洱海流域湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評(píng)價(jià)與比較

張紅葉,蔡慶華,唐 濤,汪興中,楊順益,孔令惠 (.中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所,淡水生態(tài)與生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430072；2.中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京 00049)

生態(tài)系統(tǒng)為人類(lèi)提供了自然資源和生存環(huán)境兩個(gè)方面的多種服務(wù)功能[1].生態(tài)系統(tǒng)健康是保證生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的前提,一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)只有保持了結(jié)構(gòu)和功能的完整性,并具有抵抗干擾和恢復(fù)能力,才能長(zhǎng)期為人類(lèi)社會(huì)提供服務(wù),因此,生態(tài)系統(tǒng)健康是人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的根本保證[2].

生態(tài)系統(tǒng)健康的研究起源于20世紀(jì)70年代,此后在河流、湖泊和森林生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)等領(lǐng)域取得了進(jìn)展[3],它為生態(tài)系統(tǒng)的利用、保護(hù)與管理提供了新的理論與方法[4].目前生態(tài)系統(tǒng)健康已成為國(guó)際生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的熱點(diǎn),也是地球科學(xué)、生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)及社會(huì)科學(xué)等學(xué)科研究相互結(jié)合的橋梁[5],為全球生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的解決帶來(lái)了新的希望.湖泊是地球表面非常重要的淡水貯藏庫(kù),它們的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能對(duì)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義[6].水體污染和富營(yíng)養(yǎng)化是我國(guó)湖泊水環(huán)境面臨的主要問(wèn)題,由此導(dǎo)致湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的嚴(yán)重退化, 因此對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行健康評(píng)價(jià)十分重要[7].

洱海(25°25′N(xiāo)~26°16′N(xiāo),99°32′E~100°27′E)是云南省第二大高原淡水湖泊,是典型的內(nèi)陸斷陷湖泊,具有一定的封閉性與半封閉性特點(diǎn)[8].由于受境內(nèi)地形氣候影響較大,湖盆較封閉,湖泊補(bǔ)給系數(shù)小、換水周期長(zhǎng),造成其生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境的脆弱性[9].近20多年來(lái),隨著湖區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的急速增長(zhǎng),人類(lèi)對(duì)其自然資源的開(kāi)發(fā)不斷加劇,使其富營(yíng)養(yǎng)進(jìn)程加劇,水質(zhì)呈不斷下降趨勢(shì),生態(tài)環(huán)境逐漸惡化[10-11].本研究采用生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)(EHI)法于2009年5月對(duì)洱海流域四個(gè)靜水水體(海西海、茨碧湖、西湖和洱海)的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià);并收集歷史數(shù)據(jù),分析20年來(lái)洱海流域生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況的變化趨勢(shì),以期為洱海環(huán)境綜合治理提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概述和樣點(diǎn)設(shè)置

洱海地處云南中部偏西,大理白族自治州中心地帶,跨洱源、大理兩縣市,流域面積2565km2,呈狹長(zhǎng)形點(diǎn)分布.是沿湖人民生活、灌溉、工業(yè)用水的主要水源,也是旅游的主要景區(qū)[12].海西海、茈碧湖和西湖均位于洱海北部(圖1).海西海湖泊面積 2.24km2,南北長(zhǎng)平均 4km,東西平均1.6km,平均水深10m,最大水深16m,經(jīng)彌苴河而流入洱海;茈碧湖湖泊面積約8km2,平均水深3m,最深32m,湖呈狹長(zhǎng)形,南北長(zhǎng)6km,東西寬3km;出水匯入彌苴河最終注入洱海;西湖湖面4.66km2,最大水深 8.3m,一般水深 2~3m,經(jīng)羅時(shí)江流入洱海,是洱海的重要水源之一[12-13].

本研究于2009年5月在洱海流域采樣.其中,洱海湖區(qū)共設(shè)置18個(gè)樣點(diǎn),其余3個(gè)湖泊分別設(shè)置2個(gè)樣點(diǎn).樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖1.

圖1 洱海流域4個(gè)湖泊樣點(diǎn)分布Fig.1 The sampling sites of the four lakes in Erhai watershed

1.2 樣品采集及處理

24個(gè)樣點(diǎn)分別采水樣和浮游動(dòng)物樣品:用5L柱狀采水器采集5L表層水樣,取610mL水樣用于藻類(lèi)葉綠素 a(chl.a)含量的測(cè)定;另取1220mL水樣現(xiàn)場(chǎng)用魯哥試液固定,經(jīng)48h沉淀濃縮后添加甲醛保存,用于后續(xù)的浮游藻類(lèi)及輪蟲(chóng)鑒定及定量分析;取 610mL水樣,現(xiàn)場(chǎng)添加濃硫酸,調(diào)整pH<2,低溫保存,用于水化學(xué)指標(biāo)的測(cè)定,后帶回實(shí)驗(yàn)室利用連續(xù)流動(dòng)水質(zhì)分析儀(SAN++, Skalar)測(cè)定.用5L柱狀采水器采集30L表層水樣并混合,用 25號(hào)浮游生物網(wǎng)過(guò)濾后,添加甲醛保存,用于后續(xù)的甲殼類(lèi)的鑒定及定量分析.野外采樣及樣品處理等參照《水域生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)規(guī)范》進(jìn)行[14];葉綠素a濃度測(cè)定方法參照文獻(xiàn)[15];浮游生物計(jì)數(shù)、鑒定方法參照文獻(xiàn)[15-19].

1.3 評(píng)價(jià)方法

生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)法(EHI)參照徐福留等[20]提出的相關(guān)方法和思路,遵循可測(cè)性、可比性、靈敏性及綜合性的指標(biāo)選擇原則,選取浮游植物生物量(BA)作為基準(zhǔn)指標(biāo),浮游動(dòng)物生物量(BZ)、浮游動(dòng)物生物量(BZ)與浮游植物生物量(BA)的比值(BZ/BA)、能質(zhì)(Ex)和結(jié)構(gòu)能質(zhì)(Exst)作為擴(kuò)展指標(biāo);再計(jì)算5個(gè)指標(biāo)的生態(tài)系統(tǒng)健康分指數(shù)(EHIi)及各指標(biāo)的權(quán)重值(ωi)[21];最后通過(guò)下列公式[22]計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)(EHI).

式中: EHI為生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù); n為選取的標(biāo)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù),本研究中n =5; EHIi表示第i個(gè)指標(biāo)的生態(tài)系統(tǒng)健康分指數(shù);ωi表示第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值,其公式為[23]:

式中:ril是第i個(gè)指標(biāo)與基準(zhǔn)指標(biāo)BA的相關(guān)系數(shù).

在各指標(biāo)的計(jì)算中,基準(zhǔn)指標(biāo) BA, BZ、BZ/BA均由實(shí)測(cè)值計(jì)算所得; Ex和Exst由公式(3)(4)[24]計(jì)算:

式中: Ex為能質(zhì), J/L; Exst為結(jié)構(gòu)能質(zhì), J/mg; m為屬于生物有機(jī)成分的指標(biāo)個(gè)數(shù),本研究中m=3; Wi為第i種生物有機(jī)成分的權(quán)重轉(zhuǎn)換因子, J/mg; Bi為生態(tài)系統(tǒng)中第 i種生物有機(jī)成分的生物量, mg/l; Bt為系統(tǒng)的總生物有機(jī)成分的生物量, mg/l.本文選取浮游植物、輪蟲(chóng)和甲殼類(lèi)三項(xiàng)生物有機(jī)成分指標(biāo),其權(quán)重系數(shù)分別為20、163和232[25].

各指標(biāo)的生態(tài)系統(tǒng)健康分指數(shù)(EHIi)的計(jì)算公式[22]如下:

營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(TSI)采用Carlson營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)[26],選取藻類(lèi)葉綠素a(Chl.a)(μg/L)、透明度(SD)(m)、總磷(TP)(μg/L)3個(gè)指標(biāo)計(jì)算營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分指數(shù),最后用相關(guān)加權(quán)營(yíng)養(yǎng)指數(shù)法進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià),計(jì)算公式[27]為:

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

空間插值圖系采用 ArcGIS 10.0軟件完成,各樣點(diǎn)EHI和TSI的線性關(guān)系在SPSS 16.0軟件中Linear Regression中分析,洱海流域不同年份EHI值的比較在ORIGIN 7.5軟件中完成.

2 結(jié)果與分析

2.1 健康狀態(tài)評(píng)價(jià)

根據(jù)EHI的計(jì)算公式,對(duì)洱海流域湖泊2009年5月調(diào)查期間的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果見(jiàn)圖2.由圖 2可知,調(diào)查期間海西海和茨碧湖的 EHI值集中在40~60的變化范圍,按照湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)與健康狀態(tài)的關(guān)系[22],可知健康狀態(tài)為中等;西湖和洱海的EHI值集中在20~40的變化范圍,健康狀態(tài)為較差.

洱海18個(gè)樣點(diǎn)中除EH01R、EH02、EH03、EH04R四個(gè)樣點(diǎn)EHI值在40~60的變化范圍,健康狀態(tài)為中等外,其他14個(gè)樣點(diǎn)的EHI值均在20~40的變化范圍,健康狀態(tài)均為較差,即洱海北部深水區(qū)(EH02、EH03)、北部西岸區(qū)(EH01R)和中部西岸區(qū)(EH04R)健康狀況為中等外,其他湖區(qū)均為較差.

2.2 營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)

湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)與富營(yíng)養(yǎng)化程度密切相關(guān),富營(yíng)養(yǎng)化程度越高,則生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)相對(duì)越差.洱海流域湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)空間分布見(jiàn)圖 3.依據(jù) TSI法的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn):TSI<40為貧營(yíng)養(yǎng),40≤TSI<50為中營(yíng)養(yǎng),50≤TSI<70為富營(yíng)養(yǎng), TSI≥70為超富營(yíng)養(yǎng)[28-29],可知在調(diào)查期間海西海和茨碧湖營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)均為中營(yíng)養(yǎng),而西湖和洱海營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)為富營(yíng)養(yǎng).

圖2 洱海流域湖泊EHI值空間分布Fig.2 Spatial distribution of EHI in the lakes of Erhai watershed

圖3 洱海流域湖泊TSI值空間分布Fig.3 Spatial distribution of TSI in the lakes of Erhai watershed

2.3 兩種評(píng)價(jià)方法的對(duì)比

近 20年來(lái),洱海流域生態(tài)環(huán)境發(fā)生了較大的變遷,其營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)由中營(yíng)養(yǎng)逐步上升為富營(yíng)養(yǎng),這表明洱海流域目前已處于在十分敏感的富營(yíng)養(yǎng)化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵期[9],湖泊營(yíng)養(yǎng)鹽和生物量基本成正相關(guān),即洱海流域?qū)儆陧憫?yīng)型生態(tài)系統(tǒng)[30].在響應(yīng)型生態(tài)系統(tǒng)中, EHI 與生物量成反比,由此可以推導(dǎo)出TSI營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)與EHI近似呈線性負(fù)相關(guān).圖 4 顯示洱海流域湖泊 2009年各樣點(diǎn) EHI值與其 TSI值呈顯著負(fù)相關(guān)(TSI= -0.4737EHI+63.824,R2=0.8146,P<0.01),說(shuō)明2009年洱海流域湖泊屬于響應(yīng)型生態(tài)系統(tǒng),且EHI法適應(yīng)于洱海流域湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià).

圖4 洱海流域湖泊各樣點(diǎn)TSI和EHI的回歸分析Fig.4 The regression relationship between TSI and EHI in the lakes of Erhai watershed

2.4 健康狀態(tài)比較

表1 20余年洱海浮游藻類(lèi)和浮游動(dòng)物生物量比較Tab.1 Biomass of phytoplankton and zooplankton during the past 20 years in Erhai Lake

歷年洱海浮游藻類(lèi)和浮游動(dòng)物的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.采用EHI法,對(duì)洱海20余年來(lái)生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果見(jiàn)圖 5.由圖 5可知,20余年來(lái),洱海生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)總體上呈惡化趨勢(shì),其中1987年和1992年洱海的EHI值在40~60的變化范圍,健康狀態(tài)為中等;1997年和2009年洱海的EHI值在20~40的變化范圍,健康狀態(tài)為較差.

圖5 洱海不同年份的EHI值Fig.5 EHI value of Erhai Lake in different years

3 討論

生態(tài)系統(tǒng)健康包括6個(gè)方面:即自我平衡、沒(méi)有疾病、多樣性和復(fù)雜性、穩(wěn)定性或恢復(fù)力、活力或增長(zhǎng)幅、系統(tǒng)組成成分平衡,且在生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)中應(yīng)該同時(shí)考慮以上 6個(gè)方面全部或至少大部分內(nèi)容[32].EHI法能反映生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組織水平,能很好地概括生態(tài)系統(tǒng)健康的6個(gè)部分,可用于同一湖泊不同時(shí)空及不同湖泊之間的健康狀態(tài)的定量評(píng)價(jià)與比較[20,22],且該法是針對(duì)湖泊中營(yíng)養(yǎng)鹽和生物量基本上呈正相關(guān)的響應(yīng)型生態(tài)系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上提出來(lái)的[33];而TSI法側(cè)重于浮游植物chl.a和營(yíng)養(yǎng)鹽的關(guān)系,表征水體整體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)[27],不能體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)水平,更不能表征水體的健康狀態(tài).

本研究采用生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù) EHI和 TSI營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)兩種評(píng)價(jià)方法同時(shí)對(duì)洱海流域湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果顯示兩種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果一致,由此說(shuō)明生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)(EHI)法適合于評(píng)價(jià)洱海流域湖泊的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況,同時(shí)也說(shuō)明洱海流域湖泊屬于響應(yīng)型生態(tài)系統(tǒng).

在洱海流域的研究中,國(guó)內(nèi)很多學(xué)者針對(duì)生物種群結(jié)構(gòu),富營(yíng)養(yǎng)化等方面進(jìn)行了大量的研究[11,34-35].本研究從生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)出發(fā)研究該流域湖泊的健康狀態(tài),結(jié)果顯示2009年洱海流域湖泊整體健康狀況較差,且存在空間差異,表明其已處于一個(gè)關(guān)鍵的敏感營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)型時(shí)期[9].近 20年來(lái),洱海生態(tài)環(huán)境發(fā)生了較大的變遷,主要表現(xiàn)為富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程加劇、湖泊水位降低、湖濱帶生境惡化和生物資源過(guò)渡開(kāi)發(fā)等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[11].分析從 1987年來(lái)洱海生態(tài)系統(tǒng)健康狀況,可知近20年來(lái)洱海生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)總體上呈惡化趨勢(shì),尤其在1996年和2003年兩次全湖性的藍(lán)藻水華暴發(fā)前后,洱海的生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)較差;2004年至今,有關(guān)部門(mén)開(kāi)始重視農(nóng)業(yè)面源污染,大理州先后實(shí)施了環(huán)洱海生態(tài)工程、污水處理等洱海環(huán)境管理工程[36],洱海富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程有所減緩,2009年調(diào)查研究知其生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)有所改善,但仍為較差水平,需繼續(xù)加強(qiáng)流域管理的能力建設(shè),實(shí)施流域可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,加快實(shí)施流域生態(tài)保護(hù)工程措施,以達(dá)到洱海富營(yíng)養(yǎng)化防治和可持續(xù)利用目標(biāo).

4 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)法(EHI)定量評(píng)價(jià)了洱海流域湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài).結(jié)果顯示:洱海流域諸湖泊均屬于營(yíng)養(yǎng)鹽與生物量呈正相關(guān)的響應(yīng)型生態(tài)系統(tǒng);2009年健康狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果為較差,空間差異亦較明顯;對(duì)比分析洱海流域湖泊20余年來(lái)的生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài),可知其總體上呈惡化趨勢(shì),特別地,因 1997年洱海暴發(fā)大規(guī)模藍(lán)藻水華而使其生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)最差.因此,必須加強(qiáng)洱海流域生態(tài)與環(huán)境的科學(xué)研究及綜合管理,健全機(jī)構(gòu),明確職責(zé),源頭治理,區(qū)域協(xié)調(diào),從流域?qū)用嫔蠈?shí)現(xiàn)對(duì)洱海流域水資源、水環(huán)境、生物多樣性及社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的合理布局、綜合利用與協(xié)調(diào)發(fā)展.

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