洱海流域湖泊生態系統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)

生態系統為人類提供了自然資源和生存環境兩個方面的多種服務功能[1].生態系統健康是保證生態系統服務功能的前提,一個生態系統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,生態系統健康是人類社會可持續發展的根本保證[2].

生態系統健康的研究起源于20世紀70年代,此后在河流、湖泊和森林生態系統健康評價等領域取得了進展[3],它為生態系統的利用、保護與管理提供了新的理論與方法[4].目前生態系統健康已成為國際生態環境領域的熱點,也是地球科學、生態學、經濟學及社會科學等學科研究相互結合的橋梁[5],為全球生態環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,它們的生態系統服務功能對實現經濟社會可持續發展具有重要的意義[6].水體污染和富營養化是我國湖泊水環境面臨的主要問題,由此導致湖泊生態系統結構和功能的嚴重退化, 因此對湖泊生態系統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].由于受境內地形氣候影響較大,湖盆較封閉,湖泊補給系數小、換水周期長,造成其生態系統環境的脆弱性[9].近20多年來,隨著湖區經濟的快速發展和人口的急速增長,人類對其自然資源的開發不斷加劇,使其富營養進程加劇,水質呈不斷下降趨勢,生態環境逐漸惡化[10-11].本研究采用生態系統健康指數(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)的生態系統健康狀況進行評價;并收集歷史數據,分析20年來洱海流域生態系統的健康狀況的變化趨勢,以期為洱海環境綜合治理提供科學依據.

1 材料與方法

1.1 研究區域概述和樣點設置

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、工業用水的主要水源,也是旅游的主要景區[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水樣現場用魯哥試液固定,經48h沉淀濃縮后添加甲醛保存,用于后續的浮游藻類及輪蟲鑒定及定量分析;取 610mL水樣,現場添加濃硫酸,調整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流動水質分析儀(SAN++, Skalar)測定.用5L柱狀采水器采集30L表層水樣并混合,用 25號浮游生物網過濾后,添加甲醛保存,用于后續的甲殼類的鑒定及定量分析.野外采樣及樣品處理等參照《水域生態系統觀測規范》進行[14];葉綠素a濃度測定方法參照文獻[15];浮游生物計數、鑒定方法參照文獻[15-19].

1.3 評價方法

生態系統健康指數法(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(Ex)和結構能質(Exst)作為擴展指標;再計算5個指標的生態系統健康分指數(EHIi)及各指標的權重值(ωi)[21];最后通過下列公式[22]計算生態系統健康指數(EHI).

式中: EHI為生態系統健康綜合指數; n為選取的標價指標的個數,本研究中n =5; EHIi表示第i個指標的生態系統健康分指數;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.

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, J/L; Exst為結構能質, J/mg; m為屬于生物有機成分的指標個數,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為生態系統中第 i種生物有機成分的生物量, mg/l; Bt為系統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,其權重系數分別為20、163和232[25].

各指標的生態系統健康分指數(EHIi)的計算公式[22]如下:

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

1.4 數據分析方法

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 健康狀態評價

根據EHI的計算公式,對洱海流域湖泊2009年5月調查期間的健康狀態進行評價,結果見圖2.由圖 2可知,調查期間海西海和茨碧湖的 EHI值集中在40~60的變化范圍,按照湖泊生態系統健康指數與健康狀態的關系[22],可知健康狀態為中等;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,健康狀態均為較差,即洱海北部深水區(EH02、EH03)、北部西岸區(EH01R)和中部西岸區(EH04R)健康狀況為中等外,其他湖區均為較差.

2.2 營養狀態評價

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

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,洱海流域生態環境發生了較大的變遷,其營養狀態由中營養逐步上升為富營養,這表明洱海流域目前已處于在十分敏感的富營養化轉型的關鍵期[9],湖泊營養鹽和生物量基本成正相關,即洱海流域屬于響應型生態系統[30].在響應型生態系統中, EHI 與生物量成反比,由此可以推導出TSI營養狀態指數與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系統,且EHI法適應于洱海流域湖泊生態系統健康評價.

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測數據見表1.采用EHI法,對洱海20余年來生態系統健康狀態進行評價,結果見圖 5.由圖 5可知,20余年來,洱海生態系統健康狀態總體上呈惡化趨勢,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

生態系統健康包括6個方面:即自我平衡、沒有疾病、多樣性和復雜性、穩定性或恢復力、活力或增長幅、系統組成成分平衡,且在生態系統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容[32].EHI法能反映生態系統的結構和組織水平,能很好地概括生態系統健康的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的定量評價與比較[20,22],且該法是針對湖泊中營養鹽和生物量基本上呈正相關的響應型生態系統研究的基礎上提出來的[33];而TSI法側重于浮游植物chl.a和營養鹽的關系,表征水體整體營養狀態[27],不能體現生態系統的結構和系統水平,更不能表征水體的健康狀態.

本研究采用生態系統健康指數 EHI和 TSI營養狀態指數兩種評價方法同時對洱海流域湖泊生態系統健康狀態進行評價,結果顯示兩種方法的評價結果一致,由此說明生態系統健康指數(EHI)法適合于評價洱海流域湖泊的生態系統健康狀況,同時也說明洱海流域湖泊屬于響應型生態系統.

在洱海流域的研究中,國內很多學者針對生物種群結構,富營養化等方面進行了大量的研究[11,34-35].本研究從生態系統健康狀態出發研究該流域湖泊的健康狀態,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狀態轉型時期[9].近 20年來,洱海生態環境發生了較大的變遷,主要表現為富營養化進程加劇、湖泊水位降低、湖濱帶生境惡化和生物資源過渡開發等一系列生態環境問題[11].分析從 1987年來洱海生態系統健康狀況,可知近20年來洱海生態系統健康狀態總體上呈惡化趨勢,尤其在1996年和2003年兩次全湖性的藍藻水華暴發前后,洱海的生態系統健康狀態較差;2004年至今,有關部門開始重視農業面源污染,大理州先后實施了環洱海生態工程、污水處理等洱海環境管理工程[36],洱海富營養化進程有所減緩,2009年調查研究知其生態系統健康狀態有所改善,但仍為較差水平,需繼續加強流域管理的能力建設,實施流域可持續發展戰略,加快實施流域生態保護工程措施,以達到洱海富營養化防治和可持續利用目標.

4 結語

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

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