河流生物栖息地评估研究进展

河流生物栖息地评估研究进展

赵进勇董哲仁孙东亚

中国水利水电科学研究院，北京，100038

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。

图2河流栖息地评估方法

湿

周

可认为第一个转折点所对应的

流量为河道生态流量值

流量

图3湿周-流量关系曲线示意图

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