2. 湖南农业大学资源环境学院, 长沙 410128
2. College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128
河流生境是水生生物赖以生存的环境,也是维持河流生态完整性,维护河流健康的一个重要因素(Muhar et al., 1998; Wilhelm et al., 2005; Gupta et al., 2012).随着工业化和城市化的高速发展,河流受到不同程度人类活动的干扰和破坏,水体污染日益严重.水体中的污染物随河流迁移运输过程中会受到土壤、地形、水文、植被等多种因素的综合作用,这些因子反映了河流物理生境的质量状况(Bruns,2005; Parsons et al., 2004; Barbour et al., 1999; Wilhelm et al., 2005; Baker,2003).物理生境作为河流生境的重要组成部分,具有变化周期长,相对稳定的特点,评价及改善物理生境已成为目前生态管理的重要手段(Higgins et al., 2005; 孔维静等,2013).有效识别、诊断河流物理生境特征及其与河流水质的相互关系,对评价河流水环境安全,制定水生态修复措施具有重要的现实意义.
目前对于河流物理生境评价及其与水质关系的研究很少,相关的研究主要是通过遥感和GIS技术在大尺度土壤、植被、地形等土地利用变化和斑块数量、斑块密度、斑块面积、斑块优势度等景观格局指标对流域水环境的影响等方面.如王庆成等(2007)对凉水和帽儿山地区低级溪流生境和水质状况进行了研究;包姗姗等(2014)对天津于桥水库流域水体氮磷空间分异与景观格局进行了聚类分析;欧洋等(2012)通过冗余分析、空间分析和多样线性回归的方法识别了密云水库上游流域不同尺度景观特征对水质的影响;杨莎莎等(2013)、张大伟等(2010)均运用线性相关分析分别分析了苏子河流域和太湖流域景观格局对河流水质的影响;曹晓峰等(2012)将滇池流域土地利用类型百分比聚类后分析了流域优势斑块对水质的影响.然而河流生境具有等级性,多数研究将河流生境分为流域(Catchment)、河网(Stream Network)、采样河段(Sample Reach)3个尺度,不同尺度的生境特征对生态系统的影响不同(Rosgen,1994; Pan et al.,2004).采样河段的物理生境特征直接对水环境产生影响,缺乏采样河段尺度的物理特征评价也是大尺度生境和景观格局与水质之间关联性还存在不确定性、研究结论仍存在异议的原因之一.Johnson等(1997)的研究也指出,小尺度上生境与水化学特征的相关性要优于大尺度,对河岸带的植被结构、组成、宽度等的分析可以解释流域尺度生境特征与水化学相关性的不足.
大伙房水库位于辽宁省东北部,是辽宁省沈阳、抚顺、鞍山、大连等7座城市的生活饮用水水源地,作为区域内关键水源地,其水质健康状况极为重要(史玉强等,2013).大伙房水库入库河流主要包括浑河(清原段)、苏子河和社河.由于水库与入库河流在空间上的连续性,入库河流的物理生境特征通过影响河流的水质间接影响库区生态系统健康(李斌等,2012).本文基于野外调查的实际情况,运用郑丙辉等(2007)提出的我国北方河流生境快速评价方法,在采样河段尺度对大伙房水库入库河流物理生境特征进行评价,并运用相关分析和冗余分析的方法研究物理生境特征对水质的影响,以弥补大尺度生境评价及其与水质关联性不确定的不足,为流域水生态管理和河库生态保护提供科学依据.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 研究区域概况大伙房水库位于辽宁省东北部,地理坐标为东经123°39′42″~125°28′58″,北纬41°41′10″~42°38′32″之间,水库东西长约35 km,水面最宽处达4 km,是兼具防洪、灌溉、供水等多种功能的水利枢纽工程,整个库区定为集中式生活饮用水水源地一级保护区.同时,水库为辽宁省沈阳、抚顺、鞍山和大连等7座城市约2200万人口的主要水源地.大伙房水库汇水区内主要河流有浑河(清原段)、苏子河和社河3条河.其中,浑河发源于清原县,从东至西贯穿抚顺全区,浑河在抚顺境内干流长度为207.5 km,流域面积7311 km2,水流于浑河上游清原北杂木处汇入大伙房水库.苏子河发源于新宾满族自治县红升乡五凤楼,中途流经红升、新宾县城等乡镇,最终汇入大伙房水库,河长147 km,流域面积2230 km2.社河发源于抚顺县后安镇新开岭西侧,中途流经佟庄子、后安等村镇,水流于台沟处汇入大伙房水库,河长43 km,流域面积468 km2.区内多年平均降水量为650~800 mm,主要集中在7、8月,约占全年降水量的50%左右.多年平均年水面蒸发量约为1100~1600 mm,平均相对湿度在65%~70%之问.研究区内土地利用类型以林地和耕地为主,林地占总面积的62%,耕地占9.7%.研究区主要土壤类型有暗棕壤、棕壤、草甸土、白浆土、沼泽土、水稻土6个土类,其中,以棕壤分布最为广泛.
2.2 监测点位于2012年8月12日—9月30日期间,在太子河上游浑河、社河、苏子河流域内选取了39个河段进行调查采样.河段调查范围为河流宽度的100倍,并视采样河段具体情况而定.调查时用GPS定位仪确定监测点的经度、纬度和海拔高度,具体点位位置见图 1.
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| 图 1 大伙房水库入库河流采样点位图 Fig.1 Location of sampling sites in the Dahuofang Reservoir inflow rivers |
物理生境综合评价采用郑丙辉等(2007)提出的我国北方河流生境质量评价方法,对河段生境进行现场观察并填写调查表.评价指标涵盖底质、栖境复杂性、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、水体物理特征、人类活动强度和河岸土地利用类型10个指标.根据质量状况优劣程度,将指标分成4个级别,分值是通过现场调查、目测评分的方法获取.每个指标20分,4个级别的分值范围为:20~16(好)、15~11(较好)、10~6(一般)、5~1(差).采取累计求和的方式计算生境质量综合评价指数(I),10项指标总和的满分为200分.河流生境质量综合评价指数I>150为好, 120<I≤150为较好,90<I≤120为一般,60<I≤90为较差,I≤60为差.
2.4 水质指标及测定方法YSI多参数水质分析仪(Professional Plus)现场测定水温、pH值、溶解氧(DO)、总溶解性固体(TDS)、电导率.同时采集1000 mL水样固定后放置于密封采样容器中,置于4 ℃保温箱带回实验室,测定总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH+4-N)、生化需氧量(BOD5)、化学需氧量(CODCr)和硅酸盐等化学指标.水样的保存和预处理严格按照《水和废水监测分析方法》中的相关实验方法进行(国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会,2002).同时,为减小系统误差,以上样品均重复测定3次,数据分析过程中取其平均值.
2.5 数据分析利用统计软件SPSS18.0进行相关分析,非参数分析中K-S法对各个参数进行正态分布检验,满足正态分布的参数,采用Pearson相关分析法,不满足正态分布的参数,采用Spearman相关分析法.除趋势对应分析(DCA)和冗余分析(RDA)在Canoco 4.5上进行.
3 结果(Results) 3.1 大伙房入库河流物理生境综合评价依据物理生境综合评价指标和方法,对39个样点的各项生境指标进行赋分,计算各样点的河流物理生境综合评价指数值I.如图 2所示,大伙房水库入库河流39个样点的物理生境综合评价指数分值介于86~183.按照河流物理生境综合评价指数评分和分类标准,大伙房水库入库河流39个采样河段中有3个样点物理生境等级为好,分别为S5、S6、S7,均属于浑河(清原段).15个样点为较好等级,分别为S1、S4、S9、S11、S12、S13、S16、S18、S19、S22、S24、S30、S33、S34、S37,其中,6个样点属于浑河(清原段),4个样点属于苏子河,3个样地属于社河,2个样地属于大伙房水库周边及其小支流.19个样点为一般等级,分别为S2、S3、S8、S10、S14、S15、S17、S20、S21、S23、S25、S26、S27、S29、S31、S32、S35、S36、S39,其中,5个样点属于浑河,4个样点属于苏子河,1个样点属于社河,9个样点属于大伙房水库周边及其小支流.2个样点为较差等级,分别为S28、S38,均属于大伙房水库周边及其小支流(图 2).
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| 图 2 大伙房水库入库河流物理生境综合评价指数值 Fig.2 Integrated assessment index score of river physical habitat in the Dahuofang Reservoir inflow rivers |
从大伙房水库入库河流各生境指标得分图可以看出,浑河(清原段)物理生境综合指数各指标中底质和水质状况质量超过15分,等级为好,其余指标得分在10~15分之间,等级为较好(图 3a).苏子河生境指标中底质和水体物理特征质量超过15分,等级为好,栖境复杂性和植被多样性指数得分分别为9.5和9分,等级为一般,其余指标得分在10~15分之间,等级为较好(图 3b).社河生境指标中底质、速度和深度、土地利用类型超过15分,等级为好,栖境复杂性和人类活动得分分别为9和9.75分,等级为一般,其余指标得分在10~15分之间等级为较好(图 3c).大伙房水库周边及其小支流生境指标中人类活动指数得分为8.77,等级为一般,其余指标得分在10~15分之间,等级为较好,没有质量等级为好的指标(图 3d).可见浑河(清原段)生境质量优于社河和苏子河,大伙房水库周边及其小支流生境质量一般.
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| 图 3 大伙房入库河流物理生境各指标得分(a. 浑河(清源段)、b. 苏子河、c. 社河、d. 大伙房水库周边及小支流; A1:底质,A2:栖境复杂性,A3:速度和深度,A4:堤岸稳定性,A5:河道变化,A6:河水水量,A7:植被多样性,A8:水体物理特征,A9:人类活动,A10:土地利用类型) Fig.3 Indicator scores of river physical habitat in the main rivers flowing into the Dahuofang Reservoir |
如图 4a所示,大伙房入库河流NH4+-N在0.004~ 0.454 mg·L-1范围内波动,平均值为0.087 mg·L-1.TN的变化范围在0.035~0.529 mg·L-1之间,平均值为0.147 mg·L-1.TP的变化范围在0.002~0.058 mg·L-1之间,平均值为0.015 mg·L-1.图 4b为各采样点BOD5和CODCr值,CODCr在13.271~41.896 mg·L-1范围内变化,平均值为21.651 mg·L-1.BOD5在1.020~7.777 mg·L-1范围内变化,平均值最为2.709 mg·L-1.如图 4c所示,DO在8.02~11.96 mg·L-1内波动,平均值9.93 mg·L-1.pH在7.46~9.42范围内波动,平均值为8.42.图 4d为各采样点TDS、电导率和硅酸盐含量,TDS在0.83~31.80 mg·L-1范围内变化,平均值最为9.05 mg·L-1.电导率在82~358 mS·m-1范围内波动,平均值为205.33 mS·m-1.硅酸盐在7.970~19.678 mg·L-1范围内变化,平均值最为11.080 mg·L-1.
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| 图 4 大伙房水库入库河流水质物化指标含量 Fig.4 physical-chemical characteristics of water in the Dahuofang Reservoir inflow rivers |
大伙房水库入库河流除浑河(清原段)1个点位TN达到国家Ⅲ类地表水环境标准外,其余点位TP、NH4+-N、TN均符合国家Ⅱ类地表水环境标准(表 1).其中,浑河(清原段)的采样点中TP、NH4+-N、TN符合国家Ⅰ类地表水环境标准的点位数(N)分别为13、2、12个,分别占浑河上游采样点的93%、14%和86%;苏子河的采样点中TP、TN符合国家Ⅰ类地表水环境标准的点位数分别为6和7个,分别占苏子河上游采样点的75%和88%;社河的采样点中TP、TN符合国家Ⅰ类地表水环境标准的点位数均为3个,占社河上游采样点的75%;大伙房周边及其小支流的采样点中TP、TN符合国家Ⅰ类地表水环境标准的点位数均为9个,占大伙房周边及其小支流采样点的69%.大伙房入库河流大多数采样点的BOD5符合国家Ⅰ类地表水环境标准,少数超过国家Ⅲ类地表水环境标准.大伙房水库入库河流大部分采样点位的CODCr超过了国家Ⅲ类地表水环境标准,仅浑河上游1个点位符合国家Ⅰ类地表水环境标准.综上所述,浑河(清原段)水质状况优于社河和苏子河,大伙房水库周边及其小支流水质状况较差.
| 表 1 大伙房入库河流水质状况 Table 1 Water quality in the main Dahuofang Reservoir inflow rivers |
通过K-S法检验,DO、pH、电导率、CODCr、TN、硅酸盐、底质、栖境复杂性、速度和深度、堤岸稳定性、河道变化、河水水量状况、植被多样性、水体物理特征、人类活动强度、河岸边土地利用类型和生境质量综合评价指数满足正态分布,采用Pearson相关分析,而植被多样性、TDS、TP、NH4+-N、BOD5不满足正态分布,采用Spearman相关分析法.表 3显示,NH+4-N与栖境复杂性、植被多样性、水体物理特征、人类活动、生境质量综合评价指数成显著负相关,TN与栖境复杂性、植被多样、水体物理特征、人类活动成显著负相关,TP与堤岸稳定性、河水水量、植被多样性、生境质量综合评价指数成显著负相关,DO与堤岸稳定性成正相关,CODCr与河水水量成显著正相关,TDS与速度深度结合特性、河道变化、水体物理特征、人类活动、生境质量综合评价指数成显著负相关,电导率与河道变化、河水水量、水体物理特征、人类活动、生境质量综合评价指数成显著负相关,硅酸盐与底质、水体物理特征、生境综合指数成显著负相关.
| 表 2 生境特征与水质状况相关分析 Table 2 Correlation coefficient between river habitat and water quality |
为了避免生境指标间重复信息,对Pearson或Spearman相关分析中显著相关的生境指标只取其中1个(表 3),最终确定底质、栖境复杂性、河水水量、土地利用方式和生境综合指数用于大伙房水库入库河流生境特征与水质状况的冗余分析.为了确定不同生境特征因子对流域水质变化影响的贡献率,对水质指标和生境指标进行直接梯度分析.除趋势对应分析(DCA)后发现,最长轴的梯度长度小于3,因此,选用线性模型(冗余分析RDA).从冗余分析结果(图 5)可以看出,河水水量与电导率和pH成显著负相关,与CODCr成正相关.栖境复杂性、土地利用方式、生境综合指数与TDS、硅酸盐、TP、NH+4-N、TN成显著负相关.底质与DO成显著正相关,与BOD5成显著负相关.
| 表 3 生境物理特征相关分析 Table 3 Correlation coefficient between river physical habitat quality |
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| 图 5 生境特征与水质状况冗余分析 Fig.5 Redundancy analysis of habitat quality and water quality relationships plot in RDA ordination diagram |
为了更加直观地反映各水质参数与生境特征的关系,做了5个主要水质参数(TN、电导率、BOD5、TP、DO)的RDA等值线图(图 6).生境特征与等值线夹角余弦值越小,说明它们之间的相关关系越大.TN、TP、电导率与栖境复杂性相关性较大,与土地利用方式、河水水量、生境质量综合评价指数相关性次之.BOD5与底质相关性较大,与河水水量相关性次之与其他指数相关性较小.DO与底质相关性较大,与河水水量相关性次之,与DO等值线几乎平行,所以对DO影响很小.
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| 图 6 各水质参数与生境特征RDA等值图(a. TN,b. 电导率,c. BOD5,d. TP,e.DO) Fig.6 The RDA ordination diagram of concentration isoline of TN,conductivity,BOD5,TP,DO |
通过大伙房水库入库河流物理生境综合评价结果可以看出,大伙房水库入库河流物理生境质量良好,生境质量等级为好的河段占7.7%,较好河段占38.5%,一般河段占48.7%,较差河段占5.1%.生境质量属于好的点位主要位于浑河及其支流的上游地区,水体以清澈的泉水和溪流为主,自然植被保存比较完好,远离人类活动密集区域,受人为干扰较小,如S5、S6、S7.研究区多数河段生境质量为较好和一般,主要原因是研究区多为小村镇,人口密度相对较小,人为干扰较少,土地利用类型以林地和耕地为主,林地占总面积的62%,植被覆盖率较高(汤洁等,2012).生境质量较差的采样点位为水库出库口S28和入库口S38.出库口受到水库大坝和河堤等水利建筑工程的影响,生境质量一般都会比其它河段差,S28采样点的河堤为石笼网框,植被覆盖较差,受建筑活动的影响河流渠道化严重,生境质量为较差.入库河口区是入库河流与水库之间的过渡区域,能量流动与物质循环过程强烈,生物多样性富集,由于受化学、物理和生物等多种因素的强烈影响,环境问题凸显(符文超等,2014).S38采样点为浑河入库口,地势平坦,两岸为石滩,水体比较浑浊.一般而言,河流入库口水流速减慢,水流滞留时间增长,入库水流从流域带来的营养盐、无机和有机颗粒物造成入库河口区水体营养物含量高、透明度低(林秋奇等,2001),而S38采样点又是交通要道,人为干扰较强烈,两岸为石滩,植被覆盖率低,致使该河段生境质量较差.
4.2 物理生境特征与水质状况关系分析大伙房水库入库河流物理生境综合评价结果和水质状况结果显示,物理生境较好的河段水体中营养盐和水化学基本指标含量都较低,例如,物理生境综合评价等级为好的S5、S6和S7样点,TN、TP、BOD5、DO均符合国家Ⅰ类地表水环境标准,NH+4-N含量符合国家Ⅱ类地表水环境标准.而物理生境较差的S38采样点TN、TP、NH+4-N含量符合国家Ⅱ类地表水环境标准,BOD5、CODCr超过国家Ⅳ类地表水环境标准.物理生境特征与水质状况的相关分析和冗余分析可以看出,人类活动、土地利用方式、植被多样性和栖境复杂性大多与TN、TP和NH+4-N呈显著负相关.这说明水质受沿岸人类活动的影响较大.李怀恩等(2004)的研究指出,河流水质状况受流域内的自然和人类活动这两大类因素的影响,其中,人类活动往往是导致河流水质恶化的主要因素.孙金华等(2012)在滇池的研究中也指出,人类活动是湖泊水质恶化的驱动因素.人类活动不仅通过生活污水、生活垃圾直接影响水体健康,同时使生境和景观破碎化,间接影响水环境质量(陈利顶等,1996).因此,河岸带交通、卫生情况及娱乐等人类活动的强度影响河岸带生境,造成河流水质污染(Ou et al., 2011).土地利用方式是影响水质的一个重要因素,很多研究显示,流域中林地和草地所占面积的百分比与水质成正相关,而流域中耕地面积百分比与各水质指标间成负相关(Tong et al., 2002; Allan,2004; Ahearn et al., 2005; Xiao et al., 2007).耕地与林地、草地对水质影响不同主要是因为农业用地中农药、化肥的过量使用,不合理农业灌溉,以及养殖业的发展,造成的农业面源污染对河流水质污染的影响(Fedorko et al., 2004; Bahar et al., 2008; Arheimer et al., 2000).植被多样性对水质的影响主要与植被对N、P的消减作用有关(Allan,2004).很多研究表明,河岸带植被可有效控制入河N、P污染物,是截留陆域面源污染物、改善河道水质的有效手段(Hefting et al., 2006;赵同谦等,2008;阎丽凤等,2011).栖境复杂性对水质的影响主要是通过枯枝落叶、倒木和巨石等复杂的底质对污染物的物理过滤、吸附和沉降作用,以及附着枯枝落叶、倒木和巨石上生物及微生物对污染物的吸收和转化.
4.3 大伙房水库入库河流生境管理建议根据大伙房各入库河流生境质量综合评价结果及其与水质的相互关系,为大伙房水库入库河流生态环境管理提出如下建议:①浑河(清原段)、社河、苏子河生境质量等级为较好以上的源头区,生态管理措施重点为保持,减少人为因素的干扰.②生境质量等级一般的河流中下游地区,应根据生境综合指数各指标的得分情况和水质状况确定管理措施,针对农田较多、农业非点源污染较重、水质状况较差的河段,应合理布置农田面积,保证河岸带植被完整性,发挥河岸带植被的污染物消减能力.针对人类活动、河道变化和堤岸稳定性指标得分较少的河段,应重点控制挖沙、渠道化等人类活动对河道的干扰,恢复受损河岸带,减少河流侵蚀风险.③针对生境综合评价各指标得分都不高的大伙房水库周边,应采取多种管理方法有机结合,减少污染物的排放、提高污染物的截留、控制河岸带土地开垦、恢复植被缓冲带等.⑤针对入库河口区生境质量较差的河段应恢复现有湿地,新建人工湿地净化入库水质,改善库区水环境质量.
5 结论(Conclusions)1)大伙房水库入库河流生境质量良好,生境质量等级为好和较好的河段占46.2%,一般河段占48.7%,较差河段占5.1%.生境质量好的点位主要位于浑河及其支流上游地区,生境质量较差的点位主要位于大伙房水库周边地区.
2)大伙房水库入库河流除1个点位TN达到国家Ⅲ类地表水环境标准,其余点位TP、NH+4-N、TN均符合国家Ⅱ类地表水环境标准,BOD5和CODCr较高,部分点位超过了国家Ⅲ类地表水环境标准,在流域水环境保护和治理中应加强BOD5和CODCr及总量控制.
3)大伙房水库入库河流生境特征与水质状况显著相关,相关分析和冗余分析结果显示,生境综合评价指数与TP、NH+4-N、TDS、电导率和硅酸盐呈负相关,人类活动、土地利用方式、植被多样性和栖境复杂性对水质影响较大,在流域水生态管理中应重点减少人为因素的干扰,合理配置农田、建筑用地、林地等不同的土地利用方式,恢复河岸带植被完整性,发挥河岸带植被的污染物消减能力.
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