基于層次分析法的高原湖泊生態系統評價—以沙湖為例

摘 要：基于國內外湖泊生態系統評價體系，提出了“3要素17指標”作為沙湖生態系統評價的指標體系。評價結果顯示，沙湖生態系統評價體系中“整體功能”賦分較低，“社會影響”賦分較高，沙湖生態系統整體處于一般穩定狀態。建議從控制黃河輸水量及水質、降低工農業污染、提高沙湖水質等方面開展湖泊生態整治，以期為沙湖生態治理、保護和修復提供理論支持。

關鍵詞：層次分析法；生態系統；評價指標；評價體系；沙湖

中圖分類號：X82 文獻標志碼：A 文章編號：1673-9655（2024）04-00-05

0 引言

近年來，隨著我國經濟快速發展以及過度砍伐，過度捕撈等人類活動的干擾，造成湖泊生態系統嚴重失穩，因此湖泊生態系統評價成為了生態學領域研究的熱點[1-3]。20世紀90年代，J?rgensen提出了一套有關生態系統評價的初步評價程序[4]。

2004年劉永等[5]建立了包含外部指標、環境要素狀態指標和生態指標的河流健康評價體系綜合評價了滇池的生態系統健康狀態。2014年李冰等[6]在常用的湖泊生態系統評價方法的基礎上，借鑒環境質量評價、可持續發展評價等領域的評價方法，探討不同時空尺度更為完善的湖泊生態系統評價方法。趙建鵬等[7]基于驅動力-壓力-狀態-響應模型和熵權-變異系數綜合賦權法對2010—2020年間黃河流域甘肅段57個區縣進行了生態系統健康評價，發現2016年是黃河流域甘肅段水質改善的轉折年。高麗萍[8]等以“壓力-狀態-響應”（PSR）概念模型為基礎，確定2010—2017年滇池流域生態系統健康等級，結果表明：2010—2017年流域發生了亞健康狀態向健康狀態的轉變。

沙湖地處西北半干旱地區且海拔高達1100 m，環境惡劣，因此沙湖生態極為脆弱，同時沙湖作為寧夏地區最大的天然微咸湖泊，在調節氣候、維持生態穩定、降解污染物質、保護生物多樣性、發揮人文多樣性等方面發揮重要作用[9]。隨著當地工農業快速發展，沙湖水質急劇惡化，盡管當地政府采取多種措施降低沙湖水體中污染物濃度，但其生態系統仍有退化趨勢。因此本文基于沙湖水體狀況，提出了“3要素17指標”作為沙湖生態系統評價的指標體系，采用層次分析法綜合評價沙湖生態系統，以期為沙湖生態治理、保護和修復提供支撐和參考。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區域概況

沙湖坐落于中國西北部寧夏回族自治區平羅縣境內，為蝶形淺水湖泊，主要湖區面積8.2 km2，海拔在1098～1099 m。沙湖平均水深2.2 m，最大水深4～6 m，含鹽量約為1.1 g/L。沙湖多受西北干冷大陸性氣團控制，屬于典型的大陸型氣候，日照充足、干旱少雨且降水集中、晝夜溫差大、蒸發量大；年平均氣溫9.5℃；年均降水量141.1 mm；年均蒸發量是年均降水量的15倍，約2194.3 mm。

1.2 監測點布設及采集方法

根據沙湖地勢地貌、人類活動以及水文等特征，同時考慮調水入口、國控點等重要節點位置，在沙湖共布設9個監測點位，具體位置見圖1。

采樣時間選擇水面平靜時進行，采樣前先將采樣瓶用待測水樣潤洗2～3次，然后將采樣瓶深入湖面25 cm深的位置采樣。采樣結束后，水樣送往監測站檢測水質指標。

1.3 評價指標選擇

本文采用層次分析法[10]構建沙湖生態系統評價模型。結合沙湖自身生態系統特征，從沙湖生態系統的整體出發，將生態、社會、經濟等因素綜合起來，參考國內生態系統綜合評價指標體系，并根據生態系統評價指標選取的原則，提出了“3要素17指標”作為沙湖生態系統評價的指標體系，從而完整反映沙湖生態系統狀況。評價體系具體見圖2。

1.4 構造比較判斷矩陣

比較判斷矩陣A：假設環境系統中有n個環境因子，每兩個因子之間需要比較相對重要性，由此可得到一個n×n的判斷矩陣A：

式中：aij—因子i相對因子j的重要性，顯然：aii=1，aij=1/aji。本文采用1-9及其倒數的標度方法，標度詳見表1。

1.5 一致性判斷

由于本文選用指標過多且對相同的事物認識都有一定的客觀性和模糊性，因此需要計算矩陣的一致性進行檢驗判斷。評價判斷矩陣的一致性檢驗公式如下：

CI的計算值大小反映了矩陣的一致性，通常認為如果CI越大則表示矩陣的一致性越差，而如果所得的λmax=n則表示該矩陣具有完全一致性。具體在分析時可通過比較RI值與CI值的關系來檢驗一致性：

若CR＜0.1則證明矩陣一致性通過檢驗，如果不能滿足此條件，則必須重新對判斷矩陣進行調整。1～10階矩陣的RI值如表2所示。

1.6 評價指標綜合評分與評分標準

按照目標層、準則層及指標層逐層加權的方法，計算沙湖生態系統的最終評價結果，計算公式如下：

式中：ESIi—第i個方案層的生態系統綜合賦分；Bi—第i個方案層的值；Wi—第i個方案層的權重。

采用百分制，根據湖泊生態綜合賦分，將湖泊生態狀態進行劃分。具體賦分標準見表3。

2 沙湖評價結果

2.1 指標結果與分析

2.1.1 “整體功能”準則層評價結果

（1）鹽漬化程度越強，水質就會越惡劣，水生動植物將難以生存。本文用沙湖含鹽量表征鹽漬化程度。根據監測結果顯示2020年沙湖整體含鹽量為1099.59 mg/L，湖泊鹽漬化賦分79。

（2）沙湖年均降雨量141.1 mm，年際降水分布不均，多雨年降水量（308.4 mm）是少雨年（68.6 mm）的4倍；且年內月際降水量變化大，7、8、9 三個月降水量占全年降水量的75%左右，冬季只占全年降水量的10%左右。因此沙湖降水量賦分14。

（3）年均蒸發量為2194.3 mm，約為年降水量的15倍，年際變化范圍 50～300 mm。年干燥度4.3，除8月份干燥度為2.05，其它各月都＞2.3。蒸發量賦分18。

（4）外源氮磷輸入量越多，湖泊富營養化越嚴重。沙湖外源氮磷輸入以黃河補水為主。通過查閱相關資料和文獻發現[11]，2020年沙湖外源氮磷年輸入量約為115.008 t，是2015年外源氮磷年輸入量（46.99 t）的2.45倍。沙湖外源氮磷輸入量賦分46。

（6）水生植物覆蓋面積越大，說明湖泊生態就越穩定，同時也能反映沙湖對外源性污染的抵抗能力。沙湖主要水生植物為蘆葦，因此本文以蘆葦覆蓋面積代替水生植物覆蓋面積。結合無人機航拍和遙感衛星解譯，沙湖水生植物覆蓋面積為4.52 km2，水生植物覆蓋面積賦分81。

（7）水體的水質狀況是反映湖泊生態系統的重要指標，較好的水質是湖泊維系其生態可持續發展的條件之一。水質狀況是由評價時段內最差的理化因子的水質類別代表湖泊的水質類別，選取的理化因子為總氮、總磷、氨氮、溶解氧、硝酸鹽、高錳酸鹽指數。根據監測結果顯示，2020年沙湖水質類別為Ⅲ類，賦分70。

綜合上述7項指標賦分情況，“整體功能”準則層賦分53.34分。

2.1.2 “生態特征”準則層評價結果

（1）水體中葉綠素a含量與水質污染程度密切相關，同樣也可以判斷湖泊的穩定狀態。監測數據顯示2020年沙湖葉綠素a的年平均濃度為8.19 μg/L，賦分65。

（2）物質生產是指湖泊生態系統生產的可以用于市場交換的物質產品，主要包括魚類產品和農業產品。物質生產效益越大，說明湖泊生態被破壞的越嚴重。本文選取農業和漁業產品的市場價格來衡量沙湖物質生產功能。通過查閱寧夏石嘴山統計年鑒可得2020年沙湖地區物質生產為30.382億元，賦分41。

（3）若湖泊生態系統穩定，其提供生物棲息地功能必然強大，即生物棲息地面積大，因此本文用生物棲息地面積表征湖泊提供生物棲息地功能。沙湖總面積約80 km2，其中沙漠面積約占22 km2，生物棲息地面積58 km2，賦分73。

（4）湖泊作為一個生態系統，能凈化一定數量的污染物，有利于湖泊生態和人類的安全。本文用湖泊年均流量表征了環境容量，進而表征湖泊對污染物的凈化能力。2020年沙湖水質凈化能力為3892.957×104元/年，賦分68。

綜合上述5項指標賦分情況，“生態特征”準則層賦分65.24分。

2.1.3 “社會影響”準則層評價結果

（1）通過人口數量的分布狀況，反映在人口脅迫下其生態系統狀態。計算公式：人口密度=總人口/總面積，式中：總人口：沙湖流域的總人口，總面積：沙湖流域的總面積。根據寧夏石嘴山統計年鑒得出沙湖地區2020年人口密度142人/km2，賦分86。

（2）經濟結構中第三產業具有資源消耗相對較低，環境污染少的特點，因此第三產業占比越大，區域環境污染就會越少。沙湖區域2020年第三產業占比38.5%，較2018年增長6.7%，區域經濟結構賦分60。

（3）政策法令貫徹力度、管理水平通過現場調查方式，即現場隨機采訪50位當地人。根據調查結果，50人全部認為當地政策法令全面貫徹，積極落實；管理機構合理，人員素質高。因此政策法令貫徹力度、管理水平賦分均為100。

（4）隨著人口的增長和經濟的發展，城鎮化水平不斷提高，人地矛盾激增，所以人類對湖泊生態的破壞性干預越來越嚴重，大大影響到湖泊的功能和結構屬性，從而影響湖泊生態穩定性。據寧夏石嘴山市統計年鑒數據顯示沙湖地區2020年城鎮化率為53.67%，賦分65。

綜合上述5項指標賦分情況，“社會影響”準則層賦分84.09分。

2.2 沙湖生態系統評分結果

如表4所示，根據“整體功能”“生態特征”和“社會影響”3個準則層對沙湖生態系統狀況進行總體評估，綜合得分73.11分，沙湖生態系統整體處于一般穩定狀態。

3 討論

（1）沙湖“整體功能”影響因素分析。沙湖“整體功能”中有3個指標賦分低于60，處于不穩定狀態。這是因為沙湖地處西北半干旱地區，氣候條件惡劣，降雨量少，而蒸發量多；為維持沙湖總體水量，每年需調黃河水，近年來黃河年調水量均達2000萬m3以上，但由于黃河的氮磷濃度高于沙湖，因此調水期間沙湖氮磷濃度升高。沙湖“整體功能”中其它4個指標處于穩定狀態。如沙湖含鹽量從2010年的4300 mg/L[12]降至2020年1100 mg/L左右，這得益于黃河補水的稀釋作用。沙湖水生植物覆蓋面積增大則是當地政府在調水入口區設置人工濕地（水生植物主要為蘆葦），用于凈化黃河補水的水質。

（2）沙湖“生態特征”影響因素分析。“生態特征”準則層中只有物質生產功能指標賦分低于60。據相關資料顯示，農業、畜牧業和漁業是沙湖自然保護區經濟的主導產業；而農業、畜牧業和漁業產生的尾水直接排放入沙湖流域，這對沙湖生態破壞是巨大且不可逆的。

（3）沙湖“社會影響”影響因素分析。“社會影響”準則層中5個指標均處于穩定狀態。一是沙湖坐落于西北地區，地廣人稀，人類活動對其影響較小。二是近年來，在當地政府的倡議和支持下，沙湖利用其獨特的自然資源，開辟生態旅游區；旅游業正逐步成為區內的主導產業。

4 結論

（1）基于層次分析法評價沙湖生態系統狀態，發現沙湖生態系統評價體系中“整體功能”賦分較低，“社會影響”賦分較高，沙湖生態系統整體處于一般穩定狀態。

（2）為提高沙湖生態系統穩定性，可從以下三個方面著手：一是控制黃河輸水量，即黃河引水量不僅要維持沙湖總體水量，也要避免黃河引水量過多造成沙湖水質惡化，同時需降低黃河水中污染物濃度；二是政府要大力支持旅游業替代農業、畜牧業和漁業成為沙湖區域的主導產業，降低人類活動對沙湖生態的影響；三是進一步提高沙湖水質，如提高沙湖水生植物面積、增加水體流動性、淤泥清理等措施。

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