寧夏星海湖水生態(tài)承載力研究

歐陽虹 徐麗娟 趙增鋒 邱小琮 孫旭楊 王世強(qiáng) 楊子超

摘要 [目的]探明星海湖水生態(tài)承載力狀況及其變化趨勢。[方法]于2015—2017年冬季（1月）、春季（4月）、夏季（7月）、秋季（10月）對星海湖水環(huán)境因子、生物因子進(jìn)行采樣測定，構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系，采用層次分析法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，建立星海湖水生態(tài)承載力評價(jià)模型。[結(jié)果]BOD5對星海湖水生態(tài)承載力影響最大。壓力指數(shù)的季節(jié)性變化規(guī)律不顯著，呈中壓狀態(tài)，冬季至春季壓力指數(shù)在2015、2016年呈下降趨勢，在春季取得最小值，2017年呈上升趨勢，在春季取得最大值，屬于較高壓狀態(tài);夏季至秋季壓力指數(shù)在2015年呈上升趨勢，由中壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^高壓狀態(tài)，2016和2017年夏秋兩季均為中壓狀態(tài)。承載指數(shù)季節(jié)性變化規(guī)律顯著，在夏季取得最大值，冬季取得最小值，呈弱承載狀態(tài)。水生態(tài)承載指數(shù)季節(jié)性變化規(guī)律不顯著，呈弱可承載狀態(tài)，2015—2017年分別在秋季、夏季、夏季取得最大值，且2015年秋季水生態(tài)承載指數(shù)為3年數(shù)據(jù)的峰值，屬于基本可承載狀態(tài)。[結(jié)論]星海湖水生態(tài)承載力整體呈弱可承載狀態(tài)，BOD5是影響星海湖水生態(tài)承載力最重要的指標(biāo)，應(yīng)當(dāng)及時(shí)采取治理措施以提高其水生態(tài)承載能力。

關(guān)鍵詞 水生態(tài)承載力;水環(huán)境因子;生物因子;層次分析法;指標(biāo)體系;星海湖

中圖分類號 TV 213.4 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A ?文章編號 0517-6611（2021）15-0063-05

Abstract [Objective] To explore the water ecological carrying capacity of Xinghai Lake and its changing trend.[Method]In the winter （January）， spring （April）， summer （July）， and autumn （October） from 2015 to 2017， the water environmental factors and biological factors of Xinghai Lake were sampled and measured， and the evaluation index system was constructed，the evaluation index system was constructed， index weight was calculated by the method of analytic hierarchy process， and the evaluation model of water ecological carrying capacity was established.[Result] BOD5 had the greatest impact on the ecological carrying capacity of Xinghai Lake.The seasonal variation of pressure index was not significant， and it was in the state of medium pressure. From winter to spring， the pressure index showed a downward trend in 2015 and 2016， reached the minimum value in spring， rose in 2017， and reached the maximum value in spring， belonging to a relatively high pressure state. From summer to autumn， the pressure index showed an upward trend in 2015， changing from medium pressure to relatively high pressure. The summer and autumn of 2016 and 2017 were both in the medium pressure state.The seasonal variation of loadbearing index was significant， which reached the maximum value in summer and the minimum value in winter， showing a weak load bearing state.The seasonal variation law of water ecological carrying capacity index was not significant， showing a state of weak carrying capacity. From 2015 to 2017， the water ecological carrying capacity index reached its maximum value in autumn， summer and summer respectively， and the water ecological carrying capacity index in autumn of 2015 was the peak of three years data， which was a basically loadable state.[Conclusion]The ecological carrying capacity of Xinghai Lake is in the state of weak carrying capacity.BOD5 is the most important indicator affecting the aquatic carrying capacity of Xinghai Lake. Timely treatment measures should be taken to improve its water ecological carrying capacity.

Key words Water ecological carrying capacity;Water environmental factors;Biological factors;Analytic hierarchy process;Index system;Xinghai Lake

基金項(xiàng)目 寧夏高等學(xué)校一流學(xué)科建設(shè)（水利工程）資助項(xiàng)目（NXYLXK2017A03）。

作者簡介 歐陽虹（1996—），女，江西南昌人，碩士研究生，研究方向：水資源與水環(huán)境調(diào)控。

*通信作者，教授，博士，博士生導(dǎo)師，從事水域生態(tài)學(xué)及水環(huán)境調(diào)控方面的教學(xué)與研究工作。

收稿日期 2020-12-02;修回日期 2020-12-23

生態(tài)系統(tǒng)由于受人類高強(qiáng)度大規(guī)模活動的影響，造成水生態(tài)環(huán)境污染，水資源短缺，水生物物種和數(shù)量大幅度減少，嚴(yán)重威脅著人類社會的可持續(xù)發(fā)展[1]。為了使人們認(rèn)識到水生態(tài)系統(tǒng)對人類的承載能力，解決水資源與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展間的矛盾，提出了水生態(tài)承載力。20世紀(jì)20年代，國外學(xué)者Park等[2]從種群角度出發(fā)，首次提出了生態(tài)承載力的概念，指物種個體數(shù)量在一定條件下存在最高極限;Bailey[3]將承載力分為生態(tài)承載力和經(jīng)濟(jì)承載力。在生態(tài)承載力的不斷發(fā)展下，國內(nèi)也取得不少成果，李林子等[4]將水生態(tài)承載力定義為在一定發(fā)展階段和空間內(nèi)，在滿足水生態(tài)健康約束下，所能承載最大的人口和經(jīng)濟(jì)規(guī)模;李靖等[5]認(rèn)為水生態(tài)承載力是在一定條件下所能支撐人類社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模的閾值。開展水生態(tài)承載力的研究有利于人們對水生態(tài)問題的認(rèn)識，并且能夠?yàn)榻?jīng)濟(jì)社會與生態(tài)環(huán)境和諧發(fā)展提供依據(jù)。目前，水生態(tài)承載力研究方法尚未統(tǒng)一，國內(nèi)外常用的研究方法以層次分析法、主成分分析法、生態(tài)足跡法等為主。孫樹婷等[6]利用層次分析法對石漠化地區(qū)進(jìn)行水生態(tài)承載力估算，廖寧等[7]應(yīng)用主成分法判別西南山區(qū)典型河道型水庫營養(yǎng)狀態(tài)變化的主控因子并進(jìn)行富營養(yǎng)化評價(jià)，李丹等[8]基于改進(jìn)的生態(tài)足跡法對雅礱河源區(qū)2007—2014年的生態(tài)承載力現(xiàn)狀進(jìn)行分析。層次分析法能夠進(jìn)行多目標(biāo)、多準(zhǔn)則、多時(shí)期的系統(tǒng)評價(jià)但計(jì)算復(fù)雜，主成分分析法可極大避免主觀隨意性但目標(biāo)相對單一，生態(tài)足跡法操作簡單但難以對水環(huán)境、生物需求等方面進(jìn)行綜合評價(jià)，該研究經(jīng)過綜合考慮選用層次分析法。

星海湖位于寧夏石嘴山市大武口區(qū)城區(qū)東部，分為北域、中域、南域、東域和新域共5個區(qū)域。星海湖區(qū)域面積為43 km2、水域?yàn)?3 km2，已形成集防洪、蓄水、旅游、改善人居環(huán)境為一體的綜合性水域[9]。近年來，由于養(yǎng)殖業(yè)和旅游業(yè)的快速發(fā)展，大量污染物的排入，星海湖水環(huán)境遭到極大破壞[10]，水體呈中度富營養(yǎng)化狀態(tài)[11]。伍冠星等[12]對星海湖水質(zhì)和富營養(yǎng)化狀態(tài)進(jìn)行了研究，李陽[13]對星海湖天然補(bǔ)給水量及氟離子量進(jìn)行了研究，針對星海湖水生態(tài)承載力的研究還處于空白。該研究通過構(gòu)建星海湖水生態(tài)承載力指標(biāo)體系，利用層次分析法對指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，對星海湖水生態(tài)承載力進(jìn)行綜合評價(jià)并分析其變化趨勢和影響因素，旨在為星海湖水生態(tài)環(huán)境綜合治理和經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)采集及測定

根據(jù)星海湖地形及水文狀況等因素，共設(shè)置4個采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)布置如圖1所示。采樣時(shí)間為2015—2017年冬季（1月）、春季（4月）、夏季（7月）、秋季（10月）。

水樣采集及測定按照參考文獻(xiàn)[14-17]中的要求進(jìn)行。測定的水質(zhì)指標(biāo)：透明度（SD）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、化學(xué)需氧量（CODCr）、葉綠素a（Chl.a）、總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮（NH3-N）、五日生化需氧量（BOD5）、pH、溶解氧（DO）。測定的生物指標(biāo)：浮游植物密度、水生植物密度和多樣性指數(shù)、浮游動物密度、底棲動物密度和多樣性指數(shù)。

1.2 評價(jià)指標(biāo)選取

該試驗(yàn)所研究的星海湖以水質(zhì)指標(biāo)和水生物指標(biāo)構(gòu)建水生態(tài)承載力的候選指標(biāo)。采用楊謙等[18]使用的方法進(jìn)行指標(biāo)的無量綱標(biāo)準(zhǔn)化處理，并利用方差最大正交旋轉(zhuǎn)法篩選荷載值大于0.6的指標(biāo)作為水生態(tài)承載力的評價(jià)指標(biāo)[19]。2015、2016和2017年旋轉(zhuǎn)后荷載值小于06的指標(biāo)分別為pH、透明度和浮游植物多樣性指數(shù);pH、透明度和浮游動植物多樣性指數(shù);SD、DO、CODCr、Chl.a和浮游動植物多樣性指數(shù)。綜合考慮選取CODMn、NH3-N、TN、TP、BOD5、浮游植物密度、水生植物密度和多樣性指數(shù)、浮游動物密度、底棲動物密度和多樣性指數(shù)為評價(jià)指標(biāo)。

1.3 研究方法

在構(gòu)建指標(biāo)體系過程中，各個指標(biāo)的重要程度不同，因此該研究采取層次分析法進(jìn)行權(quán)重計(jì)算。

1.3.1 指標(biāo)體系的建立。

該研究遵循指標(biāo)體系的構(gòu)建原則[20]并結(jié)合因子分析所篩選出的評價(jià)指標(biāo)，將星海湖水生態(tài)評價(jià)體系分為目標(biāo)層（A）、準(zhǔn)則層（B）、領(lǐng)域?qū)樱–）、指標(biāo)層（D）4個層次，A、B、C、D各層要素如圖2所示。

1.3.2 指標(biāo)權(quán)重的確定。

權(quán)重的確定是多指標(biāo)綜合評價(jià)中的一個重要環(huán)節(jié)，指標(biāo)權(quán)重的科學(xué)合理性在很大程度上影響到綜合評價(jià)結(jié)果的正確性。該研究根據(jù)星海湖水生態(tài)承載力評價(jià)指標(biāo)體系，使用DPS軟件分別構(gòu)建A-Bi、B2-Ci、C1-Di、C2-Di、C3-Di的判斷矩陣，判斷矩陣設(shè)為 A=（aij）n×n，其中aij>0，且aji=1/aij（i，j=1，2，…，n），并求出判斷矩陣的最大特征值λ max與其對應(yīng)的特征向量 ω 。隨后，進(jìn)行層次單排序、層次總排序和一次性檢驗(yàn)[21]，若一次性檢驗(yàn)中CR<0.10則視為合格，歸一化特征向量 Wi 的各個分量值就是各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

1.3.3 評價(jià)模型的建立。

該研究采用指標(biāo)綜合評價(jià)法從水生態(tài)支持力和水環(huán)境壓力2個方面來綜合評價(jià)湖泊的水生態(tài)承載力[17]，計(jì)算承載力結(jié)果，參考楊子超[22]計(jì)算沙湖的分級標(biāo)準(zhǔn)，水生態(tài)承載力分級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 指標(biāo)權(quán)重的確定

使用DPS計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，計(jì)算結(jié)果見表2。在準(zhǔn)則層中，壓力系統(tǒng)、支持力系統(tǒng)權(quán)重分別為0.750、0.250，表明壓力系統(tǒng)對水生態(tài)承載力影響最大。在領(lǐng)域?qū)又?，針對水質(zhì)常規(guī)指標(biāo)的5個指標(biāo)中，D5（BOD5）對其起決定性影響，權(quán)重為0.321;針對植物多樣性承載力狀況的3個指標(biāo)中，D7（水生植物密度）對其起決定性影響，權(quán)重為0067;針對動物多樣性承載力狀況的3個指標(biāo)中，D10（底棲動物密度）對其起決定性影響，權(quán)重為0.036。綜上所述，BOD5對星海湖水生態(tài)承載力影響最大。BOD5主要反映水體中可以被生物利用的有機(jī)物污染程度，是水中有機(jī)化合物等需氧物質(zhì)含量的一個綜合指標(biāo)，其數(shù)值越高，表明水體污染越嚴(yán)重[23]。鄭燦等[15]在對星海湖浮游植物與水環(huán)境因子之間的相關(guān)性分析中，也得出BOD5對浮游植物生物量影響較大。

2.2 星海湖壓力系統(tǒng)評價(jià)

壓力系統(tǒng)的綜合評價(jià)用壓力指數(shù)來表示。從表3和圖3可以看出，2015—2017年星海湖壓力指數(shù)的季節(jié)性變化規(guī)律不顯著。2015和2016年由冬季到春季壓力指數(shù)呈下降趨勢，在春季取得最小;2017年星海湖壓力指數(shù)由冬季至春季呈上升趨勢，并在春季達(dá)到最大值（0.615），屬于較高壓區(qū)。2015年夏季至秋季壓力指數(shù)呈上升趨勢，由中壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^高壓狀態(tài);2016和2017年夏秋兩季均為中壓狀態(tài)，且壓力指數(shù)有減輕的趨勢。年度變化上看，2015—2017年壓力指數(shù)分別為0.48、0.42、0.46，整體呈中壓狀態(tài)，水環(huán)境所受壓力較大，與黃志國[9]對星海湖富營養(yǎng)狀態(tài)評價(jià)為輕度富營養(yǎng)化、生態(tài)系統(tǒng)處于不健康狀態(tài)的結(jié)果一致。造成星海湖水環(huán)境壓力指數(shù)較大的主要原因在其自然因素和人為因素兩方面。自然因素主要是指星海湖的主要補(bǔ)水源是黃河水，受蒸發(fā)量的影響，且缺乏對外擴(kuò)散的途徑，積累的污染物不斷濃縮;人為因素是指星海湖周邊水域的水產(chǎn)養(yǎng)殖投放飼料帶來的氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)過剩，加劇星海湖水體富營養(yǎng)化[24]。應(yīng)及時(shí)采取措施，應(yīng)用生態(tài)漁業(yè)的養(yǎng)殖方式，禁止外源營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入;針對黃河補(bǔ)水，建立嚴(yán)格的水源輸入機(jī)制，關(guān)注黃河補(bǔ)水帶入的污染物。

2.3 星海湖支持力系統(tǒng)評價(jià)

支持力系統(tǒng)的綜合評價(jià)用承載指數(shù)來表示。從表4和圖4可以看出，2015—2017年星海湖四季承載指數(shù)季節(jié)性變化規(guī)律顯著，星海湖承載指數(shù)大致呈倒“V”型，夏季之前承載指數(shù)呈上升趨勢，夏季之后開始下降，承載指數(shù)在夏季取得最大值，在冬季取得最小值。星海湖流域?qū)儆诘湫偷拇箨懶詺夂?，夏季陽光充足、植被生長情況良好，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定程度較高，夏季承載指數(shù)最大表明星海湖在夏季受到外界干擾時(shí)，生態(tài)系統(tǒng)抗干擾能力和自我恢復(fù)能力較強(qiáng)。夏春龍[25]分析水庫浮游植物群落結(jié)構(gòu)得出夏季浮游植物密度、豐富度較高;趙睿智等[26]分析星海湖水生生物群落結(jié)構(gòu)也得出浮游動植物夏季密度和生物量最高，冬季較低。從年度變化上看，2015—2017年星海湖承載指數(shù)分別為0.145、0.138、0.131，呈逐年下降趨勢，均屬于弱承載狀態(tài)。吳岳玲等[27]用灰關(guān)聯(lián)法對寧夏星海湖進(jìn)行生態(tài)健康狀況分析，表明星海湖處于亞健康狀態(tài)，兩者得出的結(jié)果具有一致性。推測由于星海湖流域旅游業(yè)快速發(fā)展，人類活動對生態(tài)環(huán)境自我修復(fù)產(chǎn)生擾動，如劃船、游艇等，加劇了人為因素對湖底的擾動，使得底泥中的氮磷分解釋放速率加快[28]。應(yīng)加強(qiáng)周邊旅游設(shè)施管理，確保無餐飲污水直排星海湖;合理增設(shè)公共衛(wèi)生設(shè)施;加強(qiáng)對生態(tài)保護(hù)宣傳，提高人們生態(tài)保護(hù)意識。

2.4 星海湖水生態(tài)承載力評價(jià)

水生態(tài)承載力指數(shù)是由壓力指數(shù)和承載力指數(shù)共同作用的結(jié)果。從表5和圖5可以看出，2015年星海湖水生態(tài)承載力在秋季達(dá)到最大值，2016和2017年星海湖水生態(tài)承載力在夏季達(dá)到最大值，且2015—2017年四季水生態(tài)承載力指數(shù)排序均存在差異。2015年星海湖水生態(tài)承載力指數(shù)由大到小依次為秋季、夏季、冬季、春季;2016年星海湖水生態(tài)承載力指數(shù)由大到小依次為夏季、秋季、冬季、春季;2017年星海湖水生態(tài)承載力指數(shù)由大到小依次為夏季、秋季、春季、冬季。2015年秋季星海湖水生態(tài)承載指數(shù)為3年數(shù)據(jù)的峰值，達(dá)到0.583，屬于基本可承載狀態(tài)。從年度變化上看，2015—2017年星海湖水生態(tài)承載力指數(shù)分別為0.39、0.35、0.38，介于0.21～0.40，處于弱可承載狀態(tài)，與楊海江等[28]分析星海湖水質(zhì)得出水質(zhì)級別達(dá)到Ⅴ類，水質(zhì)狀況污染嚴(yán)重，不采取行動將進(jìn)一步惡化的結(jié)論一致。星海湖污染源為漁業(yè)養(yǎng)殖、生活污水、黃河補(bǔ)水、山洪水、干濕沉降等[11]。針對星海湖水環(huán)境現(xiàn)狀，除有效控制排污外，及時(shí)有效地清淤可以控制內(nèi)源污染、增設(shè)星海湖緩沖帶、引進(jìn)適應(yīng)星海湖氣候和環(huán)境的植物群落可以凈化功能改善星海湖水質(zhì)，提高其承載指數(shù)進(jìn)而加強(qiáng)星海湖水生態(tài)承載力。

3 結(jié)論

（1）BOD5主要反映水體中可以被生物利用的有機(jī)物污染程度，是水中有機(jī)化合物等需氧物質(zhì)含量的一個綜合指標(biāo)。在星海湖水生態(tài)承載力權(quán)重分析中，BOD5對星海湖水生承載力影響最大。

（2）星海湖壓力指數(shù)的季節(jié)性變化規(guī)律不顯著，2015—2017年壓力指數(shù)分別為0.48、0.42、0.46，整體呈中壓狀態(tài)。2015和2016年壓力指數(shù)由冬季到春季呈下降趨勢且在春季取得最小，2017年呈上升趨勢，并在春季達(dá)到最大值。2015年夏季至秋季壓力指數(shù)呈上升趨勢，由中壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^高壓狀態(tài);2016和2017年夏秋兩季壓力指數(shù)呈減輕趨勢，均為中壓狀態(tài)。

（3）星海湖承載指數(shù)季節(jié)性變化規(guī)律顯著，2015—2017年星海湖承載指數(shù)分別為0.145、0.138、0.131，整體呈弱承載狀態(tài)。星海湖承載指數(shù)大致呈倒“V”型，夏季之前承載指數(shù)呈上升趨勢，夏季之后開始下降，承載指數(shù)在夏季取得最大值，在冬季取得最小值。

（4）星海湖水生態(tài)承載指數(shù)季節(jié)性變化規(guī)律不顯著，2015—2017年星海湖水生態(tài)承載力指數(shù)分別為0.39、0.35、0.38，處于弱可承載狀態(tài)。2015年星海湖水生態(tài)承載力指數(shù)由大到小依次為秋季、夏季、冬季、春季;2016年星海湖水生態(tài)承載力指數(shù)由大到小依次為夏季、秋季、冬季、春季;2017年星海湖水生態(tài)承載力指數(shù)由大到小依次為夏季、秋季、春季、冬季。

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