海河流域河流生境功能識別及區域差異

孫然好,程 先,陳利頂

1 中國科學院生態環境研究中心 城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學院大學, 北京 100049

城市可持續需要從生物多樣性、生態過程、生態服務、以及相關的人類福祉等幾個方面進行研究[1- 3],城市的發展不僅要滿足人類的需求,同時也要滿足生物保護的目標[4- 5]。城市群是全球發展的重要戰略空間和中國新型城鎮化的主體形態[6]。隨著城市群的快速發展,城市與城市之間的聯系也越來越緊密[7]。這種密切的能流、物流和人口流動對于區域生態系統產生重要影響,尤其是對于流域的完整性造成破壞,對水資源、水環境、水生生物生境造成嚴重干擾[8- 10]。城市群區域的河流生境特征具有重要的生態價值,是重要生物的棲息環境,也是進行水生態保護的依據[11-12]。傳統的河流生境調查主要集中在較小范圍的河段[13- 15],通過河流特征的描繪、水生生物的調查進行定性和定量研究[16-17]。但是,大尺度流域的河流生境識別相對研究較少。空間化的河流生境特征是進行城市群生態安全格局構建的基礎,尤其是大尺度流域的河流生境識別顯得更為重要。

自20世紀初Cotton提出河流分類以來,河流生境分類隨著人們對河流結構、過程和功能等的認識逐步發展。國外河流生境分類的主要依據是河流地貌、水文、生態等特征[18-20]。其中,最具代表性的是Rosgen的河流生境分類方法,主要根據河流地形地貌、水文和植被等特征,逐級將河流生境劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類[19]。此外,已有的研究多以樣點調查為主[21-22],工作量大、耗時長、劃分結果差異化不明顯等[23]。國內關于大尺度的河流生境劃分的研究案例較少,如遼河[23]、太子河[24]等。上述河流生境劃分方法主要考慮河流物理特征,缺乏對河流區域特色的關注。本文提出一種新的河流生境劃分思路,既考慮傳統的河段劃分指標,又考慮流域的區域特征。伴隨著京津冀城市群的發展以及京津冀一體化的深化,構建京津冀城市群的生態安全格局是城市可持續性和生態完整性的必然要求。京津冀城市群位于海河流域,從流域完整性的角度我們選擇海河流域為一個整體,構建河流生境識別技術方案,分析不同區域的河流生境差異和水生生物特征,揭示空間差異和規律性,從而為京津冀城市群的城市發展規劃、水資源利用目標等提供依據。

1 研究區概況與數據處理

1.1 研究區概況

海河流域支撐著京津冀城市群的發展,同時也受到城市群發展帶來的環境脅迫。海河流域包括北京、天津、河北大部分區域,同時還覆蓋了內蒙古、山西、山東、河南等部分區域。河流生境特征的辨識和分區是進行城市群生態安全格局制定的重要參考。海河流域包括海河干流、灤河和徒駭馬頰河3大水系、7大河系、10條骨干河流,面積約32萬km2。海河流域平均人口密度為371人/km2,為全國平均人口密度的3.47倍。作為全國主要糧食產區之一,共有耕地1.09×105km2,約占全國的11%。流域屬于典型的資源性缺水地區,目前以不足全國1.3%的水資源量,承擔著10%的人口和13%的GDP。海河流域山地和平原面積分別占60%和40%,太行山、燕山以西、以北分布面積較廣的黃土高原,平原大致可分為山前洪沖積平原、中部河流泛濫平原和濱海平原。海河流域從東到西地帶性植被依次為森林、灌叢、稀疏灌草叢等。流域西北部多為鈣層土,中北部淋溶土、半淋溶土,中南部半淋溶土、初育土,中東部水成土、半水城土,東部沿海鹽堿土。海河流域年均降水量的80%集中在汛期,降水量由東南向西北逐漸減少。多年平均水資源總量3.7×1010m3,流域地表水平均開發利用率達63%,水資源總量平均開發利用率高達102%[25]。近年來,在各級支流近10000 km河長中,已有4000 km河道長年干涸,主要河道中下游年均斷流達300 d左右。因此,分析海河流域不同河段的河流生境特征以及水生生物群落規律,可以為城市發展規劃、生態安全格局構建提供生態背景。

1.2 河流生境調查與數據處理

河網數據是河流生境分類的基礎,河網的詳細程度決定著河流生境的一致性。海河流域下游平原區復雜的河網結構受到人類活動和工程措施的劇烈影響,無法從DEM直接獲取。基于以上原因,通過現有的多種分辨率、多種渠道的數據進行匯總,結合我們對海河流域的多次詳細調研,對河網進行了手工的數字化和取舍。繪圖的依據包括1∶100萬、1∶25萬水系圖、海委水系圖、水利部水功能區圖等,再根據行政區劃邊界等對四級河段進行分段,從而形成最終的河段單元(圖1),河段數為6254條,總長度47422 km,平均每條河段的長度為7.6 km。

圖1 海河流域主要河流與采樣點Fig.1 Main rivers and sampling sites of the Haihe River Basin

2013年7—8月在海河流域設置52個樣點進行河流生境調查,主要進行魚類樣品采集,用于對河流生境類型劃分結果進行校驗。每個樣點設置300 m的調查區間,選用電魚法和掛網法配合完成樣品采集。對于可涉水(水深≤1.5 m) 點位,只選用電魚法進行采集,主要工具為電魚器和刺網;對于不可涉水(水深>1.5 m)點位,選用掛網法和電魚法配合進行,兩種方法采樣時間均維持在1 h左右,以保證獲得較為全面的魚類樣品。魚類采集后,記錄采樣點不同魚類物種的個體數量,對未能現場鑒別物種的魚類,采用5%的甲醛保存并帶回實驗室參考相應資料鑒別。利用種類數、Shannon-Wiener指數(H′)等分析魚類特征。

式中,Ni為i種魚的個體數;N為總個體數;S為魚種類數;Pi為i種魚所占的比例。

1.3 生境指標的空間化

結合文獻資料和灤河流域的研究[26-27],我們歸納出河流生境的三類影響,分別是河段特征、斷流風險和海水影響,從中篩選了4個主要的指標(蜿蜒度、河道比降、斷流風險、鹽度)。河道彎曲度、河道比降可以通過1∶5萬DEM和水系圖進行數值運算,鹽度數據通過野外實地監測,取2013、2014年監測的平均值,通過插值方法將其拓展到河段尺度上。斷流特征根據2013、2014年監測樣點,統計其斷流特征,將斷流風險賦予不同的數值,1——兩個季節都有水、2——僅在9月有水或5月有水、3——兩個季節都無水。通過泰森多邊形和反距離加權插值方法,將這些斷流特征賦予不同的河段,并根據不同數值出現的頻率判斷斷流風險大小,獲取各個河段斷流特征的最大可能性。4個指標采用等權重的方法進行賦值,體現了簡單、直接的特點,避免了大量的指標之間的冗余信息,也容易數據收集和疊加計算。

2 結果

2.1 海河流域主要河流生境類型

由于河流生境分類主要基于河段尺度進行,因此河段尺度的指標可以列為備選,比如河道水面特征(蜿蜒度、比降、寬度等)、河床物質組成、河岸帶植被蓋度、河岸帶農田比例、河道改造和河岸帶干擾程度等。這些河段尺度的指標在各個流域都適用,我們在灤河流域進行了詳細的樣點采集和指標分析,通過RDA分析,發現河道蜿蜒度、河道比降能夠提供最大的解釋度(圖2)。河道蜿蜒度影響河流生境多樣性、沉積物運輸與河流形狀,河道比降則影響河流流速、基質組成、河道單元形態以及河道內棲息地類型等[24]。

圖2 灤河流域底棲動物與河段因子的關系Fig.2 Relationships between macroinvertebrates and river factors in the Luanhe River Basin%Chironomidae: 搖蚊百分比, percentage of Chironomidae; %burrower: 穴居者百分比, percentage of burrower; %climber: 攀爬者, percentage of climber; %sprawler: 爬行者, percentage of sprawler; %swimmer: 游泳者, percentage of swimmer; %collector: 收集者, percentage of collector; %predator: 捕食者, percentage of predator; %scraper: 刮食者, percentage of scraper; %shredder: 撕食者, percentage of shredder; R_taxa: 總分類單元數, total taxa number; R_EPT: 蜉蝣目、襀翅目和毛翅目分類單元總數, taxa number of EPT; %EPT: 蜉蝣目、襀翅目和毛翅目百分比, percentage of EPT; R_insect: 水生昆蟲分類單元總數, taxa of insect; R_domin: 優勢分類單元的個體相對多度, dominance degree; TOP3: 個體數量最多的3個分類單元的個體總數, taxa number of TOP3; Simpson: Simpson多樣性指數, Simpson diversity index; Margalef: Margalef多樣性指數, Margalef diversity index; width: 水面寬度, width of river; channel: 河道改造程度, channel transformation; %fine: 細粒物質百分比, percentage of fine; Riparian: 河岸帶, riparian; R_cropland: 河岸帶農田比例, proportion of cropland in riparian; R_stress: 河岸帶人類干擾, human stress in riparian

通過灤河流域的預研究,得到河道蜿蜒度、河道比降2個必選指標。這2個指標是通過一般的河段因子篩選而得到,與此同時,我們也認識到海河流域東臨渤海,海水對濱海河流生態系統也造成顯著的影響。其次,海河流域具有明顯的斷流特征,不管這種斷流是自然原因還是人為原因,斷流對河流生境的影響非常重要。最終,海河流域河流生境分類指標確定為河道蜿蜒度、河道比降、斷流風險、鹽度等4個指標(表1、圖3)。在ArcGIS軟件中將河段不同類型進行聚類匯總后,得出水庫和15種河流生境類型(表2)。

表1 海河流域河流生境分類指標

圖3 基于蜿蜒度/比降/斷流風險/鹽度的河流分類Fig.3 River classifications based on curve degree, elevation gradient, dry-up risk, and salinity

河流蜿蜒度主要與河段所處的位置有關,各個子流域的上有河段蜿蜒度大,而下游河段一般較為平直;河段比降則山區大于平原區。斷流風險主要分為高風險斷流、中風險斷流、低風險斷流,斷流風險高的河段一般位于山前沖積平原區,以及西部黃土高原地區。這些區域在河流水量不大的情況下,地表徑流多轉為地下徑流,而形成下游湖、淀的形態,或者通過灌渠引入農田和城市,因此斷流特征受到自然和人為綜合控制。海河多數河流的上游和源頭區更多的是中風險斷流,主要受地形條件和氣候條件的控制。海河下游平原區斷流風險較小,主要也受人類活動影響,比如很多灌渠、飲水工程等。此外,海河下游閘壩很多,水流緩慢,除非雨季情況下一般多呈靜水狀態。海水影響比較大的區域集中于濱海和東部平原地區(圖4)。

2.2 河流生境區域差異和水生生物特征

通過流域魚樣調查共鑒定出魚種43種,隸屬7目12科。其中,鯉形目鯉科魚類最多,達21種,占魚類種數的48.8%;鰍科11種,占25.6%。鱸形目蝦虎魚科1種,塘鱧科1種,攀鱸科1種;刺魚目刺魚科1種,刺鰍科1種;鲇形目鮠科2種,鲇科1種;鱧形目鱧科1種;鯔形目鯔科1種;合鰓目合鰓科1種。海河流域調查的魚類群落Shannon-Wiener多樣性指數平均為1.53,魚類種類數下降、大中型魚類資源衰退以及優勢種單一化和小型化,都伴隨著較低水平的生物多樣性。在魚類群落結構上表現為敏感物種越來越少,耐污性種類增多,如達里湖高原鰍、鲇魚(Silurusasotus)等。河流生境與水生生物特征密切相關,分析了不同河流生境的主要魚類指數(表3)。魚類數量和多樣性高的采樣點多位于低風險斷流河段,同時急流水域更適合不同類型的魚類生活。而蜿蜒度特征并沒有對魚類棲息造成直接制約,不同蜿蜒度河段均有高多樣性魚類特征。

表2 海河流域河流類型編碼、指標平均值

圖4 海河流域河段生境類型空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of river habitat types in the Haihe River Basin

生境類型編碼Code of habitat type生境類型Habitat type目Order科Family屬Genus種SpeciesShannon-Wiener指數Shannon-Wiener index111低蜿蜒度緩流常年有水河流2415181.734112低蜿蜒度緩流季節斷流河流121低蜿蜒度急流常年有水河流61026331.603122低蜿蜒度急流季節斷流河流24771.241103低蜿蜒度常年斷流河流211中蜿蜒度緩流常年有水河流12452.007212中蜿蜒度緩流季節斷流河流221中蜿蜒度急流常年有水河流4624261.894222中蜿蜒度急流季節斷流河流25770.337203中蜿蜒度常年斷流河流311高蜿蜒度緩流常年有水河流4611131.428312高蜿蜒度緩流季節斷流河流321高蜿蜒度急流常年有水河流3624311.359322高蜿蜒度急流季節斷流河流12771.358303高蜿蜒度常年斷流河流

低蜿蜒度急流常年有水河流類型包括灤河、伊遜河、白河、黑河、洋河、清水河、桑干河、滹沱河、唐河、沙河、濁漳河等河流,匯水面積為20712 km2。該類型區共鑒定出魚類2目、4科、15屬、18種,Shannon-Wiener多樣性指數為1.73。低蜿蜒度急流季節斷流河流類型區主要包括灤河、潮河、桑干河、拒馬河、淤泥河等,匯水面積為1800.30 km2。低蜿蜒度緩流常年有水河流類型區包括冀東沿海諸河、灤河、伊遜河、潮河、白河、潮白河、溫榆河、永定新河、海河、桑干河、洋河、滹沱河、大清河、獨流減河、滏陽河、子牙河、濁漳河、衛河、漳衛河、徒駭河、馬頰河等河流,匯水面積為50709 km2。該類型區共鑒定出魚類6目、10科、26屬、33種,Shannon-Wiener多樣性指數為1.60。低蜿蜒度緩流季節斷流河流類型包括永定河、大清河、子牙河、南運河、宣惠河、桑干河、漳衛河等河流,匯水面積為6554 km2。該類型區共鑒定出魚類2目、4科、7屬、7種,Shannon-Wiener多樣性指數為1.24。低蜿蜒度常年斷流河流類型包括永定河、白河、洋河、桑干河、滹沱河、大清河、拒馬河、滏陽河、衛河、徒駭河、馬頰河等河流,匯水面積為177780 km2。

中蜿蜒度急流常年有水河流類型包括灤河、伊遜河、武烈河、青龍河、白河、潮河、湯河、洋河、清水河、滹沱河、唐河、拒馬河、漳河、衛河等河流,匯水面積為29686 km2。該類型區共鑒定出魚類4目、6科、24屬、26種,Shannon-Wiener多樣性指數為1.89。中蜿蜒度急流季節斷流河流類型包括桑干河、潮河、拒馬河、淇河等河流,匯水面積為3343.74 km2。中蜿蜒度緩流常年有水河流類型包括冀東沿海諸河、灤河、伊遜河、武烈河、伊瑪圖河、青龍河、潮河、白河、潮白河、黑河、永定河、桑干河、洋河、大清河、拒馬河、滹沱河、潴龍河、大沙河、滏陽河、子牙河、漳河、衛河、徒駭河、馬頰河等河流,匯水面積為54235 km2。該類型區共鑒定出魚類4目、6科、24屬、26種,Shannon-Wiener多樣性指數為1.89。中蜿蜒度緩流季節斷流河流類型包括桑干河、北京排污河、拒馬河、大清河、子牙河、南運河、衛河、淇河、漳衛新河等河流,匯水面積為7335 km2。該類型區共鑒定出魚類 2目、5科、7屬、7種,Shannon-Wiener多樣性指數為 0.34。中蜿蜒度常年斷流河流類型包括永定河、白河、洋河、飲馬河、壺流河、滹沱河、牧馬河、拒馬河、子牙河、漳河、徒駭河等河流,匯水面積為16111 km2。

高蜿蜒度急流常年有水河流類型包括灤河、小灤河、伊遜河、老牛河、青龍河、白河、湯河、洋河、滹沱河、漳河等河流,匯水面積為20969 km2。該類型區共鑒定出魚類 4目、6科、11屬、13種,Shannon-Wiener多樣性指數為1.43。高蜿蜒度急流季節斷流河流類型包括拒馬河、十里河、飲馬河、清漳河、淇河等河流,匯水面積為836 km2。高蜿蜒度緩流常年有水河流包括冀東沿海諸河、灤河、潮河、白河、潮白河、柳河、瀑河、青龍河、陡河、薊運河、海河、拒馬河、唐河、大清河、桑干河、洋河、滹沱河、滏陽河、漳河、衛河等河流,匯水面積為57056 km2。該類型區共鑒定出魚類 3目、6科、24屬、31種,Shannon-Wiener多樣性指數為1.36。高蜿蜒度緩流季節斷流河流類型包括灤河、北運河、拒馬河、大清河、子牙河、南運河、桑干河、飲馬河、壺流河等河流。該類型河段的匯水面積為8527 km2。該類型區共鑒定出魚類1目、2科、7屬、7種,Shannon-Wiener多樣性指數為1.36。高蜿蜒度常年斷流河流包括洋河、白河、壺流河、十里河、桑干河、滹沱河、唐河、甘陶河、子牙河、拒馬河、永定河等河流。該類型河段的匯水面積為13930 km2。

2.3 不同城市河流類型的組合差異

根據京津冀城市群不同地級市的河流生境特征進行分析,可以看出區域差異明顯(圖5)。承德市、保定市、張家口市等河流較多,而且中、高蜿蜒度的河流占比例較高;廊坊市、邯鄲市、衡水市、秦皇島市等位于流域中下游,河流總量較少,河流的蜿蜒度較低,比降較小。根據河流生境特征,可以總體上判斷該區域可能的魚類特征,從而設定合理的水生生物保護目標。比如,一些斷流比例較大的地區,不存在水生生物保護的需求,而常年有水比例高以及比降大的地區,則需要重視魚類的保護。

圖5 京津冀不同地級市河流功能的組合差異Fig.5 Structural components of river functions among the cities of the Jing-Jin-Ji area

3 結論與討論

(1)通過空間數據進行河流生境劃分,根據4個指標將海河流域河流生境類型劃分為15類,主要從河段蜿蜒度、比降、斷流風險、海水影響等幾個方面進行定量化。指標選擇時既考慮了普適性指標,又考慮了海河流域河流的針對性指標。基于水生生物數據驗證了不同河流生境類型之間存在較好的區分性,研究可以為大尺度流域的河流生境劃分提供參考。

(2)本文河流生境類型的劃分結果可為海河流域水生態保護提供參考。依據實地調查數據表明魚類棲息環境受河流生境的影響,魚類多樣性好的生境主要分布于常年有水、急流河段,而河段的蜿蜒度特征對于魚類數量和多樣性影響較小。本研究的生境識別結果能夠將水生態功能區落到具體河段上,從而為河流水生生物保護、水生態管理提供管理單元和決策依據。在涉及到保護性魚類的洄游通道時,若出現了斷流情況,則需要加強流域水資源調配,恢復河道生態需水量。海河流域濱海地區要減少海水入侵對河流生態系統的影響,重點關注飲用水源地和淡水魚類。

(3)河流生境受到直接影響和間接影響,人類活動和城鎮化等指標能夠從區域尺度對河流生境產生脅迫和支撐作用[28]。本研究側重于河流自然生境特征的定量刻畫,通過蜿蜒度、比降、斷流、海陸影響等進行表征。而人類活動從不同方面也影響到這些指標,比如河流工程對于蜿蜒度、比降的影響,海岸帶工程對于海水影響等,這些人類活動因素與河流生態特征之間的關系需要進一步深化。下一步研究將定量揭示不同人類活動脅迫區域的河流生境類型和特征,從而為河流生境的潛在影響、關鍵水生生物保護提供依據。同時,河流生境的分類結果可以與城鎮化強度和模式進行集成,形成融合自然生態系統-社會經濟系統的綜合評估結果。