黃河干流生境質量評價研究

李學軍,張洋,高云霓,李龍飛,張景曉,董靜,張曼,高肖飛,秦祥朝

(1.河南師范大學 水產學院,河南 新鄉 453007;2.河南省丹江口水庫水域生態系統野外科學觀測研究站,河南 南陽 474450;3.生態環境部黃河流域生態環境監督管理局 生態環境監測與科學研究中心,鄭州 450000)

黃河是我國第二長河、世界第五大河流,也是我國西北、華北地區的重要水源[1].黃河流域橫跨東中西部,是我國重要的生態安全屏障,也是人口活動和經濟發展的重要區域[2].新中國成立以來,黃河流域在水沙治理、防洪減災方面取得顯著成效,但流域生態監測工作嚴重滯后,水生態基礎資料欠缺,流域生態脆弱問題突出,水生生物資源下降,生物多樣性降低,亟待加強黃河水生態監測,維護流域水生態系統健康,促進黃河流域高質量發展[1-2].

生境是區域內為生物提供生存和生長的物理、化學和生物環境[3].生境質量用于反映生態系統為個體、種群或群落提供適宜生存條件的能力[4].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[5].河流生境評價是河流生態健康評價的重要內容,為識別河流生態問題及受損河流生態系統修復提供理論依據[6].根據評價方法的技術特征,河流生境評價方法可分為模型模擬法和多指標綜合評價法.模擬法一般包括生境適宜度模型和生境模擬模型,多指標綜合評估法綜合水文、水力、地貌、物理、化學、生物等多個因素,選取代表性指標,從河流整體狀況出發,制定評價標準,評價河流狀況[7].較成功的多指標綜合評價法包括美國的快速生物評價方案(RBPs)[8]、英國的河流生境調查(RHS)[9]、澳大利亞的河流狀況指數(ISC)[10]、西班牙的水文地貌指數法(IHG)等[11],已運用在我國遼河和長江流域各級支流的生境調查與質量評價工作中[5,12].然而,現有生境評價方法主要應用于中小型可涉水河流和較大不可涉水河流,針對超大型河流如長江和黃河干流的生境調查和質量評價實踐較少[1],亟待加強相關研究和應用,以推動大型河流健康綜合評價和生態修復保護戰略制定和工程實施.

為此,本研究參照國內外多指標綜合生境評價方法,基于中國環境監測總站《河流水生態環境質量監測與評價技術指南》中提出的河流生境評價指標體系[13],于2021和2022年5-7月,在河段尺度上對黃河干流自源區到河口的26個監測河段開展生境現狀調查與質量評價,評估黃河干流典型區域的生境狀況,探索影響黃河干流生境狀況的主要因素,從而為黃河流域生境保護和修復提供支撐,為大型河流的生境調查與評價提供借鑒.

1 材料與方法

1.1 位點布設

樣點的布設結合實際情況,在黃河干流的源頭、上游、中游、下游共選取26個具有代表性的監測河段進行現場調查(附錄表S1),其中,S1～S4位于黃河源區,U1～U10位于黃河上游,M1～M4位于黃河中游,D1～D8位于黃河下游.

表S1 黃河干流生境調查位點Tab. S1 Sampling sites of river habitat survey in Yellow River mainstream

1.2 調查內容與評價方法

參照文獻[13],水深較淺、可人工涉水采樣的河流為可涉水河流;水深較深、河面較寬、無法人工涉水采樣的河流為不可涉河流.本研究選擇各監測位點上下500 m范圍作為監測河段,使用GPS定位記錄每個點位的經緯度和海拔.所選河段均不可涉,調查人員通過現場目測、拍照及無人機全景攝像對每個監測河段生境指標情況進行全面測量、記錄和調查.主要內容包括底質、棲境復雜性、河水水量狀況、水質狀況、河道內人類活動強度等河道指標和大型木質殘體分布、河岸穩定性、河岸帶植被覆蓋率、河道護岸變化、河岸土地利用類型等河岸指標(附錄表S2).進行河流生境評價時,每項指標分4個等級,分別對應好(16～20分)、較好(11～15分)、中等(6～10分)、較差(0～5分)4個評價等級.參照河流生境質量分級標準,每個監測河段的生境總分(H)由10項指標分值累加計算,10項指標總和的滿分為200分,其中H>150為優秀,120

表S2 河流生境評價指標體系、評價等級及賦分標準Tab. S2 Index system,classification and assignment criteria of river habitat assessment

1.3 數據分析

調查數據處理與統計分析主要采用SPSS 22.0 和Excel 2019軟件完成,采用ArcGIS10.2、Adobe Photoshop 22.0和Origin 2022b作圖.采用Pearson相關性分析10項指標的相關性.運用主成分分析法(PCA)確定各評價指標對黃河干流生境的貢獻率,找出影響黃河干流生境質量的主要因子.

2 研究結果

2.1 各生境評價指標得分及相關性

所選取的10項生境評價指標中,大型木質殘體分布在全河段得分相對最低,集中在1～5分(圖1).其次為棲境復雜性,得分介于5～11分,平均值為7.2.河水水量得分介于10～19分,平均值為17.1,相對最高.其他指標的離散度和變異度均較大.

黃河干流不同區域間底質、棲境復雜性、河水水量、大型木質殘體分布、河岸穩定性、河道護岸變化等6項指標未表現出顯著差異(p>0.05,圖2).但水質狀況、河道內人類活動強度、河岸帶植被覆蓋度和河岸土地利用類型等4項指標在不同區域表現出顯著差異(p<0.05).相對而言,中游水質狀況顯著優于上游和下游河段(p<0.05),但河道內人類活動強度得分最低,顯著低于源頭和上游河段(p<0.05),河岸土地利用類型得分最低(p<0.05).上游河岸帶植被覆蓋強度最低,顯著低于下游(p<0.05).黃河干流不同區域河道生境指標未表現出顯著差異,而河岸帶生境指標上游得分最低,并顯著低于下游.

對黃河干流各項生境評價指標得分狀況進行Pearson相關分析,結果顯示,盡管多項指標之間表現出顯著相關性,但相關系數均低于0.5,僅底質與棲境復雜性相關系數達到0.534(p<0.01,表1),各項評價指標間共線性較低,指標之間不具有可替代性.

表1 各項生境評價指標間Pearson相關性分析Tab. 1 Pearson correlation analysis of habitat assessment indexes

2.2 黃河干流生境質量

通過兩年的生境調查與評價發現,黃河干流26個監測河段的生境總分介于79～153分,連續兩年生境整體評價均達到良好等級以上的有6個河段,連續兩年達到中等級別的河段為18個,出現較差級別的河段為2個,無很差等級的河段.相對而言,位于黃河下游的黃河口濕地1(D7)和黃河口濕地2(D8)、中游的風陵渡大橋(M4)、上游的葉盛公路橋(U6)和新城橋(U3)、源區的門堂(S2)兩年的生境質量均大于120分,為優秀或良好等級.而位于黃河上游的什川橋(U4)2021和2022年生境評分分別為84和79分,均為較差等級(圖3).黃河源區、上游、中游和下游之間生境質量整體上無顯著差異(p>0.05).

2.3 黃河干流生境主要影響因子

2021和2022年黃河干流生境評價指標主成分分析KMO值為0.655,Bartlett球形度檢驗p<0.05,說明數據適合進行主成分分析.主成分分析一共提取出3個主成分,特征根值(分別為2.669、2.276、1.158)均大于1,累計方差解釋率為61.03%.權重值最高為河岸土地利用類型,占12.35%,最低為棲境復雜性,占8.63%(表2).權重值高于10%的指標還包括河道內人類活動強度、水質狀況和河岸穩定性等3項指標.

表2 黃河干流生境評價指標主成分分析及權重結果Tab. 2 Principal component analysis and weight results of habitat assessment indexes in the Yellow River mainstream

3 討 論

3.1 黃河干流生境質量綜合評價

基于河段尺度的黃河干流生境質量評價結果表明,黃河干流所有調查河段生境總分H值平均為108.0,生境質量整體處于中等水平,區域間未表現出顯著差異(p>0.05).2017年長江流域河流生境綜合評價結果顯示,長江干流生境質量整體處于良好水平,金沙江下游、三峽庫區、長江中下游3個典型區域的生境綜合指數均值分別為133.9、124.6和130.8[5].長江流域典型支流赤水河生境質量為優秀等級,雅礱江、烏江和漢江的生境質量均為良好等級[14].2005年遼河流域生境質量調查結果顯示,全流域36%的河段處于優秀或良好水平,主要為遼河支流及渾太河源區,但42%的河段處于較差或很差等級,主要為遼河干流及渾太河中下游[15].綜合來看,黃河干流各區域間生境質量差別較小,整體生境狀況比長江流域差.河流生境質量與流域植被覆蓋狀況息息相關.盡管黃河流域近40年植被覆蓋呈現波動增長趨勢,近20年黃河流域植被生態質量指數均呈波動增加趨勢,但基于NDVI值的植被蓋度水平仍低于長江、遼河等流域.黃河流域年均植被NDVI值介于0.36～0.45[16],而長江和遼河流域植被NDVI值分別介于0.50～0.81和0.61～0.72之間,均顯著高于黃河流域[17-18].

黃河干流各區域均有生境質量相對較好的河段,如下游的黃河口濕地(D7,D8)、中游的風陵渡大橋(M4)、上游的葉盛公路橋(U6)和新城橋(U3)、源區的門堂(S2),主要表現在水流速相對較緩、濕生或水生植被豐茂、泥沙含量低,從而在棲境復雜性、水質狀況、河岸穩定性、河道內人類活動強度等方面得分較高.而生境質量相對最差的河段為上游的什川橋(U4),主要表現在泥沙含量高、水流速快、河岸侵蝕程度高、河道和河岸人類活動強度大等.黃河干流超過69%的河段生境質量處于中等水平,主要體現在泥沙含量較高、人類活動強度較大、河岸和河道植被覆蓋較低、河岸侵蝕較為嚴重.這與黃河本身所處地質時期、氣候條件、地貌特征、河流類型和水沙特點等有關[19].

本研究中水質狀況指標主要反映各河段水體渾濁度和異味情況,與水體懸浮泥沙含量關系密切.盡管通過近60年的攔河壩、水庫建設等大型水利樞紐工程調控及大型植被修復工程的實施,黃河輸沙量已減少近90%[20],但大部分黃河干流上的監測河段水體泥沙含量仍較高,河水靜置后沉淀物質多,沒有發現完全清澈的河段.另外,中游水質狀況顯著優于上游和下游河段(p<0.05),表明中部地區尤其是黃土高原植被恢復工程對黃河中游土壤侵蝕和泥沙含量減少方面發揮了積極作用[16].但黃河中游河道內人類活動強度和河岸土地利用類型得分相對最低,主要表現在監測河段出現大型橋梁、閘壩、船舶或工程施工等.河岸帶植被覆蓋率主要反映調查河段近岸植被覆蓋情況,本研究結果顯示,黃河上游河岸帶植被覆蓋率最低,并顯著低于下游.這與衛星遙感技術所測得的黃河流域植被蓋度情況一致.相對于下游、中游或源區,黃河上游所在的內蒙古、寧夏和甘肅所在區域植被蓋度最低,植被生態質量指數也最低[16,21].

3.2 大型河流生境質量評價指標體系構建

目前60%的生境調查方法基于小尺度下快速現場觀測,通過現場目測和簡單測量獲取定性半定量數據,包括英國RHS、美國RBPs、澳大利亞ISC等[3].我國已采用河段尺度的現場生境調查方法對大型河流、城市河流、平原或山地河流開展生境質量評價,如長江干流及支流[5,14,22]、海河[23]、遼河[15]、深圳市河流[24]等.盡管不同研究所采用的生境評價指標存在差別,但針對不可涉水河流,推薦采用物理形態特征、生境組成與復雜性、河岸帶狀況、人類干擾、水文水質狀況等類型指標[25].本次生境調查從河道和河岸兩個方面選取10項指標,采用現場目測法調查評價黃河干流生境質量狀況,基本包括了基于大型不可涉水河流推薦的生境評價指標類型,調查結果也能初步反映黃河干流生境質量整體水平,并對生境質量存在明顯差別的監測河段加以區分.本次調查所構建的生境指標體系,各項指標對生境質量評價的權重介于8.63%～12.35%之間,根據權重值大小,初步說明影響黃河干流生境質量的主要因子包括河岸土地利用類型、河道內人類活動強度、水質狀況和河岸穩定性等.

然而,針對各項生境指標評價過程的主觀性大,不同人員對同一河段的各項指標評價結果容易產生較大差別.若能在各項生境評價指標賦分依據中增加定量依據,將極大增強生境評價過程和結果的客觀性和可比性.比如水質狀況,在渾濁度方面引入濁度、懸浮物或者含沙量這些可實際測量的量化指標.河岸帶植被覆蓋率和河岸土地利用類型這兩個指標的調查和評價,可借助無人機來獲取固定范圍內河段的定量數據,將極大增強評價結果的準確性和可靠性.基于此,在未來的河段尺度生境調查工作中,亟須結合相關技術,增強生境指標數據獲取的客觀性,從而加強生境評價結果的準確性和可比性.

4 結 論

2021年和2022年黃河干流各河段生境質量綜合得分H值介于79～153,超過69%的河段生境質量介于90～120分,為中等等級,無較差等級河段.10項生境指標中,大型木質殘體分布在全河段得分最低,介于1～5分,水質狀況、河道內人類活動強度、河岸帶植被覆蓋度和河岸土地利用類型等4項指標在不同區域表現出顯著差異(p<0.05).主成分分析結果顯示,影響黃河干流生境質量的主要因子包括河岸土地利用類型、河道內人類活動強度、水質狀況和河岸穩定性等.未來應因地制宜,針對黃河干流特定區域特定河段的關鍵影響因子提出生態修復和保護策略.

附錄見電子版(DOI：10.16366/j.cnki.1000-2367.2022.10.21.0004).