（环境科学与工程专业论文）利用大型底栖动物参照点法研究河流健康参照条件.pdf

河北科技大学硕士学位论文 i i 目i _ l l = = e l | j 目l l e = i g 自自i _ - - l = = = = = = = l = = ；= _ i i - e ；_ l 目_ | = ；= = ；目i _ ：= i | _ = ：l ；目= ；i a b s t r a c t r e f 幻胁c ec o n d i t i o n 嬲s t a i l d a r do fr i v e rh e a l t l y ，i si n c r e 勰i n 刨yu s e dt 0d e s c r i b et l l e 她旺l d 捌o rb e n c h n 脚ka g 缸l s tw 壬l i c hc u r r e n tc o n d i t i o ni sc o m p 删i i lr i v e rh e a j t i l a s s e s s m e n t s e l e c t i n gt l l et 蚯z i 硒v e r 嬲s u b i e c t t i l ep a p e rd i s c l l s s 觚d 南m u i a t er e f e r e n c e c o n d i t i o 鹏o fr i v e rh e a l t h 嬲s e s s m e n t f i r s t ，b a s e do n 也el o n g - t e 珊 s a n l p l i n go f m a c r o i n v e n e b r a l ec o 删f n u n i t i e si i lt a i z i 硒v e rb a u s i n ，b yt h es t 础i n go f c t i o n m 佗e d i n g g r o u p sa l l a l y s i s ，t h el 锄d u s e 帅e sm a ti m p a c tm a c r o i n v e 蹴b r a t em o s t 证b a s i n 诵d e 、v e r c s c r e e n e do u ta n ds e n s “i v e b i o l o g i c a li n d i c a t o r so fa n t 王l i d p o g e 越ci n t e 彘r e n c ew e r e s c r e e n e do u t s e c o l l d ，a s 觑n l a n dh a db e e nd e t e r m i n e di m p a c t i n gm a c r o i n v e r t e b r a t em o s t ， b ys p e c i f i cs 砌i e do ff a n n l a n do nt t l em a c r o i n v e r t e b r a t e 柚df o u l l d l ew a t e rq u a l i t y f 如t o f st l l a tc l o s e l yr e l a t e dt om a c r o i n v e r t e b m t e s c o p eo ft h es t u d yw 嬲n a u r r o w e d ，a n d s e l e c t i n gs o u m 粕dn o r t ht r i b u 谢e sa st h es t u d ya r e a ，w h i c hh a ss i m i l a rh a b i t a t s ，l o c a t i o n p r o x i m i t y s i m i l a rc l i m a t e ，b u td e n s 时o ff 痂l a n dq u i t ed i 腩r e n t b yo r d i n a t i o na j l a l y s i s o fn m s a n d ( a ，d i 行- e r e n ti n t e n s i t ) ，o fa 伊i c u l t u r a ld e v e j o p m e n ti m p a c t i n gal o tt 0t o t a l a b u l l d a n c e ，也ef e i 撕v ea b 硼d a n c eo fp l e c o p t e l 4锄dt 1 1 er e l a t i v ea b u l l d a l l c eo f e p t ( e p h e m e r o p t e r ap l e c o p t e r aa n dt i c h o p t e r a ) o fm a c r o i n v e n e b 豫钯a tt h es 锄et i m e ， 1 0 t a ln i n o g e n ( t n ) ，e l e c t r i cc o n d u c t i v i t y ( e c ) ，p hw e r es e l e c t e dt ob et h ew a t e rq u a l i 哆 f a c t o r st l l a ta 仃- e c t e dal a 唱e rb ya g r i c u l t u r ea n di m p a c tm a c r o i n v e n e b r a t em u c h t h i r d l y ， r e f b r e n c ep o i n t s 、v e r es e t t e d 丘o mt 1 1 er i v e rt h a ta w a yf b mf a 咖l a n d ，锄dt l l es c o p eo fm c h y d r a t i o nf a c t o r s 锄db i o l o g i c a jf a c t o r s w e r eo r d a j n e d ，w h i c hc o n s t i t u t e 廿l e 啪g eo f r e f l c r c n c ec o n d i t i o n s t h es t u d yp r 0 v i d i n gr e f e r e n c ef o rd e t e r m i n i n gr e 凫r c n c ec o n d i t i o no f r i v c rh c 出t ha s s e s s m e n ti n t i a i z i 黜v c r c o u l dp r o m o t i o nt 0c l l i n a ，sn o r t h e mr i v c r s a c c 0 r d i n gt ol o c a lc o n d i t i o n s 1 ( e yw o r d s硒v e r h e 副t l l 硒s e s s m e n t ；r e f e r c l l c cc 0 n d i t i o l l s ；m a c m i n v e n e b m l 【e ； a n t i 聃p o g c n i c ；z i 鼬v e r 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 在全球工业化及城市化发展进程日趋深入的今天，世界各国的河流都遭受了不 同程度的干扰和损害，各地河流普遍出现形态结构破坏、水文条件变化、河流水质 恶化、以及生境退化等问题。全球河流健康状况的退化已成为2 l 世纪人类生存和发。 展面临的重大危机，并逐渐受到国际社会的广泛关注和重视【m 】。在这一背景下，河 流健康问题日渐成为国际普遍关注的焦点。 河流健康主要表现在以下四个方面。一是水：要求河流拥有天然的流态、充足 的水量和良好的水质；二是土：要求河床和河岸条件符合稳定、自然、渐变的态势； 三是生物：要求沿河动植物，尤其是水生生物应保持多样性和丰富性；四是功能： 要求河流的社会经济价值满足区域和流域生产生活的需要【4 l 。 确定河流健康与否，首先要有一个健康的标准或参照系，而且河流健康是一个 管理目标，健康标准的选择就显得极为重要。但是河流健康的标准本身具有动态性 特征，在不同社会历史文化氛围、气候变化背景、人类生态价值判断、地质构造变 迁及生态演替阶段，河流健康标准的选择是不同的。由于研究者角度的差异以及研 究目的的不同，目前对于河流健康评价的参照条件也存在不同的认识，如欧盟水框 架指令( w 矾e rf r a m e w o r kd i r e c t i v e ，w f d ) 将参照条件定义为：无或最小人类活动 干扰，满足以下条件；反映完全或几乎不受干扰的水文、形态、生物、理化等条件； 特殊污染指标为零或低于某个限值。此外，研究区域为在受人类活动高度干扰的情 况下，区域内现存最佳状态常被定义为参照指标。澳大利亚的“澳大利亚河流评估 计划”( a u s t r a j i 锄砌v e r a s s e s s m e n ts y s t e m ，a u s r j v a s ) 将未受干扰的对照点的状态 当做健康的标准。但是以上研究是在基于不同的国家和地区的基础上进行的，故不 具有可比性，且即使是在同一区域内，也很难找到不受人类干扰的河段进行参照条 件的研究，和历史资料进行对照也存在着历史资料信息不全等问题【5 1 。 研究河流健康评价的参照条件可以从物理、化学、水文、水生生物等方面入手 分析，是一个庞大的体系。与河流的化学或物理状态相比，水生生物状态是对水体 中各种物理、化学和生物指标的综合作用直接反应的结果，更能体现河流健康与否， 所以从水生生物对人类干扰的响应入手分析河流健康的参照条件会较单一考虑物 理、化学指标更加全面。而水生生物又包括鱼类、藻类、底栖动物等，其中，大型 底栖动物是指生活在水体底部的肉眼可见的动物群落。主要包括水生昆虫幼虫、软 体动物和水栖寡毛类等。多数底栖动物由于长期生活在底泥中，具有区域性强，迁 河北科技大学硕士学位论文 移能力弱等特点，对于环境污染及变化通常少有回避能力，其群落的破坏和重建需 要相对较长的时间，因此具有较稳定的特点，且多数种类个体较大，易于辨认。大 型底栖动物是水域生态系统食物链中有机物、营养源( 如树叶碎屑、藻类等) 与更 高营养级生物最主要的连接体。他们对外界胁迫的响应比较敏感，其群落结构、物 种丰富度、耐污类群和敏感类群的比例以及不同功能摄食类群的结构特征等都可以 从不同的侧面反映出水质的好坏1 6 。j ，从而可以有效地指示水生态系统的健康状况。 1 2 研究现状 1 2 1 参照条件的定义 ( 1 ) 参照条件在河流健康评价中的意义 参照条件的定义由河流健康而来，而判断一条河流是否健康的方法就是河流健 康评价。目前，河流健康评价就评价原理，分为多变量法( m u l t i v a r i a t e ) 和多度量 法( m u l t i m e t r i c s ) l 引。在过去的几年里，科学界一直在争论这两种河流健康评价方 法，美国大多数水资源机构运用多度量法，而欧洲和澳大利亚一些管理机构和科研 机构提倡多变量法。这两类方法在样点选择、收集的数据类型、使用生物参数等方 面都有很多相似之处，如都需要以原始状态或无干扰状态作为参照条件，即评价标 准。同时也有很多不同的地方，主要表现在评价程序的差异，其中一个很重要的方 面是参照条件的选择和应用不刚9 1 。而确定参照条件是进行河流健康评价的必要步 骤，无论是哪种评价方法，都需要选择参照条件，并通过和测试点比较得到评价结 果。 多变量法( m u l t i v 撕a _ c e ) 多变量法主要用于水质监测的预测模型( p r e d i c t i v em o d e l s ) 。该类方法首先通过 选择参考点，建立理想情况下样点的环境特征及相应生物组成的经验模型【1 0 】。该方 法在选择参照点时，先将所有点根据物种构成的相似度进行分组，然后通过预测模 型或比较期望值选择参照点。本方法旨在通过使用参照条件比较轻微扰动的河流生 态系统与受损的生态系统间的差异【i l j ，使用时，应该根据本地的情况重新设定参照 条件。 加拿大部分地区采用的沉积物底栖动物评价( b e n t h j ca s 辩s s m e n to fs e d i m e 咄 b e a s t ) 、英国的“河流无脊椎动物预测和分类系统 ( 硒v 盯i n v e n e b r a t e p 砌鲥彻柚d c l a 嚣i f i c a l i o ns y s t e l l l 认c s ) 以及“澳大利亚河流评估计划井( a 吣缸司i 锄砌v e r 舢s s m e n ts y s t e m ，a u s v a s ) 等都是在监测河流大型无脊椎动物生物多样性及其 功能基础上构建的河流健康状况评估模型埘。b b 峪t 多变量法将其与受试点位种类 捧序轴的最佳拟合概率模型应用于围绕参照点位构建的概率椭圆【瑚 觚础v a s 瓜腓c s 模型计算了加权参照点位类群预期种类出现的概率。多变量法 2 第l 章绪论 通过把某研究地点实际的生物组成与在无人为干扰情况下该点能够生长的物种进行 比较，对河流健康进行评估。 多度量法( m u l t i m e t r i c s ) 多度量法的主要原理是根据评价标准对河流的生物、化学以及形态特征指标进 行打分，将各项得分累计后的总分作为评价河流健康状况的依据【1 4 1 。i b i 方法是其中 的典型代表。k a 盯在1 9 8 1 年提出了生物完整性的定义【1 5 】。他认为生物完整性是指支 持和维护一个与地区性自然生境相对等的生物集合群的物种组成、多样性和功能等 的稳定能力，是生物适应外界环境的长期进化结果。之后，k a r r 又提出了生物完整 性指数的概念，指出生物完整性指数是由多个生物状况参数组成的，通过比较参数 值与参考系统的标准值可以得出该生态系统的健康状况【l 刀。最初生物完整性指数 是用在河流健康状况评估中的。此方法通过对观测点的一系列生物特征指标与参考 点的对应比较并计分，累加得分进行健康评估。该类方法在美国被广泛应用。其中 最具代表性的方法就是生物完整性指数( i n d e xo f b i o i o g i c a li n t e g r i t y ，以下简称i b i ) 。 随着方法的完善，现在i b i 已经被应用于藻类、浮游生物、无脊椎动物、维管束植物 等的相关研究中【i s l 。多度量法采用一系列生物度量在参照点位范围内确定参照条件 【1 9 】。该方法在选择参照点时先将所有点位根据区位因素进行分组，随后根据水质、 区位因素和物种构成挑选出参照点。 由此可见，无论是多度量法还是多变量法，选择参照条件都是进行河流健康评 价的重要一环。不同的是多变量法先将所有点根据物种构成的相似度进行分组，然 后通过预测模型或比较期望值选择参照点，而多度量法选择参照点时先将所有点位 根据区位因素进行分组，随后根据水质、区位因素和物种构成挑选出参照点。 ( 2 ) 参照条件理论上的定义 近些年来，国际上越来越多学者考虑用更加科学和细致的方法研究河流健康参 照条件，j o h nls t o d d a r d 等【2 0 l 在研究河流健康参照条件同时加入了生物完整性 的思想，介绍并总结了几种表达河流健康参照条件的方法，如“最小干扰状态法 ( m i n i m a l l vd i s t u r b e dc o n d i t i o n ，以下简称m d c ) ，“历史状态法 ( h i s t o r i c a lc o n d i t i o n ， 以下简称h c ) ，“最低干扰状态法 ( i e 觞td i s t u r b e dc o n d i t i o n ，以下简称l d c ) 和“可 达到的最佳状态法 ( b e s ta n a j n a b l ec o n d i t i o n ，以下简称b a c ) 等。 国内学者吴阿娜【2 1 捌在深入研究这几种方法后，认为由于不同区域自然状态、 人类活动干扰程度的差异等，在开展河流健康状况评估以及生态修复过程中，参照 条件定义和设置应根据区域条件、河道定位等有不同的选择。对于m d c ，考虑自然 变动随时间变化小，多指的是河流未受人类活动干扰或无显著人类活动干扰条件下 的理想状态。但由于这种状态在国内己基本不存在，因此不现实；h c 是指河流的历 史状态以及当时达到的健康状况，其有效性取决于基础数据库的完善性，由于国内 3 河北科技大学硕士学位论文 水质、水文数据较缺乏，尤其是生物资料的积累仅限于近些年，因此在国内广泛的 使用有定难度；而l d c 则是在区域范围内选择轻微干扰或干扰水平最低的河段， 这种方法随着河道退化或生态恢复可能随时间变化，具有区域差异，因此常被用作 河流健康的参照条件。b a c 是在最佳技术、管理目标以及良好公众参与下的理想状 态，也即人类考虑到自身对河流生态系统影响条件下，采取有效的调控手段、治理 技术和管理措施后。预期河流生态系统应能达到的一种最佳状态。对于受到国内受 高度城市化和农业影响的东部平原河网地区，应用l d c 、b a c 的概念确定参照条件 应是较为合适的途径。 相比国外，国内在河流健康评价的问题上，对“人水关系 上的关注更显突出， 如更加注重满足人类社会需求，着力于平衡利益冲突：河流健康评价仍主要侧重于 利用化学手段以及少量生物监测手段评估河流水质的状况，从水生生物的角度认识 河流健康的工作还未广泛展开，现有的少量实证研究也多以单条河流为主，缺乏流 域、水系( 河网) 、河流等不同空间尺度的探讨。由于我国的河流健康评价刚刚起步， 对河流健康评价参照条件的研究比较匮乏，目前主要停留在对国外文献的研究上， 还没有形成统一的标准。如何确定河流健康的参照条件，这也是我国今后河流健康 评价发展的方向1 2 3 l ，同时也是本课题需要探讨的内容。 1 2 2 河流健康评估参照条件的确定方法 参照条件不仅是河流健康评价的基础以及评估标准，同时可以作为河流生态修 复的生态基准。如何确定有效、科学的参照条件一直都是河流生物评价、河流健康 评价工作的研究重点。此外，美国、欧盟在提出水体修复目标后，确定参照条件也 是关键的课题。经过多年的发展完善，具体确定参照条件的方法仍未达成一致共识， 但基本可以分为参照点位法( r e f e 嗽1 c es i t e ) 、历史数据法( h i s t o r i c a ld a t a ) 、专家判 断法( e x p e r t o p i l l i o n ) 以及模型推算法( s i m u l a l i o nm o d e i s ) 等4 类1 2 铊剐。 参照点位法即从一组生境类型类似的、可用以比较的点位中选择人类活动干扰 最小的作为参照条件【2 9 】，是目前应用最为广泛的、实施方案比较成熟的参照条件的 确定方法。考虑到人类活动干扰的程度在流域中不尽相同，流域内必定会有部分河 流因受到干扰较小而保持有较好的健康状况。在选择参照点位时，可以从点源污染 的上游点位、附近流域的点位中寻找，识别区域内的这些河流并对其生物指标、水 质指标进行定量评估就是关键问题。确定参照点位的一般步骤是：确定一系列的 一般标准，如土地利用方式、河岸植被及水质等，用以筛选并寻找潜在的未受干扰 的参照河流：地区资源管理部门或专家等推荐用以采样分析的备选河段；研究 者确定从采样河段中提取参照点位的硬性定量标准，如总氮、栖息地评分、生境指 数等；开展深入的调查和评估后【2 4 刘，参照点可以从全部指标达标的点位中选取。 4 第l 章绪论 历史数据法主要借助于历史时期描述区域生物、水质条件的方面的数据。初期 工作主要是对河流健康评价发展过程中重要的数据进行选择和评估【3 l l 。然而由于受 到资料时空代表性、采样方法科学性、记录资料有限性等方面的限制，历史数据直 接用于确定参照条件往往缺乏可信性和可执行性，因此往往不能直接使用。 专家判断法主要是通过具有多年经验的专家以及管理者通过一系列的物理、化 学、生物调查，提出对无人为活动干扰状态的一个假设条件。要求每个专家都熟悉 区域河流及其生物群落状态，多学科专家以及各部门自然资源管理者共同参与、讨 论和评估。多数情况下，这种描述是定性的而非定量的，一般作为对其他方法的补 充，即使是参照条件存在以及模型有用的时候，也需要一批专家共同评价所有数据 并建立参照条件1 3 2 0 3 1 。 模型推算法中的关键内容为预测参照条件的模型，是指在不存在未受干扰点位 时，通过大量的数据来构建生物因子与人类活动影响之间的预测模型，用以模拟未 受人类干扰下生物、水质等指标应有的状态1 3 4 3 5 】。随着国内基础数据库的完善，这 类工具将会在建立参照条件中发挥越来越重要的作用。 基于对国内区域条件以及河流总体现状的认识，结合对国外相关河流健康评价 中参照条件确定方法的深入研究和分析，初步确定以下参照条件的确定程序。其基 本思路综合了上述参照点位法、历史数据法、专家判断法以及模型推算法等四种方 法，通过综合分析和筛选明确参照条件【3 7 1 。开展区域河流资源分析和调研，利 用模型法分析对当地河流健康威胁较大的指标，并找出对人类干扰较为敏感的生物 指标；利用以上得到的指标寻找参照区域，利用参照点法确定河流健康评价参照 条件。 1 2 3 参照条件研究展望 我国的河流健康评价工作虽然在近几年来发展迅猛，但是仍以物理、化学手段 评价为主，尤其是在城市河流中，生物评价应用的较少【3 引。多数职能部门和研究机 构没有形成系统的对河流健康状态的认 ： 1 3 9 l 。在进行河流健康评价时，设定的参照 条件一般都是局部适用的，缺乏具体的、易于操作的统一规范【4 0 l 。 纵观国内研究，可以发现设定河流健康评估参照条件主要围绕以下两方面有分 歧。 ( 1 ) 参照条件应选择无或最小人为干扰的自然状态还是考虑城市化对河流的影 响。 与讨论河流健康内涵时产生的分歧相同，设定参照条件的出发点也在近年来成 为众多学者争论的热点，在传统理论意义上设定参照条件应是无或最小人为干扰的 河流状况【4 1 1 。但随着我国社会经济的发展和城市化如火如荼地进行，没有受到人为 5 河北科技大学硕士学位论文 干扰的自然状态下的河流的数量已经急剧下降，而城市中的河流相对于自然状态下 的河流，己形成其独特的生态系统和服务功能。虽然也有学者认为，一个变通的办 法是在评价河流相同或类似区域选取受人为干扰相对较少的河流作为参照【4 2 】。但是 越来越多的学者认为【4 3 】，在进行河流健康评价时，特别是城市河流健康评价，设定 参照条件应充分考虑当地自然经济状况及河流自身的特征，基于无或最小人为干扰 这个标准做适当的调整。 ( 2 ) 制定参照条件时应制定全国统一的标准还是因地制宜 目前可以借鉴的参照条件制定方法多源自国外，在一些地广人稀的发达国家， 如澳大利亚，由于河流保护和治理程度较好，寻找无干扰的样板河段是具有可行性 的【4 4 】，比较容易制定统一的河流健康评价参照条件。但是在我国，由于人口众多， 河流开发的程度较高【4 卯。所以简单的制定硬性的量化的参照指标是比较困难的i 矧。 参照条件的选取很重要，同一河段用不同的参照条件进行评价可能会产生不同 的评价结果【4 7 l 。有学者认为只有制定出全国统一的河流健康评价参照条件才有利于 管理者实施，可以用水质标准作为制定参照条件的依据，对每一种物理、化学指标 规定其范围，作为制定参照条件量化的依据1 4 引。 也有学者提出相反的意见，董哲仁【4 9 j 认为，我国幅员辽阔，河流的自然条件千 差万别，社会经济条件发展各有不同，所以制定河流健康评估准则时，不能照搬国 外经验，而制定全国统一的标准有存在相当大的难度。应因地制宜地经过调查、论 证，制定符合流域、地区自然及社会经济条件的健康评估准则。 综上所述，我国今后参照条件的制定可以向如下方向发展： ( 1 ) 将参照条件的标准具体化。 在不少河流健康评价中，研究人员在选择参照点时只是根据污染的状况选择受 到污染较轻的点f 5 0 1 ，有时因为研究区域受到的污染较为严重，只能选出少量的几个 点【5 l l ，这对于减少因自然条件差异引起的底栖动物群落结构和功能的变化对评价标 准的影响是很不利的。全面的综合水文、生物群落、景观、土地利用等多种因素后， 选择参照条件更加的科学1 5 2 1 ，应当分析当地污染的主要来源，以及受到胁迫的主要 因子，从而更科学的制定参照条件。 ( 2 ) 将参照条件的标准系统化。 我国的大多数关于河流健康评价的研究都是利用参照点法，用l d c 的概念选择 参照条件，缺乏系统性，主观性较强。可以借鉴国外的方法学，利用模型、实验的 方法从更科学的角度制定参照条件1 5 引。 6 第l 章绪论 1 3 研究目的和意义 辽河流域位于我国重工业发达的东北地区，流域内城市群集中、人口密集、农 业发达、污染严重，属资源枯竭型地区。2 0 l o 年，国家批准实施“十二五 计划， 其实施的重点就是拟提出辽河流域四级分区方案，建立流域分区管理支撑技术体系 和政策机制，并作为国家水体污染控制与治理科技重大专项。太子河作为辽河重要 的支流，在近些年随着人为活动干扰的加剧，也受到了一定的污染。太子河流域作 为辽河流域的一部分，在提供辽阳市和鞍山市，部分流经抚顺市和沈阳市饮用水的 同时，也成为了被国家干预和保护的对象。 原则上，参照点应为未受人类活动干扰或干扰极小的样点，但在实际操作中尚 无统一标准。目前国内无相关研究，而国外理论由于地区性差异、研究水平差异等 原因不能被完全照搬并应用于我国河流健康评价中。 本课题是“十二五”课题流域水生态功能四级分区与分区管理中的子课题 之一河流水生态系统恢复目标制定中河流健康评估参照指标确定的研究。本课 题拟以太子河流域为研究区域，通过确定大型底栖动物参数范围的方式来确定河流 健康参照条件。 1 4 研究内容 本课题以大型底栖动物为研究对象，首先以太子河流域为研究对象，筛选出对 大型底栖动物群落和分布影响较大的土地利用类型、理化因子，作为制定参照条件 的参考指标。随后在河流健康状况良好、接近自然状态的地区选择参照河段，选取 参照点，利用回归方程，考察以大型底栖动物为主的各项生物指标在干扰条件下的 取值范围内，参照指标的变化情况和取值范围，并找出参照河段内大型底栖动物指 示种，作为太子河河流健康评价的参照条件。 ( 1 ) 通过对太子河流域7 0 个点的大型底栖动物功能摄食类群研究，筛选出对其 影响较大的理化条件和土地利用类型。 ( 2 ) 在太子河流域，选取两条该种土里利用类型的密度有明显差别的支流，寻找 大型底栖动物各项生物指标的不同，并且进一步分析造成这种差异的原因，找出影 响群落分布的主要理化因子和底质差异等关键参照指标。 ( 3 ) 选取接近自然状态的参照河段，确定参照点的取样情况找出大型底栖动物的 总物种数、总个体数、e p t 物种数等生物指标的分布范围，根据回归方程，确定参 照指标的分布范围，作为太子河河流健康评价的参照条件。 在本研究内容中涉及以下几个概念： 参照指标：包括生物指标、水质指标等，是构成参照条件的具体组成部分， 同时也是最能够体现人为干扰强度的指标。 7 河北科技大学硕士学位论文 参照区域：是指河流和生境的状态都接近自然状态，极少受到人为干扰的区 域。在本研究中，第五章中选出参照区域是指在经过第三章得出农业对太子河流域 的影响程度较深的结论后，寻找的远离农田，并且栖息地评分较高的区域。 参照河段：由于本研究是针对河流健康评价选择参照条件的研究，因此参照 河段是指在参照区域选择的接近自然状态，并且在第四章筛选出的水质指标，如总 氮等都达到国家一类水质标准的河段。 参照点：指在参照河段上选取的用来采集水样和大型底栖动物样本的点位。 参照条件：在本研究中是指在筛选出参照指标后，根据参照点的情况制定出 来的适用于太子河流域河流健康评价的参照标准，包括水质指标、生物指标的范围。 以下几个问题是需要解决的关键问题： ( 1 ) 文献收集。由于我国目前河流健康评估方面的资料甚为匮乏，所以首先要收 集和研究不同国家和地区参照指标的制定标准，确定研究大型底栖动物参照指标的 方法学。 ( 2 ) 实验方法与数据处理模型的选择。目前可用于河流健康评估参照指标确定的 方法多是国外学者提出的，如何根据我国国情，针对研究对象辽河流域太子河 河系的特点来选择研究方法和模型，是本次研究的重点之一。 ( 3 ) 因地制宣的制定具有实用性的参照条件。在进行河流健康评估时，由于不同 区域的对照点不具有可比性，而在同一区域内，也很难找到不受人类干扰的参照点， 选用历史资料进行对照也存在着历史资料信息不全等问题的困扰，所以如何基于受 人类干扰的河流流域的现状，选取并确定科学、合理、准确的参照指标本身就是一 个难点。本研究拟从河流生态系统现状调查入手，将国内外适用的方法与标准应用 于调查结果，从中筛选能体现河流健康状况的大型底栖动物指标体系，以此作为河 流健康评价的参照指标，并开展实例研究，验证参照指标的实用性和典型性。 1 5 创新点 在我国，河流健康的研究还处于起步阶段，相关文献较少。本课题着力于河流 健康评价的大型底栖动物参照指标的研究与确定，即运用系统分析的方法与模型研 究在受人类干扰条件下，以大型底栖动物为切入点的河流健康评价参照条件的筛选 和确定。以辽河流域太子河河系为研究区域，探讨与确定大型底栖动物参照条件的 方法论，提出适用于太子河流域健康评估参照条件、程序等在内的理论体系，并可 因地制宜地推广到一些北方河流的参照条件的确定程序中。 8 第2 章大型底栖动物功能摄食类群与环境影响要素研究 第2 章太子河大型底栖动物功能摄食类群结构与环境 影响要素研究 2 0 世纪7 0 年代由c u m m i n s l 5 4j 提出了功能摄食类群的概念，根据其理论的划分， 将大型底栖动物类群划分为以下5 个主要的功能摄食类群：( 1 ) 刮食者( s c r a p e r s ，s c ) ， 其主要食物来源是各种固着生活的生物类群，如着生藻类等；( 2 ) 撕食者( s 1 1 r e d d e r s ， s h ) ，其主要食物来源是各种凋落物和粗有机颗粒物( c o a r s ep a r t i c u l a t eo r g a n i cm a t t e r c p o m ，有机物粒径 lm m ) ；( 3 ) 直接收集者( c o l l e c t o 卜g a t h e r e r s ，g c ) ，其主要食物 来源是收集河底的各种细有机颗粒物( 硒ep a n i c u j a t eo r g a n i cm a t t e r ，f p o m ， 指 0 4 5 u m 且 1 m m 的有机物粒径) ：( 4 ) 过滤收集者( c o l l e c t o 卜f i l t e r e r s ，f c ) ，其主要 食物来源是水流中的各种细有机颗粒物；( 5 ) 捕食者( p r e d a t o r ，p r ) ，其主要食物来源 是捕食其它水生动物( 见图2 1 ) 。 r 吖： 图2 1大型底栖动物功能摄食类群在河流食物网中的示意图( 引自n a i m 锄a n db i l b y p 引，2 0 0 1 ) 功能摄食类群概念的提出，大大推动了河流生态系统中以消费者为媒介的能量 消耗过程的研究，使其取得了突破性的进展【5 7 1 。这一方法在理论上主要是利用了 不同物种获取食物机制和获取食物尺寸的不同，将各种消费者分为不同的摄食类群。 因此，在进行研究时着眼的不再是几十或者上百种的物种，而是少数的几个功能类 群，这就在很大程度上简化了河流生态系统能量学的研究，同时为不同河流间的消 9 河北科技大学硕士学位论文 费类群的比较、生物量的比较研究提供了方便【5 引。在河流生态系统的研究历史中， 对功能摄食类群概念的了解和应用发展最快的时期是2 0 世纪7 0 年代，而在8 0 年代初 期，随着河流连续统概念的提出，河流生态系统的研究取得关键性突破1 5 9 l 。 功能摄食类群的组成差异随河流本身的地质地貌特征的差异、河岸带土地利用 方式的差异、营养物质输入的差异等各种因素的改变而表现出自身的特征，因此开 展功能摄食类群的研究对于人类活动干扰下的河流参照条件研究具有重要意义。通 过分析对人为干扰活动敏感的功能摄食类群，以及对摄食类群影响较大的水质、土 地利用因素，有助于确定河流健康参照条件。 2 1研究区域 太子河流域是大辽河流域的源头区域和重要组成部分，是辽宁省水环境建设的 重点区域之一，也是该省重要的工业和经济发展区域。太子河在汉朝以前被称作“衍 水”，辽、金时代称“梁水”或“大梁水”、“东梁水”，明代又称“代子河”或“太资河”， 相传，燕太子丹战国时逃匿于此河而得名。 太子河流域是大辽河水系两条主要支流之一，位于我国辽宁省东南部( 东经 1 2 2 0 1 9 r 1 2 4 0 4 8 ，北纬4 0 0 3 6 ， 4 1 0 3 7 ) ，( 见图2 1 ) 。河流全长4 1 3 胁，流域面积 1 3 9 1 0 4 k m 2 。太子河流域位于暖温带湿润一半湿润气候区，年内温差较大，最高气 温2 2 2 4 左右，最低气温为9 1 7 。年蒸发量为7 3 4 1 0 1 8 m m ，年降水量约6 5 5 9 5 4r t m l ；太子河流域属大陆性季风气候，多年平均降水量7 6 lm m ，自然植被多为落 叶阔叶林。太子河流域上游地区为植被保护较好的低山丘陵，平均覆盖率达到5 0 以上；中下游为土地开发程度高的平原区，覆盖率较低。 太子河流域内共有5 市，主要流经本溪市、辽阳市和鞍山市，部分流经抚顺市 和沈阳市，县级行政区包括抚顺县本溪满族自治县、新宾满族自治县、风城满族自 治县、辽阳县、灯塔县和台安县共7 县( 见图2 2 ) 。太子河流域内经济社会的快速 发展造成资源环境过度开发、水质污染问题愈演愈烈，产生了生态系统结构和功能 破坏、水资源缺乏、河流岸滩农田化、河流空间急剧压缩、闸坝建设破坏等较为严 重的问题。纵观太子河流域，在大伙房水库和观音阁水库以上，水质相对较好，基 本好于三类水，从本溪开始至下游区间，河流水质恶化，水质基本为劣五类。 l o 一 第2 章大型底栖动物功能摄食类群与环境影响要素研究 图2 1 太子河流域水系图( 比例尺1 ：2 5 万) 图2 - 2 太子河流域行政区划图( 比例尺i ，2 5 万) 为识别影响太子河流域大型底栖动物的环境要素，栖境要素和底栖动物适宜度， 通过实地考察，在太子河干流以及流域内1 3 条支流( 太子河北支、太子河南支、小 汤河西支、清河、三道河、细河、兰河、北沙河、南沙河、柳河、海城五道河、海 城河) 共设置了7 0 个样点。功能摄食类群研究选择2 0 0 9 年8 月份太子河全流域野外调 查数据，详细样点图见图2 3 。 图2 - 3 太子河全流域样点图 2 2 样品采集和数据获取方法 2 2 1 大型底栖动物的概念 大型底栖椎动物( m a c r o i n v e n e b m t e ) 被定义为全部或大部分时间聚居于水体底 部或其他基质上的水生无脊椎动物类群，并且在身体尺寸上规定为不能通过0 5 舢1 1 ( 约为4 0 目) 孔径的筛网。淡水中底栖动物主要包括水生昆虫( 横翅目p l e c o p t e r a ， 蜉蝣目e p h e m e r o p t e m ，毛翅目t | i c h o p t e m ，鞘翅目c o l e o p t e m ，蜻蜒目o d o n a t a ，广 翅目m e g a l o 雕腿，双翅目d i p t e m 和半翅目h e r n j p t c m 等) ，此外，还包括软体动物 m o u u s ( 腹足纲p o d a ，双壳纲b i v a l v i a ) 、扁形动物( 涡虫纲t l l f b e l l 撕a ) 、部 分环节动物( 寡毛纲o l i g o c h a e t a 和蛭纲h i m d i i l 既) 和线性动物( 线虫n e m 种d d a ) 等 目前在人为干扰河流水生生物影响的研究中，大型底栖动物是最主要的研究类 群。同时大型底栖动物也被广泛的应用于河流健康评价中，这是因为： 1 2 第2 章大型底栖动物功能摄食羞骛与环境影响要素研究 ( 1 ) 大型底栖动物是河流中最广泛分布的类群之一【6 0 1 ，在各种类型的溪流中，大 型底栖动物一般被认为是河流水生生物群落的重要组成部分【6 1 1 ；大型底栖动物以各 种藻类、碎有机物颗粒和凋落物为食【6 2 1 ，并为河中的鱼类提供食物来源，对河流的 物质循环和能量流动起到了重要的作用哪耕j 。 ( 2 ) 大型底栖动物的全部或者绝大部分生活史均在河流生境中完成，不同类型的 干扰与扰动直接作用于河流大型底栖动物，因此对认为干扰较为敏感。同时，由于 大型底栖动物种类繁多，对于不同来源与不同强度的扰动，具有从最敏感的类群到 最耐污的类群，在不同的干扰下，各类群产生不同的反应，最终群落结构的组成变 化能直接反应人为活动的强度和程度； ( 3 ) 大型底栖动物在河流中的生活周期长，活动场所相对固定且易于采集和辨认 岣引。因此，以大型底栖动物为研究对象开展水生生物群落对人为活动干扰响应关系 的研究，具有较强的代表性和可操作性，减轻寻找河流健康评价参照条件工作的难 度并使结果更加可靠。 2 2 2 大型底栖动物样品采集和鉴定 在本研究中，主要采用d 型手网和索伯网作为大型底栖动物的采样工具。 采用索伯网采样时，主要使用6 0 目网，采样框尺寸为o 3m o 3m 。索伯网用于 定量采集。使用时，在河道底质使用采样框进行紧密贴合，先在网兜内清洗采集到 的较大的石块，尽量将附着在石块上的大型底栖动物全部洗入采样网兜内，然后使 用较小的铁铲搅动存于采样框内的底质，将底质与大型底栖动物样本同时采入采样 网兜内。每个点用索伯网随机进行3 次采样。 d 型网同样使用6 0 目网，样框本身取半圆形，半圆框半径约为0 2 5 m ，底边约 为0 3 m 。d 型网在本研究中用于定性采集，选择采样点后，先将d 型网紧贴于河底， 然后慢慢搅动d 型网前河流中的底质，受到搅动的底栖动物样本与其他杂质随水流 带动，自动进入d 型网网兜内。在搅动底质的同时，搅动区域与d 型网同时缓慢向 前移动。 在各样点的样品采集工作完成后，加7 0 的酒精将样品保存并放入封口瓶中密 封，然后放入整理箱中，应注意避免由于外力在搬运过程中压迫损坏样品。在实验 室内对每一瓶底栖动物样品进行精挑选，去除枯枝败叶和细沙，以及误采到的非底 栖动物，仅保留大型底栖动物的幼虫，并将样品置于8 0 的酒精中保存。精挑选工 作结束后，参照相关著嘶7 j 作进行大型底栖动物的鉴定工作，在鉴定的同时计录每 一种大型底栖的个体数。在本研究中，大多数大型底栖动物的物种鉴定到种或属； 部分双翅目物种鉴定到科；太子河全流域和太子河南、北支的摇蚊鉴定到亚科，参 照点的摇蚊鉴定到属l 除一些特殊的较易辨认的寡毛类被鉴定出来( 如颤蚓和霍 1 3 河北科技大学硕士学位论文 夫水丝蚓等) ，大多数寡毛类仅鉴定到纲。 2 2 3 水质参数调查 表2 1水质参数及其测定方法 注：水样的保存和预处理都严格按照水和废水监测分析方法中的相关实验方法执行为了减 小误差，以上样品均重复两次测定，进行数据分析时取其平均值。 2 2 4 生境栖息地特征调查 根据郑丙辉等i 例提出的河流栖息地评价指标，在本研究中，从栖息地的复杂性、 底质组成情况、速度深度结合特性、河水水量的状况、堤岸的稳定性、河道变化情 况、水质状况、植被多样性、人类活动强度和河岸土地利用类型l o 个方面对生境栖 息地特征进行现场调查，通过目测进行评分。每个指标满分为2 0 分，4 个级别的分 值范围分别为2 0 1 6 ( 好) 、1 5 l l ( 较好) 、1 0 6 ( 一般) 、5 l ( 差) 1 4 第2 章大型底栖动物功能摄食类群与环境影响要素研究 2 2 5 土地利用类型获取 为精确反映太子河流域河道附近土地利用特征，采用遥感影像为2 5 m 分辨率的 全色和1 0 m 分辨率的多光谱，在解译2 0 0 9 年8 月s p o t 5 遥感影像获取土地利用图 的基础上进行了几何精校正，在e r d a s 软件下将全色和多光谱影像融合，得到了 2 5 m 分辨率的融合影像。利用融合影像目视解译获得研究区的土地利用覆盖图，对 不能确定的植被类型进行野外调查确认。通过图像解译和数据整合，土地利用类型 主要包括以下7 类：森林、农田、裸地、草地、河滩、坑塘和居民地。 2 3数据分析 ( 1 ) 根据生境数据中人为干扰情况的程度( 按照人为干扰情况的从轻到重，分为 e x c e i i e 咄g o o d ，n o m l a l ，b a d 四个等级) 对五个功能摄食类群进行非参数分析。根据每 一种摄食类群的相对丰度，计算其在不同人为干扰条件下的均值和标准差，以箱线 图的形式展示出来。 ( 2 ) 采用逐步回归方程筛选对摄食功能类群影响显著的水质和土地利用因子。在 结果中，r 为回归系数，r 2 越高，表示结果回归方程的预测结果越可信。p 值表示极 端结果出现概率，p 值越小，表明回归方程越可信。其中p 值 0 0 5 时，表示显著相关， p 值 o 0 5 ，不存在回归方程。 c 表中所列方程显著性p 均 0 0 l 。 2 4 4 大型底栖动物功能摄食类群分布与土地利用因素的关系 在进行逐步回归分析之前，首先进行各种土地利用类型的相关性分析，农田和 森林呈显著负相关，为去除干扰，保留农田而去除森林，而裸地占得比例较小，故 采用农田、河滩、居民地、坑塘、草地五种土地利用