天津市河流生态完整性评价

徐香勤,蔡文倩,雷 坤,殷旭旺,韩 洁,孙明东*

1.中国环境科学研究院水生态环境研究所,北京 100012 2.中国环境科学研究院，环境基准与风险评估国家重点实验室,北京 100012 3.大连海洋大学，辽宁 大连 116023

河流生态健康评价作为河流管理的重要工具，在世界范围内得到了广泛应用，成为监测和诊断河流健康状况、指导受损河流生态系统修复和保护的重要手段[1-2].国外开展河流生态健康评价的研究较早，20世纪70年代，欧洲和美国就开展了监测河流健康状况的工作.随后，英国、澳大利亚、南非等也进行了大量研究[3-5].1972年，美国《水污染控制修正法》指出，维持河流自然结构及生态功能的关键是恢复其生态完整性，因此，应将物理完整性、化学完整性和生物完整性作为衡量河流是否健康的标准.Rapport[6]认为，当河流处于原始状态时，其自然结构、生物完整性、生态过程及生态功能均未受到外界干扰，此时河流生态系统处于健康状态.但随着现代社会的不断发展，人类活动干扰成为河流无法避免的重要影响因素.随后，Meyer[7]提出，健康的河流生态系统应不仅能维持自身结构和功能稳定，还能满足人类生存和发展过程中的主要社会需求.因此，当前国外河流健康研究的切入点由河流本身及水体内的生物转变为河流及其周边相关的自然生态系统，衡量标准也相应地由河流受到人类活动干扰前的原始状态转变为在服务于人类基础上维持生态系统功能的稳定状态.我国河流生态健康评价发展较晚，起初大部分为水质评价，且评价结果比较单一，不具有代表性.随着技术的发展，我国对河流生态健康评价逐渐重视起来，2002年，唐涛等[8]在《生态学报》发表《河流生态系统健康及其评价》，加上各流域河流生态环境问题愈发突出，引发了国内对河流生态健康评价的研究热潮.近些年，我国河流健康监测和生态系统评价的研究主要集中在太湖、海河、辽河等流域[9-12].

在水生态健康评价中，IBI (index of biotic integrity，生物完整性指数)评价法是目前应用较为广泛的方法[13].IBI评价法由Karr[14]建立，最初通过鱼类对水生态系统健康进行评价，经过多年的发展，已被世界各国广泛应用于河流[15-16]、湿地[17]、库湾[18]、湖泊[19]等不同类型水体的生态健康评价.指示物种也逐渐扩展到底栖生物、着生藻类、水生植物等不同生物类别[20-27].IBI评价法虽然应用较广，但其仅能反映生物群落的受损状况，在水质条件极佳但生物类群较少的区域，用该方法得到的结果不够全面.河流生态系统涵盖了生物和非生物因素，河流生态系统健康不仅包括生物群落的完整性，还应包括其物理完整性和化学完整性.因此，能够综合物理、化学、生物、水文等多指标体系的IEI (index of ecological integrity,生态完整性指数)法应运而生.典型的多指标体系有澳大利亚的溪流状态指数[28](Australian river assessment scheme，ISC)，其通过水文学、物理特征、河岸带状况、水质及水生生物五方面共22个指标对河流进行健康评价.如Roland等[29]在传统的IBI评价法基础上增加了细菌、超微型浮游生物及一些理化因子，对特劳恩湖进行IEI评价；Robert等[30]选用了理化指标(pH、电导率)和生物指标(水体中植物、鱼类)对沿海平原流域进行IEI评价；张楠等[31]构建了涵盖水体物理化学、水生生物和河流物理栖息地质量要素的指标体系，对辽河流域生态系统健康状况进行评价；张杰等[32]利用物理、化学、生物(鱼类)指标构建了IEI指标体系，对浑太河河流生态健康状况进行评价.IEI指标体系以其强综合和易量化的特点，成为当前河流生态健康评价的常用方法[33].

运用IEI指标体系评价河流生态健康虽较为全面，但容易忽略不同河流的特殊性.河流生态系统具有典型的区域特征，在不同区域和时空尺度条件下所选择的评价指标和评价标准有可能存在差异[34-35].张明阳等[36]提出，决定IEI指标体系评价是否成功的关键是如何选择适宜的评价标准与评价指标.因此，该研究以天津市为例，调查浮游动物、浮游植物、底栖动物、鱼类、水生大型植物、陆生植物六类生物类群，使生物指标数据更全面，同时统筹物理和化学指标，构建天津市河流IEI指标体系评价天津市河流生态健康状况，并将IEI指标体系评价结果与环境因子做相关性分析，以验证评价体系的适用性.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

天津市位于海河下游，主要入境河流有泃河、淋河、沙河、黎河、潮白新河、北运河、龙凤河、永定河、还乡河、南运河、子牙河、大清河、子牙新河、北排水河.研究[37-38]表明，天津市河流水质受人为活动影响较大，呈现工业污染和农业面源污染共同影响的特征，主要河流污染严重，大部分指标超过GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅴ类水质标准.

1.2 采样点设置

根据天津市水系特征，选取32个调查点位，于2018年8月25日—9月12日对上述样点开展了包括生物群落特征、水环境物理特征及水环境化学特征的水生态环境调查(见表1和图1).

图1 天津市河流调查点位的空间分布Fig.1 Spatial distribution of river sampling sites in Tianjin City

表1 天津市河流调查点位及其对应水系Table 1 Sampling sites and corresponding river systems of rivers in Tianjin City

1.3 数据获取与分析

1.3.1理化指标数据获取

现场获取数据指标：pH、电导率、ρ(DO)、水温采用水质分析仪(YSI Pro2000,美国)现场获取数据；盐度采用盐度计现场获取数据；流速、流量、水深采用流速仪(FP111，美国)现场获取数据，河宽使用测距仪(Leupold RX-IV，美国)获取数据；透明度采用透明度盘(KH05-SD20)现场获取数据；河岸土地利用类型参考2007年《土地利用现状分类》，结合区域的土地利用特征，以左右岸800 m为界与土地利用数据叠加分析获得[32].

实验室内测定指标为ρ(Cl-)、ρ(NH4+-N)、ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(PO43-)、ρ(CODMn)、ρ(CODCr)、ρ(NO2--N)、ρ(NO3--N)、ρ(TDS)及ρ(SS)，每个点位采集2个平行水样(各2 L)，于48 h内带回实验室测定，根据GB 3838—2002中各指标的标准限值，进行单因子评价.

1.3.2生物群落指标数据获取

生物群落指标包括物种组成、物种数、生物量、栖息密度、生物优势度指数、生物多样性指数等，对于鱼类、底栖动物、浮游动物、浮游植物、大型水生植物和河岸陆生植物6种生物类群，按照《河流水生态环境质量监测技术指南》(试行)要求进行生物样品采集、固定和保存，对于现场能够鉴定到种的样品在现场直接鉴定，对于不能直接鉴定到种的样品带回实验室鉴定分析.

1.3.3数据分析软件

Pearson相关性分析和BEST分析分别用于检验生物群落指标之间、IEI与环境因子之间的相关关系，RELATE分析用于分析环境参数矩阵与IEI矩阵之间的相关关系，上述分析在PRIMER 6.0软件包中完成.此外，生物指标筛选中的频率分布、敏感性检验分析及箱体图用SPSS 13.0软件完成.

1.4 IEI评价体系构建方法

1.4.1参照点位的选取原则

参照点位是指未受到人为活动干扰或轻度人为活动干扰的样点，受损点位是指具有明显人为活动干扰的样点，参照点位选择是IEI评价的基础[39]，目前参照点位筛选尚无统一标准[40-41]，该研究综合国内外相关研究成果，参考文献[42]的方法，综合考虑各点位水质和生物栖息地评分，选取人为活动干扰强度最小的点位作为参照点位.栖息地评分参考郑丙辉等[43]提出的辽河河流生境质量评价方法，采用栖息地环境质量评价指标(qualitative habitat evaluation index,QHEI)对天津市调查点位河段栖息地环境质量进行现场评分.该指标由10个栖境质量参数组成，包括底质、栖境复杂性、速度-深度结合、堤岸稳定性、河道变化、河水水量状况、植被多样性、水质状况、人类活动强度和河岸边土壤利用类型，每项参数分值范围为0～20分(满分200分)，分数越高代表栖息地环境质量越好.

1.4.2指标筛选方法

指标筛选参考文献[42,44]的方法，候选指标(见表2)采用标准化方法筛选核心参数，主要包括3个步骤：①参数值分布范围分析.对候选参数在所有调查点位中分布频率进行分析，如果参数在样点中分布范围过窄或存在零值过多的情况(≥95%)，将对其进行剔除.②识别能力分析.采用箱线图及IQ (inter quartile)值记分法判断哪些生物参数能够最佳区分参照点位和人为干扰点位.箱体表示25%～75%分位数值分布范围，箱体内方块表示中位数，IQ≥2分的参数方可通过筛选.IQ=3分，箱体无任何重叠；IQ=2分，箱体有小部分重叠，但中位数都在对方箱体之外；IQ=1分，箱体大部分重叠，但至少有一方的中位数处于对方箱体范围外；IQ=0分，一方箱体在另一方箱体范围内，或双方的中位数都在对方箱体范围内.③冗余度分析.检验候选参数的独立性，根据相关系数的大小确定生物指数所反映信息的重叠度，使最后构成指标体系的每个参数都至少提供一个新的信息，而不是重复信息.利用Pearson相关性分析(参数符合正态分布)或Spearman相关性分析(参数不符合正态分布)，剔除相关性较高的参数(|R|>0.75).

表2 天津市河流IEI评价备选指标Table 2 Optional index for ecological integrity assessment of rivers in Tianjin City

1.4.3IEI得分计算方法

参考《河流水生态环境质量评价技术指南》(试行)对指标赋值后计算IEI，具体步骤如下.

a) 数据标准化.对筛选的核心指标对应的数据进行标准化处理.具体方法：随干扰增强而减小的参数，所有核心参数利用其95%分位数进行标准化〔见式(1)〕；随干扰增强而增加的指标，利用式(2)进行标准化.以IEI评价指标体系3个部分核心指标的平均数作为各自得分.

V′=V/V95%×100

(1)

V′=(Vmax-V)/(Vmax-V5%)×100

(2)

式中，V为参数值，V′为标准化后的参数值，V95%为参数的95%分位数，V5%为参数的5%分位数，Vmax为参数的最大值.

b) 计算指标权重.经过以上步骤，得出各个点位物理完整性、化学完整性、生物完整性总得分，应用层次分析法计算物理完整性、化学完整性、生物完整性的权重.

(3)

式中：Wi为物理完整性、化学完整性、生物完整性对应的权重;aij为标度,表示要素i和要素j相对重要度之比.

c) IEI得分.确定物理完整性、化学完整性、生物完整性的权重后，将这三部分得分进行加权平均.

(4)

式中，IEI为生态完整性得分，Ii为物理完整性、化学完整性、生物完整性得分.

1.4.4评价标准划分原则

IEI指标体系评价标准参考文献[44]的方法，采用参照点位指数值分布的25%分位数法将评价结果划分不同的等级，分别代表不同的健康程度.

1.4.5适用性验证方法

参考《河流水生态环境质量评价技术指南(试行)》，对生物完整性指数的环境压力敏感性进行检验，若参照点位“较好”以上(“健康”和“较好”总和)比例在60%以上，则说明该指数能较为敏感地响应研究区环境压力，可用于研究区的生态健康状况评价.

2 结果与分析

2.1 水环境理化特征分析

从物理环境状况分析，河流河口地区盐度较高.其中，S09(马棚口村)、S21(大神堂村)、S25(海河大闸)点位的盐度均为100‰.透明度最高的为S25(海河大闸)点位，为1.4 m；透明度最低的为S19(东堤头村)点位，为0.25 m.栖息地评分总体较低(见图2)，在36～84分之间，其中，S22(迎水桥)点位最高，为84分；S31(海河三岔口)点位最低，为36分.

图2 天津市河流调查点位栖息地评分结果Fig.2 Integrated habit assessment index of river sampling sites in Tianjin City

采用GB 3838—2002对天津市河流调查点位水质进行单因子评价，结果显示，天津市河流整体污染较为严重，水功能区达标率仅为46.9%.其中，S15点位达到Ⅱ类水质标准，S14和S20 2个点位达到Ⅲ类水质标准，S02、S09、S10、S11、S12、S13、S16、S22、S23、S30和S31这11个点位达到Ⅳ类水质标准，S19和S32这2个点位达到Ⅴ类水质标准，其余16个点位均处于劣Ⅴ类状态.ρ(NH4+-N)和ρ(CODMn)超标是造成天津市河流水质达不到功能区标准的主要原因.

2.2 生物群落结构特征分析

a) 浮游藻类.共计调查到浮游植物6门127种，以绿藻门为主，占总物种数的38%.从空间分布来看，物种数范围为3～25，S30、S24、S22点位物种数较多，为20～25，而S08、S09、S26点位的物种数较少，为3～5.蓝藻门在大多数点位中均占据主导优势.香农-威纳指数范围为1.047～2.974，较高值分布在S30、S24和S22等点位.

b) 浮游动物.共计调查到浮游动物72种，以轮虫为主，占总物种数的48%.从空间分布来看，物种数范围为0～22，S32点位物种数为22，S09点位没有发现物种，其余点位物种数为2～13.轮虫、桡足类在大多数点位中均占据主导优势.香农-威纳指数范围为0～2.271，较高值分布在S05、S17、S28、S30等点位.

c) 底栖动物.共计调查到底栖动物32种，主要以腹足纲为主，占总物种数的37%.从空间分布来看，物种数范围为0～7，S15、S16、S25、S29等点位物种较多，为5～7，S30点位并未采集到底栖物种.腹足纲在大多数点位中均占据主导优势.香农-威纳指数范围为0～1.546，较高值分布在S16、S10等点位.

d) 鱼类.共计调查到鱼类27种，分属8目12科，主要以鲤形目为主，占总物种种类的43%.S14点位鱼类密度最高，为450条,其次是S19点位，为220条，S20、S28点位较低，为5～10条.物种数范围为2～10，其中，S09点位物种数较多(10种)，S30和S31点位物种数较少(2种)，多数点位以鲤形目为主要优势物种，部分点位鲈形目出现较多.香农-威纳指数范围为0～2.189，较高值分布在S16、S23、S24等点位.

e) 水生大型植物.共计调查到水生大型植物26种，隶属于23科26属，以挺水型植物为主，占总物种数的69.23%.物种数范围为0～9，S12、S15点位的物种数最多(9种)，S07、S21、S25、S26、S29点位无水生大型植物.挺水植物在大多数点位占据主导优势，漂浮植物相对较多，沉水植物较少.香农-威纳指数范围为0～0.743，较高值分布在S11、S12、S32等点位.

f) 河岸带植物.共计调查到25目29科71属82种草本(含变种、变型和人工种植)、6目8科13属14种藤本植物、9目14科20属23种人工乔木.优势种为芦苇，优势度最高为0.107，其次是碱蓬，优势度为0.060，马唐和虎尾草的优势度分别为0.051、0.032.从空间分布来看，物种数范围为7～23，大多数点位物种数为15左右，S08、S21点位的物种数最少(7种).香农-威纳指数范围为0.095～0.998，较高值分布在S23、S28、S31、S32等点位.

2.3 IEI评价结果

2.3.1参照点位选取结果

根据2.1节分析结果，天津市河流整体污染较为严重，大部分点位生物栖息地评分偏低，因此，根据实际情况，综合生物栖息地评分较高和水质状况较好的结果，该研究选取了11个参照点位(见表3).

表3 河流参照点位的主要污染物浓度和栖息地评分Table 3 Major pollutants concentration and habitat score of at river reference sites

2.3.2指标筛选结果

a) 物理指标的筛选.对符合条件的备选指标进行判别能力检验，经检验，备选指标中，pH、电导率2个指标通过检验，且这2个指标均通过相关性分析(|R|<0.75).因此，pH、电导率2个指标用于该研究中的物理完整性指数的构建.

b) 化学指标的筛选.对随干扰强度单调递增或递减的指标进行判别能力检验，经检验，NH4+-N、TN、TP、CODMn、NO2--N及NO3--N 6个指标通过检验.相关性分析表明，ρ(TN)与ρ(NO2--N)、ρ(NO3--N)均呈显著相关，信息重叠水平高，因此最终保留TN、TP、NH4+-N、和CODMn4个核心指标.

c) 生物群落指标的筛选.根据浮游藻类、浮游动物、底栖动物、鱼类、水生大型植物、河岸带植物备选指标，利用箱体图进行判别和相关性检验，最终筛选出不同生物群落类型的评价指标(见表4).

表4 IEI评价指标筛选结果Table 4 Results of ecological integrity evaluation indicators

2.3.3指标赋值结果

根据该研究1.4.3节所述方法得出物理完整性权重为0.3，化学完整性权重为0.3，生物完整性权重为0.4.

2.3.4评价标准

以参照点位IEI得分值分布的25%分位数作为河流生态系统健康评价标准，共分为5个等级：“健康”(≥3分)、“较好”(2.55～3分)、“一般”(2.12～2.55分)、“较差”(2.01～2.12分)、“差”(<2.01分).

2.3.5IEI评价结果

由图3可知，所有调查点位中，“健康”的点位为6个，占18.8%；“较好”的点位为9个，占28.1%；“一般”的点位为13个，占40.6%；“较差”的点位为2个，占6.3%；“差”的点位为2个，占6.3%.由此可见，不同区域健康状况分布不均，海河干流水系、蓟运河水系生态状况总体较好，永定新河水系生态状况一般，独流减河水系生态状况较差.

图3 天津市河流生态环境状况评价结果Fig.3 Evaluation results of river ecological environment condition in Tianjin City

3 讨论

3.1 适用性验证分析

经验证，参照点位S01、S05、S16、S20、S22、S23、S24、S25、S27具有良好的生态完整性，区分效率为82%(>60%)，通过适用性验证，表明IEI评价法可较好地表征各点位的健康状况.

构建IEI需建立在参照点位与受损点位生态健康状况对比的基础上，但目前参照点的定义及其设定方法尚存在较大争议[45].在具体应用中如何通过现场调查确定点位是否可以作为参照点位，不同的专家往往采用不同的规则与方法[46-47].因栖息地环境质量反映了人为活动对河流长期的干扰状况，故专家经验法选择参照点位时将栖息地特征作为最重要的评判标准[48]，但在推广应用时存在一定的局限性.该研究基于栖息地评分和水质状况选取参照点位，通过水质指标可降低选择参照点位时的主观性，促进IEI评价法的推广与应用.

3.2 IEI与环境因子相关性分析

利用IEI评价河流健康，反映的是河流长期受人为活动干扰后的一个综合状况.通过Pearson相关性分析(见表5)、BEST分析和RELATE分析，认为天津市河流生态健康评价结果与环境因子的对应性较高.

表5 IEI与环境因子间的Pearson相关性分析Table 5 Pearson analysis between IEI and environmental factors

ρ(NH4+-N)和ρ(CODMn)超标是造成天津市水质达不到功能区标准的主要原因，同时也是影响天津市河流生态健康的主要因素，构建的IEI指标体系能够响应天津市河流面临的环境压力，进一步验证了该研究采用IEI法评价天津市河流健康是合理和可行的.

Pearson相关性分析结果(见表5)表明，IEI与ρ(CODMn)呈显著相关〔R=-0.453，P=0.023(<0.05)〕.

BEST分析结果表明，ρ(NH4+-N)是解释IEI变化的最优环境参数〔Rho=0.154，P=0.02(<0.05)〕.RELATE分析结果表明，生物指数矩阵与环境参数矩阵呈显著相关〔Rho=0.154，P=0.034(<0.05)〕.

4 结论与展望

a) 所有调查点位中，生态健康状况等级为“健康”的点位占18.8%；“较好”的点位占28.1%；“一般”的点位占40.6%；“较差”的点位占6.3%；“差”的点位占6.3%，天津市河流生态健康状况整体处于“一般”水平.

b) 相关性分析表明，ρ(NH4+-N)和ρ(CODMn)超标是造成天津市水质达不到功能区标准的主要原因，同时也是影响天津市河流生态系统健康的主要因素.构建的IEI指标体系能够响应研究区面临的环境压力，说明采用该方法评价天津市河流生态系统健康是合理可行的.

c) 该研究不足之处在于，仅使用一次秋季调查数据构建IEI指标体系，不能全面地反映不同年份不同季节天津市河流生物群落结构及水质状况.后续研究中，笔者将开展不同季节水生态环境调查工作，并考虑年降雨特点，进一步完善天津市河流生态系统健康评价体系；同时，将进一步开展大量评价指标在信息整合的过程中是否会发生信息重叠或弱化的现象等研究工作.