潇河流域灌区河流生态系统健康评价

孟志龙，白欣茹，王 捷，石 瑛

(太原师范学院生物系，山西 晋中 030619)

河流生态系统具有重要的生态服务功能[1]，不仅为流域内人类生产生活提供水资源，同时对于流域范围内生物多样性的保护、景观格局的演化以及空间异质性的变化具有深刻的影响意义[2].然而，随着人类活动规模的扩大，对河流生态系统的影响也日益增强，如筑坝、河道固化、人工景观带的建设等物理过程[3]，以及水质污染和水体富营养化等化学过程[4]，均导致了河流生态系统功能出现不同程度的退化现象.对于河流生态系统健康问题的评价管理，已由单一的水资源功能评价管理[5]扩展到整个河流生态系统的健康评价管理[6].

目前在全球范围内，已有大量的评价指标如浮游生物多样性[7]、GIS技术[8]、快速恢复能力[9]等被广泛应用于河流生态系统的健康评价管理，但科学统一的河流生态系统健康评价管理体系尚不完整.国内学者对河流—农业复合生态系统的健康评价多集中于环境污染群落生态效应[10]、主客观组合赋权方法[11]、生物完整性指数[12]、物理生境及大型底栖动物[13]等方面，大多仅从单一指标对河流生态系统进行评价，缺乏对于因子之间相互影响、相互作用的分析讨论，往往导致评价结果缺乏完整性和客观性.

潇河是汾河的重要支流之一，潇河流域灌区是汾河流域工业发达、农业集中、人口密集的重要区域，由于长期受人类活动影响，河流生态系统健康受到严重威胁[14-15].因此，对于潇河流域灌区河流生态系统的健康评价，显得尤为迫切.本研究以潇河流域灌区为研究区，选取河流形态、河流水文、河岸带状况、地表水化学离子参数以及水生生物等评价指标，构建潇河流域灌区河流生态系统健康多指标评价体系，分析多指标体系下潇河流域灌区河流生态系统的健康等级状况，以期为农业灌区河流生态系统管理提供一定参考依据.

1 研究区概况

潇河全长147公里，发源于山西省昔阳县马道岭，于太原市南郊洛阳村汇入汾河干流，两岸多系平原区，土地肥沃，灌溉受益较大，流域面积约3 921.5平方公里.潇河灌区是清洪两用、井渠结合的全国大型自流灌区，位于山西省晋中盆地东北缘、潇河流域西端、潇河干流出水口的平川地区，属农业经济发达区，是晋中地区重要的粮食、蔬菜种植基地之一，该区域属温带大陆性半干旱季风气候区.白马河是潇河主要支流，全长86公里，于寿阳县城南汇入潇河，两岸多系高原丘陵地貌，流域面积约1 094.7平方公里.松塔河是潇河的主流，松塔水库位于松塔河上，坝址在寿阳县西草庄，是以城市生活与工业供水、灌溉为主，兼顾发电的综合利用大型水库，同时也是潇河的控制性水库.

为了对潇河灌区河流生态系统健康进行评价，在野外调查的基础上，本研究共布设28个采样断面，其中潇河干流设置8个采样断面，松塔河设置6个采样断面，白马河设置4个采样断面(见图1).

图1 研究区采样点分布图

2 材料与方法

2.1 评价指标体系的确定

在对河流生态系统进行多指标健康评价时，需要综合考虑生态安全、社会发展与经济结构之间的关系[16].潇河流域灌区河流生态系统复杂多变，对生态过程产生影响的环境因子较多，本研究在对现有资料分析的基础上，借鉴已有研究，综合考虑可操作性、整体性和科学性等原则，选取河流形态、河流水文、河岸带状况、地表水化学离子参数以及水生生物5个方面，作为本次评价指标体系的项目层，在这5个方面的基础上，选取河床底质类型、弯曲程度、河道水量、生境类型、生物多样性指数、鱼类资源、藻类资源等23项指标为指标层，构建了潇河流域灌区河流生态系统健康评价体系(表1).

表1 潇河流域灌区河流生态系统健康评价指标体系

在对潇河流域灌区河道沿岸植被分布进行样方调查时，于干流地表水采样点(M1～M20)和支流地表水采样点(T1～T8)周围设置样方.野外试验发现河岸带范围内多为草本植物，因此本研究中样方均设定为1m×1m，对样方内各物种的种类、数目、频度、密度、高度和盖度等指标进行统计，计算得出河岸带物种多样性指数和物种丰富度指数，确定河岸带生境类型.由于大规模的鱼类资源和藻类资源调查具有一定难度，本研究通过野外观察、相关资料查阅、专家咨询和沿岸居民走访的形式获取相关数据.

2.2 评价指标权重的确定

以层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)[17]和主成分分析法(principal component analysis，PCA)[18]为基础，将复杂的23项评价指标进一步分解为若干层次和若干指标因素，通过两两比较的方法，确定各要素之间的相对重要性[19].本研究设计了潇河灌区河流生态系统健康评价调查问卷表，在野外采样的同时，邀请水文站工作人员和相关的生态环境专家，利用AHP方法，通过分析各层次之间的相对重要性给出判断值.在此基础上，结合相关性分析法[20]，建立判断矩阵，进行层次单排序和层次总排序，从而获取各评价指标的权重值，结果经一致性检验，CR<0.1.本研究发放问卷调查表46份，收回45份，对其中的42份有效问卷进行量化分析，得出潇河流域灌区河流生态系统健康评价指标权重值(表2).

表2 潇河流域灌区河流生态系统健康评价指标权重

2.3 河流健康状况的评价过程

本研究对潇河流域灌区河流生态系统健康状况的评价过程主要从四个方面展开，依次为：(1)指标层的评分，根据潇河流域野外试验的实际情况，结合各指标的评价标准，对指标层各指标进行评分，从而获得各指标的具体分值.在本研究中，指标层各指标的分值范围为1～5分，依据分级描述情况，若该指标状况越好，则指标分值越高.(2)要素层的评分，在指标层各指标的评分基础上，利用加权平均法对各指标分值进行计算，该结果即为要素层各要素分值.(3)项目层的评分，在要素层各要素的评分基础上，利用加权平均法对各要素分值进行计算，该结果即为项目层各项目分值.(4)河流健康综合评分，在项目层各项目的评分基础上，再次利用加权平均法对各项目分值进行计算，结果即为该采样点河流综合健康指数.通常在河流生态系统健康评价分析中，每一项目层的分值范围为0～20分，当河流生态系统健康状况最好时，河流综合健康指数为100；当河流生态系统健康状况最差时，河流综合健康指数为0[21].为了便于分析，在本研究中将河流综合健康指数分为5个等级(0～20，20～40，40～60，60～80，80～100)，依次对应河流生态系统的健康状况为极差、差、亚健康、健康和很健康.

在野外试验观测的基础上，结合资料查阅和相关性分析，本研究分别对潇河流域灌区河流形态指标、水文指标、河岸带指标和生物指标进行了详细的分级描述(表3，表4，表5，表7).同时选取潇河流域灌区地表水中具有代表性的TN、NO3--N、NH4+-N、NO2--N、DO、COD和BOD作为反映水体理化状况的指标，根据我国《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)和《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)，对潇河流域灌区地表水水质指标进行分级描述(表6).

表3 潇河流域灌区河流形态指标评价标准

表4 潇河流域灌区河流水文指标评价标准

表5 潇河流域灌区河流河岸带指标评价标准

表6 潇河流域灌区河流水质指标评价标准

表7 潇河流域灌区河流生物指标评价标准

3 结果与讨论

3.1 河流健康综合评价

潇河流域灌区河流生态系统健康综合指数如表8所示，结合综合指数法，对潇河流域灌区干流和支流进行河流健康综合评价，结果如图2和表9所示.总体而言，潇河流域灌区干流各采样点断面和各支流的河流健康综合指数不容乐观.其中“健康”的断面个数为5，占总监测断面的17.86%；“亚健康”的断面个数为15，占总监测断面的53.57%；“差”的断面个数为8，占总监测断面的28.57%.结果表明，在所有28个地表水监测断面中，“亚健康”断面占大多数，未发现“很健康”断面和“极差”断面(图2).

图2 潇河流域灌区河流健康评价结果隶属度

表8 潇河流域灌区河流健康综合指数

潇河流域灌区河流生态系统已遭到较大程度破坏.按河段进行划分，干流上游1个断面、中游6个断面、下游3个断面以及支流5个断面属于“亚健康”等级.干流中游3个断面、下游3个断面以及支流2个断面属于“差”等级(表9)，可见潇河流域灌区中下游河流生态系统退化最为严重.何利昌[14]对潇河流域资源水环境系统监测分析结果也显示，潇河流域灌区生态环境已遭到严重破坏，流域内环境承载压力增大，本研究结果与其相一致，与同为半干旱区的石家庄污灌区[22]相比，潇河灌区污染程度较低但环境风险较高，具体表现为人类活动影响明显且强度较高的特点.

表9 潇河流域灌区河流健康评价结果

3.2 河流健康状况特征分析

潇河流域灌区“健康”等级的5个断面均位于河流上游源头附近以及松塔水库区域，沾尚镇(M1)、马坊(M3)、羊头崖(M5)以及南燕竹镇(T4)采样点均位于人类活动较少区域内，水质较好，水生生物丰富.松塔镇(M2)河道的物理形态受人类活动影响较小，河流形态完整，河岸带范围内植被的多样性指数和丰富度指数较高，河流的生态功能较为完整.

上湖乡(M6)、西洛镇(M8)、长宁镇(M9)和庄子乡(M10)河流健康状况属“亚健康”等级，这些河段虽受人类生产生活影响较小，但是河岸带指标分值较低.野外调查发现，在这些河段，河岸带生境多为农业灌区，物种多样性指数和丰富度指数偏低，导致河流生态系统功能有所退化.景尚(M4)、东赵乡(M7)、张庆乡(M14)、任村(M17)、赵家堡(M18)和王吴村(M20)河流健康状况也属“亚健康”等级，这些河段多位于人类活动影响程度较高地区，河岸带生境多为城镇居民区.受人类活动影响，河岸带的宽度范围大多为5～10m之间，河岸带范围内仅有少量草本植物覆盖.赵家堡(M18)的河岸带宽度小于5m，导致河岸带无植被覆盖，河流生态功能严重被抑制.解愁乡(T1)、温家庄(T2)、宗艾镇(T3)、平头镇(T6)和什贴镇(T7)的河流健康状况也属“亚健康”等级，这些河流沿岸为山西省重要的农业灌区，河岸带生境多为农业灌区和村镇聚集区，河岸带多被农田代替，因此河岸带宽度小、物种多样性指数低是这些河段的特点.潇河流域灌区相关研究[14-15，23-25]对水化学离子指标的分析结果显示，这些河段水质较差，水体有明显富营养化现象，水生生物资源数量和丰富度降低，导致这些河段河流生态系统功能退化.

潇河下游流域是山西省重要的农业灌区、城镇聚集区和工业区[15]，采样点长凝镇(M11)、榆次城郊(M12)、潇河湿地公园(M13)、修文镇(M15)、东阳镇(M16)和潇河桥(M19)均位于该区域内，这些河段的河流健康状况属“差”等级.野外调查发现，这些河段沿岸多为煤化工企业和城镇居民住宅区交错分布，在采样点长凝镇(M11)、榆次城郊(M12)、潇河湿地公园(M13)河岸带范围内均为煤化工企业的工矿厂区，这些污染严重的企业产生的废物废水直接或简单处理后排入河道，导致这些河段水质均为劣V类水质，水体黑臭，无水生生物分布，河水中有明显泡沫状物质存在，水质评价指标分值和生物指标分值偏低.采样点修文镇(M15)、东阳镇(M16)和潇河桥(M19)位于城镇居民区附近，河道受人类活动影响明显，发生不同程度的改变，河岸带范围内分布有微型湿地公园等绿化景观，部分河段河床为城市景观人造河床，水流速度缓慢，相关研究表明，城市景观河道中微生物代谢速率缓慢会导致河床沉积物增多，这也是导致这些断面河流形态指标评分偏低的主要原因[26-27].河岸带植被状况、消落带宽度、水文水量以及人为干扰等为流域生境质量的主要驱动因子[28]，采样点平舒乡(T5)、马首村(T8)沿岸分布有水泥厂和洗沙场等工矿企业，河岸带遭到严重破坏.在采样点平舒乡(T5)附近，水泥厂和洗沙场的生产废料直接侵占河床，使河道形态发生明显改变，同时导致河岸带仅有少量草本植物存活，河流的生态功能严重退化，从而导致流域生境质量较差.

潇河流域灌区农业活动对河流生态系统的影响明显，本研究结论与Webster[29]和Lutz[30]相一致，河岸带范围内的农业活动会使河道沿岸形式、河床底质类型、河流弯曲程度、河岸带物种多样性和丰富度发生明显改变.与同为农业灌区的淮河流域相比[31]，潇河流域灌区河流生态系统具有河流形态指标改变明显、河岸带指标受人类活动影响显著的特点.与生态功能较为完整的图们江流域相比[17,32]，潇河流域灌区河流生态系统健康状况不容乐观，无“很健康”等级的断面，超过半数的断面属“亚健康”等级断面.而与同处黄土高原的渭河流域相比[33]，城市和工业排污以及农业面源污染是影响潇河流域灌区河流生态系统健康的主要因素.

4 结论

本研究通过构建潇河流域灌区河流生态系统健康评价体系，对潇河流域灌区河流生态系统健康进行评价.结果表明，潇河流域灌区河流生态系统已遭到较大程度破坏，尤其是中下游流域，河流生态系统退化最为严重.在所有28个地表水监测断面中，总体处于亚健康及以下水平，其中“健康”的断面个数为5，采样点多分布于人类活动影响较小区域内，占总监测断面的17.86%；“亚健康”的断面个数15，多分布于农业灌区和城镇聚集区，占总监测断面的53.57%，“差”的断面个数为8，多分布于潇河中下游流域以及工矿企业聚集区附近，占总监测断面的28.57%，未发现“很健康”断面和“极差”断面.

农灌区河流—农业复合生态系统健康程度主要取决于人为干扰程度以及土地利用方式的不同，对于河流上游以及人为干扰程度较低的地区，可以通过增加植被面积、设置保护区等途径提高生态系统健康程度；而对于农业灌区、城镇聚集区以及工矿企业聚集区等河流中下游流域，可以通过控制污水的排放以及因地制宜提高河道自净恢复能力来提高生态系统健康程度.协调好发展与保护、整体与局部、监测与预判的关系，从而有效提升复合生态系统的稳定性.