李 燦,李 永,李 嘉

(1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院,成都 610065;2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點實驗室,成都 610065)

1 引 言

1.1 研究目的及意義

21世紀(jì)以來,隨著世界經(jīng)濟的飛速發(fā)展和人口的膨脹,各種生態(tài)問題也日益凸顯。湖泊作為人類重要生境之一,提供了多種服務(wù)功能,其健康狀況與人類生存和發(fā)展密切相關(guān)。如何全面、科學(xué)地評價湖泊的健康狀況,正成為環(huán)境科學(xué)和生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域關(guān)注的熱點問題之一,并對湖泊的監(jiān)測和管理具有極其重要的應(yīng)用價值,為湖泊生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)和功能開發(fā)利用提供理論指導(dǎo)。

1.2 研究背景

目前國內(nèi)外對于湖泊健康評價方面的研究,尚未形成統(tǒng)一的評價指標(biāo)體系及評價方法。

近年來,在健康評價方法研究方面,1995年Jorgenson提出了一套初步的評價程序[1];XU F L等人于 2001年提出了生態(tài)模型和實測計算兩種評價方法[2,3];2004年劉永等人提出了包涵外部指標(biāo)、環(huán)境要素狀態(tài)指標(biāo)和生態(tài)指標(biāo)的評價指標(biāo)體系,并以滇池為例,構(gòu)建綜合健康指數(shù),對其進(jìn)行了健康評價[4];2005年趙臻彥等人提出了生態(tài)健康指數(shù)法,并選擇浮游植物生物量 (BA)作為基準(zhǔn)指標(biāo),浮游動物生物量(BZ)、前兩者比值(BZ/BA)、能值(Ex)和結(jié)構(gòu)能值(Exst)作為擴展指標(biāo),對意大利湖泊進(jìn)行了評價[5]。2008年盧志娟等人提出了營養(yǎng)狀態(tài)—綜合指數(shù)法 (TSI—CL),并對西湖進(jìn)行健康評價[6]。這些方法主要是從生態(tài)學(xué)方面,對于湖泊自身健康狀態(tài)進(jìn)行的評價,但沒有將湖泊所具有的其他服務(wù)功能考慮在內(nèi),在一些情況下并不能很好的綜合反映出湖泊真實的健康狀況。

針對這些問題,本文參照已有研究成果,采用多指標(biāo)綜合評價法,豐富了湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康概念及其評價指標(biāo)體系,并以四川大學(xué)明遠(yuǎn)湖為例,對其進(jìn)行健康評價。

2 湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的內(nèi)涵

2.1 生態(tài)系統(tǒng)健康概念

生態(tài)系統(tǒng)健康是以人類健康作為類比,進(jìn)而提出的概念,目前對此尚不存在普遍認(rèn)同的定義。

早在 20世紀(jì) 40年代,自然科學(xué)家 Aldo Leopold提出了土地健康 (land health)的定義,認(rèn)為健康的土地是指被人類占領(lǐng)而沒有使其功能受到破壞的狀況[7]。Karr(1993)認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)的健康應(yīng)當(dāng)具有“生態(tài)完整性”[8],并率先在河流評價中使用“生物完整性指數(shù) ( IB I)”。Costanza將生態(tài)系統(tǒng)健康總結(jié)為：(1)自我平衡 (homeostasis);(2)無疾病(absence of disease);(3)多樣性或復(fù)雜性 (diversity or complexity);(4)穩(wěn)定性或恢復(fù)性 (stability or resilience);(5)活力或成長性 (vigor or scope for growth);(6)系統(tǒng)組成成分之間維持平衡 (balance between system components)[9],這為生態(tài)系統(tǒng)健康的評價提供了一種方法,并被大多數(shù)學(xué)者所接受。Rapport等指出在景觀健康評價中,對于其社會價值的考慮是很必要的[10]。袁中紅等認(rèn)為健康的生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠提供合乎自然和人類需求的生態(tài)服務(wù)[11]。

2.2 湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康概念的構(gòu)建

湖泊的功能包括生態(tài)服務(wù)功能和社會服務(wù)功能。湖泊在其所屬區(qū)域的生態(tài)環(huán)境和社會環(huán)境中扮演著重要角色,因此,要全面、科學(xué)地評價湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài),就應(yīng)當(dāng)充分考慮湖泊的這些服務(wù)功能。

基于 Costanza對生態(tài)系統(tǒng)健康的歸納結(jié)論,并考慮湖泊的生態(tài)服務(wù)功能和社會服務(wù)功能,健康的湖泊生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)該有這樣的特征：系統(tǒng)無疾病征兆,擁有良好狀態(tài);在沒有外界投入情況下,系統(tǒng)自身能夠長期維持穩(wěn)定,且保持自身平衡狀態(tài);系統(tǒng)對外界干擾 (自然或人為干擾)具有良好抵抗力及恢復(fù)力;系統(tǒng)組成成分復(fù)雜多樣,系統(tǒng)具有活力;能夠提供良好的生態(tài)及社會服務(wù)功能。

3 評價指標(biāo)體系的建立

以湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的概念為依據(jù),構(gòu)建湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系。該指標(biāo)體系主要包涵湖泊自身生態(tài)特征和服務(wù)功能兩方面評價內(nèi)容,合計16個綜合評價指標(biāo) (表 1)。各項指標(biāo)評分采用 5分制,最高評價分?jǐn)?shù)為5分,最低評價分?jǐn)?shù)為1分。

每個指標(biāo)評價分值越高代表湖泊健康狀況越佳,反之越差,湖泊健康綜合指數(shù) I精確到 3位有效數(shù)字。當(dāng) 4＜Ii≤5,表明湖泊健康狀態(tài)在該指標(biāo)上表現(xiàn)為 “非常健康”;當(dāng) 3＜Ii≤4,表現(xiàn)為“較健康”;當(dāng) 2＜Ii≤3,表現(xiàn)為 “亞健康”;當(dāng)1≤Ii≤2,表現(xiàn)為 “疾病”。

表1 湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系Tab.1 Assessing index system of ecosystem health for lakes

3.1 系統(tǒng)整體狀態(tài)指標(biāo)

湖泊受擾狀況 (K1)。人為活動的擾動在大多情況下會使湖泊的狀態(tài)產(chǎn)生改變,進(jìn)而影響整個湖泊的健康狀況。對于湖泊受擾狀況的評價就是評價人類活動對湖泊狀態(tài)的干擾程度。將人為活動對湖泊狀態(tài)的干擾程度分為 4種類別,對每一狀態(tài)給出定義和評分標(biāo)準(zhǔn)：

未受擾：指湖泊未受到任何人類活動的干擾或人為活動并未對湖泊的生態(tài)系統(tǒng)和生境造成影響。評分為：4～5分。

輕微受擾：指湖泊周邊有較少的人為活動,湖泊受到輕微干擾,但人為活動對于湖泊生態(tài)系統(tǒng)、生境影響較小。如人類釣魚、灌溉取水、洗衣等活動。評分為：3～4分。

受擾：人類活動已經(jīng)部分改變了湖泊的生態(tài)系統(tǒng),并對其生境造成一定影響。如湖泊周邊進(jìn)行大面積耕作、大量捕魚、挖溝排水等活動。評分為：2～3分。

破壞：指人類活動已經(jīng)使湖泊生態(tài)系統(tǒng)趨于崩潰,生境退化,魚類數(shù)目急劇減少。如生活污水、工業(yè)廢水未處理排放等。評分為：1～2分。

水質(zhì)(K2)。湖泊水質(zhì)對于湖泊水生生物生存有重大影響?？蓞⒖肌兜孛嫠h(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002),并依據(jù)湖泊水域功能和保護(hù)目標(biāo),確立出湖泊用水要求的達(dá)標(biāo)類別 (Ⅰ～Ⅴ類),以此作為判分依據(jù)[12]。

湖泊水質(zhì)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)類別要求水質(zhì),評分為：3分,湖泊水質(zhì)每高于標(biāo)準(zhǔn)類別要求水質(zhì)一個等級加1分,每低于標(biāo)準(zhǔn)類別要求水質(zhì)一個等級減 1分。

湖岸棲息地狀況 (K3)。湖岸棲息地為湖泊周邊大量生物提供生存環(huán)境及食物,并可以減少湖岸水土流失。該指標(biāo)評分主要考察湖岸植被結(jié)構(gòu)完整性和其分布連續(xù)性 (見表 2)。

表2 湖岸棲息地狀況評價標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Assessing standards for lakeshore habitat

土壤質(zhì)量 (K4)。湖岸土壤與湖泊周邊生物的生境密切相關(guān)。參照《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618-1995)評分[13]。當(dāng)湖泊土壤質(zhì)量滿足Ⅰ類土要求,評分為：5分;當(dāng)湖泊土壤質(zhì)量滿足Ⅱ類土要求,評分為：4分;當(dāng)湖泊土壤質(zhì)量滿足Ⅲ類土要求,評分為：3分;當(dāng)湖泊土壤質(zhì)量低于Ⅲ類土要求,評分為：1分。

3.2 系統(tǒng)穩(wěn)定及平衡指標(biāo)

最小生態(tài)需水滿足情況 (K5)。最小生態(tài)需水的滿足是湖泊能夠保持穩(wěn)定及平衡,維持其自身狀態(tài)的基本條件之一。根據(jù)年均湖泊最小需水滿足率(L)得出該指標(biāo)分值：當(dāng) L≥95%,分值為 5分;當(dāng) 95%＞L≥90%,分值為 4分;當(dāng) 90%＞L≥85%,分值為 3分;當(dāng)L＜85%,分值為 1～3分。

湖泊退化情況 (K6)。湖泊的退化情況是湖泊穩(wěn)定及平衡與否的外在表現(xiàn)形式,體現(xiàn)了整個湖泊的長期發(fā)展變化趨勢。以湖泊多年平均水面率退化率作為參照,進(jìn)行評分(見表 3)。

表3 退化情況評價標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Assessing standards for degeneration

3.3 抵抗力及恢復(fù)力指標(biāo)

水體自凈能力 (K7)。湖泊對于入湖水體的凈化,體現(xiàn)其對于外界干擾的抵抗力。以湖泊集水區(qū)上游與集水區(qū)下游主要污染物濃度 (總 P、氨氮、COD、重金屬離子等)的變化率 K作為依據(jù)評分(見表4)。

表4 自凈能力評價標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Assessing standards for self-purification capacity

抵御自然災(zāi)害能力 (K8)。該指標(biāo)反映湖泊對于外界脅迫的抵抗力及恢復(fù)力。通過分析湖泊岸坡穩(wěn)定性、年均徑流量及湖泊經(jīng)歷自然災(zāi)害后的恢復(fù)情況進(jìn)行定性評價。

3.4 活力及多樣性指標(biāo)

初級生產(chǎn)力水平 (K9)。湖泊的初級生產(chǎn)力水平可以反映湖泊生態(tài)系統(tǒng)的活力。該指標(biāo)采用湖泊浮游植物的單位面積年生物量的變化率作為替代性指標(biāo)。初級生產(chǎn)力水平的下降在一定程度上可以反映出湖泊生態(tài)系統(tǒng)的活力降低。對于該指標(biāo)的評分,可以參照湖泊浮游植物的單位面積年生物量的多年平均變化率(見表 5)。

表5 初級生產(chǎn)力水平評價標(biāo)準(zhǔn)Tab.5 Assessing standards for primary productivity

物種多樣性 (K10)。物種多樣性是生物多樣性較為直觀的體現(xiàn)。湖泊水生物中,魚類比較具有代表性,且對外界環(huán)境變化敏感,易于收集信息數(shù)據(jù)。魚類物種多樣性在一定程度上可以體現(xiàn)整個湖泊生物多樣性情況。該指標(biāo)的評分依據(jù)所評價湖泊中魚類種數(shù)占該湖泊所在生物地理區(qū)魚類種數(shù)的百分比進(jìn)行(見表6)。

表6 物種多樣性評價標(biāo)準(zhǔn)Tab.6 Assessing standards for species diversity

3.5 生態(tài)服務(wù)功能指標(biāo)

水文調(diào)節(jié)(K11)。湖泊的水文調(diào)節(jié)功能主要有對于洪水的調(diào)蓄、作為河流和地下水的補給源頭或耗散地。其主要與湖泊容積大小、地理位置、連通性等因素有關(guān)。可針對實際情況將湖泊水文調(diào)節(jié)能力劃分為很好、好、中、差、很差 5個水平,并分別評分為：5分、4分、3分、2分、1分。

局部氣候調(diào)節(jié) (K12)。湖泊的水汽蒸發(fā)及湖泊周邊茂盛植被的蒸騰作用對其局部地區(qū)的濕度、溫度和降水都有一定影響?？筛鶕?jù)湖泊對其周邊局部地區(qū)的上述 3個要素的影響程將湖泊局部氣候調(diào)節(jié)能力劃分為：很好、好、中、差、很差 5個水平,并分別評分為：5分、4分、3分、2分、1分。

3.6 社會服務(wù)功能指標(biāo)

供水保證(K13)。湖泊儲存大量水資源,可以為人類提供生活或工業(yè)用水,體現(xiàn)出社會服務(wù)功能?？筛鶕?jù)湖泊綜合供水保證率,得出該指標(biāo)分值。

通航保證(K14)。湖泊的通航功能帶動地區(qū)社會、經(jīng)濟的進(jìn)步。該指標(biāo)可參考湖泊平均每年實際通航天數(shù)與全年通航總天數(shù)的百分比 (通航保證率)進(jìn)行評分。

景觀舒適(K15)。湖泊舒適的景觀可以給人類帶來視覺和精神上的享受。該指標(biāo)考察人們對于湖泊景觀的滿意程度。請公眾對湖泊景觀進(jìn)行評價打分,結(jié)合相關(guān)專家意見,得出分值。

休閑娛樂 (K16)。湖泊可成為人類休憩、遠(yuǎn)足、釣魚等戶外活動的理想場所,提供休閑娛樂的社會服務(wù)功能。指標(biāo)評分可根據(jù)實際情況,調(diào)查參加休閑娛樂活動的人口密度及頻率,采取定性的方法評價：

給予常規(guī)護(hù)理：營造一個舒適、整潔、干凈、安靜的病房環(huán)境，保持室內(nèi)的溫度、濕度適宜，光線充足，定期通風(fēng)，保持空氣流通、新鮮；遵醫(yī)囑給予托烷司瓊等藥物以止吐；對患者及其家屬進(jìn)行健康教育，講解有關(guān)惡性腫瘤、化學(xué)藥物、惡心嘔吐的相關(guān)知識，注意事項等，使其對疾病和治療方案有一個全面的了解，告知患者不必緊張；詳細(xì)記錄患者的病情變化，以及嘔吐物的顏色、性狀和量，遵醫(yī)囑定期復(fù)查電解質(zhì)等檢查項目等；在給予各種藥物治療時，做好藥物護(hù)理工作。

5分：幾近每日各個時段均有較多數(shù)量人口參與休閑娛樂活動,享用湖泊服務(wù)功能;4分：大部分時期,在部分時段,擁有一定數(shù)量人口參與休閑活動,享用湖泊服務(wù)功能;3分：不定期,在特定時段有少量人口參與休閑活動,享用湖泊服務(wù)功能;2分：湖泊擁有或經(jīng)過人工整改、修復(fù)后擁有一定休閑娛樂功能,但目前暫時未被利用;1分：湖泊完全不具備休閑娛樂功能。

4 計算分析

本研究以四川大學(xué)明遠(yuǎn)湖為例,進(jìn)行計算分析。四川大學(xué)江安校區(qū)位于成都市雙流縣,江安河由北向南橫貫整個校區(qū)。明遠(yuǎn)湖是臨江安河修建的人工湖泊,面積達(dá) 180多畝,在校區(qū)內(nèi)兼有生態(tài)服務(wù)功能和社會服務(wù)功能。考慮該湖泊規(guī)模較小,地理位置特殊,評價指標(biāo)中忽略供水保證、通航保證兩項指標(biāo)。

采用層次分析法 (AHP),計算出指標(biāo)權(quán)重,加權(quán)各指標(biāo)分?jǐn)?shù)得到湖泊健康綜合指數(shù)：

式中：I為湖泊健康綜合指數(shù)分值;Ii為湖泊各指標(biāo)評價分值;Si為對應(yīng)各項指標(biāo)的指標(biāo)權(quán)重。

4.1 各評價指標(biāo)評分

根據(jù)各指標(biāo)的評分標(biāo)準(zhǔn),采取實測數(shù)據(jù)、人群調(diào)查、專家咨詢、文獻(xiàn)分析等綜合方法,取得四川大學(xué)明遠(yuǎn)湖各評價指標(biāo)的分值如下(表 7)。

表7 明遠(yuǎn)湖各評價指標(biāo)分值Tab.7 Every assessing index value ofLakeMingyuan

4.2 各評價指標(biāo)權(quán)重的確立

在湖泊健康評價中,確定各項評價指標(biāo)的權(quán)重是一個重要的環(huán)節(jié),本研究采用層次分析法(AHP)。

構(gòu)建計算明遠(yuǎn)湖評價指標(biāo)權(quán)重的層次分析法模型,定義湖泊健康狀態(tài)為目標(biāo)層,A1、A2所在的層為準(zhǔn)則層,Aij(i=1、2;j=1、2、3、4)所在的為子準(zhǔn)則層;Aijk(i=1、2;j=1、2、3、4;k =1、2、3、4)為方案層。通過專家會議法,對各層次中各個元素相對重要性做出判斷,得出判斷矩陣,并通過一致性檢驗,得到最終權(quán)重結(jié)果(表 8)。

表8 明遠(yuǎn)湖健康評價各指標(biāo)權(quán)重Tab.8 Weight of every index for lakeMingyuan

4.3 評價結(jié)果分析

由明遠(yuǎn)湖各評價指標(biāo)的分值及相對權(quán)重,計算出明遠(yuǎn)湖健康綜合指數(shù)為 3.55。

通過分析評價最終結(jié)果及各指標(biāo)分值,可以得出：四川大學(xué)明遠(yuǎn)湖整體健康狀態(tài)屬于 “較健康”。湖泊生態(tài)系統(tǒng)處于穩(wěn)定、平衡的狀態(tài);湖泊具有良好的抵抗力及恢復(fù)力;能夠提供合乎人類需求的社會服務(wù)功能。

影響湖泊健康狀態(tài)的疾病因子主要表現(xiàn)為：湖岸棲息地面積狹小,植被分布連續(xù)性較差;湖泊生物多樣性不足;湖泊水文調(diào)節(jié)能力較差,氣候調(diào)節(jié)效果極其微弱,不能提供良好的生態(tài)服務(wù)功能。

四川大學(xué)明遠(yuǎn)湖的生態(tài)修復(fù)重點包括：保護(hù)湖泊魚類物種,引進(jìn)適宜魚類物種及其他水生生物,增加生物多樣性;修復(fù)湖濱帶濕地,擴展?jié)竦孛娣e,增加濕地植被物種多樣性,改善植被分布連續(xù)性,種植部分高大喬木,這樣也一定程度上改善了湖泊的水文調(diào)節(jié)及局部氣候調(diào)節(jié)功能。

5 結(jié) 語

對一般情形下湖泊健康評價指標(biāo)體系及評價方法進(jìn)行了探索性的研究,并以四川大學(xué)明遠(yuǎn)湖為例,對其進(jìn)行健康評價。在實際運用中,可以依據(jù)具體湖泊的特點、功用和保護(hù)目標(biāo)等對評價指標(biāo)體系和評分標(biāo)準(zhǔn)做相應(yīng)的調(diào)整和修改,并依據(jù)具體情況增添或省略一些相關(guān)指標(biāo),并對各指標(biāo)的權(quán)重取值進(jìn)行調(diào)整或重新計算。其他具體問題尚需進(jìn)一步探討。

[1] Jorgensen S E.Exergy and EcologicalBuffer Capacities asMeasures of Ecosystem Health[J].Ecosystem Health,1995,1(3)：150～160.

[2] Xu F L,Tao S,Dawson R W,et al.Lake ecosystem health assess ment：indicators and methods[J].Water Research,2001,35 (13)：3157-3167.

[3] Xu F L,Dawson R W,Tao S.A method for lake ecosystem health assessment：an EcologicalModelingMethod and its application[J].Hydrobiologica,2001,443(1～3)：159-175.

[4] 劉 永,郭懷成,戴永立,陸軼峰 .湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2004,24(4)：723-729.

[5] 趙臻彥,徐福留,詹 巍,等 .湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康定量評價方法[J].生態(tài)學(xué)報,2005,25(6)：1466-1474.

[6] 盧志娟,裴洪平,汪 勇 .西湖生態(tài)系統(tǒng)健康評價初探[J].湖泊科學(xué),2008,20(6)：802-805.

[7] Aldo Leopold.W ilderness as a land laboratory[J].LivingW ilderness,1941,(7)：3.

[8] Karr J R.Defining and assessing ecological integrity：beyondwater quality[J].Environmental Toxicology and Chemistry,1993, 12：1521-1531.

[9] Costanza R,Norton B G,Haskell B D.Ecosystem Health：New Goal for EnvironmentalManagement[C].Washington DC：Island Press,1992.

[10] Rapport D J,Gaudett C,Karr J R,et al.Evaluating landscape health：Integrating societal goals and biophysical process[J]. Journal of environmentalmanagement,1998,53：1-15.

[11] 袁興中,劉 紅,陸健健 .生態(tài)系統(tǒng)健康評價—概念構(gòu)架與指標(biāo)選擇[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2001,12(4)：627-629.

[12] GB 3838-2002,地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].

[13] GB 15618-1995,土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].