水生植物在河流健康评价中的应用研究进展

刘勇丽, 刘录三,*, 汪星, 王瑜

1. 中国环境科学研究院, 国家环境保护河口与海岸带环境重点实验室, 北京100012 2. 中国环境科学研究院, 环境基准与风险评估国家重点实验室, 北京 100012

水生植物在河流健康评价中的应用研究进展

刘勇丽1,2, 刘录三1,2,*, 汪星1,2, 王瑜1,2

1. 中国环境科学研究院, 国家环境保护河口与海岸带环境重点实验室, 北京100012 2. 中国环境科学研究院, 环境基准与风险评估国家重点实验室, 北京 100012

水生植物是河流生态系统中的初级生产者,积累了一定时期的水文、物理和化学压力, 不仅具有很好的环境指示作用,而且能够很好的反映河流生态系统的健康状况。基于水生植物的评价方法有指示物种法、多指标植物指数法和预测模型法。重点阐述了三种评价方法的研究现状, 分析了其特点和适用性; 指出了现有水生植物评价方法所存在的问题, 得出我国今后应该建立水生植物多要素综合评价方法, 根据各评价指标对河流生态系统健康状况的贡献大小, 对指标体系内的指标进行赋权, 进而计算其综合得分; 提出了今后我国利用水生植物评价河流健康状况的措施。

水生植物; 营养指数; 多指标植物指数; 预测模型; 河流健康

1 前言

河流是人类发展的自然资源之一, 能够为人们提供食物、工农业及生活用水, 还具有调节气候、改善生态环境、维护生物多样性等多种服务功能[1]。河流生态系统在自然界能量流动和物质循环中也发挥着重要的作用。然而, 由于人口的快速增长以及人类活动的加剧, 河流生态系统受到严重损害, 一些河流的水文、水质、河岸带完整性等正在日趋恶化, 生物多样性、社会服务功能也逐步丧失。为促进生态、社会和经济的协调发展, 对河流生态系统健康进行研究已成为当务之急。因此, 恢复和维持一个健康的河流生态系统已经成为近年来环境管理的重要目标[2–5]。

河流健康的概念最初在1972年美国的《联邦水污染控制修正法》(Federal Water Pollution Control Act.)中被提出, 即健康的河流生态系统应具有结构完整性(化学、物理生物完整性)和功能完整性(生态学进程)[6–7]。Karr等认为河流健康就是维持河流生态系统的完整性, 并在河流评价中建立了生物完整性指数IBI(Index of biotic integrity)[8]。随着对河流健康的研究进一步深入, 许多学者认识到这一概念是不全面的, 河流健康概念中应该包括人类价值[9],即河流生态系统不仅能维持自身结构的完整性, 并能维持正常的服务功能和满足人类社会发展的合理需求[10]。

传统的河流健康评价方法是通过监测水体的理化指标, 但是水体理化指标对人为干扰指标的响应不敏感, 而河流生物群落能够整合不同时间和空间尺度上各种化学、生物和物理影响, 不仅能够显著指示水体富营养化状况, 还能够反映河流生态系统的退化。例如, 随着污染的加重, 物种多样性下降,一些敏感指示生物种类数量减少或者消失, 而污染种类个体数量则增加, 进而形成优势种, 因此许多研究学者开始采用生物指标来指征河流水质污染状况[11–12]。

水生植物是指能够长期或永久地在水中正常生活的植物, 包括沉水、挺水、漂浮和浮叶植物, 是河流生态系统中的初级生产者, 具有显著的环境生态功能, 不仅能够为其他水生生物提供食物和栖息地,而且也会对河流的物理化学特性产生影响。新的《欧盟水框架指令》(the Water Framework Directive)规定,水生植物也可以作为指示生物之一来评价河流生态系统的健康状况[13]。相比于鱼类、藻类和大型无脊椎动物, 水生植物能够在其组织内很快富集污染物和重金属[14], 在样品采集和鉴定方面也相对容易[15]。水生植物由于根植在水体中, 积累了一定时期的水文、物理和化学压力, 其结构、功能和生态特征能综合反映河流水生态环境的基本功能特性, 因此不仅具有很好的环境指示作用, 而且能够很好的反映河流生态系统的健康状况[16–18]。水生植物的监测与评价也可以为流域水环境管理提供有价值的信息。本文综述了水生植物在河流中的指示作用, 重点阐述了水生植物评价河流健康状况的各种方法, 其方法在国内外的应用现状和适用范围, 分析了现有评价方法存在的问题, 并对今后利用水生植物评价河流健康提出建议和措施。

2 水生植物的指示作用

利用指示生物监测水体污染状况的方法已经在欧洲等国家广泛应用。不同种类的水生植物对所生长的水域有一定的指示作用[19]。沉水植物对水体污染最为敏感, 随着水体污染的加重, 会出现大面积的死亡甚至消失, 例如轮藻、小茨藻等属于敏感物种, 多分布在轻污染的河流水域中; 苦草、金鱼藻、竹叶眼子菜、微齿眼子菜和水车前等分布在中污染河流水域; 狐尾藻、菹草、篦齿眼子菜等分布在重污染河流水域。挺水植物的耐污能力较强, 对水体中的污染物不敏感, 如水花生、芦苇和香蒲等属于耐污种, 多分布在重污染河流水域。漂浮植物中满江红、浮萍、水鳖、荇菜、菱等对高浓度氮磷的水体有一定的耐受力[20–23]。随着水体富营养化加重,水生植物群落逐渐退化, 挺水植物和浮叶植物群落会逐渐替代沉水植物群落[24]。国外的研究学者按照水生植物的耐污特性赋予了一定的营养等级分值,从1到10进行打分。常见水生植物的物种特性如表1。

3 水生植物在河流健康评价中的应用

随着《欧盟水框架指令》将水生植物纳入河流健康评价的指示生物之一, 许多研究学者开发了一系列的水生植物评价方法, 从评价原理上来看, 分为指示物种法(Indicator species method)、多指标评价法(Multimetrics assessment method)和预测模型法(Predictive model method)。

3.1 指示物种法

指示物种法在河流健康评价中应用比较广泛,主要依据生态系统的关键种、特有种、指示种等的数量、结构功能等指标来描述生态系统的健康状况。水生植物物种有定义明确的生态幅度和物种最适生长条件, 生态幅度宽的物种能够耐富营养化[28], 因此可以利用物种的营养等级分值来评价河流的生态状况[29]。

表1 常见水生植物类群的物种特性[25–27]Tab. 1 The species features of common aquatic plants[25–27]

Haslam等[30]在1978年开发了第一个水生植物营养指数来评价河流污染状况。为了响应《城市废水指令》(Urban Waste Water Treatment Directive)的需求, Dawson等[31]调查了英国河流的水生植物物种并建立了MTR(Mean Trophic Rank)指数, MTR指数得分从 10—100变化, 分值越低, 代表样点的富营养化程度越高。Szoszkiewicz等[27]利用MTR指数评价了波兰河流的生态状况, 结果表明MTR分值与水体环境变量之间有很强的相关性。随后MTR指数被应用于欧洲其他地区河流健康评价中, 但结果却表明其得分与水体营养指标关系微弱[32–34]。Szoszkiewicz等[25]新增了部分水生植物的营养分值, 新增加的MTR指数得分与水体营养浓度关系有了显著提升。Schneider等[35]开发了TIM指数(Trophic Index with Macrophytes)来评价德国水域的营养状况。Haury等[36]建立了 IMBR(Macrophyte Biological Index for Rivers)指数很好地评价了意大利和法国等河流水体富营养化和有机污染状况。Fabris等建立了参考样点指数RI(reference index)[37], 该指数可以检测河流的营养状况, 还可以检测一系列的生态压力。Kuhar等在 RI指数的基础上研发了 RMI指数(River Macrophyte Index), 该指数不仅能够指示环境压力变化, 还能够指示河流富营养化状况[38]。相比国外,我国目前还没有建立相应的水生植物营养指数。部分水生植物指示物种评价方法的特点和适用范围见表2。

虽然基于水生植物的指示物种法都能够有效的评价河流的富营养化状况, 但是没有一个营养指数可以被广泛应用于其他流域[22], 这可能是不同地区指示物种的地理分布不同。Dodkins等[39]建立了水生植物营养指数来评价葡萄牙河流的营养状况。结果表明北部河流营养指数与水体营养指标显著相关, 而南部酸性和干旱河流的相关性很低。这主要是南部干旱河流的水生植物物种数量较少, 并且地中海特殊的气候特点和水文状况, 导致水生植物评价方法很难适用于葡萄牙区域河流。因此在某些缺少生物数据的河流中, 指示物种法的应用受到一定的限制。

3.2 预测模型法

预测模型法主要是通过选择无人为干扰或干扰较小的河段, 建立河流的物理化学特征及相应水生植物组成之间的经验模型, 以此预测被评价河段天然条件下的水生植物组成, 并与实际的物种组成进行对比量化分析。比值越接近1表明该河流越接近自然状态, 其健康状况也就越好[40]。

表2 水生植物指示物种评价方法的特点和适用范围Tab. 2 The characteristics and applicability of aquatic macrophytes indicator species methods

近年来, 越来越多的研究学者利用水生植物建立预测模型来评价河流生态系统健康状况。Dodkins等[28]基于大型植物建立了预测模型 CBAS(Canonical Correspondence Analysis-based Assessment System),通过对参考站点进行分组, 针对每个河流类型制定相应的度量值, 利用CCA分析筛选出了合适的环境响应指标, 基于物种的最适生长条件、生态宽度和物种盖度进行加权平均计算出指标值, 该模型能够区分参考样点和受损样点。参考样点的分组在河流健康评价中占很重要的地位, Fabris等[37]指出河流的生态现状不仅受到营养状况的影响, 而且受到河流类型的影响, 不正确的分类方法会导致河流评价结果不准确。Aguiar等[41]基于水生植物群落在伊比利亚河流建立了两种预测模型, 即 MACPACS Macrophyte Prediction and Classification System)和MAC(Macrophyte Assessment and Classification)模型,结果表明MACPACS模型与人类干扰和营养盐的输入指标的相关性较差, MAC模型则能够显著反应人为干扰情况下河流生态系统的退化。这个模型的区别在于分别选择了植物频度和多度数据建模, 因此MAC模型对河流生态系统退化的预测高于MACPACS模型。

目前国内主要通过建立综合评价模型来评价河流的健康状况, 常用的模型评价方法有模糊综合评判法、层次分析法、灰色综合评判法、贴近度分析法和聚类分析法等。一些研究学者建立了由目标层、要素层、指标层构成的河流健康评价指标体系, 运用层次分析法确定评价指标的权重, 在加权计算出综合评价指数。赵志淼等[42]应用模糊评判法、聚类分析法和贴近度分析法来评价辽河保护区辽河干流铁岭段健康河岸带的生境状况, 得出最适宜的评价方法为贴近度分析法。贾蕊等[43]在赣江南昌段建立了由自然形态状况、生态环境状况和社会服务状况组成的评价指标体系。王劲修等[44]运用层次分析法从河流健康状况、岸坡稳定性、河岸带土壤条件和河岸带植被条件四个方面构建了山西汾河源头河岸带生态状况评价体系。施展[45]等从河岸稳定、河岸廊道、滨水植被、缓冲带植被、护岸带状况和景观适宜性六个方面构建了苏州河上海城区段河流滨岸带生境质量评价体系。肖琳等[46]在浑河流域建立了河流生境质量评价指数, 构建了河岸稳定性、河岸带宽度、河岸带植被状况、河岸带人类干扰、河道水生植物状况、河道形态完整性、河道连通性和河道人类干扰的生境评价指标体系。杜东等[47]从河流水文、河岸带状况、河流形态结构、河流水质理化参数、水生生物指标五个方面构建了太湖主要入湖河流健康评价体系。王强等[48]选用河流生境多样性指数、河道湿润率、生境单元质量指数, 采用专家打分法确定权重系数, 建立了三峡库区东河的生境快速评价指标体系及定量评价模型。陈晨[49]、付爱红[50]、杨予静[51]等运用 PSR模型分别在太子河流域、塔里木河流域和汝溪河流域构建了生态系统健康评价指标体系。部分预测模型评价方法的特点和适用范围见表3。

3.3 指标体系评价法

多指标植物指数评价方法主要是将水生植物的属性(如物种丰度、盖度、物种功能和营养指数等)和河流的物理化学参数列于评价指标体系中, 通过将监测点的一些生物特征指标与参考点的特征指标进行比对评分, 将各指标的得分累加进而划分河流生态系统的质量等级[28]。该类方法最具代表性的是生物完整性指数法IBI。

河岸带具有消减面源污染, 提供野生动、植物生态环境、改善河流生态环境等诸多功能, 河岸带宽度及其生物种类组成等对于河流生态系统健康状况具有较大影响, 因此一些学者将河流中的水生植物与河岸植被结合建立多指标植物指数[52]。Ferreira等[53]建立了伊比利亚多指标植物指数IMPI (Iberian multimetric plant index), 结果显示IMPI值与流域人为干扰呈现一致的相关性, 因此IMPI指数展示了将河岸植被特征与河流全局干扰结合起来的可能性。Aguiar等[54]建立了河岸带植被指数 RVI(Riparian Vegetation Index)来检测伊比利亚半岛河流生态系统的结构和功能组件对于人为干扰的响应。RVI指数在流域尺度上, 结合河岸带植被的特征和流域土地利用变化, 系统分析了河流生态系统的健康状况。该指数能够很好地评价人为干扰对河流生态系统的影响, 但评价指标有 32项, 评价标准也较难确定,因此增加了评价工作的复杂程度。

随后基于水生植物的多指标评价方法也被应用于大型河流的健康评价中。Trémolières等[55]开发了一个多指标植物指数来评估莱茵河边缘水生栖息地的保护状态, 将其生态状况分为从退化到健康的 5个质量等级, 并且得出营养级指标和河流的连通性是影响莱茵河生态状况的重点因素。Moore等[56]在密西西比河建立了沉水植物指数 SMI(Submerged Macrophyte Index)来评价人为干扰对其生态系统退化的影响。结果表明, SMI指数与压力梯度有显著的负相关关系, 能够成功地检测人为压力对密西西比河生态退化的影响, 并且该指数是北美洲第一个利用水生植物评价大型河流生态系统健康的方法。

目前国内主要利用多指标评价法来评价河流的生境质量状况, 并且应用较为广泛, 水生植物组成作为其中的评价指标之一。王强等[57]建立了生境质量评价指标体系HQA(Habitat Quality Assessment)和生境退化指数HMS(Habitat Modification Score)评估了东河河流的生境现状。王建华等[58]在挠力河流域建立了河流生境质量指数 ISHQ(Index of Steam Habitat Quality), 结果显示挠力河流域河流生境质量整体状况良好。刘华等[59]在太湖流域宜兴片建立了河流生境质量指数 IRHQ(Index of River Habitat Quality), 包含河道生境、河岸生境和滨岸带生境3方面共 10项的河流生境质量评价指标体系。王琼等[60]在蒲河流域建立了生境质量评价体系, 采用三分法评分标准对16个指标进行打分, 采取累计求和的方式计算生境综合评价指数。部分多指标植物指数评价方法的特点和适用范围见表2-3。

4 存在的问题

指示物种法能够利用水生植物的特性快捷地指示河流生态系统健康, 但该方法也存在一定的缺陷,如缺乏与水生植物数据的直接联系; 在指标验证和结果解释方面较弱; 仅局限于水体环境的变化, 难以反应人类干扰等因素。虽然水生植物营养指数在国外河流健康评价中应用广泛, 但我国水生植物的分布与国外不同, 目前只有少部分的水生植物有对应的营养等级分值, 因此利用水生植物营养指数评价我国河流健康还需要做更多的研究工作。

预测模型法综合了指示物种法没有被考虑到的指标, 能够很好的反映人为干扰对河流质量等级的影响。但这类方法主要通过水生植物单一物种组成进行比较, 如果河流健康状况受到破坏, 但并未反映在该物种组成变化上, 就无法反映河流的真实健康状况, 这是评价预测模型法的一大缺陷[61], 并且该方法在模型检验时还需要相当大的校准工作。

表3 预测模型评价方法的特点和适用范围Tab. 3 The characteristics and applicability of predictive model methods

多指标体系评价法综合了河流的物理、化学和生物完整性指标, 能够反映河流从一个天然状态到退化的过程, 评价方法简单, 评价结果容易解释。但多指标植物指数的评价指标远远多于前两种方法,给评价工作带来一定的难度, 并且评价标准难以确定, 在评价结果的精度上有所欠缺, 会掩盖单个参数重要的信息[62]。

参考样点的选择是影响河流健康评价的重要因素。有研究证明, 通过专家判定的方法来确定参照点位, 会产生过高评价, 影响评价结果的准确性[63]。参考样点是否有足够的基础数据也会影响评价方法的应用。丹麦研究学者证明, 适用于欧洲的大型植物完整性指数无法应用到丹麦河流的研究中[64]。在现有的水生植物评价方法中, 参考样点的确定大多通过专家调研或者历史数据来判定, 缺少标准来定义和确定合理的参考状态。

我国目前现有的多指标水生植物评价体系, 主要是针对河流生境质量现状的评价, 缺乏生物完整性指标和水体理化指标, 评价体系尚不完整, 不能全面反映河流生态系统的健康状况。现有的预测模型评价方法, 主要是运用层次分析法来确定指标的权重, 没有通过水生植物的结构和功能属性建立评价模型, 而国外建立的 MAC模型已经能够成功地评价河流生态系统的健康状况。并且我国不同地域的河流水文状况, 生物多样性和生物区系各有不同,难以建立一套评价指标体系来适用于不同生态区域的河流健康评价。

综上所述, 一个好的评价方法应该能够提供简单易行的评价标准, 涵盖数量少且具有代表性的指标, 能够提供简单易解释的评价结果[2], 能够对人为干扰做出显著的响应, 能够结合水体和河岸特征综合的反映河流生态系统的健康状况。因此可以建立多要素综合评价方法, 建立包含生物完整性指数、物理生境完整性指数和水质理化参数的综合评价指标体系, 然后对指标体系内的指标进行赋权(即各评价指标针对河流生态系统健康状况的贡献大小), 来综合评价河流生态系统的健康状况。

5 研究展望

从国外的研究来看, 水生植物在河流健康评价中的应用研究很多且已日趋成熟, 而我国水生植物评价技术研究还相对滞后, 不仅选取的评价指标较为单一, 而且缺少针对不同类型河流开展的分类评估研究。目前我国尚未开展水生植物的生物完整性指数研究, 因此未来我国利用水生植物评价河流健康还需要重点开展以下几个方面的研究工作:

(1) 建立长期、系统的水生植物监测体系

建立规范化的水生植被调查方法和物理生境调查方法, 在样品采集和监测指标上设置统一的标准和要求。依靠专家和文献调研等方式确定水生植物的物种特性, 丰富我国水生植物营养等级分值数据库。调查水体和河岸的水生植物特征, 监测相似生态流域内的水生植物组成, 为制定不同地域水生植物评价标准提供基础资料。对仍处于天然状态河流的水生植物指标加强数据调查, 为制定更合适的河流参照状态基准做技术支撑。

(2) 确定合理的参照点位

参照点位在多指标植物指数和预测模型评价法中占很重要的位置, 一般选择河流中完全未受干扰的参照点位作为参考基准。但目前我国大部分河流生态系统退化严重, 难以在同一河流中找到合适的参照点位, 因此在污染较小的河流可以选择受人为干扰较小的参照点位, 在污染较重的河流可以选择最好和最差的参照点位作为参考基准。在参照点位的筛选方面, 可以参考水化、土地利用和水文数据,通过水质指标和生境质量评分进行定量化筛选[65]。

(3) 制定合理的指标评价体系和评价标准

评价指标体系应该涵盖水质, 水文状况、河岸带、水生植物完整性指数和河流生境质量指数等五大要素, 既要有定性指标又要有定量指标, 这样才能全面的反映河流的健康状态。在指标的筛选上,可以运用相关性分析、敏感性分析和识别能力分析等方法, 筛选出个数少、灵敏度高、稳定性好、不存在重复信息, 能够对人为干扰有明显的响应关系的指标体系。在评价标准的确定上, 可以采用三分法、四分法、比值法, 或者依靠专家评定来对参数的范围制定分值。对不同类型的参考点位, 可以制定不同的评分标准。

(4) 开展不同类型河流水生植物评价研究的应用

研究相似区域河流的生态现状, 在此基础上分区建立相应的评价体系。建立适合不同气候条件的河流健康评价体系, 如寒冷地区的和干旱地区河流,富营养化流域和高海拔流域等, 这对水生植物评价方法的广泛应用具有重要意义。同一条河流不同区段水生植物群落结构差异较大, 在建立大型河流评价体系时, 需要对河流类型进行分类, 针对不同类型建立相应的评价体系。

总的看来, 我国水生植物的评价体系尚不完善,需要参照国外水生植物的评价方法, 结合我国实际情况, 构建适合我国河流的水生植物多要素综合评价方法[66]。深入开展水生植物调查研究, 可以结合现代科技手段如遥感、GIS等技术。对我国河流的生态现状进行分区, 在分区的基础上建立相应的评价方法, 可以有效的推动我国河流生态系统健康评价的发展。

[1] 栾建国, 陈文祥. 河流生态系统的典型特征和服务功能[J]. 人民长江, 2004, 35(9): 41–43.

[2] 黄宝强, 李荣昉, 曹文洪. 河流生态系统健康评价及其对我国河流健康保护的启示[J]. 安徽农业科学, 2011,39(8): 4600–4602.

[3] 罗跃初, 周忠轩, 孙轶, 等. 流域生态系统健康评价方法[J]. 生态学报, 2003, 23(8): 1606–1614.

[4] 于宁, 马锡铭, 赵洪波, 等. 河流水生态系统健康评价研究进展[J]. 环境保护与循环经济, 2014, 34(1): 49–51.

[5] 唐涛, 蔡庆华, 刘建康. 河流生态系统健康及其评价[J].应用生态学报, 2002, 13(9): 1191–1194.

[6] KARR J R. Defining and measuring river health[J].Freshwater Biology, 1999, 41(2):221–234.

[7] 郝利霞, 孙然好, 陈利顶. 海河流域河流生态系统健康评价[J]. 环境科学, 2014, 10(10): 3692–3701.

[8] KARR J R. Defining and assessing ecological integrity:beyond water quality[J]. Environmental toxicology and chemistry, 1993, 12(9): 1521–1531.

[9] FAIRWEATHER P G. State of environment indicators of‘river health’: exploring the metaphor[J]. Freshwater Biology, 1999, 41(2): 211–220.

[10] 夏自强, 郭文献. 河流健康研究进展与前瞻[J]. 长江流域资源与环境, 2008, 17(2): 252–256.

[11] 庞治国, 王世岩, 胡明罡. 河流生态系统健康评价及展望[J]. 中国水利水电科学研究院学报, 2006, 4(2):151–155.

[12] 张哲霰. 基于生物学方法的河流健康评价研究进展[J].水利科技与经济, 2014, 20(1): 79–80.

[13] EUROPEAN COMISSON. Directive 2000/60/EC of the European Parliament and of the Council of 23rd October 2000 Establishing a Framework for Community Action in the Field of Water Policy[J]. Official Journal, 2000, 22(22):1–73.

[14] HAARSTAD K, BAVOR H J, MAEHLUM T. Organic and metallic pollutants in water treatment and natural wetlands:a review[J]. Water Science & Technology, 2011, 65(1):76–99.

[15] EL-KHATIB A A, HEGAZY A K, ABO-EL-KASSEM A M.Bioaccumulation Potential and Physiological Responses of Aquatic Macrophytes to Pb Pollution[J]. International Journal of Phytoremediation, 2014, 16(1): 29–45.

[16] CLAYTON J, EDWARDS T. Aquatic plants as environmental indicators of ecological condition in New Zealand lakes[J]. Hydrobiologia, 2006, 570(1): 147–151.

[17] 周上博, 袁兴中, 刘红, 等. 基于不同指示生物的河流健康评价研究进展[J]. 生态学杂志, 2013, 32(8):2211–2219.

[18] 吴东丽, 上官铁梁, 张金屯, 等. 滹沱河流域湿地植被的数量分类和排序[J]. 西北植物学报, 2005, 25(4):648–654.

[19] MILLER S J, WARDROP D H, MAHANEY W M, et al. A plant-based index of biological integrity (IBI) for headwater wetlands in central Pennsylvania[J]. Ecological Indicators, 2006, 6(2): 290–312.

[20] 刘曼红.呼兰河口保护区及周边水域水生动物生态监测与健康评价[D]. 哈尔滨: 东北林业大学, 2012:3.

[21] 蒋丽, 李峰, 王志强, 等. 淮河流域(河南段)水生植物分布特征及成因[J]. 生态与农村环境学报, 2015, 3(3):280–285.

[22] 张萌, 刘足根, 李雄清, 等. 长江中下游浅水湖泊水生植被生态修复种的筛选与应用研究[J]. 生态科学, 2014,33(2): 344–352.

[23] 于海澔, 韩玉芹, 王力功, 等. 指示水质的植物[J]. 森林与人类, 2013, (10):68-71.

[24] 于丹. 水生植物群落动态与演替的研究[J]. 植物生态学报, 1994, 4 (4):372–378.

[25] SZOSZKIEWICZ K, FERREIRA T, KORTE T, et al.European river plant communities: the importance of organic pollution and the usefulness of existing macrophyte metrics[J]. Hydrobiologia, 2006, 566(1): 211–234.

[26] HOLMES N T H, NEWMAN J R, CHADD S. Mean trophic rank: a user's manual[M]. Environment Agency,1999.

[27] SZOSZKIEWICZ K, KAROLEWICZ K, LAWNICZAK A,et al. An Assessment of the MTR Aquatic Plant Bioindication System fo Determining the Trophic Status of Polish Rivers[J]. Polish Journal of Environmental Studies,2002, 11(4): 421–427.

[28] DODKINS I, RIPPEY B, HALE P. An application of canonical correspondence analysis for developing ecological quality assessment metrics for river macrophytes[J].Freshwater Biology, 2005, 50(5): 891–904.

[29] KOHLER A, SCHNEIDER S. Macrophytes as bioindicators[J]. Archiv für Hydrobiologie, Supplement, 2003,147(1): 17–31.

[30] HASLAM S M. A proposed method for monitoring river pollution using macrophytes[J]. Environmental Technology Letters, 1982, 3(1): 19–34.

[31] DAWSON F H, NEWMAN J R, GRAVELLE M J, et al.Assessment of the trophic status of rivers using macrophytes: evaluation of the Mean Trophic Rank[M].Environment Agency, 1999.

[32] SZOSZKIEWICZ K, JUSIK S, LAWNICZAK A E, et al.Macrophyte development in unimpacted lowland rivers in Poland[J]. Hydrobiologia, 2010, 656(1): 117–131.

[33] WILLBY N, PITT J A, PHILLIPS G. The ecological classification of UK rivers using aquatic macrophytes[R].UK Environment Agency Science Reports. Environmental Agency, Bristol, 2009.

[34] HOLMES N.The development and application of Mean Trophic Rank (MTR)[M]. Conservation Monitoring in Freshwater Habitats, 2010.

[35] SCHNEIDER S, MELZER A. The Trophic Index of Macrophytes (TIM)–a new tool for indicating the trophic state of running waters[J]. International Review of Hydrobiology, 2003, 88(1): 49–67.

[36] HAURY J, PELTRE M, TRÉMOLIÈRES M, et al. A new method to assess water trophy and organic pollution—the Macrophyte Biological Index for Rivers (IBMR): its application to different types of river and pollution[J].Hydrobiologia, 2006, 570(1): 153–158.

[37] FABRIS M, SCHNEIDER S, MELZER A. Macrophytebased bioindication in rivers–A comparative evaluation of the reference index (RI) and the trophic index of macrophytes (TIM)[J]. Limnologica-Ecology and Management of Inland Waters, 2009, 39(1): 40–55.

[38] KUHAR U, GERM M, GABERŠČIK A, et al. Development of a River Macrophyte Index (RMI) for assessing river ecological status[J]. Limnologica-Ecology and Management of Inland Waters, 2011, 41(3): 235–243.

[39] DODKINS I, AGUIAR F, RIVAES R, et al. Measuring ecological change of aquatic macrophytes in Mediterranean rivers[J]. Limnologica-Ecology and Management of Inland Waters, 2012, 42(2): 95–107.

[40] 王超, 夏军, 李凌程. 河流健康评价研究与进展[J]. 水资源研究, 2014, 3(03):189–197.

[41] AGUIAR F C, FEIO M J, FERREIRA M T. Choosing the best method for stream bioassessment using macrophyte communities: indices and predictive models[J]. Ecological Indicators, 2011, 11(2): 379–388.

[42] 赵志淼. 辽河保护区健康河岸带及其评价方法研究[D].沈阳: 沈阳大学, 2013:54–55.

[43] 贾蕊. 赣江南昌段河流健康评价研究[D]. 南昌: 南昌大学, 2012:29–32.

[44] 王劲修, 齐实, 张耀启, 等. 山西沁河上游河岸植被缓冲带综合评价[J]. 南京林业大学学报:自然科学版, 2012,36(1): 152–155.

[45] 施展. 平原河网地区城市河流滨岸带生境评价研究-以上海市苏州河为例[D]. 上海: 华东师范大学, 2008: 27–38.

[46] 肖琳. 浑河流域河流生境的分类及其评价体系构建[D].重庆: 西南大学, 2012: 20–26.

[47] 杜东. 太湖主要入湖河流生态系统健康评价[D]. 武汉:湖北大学, 2013: 31–36.

[48] 王强, 袁兴中, 刘红,等. 山地河流生境快速评价模型与应用[J]. 水利学报, 2011, 08(8): 928–933.

[49] 陈晨. 太子河流域生态系统健康评价研究[D]. 长沙: 湖南科技大学, 2013: 35–38.

[50] 付爱红, 陈亚宁, 李卫红. 基于 PSR模型的塔里木河流域生态健康评价[C]// 第五届中国青年生态学工作者学术研讨会论文集, 2008.

[51] 杨予静, 李昌晓, 丽娜·热玛赞. 基于 PSR 框架模型的三峡库区忠县汝溪河流域生态系统健康评价[J]. 长江流域资源与环境, 2013, 22(Z1):66–74.

[52] FERREIRA M T, ALBUQUERQUE A, AGUIAR F C, et al.Assessing reference sites and ecological quality of river plant assemblages from an Iberian basin using a multivariate approach[J]. Archiv für Hydrobiologie, 2002,155(1): 121–145.

[53] FERREIRA M T, RODRÍGUEZ-GONZÁLEZ P, AGUIAR FC, et al. Assessing biotic integrity in Iberian rivers:development of a multimetric plant index[J]. Ecological Indicators, 2005, 5(2): 137–149.

[54] AGUIAR F C, FERREIRA M T, ALBUQUERQUE A, et al.Structural and functional responses of riparian vegetation to human disturbance: performance and spatial scaledependence[J]. Fundamental and Applied Limnology/Archiv für Hydrobiologie, 2009, 175(3): 249–267.

[55] TRÉMOLIÈRES M, COMBROUX I, HERRMANN A, et al. Conservation status assessment of aquatic habitats within the Rhine floodplain using an index based on macrophytes[J]. Annales De Limnologie-international Journal Of Limnology, 2007, 43(4): 233–244.

[56] MOORE M J, LANGREHR H A, ANGRADI T R. A submersed macrophyte index of condition for the Upper Mississippi River[J]. Ecological Indicators, 2012, 13(1):196–205.

[57] 王强, 袁兴中, 刘红,等. 基于河流生境调查的东河河流生境评价[J]. 生态学报, 2014, 34(6): 1548–1558.

[58] 王建华, 田景汉, 吕宪国. 挠力河流域河流生境质量评价[J]. 生态学报, 2010, 30(2): 481–486.

[59] 刘华, 蔡颖, 於梦秋,等. 太湖流域宜兴片河流生境质量评价[J]. 生态学杂志, 2012, 31(5): 1288–1295.

[60] 王琼, 范志平, 李法云,等. 蒲河流域河流生境质量综合评价及其与水质响应关系[J]. 生态学杂志, 2015, 02(2):516–523.

[61] 吴阿娜, 杨凯, 车越,等.河流健康状况的表征及其评价[J]. 水科学进展, 2004, 16(4): 602–608.

[62] 张杰. 广西桂林漓江流域水生态健康评价预测模型研究[D]. 南京: 南京农业大学, 2010: 2–4.

[63] BERNET C. BERNET CATCH Theme Report: How to define, assess and monitor the ecological status of rivers,lakes and coastal waters. Regional interpretation of EU Water Framework Directive in the Baltic Sea Catchment[R].Denmark: BERNET CATCH, 2006.

[64] PETERSEN J D, RASK N, MADSEN H B, et al. Odense Pilot River Basin: implementation of the EU Water Framework Directive in a shallow eutrophic estuary(Odense Fjord, Denmark) and its upstream catchment[J].Hydrobiologia, 2009, 629(1): 71–89.

[65] 渠晓东, 刘志刚, 张远. 标准化方法筛选参照点构建大型底栖动物生物完整性指数[J]. 生态学报, 2012,15(15):4661–4672.

[66] 王业耀, 阴琨, 杨琦, 等. 河流水生态环境质量评价方法研究与应用进展[J]. 中国环境监测, 2014, 30(4): 1–9.

Application of aquatic macrophytes in river health assessment: a review

LIU Yongli1,2, LIU Lusan1,2*, WANG Xing1,2, WANG Yu1,2
1. State Environmental Protection Key Laboratory of Estuarine and Coastal Environment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 2. State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012, China

Aquatic macrophytes, accumulated a certain period of hydrological, physical and chemical stresses, is the primary producer in river ecosystems. Aquatic macrophytes not only have a good indicative function of the environment, but also can greatly reflect the status of river ecosystem health. The assessment methods based on aquatic macrophytes consist of indicator indices, multimetric indices and predictive models. This paper mainly introduced the research progress of aquatic macrophytes assessment methods, and analyzed the characteristics and applicabilities of different assessment methods.Furthermore, we pointed out the related existing problems of aquatic macrophytes assessment methods, which indicated that multi-factors comprehensive assessment method should be set up in the future. According to the contribution of assessment index to the river ecosystem health, we can give weighs for the indices, so as to calculate the comprehensive score. Finally,we put forward some suggestions of aquatic plants used for river health assessment in future.

aquatic macrophytes; trophic status; multimetric plant index; predictive model; river health

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.03.030

Q178

A

1008-8873(2017)03-207-09

刘勇丽, 刘录三, 汪星, 等. 水生植物在河流健康评价中的应用研究进展[J]. 生态科学, 2017, 36(3): 207-215.

LIU Yongli, LIU Lusan, WANG Xing, et al. Application of aquatic macrophytes in river health assessment: A review[J]. Ecological Science, 2017, 36(3): 207-215.

2015-11-20;

2015-12-18

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2015ZX07201-008)

刘勇丽(1989—), 女, 陕西汉中人, 硕士研究生, 主要从事水生生物方面的研究, E-mail: liuyl1026@126.com

*通信作者:刘录三, 男, 博士, 研究员, 主要从事水生生物多样性、生物监测与评价方面研究, E-mail: liuls@craes.org.cn