基于草本植物的逛荡河生态健康评价

殷其恒,罗新正

(烟台大学环境与材料工程学院,山东 烟台 264005)

逛荡河作为莱山区形成和发展中最重要的资源和环境载体,是影响城市风格,美化城市环境,关系到城市生存和限制城市发展的重要因素。但是随着城市的发展和人口的增加,使逛荡河的生态环境遭到了巨大的破坏。逛荡河生态健康评价,对逛荡河生态健康的修复有重要的参考作用,也可为类似河流生态健康评价体系的建立提供参考。

目前,河流生态健康评价采用的指示物种主要有鱼类、微生物、浮游植物、大型底栖动物和大型水生植物等。张赛赛等[1]和任丽平[2]以鱼类作为指示物种分别对浑河流域和嘉陵江梯级库区进行生态健康评价。根据鱼类的相关信息进行鱼类群聚的分析,推测影响因子在研究区域内的影响程度和流域的生境变动。但是,鱼类的活动能力强,耐受性较差,不能反映评价河段长期的健康状况。安新丽等[3]以微生物作为指示物种对包钢稀土尾矿库周边地下水生态系统进行生态健康评价。微生物是水体自净的基础,其群落特性与水环境具有高度相关性。微生物群落的变化比水质指标变化更敏感。但是,获得微生物数据比较难,评价时效短。蔡琨等[4]以浮游植物作为指示物种对冬季太湖流域进行生态健康评价。浮游植物是初级生产者,可转化水中的污染元素,而且便于采集。但是,浮游植物物种数量大,分类专业性强,而且指示性差,评价时效短。张方方等[5]和付岚等[6]以大型底栖动物作为指示物种分别为赣江流域和东江流域进行生态健康评价。大型底栖动物是水中比较稳定的生物群体,而且不同种类对水质的敏感性不同,指示性强。但是大型底栖动物采集困难,且主要反映河流河床的健康状况,对整个河流生态健康状况的指示性不强。

与上述指示物种相比,选择茎内木质部不发达、茎多汁、较柔软的草本植物更具有指示性,它具有以下优点:① 栖息地固定,草本植物是河流与环境长期变化的结果;② 便于直观判断,可以现场获取某些指标;③ 调查成本低;④ 易于识别;⑤ 草本植物既是无机环境影响的结果又是水生或者水陆两栖动物生存的基础,在整个水体生态系统的构建、平衡、维持、恢复等过程中起着举足轻重的作用;⑥ 分布范围广,具有良好的指示作用[7-10]。梁子湖[11]、鄱阳湖[12]和北京北运河流域[13]的生态健康评价是以水生植物作为指示物种。但通过调查发现逛荡河除了人工种植的水生植物外，大部分是湿生或中生植物,并分布在河道内以及河道两岸。所以本研究以草本植物为指示物种对逛荡河进行生态健康评价，可为逛荡河生态健康的修复提供科学依据,也可为相似河流生态健康评价体系的建立提供参考。

1 研究区概况

逛荡河流域位于烟台市莱山区,介于121°22′45″ E～121°27′43″ E和37°23′49″ N～37°30′14″ N之间,流域面积81.86 km2。流域地势由西北向东南倾斜,北部为低山区,西部为低山丘陵区,中、东部地形平坦属海相冲平原[14]。流域内土壤主要以棕壤和潮壤为主。流域地处温带大陆性季风气候区,海洋性特征明显,年均降雨量为737.6 mm,受季风影响,降水量季节变化显著,降水集中在6—9月份,占全年降水量的78%。年平均气温 12.6 ℃,年均蒸发量为1 326.6 mm[15]。

2 研究方法

2.1 流域调查方法

2.1.1 调查时间 为了保证工作连续性,选取草本植物成熟和流域降雨较少的9—10月进行野外调查。

2.1.2 调查样段 根据河床河岸结构、植物种类和分布的相对一致性原则,将逛荡河常年有水的干流河段划分为10 个调查河段(图1)。

图1 评价河段的分布

因为逛荡河地处中心城区,深受人类活动影响,无法选出对照河段。所以根据河流健康评价对照河段的选取标准[12,16](表1),将和逛荡河处于同一地理区的牟平区鱼鸟河中游一河段(33°23′10″N,121°33′2″E)选为对照河段。为了使评价河段与对照河段具有良好的区分度,对照河段的SV值应不小于评价河段SV值的75%分位数。

表1 对照河段选择标准

2.1.3 群落调查 现场调查,采集植物标本,测量各物种的投影面积。

2.1.4 样方调查 对10个调查河段以及鱼鸟河对照河段的芦苇段落,分别随机选取3个1 m×1 m的样方,确定样方内的物种,计算个体数量,测量株高和生物量(湿重)。

2.1.5 人类活动调查 现场调查各河段的堤坝、排污口、桥的数量以及各河段的渠化程度。

2.1.6 大型草本植物鉴定 根据采集标本的根、茎、叶以及标本的生活环境,对照《中国植物志》[17]和《山东植物志》[18]进行物种鉴定。

2.2 河流生态健康评价

2.2.1 评价指标体系的构建 (1)评价指标选取原则。相关性原则:每个指标都与河流健康状况密切相关,包括正相关和负相关。独立性原则:各指标表达的信息无重叠或极少重叠,减少信息重复。可行性原则:所选的指标能够获取指标值。

(2)主要评价指标。根据指标选取原则,结合逛荡河的实际情况,筛选出4类共9项指标(表2)。

表2 逛荡河草本植物评价指标

2.2.2 评价模型 (1)指标值标准化。

对于正相关的指标:

dij=(aij-aimin)/(aimax-aimin),

(1)

对于负相关的指标:

dij=(aimax-aij)/(aimax-aimin),

(2)

式(1)(2)中,i表示指标,j表示调查河段(包括对照河段),dij表示第i评价指标在第j个调查河段的标准化值;aij表示第i个指标在第j个河段的原始指标值,aimax表示第i个原始指标值中的最大值,aimin表示第i个原始指标值中的最小值。

(2)层次分析法(AHP法)[21-22]确定各指标权重。先将指标体系分为目标层(草本植物的生态健康)、准则层(类型)和指标层(指标),见表3,比较2个元素Ci和Cj哪一个更重要,对重要多少赋予一定数值;依据公式(3)和(4)构造判断矩阵。公式如下:

表3 指标相对重要性

C=(Cij)n×n,

(3)

(4)

式(3)和式(4)中:Ci为评价指标的量度;Cij为Ci对Cj的相对重要性数值。

耐受种是参考ROTHROCK等[19]和彭婉婷等[20]的研究方法,根据生态保守性系数介于0～2之间为耐受物种。

再利用和积法将判断矩阵每一列归一化,然后将归一化的数据按行求和;将所得向量进行归一化处理得特征向量近似值,即得到的权重P,也能得出最大特征值为λmax。

第三,对判断矩阵n≥3的矩阵进行一致性检验,n<3的矩阵不需要进行一致性检验。根据一致性指标计算公式:

(5)

根据得到的CI值通过文献[21]可得n阶矩阵的平均随机一致性指标RI的值, 根据随机一致性比例计算公式:

(6)

如果得到CR的值<0.1则符合一致性检验,反之则不符合。

(3)生态健康综合指数。采用评价指标标准化值的加权重平均值作为生态健康评价综合指数。

(7)

式(7)中,SVj表示为第j个评价河段的生态健康综合指数,n为指标数目,Ni表示第i个指标的权重值，di表示第i个指标的标准化值。

2.2.3 评价标准确定方法 以对照河段的生态健康评价综合指数为划分阈值。大于对照河段生态健康评价综合指数的评价河段为“健康”河段。对照河段的生态健康评价综合指数以下区间4等分,分别指示“良好”“一般”“差”和“很差”。

3 研究结果

3.1 植物种类及其面积占比

将遥感影像输入MAPINFO地理信息系统软件,提取评价河段、植被覆盖和大块植物种群(大于5 m2)的分布多边形,利用面积函数,分别计算面积。小块植物种群(小于5 m2),现场测量估算面积。零星分布植物种的面积通过平分(植被面积-大块种群面积-小块种群面积)的差值得到。

植物种类的面积比例(表5)是每种植物的面积占植物总面积(表4)的比例。逛荡河10个评价河段共发现草本植物64种,分属36科60属。鱼鸟河上游的对照河段共发现草本植物17种,分属9科15属。

表4 各采样河段植物总面积

表5 评价河段植物种类及其分布面积比例

表5(续)

表5(续)

表5(续)

3.2 评价指标值

把调查的原始数据根据表2进行数据处理,得到10个评价河段及对照河段的9项评价指标值(表6)。

表6 评价河段的评价指标值

3.3 指标值标准化

用式(1)对正相关的指标值进行标准化,用式(2)对负相关的指标值进行标准化(表7)。

表7 评价指标值的标准化值

3.4 层次分析法(AHP法) 确定各指标权重

首先,根据公式(3)、(4)和表3写出目标层C(草本植物的生态健康)的判断矩阵:

再利用和积法将判断矩阵每一列归一化,然后将归一化的数据按行求和;将所得向量进行归一化处理得特征向量近似值,即得到准则层的权重P:

P=(0.43,0.24,0.24,0.09)。

第三,对判断矩阵进行一致性检验。该矩阵为4阶矩阵即n=4, 最大特征根为λmax=4.025。代入公式(5)可得CI=0.008，通过查表可得4 阶矩阵的平均随机一致性指标RI=0.89,再代入公式(6)得CR=0.008 9<0.1，符合一致性检验。由此可得AHP法确定的指标权重和排序(表8)。

表8 AHP法确定准则层权重

根据公式(3)(4)和表3写出丰富度(B1),芦苇生长特性(B2),多样性(B3)和耐受性(B4)的判断矩阵:

再利用和积法将判断矩阵每一列归一化,然后将归一化的数据按行求和;将所得向量进行归一化处理得特征向量近似值,即得到准则层的权重P1,P2,P3和P4:

P1=(0.58,0.42),P2=(0.277,0.393,0.330),P3=(0.5,0.5),P4=(0.5,0.5)。

第三,对判断矩阵进行一致性检验。B1,B3,B4矩阵为2阶矩阵即n=2<3,不需要进行一致性检验。B2矩阵为3阶矩阵即n=3, 最大特征根为λ2max=3.03。代入公式(5)可得CI1=0.015，通过查表可得3 阶矩阵的平均随机一致性指标RI=0.52,再代入公式(6)得CR=0.028<0.1符合一致性检验。由此可得AHP法确定的指标权重和排序(表9)。

表9 AHP法确定指标层权重

3.5 生态健康综合指数

通过式(7)对标准化后的指标值求加权重平均值得出生态健康综合指数(表10),其中对照河段的SV值大于受损区SV值的75%分位数,符合条件。

表10 逛荡河评价河段的生态健康评价综合指数

3.6 评价标准

以鱼鸟河上游对照河段的生态健康综合指数为标准,构建逛荡河生态健康评价标准(表11)。

表11 逛荡河生态健康评价标准

3.7 评价结果

利用评价河段的生态健康综合指数和评价标准,得到逛荡河10个评价河段的健康状况(表12)。

表12 各评价河段健康状况

4 讨 论

4.1 生态健康退化的影响因素分析

4.1.1 人类活动调查情况 现场调查得出逛荡河现有桥10座,人工堰坝9座。污水或雨水排放口20个,其中还在排放的有6个。中下游河水能见度不足1 m,并伴有轻微恶臭。查找资料得出河道人工护岸长达2.48 km[14]。流域内年排放污水达58.8×104t,其中生活污水达54.9×104t,工业废水达3.9×104t;人和牲畜家禽的年排粪总量大约为43.2×104t,年排尿总量大约为7.77×104t,它们会直接或间接排入逛荡河造成污染[15,23]。

从表12可以看出逛荡河整体健康状况一般,生态健康退化最明显的河段集中在1#、2#、6#和7#河段,调查发现这几个河段在很大程度上受到人类活动的破坏(表13)。其他河段也遭受到人类活动破坏,只是破坏程度没有打破该河段原有的生态健康平衡。

表13 生态健康退化严重河段的人类活动

通过评价结果和人类活动调查情况来看,影响逛荡河生态健康状况主要有2个人为因素:污水排放和河道渠化、坝化。

4.1.2 污水排放 排放的污染物直接或间接进入逛荡河,造成水体污染。氮、磷浓度增大,促进水生植物,特别是浮游植物的繁殖、死亡、分解,消耗大量溶解氧,降低水体的自净能力。缺氧促进还原过程。还原过程的产物是H2S、NH3和CH3,形成恶化的水环境,损害了逛荡河的生态健康。

4.1.3河道渠化、坝化 河道渠化的目的是为了输水、排水和保障城市安全。但是,渠化导致河流生物栖息地丧失,植物、动物、微生物难以生存和河流自净能力降低。筑坝蓄水的目的主要是为了观赏。但是,停滞的河水中断了河流水体的增氧过程,使溶解氧浓度大幅度降低。筑坝使河道常年淹水,这种情况不仅破坏了逛荡河径流的季节变化,而且使河道沉积的有机污染物不能接触空气,难以降解,使河流的自净能力下降。

4.2 防治对策

4.2.1 减少污染物排入量 逛荡河流域内的人、畜、禽的粪便大约含氮量为8.64×103t,尿中的含氮量大约为1.94×103t[23]。如果把粪便和尿进行无害化处理,资源化循环利用,可带来显著的经济效益和环境效益。例如,用粪便和尿等有机肥代替化肥,经无害化处理后归田,粪便有机肥可改良土壤结构,具有保水、保肥、通气的作用,使农作物品质好、产量高;另外减少化肥使用量,可减少土壤板结,减少排放到河道的粪便污染物,使污染降到最低。用粪便生产沼气,平均每千克粪便产生沼气0.25 m3,利用流域内的粪便可年产沼气1.274×108m3,不仅能节省能源投入,熟化粪肥,减少污染物排放,而且沼气渣和沼气液也可作为有机肥归田[24]。

4.2.2 合理恢复天然河道径流,提高河流自净能力

河道渠化主要分布在逛荡河下游河段和逛荡河公园,主要目的是防洪排涝和为居民提供休闲场所。可以把直墙断面防护堤改成生态护岸,增加水生生物栖息地,提高河流的自净能力。根据10个评价河段的生态健康状况,合理拆除坝堰,尽可能恢复河流的流动性和贯通性,让河流流动起来、变动起来,以提高河流的自净能力。

5 小 结

通过流域调查与生态健康评价,得到以下结论。

(1)逛荡河10个评价河段中,1个“健康”等级,5个“一般”等级,2个“差”等级,2个“很差”等级。

(2)通过评价结果和人类活动调查发现,导致逛荡河生态健康退化的主要原因是:① 流域污水排放,包括生活污水、粪便流失和工业污水。② 河道渠化、坝化。河道渠化破坏了水生生物栖息地,坝堰蓄水破坏了河流径流的流动和变动性,降低了河流的自净能力。

(3)恢复逛荡河的生态健康的主要措施是:① 通过资源化利用从源头减少污染物排放量;② 改造现有河道,恢复河流径流的流动性和变动性,提高河流的自净能力。