徐 菲,王永剛,張 楠,王 旭,范 清

北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院,國家城市環(huán)境污染控制工程技術(shù)研究中心, 北京 100037

北京市白河和潮河流域生態(tài)健康評價

徐 菲*,王永剛,張 楠,王 旭,范 清

北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院,國家城市環(huán)境污染控制工程技術(shù)研究中心, 北京 100037

選取北京市重要的飲用水源密云水庫上游白河和潮河流域,結(jié)合北京山區(qū)流域生態(tài)現(xiàn)狀,構(gòu)建了涵蓋水域生境結(jié)構(gòu)、水生生物、生態(tài)壓力和陸域生態(tài)格局與功能、生態(tài)壓力5大類13項指標(biāo)的評價指標(biāo)體系,開展了流域生態(tài)健康評價。結(jié)果表明白河和潮河流域的健康狀態(tài)整體處于良好等級,但水生生物和陸域生態(tài)格局狀況相對較差。14個子流域的健康狀況差異并不顯著,琉璃河、白河下段、湯河上游的健康狀況相對較好,潮河中下段和小湯河的健康狀況相對較差。流域內(nèi)不合理的畜禽養(yǎng)殖、岸邊帶種植及民俗旅游是導(dǎo)致流域生態(tài)健康退化的主要原因,建議加強污染負(fù)荷排放的控制和監(jiān)管涉水活動對水生生境的干擾以改善流域健康狀況,并重點關(guān)注可指示水生態(tài)系統(tǒng)早期退化的生物指數(shù),以實現(xiàn)可持續(xù)性和適應(yīng)性的流域管理,保障密云水庫的水生態(tài)安全。

流域健康；白河；潮河；健康評價；密云水庫；生物指示物種；人為干擾

生態(tài)系統(tǒng)健康這一概念,產(chǎn)生于20世紀(jì)70年代全球生態(tài)系統(tǒng)普遍退化的背景下。Rapport于1989年論述了生態(tài)系統(tǒng)健康的內(nèi)涵,認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)健康是指生態(tài)系統(tǒng)具有維持其組織結(jié)構(gòu)、自我調(diào)節(jié)和對脅迫的恢復(fù)能力[1],可為人類提供持續(xù)和良好的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。流域生態(tài)健康,是生態(tài)健康概念在流域尺度上的具體應(yīng)用,US EPA[2]指出,健康的流域生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)能維持水生、河岸生物的棲息生境和河流連通性,為生物提供棲息地和避難所；具有自然水文過程、良好的水質(zhì)和必要的自然干擾；具有自我維持能力的水生、河岸生物群落。在此概念的界定下,從綜合和系統(tǒng)的角度評價流域生態(tài)健康狀況已經(jīng)成為環(huán)境保護(hù)與管理的國際趨勢。通過分析健康評價指標(biāo)掌握流域健康狀況,診斷健康存在的問題,將其應(yīng)用于流域管理,能綜合評價流域生態(tài)系統(tǒng)的健康程度,便于管理者全面掌握生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物完整性狀況,并在考慮人類需求的基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的保護(hù)與修復(fù)措施,對流域綜合開發(fā)與管理及流域可持續(xù)發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義[3-4]。

國外對河流生態(tài)健康的評價研究工作開展得較早。澳大利亞、南非、美國、英國等國家在河流生態(tài)健康評價指標(biāo)體系及評價方法上取得了較大進(jìn)展,例如澳大利亞的國家河流健康計劃(National River Health Program, NRHP)、河流評價體系(Australian River Assessment Scheme, AusRivAS)[5-6]和溪流狀態(tài)指數(shù)(Index of Steam Condition, ISC)[7]；南非的河流棲息地綜合評價系統(tǒng)[8]；美國白宮實施的全國河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價項目[9]和快速生物監(jiān)測協(xié)議(Rapid Bioassessment Protocols, RBPs)[10]；英國的河流無脊椎動物預(yù)測與分類系統(tǒng)(River Invertebrate Prediction and Classification System, RIVPACS)[11]。國內(nèi)學(xué)者也相繼開展了河流健康評價方面的研究,并在河流健康評價框架的構(gòu)建、城市河流健康評價方法及健康評價在管理中的應(yīng)用等方面取得了一定進(jìn)展[1,12-14]。與河流生態(tài)健康評價相比,在流域這一尺度上進(jìn)行生態(tài)健康評價的研究和實踐尚不多見。美國在這一領(lǐng)域嘗試較早,在流域生態(tài)健康評價模型和指標(biāo)體系方面取得了較多的成果,形成了涵蓋整個流域,包括水文、化學(xué)、生物等多重指標(biāo)在內(nèi)的全國性流域綜合生態(tài)健康評價體系,并于2005年前后分別對國內(nèi)的Muskoka流域、Mississippi流域、新澤西州流域、波特蘭市流域開展了生態(tài)健康評價工作[15-17]。澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)和工業(yè)研究組織相關(guān)學(xué)者,建立了流域健康診斷指標(biāo),該方法能夠分析流域的總體質(zhì)量、功能水平與環(huán)境質(zhì)量變化的趨勢,使人們明確應(yīng)該采取哪些具體而必要的行動和措施[18]。加拿大針對Kemptville Greek流域提出了開發(fā)與保護(hù)并重的流域健康保護(hù)計劃,從水質(zhì)、野生動物、社會和經(jīng)濟(jì)及水量4個方面分別制定了可持續(xù)的且不以犧牲其他目標(biāo)為代價的保護(hù)發(fā)展計劃[19]。

我國開展的流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價研究相對較晚,整體水平處于起步階段。1999年學(xué)者劉國彬完成了《生態(tài)環(huán)境健康診斷指南》專著,并在我國黃土高原水土保持綜合治理實踐和具體實際工作的基礎(chǔ)上較早提出了“流域生態(tài)健康診斷”研究課題。隨后出現(xiàn)了許多流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價研究案例,多數(shù)以采用壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(Pressure-state-response,PSR)模型構(gòu)建流域生態(tài)健康評估指標(biāo)體系為主[20-27],同時RS和GIS技術(shù)在流域生態(tài)健康評估中也得到了廣泛應(yīng)用[28-29],二者相結(jié)合為評價指標(biāo)的獲取提供了便利,成為研究流域生態(tài)系統(tǒng)的重要手段。但上述研究實例仍處于嘗試階段,未形成具有普適性的流域生態(tài)健康評價體系。王文杰等[30]從水域、岸邊帶和陸域的生態(tài)結(jié)構(gòu)、服務(wù)功能和脅迫特征的角度構(gòu)建了流域生態(tài)健康評價指標(biāo)體系,并將RS和GIS技術(shù)應(yīng)用于健康評價指標(biāo)的獲取過程中,在國內(nèi)典型流域生態(tài)健康評價方面具有一定的普適性。

白河和潮河是北京市重要的飲用水源密云水庫的兩大入庫河流,其所在流域的健康狀況與密云水庫的水質(zhì)密切相關(guān)。本文選取了白河和潮河流域為研究對象,借鑒王文杰等提出的流域生態(tài)健康評價體系,結(jié)合北京市流域的實際狀況,構(gòu)建了北京市白河和潮河流域生態(tài)健康評價指標(biāo)體系,開展了流域生態(tài)健康評價,診斷了流域健康退化的主要原因,并針對流域健康改善和未來北京市流域管理提出了建議,以期為保證首都健康的良性水生態(tài)體系奠定基礎(chǔ)。

1 研究方法

1.1 評價區(qū)域與對象

本文中白河和潮河流域是指北京市境內(nèi)的密云水庫流域上游的白河和潮河流域。白河流域(116°7′0″—116°53′0″E,40°31′—41°03′N),和潮河流域(117°0′—117°30′E,40°31—40°42′N)面積分別為2203.9km2和482.2 km2(圖1),同屬溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,流域內(nèi)水系縱橫,白河有黑河、湯河和天河等支流,潮河流域內(nèi)有清水河、安達(dá)木河等支流,多為季節(jié)性支流。近年來,隨著流域社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,不合理的人類活動會對流域生態(tài)狀況產(chǎn)生較大的負(fù)面影響,進(jìn)而對下游密云水庫的水生態(tài)安全造成一定威脅,有必要針對白河和潮河開展流域生態(tài)健康評價。

基于ArcGIS軟件的空間水文分析模塊,將白河流域分為8個子流域,潮河流域分為6個子流域作為健康評價單元。以水域和陸域生態(tài)系統(tǒng)為評價對象,以子流域為基本單元,從生態(tài)結(jié)構(gòu)、服務(wù)功能和壓力狀況等方面構(gòu)建流域生態(tài)健康評價的基本框架。

圖1 白河和潮河流域評價區(qū)域及采樣點分布Fig.1 Assessment area and sampling site distribution of Bai River Basin and Chao River Basin

1.2 數(shù)據(jù)來源

用于計算流域生態(tài)健康評價指標(biāo)的數(shù)據(jù)主要通過實地監(jiān)測和調(diào)查、統(tǒng)計數(shù)據(jù)收集、遙感數(shù)據(jù)分析計算等手段獲取。白河和潮河流域的水質(zhì)、水生生物和生境現(xiàn)狀數(shù)據(jù)主要來自水生態(tài)監(jiān)測與調(diào)查。2013年和2014年5—11月間分別開展了白河和潮河流域16個樣點的水質(zhì)、水生生物監(jiān)測以及河道連通、生境狀況等調(diào)查,監(jiān)測項目主要包括河流水體24項常規(guī)檢測水質(zhì)指標(biāo)、底棲動物和魚類的種類和數(shù)量、閘壩分布以及水生生境受干擾現(xiàn)狀。魚類樣品主要應(yīng)用掛網(wǎng)法和地籠法相結(jié)合的方法進(jìn)行采集,樣品在現(xiàn)場完成鑒定、稱量和計數(shù)；底棲動物樣品應(yīng)用D型手抄網(wǎng)進(jìn)行采集,樣品經(jīng)70%酒精固定后帶回實驗室進(jìn)行鑒定和計數(shù)。計算各評價指標(biāo)的數(shù)據(jù)來源詳見表1。

1.3 評價方法

指標(biāo)體系法是目前國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的健康評估方法,在實踐中具有較高的應(yīng)用價值。本文參考王文杰等[30]提出的流域生態(tài)健康評估指標(biāo)體系,結(jié)合白河和潮河流域的生態(tài)狀況以及數(shù)據(jù)的可獲取性,對部分指標(biāo)進(jìn)行了調(diào)整,選取了包括水域和陸域涵蓋水質(zhì)、水文、物理結(jié)構(gòu)、生物以及生態(tài)功能、生態(tài)壓力等共13項指標(biāo),構(gòu)建了北京市白河和潮河流域生態(tài)健康評價指標(biāo)體系(表1)。針對水域指標(biāo),根據(jù)實地調(diào)查,白河和潮河內(nèi)河流基本為自然河道,自然河道比例在各子流域間分異性較低,而且近年來不存在特有性或指示性物種以及外來物種入侵,因此,在評價過程中未采用自然河道比例、特有性或指示性物種保持率和外來物種入侵率；針對陸域指標(biāo),白河和潮河位于北京市重要的飲用水源地密云水庫上游,土壤保持功能與生物多樣性保護(hù)狀況相對較好,相關(guān)指數(shù)在各子流域間分異性較低,因此,在評價指標(biāo)體系構(gòu)建過程中未采用上述指標(biāo)。

指標(biāo)權(quán)重的確定方法分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法,其中客觀賦權(quán)法的原始數(shù)據(jù)是由各指標(biāo)在評價中的實際數(shù)據(jù)組成,可以避免由于人為主觀判斷而產(chǎn)生的誤差。熵權(quán)法是客觀賦權(quán)法的一種,當(dāng)涉及多個評價對象時采用熵權(quán)法對各因子賦權(quán),在保證權(quán)重客觀合理基礎(chǔ)上,可大大簡化計算過程,因此,本次評價各指標(biāo)的權(quán)重應(yīng)用熵權(quán)法[31]確定。

表1 北京市流域生態(tài)健康評價指標(biāo)體系

水域生態(tài)健康評估指標(biāo)主要包括生境結(jié)構(gòu)、水生生物和生態(tài)壓力3類,共7項指標(biāo)；陸域生態(tài)健康評估指標(biāo)主要包括生態(tài)格局與功能和生態(tài)壓力兩類,共6項指標(biāo)。各指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)見表2。

(1)水質(zhì)狀況指數(shù) 反映流域水質(zhì)狀況和受污染程度?？紤]白河和潮河是飲用水源地密云水庫的兩大入庫河流,根據(jù)飲用水源水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),將水質(zhì)狀況指數(shù)設(shè)定為流域內(nèi)II類及以上水質(zhì)監(jiān)測斷面數(shù)占流域全部監(jiān)測斷面數(shù)的比例。

(2)枯水期徑流量占同期年徑流量的比例 反映流域調(diào)洪補枯的功能,衡量河流生態(tài)需水量的滿足程度。計算方法：調(diào)查研究區(qū)域內(nèi)典型水文站點水文統(tǒng)計資料,計算典型年枯水期徑流量與同期年平均流量的比值。

(3)河道連通性 指自然河道的連通狀況,利用每百km河道的閘壩個數(shù)評估河道的連通性。

(4)大型底棲動物多樣性綜合指數(shù) 選取反映大型底棲動物多樣性的多個指標(biāo)進(jìn)行綜合評估,表征大型底棲動物的物種完整性狀況。利用指標(biāo)包括：(a)大型底棲動物分類單元數(shù)(S)；(b)大型底棲動物EPT科級分類單元比(EPTr-F)；(c)大型底棲動物BMWP指數(shù)(BMWP)；(d)大型底棲動物Berger-Parker優(yōu)勢度指數(shù)(D)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,然后計算4個指標(biāo)的算術(shù)平均和。

(a)大型底棲動物分類單元數(shù)S

即根據(jù)鑒定水平,某樣點樣品中出現(xiàn)的所有底棲動物分類單元數(shù)。

(b)大型底棲動物EPT科級分類單元比(EPTr-F)

即某樣點樣品中出現(xiàn)的大型底棲動物蜉蝣目(E)、積翅目(P)和毛翅目(T)三目昆蟲科級分類單元數(shù)在該樣品中所有科級分類單元總數(shù)中所占的比例。

(c)大型底棲動物BMWP指數(shù)(BMWP)

BMWP =∑ti

(1)

式中,ti為某樣點樣品中大型底棲動物第i物種基于科一級分類階元的敏感值。

(d)大型底棲動物Berger-Parker優(yōu)勢度指數(shù)(D)

D=Nmax/N

(2)

式中,Nmax為某樣點樣品中最優(yōu)勢種的個體數(shù)；N為底棲動物鑒定分類水平下所有個體數(shù)。

(5)魚類物種多樣性綜合指數(shù) 選取反映魚類物種多樣性的多個指標(biāo)進(jìn)行綜合評估,表征魚類的物種完整性狀況。利用指標(biāo)包括：(a)魚類總分類單元數(shù)(S)；(b)魚類香農(nóng)-威納多樣性指數(shù)(H)；(c)魚類Berger-Parker優(yōu)勢度指數(shù)(D)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,然后計算3個指標(biāo)的算術(shù)平均和。

(a)魚類總分類單元數(shù)(S),即某樣點中出現(xiàn)的所有魚類物種數(shù)。

(b)魚類香農(nóng)-威納多樣性指數(shù)(H)

(3)

式中,H為某群落多樣性指數(shù)；N為某群落中出現(xiàn)的所有物種數(shù)；ni為樣點中第i種的個體數(shù)。

(c)魚類Berger-Parker優(yōu)勢度指數(shù)(D)

D=Nmax/N

(4)

式中,Nmax為樣點中優(yōu)勢種的個體數(shù)；N為樣點中全部物種的個體數(shù)。

(6)水資源開發(fā)利用強度 反映流域水資源的開發(fā)利用程度,根據(jù)區(qū)域工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活、環(huán)境等用水量占評估區(qū)域的水資源總量比值進(jìn)行評估。

(7)水生生境干擾指數(shù) 反映水域生境遭到人為挖砂、旅游等活動破壞的影響狀況。應(yīng)用美國EPA提出的快速生物監(jiān)測協(xié)議(RBPs)中關(guān)于生境評價的方法,對分別包含底質(zhì)、水潭特性、河道變化及河岸特征等10個方面生境要素進(jìn)行打分評價。

(8)森林覆蓋率 指單位面積內(nèi)森林的垂直投影面積所占百分比,森林覆蓋率越高,生態(tài)系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越好,有利于流域的生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)。

(9)景觀破碎度 反映陸域自然生態(tài)系統(tǒng)的完整性狀況和景觀格局條件,是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的一方面。計算方法：

Ci=Ni/Ai

(5)

式中,Ci為景觀i的破碎度,Ni為景觀i的斑塊數(shù),Ai為景觀i的總面積。

(10)重要生境保持率 用于反映流域岸帶的生態(tài)健康狀況。

重要生境保持率=自然植被結(jié)構(gòu)完整性指數(shù)×0.7+自然堤岸比例分值×0.3

其中,自然植被結(jié)構(gòu)完整性指數(shù)=(生態(tài)系統(tǒng)類型分值×該類型面積)/重要生境評估總面積×100%；自然堤岸比例=自然堤岸河段長度/評估河段總長度×100%。重要生境范圍的確定是以平水期河流水位為起始邊界,兩側(cè)向外延伸各10m作為評估范圍。

(11)水源涵養(yǎng)功能指數(shù) 反映了生態(tài)系統(tǒng)攔蓄降水或調(diào)節(jié)河川徑流量的能力,水源涵養(yǎng)功能保持較好,流域生態(tài)健康程度就高。

(6)

式中,Hi表示第i項指標(biāo)健康分值,ωi表示第i項指標(biāo)權(quán)重,其中i為3,指標(biāo)及權(quán)重賦分形式見表2。

表2 健康評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)及賦分

植被覆蓋度解釋 陸域植被覆蓋度越好,其初級生產(chǎn)力越高,生態(tài)系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越好,有利于流域的生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)。計算公式：通常用歸一化植被指數(shù)(NDVI)來計算植被覆蓋度。根據(jù)像元二分模型理論,植被覆蓋度計算模型可得：

(7)

式中，F(xiàn)c是植被覆蓋度,NDVIveg是純植被像元的NDVI值,NDVIsoil是完全無植被覆蓋像元的NDVI值。不透水面即水不能通過其下滲到地表以下的人工地貌物質(zhì)。

(12)建設(shè)用地比例 建設(shè)用地比例反映陸域的人為景觀空間組成及格局狀況。計算方法：建設(shè)用地比例=建設(shè)用地面積/陸域總面積。

(13)污染負(fù)荷排放指數(shù) 反映人類生活過程中排放的污染物對流域生態(tài)系統(tǒng)的壓力,包括點源和面源污染負(fù)荷。點源污染負(fù)荷統(tǒng)計生活污染源排放和工業(yè)污染源排放兩類；面源污染負(fù)荷統(tǒng)計畜禽養(yǎng)殖業(yè)、種植業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)3種類型。計算方法：污染負(fù)荷排放指數(shù)=0.5×COD排放量/COD目標(biāo)排放量+0.5×氨氮排放量/氨氮目標(biāo)排放量。

利用綜合指數(shù)法進(jìn)行流域生態(tài)健康綜合評估,通過水域和陸域健康指數(shù)加權(quán)求和,構(gòu)建綜合評估指數(shù)WHI,以該指數(shù)表示流域的健康狀況。綜合指數(shù)WHI計算如下：

WHI=IwWw+ILWL

(8)

式中,Iw為水域健康指數(shù)值,Ww為水域健康指數(shù)權(quán)重；IL為陸域健康指數(shù)值,WL為陸域健康指數(shù)權(quán)重。Iw和IL分別由各自的二級指標(biāo)加權(quán)獲得。

水域健康指數(shù)值：

(9)

陸域健康指數(shù)值：

(10)

式中wi為水域和陸域的二級指標(biāo)權(quán)重,xi′為二級指標(biāo)值。

根據(jù)綜合指數(shù)WHI計算公式及各指標(biāo)權(quán)重,分別得出白河和潮河流域的健康綜合指數(shù),并根據(jù)健康分級標(biāo)準(zhǔn)(表3),確定流域的健康等級。

表3 流域生態(tài)健康狀況分級

2 結(jié)果與分析

選取白河和潮河流域的水域、陸域的結(jié)構(gòu)、格局和功能指標(biāo),分別采用雷達(dá)圖形式表示流域的健康狀態(tài)(圖2,圖3)。依據(jù)健康評估指標(biāo)的得分及權(quán)重,分別計算得出白河和潮河流域水域、陸域的健康指數(shù)值和流域健康綜合指數(shù),并根據(jù)健康分級標(biāo)準(zhǔn),確定流域的健康等級(表4)。

綜合白河和潮河流域水陸域生態(tài)健康狀態(tài)評估結(jié)果,從雷達(dá)圖可直觀反應(yīng)出白河流域各水域健康狀態(tài)指標(biāo)中魚類物種和大型底棲動物多樣性綜合指數(shù)得分均相對較低；潮河流域各水域健康狀態(tài)指標(biāo)中除水質(zhì)狀況指數(shù)外得分均不高,其中魚類物種和大型底棲動物多樣性綜合指數(shù)得分均相對較低。白河流域陸域整體健康狀態(tài)相對較好,僅景觀破碎度得分相對較低；潮河流域景觀破碎度和森林覆蓋率得分均相對較低,表明流域景觀被分割的破碎程度較高、部分森林植被遭到破壞,生態(tài)格局狀況相對較差。

圖2 白河流域水陸域生態(tài)健康狀態(tài)評價結(jié)果Fig.2 Results of ecosystem health assessment of Bai River Basin

圖3 潮河流域水陸域生態(tài)健康狀態(tài)評價結(jié)果Fig.3 Results of ecosystem health assessment of Chao River Basin

圖4 白河和潮河流域生態(tài)健康壓力評價結(jié)果Fig.4 Results of ecosystem health pressure assessment of Bai River and Chao River Basin

根據(jù)白河和潮河流域健康綜合評價指數(shù)計算結(jié)果表4可知,白河流域健康綜合指數(shù)為78,潮河流域健康綜合指數(shù)為71,均處于良好等級。14個子流域的健康綜合指數(shù)均在60—80之間,處于良好等級,白河流域各子流域的健康狀態(tài)基本優(yōu)于潮河流域。白河流域中,琉璃河、白河下段、湯河上游的健康狀況相對較好,菜食河周邊有村莊分布,河岸帶有農(nóng)作物種植,健康狀況相對較差。潮河流域中,安達(dá)木河上段、安達(dá)木河下段和潮河上段健康狀況相對較好,潮河下段河道受人為活動影響,水生生境受到一定程度破壞,健康狀況相對較差。結(jié)合水陸域生態(tài)壓力評價結(jié)果(圖4)可知,白河流域和潮河流域水生生境干擾指數(shù)和污染負(fù)荷排放指數(shù)得分相對較低,表明人類對水生生境的干擾和污染排放是造成流域生態(tài)健康退化的主要原因。根據(jù)實地調(diào)研,流域內(nèi)存在養(yǎng)殖場和散養(yǎng)現(xiàn)象,岸邊帶有少數(shù)農(nóng)作物種植,并有一定數(shù)量的民俗旅游分布,不合理的涉水活動造成水生生境破壞,進(jìn)而導(dǎo)致生物多樣性下降。

3 討論

底棲動物因長期生活在底泥中,具有個體較大、壽命較長、區(qū)域性強、遷移能力弱、對于外界干擾通常少有回避能力且對環(huán)境變化比較敏感等特點,因此,利用底棲動物作為指示物種可以有效地反應(yīng)水體的生態(tài)狀況。根據(jù)白河和潮河水生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)計算大型底棲動物多樣性綜合指數(shù)結(jié)果顯示,白河流域標(biāo)準(zhǔn)化后的大型底棲動物分類單元數(shù)為0.631,EPT科級分類單元比為0.709,BMWP(敏感值)指數(shù)為0.659,Berger-Parker優(yōu)勢度指數(shù)為0.773,其中水生生物分類單元數(shù)和BMWP指數(shù)相對較低導(dǎo)致多樣性綜合指數(shù)得分較少,表明底棲動物敏感物種比例降低,造成生物多樣性下降；潮河流域標(biāo)準(zhǔn)化后的大型底棲動物分類單元數(shù)為0.520,EPT科級分類單元比為0.374,BMWP(敏感值)指數(shù)為0.577,Berger-Parker優(yōu)勢度指數(shù)為0.527,其中EPT科級分類單元比相對較低,表明敏感物種蜉蝣目(E)、積翅目(P)和毛翅目(T)的種類比例相對較低,生物狀況相對較差。

表4 流域健康綜合評價指數(shù)計算結(jié)果

河流的棲息地特征和生物多樣性是緊密相關(guān)的, 棲息地的質(zhì)量和數(shù)量會直接或間接影響當(dāng)?shù)厣锶郝涞慕M成和結(jié)構(gòu)。鄭丙輝等[32]研究了棲息地環(huán)境與底棲生物的相關(guān)關(guān)系,結(jié)果表明用于表征棲息地環(huán)境的指標(biāo),如水質(zhì)狀況、水量狀況及物理結(jié)構(gòu)等,與大部分底棲生物指標(biāo)都呈現(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)系。根據(jù)白河和潮河流域河流大型底棲動物分類單元數(shù)S、EPT科級分類單元比(EPTr-F)、BMWP指數(shù)和Berger-Parker優(yōu)勢度指數(shù)(D)的計算結(jié)果與水生生境干擾指數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析(圖5),結(jié)果表明水生生境干擾指數(shù)與底棲動物的4項指標(biāo)均存在一定的相關(guān)性,其中與EPT科級分類單元比(EPTr-F)和Berger-Parker優(yōu)勢度指數(shù)(D)的相關(guān)系數(shù)較高。由于白河和潮河水域指標(biāo)中反映水質(zhì)狀況的指數(shù)得分較高,說明水量及物理結(jié)構(gòu)等生境要素是影響底棲動物多樣性的主要因素。根據(jù)實地調(diào)查,流域范圍岸邊帶種植、民俗旅游等不合理的涉水活動引起的水生生境破壞已影響了底棲動物敏感物種,造成了水生態(tài)系統(tǒng)的早期退化,因此,目前環(huán)境管理過程中利用單一的水質(zhì)指標(biāo)已不足以全面反映生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能狀況,建議將以水生態(tài)健康調(diào)查為基礎(chǔ)的健康評價納入環(huán)境管理中作為常規(guī)工作內(nèi)容,可利用底棲動物多樣性指標(biāo)反映水生態(tài)系統(tǒng)狀況,以便于在生態(tài)退化早期采取相應(yīng)的措施。

圖5 水生生境干擾指數(shù)與各生物指標(biāo)相關(guān)分析結(jié)果Fig.5 Results of correlation analysis between aquatic habitat disturbance index and biotic index

4 結(jié)論

構(gòu)建涵蓋水域和陸域的北京市白河和潮河流域生態(tài)健康評價指標(biāo)體系,開展流域生態(tài)健康評價得出白河和潮河流域的健康狀態(tài)整體均處于良好等級,但水生生物和陸域生態(tài)格局狀況相對較差,14個子流域的健康狀況差異并不顯著,琉璃河、白河下段、湯河上游的健康狀況相對較好,潮河中下段和小湯河的健康狀況相對較差。流域內(nèi)不合理的畜禽養(yǎng)殖、岸邊帶種植及民俗旅游是導(dǎo)致流域生態(tài)健康退化的主要原因,建議加強面源污染負(fù)荷排放的控制和監(jiān)管涉水活動對水生生境的干擾,以實現(xiàn)流域健康狀況的改善。涵蓋水域和陸域13項指標(biāo)的評價體系非常適用于北京市郊區(qū)流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價,其中表征水生生物狀況的指標(biāo)可以反映水生態(tài)系統(tǒng)的早期退化,建議北京市未來將流域生態(tài)健康評價納入流域管理作為常規(guī)工作內(nèi)容,用于指導(dǎo)和評估管理行為,同時重點關(guān)注對人類干擾敏感、可指示水生態(tài)系統(tǒng)早期退化的一系列生物指數(shù),以實現(xiàn)可持續(xù)性和適應(yīng)性的流域管理。

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Health assessment of watershed ecosystems: the Chao River and Bai River Basins as a case study

XU Fei*, WANG Yonggang, ZHANG Nan, WANG Xu, FAN Qing

BeijingMunicipalResearchAcademyofEnvironmentalProtection,NationalEngineeringResearchCenterforUrbanEnvironmentalPollutionControl,Beijing100037,China

From the perspective of adaptive river basin management, health assessment based on an eco-environmental investigation was used to determine the health state, analyze the pressure influence and diagnose the main problems of watershed ecosystems. The Chao River and Bai River basins, located upstream of the important drinking water source of Beijing (the Miyun Reservoir), were selected as an example for such an assessment. The established index system for the assessment includes 13 indicators, which cover aspects of habitat structure, aquatic organisms, ecological patterns, ecological functioning, and ecological pressure. The health states of water and land areas of the studied basins were evaluated by comparing their state indicator scores, to consequently determine the weakness of the basins′ ecosystems. In addition, the major cause for ecosystem health degradation was analyzed by contrasting the ecological pressure indicator scores. The results show that the health states of water land areas of the Chao River and Bai River basins were good. However, the aquatic organisms and ecological patterns were in a poor state. Furthermore, the indices of organism diversity and landscape fragmentation in the Bai River basin acquired a relatively low score, whereas organism diversity, landscape fragmentation, and forest cover score were comparatively low in the Chao River basin. The health pressure assessment showed that indices of aquatic habitat disturbance and pollution load discharge scored low. This observation indicates that in the Chao River and Bai River basins, river habitat damage resulting from anthropogenic disturbances and pollutants are the dominant pressures on ecosystem health. The comprehensive indices of watershed health for the Chao River and Bai River basins have been 78 and 71, respectively, indicating the health levels of both are in relatively good condition. There were a few differences among the health states of 14 sub-basins. Sub-basins of the Liuli River, downstream of the Bai River, and upstream of the Tang River, displayed a relatively better health state. In contrast, the health state of sub-basins of the Chao River (middle-downstream), and Xiaotang River were relatively worse. According to field investigation, excessive livestock breeding, bankside planting, and local tourism in the basin were the main causes of the degradation of watershed health. In order to improve the watershed health state, control on the pollution load and supervision of wading activities that disturb the aquatic habitat should be enhanced. Furthermore, for the Chao River and Bai River basins, the biological index is a more effective indicator than physical and chemical indices. The diversity of benthic animals is very closely related to the condition of river habitat, because some benthic species are sensitive to river habitat destruction caused by excessive wading activities. Therefore, to realize sustainable and adaptive watershed management, and to guarantee the water ecological security of the Miyun Reservoir, more attention should be paid to biotic indices that can effectively indicate the early stages of ecosystem degradation.

watershed health; Bai River; Chao River; health assessment; Miyun Reservoir; biological indicator species; anthropogenic disturbances

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07203-001-01)；北京市典型流域生態(tài)健康調(diào)查與評估項目；北京環(huán)境總體規(guī)劃前期河流生境完整性研究項目；豐臺區(qū)重點河段水環(huán)境改善技術(shù)研究項目

2015- 08- 18;

日期:2016- 06- 13

10.5846/stxb201508181720

*通訊作者Corresponding author.E-mail: feixu198358@163.com

徐菲,王永剛,張楠,王旭,范清.北京市白河和潮河流域生態(tài)健康評價.生態(tài)學(xué)報,2017,37(3):932- 942.

Xu F, Wang Y G, Zhang N, Wang X, Fan Q.Health assessment of watershed ecosystems: the Chao River and Bai River Basins as a case study.Acta Ecologica Sinica,2017,37(3):932- 942.