太湖流域生態(tài)功能綜合評價(jià)方法初探

胡開明，馮彬，巫丹，郁穎，婁明月

（1.江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院，江蘇 南京 210036；2.江蘇省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210036）

目前，國內(nèi)外有許多有關(guān)流域生態(tài)功能評價(jià)的研究，采用的評價(jià)指標(biāo)與方法也繁雜多樣。早期水體健康評價(jià)研究認(rèn)為，當(dāng)水體中化學(xué)物質(zhì)超過一定程度時(shí)，水體環(huán)境質(zhì)量和水的功能將會受到損害。因此，水質(zhì)狀況在一定程度上可以直接表征水生態(tài)系統(tǒng)健康，因而水質(zhì)指標(biāo)被廣泛應(yīng)用于早期的水體健康評價(jià)中[1,2]。后期研究顯示，完整的生態(tài)系統(tǒng)由生物群落和非生物的生境組成，要想確切的反映流域生態(tài)功能，需要綜合考量包括化學(xué)、生物與生境等因素的整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的狀況[3,4]。本研究在前人水體健康評價(jià)研究的基礎(chǔ)上，以生物多樣性維持功能、重要生境維持功能、水環(huán)境支持功能和重要物種保護(hù)功能4 類功能為目標(biāo)，構(gòu)建化學(xué)、生物與生境復(fù)合指標(biāo)體系，通過評價(jià)指標(biāo)的計(jì)算及賦值，嘗試建立科學(xué)可行的太湖流域（江蘇）生態(tài)功能綜合評價(jià)方法，為太湖流域生態(tài)管理策略制定提供技術(shù)支持。

1 綜合指標(biāo)體系的構(gòu)建

本研究選擇指標(biāo)體系評價(jià)法[5,6]進(jìn)行生態(tài)功能評價(jià)，提出了生態(tài)功能評價(jià)指標(biāo)體系，如表1 所示。根據(jù)流域生態(tài)系統(tǒng)功能的分類體系和評價(jià)原則，結(jié)合太湖流域（江蘇）49 個(gè)水生態(tài)環(huán)境功能分區(qū)[7]特點(diǎn)，建立流域生態(tài)系統(tǒng)功能評價(jià)指標(biāo)體系。將點(diǎn)位的指標(biāo)值空間化至河道、湖體內(nèi)，統(tǒng)計(jì)每個(gè)小流域單元的指標(biāo)值，形成小流域評價(jià)指標(biāo)庫。運(yùn)用多指標(biāo)評價(jià)和專家打分等方法，采用權(quán)重加和，對生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)功能進(jìn)行評價(jià)。根據(jù)多個(gè)單指標(biāo)分值，綜合計(jì)算出生態(tài)功能的綜合指數(shù)，進(jìn)行綜合評價(jià)[8]，其中物種重要性指標(biāo)不參與綜合指數(shù)計(jì)算。

表1 生態(tài)功能評價(jià)指標(biāo)體系

2 評價(jià)指標(biāo)的計(jì)算及其賦值

2.1 生物多樣性維持功能（fDIV）

水生生物包括魚類、無脊椎動(dòng)物、藻類及細(xì)菌等，它們可以直接反映出水體的營養(yǎng)和一些有毒物質(zhì)的狀況。在河段尺度下，水生物多樣性的維持功能狀況主要選取了底棲動(dòng)物的耐污性、浮游植物的耐污性和魚類的豐富性指標(biāo)。

2.1.1 底棲動(dòng)物耐污性（fBEN）

底棲動(dòng)物對水體環(huán)境壓力，如生境擾動(dòng)、水文變異、水質(zhì)污染有較敏感的反應(yīng)。本研究選取底棲動(dòng)物BPI 生物學(xué)污染指數(shù)（Biology Pollution Index）和香農(nóng)多樣性指數(shù)（Shannon Diversity Index）來反映這一指標(biāo)。

i）底棲動(dòng)物BPI生物學(xué)污染指數(shù)（BPI）

式中，N1 為寡毛類、蛭類和搖蚊幼蟲個(gè)體數(shù)；N2 為多毛類、甲殼類、除搖蚊幼蟲以外其他的水生昆蟲個(gè)體數(shù)；N3為軟體動(dòng)物個(gè)體數(shù)。

ii）底棲動(dòng)物香農(nóng)多樣性指數(shù)（Hb）

式中，S 為群落內(nèi)的物種數(shù)，ni為第i 種的個(gè)體數(shù)；N為群落中所有物種的個(gè)體總數(shù)。

2.1.2 浮游植物多樣性（fPHY）

浮游植物是水生生態(tài)系統(tǒng)生物資源的基礎(chǔ)，作為初級生產(chǎn)者，其種群變動(dòng)和群落結(jié)構(gòu)直接影響水生生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，浮游植物的時(shí)空變化特征與環(huán)境因子關(guān)系密切，生態(tài)系統(tǒng)中環(huán)境因子的改變直接作用于浮游植物群落結(jié)構(gòu)，因此，其群落結(jié)構(gòu)特征一定程度地反映了水體生態(tài)環(huán)境狀況。本研究選取浮游植物香農(nóng)多樣性指數(shù)（Shannon Diversity Index）和Margalef 豐富度指數(shù)（Species Richness Index）來反映這一指標(biāo)。

（1）浮游植物香農(nóng)多樣性指數(shù)（Hp）

式中，S 為群落內(nèi)的物種數(shù)，ni為第i 種的個(gè)體數(shù)；N為群落中所有物種的個(gè)體總數(shù)。

（2）浮游植物Margalef豐富度指數(shù)（Dp）

式中，S為群落中的總數(shù)目；N為觀察到的個(gè)體總數(shù)。

2.1.3 魚類豐富性（fFIS）

魚類作為水生（河流、湖泊）生態(tài)系統(tǒng)中主要組成部分，對水生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)和物質(zhì)循環(huán)、水體自凈能力，乃至對整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能起著重要的調(diào)節(jié)作用，而物理?xiàng)⒌貤l件差異、生境擾動(dòng)、水文變異、水質(zhì)污染等生態(tài)環(huán)境的變化對魚類多樣性及其群落結(jié)構(gòu)有極大的影響。本研究選取魚類Margalef 豐富度指數(shù)（Species Richness Index）來反映這一指標(biāo)。

魚類Margalef豐富度指數(shù)（Df）

式中，S為群落中的總數(shù)目；N為觀察到的個(gè)體總數(shù)。

根據(jù)表2 對三項(xiàng)指數(shù)賦值，并采用加權(quán)求和的方式計(jì)算生物多樣性維持功能綜合指數(shù)，計(jì)算公式為式6。

表2 生物多樣性維持功能單項(xiàng)指標(biāo)評分分級賦值表

式中，fDIV為生物多樣性維持功能評分；fBEN為底棲動(dòng)物耐污性評分；fPHY為浮游植物多樣性評分；fFIS為魚類豐富性評分；三者等權(quán)重；

底棲動(dòng)物耐污性指標(biāo)fBEN取底棲動(dòng)物BPI生物學(xué)污染指數(shù)BPI和底棲動(dòng)物香農(nóng)多樣性指數(shù)Hb評價(jià)結(jié)果的算術(shù)平均值作為其最終賦值；

浮游植物多樣性指標(biāo)fPHY取浮游植物香農(nóng)多樣性指數(shù)Hp和浮游植物Margalef 豐富度指數(shù)Dp評價(jià)結(jié)果的算術(shù)平均值作為其最終賦值；

魚類豐富性指標(biāo)fFIS直接取魚類Margalef豐富度指數(shù)Df評價(jià)結(jié)果作為其最終賦值。

根據(jù)式6 計(jì)算，fDIV將成為一個(gè)介于1～5 之間的值，其越大表明生物多樣性維持功能越好。

2.2 重要生境維持功能（fHAB）

重要生境維持功能狀況主要取決于其生境自然性、濱岸帶穩(wěn)定性、生境多樣性和生境重要性。

2.2.1 生境自然性（fNAT）

表示評價(jià)單元內(nèi)河道生境未受人類影響的程度，是生態(tài)系統(tǒng)功能評價(jià)優(yōu)先考慮的自然特征。自然性評價(jià)實(shí)質(zhì)就是評價(jià)人類對自然環(huán)境的侵?jǐn)_程度。顯然，自然性高的區(qū)域可提供最佳的本底值。一般可根據(jù)人為影響的多寡把自然性分成5種類型，完全自然型、輕度受擾自然型、中度干擾自然型、退化自然型和人工修復(fù)型。該指標(biāo)由河道濱岸形態(tài)與河道連通性組成，評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

生境自然性指標(biāo)fNAT是根據(jù)表3 中各項(xiàng)評價(jià)結(jié)果，取其算術(shù)平均值作為生境自然性指標(biāo)的最終賦值。

2.2.2 濱岸帶穩(wěn)定性（fSTA）

濱岸帶發(fā)揮著提供生境以及為水體提供緩沖區(qū)域的作用，從而減緩流域內(nèi)人類活動(dòng)對水體生態(tài)系統(tǒng)的直接干擾作用。其支持功能的發(fā)揮主要取決于濱岸帶植被覆蓋率以及河岸穩(wěn)定程度。濱岸帶穩(wěn)定性指標(biāo)fSTA是根據(jù)表3 中的各項(xiàng)評價(jià)結(jié)果，取其算術(shù)平均值作為濱岸帶穩(wěn)定性的最終賦值。

2.2.3 生境多樣性（fVAR）

生境多樣性是指河道形態(tài)具有一定復(fù)雜性和河岸帶景觀多樣性，這個(gè)指標(biāo)是生態(tài)系統(tǒng)多樣性的基礎(chǔ)。一般認(rèn)為生境多樣性越高，其生物多樣性越高，越有可能成為重要的水生生物棲息地場所。本研究選取河岸帶景觀多樣性來反映這一指標(biāo)。

河岸帶景觀多樣性（H’）

式中，m 為景觀類型的總數(shù)目；Pi為第i 類景觀類型所占的面積比例。

生境多樣性指標(biāo)fVAR根據(jù)表3 中河岸帶景觀多樣性指標(biāo)H’的評價(jià)結(jié)果賦值。

2.2.4 生境重要性（fIMP）

這是一個(gè)廣義概念，主要指該生境是否反映區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的重要特征，以及包括區(qū)域范圍內(nèi)的珍稀魚類、重要文化景觀的特征，也可兼顧生境典型性。對于野生生物的棲息地而言，可以根據(jù)分析單元中是否包含自然生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵物種和重點(diǎn)保護(hù)物種的關(guān)鍵性生境，以及對其依賴的程度如何，采用分級打分的方法評價(jià)。例如某些野生動(dòng)物的季節(jié)性棲息地，都應(yīng)賦予較高的重要性分值。生境重要性fIMP是根據(jù)表3中重要生境價(jià)值的評價(jià)結(jié)果作為其最終賦值。

表3 單項(xiàng)指標(biāo)評分分級賦值表

重要生境維持功能fHAB采用加權(quán)求和的方式計(jì)算，計(jì)算公式為式8。

式中，fHAB為重要生境維持功能評分；fNAT為生境自然性評分；fSTA為濱岸帶穩(wěn)定性評分；fVAR為生境多樣性評分；fIMP為生境重要性評分；0.2、0.15、0.15、0.5分別為四者的權(quán)重。

根據(jù)式8 計(jì)算，重要生境維持功能fHAB將成為一個(gè)介于1～5 之間的值，其值越大，表明生境功能越好。

2.3 水環(huán)境支持功能（fWAT）

水環(huán)境支持功能是水體為水生生物提供良好生境質(zhì)量的基本功能。其可以用單元的水質(zhì)總體狀況大小來進(jìn)行評估，水質(zhì)狀況越差，水環(huán)境支持功能越低。本研究選取常規(guī)水質(zhì)總體狀況（fQUA）來反映這一指標(biāo)。

根據(jù)分區(qū)中各斷面高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮（僅湖、庫考慮總氮指標(biāo)）等常規(guī)理化參數(shù)進(jìn)行水質(zhì)評價(jià)，其水質(zhì)參數(shù)分級賦值見表4。

表4 常規(guī)水質(zhì)總體狀況單項(xiàng)指標(biāo)評分分級賦值表

水環(huán)境支持功能指標(biāo)fWAT是根據(jù)表4 中常規(guī)水質(zhì)總體狀況指標(biāo)fQUA的各項(xiàng)評價(jià)結(jié)果，取算術(shù)平均值作為其最終賦值。

計(jì)算后，fWAT將成為一個(gè)介于1～5 之間的值，其值越大表明水環(huán)境支持功能越好。

3 生態(tài)功能綜合評價(jià)

在生物多樣性維持功能（fDIV）、重要生境維持功能（fHAB）、水環(huán)境支持功能（fWAT）指標(biāo)計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用求和的方法，計(jì)算生態(tài)功能綜合指數(shù)，根據(jù)分級標(biāo)準(zhǔn)，確定生態(tài)功能綜合等級。計(jì)算公式為式9。

式中，F(xiàn)綜合為生態(tài)功能綜合得分；fDIV、fHAB、fWAT分別為生物多樣性維持功能、重要生境維持功能、水環(huán)境支持功能單項(xiàng)功能指標(biāo)值。

生態(tài)功能綜合指數(shù)將為介于3～15 之間，其可以按照下列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行等級劃分（表5）。從高到低可分為4個(gè)等級：Ⅰ級分值13～15（不包括13），表示生態(tài)功能高；Ⅱ級分值10～13（不包括10），表示生態(tài)功能較高；Ⅲ級分值8～10（不包括8），表示生態(tài)功能一般；Ⅳ級分值≤8，表示生態(tài)功能低。

表5 生態(tài)功能綜合評價(jià)分級表

本研究評價(jià)指標(biāo)里的生物多樣性維持功能（fDIV）、重要生境維持功能（fHAB）、水環(huán)境支持功能（fWAT）這三個(gè)指標(biāo)里，單項(xiàng)指標(biāo)得分高的，則該單項(xiàng)指標(biāo)對應(yīng)的功能為該分區(qū)的生態(tài)主導(dǎo)功能。

在定義各分區(qū)的生態(tài)主導(dǎo)功能時(shí)，除了考慮上述評價(jià)指標(biāo)里的三項(xiàng)功能外，還提出了一個(gè)優(yōu)先指標(biāo)即為重要物種保護(hù)功能（fSPE），選擇物種重要性（fISP）來反映這一指標(biāo)。重要物種保護(hù)功能（fSPE）是根據(jù)各分區(qū)物種重要性（fISP）的評價(jià)結(jié)果來定，若該分區(qū)有國家重點(diǎn)保護(hù)物種、瀕危級保護(hù)物種、易危級保護(hù)物種中的任意一種或多種，則該分區(qū)的重要物種保護(hù)地位高，該分區(qū)的生態(tài)主導(dǎo)功能定為重要物種保護(hù)功能；反之，若該分區(qū)沒有國家重點(diǎn)保護(hù)物種、瀕危級保護(hù)物種、易危級保護(hù)物種，則該分區(qū)的重要物種保護(hù)功能低，該分區(qū)的生態(tài)主導(dǎo)功能依據(jù)評價(jià)指標(biāo)里三項(xiàng)功能的單項(xiàng)得分來定。

4 結(jié)語

流域生態(tài)功能評價(jià)工作，單獨(dú)采用水質(zhì)化學(xué)指標(biāo)對環(huán)境變化的響應(yīng)是片面的，而水生生物群落與所生存的整個(gè)水生態(tài)系統(tǒng)，隨時(shí)在進(jìn)行物質(zhì)和能量的交換，其群落結(jié)構(gòu)和特性對系統(tǒng)干擾具有高度敏感性，其變化幅度能迅速反映人類活動(dòng)對水生態(tài)系統(tǒng)的影響程度，生物多樣性可能是評價(jià)水生態(tài)系統(tǒng)健康的有效工具。而單獨(dú)以生物作為觀察對象的評價(jià)體系，只能單純的給出生態(tài)系統(tǒng)健康的狀態(tài)，不能很好的分析其影響因素，從而無法對不同健康狀態(tài)的水生態(tài)系統(tǒng)管理，給予切實(shí)可行的技術(shù)支持。因此，科學(xué)可行的流域生態(tài)功能評價(jià)方法需要構(gòu)建化學(xué)、生物與生境復(fù)合指標(biāo)體系，從而更加完善全面地進(jìn)行評價(jià)。