),是秦巴山區(qū)生物多樣性關(guān)鍵區(qū)域的組成部分。流域?qū)僦猩降孛玻傮w地勢北高南低,尤其上游河段,山高谷深,河段侵蝕溶蝕強(qiáng)烈,多呈V型峽谷。流域內(nèi)多年平均降雨量1530 mm,雨季長,洪旱交替出現(xiàn)。
圖1 研究區(qū)域及調(diào)查河段位置示意圖Fig.1 Drainage map of Dong River and location of sampling reaches
RHS調(diào)查以500 m長的河段為調(diào)查單位。調(diào)查數(shù)據(jù)主要通過兩種方式獲得:一種是分析地形圖、土壤類型分布圖等基礎(chǔ)圖件,獲取調(diào)查河段海拔、坡降、地質(zhì)、地貌、土壤類型等數(shù)據(jù);另一種是對河床、河岸以及河岸坡頂外側(cè)50 m范圍內(nèi)的河流生境進(jìn)行實(shí)地考察。主要調(diào)查項(xiàng)目有16項(xiàng)(表1)。
表1 RHS的主要調(diào)查指標(biāo)Table 1 Major sampling indicator of RHS
RHS調(diào)查要求避開洪水,在平水期進(jìn)行。因?yàn)楹樗坏珪淖兯鳡顟B(tài),并且伴隨著水位上升和水體變濁,河床底質(zhì)類型的判別也將受到影響[10]。因此,本研究于2011年4月,在東河流域內(nèi)選取51個河段進(jìn)行河流生境調(diào)查(圖1)。其中R1—R14位于東河下游,R15—R24、R50和R51位于中游,其他河段位于上游。東河上游、中游、下游的劃分方法見文獻(xiàn)[21]。
HQA從自然性、多樣性和稀有性3個方面評估河流生境質(zhì)量。自然性包含兩方面的內(nèi)容[11]:河床水文地貌結(jié)構(gòu)是天然的,未被破壞;河岸植被應(yīng)以自然或半自然的地帶性植被為主。多樣性指河段中自然河流生境結(jié)構(gòu)的豐富程度。稀有性指對動植物保護(hù)具有特殊意義的生境類型的數(shù)量和分布。例如,河床中堆積的倒木、植物碎屑和直徑大于1 m的漂礫被認(rèn)為可改善水文狀態(tài),提高水生昆蟲多度,對魚類資源保護(hù)具有重要意義。調(diào)查河段中這些生境類型越多,出現(xiàn)的頻率越高,結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,生境質(zhì)量越好。
HQA評價項(xiàng)目包括10項(xiàng)(表2)。HQA以河流生境類型為評價項(xiàng)目,并根據(jù)在河段出現(xiàn)與否、出現(xiàn)頻率和分布等因素進(jìn)行評分。各評分項(xiàng)目包含的評價指標(biāo)數(shù)量不一。一般由該項(xiàng)目對應(yīng)的自然河流生境類型數(shù)決定。例如,RHS中將河床底質(zhì)分為9類,但在進(jìn)行河流生境質(zhì)量評價時,只對基巖、漂礫、圓石、砂礫/卵石、細(xì)砂、淤泥、粘土、泥土等8類自然河床底質(zhì)評分。人工硬化的河床底質(zhì)不具有自然性,不能作為評價指標(biāo)進(jìn)行打分。評價指標(biāo)得分值多在0—3之間,不超過7。評分項(xiàng)目的得分為下屬評價指標(biāo)得分的累加。將10個評分項(xiàng)目得分相加即為河段HQA值。不同類型(或級別)河流的生境結(jié)構(gòu)差異明顯,因此不同類型河流的HQA值不具直接可比性[11]。為此,RHS在前期工作中建立了一個由無干擾和較小干擾河段組成的參照點(diǎn)數(shù)據(jù)庫。HAQ值等級的劃分是通過與具有相似地貌特征的參照點(diǎn)比較來確定[11]。
HMS評價指標(biāo)見表3。各指標(biāo)的評分方式及HMS的計算方式與HQA類似。不同的是,HMS是對人類活動的河流生境破壞強(qiáng)度進(jìn)行評估,不受河流類型影響,因此不同類型河流的HMS可以直接比較。HMS在0—2之間被認(rèn)為河段的生境保持了較原始狀態(tài);3—8之間,表明受到輕微的破壞;9—20之間,表明生境出現(xiàn)明顯退化;21—44之間,表明生境已經(jīng)發(fā)生較嚴(yán)重的退化;超過45,則該河段生境已經(jīng)受到劇烈破壞。
表2 河流生境質(zhì)量評價(HQA)的評價指標(biāo)與評分方法Table 2 Indicators and assessment methods of Habitat Quality Assessment(HQA)
采用Pearson相關(guān)性分析,分析評價指標(biāo)之間的相關(guān)性。運(yùn)用主成分分析方法(PCA)確定評價指標(biāo)對HQA、HMS的貢獻(xiàn)率,找出影響河段生境評估的主導(dǎo)評價因子。選用SPSS 15.0中的Kruskal-Wallis H方法檢驗(yàn)上、中、下游河段HQA、HMS以及相關(guān)指標(biāo)的差異顯著性。選用一元線性回歸方法分析HQA與HMS的相關(guān)性。顯著性水平取0.05。
評價指標(biāo)重疊性過高將降低評價結(jié)果的可靠性。Pearson相關(guān)性分析表明,HQA的評價指標(biāo)之間存在較顯著的相關(guān)性(表4)。HMS的評價指標(biāo)有16項(xiàng),但是本研究中有6項(xiàng)評價指標(biāo)在各調(diào)查河段中得分為0。對HMS的10項(xiàng)有效評價指標(biāo)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析,結(jié)果表明指標(biāo)間存在較顯著的相關(guān)性(表5)。因此,需要對HAQ和HMS的評價指標(biāo)進(jìn)行主成分分析,以驗(yàn)證評價指標(biāo)選擇的合理性。
對HQA評價指標(biāo)進(jìn)行主成分分析,結(jié)果表明Kaiser-Meyer-Olkin 值為 0.552,Bartlett球度檢驗(yàn)值為132.586,相伴概率為0,適合于主成分分析。前5個主成分解釋了HQA評價指標(biāo)中77.994%的信息(表6),能夠較好的反應(yīng)HQA的空間格局。從評價指標(biāo)
的載荷上來看(表6),第1主成分主要反映A1、A3、A9、A10等指標(biāo);第2主成分主要反映A5和A6兩指標(biāo);第3—5主成分分別主要反映A8、A7、A4三個指標(biāo)。A2在各主成分中載荷均未達(dá)到0.6,表明河床底質(zhì)對調(diào)查河段河流生境變化的解釋程度較差。這主要是因?yàn)?1個調(diào)查河段均屬典型山區(qū)河流生境類型,河床底質(zhì)以卵石(16—64 mm)和圓石(cobble,64—256 mm)為主,各河段之間差異不大。
6) 2—4狀態(tài)轉(zhuǎn)換。2—4的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是在0—2狀態(tài)轉(zhuǎn)換的前提下,由于0狀態(tài)轉(zhuǎn)換到2狀態(tài)是FDU,因此2—4的狀態(tài)轉(zhuǎn)換概率為λDD。
表3 河流生境退化指數(shù)(HMS)的評價指標(biāo)與評分方法Table 3 Indicators and assessment methods of Habitat Modification Score(HMS)
表4 河流生境質(zhì)量指數(shù)(HQA)評價指標(biāo)間的Pearson相關(guān)系數(shù)Table 4 Pearson correlation matrix between metrics of Habitat Quality Assessment(HQA)and Habitat Modification Score(HMS)
表5 河流生境退化指數(shù)(HMS)評價指標(biāo)間的Pearson相關(guān)系數(shù)Table 5 Pearson correlation matrix between metrics of Habitat Modification Score(HMS)
對HMS評價指標(biāo)進(jìn)行主成分分析,結(jié)果表明Kaiser-Meyer-Olkin 值為 0.514,Bartlett球度檢驗(yàn)值為130.777,相伴概率為0,適合于主成分分析。前5個主成分解釋了HMS評價指標(biāo)中77.238%的信息(表6),能夠較好的反應(yīng)HMS的空間格局。從評價指標(biāo)的載荷上來看(表6),第1主成分主要反映S3、S11、S16等指標(biāo);第2主成分主要反映S1和S14兩指標(biāo);第3—5主成分分別主要反映S15、S12、S13三個指標(biāo)。S5、S9在各主成分中載荷均未達(dá)到0.6,表明筑堤和清除河岸草叢兩種河流生境干擾行為對調(diào)查河段河流生境變化的解釋程度較差。原因可能是筑堤是調(diào)查河段中最常見的河流生境干擾方式,而清除河岸草叢在調(diào)查河段中出現(xiàn)的頻次較低。通過PCA分析,可以發(fā)現(xiàn)HQA和HMS的評價指標(biāo)均能夠較好的反應(yīng)調(diào)查河段河流生境特征與干擾因素的空間分布特征,無明顯冗余。
PCA分析結(jié)果似乎與Pearson相關(guān)性分析結(jié)果相矛盾。其原因在于HQA和HMS評價指標(biāo)反映的是河流生態(tài)系統(tǒng)不同空間位置的生境結(jié)構(gòu)和干擾因素的屬性特征。這些生境結(jié)構(gòu)或干擾因素之間密切相關(guān)。但是這些指標(biāo)之間不具有可替代性。以流態(tài)和河床底質(zhì)為例,流速越快,河床底質(zhì)顆粒一般越大。調(diào)查河段中流態(tài)類型越多,與之相應(yīng)的河床底質(zhì)類型也就越多,但是顯然流態(tài)的生態(tài)功能是不能被底質(zhì)替代的?;诖?,可以認(rèn)為RHS中任何一項(xiàng)評價指標(biāo)的缺失將影響對河流生境狀況的真實(shí)反映能力,HQA和HMS評價指標(biāo)的選擇是合理的。
表6 河流生境質(zhì)量指數(shù)(HQA)與生境退化指數(shù)(HMS)評分項(xiàng)目主成分分析結(jié)果Table 6 Principal components of assessment categories of Habitat Quality Assessment(HQA)and Habitat Modification Score(HMS)
本研究中各調(diào)查河段所在區(qū)域均屬典型的中山地貌,山區(qū)河流生境特征明顯。因此可選擇同一參照體系。R18、R33、R44、R45、R46、R50 等 6 個河段距離場鎮(zhèn)較遠(yuǎn),受人類活動干擾小,河流生境較自然,被選為HQA評價的參照點(diǎn)。以參照點(diǎn)HQA值分布的25%分位數(shù)值(54)作為河段生境質(zhì)量健康的評價標(biāo)準(zhǔn)。對小于25%分位數(shù)值的分布范圍進(jìn)行等分,確定各河段HQA評價標(biāo)準(zhǔn)為:差(≤31)、較差(32—39)、中(40—46)、良(47—53)、優(yōu)(≥54)。
51個河段的HQA值介于24—66之間(圖2)。根據(jù)河流生境質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn),15個河段的河流生境質(zhì)量為“優(yōu)”,占 29.4%;15個河段為“良”,占29.4%;12個河段為“中”,占23.5%;5個河段為“較差”,占9.8%;4個河段為“差”,占 7.8%。51 個河段的HMS值介于1—122之間(圖2),其中4個河段人為干擾少,保持較自然狀態(tài),占7.8%;8個河段的河流生境受到輕微的破壞,占15.7%;22個河段生境退化明顯,占 43.1%;14個河段生境退化嚴(yán)重,占27.5%;3個河段生境受到劇烈破壞,恢復(fù)難度較大,占 5.9%。
圖2 河流生境質(zhì)量指數(shù)(HQA)與生境退化指數(shù)(HMS)的回歸分析Fig.2 Linear regressions between Habitat Quality Assessment(HQA)and Habitat Modification Score(HMS)
回歸分析表明HQA與HMS存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖2)。這表明干擾強(qiáng)度越大,河流生境質(zhì)量越差。從空間上看(表7),東河上、中、下游調(diào)查河段的HQA無明顯差異(P=0.931)。從HQA評價指標(biāo)上看,A3、A7、A8、A9四項(xiàng)指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。這主要是因?yàn)樵酵嫌?,平均水深越淺,河床中漂礫、心灘等生境結(jié)構(gòu)發(fā)育。同時越往上游,人口密度越小,坡頂外側(cè)自然植被越好。越往下游,平均流速逐漸降低,河岸坡度變緩,河床中濕地植被和河岸林發(fā)育。臨近鄉(xiāng)鎮(zhèn)駐地河段的生境質(zhì)量一般較差,如 R9、R15、R16、R51。這些河段流態(tài)單一,河岸土地利用以農(nóng)業(yè)用地或建設(shè)用地為主,河岸林破壞嚴(yán)重,覆蓋度和層次性差。東河上、中、下游調(diào)查河段的HMS差異顯著(P=0.028)。對HMS評價指標(biāo)的 Kruskal-Wallis檢驗(yàn)表明,S1、S3、S11、S16 四項(xiàng)指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。
從人為干擾特征和HMS值上看,東河上游、中游河段與下游河段明顯不同。東河上游、中游地勢陡峭,河流沿岸人口密度低,土地開發(fā)強(qiáng)度小。但是由于水能資源豐富,建有大量引水式小水電,導(dǎo)致引水壩至發(fā)電廠房之間河段減脫水嚴(yán)重。此外,由于地勢陡峭,上游、中游的主要交通干道都沿河修建,對東河河岸造成一定破壞。針對東河上游、中游生境現(xiàn)狀和人為干擾特點(diǎn),建議整體規(guī)劃流域水電資源開發(fā)項(xiàng)目,實(shí)施生態(tài)放流,保證壩下減脫水河段河流健康;修建沿河公路產(chǎn)生的棄土集中堆放,嚴(yán)禁堆棄在河岸,避免對河岸結(jié)構(gòu)和河床底質(zhì)造成破壞。東河下游河段生境的主要人為干擾為高強(qiáng)度的土地開發(fā)(農(nóng)業(yè)用地、建設(shè)用地),河道采砂,河堤、排污管、橋梁等水工構(gòu)筑物和三峽水庫水位的波動(R6以下河段)。下游河段的生態(tài)恢復(fù)重點(diǎn)為改造和重建河岸林,提高河岸植被的多樣性和群落結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu),減緩面源污染對河流水質(zhì)的影響;對采砂河道進(jìn)行合理規(guī)劃和有序管理,恢復(fù)山區(qū)河流自然的淺灘-深潭生境格局;加強(qiáng)鄉(xiāng)鎮(zhèn)駐地的生活垃圾、生活污水的環(huán)境管理,減水入河污染物總量。水工構(gòu)筑物的設(shè)計施工在保證安全使用的前提下,盡可能減少對自然環(huán)境的破壞。對受三峽水庫水位波動影響的河段,由于靠近開縣城區(qū),建議結(jié)合城市景觀規(guī)劃,對175 m以下三峽水庫消落帶進(jìn)行生境改造,實(shí)施“基塘工程”、“林澤工程”等項(xiàng)目,改善生境質(zhì)量[22]。
表7 東河上中下游河流生境質(zhì)量指數(shù)(HQA)與生境退化指數(shù)(HMS)的評價結(jié)果Table 7 Habitat Quality Assessment(HQA)and Habitat Modification Score(HMS)of sampling reaches in upstream,midstream and downstream of Dong River
目前,國外河流生境評估的方法頗多,如德國的水環(huán)境野外調(diào)查方法,法國的河流物理環(huán)境質(zhì)量評價系統(tǒng),澳大利亞河流評估系統(tǒng)、河岸快速評估法,美國的快速生物評估草案、棲息地評估程序等。但是這些方法多存在一些問題或局限性。例如RARC被認(rèn)為適用于樹木占主導(dǎo)地位的、自然狀態(tài)的河岸帶評估;AusRivAS被認(rèn)為適用于環(huán)境壓力較小的河流[19];RBP調(diào)查河段長度僅為 100 m,長度明顯偏短。
趙進(jìn)勇按照評價方法的技術(shù)特征,將河流生境的評價方法分為水文水力學(xué)方法、河流地貌法、棲息地模擬法、綜合評估法等4類[3]。RHS主要是通過對河流生境物理結(jié)構(gòu)的調(diào)查,評估河流生境現(xiàn)狀,屬典型的河流地貌類生境評價方法。RHS野外調(diào)查記錄多達(dá)200多項(xiàng),但絕大多數(shù)生境指標(biāo)不需要精確的測量和繁瑣的計算,只需記錄存在與否,調(diào)查結(jié)果不會因調(diào)查人員的不同產(chǎn)生巨大差異,數(shù)據(jù)重復(fù)性好。每個河段的調(diào)查只需1名調(diào)查人員在1h內(nèi)完成。調(diào)查僅需記載植被類型,不涉及物種鑒定,調(diào)查人員不要求具有專業(yè)的生物分類學(xué)知識,稍加培訓(xùn)即可開展調(diào)查工作。
河流的物理結(jié)構(gòu)具有高度的異質(zhì)性。不同地域、不同類型河流的地質(zhì)、地貌、氣候、水文等環(huán)境條件可能差異巨大?;诤恿魃车倪@一特點(diǎn),RHS并未通過制定統(tǒng)一的HQA分級標(biāo)準(zhǔn)來判定河流生境質(zhì)量狀態(tài),而是通過與同類型河流上多個參照河段的HQA值相比較來確定河流生境質(zhì)量狀態(tài)。同時HQA的評價指標(biāo)數(shù)量也是靈活的。一些指標(biāo)(如:特殊生境)可以根據(jù)其在某類河流中的重要程度做相應(yīng)增減。因此RHS的生境質(zhì)量評價模型可用于多種類型河流的生境質(zhì)量評估。從對東河河流生境的評價結(jié)果看,HQA和HMS兩個指數(shù)能較直觀的反映河流生境質(zhì)量現(xiàn)狀,能有效的反應(yīng)人類活動對河流生境結(jié)構(gòu)的破壞強(qiáng)度和主要干擾因素。因此作為一種針對小型和中型河流通用的生境調(diào)查方法,RHS方法能夠有效的采集河段生境信息,調(diào)查方法與評估模型具有簡單、高效、操作性強(qiáng)的特點(diǎn)[23]。
國內(nèi)現(xiàn)有的河流生境評價研究多針對某一條或某一類河流,提出相應(yīng)的評估指標(biāo)體系,因此評價方法的應(yīng)用具有一定局限性。同時,由于國內(nèi)關(guān)于河流生境與河流生物關(guān)系的基礎(chǔ)研究薄弱,沒有很好的揭示河流生境影響河流生物的生態(tài)環(huán)境機(jī)理,對河流生境的概念和內(nèi)涵沒有清晰的認(rèn)識,不同學(xué)者選擇的評價指標(biāo)差異較大,部分評價指標(biāo)(如水深、流速、污水處理率等)的合理性還值得商榷。此外,國內(nèi)的研究重視建立河流生境評價指標(biāo)體系,但很少提出系統(tǒng)的生境調(diào)查方法。建立一套成熟的河流生境調(diào)查和評價方法需要開展大量的野外調(diào)查工作和基礎(chǔ)理論研究,是一項(xiàng)長期的工作。根據(jù)RHS的開發(fā)經(jīng)驗(yàn),1994—1996年間,編制委員會的調(diào)查河段數(shù)量超過5000個。截止1998年,調(diào)查河段總長度已達(dá)到85000 km。在大量的野外調(diào)查基礎(chǔ)上,研究人員對調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕y(tǒng)計分析,并且開展了大量基礎(chǔ)理論研究[5,23-26],不斷完善了 RHS的調(diào)查方法和評價體系。
因此,現(xiàn)階段借鑒RHS技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)開展河流調(diào)查,建立適合我國國情和河流環(huán)境特點(diǎn)的河流生境評價模型,將對完善我國現(xiàn)有河流健康評價技術(shù),提高河流環(huán)境管理水平具有積極的意義。
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