星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)

吳岳玲，郭 琦，邱小琮，雷興碧，李世龍

(1.寧夏大學(xué)土木與水利16:16 2020/8/11工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

0 引 言

生態(tài)系統(tǒng)功能的正常運(yùn)行是保障生態(tài)系統(tǒng)健康的前提。健康的水生生態(tài)系統(tǒng)為人類提供了合乎自然和滿足其需求的生態(tài)服務(wù)，對(duì)保護(hù)和維持水環(huán)境的各項(xiàng)正常功能起著舉足輕重的作用[1-2]。對(duì)湖泊進(jìn)行水生生態(tài)健康研究及評(píng)價(jià)，能夠準(zhǔn)確反映出水體的受污染程度以及湖泊水生生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的變化趨勢(shì)；進(jìn)而分析得出水體污染的主要因子及其主要因子的變化趨勢(shì)和影響湖泊水生生態(tài)系統(tǒng)的不利因素，從而改正和調(diào)整威脅到湖泊水生生態(tài)系統(tǒng)健康的人類活動(dòng)。目前，水生生態(tài)健康評(píng)價(jià)的方法主要有模糊綜合評(píng)價(jià)法[3]、灰色關(guān)聯(lián)法[4]、指數(shù)評(píng)價(jià)法[5]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[6]、主成分法[7-9]等。許多中國(guó)學(xué)者已將這些方法應(yīng)用到了實(shí)踐中[10-12]。水生生態(tài)系統(tǒng)的健康評(píng)價(jià)已經(jīng)引起越來越多國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。星海湖位于寧夏回族自治區(qū)石嘴山市大武口區(qū)城區(qū)東部，區(qū)域總面積48.08 km2，湖水面積24 km2，平均水深1.8 m，是國(guó)家級(jí)的濕地公園，在調(diào)節(jié)氣候和改善生態(tài)環(huán)境等方面起著重要的作用。隨著星海湖旅游業(yè)的發(fā)展和過度不合理的開發(fā)利用水資源，使得星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重破壞。

本文對(duì)星海湖2015年～2017年的水環(huán)境因子進(jìn)行采樣測(cè)定，采用主成分分析法對(duì)星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)候選指標(biāo)進(jìn)行篩選，運(yùn)用灰關(guān)聯(lián)法對(duì)星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，為星海湖水生生態(tài)健康評(píng)價(jià)確定更為客觀可靠的方法。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 樣點(diǎn)布設(shè)與采樣時(shí)間

根據(jù)星海湖的形狀共設(shè)置了4個(gè)采樣點(diǎn)，具體如圖1所示。采樣時(shí)間為：2015年～2017年的1月(冬)、4月(春)、7月(夏)、10月(秋)。

圖1 星海湖采樣點(diǎn)設(shè)置

1.2 水樣的采集與測(cè)定

水樣采集按照HJ495—2009《水質(zhì)采樣方案設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》、HJ494—2009《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)》、HJ493—2009《水質(zhì)樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定》中的要求進(jìn)行，水樣的測(cè)定方法見表1。

表1 水環(huán)境因子測(cè)定方法

1.3 研究方法

1.3.1星海湖候選指標(biāo)體系構(gòu)成

星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的候選指標(biāo)包括高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、葉綠素a(Ch1.a)、浮游植物生物量(D)、底棲動(dòng)物H、水生植物H等理化指標(biāo)。浮游植物生物量、浮游植物Shannon-Wiener指數(shù)(H′)、浮游動(dòng)物Shannon-Wiener指數(shù)(H′)、底棲動(dòng)物Shannon-Wiener指數(shù)(H′)、水生植物Shannon-Wiener指數(shù)(H′)[14-15]等生物學(xué)指標(biāo)能夠反映水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和生物多樣性特征。同時(shí)選取能夠反應(yīng)水體富營(yíng)養(yǎng)化特征的指標(biāo)綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)[16-18]，共同構(gòu)成星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的候選指標(biāo)。

Shannon-Wiener物種多樣性指數(shù)

H′=-∑(ni/N)log(ni/N)

(1)

式中，ni為第i種生物的個(gè)體數(shù)；N為生物總個(gè)數(shù)。

綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

TLI(Σ)=∑Wj·TLI(J)

(2)

式中，Wj為第j種參數(shù)的營(yíng)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(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

1.3.2指標(biāo)篩選方法

主成分分析[9]是在數(shù)據(jù)信息損失保持最小的前提下，又能使得問題變得簡(jiǎn)單、直觀的目的之下，將高維復(fù)雜的問題降到低維度去分析，以少數(shù)的綜合變量取代原始采用的多維變量。

將星海湖2015年至2017年1月(冬)、4月(春)、7月(夏)、10月(秋)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，對(duì)因子載荷矩陣采用方差最大正交旋轉(zhuǎn)法進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，按照累積方差貢獻(xiàn)率為85%提取出主成分，然后選擇旋轉(zhuǎn)后載荷值大于0.6的指標(biāo)作為評(píng)判星海湖健康屬性的指標(biāo)[19-20]。

1.3.3評(píng)價(jià)指標(biāo)體系權(quán)重的確定

將上述選定的指標(biāo)體系對(duì)其進(jìn)行主成分分析，按照85%的累積方差貢獻(xiàn)率提取出2個(gè)主成分，得到主成分的特征值、方差貢獻(xiàn)率和旋轉(zhuǎn)后因子載荷值，并根據(jù)主成分相應(yīng)的特征值、方差貢獻(xiàn)率計(jì)算出各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值[21-22]。即

(3)

式中，aij為因子i在第j個(gè)主成分中的因子得分系數(shù)(特征值)，即第i個(gè)因子對(duì)第j個(gè)主成分的貢獻(xiàn)；Ej為該主成分對(duì)應(yīng)方差的貢獻(xiàn)率；Wi為第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重值。然后，對(duì)Wi進(jìn)行歸一化處理，可得各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重。

2 結(jié)果與分析

2.1 星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)的選定

將星海湖的各水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，按照85%的累積方差貢獻(xiàn)率提取出2個(gè)主成分，按照因子荷載值大于0.6的原則，篩選出葉綠素a、浮游植物生物量、底棲動(dòng)物H、水生植物H等10個(gè)因子作為星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的指標(biāo)(見表2)。

表2 2015年～2017年旋轉(zhuǎn)后因子荷載值

表3 2015年～2017年評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重和歸一化權(quán)重

2.2 星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)成及權(quán)重

將篩選出的10個(gè)星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)因子根據(jù)分析結(jié)果計(jì)算出各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，對(duì)10項(xiàng)權(quán)重進(jìn)行求和，用單項(xiàng)指標(biāo)除以權(quán)重和即可得到各指標(biāo)歸一化權(quán)重(見表3)。

2.3 星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系

水體理化指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》為依據(jù)，分為很健康、健康、亞健康、不健康和病態(tài)5個(gè)等級(jí)，其分別對(duì)應(yīng)于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)。星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系見表4。

星海湖2015年～2017年各季節(jié)指標(biāo)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度見表5。

水生生態(tài)系統(tǒng)包含多個(gè)理化和生物因子，如何從這些眾多的因子中選取適當(dāng)?shù)囊蜃幼鳛樵u(píng)價(jià)水生生態(tài)系統(tǒng)健康的指標(biāo)，是水生生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。本文篩選出的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要由4部分構(gòu)成：第一部分包含的因子為浮游植物生物量、底棲動(dòng)物H′、水生植物H′，是水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多樣性和完整性的綜合反映，也是水生生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)中的重要組成部分。第二部分的因子為Chl.a、TLI(Σ)，主要描述水體懸浮物、溶解鹽類等的含量。第三部分包含的因子為TN、NH3-N、TP，主要描述水體氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的構(gòu)成和含量。第四部分包含的因子為CODMn、BOD5，主要描述水體有機(jī)物的含量。

從星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)葉綠素值的變化來看，2015年葉綠素值在秋季時(shí)達(dá)到最大，2016年～2017年其值在夏季時(shí)達(dá)到最大。葉綠素a是反映浮游藻類引起的水體污染指標(biāo)，2015年～2017年葉綠素a值不斷變大，說明2015年～2017年間星海湖水體污染程度不斷變大，尤其是2016年～2017的夏季，其原因是夏季河道補(bǔ)水量大，大量有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)鹽進(jìn)入水體，藍(lán)藻大量繁殖，形成優(yōu)勢(shì)種，抑制了其他類浮游植物的生長(zhǎng)，浮游植物多樣性下降，導(dǎo)致星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重影響。星海湖補(bǔ)水主要源于黃河灌渠生態(tài)補(bǔ)水和農(nóng)灌退水，補(bǔ)水季節(jié)主要是在春季、夏季和秋季，星海湖春、夏和秋季的CODMn、BOD5、NH3-N、TN、Chl.a均高于冬季，在夏季時(shí)指標(biāo)達(dá)到最大。冬季屬于枯水期，外源水幾乎不會(huì)補(bǔ)充到星海湖中，所以其指標(biāo)值達(dá)到最小。2015年星海湖表征水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度指標(biāo)TLI(Σ)在秋季達(dá)到最大值，2016年～2017年均在夏季達(dá)到最大值，且2016年～2017指標(biāo)在夏季的最大值高于2015年秋季，也說明星海湖夏季水體污染嚴(yán)重。星海湖水生植物群落結(jié)構(gòu)不均衡，多樣性較低，其自然演替速度不能適應(yīng)目前星海湖外源污染物的壓力脅迫，對(duì)氮營(yíng)養(yǎng)鹽的降解能力不足，以及星海湖周圍人類生活污水(生活中使用的各種洗滌劑和污水、垃圾)直間排放到湖中，增大了湖水中NH3-N、TN、TP的含量，致使星海湖夏季水生生態(tài)系統(tǒng)逐漸遭到破壞，最終呈不健康狀態(tài)。

表4 星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系

表5 星海湖2015年～2017年各季節(jié)指標(biāo)與健康等級(jí)關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)通過主成分分析法對(duì)星海湖水環(huán)境的主要因子進(jìn)行排序，得出影響星海湖水生生態(tài)健康狀況的主要因子是NH3-N、CODMn和BOD5，運(yùn)用灰關(guān)聯(lián)法對(duì)星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果表明，2015年～2017年星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康狀況整體呈亞健康狀態(tài)。

(2)從季節(jié)變化看，2015年～2017年冬季星海湖水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況均呈健康狀態(tài)，2015年～2017年春季和秋季的水生態(tài)健康狀況呈亞健康狀態(tài)；2015年星海湖夏季水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況呈亞健康狀態(tài)；2016年～2017夏季水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況呈不健康狀態(tài)。

(3)星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不均衡，多樣性較低，對(duì)氮營(yíng)養(yǎng)鹽的降解能力不足，以及城鎮(zhèn)生活污水的排放(生活中使用的各種洗滌劑和污水、垃圾)是導(dǎo)致星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)處于亞健康的主要原因，因此，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)星海湖的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，降低星海湖外源性的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽含量，將其控制在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，重建和恢復(fù)水生生態(tài)系統(tǒng)，保證其結(jié)構(gòu)的完整性和功能的穩(wěn)定性。