北京市湯河生態(tài)健康評價指標相關(guān)性分析

高宇婷，高甲榮，顧嵐，錢斌天，王越，郭維

(北京林業(yè)大學水土保持學院，水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，100083，北京)

河流健康狀況是對河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能特征的評判，處于健康狀況的河流結(jié)構(gòu)合理、功能健全，包括正常能量流動且物質(zhì)循環(huán)沒有受到破壞，對自然干擾的長期效應具有抵抗力和恢復力，能夠維持自身的組織結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定，并能發(fā)揮其正常的生態(tài)環(huán)境效益［1-2］。國際上通過水質(zhì)理化參數(shù)、河流形態(tài)結(jié)構(gòu)、河流生物指標、河流水文特征、河岸帶狀況5類指標表征河流健康狀況;然而河流生態(tài)系統(tǒng)中許多變量之間存在的相關(guān)性增加了問題分析的復雜性［3-4］。K.M.Rowntree 等［5］運用 RHP 方法，通過河流無脊椎動物、魚類、河岸植被、生境完整性、水質(zhì)、水文、形態(tài)等7類指標評價河流的健康狀況;J.A.Gore等［6］認為，河流生態(tài)評價須考慮水文、土地利用、地貌、水質(zhì)、生物與生態(tài)、娛樂、經(jīng)濟和文化等方面。澳大利亞河流評價計劃(AUSRIVAS)、河流無脊椎動物預測和分類系統(tǒng)(RIVPACS)、生物完整性指數(shù)(IBI)、溪流狀態(tài)指數(shù)(ISC)［7-8］通過建立指標體系對河流生態(tài)健康狀況進行評價，不但提高了河流管理的質(zhì)量，而且有助于不同河段之間進行比較，同時，還可對受損河段生態(tài)恢復的成效進行評估，提高了河流健康狀況管理決策的能力。這些指標體系雖能較全面地評價河溪的近自然狀況，但有些因子只能進行定性描述，帶有一定的主觀性，降低了評價結(jié)果的可信度。此外，這些評價體系帶有地域性，并不適合我國河流自然性的評價［9］。筆者通過調(diào)查北京市湯河21個河段的17個指標，經(jīng)過因子分析得出影響北京市湯河生態(tài)健康的關(guān)鍵因子［10］，研究結(jié)果可為北京市河流生態(tài)健康的管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北京市懷柔區(qū)湯河中下游河岸帶，處于北京市最北端，降水集中在夏季，多年平均降水量約為644.2 mm。湯河發(fā)源于河北豐寧縣鄧家柵子，于大南溝門進入北京市懷柔區(qū)，介于E115°30'～116°37.2'，N40°19.2'～ 41°39.2'之間，河流由北到南流速漸緩，在海拔264 m處形成湯河口盆地［11］，流量約為2.45 m3/s。湯河在懷柔境內(nèi)南北長約52.4 km，流域面積618.3 km2。該流域?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L型半濕潤氣候，四季分明，雨熱同期，夏季暖熱濕潤，冬季寒冷少雪。目前耕作制度多為一種一熟制，是全區(qū)籽種、雜糧、淡季蔬菜的主產(chǎn)區(qū)。研究區(qū)為帽山至湯河口段，全長46.5 km。北京市湯河評價河段位置見圖1。

2 研究方法

2.1 指標設(shè)定

國外學者對河流健康評價影響因素做了大量理論研究，主要集中在地貌、生態(tài)、水文3方面，其中，水文、河流狀況、生態(tài)功能被認為是影響河流健康的最主要因素。結(jié)合北京市湯河實際狀況，根據(jù)相關(guān)文獻資料，將河流健康的主要影響因素劃分為水量因素、水質(zhì)因素、河岸帶因素、物理結(jié)構(gòu)因素、景觀娛樂因素5類。

圖1 北京市湯河評價河段位置Fig.1 Location of evaluated sections of Tanghe River in Beijing

水量因素的主要影響子因素為河寬X1、河深X2、流速X3;水質(zhì)因素的主要影響子因素為溶解氧X4、總氨氮X5、pH值X6;河岸帶因素的主要影響子因素為坡度X7、縱比降X8、橫比降X9、緩沖帶植被寬度X10;物理結(jié)構(gòu)因素的主要影響子因素為水與河底接觸點個數(shù)X11、河流彎曲度X12、心灘面積X13、心灘形狀系數(shù)X14;景觀娛樂因素的主要影響子因素為河流生物多樣性 X15、河灘地覆蓋率 X16、閘壩個數(shù)X17。

2.2 指標測定方法

在2011年的4—8月進行野外調(diào)查，在生態(tài)特征典型代表處共21個河段布設(shè)調(diào)查樣點，采用定量測定法觀測記錄其相關(guān)特性。其中:河寬、河深、流速用卷尺和測速儀測量;溶解氧、總氨氮、pH值用野外便攜式試劑盒測定;坡度、縱比降、橫比降、緩沖帶植被寬度、水與河底接觸點個數(shù)、河流彎曲度、心灘面積、心灘形狀系數(shù)、河流生物多樣性、河灘地覆蓋率、閘壩個數(shù)通過實地測量、內(nèi)業(yè)計算獲得。

2.3 指標檢驗

檢驗因子相關(guān)性的方法主要有KMO(Kaiser-Meyer-Olk in measure of Sampling Adequacy)樣本測度法和 Baetlett球形檢驗法(巴特利 Test of sphericity)。KMO是用來檢驗變量間偏相關(guān)性的，其值愈接近1表明愈適合進行因子分析。一般認為，KMO值在0.7以上適合做因子分析。KMO和Baetlett球形檢驗結(jié)果見表1?？芍?，指標間顯著性概率是0，小于1%，說明數(shù)據(jù)具有相關(guān)性，是適宜進行因子分析的。同時在顯示結(jié)果中，KMO值為0.813，說明以所涉及的21個樣點的5類因素17個指標為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)可以進行因子分析。

表1 KMO和Bartlett檢驗結(jié)果Tab.1 KMO and Bartlett's test

2.4 因子分析

用SPSS20.0對各指標數(shù)據(jù)進行因子分析，具體步驟如下。

1)建立多維數(shù)據(jù)矩陣:將所測數(shù)據(jù)以所測指標為行、以樣點為列建立多維數(shù)據(jù)矩陣。

2)相關(guān)系數(shù)矩陣:計算原始變量的相關(guān)系數(shù)矩陣，用以判斷所選變量有無相關(guān)關(guān)系［12］。

3)提取公共因子:確定因子求解方法和因子個數(shù)。取方差大于1的因子，按因子累計方差貢獻率確定因子個數(shù)［13］。

4)因子旋轉(zhuǎn):正交陣右乘A使旋轉(zhuǎn)后的因子載荷陣結(jié)構(gòu)簡化，每個變量僅在1個公共因子上有較大的載荷，而在其余的因子上載荷比較小，使得旋轉(zhuǎn)后所得到的因子載荷陣的總方差達到最大值。

5)計算因子得分:求出各指標的因子得分值，為后續(xù)分析提供參考［14］。

最后用Excel 2007軟件將所得各因子得分均值與各樣點因子得分作雷達圖進行分析。

2.5 指標提取

對檢驗后數(shù)據(jù)作標準化處理，采用主成分分析法計算出用方差最大正交旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣，依據(jù)各共同因素中因素負荷量的大小排序，根據(jù)貢獻率大于85%且特征值大于1的標準抽取因子。

由于因子分析法［15］產(chǎn)生的前4個主成分特征值分別為1.167、1.128、1.059、1.044(均大于1)，提取出前4個主成分即湯河生態(tài)健康特征因子，且其對應的方差貢獻率分別為27.675%、26.112%、17.127%、14.918%，累積方差貢獻率超過85%，可以反映17個指標的絕大部分信息。相關(guān)因子載荷陣見表2。

2.6 指標修正

提取到各組因子后，為了便于進行數(shù)據(jù)分析及因子作用表達需將其命名，由表2可知:

1)主成分1中，坡度、縱比降、橫比降、閘壩個數(shù)載荷很大，是主要反映河流岸坡結(jié)構(gòu)的因子，命名為河流岸坡因子(因子1)，其值越大表明河道岸坡情況對河流生態(tài)健康影響情況越大;

表2 因子旋轉(zhuǎn)后河流健康指標因子載荷陣Tab.2 Factor loading array of Tanghe River health factors

2)主成分2中，pH值、溶解氧、總氨氮、河流生物多樣性載荷很大，是主要反映河流水質(zhì)情況的因子，命名為河流水質(zhì)因子(因子2)，其值越大表明河流水質(zhì)情況對河流生態(tài)健康影響情況越大;

3)主成分3中，流速、水與河底接觸點個數(shù)、河寬、河深載荷相對稍大，命名為河床作用因子(因子3)，其值越大表明河床作用對河流生態(tài)健康影響情況越大;

4)主成分4中，植被帶寬度、河流彎曲度、心灘面積、心灘形狀系數(shù)、河灘地覆蓋率載荷相對稍大，命名為河流植被因子(因子4)，其值越大表明河流植被對河流生態(tài)健康影響情況越大。

修正后的因素指標體系見表3。

3 結(jié)果與分析

3.1 湯河因子分析

將表3生成的修正指標應用于北京市湯河生態(tài)健康評價，結(jié)果見圖2。從圖2(a)可以看出，湯河因子1和2、3和4得分較相近，均對湯河河流生態(tài)健康相關(guān)性顯著;從圖2(b)～(e)可以看出，因子1在喇叭溝門、北八道河、古石溝門得分較大，因子2在二道河東溝、長哨營得分較大，因子3在長哨營和湯河口得分較大，因子4在頭道穴得分較大。說明這些河段對各指標因子影響較大。

表3 修正后的湯河河流生態(tài)健康影響因素指標體系Tab.3 Tanghe River ecosystem health influencing factor model after correction

3.2 指標影響分析

從因子的角度分析影響作用最大河段、最小河段及平均值，其相關(guān)度見表4?？梢钥闯?4個因子特征值中，因子4的平均值最大，其中頭道穴段所占份額最多，其次是因子3，對應湯河口段所占比例最多，說明因子3、因子4對湯河總體生態(tài)健康影響較大，集中體現(xiàn)在頭道穴段和湯河口段;4個因子特征值中，因子2的平均值最小，其次是因子1，均為老西溝門段，所占比例最多，說明老西溝門段為因子1和因子2影響湯河總體生態(tài)健康的關(guān)鍵河段。

另外，從表2中還可以看出，各個子因素的方差貢獻率中，因子1中坡度(9.627%)，因子2中pH值(10.675%)、溶解氧(12.568%)，因子3中流速(10.390%)、水與河底接觸點個數(shù)(16.112%)，因子4中心灘面積(8.693%)、心灘形狀系數(shù)(8.113%)、彎曲度(8.010%)、緩沖帶植被寬度(4.540%)與湯河總體生態(tài)健康的相關(guān)度較大。

表4 影響湯河生態(tài)健康的因子特征Tab.4 Characteristics of factors affecting Tanghe River

3.3 河段影響分析

將圖2(b)～(e)中顯著正相關(guān)(邊緣最外2環(huán)分布河段)、負相關(guān)(在雷達圖最內(nèi)環(huán)分布河段)相關(guān)河段在各因子中的分布比例整理為表5。

1)將數(shù)值前2列橫向求和，可看出顯著相關(guān)河段在因子4、因子1方面所占比例均達到40%，且第2列數(shù)字均大于第1列數(shù)字。說明河段對北京市湯河生態(tài)健康狀況的影響主要體現(xiàn)在因子1和因子4上，且下游對其影響要高于中游(上游為河北豐寧縣鄧家柵子，非本研究涉及范圍)。

2)顯著正相關(guān)河段在因子1中比例最高，顯著負相關(guān)河段在因子4中比例最高。說明顯著相關(guān)河段在因子1上對河流生態(tài)健康的影響是正相關(guān)作用，在因子4方面的影響是負相關(guān)作用。

4 結(jié)論

1)河流岸坡因子、河流水質(zhì)因子、河床作用因子，植被作用因子可以用來評價北京市湯河生態(tài)健康狀況，其中河床作用因子、植被作用因子對北京市湯河河流生態(tài)健康評價影響最大。

2)各河段對北京市湯河生態(tài)健康狀況各因子方面的影響可以通過因子分析法直觀看到，符合北京市湯河生態(tài)地域性特點對北京市湯河生態(tài)健康狀況的影響。

圖2 因子分析示意圖Fig.2 Diagram of evaluation factors

表5 各河段對河流生態(tài)健康相關(guān)度比例Tab.5 Percentage of river ecosystem health-related degrees in individual reaches

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