汾河上中游流域生態系統健康評價

劉 娟， 王 飛， 韓文輝， 趙 穎

(1.山西省環境科學研究院， 山西 太原 030027； 2.山西大學 生命科學學院， 山西 太原 030006；3.山西大學 體育科學研究所， 山西 太原 030006)

1 研究背景

流域生態系統是一個集合社會、經濟和自然3個方面的復合生態系統。系統自身具有很強的環境適應能力和生態調節能力，然而近年來，由于人類活動的加劇對流域資源的過度開發和利用，超過了其本身的適應能力，流域生態環境遭到了嚴重的破壞，流域水體污染愈發嚴重，流域生態系統健康受到嚴重影響，并危及流域生態安全。

生態系統健康的概念起始于20世紀70年代，Schaseffer等[1]于1988年提出并探討了定義生態系統健康需要發展生態系統的診斷方法和具體的參數及標準。Rapport[2]于1989年論述了生態系統健康的內涵，認為生態系統健康是指生態系統具有穩定性和多樣性或復雜性，具有平衡系統組成要素的能力，并擁有活力或增長的空間，能夠對外界環境改變進行自我調節，具有對脅迫的恢復能力。由此，對生態系統健康的廣泛研究得到人們關注，并應用于河流流域評價方向，通過流域生態健康評價，從生態系統健康的角度對流域環境進行綜合整治。

國外較早開展流域生態健康評價的相關研究。Carles Ibáez等[3]主要研究河流生態系統健康評價的生態學指標，其重點在于單一性生物性指標的分析。Young等[4]除分析水質及水生生物的分類組成外，還重點分析了有機質分解與生態系統代謝等指標的影響，對今后的河流生態系統健康評價有重要的參考意義。Heng等[5]研究了污水排放影響下河流生態系統健康情況，主要對水體理化性質指標作了深入分析。而在我國，對生態系統健康的研究主要針對森林、農田、濕地、湖泊、河流等單個生態系統的健康狀況研究較多[6-11]，對流域尺度的生態健康評價研究及實踐尚不多見，也未形成具有普適性的流域生態健康評價體系[12]。大多數研究是采用單指標分數加和的方法進行綜合評價，對指標間相互關系的深入分析及科學的指標篩選過程都較為缺乏，多指標的綜合評價方法也缺乏深入性研究。張楠等[13]從指標篩選及指標關系等角度構建了流域生態系統的多指標評價體系，在國內流域生態系統健康方面具有一定的指導意義。

目前，對汾河流域的研究主要集中于土地利用變化、濕地退化及恢復、生態環境動態監測、生態補償機制以及水文水資源效應等方向，對汾河流域生態系統健康的綜合評價暫無系統性研究。因此，本文選取汾河上中游流域為研究對象，借鑒張楠等[13]提出的流域生態系統健康的多指標評價體系，應用統計學基礎分析，研究河流生態系統健康評價多指標的篩選方法，并采用改進的灰色關聯度方法對河流生態系統健康進行綜合評價，以期為汾河流域河流的生態管理提供技術支持和科學依據。

2 材料與方法

2.1 研究區概況

汾河流域位于山西省中部，地理坐標110°～113°E，35°～39°N，流經忻州、太原、呂梁、臨汾、晉中和運城等6個地級市40個縣，整體流域面積大約為39 844 km2，占山西省面積的四分之一。流域氣候類型屬于大陸性半干旱季風氣候，年均降水量約為489 mm，年均氣溫約為6～13℃，春冬雨雪稀少，夏季炎熱多雨。汾河干流縱向穿行于呂梁、太行與太岳山之間，主要支流有洪河、鳴河、東碾河、嵐河和澗河。汾河流域集中了山西全省近一半人口以及豐富的煤礦資源，工業產值和農業產值占山西省突出位置，是山西省工、農業最為集中的地區[14]。

2.2 試驗方法

研究區內共設置37個采樣點，采樣點布設位置見圖1，采樣時間為2016年5月。現場采集約1 L水樣進行水體理化指標監測，分析指標包括下列兩類：

采樣點編號、名稱及所屬類型詳見表1。

編號斷面名稱編號斷面名稱編號 斷面名稱 S1雷鳴寺S14寨上S27尹回水庫S2頭馬營匯口下游S15陽曲上游S28文峪河上游S3洪河匯流下游S16柴村橋S29文水上游S4鳴水河上游S17蕭河上游S30文水下游S5鳴水河污染源S18小店橋S31汾陽上游S6東碾河上游S19晉陽湖S32汾陽下游S7靜樂監控點S20蔡莊水庫S33孝義下游S8河岔S21晉中上游S34義棠S9嵐河上游S22溫南社S35靈石下游S10曲立S23龐莊水庫S36段純河上游S11澗河上游S24子洪水庫S37南關S12澗河大橋S25祁縣下游S13古交上游S26平遙鐵橋

理化性質的指標包括五日生化需氧(BOD5)、化學需氧量(CODcr)、總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3—N)、硝態氮(NO3—N)、亞硝態氮(NO2—N)、石油類、六價鉻、砷(As)、鋅(Zn)、鉻(Cr)、鎘(Cd)、銅(Cu)、鎳(Ni)、汞(Hg)、鉛(Pb)。以上參照《水和廢水監測分析方法》進行現場采集和實驗室內分析。

多環芳烴采用液液萃取和固相萃取高效液相色譜法[15]測定，氰化物采用容量法和分光光度法[16]測定，氟化物采用茜素磺酸鋯目視比色法[17]測定，氧化還原電位采用電位測定法[18]測定，陰離子表面活性劑采用亞甲藍分光光度法[19]測定。pH、電導率和溶解氧(DO)采用便攜式水質儀進行現場測定。

反映河流生態系統狀況的指標包括底棲動物多樣性綜合指數和魚類多樣性綜合指數，其中生物的采集測定方法參照《流域生態健康評估技術指南》[20]。

2.3 研究方法

2.3.1 候選指標的確定 從水體理化特征和河流生態系統狀況等兩個方面選取了27個反映河流特征的狀態指標作為河流健康評價的候選指標。其中，反映水體物理化學性質的指標共有25個，包括電導率、pH、 DO、氧化還原電位、BOD5、石油類、氟化物、氰化物、六價鉻、總磷、氨氮、全氮、亞硝態氮、硝態氮、陰離子表面活性劑、PAHs、CODcr、汞、砷、鋅、鉻、鎘、鉛、銅、鎳；反映河流生態系統狀況的指標有2個：底棲動物多樣性綜合指數和魚類多樣性綜合指數。

候選指標中，底棲動物多樣性綜合指數和魚類多樣性綜合指數需要通過計算獲得，具體計算方法參見指南[20]。

2.3.2 指標篩選方法 具體篩選過程如下：(1)分析指標對河流健康等級判別的能力，將不敏感或有歧義的指標刪除掉。(2)分析指標對河流生態系統的特征貢獻率。利用PCA法對27項指標進行統計分析，按照累計方差超過70%的原則提取主成分，通過最大方差旋轉法(Varimax)選擇載荷值大于0.6的指標進入下一輪篩選。(3)分析指標的獨立性。首先對余下的候選指標進行正態分布檢驗，然后分別采用Pearson相關性分析及Spearman秩相關性分析符合與不符合正態分布的候選指標，依據顯著性水平來確定各指標間信息重疊程度。最后結合專家以及實際經驗，選取其中相對獨立且重要的指標作為評價指標。在SPSS 19.0統計軟件中完成上述全部分析過程。

2.3.3 多指標綜合評價方法 河流健康綜合評價使用改進的灰色關聯度方法。灰色關聯度方法是一種多指標分析方法，關聯度越大，說明樣本越接近所表征的健康狀態，反之亦然[21]。鑒于河流健康評價中評價標準不是一個具體數值，而是一個區間，因此本次評價采用文獻[22]提出的基于點到區間距離關聯系數公式的灰色關聯度方法。

計算過程中，將河流健康具體分為5個等級：健康、亞健康、一般、較差和極差。將各采樣點標準化后的實測數據作為參考數列，評價標準值作為比較區間，利用灰色關聯度方法分別計算各采樣點與5個健康等級標準間的灰色關聯度值，依據最大隸屬度的原則選擇最大關聯度值所屬健康等級，便可確定所評價采樣點的河流流域生態系統健康綜合狀況。

3 結果與討論

3.1 基本數據

汾河上中游流域下游表現出典型的有機污染和營養物超標，主要污染物為硝態氮，亞硝態氮，BOD5，CODcr，陰離子表面活性劑，總氮和總磷等，這些指標的最大值均以屬于劣V類水質，詳見表2。

3.2 評價指標篩選

由于氰化物和六價鉻含量在所有采樣點中的變化范圍較小，河流健康狀況較難直接反映，故判定其不具備對河流健康狀況的響應能力，將其從候選指標中刪除。

采用PCA法分析余下25個指標，按照特征值大于1且累計方差大于70%的原則，提取到6個主成分(見表3)。

根據上述分析，篩選出了共計23個指標，包括底棲多樣性綜合指數、氨氮、陰離子表面活性劑、總磷、總氮、砷、電導率、硝態氮、亞硝態氮、氟化物、鉻、銅、CODcr、BOD5、汞、鋅、鎘、鉛、PAHs、鎳、DO、石油類、pH。這些指標都是對河流生態特征貢獻率較大的指標。魚類多樣性綜合指數載荷值較低，但是考慮到魚類是汾河流域生態系統重要組成，同時也是國內外河流健康評價的常用指標，因此保留該指標，并與上述23個指標一并進入下一步篩選過程。

表2 候選指標信息表

對余下的24個指標進行正態分布檢驗，結果表明，魚類多樣性綜合指數、亞硝態氮、氨氮、總磷、鉻、銅、鋅、砷、鎘、鉛、pH符合正態分布(P<0.05)，其余指標均不符合。分別采用Pearson相關和Spearman秩相關檢驗，分析指標的相關性見表4。結果表明，魚類多樣性指數、石油類和鋅與其他指標間的相關性較差，說明這3類指標相對獨立，可以保留。底棲動物多樣性綜合指數屬于能夠反映河流生態系統特征的極為重要的指標，因此也予以保留。在水體物理指標中，溶解氧與底棲動物多樣性綜合指數，BOD5等顯著相關，保留該指標。在水體化學指標中，總氮與氨氮，BOD5等顯著相關；硝態氮與亞硝態氮、鉻等顯著相關，CODcr與總磷、電導率等顯著相關。鑒于總氮、總磷、硝態氮、CODcr、BOD5能夠較為全面地反映有機污染和營養物方面的特征，因此保留這些指標進入綜合評價。陰離子表面活性劑與氨氮、總磷等顯著相關，氟化物與亞硝態氮，汞等顯著相關，主要反映生活污染的特征。此外，污染指標中重金屬鉻，銅，鎘與其他重金屬之間的相關性較高，保留這些指標參與下一步綜合評價。根據上述篩選過程，得到底棲動物多樣性指數、魚類多樣性指數、石油類、溶解氧、硝態氮、CODcr、BOD5、總氮、總磷、氟化物、陰離子表面活性劑、鋅、鉻、銅、鎘這15個指標進入河流健康綜合評價。

表3 候選指標主成分分析結果

3.3 河流健康綜合評價

按照熵值賦權法確定評價體系各指標權重，結果見表5。

確定各指標的健康等級標準：依據《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)[23]確定水體理化指標，依據《流域生態健康評估技術指南》[20]中的分級標準確定底棲動物多樣性綜合指數和魚類多樣性綜合指數，根據灰色關聯分析法進行河流健康綜合評價。在評價過程中，灰色關聯評價結果受分辨系數高低的影響，分辨系數高對應分辨率便低，本次計算分辨系數取0.05，計算取得各采樣點相對于5個健康等級的關聯度矩陣，按照最大隸屬度原則確定各采樣點河流健康評價等級。如表6所示，汾河上中游流域“健康”與“亞健康”等級采樣點為13個，占35%，“一般”等級采樣點為7個，占19%，“較差”和“極差”等級采樣點為17個，占46%。

表4 Pearson相關和 Spearman秩相關分析分析結果

注：**P<0.01；*P<0.05；a表示Pearson相關分析，其余為Spearman秩相關分析。

3.4 汾河流域河流健康狀況分析

多指標評價結果中，“健康”和“亞健康”等級的采樣點均位于汾河支流上游地區，這些區域離城市地區較遠且處于城市上游，人類活動較弱，河流本身受工業和生活污水排放影響較小，但是表現出受到農業非點源污染的潛在威脅，表現為總氮類營養物含量較高，但從整體上看河流生態系統完整性較好，水體自凈能力較強，健康狀況良好。

在“較差”和“極差”等級采樣點中，大部分采樣點都位于汾河流域水系的支流上，受附近的工業企業排污影響較大，其中位于祁縣、孝義、平遙、介休、義棠和靈石附近的S25、S26、S27、S32、S33、S34、S35、S37采樣點污染最重，上游污染源的不斷匯入造成污染物逐漸累積，入河排污口的散亂分布加之養殖廠、造紙廠、化肥廠及焦化廠等養殖及工業企業廢水的多廠及生活污水混合排污的集中分布，導致汾河上中游地區的南部污染嚴重。

而S8雖位于汾河上游區，受人類活動影響相對較少，但該地區的水體有機污染嚴重，導致水中COD值很高，高COD值引起水體中溶解氧含量降低，繼而導致水生生物缺氧以至死亡，水質腐敗變臭，水體生物的生存環境和食物來源受到嚴重影響，河流健康狀況極差。與此同時，S15、S17、S25、S26四處采樣點也呈現出不同程度的水體富營養化趨勢，總氮和總磷含量均偏高，造成營養鹽富集的因素有很多，包括自然環境、工礦業及農業的影響，治理時需要分區域對待，并大力遏制營養鹽排放。

3.5 汾河流域生態系統健康評價的不確定性

河流生態系統是一個不斷變化的動態系統，所涉及的多種不確定性因素都會直接影響最終的評價結果，生態系統的動態性特征和生物多樣性帶來了生態系統評價中的不確定性[24]。評價過程中，監制定測方案、篩選指標、選擇評價方法及評價標準等，也都會對評價結果的準確性造成影響。

汾河流域中上游生態系統健康評價結果的不確定性主要來源于兩個方面：即指標的篩選和評價標準的選擇。在評價指標篩選過程中，魚類多樣性綜合指數這個比較重要的指標會因為載荷較小而被排除掉。這說明單純使用統計學方法進行指標篩選可能會缺失某些重要的指標信息，而導致最終的評價結果存在不確定性，雖然可以加之專家經驗來輔助指標篩選，盡量減少這種不確定性，但無法完全避免。

表5 汾河上中游流域生態系統健康評價標準體系及各指標權重 mg/L

表6 汾河上中游流域生態系統健康綜合評價結果

評價指標的健康等級沿用了現有的地表水環境質量標準以及相關科技文獻中已有的評價標準，具有一定的局限性。河流的區域性特點、河流所屬類型以及人類對河流的社會期望等多個角度均需綜合考慮，單純采用現行標準或其他文獻中提供的標準雖具較強的可操作性，但無法綜合并客觀的反映河流生態系統實際健康狀況，這也會導致河流健康評價結果的不確定性。加之基礎數據的采集只涉及某一個時期，無法對河流的長期變化做出準確的判斷，因此綜合評價仍需進行長期的觀測及研究。

4 結 論

通過主成分分析法及相關性分析方法，從25個候選指標中篩選出15個指標進行汾河上中游流域生態系統健康的多指標評價研究。基于該方法所建立的綜合評價指標體系能夠從水體物理、化學、生態系統、水生生物生存環境等方面整體反映汾河流域生態系統的自然屬性。利用灰色關聯度方法構建河流健康評估系統，將采樣點分為5個等級。評價結果顯示：

(1)汾河上中游流域北部采樣點屬于“健康”和“亞健康”等級，這些區域離城區較遠且處于城市上游，人類活動較弱，河流本身受工業和生活污水排放影響相對較小，除總氮類營養物含量稍高外，整體上河流生態系統較好健康狀況良好。

(2)汾河上中游流域南部呈現不同程度的水體富營養化趨勢，總氮和總磷含量均偏高，造成營養鹽富集的因素有很多，包括自然環境、工礦業及農業的影響，治理時需要分區域對待，大力遏制營養鹽排放。

(3)整體來看，汾河上中游流域生態系統總體狀況較差，大多數采樣點都屬于“一般”、“較差”和“極差”等級，尤其是各支流顯示水體污染嚴重，集中分布的養殖廠、造紙廠、化肥廠及焦化廠等養殖及工業企業的多廠及生活混合排污，是導致汾河上中游地區生態健康退化的主要原因，建議對其周邊污染負荷排放的控制予以關注和重視，從生態系統健康的角度對流域環境進行綜合整治，以實現流域健康狀況的改善。