徐香勤,蔡文倩,雷 坤,殷旭旺,韓 潔,孫明東*

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院水生態(tài)環(huán)境研究所,北京 100012 2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012 3.大連海洋大學(xué)，遼寧 大連 116023

河流生態(tài)健康評(píng)價(jià)作為河流管理的重要工具，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，成為監(jiān)測(cè)和診斷河流健康狀況、指導(dǎo)受損河流生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)和保護(hù)的重要手段[1-2].國(guó)外開(kāi)展河流生態(tài)健康評(píng)價(jià)的研究較早，20世紀(jì)70年代，歐洲和美國(guó)就開(kāi)展了監(jiān)測(cè)河流健康狀況的工作.隨后，英國(guó)、澳大利亞、南非等也進(jìn)行了大量研究[3-5].1972年，美國(guó)《水污染控制修正法》指出，維持河流自然結(jié)構(gòu)及生態(tài)功能的關(guān)鍵是恢復(fù)其生態(tài)完整性，因此，應(yīng)將物理完整性、化學(xué)完整性和生物完整性作為衡量河流是否健康的標(biāo)準(zhǔn).Rapport[6]認(rèn)為，當(dāng)河流處于原始狀態(tài)時(shí)，其自然結(jié)構(gòu)、生物完整性、生態(tài)過(guò)程及生態(tài)功能均未受到外界干擾，此時(shí)河流生態(tài)系統(tǒng)處于健康狀態(tài).但隨著現(xiàn)代社會(huì)的不斷發(fā)展，人類(lèi)活動(dòng)干擾成為河流無(wú)法避免的重要影響因素.隨后，Meyer[7]提出，健康的河流生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)不僅能維持自身結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定，還能滿(mǎn)足人類(lèi)生存和發(fā)展過(guò)程中的主要社會(huì)需求.因此，當(dāng)前國(guó)外河流健康研究的切入點(diǎn)由河流本身及水體內(nèi)的生物轉(zhuǎn)變?yōu)楹恿骷捌渲苓呄嚓P(guān)的自然生態(tài)系統(tǒng)，衡量標(biāo)準(zhǔn)也相應(yīng)地由河流受到人類(lèi)活動(dòng)干擾前的原始狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樵诜?wù)于人類(lèi)基礎(chǔ)上維持生態(tài)系統(tǒng)功能的穩(wěn)定狀態(tài).我國(guó)河流生態(tài)健康評(píng)價(jià)發(fā)展較晚，起初大部分為水質(zhì)評(píng)價(jià)，且評(píng)價(jià)結(jié)果比較單一，不具有代表性.隨著技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)對(duì)河流生態(tài)健康評(píng)價(jià)逐漸重視起來(lái)，2002年，唐濤等[8]在《生態(tài)學(xué)報(bào)》發(fā)表《河流生態(tài)系統(tǒng)健康及其評(píng)價(jià)》，加上各流域河流生態(tài)環(huán)境問(wèn)題愈發(fā)突出，引發(fā)了國(guó)內(nèi)對(duì)河流生態(tài)健康評(píng)價(jià)的研究熱潮.近些年，我國(guó)河流健康監(jiān)測(cè)和生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)的研究主要集中在太湖、海河、遼河等流域[9-12].

在水生態(tài)健康評(píng)價(jià)中，IBI (index of biotic integrity，生物完整性指數(shù))評(píng)價(jià)法是目前應(yīng)用較為廣泛的方法[13].IBI評(píng)價(jià)法由Karr[14]建立，最初通過(guò)魚(yú)類(lèi)對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行評(píng)價(jià)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已被世界各國(guó)廣泛應(yīng)用于河流[15-16]、濕地[17]、庫(kù)灣[18]、湖泊[19]等不同類(lèi)型水體的生態(tài)健康評(píng)價(jià).指示物種也逐漸擴(kuò)展到底棲生物、著生藻類(lèi)、水生植物等不同生物類(lèi)別[20-27].IBI評(píng)價(jià)法雖然應(yīng)用較廣，但其僅能反映生物群落的受損狀況，在水質(zhì)條件極佳但生物類(lèi)群較少的區(qū)域，用該方法得到的結(jié)果不夠全面.河流生態(tài)系統(tǒng)涵蓋了生物和非生物因素，河流生態(tài)系統(tǒng)健康不僅包括生物群落的完整性，還應(yīng)包括其物理完整性和化學(xué)完整性.因此，能夠綜合物理、化學(xué)、生物、水文等多指標(biāo)體系的IEI (index of ecological integrity,生態(tài)完整性指數(shù))法應(yīng)運(yùn)而生.典型的多指標(biāo)體系有澳大利亞的溪流狀態(tài)指數(shù)[28](Australian river assessment scheme，ISC)，其通過(guò)水文學(xué)、物理特征、河岸帶狀況、水質(zhì)及水生生物五方面共22個(gè)指標(biāo)對(duì)河流進(jìn)行健康評(píng)價(jià).如Roland等[29]在傳統(tǒng)的IBI評(píng)價(jià)法基礎(chǔ)上增加了細(xì)菌、超微型浮游生物及一些理化因子，對(duì)特勞恩湖進(jìn)行IEI評(píng)價(jià)；Robert等[30]選用了理化指標(biāo)(pH、電導(dǎo)率)和生物指標(biāo)(水體中植物、魚(yú)類(lèi))對(duì)沿海平原流域進(jìn)行IEI評(píng)價(jià)；張楠等[31]構(gòu)建了涵蓋水體物理化學(xué)、水生生物和河流物理?xiàng)⒌刭|(zhì)量要素的指標(biāo)體系，對(duì)遼河流域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)；張杰等[32]利用物理、化學(xué)、生物(魚(yú)類(lèi))指標(biāo)構(gòu)建了IEI指標(biāo)體系，對(duì)渾太河河流生態(tài)健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià).IEI指標(biāo)體系以其強(qiáng)綜合和易量化的特點(diǎn)，成為當(dāng)前河流生態(tài)健康評(píng)價(jià)的常用方法[33].

運(yùn)用IEI指標(biāo)體系評(píng)價(jià)河流生態(tài)健康雖較為全面，但容易忽略不同河流的特殊性.河流生態(tài)系統(tǒng)具有典型的區(qū)域特征，在不同區(qū)域和時(shí)空尺度條件下所選擇的評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有可能存在差異[34-35].張明陽(yáng)等[36]提出，決定IEI指標(biāo)體系評(píng)價(jià)是否成功的關(guān)鍵是如何選擇適宜的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)價(jià)指標(biāo).因此，該研究以天津市為例，調(diào)查浮游動(dòng)物、浮游植物、底棲動(dòng)物、魚(yú)類(lèi)、水生大型植物、陸生植物六類(lèi)生物類(lèi)群，使生物指標(biāo)數(shù)據(jù)更全面，同時(shí)統(tǒng)籌物理和化學(xué)指標(biāo)，構(gòu)建天津市河流IEI指標(biāo)體系評(píng)價(jià)天津市河流生態(tài)健康狀況，并將IEI指標(biāo)體系評(píng)價(jià)結(jié)果與環(huán)境因子做相關(guān)性分析，以驗(yàn)證評(píng)價(jià)體系的適用性.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

天津市位于海河下游，主要入境河流有泃河、淋河、沙河、黎河、潮白新河、北運(yùn)河、龍鳳河、永定河、還鄉(xiāng)河、南運(yùn)河、子牙河、大清河、子牙新河、北排水河.研究[37-38]表明，天津市河流水質(zhì)受人為活動(dòng)影響較大，呈現(xiàn)工業(yè)污染和農(nóng)業(yè)面源污染共同影響的特征，主要河流污染嚴(yán)重，大部分指標(biāo)超過(guò)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅴ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).

1.2 采樣點(diǎn)設(shè)置

根據(jù)天津市水系特征，選取32個(gè)調(diào)查點(diǎn)位，于2018年8月25日—9月12日對(duì)上述樣點(diǎn)開(kāi)展了包括生物群落特征、水環(huán)境物理特征及水環(huán)境化學(xué)特征的水生態(tài)環(huán)境調(diào)查(見(jiàn)表1和圖1).

圖1 天津市河流調(diào)查點(diǎn)位的空間分布Fig.1 Spatial distribution of river sampling sites in Tianjin City

表1 天津市河流調(diào)查點(diǎn)位及其對(duì)應(yīng)水系Table 1 Sampling sites and corresponding river systems of rivers in Tianjin City

1.3 數(shù)據(jù)獲取與分析

1.3.1理化指標(biāo)數(shù)據(jù)獲取

現(xiàn)場(chǎng)獲取數(shù)據(jù)指標(biāo)：pH、電導(dǎo)率、ρ(DO)、水溫采用水質(zhì)分析儀(YSI Pro2000,美國(guó))現(xiàn)場(chǎng)獲取數(shù)據(jù)；鹽度采用鹽度計(jì)現(xiàn)場(chǎng)獲取數(shù)據(jù)；流速、流量、水深采用流速儀(FP111，美國(guó))現(xiàn)場(chǎng)獲取數(shù)據(jù)，河寬使用測(cè)距儀(Leupold RX-IV，美國(guó))獲取數(shù)據(jù)；透明度采用透明度盤(pán)(KH05-SD20)現(xiàn)場(chǎng)獲取數(shù)據(jù)；河岸土地利用類(lèi)型參考2007年《土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)》，結(jié)合區(qū)域的土地利用特征，以左右岸800 m為界與土地利用數(shù)據(jù)疊加分析獲得[32].

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定指標(biāo)為ρ(Cl-)、ρ(NH4+-N)、ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(PO43-)、ρ(CODMn)、ρ(CODCr)、ρ(NO2--N)、ρ(NO3--N)、ρ(TDS)及ρ(SS)，每個(gè)點(diǎn)位采集2個(gè)平行水樣(各2 L)，于48 h內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，根據(jù)GB 3838—2002中各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)限值，進(jìn)行單因子評(píng)價(jià).

1.3.2生物群落指標(biāo)數(shù)據(jù)獲取

生物群落指標(biāo)包括物種組成、物種數(shù)、生物量、棲息密度、生物優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、生物多樣性指數(shù)等，對(duì)于魚(yú)類(lèi)、底棲動(dòng)物、浮游動(dòng)物、浮游植物、大型水生植物和河岸陸生植物6種生物類(lèi)群，按照《河流水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)指南》(試行)要求進(jìn)行生物樣品采集、固定和保存，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)能夠鑒定到種的樣品在現(xiàn)場(chǎng)直接鑒定，對(duì)于不能直接鑒定到種的樣品帶回實(shí)驗(yàn)室鑒定分析.

1.3.3數(shù)據(jù)分析軟件

Pearson相關(guān)性分析和BEST分析分別用于檢驗(yàn)生物群落指標(biāo)之間、IEI與環(huán)境因子之間的相關(guān)關(guān)系，RELATE分析用于分析環(huán)境參數(shù)矩陣與IEI矩陣之間的相關(guān)關(guān)系，上述分析在PRIMER 6.0軟件包中完成.此外，生物指標(biāo)篩選中的頻率分布、敏感性檢驗(yàn)分析及箱體圖用SPSS 13.0軟件完成.

1.4 IEI評(píng)價(jià)體系構(gòu)建方法

1.4.1參照點(diǎn)位的選取原則

參照點(diǎn)位是指未受到人為活動(dòng)干擾或輕度人為活動(dòng)干擾的樣點(diǎn)，受損點(diǎn)位是指具有明顯人為活動(dòng)干擾的樣點(diǎn)，參照點(diǎn)位選擇是IEI評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)[39]，目前參照點(diǎn)位篩選尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[40-41]，該研究綜合國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果，參考文獻(xiàn)[42]的方法，綜合考慮各點(diǎn)位水質(zhì)和生物棲息地評(píng)分，選取人為活動(dòng)干擾強(qiáng)度最小的點(diǎn)位作為參照點(diǎn)位.棲息地評(píng)分參考鄭丙輝等[43]提出的遼河河流生境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，采用棲息地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)(qualitative habitat evaluation index,QHEI)對(duì)天津市調(diào)查點(diǎn)位河段棲息地環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)評(píng)分.該指標(biāo)由10個(gè)棲境質(zhì)量參數(shù)組成，包括底質(zhì)、棲境復(fù)雜性、速度-深度結(jié)合、堤岸穩(wěn)定性、河道變化、河水水量狀況、植被多樣性、水質(zhì)狀況、人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度和河岸邊土壤利用類(lèi)型，每項(xiàng)參數(shù)分值范圍為0～20分(滿(mǎn)分200分)，分?jǐn)?shù)越高代表?xiàng)⒌丨h(huán)境質(zhì)量越好.

1.4.2指標(biāo)篩選方法

指標(biāo)篩選參考文獻(xiàn)[42,44]的方法，候選指標(biāo)(見(jiàn)表2)采用標(biāo)準(zhǔn)化方法篩選核心參數(shù)，主要包括3個(gè)步驟：①參數(shù)值分布范圍分析.對(duì)候選參數(shù)在所有調(diào)查點(diǎn)位中分布頻率進(jìn)行分析，如果參數(shù)在樣點(diǎn)中分布范圍過(guò)窄或存在零值過(guò)多的情況(≥95%)，將對(duì)其進(jìn)行剔除.②識(shí)別能力分析.采用箱線圖及IQ (inter quartile)值記分法判斷哪些生物參數(shù)能夠最佳區(qū)分參照點(diǎn)位和人為干擾點(diǎn)位.箱體表示25%～75%分位數(shù)值分布范圍，箱體內(nèi)方塊表示中位數(shù)，IQ≥2分的參數(shù)方可通過(guò)篩選.IQ=3分，箱體無(wú)任何重疊；IQ=2分，箱體有小部分重疊，但中位數(shù)都在對(duì)方箱體之外；IQ=1分，箱體大部分重疊，但至少有一方的中位數(shù)處于對(duì)方箱體范圍外；IQ=0分，一方箱體在另一方箱體范圍內(nèi)，或雙方的中位數(shù)都在對(duì)方箱體范圍內(nèi).③冗余度分析.檢驗(yàn)候選參數(shù)的獨(dú)立性，根據(jù)相關(guān)系數(shù)的大小確定生物指數(shù)所反映信息的重疊度，使最后構(gòu)成指標(biāo)體系的每個(gè)參數(shù)都至少提供一個(gè)新的信息，而不是重復(fù)信息.利用Pearson相關(guān)性分析(參數(shù)符合正態(tài)分布)或Spearman相關(guān)性分析(參數(shù)不符合正態(tài)分布)，剔除相關(guān)性較高的參數(shù)(|R|>0.75).

表2 天津市河流IEI評(píng)價(jià)備選指標(biāo)Table 2 Optional index for ecological integrity assessment of rivers in Tianjin City

1.4.3IEI得分計(jì)算方法

參考《河流水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)指南》(試行)對(duì)指標(biāo)賦值后計(jì)算IEI，具體步驟如下.

a) 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化.對(duì)篩選的核心指標(biāo)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理.具體方法：隨干擾增強(qiáng)而減小的參數(shù)，所有核心參數(shù)利用其95%分位數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化〔見(jiàn)式(1)〕；隨干擾增強(qiáng)而增加的指標(biāo)，利用式(2)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化.以IEI評(píng)價(jià)指標(biāo)體系3個(gè)部分核心指標(biāo)的平均數(shù)作為各自得分.

V′=V/V95%×100

(1)

V′=(Vmax-V)/(Vmax-V5%)×100

(2)

式中，V為參數(shù)值，V′為標(biāo)準(zhǔn)化后的參數(shù)值，V95%為參數(shù)的95%分位數(shù)，V5%為參數(shù)的5%分位數(shù)，Vmax為參數(shù)的最大值.

b) 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重.經(jīng)過(guò)以上步驟，得出各個(gè)點(diǎn)位物理完整性、化學(xué)完整性、生物完整性總得分，應(yīng)用層次分析法計(jì)算物理完整性、化學(xué)完整性、生物完整性的權(quán)重.

(3)

式中：Wi為物理完整性、化學(xué)完整性、生物完整性對(duì)應(yīng)的權(quán)重;aij為標(biāo)度,表示要素i和要素j相對(duì)重要度之比.

c) IEI得分.確定物理完整性、化學(xué)完整性、生物完整性的權(quán)重后，將這三部分得分進(jìn)行加權(quán)平均.

(4)

式中，IEI為生態(tài)完整性得分，Ii為物理完整性、化學(xué)完整性、生物完整性得分.

1.4.4評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)劃分原則

IEI指標(biāo)體系評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參考文獻(xiàn)[44]的方法，采用參照點(diǎn)位指數(shù)值分布的25%分位數(shù)法將評(píng)價(jià)結(jié)果劃分不同的等級(jí)，分別代表不同的健康程度.

1.4.5適用性驗(yàn)證方法

參考《河流水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)指南(試行)》，對(duì)生物完整性指數(shù)的環(huán)境壓力敏感性進(jìn)行檢驗(yàn)，若參照點(diǎn)位“較好”以上(“健康”和“較好”總和)比例在60%以上，則說(shuō)明該指數(shù)能較為敏感地響應(yīng)研究區(qū)環(huán)境壓力，可用于研究區(qū)的生態(tài)健康狀況評(píng)價(jià).

2 結(jié)果與分析

2.1 水環(huán)境理化特征分析

從物理環(huán)境狀況分析，河流河口地區(qū)鹽度較高.其中，S09(馬棚口村)、S21(大神堂村)、S25(海河大閘)點(diǎn)位的鹽度均為100‰.透明度最高的為S25(海河大閘)點(diǎn)位，為1.4 m；透明度最低的為S19(東堤頭村)點(diǎn)位，為0.25 m.棲息地評(píng)分總體較低(見(jiàn)圖2)，在36～84分之間，其中，S22(迎水橋)點(diǎn)位最高，為84分；S31(海河三岔口)點(diǎn)位最低，為36分.

圖2 天津市河流調(diào)查點(diǎn)位棲息地評(píng)分結(jié)果Fig.2 Integrated habit assessment index of river sampling sites in Tianjin City

采用GB 3838—2002對(duì)天津市河流調(diào)查點(diǎn)位水質(zhì)進(jìn)行單因子評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示，天津市河流整體污染較為嚴(yán)重，水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率僅為46.9%.其中，S15點(diǎn)位達(dá)到Ⅱ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，S14和S20 2個(gè)點(diǎn)位達(dá)到Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，S02、S09、S10、S11、S12、S13、S16、S22、S23、S30和S31這11個(gè)點(diǎn)位達(dá)到Ⅳ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，S19和S32這2個(gè)點(diǎn)位達(dá)到Ⅴ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其余16個(gè)點(diǎn)位均處于劣Ⅴ類(lèi)狀態(tài).ρ(NH4+-N)和ρ(CODMn)超標(biāo)是造成天津市河流水質(zhì)達(dá)不到功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)的主要原因.

2.2 生物群落結(jié)構(gòu)特征分析

a) 浮游藻類(lèi).共計(jì)調(diào)查到浮游植物6門(mén)127種，以綠藻門(mén)為主，占總物種數(shù)的38%.從空間分布來(lái)看，物種數(shù)范圍為3～25，S30、S24、S22點(diǎn)位物種數(shù)較多，為20～25，而S08、S09、S26點(diǎn)位的物種數(shù)較少，為3～5.藍(lán)藻門(mén)在大多數(shù)點(diǎn)位中均占據(jù)主導(dǎo)優(yōu)勢(shì).香農(nóng)-威納指數(shù)范圍為1.047～2.974，較高值分布在S30、S24和S22等點(diǎn)位.

b) 浮游動(dòng)物.共計(jì)調(diào)查到浮游動(dòng)物72種，以輪蟲(chóng)為主，占總物種數(shù)的48%.從空間分布來(lái)看，物種數(shù)范圍為0～22，S32點(diǎn)位物種數(shù)為22，S09點(diǎn)位沒(méi)有發(fā)現(xiàn)物種，其余點(diǎn)位物種數(shù)為2～13.輪蟲(chóng)、橈足類(lèi)在大多數(shù)點(diǎn)位中均占據(jù)主導(dǎo)優(yōu)勢(shì).香農(nóng)-威納指數(shù)范圍為0～2.271，較高值分布在S05、S17、S28、S30等點(diǎn)位.

c) 底棲動(dòng)物.共計(jì)調(diào)查到底棲動(dòng)物32種，主要以腹足綱為主，占總物種數(shù)的37%.從空間分布來(lái)看，物種數(shù)范圍為0～7，S15、S16、S25、S29等點(diǎn)位物種較多，為5～7，S30點(diǎn)位并未采集到底棲物種.腹足綱在大多數(shù)點(diǎn)位中均占據(jù)主導(dǎo)優(yōu)勢(shì).香農(nóng)-威納指數(shù)范圍為0～1.546，較高值分布在S16、S10等點(diǎn)位.

d) 魚(yú)類(lèi).共計(jì)調(diào)查到魚(yú)類(lèi)27種，分屬8目12科，主要以鯉形目為主，占總物種種類(lèi)的43%.S14點(diǎn)位魚(yú)類(lèi)密度最高，為450條,其次是S19點(diǎn)位，為220條，S20、S28點(diǎn)位較低，為5～10條.物種數(shù)范圍為2～10，其中，S09點(diǎn)位物種數(shù)較多(10種)，S30和S31點(diǎn)位物種數(shù)較少(2種)，多數(shù)點(diǎn)位以鯉形目為主要優(yōu)勢(shì)物種，部分點(diǎn)位鱸形目出現(xiàn)較多.香農(nóng)-威納指數(shù)范圍為0～2.189，較高值分布在S16、S23、S24等點(diǎn)位.

e) 水生大型植物.共計(jì)調(diào)查到水生大型植物26種，隸屬于23科26屬，以挺水型植物為主，占總物種數(shù)的69.23%.物種數(shù)范圍為0～9，S12、S15點(diǎn)位的物種數(shù)最多(9種)，S07、S21、S25、S26、S29點(diǎn)位無(wú)水生大型植物.挺水植物在大多數(shù)點(diǎn)位占據(jù)主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)，漂浮植物相對(duì)較多，沉水植物較少.香農(nóng)-威納指數(shù)范圍為0～0.743，較高值分布在S11、S12、S32等點(diǎn)位.

f) 河岸帶植物.共計(jì)調(diào)查到25目29科71屬82種草本(含變種、變型和人工種植)、6目8科13屬14種藤本植物、9目14科20屬23種人工喬木.優(yōu)勢(shì)種為蘆葦，優(yōu)勢(shì)度最高為0.107，其次是堿蓬，優(yōu)勢(shì)度為0.060，馬唐和虎尾草的優(yōu)勢(shì)度分別為0.051、0.032.從空間分布來(lái)看，物種數(shù)范圍為7～23，大多數(shù)點(diǎn)位物種數(shù)為15左右，S08、S21點(diǎn)位的物種數(shù)最少(7種).香農(nóng)-威納指數(shù)范圍為0.095～0.998，較高值分布在S23、S28、S31、S32等點(diǎn)位.

2.3 IEI評(píng)價(jià)結(jié)果

2.3.1參照點(diǎn)位選取結(jié)果

根據(jù)2.1節(jié)分析結(jié)果，天津市河流整體污染較為嚴(yán)重，大部分點(diǎn)位生物棲息地評(píng)分偏低，因此，根據(jù)實(shí)際情況，綜合生物棲息地評(píng)分較高和水質(zhì)狀況較好的結(jié)果，該研究選取了11個(gè)參照點(diǎn)位(見(jiàn)表3).

表3 河流參照點(diǎn)位的主要污染物濃度和棲息地評(píng)分Table 3 Major pollutants concentration and habitat score of at river reference sites

2.3.2指標(biāo)篩選結(jié)果

a) 物理指標(biāo)的篩選.對(duì)符合條件的備選指標(biāo)進(jìn)行判別能力檢驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)，備選指標(biāo)中，pH、電導(dǎo)率2個(gè)指標(biāo)通過(guò)檢驗(yàn)，且這2個(gè)指標(biāo)均通過(guò)相關(guān)性分析(|R|<0.75).因此，pH、電導(dǎo)率2個(gè)指標(biāo)用于該研究中的物理完整性指數(shù)的構(gòu)建.

b) 化學(xué)指標(biāo)的篩選.對(duì)隨干擾強(qiáng)度單調(diào)遞增或遞減的指標(biāo)進(jìn)行判別能力檢驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)，NH4+-N、TN、TP、CODMn、NO2--N及NO3--N 6個(gè)指標(biāo)通過(guò)檢驗(yàn).相關(guān)性分析表明，ρ(TN)與ρ(NO2--N)、ρ(NO3--N)均呈顯著相關(guān)，信息重疊水平高，因此最終保留TN、TP、NH4+-N、和CODMn4個(gè)核心指標(biāo).

c) 生物群落指標(biāo)的篩選.根據(jù)浮游藻類(lèi)、浮游動(dòng)物、底棲動(dòng)物、魚(yú)類(lèi)、水生大型植物、河岸帶植物備選指標(biāo)，利用箱體圖進(jìn)行判別和相關(guān)性檢驗(yàn)，最終篩選出不同生物群落類(lèi)型的評(píng)價(jià)指標(biāo)(見(jiàn)表4).

表4 IEI評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選結(jié)果Table 4 Results of ecological integrity evaluation indicators

2.3.3指標(biāo)賦值結(jié)果

根據(jù)該研究1.4.3節(jié)所述方法得出物理完整性權(quán)重為0.3，化學(xué)完整性權(quán)重為0.3，生物完整性權(quán)重為0.4.

2.3.4評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

以參照點(diǎn)位IEI得分值分布的25%分位數(shù)作為河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，共分為5個(gè)等級(jí)：“健康”(≥3分)、“較好”(2.55～3分)、“一般”(2.12～2.55分)、“較差”(2.01～2.12分)、“差”(<2.01分).

2.3.5IEI評(píng)價(jià)結(jié)果

由圖3可知，所有調(diào)查點(diǎn)位中，“健康”的點(diǎn)位為6個(gè)，占18.8%；“較好”的點(diǎn)位為9個(gè)，占28.1%；“一般”的點(diǎn)位為13個(gè)，占40.6%；“較差”的點(diǎn)位為2個(gè)，占6.3%；“差”的點(diǎn)位為2個(gè)，占6.3%.由此可見(jiàn)，不同區(qū)域健康狀況分布不均，海河干流水系、薊運(yùn)河水系生態(tài)狀況總體較好，永定新河水系生態(tài)狀況一般，獨(dú)流減河水系生態(tài)狀況較差.

圖3 天津市河流生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.3 Evaluation results of river ecological environment condition in Tianjin City

3 討論

3.1 適用性驗(yàn)證分析

經(jīng)驗(yàn)證，參照點(diǎn)位S01、S05、S16、S20、S22、S23、S24、S25、S27具有良好的生態(tài)完整性，區(qū)分效率為82%(>60%)，通過(guò)適用性驗(yàn)證，表明IEI評(píng)價(jià)法可較好地表征各點(diǎn)位的健康狀況.

構(gòu)建IEI需建立在參照點(diǎn)位與受損點(diǎn)位生態(tài)健康狀況對(duì)比的基礎(chǔ)上，但目前參照點(diǎn)的定義及其設(shè)定方法尚存在較大爭(zhēng)議[45].在具體應(yīng)用中如何通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查確定點(diǎn)位是否可以作為參照點(diǎn)位，不同的專(zhuān)家往往采用不同的規(guī)則與方法[46-47].因棲息地環(huán)境質(zhì)量反映了人為活動(dòng)對(duì)河流長(zhǎng)期的干擾狀況，故專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)法選擇參照點(diǎn)位時(shí)將棲息地特征作為最重要的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)[48]，但在推廣應(yīng)用時(shí)存在一定的局限性.該研究基于棲息地評(píng)分和水質(zhì)狀況選取參照點(diǎn)位，通過(guò)水質(zhì)指標(biāo)可降低選擇參照點(diǎn)位時(shí)的主觀性，促進(jìn)IEI評(píng)價(jià)法的推廣與應(yīng)用.

3.2 IEI與環(huán)境因子相關(guān)性分析

利用IEI評(píng)價(jià)河流健康，反映的是河流長(zhǎng)期受人為活動(dòng)干擾后的一個(gè)綜合狀況.通過(guò)Pearson相關(guān)性分析(見(jiàn)表5)、BEST分析和RELATE分析，認(rèn)為天津市河流生態(tài)健康評(píng)價(jià)結(jié)果與環(huán)境因子的對(duì)應(yīng)性較高.

表5 IEI與環(huán)境因子間的Pearson相關(guān)性分析Table 5 Pearson analysis between IEI and environmental factors

ρ(NH4+-N)和ρ(CODMn)超標(biāo)是造成天津市水質(zhì)達(dá)不到功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)的主要原因，同時(shí)也是影響天津市河流生態(tài)健康的主要因素，構(gòu)建的IEI指標(biāo)體系能夠響應(yīng)天津市河流面臨的環(huán)境壓力，進(jìn)一步驗(yàn)證了該研究采用IEI法評(píng)價(jià)天津市河流健康是合理和可行的.

Pearson相關(guān)性分析結(jié)果(見(jiàn)表5)表明，IEI與ρ(CODMn)呈顯著相關(guān)〔R=-0.453，P=0.023(<0.05)〕.

BEST分析結(jié)果表明，ρ(NH4+-N)是解釋IEI變化的最優(yōu)環(huán)境參數(shù)〔Rho=0.154，P=0.02(<0.05)〕.RELATE分析結(jié)果表明，生物指數(shù)矩陣與環(huán)境參數(shù)矩陣呈顯著相關(guān)〔Rho=0.154，P=0.034(<0.05)〕.

4 結(jié)論與展望

a) 所有調(diào)查點(diǎn)位中，生態(tài)健康狀況等級(jí)為“健康”的點(diǎn)位占18.8%；“較好”的點(diǎn)位占28.1%；“一般”的點(diǎn)位占40.6%；“較差”的點(diǎn)位占6.3%；“差”的點(diǎn)位占6.3%，天津市河流生態(tài)健康狀況整體處于“一般”水平.

b) 相關(guān)性分析表明，ρ(NH4+-N)和ρ(CODMn)超標(biāo)是造成天津市水質(zhì)達(dá)不到功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)的主要原因，同時(shí)也是影響天津市河流生態(tài)系統(tǒng)健康的主要因素.構(gòu)建的IEI指標(biāo)體系能夠響應(yīng)研究區(qū)面臨的環(huán)境壓力，說(shuō)明采用該方法評(píng)價(jià)天津市河流生態(tài)系統(tǒng)健康是合理可行的.

c) 該研究不足之處在于，僅使用一次秋季調(diào)查數(shù)據(jù)構(gòu)建IEI指標(biāo)體系，不能全面地反映不同年份不同季節(jié)天津市河流生物群落結(jié)構(gòu)及水質(zhì)狀況.后續(xù)研究中，筆者將開(kāi)展不同季節(jié)水生態(tài)環(huán)境調(diào)查工作，并考慮年降雨特點(diǎn)，進(jìn)一步完善天津市河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系；同時(shí)，將進(jìn)一步開(kāi)展大量評(píng)價(jià)指標(biāo)在信息整合的過(guò)程中是否會(huì)發(fā)生信息重疊或弱化的現(xiàn)象等研究工作.