河流生境的評(píng)估方法及應(yīng)用的研究進(jìn)展

陸 穎 陳宇順 ,

(1. 大連海洋大學(xué)，大連 116023; 2. 中國科學(xué)院水生生物研究所淡水生態(tài)與生物技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072;3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

河流是連接陸地生態(tài)系統(tǒng)和受納生態(tài)系統(tǒng)(如湖泊、河口和海洋等)間物質(zhì)循環(huán)的重要介質(zhì), 是生物圈物質(zhì)循環(huán)的重要通道。河流生態(tài)系統(tǒng)提供著飲用水、航運(yùn)、水電、污染物凈化等多項(xiàng)生態(tài)服務(wù)功能, 為人類文明的發(fā)展做出了不可替代的貢獻(xiàn)[1—3]。河流生境是水生生物必需的物理、化學(xué)和生物環(huán)境的綜合體[3], 是河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。河流生境為水生生物提供了生存繁殖所必需的條件, 同時(shí)也是保持河流生態(tài)健康的必要因素[3,4]。河流生境評(píng)價(jià)可以有助于全面掌握河流的生態(tài)健康狀況, 識(shí)別河流退化的主要原因, 為退化河流的生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)[5—7]。

在城鎮(zhèn)化、工農(nóng)業(yè)等社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí), 伴隨而來的是人類對(duì)水資源的過度使用和不合理開發(fā), 導(dǎo)致了水質(zhì)惡化[1]、水文形勢(shì)改變[8]、泥沙含量發(fā)生變化[9]、生境退化[10]、生物多樣性喪失[11]以及外來物種對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的入侵等一系列問題[12]。長期以來, 河流生境退化對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的影響被認(rèn)為不如水質(zhì)和生物的影響重要[13,14], 未能得到足夠重視[15]。隨著流域水生態(tài)系統(tǒng)健康問題日益突出, 只關(guān)注水質(zhì)顯然已經(jīng)無法解決這些問題,越來越多的研究揭示河流生境的生態(tài)重要性[16], 完整的河流生境特征對(duì)水生生物群落的完整性和河流生態(tài)健康至關(guān)重要[17]。

為了維持和改善河流生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能, 很多國家從20世紀(jì)80年代就開始進(jìn)行了河流生境定量評(píng)估工作[18—20]。當(dāng)前, 國際上很多國家已經(jīng)形成了較為成熟的河流生境評(píng)估系統(tǒng), 如瑞典的河岸帶河道環(huán)境普查(Riparian, Channel and Environnmental Inventory, RCE)[21]、澳大利亞的溪流狀況指數(shù)(Index of Stream Condition, ISC)[22]、英國的河流生境調(diào)查(River Habitat Survey, RHS)[23]、美國的快速生物調(diào)查(Rapid Bioassessment Protocols,RBPs)[24]等。但這些評(píng)估方法大多針對(duì)中小型可涉水河流, 對(duì)于不可涉水的大型河流生境的評(píng)價(jià)方法還鮮有涉及。2005年美國密西根大學(xué)Wilhelm等[25]提出關(guān)于不可涉水的河流生境評(píng)價(jià)方法, 其后美國環(huán)境保護(hù)署(United States Enviromental Protection Agency, US EPA)在國家河流評(píng)估(National Rivers and Stream Assessment)中推行了不可涉水河流生境評(píng)估方法[26]。

我國的河流生境評(píng)估發(fā)展較晚, 中小型可涉水河流大多是直接利用國外的方法對(duì)河流進(jìn)行生境評(píng)價(jià), 例如, 曹敏等[27]應(yīng)用RBPs開展了蘇州河水系的生境評(píng)價(jià), 王強(qiáng)等[28]應(yīng)用RHS方法調(diào)查了東河河流生境, 陳鵬等[29]利用RBPs對(duì)廣東省典型中小型河流進(jìn)行生境評(píng)價(jià)。同時(shí), 近年來國內(nèi)一些學(xué)者也嘗試對(duì)黃河[30]、遼河[31]、珠江[32]、撓力河[33]、海河[34]、太湖流域[35]等水系建立相應(yīng)的河流生境評(píng)估體系,從河流生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能角度出發(fā), 關(guān)注河流的防洪安全和水資源開發(fā)利用程度, 以探求河流生態(tài)修復(fù)及河流健康管理的新途徑。這些評(píng)估體系也大都是在參考國外應(yīng)用廣泛的河流生境評(píng)估方法的基礎(chǔ)上建立起來的?？傮w而言, 我國的河流生境評(píng)估工作相對(duì)滯后, 近年來雖然也有不少對(duì)河流開展的生境評(píng)估研究, 但仍缺乏對(duì)河流時(shí)空尺度以及我國流域特征進(jìn)行深入分析, 特別是針對(duì)我國不可涉水的大型河流還缺乏一套完整的生境評(píng)估方法。

本文梳理總結(jié)了20世紀(jì)80年代以來的不同類型的河流生境評(píng)估方法, 并對(duì)各國不可涉水的大型河流和可涉水的中小型河流的生境評(píng)估方法進(jìn)行歸納分類, 闡述不同等級(jí)河流的生境評(píng)估方法在各國的應(yīng)用。

1 河流生境評(píng)估方法分類

由于不同河流的水文地貌等區(qū)域環(huán)境和河流大小不一, 因此各個(gè)河流評(píng)價(jià)指標(biāo)也有所差別[36]。不同國家地區(qū)具有本國獨(dú)特的自然地貌水文特征,相對(duì)應(yīng)的河流生境評(píng)估體系也就稍有差異。西方國家開展河流生態(tài)健康評(píng)價(jià)起步較早, 經(jīng)過多年的實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)積累, 很多國家已經(jīng)發(fā)展出相對(duì)成熟的評(píng)估體系并在全國范圍內(nèi)推行, 開展了大尺度空間范圍內(nèi)的河流生態(tài)狀況總體評(píng)估。綜合20世紀(jì)80年代至2018年發(fā)表的河流生境評(píng)估方法的文獻(xiàn),根據(jù)每種方法的主要重點(diǎn)和目標(biāo), 可將這些評(píng)價(jià)方法分為預(yù)測(cè)模型法(Predictive model method)和多指標(biāo)評(píng)價(jià)法(Multi-variable assessment method)。

1.1 預(yù)測(cè)模型法(Predictive model method)

預(yù)測(cè)模型法是指選取現(xiàn)存的還未受人類活動(dòng)干擾或者人為干擾較少的自然河流作為參照, 調(diào)查參照河流的數(shù)據(jù), 建立河流的最佳生境模型, 然后通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的河流狀況參數(shù)與模型中預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比, 評(píng)估出監(jiān)測(cè)點(diǎn)河流生境的狀況[37—39]。這類方法一般又包括兩種, 一種是基于水生生物與河流生境相關(guān)關(guān)系的生物-生境適宜度模型, 如英國的河流生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)RIVPACS (River Invertebrate Prediction And Classification System)[37,40]、澳大利亞的河流評(píng)估系統(tǒng)AusRivAS (Australian River Assessment Scheme)[38]、加拿大的底棲動(dòng)物百分比模型PMA(Percent Model Affinity)[41]、南非的河流健康規(guī)劃SARHP(South African River Health Programme)[42]; 另一種是基于河流本身物理結(jié)構(gòu)的生境狀況模型, 如德國的河流生境評(píng)估方案(LAWAOVS)[43]以及英國的生境特征預(yù)測(cè)模型PHF(Prediction of Habitat Features)[44]。

生物-生境適宜度模型生物-生境適宜度模型法是指在還未受人類干擾的河流點(diǎn)位上, 建立水生生物與河流生境之間的生態(tài)模型, 然后輸入監(jiān)測(cè)點(diǎn)的生境狀況參數(shù), 得到無干擾狀態(tài)下的理論生物值, 對(duì)比評(píng)估監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的生境。這種模型以英國的河流無脊椎動(dòng)物預(yù)測(cè)與分類評(píng)估系統(tǒng)RIVPACS和澳大利亞的河流評(píng)估系統(tǒng)AusRivAS為代表。

英國河流無脊椎動(dòng)物預(yù)測(cè)與分類評(píng)估系統(tǒng)(RIVPACS)[37]是利用大型底棲無脊椎動(dòng)物對(duì)河流健康狀況進(jìn)行評(píng)估, 通過對(duì)試驗(yàn)點(diǎn)的28個(gè)物理生境因子進(jìn)行數(shù)據(jù)收集, 并使用不同季節(jié)的底棲動(dòng)物數(shù)據(jù)建立預(yù)測(cè)模型, 對(duì)采樣點(diǎn)位的底棲動(dòng)物組成變化進(jìn)行預(yù)測(cè), 評(píng)估各種物理化學(xué)因素在決定物種分布和群落結(jié)構(gòu)方面的重要性。

1992年, 澳大利亞政府開展國家河流健康計(jì)劃(National River Health Program, NRHP)以評(píng)估國內(nèi)河流的健康狀況, 建立了AusRivAS模型評(píng)估河流生境[38]。AusRivAS模型以大型底棲無脊椎動(dòng)物作為指示生物, 參考點(diǎn)位是基于澳大利亞國內(nèi)146個(gè)擾動(dòng)最小的參考點(diǎn)的數(shù)據(jù), 將參考點(diǎn)位的生境按獲得的底棲動(dòng)物的數(shù)據(jù)分為五組, 通過7個(gè)物理生境變量(經(jīng)緯度、海拔、離源距離、年均流量類別、水流形態(tài)、平均水深)進(jìn)行判別分析, 建立大型底棲無脊椎動(dòng)物與河流生境之間的模型。通過輸入監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的河流生境狀況參數(shù), 預(yù)測(cè)出監(jiān)測(cè)點(diǎn)位在不受人類干擾(或受干擾最小)情況下, 理論上的底棲生物狀況, 然后對(duì)比監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的實(shí)際生物狀況和理論生物狀況, 來評(píng)估監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的河流生境狀況,實(shí)際值與理論值比值越接近1, 說明干擾越小, 生境狀況越好[37]。AusRivAS模型就是基于RIVPACS模型結(jié)合澳大利亞的河流條件改進(jìn)而來。與之相似的還有加拿大利用底棲無脊椎動(dòng)物群落的親源相似性模型(PMA)評(píng)估農(nóng)業(yè)對(duì)河流的影響[41]。

生物-生境適宜度模型法是非?？焖俚暮恿魃吃u(píng)估方法, 而且可以對(duì)生境質(zhì)量進(jìn)行定量化的評(píng)估, 但這種模型對(duì)于原始數(shù)據(jù)的要求較高, 需要有專業(yè)知識(shí)背景的研究人員對(duì)水生生物與河流生境的響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行全面的分析。而且這種模型法往往以單一生物來評(píng)價(jià)河流的生境狀況, 但有時(shí)河流的健康問題無法反映到這一生物上, 就無法及時(shí)反映河流的真實(shí)狀況, 具有一定的局限性[45]。

生境狀況模型生境狀況模型法是指設(shè)立河流生境的基準(zhǔn)模型, 即無人為干擾條件下的自然河流的生態(tài)模型, 通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)位與標(biāo)準(zhǔn)模型的河流生態(tài)結(jié)構(gòu)的對(duì)比來評(píng)估河流健康狀況, 這種模型法以德國河流生境監(jiān)測(cè)評(píng)估方法(übersichtsverfahren,LAWA-OVS)[43]為代表。

德國河流生境評(píng)估方案(LAWA-OVS)是德國水管理工作共同委員會(huì)(LAWA)在1998年制定的全國統(tǒng)一的適用于大型河流的生境分類評(píng)估方法。這項(xiàng)調(diào)查的先決條件是確定生境評(píng)估的基準(zhǔn)模型,即需要確定自然河流的生境狀況, 通過分析不同來源的數(shù)據(jù)來評(píng)估生境狀況, 如地形圖和景觀圖、報(bào)告、遙感數(shù)據(jù)以及采訪相關(guān)部門來獲得河流生態(tài)系統(tǒng)的水體形態(tài)、水質(zhì)、形態(tài)結(jié)構(gòu)、生物群落、地質(zhì)等數(shù)據(jù), 最終得到了基準(zhǔn)模型結(jié)構(gòu), 這種結(jié)構(gòu)越自然, 其生態(tài)價(jià)值就越高。該方法主要從河床動(dòng)力學(xué)和泛濫平原動(dòng)力學(xué)兩個(gè)方面進(jìn)行綜合評(píng)估, 主要包括河道形態(tài)、沿岸植被、河床結(jié)構(gòu)改變的潛力以及河岸穩(wěn)定性、遷移障礙和河水泛濫度這六個(gè)指標(biāo)。該評(píng)估方法是通過與自然河流生境的對(duì)比來評(píng)估河流的實(shí)際生態(tài)狀況以及未來可修復(fù)潛力。

生境狀況模型法提供了一個(gè)相對(duì)快速的評(píng)估方法來評(píng)估河流的生態(tài)健康質(zhì)量, 描述了實(shí)際生境條件和自然條件的差異, 是未來可持續(xù)河流管理的基礎(chǔ), 為河流的修復(fù)和健康管理提供了依據(jù)。這種方法主要基于GIS(地理信息系統(tǒng))數(shù)據(jù)和RS(遙感)數(shù)據(jù), 通過對(duì)歷史數(shù)據(jù)以及環(huán)境變化資料的收集與積累, 對(duì)流域生境進(jìn)行長期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè), 對(duì)時(shí)空尺度較大的河流生境評(píng)價(jià)具有重要意義。但此方法是以自然無干擾的河流狀況作為參照的, 我國大多數(shù)河流受人類活動(dòng)影響較大, 而且不同流域間河流本身的差異較大, 生境的統(tǒng)一評(píng)估不易實(shí)現(xiàn)。

1.2 多指標(biāo)綜合評(píng)估(Multi-variable assessment method)

多指標(biāo)綜合評(píng)估法是從河流的整體出發(fā), 綜合不同生物組織層次上多個(gè)指標(biāo)與河流狀況之間的關(guān)系。多指標(biāo)綜合評(píng)估法通過選取河流狀況具有代表性的影響因素指標(biāo)來制定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn), 然后用等級(jí)打分的形式來評(píng)價(jià)河流狀況。多指標(biāo)綜合評(píng)估法評(píng)估快速, 評(píng)價(jià)結(jié)果簡單易懂, 但評(píng)價(jià)過程復(fù)雜,評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不一, 因此評(píng)價(jià)結(jié)果有一定局限性。不同國家的河流生境評(píng)估系統(tǒng)中的評(píng)估指標(biāo)不一樣, 因此本文中闡述了幾個(gè)代表性國家應(yīng)用較為廣泛的綜合評(píng)估法及其優(yōu)缺點(diǎn)。

美國美國環(huán)境保護(hù)署(US EPA)流域評(píng)價(jià)與保護(hù)分部于1989年提出了旨在為全國水質(zhì)管理提供基礎(chǔ)水生生物數(shù)據(jù)的快速生物監(jiān)測(cè)方法(RBPs)[46], 1999年發(fā)展完善后開始在全國推行[19]。該方法利用魚類、底棲生物和附著生物來評(píng)價(jià)河流的健康狀況, 是基于評(píng)價(jià)棲息地周圍建筑物對(duì)水質(zhì)和水生動(dòng)物群落的影響的一種快速評(píng)價(jià)方法。RBPs將反映河流狀態(tài)的棲息地環(huán)境因子和生物因子融合在一起, 具有定量、快速等特點(diǎn), 使得其可以用于較大范圍的評(píng)價(jià)。但其數(shù)據(jù)獲取主要來自于現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)人員的目測(cè)打分, 評(píng)估主觀性較強(qiáng), 評(píng)價(jià)精度有一定的欠缺。但RBPs主要是針對(duì)的是中小型可涉水河流, 2005年Wilhelm等[25]開發(fā)了不可涉水河流棲息地指數(shù)(Non-Wadeable Habitat Index,NWHI), NWHI中通過對(duì)不可涉水河流(特征為流域面積≥1600 km2, 主干長度≥100 km, 年平均流量≥15 m3/s)的7個(gè)變量(河岸寬度、大型木質(zhì)碎片、水生植被、底部沉積、河岸穩(wěn)定性、河底基質(zhì)和非河道生境狀況(如河岸帶植被、近岸土地利用類型等))的評(píng)分來反應(yīng)河流生境的健康狀況。但這兩種方法的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)都是以無人為干擾或人為干擾較小的自然河流作為參照, 我國大多數(shù)河流受人為活動(dòng)影響較大, 若簡單以自然河流為參照物,難以完全實(shí)現(xiàn)對(duì)大多數(shù)河流的管理指導(dǎo)。

英國英國河流生境調(diào)查(RHS)項(xiàng)目于20世紀(jì)90年代初由當(dāng)時(shí)的英格蘭和威爾士國家河流管理局發(fā)起, 目的是記錄英格蘭和威爾士重要的野生動(dòng)物棲息地特征, 并對(duì)河流沿岸的生境進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估[47]。應(yīng)歐盟水框架指令 (European Water Framework Directive, WFD) 要求, 英國環(huán)保署在1997 年發(fā)布了有關(guān)河流生境調(diào)查的實(shí)用野外調(diào)查手冊(cè), 并于2003年進(jìn)行了修改和完善[48]。RHS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(píng)估生境質(zhì)量, 確定河段保護(hù)價(jià)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(píng)估提供依據(jù)[23,49]。RHS綜合了河流生境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(Habitat Quality Assessment Scores, HQA)和評(píng)價(jià)人為活動(dòng)對(duì)河流物理結(jié)構(gòu)破壞程度的生境退化指數(shù)(Habitat Modification Scores, HMS), 通過對(duì)河流通道、河岸、河床的物理結(jié)構(gòu)和人為干擾因素的調(diào)查, 按照河流類型評(píng)估生境質(zhì)量, 屬典型的河流地貌類生境評(píng)價(jià)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(cè)量和繁瑣的計(jì)算, 只需記錄存在與否, 調(diào)查結(jié)果不會(huì)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。但由于RHS需要目視法記錄河段生境特征狀況, 這就限制了每個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行評(píng)估的河段范圍, 只能適用于中小型河流, 無法滿足我國大型河流的評(píng)估需要。

澳大利亞澳大利亞河流狀況指數(shù)方法(ISC)[50]是澳大利亞的維多利亞州制定的河流分類系統(tǒng), 以供各州河流管理人員進(jìn)行退化河流恢復(fù)計(jì)劃的有效性評(píng)估以及協(xié)助進(jìn)行適應(yīng)性管理, 以滿足當(dāng)代及后代人的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要。從水文、河流物理形態(tài)、河岸帶、水質(zhì)和水生生物五個(gè)方面對(duì)河流生境現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)估, 通過河流現(xiàn)狀與原始自然狀況進(jìn)行對(duì)比以評(píng)估河流健康。但I(xiàn)SC主要針對(duì)澳大利亞鄉(xiāng)村的小型河流, 強(qiáng)調(diào)對(duì)于影響河流健康的主要環(huán)境特征進(jìn)行長期評(píng)估, 每5年需要向政府和公眾提交一次報(bào)告, 以評(píng)價(jià)長期河流管理和恢復(fù)中人為管理干預(yù)的有效性, 從而引導(dǎo)河流的可持續(xù)發(fā)展[51]。

瑞典河岸、河道和環(huán)境清單(RCE)[21]是用以評(píng)估農(nóng)村景觀中河寬＜3 m的小型溪流, 這些河流大多是經(jīng)過人工改造, 由河岸帶結(jié)構(gòu)、河流形態(tài)以及生物條件三個(gè)方面的16個(gè)特征參數(shù)組成, 這些參數(shù)分別為: 緊鄰河岸地帶以外的土地利用格局、河岸帶寬度、河岸帶完整性、河道邊向外延伸10 m的河岸帶植被、木質(zhì)殘?bào)w狀況、河道結(jié)構(gòu)(寬深比)、河道沉積物、河岸結(jié)構(gòu)侵蝕退化、河岸下切、石頭底質(zhì)(形態(tài)和外觀)、河床泥沙、淺灘深槽以及曲流的出現(xiàn)數(shù)量、水生植物、魚類、碎屑、大型底棲生物。這種方法假設(shè)對(duì)于自然河道和岸邊結(jié)構(gòu)的人類活動(dòng)干擾是影響河流生物結(jié)構(gòu)和功能的主要原因, 采用人工目測(cè)進(jìn)行快速評(píng)估, 評(píng)分指標(biāo)細(xì)致清楚, 但只適用于集約化改造的農(nóng)業(yè)地區(qū)的河流。

德國德國第一次河流生境評(píng)估在20世紀(jì)90年代末, 德國水管理工作共同委員會(huì)(LAWA)制定了兩種全國統(tǒng)一的生境分類評(píng)估方法, 包括實(shí)地調(diào)查(On-site Survey, OSS)和綜合調(diào)查(Overview Survey, OVS), OSS主要關(guān)注河寬≤10 m的中小型河流, OVS適用于大型河流[43]。這兩種方法的調(diào)查基礎(chǔ)是確定河流的潛在自然條件, 這代表了河流評(píng)估所依據(jù)的“基準(zhǔn)”。OSS是一種基于實(shí)地的方法,整個(gè)河流生態(tài)系統(tǒng)分為三個(gè)部分: 河床、河岸和100 m寬的漫灘走廊, 評(píng)估包括6個(gè)主要參數(shù)和25個(gè)單獨(dú)的二級(jí)指標(biāo), 根據(jù)每個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的分值得到主要參數(shù)的分值, 計(jì)算出最終得分指數(shù), 確定干擾狀態(tài)。OVS主要從河床動(dòng)力學(xué)和泛濫平原動(dòng)力學(xué)兩個(gè)方面綜合評(píng)估, 前一個(gè)包括河道形態(tài)、沿岸植被、結(jié)構(gòu)改變的潛力三個(gè)指標(biāo), 后一個(gè)包括保持度和發(fā)展?jié)撃軆蓚€(gè)指標(biāo), 每個(gè)指標(biāo)下設(shè)有二級(jí)指標(biāo),通過不同指標(biāo)與設(shè)定的自然無干擾的河流狀況進(jìn)行對(duì)比, 評(píng)價(jià)其指標(biāo)等級(jí), 通過各個(gè)指標(biāo)等級(jí)得到河床動(dòng)力學(xué)和泛濫平原動(dòng)力學(xué)的干擾等級(jí), 最終得到河流生境質(zhì)量情況。這兩種調(diào)查方法描述了河流的地貌形態(tài), 包括河床、河岸和泛濫平原等因素,這種結(jié)構(gòu)越自然, 其生態(tài)價(jià)值就越高[43,52]。

德國各州使用這兩種評(píng)估方法評(píng)估河流生境,并制作針對(duì)各州的河流生境圖, 從未受干擾到完全干擾, 對(duì)應(yīng)河流生境圖上的顏色從深藍(lán)色到紅色,該評(píng)估方法主要通過和自然狀況的對(duì)比來評(píng)估其實(shí)際生態(tài)狀況以及未來可修復(fù)潛力。1999年第一個(gè)全國河流生境評(píng)估項(xiàng)目啟動(dòng), 德國各個(gè)州的河流生境評(píng)估結(jié)果都被納入到2002年出版的第一份河流生境圖中[36]。21世紀(jì)初, LAWA將生物水質(zhì)圖和河流生境圖結(jié)合起來對(duì)河流總體生態(tài)狀況進(jìn)行初步評(píng)估[53]。河流生境圖可以清楚直接地表現(xiàn)出整體河流受干擾的狀況, 長期的流域生境監(jiān)測(cè)是可持續(xù)性河流管理的基礎(chǔ), 對(duì)于河流修復(fù)和健康管理具有重大意義。但這種方法需要大量的數(shù)據(jù)作為支撐, 適合進(jìn)行全流域范圍內(nèi)的生境調(diào)查。

南非南非水務(wù)及森林部(DWAF)于1994年發(fā)起了河流健康計(jì)劃(River Health Programme,RHP), 該計(jì)劃是一項(xiàng)用于評(píng)估河流生態(tài)系統(tǒng)健康的國家河流長期監(jiān)測(cè)計(jì)劃, 選用大型無脊椎動(dòng)物、魚類完整性、河岸植被生態(tài)完整性、生境完整性、水質(zhì)、水文、地貌物理形態(tài)等河流生境指標(biāo)作為河流健康的評(píng)價(jià)指標(biāo), 提供了可廣泛用于河流生物監(jiān)測(cè)的框架。該計(jì)劃有助于管理人員就河流水質(zhì)和水文的變化以及這些變化對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)健康的影響作出決定, 制定對(duì)生態(tài)環(huán)境無害的質(zhì)量目標(biāo)和對(duì)水環(huán)境的狀況進(jìn)行及時(shí)的審查和修復(fù)方案[42]。

中國國內(nèi)學(xué)者采用多指標(biāo)對(duì)河流生境的評(píng)價(jià)研究不多, 主要集中在小流域范圍內(nèi)河流的綜合評(píng)價(jià)管理。吳阿娜等[54]從河流水文、河流形態(tài)、河岸帶狀況、水質(zhì)理化參數(shù)、河流生物5方面建立城市河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià), 并探討其在河流管理中的應(yīng)用, 在此基礎(chǔ)上, 從河流健康視角審視河流管理現(xiàn)狀, 提出河流健康與河流管理的集成框架。鄭丙輝等[31]借鑒RBPs的生境評(píng)估指標(biāo), 建立了涵蓋物理結(jié)構(gòu)、水量與水質(zhì)等多種特征的棲息地評(píng)價(jià)指標(biāo)體系, 以反映河流水生生物的棲息地質(zhì)量狀況, 指標(biāo)體系由底質(zhì)、棲息地復(fù)雜性、流速-水深結(jié)合特性、堤岸穩(wěn)定性、河道變化、河水水量狀況、植被多樣性、水質(zhì)狀況、人類活動(dòng)強(qiáng)度和河岸土地利用類型 10個(gè)指標(biāo)所構(gòu)成, 采取累計(jì)求和的方式計(jì)算棲息地綜合指數(shù)。王建華等[33]參考美國RBPs、澳大利亞ISC等相關(guān)成果, 結(jié)合撓力河流域環(huán)境特點(diǎn), 建立了撓力河流域河流生境質(zhì)量評(píng)價(jià)的指標(biāo)系統(tǒng)和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。Ding等[34]參考比較了國內(nèi)外多種評(píng)估方法, 結(jié)合海河流域城市化程度高、工業(yè)化較嚴(yán)重、河流航運(yùn)繁忙、污染嚴(yán)重等特征, 建立了適用于海河流域的河流生境質(zhì)量評(píng)估方法(RHQ)。Yang等[55]根據(jù)渭河流域的生態(tài)條件,以基體組成、生境復(fù)雜程度、岸坡侵蝕程度、河流曲度、人類活動(dòng)強(qiáng)度、植被緩沖寬度、水質(zhì)、水文狀況等作為河流生境評(píng)價(jià)指標(biāo), 建立了渭河流域生境綜合質(zhì)量指數(shù)(CHQI)。類似的生境多指標(biāo)綜合評(píng)估法在近幾年發(fā)展迅速, 但由于所參考的方法不一致, 不同河流水文地貌等區(qū)域環(huán)境和河流大小等級(jí)規(guī)模不一, 各個(gè)評(píng)估方法也有所差別, 我國目前還未形成系統(tǒng)化的生境綜合評(píng)估方案。另外, 國內(nèi)的生境評(píng)估方法一般是基于河段評(píng)價(jià)的小尺度評(píng)估, 無法綜合評(píng)估河流整體及流域尺度的生境狀況。

2 不同等級(jí)河流的生境評(píng)估方法在各國的應(yīng)用

21世紀(jì)以前, 河流生境評(píng)價(jià)多是集中在自然生境的空間形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征上[47,56,57], 而現(xiàn)在的評(píng)估范圍已擴(kuò)大到評(píng)估整個(gè)流域的生態(tài)系統(tǒng)[58]。Frissell等[59]認(rèn)為不同等級(jí)的河流生境形成和改變的時(shí)間也不一樣, 因此不同空間尺度的河流生境所需的評(píng)估時(shí)間也不同。也就是說, 要評(píng)估的河流空間尺度越大, 開展評(píng)估活動(dòng)所需的時(shí)間也就越長。20世紀(jì)80年代以來, 隨著河流生態(tài)環(huán)境問題日益突出,河流生境評(píng)價(jià)研究受到了廣泛重視, 很多國家都發(fā)展出適合本國河流情況的生境評(píng)價(jià)方法, 但其中多是針對(duì)中小型的可涉水的河流, 大型不可涉水河流生境調(diào)查受限于采樣空間尺度大、數(shù)據(jù)不易采集、危險(xiǎn)度高等問題, 因此對(duì)于大型河流生境的評(píng)估方法發(fā)展緩慢[5,25]。本文整理了20世紀(jì)80年代至2018年國內(nèi)外的河流生境評(píng)估方法, 這些方法的適用范圍從中小型的可涉水河流到較大的不可涉水河流(表1)。

2.1 不同類型的評(píng)估方法的使用狀況

預(yù)測(cè)模型法要通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際狀況與河流理論狀況對(duì)比來評(píng)價(jià)河流的健康狀況, 由于不易獲得理論點(diǎn)的數(shù)據(jù), 因此不能準(zhǔn)確地反映河流的真實(shí)情況。多指標(biāo)綜合評(píng)估法通過選取河流狀況具有代表性的影響因素指標(biāo)來制定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn), 然后用等級(jí)打分的形式來評(píng)價(jià)河流狀況。多指標(biāo)綜合評(píng)估法評(píng)估速度快, 評(píng)價(jià)結(jié)果易懂, 但評(píng)價(jià)過程復(fù)雜, 資料不易收集。在搜集到的66種生境評(píng)估方法中85%為多指標(biāo)綜合評(píng)估法, 僅有15%為預(yù)測(cè)模型法,說明多指標(biāo)綜合評(píng)估法仍然是評(píng)估河流生境最常用的方法。

2.2 不同國家生境評(píng)估方法的開發(fā)數(shù)量

本文搜集到的66種生境評(píng)估方法中美國的開發(fā)數(shù)量最多, 高達(dá)25種, 其次是英國, 圖1顯示不同國家生境評(píng)估方法的開發(fā)數(shù)量, 河流生境的健康評(píng)估多集中在發(fā)達(dá)國家, 這可能與發(fā)達(dá)國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展到了一定水平, 對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)健康的關(guān)注越來越大, 因此開始推進(jìn)和發(fā)展了多種生境評(píng)估方法。

20世紀(jì)90年代以來, 我國開始關(guān)注河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況, 并加大對(duì)河流生態(tài)保護(hù)工作的投入,河流生境評(píng)估工作隨之發(fā)展, 但總體而言我國關(guān)于河流生境的研究起步較晚發(fā)展緩慢, 基本都是基于國外已有的評(píng)估方法進(jìn)行生境評(píng)價(jià)[28,29]。2005年以來, 通過參考國外使用廣泛的河流生境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系, 結(jié)合需評(píng)估河流的特征, 開發(fā)了一些生境評(píng)估方法[30—32], 這些評(píng)估方法中除Yang等[110]在2013年開發(fā)的基于灰色系統(tǒng)模型和層次分析的河流生態(tài)評(píng)估方法以及Xia等[109]建立的基于指標(biāo)體系的USM評(píng)價(jià)模型外, 基本都為多指標(biāo)評(píng)估法, 評(píng)估體系種類單一。而且這些評(píng)估方法基本都是針對(duì)某一條河流或某幾條河流, 盡管這些河流的物理特征符合大河的定義, 但并未對(duì)這些河流流域的整體生境狀況進(jìn)行深入研究, 系統(tǒng)性的大型河流的生境評(píng)估體系還未能建立, 適用范圍狹窄, 廣適性較差(表2)。

表1 1983—2018年不同國家與地區(qū)的河流生境評(píng)估方法Tab. 1 Summary of river habitat assessment methods in different countries from 1983 to 2018

續(xù)表1

2.3 不同生境評(píng)估方法的適用河流等級(jí)

圖2中展示了適用于不同河流類型的生境評(píng)估方法的數(shù)量, 很明顯可以看出小型可涉水河流的生境評(píng)估方法開發(fā)較多, 其次是具有廣適性的河流和小溪都適用的評(píng)估方法。針對(duì)大型河流單獨(dú)開發(fā)的生境評(píng)估方法較少, 這不僅因?yàn)榈乩頎顩r復(fù)雜性和生境類型多樣性導(dǎo)致大型河流難以進(jìn)行實(shí)地的采樣和測(cè)量, 多尺度干擾的疊加也使得影響大河生態(tài)狀況的因子變得不太明晰[5]。此外, 要評(píng)估和管理大河生態(tài)系統(tǒng)需要多個(gè)尺度的數(shù)據(jù)——空間上從河段到流域, 時(shí)間上從連續(xù)實(shí)時(shí)到長期的集成[122]。

3 我國河流生境評(píng)估的發(fā)展前景

河流生境評(píng)估體系為河流生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和恢復(fù)提供很好的指導(dǎo)作用, 近年來, 由于對(duì)河流生態(tài)環(huán)境的重視, 我國的河流評(píng)估體系也在不斷發(fā)展,但相較于國外, 我國在這方面仍存在很多不足, 如評(píng)估系統(tǒng)大多側(cè)重于河流水質(zhì), 評(píng)估尺度較小、多是集中某一條或幾條河流的綜合評(píng)價(jià)管理, 流域的整體數(shù)據(jù)不易獲得等, 這就導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果比較片面,無法全面地評(píng)估河流健康狀況。目前河流生境的研究方法較多, 每種方法都有自身的適用范圍, 大多數(shù)方法主要用于中小型河流的生態(tài)影響和生態(tài)修復(fù)評(píng)價(jià), 而不太適用于大型河流生境評(píng)價(jià)。

圖1 不同國家河流生境評(píng)估方法的開發(fā)數(shù)量Fig. 1 Number of river habitat assessment methods developed in different countries

表2 我國開發(fā)的河流生境評(píng)估方法Tab. 2 The methods of river habitat assessment in China

圖2 適用不同河流類型的生境評(píng)估方法數(shù)量比較Fig. 2 Number of river habitat assessment methods in different river targets

因此, 對(duì)于我國流域生境評(píng)估研究建議從如下幾點(diǎn)加強(qiáng):

(1)確定科學(xué)的評(píng)分指標(biāo): 不同國家、地區(qū), 處于不同的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段, 保護(hù)的目標(biāo)不同, 評(píng)價(jià)的目的也不同, 也就需要不一樣的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。但河流生境評(píng)估的內(nèi)涵基本是基于生態(tài)完整性的評(píng)估, 雖然具體指標(biāo)體系略有不同, 但基本架構(gòu)均會(huì)包含物理?xiàng)⒌?、化學(xué)指標(biāo)、水文地貌指標(biāo)、生物完整性等四大類。我國河流眾多, 不同大小和不同地區(qū)的河流有各自不同的特點(diǎn), 其評(píng)價(jià)的目的也不相同。我國的河流生境評(píng)價(jià)方法要滿足不同地區(qū)、不同類型河流評(píng)價(jià)與管理需要, 應(yīng)該從目標(biāo)評(píng)價(jià)河流的實(shí)際狀況特征出發(fā), 明確評(píng)價(jià)目的并建立關(guān)鍵的評(píng)價(jià)指標(biāo), 并應(yīng)滿足不同的應(yīng)用人群需求來制定。對(duì)于中小型的可涉水河流, 應(yīng)當(dāng)結(jié)合中小型河流的區(qū)域特點(diǎn), 對(duì)于生態(tài)流量、水沙狀況等影響較大的指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整, 以保證河流生境評(píng)估體系的科學(xué)性。而對(duì)于大型的不可涉水河流, 則需要從全流域出發(fā), 從景觀尺度深入, 構(gòu)建河流的流域生境評(píng)估體系。

(2)擴(kuò)大評(píng)估范圍: 現(xiàn)在國內(nèi)的河流生境評(píng)估方法大多是只停留在對(duì)某一條或幾條河流的生境的評(píng)估, 還未深入到對(duì)集水區(qū)或流域的生境評(píng)估, 要從景觀和流域尺度進(jìn)行環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè), 關(guān)注整個(gè)流域的生態(tài)狀況, 對(duì)河流、流域的生境健康評(píng)價(jià)研究有著更重大的意義。

(3)擴(kuò)大時(shí)間尺度: 隨著河流生態(tài)評(píng)估體系的發(fā)展, 越來越多的河流進(jìn)行了生境評(píng)估, 但流域生態(tài)系統(tǒng)的物理生境變化具有一定的滯后性, 快速即時(shí)的評(píng)估依然無法讓河流狀況得到及時(shí)防治。因此我們應(yīng)該在生境評(píng)估系統(tǒng)上疊加時(shí)間尺度, 對(duì)河流健康狀況進(jìn)行連續(xù)性的監(jiān)測(cè), 并且與監(jiān)測(cè)站的水質(zhì)變化數(shù)據(jù)相結(jié)合, 建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型, 以達(dá)到長期動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)評(píng)估。

(4)建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)共享平臺(tái)或者數(shù)據(jù)庫: 由于河流所處的流域一般是跨行政單位的, 因此可獲得的數(shù)據(jù)通常是從不同省市的單位獲得, 加之各單位的指標(biāo)記錄各不相同, 這就導(dǎo)致流域內(nèi)數(shù)據(jù)偏差較大。因此我們需要建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)共享平臺(tái)或者數(shù)據(jù)庫以整合不同地區(qū)的河流數(shù)據(jù), 避免重復(fù)性的測(cè)量。

總之, 我國的河流生境評(píng)估研究還需要大力發(fā)展, 通過政府宏觀規(guī)劃, 建立一套適用于我國河流生態(tài)系統(tǒng)的評(píng)估體系, 為河流及流域的生態(tài)健康管理提供參考, 以期能夠?qū)崿F(xiàn)我國河流生態(tài)健康的可持續(xù)發(fā)展。