河流河岸帶自然生境恢復評價研究進展

陳影, 陳蘇, 馬鴻岳, 單岳, 馮天朕

河流河岸帶自然生境恢復評價研究進展

陳影, 陳蘇*, 馬鴻岳, 單岳, 馮天朕

沈陽大學環(huán)境學院, 區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復教育部重點實驗室, 沈陽 110044

近年來, 隨著社會發(fā)展, 人類開始意識到保護河流河岸帶的重要性。為明確河流及河岸帶自然生境現(xiàn)狀、甄別影響自然生境恢復的關(guān)鍵因子, 需對特定的河流或河岸帶自然生境進行評價, 其評價結(jié)果可為河流的健康管理提供重要的依據(jù), 同時也可為河流河岸帶的生境恢復、生態(tài)管理提供理論基礎(chǔ)和借鑒意義。文章主要研究了河流河岸帶自然生境的定義及內(nèi)涵, 綜述了國內(nèi)外專家學者對自然生境評價指標體系和評價方法的研究進展, 為我國河流河岸帶自然生境評價提供重要依據(jù), 對經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展及流域未來的規(guī)劃治理具有顯著意義。

河岸帶; 自然生境恢復; 指標; 評價

0 前言

河岸帶是指陸地生態(tài)系統(tǒng)與水生生態(tài)系統(tǒng)之間進行物質(zhì)和能量交換的生態(tài)過渡帶, 是世界上最具生產(chǎn)力和價值的自然資源之一[1]。河岸帶可以提供一系列生態(tài)系統(tǒng)功能和服務, 如河岸穩(wěn)定保護、水凈化、生物多樣性保護以及休閑和旅游等; 同時河岸帶也是人類活動的重要區(qū)域, 如城市擴張、農(nóng)業(yè)耕種、采礦、放牧、點源和非點源污染等[2]。河流河岸帶自然生境不僅是各種生物賴以生存的環(huán)境, 也是維持河流河岸帶生態(tài)系統(tǒng)完整性以及維護河流健康的重要因素[3]。因此, 必須妥善管理河岸帶, 以避免日益明顯的退化和損害。有關(guān)河流河岸帶自然生境狀況的評價對實現(xiàn)和保持良好的河流健康以及維持河岸地區(qū)提供的生態(tài)功能至關(guān)重要。河流河岸帶生境評價的結(jié)果可以為河流及河岸帶的生態(tài)管理提供重要的理論依據(jù), 具有現(xiàn)實意義。

1 河岸帶自然生境

生境一詞是由美國提出的、最早出現(xiàn)在1917年, 在生態(tài)學中, 生境也稱為棲息地(Habitat), 是動植物的天然棲息場所, 也是種群和個體生存必需的水、食物、植被及其它資源的必要集合[4]。生境是指生物居住的生態(tài)環(huán)境, 具體表現(xiàn)為特定的生物體或群落棲息空間和生態(tài)因子總和[5]。英國學者將河流河岸帶的生境劃分為化學生境和物理生境兩種, 其中, 化學生境包括電導率等; 物理生境包括坡度、底質(zhì)、海拔等, 有的學者將生物多樣性與河流河岸帶的物理和化學生境聯(lián)系起來, 以此為基礎(chǔ)研究生境的類型與無脊椎動物之間的關(guān)聯(lián)[6]。

鄭炳輝等[7]指出在傳統(tǒng)觀念上, 由生物體生存的區(qū)域(如淺灘或深塘等)構(gòu)成的生活環(huán)境被稱為棲息地。陳婷[8]將生境定義為: 包含生物必需的生存條件和其他生態(tài)因素的生物個體、種群及群落所處的具體環(huán)境。佟星星[9]指出生物的潛力易受到生境的物理、化學及生物因素的限制, 因此生物物種的多樣性與河流河岸的生境特征及狀況密切相關(guān)。

根據(jù)各國專家學者對于生境的定義, 本文將河岸帶生境定義為河流與陸地之間生態(tài)交錯帶中生物棲息的生態(tài)環(huán)境, 將河岸帶生境依次分為濱岸帶、護岸帶、緩沖帶及近岸帶?？偨Y(jié)得出河流河岸帶生境的主要功能為穩(wěn)定功能、緩沖功能、服務功能以及生物多樣性功能。

河岸生境是河流功能的關(guān)鍵要素, Janssen P等[10]指出河岸生境是強烈的環(huán)境梯度變化形成群落的過渡帶, 通過研究一條高度退化的大河評估了高程和土壤質(zhì)地梯度對河岸植物的影響, 并評估了通過維護和恢復措施對河岸群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響, 其評價結(jié)果可以有效的促進河流河岸帶的生境恢復。

2 河流河岸帶自然生境恢復評價

根據(jù)河岸帶自然生境本身所具有的功能對處于河流與陸地交界處的生物生存的自然環(huán)境復原現(xiàn)狀來評定其功能及價值即為河岸帶自然生境恢復的評價。河流河岸帶自然生境的評價結(jié)果有助于識別導致河岸或河流自然生境退化的根本原因, 河岸生境的狀態(tài)和特征對生物多樣性具有直接影響, 因此進行河流河岸帶自然生境的評價對河岸生物物種多樣性的研究具有重要意義。另外河岸生境評價可以比較一定時間內(nèi)河岸及河流生境的變化, 為河岸和河流生態(tài)修復及管理提供重要依據(jù)。

國外對河流河岸帶的研究開展較早, 關(guān)于河流及河岸帶自然生境評價的研究也較多, 其中典型的評價指標包括河流生境調(diào)查法(RHS)、快速生物評價方案(RBPs)、溪流狀態(tài)指數(shù)(ISC)、河岸質(zhì)量指數(shù)(RQI)和河岸帶質(zhì)量特征(QBR)。RHS中的評價指標包括河岸特征、河岸植被結(jié)構(gòu)等[11]; RBPs中的生境評價指標包括河岸植被覆蓋、河岸植被寬度、河岸穩(wěn)定性以及植被保護等, RBPs被廣泛應用于河岸帶自然生境的評價。ISC的評價指標包括河岸植被的縱向連續(xù)性、河岸植被帶寬度、外來植被的覆蓋、河岸穩(wěn)定性等, 它可以較為全面地評價河流河岸帶生境狀況[12]。RQI根據(jù)水文和地貌條件考慮了包括河岸條件、生境質(zhì)量、河岸面積的橫向尺度、天然河岸木質(zhì)植被縱向連續(xù)性、河岸植被的物種組成和結(jié)構(gòu)、木質(zhì)樹種再生、橫向連通性、河岸土壤的滲透性、基質(zhì)和地形的垂直連通性等評價指標，對河岸帶的結(jié)構(gòu)和功能進行評估[13]。QBR的評價中具體評價了四個子指標: 河道變化、河岸植被覆蓋結(jié)構(gòu)、河岸植被覆蓋度及植被覆蓋質(zhì)量[14]。美國學者 Caughlan和Oakley從生境指標和生物指標兩方面建立了新的評價指標體系, 從水文和地貌的角度選取了河岸帶寬度、淺灘、流速、水深、河道干枯情況、植被覆蓋率等指標評價河流生態(tài)系統(tǒng)的完整性[15]。南非科學家Rownte從魚類、植被覆蓋情況、水質(zhì)、水文等方面評價河流生態(tài)系統(tǒng)狀況, 從水文和地貌角度選取了植被帶寬度、河岸穩(wěn)定性、水深、流速狀況等指標建立了河流棲息地的評價指標體系。Meng W等[16]的研究在定性和定量的基礎(chǔ)上, 采用附著藻類多樣性指數(shù)、生物量指數(shù)和自然生境質(zhì)量對遼河河流健康進行評價; 另外根據(jù)我國北方河流生態(tài)系統(tǒng)的特點, 在改進的Barbour系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立了包括基質(zhì)、生境復雜性、速度-深度組合、河岸穩(wěn)定性、河岸保護、植被覆蓋、植被多樣性、人類活動強度、水認知及河岸土地利用10個參數(shù)的棲息地評價指標體系。Lu Weiwei等[17]分析了以生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務指標對河流恢復評估的文獻, 對魚類、大型無脊椎動物、大型植物以及河岸帶植物等不同類群的豐度、密度和種數(shù)進行比較, 其分析結(jié)果為未來河流恢復的評估提供了建議。Alemu T等[18]指出河岸植被作為河岸生境的一種, 是獨特的、多樣的, 是全球最有價值的生態(tài)系統(tǒng)之一; 為了增加對生物指標的了解, 開發(fā)了一個生物完整性的河岸指數(shù)(RIBI), 用22個潛在植物指標評估河流狀況, 提供了生境狀態(tài)的信息, 該調(diào)查結(jié)果為繼續(xù)使用植物作為評估東非河流狀況的指標提供了支持, RIBI可以成為今后評估和監(jiān)測東非河流生態(tài)系統(tǒng)和評價河流恢復效果的有效工具。

國內(nèi)關(guān)于河流河岸帶生境評價的研究起步較晚, 目前還沒有完善的評價指標體系對河流河岸生境狀況進行評價。黃寶榮等[19]從棲息地環(huán)境方面判斷河流生態(tài)系統(tǒng)的狀況, 通過地貌和水文兩個角度選取了河道彎曲程度、濱岸帶寬度、渠道化情況、深潭的最大深度及形態(tài)、穩(wěn)定程度、水流速度、淺灘深度等指標對河流的生態(tài)系統(tǒng)完整性進行評價。汪冬冬[20]以城市濱岸帶的橫向結(jié)構(gòu)角度出發(fā), 構(gòu)建了包含23個指標的蘇州河河流河岸帶生態(tài)系統(tǒng)退化狀況的評價指標體系, 通過濱岸帶、護岸帶、緩沖帶及近岸帶四個方面來體現(xiàn)河岸帶生態(tài)系統(tǒng)的退化情況、并對上海蘇州河河流濱岸帶的退化現(xiàn)狀進行了評價。Fu BL等[2]建立了物理結(jié)構(gòu)完整性(PSI)用來評價河岸帶狀況, 通過河床寬度、河岸帶寬度、岸坡坡度、岸坡長度、植被覆蓋、河岸沉積物大小、河流連通性、河岸侵蝕和人為活動干擾情況等指標對東北松花江流域的河岸帶條件進行了評價。劉華等[21]根據(jù)研究區(qū)域河流的實際特點, 通過河岸帶生境、濱岸帶生境和河流生境3個角度, 建立了適用于太湖流域宜興片的河流棲息地評價指標體系, 通過10個評價指標對其42個采樣點進行了生境評價。佟星星[9]建立了適用于伊通河生境評價的評價指標體系, 篩選出包括河道水量情況、河岸帶植被結(jié)構(gòu)、河岸帶寬度、河流水質(zhì)狀況、河岸穩(wěn)定性、河道連通性、底質(zhì)組成、水生植物狀況、人工護岸類型、土地利用類型共10項評價指標對其進行了生境評價。

目前我國的河岸帶生境及對其生境評價的研究仍處于探索及起步階段, 對于河流河岸帶生境恢復的評價也處于初級階段, 并沒有統(tǒng)一的評價指標體系可以適用于具體區(qū)域的河流河岸帶生境評價[22]。因此, 需要構(gòu)建完整的河流河岸帶生境評價指標體系和評價方法的理論框架及體系, 以完善我國河流河岸帶的生境狀況評價, 促進河流及河岸帶的健康管理和發(fā)展。

3 河流河岸帶自然生境恢復評價方法

河岸帶生境恢復評價的方法是指通過識別、調(diào)查河岸帶生境條件, 采取適當?shù)姆椒▽恿骱影稁郴謴同F(xiàn)狀進行評估, 從而明確該河岸帶恢復現(xiàn)狀與不足。河岸帶生境評價方法與河流生境評價方法相似, 但更側(cè)重于河岸帶成分, 通常受到空間、時間尺度和物理過程的限制。

在河流河岸帶生境評價方面, 美國較早的提出了生境評價程序(HEP)和生境評價系統(tǒng)(HES)兩種評價方法[23]; Munne A等[24]建立了適用于河流河岸生境生態(tài)管理的評價方法(QBR指數(shù)法): 通過4個子指標對河岸生境狀況進行評價, 為評價河岸生境質(zhì)量提供借鑒; Jiang X等[25]以生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的角度選取了21個指標, 建立了河流評價的指標體系, 提出了一種基于集對分析(SPA)和象限法的河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能綜合評價的數(shù)學方法, 從生態(tài)系統(tǒng)的角度得出評價值, 結(jié)果表明, 梁水河生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能評價值分別為-0.513和-0.208, 說明涼水河的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)缺陷, 功能處于亞健康狀態(tài)。通過該評價結(jié)果, 提出了維護河流生態(tài)系統(tǒng)健康的生態(tài)工程措施和建議。英國制定的河流河岸帶生境調(diào)查法具有較完善的生境評價指標體系, 通過調(diào)查河水的水體特征、沉積物的特征、河流河岸的背景信息、土地利用類型、河岸帶植被狀況以及河床的底質(zhì)情況等指標來評價河流河岸帶的生境特征和質(zhì)量[26–27]。英國建立了完善的河流生境調(diào)查(RHS): 依據(jù)地貌學原理選取評價指標, 被廣泛應用于河流健康評價及恢復、環(huán)境影響評價和流域規(guī)劃管理等領(lǐng)域[5]。

近年來, 專家學者通過建立模型來評價河流河岸生境狀況。Keesstra SD等[28]為了評估河流的現(xiàn)狀以及河流周圍地貌和植被的變化, 提出了一種河流河岸帶評價的新方法, 通過建立模型描述河流狀態(tài)、河道形態(tài)、河岸侵蝕特征和植被類型等, 可以在短時間內(nèi)對較大河段進行評估。澳大利亞建立的生境預測模型是一種基于物理的生境評價方法, 利用大尺度流域特征來預測區(qū)域的物理生境特征; Parsons M等[29]以生境棲息地預測模型為基礎(chǔ), 提出了新的棲息地評估方案, 同時引入了河流生境評估的物理學和生物學的觀點, 為不同治理級別評估河流生境條件提供標準化工具。Fukuda S等[30]建立了考慮水深和流速的二維水動力模型, 發(fā)現(xiàn)水動力模型能夠準確的模擬河流生境條件、可用來評估各種類型的河流、建立良好的生境和改善河流的生境狀況。Shan B等[31]以海河流域(HRB)的河流恢復為目標, 提出了一種河流生態(tài)狀況評價方法——以大型無脊椎動物為指示生物的預測模型, 并對該方法進行了初步應用, 研究結(jié)果表明, 研究區(qū)域的生物多樣性較低, 平均Shannon-Wiener指數(shù)為1.40±0.55, 河流的生境退化嚴重; 該研究對預測模型的進一步發(fā)展提出了展望, 為未來河流河岸帶生境評價方法的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

目前國內(nèi)外關(guān)于河流以及河岸帶的評價方法還有模糊綜合評判法、層次分析法(AHP)和綜合指數(shù)法, 這三種評價方法是經(jīng)典的河流河岸帶評價方法, 應用較為廣泛。

模糊綜合評判法: 模糊綜合評判法的優(yōu)點是容易掌握、模型簡單, 且對多層次、多因素等復雜的問題評判效果較好; 但模糊評價法在確認權(quán)重的過程中易受專家主觀意識的影響, 評價結(jié)果會存在一定的偏差, 不能體現(xiàn)各評價指標在統(tǒng)計數(shù)據(jù)中的關(guān)系[32]。尹津航等[33]采用模糊綜合評判法, 對研究區(qū)域的水生態(tài)環(huán)境的健康狀況進行了評價, 評價結(jié)果反映了評價區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量, 可以為地區(qū)的河流河岸生態(tài)環(huán)境治理提供理論基礎(chǔ)和科學依據(jù)。殷會娟等[34]運用模糊綜合評價法對海河流域進行了綜合評價, 構(gòu)建了包括水量、水質(zhì)、水生生物、河岸帶和形態(tài)結(jié)構(gòu)五個方面共12個指標的評價體系, 結(jié)果表明研究區(qū)域的生態(tài)狀況處于不健康狀態(tài), 為改善海河流域生態(tài)環(huán)境提供借鑒。

(2)層次分析法: AHP是河流河岸帶生態(tài)系統(tǒng)評價中常見方法, 在進行系統(tǒng)性分析時, AHP可以將定性信息與定量信息有機結(jié)合在一起; 但是其特征值和特征向量的精確求法比較復雜, 權(quán)重難以確定且數(shù)據(jù)的統(tǒng)計量大[35]。Yang T等[36]以生境復雜性、岸坡侵蝕程度、人類活動強度、植被緩沖寬度等作為河流生境評價的指標, 建立了渭河流域生境質(zhì)量綜合指數(shù)(CHQI)。此外, 以分布于渭河、京河和北羅河的12個國家水文站的實地調(diào)查為基礎(chǔ), 確定了指標值, 利用層次分析法確定指標權(quán)重, 從而區(qū)分評價指標體系的相對重要性, 結(jié)果表明, 三條河流的生境質(zhì)量較好。就整個流域而言, 25%的斷面的河流生境質(zhì)量很好, 其余25%的河流生境質(zhì)量良好, 50%的河床處于臨界狀態(tài)。

許多學者將層次分析法與其他綜合評價法相結(jié)合, 以此彌補層次分析法的不足, 可以提高評價的準確性和客觀性。彭靜等[37]認為河岸帶的物理化學、生物棲息地質(zhì)量、水文、以及生物特性等生態(tài)功能的不同狀態(tài)之間會產(chǎn)生相互影響, 從而會表現(xiàn)出不同的動態(tài)變化規(guī)律。因此河岸帶的生態(tài)系統(tǒng)功能評價應該由河岸帶的生物棲息地評估、水文評估、生物特性評估和物理化學評估等單項評價結(jié)果組成, 分析得出, 以AHP為基礎(chǔ), 可以有效地對河流以及河岸帶的生態(tài)系統(tǒng)狀況進行綜合性的評價。李曉剛等[38]采用模糊綜合評價隸屬度方法和層次分析法相結(jié)合, 建立了適用于丹江流域的河流健康評價的指標體系, 通過包含19個指標的評價指標體系對丹江河流的健康狀況進行了評價, 結(jié)果顯示9個指標為健康狀態(tài)、8個指標為亞健康狀態(tài)、2個指標為疾病, 綜合評價該河流為亞健康, 評價結(jié)果對于水環(huán)境治理具有重要意義。

(3)綜合指數(shù)評價法: 近年來, 人們開始在多參數(shù)評價的基礎(chǔ)上進一步研究、發(fā)展出一種新的評價方法——綜合指數(shù)評價法, 可以綜合使用河流河岸的生物、物理和化學參數(shù)。綜合指數(shù)評價法的發(fā)展, 結(jié)合了河流以及河岸帶的生物、物理和化學完整性概念, 豐富和推動了多指數(shù)評價方法的發(fā)展, 是未來河流河岸帶健康評估的發(fā)展方向。張楠等[39]從物理棲息地、生物學以及水質(zhì)情況三個方面構(gòu)建了河流健康的評價指標體系, 對遼河河流的生態(tài)系統(tǒng)健康進行了評價, 其評價結(jié)果為遼河保護區(qū)的綜合治理提供了參考。趙偉華等[40]利用綜合指數(shù)法, 采用棲息地類型多樣性、河岸植被覆蓋度、垂向透水性、底質(zhì)類型和岸坡穩(wěn)定性等8項指標建立了評價指標體系, 對向家壩蓄水前后物理完整性進行了評價, 其評價結(jié)果顯示一些指標在蓄水前后的變化較大, 而赤水河的物理完整性明顯高于長江干流, 長江干流受人類社會活動影響較大, 該評價結(jié)果可為長江干流流域的生態(tài)修復與治理提供借鑒。

4 結(jié)論與展望

國內(nèi)外對河流河岸帶生境評價研究較多, 但目前國內(nèi)適用范圍較廣的生境評價指標體系和評價方法鮮有報道, 尤其是關(guān)于河岸帶生境評價的相關(guān)研究較少, 限制了河流河岸帶自然生境恢復的演變和發(fā)展, 我國對河流河岸帶自然生境恢復評價方面的研究處于起步階段, 有關(guān)河流河岸帶評價指標體系、評價標準和評價方法的選擇與使用尚不成熟, 在實踐中的應用較少, 建議主要從以下幾個方面對河流河岸帶自然生境恢復評價進行深入研究和探索: 1)亟需構(gòu)建適用廣泛的河流河岸帶自然生境恢復評價指標體系; 2)以我國河流河岸帶特點為依據(jù), 探索合適的自然生境評價方法, 對河流河岸帶自然生境恢復進行評估; 3)明確影響河流河岸帶自然生境的關(guān)鍵因素、從而為河流河岸帶的生態(tài)管理提供理論依據(jù)和借鑒意義。

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Research progress on evaluation of natural habitat restoration in rivers and riparian zones

CHEN Ying, CHEN Su*, MA Hongyue, SHAN Yue, FENG Tianzhen

College of Environmental Engineering, Key Laboratory of Regional Environment and Eco-Remediation (Ministry of Education), Shenyang University, Shenyang 110044, China

In recent years, with the development of society, the importance of protecting the river and riparian zone has been realized. In order to clarify status of the river and riparian zone natural habitat, identify the key factors affecting the restoration of natural habitat, it is necessary to evaluate the natural habitat of specific rivers and riparian zones. The evaluation result can provide important basis for health management of the river, at the same time, it can also provide theoretical basis and reference for habitat restoration and ecological management of river and riparian zone. This paper mainly studies the definition and connotation of natural habitat, and summarizes the research progress of domestic and foreign experts on the evaluation index system and evaluation method of natural habitat. It provides an important basis for natural habitat evaluation of river and riparian zone in China, and is of great significance to the sustainable development of economy and society and the future planning and management of the river basin.

riparian zone; restoration of natural habitat; index; evaluation

陳影, 陳蘇, 馬鴻岳, 等. 河流河岸帶自然生境恢復評價研究進展[J]. 生態(tài)科學, 2021, 40(4): 223–228.

CHEN Ying, CHEN Su, MA Hongyue, et al. Research progress on evaluation of natural habitat restoration in riparian zones of rivers[J]. Ecological Science, 2021, 40(4): 223–228.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.04.025

X-1

A

1008-8873(2021)04-223-06

2020-02-06;

2020-03-22

水體污染控制與治理科技重大專項子課題(2018ZX07601-003-04); 遼寧省百千萬人才工程項目(2018); 遼寧省自然科學基金資助項目(2019ZD-0556)

陳影(1995—), 女, 遼寧人, 碩士研究生, 主要從事退化生態(tài)系統(tǒng)修復研究, E-mail: 1185396457@qq.com

陳蘇, 女, 博士, 教授, 主要從事退化生態(tài)系統(tǒng)修復研究, E-mail: mailchensu@aliyun.com