渭河河流生态系统完整性评价体系的构建

2020-05-06宋蒙蒙田爽卢奥然殷旭旺徐宗学

大连海洋大学学报 2020年2期

宋蒙蒙，田爽，卢奥然，殷旭旺*，徐宗学

(1.大连海洋大学水产与生命学院，辽宁省水生生物学重点实验室，辽宁大连 116023; 2.北京师范大学水科学研究院，北京 100875)

河流健康评价始于20世纪中期[1]，最初主要是对水体生物需氧量、化学需氧量和大肠菌群数量等的测定[2]。后来，国内外学者提出多种评价方法，如中国的《地表水环境质量标准》[3]用水质反映河流健康状况，又如Karr等[4]于1981年提出生物完整性的定义，建立了鱼类生物完整性指数(Fish index of biological integrity, F-IBI)，并应用生物群落结构特征间接反映水生态系统健康受到的影响程度[5]，该方法突破了以往研究中应用单一指标对河流生态系统进行健康评价的局限性，在目前的河流健康评价中应用广泛[6-8]。然而，一些学者对生物完整性评价结果的可靠性提出质疑，如Shields等[9]应用F-IBI对密西西比北部河流的27个点位进行评价，认为生物完整性不能准确反映河流的物理生境情况；殷旭旺等[8]应用着生藻类生物完整性(Index of biological integrity of periphyton, P-IBI)对太子河生态系统进行了评价，多数点位评价结果与实际情况相符，但个别点位存在误判现象；Ladson等[10]提出的溪流状态指数(Index of stream condition, ISC)，从水文、物理、河岸带状况、水质和水生生物特征5个方面评价了澳大利亚河流的健康状况；但由于澳大利亚河流多数受到人类干扰的影响，适合于该方法的一些河流类型多数已经不复存在，因此，ISC不适合对目前的河流健康状况进行评价[11]。

因此，构建一个包括生态系统各组成要素(生态系统生物完整性、化学完整性、物理完整性)的“综合性评价体系”，将会对河流生态系统的健康评价提供更准确的信息和更可靠的结果。渭河(103°50′～110°40′E，33°40′～37°25′N)，是黄河的最大支流，全流域面积为13.43万km2，总长度为813 km。本研究中以渭河为例，应用以《地表水环境质量标准》为基础的水质评价和P-IBI对渭河健康状况进行评价，并以P-IBI为基础，参考栖息地环境质量评价指数(Qualitative habitat evaluation index, QHEI)[12]和溪流状态指数(ISC)中的物理指标，以及河流化学指标，将河流生态系统着生藻类生物完整性、物理完整性、化学完整性3个评价体系的54个指标作为候选指标，构建了渭河河流生态系统完整性(Index of ecosystem integrity, IEI)评价体系，旨在建立一种基于生态系统完整性的河流健康评价方法，提高河流健康评价的准确性和可靠性，为渭河生态环境的治理和保护提供科学的理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域及采样站位设置

采样站位的设定基本涵盖渭河，根据渭河流域干流、支流的工业、农业和生活污染特点，共设置60个具有典型特征的采样点位(图1)，其中渭河水系32个点位，泾河水系15个点位，北洛河水系13个点位，用MAGELLAN全球定位系统(eXplorist-200)记录采样点的经纬度和海拔高度。

1.2 方法

1.2.1 环境因子数据的获取 2013年4月于渭河平水期进行野外调查，选择了11个可量化的物理指标来进行生态系统物理完整性的构建(表1)，其中水温用水质分析仪测定，水深、流速、流量用流速仪测量，河宽用测距仪现场测定，淤泥百分比、细沙百分比、石块百分比用一套底质分样筛网(孔径分别为16、8、4、2、1 mm)测定，其余3个土地利用指标参照中国2007年《土地利用现状分类》[13]划分宽1 km、长10 km的缓冲区进行测量。生态系统化学完整性指标有16个(表1)，其中，总悬浮物、电导率、总溶解固体、溶解氧、pH现场用YSI-85型便携式水质分析仪测定，其余11个指标是在采样点采集两份2 L水样，于48 h内运回实验室根据《水和废水监测分析方法》[14]测定。

1.2.2 着生藻类的采集及鉴定同期对各样点进行着生藻类生物状况进行调查。在采样点河流上下游100 m范围内，依据河流生境的不同，挑选3个大小一致的石块，从各石块上用硬毛刷分别刮取面积为11.34 cm2的着生藻类，用纯净水冲刷至不锈钢托盘中，转移到广口塑料瓶中，加入5%甲醛固定后保存，作为着生藻类的定量样品。依据以上采样方法，重新从原3个石块上采集一份样品，用甲醛固定后作为着生藻类的种类鉴定样品。对于没有石块的点位，从泥沙底质3个不同的区域，刮取表层泥沙放入广口塑料瓶中，加入5%甲醛固定，取样面积为36.32 cm2，同样采集一份定量样品和一份定性样品。在显微镜下对着生藻类进行种类鉴定，样品尽量鉴定到种或属，鉴定主要依据文献[15-16]。

1.2.3 生态系统完整性(IEI)评价指标体系

①参考点和受损点选择。参考点指未受到人类干扰或轻度干扰的样点，受损点指具有明显人类干扰的样点[17]。参考点的选择目前没有统一的方法，本研究中参考了渠晓东等[18]在浑太河流域健康评价中应用的筛选方法，以栖息地环境质量评分(QHEI)[12]在120分以上，水化特征符合国家Ⅱ类水质标准且人类活动干扰强度较小的点位作为参考点；以QHEI得分小于90分的点位作为受损点位[19]，故本研究中确定8个点位作为参考点，即L1、J3、J19、W0、W12、W16、W20、W28，另外确定10个受损点，即L9、J8、J11、W8、W21、W23、W35、W38、W39、W40。

②提出候选指标。生态系统物理完整性选择11个候选指标，化学完整性选择16个候选指标，着生藻类生物指标选择6类属性(物种丰富度、敏感类群、群落多样性、相对丰度、生态型、密度与生物量)，且对环境变化敏感的27个指标作为候选指标(表1)。

③候选指标分布范围筛选。若某指标在95%样点的观测值为零，则删除该指标[20]。

④判别能力分析。比较候选指标参考点和受损点数值在25th～75th分位数箱体范围的重叠情况(IQ值)，选择IQ≥2的指标进行下一步分析[21]。IQ值共有4种情况：箱体未重叠，IQ=3(图2-A)；箱体有部分重叠且各自中位数都在对方箱体范围之外，IQ=2(图2-B)；箱体有重叠且只有一个中位数在对方箱体之外，IQ=1(图2-C、D)；中位数都在对方箱体之内，IQ=0(图2-E)。

表1 渭河河流生态系统完整性(IEI)评价体系候选指标

注：↓表示与干扰强度负相关；↑表示与干扰强度正相关；数值0～3为箱体IQ值

Note：↓refers to the negative correlation with the interference intensity; ↑refers to the positive correlation with the interference intensity；number 0-3 is the box IQ

⑤候选指标冗余分析。对满足箱体图分析的指标两两进行Pearson相关性分析，|R|≥0.6的两个指标仅取其中相对重要的一个[7]。

⑥数据标准化。对筛选所得核心指标对应数据进行标准化[23]以便进行比较。标准化方法：随干扰增强而减小的参数，按式(1)进行标准化；随干扰增强而增加的指标，按式(2)进行标准化；以IEI评价指标体系3个部分核心指标的平均数作为各自得分。

Vi′=Vi/V95%×100，

(1)

Vi′=(Vmax-Vi)/(Vmax-V5%)×100。

(2)

其中：Vi′为标准化后的参数值；Vi为参数值；V95%为参数的第95th分位数；V5%为参数的第5th分位数；Vmax为参数的最大值。

⑦计算指标权重。经过以上步骤，得出各个站点生态系统物理完整性、化学完整性、着生藻类生物完整性(P-IBI)总得分，并应用层次分析法[24]计算3个评价体系的权重，即

(3)

其中：Wi为生态系统物理完整性、生态系统化学完整性、P-IBI对应权重；aij为标度。

经计算，生态系统物理完整性、化学完整性权重均为0.25，P-IBI权重为0.5。IEI总分是这3部分得分的加权平均数，即

(4)

其中：IEI为生态系统完整性得分；Ii为生态系统物理完整性、化学完整性、P-IBI得分。

⑧确定评价标准。参照文献[8]，以参照点位IEI得分值分布的25th分位数作为健康评价标准，若点位的IEI得分大于25th分位数，则表示该点位受到人类干扰较小，为健康水平，对小于25th分位数的得分值分布范围进行三等分，确定出健康、较好、一般、较差4个等级的划分标准。

1.2.4 渭河着生藻类生物完整性(P-IBI)指标体系选取27个生物指标作为候选指标，对其进行分布范围筛选、判别能力分析、相关性分析，得出P-IBI评价体系的核心指标，根据核心指标对环境变化的响应不同进行标准化，以标准化结果的平均值作为各个点位的P-IBI得分，以参考点位得分值的25th分位数作为健康标准，对于小于25th分位数的分布范围进行三等分，确定出的划分标准为健康、较好、一般、较差。

1.2.5 基于《地表水环境质量标准》的水质评价将现有16个水质指标(表1)进行主成分分析(PCA)，筛选出对渭河水质影响最大的环境因子，并将其作为基于《地表水环境质量标准》的水质评价指标。参照《地表水环境质量标准》对各点位水质进行判断，区分出Ⅰ类水(健康)、Ⅱ类水(较好)、Ⅲ类水(一般)、Ⅳ类水(较差)、Ⅴ类水(较差)。由于Ⅳ类和Ⅴ类水适用于一般工业用水、人体非直接接触的娱乐用水及农业用水，故本研究中将Ⅳ类水和Ⅴ类水共同归于较差一列。

1.3 数据处理

用Biodiversity Pro 2.0软件计算香农多样性指数；用Origin 9.0软件进行箱体图分析；用SPSS 23.0软件进行相关性分析；用Canoco for windows 4.5软件进行主成分分析；渭河点位分布图和水生态健康评价图在ArcMap 10.5 软件上完成。

2 结果与分析

2.1 着生藻类的群落结构特征

渭河共采集到着生藻类171种，隶属于4门9目38属，其中，硅藻门150种，占87.72%；绿藻门14种，占8.19%；蓝藻门4种，占2.34%；裸藻门3种，占1.75%。着生藻常见种类有：变异直链藻Melosiravarians、简单舟行藻Naviculasimplex、卡里舟行藻Naviculacari、谷皮菱形藻Nitzschiapalea、两栖菱形藻Nitzschiaamphbia、近缘桥弯藻Cymbellaaequalis、膨大桥弯藻Cymbellaturgida、箱形桥弯藻Cymbellacistula、普通等片藻Diatomavulgare、橄榄形异极藻Gomphonemaolivaceum、极细曲壳藻Achnanthesminutissima、扁圆卵形藻Cocconeisplacentula、梅尼小环藻Cyclotellameneghiniana、斜生栅藻Scenedesmusobliquus。

2.2 渭河IEI评价体系的构建及评价结果

2.2.1 渭河生态系统物理完整性指标体系的构建所选11个物理指标都通过了分布范围的筛选，经过箱体图分析发现，水温、流速、流量、河宽、森林面积百分比、草地面积百分比、黄泥百分比、淤泥百分比、石块百分比9个物理参数进入Pearson相关性检验(表1，表2)，石块百分比(P11)与黄泥百分比(P9)、淤泥百分比(P10)的相关系数分别为-0.885、-0.868，三者之间选择石块百分比作为核心指标。最终筛选出7个核心参数：水温、流速、流量、河宽、森林面积百分比、草地面积百分比和石块百分比。

表2 渭河9个物理候选参数指标间的相关系数

Tab.2 Correlation analysis of 9 physical parameters in the Weihe River Basin

指标indexP1P3P4P5P6P7P9P10P3-0.1031P40.1610.4411P50.285-0.2140.3071P6-0.0910.114-0.084-0.1111P7-0.1410.161-0.143-0.3070.0551P90.271-0.0600.0980.270-0.303-0.1481P100.189-0.1210.2390.382-0.103-0.2920.5371P11-0.2640.102-0.189-0.3700.2360.248-0.885-0.868

2.2.2 渭河化学完整性指标体系的构建所选16个化学指标都通过了分布范围筛选，判别能力的筛选中总悬浮物、电导率、总溶解固体、总磷、高锰酸盐指数、硝酸态氮、活性磷、氯离子8个指标在参考点和受损点之间差异显著(表1)，对其进行Pearson相关性检验(表3)。其中，总悬浮物(C1)和总磷(C6)的相关系数为0.681，两者之间选择总磷作为核心指标；电导率(C2)与总溶解固体(C3)、氯离子(C16)之间相关系数均较高，三者之间选择电导率作为核心指标。最终筛选出5个核心参数：电导率、总磷、高锰酸盐指数、硝酸态氮和活性磷。

2.2.3 渭河着生藻类生物完整性指标体系的构建所选27个指标中仅有8个指标通过了判别能力分析，进入Pearson相关性分析(表4)，其中，反映相对丰度的2个指标曲壳藻百分比(A15)、极细曲壳藻百分比(A24)相关系数绝对值为0.979(>0.6)；曲壳藻百分比(A15)与能反映生态型的两个指标(可运动硅藻百分比A26、具柄硅藻百分比A27)相关系数绝对值分别为0.730和0.933(>0.6)；另外，反映相对丰度的指标菱形藻百分比(A17)和反映生态型的指标可运动硅藻百分比(A26)之间相关系数为0.601(>0.6)。综合以上分析，删除菱形藻百分比、极细曲壳藻百分比、可运动硅藻百分比、具柄硅藻百分比等4个指标，最终筛选出4个核心参数：硅藻属的总数、着生藻类密度、曲壳藻百分比和桥弯藻百分比。

表3 渭河8个化学候选参数指标间的相关系数

Tab.3 Correlation analysis of 8 chemical candidate metrics in the Weihe River Basin

指标indexC1C2C3C6C9C13C14C20.0611C3-0.0520.9641C60.6810.0600.0521C90.0660.0610.0360.4021C130.0510.2500.214-0.0241C140.2690.4390.4100.155-0.0650.4951C160.0420.9700.9800.0300.0060.2760.402

表4 渭河8个着生藻类生物完整性(P-IBI)候选参数指标间的相关系数

Tab.4 Correlation analysis of 8 indices of biological integrity of periphyton(P-IBI)candidate metrics in the Weihe River Basin

指标indexA6A9A15A16A17A24A26A9-0.0511A150.0260.0991A160.054-0.1310.0691A170.0120.027-0.466-0.1651A240.0390.088-0.9790.046-0.4531A26-0.1530.113-0.730-0.3180.601-0.7091A27-0.0740.0830.9330.046-0.4440.918-0.752

2.2.4 渭河生态系统完整性(IEI)健康标准及结果将各个点位核心参数原始数据标准化结果的加权平均数作为各个点位的总分，进而确定健康评价标准(表5)，将此评价标准在渭河进行应用，得到渭河生态系统健康评价(IEI)结果(表6)。如渭河60个点位中，健康点位6个，占10.00%，其中有1个位于洛河水系，1个位于泾河水系，4个位于渭河水系；较好位点4个，占6.67%，其中有1个位于洛河水系，3个位于渭河水系；一般点位9个，占15.00%，其中有2个位于洛河水系，2个位于泾河水系，5个位于渭河水系；41个为较差点位，占68.33%。

表5 渭河生态系统完整性(IEI)、着生藻类生物完整性(P-IBI)、水质评价健康标准

Tab.5 Assessment criteria for index of ecological integrity(IEI), index of Biologrity Integrity of periphyton(P-IBI)and water quality health in the Weihe River Basin

方法method健康healthy较好good一般general较差poorIEI≥69.5369.53^64.7264.72^56.86<56.86P-IBI≥66.1166.11^51.5651.56^47.48<47.48总磷(TP)≤0.020.02^0.10.1^0.2>0.2

表6 渭河3种健康评价结果

2.3 渭河着生藻类生物完整性(P-IBI)健康标准及结果

筛选出渭河P-IBI健康评价体系的核心指标，对其进行标准化，确定P-IBI健康评价标准(表5)，据此标准对各个点位进行评价所得结果见表6。总体评价结果为7个点位健康，8个点位较好，3个点位一般，42个点位较差。一般及其以上点位共18个，其中有12个处于渭河水系。渭河源头清源河、榜沙河、散渡河等河流生境较好，其余大部分点位健康状况较差。综合分析，渭河水系健康状况优于泾河水系，泾河水系健康状况优于洛河水系。

2.4 基于《地表水环境质量标准》的水质评价结果

对基于《地表水环境质量标准》的水质评价所选的16个指标进行主成分分析(PCA)筛选出影响渭河水质的主要环境因子为总磷(TP)，结合中国《地表水环境质量标准》制定出渭河的水质评价标准(表5)。据此对各个点位的评价结果表明，渭河60个点位中有7个健康，17个较好，8个一般，28个较差(表6)。渭河水系32个点位中有健康点位5个，占15.625%；较好点位4个，占12.5%；一般点位1个，占3.125%；较差点位22个，占68.75%。

3 讨论

3.1 渭河生态系统完整性评价

综合渭河生态系统完整性(IEI)评价结果，渭河水系整体水质健康状况优于洛河水系和泾河水系。洛河水系的葫芦河、沮河、洛河、沙家河处于陕中黄土塬梁土壤侵蚀高度敏感区[25]，土壤侵蚀情况明显，水土流失严重；另外，此地人口密集，上游是石油开发重点地区，致使河流健康程度较低。泾河水系的马莲河、湘乐川河位于陕中黄土塬梁土壤侵蚀高度敏感区，生境相对洛河水系较好，但IEI评分结果为较差。究其原因，一方面，影响生物群落结构的重要因子是生境质量，而不是水环境质量[26]，泾河和洛河水系的底质以基岩为主，由于水流速度大，侵蚀作用强，很少有河流冲积物覆盖[27]，致使着生藻类生物群落结构遭到破坏，故P-IBI评价得分较低；另一方面，本研究中所构建的IEI评价体系，P-IBI评价得分占IEI评价得分的50%，因此，着生藻类的生境遭到破坏对评价结果影响的主要原因是马莲河、湘乐川河IEI评分较低。渭河源头清源河、籍河土壤肥沃，自然条件优越，健康等级较高；渭河干流下游水域受到污染，健康等级为较差，这与以往研究结果类似[28]。综合所得数据分析，渭河水系上游健康水平较高，而中游及下游评价等级为较差；洛河水系和泾河水系也表现出相同的趋势，即中上游评价等级高于下游，这与徐宗学等[10]应用着生藻类、底栖动物、鱼类生物完整性对渭河的评价结果一致。

3.2 IEI、P-IBI和水质评价结果差异分析

对于河流健康状况的评价体系，重要的是评价的准确性及可靠性，本研究中所构建的生态系统完整性评价体系IEI，用于渭河的健康评价结果与基于《地表水环境质量标准》和P-IBI的评价结果总体趋势较为一致，表现为IEI得分与P-IBI得分和水质评价得分具有极显著相关性(表7)，说明IEI得出的结果可信度较高。尽管如此，渭河有个别点位的评价结果存在差异(表8)。对比IEI和P-IBI评价结果：有47个点位的P-IBI评价与IEI评价结果完全相同，11个点位评价结果相差一个等级，两者共占96.67%；另一方面，两者间无相差3个等级的点位，相差2个等级的点位有2个，且评价结果为P-IBI比IEI高2个等级；相差一个等级的点位有11个，其中有6个点位P-IBI比IEI等级高，有5个点位P-IBI比IEI等级低。结合表5评价标准，IEI比P-IBI评价标准高，推测其原因主要是本调查于2013年4月(平水期)进行，着生藻类的栖息地环境遭到破坏，各点位P-IBI评价得分整体偏低，其评价标准也较低，使得P-IBI等级比IEI高。虽然生物完整性能通过生物对环境变化的整合作用来反映河流健康状况，但生物完整性与河流健康状况并不完全正相关，其评价结果在个别点位会出现误判现象。如渭河干流W37点位及下游W18点位，水质一般，森林覆盖率低，周围耕地面积大，生境质量较差，但P-IBI评价结果却为较好，而应用本研究中所构建的IEI评价体系，该点位被评为较差，弥补了这一缺陷；与此类似，位于泾河水系的J19点位，河岸已退耕还林十几年，山草茂盛，P-IBI评价结果为较差，而应用本研究构建的IEI评价体系，该点位被评为一般，与实际河流健康状况相符。对比《地表水环境质量标准》的水质评价和IEI评价结果：两者评价结果具有较高相关性，相差一个等级及完全相同的点位共有46个，占76.67%；IEI与水质评价等级相差3个等级的点位共有3个，相差2个等级的点位共有11个，两者占23.33%，可以看出，两种评价方法结果的差异性较大。如位于洛河水系的L2点位，电导率极高(3869 μs/cm)，生境一般，生物完整性较差，其水质评价等级却为健康，而IEI评价体系将其归于较差一列，与实际河流健康状况更接近；又如位于泾河下游地区的J1点位，附近有三原县和富平县，人类活动强度大，其总氮和氨氮含量均超过国家Ⅴ类水质标准，而水质评价结果却为健康，与实际情况相差较大，运用本研究中构建的IEI评价，其评价等级为较差，说明IEI评价能够避免水质只运用一种环境因子对评价结果造成的不准确现象。通过以上分析可知，IEI评价综合了生态系统物理完整性、化学完整性和生物完整性对河流健康进行评价，可以有效弥补其他方法的不足，全面准确地反映实际的河流健康状况，是一种比较可靠的评价方法。

综上所述，本研究中所构建的河流生态系统完整性评价方法在渭河中应用效果较好，与上述两种方法相比评价结果准确可靠，故建议在中国其他地区进行推广使用，为河流健康评价提供有效方法。

表7 渭河各点位生态系统完整性(IEI)、着生藻类生物完整性(P-IBI)和水质评价得分间相关性分析

Tab.7 Scores correlation among IEI, P-IBI and water quality at various sites in Weihe River