長江流域水生態評價指標初步研究

陳 勇,許人驥,賈世琪,尚光霞,丁 森,高 欣,陰 琨

1.四川省生態環境監測總站,四川 成都 610091

2.中國環境監測總站,國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室,北京 100012

3.中國環境科學研究院,北京 100012

長江是中華民族的母親河,是中華民族發展的重要支撐。 多年來,受水資源開發、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下降,水生態系統結構和功能退化,水生生物生境和水環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,電站運行后,金沙江下游綏江斷面的魚類物種數由54 種下降為35 種[2]。 另外,三峽水庫蓄水后,部分魚類產卵場被淹,庫區干流魚類物種數量也由20 世紀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化湖泊的數量從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和水環境問題開展了一系列監測評價工作,但是長江流域水生態監測體系仍不健全,存在缺乏頂層設計、監測標準化和信息化程度低、監測能力存有短板等問題[4]。 針對上述問題,國務院辦公廳和相關部委近年來先后出臺了《國務院辦公廳關于加強長江水生生物保護工作的意見》(國辦發〔2018〕95 號)、《長江流域重點水域禁捕和建立補償制度實施方案》(農長漁發〔2019〕1號)、《長江保護修復攻堅戰行動計劃》(環水體〔2018〕181 號)等一系列文件,用以加強長江水生態保護,并對長江流域水生態監測技術裝備體系、監測指標體系、標準規范體系和運行保障體系等提出了新的要求。 隨著長江流域生態環境質量改善需求的提升,開展長江流域水生態監測并掌握其變化趨勢,成為國家生態環境部門亟須推進的重點工作。 為支撐下一步對長江流域水生態環境的監測、評估和管理需求,首先需要建立水生態評價指標體系,統籌考慮物理生境指標、水質理化指標、水生生物指標和生態觀測指標,建立長江流域水生態環境評價指標體系,科學開展長江流域水生態環境質量監測和評價。

水生態評價是通過對河流生態系統中的水生生物、物理水文、水質等的監測和數據收集與分析,來評價水生態的現狀和變化。 隨著水生態評價方法的不斷發展,水生態評價逐漸發展出以生物、物理和化學3 個方面的完整性為主要內容的評價模式[5]。 20 世紀90 年代,發達國家和地區開展了一系列相關研究和實踐,例如美國EMAP、NARS 項目[6-8],歐盟STAR、AQEM、FAME、WISE項目[9-10],澳大利亞NRHP 項目[11],并且都發展形成了各自的評價方法和指標體系。 本文在大量調研國外水生態評價方法和指標體系的基礎上,結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域、不同水體類型的水生生物和生境評價指標,并給出評價指標的采用建議。國際上關于水生態評價及水生生物評價的相關研究已有大量報道,本文主要查閱了以美國、歐盟、澳大利亞、南非等國家和地區為代表的主流水生態評價導則及指南中的相關成果。 同時,國內對長江流域的生物評價及多樣性分析研究也非常豐富,本文對基于設定的檢索條件獲取的有關文獻報道進行了歸納統計。 受限于檢索條件的設定,本研究收集的已有報告未必全面,但分析結果仍可顯示出較強的規律性,從而為長江流域水生態狀況跟蹤監測與評估提供初步參考和借鑒。

1 研究方法

1.1 文獻調研

對生境指標和國外水生生物評價指標的調研主要參考20 世紀90 年代以來美國、歐盟、澳大利亞、南非等國家和地區主流水生態評價導則和指南等。 對國內長江流域水生生物評價指標的調研主要基于通過中國期刊全文數據庫(CNKI)檢索獲得的研究文獻,檢索日期為2001 年1 月1 日—2021 年1 月1 日,檢索關鍵詞分為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研究區域,包括長江、金沙江、嘉陵江、赤水河、烏江、三峽庫區、漢江、湘江、巢湖、洞庭湖、鄱陽湖;③研究內容,包括水生態、完整性指數、健康評價、水質評價。 對以上關鍵詞進行排列組合,將檢索到的文獻數據進行人工篩選處理,剔除只有生物類群多樣性調查、群落結構分析而無指數分析和評價的文獻,最終篩選出66 篇研究文獻用于后續對水生生物評價指標適用性的統計分析。

1.2 篩選方法

1.2.1 生境指標的篩選

對生境指標的篩選是根據指標的使用度,具體表現為該指標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,將所收集的生境評價方法中的生境指標分為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的使用情況,篩選出使用度高(使用頻率≥50%)的生境指標。

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

1.2.2 水生生物指標的篩選

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合的、系統的、層次化的分析方法,利用該方法可對難以完全定量的復雜系統做出決策[26]。 本研究采用層次分析法建立了對水生生物指標適用性的評估方法,所建立的評估體系包含目標層、準則層和指標層3 個層次,其中,在指標層建立了決定指標適用性的8項關鍵參數。 根據各指標的達成情況設定相應的賦分,具體層次分析框架和指標賦分體系見表2。按照以上方法,對收集到的國外水生生物評價指標進行適用性評估,篩選出綜合得分不低于16分,且“使用普及情況”和“指標參數通用性”兩項得分都不低于5 分的水生生物指標,作為適用指標。

表2 水生生物指標評估框架體系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按照不同區域(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在不同類型水體中的被采用情況進行歸納分析,分區域確定采用頻率較高的生物類群及其評價指標。

2 結果和分析

2.1 生境指標

2.1.1 生境指標調研情況

本研究共收集了17 項國外主流生境評價項目和方法,包括澳大利亞6 項,美國5 項,南非2項,英國、西班牙、巴西和瑞士各1 項。 其中:適用于河流的方法共16 項,包括僅適用于可涉水河流和不可涉水河流的方法各3 項;適用于湖泊的方法1 項。 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 生境指標使用度情況

分別按照可涉水河流和不可涉水河流統計已收集的國外生境評價方法中各生境指標的使用頻次和頻率,具體結果見表4。

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

2.1.3 生境指標適用性篩選

根據本研究構建的生境指標篩選標準,可涉水河流中,物理形態特征(河岸穩定性、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(底質類型)3 類生境指標符合要求,其使用頻率分別為84.6%、92.3%、84.6%。 考慮到生境復雜性(棲境復雜性、深度-速度結合特性)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測指標。 另外,增加可客觀反映人為干擾壓力的人類干擾類型指標(人類活動強度)以及水質狀況指標(濁度)。 經篩選,推薦以上6 個類型的11 項指標構成長江流域可涉水河流生境監測指標。

不可涉水河流中,物理形態特征(河岸穩定性、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(底質類型、大型木質殘體分布)、生境復雜性(棲境復雜性)4 類生境指標符合要求,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(人類活動強度)以及水質狀況指標(濁度)。 經篩選,推薦以上6 個類型的11 項指標構成長江流域不可涉水河流生境監測指標。

2.2 國外水生生物指標

2.2.1 國外水生生物指標調研情況

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

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

2.2.2 不同水體類型的生物指標

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

2.2.3 不同生物類群的生物指標

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:底棲動物指標最多,共27 項,占所有收集指標的40.9%;其次是魚類,20 項,占所有收集指標的30.3%;藻類和大型水生植物指標分別為10 項和9 項,分別占所有收集指標的15.2%和13.6%。

2.2.4 指示不同環境壓力的生物指標

根據每項生物指標的指示作用,將各指標反映的環境壓力分為營養/有機污染、水文/生境和綜合壓力3 種。 其中:指示綜合壓力的生物指標有38 項,占所有收集指標的57.6%;指示營養/有機污染的生物指標有25 項,占所有收集指標的37.9%;指示水文/生境的生物指標有3 項,占所有收集指標的4.6%。

2.2.5 水生生物指標適用性篩選

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

表6 國外不同水體水生生物指標推薦列表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

2.3.1 長江流域水生生物指標調研情況

本研究通過檢索及篩選,共獲取長江流域水生態狀況評價相關研究文獻66 篇。 水體類型涉及河流、湖庫、河口及河流湖庫復合型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,評價指標包括單變量評價指標、多變量評價指標及綜合性評價指標3 種類型,研究區域分為長江上游、中游、下游及長江口4 類。

2.3.2 不同水體類型調研情況

按照水體類型對獲取的相關研究文獻進行分類統計,結果顯示:河流水生態健康評價相關研究共35 篇,占總文獻量的53. 0%;湖庫水生態健康評價相關研究共23 篇,占總文獻量的34. 8%;河口及河流湖庫復合型水生態健康評價相關研究明顯較少,均為4 篇,各僅占總文獻量的6. 1%。

2.3.3 不同生物類群調研情況

按照生物類群對獲取的文獻進行分類統計,結果顯示:底棲動物的采用頻率最高,相關文獻共23 篇,占總文獻量的34.8%;其次是復合型(包含2 種及以上生物類群),相關文獻占30.3%;單獨利用藻類進行評價的文獻相對較少,僅13 篇,占總文獻量的19.7%;以魚類進行水生態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行水生態評價的研究最少,均不足5.0%。

2.3.4 不同指標類型調研情況

按照指標類型對獲取的文獻進行分類統計,結果顯示:利用單變量評價指標進行水生態健康狀況評價的研究最多,共35 篇,占總文獻量的53.0%;其次是利用多變量評價指標進行水生態健康狀況評價的研究,共23 篇,占34.8%;利用綜合性評價指標進行水生態健康評價狀況的研究最少,共8 篇,占12.1%。 不同類型評價指標所包含的指數具體見表7。

表7 不同類型評價指標具體內容Table 7 Specific contents of different types of assessment indices

2.3.5 不同研究區域調研情況

按照研究區域對獲取的相關文獻進行分類統計,結果顯示,長江上游、中游、下游、河口區域相關研究文獻分別為31 篇、20 篇、11 篇、4 篇。 長江上游主要以藻類為研究對象,評價指標主要采用IBI、Shannon-Wiener 指數和Pielou 指數[80-81];長江中游主要以底棲動物為研究對象,評價指標主要采用Shannon-Wiener 指數、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,評價指標主要采用IBI、Shannon-Wiener 指數和HBI 等[85-88];長江口主要以底棲動物為研究對象,評價指標的使用頻次以M-AMBI 為較多[89-90]。 長江流域不同區域、不同生物類群的評價指標及使用頻次見表8。

表8 長江流域不同區域的評價指標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

通過對長江流域水生態狀況評價相關研究報道的分類歸納和統計分析發現,長江流域主要采用底棲動物、藻類和魚類3 種生物類群進行水生態狀況評價。 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。 結合國外水生生物評價指標調研結果和各評價指標在長江流域的使用頻次可知,長江上游區域主要采用藻類(主要是硅藻)進行水生態評價。 因上游特別是源頭區域處于高海拔低氧環境,底棲動物數量和種類都較少,且大多為適應低氧環境的種類,現有底棲動物耐污性及多樣性評價指標在此區域的適用性較差,所以優先推薦采用藻類作為評價類群, 評價指標則采用Shannon-Wiener 指數、硅藻生物指數、藻類完整性指數等指示多樣性、污染耐受性和完整性的指標。當采用底棲動物進行評價時,推薦采用指示底棲動物分布均勻度的指標,如Pielou 均勻度指數。長江中下游河網密布、湖泊眾多,此區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都具有較高的使用率,且中下游長江經濟帶發展強度高、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在該區域具有較高的指示性,如GI。 因此,在長江中下游,優先推薦采用底棲動物作為評價類群,評價指標則推薦采用Shannon-Wiener 指數、HBI、FBI、B-IBI 和GI;藻類則可采用硅藻生物指數和藻類完整性指數進行評價。 長江口區域相比其他區域受人為干擾更為嚴重,相關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,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。 關于前文所述基于魚類指標的水生生物評價,國外已有大量研究,但由于長江禁漁政策的實施,生態環境部門開展業務化監測存在較大難度。 綜合考慮普遍性與可操作性,本文推薦采用國外持續使用且在長江各區域均有應用的F-IBI[91-93],以及目前水利部《河湖健康評估技術導則》[94](SL/T 793—2020)推薦采用的FOEI 兩項指標,在河口區域可考慮增加河口定居性魚類種類數。 具體推薦監測類群及評價指標見表9。

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

3 結論

從上游源頭到下游河口,長江流域各區域在自然環境特征、水體類型構成、生物區系組成、經濟發展水平、主要污染類型和流域管理水平等方面存在較大差異,難以用一套統一的評價標準來衡量整個流域的水生態質量。 充分借鑒歐美發達國家較為成熟的評價方法和指標體系,結合國內已有研究成果,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各11 項。根據國內對長江流域水生生物評價指標的研究成果,結合國外水生生物評價指標調研結果,充分考慮長江各區域水生生物類群特點,得到長江流域各區域水生生物推薦評價指標:在長江上游,首選藻類和魚類進行多樣性與完整性評價,最終篩選確定了3 項藻類、1 項底棲動物和2 項魚類評價指標;在長江中游和下游,推薦首選底棲動物和魚類進行污染耐受性與完整性評價,篩選確定了2項藻類、5 項底棲動物和2 項魚類評價指標;在長江口,推薦利用底棲動物和魚類進行多樣性和污染耐受性評價,篩選確定了5 項底棲動物和3 項魚類評價指標。