黃　琪，高俊峰，張艷會，閆人華，王 雁，蔡永久

1 中國科學院流域地理學重點實驗室，中國科學院南京地理與湖泊研究所，南京 210008

2 中國科學院大學，北京 100049

長江中下游四大淡水湖生態(tài)系統(tǒng)完整性評價

黃琪1,2，高俊峰1,*，張艷會1,2，閆人華1,2，王 雁1，蔡永久1

1 中國科學院流域地理學重點實驗室，中國科學院南京地理與湖泊研究所，南京 210008

2 中國科學院大學，北京 100049

摘要:長江中下游地區(qū)是我國淡水湖泊集中分布區(qū)域，研究該區(qū)域湖泊生態(tài)系統(tǒng)完整性對于湖泊生態(tài)系統(tǒng)保護和恢復具有重要意義。物理、化學和生物完整性指標已經廣泛應用于河湖生態(tài)系統(tǒng)健康評價，但是缺少物理、化學和生物完整性的綜合評價方法。以歷史調查狀況為主要參照系統(tǒng)，構建了基于物理、化學和生物完整性的多參數(shù)湖泊完整性綜合評價指標體系，結合近年來長江中下游四大淡水湖(洞庭湖、鄱陽湖、巢湖、太湖)生態(tài)系統(tǒng)調查數(shù)據，對四大淡水湖生態(tài)系統(tǒng)完整性進行了評價。結果表明，洞庭湖、鄱陽湖、巢湖和太湖的綜合得分分別為66、71、57和57。根據評價等級劃分標準，洞庭湖和鄱陽湖生態(tài)系統(tǒng)完整性狀況都達到“好”的等級，而巢湖和太湖則處于“一般”等級；結果顯示，該指標能夠表征人類活動對于湖泊生態(tài)系統(tǒng)完整性不同方面的干擾，且能夠反映四大淡水湖生態(tài)系統(tǒng)完整性歷史變化狀況。因此，該方法可以作為長江中下游淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)完整性綜合評價的工具并能夠為湖泊生態(tài)系統(tǒng)的保護和恢復提供科學支撐。

關鍵詞：淺水湖泊；湖泊生態(tài)系統(tǒng)；生態(tài)系統(tǒng)完整性；評價；長江中下游

近年來，生物完整性指數(shù)在國內外河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價研究中逐漸得到了廣泛應用，為實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)評價和管理提供了有效的生物監(jiān)測工具[1- 3]，然而，該方法在湖泊和水庫等靜生態(tài)系統(tǒng)中的研究和應用較少[4- 5]。其重要原因是我國絕大部分與人類活動密切相關的湖庫都受到了一定程度的干擾，致使構建生物完整性指數(shù)的參照系統(tǒng)難以基于調查現(xiàn)狀確定[5]。馬陶武等[6]、汪星等[7]依據生物指數(shù)來確定參考(清潔)和受損(污染)樣點，分別構建了太湖、洞庭湖的底棲動物完整性指數(shù)，用于評價湖泊不同區(qū)域的水質狀況。蔡琨等[5]采用干擾程度最小系統(tǒng)法定義太湖底棲動物生物完整性指數(shù)參照系統(tǒng)，構建了太湖湖心區(qū)和非湖心區(qū)底棲動物完整性指數(shù)，評價了太湖生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。盡管這些方法對于生態(tài)系統(tǒng)完整性評價中參照系統(tǒng)建立具有較好的參考價值，但這些評價方法難以綜合反映湖泊生態(tài)系統(tǒng)物理、化學和生物完整性狀況[8]，也不能反應湖泊生態(tài)系統(tǒng)完整性狀況歷史變化。

“生態(tài)完整性”指未受到損害的，生態(tài)良好的狀態(tài)[9]。對湖泊生態(tài)系統(tǒng)而言，包括了物理、化學和生物完整性3個方面[10]。因此，對流域河湖生態(tài)狀態(tài)評價的研究逐漸擴展到綜合采用生態(tài)系統(tǒng)物理、化學和生物完整性參數(shù)進行評價[8, 11]。在評估尺度方面，也不再局限于單個湖泊，而將視野擴大到流域甚至是全球尺度[12]。長江中下游平原是我國淡水湖泊分布最密集的核心區(qū)，洞庭湖、鄱陽湖、巢湖和太湖等四大淡水湖生態(tài)系統(tǒng)健康狀況受到國內外高度關注[13- 14]。已有研究基于湖泊形態(tài)結構[15]、水體富營養(yǎng)化[16]和生物等單項指數(shù)[6- 7]等對湖泊健康狀況進行了初步評價，但缺少綜合物理、化學和生物指標的完整性評價研究。本研究在對四大淡水湖生態(tài)系統(tǒng)特征分析的基礎上，通過構建湖泊生態(tài)系統(tǒng)完整性綜合評價指標體系，評價人類活動干擾影響下四大湖生態(tài)系統(tǒng)完整性歷史變化特征，建立基于生態(tài)系統(tǒng)完整性的湖泊綜合評價方法，以期為四大淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)保護和恢復提供科學支撐。

1數(shù)據來源與研究方法

1.1數(shù)據收集

本研究數(shù)據來源分為現(xiàn)狀數(shù)據和歷史數(shù)據兩部分。其中現(xiàn)狀數(shù)據來自2008—2013年間采樣調查，調查數(shù)據包括湖泊水質理化數(shù)據、生物數(shù)據(包括浮游植物、底棲動物和魚類)。共采集樣點91個，其中：洞庭湖2008年30個調查點位，鄱陽湖2012年15個調查點位，巢湖2013年34個調查點位，太湖2012年12個調查點位。

采用YSI6600 pro便攜式水質多參數(shù)分析儀現(xiàn)場測定水體pH值、電導率(EC)和溶解氧(DO)等5 項理化參數(shù)?，F(xiàn)場采集1 L 水樣，用冷藏保溫箱保存后短時間運送到實驗室，測定包括總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)等共6 項化學參數(shù)。水體理化參數(shù)的采集、運送和測定均依據《水和廢水監(jiān)測分析方法》[17]。藻類、大型底棲動物、魚類采樣和鑒定分別由專家進行，為避免單次魚類調查數(shù)據的偶然性，魚類指標依據相同時期調查且已發(fā)表文獻數(shù)據計算[18- 22]。歷史數(shù)據采用1950—1960年代或對應指標調查整理的文獻資料[23- 24]。

1.2評價指標體系的構建及計算1.2.1評價指標體系構建

在對四大淡水湖生態(tài)系統(tǒng)特征分析的基礎上，從湖泊生態(tài)系統(tǒng)完整性物理(生境)、化學(水質)和生物(水生生物類群)3個方面的構建評價指標體系。河湖連通狀況可表征長江與各大湖泊水沙輸送和能量傳遞，繼而調整和塑造湖盆結構；湖泊面積既是湖泊的基本形態(tài)參數(shù)，又能夠反映本區(qū)湖泊受人類活動干擾強度(如歷史圍墾導致的湖泊面積萎縮)[22]，故采用河湖連通結構狀況和湖泊形態(tài)參數(shù)表征物理完整性。水質理化參數(shù)中溶解氧、電導率和營養(yǎng)狀況能夠表征不同方面水化狀況。浮游植物、底棲動物和魚類是廣泛應用于湖泊生態(tài)狀況評價的水生生物類群。依據系統(tǒng)性、獨立性和差異性原則，結合已有研究[3,6- 7]，最終確定湖泊生態(tài)系統(tǒng)評價指標體系包含7項評價指標和13項分項指標(表1)。

表1　四大淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)完整性評價指標體系及權重

1.2.2評價指標測定與計算方法

(1)物理完整性指標

河湖連通狀況指標表征河流與湖泊水域之間的水流暢通程度，可通過河湖連通的口門暢通率計算[22]，計算公式：

D1=暢通口門數(shù)/總口門數(shù)

(1)

湖面完整性通過湖面(水域)萎縮率指標計算[22]，計算公式：

D2=現(xiàn)狀湖泊面積/歷史湖泊面積

(2)

(2)湖泊基本水質指標

湖泊基本水質指標的數(shù)值計算直接通過求取所有調查樣點的平均值求得，其中溶解氧和電導率指標分別通過以下公式計算：

D3=溶解氧平均值/溶解氧期望值

(3)

D4=電導率平均值/電導率歷史值

(4)

(3)富營養(yǎng)化狀況

湖泊富營養(yǎng)化指計算公式采用金相燦等[25]提出的公式計算，其中富營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)分別總磷(TP)、總氮(TN)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、葉綠素(Chl a)和透明度(SD)5個基本水質參數(shù)計算。

(5)

式中，Wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關權重，TLI(j)為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

(4)浮游植物指標

浮游植物物種豐富度指標采用物種損失指數(shù)[26]計算(式6)，藍藻比例指各調查樣點藍藻占所有藻類比值之平均值，通過現(xiàn)狀調查值與歷史調查值(式7)，浮游植物Berger-Parker指數(shù)通過現(xiàn)狀調查與歷史調查平均密度比計算得到(式 8)。

D6=現(xiàn)狀調查浮游植物屬數(shù)/歷史調查浮游植物屬數(shù)

(6)

D7=藍藻門密度/藻類密度

(7)

D8=浮游植物最優(yōu)勢類群密度/生物類群總密度

(8)

(5)大型底棲動物指標

大型底棲動物物種豐富度指標采用物種損失指數(shù)計算，Berger-Parker優(yōu)勢度指數(shù)和底棲動物生物(耐污)指數(shù)(BI)通過公式計算得到[27]。

D9=現(xiàn)狀調查底棲動物種數(shù)/歷史調查底棲動物種數(shù)

(9)

D10=底棲動物最優(yōu)勢種密度/底棲動物密度

(10)

(11)

式中,Wi為第i類底棲動物的密度，pi為第i類底棲動物對應的耐污BI值，n為底棲動物種類數(shù)。

(6)魚類指標

魚類物種豐富度指標采用物種損失指數(shù)計算，優(yōu)勢種比例通過調查數(shù)據計算。

D12=現(xiàn)狀調查魚類種類數(shù)/歷史調查魚類種類數(shù)

(12)

D13=魚類最優(yōu)勢種密度/魚類密度

(13)

1.2.3評價權重確定

湖泊生態(tài)系統(tǒng)完整性評價指標體系建立后，進行指標權重的設置。對湖泊生物而言，物理和化學完整性是其賴以生存的外部環(huán)境，但它們又能一定程度上改變并表征生態(tài)系統(tǒng)的狀況，所以本研究認為物理、化學完整性相關指標與生物完整性相關指標權重相等，即各占1/2。生物中浮游植物、大型底棲動物和魚類分別表征不同營養(yǎng)級的生態(tài)狀況，且相互聯(lián)系，故所占權重相等，各為1/6(表1)。

1.2.4評價指標標準化

通過確定指標期望值(指標等級最好狀態(tài)值)和閾值(指標等級最差狀態(tài)值)對各類指標進行標準化。標準化方法：采用標準化公式(式14)對分項指標進行計算，結果分布范圍為0—100，小于0的值記為0，大于100的值記為100。

S=1-(|T-X|)/(|T-B|)×100%

(14)

式中，S為評價指標的標準化計算值；T為期望值；B為臨界值；X為實際值。參照值為未受到人為干擾活動下評價參數(shù)的取值，指完整性的最佳狀況；臨界值指受到人類活動干擾后，湖泊生態(tài)系統(tǒng)面臨崩潰的閾值，此時完整性狀態(tài)為最差狀態(tài)。

完整性優(yōu)質期望值和臨界閾值的確定需要大量基礎調查資料和深入的研究，且不同類型的湖泊生態(tài)系統(tǒng)的完整性閾值存在差異[1]。大量研究表明，歷史狀態(tài)可以較好的表征在人類活動強烈干擾之前生態(tài)系統(tǒng)的完整性狀況，因此可以作為參考狀態(tài)[28]。四大淡水湖泊有較豐富的歷史觀測數(shù)據，為確定參數(shù)期望值提供了良好的基礎。但由于調查技術手段的發(fā)展和進步，一些指標和數(shù)據質量無法完全滿足構建參考狀態(tài)的要求，因此本研究采用歷史調查數(shù)據、國家標準、研究文獻和統(tǒng)計方法共同確定期望值和臨界值[1,29]。其中，各生物類群的物種損失指數(shù)根據歷史調查數(shù)據確定生物種(屬)數(shù)確定；而浮游植物、底棲動物類群BP指數(shù)依據各調查點位BP指數(shù)的平均數(shù)計算，以對應各個點位生物指標BP指數(shù)5%分位數(shù)為期望值，95%分位數(shù)為臨界閾值，魚類類群BP指數(shù)期望值以歷史數(shù)據確定，臨界值以調查樣點95%分位數(shù)確定。藍藻門比例以調查樣點5%分位數(shù)為期望值，調查樣點95%分位數(shù)為臨界值[1,3]。底棲動物BI指數(shù)參考已有研究確定期望值和閾值[29](表2)。

表2　四大淡水湖生態(tài)系統(tǒng)完整性評價指標期望值

(歷史)湖泊面積按現(xiàn)狀湖泊面積與1950年以來圍墾面積之和計算，其中洞庭湖、鄱陽湖、巢湖和太湖圍墾面積分別為1700km2、1466.9km2、62km2、160.17km2

1.2.5綜合得分及等級標準

綜合得分采用等權相加計算得到，計算公式為：

(15)

式中，Dk為第k個指標的評價值，Uk為對應的指標權重。

采用等分法將生態(tài)系統(tǒng)完整性綜合得分分為5個等級[3]，“極差”等級分值為0—20，表明生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生嚴重改變，生態(tài)功能完全喪失，短期難以逆轉；“差”等級分值為20—40，生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生極顯著改變，生態(tài)功能大部分喪失；“一般”等級分值為40—60，生態(tài)系統(tǒng)的自然生境和群落組結構發(fā)生了較大的變化，甚至出現(xiàn)部分生態(tài)功能喪失；“好”等級分值為60—80，生態(tài)系統(tǒng)的自然生境和群落組結構成發(fā)生了一些變化，但基本功能完好且狀態(tài)穩(wěn)定；“極好”等級分值為80—100，生態(tài)系統(tǒng)處于未被干擾的自然狀態(tài)或僅有輕微改變；結構功能完整具有活力。

2結果與分析

2.1評價指標評價結果2.1.1物理完整性指標

四大淡水湖物理完整性指標評價結果良好，其中洞庭湖得分80，鄱陽湖得分83，巢湖得分71，太湖得分89，評價等級均達到好。但四大湖各項評價指標得分差異較大，其中洞庭湖和洞庭湖與長江自由連通，水情不受口門控制，因此連通指標得分為100。而巢湖閘控制巢湖出湖水情，因此河湖連通指標得分為50，依據太湖暢通口門數(shù)和所有口門數(shù)計算得到太湖口門暢通率指標得分為84。據歷史資料，洞庭湖湖泊面積萎縮指標得分61，而鄱陽湖該指數(shù)得分67；巢湖該指標得分為93，太湖該指標得分94。

2.1.2化學完整性指標

四大淡水湖化學完整性指標評價結果總體較好，其中洞庭湖得分為62，評價等級為好；鄱陽湖得分達到71，評價等級為好；巢湖得分63，評價等級為好；太湖得分56，評價等級為一般。評價指標中，各湖平均溶解氧都超過期望值，指標得分均為100，等級均為好；而電導率指標得分為洞庭湖34，鄱陽湖53，巢湖48，太湖21。電導率指標得分洞庭湖和太湖等級為差，鄱陽湖和巢湖等級為一般；富營養(yǎng)化指標得分鄱陽湖52，鄱陽湖61，巢湖41，太湖46，除鄱陽湖等級為好外，洞庭湖、巢湖和太湖等級均為一般。

2.1.3生物完整性指標

四大淡水湖生物完整性指標評價結果總體一般，其中洞庭湖得分63，鄱陽湖得分65，巢湖48，太湖46。洞庭湖和鄱陽湖等級為好，巢湖和太湖等級為一般。

浮游植物指標綜合評價得分差異顯著，洞庭湖得分70，評價等級為好；鄱陽湖得分60，評價等級為好；巢湖得分45，評價等級為一般；太湖得分44，評價等級為一般。其中，洞庭湖表征物種豐富程度的種類數(shù)指標評價為極好，鄱陽湖為好，巢湖和太湖為一般；巢湖表征物種優(yōu)勢程度的指標等級為差，其他三湖為一般；藍藻門比例指標洞庭湖和鄱陽湖為一般，巢湖和太湖等級為差。

底棲動物指標綜合評價得分差異較小，洞庭湖得分55，評價等級為一般；鄱陽湖得分67，評價等級為好；巢湖得分44，評價等級為一般；太湖得分為39，評價等級為一般。評價指標中，四大淡水湖底棲動物種類數(shù)指標評價等級為一般；優(yōu)勢度指標鄱陽湖評價等級為好，洞庭湖和巢湖為一般，太湖為差，BI指數(shù)洞庭湖和鄱陽湖兩湖為好，巢湖和太湖為差。

魚類指標綜合評價得分為，洞庭湖和鄱陽湖得分為64和68，評價等級為好；巢湖和太湖得分均為55，評價等級為一般。評價指標中，洞庭湖魚類種類數(shù)指標評價等級為極好，鄱陽湖為一般，巢湖和太湖等級為好；優(yōu)勢度指標鄱陽湖評價等級為極好，其他三湖為一般。

2.2綜合評價結果

長江中下游四大淡水湖生態(tài)系統(tǒng)評價的結果表明，四大淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)完整性狀況差異顯著：洞庭湖綜合評價得分為66，鄱陽湖綜合評價得分為71，巢湖綜合評價得分為57，太湖綜合評價得分為57(圖1)。根據評價等級，洞庭湖和鄱陽湖為“好”，巢湖和太湖為“一般”。

2.3結果分析

本研究基于湖泊生態(tài)系統(tǒng)完整性的評價指標得分能夠反映四大淡水湖生態(tài)系統(tǒng)物理、化學和生物完整性的受損狀況和歷史變化。

鄱陽湖和洞庭湖流域受季風氣候影響，湖泊水位和水面變化季節(jié)性明顯變化，在自然淤積和人類圍墾活動雙重影響下，湖泊面積顯著縮小，其中人類圍墾活動加劇破壞了兩湖物理完整性[23- 24]。而在巢湖和太湖，湖泊與河流自然連通受到人工閘壩控制，雖然實現(xiàn)了防洪、航運等人類服務功能，但破壞了這兩個湖泊與周邊河流的連通結構，使其物理完整性受損。

鄱陽湖和洞庭湖的湖水補給系數(shù)高，而且兩湖與長江相互連通，交換率高，污染物質不容易累積，水體自凈能力強，因此其水質理化綜合評價狀況較好。而巢湖和太湖水量和吞吐量也相對較小，湖水交換率相對較低[23-24]。又因巢湖流域以農業(yè)用地為主導，污染負荷相對較少，而太湖流域經濟發(fā)達，污染負荷相對較高，因此巢湖水質理化綜合評價狀況比太湖好。

洞庭湖和鄱陽湖浮游植物指標綜合評估等級為好，其中表征豐富程度的物種數(shù)指標相對得分較高，指示這兩個湖泊的浮游植物物種豐富度較高；優(yōu)勢度指標和藍藻比例指標得分處于一般等級，顯示兩湖浮游植物結構組成發(fā)生較大變化，且藍藻比例增大，值得密切關注。而巢湖和太湖浮游植物指標綜合評估等級為一般，都面臨較嚴重的浮游植物組成結構改變，藍藻比例過高的問題，需要采取防治措施。

洞庭湖和鄱陽湖底棲動物種類數(shù)指數(shù)評價處于一般等級，優(yōu)勢類群評價等級分別為一般和好，這表明這兩個湖泊存在底棲動物豐富程度下降，底棲動物類群趨向于演化為耐污類群，但優(yōu)勢類群結構變化不大[30-31]。與之對應的是，太湖和巢湖底棲動物種類數(shù)評價等級為一般，優(yōu)勢類群和BI指數(shù)評價等級為一般和差，結果表明兩湖底棲動物物種損失指數(shù)相對更大，其中巢湖底棲動物中耐污類群較多[32]，而太湖底棲動物中軟體動物減少，寡毛類增加[33]。

洞庭湖魚類種類數(shù)指標評價好于優(yōu)勢度指標，而鄱陽湖魚類種群指標評價差于優(yōu)勢度指標，表明洞庭湖魚類種群單一化問題較為突出，而鄱陽湖面臨部分魚類物種喪失問題[18- 19]。巢湖和太湖魚類指標綜合評價都處于一般等級，都面臨不同程度的魚類物種喪失，優(yōu)勢種比例上升，種群單一化等問題[20-21, 24]。

圖1　四大淡水湖生態(tài)系統(tǒng)完整性評價指標及綜合得分Fig.1　The individual index scores and comprehensive scores of ecosystem integrity assessment for the four large lakes

3討論

3.1湖泊生態(tài)系統(tǒng)完整性參考狀態(tài)的建立

確定合理的參考狀態(tài)是進行湖泊生態(tài)系統(tǒng)完整性多參數(shù)評價的關鍵。干擾程度最小系統(tǒng)法和極少干擾系統(tǒng)法是河流生態(tài)系統(tǒng)中常用的參考狀態(tài)確定方法[1-3,34]，然而，我國大部分湖泊都受到了中等程度以上的干擾[9]，導致這兩種方法難以用于構建湖泊生態(tài)系統(tǒng)評價的參考狀態(tài)。據文獻記載和調查分析數(shù)據，20世紀50—60年代長江中下游四大淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)狀況都處于良好狀態(tài)[23- 24]，且同時期已有較為完整的觀測資料，所以本研究以歷史調查數(shù)據和發(fā)表文獻確定物理完整性參數(shù)和大部分化學、生物完整性參數(shù)的期望值，再結合國家標準和統(tǒng)計方法綜合確定了剩余部分參數(shù)的期望值。同時，在研究尺度上，本研究嘗試將同一湖泊的采樣點數(shù)據綜合計算，把單個湖泊作為整體研究，因而能夠比較人類活動對于長江中下游四大淡水湖干擾強度的差異。相對于目前湖泊生態(tài)狀況參考點和受損點仍采用專業(yè)判斷結合理化指標來確定的方法，且主要考察單個湖泊空間差異狀況的現(xiàn)狀，本研究拓展了參考狀態(tài)建立的時間尺度和湖泊生態(tài)系統(tǒng)完整性評價的空間尺度。

3.2湖泊生態(tài)系統(tǒng)完整性評價參數(shù)的選擇

評價參數(shù)的選擇是進行合理評價的基礎。本研究依據完整性的概念和內涵，從物理、化學和生物完整性3個方面構建了湖泊生態(tài)系統(tǒng)評價指標體系。參數(shù)的選擇參考了已有研究和長江中下游大型淡水湖泊遭受的干擾狀況。長江中下游四大淡水湖同屬長江水系，歷史上江湖關系密切而且復雜，目前除鄱陽湖外，其他三湖原本與長江水系的自然聯(lián)系都受到了人類活動強烈干擾，特別是巢湖和太湖與周邊部分河流的自然連通受到了閘壩控制，河湖連通狀況受損進而影響到江湖水量交換，湖泊水位等物理完整性參數(shù)；此外，鄱陽湖和洞庭湖受人類圍墾活動影響，湖泊面積顯著縮小，巢湖和太湖也受到不同程度的圍墾活動影響，因此選擇了湖泊暢通口門數(shù)和湖泊水面面積作為物理完整性的參數(shù)[22- 24]。

浮游植物、底棲動物、魚類和水生高等植物等水生生物通常用于表征湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康狀況[24]，本研究僅選擇了前3種生物類群，而沒有選擇水生高等植物，主要原因是水生高等植物的分布、生物量等參數(shù)不僅受人類活動干擾影響，更主要受水位、底質、水動力和透明度等多種自然因素控制。洞庭湖和鄱陽湖大型通江湖泊的特征，加之季風氣候影響，兩湖水位季節(jié)性變化強烈，水生高等植物發(fā)育良好，雖然兩湖水生植被受人類活動干擾，但是主要優(yōu)勢種類仍能夠通過有效的繁殖策略在湖泊中廣闊分布[35]。巢湖和太湖部分區(qū)域的水生植物消失雖然與閘壩建設、水體污染等人類活動密切相關，但近年來水生植物在某些區(qū)域仍在擴張[24,36]。因此，四大淡水湖水生植物狀況的與湖泊生態(tài)完整性的關系仍待進一步研究。此外，歷史調查數(shù)據中洞庭湖和鄱陽湖水生高等植物的資料不夠完整，故本研究沒有采用水生高等植物指標。

4結論

(1)基于歷史資料構建了四大淡水湖生態(tài)系統(tǒng)完整性評價參考狀態(tài)，從物理、化學和生物完整性3個方面構建評價參數(shù)和綜合評價體系，結果顯示，洞庭湖和鄱陽湖生態(tài)系統(tǒng)完整性狀況等級為“好”的，而巢湖和太湖等級則為“一般”。

(2)與已有研究主要采用單一指標或針對單個湖泊的研究相比，生態(tài)系統(tǒng)綜合完整性指標能夠表征湖泊生態(tài)完整性各組成部分的受損狀況，基于歷史調查數(shù)據構建參考狀態(tài)可反映四大淡水湖生態(tài)系統(tǒng)完整性歷史變化狀況，因此可以為湖泊生態(tài)系統(tǒng)保護和恢復提供科學支撐。

致謝：中國科學院鄱陽湖湖泊濕地觀測研究站為本研究提供鄱陽湖生態(tài)調查數(shù)據,特此致謝。

參考文獻(References):

[1]張遠, 徐成斌, 馬溪平, 張錚, 王俊臣. 遼河流域河流底棲動物完整性評價指標與標準. 環(huán)境科學學報, 2007, 27(6): 919- 927.

[2]Ruaro R, Gubiani A. A scientometric assessment of 30 years of the Index of Biotic Integrity in aquatic ecosystems: Applications and main flaws. Ecological Indicators, 2013, 29(6): 105- 110.

[3]Huang Q, Gao J, Cai Y, Yin H, Gao Y, Zhao J, Liu L, Huang J. Development and application of benthic macroinvertebrate-based multimetric indices for the assessment of streams and rivers in the Taihu Basin, China. Ecological Indicators, 2015, 48, 649- 659.

[4]Clews E, Low E, Belle C C, Todd P A, Eikaas H S, Ng PK. A pilot macroinvertebrate index of the water quality of Singapore′s reservoirs. Ecological Indicators, 2014, 38: 90- 103.

[5]蔡琨, 張杰, 徐兆安, 吳東浩, 張詠, 王備新. 應用底棲動物完整性指數(shù)評價太湖生態(tài)健康. 湖泊科學, 2014, 26(1): 74- 82.

[6]馬陶武, 黃清輝, 王海, 王子健, 王春霞, 黃圣彪. 太湖水質評價中底棲動物綜合生物指數(shù)的篩選及生物基準的確立. 生態(tài)學報, 2008, 28(3): 1192- 1200.

[7]汪星, 鄭丙輝, 李黎, 劉錄三, 李利強,黃代中, 田琪. 基于底棲動物完整性指數(shù)的洞庭湖典型斷面的水質評價. 農業(yè)環(huán)境科學學報, 2012, 32(9): 1799- 1807

[8]張遠, 趙瑞, 渠曉東, 孟偉. 遼河流域河流健康綜合評價方法研究. 中國工程科學, 2013, 15(3): 11- 18.

[9]De Leo G A, Levin S. The multifaceted aspects of ecosystem integrity. Conservation Ecology, 1997, 1(1): 3.

[10]黃藝, 舒中亞. 基于浮游細菌生物完整性指數(shù)的河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價—以滇池流域為例. 環(huán)境科學, 34(8): 3010- 3018

[11]Bunn S E, Abal E G, Smith M J. Integration of science and monitoring of river ecosystem health to guide investments in catchment protection and rehabilitation. Freshwater Biology, 2010, 55(S1): 223- 240.

[12]Downing J A, Prairie Y T, Cole J J, Duarte C M, Tranvik L J, Striegl R G, McDowell W H, Kortelainen P, Caraco N F, Melack J M. The global abundance and size distribution of lakes, ponds, and impoundments. Limnology and Oceanography, 2006, 51(5): 2388- 2397.

[13]楊桂山, 朱春泉, 蔣志剛. 長江保護與發(fā)展報告. 武漢: 長江出版社, 2011.

[14]高俊峰, 蔣志剛. 中國五大淡水湖保護與發(fā)展. 北京: 科學出版社, 2012.

[15]帥紅, 李景保, 夏北成, 劉春平, 李玉丹. 基于形態(tài)結構特征的洞庭湖湖泊健康評價. 生態(tài)學報, 2012, 32(8): 2588- 2595.

[16]黃代中, 萬群, 李利強, 汪鐵, 盧少勇, 歐伏平, 田琪. 洞庭湖20年水質與富營養(yǎng)化狀態(tài)變化. 環(huán)境科學研究, 2013, 26(1): 27- 33.

[17]國家環(huán)境保護總局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會. 水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版). 北京: 中國環(huán)境科學出版社, 2002.

[18]李杰欽. 洞庭湖魚類群落生態(tài)研究及保育對策. 中南林業(yè)科技大學, 2013.

[19]朱其廣. 鄱陽湖通江水道魚類夏秋季群落結構變化和四大家魚幼魚耳石與生長的研究. 南昌大學, 2011.

[20]陳文江, 譚炳卿, 呂友保. 巢湖生態(tài)調水對魚類資源的影響分析. 合肥工業(yè)大學學報(自然科學版), 2013, 35(12): 1681- 1685.

[21]倪勇, 朱成德. 太湖魚類志. 上海: 上?？茖W技術出版社, 2005.

[22]徐雪紅等. 健康太湖指標體系研究. 南京: 河海大學出版社, 2012. 116

[23]竇鴻身, 姜加虎. 中國五大淡水湖. 合肥: 中國科學技術大學出版社, 2003. 126, 142

[24]姜加虎, 竇鴻身, 蘇守德. 江淮中下游淡水湖群. 武漢: 長江出版社, 2009, 79, 265, 319- 320, 380- 381, 428

[25]金相燦, 屠清瑛. 湖泊富營養(yǎng)化調查規(guī)范. 北京: 中國環(huán)境科學出版社, 1990: 301.

[26]王備新, 楊蓮芳. 我國東部底棲無脊椎動物主要分類單元耐污值. 生態(tài)學報, 2004, 24(12): 2768- 2772.

[27]水利部水資源司, 河湖健康評估全國技術工作組. 湖泊健康評估指標、標準與方法(試點工作用). 北京, 2011,4.

[28]Gerritsen J, Carlson, R, Dycus D, Faulkner C, Gibson G, Harcum J, Markowitz S, Lake and reservoir bioassessment and biocriteria, Technical Guidance Document. US Environmental Protection Agency, Office of Water, Washington, DC, 1998, 202.

[29]Qin C, Zhou J, Cao Y, Zhang, Y, Hughes, R M, Wang B. Quantitative tolerance values for common stream benthic macroinvertebrates in the Yangtze River Delta, Eastern China. Environmental monitoring and assessment, 2014, 186(9): 5883- 5895.

[30]蔡永久, 姜加虎, 張路, 陳宇煒, 龔志軍. 長江中下游湖群大型底棲動物群落結構及影響因素. 生態(tài)學報, 2013, 33(16): 4985- 4999.

[31]Cai Y, Lu Y, Wu Z, Chen Y, Zhang L, Lu Y. Community structure and decadal changes in macrozoobenthic assemblages in Lake Poyang, the largest freshwater lake in China. Knowledge and management of aquatic ecosystems, 2014, 414(9), 09p1-09p18.

[32]Cai Y, Gong Z, Xie P. Community structure and spatiotemporal patterns of macrozoobenthos in Lake Chaohu (China). Aquatic Biology, 2012, 17: 35- 46.

[33]蔡永久, 龔志軍, 秦伯強. 太湖大型底棲動物群落結構及多樣性. 生物多樣性, 2010, 18(1): 50- 59.

[34]Pardo I, Gómez-Rodríguez C, Wasson J, Owen R, van de Bund W, Kelly M, Bennett C, Birk S, Buffagni A, Erba S, Mengin N, Murray-Bligh J, Ofenb?eck G. The European reference condition concept: A scientific and technical approach to identify minimally-impacted river ecosystems. Science of the Total Environment, 2012, 420(6): 33- 42.

[35]彭映輝, 簡永興, 李仁東. 鄱陽湖平原湖泊水生植物群落的多樣性. 中南林學院學報, 2003, 23(4). 22- 27.

[36]郝貝貝. 巢湖濱湖帶植被特征及其退化原因分析研究. 環(huán)境科學與管理, 2013, 38(6): 59- 65.

Aquatic ecological integrity assessment of four large lakes in the middle-to-lower reaches of the Yangtze River, China

HUANG Qi1, 2, GAO Junfeng1,*, ZHANG Yanhui1, 2, YAN Renhua1, 2, WANG Yan1, CAI Yongjiu1

1KeyLaboratoryofWatershedGeographicSciences,NanjingInstituteofGeography&Limnology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China

2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Abstract：Many freshwater lakes are distributed in the middle-lower reaches of the Yangtze River basin; they are of great importance as water supply resources and for aquatic eco-system maintenance. The evaluation of lake health and its variation is useful for environmental management of lake ecosystems. Numerous indices related to physical, chemical, and biological integrity are widely applied to assess the health of lake ecosystems. However, few studies have assessed the ecological integrity of lakes using a combination of physical, chemical, and biological integrity metrics in China, especially at a regional scale. Based on a review of previous research, a lake ecological integrity index (LEII) including physical, chemical, and biological (algae, macroinvertebrates, and fish) integrity metrics was developed to evaluate four large lakes in the middle-lower reaches of the Yangtze Basin. Reference conditions were defined mainly based on historical data collected in the 1950s and 1960s, when the status of lake ecological integrity was acknowledged as “good.” The final score for the lake ecosystems integrity index was calculated by combining the scores for physical, chemical, and biological integrity metrics. Additionally, the scores were divided into five categories, i.e., excellent, good, fair, poor, and very poor. The LEIIs of Lake Dongting, Poyang, Chaohu, and Taihu were 66, 71, 57, and 57, respectively. Based on the LEII scores, Lake Dongting and Lake Poyang were rated “good” and Lake Chaohu and Lake Taihu were “fair.” However, the individual indices showed different status for the four large lakes. For instance, the physical integrity index was higher than 80 for all lakes except Chaohu Lake (71), suggesting an “excellent” status. The highest score for the chemical integrity index was observed in Lake Poyang (71) and the lowest score in Lake Taihu (56). Three were rated as “good.” The biological integrity index ranged from 46 in Lake Taihu to 65 in Lake Poyang, two were rated as “fair.” The four large lakes suffered from various degrees of damage in physical, chemical, and biological integrity, and these differences demonstrated the effects of human activity on the ecological integrity of the four large lakes over the past 50 years. Consequently, the LEII can be used as a tool to assess the ecological integrity of the four large lakes along the Yangtze River, and the results provide a scientific basis for lake ecosystem restoration and protection.

Key Words:shallow lake; lake ecosystem; ecological integrity; assessment; middle-lower Yangtze River

DOI:10.5846/stxb201410101992

*通訊作者Corresponding author.E-mail: gaojunf@niglas.ac.cn

收稿日期:2014- 10- 10;

修訂日期:2014- 12- 18

基金項目:國家重點基礎研究發(fā)展計劃(2012CB417006)；國家水污染治理重大專項(2012ZX07501002-008, 2012ZX07506-001, 2012ZX07103003-04-01, 2012ZX07501-001-03)；江西省水利廳科技項目(KT201406)；鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室(江西師范大學)開放基金(PK2015007)

黃琪，高俊峰，張艷會，閆人華，王雁，蔡永久.長江中下游四大淡水湖生態(tài)系統(tǒng)完整性評價.生態(tài)學報,2016,36(1):118- 126.

Huang Q, Gao J F, Zhang Y H, Yan R H, Wang Y, Cai Y J.Aquatic ecological integrity assessment of four large lakes in the middle-to-lower reaches of the Yangtze River, China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(1):118- 126.