基于河流生境調查的東河河流生境評價

王 強，袁興中 ，劉 紅，龐 旭2，3，，王志堅，張耀光

(1.淡水魚類資源與生殖發育教育部重點實驗室水產科學重慶市市級重點實驗室西南大學生命科學學院，重慶 400715;2.西南資源開發及環境災害控制工程教育部重點實驗室重慶大學，重慶 400044;3.煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室重慶大學，重慶 400044;4.資源及環境科學學院重慶大學，重慶 400044)

河流生境一般指包括河床、河岸、濱岸帶在內的河流的物理結構［1-2］。河流生境為河流生物提供了生存繁殖所必需的條件，同時也是保持河流健康的必要因素。河流生境評價有助于識別生境退化的原因［3］，為河流生態修復提供依據［4］。長期以來，河流生境退化對河流生態系統的影響被認為不如水質的影響重要，未得到足夠重視［5］。隨著流域水環境問題和水資源危機的日益突出，充分掌握河流的生境、水質和生物資源信息，系統開展河流完整性評價，對河流生態修復和流域可持續管理顯得尤為緊迫［6］。

國外河流生境的研究起步早，已構建多套生境調查、評估體系。英國河流生境調查(RHS)始于1992年［7］。1997年，應歐盟水框架指令(European Water Framework Directive，WFD)要求［8］，英國環保署發布了RHS野外調查手冊［9］，并于2003年對手冊進行了完善［10］。RHS擬通過調查河流物理結構，收集人為干擾因素的基礎數據，然后按照河流類型，評估生境質量，確定河段保護價值，為河流環境管理，尤其是為河流生態修復和以破壞河流物理結構為主的建設項目的環境影響評估提供決策依據。RHS主要由4部分內容組成［11］:(1)河流生境野外調查方法;(2)調查數據管理系統;(3)河流生境質量評價指標體系(HQA);(4)評價人為活動對河流物理結構破壞程度的生境退化指數(HMS)。因此，RHS是一套包含調查方法和評價模型的河流生境研究技術體系。目前RHS已成為WFD推薦的標準調查方法，同時也是眾多河流生境評估方法中應用最廣泛的一種［12-18］。我國河流生境評價的研究剛剛起步［19］。部分學者已開始嘗試開展河流生境評估工作［2-4，20］，但系統的河流生境調查和評估技術體系尚未建立。

本研究在位于三峽庫區腹心的東河上選擇51個河段，采用RHS方法調查河流生境，并選用RHS生境評價模型對河流生境現狀進行評估，為東河河流生態環境保護和可持續管理服務，同時向國內相關研究者展示RHS在河流生境評價中的使用方法及特點，為我國的河流生境調查與評價提供借鑒，也為科學全面地評價我國河流生境提供一些新的思路。

1 材料和方法

1.1 研究區域

東河系長江干流左岸一級支流澎溪河的正源，發源于重慶市開縣白泉鄉一字梁(圖1)。東河干流全長 96.7 km，流域面積 1426.6 km2，海拔高程 160—2626 m，河道平均比降7.9‰。東河源頭在位于大巴山南坡的雪寶山國家級自然保護區內，是秦巴山區生物多樣性關鍵區域的組成部分。流域屬中山地貌，總體地勢北高南低，尤其上游河段，山高谷深，河段侵蝕溶蝕強烈，多呈V型峽谷。流域內多年平均降雨量1530 mm，雨季長，洪旱交替出現。

圖1 研究區域及調查河段位置示意圖Fig.1 Drainage map of Dong River and location of sampling reaches

1.2 調查指標和方法

RHS調查以500 m長的河段為調查單位。調查數據主要通過兩種方式獲得:一種是分析地形圖、土壤類型分布圖等基礎圖件，獲取調查河段海拔、坡降、地質、地貌、土壤類型等數據;另一種是對河床、河岸以及河岸坡頂外側50 m范圍內的河流生境進行實地考察。主要調查項目有16項(表1)。

表1 RHS的主要調查指標Table 1 Major sampling indicator of RHS

RHS調查要求避開洪水，在平水期進行。因為洪水不但會改變水流狀態，并且伴隨著水位上升和水體變濁，河床底質類型的判別也將受到影響［10］。因此，本研究于2011年4月，在東河流域內選取51個河段進行河流生境調查(圖1)。其中R1—R14位于東河下游，R15—R24、R50和R51位于中游，其他河段位于上游。東河上游、中游、下游的劃分方法見文獻［21］。

1.3 河流生境質量評價

HQA從自然性、多樣性和稀有性3個方面評估河流生境質量。自然性包含兩方面的內容［11］:河床水文地貌結構是天然的，未被破壞;河岸植被應以自然或半自然的地帶性植被為主。多樣性指河段中自然河流生境結構的豐富程度。稀有性指對動植物保護具有特殊意義的生境類型的數量和分布。例如，河床中堆積的倒木、植物碎屑和直徑大于1 m的漂礫被認為可改善水文狀態，提高水生昆蟲多度，對魚類資源保護具有重要意義。調查河段中這些生境類型越多，出現的頻率越高，結構越復雜，生境質量越好。

HQA評價項目包括10項(表2)。HQA以河流生境類型為評價項目，并根據在河段出現與否、出現頻率和分布等因素進行評分。各評分項目包含的評價指標數量不一。一般由該項目對應的自然河流生境類型數決定。例如，RHS中將河床底質分為9類，但在進行河流生境質量評價時，只對基巖、漂礫、圓石、砂礫/卵石、細砂、淤泥、粘土、泥土等8類自然河床底質評分。人工硬化的河床底質不具有自然性，不能作為評價指標進行打分。評價指標得分值多在0—3之間，不超過7。評分項目的得分為下屬評價指標得分的累加。將10個評分項目得分相加即為河段HQA值。不同類型(或級別)河流的生境結構差異明顯，因此不同類型河流的HQA值不具直接可比性［11］。為此，RHS在前期工作中建立了一個由無干擾和較小干擾河段組成的參照點數據庫。HAQ值等級的劃分是通過與具有相似地貌特征的參照點比較來確定［11］。

1.4 河流生境退化指數

HMS評價指標見表3。各指標的評分方式及HMS的計算方式與HQA類似。不同的是，HMS是對人類活動的河流生境破壞強度進行評估，不受河流類型影響，因此不同類型河流的HMS可以直接比較。HMS在0—2之間被認為河段的生境保持了較原始狀態;3—8之間，表明受到輕微的破壞;9—20之間，表明生境出現明顯退化;21—44之間，表明生境已經發生較嚴重的退化;超過45，則該河段生境已經受到劇烈破壞。

表2 河流生境質量評價(HQA)的評價指標與評分方法Table 2 Indicators and assessment methods of Habitat Quality Assessment(HQA)

1.5 數據分析

采用Pearson相關性分析，分析評價指標之間的相關性。運用主成分分析方法(PCA)確定評價指標對HQA、HMS的貢獻率，找出影響河段生境評估的主導評價因子。選用SPSS 15.0中的Kruskal-Wallis H方法檢驗上、中、下游河段HQA、HMS以及相關指標的差異顯著性。選用一元線性回歸方法分析HQA與HMS的相關性。顯著性水平取0.05。

2 結果與分析

2.1 評價指標相關性分析

評價指標重疊性過高將降低評價結果的可靠性。Pearson相關性分析表明，HQA的評價指標之間存在較顯著的相關性(表4)。HMS的評價指標有16項，但是本研究中有6項評價指標在各調查河段中得分為0。對HMS的10項有效評價指標進行Pearson相關性分析，結果表明指標間存在較顯著的相關性(表5)。因此，需要對HAQ和HMS的評價指標進行主成分分析，以驗證評價指標選擇的合理性。

2.2 主成分分析

對HQA評價指標進行主成分分析，結果表明Kaiser-Meyer-Olkin 值為 0.552，Bartlett球度檢驗值為132.586，相伴概率為0，適合于主成分分析。前5個主成分解釋了HQA評價指標中77.994%的信息(表6)，能夠較好的反應HQA的空間格局。從評價指標

的載荷上來看(表6)，第1主成分主要反映A1、A3、A9、A10等指標;第2主成分主要反映A5和A6兩指標;第3—5主成分分別主要反映A8、A7、A4三個指標。A2在各主成分中載荷均未達到0.6，表明河床底質對調查河段河流生境變化的解釋程度較差。這主要是因為51個調查河段均屬典型山區河流生境類型，河床底質以卵石(16—64 mm)和圓石(cobble，64—256 mm)為主，各河段之間差異不大。

6) 2—4狀態轉換。2—4的狀態轉換是在0—2狀態轉換的前提下，由于0狀態轉換到2狀態是FDU，因此2—4的狀態轉換概率為λDD。

表3 河流生境退化指數(HMS)的評價指標與評分方法Table 3 Indicators and assessment methods of Habitat Modification Score(HMS)

表4 河流生境質量指數(HQA)評價指標間的Pearson相關系數Table 4 Pearson correlation matrix between metrics of Habitat Quality Assessment(HQA)and Habitat Modification Score(HMS)

表5 河流生境退化指數(HMS)評價指標間的Pearson相關系數Table 5 Pearson correlation matrix between metrics of Habitat Modification Score(HMS)

對HMS評價指標進行主成分分析，結果表明Kaiser-Meyer-Olkin 值為 0.514，Bartlett球度檢驗值為130.777，相伴概率為0，適合于主成分分析。前5個主成分解釋了HMS評價指標中77.238%的信息(表6)，能夠較好的反應HMS的空間格局。從評價指標的載荷上來看(表6)，第1主成分主要反映S3、S11、S16等指標;第2主成分主要反映S1和S14兩指標;第3—5主成分分別主要反映S15、S12、S13三個指標。S5、S9在各主成分中載荷均未達到0.6，表明筑堤和清除河岸草叢兩種河流生境干擾行為對調查河段河流生境變化的解釋程度較差。原因可能是筑堤是調查河段中最常見的河流生境干擾方式，而清除河岸草叢在調查河段中出現的頻次較低。通過PCA分析，可以發現HQA和HMS的評價指標均能夠較好的反應調查河段河流生境特征與干擾因素的空間分布特征，無明顯冗余。

PCA分析結果似乎與Pearson相關性分析結果相矛盾。其原因在于HQA和HMS評價指標反映的是河流生態系統不同空間位置的生境結構和干擾因素的屬性特征。這些生境結構或干擾因素之間密切相關。但是這些指標之間不具有可替代性。以流態和河床底質為例，流速越快，河床底質顆粒一般越大。調查河段中流態類型越多，與之相應的河床底質類型也就越多，但是顯然流態的生態功能是不能被底質替代的?；诖?，可以認為RHS中任何一項評價指標的缺失將影響對河流生境狀況的真實反映能力，HQA和HMS評價指標的選擇是合理的。

表6 河流生境質量指數(HQA)與生境退化指數(HMS)評分項目主成分分析結果Table 6 Principal components of assessment categories of Habitat Quality Assessment(HQA)and Habitat Modification Score(HMS)

2.3 參照點

本研究中各調查河段所在區域均屬典型的中山地貌，山區河流生境特征明顯。因此可選擇同一參照體系。R18、R33、R44、R45、R46、R50 等 6 個河段距離場鎮較遠，受人類活動干擾小，河流生境較自然，被選為HQA評價的參照點。以參照點HQA值分布的25%分位數值(54)作為河段生境質量健康的評價標準。對小于25%分位數值的分布范圍進行等分，確定各河段HQA評價標準為:差(≤31)、較差(32—39)、中(40—46)、良(47—53)、優(≥54)。

2.4 評價結果

51個河段的HQA值介于24—66之間(圖2)。根據河流生境質量分級標準，15個河段的河流生境質量為“優”，占 29.4%;15個河段為“良”，占29.4%;12個河段為“中”，占23.5%;5個河段為“較差”，占9.8%;4個河段為“差”，占 7.8%。51 個河段的HMS值介于1—122之間(圖2)，其中4個河段人為干擾少，保持較自然狀態，占7.8%;8個河段的河流生境受到輕微的破壞，占15.7%;22個河段生境退化明顯，占 43.1%;14個河段生境退化嚴重，占27.5%;3個河段生境受到劇烈破壞，恢復難度較大，占 5.9%。

圖2 河流生境質量指數(HQA)與生境退化指數(HMS)的回歸分析Fig.2 Linear regressions between Habitat Quality Assessment(HQA)and Habitat Modification Score(HMS)

回歸分析表明HQA與HMS存在顯著的負相關關系(圖2)。這表明干擾強度越大，河流生境質量越差。從空間上看(表7)，東河上、中、下游調查河段的HQA無明顯差異(P=0.931)。從HQA評價指標上看，A3、A7、A8、A9四項指標差異顯著(P＜0.05)。這主要是因為越往上游，平均水深越淺，河床中漂礫、心灘等生境結構發育。同時越往上游，人口密度越小，坡頂外側自然植被越好。越往下游，平均流速逐漸降低，河岸坡度變緩，河床中濕地植被和河岸林發育。臨近鄉鎮駐地河段的生境質量一般較差，如 R9、R15、R16、R51。這些河段流態單一，河岸土地利用以農業用地或建設用地為主，河岸林破壞嚴重，覆蓋度和層次性差。東河上、中、下游調查河段的HMS差異顯著(P=0.028)。對HMS評價指標的 Kruskal-Wallis檢驗表明，S1、S3、S11、S16 四項指標差異顯著(P＜0.05)。

3 討論

3.1 東河河流生境恢復措施

從人為干擾特征和HMS值上看，東河上游、中游河段與下游河段明顯不同。東河上游、中游地勢陡峭，河流沿岸人口密度低，土地開發強度小。但是由于水能資源豐富，建有大量引水式小水電，導致引水壩至發電廠房之間河段減脫水嚴重。此外，由于地勢陡峭，上游、中游的主要交通干道都沿河修建，對東河河岸造成一定破壞。針對東河上游、中游生境現狀和人為干擾特點，建議整體規劃流域水電資源開發項目，實施生態放流，保證壩下減脫水河段河流健康;修建沿河公路產生的棄土集中堆放，嚴禁堆棄在河岸，避免對河岸結構和河床底質造成破壞。東河下游河段生境的主要人為干擾為高強度的土地開發(農業用地、建設用地)，河道采砂，河堤、排污管、橋梁等水工構筑物和三峽水庫水位的波動(R6以下河段)。下游河段的生態恢復重點為改造和重建河岸林，提高河岸植被的多樣性和群落結構層次結構，減緩面源污染對河流水質的影響;對采砂河道進行合理規劃和有序管理，恢復山區河流自然的淺灘-深潭生境格局;加強鄉鎮駐地的生活垃圾、生活污水的環境管理，減水入河污染物總量。水工構筑物的設計施工在保證安全使用的前提下，盡可能減少對自然環境的破壞。對受三峽水庫水位波動影響的河段，由于靠近開縣城區，建議結合城市景觀規劃，對175 m以下三峽水庫消落帶進行生境改造，實施“基塘工程”、“林澤工程”等項目，改善生境質量［22］。

表7 東河上中下游河流生境質量指數(HQA)與生境退化指數(HMS)的評價結果Table 7 Habitat Quality Assessment(HQA)and Habitat Modification Score(HMS)of sampling reaches in upstream，midstream and downstream of Dong River

3.2 RHS 特點

目前，國外河流生境評估的方法頗多，如德國的水環境野外調查方法，法國的河流物理環境質量評價系統，澳大利亞河流評估系統、河岸快速評估法，美國的快速生物評估草案、棲息地評估程序等。但是這些方法多存在一些問題或局限性。例如RARC被認為適用于樹木占主導地位的、自然狀態的河岸帶評估;AusRivAS被認為適用于環境壓力較小的河流［19］;RBP調查河段長度僅為 100 m，長度明顯偏短。

趙進勇按照評價方法的技術特征，將河流生境的評價方法分為水文水力學方法、河流地貌法、棲息地模擬法、綜合評估法等4類［3］。RHS主要是通過對河流生境物理結構的調查，評估河流生境現狀，屬典型的河流地貌類生境評價方法。RHS野外調查記錄多達200多項，但絕大多數生境指標不需要精確的測量和繁瑣的計算，只需記錄存在與否，調查結果不會因調查人員的不同產生巨大差異，數據重復性好。每個河段的調查只需1名調查人員在1h內完成。調查僅需記載植被類型，不涉及物種鑒定，調查人員不要求具有專業的生物分類學知識，稍加培訓即可開展調查工作。

河流的物理結構具有高度的異質性。不同地域、不同類型河流的地質、地貌、氣候、水文等環境條件可能差異巨大?；诤恿魃车倪@一特點，RHS并未通過制定統一的HQA分級標準來判定河流生境質量狀態，而是通過與同類型河流上多個參照河段的HQA值相比較來確定河流生境質量狀態。同時HQA的評價指標數量也是靈活的。一些指標(如:特殊生境)可以根據其在某類河流中的重要程度做相應增減。因此RHS的生境質量評價模型可用于多種類型河流的生境質量評估。從對東河河流生境的評價結果看，HQA和HMS兩個指數能較直觀的反映河流生境質量現狀，能有效的反應人類活動對河流生境結構的破壞強度和主要干擾因素。因此作為一種針對小型和中型河流通用的生境調查方法，RHS方法能夠有效的采集河段生境信息，調查方法與評估模型具有簡單、高效、操作性強的特點［23］。

3.3 對我國河流生境評價的啟示

國內現有的河流生境評價研究多針對某一條或某一類河流，提出相應的評估指標體系，因此評價方法的應用具有一定局限性。同時，由于國內關于河流生境與河流生物關系的基礎研究薄弱，沒有很好的揭示河流生境影響河流生物的生態環境機理，對河流生境的概念和內涵沒有清晰的認識，不同學者選擇的評價指標差異較大，部分評價指標(如水深、流速、污水處理率等)的合理性還值得商榷。此外，國內的研究重視建立河流生境評價指標體系，但很少提出系統的生境調查方法。建立一套成熟的河流生境調查和評價方法需要開展大量的野外調查工作和基礎理論研究，是一項長期的工作。根據RHS的開發經驗，1994—1996年間，編制委員會的調查河段數量超過5000個。截止1998年，調查河段總長度已達到85000 km。在大量的野外調查基礎上，研究人員對調查數據進行了嚴謹的統計分析，并且開展了大量基礎理論研究［5，23-26］，不斷完善了 RHS的調查方法和評價體系。

因此，現階段借鑒RHS技術和經驗開展河流調查，建立適合我國國情和河流環境特點的河流生境評價模型，將對完善我國現有河流健康評價技術，提高河流環境管理水平具有積極的意義。

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