城鎮化背景下河流生境評價
——以深圳市為例

高雯琪,陸 穎,屈 霄,劉 晗,辛 未,虞文娟,周偉奇,3,王偉民,陳宇順,*

1 中國科學院水生生物研究所淡水生態與生物技術國家重點實驗室, 武漢 430072 2 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 3 中國科學院大學, 北京 100049 4 深圳市環境監測中心站,深圳 518049

21世紀以來,隨著城鎮化和工業化進程的加快,城市的不斷擴張和人口的逐漸增加導致了資源的過度消耗以及污染物的大量排放,產生了一系列的生態環境問題[1-2]。城市群經濟迅猛發展使得自然景觀、土地利用和生態系統發生了深刻變化[3-4]。河流生態系統作為城市生態系統的一部分,提供了改善生態環境、維護生物多樣性、調節氣候、景觀美學等多項生態服務功能[5],與此同時也不可避免地受到城鎮化進程的影響[6-7]。生物多樣性銳減[8]、水體污染[9]、生境退化[10]、河流水系結構和水文過程不斷被改變[11]等多種河流生態系統問題隨著城鎮化的發展日益突出,河流生態系統的退化趨勢明顯。河流生境是河流生態系統的重要組成部分,為水生生物的生存和繁衍提供了場所,是河流水生生物和物理環境的自然紐帶,也是河流生態系統健康和完整的重要因素[12-13]。河流生境評價是有效揭示河流生態健康影響因子的重要方法,可為河流生態系統的保護與修復提供基礎支撐。如何在高度城鎮化背景下合理有效地保護和修復河流水生態環境,對于城市的未來發展及規劃管理具有極其重要的戰略意義。目前,國內外對于河流生境評價已有較多研究[14],根據評價方法的技術特征,可以將河流生境評價方法分為四個類型：水文水力法、河流地貌法、生境預測模擬法以及綜合評價法[15-16]。其中,綜合評價法種類較多,擁有較為成熟的研究方法及理論體系。此類型生境評價方法是對河流生境進行總體把握,對河流水質、水文特征、物理結構、植被特征與人類干擾等多個指標按照一定的評分標準進行打分評價。美國的快速生物評價方法(Rapid Bioassessment Protocols, RBPs)[17]、英國河流生境調查(River Habitat Survey, RHS)[18]以及澳大利亞溪流狀態指數法(Index of Stream Condition, ISC)[19]等均屬于綜合評價法。我國已在許多區域都開展了河流生境調查,但專門針對城市河流生境評價研究較少,作為全國經濟發展的窗口城市,深圳市的河流生境調查研究更是匱乏?；诖?本研究參考了中國環境監測總站在《河流水生態環境質量監測技術指南》[20]和《河流水生態環境質量評估技術指南》[21]中提出的生境調查與評估的方法,結合北美的河流生境評價方法[17],對深圳市城鎮化程度較高的深圳河流域及城鎮化程度較低的坪山河流域的河流生境進行定量調查和評價。本研究旨在探討深圳市不同城鎮化程度的流域河流生境的差異與主要影響因素,為深圳市河流生境恢復和生態保護提供研究基礎與科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

深圳市是中國南部海濱城市,毗鄰香港,是我國改革開放和經濟飛速發展的窗口城市。位于北回歸線以南,東經113°43′—114°38′,北緯22°24′—22°52′之間。所轄范圍呈狹長型,東西寬,南北窄,地勢東南高,西北低,全市總面積1948.7 km2。深圳市地貌類型多樣,有低山、丘陵、平原、臺地,其中丘陵面積最大,平原次之。深圳市所處緯度較低,屬亞熱帶海洋性氣候,雨量充沛,日照時間長。深受季風影響,夏季盛行偏東南風,高溫多雨；其余季節盛行東北季風,天氣較為干燥,氣候溫和[22]。全市境內流域面積大于100 km2的河流有5條,即深圳河、觀瀾河、茅洲河、龍崗河和坪山河。深圳河流域作為城鎮化高速和高度發展的典型區域[23],其土地利用類型主要為建設用地。坪山河流域由于其地貌特征,流域內土地利用包含大面積森林用地,建設用地占比及城鎮化水平低于深圳河流域。

深圳河流域位于深圳市中南部,屬獨立入海水系,主要由深圳河及其支流組成。深圳河發源于牛尾嶺,干流流經深圳與香港,自東北向西南流入深圳灣,中下游為深圳與香港特別行政區的界河。主流長37 km,流域面積297.4 km2。深圳河流域主要包括羅湖區全部、福田區及龍崗區的部分區域,是深圳市的政治、文化和經濟中心,人口密集,經濟活動頻繁,城鎮化水平高[24]。

坪山河流域位于深圳市東北部,全流域地貌以丘陵、臺地、低山為主,流域水系發達,河流水庫眾多。坪山河屬于東江水系支流淡水河的一級支流,發源于深圳市三洲田梅沙尖,自西向東流經深圳龍崗區進入惠州市,在下土湖匯入淡水河,最后進入東江,河長約33 km。坪山河流域總面積約181 km2,其中位于基本生態控制線內的面積約78 km2,流域植被發育較好,是深圳市五大河流中生態本底最好的一支[25]。

本研究以城鎮化程度較高的深圳河流域及城鎮化程度較低的坪山河流域為研究區域,于2019年豐水期(8月)和枯水期(11月)對兩個研究區域的樣點河段進行河流生境狀況的調查。樣點布設采取等距布設原則,結合實際情況,在深圳河流域選取13個具有代表性的河段、坪山河流域選取12個具有代表性的河段進行采樣調查,樣點名稱、編號如表1所示,樣點分布見圖1。

表1 深圳市河流生境調查采樣點

圖1 深圳市河流生境采樣點分布Fig.1 Distribution of river habitat sampling sites in Shenzhen

1.2 調查內容與方法

參照中國環境監測總站在《河流水生態環境質量監測技術指南》[20]中提出的生境調查的方法,選擇調查點位上下100 m河段作為生境調查單元,使用GPS定位記錄每個點位的海拔及經緯度。通過調查人員現場目測以及無人機航拍的方式對每個調查點位的生境評價指標情況進行總體全面的調查、測量和記錄。主要調查內容為樣點河段的河長、河寬、水深、流速、底質組成、水體狀況、水生植物種類及分布、河岸特征及周圍人類活動方式及強度等?，F場對各項生境評價指標進行打分,對各樣點河段的主要生境特征拍照保存以備后續查閱。進行河流生境評價時,為了評價結果的準確性,要近距離觀察河流的生境特征,同時避免對河流生境造成干擾,每個樣點由兩人共同完成生境評價,取平均值,以免個人的主觀性對評價結果造成一定的影響。調查工具主要包括無人機、相機、測距儀、彼得森采泥器、采水器等。

1.3 生境評價方法

河流生境是水生生物的生存空間及其中環境因子的總和,一般包括河床、河道、河岸帶3個部分[26-27]。三大類型下再進一步細分為10個具體的生境評價指標,對每個指標內容進行調查評價[12,20-21](表2),河床僅包括底質指標,河道包括河道變化、河水水量狀況、水質狀況、V/D結合特性、棲境復雜度指標,河岸帶包括河岸穩定性、植被多樣性、人類活動強度、河岸土地利用類型指標。生境評價指標的賦分標準參照了中國環境監測總站在《河流水生態環境質量評價技術指南》[21]中提出的生境評價的方法,每個評價指標的評分范圍為0(最低值)—20(最高值),分為4個賦分標準,對應優(16—20分)、良(11—15分)、中(6—10分)、差(0—5分)4個評價等級[21](表3)。其中,對河岸帶包含的評價指標打分時應綜合考慮樣點河段左右岸的生境狀況。

表2 河流生境評價指標體系

表3 河流生境評價等級及賦分標準

每個樣點河段生境評價總分由10項生境評價指標得分值累加計算,滿分為200分。參照相關河流生境質量分級標準[21,28],得分>150分等級為“優”、150≥得分>120為“良”、120≥得分>90為“中”、90≥得分>60為“差”、得分≤60為“劣”。

1.4 數據處理

使用SPSS 24.0對深圳市河流生境評價得分進行季節、流域間雙因素方差分析(Two-way ANOVA),分別對深圳河流域及坪山河流域的生境評估綜合得分和各項評估指標得分進行單因素方差分析(One-way ANOVA)。當方差具有同質性時,就進行LSD(The least significant difference)檢驗；當方差不具同質性時,就選用非參數Games-Howell檢驗。同時使用軟件R語言(Vegan功能包)對深圳市河流生境評價指標進行主成分分析(Principal Component Analysis, PCA),確定生境評價指標對河流生境質量的貢獻率,找出影響深圳市河流生境質量的因子。進行主成分分析需對數據進行標準化處理。將所有統計分析的顯著性水平定為0.05。使用SPSS 24.0、excel 2019進行基本數據處理及圖表繪制。

2 研究結果

2.1 深圳市河流生境特征

2.1.1生境評價結果

對2019年豐水期和枯水期兩次調查的河流生境評估結果做季節與流域間的雙因素方差分析(Two-way ANOVA),結果顯示河流生境結果在季節間無顯著差異,但在流域間差異極顯著,季節和流域間沒有交互作用(表4)。

依據河流生境評價賦分標準對深圳市兩個流域的樣點斷面進行調查評價,計算兩次調查中各樣點斷面生境評價的平均得分(圖2)。兩次河流生境評價結果表明,深圳河流域的13個生境樣點中,無生境質量分級為“優”和“劣”的樣點,僅有1個樣點的生境質量等級為“良”,占7.7%,有5個樣點生境質量等級為“中”,占38.5%,有7個樣點生境質量等級為“差”,占53.8%；坪山河流域的12個生境樣點中,有1個樣點的生境質量等級為“優”,占8.3%,有5個樣點的生境質量等級為“良”,占41.7%,有5個樣點的生境質量等級為“中”,占41.7%,僅有1個樣點的生境質量等級為“差”,占8.3%,無生境質量等級為“劣”的樣點(表5)。

表4 季節、流域間生境評估結果雙因素方差分析

表5 深圳市河流生境評價結果分析

圖2 深圳市河流生境評價結果Fig.2 Results of river habitat assessment in Shenzhen

圖3 深圳市河流生境評價指標得分狀況Fig.3 Scores of river habitat assessment index in Shenzhen

2.1.2生境評價指標得分狀況

兩次調查中深圳河流域及坪山河流域的各樣點生境評分指標得分狀況如圖3所示,除V/D結合特性指標在不同樣點間得分較集中外,其余指標得分在不同樣點間的得分區間跨度大。從各指標得分分布來看,深圳河流域的V/D結合特性、河岸穩定性和人類活動強度這3個指標得分整體較低,坪山河流域的水質狀況指標得分最高,底質、植被多樣性這兩個指標得分也相對較高,V/D結合特性指標得分較低。

2.1.3深圳市河流生境差異

對兩個流域間生境得分進行單因素方差分析(One-way ANOVA),發現兩個流域間生境得分結果差異極顯著(P<0.01)。深圳河流域兩次調查平均得分92分,坪山河流域兩次調查平均得分119分,坪山河流域河流生境質量顯著高于深圳河流域。對兩個流域生境評價指標得分進行單因素方差分析(One-way ANOVA),發現兩個流域河流的底質、河道變化、水質狀況、植被多樣性及人類活動強度這5個指標得分差異極顯著(P<0.01),剩余5個指標得分無差異,結果表明坪山河流域在底質、河道變化、水質狀況、植被多樣性及人類活動強度得分顯著高于深圳河流域(表6)。

表6 不同流域生境評估指標方差分析

在表格的每一行,(平均值±標準差)后標有不同字母指示該指標在兩個流域之間存在顯著差異(P< 0.05)

2.2 深圳市河流生境影響因子

對各項河流生境評估指標結果進行主成分分析,結果表明,前3個主成分的累計方差貢獻率達到70.73%,表明當前生境評價指標能夠很好地體現深圳市河流生境狀況,其中第一主成分的方差貢獻率為38.10%。具有較高因子負荷的生境評價指標為影響河流生境質量的關鍵指標。由主成分分析結果可見,第一主成分的關鍵變量包括人類活動強度、植被多樣性、河岸穩定性等生境評估指標,其中,深圳市河流生境質量受人類活動強度指標的影響最大(表7)。

表7 河流生境評估指標主成分分析

3 結論與討論

3.1 深圳市河流生境質量綜合評價

深圳市河流生境質量評價結果表明城鎮化程度較高的深圳河流域河流生境質量總體較差,城鎮化程度較低的坪山河流域河流生境質量整體較好。2019年豐水期和枯水期兩次生境評估結果無顯著差異,說明短時間跨度內生境狀況變化不大。兩個流域間生境評估結果差異極顯著,城鎮化程度較低的坪山河流域河流生境質量顯著優于城鎮化程度較高的深圳河流域,且在多個生境評價指標得分都顯著高于深圳河流域。

深圳河流域河流生境調查樣點除了s1和s2外其他樣點都位于城區中心。樣點s1和s2位于深圳河流域東北方,屬于丘陵地區,是深圳河流域河流生境評估得分最高的2個點位。點位s2兩次調查平均得分為135分,是深圳河流域河流生境得分最高的點位。該點位生境類似山地溪流,河流維持自然形態,河道內無渠道化、護坡等人為改造,小生境較多,水質清澈,兩側河岸為自然生境,河岸植被類型豐富且覆蓋面積大。點位s1兩次調查生境平均得分110分,該點位靠近深圳水庫,底質類型主要為碎石、鵝卵石等,水體清澈,河岸無耕作土壤,植被緩沖帶狀況良好。深圳河流域生境評估得分最低的點位為s4(平均得分69.5分)、s6(平均得分76.5分)及s9(平均得分70分),這些點位完全位于中心城區,人類活動密集區,土地利用類型主要為建筑、交通用地。河道完全渠道化,水泥筑堤,河岸帶缺少植被緩沖帶。河流水量極小且水流形式單一,有些河段甚至面臨周期性斷流的風險,由于位于人類活動密集區域,人類干擾強度大,河流周遭頻繁強烈的人類活動對其水質影響嚴重。樣點生境類型的不同是導致深圳河流域不同樣點間河流生境評價指標得分差異較大的原因。坪山河流域河流生境點位分為2個區域,一個是河流生境較好的丘陵—山地過渡區,兩次生境評估得分較高的點位如p1(平均得分145.5分)、p2(平均得分152分)、p4(平均得分140分)以及p12(平均得分148.5分)均位于此區域內；另一個是河流生境質量較差的平原城區,此區域內生境點位有p6(平均得分83分)、p7(平均得分92.5分)等,坪山河流域河流生境評估指標得分變幅較大也與這兩種不同的生境類型有關。丘陵—山地過渡區河岸帶土地利用類型主要為森林,河流基本保持自然流水狀態,為小型山地溪流。人工改造及人為干擾較少,此區域植被類型豐富,植被覆蓋率及寬度較高,河流微生境復雜度高,底質組成主要為大石、碎石、鵝卵石等,水體清澈,但其水量較少,水流形式較為單一。而平原城區河流大部分河段建設堤岸和硬質護坡,河道渠道化明顯,河岸帶植被多樣性低、覆蓋面積小,人類干擾對河流影響較大。

綜合兩次調查結果發現,兩個流域的河流在V/D結合特性與河水水量狀況這2個生境評估指標得分均偏低,說明河流水量較少,水流形式單一。高曉薇以深圳河為例,分析了1996—2006年間的深圳河河流健康狀況,發現深圳河主要問題有水質污染嚴重、河水水量不足[29]。經過近些年的城市污染治理,深圳河流域整體水質狀況有所改善,在部分樣點仍然存在水質污染問題,河水水量不足目前依然是影響深圳河流域河流生境質量的重要問題之一。深圳市由于其地理條件特殊,水資源短缺,本地水資源供應不足,屬于嚴重缺水城市[30]。市內大多數河流河道短小,是明顯的雨源性河流特征,缺乏其它的動態補水渠道,水環境容量偏小。因此,缺水不僅僅是深圳市河流所存在的問題,是整個深圳市淡水生態系統所面臨的嚴峻考驗。

3.2 深圳市河流生境狀況影響因素分析

深圳河流域和坪山河流域河流都包含有兩種生境類型,河流生境評價指標得分跨度較大也與這兩種生境類型相關。綜合兩個流域生境評估結果,無論是單個河流生境評估指標,還是整體的河流生境狀況,丘陵—山地區域河流生境都要好于平原城區。丘陵—山地區域周圍為茂密的森林植被,人類活動較少,河流的河床、河道及河岸帶大都保持自然形態,河流底質組成呈現多樣化,大石、鵝卵石、碎石占比較高,河流微生境較多且復雜度高,水質清澈,河流兩岸為豐富的植被緩沖帶,能有效減少外部干擾對河流的影響,無耕地、建筑等土地利用。而平原居民區河流高度城鎮化,人工改造程度高,河岸筑堤、河道渠道化,底質單一,多為細沙或者淤泥,河流沿岸缺少植被緩沖帶,河岸周遭強烈的人類干擾對河流水質、微生境都造成了不好的影響。丘陵—山地區域河流生境評估結果及各項評估指標均高于平原居民區域的河流,表明高度城鎮化的發展會對流域內河流生境質量造成不利影響。羅坤在重慶市兩江新區流域內河流生境調查表明,城鎮化背景下河流生境質量隨著城市化水平的提高而降低[31]。周洪建等分析了深圳市近30年間的河網變化,發現河網變化及城鎮化是觀瀾河流域生態系統功能降低的主要原因[32]。城鎮化的發展對社會和經濟帶來了巨大的效益,但伴隨而來的人口增加和高密度聚集也對當地的生態系統造成了不利的影響。城市人口的增長帶來了房地產、商業、工業和交通的發展,導致了土地利用的變化[33]。大量土地利用侵占河岸緩沖帶,河岸植被緩沖帶嚴重縮減甚至消失。研究表明,與其他生態系統相比,全球土地利用對淡水生態系統的負面影響最大[34]。

3.3 建議

河流是重要的自然生態系統,承載著陸地生態系統和水生生態系統間物質循環、能量流動和信息交流的重要生態功能[35-36]。但是近些年,隨著城鎮化進程的加快,河流生態系統不斷遭受人類活動干擾帶來的不良影響,河流生態系統持續退化,河流生境破碎化、水污染、生物多樣性下降等問題亟待解決[8-10]。深圳市出臺了《深圳市貫徹國務院水污染治理行動計劃實施治水提質行動方案》(深府[2015]45號),明確要求加強河湖生態保護,提高生物多樣性。河流是水生生物的重要棲息地和關鍵生境,實施河流生境修復,有利于提高水生生物多樣性,維護河流水生態健康[36-37]。在對深圳市河流生境質量分析和問題識別的基礎上,從流域總體治理出發,整體規劃,統籌把握,突破傳統的對單一生境指標進行修復的方法,立足于河流生境的整體修復。從本研究中深圳市河流生境調查評價中發現的問題著手,包括河岸帶生境修復、河道自然結構修復、河流水質保護等。基于評價結果,我們提出以下建議：(1)河床生境修復：在目前自然河流生境的基礎上,從生態優化的角度,在河道內人工構造巨石、鵝卵石、礫石、細沙等組合類型的底質格局和各種水流類型,營造豐富多樣的棲境類型及流水環境,提高生境類型與水流類型的多樣性[15]。(2)河道生境修復：從流域整體污染控制及河道的生態修復兩個方面開展河流水污染治理,從源頭上減少污染物排放,修復河流水生態,改善水動力,提高水體自凈能力。減少渠道化河段,綜合考慮多方面因素的前提下盡可能拆除部分河段的硬質化材料,恢復其自然生境。(3)河岸帶生境修復：在安全范圍內下調水泥等硬質護岸的高度,減少河岸帶固化長度,建設親自然的生態護岸,為水生生物提供合適的棲息地；在河道空間較大的河段科學布設水生植物,也可建設多種植被類型的生態浮島[38],為河流水生生物提供食物及小型生境；針對有限的河岸帶空間,綜合考慮多方面因素,建設適宜寬度的河岸帶植被,豐富植被類型[39]；減少河道周圍的建設施工,劃定生態開發紅線,科學規劃親水河段,使河道和開發建設之間保持一定的安全距離,減少人類活動干擾,使河流維持正常的自然流通狀態。