河流泥沙及水流对黄河生态健康的调节作用

王海军　王洪铸　赵伟华，　沈亚强，　茹辉军，　梁小民

（1. 中国科学院水生生物研究所，淡水生态与生物技术国家重点实验室，武汉 430072； 2. 长江科学院流域水环境研究所，武汉430010； 3. 浙江省嘉兴市农业科学研究院，嘉兴 314016； 4. 中国水产科学研究院长江水产研究所，武汉 430223）

河流泥沙及水流对黄河生态健康的调节作用

王海军1王洪铸1赵伟华1，2沈亚强1，3茹辉军1，4梁小民1

（1. 中国科学院水生生物研究所，淡水生态与生物技术国家重点实验室，武汉 430072； 2. 长江科学院流域水环境研究所，武汉430010； 3. 浙江省嘉兴市农业科学研究院，嘉兴 314016； 4. 中国水产科学研究院长江水产研究所，武汉 430223）

为对黄河的生态健康进行评价，调查了2008年春、秋两季干流14个河段和4座水库，并选择高等植物、底栖动物及鱼类群落特征等参数进行评价。生物评价结果既有效反映了水质和基质的空间格局，又有其自身分布特点。总体来说，上游的兰州以下河段及下游各河段的健康状况较差，中游各河段相对较好。回归分析表明了各种水文和泥沙过程对生物群落发展和生态健康的重要影响。文章最后就黄河生态系统健康的维持提出了管理建议。

黄河；生态健康；高等植物；底栖动物；鱼类

河流作为人类文明的起源，其积极作用源于河流泥沙的沉积形成了泛滥平原，为人类提供了多样化的生态系统服务功能。黄河流域绝大部分是黄土高原，在漫长的历史过程中冲积塑造了黄淮海泛滥平原，孕育了并一直滋润着伟大的中华文明。随着人口的急剧增长和社会经济的快速发展，黄河泛滥平原生态系统面临着多种胁迫。其中最主要的胁迫因子是大量水利水电枢纽工程的建造。黄河流域水资源的开发利用率高达70%［1］，已经突破河流承载的极限。这些水利水电工程在带来巨大的社会效益和经济效益的同时，也改变了流域内的水－沙平衡，扰乱其自然水文情势，加重了下游河道的泥沙淤积。另外，未经处理污染物的过量输入导致了河流水质的恶化。上述这些过程将对生物群落带来负面影响，进而威胁整个河流生态系统的完整性与健康。为遏止黄河河流-泛滥平原生态系统的恶化趋势，李国英提出了以 “维持黄河健康生命”为终极目标的“1493”治河新理念［2］。刘晓燕［3］也提出了黄河健康生命指标体系，以期建立黄河健康衡量标准，为实践治河新理念提供理论基础。自2001年起，小浪底水库实施了一系列的调水排沙工程，对维持下游河道形态和补给三角洲需水起到了积极的作用，但我们对于生物群落响应的认识尚存在不足。

关于对黄河健康的研究，已有研究多侧重在冲淤平衡、河道形态及河流水质的变化等［4—6］。由于各种原因，过去对于黄河流域尤其是干流水生生物群落的调查比较缺乏。在研究区域方面，已有工作多局限于对黄河三角洲或局部河段的零星调查［7—11］。在各生物类群方面，鱼类资源的调查开展得较早也更全面［12—14］； 关于植被和底栖动物的工作主要集中于河口地区［15—18］。总体来说，历史上对黄河流域各生物类群有一定的了解，但因受研究区域和类群的限制难以对其健康状况作出全面合理的评价。为此，本研究在2008年春季和秋季对黄河干流刘家峡水库以下至黄河口之间的重要河段和水库开展了两次全面生态调查，以期分析河岸高等植物、底栖动物和鱼类等各生物类群的群落特征，并利用这些生物类群对调查区域的生态健康状况进行评价，探讨河流来水来沙过程对河流生态健康的影响。

1　研究区域与方法

1.1样区设置

调查时间为2008年5月6日—6月15日及9月16日—10月31日。调查样站设置在水文站附近（图1），上游包括刘家峡水库、兰州、下河沿、青铜峡水库、石嘴山、蹬口、三湖河口和头道拐； 中游有府谷、吴堡、龙门、三门峡水库和小浪底水库； 下游有花园口、高村、艾山、利津和黄河口。调查河长跨度约3400 km。

图1　黄河干流采样站分布图Fig. 1　The sampling stations on the mainstem of the Yellow River

1.2环境调查

海拔和流速分别用手持式GPS（美国GARMIN公司）和旋浆式流速仪（LS 1206B型，南京水利水文自动化研究所）现场测定。在每个河段设置3个样点采集水样，水样在河岸边取自表层（水面下0.5 m），在河道中间取表层和中层混合水，带回实验室分析。pH和电导率分别用数字pH计（PHS-2F型，上海雷磁公司）和电导率仪（DDS307B型，上海鹏顺公司）测定。总磷用钼锑抗分光光度法（GB11893－89）测定。历史水文数据由黄河水利科学研究院水资源所提供。另外，根据历史水文数据计算了32个水文变动指数。这些参数据其内容分成5组，分别反映各月流量、年极端流量、年极端流量发生时间、高低流量的频率及延时和流量变化改变率及频率。

1.3生物采集

生物采集分定量和定性，在定量采集的同时选择不同生境类型采集各生物类群定性样品。河岸带植被调查采用样方法。视植被分布情况在每个河段设1—9个定量样点，每个样点设3—9个样方。视植物疏密程度设样方面积在10 cm×10 cm—10 m× 10 m。收割植株地上部分，鉴定、计数，称量鲜重、计算生物量（量程为1000 g，精度为0.1 g）。底栖动物的采样点在每个河段设置2—3个。在浅水区用1/16 m2彼得森采泥器采集，在深水区用1 L的横式采样器采集。泥样经40目/英寸铜筛筛洗后于白色解剖盘中分捡动物标本，并用10%福尔马林保存带回鉴定、计数。称重前用吸水纸上吸走动物体表水分（量程220 g，精度0.0001 g）。鱼类的采样点在每个河段设置2—3个，主要通过直接放船下网或使用抬网、撒网等工具进行调查，统计多种渔具渔获物中种类及数量并称重（量程1000 g，精度0.1 g）。

1.4评价方法

选取3个生物类群、5个参数进行评价。其中底栖动物生物指数（Hilsenhoff's Biotic Index，IHB）的计算公式为：

式中ni和ti分别为第i分类单元的个体数和耐污值；N为各分类单元的个体总和； S为分类单元数。ti的确定参考文献［19］和［20］，多数指定到属，部分定到科。IHB=0.00—3.75极清洁； 3.76—4.25很清洁；4.26—5.00清洁； 5.01—5.75一般； 5.76—6.50轻污染；6.51—7.25污染； 7.26—10.00重污染。评价时，将各河段根据各参数按从小到大的顺序进行排列（IHB按从大到小排）。将处于4个分位数河段的健康等级分别定义为差、中、良和优，分别赋值-2、-1、1和2，最后将5个参数的评价赋值相加进行综合评价。

2　结果

2.1基本环境特征

各河段分布于6—1723 m的不同海拔高度（表1），其年降雨量普遍较低且随海拔升高呈降低的趋势，其流量则以龙门为界划分成900和1300 m3/s两个梯度。流速在各河段的空间分布规律似乎不明显，在0—0.85 m/s变动。泥沙含量在府谷至高村之间最高，且远远高于其他河段，其他各河段间差别不明显。各河段pH多接近或超过9。电导率在上游河段之间的差异很大（0.431—1.270 mS/cm），而在中下游各河段之间的差别明显要小得多。总磷浓度总体来说在上游河段水平较高，且河段间的差异很大。叶绿素a在三门峡和艾山之间明显较高，在其他各河段之间的差别相对较小。各河段河道内底质以沙质为主，紧接水库的下游河道底质以卵石和砾石为主，水库内则以淤泥为主。

表1　黄河干流各河段基本环境特征Tab. 1　The environmental characteristics of different segments on the mainstem of the Yellow River

2.2基本生物群落特征

表2给出了各河段生物群落基本特征。高等植物共采集169种，各河段平均45种，密度平均216 ind./m2，生物量平均1337 g/m2。底栖动物共采集64种，平均10种，密度平均599 ind./m2，生物量平均0.73 g/m2。根据IHB，多数河段受到不同程度的污染。鱼类共采集54种。

表2　黄河干流各河段生物群落基本特征（密度，ind./m2； 生物量，g/m2）Tab. 2　The characteristics of biocenosis on the mainstem of the Yellow River

2.3基于生物的河流健康评价

评价时选择各类群生物的种类数来反映生境完整性和综合健康状况，并用底栖动物生物指数反映水体污染程度。植物生物量因在表现植物的生态功能方面优于密度，将作为现存量的代表反映河岸基质的稳定性及水流需求的满足程度。底栖动物由于生态类群庞杂，单从现存量难以反映问题，故其密度和生物量均不参与评价。

从5个生物参数的评价结果来看，各河段健康状况的空间分布规律较明显。从植物种类数来看（图2a），中下游各河段基本较好； 从植物生物量来看（图2b），中游河段较好。从底栖动物种类数来看（图2c），中游河段较好，上游次之，下游最差。从底栖动物生物指数来看（图2d），上游河段基本污染严重，中游次之，下游最好。鱼类种类数对健康评价的规律性不十分明显（图2e），这与鱼类资源本身相对稀少和鱼类采集难度大有关系。

由于不同参数反映的是河流健康的不同方面，其评价结果相互之间存在较大的差异，因此有必要对各种结果进行整合。综合来看（图2f），健康状况较好的河段基本集中在中游，下游的仅花园口较好。

图2　基于各生物类群的黄河干流河段生态健康等级（两个箭头中间为中游，左右各为上下游）Fig. 2　The health status of Yellow River ecosystem based on different biological groups（The segments between the two arrows were middle reaches，the left and right of them were upper and lower reaches respectively）

2.4泥沙含量对生物群落的影响

鉴于泥沙输移与沉积对于生境塑造的重要性，本文分析了泥沙含量与各生物群落特征参数之间的相关关系。结果表明泥沙含量与高等植物、底栖动物和鱼类这三大类群生物的参数均有着显著的相关关系，其中与高等植物之间的关系最为显著（表3）。图3给出了泥沙含量与高等植物生物量、底栖动物种类数及鱼类种类数之间的回归关系。

表3　泥沙含量与各生物参数之间的斯皮尔曼等级相关及皮尔森相关关系Tab. 3　The Spearman and Pearson correlation between sediment content and biological indexes

图3　泥沙含量（kg/m3）与高等植物生物量（g/m2）、底栖动物种类数及鱼类种类数之间的回归关系Fig. 3　The regressions between sediment content and macrophyte biomass，species number of zoobenthos and fishes

2.5水流对生物群落的影响

泥沙的输移与沉积过程受调节于水流的作用，因此水流对各生物群落有着直接和间接的影响。所以，有必要进一步分析水流对生物群落的影响。结果表明植物种类数主要与反映各月流量的第1组（各月流量）水文变动参数关系密切，尤其是平均流量（图4a）； 其密度则与反映年度极端流量的参数关系密切，如平均年最大30日流量（图4b）； 其生物量也与第1组参数关系密切，如最大年最大流速（图4c）。底栖动物种类数仅与pH及年最大1日流量平均值的回归关系较密切，但只刚刚达到显著水平；其密度主要与第2组（年极端流量）参数关系密切，如平均年最小30日流量（图4d）； 其生物量仅与电导率的关系达到显著水平。鱼类种类数与所有理化参数的关系均不显著。

图4　各生物参数与水文参数间的回归关系（密度，ind./m2； 生物量，g/m2）（由于历史水文数据有所缺失，各组关系的样本量n不一样）Fig. 4　The regressions between biological indexes and hydrological indexes（n values are different because of the absence of some hydrological data）

3　讨论

因受研究区域和类群的限制，关于黄河生物群落特征的资料积累难以对其健康状况作出全面合理的评价，相应的理解深度也就有限。比如，以往学者认为黄河水生生物群落 “生物结构简单、生物的种和量都较少”［2］。根据本次调查结果，除了鱼类多样性较低之外，其生物群落总体上发展较好。各河段高等植物种类数在23—74，平均45种，总共169种。而长江鄂州段和武汉段滩地草本植物分别有28和56种［21］，与黄河的差别不大。各河段底栖动物种类数在2—23，平均10种，总共64种； 密度在71—2640 ind./m2，平均599 ind./m2； 生物量在0.01—3.38 g/m2，平均0.73 g/m2。长江江苏段底栖动物（寡毛类、软体动物和昆虫）共38种，平均密度95 ind./m2［22］；长江（23个河段）底栖动物平均密度和生物量分别为382 ind./m2和1.06 g/m2，均与黄河的差别不大。可见，黄河干流的生物资源总体上比较丰富。关于各个生物群落特征的详细报道可参见本研究同期研究结果［23—25］。

生物参数对河流健康的评价结果很好地反映了河流水质和基质的空间分布特征。不同参数评价结果存在一定的差异，这主要是因为各参数反映了河流健康的不同方面，如高等植物对应于河岸基质的稳定性，生物指数对应于水体污染程度。综合各种评价结果，上中下游河段健康状况的分布规律很明显。健康状况较好的河段基本集中在中游，下游的仅花园口较好，这与水质和基质的空间分布特征吻合较好。总的来说，上游兰州以下河段的水质较差［1，26］，下游水质较好但河岸形态不稳定，因此这两段河流的健康状况均较差； 中游河段污染较轻且基质稳定，因此健康状况良好。

植被的发育情况反映的是各河段的河岸生境条件。现实也是如此：上游各河段河岸往往较陡峭，基质以大砾石和大卵石为主，不利于河岸植被的发育，因此植物种类数和现存量都较低； 中游河段坡岸相对平缓，且粗沙和细沙增多，植物易于生长，植物种类数和现存量都较高； 下游河段尽管沿岸筑有陡峭坚固的防洪大堤，但大量的泥沙在这里沉积形成大面积滩地，为植被的发育提供了一定条件，但因河道形态不稳定，植物种类数较高但现存量较低。同植物一样，底栖动物群落的发展需要相对稳定的基质。植被作为重要生境之一，为底栖动物提供稳定的基质和丰富的食物来源。因此，一般在植物生物量较高的河段，底栖动物种类数也较高（图2a和d）。河道中大砾石也为底栖动物提供重要的小生境，大小不同的有机无机颗粒在此沉积，为底栖动物保证了稳定的基质和食物来源，如上游的各个河段。已有研究也观察到类似的底栖动物与生境之间的这种对应关系［27］。

上述各河段生境特征、植被发育情况及动物在空间上的这种对应格局在定量关系分析中也得到验证。相关分析表明泥沙含量与高等植物、底栖动物和鱼类这三大类群生物的参数均有着显著的相关关系。而且，泥沙含量与高等植物之间的关系最为显著，这说明泥沙的沉积首先为植被提供良好的发育场所，进而再为底栖动物和鱼类提供生境和食物来源。泥沙的输移和沉积本身受水流的调节［28］，因此水文过程通过直接或间接的作用在很大程度上影响着这些生物发展。这在定量关系分析中也得到较好的验证。其中第一组水文变动参数是植物对土壤含水量的需求和水生生物基本的栖息地需求。第二组参数主要是为河流渠道地貌和自然栖息地的构建提供条件，满足植物扩展的需要。

针对黄河生态系统面临的现实问题，本研究根据初步结果就如何构建黄河健康生命指标体系和维持健康生态系统提出如下三点具体建议：

一是加强对生物群落的连续监测：以往关于黄河的研究一贯多关注物理和化学方面，如来水来沙过程、水质污染及河道形态等。生物评价工作在最近几年才刚刚起步，尚缺乏系统的生物学监测资料。这使得黄河健康生命维持的相关工作只是片面的。水利部黄河水利委员会曾在2002—2010年成功实施了10次小浪底水库原型调水调沙实验，在来水来沙过程与河道形态方面积累了丰富的资料和经验，但缺乏相对应的生物监测资料，难以全面认识这一系列实验的生态学效应。因此，建议将来在生物监测方面加强力度。

二是完善黄河健康生命指标体系：现有指标体系［3］的水生生物单元中只有鱼类受到关注。由于鱼类调查本身的误差较大，难以量化。因此，在水生生物单元只考虑这4种关键鱼类是否合理值得商榷。要使指标体系能全面评价生态系统的健康状况和确定修复目标，还需补充可量化的生物学指标，并考虑其他生物类群（如高等植物和底栖动物）以弥补鱼类调查带来的误差和对健康评价的片面性。由此，建议在将来的研究中从生态学角度对黄河健康生命指标体系进行完善，以此对黄河的健康进行长期监测并确定不同区段的生态系统修复目标。

三是营造小生境以恢复生物群落：生态系统中各类群生物对生境的需求往往各不相同。在河流生态系统中，大部分区域受水流冲刷干扰较大，因此稳定的小生境对于水生生物的发展至关重要。在稳定的生境中，有机物质在此富集，高等植物和藻类可以得以稳定发展，也为底栖动物等提供了居所和食物来源，鱼类也可到此觅食、产卵。本次调查也发现了这一现象。在河岸带，泥沙若能沉积稳定，植被往往能得以发展，底栖动物也随之发展起来。在较大流速的上游和中游河段，河道中的大砾石也可创造稳定的小生境，使底栖动物得以发展。下游的花园口河段是小生境丰富的典型区域，在主河道边大量泥沙在此沉积，形成大面积湿地和多样的生境，生物群落充分发展，高等植物、底栖动物和鱼类分别达66、21和31种。因此，建议人为地营造一些小生境以促进生物群落的发展。

本研究仍存在不少缺陷，如由于工作量巨大和精力有限，对于生物的全面调查仅开展了两次。若能有周年四个季度调查，则可从时间尺度上探讨生态健康及其影响因素的变迁。

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REGULATION OF SEDIMENT AND HYDROLOGICAL PROCESS ON ECOLOGICAL HEALTH OF THE YELLOW RIVER

WANG Hai-Jun1，WANG Hong-Zhu1，ZHAO Wei-Hua1，2，SHEN Ya-Qiang1，3，RU Hui-Jun1，4and LIANG Xiao-Min1
（1. State Key Laboratory of Freshwater Ecology and Biotechnology，Institute of Hydrobiology，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430072，China； 2. Basin Water Environmental Research Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China； 3. Jiaxing Academy of Agricultural Sciences，Jiaxing 314016，Wuhan； 4. Yangtze River Frisheries Research Institute，Chinese Academy of Fishery Sciences，Wuhan 430223，China）

The current study assessed the health status of the Yellow River ecosystem based on macrophytes，zoobenthos，fishes and their environments from investigation in Spring and Autumn，2008 on 14 segments and 4 reservoirs on the mainstem. The results showed a high variation in health status among river segments with healthier segements concentrated in the middle reaches. The results of biological ansalysis reflected the spatial distributions of water quality and substrates of the river. Segments below Lanzhou were poor in water quality. The lower segments were better in quality but unstable in shore shapes. Segments of these two regions were therefore relative poor in eco-health. Comparatively，the middle segments were better in eco-health due to the light pollution and stable substrate. Regression analysis showed vital roles of hydrological and sediment processes in the development of biological assemblages. These findings support the importance and requirement to establish biological indexes to assess the eco-health and maintain the eco-health of the Yellow River.

The Yellow River； Ecological health； Macrophytes； Zoobenthos； Fishes

Q146

A

1000-3207（2016）05-1003-09

10.7541/2016.130

2015-08-25；

2016-01-11

水利部公益性行业科研专项（编号：2007SHZ1-19）； 中国科学院青年创新促进会（编号：20143121） 资助 ［Supported by the Ministry of Water Resources Public Sector Research Program（Grant No. 2007SHZ1-19）； the Youth Innovation Association of Chinese Academy of Sciences（Grant No. 20143121）］

王海军（1978—），男，江西玉山人； 副研究员； 主要从事淡水生态学研究。E-mail：wanghj@ihb.ac.cn

梁小民，E-mail：liangxm@ihb.ac.cn