星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)

吳岳玲，郭 琦，邱小琮，雷興碧，李世龍

(1.寧夏大學(xué)土木與水利16:16 2020/8/11工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

0 引 言

生態(tài)系統(tǒng)功能的正常運(yùn)行是保障生態(tài)系統(tǒng)健康的前提。健康的水生生態(tài)系統(tǒng)為人類提供了合乎自然和滿足其需求的生態(tài)服務(wù)，對(duì)保護(hù)和維持水環(huán)境的各項(xiàng)正常功能起著舉足輕重的作用[1-2]。對(duì)湖泊進(jìn)行水生生態(tài)健康研究及評(píng)價(jià)，能夠準(zhǔn)確反映出水體的受污染程度以及湖泊水生生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的變化趨勢；進(jìn)而分析得出水體污染的主要因子及其主要因子的變化趨勢和影響湖泊水生生態(tài)系統(tǒng)的不利因素，從而改正和調(diào)整威脅到湖泊水生生態(tài)系統(tǒng)健康的人類活動(dòng)。目前，水生生態(tài)健康評(píng)價(jià)的方法主要有模糊綜合評(píng)價(jià)法[3]、灰色關(guān)聯(lián)法[4]、指數(shù)評(píng)價(jià)法[5]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[6]、主成分法[7-9]等。許多中國學(xué)者已將這些方法應(yīng)用到了實(shí)踐中[10-12]。水生生態(tài)系統(tǒng)的健康評(píng)價(jià)已經(jīng)引起越來越多國內(nèi)外學(xué)者的重視。星海湖位于寧夏回族自治區(qū)石嘴山市大武口區(qū)城區(qū)東部，區(qū)域總面積48.08 km2，湖水面積24 km2，平均水深1.8 m，是國家級(jí)的濕地公園，在調(diào)節(jié)氣候和改善生態(tài)環(huán)境等方面起著重要的作用。隨著星海湖旅游業(yè)的發(fā)展和過度不合理的開發(fā)利用水資源，使得星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重破壞。

本文對(duì)星海湖2015年～2017年的水環(huán)境因子進(jìn)行采樣測定，采用主成分分析法對(duì)星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)候選指標(biāo)進(jìn)行篩選，運(yùn)用灰關(guān)聯(lián)法對(duì)星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，為星海湖水生生態(tài)健康評(píng)價(jià)確定更為客觀可靠的方法。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 樣點(diǎn)布設(shè)與采樣時(shí)間

根據(jù)星海湖的形狀共設(shè)置了4個(gè)采樣點(diǎn)，具體如圖1所示。采樣時(shí)間為：2015年～2017年的1月(冬)、4月(春)、7月(夏)、10月(秋)。

圖1 星海湖采樣點(diǎn)設(shè)置

1.2 水樣的采集與測定

水樣采集按照HJ495—2009《水質(zhì)采樣方案設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》、HJ494—2009《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)》、HJ493—2009《水質(zhì)樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定》中的要求進(jìn)行，水樣的測定方法見表1。

表1 水環(huán)境因子測定方法

1.3 研究方法

1.3.1星海湖候選指標(biāo)體系構(gòu)成

星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的候選指標(biāo)包括高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、葉綠素a(Ch1.a)、浮游植物生物量(D)、底棲動(dòng)物H、水生植物H等理化指標(biāo)。浮游植物生物量、浮游植物Shannon-Wiener指數(shù)(H′)、浮游動(dòng)物Shannon-Wiener指數(shù)(H′)、底棲動(dòng)物Shannon-Wiener指數(shù)(H′)、水生植物Shannon-Wiener指數(shù)(H′)[14-15]等生物學(xué)指標(biāo)能夠反映水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和生物多樣性特征。同時(shí)選取能夠反應(yīng)水體富營養(yǎng)化特征的指標(biāo)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)[16-18]，共同構(gòu)成星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的候選指標(biāo)。

Shannon-Wiener物種多樣性指數(shù)

H′=-∑(ni/N)log(ni/N)

(1)

式中，ni為第i種生物的個(gè)體數(shù)；N為生物總個(gè)數(shù)。

綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

TLI(Σ)=∑Wj·TLI(J)

(2)

式中，Wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重；TLI(j)為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

1.3.2指標(biāo)篩選方法

主成分分析[9]是在數(shù)據(jù)信息損失保持最小的前提下，又能使得問題變得簡單、直觀的目的之下，將高維復(fù)雜的問題降到低維度去分析，以少數(shù)的綜合變量取代原始采用的多維變量。

將星海湖2015年至2017年1月(冬)、4月(春)、7月(夏)、10月(秋)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，對(duì)因子載荷矩陣采用方差最大正交旋轉(zhuǎn)法進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，按照累積方差貢獻(xiàn)率為85%提取出主成分，然后選擇旋轉(zhuǎn)后載荷值大于0.6的指標(biāo)作為評(píng)判星海湖健康屬性的指標(biāo)[19-20]。

1.3.3評(píng)價(jià)指標(biāo)體系權(quán)重的確定

將上述選定的指標(biāo)體系對(duì)其進(jìn)行主成分分析，按照85%的累積方差貢獻(xiàn)率提取出2個(gè)主成分，得到主成分的特征值、方差貢獻(xiàn)率和旋轉(zhuǎn)后因子載荷值，并根據(jù)主成分相應(yīng)的特征值、方差貢獻(xiàn)率計(jì)算出各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值[21-22]。即

(3)

式中，aij為因子i在第j個(gè)主成分中的因子得分系數(shù)(特征值)，即第i個(gè)因子對(duì)第j個(gè)主成分的貢獻(xiàn)；Ej為該主成分對(duì)應(yīng)方差的貢獻(xiàn)率；Wi為第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重值。然后，對(duì)Wi進(jìn)行歸一化處理，可得各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重。

2 結(jié)果與分析

2.1 星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)的選定

將星海湖的各水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，按照85%的累積方差貢獻(xiàn)率提取出2個(gè)主成分，按照因子荷載值大于0.6的原則，篩選出葉綠素a、浮游植物生物量、底棲動(dòng)物H、水生植物H等10個(gè)因子作為星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的指標(biāo)(見表2)。

表2 2015年～2017年旋轉(zhuǎn)后因子荷載值

表3 2015年～2017年評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重和歸一化權(quán)重

2.2 星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)成及權(quán)重

將篩選出的10個(gè)星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)因子根據(jù)分析結(jié)果計(jì)算出各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，對(duì)10項(xiàng)權(quán)重進(jìn)行求和，用單項(xiàng)指標(biāo)除以權(quán)重和即可得到各指標(biāo)歸一化權(quán)重(見表3)。

2.3 星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系

水體理化指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》為依據(jù)，分為很健康、健康、亞健康、不健康和病態(tài)5個(gè)等級(jí)，其分別對(duì)應(yīng)于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)。星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系見表4。

星海湖2015年～2017年各季節(jié)指標(biāo)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度見表5。

水生生態(tài)系統(tǒng)包含多個(gè)理化和生物因子，如何從這些眾多的因子中選取適當(dāng)?shù)囊蜃幼鳛樵u(píng)價(jià)水生生態(tài)系統(tǒng)健康的指標(biāo)，是水生生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。本文篩選出的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要由4部分構(gòu)成：第一部分包含的因子為浮游植物生物量、底棲動(dòng)物H′、水生植物H′，是水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多樣性和完整性的綜合反映，也是水生生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)中的重要組成部分。第二部分的因子為Chl.a、TLI(Σ)，主要描述水體懸浮物、溶解鹽類等的含量。第三部分包含的因子為TN、NH3-N、TP，主要描述水體氮、磷營養(yǎng)鹽的構(gòu)成和含量。第四部分包含的因子為CODMn、BOD5，主要描述水體有機(jī)物的含量。

從星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)葉綠素值的變化來看，2015年葉綠素值在秋季時(shí)達(dá)到最大，2016年～2017年其值在夏季時(shí)達(dá)到最大。葉綠素a是反映浮游藻類引起的水體污染指標(biāo)，2015年～2017年葉綠素a值不斷變大，說明2015年～2017年間星海湖水體污染程度不斷變大，尤其是2016年～2017的夏季，其原因是夏季河道補(bǔ)水量大，大量有機(jī)物和營養(yǎng)鹽進(jìn)入水體，藍(lán)藻大量繁殖，形成優(yōu)勢種，抑制了其他類浮游植物的生長，浮游植物多樣性下降，導(dǎo)致星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重影響。星海湖補(bǔ)水主要源于黃河灌渠生態(tài)補(bǔ)水和農(nóng)灌退水，補(bǔ)水季節(jié)主要是在春季、夏季和秋季，星海湖春、夏和秋季的CODMn、BOD5、NH3-N、TN、Chl.a均高于冬季，在夏季時(shí)指標(biāo)達(dá)到最大。冬季屬于枯水期，外源水幾乎不會(huì)補(bǔ)充到星海湖中，所以其指標(biāo)值達(dá)到最小。2015年星海湖表征水體的富營養(yǎng)化程度指標(biāo)TLI(Σ)在秋季達(dá)到最大值，2016年～2017年均在夏季達(dá)到最大值，且2016年～2017指標(biāo)在夏季的最大值高于2015年秋季，也說明星海湖夏季水體污染嚴(yán)重。星海湖水生植物群落結(jié)構(gòu)不均衡，多樣性較低，其自然演替速度不能適應(yīng)目前星海湖外源污染物的壓力脅迫，對(duì)氮營養(yǎng)鹽的降解能力不足，以及星海湖周圍人類生活污水(生活中使用的各種洗滌劑和污水、垃圾)直間排放到湖中，增大了湖水中NH3-N、TN、TP的含量，致使星海湖夏季水生生態(tài)系統(tǒng)逐漸遭到破壞，最終呈不健康狀態(tài)。

表4 星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系

表5 星海湖2015年～2017年各季節(jié)指標(biāo)與健康等級(jí)關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)通過主成分分析法對(duì)星海湖水環(huán)境的主要因子進(jìn)行排序，得出影響星海湖水生生態(tài)健康狀況的主要因子是NH3-N、CODMn和BOD5，運(yùn)用灰關(guān)聯(lián)法對(duì)星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果表明，2015年～2017年星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康狀況整體呈亞健康狀態(tài)。

(2)從季節(jié)變化看，2015年～2017年冬季星海湖水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況均呈健康狀態(tài)，2015年～2017年春季和秋季的水生態(tài)健康狀況呈亞健康狀態(tài)；2015年星海湖夏季水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況呈亞健康狀態(tài)；2016年～2017夏季水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況呈不健康狀態(tài)。

(3)星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不均衡，多樣性較低，對(duì)氮營養(yǎng)鹽的降解能力不足，以及城鎮(zhèn)生活污水的排放(生活中使用的各種洗滌劑和污水、垃圾)是導(dǎo)致星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)處于亞健康的主要原因，因此，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)星海湖的水質(zhì)監(jiān)測，降低星海湖外源性的氮磷營養(yǎng)鹽含量，將其控制在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，重建和恢復(fù)水生生態(tài)系統(tǒng)，保證其結(jié)構(gòu)的完整性和功能的穩(wěn)定性。