香溪河流域水生态系统健康评价

孙徐阳, 李卫明, 粟一帆, 李金京, 胡 威

三峡大学水利与环境学院, 湖北 宜昌 443002

水生态系统既是较为开放活跃的生态系统类型，也是地球上受人类影响最严重的生态系统之一. 目前，受人类活动的影响，局部水生态环境问题日益凸显，如水质恶化、生物群落退化、河岸带侵蚀严重等，导致生态系统服务功能不具有可持续性[1]. 开展科学有效的河流健康诊断、分析不健康成因是针对性制定生态修复与保护方案的前提.

生态系统健康指结合人类健康理念，在生态学框架下对生态系统状态特征的一种系统诊断方式[2]. 20世纪80年代国外学者首次提出“生态系统健康”的概念[3]，开始聚焦于生态系统的整体健康. Karr[4]认为，河流生态健康应具有物理、化学、生物多重属性，并率先尝试应用鱼类生物完整性指数评估河流的生态状况. 20世纪90年代中后期，国外围绕河湖生态健康的理论与方法研究进一步发展. Schofield等[5]将未受人类活动干扰的河流生态作为理想(健康)状态. 以Meyer[6]和Rogers等[7]为代表的部分学者则认为河流在保持其生态完整性的同时，还应满足社会需求和期望. 唐涛等[8]于2002年将这一重要概念引入国内，随后国内学者在河湖健康内涵辨析与评估实践方面进行了有益探讨[9-12]，使其成为宏观生态学与生态系统管理研究的热点问题之一[2]. 目前，主流的评价方法可分为指标体系法和指示物种法，二者既有区别又有联系[13-14]. 指标体系法因具有综合性、多尺度等特点，被广泛应用于生态系统健康评价研究. 粟一帆等[15]从整体性、稳定性、可持续性3个方面构建了汉江中下游生态系统健康评价体系. 朱卫红等[16]基于河流水文、河流形态、河岸带状况、水体理化参数和河流生物5个层面选取了22项指标，结合层次分析法评价了图们江流域河流生态系统健康. 指示物种法的研究对象则由传统的鱼类、底栖动物、浮游生物延伸到微生物群落. 苏瑶等[17]应用微生物生物完整性指数评估了城市河道的生态健康状况. 指示物种法定量精度高，但侧重于描述指定生物群落的结构和功能，无法完全反映生态系统的复杂性和区域性[18-19].

目前针对三峡库区干支流生态环境的研究大多侧重于单个方面，综合考虑水环境和水生态的研究还比较少[20]. 三峡水库主要支流因受库区蓄水影响普遍形成不同范围的回水区，回水区和非回水区的水动力、水生态状况存在较大差异. 该文以三峡库区香溪河流域为研究对象，从水环境、水生生物、物理栖息地三方面构建了香溪河水生态系统健康评价指标体系，并进行了干支流生态系统健康评价研究，同时进一步分析了香溪河干流库湾生态系统健康状况的年内变化规律. 研究成果对于相似条件下中小河流健康诊断研究具有一定的借鉴意义，同时为三峡库区干支流生态修复提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 研究区域

香溪河是三峡库区湖北省境内的一条一级支流，河口距三峡大坝34.5 km. 香溪河全流域面积 3 099 km2，覆盖了兴山县大部以及神农架和秭归县的小部分地区. 干流长94 km，主要支流有南阳河、古夫河和高岚河. 流域内海拔差异较大，地势东高西低. 香溪河多年平均径流量为20.17×108m3，流域多年平均降雨量为 1 052.43 mm. 受三峡水库蓄水影响，香溪河下游段形成了较长范围的回水区，特殊的水动力条件增加了水华暴发的风险. 该研究于2017年4月、6月、9月、12月对香溪河干流(XX01～XX11)进行了4次采样分析，11月对干支流共24个代表性样点进行了监测. 香溪河流域水系组成和样点布设如图1所示.

图1 香溪河流域水系组成及样点分布Fig.1 Water system composition and sampling sites distribution of the Xiangxi River Basin

1.2 样品采集及处理

采用Vector三维点式流速仪(Nortek AS Company, 挪威)测定水体流速. 水体基本理化因子包括水温、pH、ρ(DO)、电导率等采用EXO多参数水质分析仪(YSI Company, 美国)现场测定，其中透明度(SD)使用塞氏盘测定. 同时采集表层水样带回实验室分析，参考《水和废水监测分析方法(第四版)》[21]测定水样中的营养盐和重金属含量. 浮游植物样品采用鲁哥沉降法进行浓缩，在奥林巴斯CX31型生物显微镜下观察，并参考《中国淡水藻类》和《淡水微型生物图谱》进行鉴定计数. 底栖动物样品使用116 m2Peterson采泥器采集，筛洗后用10%福尔马林保存. 通过自行捕捞和调查渔民相结合的方式统计渔获物信息. 河流栖息地数据的获取途径包括实地勘察记录、遥感影像解译和相关资料收集.

1.3 分析方法

1.3.1评价体系的建立与评价因子的选取

香溪河水生态系统健康评价指标体系涵盖水环境、水生生物、物理栖息地3个准则层.

a) 水环境层主要包括水文因子和水质因子，水质因子又分为基本理化参数、营养盐参数和重金属参数. 结合香溪河流域水生态环境特点，选择流速表征水文特征. 根据Pearson相关性分析结果，ρ(Cd)、ρ(Hg)、ρ(Pb)、ρ(Chla)与其他指标间的相关性不显著，独立性较好，均予以保留. 而水温、ρ(NH4+-N)和ρ(NO3--N)以及ρ(COD)与包括流速在内的多指标存在显著相关性，因此予以剔除. 全流域pH的分布范围为7.5～8.5，均未超过GB 3838—2002《地表水环境质量标准》正常限值，因判别能力较弱被剔除. 最终选择DO、电导率、SD、ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Chla)、ρ(Cd)、ρ(Hg)、ρ(Pb)共9项指标表征水环境质量.

b) 健康的河流生态系统应具备较为完整的物种组成和营养结构. 香溪河作为三峡库区渔业利用的重点水域，鱼类等生物资源丰富，同时局部水华现象使得浮游植物群落备受关注. 考虑到不同生物群落对环境变化具有不同的响应机制[22]，生物层选择浮游植物、鱼类、底栖动物作为指示物种，分别采用浮游植物Shannon-Wiener多样性指数、杂食性个体数百分比和生物密度来表征. 浮游植物Shannon-Wiener多样性指数(H′)的计算公式为

(1)

式中，S为群落中的种类数，Pk为第k种个体数量占总个体数量的比例.

c) 栖息地层主要描述河道物理特征和河岸带的植被覆盖情况. 河道蜿蜒度是河流形态的重要属性之一. 高度的蜿蜒性能提供多样化的栖息地，对河流中长期的生态系统健康具有积极影响[23-24]. 河流纵向连通性通过计算单位河长的闸坝个数来衡量. 闸、坝等人为障碍物由于改变了河流的自然流态和泥沙输移方式，对局部栖息地造成一定程度的破坏[25]. 河岸带的植被根系有助于水土保持，对维护和改善河流生境具有重要意义. 河岸带植被覆盖情况通过植被覆盖度来表征，通常采用归一化植被指数(NDVI)计算[26]. 植被覆盖度(Fc)的计算公式为

(2)

式中，NDVIveg为纯植被覆盖像元的NDVI值，NDVIsoil为完全无植被覆盖像元的NDVI值.

1.3.2权重的确定

权重反映了各指标在集合中的相对重要性程度，计算指标的权重大小是多指标综合评价的基础. 该研究通过问卷调查的方式咨询了该领域多名专家，取各专家判断结果的平均值作为准则层权重. 同类型指标间的权重则采用熵权法计算. 假设有m个指标，n个评价对象，熵权法的步骤：①原始数据的标准化. 为消除指标间不同量纲的影响，通过标准化公式得到各指标实测数据的标准化值(yij)；②定义第i个指标的熵值(Hi)；③计算第i个指标的熵权(wi).

(3)

(4)

(5)

1.3.3评价标准的确定

确定科学适用的评价标准是健康评价的重要环节，对评价结果的合理性具有重要影响. 鉴于数值方法确定评价标准具有一定的局限性，如所需数据量较大、难以推广应用、科学性不足等，该研究参考国内外既行规范和相关文献确定各指标的定量分级标准，对于缺乏参考资料的指标则采用分位数法确定对应标准.

1.3.4评价模型

与水环境质量指数、河流污染指数等评价模型类似，河流健康指数已经成为评估河流生态现状和修复效果的科学工具，在生态环境领域得到广泛应用[27]. 河流健康指数(RHI)的计算方法为

(6)

式中，Mi为第i种指标赋分值. 考虑到指标体系法对单个指标的指示作用会有一定程度的弱化，在评价过程中引入一票否决机制，即水生态系统服务功能(包括生活供水、水产品生产等)存在较大潜在风险(如重金属含量严重超标)时，其健康水平可直接判定为低等级.

结合不同健康水平下生态系统的特征和流域水生态环境现状确定健康等级标准，将水生态系统健康状况分为5级(Ⅰ～Ⅴ)，分别对应优、良、中、差、极差5个水平(见表1).

表1 香溪河流域水生态系统健康等级标准

2 结果与分析

2.1 指标体系建立及权重计算

香溪河流域水生态系统健康评价指标体系见表2. 准则层权重大小表现为水环境>水生生物>物理栖息地. 水环境层中，流速、SD、ρ(TP)、ρ(Chla)权重相对较高. 水生生物指标中，浮游植物Shannon-Wiener指数权重高于鱼类和底栖动物指标. 栖息地方面，植被覆盖度权重最大，其次为河道蜿蜒度和河流连通性.

2.2 指标标准建立

为客观、真实地评估区域水生态健康状况，参考前人的研究成果和GB 3838—2002《地表水环境质量标准》等指导规范，结合香溪河流域各评价因子实际情况，将各指标分成5个等级，赋值区间为0.2～1.0(见表3). 赋值越高表明指标状态越好，越接近理想值.

表2 香溪河流域水生态系统健康评价指标体系

2.3 香溪河流域综合评价结果

表3 健康评价指标评分标准

汛后蓄水期内香溪河各样点的健康水平分布见图2. 河流健康指数(RHI)的分布范围为0.585～0.888，涵盖了优、良、中3种不同水平. 健康水平为优的样点有3个，均分布在支流南阳河，占样点总数的12.5%；健康等级为良的样点有19个，占样点总数的79.2%；仅有2个样点评价结果为中等，未有差和极差水平出现. 综合全流域所有样点的评价结果，香溪河水生态系统整体健康状况良好，流域内主要河段的生态系统结构完整性较高，有利于区域的可持续发展. 就各准则层而言，水环境对外部变化的响应最为明显，其变幅为0.521～0.929. 支流内各样点的水环境状况均为优、良健康水平，而干流的水环境质量以中健康水平为主. 流域内水生生物得分平均值为0.669，属于亚健康状态，表明指定的水生生物类群结构较为完整. 流域栖息地环境总体较好，调查样点中79.2%为良，16.7%为优.

图2 香溪河流域健康水平空间分布Fig.2 Spatial distribution of health level in the Xiangxi River Basin

3 讨论

3.1 香溪河流域水生态系统健康空间异质性

香溪河流域干支流健康指数平均值从大到小表现为南阳河>古夫河>高岚河>香溪河(见图3). 健康水平呈现出支流高于干流、非回水区高于回水区的空间分布特点. 水环境质量空间分布规律与河流健康指数相似，其中干流库湾的水环境得分(0.583)显著低于上游南阳河(0.862)，河段内超过60%的样点处于中等水平. 水生生物得分的分布特点与河流健康指数略有不同，表现为南阳河>古夫河>香溪河>高岚河. 物理栖息地质量的空间差异性相对较小，干支流得分均在0.7～0.8之间.

3.2 香溪河库湾健康水平的季节变化

在自然因素和人类活动双重影响下，香溪河干流库湾的生物与生境因子均随季节发生一定程度的变化，有必要在前人研究基础上进一步探索水生态健康的年内演变过程. XX01～XX11共11个样点的综合评估结果显示，库湾河流健康指数的平均值大小表现为冬季>秋季>春季>夏季(见图4). 全年仅有良和中两类健康水平，其中夏季中健康水平的占比超过50%. 各季节的水环境得分均显著低于水生生物和物理栖息地. 除冬季外，其余季节均出现了差健康水平的样点. 与此类似，冬季水生生物得分要高于其他季节. 由于时间尺度的限制，物理栖息地质量年内变化很小，库湾中下游整体优于上游.

图4 香溪河库湾健康分值的季节性变化Fig.4 Seasonal variation of health scores of Xiangxi Bay

香溪河库湾部分水质指标和生物指标的季节演变特征见表4. 春夏季库湾水体的ρ(Chla)显著高于秋冬季，与氮磷浓度的时间变化特征类似，表明春夏季综合营养状态指数相对较高，是水华暴发的敏感时期，对水环境质量有较大影响. 已有研究[36]表明，这可能源自于秋冬季库区干支流的水体交换和污染物运输过程. 香溪河水体中重金属含量的年内变化特征为丰水期高于枯水期，这与丰水期地表径流较大有关，同时pH、悬浮物含量等水体理化因子对重金属的迁移转化有一定影响[37]. 水库的周期性调蓄使得支流库湾水动力条件频繁改变，进而影响光热、营养物质等环境因子，从而造成浮游植物群落结构的演替. 浮游植物Shannon-Wiener指数的季节性变化具体表现为夏季最高，平均值达到1.96，春季则最低，为1.64. 杂食性鱼类数量比例常作为构建鱼类完整性指数的指标之一[38-39]. 与其他季节相比，冬季香溪河杂食性鱼类占比较低，群落营养结构相对均衡，水生生物完整性因此得到提升

表4 香溪河库湾部分指标季节变化

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健康评价结果直接反映出香溪河干支流面临的水环境、水生态问题. 香溪河干流水环境质量相对较差，其中春季和夏季水体富营养化问题突出. 回水区丰富的营养盐含量和较缓的流速，使得区域水体在合适的光热条件下极易出现水华现象，从而抑制水生态系统功能. 鉴于库湾营养盐水平受上游径流补给和长江干流倒灌的共同影响，因此需加强区域磷矿治理以及整个三峡库区的农业面源污染防治[40]，其中调整施肥和耕作方案、促进梯田的维护是控制氮磷元素输入的有效手段[41]. 与干流相比，支流的河流连通性普遍较差，直接影响了物理栖息地健康状况，可通过拆除部分小水坝使局部河道的自然形态和各类生物种群得到不同程度的恢复.

4 结论

a) 香溪河水生态系统健康评价指标体系由流速、ρ(DO)、电导率、SD、ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(Chla)、ρ(Cd)、ρ(Hg)、ρ(Pb)、浮游植物Shannon-Wiener指数、杂食性鱼类个体数百分比、底栖动物密度、河道蜿蜒度、植被覆盖度、和河流连通性共16项指标组成. 准则层权重的相对大小表现为水环境>水生生物>物理栖息地.

b) 评价结果显示，2017年三峡水库蓄水期香溪河流域水生态系统整体健康水平为良，其中12.5%的样点评价结果为优，均分布在支流南阳河，79.2%的样点评价等级为良，且呈现出支流高于干流、非回水区高于回水区的空间分布特点.

c) 香溪河库湾健康指数平均值的年内变化特征表现为冬季最高，春秋季次之，夏季最低. 水环境得分显著低于水生生物和物理栖息地，营养盐浓度是影响香溪河库湾水环境质量的关键要素，研究成果可为香溪河流域生态系统修复提供理论支撑.

致谢：感谢三峡大学三峡库区生态环境教育部工程研究中心李瑞萍教授对该研究给予的帮助.