黄河干流生境质量评价研究

李学军,张洋,高云霓,李龙飞,张景晓,董静,张曼,高肖飞,秦祥朝

(1.河南师范大学 水产学院,河南 新乡 453007;2.河南省丹江口水库水域生态系统野外科学观测研究站,河南 南阳 474450;3.生态环境部黄河流域生态环境监督管理局 生态环境监测与科学研究中心,郑州 450000)

黄河是我国第二长河、世界第五大河流,也是我国西北、华北地区的重要水源[1].黄河流域横跨东中西部,是我国重要的生态安全屏障,也是人口活动和经济发展的重要区域[2].新中国成立以来,黄河流域在水沙治理、防洪减灾方面取得显著成效,但流域生态监测工作严重滞后,水生态基础资料欠缺,流域生态脆弱问题突出,水生生物资源下降,生物多样性降低,亟待加强黄河水生态监测,维护流域水生态系统健康,促进黄河流域高质量发展[1-2].

生境是区域内为生物提供生存和生长的物理、化学和生物环境[3].生境质量用于反映生态系统为个体、种群或群落提供适宜生存条件的能力[4].河流生境是河流生态系统的重要组成部分,为水生生物的生存和繁衍提供了场所,是河流水生生物和物理环境的自然纽带,也是河流生态系统健康和完整的重要因素[5].河流生境评价是河流生态健康评价的重要内容,为识别河流生态问题及受损河流生态系统修复提供理论依据[6].根据评价方法的技术特征,河流生境评价方法可分为模型模拟法和多指标综合评价法.模拟法一般包括生境适宜度模型和生境模拟模型,多指标综合评估法综合水文、水力、地貌、物理、化学、生物等多个因素,选取代表性指标,从河流整体状况出发,制定评价标准,评价河流状况[7].较成功的多指标综合评价法包括美国的快速生物评价方案(RBPs)[8]、英国的河流生境调查(RHS)[9]、澳大利亚的河流状况指数(ISC)[10]、西班牙的水文地貌指数法(IHG)等[11],已运用在我国辽河和长江流域各级支流的生境调查与质量评价工作中[5,12].然而,现有生境评价方法主要应用于中小型可涉水河流和较大不可涉水河流,针对超大型河流如长江和黄河干流的生境调查和质量评价实践较少[1],亟待加强相关研究和应用,以推动大型河流健康综合评价和生态修复保护战略制定和工程实施.

为此,本研究参照国内外多指标综合生境评价方法,基于中国环境监测总站《河流水生态环境质量监测与评价技术指南》中提出的河流生境评价指标体系[13],于2021和2022年5-7月,在河段尺度上对黄河干流自源区到河口的26个监测河段开展生境现状调查与质量评价,评估黄河干流典型区域的生境状况,探索影响黄河干流生境状况的主要因素,从而为黄河流域生境保护和修复提供支撑,为大型河流的生境调查与评价提供借鉴.

1 材料与方法

1.1 位点布设

样点的布设结合实际情况,在黄河干流的源头、上游、中游、下游共选取26个具有代表性的监测河段进行现场调查(附录表S1),其中,S1～S4位于黄河源区,U1～U10位于黄河上游,M1～M4位于黄河中游,D1～D8位于黄河下游.

表S1 黄河干流生境调查位点Tab. S1 Sampling sites of river habitat survey in Yellow River mainstream

1.2 调查内容与评价方法

参照文献[13],水深较浅、可人工涉水采样的河流为可涉水河流;水深较深、河面较宽、无法人工涉水采样的河流为不可涉河流.本研究选择各监测位点上下500 m范围作为监测河段,使用GPS定位记录每个点位的经纬度和海拔.所选河段均不可涉,调查人员通过现场目测、拍照及无人机全景摄像对每个监测河段生境指标情况进行全面测量、记录和调查.主要内容包括底质、栖境复杂性、河水水量状况、水质状况、河道内人类活动强度等河道指标和大型木质残体分布、河岸稳定性、河岸带植被覆盖率、河道护岸变化、河岸土地利用类型等河岸指标(附录表S2).进行河流生境评价时,每项指标分4个等级,分别对应好(16～20分)、较好(11～15分)、中等(6～10分)、较差(0～5分)4个评价等级.参照河流生境质量分级标准,每个监测河段的生境总分(H)由10项指标分值累加计算,10项指标总和的满分为200分,其中H>150为优秀,120

表S2 河流生境评价指标体系、评价等级及赋分标准Tab. S2 Index system,classification and assignment criteria of river habitat assessment

1.3 数据分析

调查数据处理与统计分析主要采用SPSS 22.0 和Excel 2019软件完成,采用ArcGIS10.2、Adobe Photoshop 22.0和Origin 2022b作图.采用Pearson相关性分析10项指标的相关性.运用主成分分析法(PCA)确定各评价指标对黄河干流生境的贡献率,找出影响黄河干流生境质量的主要因子.

2 研究结果

2.1 各生境评价指标得分及相关性

所选取的10项生境评价指标中,大型木质残体分布在全河段得分相对最低,集中在1～5分(图1).其次为栖境复杂性,得分介于5～11分,平均值为7.2.河水水量得分介于10～19分,平均值为17.1,相对最高.其他指标的离散度和变异度均较大.

黄河干流不同区域间底质、栖境复杂性、河水水量、大型木质残体分布、河岸稳定性、河道护岸变化等6项指标未表现出显著差异(p>0.05,图2).但水质状况、河道内人类活动强度、河岸带植被覆盖度和河岸土地利用类型等4项指标在不同区域表现出显著差异(p<0.05).相对而言,中游水质状况显著优于上游和下游河段(p<0.05),但河道内人类活动强度得分最低,显著低于源头和上游河段(p<0.05),河岸土地利用类型得分最低(p<0.05).上游河岸带植被覆盖强度最低,显著低于下游(p<0.05).黄河干流不同区域河道生境指标未表现出显著差异,而河岸带生境指标上游得分最低,并显著低于下游.

对黄河干流各项生境评价指标得分状况进行Pearson相关分析,结果显示,尽管多项指标之间表现出显著相关性,但相关系数均低于0.5,仅底质与栖境复杂性相关系数达到0.534(p<0.01,表1),各项评价指标间共线性较低,指标之间不具有可替代性.

表1 各项生境评价指标间Pearson相关性分析Tab. 1 Pearson correlation analysis of habitat assessment indexes

2.2 黄河干流生境质量

通过两年的生境调查与评价发现,黄河干流26个监测河段的生境总分介于79～153分,连续两年生境整体评价均达到良好等级以上的有6个河段,连续两年达到中等级别的河段为18个,出现较差级别的河段为2个,无很差等级的河段.相对而言,位于黄河下游的黄河口湿地1(D7)和黄河口湿地2(D8)、中游的风陵渡大桥(M4)、上游的叶盛公路桥(U6)和新城桥(U3)、源区的门堂(S2)两年的生境质量均大于120分,为优秀或良好等级.而位于黄河上游的什川桥(U4)2021和2022年生境评分分别为84和79分,均为较差等级(图3).黄河源区、上游、中游和下游之间生境质量整体上无显著差异(p>0.05).

2.3 黄河干流生境主要影响因子

2021和2022年黄河干流生境评价指标主成分分析KMO值为0.655,Bartlett球形度检验p<0.05,说明数据适合进行主成分分析.主成分分析一共提取出3个主成分,特征根值(分别为2.669、2.276、1.158)均大于1,累计方差解释率为61.03%.权重值最高为河岸土地利用类型,占12.35%,最低为栖境复杂性,占8.63%(表2).权重值高于10%的指标还包括河道内人类活动强度、水质状况和河岸稳定性等3项指标.

表2 黄河干流生境评价指标主成分分析及权重结果Tab. 2 Principal component analysis and weight results of habitat assessment indexes in the Yellow River mainstream

3 讨 论

3.1 黄河干流生境质量综合评价

基于河段尺度的黄河干流生境质量评价结果表明,黄河干流所有调查河段生境总分H值平均为108.0,生境质量整体处于中等水平,区域间未表现出显著差异(p>0.05).2017年长江流域河流生境综合评价结果显示,长江干流生境质量整体处于良好水平,金沙江下游、三峡库区、长江中下游3个典型区域的生境综合指数均值分别为133.9、124.6和130.8[5].长江流域典型支流赤水河生境质量为优秀等级,雅砻江、乌江和汉江的生境质量均为良好等级[14].2005年辽河流域生境质量调查结果显示,全流域36%的河段处于优秀或良好水平,主要为辽河支流及浑太河源区,但42%的河段处于较差或很差等级,主要为辽河干流及浑太河中下游[15].综合来看,黄河干流各区域间生境质量差别较小,整体生境状况比长江流域差.河流生境质量与流域植被覆盖状况息息相关.尽管黄河流域近40年植被覆盖呈现波动增长趋势,近20年黄河流域植被生态质量指数均呈波动增加趋势,但基于NDVI值的植被盖度水平仍低于长江、辽河等流域.黄河流域年均植被NDVI值介于0.36～0.45[16],而长江和辽河流域植被NDVI值分别介于0.50～0.81和0.61～0.72之间,均显著高于黄河流域[17-18].

黄河干流各区域均有生境质量相对较好的河段,如下游的黄河口湿地(D7,D8)、中游的风陵渡大桥(M4)、上游的叶盛公路桥(U6)和新城桥(U3)、源区的门堂(S2),主要表现在水流速相对较缓、湿生或水生植被丰茂、泥沙含量低,从而在栖境复杂性、水质状况、河岸稳定性、河道内人类活动强度等方面得分较高.而生境质量相对最差的河段为上游的什川桥(U4),主要表现在泥沙含量高、水流速快、河岸侵蚀程度高、河道和河岸人类活动强度大等.黄河干流超过69%的河段生境质量处于中等水平,主要体现在泥沙含量较高、人类活动强度较大、河岸和河道植被覆盖较低、河岸侵蚀较为严重.这与黄河本身所处地质时期、气候条件、地貌特征、河流类型和水沙特点等有关[19].

本研究中水质状况指标主要反映各河段水体浑浊度和异味情况,与水体悬浮泥沙含量关系密切.尽管通过近60年的拦河坝、水库建设等大型水利枢纽工程调控及大型植被修复工程的实施,黄河输沙量已减少近90%[20],但大部分黄河干流上的监测河段水体泥沙含量仍较高,河水静置后沉淀物质多,没有发现完全清澈的河段.另外,中游水质状况显著优于上游和下游河段(p<0.05),表明中部地区尤其是黄土高原植被恢复工程对黄河中游土壤侵蚀和泥沙含量减少方面发挥了积极作用[16].但黄河中游河道内人类活动强度和河岸土地利用类型得分相对最低,主要表现在监测河段出现大型桥梁、闸坝、船舶或工程施工等.河岸带植被覆盖率主要反映调查河段近岸植被覆盖情况,本研究结果显示,黄河上游河岸带植被覆盖率最低,并显著低于下游.这与卫星遥感技术所测得的黄河流域植被盖度情况一致.相对于下游、中游或源区,黄河上游所在的内蒙古、宁夏和甘肃所在区域植被盖度最低,植被生态质量指数也最低[16,21].

3.2 大型河流生境质量评价指标体系构建

目前60%的生境调查方法基于小尺度下快速现场观测,通过现场目测和简单测量获取定性半定量数据,包括英国RHS、美国RBPs、澳大利亚ISC等[3].我国已采用河段尺度的现场生境调查方法对大型河流、城市河流、平原或山地河流开展生境质量评价,如长江干流及支流[5,14,22]、海河[23]、辽河[15]、深圳市河流[24]等.尽管不同研究所采用的生境评价指标存在差别,但针对不可涉水河流,推荐采用物理形态特征、生境组成与复杂性、河岸带状况、人类干扰、水文水质状况等类型指标[25].本次生境调查从河道和河岸两个方面选取10项指标,采用现场目测法调查评价黄河干流生境质量状况,基本包括了基于大型不可涉水河流推荐的生境评价指标类型,调查结果也能初步反映黄河干流生境质量整体水平,并对生境质量存在明显差别的监测河段加以区分.本次调查所构建的生境指标体系,各项指标对生境质量评价的权重介于8.63%～12.35%之间,根据权重值大小,初步说明影响黄河干流生境质量的主要因子包括河岸土地利用类型、河道内人类活动强度、水质状况和河岸稳定性等.

然而,针对各项生境指标评价过程的主观性大,不同人员对同一河段的各项指标评价结果容易产生较大差别.若能在各项生境评价指标赋分依据中增加定量依据,将极大增强生境评价过程和结果的客观性和可比性.比如水质状况,在浑浊度方面引入浊度、悬浮物或者含沙量这些可实际测量的量化指标.河岸带植被覆盖率和河岸土地利用类型这两个指标的调查和评价,可借助无人机来获取固定范围内河段的定量数据,将极大增强评价结果的准确性和可靠性.基于此,在未来的河段尺度生境调查工作中,亟须结合相关技术,增强生境指标数据获取的客观性,从而加强生境评价结果的准确性和可比性.

4 结 论

2021年和2022年黄河干流各河段生境质量综合得分H值介于79～153,超过69%的河段生境质量介于90～120分,为中等等级,无较差等级河段.10项生境指标中,大型木质残体分布在全河段得分最低,介于1～5分,水质状况、河道内人类活动强度、河岸带植被覆盖度和河岸土地利用类型等4项指标在不同区域表现出显著差异(p<0.05).主成分分析结果显示,影响黄河干流生境质量的主要因子包括河岸土地利用类型、河道内人类活动强度、水质状况和河岸稳定性等.未来应因地制宜,针对黄河干流特定区域特定河段的关键影响因子提出生态修复和保护策略.

附录见电子版(DOI：10.16366/j.cnki.1000-2367.2022.10.21.0004).