劉勇麗, 劉錄三,*, 汪星, 王瑜

1. 中國環(huán)境科學(xué)研究院, 國家環(huán)境保護(hù)河口與海岸帶環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京100012 2. 中國環(huán)境科學(xué)研究院, 環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100012

水生植物在河流健康評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

劉勇麗1,2, 劉錄三1,2,*, 汪星1,2, 王瑜1,2

1. 中國環(huán)境科學(xué)研究院, 國家環(huán)境保護(hù)河口與海岸帶環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京100012 2. 中國環(huán)境科學(xué)研究院, 環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100012

水生植物是河流生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)生產(chǎn)者,積累了一定時(shí)期的水文、物理和化學(xué)壓力, 不僅具有很好的環(huán)境指示作用,而且能夠很好的反映河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況?；谒参锏脑u(píng)價(jià)方法有指示物種法、多指標(biāo)植物指數(shù)法和預(yù)測(cè)模型法。重點(diǎn)闡述了三種評(píng)價(jià)方法的研究現(xiàn)狀, 分析了其特點(diǎn)和適用性; 指出了現(xiàn)有水生植物評(píng)價(jià)方法所存在的問題, 得出我國今后應(yīng)該建立水生植物多要素綜合評(píng)價(jià)方法, 根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的貢獻(xiàn)大小, 對(duì)指標(biāo)體系內(nèi)的指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán), 進(jìn)而計(jì)算其綜合得分; 提出了今后我國利用水生植物評(píng)價(jià)河流健康狀況的措施。

水生植物; 營養(yǎng)指數(shù); 多指標(biāo)植物指數(shù); 預(yù)測(cè)模型; 河流健康

1 前言

河流是人類發(fā)展的自然資源之一, 能夠?yàn)槿藗兲峁┦澄?、工農(nóng)業(yè)及生活用水, 還具有調(diào)節(jié)氣候、改善生態(tài)環(huán)境、維護(hù)生物多樣性等多種服務(wù)功能[1]。河流生態(tài)系統(tǒng)在自然界能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)中也發(fā)揮著重要的作用。然而, 由于人口的快速增長以及人類活動(dòng)的加劇, 河流生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重?fù)p害, 一些河流的水文、水質(zhì)、河岸帶完整性等正在日趨惡化, 生物多樣性、社會(huì)服務(wù)功能也逐步喪失。為促進(jìn)生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展, 對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行研究已成為當(dāng)務(wù)之急。因此, 恢復(fù)和維持一個(gè)健康的河流生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)成為近年來環(huán)境管理的重要目標(biāo)[2–5]。

河流健康的概念最初在1972年美國的《聯(lián)邦水污染控制修正法》(Federal Water Pollution Control Act.)中被提出, 即健康的河流生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)具有結(jié)構(gòu)完整性(化學(xué)、物理生物完整性)和功能完整性(生態(tài)學(xué)進(jìn)程)[6–7]。Karr等認(rèn)為河流健康就是維持河流生態(tài)系統(tǒng)的完整性, 并在河流評(píng)價(jià)中建立了生物完整性指數(shù)IBI(Index of biotic integrity)[8]。隨著對(duì)河流健康的研究進(jìn)一步深入, 許多學(xué)者認(rèn)識(shí)到這一概念是不全面的, 河流健康概念中應(yīng)該包括人類價(jià)值[9],即河流生態(tài)系統(tǒng)不僅能維持自身結(jié)構(gòu)的完整性, 并能維持正常的服務(wù)功能和滿足人類社會(huì)發(fā)展的合理需求[10]。

傳統(tǒng)的河流健康評(píng)價(jià)方法是通過監(jiān)測(cè)水體的理化指標(biāo), 但是水體理化指標(biāo)對(duì)人為干擾指標(biāo)的響應(yīng)不敏感, 而河流生物群落能夠整合不同時(shí)間和空間尺度上各種化學(xué)、生物和物理影響, 不僅能夠顯著指示水體富營養(yǎng)化狀況, 還能夠反映河流生態(tài)系統(tǒng)的退化。例如, 隨著污染的加重, 物種多樣性下降,一些敏感指示生物種類數(shù)量減少或者消失, 而污染種類個(gè)體數(shù)量則增加, 進(jìn)而形成優(yōu)勢(shì)種, 因此許多研究學(xué)者開始采用生物指標(biāo)來指征河流水質(zhì)污染狀況[11–12]。

水生植物是指能夠長期或永久地在水中正常生活的植物, 包括沉水、挺水、漂浮和浮葉植物, 是河流生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)生產(chǎn)者, 具有顯著的環(huán)境生態(tài)功能, 不僅能夠?yàn)槠渌锾峁┦澄锖蜅⒌?而且也會(huì)對(duì)河流的物理化學(xué)特性產(chǎn)生影響。新的《歐盟水框架指令》(the Water Framework Directive)規(guī)定,水生植物也可以作為指示生物之一來評(píng)價(jià)河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況[13]。相比于魚類、藻類和大型無脊椎動(dòng)物, 水生植物能夠在其組織內(nèi)很快富集污染物和重金屬[14], 在樣品采集和鑒定方面也相對(duì)容易[15]。水生植物由于根植在水體中, 積累了一定時(shí)期的水文、物理和化學(xué)壓力, 其結(jié)構(gòu)、功能和生態(tài)特征能綜合反映河流水生態(tài)環(huán)境的基本功能特性, 因此不僅具有很好的環(huán)境指示作用, 而且能夠很好的反映河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況[16–18]。水生植物的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)也可以為流域水環(huán)境管理提供有價(jià)值的信息。本文綜述了水生植物在河流中的指示作用, 重點(diǎn)闡述了水生植物評(píng)價(jià)河流健康狀況的各種方法, 其方法在國內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀和適用范圍, 分析了現(xiàn)有評(píng)價(jià)方法存在的問題, 并對(duì)今后利用水生植物評(píng)價(jià)河流健康提出建議和措施。

2 水生植物的指示作用

利用指示生物監(jiān)測(cè)水體污染狀況的方法已經(jīng)在歐洲等國家廣泛應(yīng)用。不同種類的水生植物對(duì)所生長的水域有一定的指示作用[19]。沉水植物對(duì)水體污染最為敏感, 隨著水體污染的加重, 會(huì)出現(xiàn)大面積的死亡甚至消失, 例如輪藻、小茨藻等屬于敏感物種, 多分布在輕污染的河流水域中; 苦草、金魚藻、竹葉眼子菜、微齒眼子菜和水車前等分布在中污染河流水域; 狐尾藻、菹草、篦齒眼子菜等分布在重污染河流水域。挺水植物的耐污能力較強(qiáng), 對(duì)水體中的污染物不敏感, 如水花生、蘆葦和香蒲等屬于耐污種, 多分布在重污染河流水域。漂浮植物中滿江紅、浮萍、水鱉、荇菜、菱等對(duì)高濃度氮磷的水體有一定的耐受力[20–23]。隨著水體富營養(yǎng)化加重,水生植物群落逐漸退化, 挺水植物和浮葉植物群落會(huì)逐漸替代沉水植物群落[24]。國外的研究學(xué)者按照水生植物的耐污特性賦予了一定的營養(yǎng)等級(jí)分值,從1到10進(jìn)行打分。常見水生植物的物種特性如表1。

3 水生植物在河流健康評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

隨著《歐盟水框架指令》將水生植物納入河流健康評(píng)價(jià)的指示生物之一, 許多研究學(xué)者開發(fā)了一系列的水生植物評(píng)價(jià)方法, 從評(píng)價(jià)原理上來看, 分為指示物種法(Indicator species method)、多指標(biāo)評(píng)價(jià)法(Multimetrics assessment method)和預(yù)測(cè)模型法(Predictive model method)。

3.1 指示物種法

指示物種法在河流健康評(píng)價(jià)中應(yīng)用比較廣泛,主要依據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵種、特有種、指示種等的數(shù)量、結(jié)構(gòu)功能等指標(biāo)來描述生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。水生植物物種有定義明確的生態(tài)幅度和物種最適生長條件, 生態(tài)幅度寬的物種能夠耐富營養(yǎng)化[28], 因此可以利用物種的營養(yǎng)等級(jí)分值來評(píng)價(jià)河流的生態(tài)狀況[29]。

表1 常見水生植物類群的物種特性[25–27]Tab. 1 The species features of common aquatic plants[25–27]

Haslam等[30]在1978年開發(fā)了第一個(gè)水生植物營養(yǎng)指數(shù)來評(píng)價(jià)河流污染狀況。為了響應(yīng)《城市廢水指令》(Urban Waste Water Treatment Directive)的需求, Dawson等[31]調(diào)查了英國河流的水生植物物種并建立了MTR(Mean Trophic Rank)指數(shù), MTR指數(shù)得分從 10—100變化, 分值越低, 代表樣點(diǎn)的富營養(yǎng)化程度越高。Szoszkiewicz等[27]利用MTR指數(shù)評(píng)價(jià)了波蘭河流的生態(tài)狀況, 結(jié)果表明MTR分值與水體環(huán)境變量之間有很強(qiáng)的相關(guān)性。隨后MTR指數(shù)被應(yīng)用于歐洲其他地區(qū)河流健康評(píng)價(jià)中, 但結(jié)果卻表明其得分與水體營養(yǎng)指標(biāo)關(guān)系微弱[32–34]。Szoszkiewicz等[25]新增了部分水生植物的營養(yǎng)分值, 新增加的MTR指數(shù)得分與水體營養(yǎng)濃度關(guān)系有了顯著提升。Schneider等[35]開發(fā)了TIM指數(shù)(Trophic Index with Macrophytes)來評(píng)價(jià)德國水域的營養(yǎng)狀況。Haury等[36]建立了 IMBR(Macrophyte Biological Index for Rivers)指數(shù)很好地評(píng)價(jià)了意大利和法國等河流水體富營養(yǎng)化和有機(jī)污染狀況。Fabris等建立了參考樣點(diǎn)指數(shù)RI(reference index)[37], 該指數(shù)可以檢測(cè)河流的營養(yǎng)狀況, 還可以檢測(cè)一系列的生態(tài)壓力。Kuhar等在 RI指數(shù)的基礎(chǔ)上研發(fā)了 RMI指數(shù)(River Macrophyte Index), 該指數(shù)不僅能夠指示環(huán)境壓力變化, 還能夠指示河流富營養(yǎng)化狀況[38]。相比國外,我國目前還沒有建立相應(yīng)的水生植物營養(yǎng)指數(shù)。部分水生植物指示物種評(píng)價(jià)方法的特點(diǎn)和適用范圍見表2。

雖然基于水生植物的指示物種法都能夠有效的評(píng)價(jià)河流的富營養(yǎng)化狀況, 但是沒有一個(gè)營養(yǎng)指數(shù)可以被廣泛應(yīng)用于其他流域[22], 這可能是不同地區(qū)指示物種的地理分布不同。Dodkins等[39]建立了水生植物營養(yǎng)指數(shù)來評(píng)價(jià)葡萄牙河流的營養(yǎng)狀況。結(jié)果表明北部河流營養(yǎng)指數(shù)與水體營養(yǎng)指標(biāo)顯著相關(guān), 而南部酸性和干旱河流的相關(guān)性很低。這主要是南部干旱河流的水生植物物種數(shù)量較少, 并且地中海特殊的氣候特點(diǎn)和水文狀況, 導(dǎo)致水生植物評(píng)價(jià)方法很難適用于葡萄牙區(qū)域河流。因此在某些缺少生物數(shù)據(jù)的河流中, 指示物種法的應(yīng)用受到一定的限制。

3.2 預(yù)測(cè)模型法

預(yù)測(cè)模型法主要是通過選擇無人為干擾或干擾較小的河段, 建立河流的物理化學(xué)特征及相應(yīng)水生植物組成之間的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ? 以此預(yù)測(cè)被評(píng)價(jià)河段天然條件下的水生植物組成, 并與實(shí)際的物種組成進(jìn)行對(duì)比量化分析。比值越接近1表明該河流越接近自然狀態(tài), 其健康狀況也就越好[40]。

表2 水生植物指示物種評(píng)價(jià)方法的特點(diǎn)和適用范圍Tab. 2 The characteristics and applicability of aquatic macrophytes indicator species methods

近年來, 越來越多的研究學(xué)者利用水生植物建立預(yù)測(cè)模型來評(píng)價(jià)河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。Dodkins等[28]基于大型植物建立了預(yù)測(cè)模型 CBAS(Canonical Correspondence Analysis-based Assessment System),通過對(duì)參考站點(diǎn)進(jìn)行分組, 針對(duì)每個(gè)河流類型制定相應(yīng)的度量值, 利用CCA分析篩選出了合適的環(huán)境響應(yīng)指標(biāo), 基于物種的最適生長條件、生態(tài)寬度和物種蓋度進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算出指標(biāo)值, 該模型能夠區(qū)分參考樣點(diǎn)和受損樣點(diǎn)。參考樣點(diǎn)的分組在河流健康評(píng)價(jià)中占很重要的地位, Fabris等[37]指出河流的生態(tài)現(xiàn)狀不僅受到營養(yǎng)狀況的影響, 而且受到河流類型的影響, 不正確的分類方法會(huì)導(dǎo)致河流評(píng)價(jià)結(jié)果不準(zhǔn)確。Aguiar等[41]基于水生植物群落在伊比利亞河流建立了兩種預(yù)測(cè)模型, 即 MACPACS Macrophyte Prediction and Classification System)和MAC(Macrophyte Assessment and Classification)模型,結(jié)果表明MACPACS模型與人類干擾和營養(yǎng)鹽的輸入指標(biāo)的相關(guān)性較差, MAC模型則能夠顯著反應(yīng)人為干擾情況下河流生態(tài)系統(tǒng)的退化。這個(gè)模型的區(qū)別在于分別選擇了植物頻度和多度數(shù)據(jù)建模, 因此MAC模型對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)退化的預(yù)測(cè)高于MACPACS模型。

目前國內(nèi)主要通過建立綜合評(píng)價(jià)模型來評(píng)價(jià)河流的健康狀況, 常用的模型評(píng)價(jià)方法有模糊綜合評(píng)判法、層次分析法、灰色綜合評(píng)判法、貼近度分析法和聚類分析法等。一些研究學(xué)者建立了由目標(biāo)層、要素層、指標(biāo)層構(gòu)成的河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系, 運(yùn)用層次分析法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重, 在加權(quán)計(jì)算出綜合評(píng)價(jià)指數(shù)。趙志淼等[42]應(yīng)用模糊評(píng)判法、聚類分析法和貼近度分析法來評(píng)價(jià)遼河保護(hù)區(qū)遼河干流鐵嶺段健康河岸帶的生境狀況, 得出最適宜的評(píng)價(jià)方法為貼近度分析法。賈蕊等[43]在贛江南昌段建立了由自然形態(tài)狀況、生態(tài)環(huán)境狀況和社會(huì)服務(wù)狀況組成的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。王勁修等[44]運(yùn)用層次分析法從河流健康狀況、岸坡穩(wěn)定性、河岸帶土壤條件和河岸帶植被條件四個(gè)方面構(gòu)建了山西汾河源頭河岸帶生態(tài)狀況評(píng)價(jià)體系。施展[45]等從河岸穩(wěn)定、河岸廊道、濱水植被、緩沖帶植被、護(hù)岸帶狀況和景觀適宜性六個(gè)方面構(gòu)建了蘇州河上海城區(qū)段河流濱岸帶生境質(zhì)量評(píng)價(jià)體系。肖琳等[46]在渾河流域建立了河流生境質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù), 構(gòu)建了河岸穩(wěn)定性、河岸帶寬度、河岸帶植被狀況、河岸帶人類干擾、河道水生植物狀況、河道形態(tài)完整性、河道連通性和河道人類干擾的生境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。杜東等[47]從河流水文、河岸帶狀況、河流形態(tài)結(jié)構(gòu)、河流水質(zhì)理化參數(shù)、水生生物指標(biāo)五個(gè)方面構(gòu)建了太湖主要入湖河流健康評(píng)價(jià)體系。王強(qiáng)等[48]選用河流生境多樣性指數(shù)、河道濕潤率、生境單元質(zhì)量指數(shù), 采用專家打分法確定權(quán)重系數(shù), 建立了三峽庫區(qū)東河的生境快速評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及定量評(píng)價(jià)模型。陳晨[49]、付愛紅[50]、楊予靜[51]等運(yùn)用 PSR模型分別在太子河流域、塔里木河流域和汝溪河流域構(gòu)建了生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。部分預(yù)測(cè)模型評(píng)價(jià)方法的特點(diǎn)和適用范圍見表3。

3.3 指標(biāo)體系評(píng)價(jià)法

多指標(biāo)植物指數(shù)評(píng)價(jià)方法主要是將水生植物的屬性(如物種豐度、蓋度、物種功能和營養(yǎng)指數(shù)等)和河流的物理化學(xué)參數(shù)列于評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中, 通過將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的一些生物特征指標(biāo)與參考點(diǎn)的特征指標(biāo)進(jìn)行比對(duì)評(píng)分, 將各指標(biāo)的得分累加進(jìn)而劃分河流生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量等級(jí)[28]。該類方法最具代表性的是生物完整性指數(shù)法IBI。

河岸帶具有消減面源污染, 提供野生動(dòng)、植物生態(tài)環(huán)境、改善河流生態(tài)環(huán)境等諸多功能, 河岸帶寬度及其生物種類組成等對(duì)于河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況具有較大影響, 因此一些學(xué)者將河流中的水生植物與河岸植被結(jié)合建立多指標(biāo)植物指數(shù)[52]。Ferreira等[53]建立了伊比利亞多指標(biāo)植物指數(shù)IMPI (Iberian multimetric plant index), 結(jié)果顯示IMPI值與流域人為干擾呈現(xiàn)一致的相關(guān)性, 因此IMPI指數(shù)展示了將河岸植被特征與河流全局干擾結(jié)合起來的可能性。Aguiar等[54]建立了河岸帶植被指數(shù) RVI(Riparian Vegetation Index)來檢測(cè)伊比利亞半島河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能組件對(duì)于人為干擾的響應(yīng)。RVI指數(shù)在流域尺度上, 結(jié)合河岸帶植被的特征和流域土地利用變化, 系統(tǒng)分析了河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。該指數(shù)能夠很好地評(píng)價(jià)人為干擾對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的影響, 但評(píng)價(jià)指標(biāo)有 32項(xiàng), 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也較難確定,因此增加了評(píng)價(jià)工作的復(fù)雜程度。

隨后基于水生植物的多指標(biāo)評(píng)價(jià)方法也被應(yīng)用于大型河流的健康評(píng)價(jià)中。Trémolières等[55]開發(fā)了一個(gè)多指標(biāo)植物指數(shù)來評(píng)估萊茵河邊緣水生棲息地的保護(hù)狀態(tài), 將其生態(tài)狀況分為從退化到健康的 5個(gè)質(zhì)量等級(jí), 并且得出營養(yǎng)級(jí)指標(biāo)和河流的連通性是影響萊茵河生態(tài)狀況的重點(diǎn)因素。Moore等[56]在密西西比河建立了沉水植物指數(shù) SMI(Submerged Macrophyte Index)來評(píng)價(jià)人為干擾對(duì)其生態(tài)系統(tǒng)退化的影響。結(jié)果表明, SMI指數(shù)與壓力梯度有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系, 能夠成功地檢測(cè)人為壓力對(duì)密西西比河生態(tài)退化的影響, 并且該指數(shù)是北美洲第一個(gè)利用水生植物評(píng)價(jià)大型河流生態(tài)系統(tǒng)健康的方法。

目前國內(nèi)主要利用多指標(biāo)評(píng)價(jià)法來評(píng)價(jià)河流的生境質(zhì)量狀況, 并且應(yīng)用較為廣泛, 水生植物組成作為其中的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。王強(qiáng)等[57]建立了生境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系HQA(Habitat Quality Assessment)和生境退化指數(shù)HMS(Habitat Modification Score)評(píng)估了東河河流的生境現(xiàn)狀。王建華等[58]在撓力河流域建立了河流生境質(zhì)量指數(shù) ISHQ(Index of Steam Habitat Quality), 結(jié)果顯示撓力河流域河流生境質(zhì)量整體狀況良好。劉華等[59]在太湖流域宜興片建立了河流生境質(zhì)量指數(shù) IRHQ(Index of River Habitat Quality), 包含河道生境、河岸生境和濱岸帶生境3方面共 10項(xiàng)的河流生境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。王瓊等[60]在蒲河流域建立了生境質(zhì)量評(píng)價(jià)體系, 采用三分法評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)16個(gè)指標(biāo)進(jìn)行打分, 采取累計(jì)求和的方式計(jì)算生境綜合評(píng)價(jià)指數(shù)。部分多指標(biāo)植物指數(shù)評(píng)價(jià)方法的特點(diǎn)和適用范圍見表2-3。

4 存在的問題

指示物種法能夠利用水生植物的特性快捷地指示河流生態(tài)系統(tǒng)健康, 但該方法也存在一定的缺陷,如缺乏與水生植物數(shù)據(jù)的直接聯(lián)系; 在指標(biāo)驗(yàn)證和結(jié)果解釋方面較弱; 僅局限于水體環(huán)境的變化, 難以反應(yīng)人類干擾等因素。雖然水生植物營養(yǎng)指數(shù)在國外河流健康評(píng)價(jià)中應(yīng)用廣泛, 但我國水生植物的分布與國外不同, 目前只有少部分的水生植物有對(duì)應(yīng)的營養(yǎng)等級(jí)分值, 因此利用水生植物營養(yǎng)指數(shù)評(píng)價(jià)我國河流健康還需要做更多的研究工作。

預(yù)測(cè)模型法綜合了指示物種法沒有被考慮到的指標(biāo), 能夠很好的反映人為干擾對(duì)河流質(zhì)量等級(jí)的影響。但這類方法主要通過水生植物單一物種組成進(jìn)行比較, 如果河流健康狀況受到破壞, 但并未反映在該物種組成變化上, 就無法反映河流的真實(shí)健康狀況, 這是評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)模型法的一大缺陷[61], 并且該方法在模型檢驗(yàn)時(shí)還需要相當(dāng)大的校準(zhǔn)工作。

表3 預(yù)測(cè)模型評(píng)價(jià)方法的特點(diǎn)和適用范圍Tab. 3 The characteristics and applicability of predictive model methods

多指標(biāo)體系評(píng)價(jià)法綜合了河流的物理、化學(xué)和生物完整性指標(biāo), 能夠反映河流從一個(gè)天然狀態(tài)到退化的過程, 評(píng)價(jià)方法簡單, 評(píng)價(jià)結(jié)果容易解釋。但多指標(biāo)植物指數(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于前兩種方法,給評(píng)價(jià)工作帶來一定的難度, 并且評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)難以確定, 在評(píng)價(jià)結(jié)果的精度上有所欠缺, 會(huì)掩蓋單個(gè)參數(shù)重要的信息[62]。

參考樣點(diǎn)的選擇是影響河流健康評(píng)價(jià)的重要因素。有研究證明, 通過專家判定的方法來確定參照點(diǎn)位, 會(huì)產(chǎn)生過高評(píng)價(jià), 影響評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性[63]。參考樣點(diǎn)是否有足夠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)也會(huì)影響評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用。丹麥研究學(xué)者證明, 適用于歐洲的大型植物完整性指數(shù)無法應(yīng)用到丹麥河流的研究中[64]。在現(xiàn)有的水生植物評(píng)價(jià)方法中, 參考樣點(diǎn)的確定大多通過專家調(diào)研或者歷史數(shù)據(jù)來判定, 缺少標(biāo)準(zhǔn)來定義和確定合理的參考狀態(tài)。

我國目前現(xiàn)有的多指標(biāo)水生植物評(píng)價(jià)體系, 主要是針對(duì)河流生境質(zhì)量現(xiàn)狀的評(píng)價(jià), 缺乏生物完整性指標(biāo)和水體理化指標(biāo), 評(píng)價(jià)體系尚不完整, 不能全面反映河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況?，F(xiàn)有的預(yù)測(cè)模型評(píng)價(jià)方法, 主要是運(yùn)用層次分析法來確定指標(biāo)的權(quán)重, 沒有通過水生植物的結(jié)構(gòu)和功能屬性建立評(píng)價(jià)模型, 而國外建立的 MAC模型已經(jīng)能夠成功地評(píng)價(jià)河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。并且我國不同地域的河流水文狀況, 生物多樣性和生物區(qū)系各有不同,難以建立一套評(píng)價(jià)指標(biāo)體系來適用于不同生態(tài)區(qū)域的河流健康評(píng)價(jià)。

綜上所述, 一個(gè)好的評(píng)價(jià)方法應(yīng)該能夠提供簡單易行的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn), 涵蓋數(shù)量少且具有代表性的指標(biāo), 能夠提供簡單易解釋的評(píng)價(jià)結(jié)果[2], 能夠?qū)θ藶楦蓴_做出顯著的響應(yīng), 能夠結(jié)合水體和河岸特征綜合的反映河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。因此可以建立多要素綜合評(píng)價(jià)方法, 建立包含生物完整性指數(shù)、物理生境完整性指數(shù)和水質(zhì)理化參數(shù)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系, 然后對(duì)指標(biāo)體系內(nèi)的指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)(即各評(píng)價(jià)指標(biāo)針對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的貢獻(xiàn)大小), 來綜合評(píng)價(jià)河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。

5 研究展望

從國外的研究來看, 水生植物在河流健康評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究很多且已日趨成熟, 而我國水生植物評(píng)價(jià)技術(shù)研究還相對(duì)滯后, 不僅選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)較為單一, 而且缺少針對(duì)不同類型河流開展的分類評(píng)估研究。目前我國尚未開展水生植物的生物完整性指數(shù)研究, 因此未來我國利用水生植物評(píng)價(jià)河流健康還需要重點(diǎn)開展以下幾個(gè)方面的研究工作:

(1) 建立長期、系統(tǒng)的水生植物監(jiān)測(cè)體系

建立規(guī)范化的水生植被調(diào)查方法和物理生境調(diào)查方法, 在樣品采集和監(jiān)測(cè)指標(biāo)上設(shè)置統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和要求。依靠專家和文獻(xiàn)調(diào)研等方式確定水生植物的物種特性, 豐富我國水生植物營養(yǎng)等級(jí)分值數(shù)據(jù)庫。調(diào)查水體和河岸的水生植物特征, 監(jiān)測(cè)相似生態(tài)流域內(nèi)的水生植物組成, 為制定不同地域水生植物評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)提供基礎(chǔ)資料。對(duì)仍處于天然狀態(tài)河流的水生植物指標(biāo)加強(qiáng)數(shù)據(jù)調(diào)查, 為制定更合適的河流參照狀態(tài)基準(zhǔn)做技術(shù)支撐。

(2) 確定合理的參照點(diǎn)位

參照點(diǎn)位在多指標(biāo)植物指數(shù)和預(yù)測(cè)模型評(píng)價(jià)法中占很重要的位置, 一般選擇河流中完全未受干擾的參照點(diǎn)位作為參考基準(zhǔn)。但目前我國大部分河流生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重, 難以在同一河流中找到合適的參照點(diǎn)位, 因此在污染較小的河流可以選擇受人為干擾較小的參照點(diǎn)位, 在污染較重的河流可以選擇最好和最差的參照點(diǎn)位作為參考基準(zhǔn)。在參照點(diǎn)位的篩選方面, 可以參考水化、土地利用和水文數(shù)據(jù),通過水質(zhì)指標(biāo)和生境質(zhì)量評(píng)分進(jìn)行定量化篩選[65]。

(3) 制定合理的指標(biāo)評(píng)價(jià)體系和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)該涵蓋水質(zhì), 水文狀況、河岸帶、水生植物完整性指數(shù)和河流生境質(zhì)量指數(shù)等五大要素, 既要有定性指標(biāo)又要有定量指標(biāo), 這樣才能全面的反映河流的健康狀態(tài)。在指標(biāo)的篩選上,可以運(yùn)用相關(guān)性分析、敏感性分析和識(shí)別能力分析等方法, 篩選出個(gè)數(shù)少、靈敏度高、穩(wěn)定性好、不存在重復(fù)信息, 能夠?qū)θ藶楦蓴_有明顯的響應(yīng)關(guān)系的指標(biāo)體系。在評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定上, 可以采用三分法、四分法、比值法, 或者依靠專家評(píng)定來對(duì)參數(shù)的范圍制定分值。對(duì)不同類型的參考點(diǎn)位, 可以制定不同的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。

(4) 開展不同類型河流水生植物評(píng)價(jià)研究的應(yīng)用

研究相似區(qū)域河流的生態(tài)現(xiàn)狀, 在此基礎(chǔ)上分區(qū)建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)體系。建立適合不同氣候條件的河流健康評(píng)價(jià)體系, 如寒冷地區(qū)的和干旱地區(qū)河流,富營養(yǎng)化流域和高海拔流域等, 這對(duì)水生植物評(píng)價(jià)方法的廣泛應(yīng)用具有重要意義。同一條河流不同區(qū)段水生植物群落結(jié)構(gòu)差異較大, 在建立大型河流評(píng)價(jià)體系時(shí), 需要對(duì)河流類型進(jìn)行分類, 針對(duì)不同類型建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)體系。

總的看來, 我國水生植物的評(píng)價(jià)體系尚不完善,需要參照國外水生植物的評(píng)價(jià)方法, 結(jié)合我國實(shí)際情況, 構(gòu)建適合我國河流的水生植物多要素綜合評(píng)價(jià)方法[66]。深入開展水生植物調(diào)查研究, 可以結(jié)合現(xiàn)代科技手段如遙感、GIS等技術(shù)。對(duì)我國河流的生態(tài)現(xiàn)狀進(jìn)行分區(qū), 在分區(qū)的基礎(chǔ)上建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)方法, 可以有效的推動(dòng)我國河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的發(fā)展。

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Application of aquatic macrophytes in river health assessment: a review

LIU Yongli1,2, LIU Lusan1,2*, WANG Xing1,2, WANG Yu1,2
1. State Environmental Protection Key Laboratory of Estuarine and Coastal Environment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 2. State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012, China

Aquatic macrophytes, accumulated a certain period of hydrological, physical and chemical stresses, is the primary producer in river ecosystems. Aquatic macrophytes not only have a good indicative function of the environment, but also can greatly reflect the status of river ecosystem health. The assessment methods based on aquatic macrophytes consist of indicator indices, multimetric indices and predictive models. This paper mainly introduced the research progress of aquatic macrophytes assessment methods, and analyzed the characteristics and applicabilities of different assessment methods.Furthermore, we pointed out the related existing problems of aquatic macrophytes assessment methods, which indicated that multi-factors comprehensive assessment method should be set up in the future. According to the contribution of assessment index to the river ecosystem health, we can give weighs for the indices, so as to calculate the comprehensive score. Finally,we put forward some suggestions of aquatic plants used for river health assessment in future.

aquatic macrophytes; trophic status; multimetric plant index; predictive model; river health

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.03.030

Q178

A

1008-8873(2017)03-207-09

劉勇麗, 劉錄三, 汪星, 等. 水生植物在河流健康評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)科學(xué), 2017, 36(3): 207-215.

LIU Yongli, LIU Lusan, WANG Xing, et al. Application of aquatic macrophytes in river health assessment: A review[J]. Ecological Science, 2017, 36(3): 207-215.

2015-11-20;

2015-12-18

國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2015ZX07201-008)

劉勇麗(1989—), 女, 陜西漢中人, 碩士研究生, 主要從事水生生物方面的研究, E-mail: liuyl1026@126.com

*通信作者:劉錄三, 男, 博士, 研究員, 主要從事水生生物多樣性、生物監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)方面研究, E-mail: liuls@craes.org.cn