河流泥沙及水流對黃河生態(tài)健康的調(diào)節(jié)作用

王海軍　王洪鑄　趙偉華，　沈亞強，　茹輝軍，　梁小民

（1. 中國科學院水生生物研究所，淡水生態(tài)與生物技術國家重點實驗室，武漢 430072； 2. 長江科學院流域水環(huán)境研究所，武漢430010； 3. 浙江省嘉興市農(nóng)業(yè)科學研究院，嘉興 314016； 4. 中國水產(chǎn)科學研究院長江水產(chǎn)研究所，武漢 430223）

河流泥沙及水流對黃河生態(tài)健康的調(diào)節(jié)作用

王海軍1王洪鑄1趙偉華1，2沈亞強1，3茹輝軍1，4梁小民1

（1. 中國科學院水生生物研究所，淡水生態(tài)與生物技術國家重點實驗室，武漢 430072； 2. 長江科學院流域水環(huán)境研究所，武漢430010； 3. 浙江省嘉興市農(nóng)業(yè)科學研究院，嘉興 314016； 4. 中國水產(chǎn)科學研究院長江水產(chǎn)研究所，武漢 430223）

為對黃河的生態(tài)健康進行評價，調(diào)查了2008年春、秋兩季干流14個河段和4座水庫，并選擇高等植物、底棲動物及魚類群落特征等參數(shù)進行評價。生物評價結果既有效反映了水質(zhì)和基質(zhì)的空間格局，又有其自身分布特點?？傮w來說，上游的蘭州以下河段及下游各河段的健康狀況較差，中游各河段相對較好。回歸分析表明了各種水文和泥沙過程對生物群落發(fā)展和生態(tài)健康的重要影響。文章最后就黃河生態(tài)系統(tǒng)健康的維持提出了管理建議。

黃河；生態(tài)健康；高等植物；底棲動物；魚類

河流作為人類文明的起源，其積極作用源于河流泥沙的沉積形成了泛濫平原，為人類提供了多樣化的生態(tài)系統(tǒng)服務功能。黃河流域絕大部分是黃土高原，在漫長的歷史過程中沖積塑造了黃淮海泛濫平原，孕育了并一直滋潤著偉大的中華文明。隨著人口的急劇增長和社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，黃河泛濫平原生態(tài)系統(tǒng)面臨著多種脅迫。其中最主要的脅迫因子是大量水利水電樞紐工程的建造。黃河流域水資源的開發(fā)利用率高達70%［1］，已經(jīng)突破河流承載的極限。這些水利水電工程在帶來巨大的社會效益和經(jīng)濟效益的同時，也改變了流域內(nèi)的水－沙平衡，擾亂其自然水文情勢，加重了下游河道的泥沙淤積。另外，未經(jīng)處理污染物的過量輸入導致了河流水質(zhì)的惡化。上述這些過程將對生物群落帶來負面影響，進而威脅整個河流生態(tài)系統(tǒng)的完整性與健康。為遏止黃河河流-泛濫平原生態(tài)系統(tǒng)的惡化趨勢，李國英提出了以 “維持黃河健康生命”為終極目標的“1493”治河新理念［2］。劉曉燕［3］也提出了黃河健康生命指標體系，以期建立黃河健康衡量標準，為實踐治河新理念提供理論基礎。自2001年起，小浪底水庫實施了一系列的調(diào)水排沙工程，對維持下游河道形態(tài)和補給三角洲需水起到了積極的作用，但我們對于生物群落響應的認識尚存在不足。

關于對黃河健康的研究，已有研究多側重在沖淤平衡、河道形態(tài)及河流水質(zhì)的變化等［4—6］。由于各種原因，過去對于黃河流域尤其是干流水生生物群落的調(diào)查比較缺乏。在研究區(qū)域方面，已有工作多局限于對黃河三角洲或局部河段的零星調(diào)查［7—11］。在各生物類群方面，魚類資源的調(diào)查開展得較早也更全面［12—14］； 關于植被和底棲動物的工作主要集中于河口地區(qū)［15—18］?？傮w來說，歷史上對黃河流域各生物類群有一定的了解，但因受研究區(qū)域和類群的限制難以對其健康狀況作出全面合理的評價。為此，本研究在2008年春季和秋季對黃河干流劉家峽水庫以下至黃河口之間的重要河段和水庫開展了兩次全面生態(tài)調(diào)查，以期分析河岸高等植物、底棲動物和魚類等各生物類群的群落特征，并利用這些生物類群對調(diào)查區(qū)域的生態(tài)健康狀況進行評價，探討河流來水來沙過程對河流生態(tài)健康的影響。

1　研究區(qū)域與方法

1.1樣區(qū)設置

調(diào)查時間為2008年5月6日—6月15日及9月16日—10月31日。調(diào)查樣站設置在水文站附近（圖1），上游包括劉家峽水庫、蘭州、下河沿、青銅峽水庫、石嘴山、蹬口、三湖河口和頭道拐； 中游有府谷、吳堡、龍門、三門峽水庫和小浪底水庫； 下游有花園口、高村、艾山、利津和黃河口。調(diào)查河長跨度約3400 km。

圖1　黃河干流采樣站分布圖Fig. 1　The sampling stations on the mainstem of the Yellow River

1.2環(huán)境調(diào)查

海拔和流速分別用手持式GPS（美國GARMIN公司）和旋漿式流速儀（LS 1206B型，南京水利水文自動化研究所）現(xiàn)場測定。在每個河段設置3個樣點采集水樣，水樣在河岸邊取自表層（水面下0.5 m），在河道中間取表層和中層混合水，帶回實驗室分析。pH和電導率分別用數(shù)字pH計（PHS-2F型，上海雷磁公司）和電導率儀（DDS307B型，上海鵬順公司）測定?？偭子勉f銻抗分光光度法（GB11893－89）測定。歷史水文數(shù)據(jù)由黃河水利科學研究院水資源所提供。另外，根據(jù)歷史水文數(shù)據(jù)計算了32個水文變動指數(shù)。這些參數(shù)據(jù)其內(nèi)容分成5組，分別反映各月流量、年極端流量、年極端流量發(fā)生時間、高低流量的頻率及延時和流量變化改變率及頻率。

1.3生物采集

生物采集分定量和定性，在定量采集的同時選擇不同生境類型采集各生物類群定性樣品。河岸帶植被調(diào)查采用樣方法。視植被分布情況在每個河段設1—9個定量樣點，每個樣點設3—9個樣方。視植物疏密程度設樣方面積在10 cm×10 cm—10 m× 10 m。收割植株地上部分，鑒定、計數(shù)，稱量鮮重、計算生物量（量程為1000 g，精度為0.1 g）。底棲動物的采樣點在每個河段設置2—3個。在淺水區(qū)用1/16 m2彼得森采泥器采集，在深水區(qū)用1 L的橫式采樣器采集。泥樣經(jīng)40目/英寸銅篩篩洗后于白色解剖盤中分撿動物標本，并用10%福爾馬林保存帶回鑒定、計數(shù)。稱重前用吸水紙上吸走動物體表水分（量程220 g，精度0.0001 g）。魚類的采樣點在每個河段設置2—3個，主要通過直接放船下網(wǎng)或使用抬網(wǎng)、撒網(wǎng)等工具進行調(diào)查，統(tǒng)計多種漁具漁獲物中種類及數(shù)量并稱重（量程1000 g，精度0.1 g）。

1.4評價方法

選取3個生物類群、5個參數(shù)進行評價。其中底棲動物生物指數(shù)（Hilsenhoff's Biotic Index，IHB）的計算公式為：

式中ni和ti分別為第i分類單元的個體數(shù)和耐污值；N為各分類單元的個體總和； S為分類單元數(shù)。ti的確定參考文獻［19］和［20］，多數(shù)指定到屬，部分定到科。IHB=0.00—3.75極清潔； 3.76—4.25很清潔；4.26—5.00清潔； 5.01—5.75一般； 5.76—6.50輕污染；6.51—7.25污染； 7.26—10.00重污染。評價時，將各河段根據(jù)各參數(shù)按從小到大的順序進行排列（IHB按從大到小排）。將處于4個分位數(shù)河段的健康等級分別定義為差、中、良和優(yōu)，分別賦值-2、-1、1和2，最后將5個參數(shù)的評價賦值相加進行綜合評價。

2　結果

2.1基本環(huán)境特征

各河段分布于6—1723 m的不同海拔高度（表1），其年降雨量普遍較低且隨海拔升高呈降低的趨勢，其流量則以龍門為界劃分成900和1300 m3/s兩個梯度。流速在各河段的空間分布規(guī)律似乎不明顯，在0—0.85 m/s變動。泥沙含量在府谷至高村之間最高，且遠遠高于其他河段，其他各河段間差別不明顯。各河段pH多接近或超過9。電導率在上游河段之間的差異很大（0.431—1.270 mS/cm），而在中下游各河段之間的差別明顯要小得多?？偭诐舛瓤傮w來說在上游河段水平較高，且河段間的差異很大。葉綠素a在三門峽和艾山之間明顯較高，在其他各河段之間的差別相對較小。各河段河道內(nèi)底質(zhì)以沙質(zhì)為主，緊接水庫的下游河道底質(zhì)以卵石和礫石為主，水庫內(nèi)則以淤泥為主。

表1　黃河干流各河段基本環(huán)境特征Tab. 1　The environmental characteristics of different segments on the mainstem of the Yellow River

2.2基本生物群落特征

表2給出了各河段生物群落基本特征。高等植物共采集169種，各河段平均45種，密度平均216 ind./m2，生物量平均1337 g/m2。底棲動物共采集64種，平均10種，密度平均599 ind./m2，生物量平均0.73 g/m2。根據(jù)IHB，多數(shù)河段受到不同程度的污染。魚類共采集54種。

表2　黃河干流各河段生物群落基本特征（密度，ind./m2； 生物量，g/m2）Tab. 2　The characteristics of biocenosis on the mainstem of the Yellow River

2.3基于生物的河流健康評價

評價時選擇各類群生物的種類數(shù)來反映生境完整性和綜合健康狀況，并用底棲動物生物指數(shù)反映水體污染程度。植物生物量因在表現(xiàn)植物的生態(tài)功能方面優(yōu)于密度，將作為現(xiàn)存量的代表反映河岸基質(zhì)的穩(wěn)定性及水流需求的滿足程度。底棲動物由于生態(tài)類群龐雜，單從現(xiàn)存量難以反映問題，故其密度和生物量均不參與評價。

從5個生物參數(shù)的評價結果來看，各河段健康狀況的空間分布規(guī)律較明顯。從植物種類數(shù)來看（圖2a），中下游各河段基本較好； 從植物生物量來看（圖2b），中游河段較好。從底棲動物種類數(shù)來看（圖2c），中游河段較好，上游次之，下游最差。從底棲動物生物指數(shù)來看（圖2d），上游河段基本污染嚴重，中游次之，下游最好。魚類種類數(shù)對健康評價的規(guī)律性不十分明顯（圖2e），這與魚類資源本身相對稀少和魚類采集難度大有關系。

由于不同參數(shù)反映的是河流健康的不同方面，其評價結果相互之間存在較大的差異，因此有必要對各種結果進行整合。綜合來看（圖2f），健康狀況較好的河段基本集中在中游，下游的僅花園口較好。

圖2　基于各生物類群的黃河干流河段生態(tài)健康等級（兩個箭頭中間為中游，左右各為上下游）Fig. 2　The health status of Yellow River ecosystem based on different biological groups（The segments between the two arrows were middle reaches，the left and right of them were upper and lower reaches respectively）

2.4泥沙含量對生物群落的影響

鑒于泥沙輸移與沉積對于生境塑造的重要性，本文分析了泥沙含量與各生物群落特征參數(shù)之間的相關關系。結果表明泥沙含量與高等植物、底棲動物和魚類這三大類群生物的參數(shù)均有著顯著的相關關系，其中與高等植物之間的關系最為顯著（表3）。圖3給出了泥沙含量與高等植物生物量、底棲動物種類數(shù)及魚類種類數(shù)之間的回歸關系。

表3　泥沙含量與各生物參數(shù)之間的斯皮爾曼等級相關及皮爾森相關關系Tab. 3　The Spearman and Pearson correlation between sediment content and biological indexes

圖3　泥沙含量（kg/m3）與高等植物生物量（g/m2）、底棲動物種類數(shù)及魚類種類數(shù)之間的回歸關系Fig. 3　The regressions between sediment content and macrophyte biomass，species number of zoobenthos and fishes

2.5水流對生物群落的影響

泥沙的輸移與沉積過程受調(diào)節(jié)于水流的作用，因此水流對各生物群落有著直接和間接的影響。所以，有必要進一步分析水流對生物群落的影響。結果表明植物種類數(shù)主要與反映各月流量的第1組（各月流量）水文變動參數(shù)關系密切，尤其是平均流量（圖4a）； 其密度則與反映年度極端流量的參數(shù)關系密切，如平均年最大30日流量（圖4b）； 其生物量也與第1組參數(shù)關系密切，如最大年最大流速（圖4c）。底棲動物種類數(shù)僅與pH及年最大1日流量平均值的回歸關系較密切，但只剛剛達到顯著水平；其密度主要與第2組（年極端流量）參數(shù)關系密切，如平均年最小30日流量（圖4d）； 其生物量僅與電導率的關系達到顯著水平。魚類種類數(shù)與所有理化參數(shù)的關系均不顯著。

圖4　各生物參數(shù)與水文參數(shù)間的回歸關系（密度，ind./m2； 生物量，g/m2）（由于歷史水文數(shù)據(jù)有所缺失，各組關系的樣本量n不一樣）Fig. 4　The regressions between biological indexes and hydrological indexes（n values are different because of the absence of some hydrological data）

3　討論

因受研究區(qū)域和類群的限制，關于黃河生物群落特征的資料積累難以對其健康狀況作出全面合理的評價，相應的理解深度也就有限。比如，以往學者認為黃河水生生物群落 “生物結構簡單、生物的種和量都較少”［2］。根據(jù)本次調(diào)查結果，除了魚類多樣性較低之外，其生物群落總體上發(fā)展較好。各河段高等植物種類數(shù)在23—74，平均45種，總共169種。而長江鄂州段和武漢段灘地草本植物分別有28和56種［21］，與黃河的差別不大。各河段底棲動物種類數(shù)在2—23，平均10種，總共64種； 密度在71—2640 ind./m2，平均599 ind./m2； 生物量在0.01—3.38 g/m2，平均0.73 g/m2。長江江蘇段底棲動物（寡毛類、軟體動物和昆蟲）共38種，平均密度95 ind./m2［22］；長江（23個河段）底棲動物平均密度和生物量分別為382 ind./m2和1.06 g/m2，均與黃河的差別不大。可見，黃河干流的生物資源總體上比較豐富。關于各個生物群落特征的詳細報道可參見本研究同期研究結果［23—25］。

生物參數(shù)對河流健康的評價結果很好地反映了河流水質(zhì)和基質(zhì)的空間分布特征。不同參數(shù)評價結果存在一定的差異，這主要是因為各參數(shù)反映了河流健康的不同方面，如高等植物對應于河岸基質(zhì)的穩(wěn)定性，生物指數(shù)對應于水體污染程度。綜合各種評價結果，上中下游河段健康狀況的分布規(guī)律很明顯。健康狀況較好的河段基本集中在中游，下游的僅花園口較好，這與水質(zhì)和基質(zhì)的空間分布特征吻合較好?？偟膩碚f，上游蘭州以下河段的水質(zhì)較差［1，26］，下游水質(zhì)較好但河岸形態(tài)不穩(wěn)定，因此這兩段河流的健康狀況均較差； 中游河段污染較輕且基質(zhì)穩(wěn)定，因此健康狀況良好。

植被的發(fā)育情況反映的是各河段的河岸生境條件?，F(xiàn)實也是如此：上游各河段河岸往往較陡峭，基質(zhì)以大礫石和大卵石為主，不利于河岸植被的發(fā)育，因此植物種類數(shù)和現(xiàn)存量都較低； 中游河段坡岸相對平緩，且粗沙和細沙增多，植物易于生長，植物種類數(shù)和現(xiàn)存量都較高； 下游河段盡管沿岸筑有陡峭堅固的防洪大堤，但大量的泥沙在這里沉積形成大面積灘地，為植被的發(fā)育提供了一定條件，但因河道形態(tài)不穩(wěn)定，植物種類數(shù)較高但現(xiàn)存量較低。同植物一樣，底棲動物群落的發(fā)展需要相對穩(wěn)定的基質(zhì)。植被作為重要生境之一，為底棲動物提供穩(wěn)定的基質(zhì)和豐富的食物來源。因此，一般在植物生物量較高的河段，底棲動物種類數(shù)也較高（圖2a和d）。河道中大礫石也為底棲動物提供重要的小生境，大小不同的有機無機顆粒在此沉積，為底棲動物保證了穩(wěn)定的基質(zhì)和食物來源，如上游的各個河段。已有研究也觀察到類似的底棲動物與生境之間的這種對應關系［27］。

上述各河段生境特征、植被發(fā)育情況及動物在空間上的這種對應格局在定量關系分析中也得到驗證。相關分析表明泥沙含量與高等植物、底棲動物和魚類這三大類群生物的參數(shù)均有著顯著的相關關系。而且，泥沙含量與高等植物之間的關系最為顯著，這說明泥沙的沉積首先為植被提供良好的發(fā)育場所，進而再為底棲動物和魚類提供生境和食物來源。泥沙的輸移和沉積本身受水流的調(diào)節(jié)［28］，因此水文過程通過直接或間接的作用在很大程度上影響著這些生物發(fā)展。這在定量關系分析中也得到較好的驗證。其中第一組水文變動參數(shù)是植物對土壤含水量的需求和水生生物基本的棲息地需求。第二組參數(shù)主要是為河流渠道地貌和自然棲息地的構建提供條件，滿足植物擴展的需要。

針對黃河生態(tài)系統(tǒng)面臨的現(xiàn)實問題，本研究根據(jù)初步結果就如何構建黃河健康生命指標體系和維持健康生態(tài)系統(tǒng)提出如下三點具體建議：

一是加強對生物群落的連續(xù)監(jiān)測：以往關于黃河的研究一貫多關注物理和化學方面，如來水來沙過程、水質(zhì)污染及河道形態(tài)等。生物評價工作在最近幾年才剛剛起步，尚缺乏系統(tǒng)的生物學監(jiān)測資料。這使得黃河健康生命維持的相關工作只是片面的。水利部黃河水利委員會曾在2002—2010年成功實施了10次小浪底水庫原型調(diào)水調(diào)沙實驗，在來水來沙過程與河道形態(tài)方面積累了豐富的資料和經(jīng)驗，但缺乏相對應的生物監(jiān)測資料，難以全面認識這一系列實驗的生態(tài)學效應。因此，建議將來在生物監(jiān)測方面加強力度。

二是完善黃河健康生命指標體系：現(xiàn)有指標體系［3］的水生生物單元中只有魚類受到關注。由于魚類調(diào)查本身的誤差較大，難以量化。因此，在水生生物單元只考慮這4種關鍵魚類是否合理值得商榷。要使指標體系能全面評價生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況和確定修復目標，還需補充可量化的生物學指標，并考慮其他生物類群（如高等植物和底棲動物）以彌補魚類調(diào)查帶來的誤差和對健康評價的片面性。由此，建議在將來的研究中從生態(tài)學角度對黃河健康生命指標體系進行完善，以此對黃河的健康進行長期監(jiān)測并確定不同區(qū)段的生態(tài)系統(tǒng)修復目標。

三是營造小生境以恢復生物群落：生態(tài)系統(tǒng)中各類群生物對生境的需求往往各不相同。在河流生態(tài)系統(tǒng)中，大部分區(qū)域受水流沖刷干擾較大，因此穩(wěn)定的小生境對于水生生物的發(fā)展至關重要。在穩(wěn)定的生境中，有機物質(zhì)在此富集，高等植物和藻類可以得以穩(wěn)定發(fā)展，也為底棲動物等提供了居所和食物來源，魚類也可到此覓食、產(chǎn)卵。本次調(diào)查也發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象。在河岸帶，泥沙若能沉積穩(wěn)定，植被往往能得以發(fā)展，底棲動物也隨之發(fā)展起來。在較大流速的上游和中游河段，河道中的大礫石也可創(chuàng)造穩(wěn)定的小生境，使底棲動物得以發(fā)展。下游的花園口河段是小生境豐富的典型區(qū)域，在主河道邊大量泥沙在此沉積，形成大面積濕地和多樣的生境，生物群落充分發(fā)展，高等植物、底棲動物和魚類分別達66、21和31種。因此，建議人為地營造一些小生境以促進生物群落的發(fā)展。

本研究仍存在不少缺陷，如由于工作量巨大和精力有限，對于生物的全面調(diào)查僅開展了兩次。若能有周年四個季度調(diào)查，則可從時間尺度上探討生態(tài)健康及其影響因素的變遷。

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REGULATION OF SEDIMENT AND HYDROLOGICAL PROCESS ON ECOLOGICAL HEALTH OF THE YELLOW RIVER

WANG Hai-Jun1，WANG Hong-Zhu1，ZHAO Wei-Hua1，2，SHEN Ya-Qiang1，3，RU Hui-Jun1，4and LIANG Xiao-Min1
（1. State Key Laboratory of Freshwater Ecology and Biotechnology，Institute of Hydrobiology，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430072，China； 2. Basin Water Environmental Research Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China； 3. Jiaxing Academy of Agricultural Sciences，Jiaxing 314016，Wuhan； 4. Yangtze River Frisheries Research Institute，Chinese Academy of Fishery Sciences，Wuhan 430223，China）

The current study assessed the health status of the Yellow River ecosystem based on macrophytes，zoobenthos，fishes and their environments from investigation in Spring and Autumn，2008 on 14 segments and 4 reservoirs on the mainstem. The results showed a high variation in health status among river segments with healthier segements concentrated in the middle reaches. The results of biological ansalysis reflected the spatial distributions of water quality and substrates of the river. Segments below Lanzhou were poor in water quality. The lower segments were better in quality but unstable in shore shapes. Segments of these two regions were therefore relative poor in eco-health. Comparatively，the middle segments were better in eco-health due to the light pollution and stable substrate. Regression analysis showed vital roles of hydrological and sediment processes in the development of biological assemblages. These findings support the importance and requirement to establish biological indexes to assess the eco-health and maintain the eco-health of the Yellow River.

The Yellow River； Ecological health； Macrophytes； Zoobenthos； Fishes

Q146

A

1000-3207（2016）05-1003-09

10.7541/2016.130

2015-08-25；

2016-01-11

水利部公益性行業(yè)科研專項（編號：2007SHZ1-19）； 中國科學院青年創(chuàng)新促進會（編號：20143121） 資助 ［Supported by the Ministry of Water Resources Public Sector Research Program（Grant No. 2007SHZ1-19）； the Youth Innovation Association of Chinese Academy of Sciences（Grant No. 20143121）］

王海軍（1978—），男，江西玉山人； 副研究員； 主要從事淡水生態(tài)學研究。E-mail：wanghj@ihb.ac.cn

梁小民，E-mail：liangxm@ihb.ac.cn