長江流域水生態(tài)評價指標(biāo)初步研究

陳 勇,許人驥,賈世琪,尚光霞,丁 森,高 欣,陰 琨

1.四川省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站,四川 成都 610091

2.中國環(huán)境監(jiān)測總站,國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012

3.中國環(huán)境科學(xué)研究院,北京 100012

長江是中華民族的母親河,是中華民族發(fā)展的重要支撐。 多年來,受水資源開發(fā)、水域污染、過度捕撈、航道整治、岸坡硬化、挖砂采石等人類活動影響,長江生物多樣性持續(xù)下降,水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能退化,水生生物生境和水環(huán)境健康狀況不容樂觀[1]。 以長江上游向家壩和溪洛渡水電站為例,電站運(yùn)行后,金沙江下游綏江斷面的魚類物種數(shù)由54 種下降為35 種[2]。 另外,三峽水庫蓄水后,部分魚類產(chǎn)卵場被淹,庫區(qū)干流魚類物種數(shù)量也由20 世紀(jì)80 年代以前的140～200 種下降為2013—2015 年的84 種,而長江中下游水系富營養(yǎng)化湖泊的數(shù)量從2008 年的10 個增加到2018 年的61 個[3]。 雖然國家各部委針對長江流域水生態(tài)和水環(huán)境問題開展了一系列監(jiān)測評價工作,但是長江流域水生態(tài)監(jiān)測體系仍不健全,存在缺乏頂層設(shè)計(jì)、監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)化和信息化程度低、監(jiān)測能力存有短板等問題[4]。 針對上述問題,國務(wù)院辦公廳和相關(guān)部委近年來先后出臺了《國務(wù)院辦公廳關(guān)于加強(qiáng)長江水生生物保護(hù)工作的意見》(國辦發(fā)〔2018〕95 號)、《長江流域重點(diǎn)水域禁捕和建立補(bǔ)償制度實(shí)施方案》(農(nóng)長漁發(fā)〔2019〕1號)、《長江保護(hù)修復(fù)攻堅(jiān)戰(zhàn)行動計(jì)劃》(環(huán)水體〔2018〕181 號)等一系列文件,用以加強(qiáng)長江水生態(tài)保護(hù),并對長江流域水生態(tài)監(jiān)測技術(shù)裝備體系、監(jiān)測指標(biāo)體系、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和運(yùn)行保障體系等提出了新的要求。 隨著長江流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善需求的提升,開展長江流域水生態(tài)監(jiān)測并掌握其變化趨勢,成為國家生態(tài)環(huán)境部門亟須推進(jìn)的重點(diǎn)工作。 為支撐下一步對長江流域水生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測、評估和管理需求,首先需要建立水生態(tài)評價指標(biāo)體系,統(tǒng)籌考慮物理生境指標(biāo)、水質(zhì)理化指標(biāo)、水生生物指標(biāo)和生態(tài)觀測指標(biāo),建立長江流域水生態(tài)環(huán)境評價指標(biāo)體系,科學(xué)開展長江流域水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測和評價。

水生態(tài)評價是通過對河流生態(tài)系統(tǒng)中的水生生物、物理水文、水質(zhì)等的監(jiān)測和數(shù)據(jù)收集與分析,來評價水生態(tài)的現(xiàn)狀和變化。 隨著水生態(tài)評價方法的不斷發(fā)展,水生態(tài)評價逐漸發(fā)展出以生物、物理和化學(xué)3 個方面的完整性為主要內(nèi)容的評價模式[5]。 20 世紀(jì)90 年代,發(fā)達(dá)國家和地區(qū)開展了一系列相關(guān)研究和實(shí)踐,例如美國EMAP、NARS 項(xiàng)目[6-8],歐盟STAR、AQEM、FAME、WISE項(xiàng)目[9-10],澳大利亞NRHP 項(xiàng)目[11],并且都發(fā)展形成了各自的評價方法和指標(biāo)體系。 本文在大量調(diào)研國外水生態(tài)評價方法和指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上,結(jié)合長江流域已有研究成果,初步篩選分析了適合長江流域不同區(qū)域、不同水體類型的水生生物和生境評價指標(biāo),并給出評價指標(biāo)的采用建議。國際上關(guān)于水生態(tài)評價及水生生物評價的相關(guān)研究已有大量報道,本文主要查閱了以美國、歐盟、澳大利亞、南非等國家和地區(qū)為代表的主流水生態(tài)評價導(dǎo)則及指南中的相關(guān)成果。 同時,國內(nèi)對長江流域的生物評價及多樣性分析研究也非常豐富,本文對基于設(shè)定的檢索條件獲取的有關(guān)文獻(xiàn)報道進(jìn)行了歸納統(tǒng)計(jì)。 受限于檢索條件的設(shè)定,本研究收集的已有報告未必全面,但分析結(jié)果仍可顯示出較強(qiáng)的規(guī)律性,從而為長江流域水生態(tài)狀況跟蹤監(jiān)測與評估提供初步參考和借鑒。

1 研究方法

1.1 文獻(xiàn)調(diào)研

對生境指標(biāo)和國外水生生物評價指標(biāo)的調(diào)研主要參考20 世紀(jì)90 年代以來美國、歐盟、澳大利亞、南非等國家和地區(qū)主流水生態(tài)評價導(dǎo)則和指南等。 對國內(nèi)長江流域水生生物評價指標(biāo)的調(diào)研主要基于通過中國期刊全文數(shù)據(jù)庫(CNKI)檢索獲得的研究文獻(xiàn),檢索日期為2001 年1 月1 日—2021 年1 月1 日,檢索關(guān)鍵詞分為3 類:①研究對象,包括水生生物、藻類、浮游植物、浮游動物、底棲動物、魚類;②研究區(qū)域,包括長江、金沙江、嘉陵江、赤水河、烏江、三峽庫區(qū)、漢江、湘江、巢湖、洞庭湖、鄱陽湖;③研究內(nèi)容,包括水生態(tài)、完整性指數(shù)、健康評價、水質(zhì)評價。 對以上關(guān)鍵詞進(jìn)行排列組合,將檢索到的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行人工篩選處理,剔除只有生物類群多樣性調(diào)查、群落結(jié)構(gòu)分析而無指數(shù)分析和評價的文獻(xiàn),最終篩選出66 篇研究文獻(xiàn)用于后續(xù)對水生生物評價指標(biāo)適用性的統(tǒng)計(jì)分析。

1.2 篩選方法

1.2.1 生境指標(biāo)的篩選

對生境指標(biāo)的篩選是根據(jù)指標(biāo)的使用度,具體表現(xiàn)為該指標(biāo)在所收集的生境評價方法中的使用頻率。 為合理篩選生境評價指標(biāo),將所收集的生境評價方法中的生境指標(biāo)分為14 類,具體見表1。 按照可涉水和不可涉水河流生境評估指標(biāo)的使用情況,篩選出使用度高(使用頻率≥50%)的生境指標(biāo)。

表1 生境指標(biāo)分類詳情[8,12-25]Table 1 Classification details of habitat indices

1.2.2 水生生物指標(biāo)的篩選

1.2.2.1 基于國外主流評價方法

層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)是一種定性與定量相結(jié)合的、系統(tǒng)的、層次化的分析方法,利用該方法可對難以完全定量的復(fù)雜系統(tǒng)做出決策[26]。 本研究采用層次分析法建立了對水生生物指標(biāo)適用性的評估方法,所建立的評估體系包含目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層3 個層次,其中,在指標(biāo)層建立了決定指標(biāo)適用性的8項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)。 根據(jù)各指標(biāo)的達(dá)成情況設(shè)定相應(yīng)的賦分,具體層次分析框架和指標(biāo)賦分體系見表2。按照以上方法,對收集到的國外水生生物評價指標(biāo)進(jìn)行適用性評估,篩選出綜合得分不低于16分,且“使用普及情況”和“指標(biāo)參數(shù)通用性”兩項(xiàng)得分都不低于5 分的水生生物指標(biāo),作為適用指標(biāo)。

表2 水生生物指標(biāo)評估框架體系Table 2 Evaluation framework system of aquatic organism indices

1.2.2.2 基于長江流域已有研究

將前面篩選得到的研究文獻(xiàn)按照不同區(qū)域(上游、中游、下游)、不同水體類型(河流、湖庫、河口),以及各生物類群作為評價指標(biāo)在不同類型水體中的被采用情況進(jìn)行歸納分析,分區(qū)域確定采用頻率較高的生物類群及其評價指標(biāo)。

2 結(jié)果和分析

2.1 生境指標(biāo)

2.1.1 生境指標(biāo)調(diào)研情況

本研究共收集了17 項(xiàng)國外主流生境評價項(xiàng)目和方法,包括澳大利亞6 項(xiàng),美國5 項(xiàng),南非2項(xiàng),英國、西班牙、巴西和瑞士各1 項(xiàng)。 其中:適用于河流的方法共16 項(xiàng),包括僅適用于可涉水河流和不可涉水河流的方法各3 項(xiàng);適用于湖泊的方法1 項(xiàng)。 國外各生境評價方法見表3。

表3 國外生境評價方法Table 3 Habitat assessment methods abroad

2.1.2 生境指標(biāo)使用度情況

分別按照可涉水河流和不可涉水河流統(tǒng)計(jì)已收集的國外生境評價方法中各生境指標(biāo)的使用頻次和頻率,具體結(jié)果見表4。

表4 國外生境評價指標(biāo)使用頻次和頻率Table 4 The use frequency of habitat assessment indices abroad

2.1.3 生境指標(biāo)適用性篩選

根據(jù)本研究構(gòu)建的生境指標(biāo)篩選標(biāo)準(zhǔn),可涉水河流中,物理形態(tài)特征(河岸穩(wěn)定性、河水水量狀況、河道變化)、河岸帶狀況(河岸植被帶寬度、河岸帶植被多樣性、河岸帶土地利用類型)及生境組成(底質(zhì)類型)3 類生境指標(biāo)符合要求,其使用頻率分別為84.6%、92.3%、84.6%。 考慮到生境復(fù)雜性(棲境復(fù)雜性、深度-速度結(jié)合特性)在溪流生境有比較大的使用頻率(46.2%),且在松花江、遼河、淮河等流域的適用性較高,推薦將其納入生境監(jiān)測指標(biāo)。 另外,增加可客觀反映人為干擾壓力的人類干擾類型指標(biāo)(人類活動強(qiáng)度)以及水質(zhì)狀況指標(biāo)(濁度)。 經(jīng)篩選,推薦以上6 個類型的11 項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)成長江流域可涉水河流生境監(jiān)測指標(biāo)。

不可涉水河流中,物理形態(tài)特征(河岸穩(wěn)定性、河水水量狀況、河道變化)、河岸帶狀況(河岸植被帶寬度、河岸帶植被多樣性、河岸帶土地利用類型)、生境組成(底質(zhì)類型、大型木質(zhì)殘體分布)、生境復(fù)雜性(棲境復(fù)雜性)4 類生境指標(biāo)符合要求,其使用頻率分別為84.6%、92.3%、84.6%、53.8%。 基于同樣考慮,增加可客觀反映人為干擾壓力的人類干擾類型指標(biāo)(人類活動強(qiáng)度)以及水質(zhì)狀況指標(biāo)(濁度)。 經(jīng)篩選,推薦以上6 個類型的11 項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)成長江流域不可涉水河流生境監(jiān)測指標(biāo)。

2.2 國外水生生物指標(biāo)

2.2.1 國外水生生物指標(biāo)調(diào)研情況

本研究共收集了不同國家和地區(qū)用于水生態(tài)狀況評價的生物指標(biāo)66 項(xiàng),其中,歐洲44 項(xiàng)、北美洲11 項(xiàng)、大洋洲4 項(xiàng)、非洲3 項(xiàng)、亞洲1 項(xiàng),以及全球通用3 項(xiàng),涉及美國、英國、法國、意大利和德國等20 多個國家和地區(qū)。 收集到的生物指標(biāo)類型主要可分為單一指標(biāo)、復(fù)合指標(biāo)和模型3 種,其中,單一指標(biāo)26 項(xiàng)、復(fù)合指標(biāo)32 項(xiàng)、模型8 項(xiàng)。生物指標(biāo)名稱詳見表5。

表5 國外常見水生生物評價指標(biāo)Table 5 Assessment indices of common aquatic organisms abroad

2.2.2 不同水體類型的生物指標(biāo)

按照在不同水體中的適用情況對國外常見生物指標(biāo)進(jìn)行分類:適用于評價河流的生物指標(biāo)有49 項(xiàng),占所有收集指標(biāo)的74.2%,其中,僅適用于可涉水河流的指標(biāo)有4 項(xiàng),僅適用于不可涉水河流的指標(biāo)有1 項(xiàng),僅適用于河口的指標(biāo)有1 項(xiàng),分別占河流生物評價指標(biāo)的8.2%、2.0%、2.0%;適用于評價湖泊的生物指標(biāo)有8 項(xiàng),占所有收集指標(biāo)的12.1%;其他9 項(xiàng)為通用生物指標(biāo),占所有收集指標(biāo)的13.6%。

2.2.3 不同生物類群的生物指標(biāo)

本次收集到的生物類群主要包括藻類、底棲動物、魚類和大型水生植物。 其中:底棲動物指標(biāo)最多,共27 項(xiàng),占所有收集指標(biāo)的40.9%;其次是魚類,20 項(xiàng),占所有收集指標(biāo)的30.3%;藻類和大型水生植物指標(biāo)分別為10 項(xiàng)和9 項(xiàng),分別占所有收集指標(biāo)的15.2%和13.6%。

2.2.4 指示不同環(huán)境壓力的生物指標(biāo)

根據(jù)每項(xiàng)生物指標(biāo)的指示作用,將各指標(biāo)反映的環(huán)境壓力分為營養(yǎng)/有機(jī)污染、水文/生境和綜合壓力3 種。 其中:指示綜合壓力的生物指標(biāo)有38 項(xiàng),占所有收集指標(biāo)的57.6%;指示營養(yǎng)/有機(jī)污染的生物指標(biāo)有25 項(xiàng),占所有收集指標(biāo)的37.9%;指示水文/生境的生物指標(biāo)有3 項(xiàng),占所有收集指標(biāo)的4.6%。

2.2.5 水生生物指標(biāo)適用性篩選

根據(jù)本研究構(gòu)建的水生生物指標(biāo)適用性評估方法,篩選出水生生物適用性指標(biāo)11 項(xiàng),其中,底棲動物5 項(xiàng),藻類、魚類和大型水生植物各2 項(xiàng)。具體的水生生物指標(biāo)見表6。

表6 國外不同水體水生生物指標(biāo)推薦列表Table 6 Recommended list of aquatic biological indices in different water types abroad

2.3 長江流域水生生物指標(biāo)

2.3.1 長江流域水生生物指標(biāo)調(diào)研情況

本研究通過檢索及篩選,共獲取長江流域水生態(tài)狀況評價相關(guān)研究文獻(xiàn)66 篇。 水體類型涉及河流、湖庫、河口及河流湖庫復(fù)合型4 種,生物類群包含了藻類(浮游藻類、著生藻類)、浮游動物、底棲動物、魚類、大型水生植物5 個類群,評價指標(biāo)包括單變量評價指標(biāo)、多變量評價指標(biāo)及綜合性評價指標(biāo)3 種類型,研究區(qū)域分為長江上游、中游、下游及長江口4 類。

2.3.2 不同水體類型調(diào)研情況

按照水體類型對獲取的相關(guān)研究文獻(xiàn)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì),結(jié)果顯示:河流水生態(tài)健康評價相關(guān)研究共35 篇,占總文獻(xiàn)量的53. 0%;湖庫水生態(tài)健康評價相關(guān)研究共23 篇,占總文獻(xiàn)量的34. 8%;河口及河流湖庫復(fù)合型水生態(tài)健康評價相關(guān)研究明顯較少,均為4 篇,各僅占總文獻(xiàn)量的6. 1%。

2.3.3 不同生物類群調(diào)研情況

按照生物類群對獲取的文獻(xiàn)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì),結(jié)果顯示:底棲動物的采用頻率最高,相關(guān)文獻(xiàn)共23 篇,占總文獻(xiàn)量的34.8%;其次是復(fù)合型(包含2 種及以上生物類群),相關(guān)文獻(xiàn)占30.3%;單獨(dú)利用藻類進(jìn)行評價的文獻(xiàn)相對較少,僅13 篇,占總文獻(xiàn)量的19.7%;以魚類進(jìn)行水生態(tài)評價的研究報道僅占9.1%;利用大型水生植物和浮游動物進(jìn)行水生態(tài)評價的研究最少,均不足5.0%。

2.3.4 不同指標(biāo)類型調(diào)研情況

按照指標(biāo)類型對獲取的文獻(xiàn)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì),結(jié)果顯示:利用單變量評價指標(biāo)進(jìn)行水生態(tài)健康狀況評價的研究最多,共35 篇,占總文獻(xiàn)量的53.0%;其次是利用多變量評價指標(biāo)進(jìn)行水生態(tài)健康狀況評價的研究,共23 篇,占34.8%;利用綜合性評價指標(biāo)進(jìn)行水生態(tài)健康評價狀況的研究最少,共8 篇,占12.1%。 不同類型評價指標(biāo)所包含的指數(shù)具體見表7。

表7 不同類型評價指標(biāo)具體內(nèi)容Table 7 Specific contents of different types of assessment indices

2.3.5 不同研究區(qū)域調(diào)研情況

按照研究區(qū)域?qū)Λ@取的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì),結(jié)果顯示,長江上游、中游、下游、河口區(qū)域相關(guān)研究文獻(xiàn)分別為31 篇、20 篇、11 篇、4 篇。 長江上游主要以藻類為研究對象,評價指標(biāo)主要采用IBI、Shannon-Wiener 指數(shù)和Pielou 指數(shù)[80-81];長江中游主要以底棲動物為研究對象,評價指標(biāo)主要采用Shannon-Wiener 指數(shù)、GI、HBI 和FBI等[82-84];長江下游主要以底棲動物和藻類為研究對象,評價指標(biāo)主要采用IBI、Shannon-Wiener 指數(shù)和HBI 等[85-88];長江口主要以底棲動物為研究對象,評價指標(biāo)的使用頻次以M-AMBI 為較多[89-90]。 長江流域不同區(qū)域、不同生物類群的評價指標(biāo)及使用頻次見表8。

表8 長江流域不同區(qū)域的評價指標(biāo)Table 8 Assessment indices in different regions of the Yangtze River

2.4 長江流域水生生物推薦評價指標(biāo)

通過對長江流域水生態(tài)狀況評價相關(guān)研究報道的分類歸納和統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),長江流域主要采用底棲動物、藻類和魚類3 種生物類群進(jìn)行水生態(tài)狀況評價。 其中,底棲動物和藻類屬于小型水生生物,可以表征較小空間尺度和時間尺度下的壓力影響。 結(jié)合國外水生生物評價指標(biāo)調(diào)研結(jié)果和各評價指標(biāo)在長江流域的使用頻次可知,長江上游區(qū)域主要采用藻類(主要是硅藻)進(jìn)行水生態(tài)評價。 因上游特別是源頭區(qū)域處于高海拔低氧環(huán)境,底棲動物數(shù)量和種類都較少,且大多為適應(yīng)低氧環(huán)境的種類,現(xiàn)有底棲動物耐污性及多樣性評價指標(biāo)在此區(qū)域的適用性較差,所以優(yōu)先推薦采用藻類作為評價類群, 評價指標(biāo)則采用Shannon-Wiener 指數(shù)、硅藻生物指數(shù)、藻類完整性指數(shù)等指示多樣性、污染耐受性和完整性的指標(biāo)。當(dāng)采用底棲動物進(jìn)行評價時,推薦采用指示底棲動物分布均勻度的指標(biāo),如Pielou 均勻度指數(shù)。長江中下游河網(wǎng)密布、湖泊眾多,此區(qū)域的物種多樣性和豐富度高,指示多樣性、污染耐受性和完整性的指標(biāo)都具有較高的使用率,且中下游長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展強(qiáng)度高、污染排放量大,反映重污染指示類群寡毛類豐度特征的指標(biāo)在該區(qū)域具有較高的指示性,如GI。 因此,在長江中下游,優(yōu)先推薦采用底棲動物作為評價類群,評價指標(biāo)則推薦采用Shannon-Wiener 指數(shù)、HBI、FBI、B-IBI 和GI;藻類則可采用硅藻生物指數(shù)和藻類完整性指數(shù)進(jìn)行評價。 長江口區(qū)域相比其他區(qū)域受人為干擾更為嚴(yán)重,相關(guān)研究主要集中于底棲動物,極少采用藻類,所以推薦采用指示底棲動物多樣性和完整性的指標(biāo),并增加能較好表征人為壓力的M-AMBI。 相對于小型水生生物,魚類對于表征長時間尺度和大空間尺度的壓力變化,特別是水文變化,具有不可替代的作用。 關(guān)于前文所述基于魚類指標(biāo)的水生生物評價,國外已有大量研究,但由于長江禁漁政策的實(shí)施,生態(tài)環(huán)境部門開展業(yè)務(wù)化監(jiān)測存在較大難度。 綜合考慮普遍性與可操作性,本文推薦采用國外持續(xù)使用且在長江各區(qū)域均有應(yīng)用的F-IBI[91-93],以及目前水利部《河湖健康評估技術(shù)導(dǎo)則》[94](SL/T 793—2020)推薦采用的FOEI 兩項(xiàng)指標(biāo),在河口區(qū)域可考慮增加河口定居性魚類種類數(shù)。 具體推薦監(jiān)測類群及評價指標(biāo)見表9。

表9 長江流域水生生物推薦監(jiān)測類群及評價指標(biāo)Table 9 Recommended monitoring groups and assessment indices of aquatic organisms in the Yangtze River Basin

3 結(jié)論

從上游源頭到下游河口,長江流域各區(qū)域在自然環(huán)境特征、水體類型構(gòu)成、生物區(qū)系組成、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、主要污染類型和流域管理水平等方面存在較大差異,難以用一套統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)來衡量整個流域的水生態(tài)質(zhì)量。 充分借鑒歐美發(fā)達(dá)國家較為成熟的評價方法和指標(biāo)體系,結(jié)合國內(nèi)已有研究成果,本研究最終篩選出長江流域可涉水河流和不可涉水河流生境評價指標(biāo)各11 項(xiàng)。根據(jù)國內(nèi)對長江流域水生生物評價指標(biāo)的研究成果,結(jié)合國外水生生物評價指標(biāo)調(diào)研結(jié)果,充分考慮長江各區(qū)域水生生物類群特點(diǎn),得到長江流域各區(qū)域水生生物推薦評價指標(biāo):在長江上游,首選藻類和魚類進(jìn)行多樣性與完整性評價,最終篩選確定了3 項(xiàng)藻類、1 項(xiàng)底棲動物和2 項(xiàng)魚類評價指標(biāo);在長江中游和下游,推薦首選底棲動物和魚類進(jìn)行污染耐受性與完整性評價,篩選確定了2項(xiàng)藻類、5 項(xiàng)底棲動物和2 項(xiàng)魚類評價指標(biāo);在長江口,推薦利用底棲動物和魚類進(jìn)行多樣性和污染耐受性評價,篩選確定了5 項(xiàng)底棲動物和3 項(xiàng)魚類評價指標(biāo)。