白洋淀生態系統健康評價

徐 菲，趙彥偉，楊志峰，陳 彬

(北京師范大學環境學院，環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室，北京 100875)

白洋淀生態系統健康評價

徐 菲，趙彥偉，楊志峰*，陳 彬

(北京師范大學環境學院，環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室，北京 100875)

涵蓋熱力學指標的指標體系可全面表征湖泊生態系統在受擾條件下的健康狀態。在實地監測的基礎上，應用浮游植物生物量(BA)、浮游動物生物量/浮游植物生物量(BZ/BA)浮游植物群落初級生產量(P)、能質(Ex)、結構能質(Exst)和浮游植物對TP的緩沖能力(βp)表征白洋淀的健康狀態，并通過集成健康綜合指數，確定了白洋淀14個水域的健康等級。結果表明，白洋淀大部分水域健康受損較為嚴重。棗林莊和采蒲臺水域處于亞健康狀態，燒車淀、光淀張莊和東田莊水域處于不健康狀態，其余9個水域均處于病態。結合各水域人類干擾活動的分布可知，白洋淀健康退化的程度與人類干擾強度密切相關。府河和淀內居民生活及水產養殖污水排放是造成白洋淀健康受損的主要原因。該結果可為白洋淀生態系統的管理和修復提供一定的科學依據。

生態系統健康；健康評價；白洋淀；能質

隨著20世紀80年代生態系統健康概念的提出，生態系統健康評價被廣泛應用于湖泊保護與管理實踐過程中。與人類健康評價相似，完整的湖泊評價可以通過生態系統健康評價完成，從而為管理者分析湖泊健康退化原因和制定相應的管理規劃提供便利。

各國專家學者相繼開展了有關湖泊生態系統健康評價方面的研究，在熱力學指標用于湖泊生態系統健康評價上取得了一定進展[1]。J?rgensen于1995年提出應用能質、結構能質和生態緩沖能力從生態系統水平上衡量生態系統健康狀態，并認為健康的湖泊生態系統應擁有較高的能質、結構能質和生態緩沖能力[2- 3]。Xu應用富營養化指數、多樣性指數、能質、結構能質和浮游植物生態緩沖能力評價了巢湖的健康狀態[4]。在此基礎上，Xu 等進一步通過分析湖泊在酸化、有機殺蟲劑污染、重金屬銅污染和油污染脅迫下結構、功能和系統方面的響應特征，建立了一套包括湖泊生態系統結構、功能和系統三方面指標的具有普適性的湖泊生態系統健康綜合評價指標體系和評價標準，并應用于巢湖。同時提出健康的湖泊生態系統不僅應具有相對較高的能質、結構能質、生態緩沖能力，還應有較高的浮游動物生物量/浮游植物生物量及較低的浮游植物生物量和浮游植物群落初級生產量[5]。胡會峰等對上述指標體系進行了簡化，選擇表征生態系統結構和系統方面的8個指標評價了青海湖1988—1989年的生態系統健康狀態[6]。劉永等應用包含熱力學指標的指標體系通過計算綜合健康指數評價了滇池不同時期的生態系統健康狀況[7]。胡志新等應用Xu[4]的方法評價了太湖15個湖區的生態系統健康狀況，并在計算能質和結構能質時，除浮游植物和浮游動物之外，還考慮了底棲動物和大型水生植物[8]。盧媛媛等和盧志娟等運用了同樣的方法分別評價了武漢市多個淺水湖泊和西湖不同時期的健康狀況[9- 10]。

J?rgensen指出能質、結構能質與生態緩沖能力相結合，可以反映von Bertalanffy 和E.P. Odum提出的生態系統發展的性質以及Costanza提出的生態系統健康的6項描述[11]。涵蓋熱力學指標的指標體系能較好地反映湖泊生態系統對外界干擾的抵抗能力，使健康的表征更全面。同時，上述研究實例表明涵蓋熱力學指標的指標體系適用于我國湖泊生態系統健康評價。

白洋淀作為北方地區典型的草型淺水湖泊其健康狀態面臨嚴重退化的威脅，影響了當地社會經濟環境的可持續發展。白洋淀健康狀況受到了政府、專家學者以及公眾的廣泛關注，如何改善白洋淀健康受損的狀態成為亟待解決的問題。目前針對白洋淀的研究大多集中在水質評價方面，僅Xu等應用包含能質和結構能質的指標體系評價了白洋淀的健康狀態[12]。然而對于同一湖泊不同時期或不同湖區狀態的比較，多指標集成健康綜合指數更能直觀反映健康狀態的差異[13]，便于確定健康等級。本文選取Xu等[5]中提出的包含結構、功能和系統三方面指標的指標體系，并應用于白洋淀生態系統進行健康評價，通過計算健康綜合指數，確定14個水域的健康等級，為白洋淀的管理和修復提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

白洋淀(38°43′—39°02′ N，115°38′—116°07′ E)是中國華北地區典型的草型淺水湖泊，主要位于河北省保定市安新縣境內，水面面積約為150 km2(平均水位為7.5 m，平均水深為2.3 m)，淀區由大小不等且相互聯系的143個淀泊組成。20世紀50年代，白洋淀擁有8條入淀河流，水量充足，水質狀況較好，且生物多樣性較高。近幾十年來，由于流域內社會經濟發展速度較快，作為上游幾百萬人民生產生活排污的必經之地，白洋淀生態系統受到當地人類活動的嚴重影響，入淀水量逐年減少，目前僅有府河攜帶大量排污物入淀，加之淀內居民人口的增加及水產養殖規模的擴大，大量污水排放造成大部分水域處于草型富營養化狀態，僅少數水產養殖規模較大的水域處于藻型富營養化狀態。大型水生植物(包括挺水植物、沉水植物、漂浮植物和浮葉植物)過量生長加速了沼澤化進程，對湖泊生態系統健康、當地的可持續發展與管理產生了嚴重的負面影響。

圖1 白洋淀采樣點分布示意圖Fig.1 The sampling sites in Baiyangdian Lake

1.2 數據來源

本文用于健康評價指標計算的數據來源于實地監測。遵循與國控水質監測點相一致的原則，并參考以往生態調查過程中選取的采樣點，在白洋淀共布設14個采樣點。采樣點基本情況介紹見表1，分布示意圖見圖1。2009年8月至2010年7月，對上述測點進行了6次采樣。監測項目包括物理化學指標(TN、TP、Chla)、生物指標(浮游植物、浮游動物、底棲動物及大型水生植物的生物量)及有機碎屑含量。上述指標的分析方法見《湖泊生態調查觀測與分析》[14]。各水域實地監測的主要生物及化學數據見表2。

表1 白洋淀采樣點基本情況介紹

表2 白洋淀各水域主要生物及化學監測數據

1.3 評價方法

1.3.1 評價指標

本文針對白洋淀富營養化的特點，根據Xu等[5]提出的表征湖泊健康的指標體系，選擇結構指標:浮游植物生物量(BA)和浮游動物生物量/浮游植物生物量(BZ/BA)；功能指標:浮游植物群落初級生產量(P)；系統指標:能質(Ex)、結構能質(Exst)和浮游植物對TP的緩沖能力(βp)共6項指標進行白洋淀健康評價。

能質(Ex)作為系統水平的生態指標，表示生態系統的發展程度，即生態系統是如何發展的，以及整個生態系統免于退化的能力[11, 15]，被認為是表征湖泊生態系統健康狀態和發展水平的最佳指標[16, 17]。J?rgensen等認為能質主要是儲存在生物量中的化學能和基因中的信息[18]，計算公式為：

(1)

式中，βi為第i種生物的權重因子；Ci為第i種生物的生物量(mg/L)；一般1 g有機碎屑燃燒釋放18.7 kJ能量，通過生物權重因子將不同生物轉換成有機碎屑的等價物(kJ/L)。

結構能質定義為能質除以總生物量，反映生態系統利用資源的能力，計算公式為[2- 3]：

(2)

式中，Exst單位是kJ/mg；Ct為各種生物的生物量之和(mg/L)。

在計算能質和結構能質的過程中，考慮的生物組分包括浮游植物、浮游動物、底棲動物和大型水生植物，各類生物組分的權重因子(表3)是根據不同種類生物基因計算得出的，不會受營養狀態和健康狀態變化的影響。

生態緩沖能力用于表征生態系統對外部變化(如營養鹽濃度變化、光照、溫度等)的響應[20]，反映生態系統抵抗外界壓力的能力。可根據需要，組合任一狀態變量和外部變量進行計算。文中浮游植物對TP緩沖能力的計算公式為：

(3)

式中，?(TP)和?(A)分別表示TP濃度和浮游植物生物量變化的絕對值。

表3 各類生物組分的權重因子[19]

1.3.2 健康綜合指數

參考劉永等[7]用于計算綜合健康指數的方法，首先將評價指標歸一化，再分別乘以相應的權重后求和，即得到健康綜合指數，計算公式如下：

(4)

式中，ICH表示健康綜合指數；Ii為第i種指標的歸一化值；Wi表示指標i的權重，通過熵權法[21]計算得到。各健康評價指標的權重見表4。

表4 健康評價指標的權重

根據J?rgensen[2]和Xu等[5]，健康的湖泊生態系統應具有相對較高的浮游動物生物量/浮游植物生物量、能質、結構能質、生態緩沖能力及較低的浮游植物生物量和浮游植物群落初級生產量。然而，根據白洋淀實地監測數據，南劉莊和府河入口水域營養鹽濃度較高，但浮游植物生物量和群落初級生產量較低，處于非響應狀態，表明較低的浮游植物生物量和浮游植物群落初級生產量并不能指示健康狀態。此外，作為富營養化的草型湖泊，白洋淀的大型水生植物生物量較高，處于過度生長狀態。根據能質計算公式，大型水生植物較高的生物量和權重因子造成能質數值較高，表明較高的能質亦不能指示健康狀態。因此，在應用上述指標集成健康綜合指數時，以生態狀況相對較好的棗林莊水域的指標數值為基準，越接近基準健康狀態越好的原則進行歸一化處理。浮游植物生物量(BA)、浮游植物群落初級生產量(P)和能質(Ex)屬于固定型指標，即越接近某一數值，健康狀態越好。固定型指標的歸一化計算公式為：

(5)

式中，xi為指標值；xopt為棗林莊水域的指標數值。

浮游動物生物量/浮游植物生物量(BZ/BA)、結構能質(Exst)和浮游植物對TP的緩沖能力(βp)屬于正向型指標，即指標數值越大，健康狀態越好。正向型指標的歸一化計算公式為：

(6)

式中，xi為指標值；xmax和xmin分別為第i種指標在各采樣點中的最大值和最小值。

1.3.3 評價標準

本文參考了張遠等[22]應用B-IBI進行健康評價的標準的設定方法，選擇受評水域中位于前三位的ICH平均值作為亞健康等級劃分的臨界點，即若某水域的ICH值大于這一數值時，表示該水域處于亞健康狀態；對于小于這一數值的分布范圍進行二等分，確定出不健康和病態2個等級劃分的臨界值。白洋淀健康評價標準見表5。

表5 白洋淀健康評價標準

2 結果分析

應用上述方法計算白洋淀14個水域的健康評價指標及健康綜合指數(圖2)，并根據健康評價標準確定各水域健康等級(表6與圖3)。受評的14個水域中，僅棗林莊和采蒲臺2個水域處于亞健康狀態，燒車淀、光淀張莊和東田莊3個水域處于不健康狀態，其余9個水域均處于病態，表明白洋淀大部分水域健康受損較為嚴重。從健康狀態的空間分布來看，位于東北和東南部的水域健康狀態相對較好；北部、中部和南部水域健康狀態次之；西部水域健康狀態相對較差。

表6 白洋淀健康評價結果

圖2 白洋淀14個水域的健康綜合指數 Fig.2 Health comprehensive index of fourteen water areas in Baiyangdian Lake

圖3 白洋淀14個水域的健康等級Fig.3 Health classes of fourteen water areas in Baiyangdian Lake

結合各水域人類干擾活動的分布可知，白洋淀健康退化的程度與人類干擾強度密切相關。棗林莊和采蒲臺水域受人類活動干擾相對較少，健康狀態相對較好，處于亞健康狀態；受淀內及周邊村莊居民生活污水直接排放的影響，燒車淀、光淀張莊和東田莊水域處于不健康狀態；端村、圈頭和撈王淀位于水產養殖密集分布區，網箱養殖投餌造成水體富營養化，水域健康受損嚴重，處于病態；鴛鴦島水域靠近府河入口，同時位于淀內的旅游區，在旅游和府河入淀污水的綜合影響下，水域處于病態；楊莊子、王家寨和寨南水域村莊分布密集，同時有部分水產養殖活動，因此水域健康亦受嚴重損害，處于病態。南劉莊和府河入口長年受府河入淀污水的影響，水體嚴重富營養化，營養鹽濃度超出了適宜浮游生物生長的范圍，造成浮游生物生物量下降，健康退化最為嚴重。

3 討論

圖4 白洋淀能質與大型水生植物生物量的相關關系[12]Fig.4 The correlation between eco-exergy and macrophytes biomass in Baiyangdian Lake[12]

在白洋淀健康評價過程中，較高的能質和較低的浮游植物生物量、浮游植物群落初級生產量不能指示白洋淀的健康狀態。由于府河常年攜帶高營養鹽濃度的污水進入白洋淀的西部水域，使水域的TN和TP濃度遠大于水生生物生長的適宜濃度，生物生長受到抑制，造成浮游植物生物量和浮游植物群落初級的生產量較低。這種類型水域處于非響應狀態，即水域營養鹽濃度較高但浮游植物生物量和群落初級生產量較低，所以，較低的浮游植物生物量和浮游植物群落初級生產量并不能指示健康狀態。能質是各生物組分的生物量與權重因子乘積之和。文中參與能質計算的生物組分中大型水生植物的生物量和權重因子都相對較高，Xu等相關分析結果表明能質與大型水生植物生物量成正相關(圖4)[12]。白洋淀處于大型水生植物過量生長的狀態，大部分水域大型水生植物生物量過高，即擁有較高的能質，但生態狀況并不佳，因此，較高的能質亦不能指示健康狀態。

應用14個水域的生態監測數據和健康評價結果初步建立了水質指標TN、TP濃度與健康綜合指數的定量關系(圖5)。應用定量關系，管理者可通過監測淀區TN、TP濃度的變化獲知健康狀態的變化趨勢或得到維持相對健康狀態對應的TN、TP濃度，為制定白洋淀生態系統修復措施提供一定依據。然而，上述定量關系僅通過分析14個水域的數據得到，日后可增加監測點位以提高數據質量或建立生態模型，使水環境狀況與健康狀態的定量關系更為準確。

圖5 白洋淀TN、TP濃度與健康綜合指數的關系Fig. 5 The relationship between the concentrations of TN, TP and health comprehensive index in Baiyangdian Lake

本文與Xu等[12]均應用包含能質和結構能質的指標體系評價了白洋淀14個水域的健康狀態。與Xu等[12]相比，本文將各評價指標集成健康綜合指數并確定健康等級，更能直觀反映健康狀態的差異，適用于同一湖泊不同時期或不同湖區健康狀態的比較，同時便于建立水環境狀況與健康狀態的定量關系，為湖泊管理者制定修復措施提供依據。

4 結論

本文基于實地監測，計算了浮游植物生物量(BA)、浮游動物生物量/浮游植物生物量(BZ/BA)、浮游植物群落初級生產量(P)、能質(Ex)、結構能質(Exst)和浮游植物對TP的緩沖能力(βp)，并集成健康綜合指數確定了白洋淀14個水域的健康等級。評價結果表明白洋淀大部分水域健康受損較為嚴重。除東北和東南部的水域健康狀態相對較好外，其它水域健康均受到不同程度的損害，超過60%的水域處于病態。府河和淀內居民生活及水產養殖污水排放是造成白洋淀健康受損的主要原因，且府河對白洋淀健康狀態影響相對較大。通過將各評價指標集成健康綜合指數并確定健康等級，更能直觀反映各水域健康狀態的差異，評價結果可為進一步研究湖泊生態系統健康預警和調控提供基礎，為白洋淀生態系統的管理和修復提供一定的科學依據。

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EcosystemhealthassessmentinBaiyangdianLake

XU Fei, ZHAO Yanwei, YANG Zhifeng*, CHEN Bin

StateKeyLaboratoryofWaterEnvironmentSimulation,SchoolofEnvironment,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China

Index system covering thermodynamic indicators specialized by eco-exergy and structural eco-exergy could comprehensively characterize the ecological health condition of lake ecosystems under human disturbances. This system has been widely used for assessing lake ecosystem health in recent decades. For comparing ecological health of one lake across time scale or that of different lakes, integration of comprehensive health index is needed to identify the degree of lake health and to better reflect the discrepancies of the ecological health conditions. In this paper, an integrated index system including indicators of phytoplankton biomass (BA), ratio of zooplankton to phytoplankton biomass (BZ/BA), phytoplankton primary production (P), eco-exergy (Ex), structural eco-exergy (Exst) and ecological buffer capacity to total phosphorus for phytoplankton (βp) collected from field survey was structured to assess the ecological health condition of Baiyangdian Lake which is located in North China. Health classes of fourteen water areas in Baiyangdian Lake were identified using comprehensive health index, which was computed through the sum of normalized indices multiplied by the weights. The results indicate that the ecological health of most water areas in Baiyangdian Lake is deteriorated severely. The water areas of Zaolinzhuang and Caiputai are sub-healthy, those of Shaochedian, GuangdianZhangzhuang and Dongtianzhuang are less healthy, and those of the remaining nine are unhealthy. The spatial variations of ecological health condition of the all water areas across Baiyangdian Lake are notable. The water areas in the northeast and southeast are under relatively better ecological health conditions. The ecological health conditions in the northern, central and southern water areas are deteriorated to some extent while those in the western water area, which is close to Fu River, the ecological health conditions are seriously degraded. The ecological health conditions from good to bad in spatial scale are in the following order: water areas in the northeast and southeast gt; water areas in the north, center and south gt; water areas in the west. There is close relationship between intensity of human disturbances and extent of lake health degradation. The water areas in the northeast and southeast with little human disturbances can maintain relatively natural state of the lake ecosystem with good health conditions. The dense non-point source pollution associated with aquaculture and villages is the key factor which leads to the ecological health deterioration in the northern, central and southern water areas. The western water areas have been greatly affected greatly by large amounts of pollutants from Fu River, leading to relatively worse ecological health condition. It can be seen that sewages discharged from the villages and aquaculture into the reservoir are the dominant factors resulting in ecological health degradation in Baiyangdian Lake. In comparison with the pollutants from the aquaculture and villages, there are more impacts of pollutants discharged from Fu River on the ecological health condition of Baiyangdian Lake. The results in the paper could offer foundation for further study of early warning and control of lake ecosystem health. In addition, they can provide scientific evidence for ecosystem restoration and management of Baiyangdian Lake.

ecosystem health; health assessment; Baiyangdian Lake; eco-exergy

國家自然科學基金創新研究群體科學基金資助項目(51121003)；國家水體污染控制與治理科技重大專項資助項目(2008ZX07209-009)；國家自然科學基金資助項目(51279009)

2012- 07- 05;

2013- 01- 31

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zfyang@bnu.edu.cn

10.5846/stxb201207050937

徐菲，趙彥偉，楊志峰，陳彬.白洋淀生態系統健康評價.生態學報,2013,33(21):6904- 6912.

Xu F, Zhao Y W, Yang Z F, Chen B.Ecosystem health assessment in Baiyangdian Lake.Acta Ecologica Sinica,2013,33(21):6904- 6912.