洱海流域湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評價與比較

張紅葉,蔡慶華,唐 濤,汪興中,楊順益,孔令惠 (.中國科學院水生生物研究所,淡水生態(tài)與生物技術國家重點實驗室,湖北 武漢 430072；2.中國科學院研究生院,北京 00049)

生態(tài)系統(tǒng)為人類提供了自然資源和生存環(huán)境兩個方面的多種服務功能[1].生態(tài)系統(tǒng)健康是保證生態(tài)系統(tǒng)服務功能的前提,一個生態(tài)系統(tǒng)只有保持了結構和功能的完整性,并具有抵抗干擾和恢復能力,才能長期為人類社會提供服務,因此,生態(tài)系統(tǒng)健康是人類社會可持續(xù)發(fā)展的根本保證[2].

生態(tài)系統(tǒng)健康的研究起源于20世紀70年代,此后在河流、湖泊和森林生態(tài)系統(tǒng)健康評價等領域取得了進展[3],它為生態(tài)系統(tǒng)的利用、保護與管理提供了新的理論與方法[4].目前生態(tài)系統(tǒng)健康已成為國際生態(tài)環(huán)境領域的熱點,也是地球科學、生態(tài)學、經(jīng)濟學及社會科學等學科研究相互結合的橋梁[5],為全球生態(tài)環(huán)境問題的解決帶來了新的希望.湖泊是地球表面非常重要的淡水貯藏庫,它們的生態(tài)系統(tǒng)服務功能對實現(xiàn)經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義[6].水體污染和富營養(yǎng)化是我國湖泊水環(huán)境面臨的主要問題,由此導致湖泊生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的嚴重退化, 因此對湖泊生態(tài)系統(tǒng)進行健康評價十分重要[7].

洱海(25°25′N~26°16′N,99°32′E~100°27′E)是云南省第二大高原淡水湖泊,是典型的內(nèi)陸斷陷湖泊,具有一定的封閉性與半封閉性特點[8].由于受境內(nèi)地形氣候影響較大,湖盆較封閉,湖泊補給系數(shù)小、換水周期長,造成其生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境的脆弱性[9].近20多年來,隨著湖區(qū)經(jīng)濟的快速發(fā)展和人口的急速增長,人類對其自然資源的開發(fā)不斷加劇,使其富營養(yǎng)進程加劇,水質(zhì)呈不斷下降趨勢,生態(tài)環(huán)境逐漸惡化[10-11].本研究采用生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)(EHI)法于2009年5月對洱海流域四個靜水水體(海西海、茨碧湖、西湖和洱海)的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進行評價;并收集歷史數(shù)據(jù),分析20年來洱海流域生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況的變化趨勢,以期為洱海環(huán)境綜合治理提供科學依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概述和樣點設置

洱海地處云南中部偏西,大理白族自治州中心地帶,跨洱源、大理兩縣市,流域面積2565km2,呈狹長形點分布.是沿湖人民生活、灌溉、工業(yè)用水的主要水源,也是旅游的主要景區(qū)[12].海西海、茈碧湖和西湖均位于洱海北部(圖1).海西海湖泊面積 2.24km2,南北長平均 4km,東西平均1.6km,平均水深10m,最大水深16m,經(jīng)彌苴河而流入洱海;茈碧湖湖泊面積約8km2,平均水深3m,最深32m,湖呈狹長形,南北長6km,東西寬3km;出水匯入彌苴河最終注入洱海;西湖湖面4.66km2,最大水深 8.3m,一般水深 2~3m,經(jīng)羅時江流入洱海,是洱海的重要水源之一[12-13].

本研究于2009年5月在洱海流域采樣.其中,洱海湖區(qū)共設置18個樣點,其余3個湖泊分別設置2個樣點.樣點分布見圖1.

圖1 洱海流域4個湖泊樣點分布Fig.1 The sampling sites of the four lakes in Erhai watershed

1.2 樣品采集及處理

24個樣點分別采水樣和浮游動物樣品:用5L柱狀采水器采集5L表層水樣,取610mL水樣用于藻類葉綠素 a(chl.a)含量的測定;另取1220mL水樣現(xiàn)場用魯哥試液固定,經(jīng)48h沉淀濃縮后添加甲醛保存,用于后續(xù)的浮游藻類及輪蟲鑒定及定量分析;取 610mL水樣,現(xiàn)場添加濃硫酸,調(diào)整pH<2,低溫保存,用于水化學指標的測定,后帶回實驗室利用連續(xù)流動水質(zhì)分析儀(SAN++, Skalar)測定.用5L柱狀采水器采集30L表層水樣并混合,用 25號浮游生物網(wǎng)過濾后,添加甲醛保存,用于后續(xù)的甲殼類的鑒定及定量分析.野外采樣及樣品處理等參照《水域生態(tài)系統(tǒng)觀測規(guī)范》進行[14];葉綠素a濃度測定方法參照文獻[15];浮游生物計數(shù)、鑒定方法參照文獻[15-19].

1.3 評價方法

生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)法(EHI)參照徐福留等[20]提出的相關方法和思路,遵循可測性、可比性、靈敏性及綜合性的指標選擇原則,選取浮游植物生物量(BA)作為基準指標,浮游動物生物量(BZ)、浮游動物生物量(BZ)與浮游植物生物量(BA)的比值(BZ/BA)、能質(zhì)(Ex)和結構能質(zhì)(Exst)作為擴展指標;再計算5個指標的生態(tài)系統(tǒng)健康分指數(shù)(EHIi)及各指標的權重值(ωi)[21];最后通過下列公式[22]計算生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)(EHI).

式中: EHI為生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù); n為選取的標價指標的個數(shù),本研究中n =5; EHIi表示第i個指標的生態(tài)系統(tǒng)健康分指數(shù);ωi表示第i個指標的權重值,其公式為[23]:

式中:ril是第i個指標與基準指標BA的相關系數(shù).

在各指標的計算中,基準指標 BA, BZ、BZ/BA均由實測值計算所得; Ex和Exst由公式(3)(4)[24]計算:

式中: Ex為能質(zhì), J/L; Exst為結構能質(zhì), J/mg; m為屬于生物有機成分的指標個數(shù),本研究中m=3; Wi為第i種生物有機成分的權重轉換因子, J/mg; Bi為生態(tài)系統(tǒng)中第 i種生物有機成分的生物量, mg/l; Bt為系統(tǒng)的總生物有機成分的生物量, mg/l.本文選取浮游植物、輪蟲和甲殼類三項生物有機成分指標,其權重系數(shù)分別為20、163和232[25].

各指標的生態(tài)系統(tǒng)健康分指數(shù)(EHIi)的計算公式[22]如下:

營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(TSI)采用Carlson營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)[26],選取藻類葉綠素a(Chl.a)(μg/L)、透明度(SD)(m)、總磷(TP)(μg/L)3個指標計算營養(yǎng)狀態(tài)分指數(shù),最后用相關加權營養(yǎng)指數(shù)法進行營養(yǎng)狀態(tài)評價,計算公式[27]為:

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

空間插值圖系采用 ArcGIS 10.0軟件完成,各樣點EHI和TSI的線性關系在SPSS 16.0軟件中Linear Regression中分析,洱海流域不同年份EHI值的比較在ORIGIN 7.5軟件中完成.

2 結果與分析

2.1 健康狀態(tài)評價

根據(jù)EHI的計算公式,對洱海流域湖泊2009年5月調(diào)查期間的健康狀態(tài)進行評價,結果見圖2.由圖 2可知,調(diào)查期間海西海和茨碧湖的 EHI值集中在40~60的變化范圍,按照湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)與健康狀態(tài)的關系[22],可知健康狀態(tài)為中等;西湖和洱海的EHI值集中在20~40的變化范圍,健康狀態(tài)為較差.

洱海18個樣點中除EH01R、EH02、EH03、EH04R四個樣點EHI值在40~60的變化范圍,健康狀態(tài)為中等外,其他14個樣點的EHI值均在20~40的變化范圍,健康狀態(tài)均為較差,即洱海北部深水區(qū)(EH02、EH03)、北部西岸區(qū)(EH01R)和中部西岸區(qū)(EH04R)健康狀況為中等外,其他湖區(qū)均為較差.

2.2 營養(yǎng)狀態(tài)評價

湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)與富營養(yǎng)化程度密切相關,富營養(yǎng)化程度越高,則生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)相對越差.洱海流域湖泊營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)空間分布見圖 3.依據(jù) TSI法的評價標準:TSI<40為貧營養(yǎng),40≤TSI<50為中營養(yǎng),50≤TSI<70為富營養(yǎng), TSI≥70為超富營養(yǎng)[28-29],可知在調(diào)查期間海西海和茨碧湖營養(yǎng)狀態(tài)均為中營養(yǎng),而西湖和洱海營養(yǎng)狀態(tài)為富營養(yǎng).

圖2 洱海流域湖泊EHI值空間分布Fig.2 Spatial distribution of EHI in the lakes of Erhai watershed

圖3 洱海流域湖泊TSI值空間分布Fig.3 Spatial distribution of TSI in the lakes of Erhai watershed

2.3 兩種評價方法的對比

近 20年來,洱海流域生態(tài)環(huán)境發(fā)生了較大的變遷,其營養(yǎng)狀態(tài)由中營養(yǎng)逐步上升為富營養(yǎng),這表明洱海流域目前已處于在十分敏感的富營養(yǎng)化轉型的關鍵期[9],湖泊營養(yǎng)鹽和生物量基本成正相關,即洱海流域屬于響應型生態(tài)系統(tǒng)[30].在響應型生態(tài)系統(tǒng)中, EHI 與生物量成反比,由此可以推導出TSI營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)與EHI近似呈線性負相關.圖 4 顯示洱海流域湖泊 2009年各樣點 EHI值與其 TSI值呈顯著負相關(TSI= -0.4737EHI+63.824,R2=0.8146,P<0.01),說明2009年洱海流域湖泊屬于響應型生態(tài)系統(tǒng),且EHI法適應于洱海流域湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價.

圖4 洱海流域湖泊各樣點TSI和EHI的回歸分析Fig.4 The regression relationship between TSI and EHI in the lakes of Erhai watershed

2.4 健康狀態(tài)比較

表1 20余年洱海浮游藻類和浮游動物生物量比較Tab.1 Biomass of phytoplankton and zooplankton during the past 20 years in Erhai Lake

歷年洱海浮游藻類和浮游動物的監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1.采用EHI法,對洱海20余年來生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)進行評價,結果見圖 5.由圖 5可知,20余年來,洱海生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)總體上呈惡化趨勢,其中1987年和1992年洱海的EHI值在40~60的變化范圍,健康狀態(tài)為中等;1997年和2009年洱海的EHI值在20~40的變化范圍,健康狀態(tài)為較差.

圖5 洱海不同年份的EHI值Fig.5 EHI value of Erhai Lake in different years

3 討論

生態(tài)系統(tǒng)健康包括6個方面:即自我平衡、沒有疾病、多樣性和復雜性、穩(wěn)定性或恢復力、活力或增長幅、系統(tǒng)組成成分平衡,且在生態(tài)系統(tǒng)健康評價中應該同時考慮以上 6個方面全部或至少大部分內(nèi)容[32].EHI法能反映生態(tài)系統(tǒng)的結構和組織水平,能很好地概括生態(tài)系統(tǒng)健康的6個部分,可用于同一湖泊不同時空及不同湖泊之間的健康狀態(tài)的定量評價與比較[20,22],且該法是針對湖泊中營養(yǎng)鹽和生物量基本上呈正相關的響應型生態(tài)系統(tǒng)研究的基礎上提出來的[33];而TSI法側重于浮游植物chl.a和營養(yǎng)鹽的關系,表征水體整體營養(yǎng)狀態(tài)[27],不能體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的結構和系統(tǒng)水平,更不能表征水體的健康狀態(tài).

本研究采用生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù) EHI和 TSI營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)兩種評價方法同時對洱海流域湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)進行評價,結果顯示兩種方法的評價結果一致,由此說明生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)(EHI)法適合于評價洱海流域湖泊的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況,同時也說明洱海流域湖泊屬于響應型生態(tài)系統(tǒng).

在洱海流域的研究中,國內(nèi)很多學者針對生物種群結構,富營養(yǎng)化等方面進行了大量的研究[11,34-35].本研究從生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)出發(fā)研究該流域湖泊的健康狀態(tài),結果顯示2009年洱海流域湖泊整體健康狀況較差,且存在空間差異,表明其已處于一個關鍵的敏感營養(yǎng)狀態(tài)轉型時期[9].近 20年來,洱海生態(tài)環(huán)境發(fā)生了較大的變遷,主要表現(xiàn)為富營養(yǎng)化進程加劇、湖泊水位降低、湖濱帶生境惡化和生物資源過渡開發(fā)等一系列生態(tài)環(huán)境問題[11].分析從 1987年來洱海生態(tài)系統(tǒng)健康狀況,可知近20年來洱海生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)總體上呈惡化趨勢,尤其在1996年和2003年兩次全湖性的藍藻水華暴發(fā)前后,洱海的生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)較差;2004年至今,有關部門開始重視農(nóng)業(yè)面源污染,大理州先后實施了環(huán)洱海生態(tài)工程、污水處理等洱海環(huán)境管理工程[36],洱海富營養(yǎng)化進程有所減緩,2009年調(diào)查研究知其生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)有所改善,但仍為較差水平,需繼續(xù)加強流域管理的能力建設,實施流域可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,加快實施流域生態(tài)保護工程措施,以達到洱海富營養(yǎng)化防治和可持續(xù)利用目標.

4 結語

應用生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)法(EHI)定量評價了洱海流域湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài).結果顯示:洱海流域諸湖泊均屬于營養(yǎng)鹽與生物量呈正相關的響應型生態(tài)系統(tǒng);2009年健康狀態(tài)評價結果為較差,空間差異亦較明顯;對比分析洱海流域湖泊20余年來的生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài),可知其總體上呈惡化趨勢,特別地,因 1997年洱海暴發(fā)大規(guī)模藍藻水華而使其生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)最差.因此,必須加強洱海流域生態(tài)與環(huán)境的科學研究及綜合管理,健全機構,明確職責,源頭治理,區(qū)域協(xié)調(diào),從流域層面上實現(xiàn)對洱海流域水資源、水環(huán)境、生物多樣性及社會經(jīng)濟活動的合理布局、綜合利用與協(xié)調(diào)發(fā)展.

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