水生植物在河流健康評價中的應用研究進展

劉勇麗, 劉錄三,*, 汪星, 王瑜

1. 中國環境科學研究院, 國家環境保護河口與海岸帶環境重點實驗室, 北京100012 2. 中國環境科學研究院, 環境基準與風險評估國家重點實驗室, 北京 100012

水生植物在河流健康評價中的應用研究進展

劉勇麗1,2, 劉錄三1,2,*, 汪星1,2, 王瑜1,2

1. 中國環境科學研究院, 國家環境保護河口與海岸帶環境重點實驗室, 北京100012 2. 中國環境科學研究院, 環境基準與風險評估國家重點實驗室, 北京 100012

水生植物是河流生態系統中的初級生產者,積累了一定時期的水文、物理和化學壓力, 不僅具有很好的環境指示作用,而且能夠很好的反映河流生態系統的健康狀況。基于水生植物的評價方法有指示物種法、多指標植物指數法和預測模型法。重點闡述了三種評價方法的研究現狀, 分析了其特點和適用性; 指出了現有水生植物評價方法所存在的問題, 得出我國今后應該建立水生植物多要素綜合評價方法, 根據各評價指標對河流生態系統健康狀況的貢獻大小, 對指標體系內的指標進行賦權, 進而計算其綜合得分; 提出了今后我國利用水生植物評價河流健康狀況的措施。

水生植物; 營養指數; 多指標植物指數; 預測模型; 河流健康

1 前言

河流是人類發展的自然資源之一, 能夠為人們提供食物、工農業及生活用水, 還具有調節氣候、改善生態環境、維護生物多樣性等多種服務功能[1]。河流生態系統在自然界能量流動和物質循環中也發揮著重要的作用。然而, 由于人口的快速增長以及人類活動的加劇, 河流生態系統受到嚴重損害, 一些河流的水文、水質、河岸帶完整性等正在日趨惡化, 生物多樣性、社會服務功能也逐步喪失。為促進生態、社會和經濟的協調發展, 對河流生態系統健康進行研究已成為當務之急。因此, 恢復和維持一個健康的河流生態系統已經成為近年來環境管理的重要目標[2–5]。

河流健康的概念最初在1972年美國的《聯邦水污染控制修正法》(Federal Water Pollution Control Act.)中被提出, 即健康的河流生態系統應具有結構完整性(化學、物理生物完整性)和功能完整性(生態學進程)[6–7]。Karr等認為河流健康就是維持河流生態系統的完整性, 并在河流評價中建立了生物完整性指數IBI(Index of biotic integrity)[8]。隨著對河流健康的研究進一步深入, 許多學者認識到這一概念是不全面的, 河流健康概念中應該包括人類價值[9],即河流生態系統不僅能維持自身結構的完整性, 并能維持正常的服務功能和滿足人類社會發展的合理需求[10]。

傳統的河流健康評價方法是通過監測水體的理化指標, 但是水體理化指標對人為干擾指標的響應不敏感, 而河流生物群落能夠整合不同時間和空間尺度上各種化學、生物和物理影響, 不僅能夠顯著指示水體富營養化狀況, 還能夠反映河流生態系統的退化。例如, 隨著污染的加重, 物種多樣性下降,一些敏感指示生物種類數量減少或者消失, 而污染種類個體數量則增加, 進而形成優勢種, 因此許多研究學者開始采用生物指標來指征河流水質污染狀況[11–12]。

水生植物是指能夠長期或永久地在水中正常生活的植物, 包括沉水、挺水、漂浮和浮葉植物, 是河流生態系統中的初級生產者, 具有顯著的環境生態功能, 不僅能夠為其他水生生物提供食物和棲息地,而且也會對河流的物理化學特性產生影響。新的《歐盟水框架指令》(the Water Framework Directive)規定,水生植物也可以作為指示生物之一來評價河流生態系統的健康狀況[13]。相比于魚類、藻類和大型無脊椎動物, 水生植物能夠在其組織內很快富集污染物和重金屬[14], 在樣品采集和鑒定方面也相對容易[15]。水生植物由于根植在水體中, 積累了一定時期的水文、物理和化學壓力, 其結構、功能和生態特征能綜合反映河流水生態環境的基本功能特性, 因此不僅具有很好的環境指示作用, 而且能夠很好的反映河流生態系統的健康狀況[16–18]。水生植物的監測與評價也可以為流域水環境管理提供有價值的信息。本文綜述了水生植物在河流中的指示作用, 重點闡述了水生植物評價河流健康狀況的各種方法, 其方法在國內外的應用現狀和適用范圍, 分析了現有評價方法存在的問題, 并對今后利用水生植物評價河流健康提出建議和措施。

2 水生植物的指示作用

利用指示生物監測水體污染狀況的方法已經在歐洲等國家廣泛應用。不同種類的水生植物對所生長的水域有一定的指示作用[19]。沉水植物對水體污染最為敏感, 隨著水體污染的加重, 會出現大面積的死亡甚至消失, 例如輪藻、小茨藻等屬于敏感物種, 多分布在輕污染的河流水域中; 苦草、金魚藻、竹葉眼子菜、微齒眼子菜和水車前等分布在中污染河流水域; 狐尾藻、菹草、篦齒眼子菜等分布在重污染河流水域。挺水植物的耐污能力較強, 對水體中的污染物不敏感, 如水花生、蘆葦和香蒲等屬于耐污種, 多分布在重污染河流水域。漂浮植物中滿江紅、浮萍、水鱉、荇菜、菱等對高濃度氮磷的水體有一定的耐受力[20–23]。隨著水體富營養化加重,水生植物群落逐漸退化, 挺水植物和浮葉植物群落會逐漸替代沉水植物群落[24]。國外的研究學者按照水生植物的耐污特性賦予了一定的營養等級分值,從1到10進行打分。常見水生植物的物種特性如表1。

3 水生植物在河流健康評價中的應用

隨著《歐盟水框架指令》將水生植物納入河流健康評價的指示生物之一, 許多研究學者開發了一系列的水生植物評價方法, 從評價原理上來看, 分為指示物種法(Indicator species method)、多指標評價法(Multimetrics assessment method)和預測模型法(Predictive model method)。

3.1 指示物種法

指示物種法在河流健康評價中應用比較廣泛,主要依據生態系統的關鍵種、特有種、指示種等的數量、結構功能等指標來描述生態系統的健康狀況。水生植物物種有定義明確的生態幅度和物種最適生長條件, 生態幅度寬的物種能夠耐富營養化[28], 因此可以利用物種的營養等級分值來評價河流的生態狀況[29]。

表1 常見水生植物類群的物種特性[25–27]Tab. 1 The species features of common aquatic plants[25–27]

Haslam等[30]在1978年開發了第一個水生植物營養指數來評價河流污染狀況。為了響應《城市廢水指令》(Urban Waste Water Treatment Directive)的需求, Dawson等[31]調查了英國河流的水生植物物種并建立了MTR(Mean Trophic Rank)指數, MTR指數得分從 10—100變化, 分值越低, 代表樣點的富營養化程度越高。Szoszkiewicz等[27]利用MTR指數評價了波蘭河流的生態狀況, 結果表明MTR分值與水體環境變量之間有很強的相關性。隨后MTR指數被應用于歐洲其他地區河流健康評價中, 但結果卻表明其得分與水體營養指標關系微弱[32–34]。Szoszkiewicz等[25]新增了部分水生植物的營養分值, 新增加的MTR指數得分與水體營養濃度關系有了顯著提升。Schneider等[35]開發了TIM指數(Trophic Index with Macrophytes)來評價德國水域的營養狀況。Haury等[36]建立了 IMBR(Macrophyte Biological Index for Rivers)指數很好地評價了意大利和法國等河流水體富營養化和有機污染狀況。Fabris等建立了參考樣點指數RI(reference index)[37], 該指數可以檢測河流的營養狀況, 還可以檢測一系列的生態壓力。Kuhar等在 RI指數的基礎上研發了 RMI指數(River Macrophyte Index), 該指數不僅能夠指示環境壓力變化, 還能夠指示河流富營養化狀況[38]。相比國外,我國目前還沒有建立相應的水生植物營養指數。部分水生植物指示物種評價方法的特點和適用范圍見表2。

雖然基于水生植物的指示物種法都能夠有效的評價河流的富營養化狀況, 但是沒有一個營養指數可以被廣泛應用于其他流域[22], 這可能是不同地區指示物種的地理分布不同。Dodkins等[39]建立了水生植物營養指數來評價葡萄牙河流的營養狀況。結果表明北部河流營養指數與水體營養指標顯著相關, 而南部酸性和干旱河流的相關性很低。這主要是南部干旱河流的水生植物物種數量較少, 并且地中海特殊的氣候特點和水文狀況, 導致水生植物評價方法很難適用于葡萄牙區域河流。因此在某些缺少生物數據的河流中, 指示物種法的應用受到一定的限制。

3.2 預測模型法

預測模型法主要是通過選擇無人為干擾或干擾較小的河段, 建立河流的物理化學特征及相應水生植物組成之間的經驗模型, 以此預測被評價河段天然條件下的水生植物組成, 并與實際的物種組成進行對比量化分析。比值越接近1表明該河流越接近自然狀態, 其健康狀況也就越好[40]。

表2 水生植物指示物種評價方法的特點和適用范圍Tab. 2 The characteristics and applicability of aquatic macrophytes indicator species methods

近年來, 越來越多的研究學者利用水生植物建立預測模型來評價河流生態系統健康狀況。Dodkins等[28]基于大型植物建立了預測模型 CBAS(Canonical Correspondence Analysis-based Assessment System),通過對參考站點進行分組, 針對每個河流類型制定相應的度量值, 利用CCA分析篩選出了合適的環境響應指標, 基于物種的最適生長條件、生態寬度和物種蓋度進行加權平均計算出指標值, 該模型能夠區分參考樣點和受損樣點。參考樣點的分組在河流健康評價中占很重要的地位, Fabris等[37]指出河流的生態現狀不僅受到營養狀況的影響, 而且受到河流類型的影響, 不正確的分類方法會導致河流評價結果不準確。Aguiar等[41]基于水生植物群落在伊比利亞河流建立了兩種預測模型, 即 MACPACS Macrophyte Prediction and Classification System)和MAC(Macrophyte Assessment and Classification)模型,結果表明MACPACS模型與人類干擾和營養鹽的輸入指標的相關性較差, MAC模型則能夠顯著反應人為干擾情況下河流生態系統的退化。這個模型的區別在于分別選擇了植物頻度和多度數據建模, 因此MAC模型對河流生態系統退化的預測高于MACPACS模型。

目前國內主要通過建立綜合評價模型來評價河流的健康狀況, 常用的模型評價方法有模糊綜合評判法、層次分析法、灰色綜合評判法、貼近度分析法和聚類分析法等。一些研究學者建立了由目標層、要素層、指標層構成的河流健康評價指標體系, 運用層次分析法確定評價指標的權重, 在加權計算出綜合評價指數。趙志淼等[42]應用模糊評判法、聚類分析法和貼近度分析法來評價遼河保護區遼河干流鐵嶺段健康河岸帶的生境狀況, 得出最適宜的評價方法為貼近度分析法。賈蕊等[43]在贛江南昌段建立了由自然形態狀況、生態環境狀況和社會服務狀況組成的評價指標體系。王勁修等[44]運用層次分析法從河流健康狀況、岸坡穩定性、河岸帶土壤條件和河岸帶植被條件四個方面構建了山西汾河源頭河岸帶生態狀況評價體系。施展[45]等從河岸穩定、河岸廊道、濱水植被、緩沖帶植被、護岸帶狀況和景觀適宜性六個方面構建了蘇州河上海城區段河流濱岸帶生境質量評價體系。肖琳等[46]在渾河流域建立了河流生境質量評價指數, 構建了河岸穩定性、河岸帶寬度、河岸帶植被狀況、河岸帶人類干擾、河道水生植物狀況、河道形態完整性、河道連通性和河道人類干擾的生境評價指標體系。杜東等[47]從河流水文、河岸帶狀況、河流形態結構、河流水質理化參數、水生生物指標五個方面構建了太湖主要入湖河流健康評價體系。王強等[48]選用河流生境多樣性指數、河道濕潤率、生境單元質量指數, 采用專家打分法確定權重系數, 建立了三峽庫區東河的生境快速評價指標體系及定量評價模型。陳晨[49]、付愛紅[50]、楊予靜[51]等運用 PSR模型分別在太子河流域、塔里木河流域和汝溪河流域構建了生態系統健康評價指標體系。部分預測模型評價方法的特點和適用范圍見表3。

3.3 指標體系評價法

多指標植物指數評價方法主要是將水生植物的屬性(如物種豐度、蓋度、物種功能和營養指數等)和河流的物理化學參數列于評價指標體系中, 通過將監測點的一些生物特征指標與參考點的特征指標進行比對評分, 將各指標的得分累加進而劃分河流生態系統的質量等級[28]。該類方法最具代表性的是生物完整性指數法IBI。

河岸帶具有消減面源污染, 提供野生動、植物生態環境、改善河流生態環境等諸多功能, 河岸帶寬度及其生物種類組成等對于河流生態系統健康狀況具有較大影響, 因此一些學者將河流中的水生植物與河岸植被結合建立多指標植物指數[52]。Ferreira等[53]建立了伊比利亞多指標植物指數IMPI (Iberian multimetric plant index), 結果顯示IMPI值與流域人為干擾呈現一致的相關性, 因此IMPI指數展示了將河岸植被特征與河流全局干擾結合起來的可能性。Aguiar等[54]建立了河岸帶植被指數 RVI(Riparian Vegetation Index)來檢測伊比利亞半島河流生態系統的結構和功能組件對于人為干擾的響應。RVI指數在流域尺度上, 結合河岸帶植被的特征和流域土地利用變化, 系統分析了河流生態系統的健康狀況。該指數能夠很好地評價人為干擾對河流生態系統的影響, 但評價指標有 32項, 評價標準也較難確定,因此增加了評價工作的復雜程度。

隨后基于水生植物的多指標評價方法也被應用于大型河流的健康評價中。Trémolières等[55]開發了一個多指標植物指數來評估萊茵河邊緣水生棲息地的保護狀態, 將其生態狀況分為從退化到健康的 5個質量等級, 并且得出營養級指標和河流的連通性是影響萊茵河生態狀況的重點因素。Moore等[56]在密西西比河建立了沉水植物指數 SMI(Submerged Macrophyte Index)來評價人為干擾對其生態系統退化的影響。結果表明, SMI指數與壓力梯度有顯著的負相關關系, 能夠成功地檢測人為壓力對密西西比河生態退化的影響, 并且該指數是北美洲第一個利用水生植物評價大型河流生態系統健康的方法。

目前國內主要利用多指標評價法來評價河流的生境質量狀況, 并且應用較為廣泛, 水生植物組成作為其中的評價指標之一。王強等[57]建立了生境質量評價指標體系HQA(Habitat Quality Assessment)和生境退化指數HMS(Habitat Modification Score)評估了東河河流的生境現狀。王建華等[58]在撓力河流域建立了河流生境質量指數 ISHQ(Index of Steam Habitat Quality), 結果顯示撓力河流域河流生境質量整體狀況良好。劉華等[59]在太湖流域宜興片建立了河流生境質量指數 IRHQ(Index of River Habitat Quality), 包含河道生境、河岸生境和濱岸帶生境3方面共 10項的河流生境質量評價指標體系。王瓊等[60]在蒲河流域建立了生境質量評價體系, 采用三分法評分標準對16個指標進行打分, 采取累計求和的方式計算生境綜合評價指數。部分多指標植物指數評價方法的特點和適用范圍見表2-3。

4 存在的問題

指示物種法能夠利用水生植物的特性快捷地指示河流生態系統健康, 但該方法也存在一定的缺陷,如缺乏與水生植物數據的直接聯系; 在指標驗證和結果解釋方面較弱; 僅局限于水體環境的變化, 難以反應人類干擾等因素。雖然水生植物營養指數在國外河流健康評價中應用廣泛, 但我國水生植物的分布與國外不同, 目前只有少部分的水生植物有對應的營養等級分值, 因此利用水生植物營養指數評價我國河流健康還需要做更多的研究工作。

預測模型法綜合了指示物種法沒有被考慮到的指標, 能夠很好的反映人為干擾對河流質量等級的影響。但這類方法主要通過水生植物單一物種組成進行比較, 如果河流健康狀況受到破壞, 但并未反映在該物種組成變化上, 就無法反映河流的真實健康狀況, 這是評價預測模型法的一大缺陷[61], 并且該方法在模型檢驗時還需要相當大的校準工作。

表3 預測模型評價方法的特點和適用范圍Tab. 3 The characteristics and applicability of predictive model methods

多指標體系評價法綜合了河流的物理、化學和生物完整性指標, 能夠反映河流從一個天然狀態到退化的過程, 評價方法簡單, 評價結果容易解釋。但多指標植物指數的評價指標遠遠多于前兩種方法,給評價工作帶來一定的難度, 并且評價標準難以確定, 在評價結果的精度上有所欠缺, 會掩蓋單個參數重要的信息[62]。

參考樣點的選擇是影響河流健康評價的重要因素。有研究證明, 通過專家判定的方法來確定參照點位, 會產生過高評價, 影響評價結果的準確性[63]。參考樣點是否有足夠的基礎數據也會影響評價方法的應用。丹麥研究學者證明, 適用于歐洲的大型植物完整性指數無法應用到丹麥河流的研究中[64]。在現有的水生植物評價方法中, 參考樣點的確定大多通過專家調研或者歷史數據來判定, 缺少標準來定義和確定合理的參考狀態。

我國目前現有的多指標水生植物評價體系, 主要是針對河流生境質量現狀的評價, 缺乏生物完整性指標和水體理化指標, 評價體系尚不完整, 不能全面反映河流生態系統的健康狀況。現有的預測模型評價方法, 主要是運用層次分析法來確定指標的權重, 沒有通過水生植物的結構和功能屬性建立評價模型, 而國外建立的 MAC模型已經能夠成功地評價河流生態系統的健康狀況。并且我國不同地域的河流水文狀況, 生物多樣性和生物區系各有不同,難以建立一套評價指標體系來適用于不同生態區域的河流健康評價。

綜上所述, 一個好的評價方法應該能夠提供簡單易行的評價標準, 涵蓋數量少且具有代表性的指標, 能夠提供簡單易解釋的評價結果[2], 能夠對人為干擾做出顯著的響應, 能夠結合水體和河岸特征綜合的反映河流生態系統的健康狀況。因此可以建立多要素綜合評價方法, 建立包含生物完整性指數、物理生境完整性指數和水質理化參數的綜合評價指標體系, 然后對指標體系內的指標進行賦權(即各評價指標針對河流生態系統健康狀況的貢獻大小), 來綜合評價河流生態系統的健康狀況。

5 研究展望

從國外的研究來看, 水生植物在河流健康評價中的應用研究很多且已日趨成熟, 而我國水生植物評價技術研究還相對滯后, 不僅選取的評價指標較為單一, 而且缺少針對不同類型河流開展的分類評估研究。目前我國尚未開展水生植物的生物完整性指數研究, 因此未來我國利用水生植物評價河流健康還需要重點開展以下幾個方面的研究工作:

(1) 建立長期、系統的水生植物監測體系

建立規范化的水生植被調查方法和物理生境調查方法, 在樣品采集和監測指標上設置統一的標準和要求。依靠專家和文獻調研等方式確定水生植物的物種特性, 豐富我國水生植物營養等級分值數據庫。調查水體和河岸的水生植物特征, 監測相似生態流域內的水生植物組成, 為制定不同地域水生植物評價標準提供基礎資料。對仍處于天然狀態河流的水生植物指標加強數據調查, 為制定更合適的河流參照狀態基準做技術支撐。

(2) 確定合理的參照點位

參照點位在多指標植物指數和預測模型評價法中占很重要的位置, 一般選擇河流中完全未受干擾的參照點位作為參考基準。但目前我國大部分河流生態系統退化嚴重, 難以在同一河流中找到合適的參照點位, 因此在污染較小的河流可以選擇受人為干擾較小的參照點位, 在污染較重的河流可以選擇最好和最差的參照點位作為參考基準。在參照點位的篩選方面, 可以參考水化、土地利用和水文數據,通過水質指標和生境質量評分進行定量化篩選[65]。

(3) 制定合理的指標評價體系和評價標準

評價指標體系應該涵蓋水質, 水文狀況、河岸帶、水生植物完整性指數和河流生境質量指數等五大要素, 既要有定性指標又要有定量指標, 這樣才能全面的反映河流的健康狀態。在指標的篩選上,可以運用相關性分析、敏感性分析和識別能力分析等方法, 篩選出個數少、靈敏度高、穩定性好、不存在重復信息, 能夠對人為干擾有明顯的響應關系的指標體系。在評價標準的確定上, 可以采用三分法、四分法、比值法, 或者依靠專家評定來對參數的范圍制定分值。對不同類型的參考點位, 可以制定不同的評分標準。

(4) 開展不同類型河流水生植物評價研究的應用

研究相似區域河流的生態現狀, 在此基礎上分區建立相應的評價體系。建立適合不同氣候條件的河流健康評價體系, 如寒冷地區的和干旱地區河流,富營養化流域和高海拔流域等, 這對水生植物評價方法的廣泛應用具有重要意義。同一條河流不同區段水生植物群落結構差異較大, 在建立大型河流評價體系時, 需要對河流類型進行分類, 針對不同類型建立相應的評價體系。

總的看來, 我國水生植物的評價體系尚不完善,需要參照國外水生植物的評價方法, 結合我國實際情況, 構建適合我國河流的水生植物多要素綜合評價方法[66]。深入開展水生植物調查研究, 可以結合現代科技手段如遙感、GIS等技術。對我國河流的生態現狀進行分區, 在分區的基礎上建立相應的評價方法, 可以有效的推動我國河流生態系統健康評價的發展。

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Application of aquatic macrophytes in river health assessment: a review

LIU Yongli1,2, LIU Lusan1,2*, WANG Xing1,2, WANG Yu1,2
1. State Environmental Protection Key Laboratory of Estuarine and Coastal Environment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 2. State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012, China

Aquatic macrophytes, accumulated a certain period of hydrological, physical and chemical stresses, is the primary producer in river ecosystems. Aquatic macrophytes not only have a good indicative function of the environment, but also can greatly reflect the status of river ecosystem health. The assessment methods based on aquatic macrophytes consist of indicator indices, multimetric indices and predictive models. This paper mainly introduced the research progress of aquatic macrophytes assessment methods, and analyzed the characteristics and applicabilities of different assessment methods.Furthermore, we pointed out the related existing problems of aquatic macrophytes assessment methods, which indicated that multi-factors comprehensive assessment method should be set up in the future. According to the contribution of assessment index to the river ecosystem health, we can give weighs for the indices, so as to calculate the comprehensive score. Finally,we put forward some suggestions of aquatic plants used for river health assessment in future.

aquatic macrophytes; trophic status; multimetric plant index; predictive model; river health

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.03.030

Q178

A

1008-8873(2017)03-207-09

劉勇麗, 劉錄三, 汪星, 等. 水生植物在河流健康評價中的應用研究進展[J]. 生態科學, 2017, 36(3): 207-215.

LIU Yongli, LIU Lusan, WANG Xing, et al. Application of aquatic macrophytes in river health assessment: A review[J]. Ecological Science, 2017, 36(3): 207-215.

2015-11-20;

2015-12-18

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2015ZX07201-008)

劉勇麗(1989—), 女, 陜西漢中人, 碩士研究生, 主要從事水生生物方面的研究, E-mail: liuyl1026@126.com

*通信作者:劉錄三, 男, 博士, 研究員, 主要從事水生生物多樣性、生物監測與評價方面研究, E-mail: liuls@craes.org.cn