北京市白河和潮河流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)

徐 菲,王永剛,張 楠,王 旭,范 清

北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院,國(guó)家城市環(huán)境污染控制工程技術(shù)研究中心, 北京 100037

北京市白河和潮河流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)

徐 菲*,王永剛,張 楠,王 旭,范 清

北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院,國(guó)家城市環(huán)境污染控制工程技術(shù)研究中心, 北京 100037

選取北京市重要的飲用水源密云水庫(kù)上游白河和潮河流域,結(jié)合北京山區(qū)流域生態(tài)現(xiàn)狀,構(gòu)建了涵蓋水域生境結(jié)構(gòu)、水生生物、生態(tài)壓力和陸域生態(tài)格局與功能、生態(tài)壓力5大類13項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,開(kāi)展了流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)。結(jié)果表明白河和潮河流域的健康狀態(tài)整體處于良好等級(jí),但水生生物和陸域生態(tài)格局狀況相對(duì)較差。14個(gè)子流域的健康狀況差異并不顯著,琉璃河、白河下段、湯河上游的健康狀況相對(duì)較好,潮河中下段和小湯河的健康狀況相對(duì)較差。流域內(nèi)不合理的畜禽養(yǎng)殖、岸邊帶種植及民俗旅游是導(dǎo)致流域生態(tài)健康退化的主要原因,建議加強(qiáng)污染負(fù)荷排放的控制和監(jiān)管涉水活動(dòng)對(duì)水生生境的干擾以改善流域健康狀況,并重點(diǎn)關(guān)注可指示水生態(tài)系統(tǒng)早期退化的生物指數(shù),以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性和適應(yīng)性的流域管理,保障密云水庫(kù)的水生態(tài)安全。

流域健康；白河；潮河；健康評(píng)價(jià)；密云水庫(kù)；生物指示物種；人為干擾

生態(tài)系統(tǒng)健康這一概念,產(chǎn)生于20世紀(jì)70年代全球生態(tài)系統(tǒng)普遍退化的背景下。Rapport于1989年論述了生態(tài)系統(tǒng)健康的內(nèi)涵,認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)健康是指生態(tài)系統(tǒng)具有維持其組織結(jié)構(gòu)、自我調(diào)節(jié)和對(duì)脅迫的恢復(fù)能力[1],可為人類提供持續(xù)和良好的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。流域生態(tài)健康,是生態(tài)健康概念在流域尺度上的具體應(yīng)用,US EPA[2]指出,健康的流域生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)能維持水生、河岸生物的棲息生境和河流連通性,為生物提供棲息地和避難所；具有自然水文過(guò)程、良好的水質(zhì)和必要的自然干擾；具有自我維持能力的水生、河岸生物群落。在此概念的界定下,從綜合和系統(tǒng)的角度評(píng)價(jià)流域生態(tài)健康狀況已經(jīng)成為環(huán)境保護(hù)與管理的國(guó)際趨勢(shì)。通過(guò)分析健康評(píng)價(jià)指標(biāo)掌握流域健康狀況,診斷健康存在的問(wèn)題,將其應(yīng)用于流域管理,能綜合評(píng)價(jià)流域生態(tài)系統(tǒng)的健康程度,便于管理者全面掌握生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物完整性狀況,并在考慮人類需求的基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的保護(hù)與修復(fù)措施,對(duì)流域綜合開(kāi)發(fā)與管理及流域可持續(xù)發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義[3-4]。

國(guó)外對(duì)河流生態(tài)健康的評(píng)價(jià)研究工作開(kāi)展得較早。澳大利亞、南非、美國(guó)、英國(guó)等國(guó)家在河流生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)方法上取得了較大進(jìn)展,例如澳大利亞的國(guó)家河流健康計(jì)劃(National River Health Program, NRHP)、河流評(píng)價(jià)體系(Australian River Assessment Scheme, AusRivAS)[5-6]和溪流狀態(tài)指數(shù)(Index of Steam Condition, ISC)[7]；南非的河流棲息地綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)[8]；美國(guó)白宮實(shí)施的全國(guó)河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)項(xiàng)目[9]和快速生物監(jiān)測(cè)協(xié)議(Rapid Bioassessment Protocols, RBPs)[10]；英國(guó)的河流無(wú)脊椎動(dòng)物預(yù)測(cè)與分類系統(tǒng)(River Invertebrate Prediction and Classification System, RIVPACS)[11]。國(guó)內(nèi)學(xué)者也相繼開(kāi)展了河流健康評(píng)價(jià)方面的研究,并在河流健康評(píng)價(jià)框架的構(gòu)建、城市河流健康評(píng)價(jià)方法及健康評(píng)價(jià)在管理中的應(yīng)用等方面取得了一定進(jìn)展[1,12-14]。與河流生態(tài)健康評(píng)價(jià)相比,在流域這一尺度上進(jìn)行生態(tài)健康評(píng)價(jià)的研究和實(shí)踐尚不多見(jiàn)。美國(guó)在這一領(lǐng)域嘗試較早,在流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)模型和指標(biāo)體系方面取得了較多的成果,形成了涵蓋整個(gè)流域,包括水文、化學(xué)、生物等多重指標(biāo)在內(nèi)的全國(guó)性流域綜合生態(tài)健康評(píng)價(jià)體系,并于2005年前后分別對(duì)國(guó)內(nèi)的Muskoka流域、Mississippi流域、新澤西州流域、波特蘭市流域開(kāi)展了生態(tài)健康評(píng)價(jià)工作[15-17]。澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)和工業(yè)研究組織相關(guān)學(xué)者,建立了流域健康診斷指標(biāo),該方法能夠分析流域的總體質(zhì)量、功能水平與環(huán)境質(zhì)量變化的趨勢(shì),使人們明確應(yīng)該采取哪些具體而必要的行動(dòng)和措施[18]。加拿大針對(duì)Kemptville Greek流域提出了開(kāi)發(fā)與保護(hù)并重的流域健康保護(hù)計(jì)劃,從水質(zhì)、野生動(dòng)物、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)及水量4個(gè)方面分別制定了可持續(xù)的且不以犧牲其他目標(biāo)為代價(jià)的保護(hù)發(fā)展計(jì)劃[19]。

我國(guó)開(kāi)展的流域生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)研究相對(duì)較晚,整體水平處于起步階段。1999年學(xué)者劉國(guó)彬完成了《生態(tài)環(huán)境健康診斷指南》專著,并在我國(guó)黃土高原水土保持綜合治理實(shí)踐和具體實(shí)際工作的基礎(chǔ)上較早提出了“流域生態(tài)健康診斷”研究課題。隨后出現(xiàn)了許多流域生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)研究案例,多數(shù)以采用壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(Pressure-state-response,PSR)模型構(gòu)建流域生態(tài)健康評(píng)估指標(biāo)體系為主[20-27],同時(shí)RS和GIS技術(shù)在流域生態(tài)健康評(píng)估中也得到了廣泛應(yīng)用[28-29],二者相結(jié)合為評(píng)價(jià)指標(biāo)的獲取提供了便利,成為研究流域生態(tài)系統(tǒng)的重要手段。但上述研究實(shí)例仍處于嘗試階段,未形成具有普適性的流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)體系。王文杰等[30]從水域、岸邊帶和陸域的生態(tài)結(jié)構(gòu)、服務(wù)功能和脅迫特征的角度構(gòu)建了流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并將RS和GIS技術(shù)應(yīng)用于健康評(píng)價(jià)指標(biāo)的獲取過(guò)程中,在國(guó)內(nèi)典型流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)方面具有一定的普適性。

白河和潮河是北京市重要的飲用水源密云水庫(kù)的兩大入庫(kù)河流,其所在流域的健康狀況與密云水庫(kù)的水質(zhì)密切相關(guān)。本文選取了白河和潮河流域?yàn)檠芯繉?duì)象,借鑒王文杰等提出的流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)體系,結(jié)合北京市流域的實(shí)際狀況,構(gòu)建了北京市白河和潮河流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,開(kāi)展了流域生態(tài)健康評(píng)價(jià),診斷了流域健康退化的主要原因,并針對(duì)流域健康改善和未來(lái)北京市流域管理提出了建議,以期為保證首都健康的良性水生態(tài)體系奠定基礎(chǔ)。

1 研究方法

1.1 評(píng)價(jià)區(qū)域與對(duì)象

本文中白河和潮河流域是指北京市境內(nèi)的密云水庫(kù)流域上游的白河和潮河流域。白河流域(116°7′0″—116°53′0″E,40°31′—41°03′N),和潮河流域(117°0′—117°30′E,40°31—40°42′N)面積分別為2203.9km2和482.2 km2(圖1),同屬溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候,流域內(nèi)水系縱橫,白河有黑河、湯河和天河等支流,潮河流域內(nèi)有清水河、安達(dá)木河等支流,多為季節(jié)性支流。近年來(lái),隨著流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,不合理的人類活動(dòng)會(huì)對(duì)流域生態(tài)狀況產(chǎn)生較大的負(fù)面影響,進(jìn)而對(duì)下游密云水庫(kù)的水生態(tài)安全造成一定威脅,有必要針對(duì)白河和潮河開(kāi)展流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)。

基于ArcGIS軟件的空間水文分析模塊,將白河流域分為8個(gè)子流域,潮河流域分為6個(gè)子流域作為健康評(píng)價(jià)單元。以水域和陸域生態(tài)系統(tǒng)為評(píng)價(jià)對(duì)象,以子流域?yàn)榛締卧?從生態(tài)結(jié)構(gòu)、服務(wù)功能和壓力狀況等方面構(gòu)建流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)的基本框架。

圖1 白河和潮河流域評(píng)價(jià)區(qū)域及采樣點(diǎn)分布Fig.1 Assessment area and sampling site distribution of Bai River Basin and Chao River Basin

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

用于計(jì)算流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù)主要通過(guò)實(shí)地監(jiān)測(cè)和調(diào)查、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)收集、遙感數(shù)據(jù)分析計(jì)算等手段獲取。白河和潮河流域的水質(zhì)、水生生物和生境現(xiàn)狀數(shù)據(jù)主要來(lái)自水生態(tài)監(jiān)測(cè)與調(diào)查。2013年和2014年5—11月間分別開(kāi)展了白河和潮河流域16個(gè)樣點(diǎn)的水質(zhì)、水生生物監(jiān)測(cè)以及河道連通、生境狀況等調(diào)查,監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要包括河流水體24項(xiàng)常規(guī)檢測(cè)水質(zhì)指標(biāo)、底棲動(dòng)物和魚類的種類和數(shù)量、閘壩分布以及水生生境受干擾現(xiàn)狀。魚類樣品主要應(yīng)用掛網(wǎng)法和地籠法相結(jié)合的方法進(jìn)行采集,樣品在現(xiàn)場(chǎng)完成鑒定、稱量和計(jì)數(shù)；底棲動(dòng)物樣品應(yīng)用D型手抄網(wǎng)進(jìn)行采集,樣品經(jīng)70%酒精固定后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行鑒定和計(jì)數(shù)。計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù)來(lái)源詳見(jiàn)表1。

1.3 評(píng)價(jià)方法

指標(biāo)體系法是目前國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的健康評(píng)估方法,在實(shí)踐中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。本文參考王文杰等[30]提出的流域生態(tài)健康評(píng)估指標(biāo)體系,結(jié)合白河和潮河流域的生態(tài)狀況以及數(shù)據(jù)的可獲取性,對(duì)部分指標(biāo)進(jìn)行了調(diào)整,選取了包括水域和陸域涵蓋水質(zhì)、水文、物理結(jié)構(gòu)、生物以及生態(tài)功能、生態(tài)壓力等共13項(xiàng)指標(biāo),構(gòu)建了北京市白河和潮河流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1)。針對(duì)水域指標(biāo),根據(jù)實(shí)地調(diào)查,白河和潮河內(nèi)河流基本為自然河道,自然河道比例在各子流域間分異性較低,而且近年來(lái)不存在特有性或指示性物種以及外來(lái)物種入侵,因此,在評(píng)價(jià)過(guò)程中未采用自然河道比例、特有性或指示性物種保持率和外來(lái)物種入侵率；針對(duì)陸域指標(biāo),白河和潮河位于北京市重要的飲用水源地密云水庫(kù)上游,土壤保持功能與生物多樣性保護(hù)狀況相對(duì)較好,相關(guān)指數(shù)在各子流域間分異性較低,因此,在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建過(guò)程中未采用上述指標(biāo)。

指標(biāo)權(quán)重的確定方法分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法,其中客觀賦權(quán)法的原始數(shù)據(jù)是由各指標(biāo)在評(píng)價(jià)中的實(shí)際數(shù)據(jù)組成,可以避免由于人為主觀判斷而產(chǎn)生的誤差。熵權(quán)法是客觀賦權(quán)法的一種,當(dāng)涉及多個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象時(shí)采用熵權(quán)法對(duì)各因子賦權(quán),在保證權(quán)重客觀合理基礎(chǔ)上,可大大簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程,因此,本次評(píng)價(jià)各指標(biāo)的權(quán)重應(yīng)用熵權(quán)法[31]確定。

表1 北京市流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

水域生態(tài)健康評(píng)估指標(biāo)主要包括生境結(jié)構(gòu)、水生生物和生態(tài)壓力3類,共7項(xiàng)指標(biāo)；陸域生態(tài)健康評(píng)估指標(biāo)主要包括生態(tài)格局與功能和生態(tài)壓力兩類,共6項(xiàng)指標(biāo)。各指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

(1)水質(zhì)狀況指數(shù) 反映流域水質(zhì)狀況和受污染程度。考慮白河和潮河是飲用水源地密云水庫(kù)的兩大入庫(kù)河流,根據(jù)飲用水源水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),將水質(zhì)狀況指數(shù)設(shè)定為流域內(nèi)II類及以上水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面數(shù)占流域全部監(jiān)測(cè)斷面數(shù)的比例。

(2)枯水期徑流量占同期年徑流量的比例 反映流域調(diào)洪補(bǔ)枯的功能,衡量河流生態(tài)需水量的滿足程度。計(jì)算方法：調(diào)查研究區(qū)域內(nèi)典型水文站點(diǎn)水文統(tǒng)計(jì)資料,計(jì)算典型年枯水期徑流量與同期年平均流量的比值。

(3)河道連通性 指自然河道的連通狀況,利用每百km河道的閘壩個(gè)數(shù)評(píng)估河道的連通性。

(4)大型底棲動(dòng)物多樣性綜合指數(shù) 選取反映大型底棲動(dòng)物多樣性的多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)估,表征大型底棲動(dòng)物的物種完整性狀況。利用指標(biāo)包括：(a)大型底棲動(dòng)物分類單元數(shù)(S)；(b)大型底棲動(dòng)物EPT科級(jí)分類單元比(EPTr-F)；(c)大型底棲動(dòng)物BMWP指數(shù)(BMWP)；(d)大型底棲動(dòng)物Berger-Parker優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,然后計(jì)算4個(gè)指標(biāo)的算術(shù)平均和。

(a)大型底棲動(dòng)物分類單元數(shù)S

即根據(jù)鑒定水平,某樣點(diǎn)樣品中出現(xiàn)的所有底棲動(dòng)物分類單元數(shù)。

(b)大型底棲動(dòng)物EPT科級(jí)分類單元比(EPTr-F)

即某樣點(diǎn)樣品中出現(xiàn)的大型底棲動(dòng)物蜉蝣目(E)、積翅目(P)和毛翅目(T)三目昆蟲(chóng)科級(jí)分類單元數(shù)在該樣品中所有科級(jí)分類單元總數(shù)中所占的比例。

(c)大型底棲動(dòng)物BMWP指數(shù)(BMWP)

BMWP =∑ti

(1)

式中,ti為某樣點(diǎn)樣品中大型底棲動(dòng)物第i物種基于科一級(jí)分類階元的敏感值。

(d)大型底棲動(dòng)物Berger-Parker優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)

D=Nmax/N

(2)

式中,Nmax為某樣點(diǎn)樣品中最優(yōu)勢(shì)種的個(gè)體數(shù)；N為底棲動(dòng)物鑒定分類水平下所有個(gè)體數(shù)。

(5)魚類物種多樣性綜合指數(shù) 選取反映魚類物種多樣性的多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)估,表征魚類的物種完整性狀況。利用指標(biāo)包括：(a)魚類總分類單元數(shù)(S)；(b)魚類香農(nóng)-威納多樣性指數(shù)(H)；(c)魚類Berger-Parker優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,然后計(jì)算3個(gè)指標(biāo)的算術(shù)平均和。

(a)魚類總分類單元數(shù)(S),即某樣點(diǎn)中出現(xiàn)的所有魚類物種數(shù)。

(b)魚類香農(nóng)-威納多樣性指數(shù)(H)

(3)

式中,H為某群落多樣性指數(shù)；N為某群落中出現(xiàn)的所有物種數(shù)；ni為樣點(diǎn)中第i種的個(gè)體數(shù)。

(c)魚類Berger-Parker優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)

D=Nmax/N

(4)

式中,Nmax為樣點(diǎn)中優(yōu)勢(shì)種的個(gè)體數(shù)；N為樣點(diǎn)中全部物種的個(gè)體數(shù)。

(6)水資源開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度 反映流域水資源的開(kāi)發(fā)利用程度,根據(jù)區(qū)域工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活、環(huán)境等用水量占評(píng)估區(qū)域的水資源總量比值進(jìn)行評(píng)估。

(7)水生生境干擾指數(shù) 反映水域生境遭到人為挖砂、旅游等活動(dòng)破壞的影響狀況。應(yīng)用美國(guó)EPA提出的快速生物監(jiān)測(cè)協(xié)議(RBPs)中關(guān)于生境評(píng)價(jià)的方法,對(duì)分別包含底質(zhì)、水潭特性、河道變化及河岸特征等10個(gè)方面生境要素進(jìn)行打分評(píng)價(jià)。

(8)森林覆蓋率 指單位面積內(nèi)森林的垂直投影面積所占百分比,森林覆蓋率越高,生態(tài)系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越好,有利于流域的生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)。

(9)景觀破碎度 反映陸域自然生態(tài)系統(tǒng)的完整性狀況和景觀格局條件,是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的一方面。計(jì)算方法：

Ci=Ni/Ai

(5)

式中,Ci為景觀i的破碎度,Ni為景觀i的斑塊數(shù),Ai為景觀i的總面積。

(10)重要生境保持率 用于反映流域岸帶的生態(tài)健康狀況。

重要生境保持率=自然植被結(jié)構(gòu)完整性指數(shù)×0.7+自然堤岸比例分值×0.3

其中,自然植被結(jié)構(gòu)完整性指數(shù)=(生態(tài)系統(tǒng)類型分值×該類型面積)/重要生境評(píng)估總面積×100%；自然堤岸比例=自然堤岸河段長(zhǎng)度/評(píng)估河段總長(zhǎng)度×100%。重要生境范圍的確定是以平水期河流水位為起始邊界,兩側(cè)向外延伸各10m作為評(píng)估范圍。

(11)水源涵養(yǎng)功能指數(shù) 反映了生態(tài)系統(tǒng)攔蓄降水或調(diào)節(jié)河川徑流量的能力,水源涵養(yǎng)功能保持較好,流域生態(tài)健康程度就高。

(6)

式中,Hi表示第i項(xiàng)指標(biāo)健康分值,ωi表示第i項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重,其中i為3,指標(biāo)及權(quán)重賦分形式見(jiàn)表2。

表2 健康評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及賦分

植被覆蓋度解釋 陸域植被覆蓋度越好,其初級(jí)生產(chǎn)力越高,生態(tài)系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越好,有利于流域的生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)。計(jì)算公式：通常用歸一化植被指數(shù)(NDVI)來(lái)計(jì)算植被覆蓋度。根據(jù)像元二分模型理論,植被覆蓋度計(jì)算模型可得：

(7)

式中，F(xiàn)c是植被覆蓋度,NDVIveg是純植被像元的NDVI值,NDVIsoil是完全無(wú)植被覆蓋像元的NDVI值。不透水面即水不能通過(guò)其下滲到地表以下的人工地貌物質(zhì)。

(12)建設(shè)用地比例 建設(shè)用地比例反映陸域的人為景觀空間組成及格局狀況。計(jì)算方法：建設(shè)用地比例=建設(shè)用地面積/陸域總面積。

(13)污染負(fù)荷排放指數(shù) 反映人類生活過(guò)程中排放的污染物對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)的壓力,包括點(diǎn)源和面源污染負(fù)荷。點(diǎn)源污染負(fù)荷統(tǒng)計(jì)生活污染源排放和工業(yè)污染源排放兩類；面源污染負(fù)荷統(tǒng)計(jì)畜禽養(yǎng)殖業(yè)、種植業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)3種類型。計(jì)算方法：污染負(fù)荷排放指數(shù)=0.5×COD排放量/COD目標(biāo)排放量+0.5×氨氮排放量/氨氮目標(biāo)排放量。

利用綜合指數(shù)法進(jìn)行流域生態(tài)健康綜合評(píng)估,通過(guò)水域和陸域健康指數(shù)加權(quán)求和,構(gòu)建綜合評(píng)估指數(shù)WHI,以該指數(shù)表示流域的健康狀況。綜合指數(shù)WHI計(jì)算如下：

WHI=IwWw+ILWL

(8)

式中,Iw為水域健康指數(shù)值,Ww為水域健康指數(shù)權(quán)重；IL為陸域健康指數(shù)值,WL為陸域健康指數(shù)權(quán)重。Iw和IL分別由各自的二級(jí)指標(biāo)加權(quán)獲得。

水域健康指數(shù)值：

(9)

陸域健康指數(shù)值：

(10)

式中wi為水域和陸域的二級(jí)指標(biāo)權(quán)重,xi′為二級(jí)指標(biāo)值。

根據(jù)綜合指數(shù)WHI計(jì)算公式及各指標(biāo)權(quán)重,分別得出白河和潮河流域的健康綜合指數(shù),并根據(jù)健康分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表3),確定流域的健康等級(jí)。

表3 流域生態(tài)健康狀況分級(jí)

2 結(jié)果與分析

選取白河和潮河流域的水域、陸域的結(jié)構(gòu)、格局和功能指標(biāo),分別采用雷達(dá)圖形式表示流域的健康狀態(tài)(圖2,圖3)。依據(jù)健康評(píng)估指標(biāo)的得分及權(quán)重,分別計(jì)算得出白河和潮河流域水域、陸域的健康指數(shù)值和流域健康綜合指數(shù),并根據(jù)健康分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),確定流域的健康等級(jí)(表4)。

綜合白河和潮河流域水陸域生態(tài)健康狀態(tài)評(píng)估結(jié)果,從雷達(dá)圖可直觀反應(yīng)出白河流域各水域健康狀態(tài)指標(biāo)中魚類物種和大型底棲動(dòng)物多樣性綜合指數(shù)得分均相對(duì)較低；潮河流域各水域健康狀態(tài)指標(biāo)中除水質(zhì)狀況指數(shù)外得分均不高,其中魚類物種和大型底棲動(dòng)物多樣性綜合指數(shù)得分均相對(duì)較低。白河流域陸域整體健康狀態(tài)相對(duì)較好,僅景觀破碎度得分相對(duì)較低；潮河流域景觀破碎度和森林覆蓋率得分均相對(duì)較低,表明流域景觀被分割的破碎程度較高、部分森林植被遭到破壞,生態(tài)格局狀況相對(duì)較差。

圖2 白河流域水陸域生態(tài)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.2 Results of ecosystem health assessment of Bai River Basin

圖3 潮河流域水陸域生態(tài)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.3 Results of ecosystem health assessment of Chao River Basin

圖4 白河和潮河流域生態(tài)健康壓力評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.4 Results of ecosystem health pressure assessment of Bai River and Chao River Basin

根據(jù)白河和潮河流域健康綜合評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算結(jié)果表4可知,白河流域健康綜合指數(shù)為78,潮河流域健康綜合指數(shù)為71,均處于良好等級(jí)。14個(gè)子流域的健康綜合指數(shù)均在60—80之間,處于良好等級(jí),白河流域各子流域的健康狀態(tài)基本優(yōu)于潮河流域。白河流域中,琉璃河、白河下段、湯河上游的健康狀況相對(duì)較好,菜食河周邊有村莊分布,河岸帶有農(nóng)作物種植,健康狀況相對(duì)較差。潮河流域中,安達(dá)木河上段、安達(dá)木河下段和潮河上段健康狀況相對(duì)較好,潮河下段河道受人為活動(dòng)影響,水生生境受到一定程度破壞,健康狀況相對(duì)較差。結(jié)合水陸域生態(tài)壓力評(píng)價(jià)結(jié)果(圖4)可知,白河流域和潮河流域水生生境干擾指數(shù)和污染負(fù)荷排放指數(shù)得分相對(duì)較低,表明人類對(duì)水生生境的干擾和污染排放是造成流域生態(tài)健康退化的主要原因。根據(jù)實(shí)地調(diào)研,流域內(nèi)存在養(yǎng)殖場(chǎng)和散養(yǎng)現(xiàn)象,岸邊帶有少數(shù)農(nóng)作物種植,并有一定數(shù)量的民俗旅游分布,不合理的涉水活動(dòng)造成水生生境破壞,進(jìn)而導(dǎo)致生物多樣性下降。

3 討論

底棲動(dòng)物因長(zhǎng)期生活在底泥中,具有個(gè)體較大、壽命較長(zhǎng)、區(qū)域性強(qiáng)、遷移能力弱、對(duì)于外界干擾通常少有回避能力且對(duì)環(huán)境變化比較敏感等特點(diǎn),因此,利用底棲動(dòng)物作為指示物種可以有效地反應(yīng)水體的生態(tài)狀況。根據(jù)白河和潮河水生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算大型底棲動(dòng)物多樣性綜合指數(shù)結(jié)果顯示,白河流域標(biāo)準(zhǔn)化后的大型底棲動(dòng)物分類單元數(shù)為0.631,EPT科級(jí)分類單元比為0.709,BMWP(敏感值)指數(shù)為0.659,Berger-Parker優(yōu)勢(shì)度指數(shù)為0.773,其中水生生物分類單元數(shù)和BMWP指數(shù)相對(duì)較低導(dǎo)致多樣性綜合指數(shù)得分較少,表明底棲動(dòng)物敏感物種比例降低,造成生物多樣性下降；潮河流域標(biāo)準(zhǔn)化后的大型底棲動(dòng)物分類單元數(shù)為0.520,EPT科級(jí)分類單元比為0.374,BMWP(敏感值)指數(shù)為0.577,Berger-Parker優(yōu)勢(shì)度指數(shù)為0.527,其中EPT科級(jí)分類單元比相對(duì)較低,表明敏感物種蜉蝣目(E)、積翅目(P)和毛翅目(T)的種類比例相對(duì)較低,生物狀況相對(duì)較差。

表4 流域健康綜合評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算結(jié)果

河流的棲息地特征和生物多樣性是緊密相關(guān)的, 棲息地的質(zhì)量和數(shù)量會(huì)直接或間接影響當(dāng)?shù)厣锶郝涞慕M成和結(jié)構(gòu)。鄭丙輝等[32]研究了棲息地環(huán)境與底棲生物的相關(guān)關(guān)系,結(jié)果表明用于表征棲息地環(huán)境的指標(biāo),如水質(zhì)狀況、水量狀況及物理結(jié)構(gòu)等,與大部分底棲生物指標(biāo)都呈現(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)系。根據(jù)白河和潮河流域河流大型底棲動(dòng)物分類單元數(shù)S、EPT科級(jí)分類單元比(EPTr-F)、BMWP指數(shù)和Berger-Parker優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)的計(jì)算結(jié)果與水生生境干擾指數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析(圖5),結(jié)果表明水生生境干擾指數(shù)與底棲動(dòng)物的4項(xiàng)指標(biāo)均存在一定的相關(guān)性,其中與EPT科級(jí)分類單元比(EPTr-F)和Berger-Parker優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)的相關(guān)系數(shù)較高。由于白河和潮河水域指標(biāo)中反映水質(zhì)狀況的指數(shù)得分較高,說(shuō)明水量及物理結(jié)構(gòu)等生境要素是影響底棲動(dòng)物多樣性的主要因素。根據(jù)實(shí)地調(diào)查,流域范圍岸邊帶種植、民俗旅游等不合理的涉水活動(dòng)引起的水生生境破壞已影響了底棲動(dòng)物敏感物種,造成了水生態(tài)系統(tǒng)的早期退化,因此,目前環(huán)境管理過(guò)程中利用單一的水質(zhì)指標(biāo)已不足以全面反映生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能狀況,建議將以水生態(tài)健康調(diào)查為基礎(chǔ)的健康評(píng)價(jià)納入環(huán)境管理中作為常規(guī)工作內(nèi)容,可利用底棲動(dòng)物多樣性指標(biāo)反映水生態(tài)系統(tǒng)狀況,以便于在生態(tài)退化早期采取相應(yīng)的措施。

圖5 水生生境干擾指數(shù)與各生物指標(biāo)相關(guān)分析結(jié)果Fig.5 Results of correlation analysis between aquatic habitat disturbance index and biotic index

4 結(jié)論

構(gòu)建涵蓋水域和陸域的北京市白河和潮河流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,開(kāi)展流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)得出白河和潮河流域的健康狀態(tài)整體均處于良好等級(jí),但水生生物和陸域生態(tài)格局狀況相對(duì)較差,14個(gè)子流域的健康狀況差異并不顯著,琉璃河、白河下段、湯河上游的健康狀況相對(duì)較好,潮河中下段和小湯河的健康狀況相對(duì)較差。流域內(nèi)不合理的畜禽養(yǎng)殖、岸邊帶種植及民俗旅游是導(dǎo)致流域生態(tài)健康退化的主要原因,建議加強(qiáng)面源污染負(fù)荷排放的控制和監(jiān)管涉水活動(dòng)對(duì)水生生境的干擾,以實(shí)現(xiàn)流域健康狀況的改善。涵蓋水域和陸域13項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系非常適用于北京市郊區(qū)流域生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià),其中表征水生生物狀況的指標(biāo)可以反映水生態(tài)系統(tǒng)的早期退化,建議北京市未來(lái)將流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)納入流域管理作為常規(guī)工作內(nèi)容,用于指導(dǎo)和評(píng)估管理行為,同時(shí)重點(diǎn)關(guān)注對(duì)人類干擾敏感、可指示水生態(tài)系統(tǒng)早期退化的一系列生物指數(shù),以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性和適應(yīng)性的流域管理。

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Health assessment of watershed ecosystems: the Chao River and Bai River Basins as a case study

XU Fei*, WANG Yonggang, ZHANG Nan, WANG Xu, FAN Qing

BeijingMunicipalResearchAcademyofEnvironmentalProtection,NationalEngineeringResearchCenterforUrbanEnvironmentalPollutionControl,Beijing100037,China

From the perspective of adaptive river basin management, health assessment based on an eco-environmental investigation was used to determine the health state, analyze the pressure influence and diagnose the main problems of watershed ecosystems. The Chao River and Bai River basins, located upstream of the important drinking water source of Beijing (the Miyun Reservoir), were selected as an example for such an assessment. The established index system for the assessment includes 13 indicators, which cover aspects of habitat structure, aquatic organisms, ecological patterns, ecological functioning, and ecological pressure. The health states of water and land areas of the studied basins were evaluated by comparing their state indicator scores, to consequently determine the weakness of the basins′ ecosystems. In addition, the major cause for ecosystem health degradation was analyzed by contrasting the ecological pressure indicator scores. The results show that the health states of water land areas of the Chao River and Bai River basins were good. However, the aquatic organisms and ecological patterns were in a poor state. Furthermore, the indices of organism diversity and landscape fragmentation in the Bai River basin acquired a relatively low score, whereas organism diversity, landscape fragmentation, and forest cover score were comparatively low in the Chao River basin. The health pressure assessment showed that indices of aquatic habitat disturbance and pollution load discharge scored low. This observation indicates that in the Chao River and Bai River basins, river habitat damage resulting from anthropogenic disturbances and pollutants are the dominant pressures on ecosystem health. The comprehensive indices of watershed health for the Chao River and Bai River basins have been 78 and 71, respectively, indicating the health levels of both are in relatively good condition. There were a few differences among the health states of 14 sub-basins. Sub-basins of the Liuli River, downstream of the Bai River, and upstream of the Tang River, displayed a relatively better health state. In contrast, the health state of sub-basins of the Chao River (middle-downstream), and Xiaotang River were relatively worse. According to field investigation, excessive livestock breeding, bankside planting, and local tourism in the basin were the main causes of the degradation of watershed health. In order to improve the watershed health state, control on the pollution load and supervision of wading activities that disturb the aquatic habitat should be enhanced. Furthermore, for the Chao River and Bai River basins, the biological index is a more effective indicator than physical and chemical indices. The diversity of benthic animals is very closely related to the condition of river habitat, because some benthic species are sensitive to river habitat destruction caused by excessive wading activities. Therefore, to realize sustainable and adaptive watershed management, and to guarantee the water ecological security of the Miyun Reservoir, more attention should be paid to biotic indices that can effectively indicate the early stages of ecosystem degradation.

watershed health; Bai River; Chao River; health assessment; Miyun Reservoir; biological indicator species; anthropogenic disturbances

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07203-001-01)；北京市典型流域生態(tài)健康調(diào)查與評(píng)估項(xiàng)目；北京環(huán)境總體規(guī)劃前期河流生境完整性研究項(xiàng)目；豐臺(tái)區(qū)重點(diǎn)河段水環(huán)境改善技術(shù)研究項(xiàng)目

2015- 08- 18;

日期:2016- 06- 13

10.5846/stxb201508181720

*通訊作者Corresponding author.E-mail: feixu198358@163.com

徐菲,王永剛,張楠,王旭,范清.北京市白河和潮河流域生態(tài)健康評(píng)價(jià).生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(3):932- 942.

Xu F, Wang Y G, Zhang N, Wang X, Fan Q.Health assessment of watershed ecosystems: the Chao River and Bai River Basins as a case study.Acta Ecologica Sinica,2017,37(3):932- 942.