基于河流生境调查的东河河流生境评价

王 强，袁兴中 ，刘 红，庞 旭2，3，，王志坚，张耀光

(1.淡水鱼类资源与生殖发育教育部重点实验室水产科学重庆市市级重点实验室西南大学生命科学学院，重庆 400715;2.西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室重庆大学，重庆 400044;3.煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆大学，重庆 400044;4.资源及环境科学学院重庆大学，重庆 400044)

河流生境一般指包括河床、河岸、滨岸带在内的河流的物理结构［1-2］。河流生境为河流生物提供了生存繁殖所必需的条件，同时也是保持河流健康的必要因素。河流生境评价有助于识别生境退化的原因［3］，为河流生态修复提供依据［4］。长期以来，河流生境退化对河流生态系统的影响被认为不如水质的影响重要，未得到足够重视［5］。随着流域水环境问题和水资源危机的日益突出，充分掌握河流的生境、水质和生物资源信息，系统开展河流完整性评价，对河流生态修复和流域可持续管理显得尤为紧迫［6］。

国外河流生境的研究起步早，已构建多套生境调查、评估体系。英国河流生境调查(RHS)始于1992年［7］。1997年，应欧盟水框架指令(European Water Framework Directive，WFD)要求［8］，英国环保署发布了RHS野外调查手册［9］，并于2003年对手册进行了完善［10］。RHS拟通过调查河流物理结构，收集人为干扰因素的基础数据，然后按照河流类型，评估生境质量，确定河段保护价值，为河流环境管理，尤其是为河流生态修复和以破坏河流物理结构为主的建设项目的环境影响评估提供决策依据。RHS主要由4部分内容组成［11］:(1)河流生境野外调查方法;(2)调查数据管理系统;(3)河流生境质量评价指标体系(HQA);(4)评价人为活动对河流物理结构破坏程度的生境退化指数(HMS)。因此，RHS是一套包含调查方法和评价模型的河流生境研究技术体系。目前RHS已成为WFD推荐的标准调查方法，同时也是众多河流生境评估方法中应用最广泛的一种［12-18］。我国河流生境评价的研究刚刚起步［19］。部分学者已开始尝试开展河流生境评估工作［2-4，20］，但系统的河流生境调查和评估技术体系尚未建立。

本研究在位于三峡库区腹心的东河上选择51个河段，采用RHS方法调查河流生境，并选用RHS生境评价模型对河流生境现状进行评估，为东河河流生态环境保护和可持续管理服务，同时向国内相关研究者展示RHS在河流生境评价中的使用方法及特点，为我国的河流生境调查与评价提供借鉴，也为科学全面地评价我国河流生境提供一些新的思路。

1 材料和方法

1.1 研究区域

东河系长江干流左岸一级支流澎溪河的正源，发源于重庆市开县白泉乡一字梁(图1)。东河干流全长 96.7 km，流域面积 1426.6 km2，海拔高程 160—2626 m，河道平均比降7.9‰。东河源头在位于大巴山南坡的雪宝山国家级自然保护区内，是秦巴山区生物多样性关键区域的组成部分。流域属中山地貌，总体地势北高南低，尤其上游河段，山高谷深，河段侵蚀溶蚀强烈，多呈V型峡谷。流域内多年平均降雨量1530 mm，雨季长，洪旱交替出现。

图1 研究区域及调查河段位置示意图Fig.1 Drainage map of Dong River and location of sampling reaches

1.2 调查指标和方法

RHS调查以500 m长的河段为调查单位。调查数据主要通过两种方式获得:一种是分析地形图、土壤类型分布图等基础图件，获取调查河段海拔、坡降、地质、地貌、土壤类型等数据;另一种是对河床、河岸以及河岸坡顶外侧50 m范围内的河流生境进行实地考察。主要调查项目有16项(表1)。

表1 RHS的主要调查指标Table 1 Major sampling indicator of RHS

RHS调查要求避开洪水，在平水期进行。因为洪水不但会改变水流状态，并且伴随着水位上升和水体变浊，河床底质类型的判别也将受到影响［10］。因此，本研究于2011年4月，在东河流域内选取51个河段进行河流生境调查(图1)。其中R1—R14位于东河下游，R15—R24、R50和R51位于中游，其他河段位于上游。东河上游、中游、下游的划分方法见文献［21］。

1.3 河流生境质量评价

HQA从自然性、多样性和稀有性3个方面评估河流生境质量。自然性包含两方面的内容［11］:河床水文地貌结构是天然的，未被破坏;河岸植被应以自然或半自然的地带性植被为主。多样性指河段中自然河流生境结构的丰富程度。稀有性指对动植物保护具有特殊意义的生境类型的数量和分布。例如，河床中堆积的倒木、植物碎屑和直径大于1 m的漂砾被认为可改善水文状态，提高水生昆虫多度，对鱼类资源保护具有重要意义。调查河段中这些生境类型越多，出现的频率越高，结构越复杂，生境质量越好。

HQA评价项目包括10项(表2)。HQA以河流生境类型为评价项目，并根据在河段出现与否、出现频率和分布等因素进行评分。各评分项目包含的评价指标数量不一。一般由该项目对应的自然河流生境类型数决定。例如，RHS中将河床底质分为9类，但在进行河流生境质量评价时，只对基岩、漂砾、圆石、砂砾/卵石、细砂、淤泥、粘土、泥土等8类自然河床底质评分。人工硬化的河床底质不具有自然性，不能作为评价指标进行打分。评价指标得分值多在0—3之间，不超过7。评分项目的得分为下属评价指标得分的累加。将10个评分项目得分相加即为河段HQA值。不同类型(或级别)河流的生境结构差异明显，因此不同类型河流的HQA值不具直接可比性［11］。为此，RHS在前期工作中建立了一个由无干扰和较小干扰河段组成的参照点数据库。HAQ值等级的划分是通过与具有相似地貌特征的参照点比较来确定［11］。

1.4 河流生境退化指数

HMS评价指标见表3。各指标的评分方式及HMS的计算方式与HQA类似。不同的是，HMS是对人类活动的河流生境破坏强度进行评估，不受河流类型影响，因此不同类型河流的HMS可以直接比较。HMS在0—2之间被认为河段的生境保持了较原始状态;3—8之间，表明受到轻微的破坏;9—20之间，表明生境出现明显退化;21—44之间，表明生境已经发生较严重的退化;超过45，则该河段生境已经受到剧烈破坏。

表2 河流生境质量评价(HQA)的评价指标与评分方法Table 2 Indicators and assessment methods of Habitat Quality Assessment(HQA)

1.5 数据分析

采用Pearson相关性分析，分析评价指标之间的相关性。运用主成分分析方法(PCA)确定评价指标对HQA、HMS的贡献率，找出影响河段生境评估的主导评价因子。选用SPSS 15.0中的Kruskal-Wallis H方法检验上、中、下游河段HQA、HMS以及相关指标的差异显著性。选用一元线性回归方法分析HQA与HMS的相关性。显著性水平取0.05。

2 结果与分析

2.1 评价指标相关性分析

评价指标重叠性过高将降低评价结果的可靠性。Pearson相关性分析表明，HQA的评价指标之间存在较显著的相关性(表4)。HMS的评价指标有16项，但是本研究中有6项评价指标在各调查河段中得分为0。对HMS的10项有效评价指标进行Pearson相关性分析，结果表明指标间存在较显著的相关性(表5)。因此，需要对HAQ和HMS的评价指标进行主成分分析，以验证评价指标选择的合理性。

2.2 主成分分析

对HQA评价指标进行主成分分析，结果表明Kaiser-Meyer-Olkin 值为 0.552，Bartlett球度检验值为132.586，相伴概率为0，适合于主成分分析。前5个主成分解释了HQA评价指标中77.994%的信息(表6)，能够较好的反应HQA的空间格局。从评价指标

的载荷上来看(表6)，第1主成分主要反映A1、A3、A9、A10等指标;第2主成分主要反映A5和A6两指标;第3—5主成分分别主要反映A8、A7、A4三个指标。A2在各主成分中载荷均未达到0.6，表明河床底质对调查河段河流生境变化的解释程度较差。这主要是因为51个调查河段均属典型山区河流生境类型，河床底质以卵石(16—64 mm)和圆石(cobble，64—256 mm)为主，各河段之间差异不大。

6) 2—4状态转换。2—4的状态转换是在0—2状态转换的前提下，由于0状态转换到2状态是FDU，因此2—4的状态转换概率为λDD。

表3 河流生境退化指数(HMS)的评价指标与评分方法Table 3 Indicators and assessment methods of Habitat Modification Score(HMS)

表4 河流生境质量指数(HQA)评价指标间的Pearson相关系数Table 4 Pearson correlation matrix between metrics of Habitat Quality Assessment(HQA)and Habitat Modification Score(HMS)

表5 河流生境退化指数(HMS)评价指标间的Pearson相关系数Table 5 Pearson correlation matrix between metrics of Habitat Modification Score(HMS)

对HMS评价指标进行主成分分析，结果表明Kaiser-Meyer-Olkin 值为 0.514，Bartlett球度检验值为130.777，相伴概率为0，适合于主成分分析。前5个主成分解释了HMS评价指标中77.238%的信息(表6)，能够较好的反应HMS的空间格局。从评价指标的载荷上来看(表6)，第1主成分主要反映S3、S11、S16等指标;第2主成分主要反映S1和S14两指标;第3—5主成分分别主要反映S15、S12、S13三个指标。S5、S9在各主成分中载荷均未达到0.6，表明筑堤和清除河岸草丛两种河流生境干扰行为对调查河段河流生境变化的解释程度较差。原因可能是筑堤是调查河段中最常见的河流生境干扰方式，而清除河岸草丛在调查河段中出现的频次较低。通过PCA分析，可以发现HQA和HMS的评价指标均能够较好的反应调查河段河流生境特征与干扰因素的空间分布特征，无明显冗余。

PCA分析结果似乎与Pearson相关性分析结果相矛盾。其原因在于HQA和HMS评价指标反映的是河流生态系统不同空间位置的生境结构和干扰因素的属性特征。这些生境结构或干扰因素之间密切相关。但是这些指标之间不具有可替代性。以流态和河床底质为例，流速越快，河床底质颗粒一般越大。调查河段中流态类型越多，与之相应的河床底质类型也就越多，但是显然流态的生态功能是不能被底质替代的。基于此，可以认为RHS中任何一项评价指标的缺失将影响对河流生境状况的真实反映能力，HQA和HMS评价指标的选择是合理的。

表6 河流生境质量指数(HQA)与生境退化指数(HMS)评分项目主成分分析结果Table 6 Principal components of assessment categories of Habitat Quality Assessment(HQA)and Habitat Modification Score(HMS)

2.3 参照点

本研究中各调查河段所在区域均属典型的中山地貌，山区河流生境特征明显。因此可选择同一参照体系。R18、R33、R44、R45、R46、R50 等 6 个河段距离场镇较远，受人类活动干扰小，河流生境较自然，被选为HQA评价的参照点。以参照点HQA值分布的25%分位数值(54)作为河段生境质量健康的评价标准。对小于25%分位数值的分布范围进行等分，确定各河段HQA评价标准为:差(≤31)、较差(32—39)、中(40—46)、良(47—53)、优(≥54)。

2.4 评价结果

51个河段的HQA值介于24—66之间(图2)。根据河流生境质量分级标准，15个河段的河流生境质量为“优”，占 29.4%;15个河段为“良”，占29.4%;12个河段为“中”，占23.5%;5个河段为“较差”，占9.8%;4个河段为“差”，占 7.8%。51 个河段的HMS值介于1—122之间(图2)，其中4个河段人为干扰少，保持较自然状态，占7.8%;8个河段的河流生境受到轻微的破坏，占15.7%;22个河段生境退化明显，占 43.1%;14个河段生境退化严重，占27.5%;3个河段生境受到剧烈破坏，恢复难度较大，占 5.9%。

图2 河流生境质量指数(HQA)与生境退化指数(HMS)的回归分析Fig.2 Linear regressions between Habitat Quality Assessment(HQA)and Habitat Modification Score(HMS)

回归分析表明HQA与HMS存在显著的负相关关系(图2)。这表明干扰强度越大，河流生境质量越差。从空间上看(表7)，东河上、中、下游调查河段的HQA无明显差异(P=0.931)。从HQA评价指标上看，A3、A7、A8、A9四项指标差异显著(P＜0.05)。这主要是因为越往上游，平均水深越浅，河床中漂砾、心滩等生境结构发育。同时越往上游，人口密度越小，坡顶外侧自然植被越好。越往下游，平均流速逐渐降低，河岸坡度变缓，河床中湿地植被和河岸林发育。临近乡镇驻地河段的生境质量一般较差，如 R9、R15、R16、R51。这些河段流态单一，河岸土地利用以农业用地或建设用地为主，河岸林破坏严重，覆盖度和层次性差。东河上、中、下游调查河段的HMS差异显著(P=0.028)。对HMS评价指标的 Kruskal-Wallis检验表明，S1、S3、S11、S16 四项指标差异显著(P＜0.05)。

3 讨论

3.1 东河河流生境恢复措施

从人为干扰特征和HMS值上看，东河上游、中游河段与下游河段明显不同。东河上游、中游地势陡峭，河流沿岸人口密度低，土地开发强度小。但是由于水能资源丰富，建有大量引水式小水电，导致引水坝至发电厂房之间河段减脱水严重。此外，由于地势陡峭，上游、中游的主要交通干道都沿河修建，对东河河岸造成一定破坏。针对东河上游、中游生境现状和人为干扰特点，建议整体规划流域水电资源开发项目，实施生态放流，保证坝下减脱水河段河流健康;修建沿河公路产生的弃土集中堆放，严禁堆弃在河岸，避免对河岸结构和河床底质造成破坏。东河下游河段生境的主要人为干扰为高强度的土地开发(农业用地、建设用地)，河道采砂，河堤、排污管、桥梁等水工构筑物和三峡水库水位的波动(R6以下河段)。下游河段的生态恢复重点为改造和重建河岸林，提高河岸植被的多样性和群落结构层次结构，减缓面源污染对河流水质的影响;对采砂河道进行合理规划和有序管理，恢复山区河流自然的浅滩-深潭生境格局;加强乡镇驻地的生活垃圾、生活污水的环境管理，减水入河污染物总量。水工构筑物的设计施工在保证安全使用的前提下，尽可能减少对自然环境的破坏。对受三峡水库水位波动影响的河段，由于靠近开县城区，建议结合城市景观规划，对175 m以下三峡水库消落带进行生境改造，实施“基塘工程”、“林泽工程”等项目，改善生境质量［22］。

表7 东河上中下游河流生境质量指数(HQA)与生境退化指数(HMS)的评价结果Table 7 Habitat Quality Assessment(HQA)and Habitat Modification Score(HMS)of sampling reaches in upstream，midstream and downstream of Dong River

3.2 RHS 特点

目前，国外河流生境评估的方法颇多，如德国的水环境野外调查方法，法国的河流物理环境质量评价系统，澳大利亚河流评估系统、河岸快速评估法，美国的快速生物评估草案、栖息地评估程序等。但是这些方法多存在一些问题或局限性。例如RARC被认为适用于树木占主导地位的、自然状态的河岸带评估;AusRivAS被认为适用于环境压力较小的河流［19］;RBP调查河段长度仅为 100 m，长度明显偏短。

赵进勇按照评价方法的技术特征，将河流生境的评价方法分为水文水力学方法、河流地貌法、栖息地模拟法、综合评估法等4类［3］。RHS主要是通过对河流生境物理结构的调查，评估河流生境现状，属典型的河流地貌类生境评价方法。RHS野外调查记录多达200多项，但绝大多数生境指标不需要精确的测量和繁琐的计算，只需记录存在与否，调查结果不会因调查人员的不同产生巨大差异，数据重复性好。每个河段的调查只需1名调查人员在1h内完成。调查仅需记载植被类型，不涉及物种鉴定，调查人员不要求具有专业的生物分类学知识，稍加培训即可开展调查工作。

河流的物理结构具有高度的异质性。不同地域、不同类型河流的地质、地貌、气候、水文等环境条件可能差异巨大。基于河流生境的这一特点，RHS并未通过制定统一的HQA分级标准来判定河流生境质量状态，而是通过与同类型河流上多个参照河段的HQA值相比较来确定河流生境质量状态。同时HQA的评价指标数量也是灵活的。一些指标(如:特殊生境)可以根据其在某类河流中的重要程度做相应增减。因此RHS的生境质量评价模型可用于多种类型河流的生境质量评估。从对东河河流生境的评价结果看，HQA和HMS两个指数能较直观的反映河流生境质量现状，能有效的反应人类活动对河流生境结构的破坏强度和主要干扰因素。因此作为一种针对小型和中型河流通用的生境调查方法，RHS方法能够有效的采集河段生境信息，调查方法与评估模型具有简单、高效、操作性强的特点［23］。

3.3 对我国河流生境评价的启示

国内现有的河流生境评价研究多针对某一条或某一类河流，提出相应的评估指标体系，因此评价方法的应用具有一定局限性。同时，由于国内关于河流生境与河流生物关系的基础研究薄弱，没有很好的揭示河流生境影响河流生物的生态环境机理，对河流生境的概念和内涵没有清晰的认识，不同学者选择的评价指标差异较大，部分评价指标(如水深、流速、污水处理率等)的合理性还值得商榷。此外，国内的研究重视建立河流生境评价指标体系，但很少提出系统的生境调查方法。建立一套成熟的河流生境调查和评价方法需要开展大量的野外调查工作和基础理论研究，是一项长期的工作。根据RHS的开发经验，1994—1996年间，编制委员会的调查河段数量超过5000个。截止1998年，调查河段总长度已达到85000 km。在大量的野外调查基础上，研究人员对调查数据进行了严谨的统计分析，并且开展了大量基础理论研究［5，23-26］，不断完善了 RHS的调查方法和评价体系。

因此，现阶段借鉴RHS技术和经验开展河流调查，建立适合我国国情和河流环境特点的河流生境评价模型，将对完善我国现有河流健康评价技术，提高河流环境管理水平具有积极的意义。

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