海河流域河流生境功能識別及區(qū)域差異

孫然好,程 先,陳利頂

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

城市可持續(xù)需要從生物多樣性、生態(tài)過程、生態(tài)服務(wù)、以及相關(guān)的人類福祉等幾個方面進(jìn)行研究[1- 3],城市的發(fā)展不僅要滿足人類的需求,同時也要滿足生物保護(hù)的目標(biāo)[4- 5]。城市群是全球發(fā)展的重要戰(zhàn)略空間和中國新型城鎮(zhèn)化的主體形態(tài)[6]。隨著城市群的快速發(fā)展,城市與城市之間的聯(lián)系也越來越緊密[7]。這種密切的能流、物流和人口流動對于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響,尤其是對于流域的完整性造成破壞,對水資源、水環(huán)境、水生生物生境造成嚴(yán)重干擾[8- 10]。城市群區(qū)域的河流生境特征具有重要的生態(tài)價值,是重要生物的棲息環(huán)境,也是進(jìn)行水生態(tài)保護(hù)的依據(jù)[11-12]。傳統(tǒng)的河流生境調(diào)查主要集中在較小范圍的河段[13- 15],通過河流特征的描繪、水生生物的調(diào)查進(jìn)行定性和定量研究[16-17]。但是,大尺度流域的河流生境識別相對研究較少?？臻g化的河流生境特征是進(jìn)行城市群生態(tài)安全格局構(gòu)建的基礎(chǔ),尤其是大尺度流域的河流生境識別顯得更為重要。

自20世紀(jì)初Cotton提出河流分類以來,河流生境分類隨著人們對河流結(jié)構(gòu)、過程和功能等的認(rèn)識逐步發(fā)展。國外河流生境分類的主要依據(jù)是河流地貌、水文、生態(tài)等特征[18-20]。其中,最具代表性的是Rosgen的河流生境分類方法,主要根據(jù)河流地形地貌、水文和植被等特征,逐級將河流生境劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類[19]。此外,已有的研究多以樣點調(diào)查為主[21-22],工作量大、耗時長、劃分結(jié)果差異化不明顯等[23]。國內(nèi)關(guān)于大尺度的河流生境劃分的研究案例較少,如遼河[23]、太子河[24]等。上述河流生境劃分方法主要考慮河流物理特征,缺乏對河流區(qū)域特色的關(guān)注。本文提出一種新的河流生境劃分思路,既考慮傳統(tǒng)的河段劃分指標(biāo),又考慮流域的區(qū)域特征。伴隨著京津冀城市群的發(fā)展以及京津冀一體化的深化,構(gòu)建京津冀城市群的生態(tài)安全格局是城市可持續(xù)性和生態(tài)完整性的必然要求。京津冀城市群位于海河流域,從流域完整性的角度我們選擇海河流域為一個整體,構(gòu)建河流生境識別技術(shù)方案,分析不同區(qū)域的河流生境差異和水生生物特征,揭示空間差異和規(guī)律性,從而為京津冀城市群的城市發(fā)展規(guī)劃、水資源利用目標(biāo)等提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

海河流域支撐著京津冀城市群的發(fā)展,同時也受到城市群發(fā)展帶來的環(huán)境脅迫。海河流域包括北京、天津、河北大部分區(qū)域,同時還覆蓋了內(nèi)蒙古、山西、山東、河南等部分區(qū)域。河流生境特征的辨識和分區(qū)是進(jìn)行城市群生態(tài)安全格局制定的重要參考。海河流域包括海河干流、灤河和徒駭馬頰河3大水系、7大河系、10條骨干河流,面積約32萬km2。海河流域平均人口密度為371人/km2,為全國平均人口密度的3.47倍。作為全國主要糧食產(chǎn)區(qū)之一,共有耕地1.09×105km2,約占全國的11%。流域?qū)儆诘湫偷馁Y源性缺水地區(qū),目前以不足全國1.3%的水資源量,承擔(dān)著10%的人口和13%的GDP。海河流域山地和平原面積分別占60%和40%,太行山、燕山以西、以北分布面積較廣的黃土高原,平原大致可分為山前洪沖積平原、中部河流泛濫平原和濱海平原。海河流域從東到西地帶性植被依次為森林、灌叢、稀疏灌草叢等。流域西北部多為鈣層土,中北部淋溶土、半淋溶土,中南部半淋溶土、初育土,中東部水成土、半水城土,東部沿海鹽堿土。海河流域年均降水量的80%集中在汛期,降水量由東南向西北逐漸減少。多年平均水資源總量3.7×1010m3,流域地表水平均開發(fā)利用率達(dá)63%,水資源總量平均開發(fā)利用率高達(dá)102%[25]。近年來,在各級支流近10000 km河長中,已有4000 km河道長年干涸,主要河道中下游年均斷流達(dá)300 d左右。因此,分析海河流域不同河段的河流生境特征以及水生生物群落規(guī)律,可以為城市發(fā)展規(guī)劃、生態(tài)安全格局構(gòu)建提供生態(tài)背景。

1.2 河流生境調(diào)查與數(shù)據(jù)處理

河網(wǎng)數(shù)據(jù)是河流生境分類的基礎(chǔ),河網(wǎng)的詳細(xì)程度決定著河流生境的一致性。海河流域下游平原區(qū)復(fù)雜的河網(wǎng)結(jié)構(gòu)受到人類活動和工程措施的劇烈影響,無法從DEM直接獲取。基于以上原因,通過現(xiàn)有的多種分辨率、多種渠道的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總,結(jié)合我們對海河流域的多次詳細(xì)調(diào)研,對河網(wǎng)進(jìn)行了手工的數(shù)字化和取舍。繪圖的依據(jù)包括1∶100萬、1∶25萬水系圖、海委水系圖、水利部水功能區(qū)圖等,再根據(jù)行政區(qū)劃邊界等對四級河段進(jìn)行分段,從而形成最終的河段單元(圖1),河段數(shù)為6254條,總長度47422 km,平均每條河段的長度為7.6 km。

圖1 海河流域主要河流與采樣點Fig.1 Main rivers and sampling sites of the Haihe River Basin

2013年7—8月在海河流域設(shè)置52個樣點進(jìn)行河流生境調(diào)查,主要進(jìn)行魚類樣品采集,用于對河流生境類型劃分結(jié)果進(jìn)行校驗。每個樣點設(shè)置300 m的調(diào)查區(qū)間,選用電魚法和掛網(wǎng)法配合完成樣品采集。對于可涉水(水深≤1.5 m) 點位,只選用電魚法進(jìn)行采集,主要工具為電魚器和刺網(wǎng);對于不可涉水(水深>1.5 m)點位,選用掛網(wǎng)法和電魚法配合進(jìn)行,兩種方法采樣時間均維持在1 h左右,以保證獲得較為全面的魚類樣品。魚類采集后,記錄采樣點不同魚類物種的個體數(shù)量,對未能現(xiàn)場鑒別物種的魚類,采用5%的甲醛保存并帶回實驗室參考相應(yīng)資料鑒別。利用種類數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)(H′)等分析魚類特征。

式中,Ni為i種魚的個體數(shù);N為總個體數(shù);S為魚種類數(shù);Pi為i種魚所占的比例。

1.3 生境指標(biāo)的空間化

結(jié)合文獻(xiàn)資料和灤河流域的研究[26-27],我們歸納出河流生境的三類影響,分別是河段特征、斷流風(fēng)險和海水影響,從中篩選了4個主要的指標(biāo)(蜿蜒度、河道比降、斷流風(fēng)險、鹽度)。河道彎曲度、河道比降可以通過1∶5萬DEM和水系圖進(jìn)行數(shù)值運算,鹽度數(shù)據(jù)通過野外實地監(jiān)測,取2013、2014年監(jiān)測的平均值,通過插值方法將其拓展到河段尺度上。斷流特征根據(jù)2013、2014年監(jiān)測樣點,統(tǒng)計其斷流特征,將斷流風(fēng)險賦予不同的數(shù)值,1——兩個季節(jié)都有水、2——僅在9月有水或5月有水、3——兩個季節(jié)都無水。通過泰森多邊形和反距離加權(quán)插值方法,將這些斷流特征賦予不同的河段,并根據(jù)不同數(shù)值出現(xiàn)的頻率判斷斷流風(fēng)險大小,獲取各個河段斷流特征的最大可能性。4個指標(biāo)采用等權(quán)重的方法進(jìn)行賦值,體現(xiàn)了簡單、直接的特點,避免了大量的指標(biāo)之間的冗余信息,也容易數(shù)據(jù)收集和疊加計算。

2 結(jié)果

2.1 海河流域主要河流生境類型

由于河流生境分類主要基于河段尺度進(jìn)行,因此河段尺度的指標(biāo)可以列為備選,比如河道水面特征(蜿蜒度、比降、寬度等)、河床物質(zhì)組成、河岸帶植被蓋度、河岸帶農(nóng)田比例、河道改造和河岸帶干擾程度等。這些河段尺度的指標(biāo)在各個流域都適用,我們在灤河流域進(jìn)行了詳細(xì)的樣點采集和指標(biāo)分析,通過RDA分析,發(fā)現(xiàn)河道蜿蜒度、河道比降能夠提供最大的解釋度(圖2)。河道蜿蜒度影響河流生境多樣性、沉積物運輸與河流形狀,河道比降則影響河流流速、基質(zhì)組成、河道單元形態(tài)以及河道內(nèi)棲息地類型等[24]。

圖2 灤河流域底棲動物與河段因子的關(guān)系Fig.2 Relationships between macroinvertebrates and river factors in the Luanhe River Basin%Chironomidae: 搖蚊百分比, percentage of Chironomidae; %burrower: 穴居者百分比, percentage of burrower; %climber: 攀爬者, percentage of climber; %sprawler: 爬行者, percentage of sprawler; %swimmer: 游泳者, percentage of swimmer; %collector: 收集者, percentage of collector; %predator: 捕食者, percentage of predator; %scraper: 刮食者, percentage of scraper; %shredder: 撕食者, percentage of shredder; R_taxa: 總分類單元數(shù), total taxa number; R_EPT: 蜉蝣目、襀翅目和毛翅目分類單元總數(shù), taxa number of EPT; %EPT: 蜉蝣目、襀翅目和毛翅目百分比, percentage of EPT; R_insect: 水生昆蟲分類單元總數(shù), taxa of insect; R_domin: 優(yōu)勢分類單元的個體相對多度, dominance degree; TOP3: 個體數(shù)量最多的3個分類單元的個體總數(shù), taxa number of TOP3; Simpson: Simpson多樣性指數(shù), Simpson diversity index; Margalef: Margalef多樣性指數(shù), Margalef diversity index; width: 水面寬度, width of river; channel: 河道改造程度, channel transformation; %fine: 細(xì)粒物質(zhì)百分比, percentage of fine; Riparian: 河岸帶, riparian; R_cropland: 河岸帶農(nóng)田比例, proportion of cropland in riparian; R_stress: 河岸帶人類干擾, human stress in riparian

通過灤河流域的預(yù)研究,得到河道蜿蜒度、河道比降2個必選指標(biāo)。這2個指標(biāo)是通過一般的河段因子篩選而得到,與此同時,我們也認(rèn)識到海河流域東臨渤海,海水對濱海河流生態(tài)系統(tǒng)也造成顯著的影響。其次,海河流域具有明顯的斷流特征,不管這種斷流是自然原因還是人為原因,斷流對河流生境的影響非常重要。最終,海河流域河流生境分類指標(biāo)確定為河道蜿蜒度、河道比降、斷流風(fēng)險、鹽度等4個指標(biāo)(表1、圖3)。在ArcGIS軟件中將河段不同類型進(jìn)行聚類匯總后,得出水庫和15種河流生境類型(表2)。

表1 海河流域河流生境分類指標(biāo)

圖3 基于蜿蜒度/比降/斷流風(fēng)險/鹽度的河流分類Fig.3 River classifications based on curve degree, elevation gradient, dry-up risk, and salinity

河流蜿蜒度主要與河段所處的位置有關(guān),各個子流域的上有河段蜿蜒度大,而下游河段一般較為平直;河段比降則山區(qū)大于平原區(qū)。斷流風(fēng)險主要分為高風(fēng)險斷流、中風(fēng)險斷流、低風(fēng)險斷流,斷流風(fēng)險高的河段一般位于山前沖積平原區(qū),以及西部黃土高原地區(qū)。這些區(qū)域在河流水量不大的情況下,地表徑流多轉(zhuǎn)為地下徑流,而形成下游湖、淀的形態(tài),或者通過灌渠引入農(nóng)田和城市,因此斷流特征受到自然和人為綜合控制。海河多數(shù)河流的上游和源頭區(qū)更多的是中風(fēng)險斷流,主要受地形條件和氣候條件的控制。海河下游平原區(qū)斷流風(fēng)險較小,主要也受人類活動影響,比如很多灌渠、飲水工程等。此外,海河下游閘壩很多,水流緩慢,除非雨季情況下一般多呈靜水狀態(tài)。海水影響比較大的區(qū)域集中于濱海和東部平原地區(qū)(圖4)。

2.2 河流生境區(qū)域差異和水生生物特征

通過流域魚樣調(diào)查共鑒定出魚種43種,隸屬7目12科。其中,鯉形目鯉科魚類最多,達(dá)21種,占魚類種數(shù)的48.8%;鰍科11種,占25.6%。鱸形目蝦虎魚科1種,塘鱧科1種,攀鱸科1種;刺魚目刺魚科1種,刺鰍科1種;鲇形目鮠科2種,鲇科1種;鱧形目鱧科1種;鯔形目鯔科1種;合鰓目合鰓科1種。海河流域調(diào)查的魚類群落Shannon-Wiener多樣性指數(shù)平均為1.53,魚類種類數(shù)下降、大中型魚類資源衰退以及優(yōu)勢種單一化和小型化,都伴隨著較低水平的生物多樣性。在魚類群落結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為敏感物種越來越少,耐污性種類增多,如達(dá)里湖高原鰍、鲇魚(Silurusasotus)等。河流生境與水生生物特征密切相關(guān),分析了不同河流生境的主要魚類指數(shù)(表3)。魚類數(shù)量和多樣性高的采樣點多位于低風(fēng)險斷流河段,同時急流水域更適合不同類型的魚類生活。而蜿蜒度特征并沒有對魚類棲息造成直接制約,不同蜿蜒度河段均有高多樣性魚類特征。

表2 海河流域河流類型編碼、指標(biāo)平均值

圖4 海河流域河段生境類型空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of river habitat types in the Haihe River Basin

生境類型編碼Code of habitat type生境類型Habitat type目Order科Family屬Genus種SpeciesShannon-Wiener指數(shù)Shannon-Wiener index111低蜿蜒度緩流常年有水河流2415181.734112低蜿蜒度緩流季節(jié)斷流河流121低蜿蜒度急流常年有水河流61026331.603122低蜿蜒度急流季節(jié)斷流河流24771.241103低蜿蜒度常年斷流河流211中蜿蜒度緩流常年有水河流12452.007212中蜿蜒度緩流季節(jié)斷流河流221中蜿蜒度急流常年有水河流4624261.894222中蜿蜒度急流季節(jié)斷流河流25770.337203中蜿蜒度常年斷流河流311高蜿蜒度緩流常年有水河流4611131.428312高蜿蜒度緩流季節(jié)斷流河流321高蜿蜒度急流常年有水河流3624311.359322高蜿蜒度急流季節(jié)斷流河流12771.358303高蜿蜒度常年斷流河流

低蜿蜒度急流常年有水河流類型包括灤河、伊遜河、白河、黑河、洋河、清水河、桑干河、滹沱河、唐河、沙河、濁漳河等河流,匯水面積為20712 km2。該類型區(qū)共鑒定出魚類2目、4科、15屬、18種,Shannon-Wiener多樣性指數(shù)為1.73。低蜿蜒度急流季節(jié)斷流河流類型區(qū)主要包括灤河、潮河、桑干河、拒馬河、淤泥河等,匯水面積為1800.30 km2。低蜿蜒度緩流常年有水河流類型區(qū)包括冀東沿海諸河、灤河、伊遜河、潮河、白河、潮白河、溫榆河、永定新河、海河、桑干河、洋河、滹沱河、大清河、獨流減河、滏陽河、子牙河、濁漳河、衛(wèi)河、漳衛(wèi)河、徒駭河、馬頰河等河流,匯水面積為50709 km2。該類型區(qū)共鑒定出魚類6目、10科、26屬、33種,Shannon-Wiener多樣性指數(shù)為1.60。低蜿蜒度緩流季節(jié)斷流河流類型包括永定河、大清河、子牙河、南運河、宣惠河、桑干河、漳衛(wèi)河等河流,匯水面積為6554 km2。該類型區(qū)共鑒定出魚類2目、4科、7屬、7種,Shannon-Wiener多樣性指數(shù)為1.24。低蜿蜒度常年斷流河流類型包括永定河、白河、洋河、桑干河、滹沱河、大清河、拒馬河、滏陽河、衛(wèi)河、徒駭河、馬頰河等河流,匯水面積為177780 km2。

中蜿蜒度急流常年有水河流類型包括灤河、伊遜河、武烈河、青龍河、白河、潮河、湯河、洋河、清水河、滹沱河、唐河、拒馬河、漳河、衛(wèi)河等河流,匯水面積為29686 km2。該類型區(qū)共鑒定出魚類4目、6科、24屬、26種,Shannon-Wiener多樣性指數(shù)為1.89。中蜿蜒度急流季節(jié)斷流河流類型包括桑干河、潮河、拒馬河、淇河等河流,匯水面積為3343.74 km2。中蜿蜒度緩流常年有水河流類型包括冀東沿海諸河、灤河、伊遜河、武烈河、伊瑪圖河、青龍河、潮河、白河、潮白河、黑河、永定河、桑干河、洋河、大清河、拒馬河、滹沱河、潴龍河、大沙河、滏陽河、子牙河、漳河、衛(wèi)河、徒駭河、馬頰河等河流,匯水面積為54235 km2。該類型區(qū)共鑒定出魚類4目、6科、24屬、26種,Shannon-Wiener多樣性指數(shù)為1.89。中蜿蜒度緩流季節(jié)斷流河流類型包括桑干河、北京排污河、拒馬河、大清河、子牙河、南運河、衛(wèi)河、淇河、漳衛(wèi)新河等河流,匯水面積為7335 km2。該類型區(qū)共鑒定出魚類 2目、5科、7屬、7種,Shannon-Wiener多樣性指數(shù)為 0.34。中蜿蜒度常年斷流河流類型包括永定河、白河、洋河、飲馬河、壺流河、滹沱河、牧馬河、拒馬河、子牙河、漳河、徒駭河等河流,匯水面積為16111 km2。

高蜿蜒度急流常年有水河流類型包括灤河、小灤河、伊遜河、老牛河、青龍河、白河、湯河、洋河、滹沱河、漳河等河流,匯水面積為20969 km2。該類型區(qū)共鑒定出魚類 4目、6科、11屬、13種,Shannon-Wiener多樣性指數(shù)為1.43。高蜿蜒度急流季節(jié)斷流河流類型包括拒馬河、十里河、飲馬河、清漳河、淇河等河流,匯水面積為836 km2。高蜿蜒度緩流常年有水河流包括冀東沿海諸河、灤河、潮河、白河、潮白河、柳河、瀑河、青龍河、陡河、薊運河、海河、拒馬河、唐河、大清河、桑干河、洋河、滹沱河、滏陽河、漳河、衛(wèi)河等河流,匯水面積為57056 km2。該類型區(qū)共鑒定出魚類 3目、6科、24屬、31種,Shannon-Wiener多樣性指數(shù)為1.36。高蜿蜒度緩流季節(jié)斷流河流類型包括灤河、北運河、拒馬河、大清河、子牙河、南運河、桑干河、飲馬河、壺流河等河流。該類型河段的匯水面積為8527 km2。該類型區(qū)共鑒定出魚類1目、2科、7屬、7種,Shannon-Wiener多樣性指數(shù)為1.36。高蜿蜒度常年斷流河流包括洋河、白河、壺流河、十里河、桑干河、滹沱河、唐河、甘陶河、子牙河、拒馬河、永定河等河流。該類型河段的匯水面積為13930 km2。

2.3 不同城市河流類型的組合差異

根據(jù)京津冀城市群不同地級市的河流生境特征進(jìn)行分析,可以看出區(qū)域差異明顯(圖5)。承德市、保定市、張家口市等河流較多,而且中、高蜿蜒度的河流占比例較高;廊坊市、邯鄲市、衡水市、秦皇島市等位于流域中下游,河流總量較少,河流的蜿蜒度較低,比降較小。根據(jù)河流生境特征,可以總體上判斷該區(qū)域可能的魚類特征,從而設(shè)定合理的水生生物保護(hù)目標(biāo)。比如,一些斷流比例較大的地區(qū),不存在水生生物保護(hù)的需求,而常年有水比例高以及比降大的地區(qū),則需要重視魚類的保護(hù)。

圖5 京津冀不同地級市河流功能的組合差異Fig.5 Structural components of river functions among the cities of the Jing-Jin-Ji area

3 結(jié)論與討論

(1)通過空間數(shù)據(jù)進(jìn)行河流生境劃分,根據(jù)4個指標(biāo)將海河流域河流生境類型劃分為15類,主要從河段蜿蜒度、比降、斷流風(fēng)險、海水影響等幾個方面進(jìn)行定量化。指標(biāo)選擇時既考慮了普適性指標(biāo),又考慮了海河流域河流的針對性指標(biāo)?；谒飻?shù)據(jù)驗證了不同河流生境類型之間存在較好的區(qū)分性,研究可以為大尺度流域的河流生境劃分提供參考。

(2)本文河流生境類型的劃分結(jié)果可為海河流域水生態(tài)保護(hù)提供參考。依據(jù)實地調(diào)查數(shù)據(jù)表明魚類棲息環(huán)境受河流生境的影響,魚類多樣性好的生境主要分布于常年有水、急流河段,而河段的蜿蜒度特征對于魚類數(shù)量和多樣性影響較小。本研究的生境識別結(jié)果能夠?qū)⑺鷳B(tài)功能區(qū)落到具體河段上,從而為河流水生生物保護(hù)、水生態(tài)管理提供管理單元和決策依據(jù)。在涉及到保護(hù)性魚類的洄游通道時,若出現(xiàn)了斷流情況,則需要加強流域水資源調(diào)配,恢復(fù)河道生態(tài)需水量。海河流域濱海地區(qū)要減少海水入侵對河流生態(tài)系統(tǒng)的影響,重點關(guān)注飲用水源地和淡水魚類。

(3)河流生境受到直接影響和間接影響,人類活動和城鎮(zhèn)化等指標(biāo)能夠從區(qū)域尺度對河流生境產(chǎn)生脅迫和支撐作用[28]。本研究側(cè)重于河流自然生境特征的定量刻畫,通過蜿蜒度、比降、斷流、海陸影響等進(jìn)行表征。而人類活動從不同方面也影響到這些指標(biāo),比如河流工程對于蜿蜒度、比降的影響,海岸帶工程對于海水影響等,這些人類活動因素與河流生態(tài)特征之間的關(guān)系需要進(jìn)一步深化。下一步研究將定量揭示不同人類活動脅迫區(qū)域的河流生境類型和特征,從而為河流生境的潛在影響、關(guān)鍵水生生物保護(hù)提供依據(jù)。同時,河流生境的分類結(jié)果可以與城鎮(zhèn)化強度和模式進(jìn)行集成,形成融合自然生態(tài)系統(tǒng)-社會經(jīng)濟系統(tǒng)的綜合評估結(jié)果。