洞庭湖生態風險評價及階段性特征

王艷分,倪兆奎,李曉秀,王圣瑞*

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洞庭湖生態風險評價及階段性特征

王艷分1,2,3,倪兆奎2,3,李曉秀1*,王圣瑞2,3*

(1.北京師范大學水科學研究院,北京 100875；2.首都師范大學資源環境與旅游學院,北京 100048；3.中國環境科學研究院,北京 100012)

采用“壓力－響應”模式,按3個階段評價了洞庭湖1991~2015年生態風險狀況,并識別了不同階段的主要壓力源、脅迫因子及受影響較大的生態系統指標與生態系統服務.結果表明:(1)1991~2015年,洞庭湖生態風險總體呈不斷增加趨勢,期間造成洞庭湖生態風險增加的主要壓力源發生了較大變化;主要脅迫因子和受影響大的生態系統指標也變化明顯,而受影響較大的生態系統服務功能無明顯變化.(2)不同階段,洞庭湖生態風險影響因素不同,其中1991~2002年,受自然源和人為源共同影響;2003~2010年,自然源影響明顯減弱,而人為源影響逐步增加;2011~2015年,自然源影響繼續降低,而人為源的影響則進一步增加;(3)近年來洞庭湖生態風險增速雖有所減緩,但生態風險增加趨勢尚未根本性改變,仍需加強洞庭湖保護治理,重點是進一步加強流域人為源的污染控制,同時密切關注自然源影響,尤其是水文情勢變化所引起的生態風險增加問題.

洞庭湖；生態風險；評價；階段性特征

生態風險是指生態系統及組分所承受的風險[1].作為國際生態系統風險管控重要手段的生態風險評價得以快速發展,它通過分析生態系統及組分,評估其可能遭遇的風險,量化其可能受到的生態威脅,確定生態系統抵御風險的能力,從而提出科學的風險管理對策[2-6].我國生態風險評價起步較晚,20世紀80年代以來,水環境生態風險評價作為一項新技術逐漸發展,并成為現代環境管理的基礎及重要支撐.

針對湖泊開展的生態風險評價側重于重金屬和難降解有機毒物污染等方面[7-12],而綜合考慮流域演變及人類活動影響等因素的湖泊生態風險評價尚處于探索階段[13-16].考慮湖泊流域生態系統的整體性和內部復雜性,應以此為切入點,耦合社會經濟系統和生態系統,在系統水平對大流域范圍內的相對生態風險評價展開研究.趙鐘楠等[17]以生態服務作為風險評價終點,通過量化外界壓力與生態系統服務的“壓力-響應”過程,建立了系統尺度上的流域生態系統生態風險評價方法.韓茹茹等[18]以此為基礎對太湖流域進行了生態風險評價.沈新平等[19]用此方法評價了外界壓力源對洞庭湖生態系統服務影響.

作為我國第二大淡水湖的洞庭湖,近年來,其江湖關系及流域經濟社會發展發生了較大變化,尤其是江湖關系變化對流域水文、水質、水環境容量和營養狀態等影響導致洞庭湖生態環境進一步惡化[20-21].目前,洞庭湖面臨較為嚴峻的低枯水位、水質下降、濕地退化及生物多樣性下降等生態風險.為更加有效地保護治理洞庭湖,急需從長時間尺度定量評價其生態風險狀況及變化.因此,本研究針對洞庭湖面臨的主要生態環境問題,選用“壓力-響應”模式,構建了洞庭湖生態風險評價指標體系,定量評價洞庭湖1991~2015年間生態風險狀況,并揭示其變化趨勢,以期為洞庭湖保護治理提供科學基礎.

1 材料和方法

1.1 研究區域概況

洞庭湖地跨湖南、湖北兩省,長江重要的調蓄湖泊和國際重要濕地,素有“魚米之鄉”和“天下糧倉”的美譽,擔負著長江流域生態安全、水安全和國家糧食安全的重大責任.洞庭湖南納湘、資、沅、澧四水,北接松滋、太平、藕池、調弦四口來水,東由城陵磯注入長江,具有保持江湖水域生態平衡的重要功能.

1.2 生態風險評價方法

1.2.1 生態風險評價框架 “壓力－響應”模式是分析與量化外界壓力通過壓力源從生態系統外部施加的一種或多種脅迫因子對特定的生態系統及組分產生的不利作用,進而通過生態系統要素間復雜多樣的聯系損害生態服務功能而產生的生態風險的全過程[22-23].

圖1 生態系統水平的生態風險分析框架

a~d表示的是4種“影響過程”;a壓力源從生態系統外部釋放一種或多種脅迫因子;b脅迫因子給特定的生態系統要素帶來擾動;c 生態系統指標對應的結構和過程要素會在外界擾動和自身彈性的共同作用下離開初始狀態;d 生態系統指標對應要素的狀態改變造成了原有的生態服務改變,從而產生生態風險

圖2 生態風險量化方式

湖泊流域生態風險評價框架如圖1所示,主要包括壓力源分析、生態系統刻畫、評估終點選擇及關聯分析.壓力源指各種自然和人為的活動;脅迫因子指壓力源對生態系統的作用過程;評價終點即生態終點,是指在不確定性的風險源的作用下,風險受體可能受到的損害,本文以“生態系統服務”為生態風險評價的終點[18].

1.2.2 生態風險評價量化 生態風險評價量化方式如圖2所示[17],各風險組分之間的影響按圖3所示的方法打分賦值[17-18,24],分別得到壓力源－脅迫因子關系矩陣SSM、脅迫因子－生態系統指標關系矩陣SEM、生態系統指標相互關系矩陣AEM和生態系統指標與生態系統服務矩陣EEM.

在對生態系統量化的基礎上,進行壓力源對湖泊生態系統的生態服務影響程度的量化計算[20].

湖泊壓力源產生的脅迫因子程度:

CSS= ∑(SRM×SSM) (1)

式中:表示壓力源;表示脅迫因子;CSS表示湖泊所有的壓力源產生的第類脅迫因子的累積影響.

脅迫因子對生態系統指標的影響程度:

CESh= ∑(CSS×SEM) (2)

式中:表示生態系統指標;CES表示湖泊所有的脅迫因子對第類生態系統指標的累積影響.

生態系統對外界壓力的響應程度:

ECES= ∑(CES×HRM) (3)

式中:ECES為考慮了生態系統彈性指數的CES.

圖3 層次打分法

生態系統某些指標受影響后對其他指標產生的間接影響:

TCES= ∑(ECES×AEM) (4)

式中:TCES為考慮了生態系統指標之間互相關聯作用的ECESh.

湖泊所有脅迫因子,通過“壓力-響應”模式對第類生態系統服務的累積影響Impacte,據此可以得出受影響較大的生態系統服務:

Impact= ∑(TCES×EEM) (5)

1.2.3 生態風險指標體系的構建 基于數據支撐以及趨勢分析考慮,本研究選擇1991~2015年作為洞庭湖生態風險評價區間,同時,為定量化分析江湖關系及流域經濟社會發展變化對洞庭湖生態環境影響,選擇2003年即三峽工程建設前后以及2011年即“十二五”規劃實施前后作為階段劃分點,也就是對洞庭湖生態風險的評價分為3個階段,即1991~2002年、2003~2010年以及2011~ 2015年.

根據洞庭湖實際情況并參閱相關文獻,篩選了9項壓力源指標,分別為區域發展、城鎮生活、工業、農業、畜牧業、漁業、旅游業、氣候變化以及水文變化,與之對應的脅迫因子為年地區生產總值、人口密度、第二產業增加值、第一產業增加值、化肥施用量、大牲畜頭數、水產品總產量、旅游業總收入、年平均降水量、徑流量和水位共11項,具體如表1所示.

表1 洞庭湖壓力源數據

注:數值均為階段平均值.

表2 生態系統指標數據

注:數值均為階段平均值.

目前,洞庭湖生態風險中,最受關注的為水質下降、藻類水華以及濕地退化風險[25-26],因此生態系統指標的選取著重考慮以上三個方面.根據實際情況,其生態系統指標選擇水質、富營養化狀態、生物多樣性以及生境變化4項.因4項指標為屬性層面,故選用物理、化學或生物度量層面指標進行定量表征,具體如表2所示.水質指標選用TN、TP、CODMn進行度量,這是因為 TN和TP是引起洞庭湖水質下降的主導因子[27],同時,CODMn反映了水體受有機污染物和還原性無機物質污染的程度.富營養化狀態選用葉綠素、透明度、浮游植物數量以及富營養化指數進行度量;生物多樣性選用總物種數和越冬鳥類數量進行度量;生境變化選用洲灘面積和最大植被覆蓋度進行度量.

生態系統服務指標為調節水文價值、凈化水質價值、生物多樣性價值、調節氣候價值、土壤保持價值、旅游休閑價值.

壓力源數據來源于國家圖書館統計年鑒館和湖南統計信息網(http://www.hntj.gov.cn/),其中水文數據來自湖南水文網(http://61.187.56.156/wap/ index_sq.asp)和水利部網站.

生態系統指標數據中表征水質的CODMn、TN、TP和表征富營養化狀態指標的葉綠素、透明度和浮游植物數量來自國家環境保護洞庭湖科學觀測研究站;其他數據通過查閱相關文獻獲得.

2 結果分析

2.1 洞庭湖生態風險變化趨勢

根據圖4結果可明顯看出,自1991~2015年,洞庭湖生態風險整體呈增加趨勢,該變化與流域水文過程以及經濟社會發展有密切關系,這一結果在國內外針對洞庭湖水質、濕地及藻類水華等方面的研究得到了證實[33-35].

圖4 洞庭湖生態風險評價結果

不同階段,洞庭湖生態風險呈不同的變化特點.2003~2010年的生態風險得分與上一階段相比增加52.47%,增加明顯;而2011~2015年的生態風險得分與上一階段相比增加僅為2.09%,變化不大.

2.2 洞庭湖生態風險各組分變化趨勢

根據生態風險評價方法,各組分風險評價結果如圖5所示.1991~2015年,壓力源、脅迫因子、生態系統指標以及生態系統服務總的風險得分呈現增加的趨勢.其中壓力源除畜牧業和氣候變化外,其他9項壓力源的風險得分均不斷上升,畜牧業的風險得分先上升后下降,氣候變化的風險得分先下降后上升(圖5a).脅迫因子除第一產業增加值、水產品總產量外,其他10項脅迫因子的風險得分均不斷上升,水產品總產量的風險得分先上升后下降(圖5b).生態系統指標的風險得分變化不一,CODMn、葉綠素、浮游植物數量以及營養化指數4項指標的風險得分先上升后下降;TN、TP以及洲灘面積3項指標的風險得分先下降后上升;透明度、總物種數、越冬鳥類數量以及最大植被覆蓋度4項指標的風險得分不斷上升(圖5c);生態系統服務的風險得分變化不一,凈化水質價值、生物多樣性以及旅游休閑價值的風險得分不斷上升;調節氣候價值、土壤保持價值及調節水文價值風險得分先上升后下降(圖5d).造成洞庭湖生態風險的主要壓力源發生了化.1991~2002年,主要壓力源為氣候變化、水文變化、畜牧業、城鎮生活、農業,對風險得分的貢獻率分別為24.19%、24.06%、20.89%、11.71%、8.79%,總貢獻率達到89%以上;2003~2010年,主要壓力源為農業、水文變化、城鎮生活、畜牧業、漁業,對風險得分的貢獻率分別為26.32%、14.71%、13.96%、11.42%、8.65%,總占比達到75%以上;2011~2015年,主要壓力源為農業、水文變化、城鎮生活、工業、區域發展,對風險得分的貢獻率分別為23.83%、15.89%、12.20%、11.67%、10.84%,總占比達到74%以上(圖5a).

造成洞庭湖生態風險的主要脅迫因子變化明顯.1991~2002年,主要脅迫因子為徑流量、地區生產總值、水產品、人口密度、大牲畜頭數,對風險得分的貢獻率分別為14.25%、12.24%、10.78%、9.45%以及8.82%,總貢獻率達到55%以上;2003~2010年,主要脅迫因子為第一產業增加值、水產品、大牲畜頭數、人口密度、化肥施用量,對風險得分的貢獻率分別為15.92%、14.40%、12.77%、9.68%以及7.17%,總貢獻率達到59%以上;2011~2015年,脅迫因子排在前兩位的是大牲畜頭數、水產品總量,對風險得分的貢獻率分別為16.37%、9.30%,剩余9項脅迫因子對風險得分的貢獻率相同,均為8.26% (圖5b).

受影響大的生態系統指標變化明顯.1991~2002年,受影響大的生態系統指標為營養化指數、洲灘面積、CODMn、TN、浮游植物數量,占比分別為21.53%、19.75%、15.86%、10.27%以及9.08%,總占比達到76% 以上;2003~2010年,受影響大的生態系統指標為營養化指數、浮游植物數量、葉綠素、CODMn以及越冬鳥類數量,占比分別為21.92%、16.95%、16.50%、11.21%以及6.25%,總占比達到72%以上;2011~2015年受影響大的生態系統指標為TP、越冬鳥類數量、浮游植物數量、TN以及洲灘面積,占比分別為13.24%、13.24%、13.12%、9.93%以及9.93%,總占比達到59%以上(圖5c).

受影響大的生態系統服務基本無變化.1991~ 2015年,受影響大的生態系統服務均為生物多樣性價值、凈化水質價值以及旅游休閑價值(圖5d).

圖5 風險組分評價結果

a,針對壓力源;b,針對脅迫因子;c,針對生態系統指標;d,針對生態系統服務

3 討論

3.1 洞庭湖生態風險階段性變化特征及驅動因素

整體而言,洞庭湖區域面臨的風險主要由人為源和自然源引起.其中人為源包括區域發展、城鎮生活、工業、農業、畜牧業、漁業以及旅游業,自然源包括氣候變化和水文變化.不同階段,洞庭湖生態風險的影響因素也不同.

1991~2002年,主要壓力源為氣候變化、水文變化、畜牧業、區域發展以及農業,此階段自然源和人為源共同影響,且自然源與人為源對生態風險的貢獻比例相當(圖6).盧宏偉等人將洞庭湖風險源分為洪澇災害、工業污染、血防污染以及農業污染4類,評價結果表明洞庭湖流域生態風險的最大制約因素仍為洪澇災害,緊隨其后的是污染物特別是磷的排入[36].而洪澇災害屬于自然源,污染物的排放屬于人為源.本文中自然源包括氣候變化和水文變化,氣候變化通過年平均降水量進行表征,水文變化通過徑流量和水文進行表征,這與選擇洪澇災害作為風險源有相似之處.

圖6 洞庭湖生態風險壓力源占比

2003~2010年,主要壓力源為農業、水文變化、區域發展、畜牧業、漁業,此階段自然源的影響明顯減弱,人為源的影響逐步凸現(圖6).根據統計資料,與上一階段相比,人為源產生的脅迫因子波動幅度較大,如第一產業增加值增加了1.55倍,地區生產總值增加了2.36倍,第二產業增加值增加了3.06倍;相較而言,自然源產生的脅迫因子變化幅度較小(表3).此變化有兩方面的原因,一方面城市工業污染和農業面源污染加重[36];另一方面三峽工程運行后,洞庭湖入口來水來沙量明顯減小,洞庭湖水位降低,換水周期變長,湖泊水體交換不暢,削弱了湖泊水體對污染物的凈化能力[37].

2011~2015年,主要壓力源為農業、水文變化、區域發展、工業、城鎮生活,此階段自然源的影響繼續減小,人為源的影響進一步增加(圖6).根據統計資料,與上一階段相比,人為源產生的脅迫因子變化幅度有所下降,自然源產生的脅迫因子變化幅度同樣減少,整體而言,仍舊是人為源占據優勢(表3).此階段人為源來自3個方面:一是入湖流域上游各大工業城市排放的工業廢水,據調查,西洞庭湖周圍工業廢水年排放量近億t,主要是造紙和化肥行業[38];二是入湖流域所經城鎮排放的生活污水.據計算,每日流入湖生活污水量大,相當于每日入洞庭湖純氮10余t,純磷1t[26].三是大面積農業種植和養殖,大量農藥化肥及畜禽糞便的流失,造成了流域內土壤污染,也間接導致了湖區內各河流污染[39-40].

表3　脅迫因子變化

3.2 基于生態風險防控的洞庭湖保護治理建議

1991~2015年,洞庭湖生態風險不斷增加,造成洞庭湖生態風險的主要壓力源也發生了變化.但就整體而言,流域面源污染、工業點源污染以及水文情勢變化仍然是洞庭湖生態風險的主要來源.針對洞庭湖目前面臨的生態問題,從生態風險防控的角度提出洞庭湖保護治理的建議:

3.2.1 繼續加強流域人為源污染的控制

(1)加強面源污染治理.繼續加強對農業面源污染的治理.減少化肥和農藥使用量,推進畜禽糞便、農作物秸稈、農膜等農業廢棄物資源化利用.

(2)加強點源污染治理.加快推進工業點源污染治理工程.推進工業園區水污染集中治理,建成污水集中處理設施,安裝自動在線監控裝置.

(3)不斷推進城鄉生活污水與垃圾治理工程.梯次推進鄉鎮生活污水治理,完善湖面內源污染治理體系.

(4)持續加強對特殊水域與濕地的保護.對區域內面積1km2以上的百余湖泊生態環境進行修復.對珍稀濕地動物的棲息地和重要漁業水域等生態敏感區域進行修復和保護.

3.2.2 密切關注自然源,尤其是水文情勢變化影響 自然源對洞庭湖生態風險的影響雖有所減弱,但仍需要繼續關注.應加快實施洞庭湖四口水系綜合整治工程、西水東調工程以及河湖連通工程.

4 結論

4.1 1991~2015年,洞庭湖生態風險不斷增加.造成洞庭湖生態風險的主要壓力源發生了較大變化, 1991~2002年為氣候變化、水文變化、畜牧業、城鎮生活、農業變化,而2011~2015年為農業、水文變化、城鎮生活、工業、區域發展;主要脅迫因子變化明顯,1991~2002年為徑流量、地區生產總值、水產品、人口密度、大牲畜頭數,而2011~2015年,脅迫因子排在前兩位的是大牲畜頭數、水產品總量;受影響大的生態系統指標變化明顯,1991~2002年為營養化指數、洲灘面積、CODMn、TN、浮游植物數量,而2011~2015年為TP、越冬鳥類數量、浮游植物數量、TN以及洲灘面積;受影響大的生態系統服務基本無變化,均為生物多樣性價值、凈化水質價值以及旅游休閑價值.

4.2 不同階段,洞庭湖生態風險的影響因素不同,其中1991~2002年,受自然源和人為源的共同影響; 2003~2010年,自然源的影響明顯減弱,而人為源的影響逐步凸現;2011~2015年,自然源的影響繼續降低,而人為源的影響進一步增加.

4.3 近年來洞庭湖生態風險增速雖有所減緩,但生態風險總體為不斷增加趨勢,仍需要加強保護治理,特別是要繼續加強流域人為源污染控制,同時需密切關注自然源尤其是水文情勢變化導致的洞庭湖生態風險問題.

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The ecological risk assessment and stage characteristics of Dongting Lake.

WANG Yan-fen1,2,3, Ni Zhao-kui2,3, LI Xiao-xiu1*, WANG Sheng-rui2,3*

(1.College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, China；2.College of Resource Environment and Tourism, Capital Normal University, Beijing 100048, China；3.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China)., 2019,39(1)：321~329

To protect Dongting Lake more effectively, it is very important to evaluate the ecological risk of Dongting Lake quantitatively. In this paper, the "Pressure-Response" model was adopted to evaluate the ecological risk status of Dongting Lake from the viewpoint of three stages from 1991 to 2015 and identify the main pressure source, stress factors and the main affected ecosystem indicators, ecosystem services of different stages. The results showed that (1) the ecological risk of Dongting Lake increased continuously from 1991 to 2015, and its main pressure source changed greatly. The main stress factors and the main affected ecosystem indicators were also changed obviously, but the main ecosystem services had no significant change. (2) The ecological risk factors of Dongting Lake were different at different stages. From 1991 to 2002, the ecological risk was influenced by both natural and social sources; From 2003 to 2010, the influence of natural sources was weakened, the influence of social sources began to emerge. From 2011 to 2015, the influence of natural sources was relatively small, and the influence of social sources was big. (3)Although the growth trend of ecological risks has slowed down in recent years, but which was still needed to strengthen protection and governance. It was to strengthen the pollution control of social sources continually in the basin, and to pay close attention to the changes of natural sources, especially the increasing of the ecological risk caused by the changes in hydrological conditions.

Dongting Lake；ecological risk；assessment；stage characteristics

X524

A

1000-6923(2019)01-0321-09

王艷分(1987-),女,河南安陽人,碩士,主要從事水污染防治方面的研究.發表論文1篇.

2018-05-24

國家科技支撐計劃項目(2014BAC09B02);萬人計劃資助項目(312232102)

* 責任作者, 王圣瑞, 研究員, wangsr@bnu.edu.cn; 李曉秀, 副教授, lixiaoxiu0548@sina.com