遼河保護(hù)區(qū)七星濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)

李蕊，段亮，王思宇，宋永會，劉瑞霞，郅二銓

中國環(huán)境科學(xué)研究院城市水環(huán)境科技創(chuàng)新基地，北京 100012

遼河保護(hù)區(qū)七星濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)

李蕊，段亮*，王思宇，宋永會，劉瑞霞，郅二銓

中國環(huán)境科學(xué)研究院城市水環(huán)境科技創(chuàng)新基地，北京 100012

以遼河保護(hù)區(qū)七星濕地為研究對象，采用主成分分析法與相關(guān)性分析法篩選濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建了由化學(xué)需氧量(CODMn)、總磷(TP)濃度、氨氮(NH3-N)濃度、葉綠素a(Chl-a)濃度、溶解氧(DO)濃度5個(gè)指標(biāo)構(gòu)成的濕地生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評價(jià)指標(biāo)體系，以表征濕地生態(tài)系統(tǒng)的水環(huán)境質(zhì)量、水生生物和棲息地環(huán)境質(zhì)量特征；運(yùn)用綜合指數(shù)法對七星濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行評價(jià)。結(jié)果表明：七星濕地13個(gè)采樣點(diǎn)中，6個(gè)為亞健康等級，6個(gè)為一般病態(tài)等級，1個(gè)為疾病等級；七星濕地總體生態(tài)系統(tǒng)健康狀況為亞健康等級。

遼河保護(hù)區(qū)；七星濕地；生態(tài)系統(tǒng)健康；主成分分析；綜合指數(shù)

濕地是地球上水生與陸地生態(tài)系統(tǒng)的過渡區(qū)，具有物產(chǎn)豐富、水量平衡、滯納洪水、調(diào)節(jié)局地氣候、去除污染物、提供野生生物棲息地、休閑旅游和維護(hù)區(qū)域生態(tài)平衡等重要功能，與森林、海洋一起并稱為全球三大生態(tài)系統(tǒng)[1]。濕地是自然界富有生物多樣性和較高生產(chǎn)力的生態(tài)系統(tǒng)，具有巨大的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會效益。隨著濕地系統(tǒng)的急劇減少，引發(fā)了一系列生態(tài)環(huán)境問題。

國內(nèi)外學(xué)者從生態(tài)學(xué)、地貌學(xué)、地理學(xué)、水文學(xué)、環(huán)境學(xué)以及經(jīng)濟(jì)學(xué)等方面對濕地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了多方面的研究，濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)是其中的研究熱點(diǎn)之一。如Parker等[2]建立了考慮棲息地大小、植被覆蓋率、生境多樣性和植物組成的濕地快速健康評價(jià)指標(biāo)體系，對棲息地的狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)；Spencer等[3]建立了從濕地、土壤、邊緣植物(fringing vegetation)、水生植物和水質(zhì)4個(gè)方面的快速評價(jià)永久性漫灘濕地健康狀況的指標(biāo)體系，對澳大利亞東南部的Wrray-Darling盆地內(nèi)永久性漫灘濕地健康狀況進(jìn)行評價(jià)，并與長期實(shí)測值進(jìn)行對比；崔保山等[4-5]分別建立了濕地、湖泊生態(tài)系統(tǒng)建康評價(jià)指標(biāo)體系，對濕地、湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行評價(jià)；高陽等[6]建立了以自然狀態(tài)河段為本底，基于河道-濕地-緩沖帶復(fù)合指標(biāo)的京郊河溪近自然生態(tài)評價(jià)體系，對位于北京懷柔區(qū)二級水源保護(hù)區(qū)內(nèi)的懷九河進(jìn)行了分段近自然生態(tài)評價(jià)。

濕地是遼河保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中最重要的組成部分，發(fā)揮著遏制河道斷流和濕地萎縮、維持河流和濕地的正常生態(tài)功能、保護(hù)水環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)平衡、實(shí)現(xiàn)流域水資源和水環(huán)境的可持續(xù)利用等重要作用。通過科學(xué)地分析濕地的生態(tài)功能，對濕地生態(tài)現(xiàn)狀做出客觀正確的評價(jià)，以期為制訂合理的濕地保護(hù)對策提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域

1.1 研究區(qū)域概況

七星濕地[7]位于遼河保護(hù)區(qū)中部，是典型的支流河口濕地，用于阻控西小河、萬泉河、羊腸河及長河等4條支流中的污染物，凈化支流來水，減輕遼河干流污染負(fù)荷[8]，也是遼河保護(hù)區(qū)管理局重點(diǎn)建設(shè)的大型支流匯合口濕地，在遼河保護(hù)區(qū)內(nèi)具有典型性和示范作用[9]。

遼河保護(hù)區(qū)七星濕地建設(shè)工程位于遼寧省沈陽市沈北新區(qū)黃家街道北部，毗鄰遼河石佛寺水庫[10]。項(xiàng)目借助自然河道水系，在萬泉河、西小河、羊腸河及長河4條河流回流的下游修建2座鋼壩閘和1座溢流壩[11]，攔蓄河水。目前已形成濕地面積667 hm2，水深1.5 m，蓄水量1 000萬m3[12]。

1.2 樣品采集與分析

研究區(qū)域內(nèi)共布設(shè)13個(gè)采樣點(diǎn)(圖1)，于2012年8—10月開展七星濕地生態(tài)系統(tǒng)健康野外調(diào)查與監(jiān)測，每月監(jiān)測1次，對采集的樣品進(jìn)行水溫、pH、化學(xué)需氧量(CODMn)、氨氮(NH3-N)濃度、硝氮(NO3-N)濃度、亞硝氮(NO2-N)濃度、電導(dǎo)率(EC)、總磷(TP)濃度、葉綠素a(Chl-a)濃度、溶解氧(DO)濃度、氧化還原電位(ORP)等監(jiān)測，結(jié)果見表1?，F(xiàn)場采樣和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分析均參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[13]進(jìn)行。

采樣點(diǎn)：1#—西小河匯入口；2#—萬泉河匯入口；3#—西小河與萬泉河交匯處；4#—西小河、萬泉河、羊腸河交匯處；5#—羊腸河匯入口；6#—1號鋼板閘(前)；7#—長河匯入口；8#—1號與2號鋼板閘間；9#—2號鋼板閘(前)；10#—2號鋼板閘下游攔蓄工程；11#—潛壩；12#—七星濕地出水匯入遼河干流前；13#—七星濕地出水匯入遼河干流后。圖1 七星濕地采樣點(diǎn)分布Fig.1 The sampling sites distribution of Qixing wetland

表1 七星濕地野外調(diào)查與監(jiān)測數(shù)據(jù)

表1(續(xù))

注：編號1～13為8月1#～13#采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)；編號14～23為9月1#～10#采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)；編號25～31為10月1#～7#和9#采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)。9月11#～13#采樣點(diǎn)無數(shù)據(jù)；10月8#、10#～13#采樣點(diǎn)無數(shù)據(jù)。

2 濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)模型

2.1 候選指標(biāo)的篩選方法

利用主成分分析[14](principal component analysis，PCA)對候選評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行主成分提取。根據(jù)提取主成分個(gè)數(shù)累計(jì)方差>70%的原則[15]，按照最大方差旋轉(zhuǎn)法(varimax)，保留旋轉(zhuǎn)因子載荷值為0.4左右的指標(biāo)作為下一步待篩選指標(biāo)[16]；對余下的候選指標(biāo)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，符合正態(tài)分布的指標(biāo)采用Pearson相關(guān)分析，不符合正態(tài)分布的指標(biāo)采用Spearman秩相關(guān)分析[17]；最后根據(jù)顯著性水平確定指標(biāo)間的相關(guān)程度。結(jié)合指標(biāo)實(shí)際重要程度，選取其中相對獨(dú)立和重要的指標(biāo)作為評價(jià)指標(biāo)[18]，上述分析過程在SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件中完成。

2.2 綜合指數(shù)法

綜合指數(shù)法[19]是常見的多指標(biāo)綜合評價(jià)法，通過將調(diào)查分析得到的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值或參照值進(jìn)行比照，轉(zhuǎn)化成量化值，然后加權(quán)合成[20]，得到濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的綜合指數(shù)值。根據(jù)總指數(shù)的分級數(shù)值范圍，確定濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康等級[21]。綜合指數(shù)法計(jì)算公式[22]為：

式中：CI為健康綜合評價(jià)指數(shù)；n為系統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)數(shù)量，個(gè)；Ij為指標(biāo)量化值；bj為權(quán)重。

3 七星濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)

3.1 指標(biāo)體系的建立

3.1.1 候選指標(biāo)體系的組成

在遵循完整性、代表性、可操作性、可行性、定性和定量，并對人類干擾有明顯的響應(yīng)關(guān)系，且能夠全面反映七星濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的不同特征屬性的原則下，選取能夠反映水環(huán)境質(zhì)量、水生生物特征及棲息地環(huán)境質(zhì)量的11個(gè)特征指標(biāo)作為七星濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)的候選指標(biāo)。其中，反映水環(huán)境質(zhì)量狀況指標(biāo)8項(xiàng)，包括水溫、pH、化學(xué)需氧量CODMn、NH3-N濃度、NO3-N濃度、NO2-N濃度、EC、TP濃度；反映水生生物特征指標(biāo)1項(xiàng)，為Chl-a濃度；反映棲息地環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)2項(xiàng)，包括DO濃度、ORP。

3.1.2 指標(biāo)篩選

對11項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，按照積累方差貢獻(xiàn)率>70%的原則提取3個(gè)主成分(表2)。

表2 候選指標(biāo)主成分分析結(jié)果

第一主成分包括pH、ORP、DO濃度；第二主成分包括EC、NH3-N濃度、Chl-a濃度；第三主成分包括CODMn、TP濃度。由于pH在各采樣點(diǎn)波動較小，ORP與DO濃度顯著相關(guān)，EC與TP濃度顯著相關(guān)，根據(jù)實(shí)際情況，保留DO濃度、NH3-N濃度、Chl-a濃度、CODMn、TP濃度5項(xiàng)指標(biāo)為七星濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)的核心指標(biāo)。其中，水環(huán)境質(zhì)量由NH3-N濃度、CODMn、TP濃度構(gòu)成；水生生物特征由Chl-a濃度構(gòu)成；棲息地環(huán)境質(zhì)量由DO濃度構(gòu)成。

3.2 濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)

3.2.1 指標(biāo)權(quán)重的確定

通過每項(xiàng)指標(biāo)對應(yīng)的主成分的特征值、方差貢獻(xiàn)率、累計(jì)方差貢獻(xiàn)率以及初始載荷值，計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重[23]。權(quán)重的計(jì)算公式[24]為：

式中：bj為權(quán)重；fij為第i個(gè)指標(biāo)對應(yīng)于第j個(gè)主成分的初始載荷值；λj為第j個(gè)主成分對應(yīng)的特征值；θj為第j個(gè)主成分對應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率。

經(jīng)計(jì)算得到各指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重，見表3。

表3 各指標(biāo)權(quán)重

3.2.2 評價(jià)等級和標(biāo)準(zhǔn)的確定

依據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[25]構(gòu)建七星濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，見表4。七星濕地生態(tài)健康綜合評分等級，見表5。

表4 生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

Table 4 The standard of health evaluation mgL

表4 生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

分值水環(huán)境質(zhì)量狀況CODMnTP濃度Np-N濃度水生生物特征棲息地環(huán)境質(zhì)量Chl-a濃度DO濃度0>30>0.301.50～≤2.000.750～≤1.6252.0～<3.0120～≤300.20～≤0.301.00～≤1.500.250～≤0.7503.0～<5.0215～≤200.10～≤0.200.50～≤1.000.100～≤0.2505.0～<6.03≤150.02～≤0.100.15～≤0.500.025～≤0.1006.0～<7.54≤15≤0.02≤0.15≤0.025≥7.5

3.2.3 七星濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)

依據(jù)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)五分法[26]對各指標(biāo)進(jìn)行評分；通過加權(quán)平均法計(jì)算各指標(biāo)分值；為便于區(qū)分采樣點(diǎn)間得分的差異，將各指標(biāo)加權(quán)平均后的得分乘以20，使5項(xiàng)指標(biāo)的分值介于0～20，計(jì)算得到濕地生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評分，滿分為100分[27-30]。將分值劃分為0～20、>20～40、>40～60、>60～80和>80～100共5個(gè)等級，分別代表河流水生態(tài)系統(tǒng)的疾病、一般病態(tài)、亞健康、健康和很健康等級狀況(表5)[27]。七星濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)結(jié)果見表6。

表5 生態(tài)健康綜合評分等級[27]

表6 七星濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)結(jié)果

目前，七星濕地生態(tài)系統(tǒng)健康總體處于亞健康狀態(tài)。其中，1#、4#、5#、6#、12#和13#采樣點(diǎn)處于亞健康狀態(tài)；2#、3#、8#、9#、10#、11#采樣點(diǎn)處于一般病態(tài)狀態(tài)；7#采樣點(diǎn)處于疾病狀態(tài)。

2#與7#采樣點(diǎn)的濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)不佳的原因在于分別受萬泉河與長河水質(zhì)的影響，萬泉河與長河的匯入，給濕地帶來了大量的工業(yè)廢水和生活污水，其水中CODMn、NH3-N和TP的濃度遠(yuǎn)超出地表水Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)，使得濕地水環(huán)境質(zhì)量處于不健康水平，從而導(dǎo)致健康水平的下降。

9#采樣點(diǎn)濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)不佳主要是受長河水質(zhì)的影響，水中TP和Chl-a濃度較高，會在一定程度上促使水體中藻類生長相對旺盛，使水體呈富營養(yǎng)化趨勢，造成了生物多樣性在一定程度上的減少和水環(huán)境質(zhì)量的下降，從而導(dǎo)致健康水平的下降。

相反，污染物經(jīng)過濕地內(nèi)部的凈化作用，在濕地出口處濃度明顯降低，12#與13#采樣點(diǎn)的濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)較好。

通過遼河保護(hù)區(qū)濕地恢復(fù)與建設(shè)工程的不斷深入，七星濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況將會不斷改善。

4 結(jié)論

(1)通過主成分分析與相關(guān)性分析，從11個(gè)候選指標(biāo)中篩選出5個(gè)指標(biāo)，所建立的綜合指標(biāo)體系能夠從水環(huán)境質(zhì)量、水生生物特征、棲息地環(huán)境質(zhì)量方面反映遼河保護(hù)區(qū)支流匯入口人工濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。因此，根據(jù)人工濕地的不同類型，可選取化學(xué)需氧量(CODMn)、總磷(TP)濃度、氨氮(NH3-N)濃度、葉綠素a(Chl-a)濃度、溶解氧(DO)濃度作為遼河保護(hù)區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)管理策略優(yōu)選模型。

(2)采用綜合指數(shù)法對七星濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行評價(jià)，13個(gè)采樣點(diǎn)中，6個(gè)為亞健康等級，6個(gè)為一般病態(tài)等級，1個(gè)為疾病等級。七星濕地總體生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)為亞健康等級。

(3)七星濕地重要支流河的匯入，為濕地帶來大量的工業(yè)廢水和生活污水，水體中營養(yǎng)物濃度較高，CODMn、NH3-N和TP濃度超出地表水Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)，河流水環(huán)境質(zhì)量和生境受到較為強(qiáng)烈的干擾，應(yīng)在河流兩岸加強(qiáng)植被緩沖帶建設(shè)。

5 展望

(1)七星濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)僅根據(jù)2012年豐水期的調(diào)查和監(jiān)測數(shù)據(jù)完成的，還應(yīng)對不同水期進(jìn)行長時(shí)間定點(diǎn)調(diào)查與監(jiān)測，進(jìn)而對七星濕地生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行分期與分類評價(jià)，以確定遼河保護(hù)區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)管理目標(biāo)，為遼河保護(hù)區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)管理提供技術(shù)保障。

(2)濕地毗鄰河流，水體污染等水環(huán)境效應(yīng)對濕地功能、結(jié)構(gòu)等影響顯著。反過來，濕地系統(tǒng)能夠去除河流中污染物等功能對河流系統(tǒng)也有顯著作用。因此，在科學(xué)評估濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的前提下，采用最節(jié)能環(huán)保的方式，最大限度地減少對濕地的干擾性、破壞性行為，適度有序地發(fā)揮濕地的多種功能。

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Ecosystem Health Assessment of Qixing Wetland in Liaohe River Conservation Area

LI Rui, DUAN Liang, WANG Siyu, SONG Yonghui, LIU Ruixia, ZHI Erquan

Department of Urban Water Environmental Research, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

With Qixing wetland of Liaohe River Conservation Area as the selected cases，the principal component analysis (PCA) and the correlation analysis were adopted to screen the wetland ecosystem health assessment indicators, and the comprehensive assessment indicator groups consisting of five parameters, i.e. CODMn, TP, NH3-N, Chl-a, DO, were constructed which could reveal the characteristics of water environment quality, aquatic life and habitat environment quality of the wetland ecosystem. The comprehensive index method was used to evaluate the health status of Qixing wetland ecosystem, and it is shown that among the 13 sampling positions of Qixing wetland, six sampling positions are evaluated at the sub-healthy level, six sampling positions are at the generally morbid level and one sampling position is at the morbid level. The overall ecosystem health level of Qixing wetland is sub-healthy level.

Liaohe River Conservation Area; Qixing wetland; ecosystem health; principal component analysis; comprehensive index

李蕊，段亮，王思宇，等.遼河保護(hù)區(qū)七星濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià) [J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào),2016,6(1):43-48.

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2015-08-24

國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07202-004)

李蕊(1983—)，女，工程師，碩士，主要從事水污染治理技術(shù)研究，lirui.zz@163.com

段亮(1983—)，男，副研究員，博士，主要從事水環(huán)境修復(fù)研究，liangduan@gmail.com

X826

1674-991X(2016)01-0043-06

10.3969j.issn.1674-991X.2016.01.007