香溪河流域水生態系統健康評價

孫徐陽, 李衛明, 粟一帆, 李金京, 胡 威

三峽大學水利與環境學院, 湖北 宜昌 443002

水生態系統既是較為開放活躍的生態系統類型，也是地球上受人類影響最嚴重的生態系統之一. 目前，受人類活動的影響，局部水生態環境問題日益凸顯，如水質惡化、生物群落退化、河岸帶侵蝕嚴重等，導致生態系統服務功能不具有可持續性[1]. 開展科學有效的河流健康診斷、分析不健康成因是針對性制定生態修復與保護方案的前提.

生態系統健康指結合人類健康理念，在生態學框架下對生態系統狀態特征的一種系統診斷方式[2]. 20世紀80年代國外學者首次提出“生態系統健康”的概念[3]，開始聚焦于生態系統的整體健康. Karr[4]認為，河流生態健康應具有物理、化學、生物多重屬性，并率先嘗試應用魚類生物完整性指數評估河流的生態狀況. 20世紀90年代中后期，國外圍繞河湖生態健康的理論與方法研究進一步發展. Schofield等[5]將未受人類活動干擾的河流生態作為理想(健康)狀態. 以Meyer[6]和Rogers等[7]為代表的部分學者則認為河流在保持其生態完整性的同時，還應滿足社會需求和期望. 唐濤等[8]于2002年將這一重要概念引入國內，隨后國內學者在河湖健康內涵辨析與評估實踐方面進行了有益探討[9-12]，使其成為宏觀生態學與生態系統管理研究的熱點問題之一[2]. 目前，主流的評價方法可分為指標體系法和指示物種法，二者既有區別又有聯系[13-14]. 指標體系法因具有綜合性、多尺度等特點，被廣泛應用于生態系統健康評價研究. 粟一帆等[15]從整體性、穩定性、可持續性3個方面構建了漢江中下游生態系統健康評價體系. 朱衛紅等[16]基于河流水文、河流形態、河岸帶狀況、水體理化參數和河流生物5個層面選取了22項指標，結合層次分析法評價了圖們江流域河流生態系統健康. 指示物種法的研究對象則由傳統的魚類、底棲動物、浮游生物延伸到微生物群落. 蘇瑤等[17]應用微生物生物完整性指數評估了城市河道的生態健康狀況. 指示物種法定量精度高，但側重于描述指定生物群落的結構和功能，無法完全反映生態系統的復雜性和區域性[18-19].

目前針對三峽庫區干支流生態環境的研究大多側重于單個方面，綜合考慮水環境和水生態的研究還比較少[20]. 三峽水庫主要支流因受庫區蓄水影響普遍形成不同范圍的回水區，回水區和非回水區的水動力、水生態狀況存在較大差異. 該文以三峽庫區香溪河流域為研究對象，從水環境、水生生物、物理棲息地三方面構建了香溪河水生態系統健康評價指標體系，并進行了干支流生態系統健康評價研究，同時進一步分析了香溪河干流庫灣生態系統健康狀況的年內變化規律. 研究成果對于相似條件下中小河流健康診斷研究具有一定的借鑒意義，同時為三峽庫區干支流生態修復提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 研究區域

香溪河是三峽庫區湖北省境內的一條一級支流，河口距三峽大壩34.5 km. 香溪河全流域面積 3 099 km2，覆蓋了興山縣大部以及神農架和秭歸縣的小部分地區. 干流長94 km，主要支流有南陽河、古夫河和高嵐河. 流域內海拔差異較大，地勢東高西低. 香溪河多年平均徑流量為20.17×108m3，流域多年平均降雨量為 1 052.43 mm. 受三峽水庫蓄水影響，香溪河下游段形成了較長范圍的回水區，特殊的水動力條件增加了水華暴發的風險. 該研究于2017年4月、6月、9月、12月對香溪河干流(XX01～XX11)進行了4次采樣分析，11月對干支流共24個代表性樣點進行了監測. 香溪河流域水系組成和樣點布設如圖1所示.

圖1 香溪河流域水系組成及樣點分布Fig.1 Water system composition and sampling sites distribution of the Xiangxi River Basin

1.2 樣品采集及處理

采用Vector三維點式流速儀(Nortek AS Company, 挪威)測定水體流速. 水體基本理化因子包括水溫、pH、ρ(DO)、電導率等采用EXO多參數水質分析儀(YSI Company, 美國)現場測定，其中透明度(SD)使用塞氏盤測定. 同時采集表層水樣帶回實驗室分析，參考《水和廢水監測分析方法(第四版)》[21]測定水樣中的營養鹽和重金屬含量. 浮游植物樣品采用魯哥沉降法進行濃縮，在奧林巴斯CX31型生物顯微鏡下觀察，并參考《中國淡水藻類》和《淡水微型生物圖譜》進行鑒定計數. 底棲動物樣品使用116 m2Peterson采泥器采集，篩洗后用10%福爾馬林保存. 通過自行捕撈和調查漁民相結合的方式統計漁獲物信息. 河流棲息地數據的獲取途徑包括實地勘察記錄、遙感影像解譯和相關資料收集.

1.3 分析方法

1.3.1評價體系的建立與評價因子的選取

香溪河水生態系統健康評價指標體系涵蓋水環境、水生生物、物理棲息地3個準則層.

a) 水環境層主要包括水文因子和水質因子，水質因子又分為基本理化參數、營養鹽參數和重金屬參數. 結合香溪河流域水生態環境特點，選擇流速表征水文特征. 根據Pearson相關性分析結果，ρ(Cd)、ρ(Hg)、ρ(Pb)、ρ(Chla)與其他指標間的相關性不顯著，獨立性較好，均予以保留. 而水溫、ρ(NH4+-N)和ρ(NO3--N)以及ρ(COD)與包括流速在內的多指標存在顯著相關性，因此予以剔除. 全流域pH的分布范圍為7.5～8.5，均未超過GB 3838—2002《地表水環境質量標準》正常限值，因判別能力較弱被剔除. 最終選擇DO、電導率、SD、ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Chla)、ρ(Cd)、ρ(Hg)、ρ(Pb)共9項指標表征水環境質量.

b) 健康的河流生態系統應具備較為完整的物種組成和營養結構. 香溪河作為三峽庫區漁業利用的重點水域，魚類等生物資源豐富，同時局部水華現象使得浮游植物群落備受關注. 考慮到不同生物群落對環境變化具有不同的響應機制[22]，生物層選擇浮游植物、魚類、底棲動物作為指示物種，分別采用浮游植物Shannon-Wiener多樣性指數、雜食性個體數百分比和生物密度來表征. 浮游植物Shannon-Wiener多樣性指數(H′)的計算公式為

(1)

式中，S為群落中的種類數，Pk為第k種個體數量占總個體數量的比例.

c) 棲息地層主要描述河道物理特征和河岸帶的植被覆蓋情況. 河道蜿蜒度是河流形態的重要屬性之一. 高度的蜿蜒性能提供多樣化的棲息地，對河流中長期的生態系統健康具有積極影響[23-24]. 河流縱向連通性通過計算單位河長的閘壩個數來衡量. 閘、壩等人為障礙物由于改變了河流的自然流態和泥沙輸移方式，對局部棲息地造成一定程度的破壞[25]. 河岸帶的植被根系有助于水土保持，對維護和改善河流生境具有重要意義. 河岸帶植被覆蓋情況通過植被覆蓋度來表征，通常采用歸一化植被指數(NDVI)計算[26]. 植被覆蓋度(Fc)的計算公式為

(2)

式中，NDVIveg為純植被覆蓋像元的NDVI值，NDVIsoil為完全無植被覆蓋像元的NDVI值.

1.3.2權重的確定

權重反映了各指標在集合中的相對重要性程度，計算指標的權重大小是多指標綜合評價的基礎. 該研究通過問卷調查的方式咨詢了該領域多名專家，取各專家判斷結果的平均值作為準則層權重. 同類型指標間的權重則采用熵權法計算. 假設有m個指標，n個評價對象，熵權法的步驟：①原始數據的標準化. 為消除指標間不同量綱的影響，通過標準化公式得到各指標實測數據的標準化值(yij)；②定義第i個指標的熵值(Hi)；③計算第i個指標的熵權(wi).

(3)

(4)

(5)

1.3.3評價標準的確定

確定科學適用的評價標準是健康評價的重要環節，對評價結果的合理性具有重要影響. 鑒于數值方法確定評價標準具有一定的局限性，如所需數據量較大、難以推廣應用、科學性不足等，該研究參考國內外既行規范和相關文獻確定各指標的定量分級標準，對于缺乏參考資料的指標則采用分位數法確定對應標準.

1.3.4評價模型

與水環境質量指數、河流污染指數等評價模型類似，河流健康指數已經成為評估河流生態現狀和修復效果的科學工具，在生態環境領域得到廣泛應用[27]. 河流健康指數(RHI)的計算方法為

(6)

式中，Mi為第i種指標賦分值. 考慮到指標體系法對單個指標的指示作用會有一定程度的弱化，在評價過程中引入一票否決機制，即水生態系統服務功能(包括生活供水、水產品生產等)存在較大潛在風險(如重金屬含量嚴重超標)時，其健康水平可直接判定為低等級.

結合不同健康水平下生態系統的特征和流域水生態環境現狀確定健康等級標準，將水生態系統健康狀況分為5級(Ⅰ～Ⅴ)，分別對應優、良、中、差、極差5個水平(見表1).

表1 香溪河流域水生態系統健康等級標準

2 結果與分析

2.1 指標體系建立及權重計算

香溪河流域水生態系統健康評價指標體系見表2. 準則層權重大小表現為水環境>水生生物>物理棲息地. 水環境層中，流速、SD、ρ(TP)、ρ(Chla)權重相對較高. 水生生物指標中，浮游植物Shannon-Wiener指數權重高于魚類和底棲動物指標. 棲息地方面，植被覆蓋度權重最大，其次為河道蜿蜒度和河流連通性.

2.2 指標標準建立

為客觀、真實地評估區域水生態健康狀況，參考前人的研究成果和GB 3838—2002《地表水環境質量標準》等指導規范，結合香溪河流域各評價因子實際情況，將各指標分成5個等級，賦值區間為0.2～1.0(見表3). 賦值越高表明指標狀態越好，越接近理想值.

表2 香溪河流域水生態系統健康評價指標體系

2.3 香溪河流域綜合評價結果

表3 健康評價指標評分標準

汛后蓄水期內香溪河各樣點的健康水平分布見圖2. 河流健康指數(RHI)的分布范圍為0.585～0.888，涵蓋了優、良、中3種不同水平. 健康水平為優的樣點有3個，均分布在支流南陽河，占樣點總數的12.5%；健康等級為良的樣點有19個，占樣點總數的79.2%；僅有2個樣點評價結果為中等，未有差和極差水平出現. 綜合全流域所有樣點的評價結果，香溪河水生態系統整體健康狀況良好，流域內主要河段的生態系統結構完整性較高，有利于區域的可持續發展. 就各準則層而言，水環境對外部變化的響應最為明顯，其變幅為0.521～0.929. 支流內各樣點的水環境狀況均為優、良健康水平，而干流的水環境質量以中健康水平為主. 流域內水生生物得分平均值為0.669，屬于亞健康狀態，表明指定的水生生物類群結構較為完整. 流域棲息地環境總體較好，調查樣點中79.2%為良，16.7%為優.

圖2 香溪河流域健康水平空間分布Fig.2 Spatial distribution of health level in the Xiangxi River Basin

3 討論

3.1 香溪河流域水生態系統健康空間異質性

香溪河流域干支流健康指數平均值從大到小表現為南陽河>古夫河>高嵐河>香溪河(見圖3). 健康水平呈現出支流高于干流、非回水區高于回水區的空間分布特點. 水環境質量空間分布規律與河流健康指數相似，其中干流庫灣的水環境得分(0.583)顯著低于上游南陽河(0.862)，河段內超過60%的樣點處于中等水平. 水生生物得分的分布特點與河流健康指數略有不同，表現為南陽河>古夫河>香溪河>高嵐河. 物理棲息地質量的空間差異性相對較小，干支流得分均在0.7～0.8之間.

3.2 香溪河庫灣健康水平的季節變化

在自然因素和人類活動雙重影響下，香溪河干流庫灣的生物與生境因子均隨季節發生一定程度的變化，有必要在前人研究基礎上進一步探索水生態健康的年內演變過程. XX01～XX11共11個樣點的綜合評估結果顯示，庫灣河流健康指數的平均值大小表現為冬季>秋季>春季>夏季(見圖4). 全年僅有良和中兩類健康水平，其中夏季中健康水平的占比超過50%. 各季節的水環境得分均顯著低于水生生物和物理棲息地. 除冬季外，其余季節均出現了差健康水平的樣點. 與此類似，冬季水生生物得分要高于其他季節. 由于時間尺度的限制，物理棲息地質量年內變化很小，庫灣中下游整體優于上游.

圖4 香溪河庫灣健康分值的季節性變化Fig.4 Seasonal variation of health scores of Xiangxi Bay

香溪河庫灣部分水質指標和生物指標的季節演變特征見表4. 春夏季庫灣水體的ρ(Chla)顯著高于秋冬季，與氮磷濃度的時間變化特征類似，表明春夏季綜合營養狀態指數相對較高，是水華暴發的敏感時期，對水環境質量有較大影響. 已有研究[36]表明，這可能源自于秋冬季庫區干支流的水體交換和污染物運輸過程. 香溪河水體中重金屬含量的年內變化特征為豐水期高于枯水期，這與豐水期地表徑流較大有關，同時pH、懸浮物含量等水體理化因子對重金屬的遷移轉化有一定影響[37]. 水庫的周期性調蓄使得支流庫灣水動力條件頻繁改變，進而影響光熱、營養物質等環境因子，從而造成浮游植物群落結構的演替. 浮游植物Shannon-Wiener指數的季節性變化具體表現為夏季最高，平均值達到1.96，春季則最低，為1.64. 雜食性魚類數量比例常作為構建魚類完整性指數的指標之一[38-39]. 與其他季節相比，冬季香溪河雜食性魚類占比較低，群落營養結構相對均衡，水生生物完整性因此得到提升

表4 香溪河庫灣部分指標季節變化

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健康評價結果直接反映出香溪河干支流面臨的水環境、水生態問題. 香溪河干流水環境質量相對較差，其中春季和夏季水體富營養化問題突出. 回水區豐富的營養鹽含量和較緩的流速，使得區域水體在合適的光熱條件下極易出現水華現象，從而抑制水生態系統功能. 鑒于庫灣營養鹽水平受上游徑流補給和長江干流倒灌的共同影響，因此需加強區域磷礦治理以及整個三峽庫區的農業面源污染防治[40]，其中調整施肥和耕作方案、促進梯田的維護是控制氮磷元素輸入的有效手段[41]. 與干流相比，支流的河流連通性普遍較差，直接影響了物理棲息地健康狀況，可通過拆除部分小水壩使局部河道的自然形態和各類生物種群得到不同程度的恢復.

4 結論

a) 香溪河水生態系統健康評價指標體系由流速、ρ(DO)、電導率、SD、ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Chla)、ρ(Cd)、ρ(Hg)、ρ(Pb)、浮游植物Shannon-Wiener指數、雜食性魚類個體數百分比、底棲動物密度、河道蜿蜒度、植被覆蓋度、和河流連通性共16項指標組成. 準則層權重的相對大小表現為水環境>水生生物>物理棲息地.

b) 評價結果顯示，2017年三峽水庫蓄水期香溪河流域水生態系統整體健康水平為良，其中12.5%的樣點評價結果為優，均分布在支流南陽河，79.2%的樣點評價等級為良，且呈現出支流高于干流、非回水區高于回水區的空間分布特點.

c) 香溪河庫灣健康指數平均值的年內變化特征表現為冬季最高，春秋季次之，夏季最低. 水環境得分顯著低于水生生物和物理棲息地，營養鹽濃度是影響香溪河庫灣水環境質量的關鍵要素，研究成果可為香溪河流域生態系統修復提供理論支撐.

致謝：感謝三峽大學三峽庫區生態環境教育部工程研究中心李瑞萍教授對該研究給予的幫助.