寧夏星海湖水生態承載力研究

歐陽虹 徐麗娟 趙增鋒 邱小琮 孫旭楊 王世強 楊子超

摘要 [目的]探明星海湖水生態承載力狀況及其變化趨勢。[方法]于2015—2017年冬季（1月）、春季（4月）、夏季（7月）、秋季（10月）對星海湖水環境因子、生物因子進行采樣測定，構建評價指標體系，采用層次分析法計算指標權重，建立星海湖水生態承載力評價模型。[結果]BOD5對星海湖水生態承載力影響最大。壓力指數的季節性變化規律不顯著，呈中壓狀態，冬季至春季壓力指數在2015、2016年呈下降趨勢，在春季取得最小值，2017年呈上升趨勢，在春季取得最大值，屬于較高壓狀態;夏季至秋季壓力指數在2015年呈上升趨勢，由中壓狀態轉變為較高壓狀態，2016和2017年夏秋兩季均為中壓狀態。承載指數季節性變化規律顯著，在夏季取得最大值，冬季取得最小值，呈弱承載狀態。水生態承載指數季節性變化規律不顯著，呈弱可承載狀態，2015—2017年分別在秋季、夏季、夏季取得最大值，且2015年秋季水生態承載指數為3年數據的峰值，屬于基本可承載狀態。[結論]星海湖水生態承載力整體呈弱可承載狀態，BOD5是影響星海湖水生態承載力最重要的指標，應當及時采取治理措施以提高其水生態承載能力。

關鍵詞 水生態承載力;水環境因子;生物因子;層次分析法;指標體系;星海湖

中圖分類號 TV 213.4 ?文獻標識碼 A ?文章編號 0517-6611（2021）15-0063-05

Abstract [Objective] To explore the water ecological carrying capacity of Xinghai Lake and its changing trend.[Method]In the winter （January）， spring （April）， summer （July）， and autumn （October） from 2015 to 2017， the water environmental factors and biological factors of Xinghai Lake were sampled and measured， and the evaluation index system was constructed，the evaluation index system was constructed， index weight was calculated by the method of analytic hierarchy process， and the evaluation model of water ecological carrying capacity was established.[Result] BOD5 had the greatest impact on the ecological carrying capacity of Xinghai Lake.The seasonal variation of pressure index was not significant， and it was in the state of medium pressure. From winter to spring， the pressure index showed a downward trend in 2015 and 2016， reached the minimum value in spring， rose in 2017， and reached the maximum value in spring， belonging to a relatively high pressure state. From summer to autumn， the pressure index showed an upward trend in 2015， changing from medium pressure to relatively high pressure. The summer and autumn of 2016 and 2017 were both in the medium pressure state.The seasonal variation of loadbearing index was significant， which reached the maximum value in summer and the minimum value in winter， showing a weak load bearing state.The seasonal variation law of water ecological carrying capacity index was not significant， showing a state of weak carrying capacity. From 2015 to 2017， the water ecological carrying capacity index reached its maximum value in autumn， summer and summer respectively， and the water ecological carrying capacity index in autumn of 2015 was the peak of three years data， which was a basically loadable state.[Conclusion]The ecological carrying capacity of Xinghai Lake is in the state of weak carrying capacity.BOD5 is the most important indicator affecting the aquatic carrying capacity of Xinghai Lake. Timely treatment measures should be taken to improve its water ecological carrying capacity.

Key words Water ecological carrying capacity;Water environmental factors;Biological factors;Analytic hierarchy process;Index system;Xinghai Lake

基金項目 寧夏高等學校一流學科建設（水利工程）資助項目（NXYLXK2017A03）。

作者簡介 歐陽虹（1996—），女，江西南昌人，碩士研究生，研究方向：水資源與水環境調控。

*通信作者，教授，博士，博士生導師，從事水域生態學及水環境調控方面的教學與研究工作。

收稿日期 2020-12-02;修回日期 2020-12-23

生態系統由于受人類高強度大規模活動的影響，造成水生態環境污染，水資源短缺，水生物物種和數量大幅度減少，嚴重威脅著人類社會的可持續發展[1]。為了使人們認識到水生態系統對人類的承載能力，解決水資源與社會經濟發展間的矛盾，提出了水生態承載力。20世紀20年代，國外學者Park等[2]從種群角度出發，首次提出了生態承載力的概念，指物種個體數量在一定條件下存在最高極限;Bailey[3]將承載力分為生態承載力和經濟承載力。在生態承載力的不斷發展下，國內也取得不少成果，李林子等[4]將水生態承載力定義為在一定發展階段和空間內，在滿足水生態健康約束下，所能承載最大的人口和經濟規模;李靖等[5]認為水生態承載力是在一定條件下所能支撐人類社會經濟發展規模的閾值。開展水生態承載力的研究有利于人們對水生態問題的認識，并且能夠為經濟社會與生態環境和諧發展提供依據。目前，水生態承載力研究方法尚未統一，國內外常用的研究方法以層次分析法、主成分分析法、生態足跡法等為主。孫樹婷等[6]利用層次分析法對石漠化地區進行水生態承載力估算，廖寧等[7]應用主成分法判別西南山區典型河道型水庫營養狀態變化的主控因子并進行富營養化評價，李丹等[8]基于改進的生態足跡法對雅礱河源區2007—2014年的生態承載力現狀進行分析。層次分析法能夠進行多目標、多準則、多時期的系統評價但計算復雜，主成分分析法可極大避免主觀隨意性但目標相對單一，生態足跡法操作簡單但難以對水環境、生物需求等方面進行綜合評價，該研究經過綜合考慮選用層次分析法。

星海湖位于寧夏石嘴山市大武口區城區東部，分為北域、中域、南域、東域和新域共5個區域。星海湖區域面積為43 km2、水域為23 km2，已形成集防洪、蓄水、旅游、改善人居環境為一體的綜合性水域[9]。近年來，由于養殖業和旅游業的快速發展，大量污染物的排入，星海湖水環境遭到極大破壞[10]，水體呈中度富營養化狀態[11]。伍冠星等[12]對星海湖水質和富營養化狀態進行了研究，李陽[13]對星海湖天然補給水量及氟離子量進行了研究，針對星海湖水生態承載力的研究還處于空白。該研究通過構建星海湖水生態承載力指標體系，利用層次分析法對指標進行賦權，對星海湖水生態承載力進行綜合評價并分析其變化趨勢和影響因素，旨在為星海湖水生態環境綜合治理和經濟建設提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 數據采集及測定

根據星海湖地形及水文狀況等因素，共設置4個采樣點，采樣點布置如圖1所示。采樣時間為2015—2017年冬季（1月）、春季（4月）、夏季（7月）、秋季（10月）。

水樣采集及測定按照參考文獻[14-17]中的要求進行。測定的水質指標：透明度（SD）、高錳酸鹽指數（CODMn）、化學需氧量（CODCr）、葉綠素a（Chl.a）、總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮（NH3-N）、五日生化需氧量（BOD5）、pH、溶解氧（DO）。測定的生物指標：浮游植物密度、水生植物密度和多樣性指數、浮游動物密度、底棲動物密度和多樣性指數。

1.2 評價指標選取

該試驗所研究的星海湖以水質指標和水生物指標構建水生態承載力的候選指標。采用楊謙等[18]使用的方法進行指標的無量綱標準化處理，并利用方差最大正交旋轉法篩選荷載值大于0.6的指標作為水生態承載力的評價指標[19]。2015、2016和2017年旋轉后荷載值小于06的指標分別為pH、透明度和浮游植物多樣性指數;pH、透明度和浮游動植物多樣性指數;SD、DO、CODCr、Chl.a和浮游動植物多樣性指數。綜合考慮選取CODMn、NH3-N、TN、TP、BOD5、浮游植物密度、水生植物密度和多樣性指數、浮游動物密度、底棲動物密度和多樣性指數為評價指標。

1.3 研究方法

在構建指標體系過程中，各個指標的重要程度不同，因此該研究采取層次分析法進行權重計算。

1.3.1 指標體系的建立。

該研究遵循指標體系的構建原則[20]并結合因子分析所篩選出的評價指標，將星海湖水生態評價體系分為目標層（A）、準則層（B）、領域層（C）、指標層（D）4個層次，A、B、C、D各層要素如圖2所示。

1.3.2 指標權重的確定。

權重的確定是多指標綜合評價中的一個重要環節，指標權重的科學合理性在很大程度上影響到綜合評價結果的正確性。該研究根據星海湖水生態承載力評價指標體系，使用DPS軟件分別構建A-Bi、B2-Ci、C1-Di、C2-Di、C3-Di的判斷矩陣，判斷矩陣設為 A=（aij）n×n，其中aij>0，且aji=1/aij（i，j=1，2，…，n），并求出判斷矩陣的最大特征值λ max與其對應的特征向量 ω 。隨后，進行層次單排序、層次總排序和一次性檢驗[21]，若一次性檢驗中CR<0.10則視為合格，歸一化特征向量 Wi 的各個分量值就是各評價指標的權重。

1.3.3 評價模型的建立。

該研究采用指標綜合評價法從水生態支持力和水環境壓力2個方面來綜合評價湖泊的水生態承載力[17]，計算承載力結果，參考楊子超[22]計算沙湖的分級標準，水生態承載力分級評價標準如表1所示。

2 結果與分析

2.1 指標權重的確定

使用DPS計算各指標權重，計算結果見表2。在準則層中，壓力系統、支持力系統權重分別為0.750、0.250，表明壓力系統對水生態承載力影響最大。在領域層中，針對水質常規指標的5個指標中，D5（BOD5）對其起決定性影響，權重為0.321;針對植物多樣性承載力狀況的3個指標中，D7（水生植物密度）對其起決定性影響，權重為0067;針對動物多樣性承載力狀況的3個指標中，D10（底棲動物密度）對其起決定性影響，權重為0.036。綜上所述，BOD5對星海湖水生態承載力影響最大。BOD5主要反映水體中可以被生物利用的有機物污染程度，是水中有機化合物等需氧物質含量的一個綜合指標，其數值越高，表明水體污染越嚴重[23]。鄭燦等[15]在對星海湖浮游植物與水環境因子之間的相關性分析中，也得出BOD5對浮游植物生物量影響較大。

2.2 星海湖壓力系統評價

壓力系統的綜合評價用壓力指數來表示。從表3和圖3可以看出，2015—2017年星海湖壓力指數的季節性變化規律不顯著。2015和2016年由冬季到春季壓力指數呈下降趨勢，在春季取得最小;2017年星海湖壓力指數由冬季至春季呈上升趨勢，并在春季達到最大值（0.615），屬于較高壓區。2015年夏季至秋季壓力指數呈上升趨勢，由中壓狀態轉變為較高壓狀態;2016和2017年夏秋兩季均為中壓狀態，且壓力指數有減輕的趨勢。年度變化上看，2015—2017年壓力指數分別為0.48、0.42、0.46，整體呈中壓狀態，水環境所受壓力較大，與黃志國[9]對星海湖富營養狀態評價為輕度富營養化、生態系統處于不健康狀態的結果一致。造成星海湖水環境壓力指數較大的主要原因在其自然因素和人為因素兩方面。自然因素主要是指星海湖的主要補水源是黃河水，受蒸發量的影響，且缺乏對外擴散的途徑，積累的污染物不斷濃縮;人為因素是指星海湖周邊水域的水產養殖投放飼料帶來的氮磷等營養物質過剩，加劇星海湖水體富營養化[24]。應及時采取措施，應用生態漁業的養殖方式，禁止外源營養物質進入;針對黃河補水，建立嚴格的水源輸入機制，關注黃河補水帶入的污染物。

2.3 星海湖支持力系統評價

支持力系統的綜合評價用承載指數來表示。從表4和圖4可以看出，2015—2017年星海湖四季承載指數季節性變化規律顯著，星海湖承載指數大致呈倒“V”型，夏季之前承載指數呈上升趨勢，夏季之后開始下降，承載指數在夏季取得最大值，在冬季取得最小值。星海湖流域屬于典型的大陸性氣候，夏季陽光充足、植被生長情況良好，生態系統穩定程度較高，夏季承載指數最大表明星海湖在夏季受到外界干擾時，生態系統抗干擾能力和自我恢復能力較強。夏春龍[25]分析水庫浮游植物群落結構得出夏季浮游植物密度、豐富度較高;趙睿智等[26]分析星海湖水生生物群落結構也得出浮游動植物夏季密度和生物量最高，冬季較低。從年度變化上看，2015—2017年星海湖承載指數分別為0.145、0.138、0.131，呈逐年下降趨勢，均屬于弱承載狀態。吳岳玲等[27]用灰關聯法對寧夏星海湖進行生態健康狀況分析，表明星海湖處于亞健康狀態，兩者得出的結果具有一致性。推測由于星海湖流域旅游業快速發展，人類活動對生態環境自我修復產生擾動，如劃船、游艇等，加劇了人為因素對湖底的擾動，使得底泥中的氮磷分解釋放速率加快[28]。應加強周邊旅游設施管理，確保無餐飲污水直排星海湖;合理增設公共衛生設施;加強對生態保護宣傳，提高人們生態保護意識。

2.4 星海湖水生態承載力評價

水生態承載力指數是由壓力指數和承載力指數共同作用的結果。從表5和圖5可以看出，2015年星海湖水生態承載力在秋季達到最大值，2016和2017年星海湖水生態承載力在夏季達到最大值，且2015—2017年四季水生態承載力指數排序均存在差異。2015年星海湖水生態承載力指數由大到小依次為秋季、夏季、冬季、春季;2016年星海湖水生態承載力指數由大到小依次為夏季、秋季、冬季、春季;2017年星海湖水生態承載力指數由大到小依次為夏季、秋季、春季、冬季。2015年秋季星海湖水生態承載指數為3年數據的峰值，達到0.583，屬于基本可承載狀態。從年度變化上看，2015—2017年星海湖水生態承載力指數分別為0.39、0.35、0.38，介于0.21～0.40，處于弱可承載狀態，與楊海江等[28]分析星海湖水質得出水質級別達到Ⅴ類，水質狀況污染嚴重，不采取行動將進一步惡化的結論一致。星海湖污染源為漁業養殖、生活污水、黃河補水、山洪水、干濕沉降等[11]。針對星海湖水環境現狀，除有效控制排污外，及時有效地清淤可以控制內源污染、增設星海湖緩沖帶、引進適應星海湖氣候和環境的植物群落可以凈化功能改善星海湖水質，提高其承載指數進而加強星海湖水生態承載力。

3 結論

（1）BOD5主要反映水體中可以被生物利用的有機物污染程度，是水中有機化合物等需氧物質含量的一個綜合指標。在星海湖水生態承載力權重分析中，BOD5對星海湖水生承載力影響最大。

（2）星海湖壓力指數的季節性變化規律不顯著，2015—2017年壓力指數分別為0.48、0.42、0.46，整體呈中壓狀態。2015和2016年壓力指數由冬季到春季呈下降趨勢且在春季取得最小，2017年呈上升趨勢，并在春季達到最大值。2015年夏季至秋季壓力指數呈上升趨勢，由中壓狀態轉變為較高壓狀態;2016和2017年夏秋兩季壓力指數呈減輕趨勢，均為中壓狀態。

（3）星海湖承載指數季節性變化規律顯著，2015—2017年星海湖承載指數分別為0.145、0.138、0.131，整體呈弱承載狀態。星海湖承載指數大致呈倒“V”型，夏季之前承載指數呈上升趨勢，夏季之后開始下降，承載指數在夏季取得最大值，在冬季取得最小值。

（4）星海湖水生態承載指數季節性變化規律不顯著，2015—2017年星海湖水生態承載力指數分別為0.39、0.35、0.38，處于弱可承載狀態。2015年星海湖水生態承載力指數由大到小依次為秋季、夏季、冬季、春季;2016年星海湖水生態承載力指數由大到小依次為夏季、秋季、冬季、春季;2017年星海湖水生態承載力指數由大到小依次為夏季、秋季、春季、冬季。

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