陳 淼,蘇曉磊,黃慧敏,高 婷,黨成強,董 蓉,曾 波,陶建平

三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶市三峽庫區(qū)植物生態(tài)與資源重點實驗室,西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 重慶 400715

隨著人類對河流的開發(fā)利用,大型水利設(shè)施的建設(shè)導(dǎo)致河流水文情勢、流水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和過程發(fā)生改變,甚至影響全球的環(huán)境變化[1]。三峽庫區(qū)的長江干流具有眾多支流匯入,這些支流成為三峽水庫水資源的重要組成部分,并且對三峽水庫水環(huán)境和水生生態(tài)系統(tǒng)有重要影響。三峽水庫建成后,長江干流以及匯入長江的支流的下游河段均被淹沒,使三峽水庫修建前長江干流和支流的湍急流水環(huán)境被改變,河流生境從典型的流水型水體轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬o止的湖泊水體,流水生境的大幅度減少使該區(qū)段內(nèi)支流的水生生態(tài)系統(tǒng)也發(fā)生了巨大變化。由于三峽庫區(qū)的特殊性,水庫庫尾以上干流,特別是庫區(qū)支流生境質(zhì)量對庫區(qū)水環(huán)境質(zhì)量和水生生態(tài)系統(tǒng)健康的影響甚大。在這種新的特殊情況下,三峽庫區(qū)支流生境是否完好,支流生境質(zhì)量的驅(qū)動因子是什么目前并不清楚。因此,對三峽庫區(qū)支流生境質(zhì)量進行評價十分必要。

最早的有關(guān)河流生境的評價方法出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代,提出的方法主要是對河流物理生境的定性描述,直到2000年歐盟水框架指令(Water Framework Directive, WFD)[2]發(fā)布以后,各種河流生境評價方法才大量涌現(xiàn)[3-25]。目前使用較為廣泛的評價方法包括美國快速生物監(jiān)測協(xié)議(Rapid Bio-assessment Protocols, RBPs)[9]、英國河流生境調(diào)查(River Habitat Survey, RHS)[4-5]、澳大利亞河流狀況指數(shù)(Index of Stream Condition, ISC)[7]、西班牙水文地貌指標(biāo)(Hydro Geomorphologic Index, IHG)[10]等。目前國內(nèi)外的眾多河流生境評價方法多用于自然狀態(tài)下河流生境評價[3],其方法和評價體系并不完全適合大型水庫影響下的河流生境評價,特別是有不同形式消落區(qū)存在的支流生境評價。在這種情況下,我們改進形成了新的評價體系和方法[26],主要增加了能反應(yīng)庫區(qū)河流水文情勢及消落帶特點的指標(biāo),使用建立的新體系和方法,對三峽庫區(qū)3條重要支流東溪河、黃金河、汝溪河進行評價,認(rèn)為該評價指標(biāo)體系適合庫區(qū)支流河流生境狀況的特殊性,并且具有較強的科學(xué)性和可操作性[26]。本研究中,我們將調(diào)查的河流數(shù)量擴展到36條(包括前期的3條河流),調(diào)查樣點擴展到254個,進一步對方法和體系進行檢驗,并對評價結(jié)果進行生境指標(biāo)得分狀況分析、河流生境質(zhì)量驅(qū)動因子分析。本研究的目的有二,一是使用大量的河流生境調(diào)查數(shù)據(jù),分析新方法在生境指標(biāo)得分狀況、生境質(zhì)量驅(qū)動因子等方面的有效性,進一步檢驗評價指標(biāo)體系和方法在大型水庫庫區(qū)河流生境評價中的適用性；二是期望能全面合理地評估三峽庫區(qū)的河流生境質(zhì)量,尋找影響庫區(qū)河流生境質(zhì)量的驅(qū)動因子,為三峽庫區(qū)河流生境恢復(fù)及管理提供指導(dǎo)和幫助。

1 研究區(qū)域概況

1.1 研究區(qū)域

三峽庫區(qū)是被三峽大壩蓄水所淹沒的地區(qū),庫區(qū)流域面積達(dá)100萬km2,屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,年平均氣溫17—19℃[27]。長江干流自西向東橫穿三峽庫區(qū)段,全長683.8 km,北有嘉陵江、南有烏江匯入,形成不對稱的、向心的網(wǎng)狀水系。本研究對三峽庫區(qū)位于江津-長壽段的11條長江一級支流,涪陵-巫山段的22條長江一級支流,湖北境內(nèi)的3條長江一級支流開展生境狀況調(diào)查與評估工作(圖1)。

圖1 研究區(qū)樣點分布圖Fig.1 Distributions of sampling sites in three gorges reservoir region

1.2 數(shù)據(jù)收集

本研究對三峽庫區(qū)36條重要支流進行調(diào)查與評價,三峽庫區(qū)支流由于受到三峽大壩蓄水的影響,庫區(qū)支流形成了3種不同水文類型的河段：完全受水庫蓄水影響的河段(145 m回水段),既受蓄水影響又受自然洪汛影響的河段(145—175 m回水段)以及不受蓄水影響的自然河段(大于175 m的自然河流段)。研究區(qū)域內(nèi)共設(shè)置樣點斷面254個,145 m回水段、145—175 m回水段及大于175 m的自然河流段均設(shè)有樣點,并于2015年6—10月、2016年8—9月進行野外調(diào)查。數(shù)據(jù)均通過野外調(diào)查獲得,調(diào)查時間避開蓄水期及洪水期,在平水期進行。通過實地考察、采訪當(dāng)?shù)厝罕?確定145 m及175 m回水區(qū)位置。每個樣點以500 m的河段為調(diào)查單位,從下游往上游步行,調(diào)查、測量和記錄河流水文、河流形態(tài)、河岸帶生境的各個指標(biāo)；同時使用GPS記錄每個樣點經(jīng)緯度坐標(biāo)并拍攝照片[28]。

1.3 統(tǒng)計分析

研究中調(diào)查數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析,均采用SPSS 22.0和Microsoft Office Excel 2013軟件完成。使用Excel進行河流生境質(zhì)量指數(shù)(index of stream habitat quality,簡稱ISHQ)計算。主成分分析[29]和因子分析都適用于將多個相關(guān)變量簡化為少數(shù)幾個綜合指標(biāo)的多元統(tǒng)計分析方法,都可以在盡量保留變量信息的基礎(chǔ)上降低變量維數(shù)。因子分析可以看作是主成分分析法的擴展,其通過因子旋轉(zhuǎn),對因子載荷座進一步簡化,使得各公因子具有明確的實際意義。利用主成分分析方法(PCA)確定評價指標(biāo)對河流生境質(zhì)量的貢獻(xiàn)率,找出影響河段生境質(zhì)量的驅(qū)動因子。利用Origin 9.0軟件作圖。

2 研究方法

參考三峽水庫河流生境評價指標(biāo)體系構(gòu)建及應(yīng)用[26]中的評價方法,對三峽庫區(qū)河流生境進行調(diào)查與評價。評價指標(biāo)體系設(shè)置了目標(biāo)層、準(zhǔn)則層及指標(biāo)層3個層次,以河流生境評價為目標(biāo)層,以水文情勢、河流形態(tài)、河岸帶生境為準(zhǔn)則層,以各準(zhǔn)則層的分類特性和特征為指標(biāo)層。水文情勢包含5個指標(biāo),分別為水文情勢自然性、流速流態(tài)狀況、表觀水質(zhì)、水量、濕潤率；河流形態(tài)包含4個指標(biāo),分別為人為影響長度、河床底質(zhì)種類數(shù)量、底質(zhì)受泥沙覆蓋率、表層覆蓋物狀況；河岸帶生境包含9個指標(biāo),分別為河岸類型、河岸侵蝕程度、河岸坡度、河岸帶寬度、河岸帶土壤厚度、植被覆蓋率、植被連續(xù)性、植被結(jié)構(gòu)完整性、岸邊帶土地利用方式。

多指標(biāo)綜合評價中各評價指標(biāo)權(quán)數(shù)分配不同會直接導(dǎo)致評價對象優(yōu)劣順序的改變, 因而權(quán)數(shù)的合理性、準(zhǔn)確性直接影響評價結(jié)果的可靠性[30]。本研究使用層次分析法和熵值法分別計算指標(biāo)體系的權(quán)重,然后通過組合賦權(quán)法[31-35]確定最終權(quán)重。評價指標(biāo)、權(quán)重及各指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)見表1[26]。

具體評分方法為：利用加權(quán)平均法對二級指標(biāo)(即指標(biāo)層)得分進行計算,所得結(jié)果作為一級指標(biāo)(即準(zhǔn)則層)的得分,利用加權(quán)平均法對一級指標(biāo)得分進行計算,得到河流生境質(zhì)量指數(shù)(index of stream habitat quality,簡稱ISHQ)總得分,為便于區(qū)分樣點間得分的差異,將總得分乘以10[26]。河流生境質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)參考An[36]及鄭丙輝[12]等人根據(jù)我國的實際情況進行數(shù)值分布比率的調(diào)整,將河流等級分為優(yōu)等、良好、一般、較差、差5個等級[26](表2)。

表1 河流生境評價指標(biāo)、權(quán)重及評價標(biāo)準(zhǔn)[26]

表2 河流生境質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)[26]

ISHQ表示河流生境質(zhì)量指數(shù)(index of stream habitat quality,簡稱ISHQ)

3 結(jié)果與分析

3.1 庫區(qū)河流生境現(xiàn)狀

三峽庫區(qū)254個樣點的河流生境指數(shù)分值介于17.1—40.9之間。根據(jù)上述生境質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)對樣點進行生境質(zhì)量分級顯示,在庫區(qū)254個樣點中有12個樣點的生境質(zhì)量處于優(yōu)等等級,占4.72%；77個樣點為良好等級,占30.31%；126個樣點為一般等級,占49.61%；39個樣點為較差等級,占15.35%；沒有最差等級的樣點(表3)。

表3 河流生境質(zhì)量評價結(jié)果分析

分析發(fā)現(xiàn),河流生境質(zhì)量分級為優(yōu)等的12個樣點中,11個位于大于175 m的自然河流段,還有1個位于145—175 m回水段,這些樣點平均水深較淺,河床底質(zhì)種類數(shù)量多,流態(tài)類型多樣,且自然植被覆蓋率高,人為干擾較少。河流生境質(zhì)量分級為較差的39個樣點中,其中26個位于145 m回水段,其共同特征是均位于河流下游,完全受水庫蓄水影響,河面加寬,流速緩慢,流態(tài)類型單一,河床底質(zhì)多為細(xì)沙或淤泥,無表層覆蓋物;5個位于145—175 m回水段的樣點,均為于城市繁華地帶;8個位于大于175 m的自然河流段的樣點,雖然不受三峽大壩蓄水的影響,但都受到當(dāng)?shù)仄渌畮煨钏驍r水壩的影響,所有樣點均呈現(xiàn)出流速緩慢甚至不流動,流態(tài)類型單一,河床底質(zhì)多為細(xì)沙或淤泥,表觀水質(zhì)較差,河流兩岸堆有垃圾,河岸帶土地利用方式多為耕地。

3.2 河流生境指標(biāo)得分狀況分析

一級指標(biāo)(即準(zhǔn)則層)評分利用加權(quán)平均法對二級指標(biāo)(即指標(biāo)層)得分進行計算,所得結(jié)果作為一級指標(biāo)的得分(圖2)。結(jié)果表明,對于表征河流生境狀況的水文情勢、河流形態(tài)和河岸帶生境3個類別,由圖2中陰影部分覆蓋面積占雷達(dá)圖中的比例,254個河段總體上河岸帶生境狀況最好,其次為水文情勢,河流形態(tài)最差。

庫區(qū)支流生境指標(biāo)按照質(zhì)量由好到差分為5個等級,若不考慮各指標(biāo)對庫區(qū)支流生境的重要程度,僅從指標(biāo)本身出發(fā),則可根據(jù)254個河段各指標(biāo)的中位數(shù)作為該指標(biāo)的得分來確定其健康狀況(圖3)。三峽庫區(qū)支流生境指標(biāo)得分顯示,水量、人為影響長度、植被連續(xù)性3個生境指標(biāo)的質(zhì)量狀況最好,其次為表觀水質(zhì)、濕潤率、河岸類型、河岸坡度、植被覆蓋率、植被結(jié)構(gòu)完整性等5個生境指標(biāo),而水文情勢自然性、流速流態(tài)狀況、河岸帶寬度3個指標(biāo)的質(zhì)量狀況較差,河床底質(zhì)種類數(shù)量、底質(zhì)受泥沙覆蓋率、表層覆蓋物狀況3個指標(biāo)的質(zhì)量狀況最差。

圖2 各河段一級指標(biāo)評價結(jié)果Fig.2 Results of rule layer assessment

圖3 生境因子得分狀況Fig.3 Scores of habitat factors

將河流生境質(zhì)量達(dá)到優(yōu)秀與良好的樣點分為a組,將生境質(zhì)量為一般與較差的樣點分為b組,比較a組與b組生境參數(shù)得分。從水文情勢參數(shù)得分狀況來看(圖4),水文情勢自然性(C11)及流速流態(tài)狀況(C12)兩個指標(biāo)差異明顯,a組得分很高而b組得分很低。從河流形態(tài)參數(shù)得分狀況來看(圖5),河床底質(zhì)種類數(shù)量(C22)及表層覆蓋物狀況(C24)兩個指標(biāo)無論a組還是b組得分都很低,而底質(zhì)受泥沙覆蓋率(C23)a組得分較高,而b組得分很低。從河岸帶生境參數(shù)來看(圖6),除河岸帶寬度(C34)得分較低外,其他參數(shù)得分都在一般偏上,且a組與b組差別不大。

圖4 水文情勢指標(biāo)得分比較Fig.4 Comparison of hydrological parameters

圖5 河流形態(tài)指標(biāo)得分比較Fig.5 Comparison of river morphological parameters

圖6 河岸帶生境指標(biāo)得分比較Fig.6 Comparison of riparian habitat parameters

3.3 河流生境質(zhì)量驅(qū)動因子分析

利用因子分析方法對a組和b組進行分析,a組和b組均為前6個主成分的特征值大于1,為了使各個主成分具有明確的實際意義,使用方差最大正交旋轉(zhuǎn)(Varimax)對不同河段前6個主成分進行因子分析。

對a組旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣進行分析(表4),與第一主成分(PC1)密切相關(guān)的指標(biāo)是植被覆蓋率、植被連續(xù)性、植被結(jié)構(gòu)完整性；第二主成分(PC2)在水量、濕潤率、河岸帶寬度上有較大載荷；第三主成分(PC3)在表觀水質(zhì)、岸邊帶土地利用方式上有較大載荷；第四主成分(PC4)在人為影響長度上有較大載荷；第五主成分(PC5)在水文情勢自然性上有較大載荷；第六主成分(PC6)在底質(zhì)受泥沙覆蓋率上有較大載荷。

對b組旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣進行分析(表5),與第一主成分(PC1)密切相關(guān)的指標(biāo)是植被覆蓋率、植被連續(xù)性、植被結(jié)構(gòu)完整性；第二主成分(PC2)在人為影響長度、河岸類型、岸邊帶土地利用方式上有較大載荷；第三主成分(PC3)在濕潤率、河岸帶寬度上有較大載荷；第四主成分(PC4)在表觀水質(zhì)、表層覆蓋物狀況上有較大載荷；第五主成分(PC5)在水文情勢自然性上有較大載荷；第六主成分(PC6)在河床低質(zhì)種類數(shù)量上有較大載荷。

表4 a組旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣

*表示生境因子的載荷矩陣大于0.7

表5 b組旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣

*表示生境因子的載荷矩陣大于0.7

除此之外,其他生境因子對庫區(qū)支流生境狀況也造成不同程度的影響,但從總體上來看,三峽庫區(qū)支流生境質(zhì)量是自然環(huán)境和人類活動相互作用的結(jié)果,其中河岸帶植被狀況、消落帶寬度、人為干擾、河床底質(zhì)狀況、水文情勢自然性等為主要的驅(qū)動因子。

4 討論

三峽水庫建成蓄水后,對庫區(qū)河流生境的影響嚴(yán)重,河道及河岸帶物理結(jié)構(gòu)的變化必定導(dǎo)致棲息在河流中的生物群落組成的變化,通常導(dǎo)致水生生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性減少[37],而河流生境評價對于河流生態(tài)恢復(fù)具有重要作用[38],是必不可少的環(huán)節(jié)。相比于其他河流的生境質(zhì)量評價[12-20,39],本研究所選擇的河流以及調(diào)查樣點較多,共調(diào)查了36條庫區(qū)支流的254個樣點,其中35%的樣點生境質(zhì)量處于優(yōu)等或良好等級,50%為一般等級, 約15%為較差等級,沒有最差等級的樣點,相比之下,雖然三峽庫區(qū)支流生境受庫區(qū)蓄水影響嚴(yán)重,但生境質(zhì)量整體狀況較好。

三峽水庫建成后,長江干流以及匯入長江的支流的下游河段均被淹沒,而且根據(jù)三峽水庫的運行調(diào)度方法,庫區(qū)的回水區(qū)域呈現(xiàn)出與建庫前相反的反季節(jié)水位漲落的特點,水位漲落的庫岸消落區(qū)每年要經(jīng)歷長時間、大深度的水淹,水淹深度最大可達(dá)30 m,水淹時間最長可達(dá)9個月[26]。對這種特殊情況下的庫區(qū)支流進行河流生境質(zhì)量調(diào)查與評價發(fā)現(xiàn),生境質(zhì)量為優(yōu)等和良好的河段多位于庫區(qū)支流上游,受庫區(qū)蓄水影響較小甚至不受庫區(qū)蓄水影響,這些樣點的共同特征是平均水深較淺,河床底質(zhì)種類數(shù)量多,流態(tài)類型多樣,且自然植被覆蓋率高,植被結(jié)構(gòu)完整,人為干擾較少；完全受庫區(qū)蓄水影響的145 m回水河段共調(diào)查了64個樣點,其中38個樣點的生境質(zhì)量等級為一般,26個樣點的生境質(zhì)量等級為較差,沒有優(yōu)秀、良好、較差等級的樣點,這些樣點的共同特征是位于河流下游,完全受水庫蓄水影響,河面加寬,流速緩慢,流態(tài)類型單一,河床底質(zhì)多為細(xì)沙或淤泥,河流表層生境單一,無多樣化的生境存在。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),河岸帶植被狀況、消落帶寬度、人為干擾、河床底質(zhì)狀況、水文情勢自然性等為主要的驅(qū)動因子。三峽庫區(qū)支流與自然河流很大的區(qū)別就在于河流水文情勢的改變,水文情勢自然性發(fā)生改變以后,其他生境因子隨之發(fā)生改變。從入江口至175 m回水區(qū),在水文情勢自然性上有一個非常重要的流量改變,在這一河段,消落帶植被多為耐水淹的草本植物,庫區(qū)蓄水形成的消落帶寬度卻靠近上游越小,河床底質(zhì)狀況也因流速不同而表現(xiàn)出不同的狀況,越靠近下游,流速越慢而導(dǎo)致泥沙沉積,越靠近上游,流速越快,將泥沙等顆粒物等帶往下游,河床底質(zhì)越多樣。在不受庫區(qū)蓄水影響的自然河流段,河岸帶植被覆蓋率及連續(xù)性高,植被結(jié)構(gòu)相對完整,河床底質(zhì)呈現(xiàn)出多樣化,沙、淤泥、卵石、礫石、大石均有出現(xiàn)。人為干擾主要表現(xiàn)在河道取直及混凝土加固、人工采沙、修建水庫或攔水壩,人工采沙行為會引起水位的降低、流量的重新分配及其他水文情況的改變,并可能破壞地表水與地下水的補給平衡,也會對水生生物覓食場所、棲息地、繁殖場所等生活環(huán)境造成影響；河道中因建有水庫或其他原因設(shè)置攔水壩會造成河流流量的減少、魚類等生物遷徙及水流與營養(yǎng)物質(zhì)傳遞受阻,并會改變河流原有水生生物群落及水生生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,攔水壩存在不單單影響設(shè)置攔水壩的具體河流斷面,而且會影響整個河流的連通性。

5 結(jié)論

三峽庫區(qū)254個樣點的河流生境指數(shù)分值介于17.1—40.9之間,其中有12個樣點的生境質(zhì)量處于優(yōu)等等級,占4.72%；77個樣點為良好等級,占30.31%；127個樣點為一般等級,占49.61%；38個樣點為較差等級,占15.35%；沒有最差等級的樣點。

對于表征河流生境狀況的水文情勢、河流形態(tài)和河岸帶生境3個類別,254個河段總體上河岸帶生境最好,其次為水文情勢,河流形態(tài)最差。從總體上來看,三峽庫區(qū)支流生境質(zhì)量是自然環(huán)境和人類活動相互作用的結(jié)果,其中河岸帶植被狀況、消落帶寬度、人為干擾、河床底質(zhì)狀況、水文情勢自然性等為主要的驅(qū)動因子。