基于層次分析法的高原湖泊生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)—以沙湖為例

摘 要：基于國(guó)內(nèi)外湖泊生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系，提出了“3要素17指標(biāo)”作為沙湖生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，沙湖生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系中“整體功能”賦分較低，“社會(huì)影響”賦分較高，沙湖生態(tài)系統(tǒng)整體處于一般穩(wěn)定狀態(tài)。建議從控制黃河輸水量及水質(zhì)、降低工農(nóng)業(yè)污染、提高沙湖水質(zhì)等方面開展湖泊生態(tài)整治，以期為沙湖生態(tài)治理、保護(hù)和修復(fù)提供理論支持。

關(guān)鍵詞：層次分析法；生態(tài)系統(tǒng)；評(píng)價(jià)指標(biāo)；評(píng)價(jià)體系；沙湖

中圖分類號(hào)：X82 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-9655（2024）04-00-05

0 引言

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展以及過度砍伐，過度捕撈等人類活動(dòng)的干擾，造成湖泊生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重失穩(wěn)，因此湖泊生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)成為了生態(tài)學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[1-3]。20世紀(jì)90年代，J?rgensen提出了一套有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)的初步評(píng)價(jià)程序[4]。

2004年劉永等[5]建立了包含外部指標(biāo)、環(huán)境要素狀態(tài)指標(biāo)和生態(tài)指標(biāo)的河流健康評(píng)價(jià)體系綜合評(píng)價(jià)了滇池的生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)。2014年李冰等[6]在常用的湖泊生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上，借鑒環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)、可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)等領(lǐng)域的評(píng)價(jià)方法，探討不同時(shí)空尺度更為完善的湖泊生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法。趙建鵬等[7]基于驅(qū)動(dòng)力-壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型和熵權(quán)-變異系數(shù)綜合賦權(quán)法對(duì)2010—2020年間黃河流域甘肅段57個(gè)區(qū)縣進(jìn)行了生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)2016年是黃河流域甘肅段水質(zhì)改善的轉(zhuǎn)折年。高麗萍[8]等以“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”（PSR）概念模型為基礎(chǔ)，確定2010—2017年滇池流域生態(tài)系統(tǒng)健康等級(jí)，結(jié)果表明：2010—2017年流域發(fā)生了亞健康狀態(tài)向健康狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。

沙湖地處西北半干旱地區(qū)且海拔高達(dá)1100 m，環(huán)境惡劣，因此沙湖生態(tài)極為脆弱，同時(shí)沙湖作為寧夏地區(qū)最大的天然微咸湖泊，在調(diào)節(jié)氣候、維持生態(tài)穩(wěn)定、降解污染物質(zhì)、保護(hù)生物多樣性、發(fā)揮人文多樣性等方面發(fā)揮重要作用[9]。隨著當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)快速發(fā)展，沙湖水質(zhì)急劇惡化，盡管當(dāng)?shù)卣扇《喾N措施降低沙湖水體中污染物濃度，但其生態(tài)系統(tǒng)仍有退化趨勢(shì)。因此本文基于沙湖水體狀況，提出了“3要素17指標(biāo)”作為沙湖生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，采用層次分析法綜合評(píng)價(jià)沙湖生態(tài)系統(tǒng)，以期為沙湖生態(tài)治理、保護(hù)和修復(fù)提供支撐和參考。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

沙湖坐落于中國(guó)西北部寧夏回族自治區(qū)平羅縣境內(nèi)，為蝶形淺水湖泊，主要湖區(qū)面積8.2 km2，海拔在1098～1099 m。沙湖平均水深2.2 m，最大水深4～6 m，含鹽量約為1.1 g/L。沙湖多受西北干冷大陸性氣團(tuán)控制，屬于典型的大陸型氣候，日照充足、干旱少雨且降水集中、晝夜溫差大、蒸發(fā)量大；年平均氣溫9.5℃；年均降水量141.1 mm；年均蒸發(fā)量是年均降水量的15倍，約2194.3 mm。

1.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)及采集方法

根據(jù)沙湖地勢(shì)地貌、人類活動(dòng)以及水文等特征，同時(shí)考慮調(diào)水入口、國(guó)控點(diǎn)等重要節(jié)點(diǎn)位置，在沙湖共布設(shè)9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，具體位置見圖1。

采樣時(shí)間選擇水面平靜時(shí)進(jìn)行，采樣前先將采樣瓶用待測(cè)水樣潤(rùn)洗2～3次，然后將采樣瓶深入湖面25 cm深的位置采樣。采樣結(jié)束后，水樣送往監(jiān)測(cè)站檢測(cè)水質(zhì)指標(biāo)。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇

本文采用層次分析法[10]構(gòu)建沙湖生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)模型。結(jié)合沙湖自身生態(tài)系統(tǒng)特征，從沙湖生態(tài)系統(tǒng)的整體出發(fā)，將生態(tài)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等因素綜合起來，參考國(guó)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)選取的原則，提出了“3要素17指標(biāo)”作為沙湖生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，從而完整反映沙湖生態(tài)系統(tǒng)狀況。評(píng)價(jià)體系具體見圖2。

1.4 構(gòu)造比較判斷矩陣

比較判斷矩陣A：假設(shè)環(huán)境系統(tǒng)中有n個(gè)環(huán)境因子，每?jī)蓚€(gè)因子之間需要比較相對(duì)重要性，由此可得到一個(gè)n×n的判斷矩陣A：

式中：aij—因子i相對(duì)因子j的重要性，顯然：aii=1，aij=1/aji。本文采用1-9及其倒數(shù)的標(biāo)度方法，標(biāo)度詳見表1。

1.5 一致性判斷

由于本文選用指標(biāo)過多且對(duì)相同的事物認(rèn)識(shí)都有一定的客觀性和模糊性，因此需要計(jì)算矩陣的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)判斷。評(píng)價(jià)判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)公式如下：

CI的計(jì)算值大小反映了矩陣的一致性，通常認(rèn)為如果CI越大則表示矩陣的一致性越差，而如果所得的λmax=n則表示該矩陣具有完全一致性。具體在分析時(shí)可通過比較RI值與CI值的關(guān)系來檢驗(yàn)一致性：

若CR＜0.1則證明矩陣一致性通過檢驗(yàn)，如果不能滿足此條件，則必須重新對(duì)判斷矩陣進(jìn)行調(diào)整。1～10階矩陣的RI值如表2所示。

1.6 評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合評(píng)分與評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

按照目標(biāo)層、準(zhǔn)則層及指標(biāo)層逐層加權(quán)的方法，計(jì)算沙湖生態(tài)系統(tǒng)的最終評(píng)價(jià)結(jié)果，計(jì)算公式如下：

式中：ESIi—第i個(gè)方案層的生態(tài)系統(tǒng)綜合賦分；Bi—第i個(gè)方案層的值；Wi—第i個(gè)方案層的權(quán)重。

采用百分制，根據(jù)湖泊生態(tài)綜合賦分，將湖泊生態(tài)狀態(tài)進(jìn)行劃分。具體賦分標(biāo)準(zhǔn)見表3。

2 沙湖評(píng)價(jià)結(jié)果

2.1 指標(biāo)結(jié)果與分析

2.1.1 “整體功能”準(zhǔn)則層評(píng)價(jià)結(jié)果

（1）鹽漬化程度越強(qiáng)，水質(zhì)就會(huì)越惡劣，水生動(dòng)植物將難以生存。本文用沙湖含鹽量表征鹽漬化程度。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示2020年沙湖整體含鹽量為1099.59 mg/L，湖泊鹽漬化賦分79。

（2）沙湖年均降雨量141.1 mm，年際降水分布不均，多雨年降水量（308.4 mm）是少雨年（68.6 mm）的4倍；且年內(nèi)月際降水量變化大，7、8、9 三個(gè)月降水量占全年降水量的75%左右，冬季只占全年降水量的10%左右。因此沙湖降水量賦分14。

（3）年均蒸發(fā)量為2194.3 mm，約為年降水量的15倍，年際變化范圍 50～300 mm。年干燥度4.3，除8月份干燥度為2.05，其它各月都＞2.3。蒸發(fā)量賦分18。

（4）外源氮磷輸入量越多，湖泊富營(yíng)養(yǎng)化越嚴(yán)重。沙湖外源氮磷輸入以黃河補(bǔ)水為主。通過查閱相關(guān)資料和文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)[11]，2020年沙湖外源氮磷年輸入量約為115.008 t，是2015年外源氮磷年輸入量（46.99 t）的2.45倍。沙湖外源氮磷輸入量賦分46。

（6）水生植物覆蓋面積越大，說明湖泊生態(tài)就越穩(wěn)定，同時(shí)也能反映沙湖對(duì)外源性污染的抵抗能力。沙湖主要水生植物為蘆葦，因此本文以蘆葦覆蓋面積代替水生植物覆蓋面積。結(jié)合無人機(jī)航拍和遙感衛(wèi)星解譯，沙湖水生植物覆蓋面積為4.52 km2，水生植物覆蓋面積賦分81。

（7）水體的水質(zhì)狀況是反映湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要指標(biāo)，較好的水質(zhì)是湖泊維系其生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的條件之一。水質(zhì)狀況是由評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)最差的理化因子的水質(zhì)類別代表湖泊的水質(zhì)類別，選取的理化因子為總氮、總磷、氨氮、溶解氧、硝酸鹽、高錳酸鹽指數(shù)。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，2020年沙湖水質(zhì)類別為Ⅲ類，賦分70。

綜合上述7項(xiàng)指標(biāo)賦分情況，“整體功能”準(zhǔn)則層賦分53.34分。

2.1.2 “生態(tài)特征”準(zhǔn)則層評(píng)價(jià)結(jié)果

（1）水體中葉綠素a含量與水質(zhì)污染程度密切相關(guān)，同樣也可以判斷湖泊的穩(wěn)定狀態(tài)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示2020年沙湖葉綠素a的年平均濃度為8.19 μg/L，賦分65。

（2）物質(zhì)生產(chǎn)是指湖泊生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)的可以用于市場(chǎng)交換的物質(zhì)產(chǎn)品，主要包括魚類產(chǎn)品和農(nóng)業(yè)產(chǎn)品。物質(zhì)生產(chǎn)效益越大，說明湖泊生態(tài)被破壞的越嚴(yán)重。本文選取農(nóng)業(yè)和漁業(yè)產(chǎn)品的市場(chǎng)價(jià)格來衡量沙湖物質(zhì)生產(chǎn)功能。通過查閱寧夏石嘴山統(tǒng)計(jì)年鑒可得2020年沙湖地區(qū)物質(zhì)生產(chǎn)為30.382億元，賦分41。

（3）若湖泊生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，其提供生物棲息地功能必然強(qiáng)大，即生物棲息地面積大，因此本文用生物棲息地面積表征湖泊提供生物棲息地功能。沙湖總面積約80 km2，其中沙漠面積約占22 km2，生物棲息地面積58 km2，賦分73。

（4）湖泊作為一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，能凈化一定數(shù)量的污染物，有利于湖泊生態(tài)和人類的安全。本文用湖泊年均流量表征了環(huán)境容量，進(jìn)而表征湖泊對(duì)污染物的凈化能力。2020年沙湖水質(zhì)凈化能力為3892.957×104元/年，賦分68。

綜合上述5項(xiàng)指標(biāo)賦分情況，“生態(tài)特征”準(zhǔn)則層賦分65.24分。

2.1.3 “社會(huì)影響”準(zhǔn)則層評(píng)價(jià)結(jié)果

（1）通過人口數(shù)量的分布狀況，反映在人口脅迫下其生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)。計(jì)算公式：人口密度=總?cè)丝?總面積，式中：總?cè)丝冢荷澈饔虻目側(cè)丝?，總面積：沙湖流域的總面積。根據(jù)寧夏石嘴山統(tǒng)計(jì)年鑒得出沙湖地區(qū)2020年人口密度142人/km2，賦分86。

（2）經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)中第三產(chǎn)業(yè)具有資源消耗相對(duì)較低，環(huán)境污染少的特點(diǎn)，因此第三產(chǎn)業(yè)占比越大，區(qū)域環(huán)境污染就會(huì)越少。沙湖區(qū)域2020年第三產(chǎn)業(yè)占比38.5%，較2018年增長(zhǎng)6.7%，區(qū)域經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)賦分60。

（3）政策法令貫徹力度、管理水平通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查方式，即現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)采訪50位當(dāng)?shù)厝恕８鶕?jù)調(diào)查結(jié)果，50人全部認(rèn)為當(dāng)?shù)卣叻钊尕瀼?，積極落實(shí)；管理機(jī)構(gòu)合理，人員素質(zhì)高。因此政策法令貫徹力度、管理水平賦分均為100。

（4）隨著人口的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城鎮(zhèn)化水平不斷提高，人地矛盾激增，所以人類對(duì)湖泊生態(tài)的破壞性干預(yù)越來越嚴(yán)重，大大影響到湖泊的功能和結(jié)構(gòu)屬性，從而影響湖泊生態(tài)穩(wěn)定性。據(jù)寧夏石嘴山市統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)顯示沙湖地區(qū)2020年城鎮(zhèn)化率為53.67%，賦分65。

綜合上述5項(xiàng)指標(biāo)賦分情況，“社會(huì)影響”準(zhǔn)則層賦分84.09分。

2.2 沙湖生態(tài)系統(tǒng)評(píng)分結(jié)果

如表4所示，根據(jù)“整體功能”“生態(tài)特征”和“社會(huì)影響”3個(gè)準(zhǔn)則層對(duì)沙湖生態(tài)系統(tǒng)狀況進(jìn)行總體評(píng)估，綜合得分73.11分，沙湖生態(tài)系統(tǒng)整體處于一般穩(wěn)定狀態(tài)。

3 討論

（1）沙湖“整體功能”影響因素分析。沙湖“整體功能”中有3個(gè)指標(biāo)賦分低于60，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。這是因?yàn)樯澈靥幬鞅卑敫珊档貐^(qū)，氣候條件惡劣，降雨量少，而蒸發(fā)量多；為維持沙湖總體水量，每年需調(diào)黃河水，近年來黃河年調(diào)水量均達(dá)2000萬m3以上，但由于黃河的氮磷濃度高于沙湖，因此調(diào)水期間沙湖氮磷濃度升高。沙湖“整體功能”中其它4個(gè)指標(biāo)處于穩(wěn)定狀態(tài)。如沙湖含鹽量從2010年的4300 mg/L[12]降至2020年1100 mg/L左右，這得益于黃河補(bǔ)水的稀釋作用。沙湖水生植物覆蓋面積增大則是當(dāng)?shù)卣谡{(diào)水入口區(qū)設(shè)置人工濕地（水生植物主要為蘆葦），用于凈化黃河補(bǔ)水的水質(zhì)。

（2）沙湖“生態(tài)特征”影響因素分析。“生態(tài)特征”準(zhǔn)則層中只有物質(zhì)生產(chǎn)功能指標(biāo)賦分低于60。據(jù)相關(guān)資料顯示，農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)和漁業(yè)是沙湖自然保護(hù)區(qū)經(jīng)濟(jì)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)；而農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)和漁業(yè)產(chǎn)生的尾水直接排放入沙湖流域，這對(duì)沙湖生態(tài)破壞是巨大且不可逆的。

（3）沙湖“社會(huì)影響”影響因素分析?！吧鐣?huì)影響”準(zhǔn)則層中5個(gè)指標(biāo)均處于穩(wěn)定狀態(tài)。一是沙湖坐落于西北地區(qū)，地廣人稀，人類活動(dòng)對(duì)其影響較小。二是近年來，在當(dāng)?shù)卣某h和支持下，沙湖利用其獨(dú)特的自然資源，開辟生態(tài)旅游區(qū)；旅游業(yè)正逐步成為區(qū)內(nèi)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。

4 結(jié)論

（1）基于層次分析法評(píng)價(jià)沙湖生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)沙湖生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系中“整體功能”賦分較低，“社會(huì)影響”賦分較高，沙湖生態(tài)系統(tǒng)整體處于一般穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）為提高沙湖生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，可從以下三個(gè)方面著手：一是控制黃河輸水量，即黃河引水量不僅要維持沙湖總體水量，也要避免黃河引水量過多造成沙湖水質(zhì)惡化，同時(shí)需降低黃河水中污染物濃度；二是政府要大力支持旅游業(yè)替代農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)和漁業(yè)成為沙湖區(qū)域的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，降低人類活動(dòng)對(duì)沙湖生態(tài)的影響；三是進(jìn)一步提高沙湖水質(zhì)，如提高沙湖水生植物面積、增加水體流動(dòng)性、淤泥清理等措施。

參考文獻(xiàn)：

[1] 毛智宇，徐力剛，賴錫軍，等.基于綜合指標(biāo)法的鄱陽湖生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)[J].湖泊科學(xué)，2023，35（3）：1022-1036.

[2] 趙增鋒，石偉，邱小琮，等.基于層次分析法的閱海湖水生態(tài)承載力評(píng)價(jià)[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2020，43（2）：213-219.

[3] 王麗麗，楊瑞.城市湖泊水環(huán)境的AHP分析——以寧夏文萃湖為例[J].中國(guó)環(huán)境管理干部學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，26（4）：53-56.

[4] J?rgensen S E. Exergy and ecological buffer capacities as measures of ecosystem health[J]. Ecosystem health， 1995， 1（3）： 150-160.

[5] 劉永，郭懷成，戴永立，等.湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方法研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2004， （4）：723-729.

[6] 李冰，楊桂山，萬榮榮.湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方法研究進(jìn)展[J].水利水電科技進(jìn)展，2014，34（6）：98-106.

[7] 趙建鵬，武江民，賈臘春，等.基于DPSR模型的黃河流域甘肅段生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)[J/OL].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，1-11[2023-11-24] .

[8] 高麗萍，雷冬梅，莫金宵，等.基于PSR模型和景觀格局指數(shù)的滇池流域生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià) [J].環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊，2023，42（4）：84-90.

[9] 王健，徐望朋，馬方凱，等.城市湖泊治理思考與建議[J].人民長(zhǎng)江， 2022， 53（2）：41-47，71.

[10] 曹陽陽.改進(jìn)層次分析法在地表水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2023，29 （9）：41-46.

[11] Wu J， Xue C， Tian R， et al. Lake water quality assessment： a case study of Shahu Lake in the semiarid loess area of northwest China[J]. Environmental Earth Sciences， 2017， 76（5）： 1-15.

[12] 田林鋒，羅桂林，馬映雪，等.以沙湖為例探究寧夏內(nèi)陸封閉型湖泊水體污染原因[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2019，35（6）：85-92.

[13] 邱小琮，趙紅雪，孫曉雪.沙湖浮游動(dòng)物與水環(huán)境因子關(guān)系的多元分析[J].生態(tài)學(xué)雜志，2012，31（4）：896-901.