王 旭,王永剛,武大勇,李亞翠 (.北京市環(huán)境保護科學研究院/ 國家城市環(huán)境污染控制工程技術(shù)研究中心,北京 00037;.河北省濕地生態(tài)與保護重點實驗室(籌),河北 衡水 053000)
河流水生生物多樣性對保障河流水生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定具有重要的意義[1]。隨著經(jīng)濟的迅猛發(fā)展和城市化進程的不斷加快,不合理水土資源開發(fā)以及大量污染物的排入擾亂了河流生態(tài)與水文循環(huán)過程,河流結(jié)構(gòu)受到極大破壞,水生生物多樣性受損,生態(tài)系統(tǒng)功能逐步退化,河流健康問題日漸凸顯[2]。
河流中的浮游植物、浮游動物、底棲動物及魚類等生物群落對環(huán)境變化反應極為敏感,通常被用作評價水生態(tài)環(huán)境狀況的重要指標[3-4]。采用水生生物評價河流狀況是河流保護和管理中普遍使用的方法之一,通??梢愿鶕?jù)水生生物群落結(jié)構(gòu)和生物多樣性現(xiàn)狀評估河流受到的人為活動干擾程度[5]。1981年KARR[6]以魚類為研究對象建立了生物完整性指數(shù),應用于北美河流的生態(tài)系統(tǒng)健康評價,并提出水生生物的健康狀況是反映人類活動對河流影響的最佳方式。此后,該指數(shù)逐步發(fā)展為魚類生物完整性指數(shù)[7]、底棲動物完整性指數(shù)[8]、浮游生物完整性指數(shù)[9]、固著藻類生物完整性指數(shù)[10]和水生植物生物完整性指數(shù)[11]。目前研究中主要集中在單類群生物完整性指數(shù)上,多類群和綜合水生生物完整性指數(shù)研究鮮有報道[12]。2019年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等部委聯(lián)合發(fā)文提出構(gòu)建流域的水生生物完整性指數(shù)(index of aquatic biological integrity,IABI)評價體系,科學評估水生生物總體狀況,并將其變化作為評估河流水生生物總體狀況和流域生態(tài)系統(tǒng)健康的重要依據(jù)。
德州市轄區(qū)內(nèi)的漳衛(wèi)新河等流域位于國家重點流域海河流域,是京津冀南部重要的生態(tài)功能區(qū)。由于水資源短缺以及人類活動的干擾,區(qū)域內(nèi)流域生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能受到一定破壞,河流生態(tài)系統(tǒng)退化,生態(tài)健康受到威脅。筆者以德州市各流域為例,通過初步構(gòu)建河流水生生物完整性評估指標體系,探究人類活動干擾下各流域河流水生生物完整性的時空差異,以期為德州市流域水生態(tài)修復提供科學依據(jù),為其他地區(qū)水生生物完整性指數(shù)評估提供技術(shù)支撐。
德州市(36°24′~38°00′ N,115°45′~117°36′ E)位于山東省西北部,黃河下游北岸,境內(nèi)共有大小河流上百條,劃分為漳衛(wèi)新河、馬頰河、德惠新河、徒駭河4個流域。全市跨省大河主要有黃河、衛(wèi)運河、漳衛(wèi)新河,跨市的骨干排澇河道有徒駭河、德惠新河和馬頰河。以上河流除黃河外,均系海河流域。境內(nèi)河流均屬雨源型河流,河流流量與區(qū)域降水分布不均勻的氣候特點密切相關(guān)。德州市屬暖溫帶大陸性季風氣候區(qū),年均降水量為554.8 mm,降水年內(nèi)分配差異較大,夏季3個月降水量占全年的77%,區(qū)域本底水資源量不足,主要水源需靠黃河引水補給。德州市漳衛(wèi)新河等水系由于水資源短缺及過度開發(fā)利用,生態(tài)基流明顯不足,加之污染源的匯入,區(qū)域水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能退化嚴重。
考慮豐枯兩季差異,分別于2017年11月和2018年8月對漳衛(wèi)新河、馬頰河、德惠新河和徒駭河流域開展包括著生藻類、大型底棲動物、魚類以及水生植物生態(tài)指標的監(jiān)測工作。
著生藻類取樣方法:選擇不同的生境特征,以藻類著生的石塊、倒木等作為采樣對象,每個樣點隨機選取3塊形狀規(guī)則、表面平整的石頭,利用刀片刮取和硬刷清洗的方法刷取半徑為2.5 cm的圓形布料下的藻類,收集固著藻類樣品,將所有樣品搖勻混合裝入50 mL樣品瓶中,立即用φ=4%福爾馬林進行固定,帶回實驗室避光靜置48 h后濃縮至20 mL,取0.1 mL均勻樣品于10×40倍顯微鏡下鑒定和計數(shù)。
大型底棲動物取樣方法:參照王備新等[13]、張遠等[14]的調(diào)查方法。樣品經(jīng)清水沖洗后在白瓷盤中分類挑選,對挑選出的活體底棲生物分別計數(shù)稱重,并換算成單位面積的個體數(shù)及生物量。水生昆蟲和軟體動物先用φ=5%福爾馬林溶液固定,24 h后轉(zhuǎn)移到φ=75%的乙醇中保存,寡毛類用φ=10%的福爾馬林溶液直接固定。依據(jù)文獻[15-16]將所采集的大型底棲無脊椎動物鑒定到最可能小的分類單元,大部分鑒定到種或者屬,搖蚊類和一些環(huán)節(jié)動物鑒定到科。
魚類取樣方法:利用地籠法和走訪漁民法開展魚類樣品調(diào)查。在每個樣點選擇適合的地點利用地籠法進行采集,地籠時間不少于12 h。同時,在當?shù)厥袌鰧O民進行走訪,從而獲得更全面的魚類樣品和數(shù)據(jù)。魚類樣品采集后立即進行現(xiàn)場鑒定工作。難以鑒定的物種利用φ=10%福爾馬林水溶液浸泡固定,帶回實驗室進一步完成鑒定?,F(xiàn)場鑒定魚類樣品需全部放歸自然,已死亡魚類遠離河岸填埋。種類鑒定主要依據(jù)《山東魚類志》《中國淡水魚類圖譜》和《中國鯉科魚類檢索表》等。
植物的取樣方法:利用樣方法對植物群落進行調(diào)查取樣,選擇具有代表性和典型性水生植被分布的區(qū)域設(shè)置調(diào)查樣地,在樣地近岸區(qū)域平行于江河水流設(shè)置3條樣帶。在樣帶上等距離設(shè)置5~10個樣方。利用帶網(wǎng)框架采集法進行水生植物調(diào)查?,F(xiàn)場對水生植物進行鑒定并計數(shù)[17-18],對于野外不能準確鑒定的植物種采集憑證標本進行室內(nèi)鑒定。
根據(jù)區(qū)域內(nèi)各流域河流特征,結(jié)合德州市行政邊界和監(jiān)測斷面的設(shè)置,將4個流域劃分為9個河流(段),并在各河段設(shè)置1~3個監(jiān)測點位;漳衛(wèi)新河水系劃分為6個評估河流(段),馬頰河、德惠新河和徒駭河各設(shè)置1個評估河段。共采集樣點22個,其中漳衛(wèi)新河流域11個,馬頰河流域4個,德惠新河流域4個,徒駭河流域3個。調(diào)查監(jiān)測河段及站位布設(shè)詳見圖1。
S1—第三店,S2—四女寺,S3—油坊橋,S4—呂洼,S5—范窯,S6—劉茂莊,S7—田龍莊,S8—袁橋,S9—老寨子橋,S10—大徐橋,S11—小泊頭橋,S12—董姑橋, S13—張習橋,S14—南杜橋,S15—李辛橋,S16—小呂,S17—十里堡,S18—王杠子閘,S19—雙堠橋,S20—前油坊,S21—田口,S22—夏口橋。
2.2.1水生生物完整性評價指標體系
水生態(tài)系統(tǒng)通常包括浮游動物、浮游植物、底棲動物、魚類以及水生植物等。該研究構(gòu)建的河流水生生物完整性指標評價體系準則層包括著生藻類、底棲動物、魚類以及水生植物完整性指數(shù)。指標層選取了74個候選參數(shù),可反映群落豐富度、種類個體、數(shù)量比例、生物耐污能力、環(huán)境變化對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的影響[9]。對選取的各候選參數(shù)根據(jù)生物種群進行分布范圍、相關(guān)性分析、指標使用頻次分析并結(jié)合指標的可操作性等實際情況最終確定11項參數(shù),分別為著生硅藻密度(C1)、著生藻總分類單元數(shù)(C2)、著生藻類優(yōu)勢度(BP)指數(shù)(C3)、底棲動物總分類單元數(shù)(C4)、大型底棲動物類群記分系統(tǒng)(BMWP)指數(shù)(C5)、底棲動物優(yōu)勢分類單元個體相對豐度(C6)、魚類物種數(shù)(C7)、魚類耐污類群相對豐度(C8)、魚類Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)(C9)、水生植物本地物種分類單元百分比(C10)、水生植物外來入侵種入侵指數(shù)(C11)。
評價體系中指標權(quán)重的確定是評價中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié),該研究運用層次分析法(AHP)構(gòu)建指標體系,采用專家背靠背打分方式,選擇生態(tài)學、水生生物學、環(huán)境學以及水產(chǎn)學等相關(guān)行業(yè)的15位專家進行打分,最終對評價指標的相對重要性構(gòu)建判斷矩陣并確定指標權(quán)重,以此來構(gòu)建水生生物完整性評價指標體系(表1)。
2.2.2水生生物完整性計算方法
(1)各類群生物完整性指數(shù)
藻類生物完整性指數(shù)(AIBI)綜合反映一個地區(qū)藻類群落的物種組成、多樣性和功能等的穩(wěn)定能力,由著生硅藻密度、著生藻類總分類單元數(shù)、著生藻類優(yōu)勢度指數(shù)構(gòu)成。
大型底棲動物完整性指數(shù)(BBI)由總分類單元數(shù)、BMWP指數(shù)以及最優(yōu)勢類群相對豐度構(gòu)成。
魚類完整性指數(shù)(FBI)綜合反映一個地區(qū)魚類群落的物種組成、多樣性和功能等的穩(wěn)定能力,由魚類物種數(shù)、耐污類群相對豐度以及Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)構(gòu)成。
水生植物完整性指數(shù)(APBI)綜合反映一個地區(qū)水生植物群落的物種組成、多樣性和功能等的穩(wěn)定能力,由本地物種分類單元百分比、外來入侵種入侵指數(shù)構(gòu)成。
表1 水生生物完整性評價指標體系及權(quán)重[19-21]
入侵物種入侵指數(shù)值(IE)的計算方法為
(1)
(2)
式(1)~(2)中,S為入侵物種總數(shù);Vi為入侵物種i的重要值;RCO為相對蓋度,%;RFE為相對頻度,%;RDE為相對密度,%。
(2)生物指數(shù)(BI值)計算方法
采用比值法確定各指標的數(shù)值,對各指標量綱進行統(tǒng)一處理:下降類型指標BI值=(樣點觀測值-樣點觀測值的5%分位數(shù))/(樣點觀測值的95%分位數(shù)-樣點觀測值的5%分位數(shù))×100,上升類型指標BI值=(樣點觀測值的95%分位數(shù)-樣點觀測值)/(樣點觀測值的95%分位數(shù)-樣點觀測值的5%分位數(shù))×100。
各指標BI值在0~100范圍之間,>100時各指標BI值視為100處理,<0時各指標BI值視為0處理。
(3)水生生物完整性指數(shù)計算
計算得到每個種群生物完整性分值后,使用加權(quán)求和法,先計算得到每個監(jiān)測點的水生生物完整性指標分值,再對所有監(jiān)測點的分值進行平均,計算得到河流(段)以及流域水生生物完整性結(jié)果。
(3)
(4)
式(3)~(4)中,Bi為第i個準側(cè)層的計算結(jié)果;xji為第i個準則層的第j個評估指標的權(quán)重;wj為第i個準則層的第j個評估指標的權(quán)重;IIAB為水生生物完整性指數(shù);wi為第i個準則層指標的權(quán)重。
2.2.3河流水生生物完整性等級劃分
藻類、底棲動物、魚類、水生植物完整性4個評估指標等級以各生物類群完整性指標數(shù)值的95%分位數(shù)作為1級和2級間的臨界值,以5%分位數(shù)作為4級和5級間的臨界值;將95%分位數(shù)和5%分位數(shù)之間進行3等分,以確定其他相鄰級別間的臨界值。水生生物完整性是一個相對概念,等級劃分有動態(tài)性及一定的主觀性。該文中河流水生生物完整性等級劃分采用等分法將河流水生生物完整性分為5級,各等級表征狀態(tài)、特征描述、顏色代碼見表2。
2017年11月和2018年8月于德州市4流域7條河流(段)22 個采樣點采集并鑒定著生藻類8門10綱20目33科60屬144種,其中綠藻門(Chlorophyta)20屬41種,硅藻門(Bacillariophyta)19屬55種,藍藻門(Cyanophyta)13屬23種,裸藻門(Euglenophyta)6屬17種,隱藻門(Cryptophyta)2屬3種,裸藻門(Euglenophyta)4屬20種,甲藻門(Pyrrophyta)1屬1種,黃藻門(Xanthophyta)2屬2種,金藻門(Chrysophyta)1屬1種,紅藻門(Rhodophyta)1屬1種。2018年8月發(fā)現(xiàn)144種,比2017年11月份多15種。本次調(diào)查鑒定的硅藻門種類最多,優(yōu)勢種(括號內(nèi)數(shù)字為優(yōu)勢度)有梅尼小環(huán)藻(0.21)、小環(huán)藻sp1(0.03)、線形菱形藻(0.04)、短小舟形藻(0.08);藍藻門優(yōu)勢種有燦爛顫藻(0.02)、巖居博氏藻(0.02)、微小平裂藻(0.04);綠藻門有四尾柵藻(0.03)(表3)。
表2 河流水生生物完整性等級劃分
表3 德州市各河流著生藻類優(yōu)勢種空間分布
大型底棲無脊椎動物共鑒定出29屬種,隸屬于3門6綱11目19科。其中環(huán)節(jié)動物門(Annelida)2種,隸屬于2目2科,占6.90%;軟體動物門(Mollusca)13種,隸屬于3目7科,占44.83%;節(jié)肢動物門(Arthropoda)14種,隸屬于6目10科,占48.28%。其中環(huán)節(jié)動物以寡毛綱的顫蚓科為主,軟體動物以椎實螺科為主,節(jié)肢動物以雙翅目的搖蚊亞科和十足目的長臂蝦科為主。
魚類共6目11科22屬28種,其中鯉形目魚類最多(18種),占魚類總種數(shù)的64.3%,以麥穗魚、鰺條和貝氏餐為主;其次為鱸形目(5種),占17.6%,主要以吻鰕虎魚屬的波氏吻蝦虎和子陵吻蝦虎為主;鯰形目2種,鮭形目、合腮魚目、鳉形目各1種。2018年8月采集魚類28種,2017年11月采集種類較少,只有8種。
水生植物共有3綱17目19科26屬29種。其中單子葉植物18種,占總種類數(shù)的62.1%,以禾本目的蘆葦、長芒稗以及莎草目的扁稈藨草為主;雙子葉植物10種,占總種類數(shù)的34.5%,以蓼目的水蓼、毛茛目的金魚藻以及小二仙草目的狐尾藻為主。
3.2.1監(jiān)測點水生生物完整性
通過對德州市漳衛(wèi)新河、馬頰河、德惠新河和徒駭河流域各監(jiān)測斷面藻類、大型底棲動物、魚類、水生植物指標層進行綜合評估,得到各河段水生生物完整性評估賦分結(jié)果(表4和圖2)。
3.2.2河流水生生物完整性
河流水生生物完整性通過對各監(jiān)測點著生藻類、底棲動物、魚類以及水生植物指標層進行綜合評估,得到各河流水生生物完整性狀況賦分結(jié)果。漳衛(wèi)新河流域得分為51.30,狀況為一般;馬頰河流域得分為47.39,狀況為一般;德惠新河得分為63.56,狀況為好;徒駭河流域得分為58.18,狀況為一般(表5)。
德州市各流域9條河流(段)水生生物完整性評價結(jié)果顯示,減河和德惠新河等級為好,衛(wèi)運河、南運河、五六河、馬頰河和徒駭河均為一般,岔河為差。從流域上看,德惠新河流域最好,其次為徒駭河流域、漳衛(wèi)新河流域,最差的為馬頰河流域??傮w上豐水期優(yōu)于枯水期,受人類活動干擾相對較少的德惠新河、徒駭河優(yōu)于受人類活動影響較大的馬頰河、岔河、南運河以及五六河。
表4 各河流(段)水生生物完整性賦分結(jié)果
圖2 不同時間河流各指標及水生生物完整性評估賦分
漳衛(wèi)新河和馬頰河主要流經(jīng)德州市城區(qū),河流涵養(yǎng)功能較弱,水系新鮮水源較少,主要為城市污水處理廠退水的補給,沿途又接納德州城區(qū)及各縣的污水,河流生態(tài)基流不足,點源和面源污染嚴重,流域水生態(tài)系統(tǒng)健康受到威脅。
德州市各河流監(jiān)測點位水生生物完整性得分為34.59~78.92,各監(jiān)測點位水生生物完整性差異較大,其中徒駭河夏口橋斷面、德惠新河臨邑縣十里鋪和王杠子閘斷面狀態(tài)為好;馬頰河李辛橋、岔河田龍莊斷面狀態(tài)為差;其余河段監(jiān)測斷面為一般。
從時間尺度上看,豐水期22個點位的魚類和水生植物完整性指數(shù)均高于枯水期,底棲動物、藻類完整性指數(shù)變化不顯著。魚類和水生植物完整性指數(shù)季節(jié)性差異顯著是造成各河段豐枯時間尺度上差異的主要影響因素,可能是受河流流量和大氣溫度等因素的顯著影響所致[22-23]。研究表明,河流季節(jié)性干旱以及冬季極端低溫條件下可造成魚類死亡,從而影響其群落結(jié)構(gòu)及其數(shù)量。朱仁等[24]基于對黃山九龍峰保護區(qū)境內(nèi)的殷溪河魚類全年調(diào)查結(jié)果顯示,11月魚類個體數(shù)顯著下降,與氣溫和水溫的下降有直接關(guān)系。水生植物多樣性主要與氣溫關(guān)系較為密切。水生植物生物量與溫度呈顯著正相關(guān)關(guān)系,一般北方地區(qū)水生植物最佳生長時間為4—9月,10月后水生植物進入結(jié)果衰亡期,當溫度低于10 ℃時生長基本停滯[25]。
表5 德州市各流域水生生物完整性評估結(jié)果
從空間分布來看,德州市各流域河流(河段)水生生物完整性總體狀況為一般。流經(jīng)城區(qū)的河流水生生物完整性明顯劣于非城區(qū)河流(河段)。各流域中德惠新河最好,其次為徒駭河、漳衛(wèi)新河,馬頰河水生生物完整性狀況最差。宋芬等[26]發(fā)現(xiàn)徒駭河生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定性比馬頰河好。漳衛(wèi)新河流域各河流(河段)中減河狀況最好,其次為衛(wèi)運河、五六河、南運河、漳衛(wèi)新河,岔河最差。減河雖然處于城區(qū),但由于沿途建設(shè)了濕地公園[27],水生態(tài)系統(tǒng)得到較大改善,水生生物完整性較高。總體上看,各河流上游水生生物完整性指數(shù)比下游好,表明德州市各河流在流域內(nèi)受到人類活動影響,水生態(tài)健康狀況在一定程度上受損。
區(qū)別于單一群落的生物完整性指數(shù),從水生生物多樣性維持角度初步構(gòu)建了河流水生生物完整性指數(shù),旨在建立水生生物總體狀況與流域生態(tài)系統(tǒng)健康的關(guān)系,并應用于德州市各流域水生生物完整性狀況的評估,為該地區(qū)及其他地區(qū)相關(guān)河流水生態(tài)修復工作奠定基礎(chǔ)。德州市總體上水生生物狀況為一般,各指標豐水期優(yōu)于枯水期,分析原因主要與河流徑流量和水溫有關(guān),這與洪松等[28]調(diào)查結(jié)果一致。流域內(nèi)河流多屬季節(jié)性河流,且降雨多集中在7—9月,枯水期徑流較小,河道生態(tài)基流難以保證。空間尺度上,流經(jīng)城區(qū)的河流(河段)水生生物完整性相對其他河流(段)差,主要因為城區(qū)段河流受人類活動影響較大,生境結(jié)構(gòu)遭到一定破壞,加之城區(qū)段工業(yè)及生活污水的排入,使河流自凈能力下降,河道生態(tài)功能退化嚴重,這與董增川等[29]分析的漳衛(wèi)新河生態(tài)健康問題原因基本一致。從各指標完整性結(jié)果上看,德州市著生藻類、魚類完整性得分較底棲動物和水生植物低,未來水生態(tài)系統(tǒng)應重點從水質(zhì)提升、生境營造和水文保障等角度著重改善藻類和魚類生物多樣性。
該研究仍有以下問題需要解決:(1)本次水生生物調(diào)查歷時不長,監(jiān)測次數(shù)僅2次,監(jiān)測點位僅涉及22個,未涉及馬頰河、德惠新河和徒駭河3流域的其他支流,水生生物監(jiān)測數(shù)據(jù)量總體不足,后續(xù)需繼續(xù)從豐枯、季節(jié)性、年際變化以及空間尺度等方面評估流域水生生物完整性的時空變化情況,更加科學地評估流域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定狀況。(2)在指標構(gòu)建方面,僅選擇藻密度、總分類單元數(shù)、BP指數(shù)、BMWP指數(shù)、物種數(shù)、相對豐度等11項指標,表征生物多樣性的指標包括Simpson 多樣性指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)等[30],需深入開展候選指標的選擇和和篩選工作,豐富水生生物完整性指數(shù)評估體系。(3)該研究結(jié)合參考文獻確定了各指標層指標權(quán)重,而評價體系中指標權(quán)重的確定是至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié),主觀和客觀賦權(quán)法均存在一定的缺點,后續(xù)應從主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法相結(jié)合的角度(組合賦權(quán)法)開展指標權(quán)重確定方面的研究。
通過開展德州市22個監(jiān)測點豐枯兩季的著生藻類、底棲動物、魚類和水生植物的種群監(jiān)測工作,初步構(gòu)建了水生生物完整性評價指標體系,計算得到德州市河流水生生物完整性評價結(jié)果,評估了各河流(段)完整性狀況,得到如下結(jié)論:
(1)德州市各流域河流(河段)水生生物完整性狀況總體為一般。各流域水生生物完整性德惠新河最好(63.56),其次為徒駭河(58.18)和漳衛(wèi)新河(51.30),馬頰河最差(47.39)。漳衛(wèi)新河各河流(段)中,減河狀況相對較好,衛(wèi)運河、南運河、五六河、漳衛(wèi)新河為一般,岔河狀況為差??臻g尺度上,流經(jīng)城區(qū)的河流水生生物狀況劣于非城區(qū)河流(河段)。時間尺度上,豐水期水生生物狀況優(yōu)于枯水期,尤其是魚類和水生植物2個指標受流量和氣溫等因素的影響較大,季節(jié)性差異較為顯著。
(2)各流域上游入境斷面水生生物完整性狀況好于下游出境斷面。減河和德惠新河十里堡—王杠子閘段水生生物完整性最好,岔河以及馬頰河南杜橋—李辛橋段最差。減河沿河建設(shè)了濕地公園,水生態(tài)系統(tǒng)得到較大改善,而岔河和馬頰河流經(jīng)人口密集的城區(qū),加上受閘壩控制嚴重以及農(nóng)業(yè)污染源的匯入,水生態(tài)受損較為嚴重。未來應當對受損河段予以重點關(guān)注,保障河流生態(tài)流量,加強污染源管控,有針對性地開展生態(tài)修復治理工作,逐步提高流域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。