2021, Vol. 42
生态空间是指以提供生态系统服务为主要目标的地域范围[1], 包含多种空间区域, 流域的生态空间是相互耦合的.水体作为具有流动性和可再生性的资源, 其形成、迁移和转化依赖一定的介质载体和场所, 这些介质和场所构成了水生态空间, 空间内的土壤、植被等都是重要的物理介质[2].各类物理介质呈现的特征形成了物理生境, 其被定义为区域内为水环境中生物提供生存和生长环境的物理、化学和生物特征[3].图 1显示了流域水生态空间内不同尺度下的生境特征.物理生境特征对流域水生态研究中阐释生态系统的结构和功能, 特别是分析生物和非生物要素的构成及其交互作用具有重要意义, 其状态对于流域水生态空间功能的发挥至关重要.物理生境的评价则是利用地貌形态等研究方法表征物理空间区域的特征、解释空间异质性及特殊物理特征的过程[4, 5].随着对生境研究的深入, 这种特征不仅仅体现在空间尺度上, 也表现在时间尺度上, 它可以解释为由流量动态变化和河道结构相互作用引起的水文、形态的动态交互过程, 并在不同的空间和时间尺度上体现[6, 7].空间和时间上的变化性决定了表征和阐明生境特征极其复杂和困难.
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引自文献[16] 图 1 水生态空间内不同尺度下的生境特征 Fig. 1 Feature of habitat in watershed ecological space at different spatial scales |
生境监测的研究起始于上20世纪90年代初, 对生境的定义、生境监测评估的目的、阐释的核心问题予以探讨[3~5].继而, 于20世纪90年代末到本世纪初, 欧美发达国家根据各自对流域水体保护相关法令的要求, 开发了国家生境监测评估的技术导则[8~15].但由于不同空间尺度下生境特征的生态意义仍未得以清晰阐释, 特征参数和评价标准的确定仍存在诸多困难, 所以对长期跟踪流域的生境变化仍缺少统一和成熟的方法.随着对生境研究的深入, 以及对流域水生态管控需求的提升, 更多对生境监测方法和基础问题的研究成为关注热点.基于大尺度的流域水生态空间管控将对生境监测相关研究提出更多的挑战, 特别是对更大空间尺度(中到大尺度)、长时间跨度下的生境特征和监测方法, 以及针对特定河流类型(如大型河流、城市型河流、间歇性河流)监测评价方法的研究.因此, 本文通过系统综述生境监测的目的意义、方法概况以及重要科学问题, 以期为流域生态空间管控下流域生境监测的应用和研究提供借鉴.
1 生境监测的目的和意义生境是流域水资源迁移、转化和发生的重要空间和载体, 这些构成了水生态空间[2].生境作为流域水生态的一项关键构成要素[17, 18], 决定了水生态参照环境[19], 在流域生态功能的维系和发挥中起到非常重要的作用, 这种作用体现在各空间范围生境介质功能的耦合上.生境具有提供生物栖息地、维持生物物种多样性和结构组成、构成生态廊道的重要生态功能[20~22].其对于稳定河道至河岸带复合生态系统、维系其生态功能、实现物质和能量交换、发挥水源涵养和水质净化的缓冲功能也起到关键作用, 并参与流域生态景观构成[20~22].同时, 生境也是分析退化河岸带生态系统和退化河流状态, 评估河岸带生态系统重建效果的重要要素[23].
由于管理目标差异和服务对象不同, 各国生境监测方法的目的存在诸多差异, 这也直接决定了生境参数的特殊性和差异性.欧盟标准委员会CEN(European Committee for Standardization)颁布生境监测方法的目的是管理自然状态的位点和具重要保护意义的位点, 确定可能导致水生态状况退化的生境因素; 在位点和河段尺度进行环境影响评估, 在流域尺度评估流域管理和修复措施的效果; 并注重水资源的可持续利用及对流域水体自然属性的监管和保护[8~10].英国河流生境调查RHS(river habitat survey)[11]提出的目的为评估河流生境的自然属性是否受到破坏和干扰, 河流结构是否保持自然状态.澳大利亚以溪流状态指数ISC(index of stream condition)[12]和物理生境评估导则AusRivAS-PAP(Australian river assessment system: physical assessment protocol)[13]为主的生境评估方法是为建立河流状态的基准, 为国家自然资源的管理提供资料数据及评估人为管理和修复等措施效果而制定, 同样侧重维持河流的自然状态和天然属性.美国环境监测评估计划中河流评估方法EMAP-NRSA(environmental monitoring and assessment program: national rivers and streams assessment)[14]和生物快速评价RBPs(rapid bio-assessment protocols)[15]两项方法中生境要素监测的目的侧重评估河流中支撑水生生物的栖息地生境状态, 识别影响水生生物的生境因素.我国目前尚无成熟的生境监测和评估的方法体系, 开展生境监测评估的目的值得思考.由于不同国家人口因素, 土地和水等空间资源的利用度存在巨大差异, 河流及其周边受到人为干扰的强度和范围也有明显区别.中国的河流保护在权衡城市发展需求时, 面临的压力是巨大的, 因此相对维持河流自然属性和自然状态的目的, 以维持河流重要的生态功服务功能, 监控功能的退化状况为重心更为迫切.
2 生境监测方法概况已有报道的生境监测和调查方法众多, 涉及多空间要素的方法超过50种[24], 被广泛采用的主流方法来自欧盟[9, 10]、英国[11, 25]、澳大利亚[12, 13]和美国[14, 15, 26]等国家.大量的研究阐释了诸多生境监测的关键内容, 如生境基础理论[27~30]、生境特征参数[31, 32]、生境的生态功能和生态影响[33~35]、岸边缓冲带宽度[36~42]、监测评估方法[43, 44]和特定类型河流的生境监测[45, 46]为国家方法的开发奠定了基础, 各类方法的特征信息见表 1, 西班牙RQI(riparian quality index)[47]和瑞典RHS(river habitat survey)[48]等方法由于仅针对单一生境介质或特定类型的河流, 不在此做分析.
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表 1 主流生境监测方法的特征信息 Table 1 Features of dominant physical habitat monitoring methods |
各方法特征参数的类别多以空间范围划分, 如河道、河岸、岸边带、洪泛区和流域等(如CEN、AusRivAS), 或以参数要素属性划分, 如物理结构、水文、水质和生物(如ISC、RHS和GeoRHS); 而一些方法则不作分类, 如EMAP-NRSA[14]、RBPs[15]和NWHI[26].分析参数提供的信息, 英国GeoRHS[25]和澳大利亚AusRivAS-PAP[13]的特征参数最丰富, 含70项以上信息, 至少涵盖10项要素类别, 如流量及变化情况、纵向连通性、水体汇入排出特征和人为工程设施阻断性等水文要素, 河流物理形态、河道平面特征、侵蚀状况和河流沉积作用等河道物理形态要素, 河岸及岸边带组成和岸边带宽度等物理结构要素, 以及洪泛区生境特征等.其中, 流量变化和水体汇入排出特征等水文要素, 河岸物理组成和洪泛区生境特征在美国的EMAP-NRSA[14]和RBPs[15]方法中很少涉及.此两类方法在特征参数数量上也相对较少, 仅10余项, 这与两种方法更倾向于栖息地状态评估有关.
涵盖的空间尺度上, 已有报道的50多种生境监测方法中仅40%涉及较大尺度的生境特征[21].欧盟、英国和澳大利亚生境监测的尺度相对更广, 涵盖小尺度至中大尺度4级空间范围; 美国主流的3项方法仍集中在河段尺度以下, 主要以采样区域为主, 这与美国生境调查更倾向于快速调查, 并伴随生物调查同时开展有关, 所以其生境调查尺度与生物采样范围更吻合.美国另一项生境调查导则, 物理生境监测策略PHAMS(physical habitat monitoring strategy)调查河段、河流及流域景观不同空间尺度的要素, 针对河段修复效果评估[23], 而非综合监测和评估生境状态.不同尺度的数据质量也不尽相同, 大尺度下特征数据主要通过数据库获取定量数据, 数据质量高.特定河段和区域尺度的特征利用遥感获取定量数据, 如河岸带植被斑块度、植被垂直结构、河流横向和纵向的变化、河流的连通性、自然岸线率、洪泛区宽度、土地利用和河谷类型等, 数据质量也比较高, GeoRHS[25]和AusRivAS-PAP[13]已将遥感作为一项重要的监测手段.小尺度的监测方法主要利用人工沿河道和河岸进行现场观测和调查获取数据, 用目测和简单测量的方法获取定性半定量的生境数据, 数据质量相对较低, 很多数据不能支撑生境问题的深度分析.而目前60%的生境调查方法仍基于小尺度下快速现场观测方法开展, 如瑞典RCE[48]、英国RHS[11]、美国RBPs[15]和澳大利亚ISC[12]都采用目测定性半定量的小尺度调查方法.
数据和信息的利用分析中一些方法仅作定性描述和记录, 不进行记分或评价; 绝大多数主流方法会以评价指数或特征参数评分方式对生境状态进行定量评估, 如RBPs、ISC、NWHI和CEN 15843; 模型方法会在此基础上进一步实现对生境变化的预测, 如AusRivAS-PAP, 且评分标准都基于建立的参照状态而确定[11~13, 48].评估的准确性将依赖区域参照状态的可获得性和历史信息的积累情况.对于无法获取参照状态的生境评估, 应侧重时间尺度趋势变化的跟踪和评价, 或利用已有同类型河流的记分方法进行参照记分, 以调查区域可获得的最佳生境状态建立相对评价标准.
3 生境监测中的科学问题生境监测研究的核心围绕其空间和时间异质性开展, 现有诸多方法的主要差异集中在监测的空间尺度、区域范围、表征生境状态的特征参数和数据信息获取方式这4个方面.
3.1 空间尺度由于河流是一个自然空间结构, 河流物理生境在空间上存在很强的异质性, 所以空间尺度的确定是生境监测面临的一项关键问题, 现有方法生境监测范围包含从小尺度到中大尺度, 即流域尺度、区域尺度、河段尺度和采样区域及微生境4个尺度.受限于数据获取方式和对人员专业性的要求, 大多数现有方法对生境的调查只基于河段以下尺度(如, 采样范围和微生境)开展, 包含中-大尺度上生境特征信息的方法十分有限, 很少数的方法重视流域尺度下特征数据的收集[24].其中, 小尺度的微生境体现了采样区域内样点范围的特征, 构成底栖动物和藻类等重要生物类群栖息的基本空间单元, 与区域内生物群落密切相关, 是绝大多数主流方法重点监测的尺度范围.然而, 几类国际主流方法在生境监测的空间尺度上仍存在差异, CEN、GeoRHS和AusRivAS-PAP涉及更为广泛的尺度, 从小尺度到中大尺度, 涵盖了区域-流域尺度的生境特征, 如河谷形态、流域内汇入流出特征、流域平均坡度和洪泛区特征等; EMAP-NRSA和RBPs的监测尺度则集中于采样区域, 这种差异源于监测目的和数据获取方式的不同.从方法发展趋势看, 监测的空间范围由小尺度向中大尺度拓展, 趋向于多空间尺度特征的监测.英国在RHS基础上对其进行了补充, 开发出GeoRHS方法, 纳入遥感和流域尺度数据收集的方法将监测尺度从小尺度拓展到区域和流域中大尺度; 澳大利亚继ISC方法, 开发出AusRivAS-PAP方法, 以实现除溪流外各类型河流的生境评估, 更全面预测河流、溪流物理干扰因素的发生, 并从更广的尺度上分析河流生境的变化过程.
基于空间异质性特征, 不同的生境因素对生态功能的作用和影响表现在不同的空间尺度, 具有很高的空间依赖性[49].单一尺度的特征因素可解释的生境干扰影响、以及生境变化过程都非常有限, 或只得到片面的结论, 如分析河段尺度生境特征, 需要监测河谷和河网结构此类中尺度参数[24].目前采用的一些特征参数, 如邻近土地利用、岸边缓冲带、洪泛区、人为工程设施(堰坝、闸坝和水库)和景观格局[50]等参数的空间跨度大, 采样区域到流域不同尺度下特征与河流生态系统的关系和影响存在差异.景观格局对河流水体净化的影响河岸带尺度比流域尺度更明显[51]; 土地利用特征对水质的净化作用上高等级河流优于低等级河流[52], 流域和区域尺度上植被分布格局对非点源污染输出和消减的贡献也存在差异[53]; 洪泛区作为一个独特的生境范围也具有高度的空间异质性, 在不同尺度下衡量洪泛区的特征, 所表征的生态功能和状态也将指示不同的意义.这些研究表明生境监测基于不同的尺度开展是非常必要的.从各国方法发展的趋势看, 监测空间将由前期小尺度向中大尺度拓展, 更多吸纳河段-区域尺度和区域-流域尺度的特征信息, 这些大尺度的参数可以用来确定河流基本类型特征, 而河流特征的确定对于河流生态分区以及建立生境评估标准都很关键.欧盟CEN[8, 9]中包涵地形、河流级别、流域汇入流出的水文特征、流域沉积转运特征和坡度等特征参数, 并利用地形、河道形态特征以及侵蚀沉积过程特征来确定河流基本类型, 这项生境监测的基本工作依赖的是流域或区域大尺度特征参数的获取; 更重要的是, 这些大尺度特征将有利于分析和解决流域尺度上的生境问题, 如生态流量的保持、景观斑块化和洪泛区退化等问题.监测尺度的丰富度, 获取各尺度的信息量, 对于解决与空间异质性相关的生境问题非常关键, 而不同参数的尺度都应基于分析和描述的生态功能和生境过程的尺度而确定.
3.2 区域范围河流水资源各生态空间是相互嵌合的, 生境作为维系流域生态功能的重要要素, 生态作用的发挥体现为围绕河流的水域陆域各个区域的耦合作用.因此, 生境监测的区域应该更多地涵盖各个空间区域：河道、河岸、岸边带、洪泛区(江河两岸和湖周海滨易受洪水淹没的区域)、相邻陆向区和流域内景观区等.
河道、河岸和岸边带是目前绝大多数生境方法均包含的范围, 这些区域的特征更容易通过人工现场调查的方法获取.其中, 河道还细分为横向区域, 纵向区域和垂直区域, 如水岸交界带特征、河道内水生植被、河道剖面形态、河道蜿蜒度和河床底质都表征不同空间方向的特征.河道向外横向延伸的河岸及岸边带缓冲区, 即河水陆地交界处直至河水影响消失为止的地带[54], 是与河道有直接联系的重要生态过渡带, 具有独特的空间结构和生态功能[22].其可提供生物栖息地、形成生态廊道、缓冲和净化水体、涵养水源、提供景观资源[55~57].在确保河岸带生态功能正常发挥并确定监测范围时, 重点要划定岸边缓冲带宽度, 加拿大[58]、澳大利亚[40, 59]和美国[38, 39, 60]等国家基于不同保护对象和目标研究给出了河流岸边带宽度推荐值.保护目标的不同则决定了缓冲带宽度的差异, 重要的保护目标包括消减污染物、减少河岸侵蚀、提供水生生物栖息地、为生物提供营养和食物来源、提供陆生生物栖息地和防洪安全等, 其中消减污染物, 实现水质净化和保护重要水生生物是更为侧重的生态功能.对于污染物的消减, 推荐宽度在5~30 m, 有些研究表明考虑长期去除效果, 宽度应增加到50 m[39, 60], 保护底栖动物及鱼类多样性, 宽度值为10~50 m[39, 60]; 要实现陆生动物的保护, 缓冲带宽度应达到200 m和500 m甚至更广[58], 这在大部分生态资源利用紧张的流域难以实现, 但针对有特定生物保护目标的敏感区域仍然需要考虑放宽缓冲带宽度.
洪泛区是河流系统一个重要的空间环境, 是生物多样性富集区和高生产力的生态系统区[61], 反映着河段-区域, 甚至更大尺度下的生境和生态功能状态, 对于维持河流-洪泛区整体空间环境的生态环境稳定性起着重要作用.通过洪泛作用维系生物多样性、物质能量交换、湿地、恢复河道生态环境以及保持洪泛区有效宽度[25], 同时保持与邻近陆地区域的生态联系[62].而现有很多方法仍缺少对洪泛区特征的监测, 如RBPs、ISC和NWHI, 导致难以对河流-洪泛区整体环境的生态问题进行分析, 如流域生物多样性丧失和河流水生态系统退化等.我国水生态系统退化的重要一个原因, 就是扩张的城市和农业活动, 及修筑堤坝等水利工程设施直接导致全国范围内洪泛区的消失及区域内生物多样性的衰退, 继而引发生态环境退化.有数据显示, 长江中下游有超过80%的洪泛区湿地已经丧失[63], 对于洪泛区的监测将为解决水生态系统退化的问题提供有价值的信息.相邻陆向区和流域内景观区的特征则提供了流域大尺度下分析生态问题的关键信息, 土地利用类型、景观破碎度、斑块密度、景观主导类型和景观异质性等特征参数与流域整体生态功能的维持及水体净化能力发挥密切相关[53, 64], 澳大利亚AusRivAS-PAP方法中土地利用特征已对流域和采样区域2个范围分别做了考虑[21].但是, 目前大尺度区域的监测仍很少涉及, 而这些区域特征对于从流域尺度评估生态整体状况及实现流域水质净化等生态功能至关重要.
另一项重要的生境区域特征体现为不同河流类型和河流区段的生境存在天然的差异性.河流从上游河源到下游河口的发育中形成了上、中、下游生境的天然异质性, 体现在水文节律、河谷形态和河流形态等不同的生境特征上, 对流域生境的监测需要根据各河流区段出现的自然特征建立参数和评估标准.同时, 不同类型的河流, 如山地型、平原河网型和河口型, 城市型和非城市型等, 由于地理环境或者生态空间利用程度的不同, 呈现不同的生境特征.目前, 针对城市型河流的生境监测, 英国已经于2003年推出了相关国家监测技术导则, 针对性的建立典型城市型河流生境的调查评估方法, 针对城市河流生境特征的研究也受到诸多学者关注[65].
3.3 特征参数生境特征参数用于阐释和表征物理空间异质性和生境过程, 以及对生物多样性、生物群落组成和结构和生态功能产生的干扰影响[24].生境过程和生态功能具有空间尺度和时间尺度的异质性, 涉及复杂的机制和作用过程, 不同空间尺度下各生境特征的意义还难以说明, 特别是大空间尺度下[66].所以, 要全面表征河流的生境过程和生态功能难度很大, 这也是至今多种生境方法难以形成标准特征参数的重要因素.但基于对小尺度下河流物理和水文作用过程的研究, 很多生境参数的意义和作用已经明确.这些参数对于确定河流生境类型、了解重要的生态功能和过程信息、分析对生物群落的影响有很大贡献, 而且在各类方法中采用频率高, 重要性和适用性更强.表 2中归纳了其中部分重要生境参数在各类主流生境监测方法中的采用情况.其中, 河岸稳定性、河道底质、人为工程设施、河岸带缓冲区植被结构、水流类型及流量流速特征、相邻土地利用情况、大型树木等植物残体和河道内植被特征, 这些参数在67%的欧盟国家生境监测方法及62%的北美和澳大利亚生境监测方法中均已采用[24], 在主流的几类方法中60%以上的方法已将其纳入监测.
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表 2 部分重要生境参数在各类主流方法中的采用情况 Table 2 Adoption of some important physical habitat parameters in dominant methods |
高频率采用的参数中, 河道底质和河道内植被特征反映水生生物(如底栖动物和大型水生植物)的栖境质量和结构特征[67], 参与河道内物质和能量交换[68], 对分析河流河道内生态功能有重要表征作用, 是可反映微生境特性的一类重要指标.以欧盟、英国和澳大利亚为代表的CEN、RHS、GeoRHS和AusRivAS-PAP这4类方法已在生境监测中纳入此项指标.河岸带植被缓冲区对水陆生态系统间的物质、能量、信息和生物流动发挥着重要作用, 特别在消减陆向污染物净化河流水质方面, 缓冲带的植被结构和覆盖率是影响净化效果的关键因素[69].河岸稳定性是反映河岸环境对水质和水生生物影响的重要特征参数.河岸稳定性较差时岸带土壤、泥沙会大量进入水体, 造成河流污染物输入, 动植物粪便、面源营养盐、农药、油类、金属及其他化学污染物会直接影响水环境, 会干扰原有河流水体的物质能量平衡关系[70].泥沙等颗粒会增加浊度, 影响鱼类和昆虫等水生生物的呼吸功能, 继而干扰其生活和习性.然而, 对于自然侵蚀性河流, 一定程度的河岸侵蚀状态则是确保下游生态系统物质来源的重要基础.基于维持河流生态服务功能的目的, 确定河岸稳定性和侵蚀性的评估标准至关重要.人为工程影响、流量管控以及土地利用分别反映水文特征中河流连通性、流量调控变化特征及沉积物的迁移特征, 是分析较大尺度下生境改变, 特别是水文要素变化的重要指标.欧盟各国83%的生境调查方法已纳入人为工程设施影响和流量调控相关参数[24], 如CEN 14614、RHS和GeoRHS; 对于流域尺度与欧盟各国有明显差异的北美国家、澳大利亚和中国, 应更加关注对人为工程设施(堰坝、闸坝、人工湖、水利发电和堤坝护岸等)的影响, 以及调水和大坝控水泄洪等重要水文改变的监测, 从更大尺度上关注河流水文生境特征.水流特征、流量流速反映包括河流连通性在内的水文压力, 可表征水文压力对水生生物和沉积物迁移转化的影响.人为干扰对流量和水文节律的改变会增加河流的深度、减少河流的流速、降低河流深度和速度的变异性, 对大型河流的生境会产生更显著的影响.年均和日均流量特征、年均流量变异度、流量季节差异性和封水期流速已被主流方法采纳.水文要素监测中, 生态流量是一项非常重要的参数, 虽然以上讨论的生境方法较少设置生态流量指标, 但是其对大尺度下河流生态系统功能的维持至关重要, 特别是河流形态、生物栖息地、河流水体自净、流域景观的维持[71].各国针对不同阶段关注的生态问题对生态流量给予不同的定义, 目前我国现阶段生态流量是指为了维系水生态系统的结构和功能, 需保留在河湖内符合水质要求的流量及其过程[72].在高强度的水资源利用状态下, 为实现河湖水生态系统结构功能有效维持, 及平衡水生态资源利用和保护, 将生态流量纳入生境监测体系, 并开展其估算和评估方法研究, 建立重要生态系统指示物与生态流量间的响应关系是极为迫切的.
另一部分使用频率相对较低的参数, 如洪泛区特征、河岸物质结构、岸边缓冲带宽度和水生生物等, 对于反映大尺度生境过程或解释河流特定生态功能仍非常重要.洪泛区的特征, 如宽度、与河道的连通性、洪泛区的保有率等与维持河流-洪泛区整体空间环境和其独特的生态功能有密切的联系, 英国特针对洪泛区的监测评估发展出GeoRHS方法, 用于在已有RHS信息基础上补充大尺度洪泛区特征参数, 然而美国几项主要方法EMAP-NRSA、RBPs和NWHI尚未采用.河岸物质结构是另一项重要的特征参数, 物理结构的差别使河岸透水性、土壤微生物构成、河岸植被构成产生差异, 最终影响和改变河岸区域生态功能的发挥, 影响体现在对污染物的消减和截留能力的变化, 继而影响河流水体净化功能.岸边缓冲带宽度是一项对于河流和湖泊水体非常重要的物理生境特征, 缓冲带包含了水域区、河岸区和相邻土地区这3个空间区域, 粗木残体和岸边水生植物、河岸草丛灌木以及相邻陆向区的开阔植被区都是缓冲带的重要组成[73].缓冲带涵养水源、进化水体和降低路岸侧向影响等生态功能的发挥与以上空间区域构成的缓冲带宽度有直接联系, 获取宽度数据将有助于从岸边带这个空间区域分析生境状态及压力因素.水生生物则是生境状态保持的重要衡量指标, 一些生物(如, 大型沉水植物)同时也是其他生物的栖境.英国、澳大利亚和美国已将河道或河岸生物作为生境的一个特征参数进行分析, ISC采用大型底栖动物的数量和结构指标[12], AusRivAS-PAP和EMAP-NRSA采用河道鱼类、藻类和底栖动物的出现度[13, 14], RHS记录调查区内动物、鸟类、昆虫及其他生物类群数据[11], 生物信息的纳入是对利用物理生境特征分析生态功能的一项重要补充.相较河道底质、人为工程设施、流量流速和河道内植被状态等河道内生境信息, 以上这些参数更多表征了河道外空间区域的生境特征, 而且在河流生态系统的维持中发挥特定的功能, 在重点生物多样性保护区和生态保护区应纳入其生境重点监测的特征参数, 并对监测方法和开展的空间范围予以研究.另一类表征中大尺度特征的参数, 如河谷形态和沉积作用特征, 有助于确定河流的生境类型和对河流进行分级及分区, 在欧盟WED及其监测方法中都明确提出对于这两项大尺度参数的监测要求, 这类参数的监测是建立生境监测方法的重要基础工作[8, 74].
要全面表征河流的生境过程和生态功能的难度很大, 除以上所述重要参数外, 涉及不同生态功能、不同空间尺度、不同要素领域的特征参数量仍非常庞大, 这些参数都纳入并不现实.目前澳大利亚和英国的方法已涵盖百余种参数, 监测及数据获取的成本和难度较大, 引入冗余度分析[26], 去除表征重复信息的指标, 保留生态信息更丰富的参数, 是建立生境监测指标的一项可取的方法.
3.4 数据和信息的获取方法不同尺度生境特征参数的获取依赖不同的数据获取方法, 遥感、无人机、现场调查和数据收集是现有获取生境数据的几种手段, 数据质量与数据获取方式密切相关.遥感仍是中大尺度下获取生境数据的主要手段, 如河流连通性、河道蜿蜒度、自然岸线率、洪泛区特征和景观格局等特征.遥感可获得较高质量的生境数据, 如AusRivAS-PAP、GeoRHS和CEN都大量采用遥感监测数据, 但是数据采集无法避开云雾干扰、获取成本过高和分辨率不足仍是遥感技术至今未能解决的弊端, 这也是目前绝大多数的方法中小尺度下仍基于人工现场调查方法开展生境监测的重要因素[24].主流的生境监测方法仍非常依赖人工现场调查方式, 如AusRivAS-PAP中70%的参数都通过野外现场调查获取, 不可否认人工野外调查方法是获取小尺度河道、河岸和岸边带信息的重要方法, 但目前人工野外调查是基于人工目测和有限测量的方法, 沿河岸和河道获取不同采集单元的生境特征数据, 在数据空间代表性、数据质量和获取便捷性上存在难以规避的缺点.受开展方式的局限, 各类生境方法现场调查的河段基本在1 km范围内[24], 大型河流最多也不超过4 km(表 1), 在有限的空间距离采集的数据对于河段特征的代表性会较低[26].按照河流特征的空间异质性划分, 河段通常在几十公里[20], 甚至上百公里, 较低的数据代表性难以支撑准确分析.同时, 数据以定性和半定量为主, 定量数据的缺失使得难以对生境特征做准确的分析, 数据的可利用度较低.人工方法基于目测方式获取数据, 受主观因素影响非常大; 野外工作效率低, 通常一天仅能完成1~2个点位.因此, 以这种方式开展整个流域范围的生境调查将是非常庞大的工作量.
针对河段以下尺度, 无人机技术给生境监测提供了一项新方法, 可以弥补遥感空间分辨率低和访问周期长的缺点[75, 76], 同时弥补人工野外调查效率低、数据质量和数据代表性差的缺陷.无人机搭载的不同类型的摄像仪、传感器可获取高分辨率的近地面数据信息[77, 78], 这项技术已经在生境监测、物种多样性和群落结构监测、河岸带植被结构监测中受到很高的关注, 这类数据将为人们研究和解释一些生态学中的重大科学问题提供重要的支持[79].无人机除可获取定量和半定量数据外, 还可以采集近地面的图像信息, 图像信息作为直观分析和跟踪生境变化的重要信息, 对于中长期跟踪和评估生境状态的变化具有很高的价值.澳大利亚ISC在采集数据信息的同时采集河段的河岸生境3D图像, 绘制全国范围河流单河段的图像信息, 以直观跟踪生境的变化趋势[12], 德国于2001年绘制出国家河流生境地图[80], 图像信息已经成为生境监测信息的一个必要组成.综上所属, 多项监测技术的联合是生境监测方法的发展趋势, 遥感技术的采用有效实现了大尺度生境特征的监测, 无人机技术的发展也将作为生境调查技术的有力补充, 这使得生境监测中覆盖更多的特征参数, 并获取高利用率、高质量数据信息变得更容易实现.
4 展望由于生境过程和生态功能的发挥都表现出很强的空间尺度和时间尺度异质性, 使其具有非常复杂的维系机制和作用过程, 不同空间尺度下生境特征的生态意义仍难以阐明, 而这直接影响到不同空间尺度和范围下特征参数的确定.同时, 相对于生物类群和水质, 不同时间尺度(中期和长期)的监测和评估中, 生境仍然缺少方法学上的充分研究, 形成科学、通用的生境监测评估方法还存在诸多问题.而且, 多数生境特征都展现区域性特征, 各类基于区域特异性的河流建立的生境方法并不能被其他区域直接采用, 针对各流域本身生境特征的研究是科学进行生境监测的基础, 也是流域生境监测的关键.对于阐释空间和时间尺度上生境异质性中目前缺少的基础研究还有很多, 大量涉及水文学、化学和生物学相关的基本问题仍未被揭示.而阻碍进行中长期及大尺度研究的原因则是, 早期对于生境相关的调查研究都是基于现场调查, 缺少中长期时间尺度和区域流域尺度的足够数据积累, 支撑在区域或者更大空间尺度开展生境特征比对分析的数据也极为有限, 这造成很多影响生态功能的关键生境特征并未被关注或评估标准难以确定, 特别是大尺度下的生境特征.因此, 阐释生境空间、时间尺度异质性对维持和发挥水生态功能影响的相关研究应该得到持续地关注.
目前, 生境监测正在由小尺度向大尺度发展, 并从单一尺度向多尺度过渡, 生境特征将来也将关注空间尺度上的不同层级, 关注更大空间尺度上的变量, 基于多空间尺度的生境监测是评估生境状态和流域生态功能的发展趋势.我国在现阶段构建生境监测体系, 应以维持流域生态系统的生态功服务功能, 监控功能的退化状况为重心, 不过度关注河流自然属性和自然状态的维持和恢复.监测要素应涵盖水文特征, 如生态流量特征、年均流量变化和流量季节差异性特征等; 水环境特征, 包括水体浊度、pH、透明度和典型污染物类型等; 河道物理形态结构和水文特征, 如河岸稳定性状态、河道底质构成、河道内栖境多样性、人为水利设施影响、水体连通性及阻断性和干涸断流比例等; 河岸带和陆向区特征, 如土地利用情况、河岸缓冲带宽度、植被多样性、景观破碎度和洪泛区变化特征等; 水生生物状态, 如水生植被多样性和分布特征及重要生物类群出现度等多要素指标.参数体现从流域尺度到微观生境尺度的特征, 部分指标应从多个尺度进行监测评估, 如土地利用情况、河岸缓冲带、植被多样性、破碎度和洪泛区变化特征.同时, 参数应表征河道、河岸、岸边带、洪泛区、相邻陆向区和流域内景观区多个区域空间的关键变化.对于城市发达度高、人口密集的区域应该根据城市发展和生态资源利用的特点单独确定监测指标, 更侧重调水和流量调控等水文变化、土地利用压力和生态修复效果的监测和评估.
在生境监测的后续研究中, 基于河流类型确定岸边带宽度、基于不同河流类型确定生境特征参数、发展与景观生态学研究方法的融合、建立生境评估标准都应是研究的重点.为支撑流域生态空间管控, 生境监测仍有很多科学问题有待阐释.因此, 更大空间和长时间尺度下生境特征和生态功能的相关研究应该是目前及以后一段时间内流域水生态的一个重点和热点.
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