長江中下游四大淡水湖生態(tài)系統(tǒng)完整性評價

黃　琪，高俊峰，張艷會，閆人華，王 雁，蔡永久

1 中國科學(xué)院流域地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，南京 210008

2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

長江中下游四大淡水湖生態(tài)系統(tǒng)完整性評價

黃琪1,2，高俊峰1,*，張艷會1,2，閆人華1,2，王 雁1，蔡永久1

1 中國科學(xué)院流域地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，南京 210008

2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

摘要:長江中下游地區(qū)是我國淡水湖泊集中分布區(qū)域，研究該區(qū)域湖泊生態(tài)系統(tǒng)完整性對于湖泊生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和恢復(fù)具有重要意義。物理、化學(xué)和生物完整性指標(biāo)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于河湖生態(tài)系統(tǒng)健康評價，但是缺少物理、化學(xué)和生物完整性的綜合評價方法。以歷史調(diào)查狀況為主要參照系統(tǒng)，構(gòu)建了基于物理、化學(xué)和生物完整性的多參數(shù)湖泊完整性綜合評價指標(biāo)體系，結(jié)合近年來長江中下游四大淡水湖(洞庭湖、鄱陽湖、巢湖、太湖)生態(tài)系統(tǒng)調(diào)查數(shù)據(jù)，對四大淡水湖生態(tài)系統(tǒng)完整性進(jìn)行了評價。結(jié)果表明，洞庭湖、鄱陽湖、巢湖和太湖的綜合得分分別為66、71、57和57。根據(jù)評價等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，洞庭湖和鄱陽湖生態(tài)系統(tǒng)完整性狀況都達(dá)到“好”的等級，而巢湖和太湖則處于“一般”等級；結(jié)果顯示，該指標(biāo)能夠表征人類活動對于湖泊生態(tài)系統(tǒng)完整性不同方面的干擾，且能夠反映四大淡水湖生態(tài)系統(tǒng)完整性歷史變化狀況。因此，該方法可以作為長江中下游淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)完整性綜合評價的工具并能夠?yàn)楹瓷鷳B(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和恢復(fù)提供科學(xué)支撐。

關(guān)鍵詞：淺水湖泊；湖泊生態(tài)系統(tǒng)；生態(tài)系統(tǒng)完整性；評價；長江中下游

近年來，生物完整性指數(shù)在國內(nèi)外河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價研究中逐漸得到了廣泛應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)評價和管理提供了有效的生物監(jiān)測工具[1- 3]，然而，該方法在湖泊和水庫等靜生態(tài)系統(tǒng)中的研究和應(yīng)用較少[4- 5]。其重要原因是我國絕大部分與人類活動密切相關(guān)的湖庫都受到了一定程度的干擾，致使構(gòu)建生物完整性指數(shù)的參照系統(tǒng)難以基于調(diào)查現(xiàn)狀確定[5]。馬陶武等[6]、汪星等[7]依據(jù)生物指數(shù)來確定參考(清潔)和受損(污染)樣點(diǎn)，分別構(gòu)建了太湖、洞庭湖的底棲動物完整性指數(shù)，用于評價湖泊不同區(qū)域的水質(zhì)狀況。蔡琨等[5]采用干擾程度最小系統(tǒng)法定義太湖底棲動物生物完整性指數(shù)參照系統(tǒng)，構(gòu)建了太湖湖心區(qū)和非湖心區(qū)底棲動物完整性指數(shù)，評價了太湖生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。盡管這些方法對于生態(tài)系統(tǒng)完整性評價中參照系統(tǒng)建立具有較好的參考價值，但這些評價方法難以綜合反映湖泊生態(tài)系統(tǒng)物理、化學(xué)和生物完整性狀況[8]，也不能反應(yīng)湖泊生態(tài)系統(tǒng)完整性狀況歷史變化。

“生態(tài)完整性”指未受到損害的，生態(tài)良好的狀態(tài)[9]。對湖泊生態(tài)系統(tǒng)而言，包括了物理、化學(xué)和生物完整性3個方面[10]。因此，對流域河湖生態(tài)狀態(tài)評價的研究逐漸擴(kuò)展到綜合采用生態(tài)系統(tǒng)物理、化學(xué)和生物完整性參數(shù)進(jìn)行評價[8, 11]。在評估尺度方面，也不再局限于單個湖泊，而將視野擴(kuò)大到流域甚至是全球尺度[12]。長江中下游平原是我國淡水湖泊分布最密集的核心區(qū)，洞庭湖、鄱陽湖、巢湖和太湖等四大淡水湖生態(tài)系統(tǒng)健康狀況受到國內(nèi)外高度關(guān)注[13- 14]。已有研究基于湖泊形態(tài)結(jié)構(gòu)[15]、水體富營養(yǎng)化[16]和生物等單項(xiàng)指數(shù)[6- 7]等對湖泊健康狀況進(jìn)行了初步評價，但缺少綜合物理、化學(xué)和生物指標(biāo)的完整性評價研究。本研究在對四大淡水湖生態(tài)系統(tǒng)特征分析的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建湖泊生態(tài)系統(tǒng)完整性綜合評價指標(biāo)體系，評價人類活動干擾影響下四大湖生態(tài)系統(tǒng)完整性歷史變化特征，建立基于生態(tài)系統(tǒng)完整性的湖泊綜合評價方法，以期為四大淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和恢復(fù)提供科學(xué)支撐。

1數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1數(shù)據(jù)收集

本研究數(shù)據(jù)來源分為現(xiàn)狀數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)兩部分。其中現(xiàn)狀數(shù)據(jù)來自2008—2013年間采樣調(diào)查，調(diào)查數(shù)據(jù)包括湖泊水質(zhì)理化數(shù)據(jù)、生物數(shù)據(jù)(包括浮游植物、底棲動物和魚類)。共采集樣點(diǎn)91個，其中：洞庭湖2008年30個調(diào)查點(diǎn)位，鄱陽湖2012年15個調(diào)查點(diǎn)位，巢湖2013年34個調(diào)查點(diǎn)位，太湖2012年12個調(diào)查點(diǎn)位。

采用YSI6600 pro便攜式水質(zhì)多參數(shù)分析儀現(xiàn)場測定水體pH值、電導(dǎo)率(EC)和溶解氧(DO)等5 項(xiàng)理化參數(shù)。現(xiàn)場采集1 L 水樣，用冷藏保溫箱保存后短時間運(yùn)送到實(shí)驗(yàn)室，測定包括總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)等共6 項(xiàng)化學(xué)參數(shù)。水體理化參數(shù)的采集、運(yùn)送和測定均依據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法》[17]。藻類、大型底棲動物、魚類采樣和鑒定分別由專家進(jìn)行，為避免單次魚類調(diào)查數(shù)據(jù)的偶然性，魚類指標(biāo)依據(jù)相同時期調(diào)查且已發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)據(jù)計算[18- 22]。歷史數(shù)據(jù)采用1950—1960年代或?qū)?yīng)指標(biāo)調(diào)查整理的文獻(xiàn)資料[23- 24]。

1.2評價指標(biāo)體系的構(gòu)建及計算1.2.1評價指標(biāo)體系構(gòu)建

在對四大淡水湖生態(tài)系統(tǒng)特征分析的基礎(chǔ)上，從湖泊生態(tài)系統(tǒng)完整性物理(生境)、化學(xué)(水質(zhì))和生物(水生生物類群)3個方面的構(gòu)建評價指標(biāo)體系。河湖連通狀況可表征長江與各大湖泊水沙輸送和能量傳遞，繼而調(diào)整和塑造湖盆結(jié)構(gòu)；湖泊面積既是湖泊的基本形態(tài)參數(shù)，又能夠反映本區(qū)湖泊受人類活動干擾強(qiáng)度(如歷史圍墾導(dǎo)致的湖泊面積萎縮)[22]，故采用河湖連通結(jié)構(gòu)狀況和湖泊形態(tài)參數(shù)表征物理完整性。水質(zhì)理化參數(shù)中溶解氧、電導(dǎo)率和營養(yǎng)狀況能夠表征不同方面水化狀況。浮游植物、底棲動物和魚類是廣泛應(yīng)用于湖泊生態(tài)狀況評價的水生生物類群。依據(jù)系統(tǒng)性、獨(dú)立性和差異性原則，結(jié)合已有研究[3,6- 7]，最終確定湖泊生態(tài)系統(tǒng)評價指標(biāo)體系包含7項(xiàng)評價指標(biāo)和13項(xiàng)分項(xiàng)指標(biāo)(表1)。

表1　四大淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)完整性評價指標(biāo)體系及權(quán)重

1.2.2評價指標(biāo)測定與計算方法

(1)物理完整性指標(biāo)

河湖連通狀況指標(biāo)表征河流與湖泊水域之間的水流暢通程度，可通過河湖連通的口門暢通率計算[22]，計算公式：

D1=暢通口門數(shù)/總口門數(shù)

(1)

湖面完整性通過湖面(水域)萎縮率指標(biāo)計算[22]，計算公式：

D2=現(xiàn)狀湖泊面積/歷史湖泊面積

(2)

(2)湖泊基本水質(zhì)指標(biāo)

湖泊基本水質(zhì)指標(biāo)的數(shù)值計算直接通過求取所有調(diào)查樣點(diǎn)的平均值求得，其中溶解氧和電導(dǎo)率指標(biāo)分別通過以下公式計算：

D3=溶解氧平均值/溶解氧期望值

(3)

D4=電導(dǎo)率平均值/電導(dǎo)率歷史值

(4)

(3)富營養(yǎng)化狀況

湖泊富營養(yǎng)化指計算公式采用金相燦等[25]提出的公式計算，其中富營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)分別總磷(TP)、總氮(TN)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、葉綠素(Chl a)和透明度(SD)5個基本水質(zhì)參數(shù)計算。

(5)

式中，Wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重，TLI(j)為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

(4)浮游植物指標(biāo)

浮游植物物種豐富度指標(biāo)采用物種損失指數(shù)[26]計算(式6)，藍(lán)藻比例指各調(diào)查樣點(diǎn)藍(lán)藻占所有藻類比值之平均值，通過現(xiàn)狀調(diào)查值與歷史調(diào)查值(式7)，浮游植物Berger-Parker指數(shù)通過現(xiàn)狀調(diào)查與歷史調(diào)查平均密度比計算得到(式 8)。

D6=現(xiàn)狀調(diào)查浮游植物屬數(shù)/歷史調(diào)查浮游植物屬數(shù)

(6)

D7=藍(lán)藻門密度/藻類密度

(7)

D8=浮游植物最優(yōu)勢類群密度/生物類群總密度

(8)

(5)大型底棲動物指標(biāo)

大型底棲動物物種豐富度指標(biāo)采用物種損失指數(shù)計算，Berger-Parker優(yōu)勢度指數(shù)和底棲動物生物(耐污)指數(shù)(BI)通過公式計算得到[27]。

D9=現(xiàn)狀調(diào)查底棲動物種數(shù)/歷史調(diào)查底棲動物種數(shù)

(9)

D10=底棲動物最優(yōu)勢種密度/底棲動物密度

(10)

(11)

式中,Wi為第i類底棲動物的密度，pi為第i類底棲動物對應(yīng)的耐污BI值，n為底棲動物種類數(shù)。

(6)魚類指標(biāo)

魚類物種豐富度指標(biāo)采用物種損失指數(shù)計算，優(yōu)勢種比例通過調(diào)查數(shù)據(jù)計算。

D12=現(xiàn)狀調(diào)查魚類種類數(shù)/歷史調(diào)查魚類種類數(shù)

(12)

D13=魚類最優(yōu)勢種密度/魚類密度

(13)

1.2.3評價權(quán)重確定

湖泊生態(tài)系統(tǒng)完整性評價指標(biāo)體系建立后，進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重的設(shè)置。對湖泊生物而言，物理和化學(xué)完整性是其賴以生存的外部環(huán)境，但它們又能一定程度上改變并表征生態(tài)系統(tǒng)的狀況，所以本研究認(rèn)為物理、化學(xué)完整性相關(guān)指標(biāo)與生物完整性相關(guān)指標(biāo)權(quán)重相等，即各占1/2。生物中浮游植物、大型底棲動物和魚類分別表征不同營養(yǎng)級的生態(tài)狀況，且相互聯(lián)系，故所占權(quán)重相等，各為1/6(表1)。

1.2.4評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化

通過確定指標(biāo)期望值(指標(biāo)等級最好狀態(tài)值)和閾值(指標(biāo)等級最差狀態(tài)值)對各類指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)化方法：采用標(biāo)準(zhǔn)化公式(式14)對分項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行計算，結(jié)果分布范圍為0—100，小于0的值記為0，大于100的值記為100。

S=1-(|T-X|)/(|T-B|)×100%

(14)

式中，S為評價指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化計算值；T為期望值；B為臨界值；X為實(shí)際值。參照值為未受到人為干擾活動下評價參數(shù)的取值，指完整性的最佳狀況；臨界值指受到人類活動干擾后，湖泊生態(tài)系統(tǒng)面臨崩潰的閾值，此時完整性狀態(tài)為最差狀態(tài)。

完整性優(yōu)質(zhì)期望值和臨界閾值的確定需要大量基礎(chǔ)調(diào)查資料和深入的研究，且不同類型的湖泊生態(tài)系統(tǒng)的完整性閾值存在差異[1]。大量研究表明，歷史狀態(tài)可以較好的表征在人類活動強(qiáng)烈干擾之前生態(tài)系統(tǒng)的完整性狀況，因此可以作為參考狀態(tài)[28]。四大淡水湖泊有較豐富的歷史觀測數(shù)據(jù)，為確定參數(shù)期望值提供了良好的基礎(chǔ)。但由于調(diào)查技術(shù)手段的發(fā)展和進(jìn)步，一些指標(biāo)和數(shù)據(jù)質(zhì)量無法完全滿足構(gòu)建參考狀態(tài)的要求，因此本研究采用歷史調(diào)查數(shù)據(jù)、國家標(biāo)準(zhǔn)、研究文獻(xiàn)和統(tǒng)計方法共同確定期望值和臨界值[1,29]。其中，各生物類群的物種損失指數(shù)根據(jù)歷史調(diào)查數(shù)據(jù)確定生物種(屬)數(shù)確定；而浮游植物、底棲動物類群BP指數(shù)依據(jù)各調(diào)查點(diǎn)位BP指數(shù)的平均數(shù)計算，以對應(yīng)各個點(diǎn)位生物指標(biāo)BP指數(shù)5%分位數(shù)為期望值，95%分位數(shù)為臨界閾值，魚類類群BP指數(shù)期望值以歷史數(shù)據(jù)確定，臨界值以調(diào)查樣點(diǎn)95%分位數(shù)確定。藍(lán)藻門比例以調(diào)查樣點(diǎn)5%分位數(shù)為期望值，調(diào)查樣點(diǎn)95%分位數(shù)為臨界值[1,3]。底棲動物BI指數(shù)參考已有研究確定期望值和閾值[29](表2)。

表2　四大淡水湖生態(tài)系統(tǒng)完整性評價指標(biāo)期望值

(歷史)湖泊面積按現(xiàn)狀湖泊面積與1950年以來圍墾面積之和計算，其中洞庭湖、鄱陽湖、巢湖和太湖圍墾面積分別為1700km2、1466.9km2、62km2、160.17km2

1.2.5綜合得分及等級標(biāo)準(zhǔn)

綜合得分采用等權(quán)相加計算得到，計算公式為：

(15)

式中，Dk為第k個指標(biāo)的評價值，Uk為對應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重。

采用等分法將生態(tài)系統(tǒng)完整性綜合得分分為5個等級[3]，“極差”等級分值為0—20，表明生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重改變，生態(tài)功能完全喪失，短期難以逆轉(zhuǎn)；“差”等級分值為20—40，生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生極顯著改變，生態(tài)功能大部分喪失；“一般”等級分值為40—60，生態(tài)系統(tǒng)的自然生境和群落組結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的變化，甚至出現(xiàn)部分生態(tài)功能喪失；“好”等級分值為60—80，生態(tài)系統(tǒng)的自然生境和群落組結(jié)構(gòu)成發(fā)生了一些變化，但基本功能完好且狀態(tài)穩(wěn)定；“極好”等級分值為80—100，生態(tài)系統(tǒng)處于未被干擾的自然狀態(tài)或僅有輕微改變；結(jié)構(gòu)功能完整具有活力。

2結(jié)果與分析

2.1評價指標(biāo)評價結(jié)果2.1.1物理完整性指標(biāo)

四大淡水湖物理完整性指標(biāo)評價結(jié)果良好，其中洞庭湖得分80，鄱陽湖得分83，巢湖得分71，太湖得分89，評價等級均達(dá)到好。但四大湖各項(xiàng)評價指標(biāo)得分差異較大，其中洞庭湖和洞庭湖與長江自由連通，水情不受口門控制，因此連通指標(biāo)得分為100。而巢湖閘控制巢湖出湖水情，因此河湖連通指標(biāo)得分為50，依據(jù)太湖暢通口門數(shù)和所有口門數(shù)計算得到太湖口門暢通率指標(biāo)得分為84。據(jù)歷史資料，洞庭湖湖泊面積萎縮指標(biāo)得分61，而鄱陽湖該指數(shù)得分67；巢湖該指標(biāo)得分為93，太湖該指標(biāo)得分94。

2.1.2化學(xué)完整性指標(biāo)

四大淡水湖化學(xué)完整性指標(biāo)評價結(jié)果總體較好，其中洞庭湖得分為62，評價等級為好；鄱陽湖得分達(dá)到71，評價等級為好；巢湖得分63，評價等級為好；太湖得分56，評價等級為一般。評價指標(biāo)中，各湖平均溶解氧都超過期望值，指標(biāo)得分均為100，等級均為好；而電導(dǎo)率指標(biāo)得分為洞庭湖34，鄱陽湖53，巢湖48，太湖21。電導(dǎo)率指標(biāo)得分洞庭湖和太湖等級為差，鄱陽湖和巢湖等級為一般；富營養(yǎng)化指標(biāo)得分鄱陽湖52，鄱陽湖61，巢湖41，太湖46，除鄱陽湖等級為好外，洞庭湖、巢湖和太湖等級均為一般。

2.1.3生物完整性指標(biāo)

四大淡水湖生物完整性指標(biāo)評價結(jié)果總體一般，其中洞庭湖得分63，鄱陽湖得分65，巢湖48，太湖46。洞庭湖和鄱陽湖等級為好，巢湖和太湖等級為一般。

浮游植物指標(biāo)綜合評價得分差異顯著，洞庭湖得分70，評價等級為好；鄱陽湖得分60，評價等級為好；巢湖得分45，評價等級為一般；太湖得分44，評價等級為一般。其中，洞庭湖表征物種豐富程度的種類數(shù)指標(biāo)評價為極好，鄱陽湖為好，巢湖和太湖為一般；巢湖表征物種優(yōu)勢程度的指標(biāo)等級為差，其他三湖為一般；藍(lán)藻門比例指標(biāo)洞庭湖和鄱陽湖為一般，巢湖和太湖等級為差。

底棲動物指標(biāo)綜合評價得分差異較小，洞庭湖得分55，評價等級為一般；鄱陽湖得分67，評價等級為好；巢湖得分44，評價等級為一般；太湖得分為39，評價等級為一般。評價指標(biāo)中，四大淡水湖底棲動物種類數(shù)指標(biāo)評價等級為一般；優(yōu)勢度指標(biāo)鄱陽湖評價等級為好，洞庭湖和巢湖為一般，太湖為差，BI指數(shù)洞庭湖和鄱陽湖兩湖為好，巢湖和太湖為差。

魚類指標(biāo)綜合評價得分為，洞庭湖和鄱陽湖得分為64和68，評價等級為好；巢湖和太湖得分均為55，評價等級為一般。評價指標(biāo)中，洞庭湖魚類種類數(shù)指標(biāo)評價等級為極好，鄱陽湖為一般，巢湖和太湖等級為好；優(yōu)勢度指標(biāo)鄱陽湖評價等級為極好，其他三湖為一般。

2.2綜合評價結(jié)果

長江中下游四大淡水湖生態(tài)系統(tǒng)評價的結(jié)果表明，四大淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)完整性狀況差異顯著：洞庭湖綜合評價得分為66，鄱陽湖綜合評價得分為71，巢湖綜合評價得分為57，太湖綜合評價得分為57(圖1)。根據(jù)評價等級，洞庭湖和鄱陽湖為“好”，巢湖和太湖為“一般”。

2.3結(jié)果分析

本研究基于湖泊生態(tài)系統(tǒng)完整性的評價指標(biāo)得分能夠反映四大淡水湖生態(tài)系統(tǒng)物理、化學(xué)和生物完整性的受損狀況和歷史變化。

鄱陽湖和洞庭湖流域受季風(fēng)氣候影響，湖泊水位和水面變化季節(jié)性明顯變化，在自然淤積和人類圍墾活動雙重影響下，湖泊面積顯著縮小，其中人類圍墾活動加劇破壞了兩湖物理完整性[23- 24]。而在巢湖和太湖，湖泊與河流自然連通受到人工閘壩控制，雖然實(shí)現(xiàn)了防洪、航運(yùn)等人類服務(wù)功能，但破壞了這兩個湖泊與周邊河流的連通結(jié)構(gòu)，使其物理完整性受損。

鄱陽湖和洞庭湖的湖水補(bǔ)給系數(shù)高，而且兩湖與長江相互連通，交換率高，污染物質(zhì)不容易累積，水體自凈能力強(qiáng)，因此其水質(zhì)理化綜合評價狀況較好。而巢湖和太湖水量和吞吐量也相對較小，湖水交換率相對較低[23-24]。又因巢湖流域以農(nóng)業(yè)用地為主導(dǎo)，污染負(fù)荷相對較少，而太湖流域經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，污染負(fù)荷相對較高，因此巢湖水質(zhì)理化綜合評價狀況比太湖好。

洞庭湖和鄱陽湖浮游植物指標(biāo)綜合評估等級為好，其中表征豐富程度的物種數(shù)指標(biāo)相對得分較高，指示這兩個湖泊的浮游植物物種豐富度較高；優(yōu)勢度指標(biāo)和藍(lán)藻比例指標(biāo)得分處于一般等級，顯示兩湖浮游植物結(jié)構(gòu)組成發(fā)生較大變化，且藍(lán)藻比例增大，值得密切關(guān)注。而巢湖和太湖浮游植物指標(biāo)綜合評估等級為一般，都面臨較嚴(yán)重的浮游植物組成結(jié)構(gòu)改變，藍(lán)藻比例過高的問題，需要采取防治措施。

洞庭湖和鄱陽湖底棲動物種類數(shù)指數(shù)評價處于一般等級，優(yōu)勢類群評價等級分別為一般和好，這表明這兩個湖泊存在底棲動物豐富程度下降，底棲動物類群趨向于演化為耐污類群，但優(yōu)勢類群結(jié)構(gòu)變化不大[30-31]。與之對應(yīng)的是，太湖和巢湖底棲動物種類數(shù)評價等級為一般，優(yōu)勢類群和BI指數(shù)評價等級為一般和差，結(jié)果表明兩湖底棲動物物種損失指數(shù)相對更大，其中巢湖底棲動物中耐污類群較多[32]，而太湖底棲動物中軟體動物減少，寡毛類增加[33]。

洞庭湖魚類種類數(shù)指標(biāo)評價好于優(yōu)勢度指標(biāo)，而鄱陽湖魚類種群指標(biāo)評價差于優(yōu)勢度指標(biāo)，表明洞庭湖魚類種群單一化問題較為突出，而鄱陽湖面臨部分魚類物種喪失問題[18- 19]。巢湖和太湖魚類指標(biāo)綜合評價都處于一般等級，都面臨不同程度的魚類物種喪失，優(yōu)勢種比例上升，種群單一化等問題[20-21, 24]。

圖1　四大淡水湖生態(tài)系統(tǒng)完整性評價指標(biāo)及綜合得分Fig.1　The individual index scores and comprehensive scores of ecosystem integrity assessment for the four large lakes

3討論

3.1湖泊生態(tài)系統(tǒng)完整性參考狀態(tài)的建立

確定合理的參考狀態(tài)是進(jìn)行湖泊生態(tài)系統(tǒng)完整性多參數(shù)評價的關(guān)鍵。干擾程度最小系統(tǒng)法和極少干擾系統(tǒng)法是河流生態(tài)系統(tǒng)中常用的參考狀態(tài)確定方法[1-3,34]，然而，我國大部分湖泊都受到了中等程度以上的干擾[9]，導(dǎo)致這兩種方法難以用于構(gòu)建湖泊生態(tài)系統(tǒng)評價的參考狀態(tài)。據(jù)文獻(xiàn)記載和調(diào)查分析數(shù)據(jù)，20世紀(jì)50—60年代長江中下游四大淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)狀況都處于良好狀態(tài)[23- 24]，且同時期已有較為完整的觀測資料，所以本研究以歷史調(diào)查數(shù)據(jù)和發(fā)表文獻(xiàn)確定物理完整性參數(shù)和大部分化學(xué)、生物完整性參數(shù)的期望值，再結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)計方法綜合確定了剩余部分參數(shù)的期望值。同時，在研究尺度上，本研究嘗試將同一湖泊的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)綜合計算，把單個湖泊作為整體研究，因而能夠比較人類活動對于長江中下游四大淡水湖干擾強(qiáng)度的差異。相對于目前湖泊生態(tài)狀況參考點(diǎn)和受損點(diǎn)仍采用專業(yè)判斷結(jié)合理化指標(biāo)來確定的方法，且主要考察單個湖泊空間差異狀況的現(xiàn)狀，本研究拓展了參考狀態(tài)建立的時間尺度和湖泊生態(tài)系統(tǒng)完整性評價的空間尺度。

3.2湖泊生態(tài)系統(tǒng)完整性評價參數(shù)的選擇

評價參數(shù)的選擇是進(jìn)行合理評價的基礎(chǔ)。本研究依據(jù)完整性的概念和內(nèi)涵，從物理、化學(xué)和生物完整性3個方面構(gòu)建了湖泊生態(tài)系統(tǒng)評價指標(biāo)體系。參數(shù)的選擇參考了已有研究和長江中下游大型淡水湖泊遭受的干擾狀況。長江中下游四大淡水湖同屬長江水系，歷史上江湖關(guān)系密切而且復(fù)雜，目前除鄱陽湖外，其他三湖原本與長江水系的自然聯(lián)系都受到了人類活動強(qiáng)烈干擾，特別是巢湖和太湖與周邊部分河流的自然連通受到了閘壩控制，河湖連通狀況受損進(jìn)而影響到江湖水量交換，湖泊水位等物理完整性參數(shù)；此外，鄱陽湖和洞庭湖受人類圍墾活動影響，湖泊面積顯著縮小，巢湖和太湖也受到不同程度的圍墾活動影響，因此選擇了湖泊暢通口門數(shù)和湖泊水面面積作為物理完整性的參數(shù)[22- 24]。

浮游植物、底棲動物、魚類和水生高等植物等水生生物通常用于表征湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康狀況[24]，本研究僅選擇了前3種生物類群，而沒有選擇水生高等植物，主要原因是水生高等植物的分布、生物量等參數(shù)不僅受人類活動干擾影響，更主要受水位、底質(zhì)、水動力和透明度等多種自然因素控制。洞庭湖和鄱陽湖大型通江湖泊的特征，加之季風(fēng)氣候影響，兩湖水位季節(jié)性變化強(qiáng)烈，水生高等植物發(fā)育良好，雖然兩湖水生植被受人類活動干擾，但是主要優(yōu)勢種類仍能夠通過有效的繁殖策略在湖泊中廣闊分布[35]。巢湖和太湖部分區(qū)域的水生植物消失雖然與閘壩建設(shè)、水體污染等人類活動密切相關(guān)，但近年來水生植物在某些區(qū)域仍在擴(kuò)張[24,36]。因此，四大淡水湖水生植物狀況的與湖泊生態(tài)完整性的關(guān)系仍待進(jìn)一步研究。此外，歷史調(diào)查數(shù)據(jù)中洞庭湖和鄱陽湖水生高等植物的資料不夠完整，故本研究沒有采用水生高等植物指標(biāo)。

4結(jié)論

(1)基于歷史資料構(gòu)建了四大淡水湖生態(tài)系統(tǒng)完整性評價參考狀態(tài)，從物理、化學(xué)和生物完整性3個方面構(gòu)建評價參數(shù)和綜合評價體系，結(jié)果顯示，洞庭湖和鄱陽湖生態(tài)系統(tǒng)完整性狀況等級為“好”的，而巢湖和太湖等級則為“一般”。

(2)與已有研究主要采用單一指標(biāo)或針對單個湖泊的研究相比，生態(tài)系統(tǒng)綜合完整性指標(biāo)能夠表征湖泊生態(tài)完整性各組成部分的受損狀況，基于歷史調(diào)查數(shù)據(jù)構(gòu)建參考狀態(tài)可反映四大淡水湖生態(tài)系統(tǒng)完整性歷史變化狀況，因此可以為湖泊生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和恢復(fù)提供科學(xué)支撐。

致謝：中國科學(xué)院鄱陽湖湖泊濕地觀測研究站為本研究提供鄱陽湖生態(tài)調(diào)查數(shù)據(jù),特此致謝。

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Aquatic ecological integrity assessment of four large lakes in the middle-to-lower reaches of the Yangtze River, China

HUANG Qi1, 2, GAO Junfeng1,*, ZHANG Yanhui1, 2, YAN Renhua1, 2, WANG Yan1, CAI Yongjiu1

1KeyLaboratoryofWatershedGeographicSciences,NanjingInstituteofGeography&Limnology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China

2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Abstract：Many freshwater lakes are distributed in the middle-lower reaches of the Yangtze River basin; they are of great importance as water supply resources and for aquatic eco-system maintenance. The evaluation of lake health and its variation is useful for environmental management of lake ecosystems. Numerous indices related to physical, chemical, and biological integrity are widely applied to assess the health of lake ecosystems. However, few studies have assessed the ecological integrity of lakes using a combination of physical, chemical, and biological integrity metrics in China, especially at a regional scale. Based on a review of previous research, a lake ecological integrity index (LEII) including physical, chemical, and biological (algae, macroinvertebrates, and fish) integrity metrics was developed to evaluate four large lakes in the middle-lower reaches of the Yangtze Basin. Reference conditions were defined mainly based on historical data collected in the 1950s and 1960s, when the status of lake ecological integrity was acknowledged as “good.” The final score for the lake ecosystems integrity index was calculated by combining the scores for physical, chemical, and biological integrity metrics. Additionally, the scores were divided into five categories, i.e., excellent, good, fair, poor, and very poor. The LEIIs of Lake Dongting, Poyang, Chaohu, and Taihu were 66, 71, 57, and 57, respectively. Based on the LEII scores, Lake Dongting and Lake Poyang were rated “good” and Lake Chaohu and Lake Taihu were “fair.” However, the individual indices showed different status for the four large lakes. For instance, the physical integrity index was higher than 80 for all lakes except Chaohu Lake (71), suggesting an “excellent” status. The highest score for the chemical integrity index was observed in Lake Poyang (71) and the lowest score in Lake Taihu (56). Three were rated as “good.” The biological integrity index ranged from 46 in Lake Taihu to 65 in Lake Poyang, two were rated as “fair.” The four large lakes suffered from various degrees of damage in physical, chemical, and biological integrity, and these differences demonstrated the effects of human activity on the ecological integrity of the four large lakes over the past 50 years. Consequently, the LEII can be used as a tool to assess the ecological integrity of the four large lakes along the Yangtze River, and the results provide a scientific basis for lake ecosystem restoration and protection.

Key Words:shallow lake; lake ecosystem; ecological integrity; assessment; middle-lower Yangtze River

DOI:10.5846/stxb201410101992

*通訊作者Corresponding author.E-mail: gaojunf@niglas.ac.cn

收稿日期:2014- 10- 10;

修訂日期:2014- 12- 18

基金項(xiàng)目:國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(2012CB417006)；國家水污染治理重大專項(xiàng)(2012ZX07501002-008, 2012ZX07506-001, 2012ZX07103003-04-01, 2012ZX07501-001-03)；江西省水利廳科技項(xiàng)目(KT201406)；鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江西師范大學(xué))開放基金(PK2015007)

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