河流生物栖息地评估研究进展

作者:董哲仁    文章来源:科技导报    点击数:4214    更新时间:2010-1-10

摘要:河流生物栖息地评估在河流生态修复中具有重要作用,通过栖息地评估可为河流生态修复提供基础信息和依据。本文将河流生物栖息地评估方法分为水文水力学方法、河流地貌方法、栖息地模拟法和综合评估法四种类型,分别对各种方法的原理和特点进行了综述,最后,还讨论了各种评估方法的适用条件。
关键词:河流生态修复 生物 栖息地 评估

State of the Art in the Field of River Habitat Assessment

Zhao Jinyong, Dong Zheren, Sun Dongya
China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing, 100038

Abstract: River habitat assessment plays an important role in river restoration, through which fundamental information and basis can be supplied. The paper divided the methods of river habitat assessment into hydrological-hydraulic method, river geomorphology method, habitat modeling method, and integrated assessment method. Every method is summarized from the aspects of principle and characteristics, and the application limitation is also discussed in the end.
Key Words: River Restoration; Habitat; Assessment

1 概述

    河流生态修复是一种环境保护行动,其目的是促使河流系统恢复到较为自然的状态,在这种状态下,河流系统具有可持续特征,并可提高生态系统价值和生物多样性(1)。河流生态修复在欧美等发达国家得到迅速发展,Kondolf(2)的统计表明,自从1980年以来,美国加利福尼亚州的河流生态修复项目已有4000多个。近年来,我国河流生态修复试点工程开始起步,相应的科研、规划与设计等方面工作已经蓬勃展开。但总体而言,我国在河流生态修复方面仍处于技术探索阶段(3)
    从发达国家的经验来看,随着河流生态修复行业的迅速发展,迫切需要进行项目实施后的系统性评估工作,Bernhardt等人(4)的调查结果表明,美国平均每年投入十亿美元进行河流生态修复,截止到2004年底美国共有37000多个河流生态修复项目,其中仅有10%左右的项目进行了监测和评估,由此失去了吸取经验教训的宝贵机会。在河流生态修复中,河流生物栖息地评估具有重要作用,通过栖息地评估可为河流生态修复项目提供基本的信息基础和依据,栖息地评估往往是系统性评估工作的重要组成部分,Kondolf等人(5,6)在河流生态修复项目后评估方法中,将栖息地评估作为三个评估因素之一。栖息地评估已成为生态完整性评价的重要指标(7),并且是很多河流评估计划不可缺少的部分(8,9)。河流生物栖息地建设技术和评估方法也成为生态水利工程学的重要研究内容(10)。河流栖息地是对水生生物有直接或间接影响的多种尺度下的物理化学条件的组合(11)。河流生物栖息地质量评估是评估河流的物理化学条件、水文条件和河流地貌学特征对于生物群落的适宜程度(12)
    尺度问题是河流栖息地评估中首先要明确的关键问题,不同尺度的栖息地对应不同的评估参数和指标体系。河流生物栖息地根据空间尺度可大致分为宏观栖息地(Macro-Habitat)、中观栖息地(Meso-Habitat)和微观栖息地(Micro-Habitat)三种类型(13),如图1所示。其中,宏观栖息地包括流域和整体河段(Segment)两个层次,中观栖息地包括局部河段(Reach)和深潭/浅滩(Pool/Riffle)序列两个层次,微观栖息地指流态、河床结构、岸边覆盖物等局部状况。


图1 河流生物栖息地尺度示意图(14)

2 河流栖息地评估的主要方法

    根据不同方法的特点,河流栖息地评估方法可以分为水文水力学方法、河流地貌法、栖息地模拟法、综合评估法,如图2所示。




2.1 水文水力学方法
    水文水力学方法主要通过流量、水位等参数反映河流栖息地的状况,如湿周法(15,16,17)、R2CROSS法(18,19)等,在计算河道生态需水量时也通常采用这类方法(20)。河道湿周法假设浅滩是最临界的河流栖息地类型,保护了浅滩也就保护了其它栖息地类型。在应用中,首先要在浅滩区域选定几个代表性断面,测量不同流量条件下的水深和流速,然后绘制湿周与流量的相关曲线,二者是非线性关系,湿周随着流量的增加而增大,但当湿周超过某临界值后,关系曲线斜率降低,可认为湿周-流量关系曲线中的第一个转折点所对应的流量为河道生态流量值。如图3所示。R2CROSS法将河流平均深度、平均流速和湿周率作为反映生物栖息地质量的水力学指标,认为如能在浅滩类型栖息地保持这些参数在适宜的水平,即可维护鱼类在河流内的水生栖息地(21)

2.2 河流地貌法
    研究表明,在水量与水质不变的情况下,河流地貌特征与生物群落的多样性存在着线形关系,影响着生物群落的结构和功能(22,23),河流地貌法就是主要通过河流地貌特征反映栖息地的状况。Rosgen(24,25)利用地貌分类模型对河流鱼类栖息地的改善效果进行了研究。Brierley和Fryirs(26,27)利用河流形态框架方法(River Style Framework)在流域、景观单元、河段和地貌单元等尺度上对河流栖息地的评估和预测进行了研究。Thorne和Easton(28)设计了一套现场踏勘方法,以对地貌学家或河流生态学家惯用的、没有统一标准的栖息地观测方式进行分类。Downs和Brookes(29)利用河谷特性(比如洪泛区的土地利用情况)、河道属性(比如岸坡和底质条件)、河道动力特性(比如地形、河道内小型地貌单元的情况)等信息对当前的河流栖息地状况进行评估。应用这种方法时,流域内的其它部分也需要进行评估,因为流域特性对河流生态修复项目有重要影响。英国环境署编写的河流栖息地调查手册(30)通过现场调查河段的物理特征来对栖息地状况进行评估,调查内容主要包括河道形态、岸坡状况、流态、植被结构、土地利用状况、深潭-浅滩序列、人工结构物等。迄今为止,在英国已经利用手册进行了将近17000次调查,并将数据输入了数据库。

2.3 栖息地模拟法
    栖息地模拟法包括基于相关关系的栖息地适宜性模型和基于过程的生物种群或生物能模型两大类,表1为栖息地模拟法中所使用的比较有代表性的模型及其主要用途。基于相关关系的栖息地适宜性模型包括单变量栖息地适宜性模型和多变量栖息地适宜性模型,主要通过对生物行为和环境因子相关关系的研究来对栖息地适宜性作出判断。单变量栖息地适宜性模型以特定属性(如水深、流速)区域内的物种数量表示栖息地的适宜性程度。IFIM(Instream Flow Incremental Methodology)方法就是一种单变量栖息地适宜性模型,Bovee(31,32)首先将IFIM方法应用到栖息地评估中,并在后续研究中对此方法进行了完善,利用IFIM原理开发的PHABSIM模型应用较广。多变量栖息地适宜性模型包括回归模型、排序技术、人工神经网络、模糊准则、决策树等。回归模型包括逻辑回归模型和多重回归模型,Schmutz(33)利用逻辑回归模型对鲃鱼、鲴鱼的栖息地适宜性进行了分析,Binns等人(34)利用多重回归模型对鲑鱼的栖息地适宜性进行了分析。排序技术是指依据出现的物种及其丰富度,将样点(或样区)进行依序排列的技术方法,包括利用群落本身属性排序的间接梯度分析和利用环境因素排序的直接梯度分析两种方法。Pardo(35)利用间接梯度分析方法对以水质为主要因子的河流栖息地进行了时空趋势预测,Copp(36)利用直接梯度分析方法对鱼类群落栖息地进行了分析,Jennifer(37)利用间接梯度分析方法中最为通用的PCA(Principal Components Analysis)方法对美国密歇根州的河流栖息地质量进行了评估。Baptist(38)利用人工神经网络技术对鱼类栖息地进行了研究。Jorde和Schneider(39,40)利用模糊准则技术对鱼类栖息地质量进行了评估,并开发了鱼类和底栖生物栖息地质量评估软件CASIMIR。Zuther等(41)利用模糊准则技术和地理信息系统对小龙虾的栖息地适宜性指标进行了研究,其研究结果可作为栖息地评估的前期准备工作。Dakou(42)利用决策树技术对大型无脊椎动物的栖息地质量及其预测进行了探讨。基于过程的生物种群或生物能模型包括基于栖息地供给的鱼类种群模型和生物能模型。Minns等人(43)提出了年龄结构鱼类种群模型,模型研究了与白斑狗鱼(Northern Pike)的适宜栖息地供给相关的密度效应,模型中包括鱼类的不同生活阶段(产卵期、孵化初期、稚鱼期、成年期)。生物能模型是一种特殊种类的生物过程模型,在这种模型中,鱼类的最佳位置是基于对能量的预算。这些模型计算出鱼类进行生命活动所需要的能量,根据流速、能量摄入和损失的预算确定最优的鱼类位置。鱼类生长生物能模型的想法最初由几个研究者(44;45;46;47)提出。

2.4 综合评估法
    综合评估法是从河流生物栖息地的整体出发,根据专家知识综合研究水文、水力学、地貌、物理化学等因素与河流栖息地之间的关系。美国环保局(USEPA)提出的《快速生物评估草案》(RBP)(48)通过流态、底质、河道地形、泥沙、水质、植被覆盖、生物状况等因素对河流的栖息地状况进行评价,生物状况可分为水生附着生物、底栖大型无脊椎动物、鱼类三种类型。RBP利用赋分系统对河流栖息地状况进行分级,RBP在澳大利亚的AUSRIVAS方法中是一个预测模块。Alison等(49)利用RBP方法对北加州的Baxter河进行了栖息地评估,以评价所实施的河流生态修复项目的效果。
    自1974年起,美国鱼类和野生动物服务协会(USFWS)陆续提出了基于栖息地的评估方法,以进行影响评估和项目规划。这项工作包括三个部分:《基于栖息地的环境评价》(Habitat as a Basis for Environmental Assessment, HBEA)(50)、《栖息地评估程序》(Habitat Evaluation Procedures, HEP)(51)和《栖息地适宜性指数》(Standards for the Development of Habitat Suitability Index Models, HSI)(52)。HBEA对栖息地评估的原理和概念进行了阐述。HEP对陆地和内陆水域栖息地评估的程序进行了说明。基于栖息地适宜性指标(取值范围为0.0~1.0)和可用栖息地面积两个指标,HEP可对生物栖息地的数量和质量进行描述。同时,利用栖息地单元(Habitat Units,栖息地单元=栖息地适宜性指标×可用栖息地面积),可进行同一时段不同地区及同一地区不同时段的对比分析,从而可对土地、水域利用的变化对生物栖息地的影响情况进行定量化。HSI则对开发栖息地模型提出了指导,并对HEP中的技术细节进行了阐述,如栖息地适宜性指标的赋值方法等。
    美国陆军工程兵团水道实验站(53)利用水文地貌方法(Hydrogeomorphic, HGM)从水文、生物地理化学、植物栖息地、动物栖息地四个方面归纳了河岸湿地(Riverine Wetland)的15种功能(表2),并利用功能指数对岸边湿地栖息地的状况进行评价。在澳大利亚,进行栖息地评估的综合性方法包括AUSRIVAS方法、河流条件指数(Index of Stream Condition)、以及河流状态调查(State of the Rivers Survey)/河流栖息地调查程序(River Habitat Audit Procedure)等(54,55)。AUSRIVAS是基于英国河流无脊椎动物预测方法和分类系统(RIVPACS)开发的栖息地评估方法(56,57)。AUSRIVAS方法利用大型无脊椎动物对栖息地状况进行评估,从干扰最小的若干参考点采集大型无脊椎动物的信息,然后根据生物信息的相似性将参考点进行分类。利用在参考点采集的物理化学数据对生物群进行辨别,然后选取具有最强辨别力的变量作为指示变量,最后利用根据参考点信息所形成的模板进行河流栖息地状况的评估。河流条件指数方法利用分级系统对栖息地状况进行打分,其所考虑的因素包括水文、物理形态、岸边带、水质、生物信息等,每个因素又包括若干指示变量。河流状态调查/河流栖息地调查程序将流域分为若干个整体河段(Segment),并且从整体河段中选取代表性的局部河段(Reach),在每个局部河段上,利用水文、植被类型、土地利用、栖息地类型、河道横断面、河道岸坡特征、河流底质、美学价值因素对栖息地进行评价。

    欧洲议会和欧盟理事会2000年10月23日通过了欧洲水框架指令(58),作为欧盟范围内的水资源法律,欧洲水框架指令对水域的生态状况通过生物、水文、地貌、物理化学等要素进行综合评估,并提出了监测方法,其内容可借鉴用于河流生物栖息地质量的综合评估。栖息地制图法(Habitat Mapping)是在现场调查的基础上综合运用定性评估和物理测量的方法对河流栖息地状态进行研究(59),在现场调查开展之前,应根据专业知识或/和有关文献明确栖息地类型的分类方法,现场调查结束后,应对地貌单元进行进一步的整合或细分工作,以方便处理或反映栖息地的特定属性。另外,生物完整性指数方法(Index of Biotic Integrity, IBI)和无脊椎动物群落指数方法(Invertebrate Community Index, ICI)则可从生物完整性的角度对河流栖息地进行评估,IBI方法的变量包括物种丰度与组成、营养组成等(60)
    在国内,郑丙辉等在借鉴澳大利亚河流条件指数法的基础上,对辽河流域河流栖息地评价指标与评价方法进行了研究,建立了由底质、栖息地复杂性、速度、深度结合特性、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土地利用类型所构成的河流栖息地评价指标体系。杨宇等(61)对河流鱼类栖息地水力学问题进行了研究,将用来描述栖息地特征的水力学变量划分为水流特征量、河道特征量、无量纲量和复杂流态特征量,并对各特征量获得方法、使用范围进行了评述,其研究成果可作为利用基于相关关系的栖息地适宜性模型进行栖息地评估工作的前期基础。夏霆等(62)利用基于可拓学物元概念和其发散性特征,以及前人的研究,建立了包含水质、形态结构、水动力和水生生物4个类别要素的适应于城市河流健康修复实践的栖息地质量评价指标体系。英晓明等(63)利用模糊综合评判方法研究确定水生生物栖息地适宜性指标,可作为利用栖息地模拟法中的IFIM方法进行栖息地评估工作的前期基础。王晓刚等(64)利用栖息地模拟法中的IFIM方法对交汇河口汇流比、汇流口下游弗劳德数及汇流口下游宽深比3个主要水力控制因素对鲤科鱼类及平鳍鳅科鱼类栖息地的影响进行了分析研究,并计算了加权可用面积(WUA)。余国安等(65)通过在吊嘎河上布设人工阶梯- 深潭系统进行野外试验, 并采用水生底栖动物物种丰度(物种种类数)、单位面积生物密度和生物群落多样性指数对吊嘎河试验段的栖息地质量进行评价。易雨君等(66)将平面二维 紊流模型与中华鲟栖息地适合度方程相结合,建立了栖息地适合度模型,探讨了主要生态因素对长江中华鲟生存、繁殖的影响,可进一步利用所建立的栖息地适合度模型对栖息地质量进行评估。

3 结语

    在河流生态修复项目评估中,应根据评估尺度、数据采集情况、决策需求等具体情况进行分析,综合考虑上述各种栖息地评估方法的优缺点,最终确定选用哪种评估方法,并可综合运用几种方法,以便于评估结果的分析比较。
    水文水力学方法中的湿周法和R2CROSS法主要侧重对浅滩型的河流生物栖息地进行评估,数据可直接从现场取得,简单易行,但在典型断面的选取方面存在一定难度,并且仅将流量作为栖息地质量的衡量标准,存在一定的不足。河流地貌法主要针对宏观尺度或中观尺度进行栖息地评估,侧重栖息地的物理特性研究,数据可从现场调查和观测取得,但在评价要素的选取方面没有统一的方法,并且要素对生物的重要性程度不易确定。
    栖息地模拟法中的栖息地适宜性模型主要针对微观栖息地尺度进行,可以对生物栖息地质量进行定量化描述,但对数据要求较高,需要建立生物与水文、地貌等要素间的适配曲线。作为单变量栖息地适宜性模型,PHABSIM模型利用IFIM方法的原理,在过去二十年里因其操作性强而在栖息地评估方面广泛应用,但其为一维模型仍有一定的局限性,因为栖息地的空间特性对生物多样性有重要影响。同时,栖息地适宜性指标的可移植性、模型的不确定性、有效性等问题也受到广泛关注。多变量栖息地适宜性模型包括回归模型、排序技术、人工神经网络、模糊准则、决策树等。其中,回归模型方法可以对大量数据进行分析处理,最终结果可以是表示每个地点、每个地区或每个计算单元发生概率的图形,并可将发生概率转化为栖息地适宜性指数,但其对于原始数据要求较高,数据分布需具备一定的规律性。排序技术可以将所调查的群落实体作为点,以属性为坐标轴,按照相似度进行排序,从而可分析群落实体之间以及与栖息地之间的相互关系。排序技术有很多种,对于不同方法的选择没有客观标准,并且需要有专业的生态学知识对结果进行分析、解释和判断。人工神经网络方法可以充分逼近任意复杂的非线性关系,所有定量或定性的信息都等势分布贮存于网络内的各神经元,故有很强的容错性,但这种方法是一个黑箱方法,对所研究问题的深层机理缺乏认识,并且需要大量数据进行训练,在一定程度上降低了其使用效率。模糊准则方法的优点包括:关于水生生物栖息地需求的知识通常是定性的,模糊准则方法可以将这种知识进行量化处理;模糊逻辑计算可以考虑多变量影响,只需要少量的测量或观测数据;对于水力计算或物理参数准确性的要求相对于传统方法较低;计算步骤易于理解(没有黑箱效应),系统内的关联性易于解释。不过,模糊规则越多,需要的参数越多,从而可能降低结果的准确性。决策树方法中的所有参数都是明确的,生物学家可以轻易地解释结果,但在规则构建时需采用相关性最强的变量,所以对变量的相关性分析要求较高。栖息地模拟法中的生物种群或生物能模型主要针对微观栖息地尺度进行,可以与指示物种建立直接联系,但需要对生物生命周期、生活习性等方面的数据资料进行全面采集与分析,建立统计学关系。
    综合评估法可从宏观或中观尺度进行河流栖息地评估,可考虑多方面因素。其中,HGM方法将湿地类型分为河岸湿地(Riverine Wetlands)、低洼地貌湿地(Depresstional Wetlands)、边缘型湿地(Fringe Wetlands)和广泛分布的泥炭湿地(Extensive Peatland)四种类型,并利用功能指数对湿地状况进行评估,简单易行,但其应用需要对湿地功能有较为全面的认识,并且对所调查资料的精确度要求较高。AUSRIVAS方法利用生物状况作为栖息地评估因子,其输出结果容易被管理者或研究人员理解,但其对水质下降等偶然因素的考虑不太全面,并且其在大型河流系统中的应用有所局限。河流条件指数法考虑了水文、物理形态、岸边带、水质、水生生物等因素,并将与河流生态系统关系密切的洪泛区区域考虑在内,其评价结果相对比较全面,但在指标分级和参考条件选取方面存在一定的主观性。栖息地制图法可以在较短的时间内快速完成宏观或中观尺度内的栖息地功能识别、制图、测量等工作,但结果相对比较粗糙。生物完整性方法的基本假设是栖息地的物理特性在很大程度上决定了生物群落的结构和功能,所以生物完整性状况可反应栖息地的质量,但有时生物完整性状况的改变是有其它因素引起,比如生物入侵等。
    从我国目前的研究现状来看,国内专门针对河流生物栖息地所进行的评估工作相对较少,尚处于起步探索阶段。在以下几个方面可展开进一步研究:栖息地的时空特性如何影响河流生态系统的健康;如何将栖息地的时空特性与河流生态修复的目标进行结合;如何在栖息地评估中选择栖息地影响要素,各要素之间的相关关系如何理解;如何选择适合栖息地评估的栖息地快速调查方法;不同生态分区的河流栖息地评估方法的区别;待评估河流栖息地与干扰较小河流栖息地之间的比较研究,以及比较研究中的河流分类问题等。随着我国河流生态修复工作的开展,迫切需要科学合理、符合我国国情的河流生物栖息地质量评估方法,以促进河流生态修复工作的顺利开展。


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 (原载《科技导报》2008年第17期)

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