Growth performance and its influence of Fraxinus mandshurica after 20 years of introduction and planting
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摘要:目的 明确水曲柳引种栽植20年后的适应性、生长表现及其对群落物种多样性的影响，为水曲柳的引种和立地环境选择、引种地物种多样性保护提供科学依据。方法 采用典型样地调查法，对北京市喇叭沟门自然保护区内引种栽植20年的水曲柳散生个体、水曲柳纯林、水曲柳混交林及其他阔叶林、沟谷草甸进行调查，分析水曲柳个体适应性、生长表现和不同群落类型的物种多样性。结果 （1）水曲柳在不同环境或群落类型中的成活保存率Sp均大于90%，能够正常生长并开花结果；（2）水曲柳个体胸径、树高、冠幅、干性及冠长率等形态指标在不同群落或环境中存在差异，活力度值B排序结果为水曲柳散生个体 > 水曲柳混交林 > 水曲柳纯林；（3）水曲柳纯林和水曲柳混交林物种多样性低于其他阔叶林和沟谷草甸群落类型。结论 （1）水曲柳在引种栽植20年后进入中龄阶段，仍表现出较强的环境适应性，存活率较高，在林缘及道边散生个体的生长表现最好，在混交林和纯林中受林分郁闭度过高影响，水曲柳生长表现相对较差；（2）水曲柳具有较强的耐阴性和竞争力，进入中龄后在水曲柳纯林和水曲柳混交林中形成较高的乔木层郁闭度，导致灌草层物种减少，不利于当地物种多样性的保护；（3）在喇叭沟门自然保护区引种栽植水曲柳时，应选择沟谷下部弃耕地或道路两侧绿化用地，对于沟谷草甸和其他次生林环境不宜栽植水曲柳。Abstract:Objective This study was conducted to clarify the adaptability and growth performance of Fraxinus mandshurica after 20 years of introduction and planting and its impact on species diversity of the community, so as to provide scientific basis for the introduction and site environment selection of Fraxinus mandshurica, and the biodiversity protection of the introduced site.Method By the method of typical sample investigation, 3 types of Fraxinus mandshurica (scattered individuals, pure forest and mixed forest) and 2 other community types (broadleaved mixed forests and gully meadows) were investigated in Labagoumen Nature Reserve in Beijing to analyze the individual adaptability, growth performance of Fraxinus mandshurica and the species diversity of different community types. The
sampled Fraxinus mandshurica had been introduced and planted for 20 years in the study site. Result (1) The survival and preservation rate (Sp) of Fraxinus mandshurica was greater than 90% in different sampling types, and some individuals had begun to grow and blossom normally; (2) morphological indexes such as DBH, tree height, crown width, trunk straightness and crown length ratio of Fraxinus mandshurica individuals were different in varied sampling types, the order of vigorous degree (B) was as follows: Fraxinus mandshurica scattered individuals > Fraxinus mandshurica mixed forest > Fraxinus mandshurica pure forest; (3) the species diversity of Fraxinus mandshurica pure forest and Fraxinus mandshurica mixed forest was lower than that of broadleaved forest and gully meadow community types.Conclusion (1) Fraxinus mandshurica has entered the middle-age stage and shows strong environmental adaptability and high survival rate after 20 years of introduction and planting. The growth performance of scattered individuals at the forest edge and roadside was better than that of individuals in mixed forest and pure forest due to higher canopy density and individual competition of the latter; (2) Fraxinus mandshurica has strong shade tolerance and competitiveness. After entering the middle age, it forms a high canopy density in the pure and mixed Fraxinus mandshurica forests, resulting in the reduction of species in the shrub and grass layer, which is not conducive to the protection of local species diversity; (3) when introducing and planting Fraxinus mandshurica in Labagoumen Nature Reserve, the abandoned farmland in the lower part of the gully or the greening land on both sides of the road should be selected, the gully meadows and other secondary forest environments are not suitable for planting Fraxinus mandshurica.-
Keywords:
- Fraxinus mandshurica /
- introduction performance /
- adaptability /
- species diversity
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河流生态系统不仅直接提供了生物生存所需要的资源，同时在调节局地气候、缓解旱涝以及降解污染物质方面也具有重要作用。人类生产生活对河流生态系统具有直接的影响[1]，不合理的开发利用降低了其生态服务功能。国外学者很早开始对河流生态系统服务功能进行研究，欧洲和美国较早地开展了河流质量状况的监测工作。随后，澳大利亚和南非等也在相关方面进行了大量研究[2-4]。国内起步较晚，目前研究主要集中在太湖流域、海河流域和辽河流域等[5-7]。总体来看，河流水生态质量评价常用的方法为指示物种法和多指标评价法[8]。指示物种法主要通过水体中指示生物种群结构等属性在环境胁迫下发生的差异变化，来表征河流生态系统的健康程度。该方法相对简单、可操作性强，在国外应用广泛。Wan等[9]和Lin等[10]基于浮游生物对水体的敏感性构建了生物完整性浮游指数（planktonic index of biotic integrity，P-IBI），分别对渭河流域和九龙江北溪的水生态质量状况进行了评价。但该方法的缺点在于仅参照某种指示性物种生物量的变化对河流进行评价，当河流受损状况不能及时反映到该物种上时，评价结果不具有参考性。多指标评价法是运用一系列水文、水质和水生物多样性等多种指标全方位综合评价河流生态质量状况，因其强综合性和易量化的特点，成为当前河流水生态评价的常用方法。徐菲等[11]通过从水域和陆域两方面构建了生境结构、水生生物、生态压力评价指标体系，对北京市白河和潮河流域进行了质量状况评价。鲍艳磊等[12]基于河流自身生态功能的基础上，从河流水质、河流水环境、河流生境和社会服务功能4个方面着手构建了评价体系，对雄安新区的河流生态质量现状进行了评价与分析。由于根据特定的研究区所构建的指标体系不能在其他案例中直接使用，所以该评价方法也具有一定限制。同时，在评价指标选取和指标信息整合的过程中也存在信息重叠或弱化的现象[13]。
永定河在门头沟区的分布为山峡段和平原段两部分。由于不同河段河岸环境现状不同且地表水水域功能分类存在差异，导致水环境影响因素多、水文水质时空分布变化差异大。经过近10年来的一系列水源涵养植被修复、流域综合整治等修复措施，门头沟区的水源涵养功能取得了较显著的提升。但由于对河流生态环境本底的模糊不清，在治理后仍存在着河道拥堵断流和水质不达标等现象，影响其生态服务功能的发挥。为准确了解河流的生态状况，本文开展了河流的现状调查并对其水生态质量进行了评价。根据河流的6个水文监测站点划分为6个不同河段，依次开展各河段水文水资源和河流生境结构的现场调查，并收集气候水文等数据；采用层次分析法筛选并构建了5个准则层、14项指标的水生态质量评价指标体系，来对永定河门头沟段进行水生态质量评价。根据调查结果，了解掌握河流目前的生态环境本底现状；依照评价结果，分析河流目前的水生态健康状况。最终根据调查和评价结果为河流的后期治理提出针对性水生态修复建议。
1. 研究区概况与研究方法
1.1 研究区概况
永定河位于华北西北部，是海河流域的主要水系之一，也是北京地区第一大河和北京市的重要水源地，被称为首都北京的“母亲河”。永定河北京段流经门头沟、石景山、丰台、大兴和房山5个区，主河道长约170 km，流域面积3 168 km2。其中门头沟内河流分为山峡段和平原段。山峡段由官厅水库至三家店峡谷，干流河道长92 km；平原段是由三家店至石景山长约6 km的河段，总流域面积约为1 368.03 km2[14]。为了全方位了解河流生态质量状况的时空变化规律，本研究于2020年8月和10月对其进行了两次生态环境本底状况调查。依据水文监测站点将河流分为6段，在各河段上、中、下游以及支流分叉点依次布设采样断面。各河段分布及采样点位如图1所示。
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图 1 研究区河流分段及取样点分布Figure 1. River section and sampling point distribution in the study area1.2 指标数据来源
（1）生境调查与水文资料收集
根据河流区域分段，依次开展了河道拥堵、有水情况、河岸稳定性、周围植被状况和河道阻水建筑物数量等生态本底状况的现场调查。同时以发放调查问卷的形式对各河段以河为基础开发的公园进行了群众满意度的调查。查阅《门头沟区统计年鉴》（2020）、北京市水务局《水资源公报》（2020）、北京市生态环境局《生态环境状况公报》（2020）、中国环境监测总站《全国地表水水质月报》等资料，对河道水文信息进行了收集整理。运用Arcgis和ENVI提取遥感影像数据计算河岸植被覆盖度和河道弯曲系数。
（2）水质指标采集与分析
根据地表水环境质量标准及评价的需求，共检测了10项水质指标，分为现场检测和实验室检测两种。其中现场检测包括流速、水温、pH、溶解氧（dissolved oxygen，DO）、电导率（electrical conductivity，EC）、浊度；实验室检测为高锰酸盐指数（permanganate index，PI）、氨氮（NH3-N）和总磷（total phosphorus，TP）。在采集水样时，为了消除水质波动带来的偶然性，使用5 L水样采集器在各样点进行间隔为5 min的3次采样，采完样后将采样瓶装入低温保温箱内带回实验室进行检测。
（3）底泥样品采集与分析
采用1/40 m2彼得森底泥采集器在各样点进行两次底泥的采集（采集量为2 kg），装入塑封袋带回实验室，自然风干，过筛。基于评价的需求共检测了10项指标，其中pH采用便携多功能水质检测仪（HACH HQ40d）检测；总氮（total nitrogen，TN）、有机质（organic matter，OM）采用元素分析仪（Vario MACRO cube）检测；TP采用碱熔−钼锑抗分光光度法检测。在高温消解后采用电感耦合等离子体质谱法检测出Cu、Zn、As、Ni、Cr、Pb 6种底泥重金属含量。
（4）水生生物采集与鉴定
参照《水库渔业资源调查规范》（SL167—2014）[15]进行了水生生物样品的采集与分析，在每个断面采集浮游生物水样，将采集的每升样品中加入15 mL鲁哥氏液进行现场固定。带回实验室后，于4 ℃下冷藏，采用虹吸法浓缩过滤。浮游动物中枝角类、桡足类用采水器采集，每个采样点采集水样10 ~ 50 L，再用25#浮游生物网过滤浓缩，得到样品后立即用40%甲醛溶液固定。最后用显微镜观察计数框计数。
大型底栖动物用1/40 m2彼得森底泥采集器进行采集，过60目筛，加10%福尔马林液固定，用显微镜观察，用计数框进行计数。
1.3 评价方法
1.3.1 评价指标体系构建
基于门头沟水源涵养区生态功能定位，即构建能够进行水源涵养、改善水文状况、调节径流量、防止河道干涸拥堵并保护可饮用水水源的森林植被，因此在选取的过程中从水源涵养的角度[16]出发来对评价体系进行构建。在进行实际指标选取和数据分析过程中发现，文献和标准[17]中常用的指标，不能很好地体现出永定河目前所存在的问题。本文根据河流自身特点和门头沟区发展规划选取了最具代表性的指标，并采用层次分析法构建了永定河门头沟段水生态质量评价体系。最终决定从水文水资源、河流生境结构、水体理化指标、水生生物指标和河流社会服务功能5方面构建水生态质量评价体系。
在水文水资源指标选取时考虑到水位、水温变化对河流水文的影响[18]，本文整理各站点多年水位水温数据后发现，在河道有水不断流的情况下，各河段水位和水温与多年均值相比无明显差异。这也反映出水文水资源重点体现在河流水量和河道方面，应着重对河流水文流量和河道干涸拥堵方面进行分析研究[19]。为避免评价指标间的信息重合，所选取的指标为流量过程维持时间和生态需水满足程度。
河流生境结构是影响水生生物群落的生物条件和水源质量的主要因素[20]。各河段岸坡结构无较大变化，岸边均有连续植被覆盖[21]，因此单一的岸坡结构指标不能较清楚地反映河流生境结构。河流含沙量的变化能够较好地反映研究区涵养林功能和河流生境方面的特点，但对各水文站历年数据分析可知，各河段的含沙量近乎为0，因此该指标对各河段的鉴别力较小。最终，从水生境—过渡带—河岸带的整体性角度选取了河流连通性、河道弯曲系数和河岸植被覆盖度3个评价指标。
水体理化指标包括水质和底泥两部分。水质是最直观反映水体质量状况的指标[22]，而底泥作为水体环境的重要组成部分，是重金属和氮、磷等营养物质的重要储存区。在净化上覆水环境的同时，也作为潜在污染源存在于水环境中[23]。因此本文所选取的水体理化指标为水质综合污染指数、沉积物营养物质生态风险指数及沉积物重金属潜在生态风险指数。
水生生物多样性是水体生态效应的时空反映，是河流质量状况的重要指标。作为水生态系统物质流与能量流传输的介质，可以反映不同时空尺度上各种物理、化学和生物对河流质量的影响。本文选用浮游生物和大型底栖动物作为指示类群，对研究区水环境状况进行评估[24]。
考虑到门头沟区的发展规划目标是借助永定河文化价值，整体塑造提升“永定河文化”品牌形象，这就需要充分发挥永定河对沿岸居民的社会服务功能。在进行指标选取的过程中从河流安全、河流影响、河流满意度3方面进行了综合考虑，选取了防洪达标率、水体整洁程度和公众满意度作为河流社会服务功能的评价标准。选取指标如表1所示。
表 1 永定河门头沟区段评价指标计算方法Table 1. Calculation method of evaluation index in Mentougou section of Yongding River准则层
Criterion layer评估指标 Evaluation index 计算方法
Calculation method公式说明 Formula description 水文水资源
Hydrology and water resources流量过程维持时间[25]
Flow process maintenance time (M)M = d/Y M为有水时间占全年时间的百分比；d为有水时间天数；Y表示全年天数
M, percentage of the time with water in the year; d, number of days with water; Y, number of days in the year生态需水满足度[26]
Ecological water demand satisfaction (T)T = T1/T2 T1为评估年月均径流量；T2为多年月均径流量
T1, assessed annual monthly average runoff; T2, annual average monthly runoff河流生境结构
River habitat structure河流连通性[26]
River connectivity (W)W = R/L R表示河流中的障碍物数量；L表示河段长度
R, number of obstacles in the river; L, length of the reach河道弯曲系数[25]
Meander coefficient (K)K = L/l l为河段的直线长度
l, straight line length of the reach河岸植被覆盖度[25]
Riparian vegetation coverage (Fc)Fc = （NDVI − NDVISoil）/
（NDVIVeg − NDVISoil）NDVI为归一化差值植被指数；NDVIVeg为纯植被覆盖像元值；NDVISoil为纯裸土像元值
NDVI, normalized difference vegetation index; NDVIVeg, pixel value of fractional vegetation cover; NDVISoil, pixel value of bare soil
水体理化指标
Physical and chemical index of water水质综合污染指数[27]
Comprehensive water pollution index (I)I = 144∑a=1OaSa 选取指标为总磷、氨氮、高锰酸盐指数和溶解氧，Oa为某项指标a的实测值；Sa为某项指标a的评价标准（1）
Selected indexes are TP, NH3-N, PI, and DO, Oa, measured value of index a; Sa, evaluation standard of indicator a（1）沉积物营养物质生态风险指数[28]
Ecological risk index of sediment nutrient (PZ)PZ = (¯P)2+Pimax,
Pi = Ci/CsPi为单因子指数；Ci表示评价因子i的实测值；Cs为评价因子i的评价标准值。 \overline P 是采样点的单因子指数平均值；Pimax最大单项污染指数
Pi, single factor index; Ci, measured value of the factor i; Cs, evaluation standard value of the factor i. \overline P , average value of single factor index of sampling point; Pimax, the maximum single pollution index沉积物重金属潜在生态风险指数[29]
Potential ecological risk index of heavy metals in sediments (RI)RI = \displaystyle \sum\limits_{b = 1}^n {\left( {T_r^b \times \frac{{{f_b}}}{{f_n^b}}} \right)} Trb 为重金属b的毒性系数；fb是样品中重金属b的实际含量；fnb是重金属b的标准参考含量（2）
Trb, toxicity coefficient of heavy metal b; fb, actual content of heavy metal b in the sample; fnb, standard reference content of heavy metal b水生生物
Aquatic organism浮游植物[25]
Phytoplankton显微镜观察，数据框计数
Microscope observation,
data box count浮游动物[25]
Zooplankton大型底栖动物多样性指数[25]
Macrobenthos diversity index (H’)H’ = −\displaystyle \sum (U_e\ln U_e) Ue为第e种的个体数量占总个体数U的比例
Ue, proportion of individual number of species e to total individual number U社会服务功能
Social service function公众满意度
Public satisfaction (Q)Q = \dfrac{ { \displaystyle \sum\nolimits_{s = 1}^n ({q \cdot w_s}) } }{ {\displaystyle \sum\nolimits_{s = 1}^n {w_s} } } q为各类型人群的公众满意度赋分；ws为公众类型s权重。公园附近居民、北京市其他区县居民、外省居民的公众满意度权重之比为6∶4∶1
q, scores for the public satisfaction of people; Ws, public type s weight. The public satisfaction weight ratio of residents near the park, residents of Beijing other districts and counties and other provinces residents is 6∶4∶1防洪达标率[30]
Flood control compliance rate水文资料核实
Hydrological data verification水体整洁程度[31]
Water cleanliness现场采样观察
Sampling point observation注：（1）平原段以《地表水环境质量标准》[32]（GB3838—2002）Ⅲ类作为评价标准；其余河段属于永定河山峡段以Ⅱ类作为评价标准。（2）各指标参考的标准质量含量[33]分别为：Cr为29.8 mg/kg；Ni为26.8 mg/kg；Cu为18.7 mg/kg；Zn为57.5 mg/kg；As为7.09 mg/kg；Pb为25.6 mg/kg。Notes: (1) plain section takes the Environmental Quality Standards for Surface Water[32] (GB3838−2002)Ⅲ as the evaluation standard; the other sections belong to the gorge section, taking class Ⅱ as the evaluation standard. (2) The standard reference concentrations[33] are: Cr, 29.8 mg/kg; Ni, 26.8 mg/kg; Cu, 18.7 mg/kg; Zn, 57.5 mg/kg; As, 7.09 mg/kg; Pb, 25.6 mg/kg. 1.3.2 评价权重值
为消除主观评价和客观评价所带来的片面影响，在采用专家赋值1 ~ 9标度法的基础上，结合客观熵值法来确定指标权重，使赋值结果尽可能与实际结果接近[8]。
（1）1 ~ 9标度法
在1 ~ 9标度法的基础上，采用专家评分结果构建判断矩阵，然后计算各个判断矩阵的最大特征根λmax和其对应的归一化特征向量，按照一致性比率 < 0.1的标准对矩阵进行一致性检验。
一致性检验公式为：
{\rm{CI}}= \dfrac{{\lambda_{\max} - n}}{{n - 1}} {\rm{CR}}= \dfrac{{{\text{CI}}}}{{{\text{RI}}}} 式中：λmax为最大特征根；n为评价对象数量；CI为一致性指标；RI为随机一致性指标；CR为一致性比率。若CR ≤ 1，表示构造的判断矩阵具有满意的一致性，否则需要对判断矩阵的元素进行调整并重新进行一致性检验。
（2）熵值法
假设有 m个指标，n个评价对象，计算步骤为：
（1） 计算各指标实测数据的标准化值（cij）：
c_{ij} = \dfrac{{x_{ij} - X_{\min} }}{{X_{\max} - X_{\min} }} （2）对指标的熵值（Hi）进行确定：
b_{ij} = \dfrac{{c_{ij}}}{{\displaystyle \sum\nolimits_{j = 1}^n {c_{ij}} }} H_i = - k\displaystyle \sum\limits_{j = 1}^n ({b_{ij}\ln b_{ij}}) （3）计算该指标权重（wi）：
w_i = \dfrac{{1 - H_i}}{{\displaystyle \sum\nolimits_{i = 1}^m ({1 - H_i}) }} 式中：xij为某项指标的实测值，Xmax和Xmin分别表示该项指标实测值的最大值与最小值。k = 1/lnn，当bij = 0时，令bijlnbij = 0。
1.3.3 评价结果分级和评价标准
采用5分值5个级别的评价方法对河流各单项指标进行评价，参照国内外规范和相关文献确定各指标的定量分级标准。最终结果运用直接加权法进行计算，其计算公式如下：
E= \sum\nolimits_{i = 1}^n ({F_i \cdot } W_i) 式中：E为评价得分；Fi为第i项评价指标得分；Wi为第i 项评价指标权重；n为评价指标总数。将最终的评分数参照评价结果分级表进行水生态质量状况的确定。
2. 结果与分析
2.1 河流生态质量状况评价指标权重
运用Matlab和Excel分别对两种方法的权重值进行计算。由于不同河段间指标的重要程度存在差异[25]，因此针对山峡段和平原段的特点分别赋予两种指标权重。各河段按照所属类型不同，采用相对应的权重值来对河段进行评价，如表2所示。
表 2 河流水生态质量状况评价指标权重Table 2. Index weight of river water ecological quality assessment评价指标 Evaluation index 山峡段
Gorge section平原段
Plain section准则层 Criterion layer 山峡段
Gorge section平原段
Plain section流量过程持续时间
Flow process maintenance time0.10 0.11 水文水资源
Hydrology and water resource0.21 0.20 生态需水满足度
Ecological water demand satisfaction0.11 0.09 河流连通性
River connectivity0.06 0.05 河流生境结构
River habitat structure0.15 0.13 河道弯曲系数
Meander coefficient0.04 0.03 河岸植被覆盖度
Riparian vegetation coverage0.05 0.05 水质综合污染指数
Comprehensive water pollution index0.17 0.16 水体理化指标
Physical and chemical index of water0.32 0.27 沉积物营养物质生态风险评价
Ecological risk index of sediment nutrient0.08 0.06 沉积物重金属潜在生态风险指数
Potential ecological risk index of heavy metal
in sediment0.07 0.05 浮游植物
Phytoplankton0.05 0.06 水生物指标
Aquatic organism0.14 0.20 浮游动物
Zooplankton0.04 0.06 大型底栖动物多样性指数
Macrobenthos diversity index0.05 0.08 公众满意调查度
Public satisfaction0.09 0.10 社会服务功能
Social service function0.18 0.22 防洪达标率
Flood control compliance rate0.05 0.07 水体整洁程度
Water cleanliness0.04 0.05 2.2 评价标准
根据代表性、科学性和适用性等原则，借鉴国内外规范和研究文献的生态质量状况评价标准，最终得到的评分标准如表3。
表 3 评价指标评分标准Table 3. Scoring standard of evaluation index指标 Index 得分 Score 5 4 3 2 1 流量过程维持时间占比
Flow process maintenance time ratio/%≥ 74 [49,74） [33,49） [16,33） < 16 生态需水满足度
Ecological water demand satisfaction/%10月—次年5月
October−May in the following year≥ 40 [30,40） [20,30） [10,20） < 10 6月—9月
June−September≥ 60 [50,60） [40,50） [30,40） < 30 河流连通性
River connectivity0 （0,0.2] （0.2,0.4] （0.4,0.6] > 0.6 河道弯曲系数
Meander coefficien> 1.5 （1.4,1.5] （1.2,1.4] （1.1,1.2] ≤ 1.1 河岸带植被覆盖度
Riparian vegetation coverag/%≥ 80 [60,80） [40,60） [20,40） < 20 水质综合指数
Comprehensive water quality index< 0.4 [0.4,0.7） [0.7,1） [1,2） ≥ 2 沉积物营养物质生态风险指数
Ecological risk index of sediment nutrient≤ 0.7 （0.7,1] （1,2] （2,3] > 3 沉积物重金属潜在生态风险指数
Potential ecological risk index of heavy metal in sediment< 150 [150,300） [300,600） ≥ 600 < 600 浮游植物
Phytoplankton/（104 cells·L−1）≤ 1 000 （1 000, 2 000] （2 000, 4 000] （4 000, 6 000] > 6 000 浮游动物
Zooplankton/（ind.·L−1）≤ 2 000 （2 000, 3 000] （3 000, 4 000] （4 000, 5 000] > 5 000 大型底栖动物多样性指数
Macrobenthos diversity index≥ 4 [3,4） [2,3） [1,2） < 1 公众满意度
Public satisfaction/%≥ 90 [80,90） [60,80） [40,60） < 40 防洪达标率
Flood control compliance rate/%≥ 95 [90,95） [85,90） [70,85） < 70 水体整洁程度
Cleanliness of water清澈透明，无异味
Clear and transparent, no peculiar smell较清澈，无异味，河水静置有少量沉淀物
Relatively clear, no peculiar smell, there is small amount of sediment in water轻微浑浊，少量异味
Slightly cloudy, slight peculiar smell比较浑浊，较大异味
More cloudy, more peculiar smell很浑浊，恶臭味
Very muddy, foul smell结合指标权重和评分标准进行求和计算，最终得到永定河门头沟段水生态质量评分等级，见表4。
表 4 河流水生态质量评价结果分级Table 4. Grading of river water ecological quality assessment results评分值
Score value (E)E ≤ 1 1 < E ≤ 2 2 < E ≤ 3 3 < E ≤ 4 4 < E ≤ 5 质量现状
Quality status病态 Sick 不健康 Unhealthy 轻度受损 Mildly damaged 较健康 Healthier 健康 Healthy 2.3 水生态质量评价结果
根据构建的具有反映水生态本底现状的评价方法，对永定河门头沟段水生态质量评价结果如图2所示。
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图 2 永定河门头沟区段水生态质量评价Figure 2. Evaluation of water ecological quality in Mentougou section of Yongding River除上清水—斋堂段无水（1.84）外，山峡段整体各河段评分处于3.99 ~ 3.36之间，属于“较健康”状态。说明山峡段整体生态状况较好，基本满足生态涵养功能区的要求。从各河段评分值趋势来看，随着河流向下流动，各河段水生态质量的评分值在不断减少。各河段水文水资源层评分值差异较大，该层次评分范围为0.96 ~ 0.34，起始段最高为0.96，雁翅—三家店段最低为0.34。山峡段河流生境状况较好，植被覆盖度高，各河段评分值为0.70 ~ 0.59，未出现较大差异。这也与解莹等[21]的评价结果一致。各有水河段间在水体理化指标、水生物指标和社会服务功能3方面没有出现较大差异，评分范围分别为：1.19 ~ 1.11、0.56 ~ 0.46和0.73 ~ 0.68。
平原段作为地下水源补给区，河岸周围居住人口较多。在进行基本生态功能评价的同时，也考虑到了河流服务功能对沿岸居民的重要程度。该河段综合评分为3.26，说明平原段在保持其基本生态功能的基础上也发挥了一定的社会服务功能。该河段缺水断流时长较长，水文水资源层评分较低为0.35；河段周围建筑用地多、人类活动范围大等现状造成了该河段河道平直、植被覆盖度低，因此该河段的河流生境评分较低为0.46；水体理化指标和水生物指标均较高，分别为1.01和0.64；平原段河流对沿岸居民的服务功能方面得分较高为0.80。
从水源涵养的角度分析来看，河流目前主要问题为各河段的有水时长和水流量不能得到保证。各有水河段水环境质量整体较高，山峡段河流生境较好，这说明针对河流进行的相关修复措施取得了较显著的成效。但随着河流向下流动，河流生境状况在不断变化，具体表现为河岸植被覆盖度不断降低。在河流进入平原段后，河岸边的植被覆盖度最低为49.45%。采用反距离加权法（ inverse distance weighted，IDW）对各河段的水生态质量综合评分值进行了插值计算，得到了永定河水生态质量的区域分布情况如图3所示。从整个河流流域来看，河流的水生态质量状况具有明显的空间分布特征，河流上游生态质量最高，随着河流的向下流动，河流水生态质量也在逐渐降低。
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图 3 永定河门头沟段水生态质量评分插值图Figure 3. Interpolation diagram of water ecological quality score in Mentougou section of Yongding River3. 讨 论
3.1 水资源影响因素
根据水文水资源层的评分可知，河流存在的主要问题是缺水断流现象明显。起始段和珠窝—雁翅段在生态需水满足度方面逐月流量评分均值较高为4.20和3.66，其他河段分值较低（2.25 ~ 1.00），说明不同河段水流量间存在着较大差异。对全年流量维持时间来看，起始段和珠窝—雁翅段值分别为5和4，其余河段分值范围在1 ~ 2内。查阅河段水文站资料发现，各河段有水天数主要集中在4月、5月和10月。从全年来看，斋堂—青白口段、雁翅—三家店段和三家店—卢沟桥段断流时长分别为266、324和309 d，上清水—斋堂段处于全年无水干涸状态，这也反映出在河流的中下游河段存在着严重的水资源短缺问题。结合地区统计年鉴分析来看，农业灌溉、居民生活需水等社会经济耗水量较大是造成河流水资源短缺的重要原因。
由于河流水资源依赖于水库补水和地区降雨[34]，为探究永定河水资源的影响因素，对区域水文气候资料进行了分析。河流在2020年4月和10月进行了两次生态补水，使得在这期间内河流流量出现了大幅度上涨。在对区域多年平均降雨量和降雨分布分析的结果表明，门头沟区的降雨主要集中在7—8月且自东向西逐渐减少。在2020全年全区平均降雨量约为486 mm，小于多年平均降雨量529 mm，说明降雨对河道有水和水量上涨影响不大，这表明河流的水资源较大程度上依赖于不同河段内水库补水的影响[12]。河流各河段的大型水库，负责河流供水和沿岸居民需求，具有较大的生态服务价值[31]。现场调查发现，河流水库的门闸和拦水大坝等阻水建筑物均不存在过鱼设施，这阻断了上下游水体间的连通。从生态学角度讲这对水生物迁徙以及物质和能量的传递存在着较大影响[17, 30]。
3.2 水质、底泥和水生物时空分布变化
参照北京市水环境功能区划，山峡段属于集中式饮用水源一级保护区，水质分类为Ⅱ类；平原段为地下水源补给区，水质分类为Ⅲ类。各有水河段水质综合指数（0.69 ~ 0.58）整体偏低，说明河流水质整体能够满足功能区划对水质的要求，但个别指标在不同时间存在超标情况。对不同采样时间内14个采样点的水样检测分析发现，永定河门头沟段水质PI易超标。
在8月份水样分析中，起始段末端珍珠湖、雁翅—三家店段的落坡岭和龙泉镇、斋堂—青白口段斋堂水库附近取样点均出现PI超标情况；10月份的水样分析中，雁翅—三家店段的龙泉镇、斋堂−青白口段青白口村附近样点出现PI超标情况，范围在4.01 ~ 4.40 mg/L间波动。河流进入平原段之后，在下游莲石湖公园处，不同时段内存在着PI轻微超标的情况（6.11 ~ 6.23 mg/L），说明水质受到了一定的有机污染[22]。结合现场调查上述所提到的样点附近没有发现工业企业，说明面源污染是造成水质超标的原因。起始段居住人口少，沿岸农业用地多，而农业污染会对水质指标产生影响；雁翅—三家店段和青白口—斋堂段再到平原段沿岸居住人口数量增多，居民生活用水的排入、生活垃圾经雨水冲刷最终汇入河流对水环境产生污染[34-35]。
各河段采样点底泥营养物质含量变化没有呈现出一定的规律性[23]，底泥生态风险指数（1.70 ~ 3.02）整体偏高，原因在于OM和TN含量较高。参照胡敏杰等[28]研究来看，各河段TP含量（0.27 ~ 0.47 g/kg）处于健康水平，OM含量（20.83 ~ 97.12 g/kg）和TN含量（0.61 ~ 4.13 g/kg）均超出标准规定值，但最大值仍在规定的范围（ OM、TN 含量分别为 17.24 ~ 172.40 g/kg，0.55 ~ 4.80 g/kg）中且处于较低水平，说明河流底泥存在着营养元素的污染，但不会影响底栖动物的生存。经计算发现，各河段底泥营养物质生态风险指数均较高，其中起始段最低为1.72，珠窝—雁翅段最高为3.02。刘晶等[36]研究表明，当C/N > 10、N/P < 16时，底泥有机质和磷主要来自外源输入。河流C/N范围为12.20 ~ 48.46；N/P的范围为0.91 ~ 12.74，表明河流底泥营养元素主要来自外源输入，说明需要对沿岸居民活动、雨水径流等造成的氮源和碳源的输入进行控制，另外沿岸植被和水生植物的枯枝落叶在水底被分解也是造成底泥营养元素含量较高的原因。各河段底泥重金属生态风险指数范围为23.83 ~ 11.13，整体处于安全水平，不存在潜在的生态风险[37]。
通过对门头沟区永定河浮游植物进行调查，共检测出了7门59种。其中，蓝藻门9种，占藻类总种数的15.25%；硅藻门22种，占比37.29%；绿藻门17种，占比28.81%；裸藻门5种，占比8.47%；甲藻门3种，占比5.08%；隐藻门2种，占比3.39%；金藻门1种，占比1.69%。优势类群为绿藻、硅藻和蓝藻，同赵露等[38]和崔文彦等[39]结果一致。河流各河段浮游植物的丰富度范围为99 × 104 ~ 340 × 104 cells/L，均处于健康水平；优势藻类均为耐污种类，其中山峡段的藻类主要以绿藻门和蓝藻门为主，平原河段的藻类主要以隐藻门为主，说明门头沟永定河水质存在一定的污染，但结合水质分析来看污染程度较轻[22]。黎洁等[40]在2011年对整个永定河流域的浮游动物进行了调查，共检测出了58属76种。优势种依次为原生动物、轮虫、枝角类和桡足类。本文共检测到5属9种，山峡段水环境水质整体较好，浮游动物密度范围为599 ~ 997 ind./L处于健康状态。各河段浮游动物群落无明显差异，以原生动物密度最大，桡足类最少。平原段甲壳类和桡足类密度最大，轮虫类最少。共检测出18种大型底栖动物，其中昆虫纲10种，腹足纲7种，寡毛纲1种，并没有发现甲壳纲。各河段底栖动物的生物多样性指数范围为1.87 ~ 2.91，处于偏低状态。由于各河段均存在水泥河道，考虑到水泥河道无底泥沉积，就造成该河道大型底栖生物的数量较少。从整个河段来看，在不同采样断面上，存在底栖动物分布不均的现象[41-42]。
4. 结 论
（1）采用由“线”到“面”的评价方式对河流水生态质量状况进行评价，结果表明河流各有水河段均处于“较健康”状况，说明河流整体生态状况较好。山峡段基本满足生态涵养功能区的要求，平原段在维持其基本生态功能的基础上也具有一定的社会服务功能。从河流整体来看，其水生态质量具有明显的空间分布特征，由上至下逐渐变差。
（2）缺水断流现象是目前河流存在的主要问题。各河段除起始段和珠窝—雁翅段能够保持一定流量和有水时长外，其余河段均存在长时间的缺水断流现象。其中雁翅—三家店段、三家店—卢沟桥段在一年内断流时间较长，分别达到324和309 d；上清水桥—斋堂段处于长期无水的状态。反映出河流下游水资源短缺的现状，说明需要对河流下游进行生态补水和修复。
（3）各河段水质整体能够满足功能区划对水质的要求，但需要重点防止河流水质的有机污染问题。河流沉积物总氮和有机质含量较高导致各河段均存在一定程度的富营养化污染，应加强对河流氮源和碳源输入的控制和管理。
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表 1 样地基本情况
Table 1 Basic situation of the survey sample plots
植被类型
Vegetation type样地号
Sample plot No.群落优势种
Community dominant
species海拔
Altitude/m坡向
Slope aspect/(°)栽培位置
Cultivation location面积
Area郁闭度
Canopy density坐标
Coordinate水曲柳纯林
Pure forest of Fraxinus mandshurica1 水曲柳
Fraxinus mandshurica766 150 沟谷底部
Gully bottom20 m × 20 m 0.7 40°56′13″N，
116°31′08″E2 水曲柳
Fraxinus mandshurica792 157 沟谷底部
Gully bottom20 m × 20 m 0.9 40°56′13″N，
116°31′12″E3 水曲柳
Fraxinus mandshurica843 145 沟谷底部
Gully bottom20 m × 20 m 0.6 40°55′59″N，
116°31′01″E4 水曲柳
Fraxinus mandshurica892 154 沟谷底部
Gully bottom20 m × 20 m 0.7 40°55′44″N，
116°31′19″E水曲柳混交林
Mixed forest of
Fraxinus mandshurica5 水曲柳 + 核桃楸
Fraxinus mandshurica +
Juglans mandshurica780 334 沟谷底部
Gully bottom20 m × 20 m 0.8 40°56′13″N，
116°31′05″E6 水曲柳 + 北京杨 + 白桦
Fraxinus mandshurica + Populus beijingensis + Betula platyphylla844 178 沟谷底部
Gully bottom20 m × 20 m 0.5 40°55′59″N，
116°31′01″E7 水曲柳 + 核桃楸
Fraxinus mandshurica + Juglans mandshurica828 166 沟谷底部
Gully bottom20 m × 20 m 0.4 40°55′44″N，
116°31′19″E8 水曲柳 + 华北落叶松 + 红松
Fraxinus mandshurica + Larix pricipis-rupprechtii + Pinus koraiensis827 80 沟谷底部及坡路
Gully bottom and slope20 m × 20 m 0.5 40°55′44″N，
116°31′19″E其他阔叶林
Other broadleaved
forest9 北京杨 + 红松
Populus beijingensis +
Pinus koraiensis827 117 沟谷底部
Gully bottom20 m × 20 m 0.2 40°55′44″N，
116°31′19″E10 北京杨
Populus beijingensis792 343 沟谷底部
Gully bottom20 m × 20 m 0.5 40°56′17″N，
116°31′08″E11 春榆 + 核桃楸
Ulmus japonica +
Juglans mandshurica888 247 沟谷底部
Gully bottom20 m × 20 m 0.8 40°56′31″N，
116°30′18″E12 黑桦 + 山楂
Betula dahurica +
Crataegus pinnatifida900 35 沟谷底部
Gully bottom20 m × 20 m 0.6 40°54′50″N，
116°30′04″E沟谷草甸
Gully meadow13 野大豆 + 龙芽草
Glycine soja + Agrimonia pilosa794 西南
Southwest沟谷底部
Gully bottom15 m × 15 m 0.7 40°56′17″N，
116°31′08″E14 紫菀 + 龙芽草
Aster tataricus + Agrimonia pilosa827 197 沟谷底部
Gully bottom15 m × 15 m 0.9 40°55′44″N，
116°31′19″E15 阿尔泰狗娃花 + 委陵菜
Heteropappus altaicus +
Potentilla chinensis824 287 沟谷底部
Gully bottom15 m × 15 m 0.9 40°57′00″N，
116°32′28″E16 委陵菜 + 北京隐子草
Potentilla chinensis +
Cleistogenes hancei824 287 沟谷底部
Gully bottom15 m × 15 m 0.9 40°57′00″N，
116°32′28″E水曲柳散生个体
Scattered individuals of Fraxinus mandshurica17 水曲柳
Fraxinus mandshurica− − 林缘外侧或道路旁散生
Scattered along the outside of forest margins or roadsides− − − 
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表 2 树木活力度单项因子等级判定标准
Table 2 Judgment standard for single factor grade of tree vitality
生长因子
Growth factor等级评分 Grade rating Ⅰ(1.0) Ⅱ(0.7) Ⅲ(0.4) Ⅳ(0.1) Ⅴ(0.0) 树干通直度
Trunk straightness树干通直，树冠发达
Straight trunk,
well-developed crown树干稍弯曲，树冠较发达
Trunk slightly curved
and crown more developed树干弯曲或分叉，
树冠较窄小或偏冠
Bent or bifurcated trunk,
narrower or off-crowned crown树干弯曲严重，
树冠窄小或偏冠严重
Severe trunk bending,
narrow crown or severe
crown deviation冠幅
Crown width/m≥ 12 9 ~ 12 6 ~ 9 ≥3 ~ 6 0 ~ 3 胸径
DBH/cm≥ 20 15 ~ 20 10 ~ 15 5 ~ 10 0 ~ 5 树高
Tree height/m≥ 12 9 ~ 12 6 ~ 9 3 ~ 6 0 ~ 3 冠长率
Crown length rate/%≥ 65 50 ~ 65 40~ 50 < 40
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表 3 水曲柳活力度生长评价因子权重
Table 3 Weights of vigorous growth evaluation factor of Fraxinus mandshurica
生长因子
Growth factor树干通直度
Trunk straightness (C1)冠幅
Crown width (C2)胸径
DBH (C3)树高
Tree height (C4)冠长率
Crown length rate (C5)特征向量
Eigenvector权重值
WeightC1 1 1/5 1/9 1/7 1/3 0.171 0.034 C2 5 1 1/5 1/3 3 0.626 0.125 C3 9 5 1 3 7 2.442 0.488 C4 7 3 1/3 1 5 1.426 0.285 C5 3 1/3 1/7 1/5 1 0.334 0.067 λmax = 5.364，CI = 0.091，RI = 1.12，CR = 0.081 < 0.1，通过一致性检验 Passing the consistency test 注：λmax为判断矩阵最大特征根；CI为一致性指标；CR为一致性比例；RI为平均随机一致性指标。Notes: λmax is the maximum characteristic root of the judgment matrix; CI is the consistency index；CR is the consistency ratio；RI is the average random consistency index.
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表 4 水曲柳在不同生长环境中的生长表现
Table 4 Growth performance of Fraxinus mandshurica in different environments
生长环境
Growth environment主要树种
Major tree species成活保存率
Survival and preservation rate/%平均树高
Mean tree height/m平均胸径
Mean DBH/cm平均冠幅
Mean crown width/m干性
Dryness冠长率
Crown length rate树木活力度
Tree vigorous degree水曲柳纯林
Pure forest of Fraxinus mandshurica水曲柳
Fraxinus mandshurica91.53 8.17 ± 2.76b 7.86 ± 3.62b 3.18 ± 1.35b 1.98 ± 0.71a 0.60 ± 0.21b 0.27 水曲柳混交林
Mixed forest of Fraxinus mandshurica水曲柳
Fraxinus mandshurica100 8.76 ± 4.76b 9.26 ± 5.16b 2.70 ± 1.17b 2.00 ± 0.66a 0.69 ± 0.14a 0.32 水曲柳散生个体
Scattered individuals of Fraxinus mandshurica水曲柳
Fraxinus mandshurica100 10.79 ± 1.90a 15.21 ± 4.14a 4.71 ± 1.36a 1.83 ± 0.91a 0.68 ± 0.15a 0.59 注：同列不同字母表示水曲柳个体生长表现在不同生长环境中差异显著（P < 0.05）。Note: same column containing different letters indicate that the individual growth performance of Fraxinus mandshurica is significantly different between varied growth environments (P < 0.05).
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表 5 不同群落物种多样性指数
Table 5 Species diversity indices of different communities
物种多样性指数
Species diversity index层次
Layer水曲柳纯林
Pure forest of Fraxinus mandshurica水曲柳混交林
Mixed forest of Fraxinus mandshurica其他阔叶林
Other broadleaved forest沟谷草甸
Gully meadow物种丰富度指数
Species richness index (S)乔木层
Tree layer1.000 ± 0.000b 4.750 ± 2.500a 4.500 ± 2.517a 灌木层
Shrub layer7.000 ± 5.354a 6.500 ± 3.416a 11.000 ± 4.082a 草本层
Herb layer15.750 ± 5.560a 14.500 ± 3.416a 16.250 ± 5.189a 13.500 ± 5.568a 整体
Whole8.750 ± 8.487a 8.583 ± 5.265a 10.583 ± 6.230a 13.500 ± 5.568a Simpson指数
Simpson dominance index (D)乔木层
Tree layer0.000 ± 0.000b 0.631 ± 0.200a 0.527 ± 0.360a 灌木层
Shrub layer0.557 ± 0.340a 0.717 ± 0.097a 0.843 ± 0.057a 草本层
Herb layer0.901 ± 0.031a 0.900 ± 0.021a 0.913 ± 0.024a 0.867 ± 0.053a 整体
Whole0.490 ± 0.445b 0.750 ± 0.165ab 0.761 ± 0.260ab 0.867 ± 0.053a Shannon-Wiener指数Shannon-Wiener index (Hsw) 乔木层
Tree layer0.000 ± 0.000b 1.244 ± 0.544a 1.096 ± 0.769a 灌木层
Shrub layer1.314 ± 1.043a 1.507 ± 0.422a 2.206 ± 0.546a 草本层
Herb layer2.541 ± 0.343a 2.486 ± 0.225a 2.605 ± 0.310a 2.261 ± 0.388a 整体
Whole1.318 ± 1.261a 1.745 ± 0.674a 1.931 ± 0.809a 2.261 ± 0.388a Pielou指数
Pielou eveness index (Jsw)乔木层
Tree layer0.000 ± 0.000b 0.847 ± 0.058a 0.633 ± 0.427a 灌木层
Shrub layer0.614 ± 0.420a 0.865 ± 0.082a 0.934 ± 0.108a 草本层
Herb layer0.934 ± 0.025a 0.938 ± 0.023a 0.937 ± 0.032a 0.903 ± 0.044a 整体
Whole0.511 ± 0.456b 0.884 ± 0.068a 0.820 ± 0.264a 0.903 ± 0.044a 注：沟谷草甸这一群落类型只有草本层，仅对其和其他群落类型的草本层和整体之间的物种多样性指数进行比较。不同小写字母表示在相同层次中不同群落类型的物种多样性指数差异显著（P < 0.05）。Notes: there is only the herb layer in the community type of valley meadow, so only the species diversity index between it and the herb layer and the whole of other community types are compared. Different lowercase letters indicate that the species diversity index of different community types at the same level is significantly different (P < 0.05).
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1. 张文慧，廖涛，方国华，黄显峰. 农村河流健康状况评价指标体系构建及应用. 水利水电技术(中英文). 2023(02): 151-160 . 
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