2017, Vol. 37
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生态系统健康是生态系统的综合特性, 这种特性可以理解为在人类活动干扰下生态系统本身结构和功能的完整性(Rapport et al., 1999；Costanza et al., 1992).在众多自然生态系统(如海洋、湖泊、森林)健康状况日益恶化的情况下, 生态系统健康逐渐成为当前生态环境领域的研究热点(倪玮怡等, 2014).
近年来, 对生态系统健康评价的研究主要集中在生态系统健康内涵的精准定义和如何对其进行评估的方法上(刘焱序等, 2015).目前, 关于生态系统健康评价的主要方法可分为指示物种法和指标体系法.最近一些研究利用指示物种法分别对草原生态系统、森林生态系统和湖泊生态系统进行健康评价(王立新等, 2008；蔡琨等, 2016).但这些研究表明, 指示物种法一般适用于单一生态系统, 定量精度需求相对较高, 需要大量的物种实测数据.也有一些研究利用指标体系法对生态系统进行了健康评价(袁菲等, 2012；解雪峰等, 2015), 有学者指出, 指标体系法不受生态系统数量、类型、数据源的限制(刘焱序等, 2015), 可以从不同角度和尺度描述生态系统的基本特征, 并能结合物理、化学和生态病理学等方法, 较全面地反映生态系统的结构、功能及受胁迫后的恢复力等状况(解雪峰等, 2015).因此, 目前较多对生态系统的健康评价一般应用指标体系法进行.
对湖泊生态系统进行健康评价需要从病症、活力、恢复力、多样性、自我平衡和保持系统组分间平衡等6个方面做出综合评价(Xu et al., 2001).目前国内外在湖泊生态系统健康方面的研究较多, 研究人员根据自己的研究对象、研究内容提出了许多方法, 也有学者借鉴目前广泛应用在水资源和水环境领域的生态系统健康评价方法, 如模糊综合评价法、综合指数法(刘永等, 2004；许文杰等, 2010)、生态系统健康指数(EHI)法、灰色评价法、生物完整性指数(蔡琨等, 2016)等对湖泊生态系统进行健康评价.但目前对湖泊生态系统健康评价的研究仍然存在一些问题, 例如, 对湖泊生态健康的认识不够深入, 指标选取的科学性不足等.在近几年对湖泊生态系统的健康评价中, 建立指标体系时比较单一, 多以自然因素为主, 只考虑生物方面的指标或者水质状况.但现阶段, 湖泊生态系统为自然-社会-经济复合生态系统, 受人为管理及经济因素影响极大, 仅从自然因素方面考虑指标体系是不完整的.
本研究在对江汉湖泊群湿地资源调查的基础上, 结合江汉湖泊群生态系统的特征, 从系统特征的角度选取生物特征、水质特征、生境特征和生态压力多方面指标, 通过层次分析方法确定各指标权重, 并采用生态系统健康综合指数法对江汉湖群典型湖泊进行生态系统健康评价.以期为江汉湖群的分类管理和湖泊生态修复与重建提供参考依据.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 研究区域江汉湖群是长江中游地区的平原湖泊群(宁龙梅等, 2007), 其中, 梁子湖、洪湖、长湖、斧头湖和武湖为较大的湖泊(表 1, 图 1), 是典型的湖泊湿地生态系统, 具有水量调蓄、农田灌溉、水产养殖、城镇供水等多种功能, 也是迁徙水禽极其重要的越冬地和水生、湿生植物重要的栖息地(金伯欣, 1992).改革开放以来, 随着经济的快速发展, 渔业规模养殖和旅游业的过快、无序发展, 使得当地对湖区及周围资源的开发强度越来越大, 区域内湖泊生态环境均已不同程度地遭到破坏, 已严重影响到区域生态平衡和经济社会的可持续发展(宁龙梅等, 2007).
| 表 1 江汉湖群5个湖泊基本情况 Table 1 Basic condition of five lakes in Jianghan lake group |
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| 图 1 江汉湖群及典型湖泊分布示意图 Fig. 1 Distribution of Jianghan lake group and typical lakes |
本文所用数据主要来源于2011年3—12月湖北省第2次湖泊湿地调查, 调查组对湖北省较大的湖泊及武汉市28个城市湖泊进行了重点调查.通过野外调查主要得到生物特征和水质数据, 其中, 对于湿地植物的调查, 首先通过搜集调查地区的湿地遥感图、航片图、地形图了解湿地植物群落的基本情况, 现场调查采用样方法, 主要根据湿地面积的大小和湿地生境的复杂程度适当确定调查样带及其数量, 之后用GPS按一定间距均匀布设样方.水鸟多样性的调查采用直接计数法和样方法, 在同一个湿地区中同步调查.两栖类、爬行类和兽类则以种类调查为主, 采用野外踏查、走访和利用近期的野生动物调查资料相结合的方法, 记录到种或亚种.鱼类和无脊椎动物以收集现有资料为主, 主要查清湿地中现存的经济鱼、珍稀濒危鱼和无脊椎动物的种类.
水质调查分别对地表水和地下水进行调查, 其测定指标包括pH值、透明度、总氮(TN)、总磷(TP)和化学需氧量(COD), 其中, pH值在采样现场采用PHB-1型笔式酸度计测定；透明度(m)采用透明度盘测定；总氮、总磷野外采集水样, 在实验室分别采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB11894-89) 和钼酸铵分光光度法测定(GB11893-89)；化学需氧量分析采用高锰酸盐法(GB11892-89).
通过野外踏查、走访调查及收集有关主管部门统计资料等方法获取社会经济状况、受威胁状况、湖泊保护与利用状况等生态压力方面的数据.此外, 运用ERDAS9.2软件和ArcGIS10.0软件对从中国地理空间数据云网站下载的研究区域Landsat8遥感影像进行合成、校正及湖泊岸线勾绘, 计算出湖岸曲折程度.另一生境特征—水位则采用自记水位计或标尺测量, 或从水文站和生态站获取.
2.3 研究方法 2.3.1 评价指标体系构建本研究参考国内外生态健康评价指标体系, 从江汉湖泊群湖泊生态系统实际情况出发(如人类活动影响较大、具有较高的物种多样性等), 考虑到数据的代表性、可获得性和全面性, 从生物特征、水质特征、生境特征及生态压力4个方面进行评价指标的筛选.
生物特征：包括水生(湿生)植物多样性、水鸟多样性、两栖爬行兽类和鱼类多样性及无脊椎动物多样性4个方面.水生植物是湖泊生态系统的主要贡献者, 在湖泊生态系统中占有重要地位；湖泊湿地是水鸟特别是冬候鸟、两栖爬行兽类、鱼类等脊椎动物和底栖无脊椎动物的主要栖息场所, 其多样性在一定程度上可以指示湖泊生态系统健康状况和适宜度.
水质特征：包括透明度、总氮、总磷、化学需氧量和pH值5个指标.总氮、总磷、化学需氧量是重要的水质化学指标, 反映水体富营养化程度；透明度和pH值为重要的水体物理指标, 也是水质监测的常规指标之一.
生境特征：选取湖岸曲折程度和水位稳定性2个指标.湖岸曲折程度是湖泊形态的主要特征之一, 通过影响湖泊水文、物理和化学过程对水生生物分布等产生重要影响；江汉湖群早期为通江湖泊, 但目前大多因修建调节闸被人为江湖阻隔, 因此, 水位随自然节律的变化较小, 人为控制成分较多, 其稳定性对湖泊生态系统健康具有重要影响.
生态压力：湖泊作为一个人类干扰较严重的自然-社会-经济复合生态系统, 面临较大生态压力, 包含了正面和负面影响2个方面.本文以流域人口密度、污染物排放强度、开发利用强度作为负面影响指标, 以保护力度作为正面影响指标构建生态压力指标体系.
综合上述分析, 本文以江汉湖群湖泊生态系统健康评价为目标层(A), 以生物特征、水质特征、生境特征和生态压力为4个准则层(O1~O4), 以15个指标为指标层(C1~C15), 由此构建江汉湖群湖泊生态系统健康评价指标的层次结构模型(表 2).
| 表 2 江汉湖群湖泊生态系统健康评价指标体系 Table 2 Evaluation index system of Lake wetland ecosystem health in Jianghan lake group |
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部分评价指标计算方法如下：对于生物多样性指标(C1、C2、C3、C4), 计算公式见式(1)；对于湖岸曲折程度(C10), 计算公式见式(2)；对于水位稳定性(C11), 计算公式如式(3)；对于人口密度(C12), 其为湖区所属各乡镇的平均人口密度(人· km-2).
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式中, D为Gleason(1922)指数, S为总的生物物种数(种), A为湖泊面积(km2), L为湖泊的岸线长度(km), WS为水位稳定性, HL为丰水位(m), LL为低水位(m)；其中, 岸线发育系数(SDI)用来反映岸线的不规则程度, 岸线越不规则, 湖岸曲折多变, 其岸线发育系数越大.面积和岸线长度由ERDAS9.2软件和ArcGIS10.0软件计算得出.
2.3.2 权重确定本文采用层次分析法(AHP)确定每个评价指标的权重, 并最大程度地减少评价过程中主观因素的影响.首先对A-O1、O1-C、O2-C、O3-C、O4-C依次构造判断矩阵, 准则层中的各准则在目标衡量中所占的比重并不一定相同, 在决策者的心目中, 它们各占有一定的比例, 引用数字1~9及其倒数作为标度来定义判断矩阵A =(aij)n×n(表 3)；然后求出判断矩阵的最大特征值和对应的特征向量, 再对判断矩阵作一致性检验.一致性检验通过后, 则将求得的特征向量作归一化处理, 得到各指标权重值.
| 表 3 判断矩阵标度定义 Table 3 Definition of judgment matrix scale |
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具体计算方法如下：① 计算判断矩阵的特征向量W (式(4)~(5)).② 一致性检验, 为了检验判断矩阵的一致性, 根据AHP原理, 可以利用判断矩阵A的最大特征值λmax与n之差检验一致性, 定义计算一致性指标C.I.(式(6)), 并定义一致性指标CR= C.I. C.R., 其中, C.R.为随机性指标；为衡量C.I.可否被接受, Saaty(2006)构造了最不一致的情况, 计算出随机性指标C.R.数值(表 4).当一致时, C.I.=0；不一致时, 一般有λmax＞n, 因此, C.I.＞0；故一般情况下, 当CR＜0.1就认为判断矩阵具有一致性；若CR＞0.1, 则认为判断矩阵不符合一致性要求, 需要重新建立判断矩阵, 进行相应计算, 直到通过一致性检验(马农乐等, 2006).③ 进行归一化处理即得到各指标权重值wi= Wi/W, 结果见表 5.
| 表 4 随机性指标C.R.数值 Table 4 Randomness index C.R. value |
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| 表 5 江汉湖群湖泊生态系统健康评价指标体系权重 Table 5 Weight of index system of lake ecosystem health assessment in Jianghan lake group |
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模糊综合评价法是由实测各评价因子指标对各等级标准的隶属度集, 形成隶属度矩阵, 再把评价因子的权重集与隶属度矩阵相乘, 根据被评价对象本身存在的性态或隶属上的亦此亦彼性, 得到模糊积, 获得一个综合评判集, 以表明评价目标各级标准的隶属程度, 反映评价项目的模糊性(王秀明等, 2010).本文应用模糊数学方法拟定湖泊生态系统综合健康指数：
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式中, ICH为湖泊生态系统健康综合指数, Wi为指标i的权重值, EHIi为指标i的健康指数, Wj为第j级等级值, Ri为指标i对各级别的相对隶属度矩阵.
对于正向指标而言, 相对隶属度计算公式如下(以第i项指标实测值xi为例, sj为第i项指标的第j级健康标准, rij为xi对第j级标准的隶属度)：当xi＞si1时, ri1 =1, 对其它健康标准的隶属度均为0；当si(j+1)≤xi≤sij时, ri(j+1) =(sij-xi)/(sij-si(j+1)), rij =1-ri(j+1), 对其它级别健康标准的隶属度均为0；当xi＜si5时, ri5=1, 对其它级别健康标准的隶属度均为0.
对负向指标隶属度的计算方法与此类似, 其计算公式如下：当xi＜si1时, ri1 =1, 对其它级别健康标准的隶属度均为0；当sij≤xi≤si(j+1)时, ri(j+1)= (xi-sij)/(si(j+1)-sij), rij=1-ri(j+1), 对其它级别健康标准的隶属度均为0；当xi＞si5时, ri5=1, 对其它级别健康标准的隶属度均为0.
2.3.4 评价标准的确定依据湖泊湿地生态系统健康评价标准, 参照崔保山等(2002a；2002b)对于其他区域湿地生态系统健康评价等级的相关研究的划分标准, 将江汉湖群典型湖泊生态系统健康水平分5个级别：很健康、健康、比较健康、亚健康、不健康.因评价指标有定量型与定性型, 且定量型指标有递增型、递减型及非线性型(如pH值), 因此, 对各健康级别分别赋予等级值：很健康, 10；健康, 8；比较健康, 6；亚健康, 4；不健康, 2.最终, 各湖泊的综合指数值与评价等级的对应关系为：〖10, 9〗, 很健康；(9, 8\], 健康；(8, 6\], 比较健康；(6, 4\], 亚健康；(4, 2\], 不健康.各指标具体评价标准参考了历史调查数据, 其中, 水质理化指标标准参考了国家地表水环境质量标准(GB3838-2002) 进行分级.各评价因子分级标准见表 6.
| 表 6 江汉湖群湖泊生态系统健康评价因子分级标准 Table 6 Classification criteria of health evaluation factors for lake ecosystem in Jianghan lake group |
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模糊综合评价模型计算结果(表 7)表明：5个湖泊中, 梁子湖、洪湖和武湖的植物多样性较高, 得分为0.50, 长湖与斧头湖的植物多样性较低, 得分均为0.34；梁子湖和长湖的鸟类多样性最高, 得分为0.56, 其次为斧头湖(0.42), 洪湖与武湖的评分结果最低, 仅为0.14；在两栖爬行兽类、鱼类多样性这一项, 梁子湖与斧头湖的得分最高, 均为0.84, 其次为长湖(0.67), 洪湖与武湖的得分最低, 仅为0.17；就无脊椎动物(贝、虾、蟹类)这一指标而言, 梁子湖得分最高, 为0.34, 其次为长湖和斧头湖, 得分均为0.17, 洪湖与武湖得分最低, 仅为0.08.
| 表 7 江汉湖群五大湖泊生态系统健康评价指标得分 Table 7 Ecosystem health assessment index of five lakes in Jianghan lake group |
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5个研究湖泊的透明度得分从高到低分别为：洪湖(0.62)>武湖(0.49)>梁子湖(0.37)>长湖(0.25) 和斧头湖(0.25)；TN得分从高到低分别为：斧头湖(0.49)>洪湖(0.44)>梁子湖(0.43)>武湖(0.42)>长湖(0.35)；TP得分从高到低分别为：武湖(0.64)>洪湖(0.60)>斧头湖(0.59)>梁子湖(0.55)>长湖(0.49)；COD得分从高到低分别为：洪湖(0.47)>武湖(0.44)>长湖(0.34)>梁子湖、斧头湖(0.20)；长湖、斧头湖和武湖的pH值指标评价得分相同, 均为0.13, 其次为洪湖(0.10), 最低的为梁子湖(0.07).
3.1.3 生境特征性指标就岸线曲折系数这一指标而言, 梁子湖与长湖得分最高, 均为0.84, 其次为斧头湖和洪湖, 武湖得分最低；梁子湖的水位稳定性指标评价得分最高, 为0.56, 其次为洪湖、长湖和武湖, 得分均为0.34, 斧头湖得分最低, 仅为0.11.
3.1.4 生态压力性指标5个研究湖泊中, 斧头湖的人口密度指标评价得分最高(0.58), 其次为长湖(0.43) 和武湖(0.43), 得分最低的为梁子湖与洪湖(均为0.29)；污染物排放强度最大的是武湖, 排放强度由高到低依次为：武湖(0.66)、梁子湖(0.46)、洪湖(0.40)、斧头湖(0.40) 和长湖(0.20)；开发利用强度最大的是梁子湖, 强度由高到低依次为：梁子湖(0.67)、洪湖(0.63)、斧头湖(0.50)、长湖(0.34) 和武湖(0.20)；保护力度最大的为梁子湖与洪湖(均为0.78), 其次为武湖(0.42), 力度最小的为长湖和斧头湖(均为0.39).
3.2 生态系统综合健康评价由表 8可知, 5个湖泊生态健康综合评价得分值为5.47~7.46, 梁子湖得分最高, 为7.46, 其余依次为斧头湖、洪湖和长湖, 武湖得分最低, 为5.47.从湖泊生态系统健康等级看, 梁子湖和斧头湖处于比较健康状态, 而洪湖、长湖和武湖处于亚健康状态.
| 表 8 江汉湖群5大湖泊生态系统健康评价结果 Table 8 Results of ecosystem health evaluation of five lakes in Jianghan lake group |
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本文利用模糊数学的概念和方法对江汉湖群湖泊生态系统构建生态系统健康评价模型, 结果表明, 所研究的5个湖泊中, 梁子湖、斧头湖处于比较健康状态, 洪湖、长湖和武湖处于亚健康状态.已有研究表明, 梁子湖的健康水平一般, 谢楚芳等(2015)利用植被生物完整性选取21个指标对梁子湖湖滨湿地生态系统健康状况进行了评价, 其中, 健康和良好的点位占41%, 一般和较差的点位占59%, 但该研究并没有将影响较大的人为因素考虑进去.近几年, 梁子湖区加强了生态环境保护力度, 水生植被覆盖度正逐渐好转, 水体污染得到了一定的控制, 湖泊生态系统达到比较健康的水平.也有研究显示, 斧头湖湖泊生态系统多数属于中度适宜性, 湖泊生态系统健康水平一般(孔令阳等, 2012).根据实地调查了解到, 目前斧头湖大力发展生态养殖, 按照生态学规律发展优质水产品养殖, 严格控制放养密度, 注重水草培植, 使湖泊水生植被覆盖度有一定的提高, 湖泊生态健康状况也有所改善.这些研究均与本文研究结果具有较强的一致性, 说明本文方法和指标的选取是科学的, 同时与早期的研究相比, 本研究选取的指标更加全面, 更能反映江汉湖群湖泊作为一个自然-社会-经济复合生态系统的特点.因此, 本文的研究方法可以作为一种评价江汉湖群湖泊生态系统健康状态的有效方法.
构建生态系统健康评价模型的关键是准确选取合适的评价因子构建其指标体系.生物和水质指标的选取在湖泊生态系统健康评价中运用较多, 在对武汉市主要湖泊生态系统和东部浅水湖泊水生态系统的健康评价中均有应用(贺方兵, 2015).由于各湖泊状况具有一定的差异性, 需要根据湖泊实际情况对评价指标进行相应的调整, 并且多数为常规监测可获得的指标.考虑到江汉湖群受人为活动干扰的影响较大, 主要有点源污染物和面源污染物排入, 本研究水质指标选取透明度、TN、TP、COD和pH值作为评价指标, 结果表明, 这5个指标能较全面地反映江汉湖群的水质情况.有研究指出, 江汉湖群各湖泊水生生物资源丰富, 具有较高的生物多样性(彭映辉等, 2004), 因此, 本文选取生物指标时主要集中在各项水生生物的多样性方面.因为湖泊生态系统与流域生态系统、海湾生态系统有一定的相似性, 本文借鉴其将生态压力纳入评价指标体系的经验(谢雪峰等, 2015；2016), 并且考虑到江汉湖群各湖泊已采取不同程度的保护措施保护湖泊生态环境, 因此, 选取人口密度、污染排放强度、开发利用强度和保护力度作为生态压力特征的评价指标.本文在指标选取方面, 从生态系统健康的内涵出发, 结合江汉湖群自身特征, 综合考虑各方面因素, 建立了适合江汉湖泊生态系统健康评价的指标体系.
对于湖泊生态系统健康评价的方法仍在不断研究和发展中, 由于每一个湖泊影响其生态系统健康的因素不同, 目前还没有一种评价方法或者一套评价体系能作为所有湖泊生态系统健康评价的标准.本文结合江汉湖群自身的特征, 选取合适的指标与模型建立评价指标体系, 基本能够反映江汉湖群当前的生态系统健康状况.因此, 本研究结果表明模糊综合评价法和本文所建立的评价指标体系对江汉湖群湖泊生态系统评价具有较强的适用性.
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