吳易雯，李瑩杰，張列宇，過龍根，李 華，席北斗，王 雷，李曹樂

(1：中國環(huán)境科學研究院國家環(huán)境保護地下水污染模擬與控制重點實驗室，北京 100012)(2：中國科學院水生生物研究所，武漢 430072)(3：武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院，武漢 430070)(4：廣東省浩藍環(huán)保水污染治理院士工作站，廣州 510000)

基于主客觀賦權模糊綜合評價法的湖泊水生態(tài)系統(tǒng)健康評價

吳易雯1,4，李瑩杰1,3，張列宇1，過龍根2，李 華2，席北斗1，王 雷1，李曹樂1

(1：中國環(huán)境科學研究院國家環(huán)境保護地下水污染模擬與控制重點實驗室，北京 100012)(2：中國科學院水生生物研究所，武漢 430072)(3：武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院，武漢 430070)(4：廣東省浩藍環(huán)保水污染治理院士工作站，廣州 510000)

運用湖泊營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)判斷湖泊的富營養(yǎng)化狀態(tài)，并根據(jù)湖泊的水質、沉積物和水生生物群落的現(xiàn)狀和特點，運用主觀賦權法中的層次分析法和客觀賦權法中的熵權法結合模糊綜合評價法，對長江中游地區(qū)江漢湖群37個湖泊的水生態(tài)系統(tǒng)進行健康狀態(tài)評價. 對湖泊富營養(yǎng)化的調查結果表明，?？诤幱谥袪I養(yǎng)狀態(tài)，18個湖泊處于富營養(yǎng)化狀態(tài)，18個湖泊處于超富營養(yǎng)化狀態(tài). 湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價的研究結果表明， 37個湖泊中，處于健康狀況“優(yōu)”的湖泊只有?？诤幱诮】禒顩r“良”的湖泊有5個，分別為東西汊湖、花馬湖、梁子湖、童家湖和漲渡湖，其余31個湖泊均處于健康狀況“差”的狀態(tài). 經(jīng)過與湖泊營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的對照，本研究結果表明，由主觀賦權的專家評分的層次分析法結合模糊綜合評價法對江漢湖群湖泊水生態(tài)健康狀態(tài)的評價效果相比客觀賦權的熵權模糊綜合評價法更貼合實際.

營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；熵權法；層次分析法；模糊綜合評價；健康評價；江漢湖群

湖泊為人類提供水資源、生物資源和環(huán)境資源，在供給水源、調節(jié)徑流、漁業(yè)生產(chǎn)等方面起著不可替代的作用，是人類生產(chǎn)生活的重要基礎之一[1-2]. 我國長江中下游地區(qū)湖泊分布密集，其中面積大于1 km2的湖泊總面積占相同級別中國湖泊總面積的24.2%[3]. 該地區(qū)社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展以及人類活動導致湖泊水體富營養(yǎng)化的現(xiàn)象日益嚴重，湖泊水生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，這最終將反饋給人類并制約社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[4]. 因此，對湖泊進行水生態(tài)系統(tǒng)健康評價，將有助于我們掌握湖泊的生態(tài)系統(tǒng)結構和功能現(xiàn)狀，為湖泊水體修復和保護以及湖泊生態(tài)安全管理提供理論依據(jù)和支持.

“生態(tài)系統(tǒng)健康”這個概念自Schaeffer等于1988年提出后，已經(jīng)逐漸成為當前環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)管理研究的一個熱點問題[5]. 目前關于生態(tài)系統(tǒng)健康的定義，廣為接受的是Costanza等的理論，即如果一個生態(tài)系統(tǒng)是穩(wěn)定和持續(xù)的，并且能夠維持其組織結構，在一段時間后能夠自動從脅迫狀態(tài)恢復過來，那么這個生態(tài)系統(tǒng)就是健康的[6]. 在眾多生態(tài)系統(tǒng)健康評價的方法中，多指標綜合評價法能夠通過各指標的權重確定多個指標的排序[7]，進而對事物有一個全面而客觀的評價. 權重的計算方法主要包括主觀賦權法和客觀賦權法，其中主觀賦權法有層次分析法、直接構權法和極值迭代法等；客觀賦權法有熵權法、均方差法和極差法等[8]. 主觀賦權法根據(jù)決策者的主觀意向確定權重，受決策者的主觀經(jīng)驗影響較大，因此主觀性較強. 在構造判斷矩陣時，標度值的確定易受評價者的經(jīng)驗等個人因素的影響[9]. 客觀賦權法是根據(jù)實際數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)學理論和算法確定權重，不受決策者主觀因素的影響[10]. 但是客觀賦權法評價時沒有考慮到評價指標間的差異性，與人們比較認可的評價結果常存在較大差異[11]. 為了觀察主觀賦權法和客觀賦權法對于淺水湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價過程中的適用性，本研究以長江中游地區(qū)江漢湖群為例，調查現(xiàn)階段江漢湖群37個湖泊的水質及水生態(tài)現(xiàn)狀，運用富營養(yǎng)化指數(shù)法(trophic state index,TSI)判斷湖泊的富營養(yǎng)化狀態(tài)，然后使用主觀賦權法中的層次分析法和客觀賦權法中改進的熵權法分別結合模糊綜合評價法對湖泊水生態(tài)系統(tǒng)進行健康狀態(tài)評價. 希望通過本研究和評價結果對主觀賦權的層次分析賦權法和客觀賦權的熵權法進行比較，得出適合富營養(yǎng)化淺水湖泊的水生態(tài)系統(tǒng)健康評價的方法，并為湖泊的生態(tài)系統(tǒng)健康管理和修復提供一定的理論依據(jù).

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況和樣點設置

所調查的湖泊主要位于長江中游地區(qū)的江漢平原(29°05′～33°20′N，108°21′～116°07′E)，年平均氣溫為16～16.8℃. 漢江和長江在此地區(qū)交匯，調查的湖泊主要分布于兩江沿岸處. 這些湖泊主要是受河流的沖擊作用(如洪湖)和地殼運動 (如梁子湖和斧頭湖等)[12]影響而形成的. 棕紅壤，黃棕壤和水稻土是該區(qū)域的主要土壤類型[13]. 本研究于2014年8月至9月初(夏末秋初)調查了37個面積大于10 km2的湖泊(圖1). 每個湖泊采集3個水樣和2個沉積物樣本，共采集到111個水樣和74個沉積物樣品.

圖1 本研究調查湖泊的分布(1-保安湖，2-豹澥湖，3-策湖，4-赤東湖，5-崇湖，6-磁湖，7-大冶湖，8-東西汊湖，9-斧頭湖，10-海口湖，11-漢陽東湖，12-洪湖，13-后湖，14-花馬湖，15-黃蓋湖，16-梁子湖，17-龍感湖，18-魯湖，19-牛浪湖，20-牛山湖，21-三湖，22-三山湖，23-上津湖，24-上涉湖，25-太白湖，26-湯遜湖，27-童家湖，28-網(wǎng)湖，29-武湖，30-西涼湖，31-野潴湖，32-淤泥湖，33-玉湖，34-長湖，35-漲渡湖，36-鐘祥南湖，37-朱婆湖；圖中除6-磁湖、10-?？诤?5-黃蓋湖、28-網(wǎng)湖、32-淤泥湖、33-玉湖、34-長湖和36-鐘祥南湖外，其余湖泊位點與文獻[14]相同)Fig.1 Distribution of the investigated lakes

1.2 樣品采集及處理

采樣位點使用GPS定位，用1.0 L的柱狀采水器采集水體表面以下0.5 m處水樣，用1/16 m2彼得森采泥器采集表層沉積物樣品. 用于浮游植物鑒定的水樣使用魯哥試劑現(xiàn)場固定，用于浮游動物鑒定的水樣使用甲醛固定，帶回實驗室靜置用于后續(xù)分析. 底棲動物的調查采用彼德森采泥器采樣后，現(xiàn)場用 60目鋼篩淘洗泥樣后挑出底棲動物，裝入100 ml 聚乙烯瓶，加入 8%福爾馬林液固定樣品后帶回實驗室鑒定[15]. 水生植被覆蓋度和生物量的調查采用目測法[16]. 用于水體化學指標檢測的水樣，現(xiàn)場添加濃硫酸并調整到pH<2后帶回實驗室分析. 用于理化分析的湖泊沉積物樣品經(jīng)過真空干燥機干燥后，儲存在4℃的冰箱內(nèi)備用.

反映系統(tǒng)結構(如浮游植物、浮游動物和底棲動物生物量)指標的計數(shù)和鑒定方法參照文獻[17-19]，反映系統(tǒng)多樣性的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)計算公式為[20]：

(1)

式中，S為物種總數(shù)，pi為物種i的重要值.

1.3 評價方法

1.3.1 湖泊的富營養(yǎng)化狀態(tài)評價 湖泊的富營養(yǎng)化狀態(tài)評價，采用相崎守弘等的修正的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TSIM)法[26]. 該方法采用指數(shù)0～100對湖泊的營養(yǎng)狀態(tài)進行分級，TSI(∑)<40為貧營養(yǎng)，40 ≤TSI(∑)<50為中營養(yǎng)，50≤TSI(∑)<70為富營養(yǎng)，TSI(∑)≥70為超富營養(yǎng)[27]. 修正的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TSIM)法評價湖泊營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的計算公式為:

(2)

(3)

(4)

TSI(∑)=0.54TSIM(Chl.a)+0.297TSIM(SD)+0.163TSIM(TP)

(5)

式中，Chl.a為水體葉綠素a濃度(μg/L)，SD為湖泊水體透明度(m)，TP為水體總磷濃度(mg/L).

1.3.2 湖泊水生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)評價

1)評價指標體系的建立

歐盟水框架指令(EU Water Framework Directive，簡稱 WFD)[28]的水生態(tài)系統(tǒng)健康評價體系主要包括3大類因素，12類質量要素和23項參數(shù)，涵蓋水生態(tài)系統(tǒng)中的生物因素、物理化學因素和水利形態(tài)因素. 該指標體系涵蓋指標數(shù)量眾多，在湖泊調查過程中指標全部獲取過程較為繁瑣. 美國國家環(huán)境保護局(U. S. Environmental Protection Agency，簡稱EPA)[29]關于水生態(tài)的健康評價體系包括水質、生物學、棲息地和微生物4大類指標，13個詳細指標. 該指標體系對水體的水文狀況以及水力形態(tài)因素沒有過多涉及，但加入了微生物的生態(tài)毒理學指標. 本研究主要參照歐盟WFD和美國EPA水生態(tài)的健康評價指標體系，結合江漢湖群淺水湖泊現(xiàn)狀，建立了一套水生態(tài)系統(tǒng)健康評價的候選指標體系(表1).

表1 健康評價候選指標體系

根據(jù)相關性分析結果，最終篩選出9個具有代表性的獨立指標，即水體TN濃度、水體TP濃度、浮游植物藍藻比例、底棲動物多樣性指數(shù)、橈足類平均生物量、水生植被覆蓋度、沉積物TN含量、沉積物NaOH-P/TP 百分比和LOI含量. 由于我國現(xiàn)階段尚沒有一個系統(tǒng)的湖泊健康評價指標體系的分型標準，因此本研究的水質理化指標TN、TP濃度和水生生物學指標Chl.a濃度的指標分型采用歐盟水框架指令中對湖泊分型的結果. 沉積物的3個理化指標是根據(jù)調查長江中下游位于湖北、湖南、安徽、江西和江蘇5個省份的100個面積大于10 km2湖泊后采用聚類分析后的結果，計算其95%的置信區(qū)間來確定各健康狀態(tài)分型的臨界值. 水生生物指標中的橈足類浮游動物平均生物量、水生植物覆蓋度、底棲動物多樣性指數(shù)主要是調查了上述100個湖泊的現(xiàn)狀后根據(jù)其生態(tài)學意義進行劃分來確定各健康狀態(tài)分型的臨界值. 本研究將湖泊健康狀況分為“優(yōu)”、“良”、“中”和“差”4級，對應的評價標準分別為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類和Ⅳ類，各分項指標如表2所示.

2)指標權重的確定方法

A)層次分析法：層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是一種把復雜問題劃分為相互聯(lián)系的層次的分析法，它可以降低很多因素的不確定程度，使復雜問題條理化，使決策者保持思維過程和決策過程原則的一致性[30]. 基于湖泊水生態(tài)系統(tǒng)健康的評價要求，本研究建立起一套關于水生態(tài)系統(tǒng)的各因子遞進層次結構模型(圖2)，由專家根據(jù)經(jīng)驗對每一層次上的因素進行逐對比較，得到其關于上一層次因子重要性比較的標度.

表2 湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康評價體系

根據(jù)指標優(yōu)選的結果，按照AHP法的思想建立起一個3層次的湖泊水生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系(圖2). 第1層是目標層，即湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康程度；第2層是要素層，包括水環(huán)境質量、沉積物環(huán)境質量、水生態(tài)系統(tǒng)結構與功能等；第3層是標準層，即每一個評價要素由哪些具體指標來表達. 其中目標層由要素層和標準層共同決定. 在AHP法的評估應用中，要素層是在目標與指標之間建立聯(lián)系的中間層，主要用于將目標分解到指標并確定指標權重. 根據(jù)層次模型(圖2)，分別邀請中國科學院水生生物研究所和中國環(huán)境科學研究院浮游植物、浮游動物、底棲動物領域的專家對各要素層逐層逐項進行比較和評分. 矩陣中各元素的重要性由相應的因素i和j進行比較來確定(即采用1～9分的重要性比較標度). 重要性比較標準根據(jù)專家意見評分確定. 使用層次分析軟件Yaahp 6.0確定權重，最后綜合各專家針對各指標的權重值后，匯總計算出各個指標的平均權重.

圖2 層次分析法模型Fig.2 Analytic hierarchy process model

B)改進的熵權法：在信息論中，熵是系統(tǒng)無序程度的一種度量，系統(tǒng)的無序程度越小，其信息熵越大，信息的效用值越大[30]. 熵權法即是一種客觀的、利用信息熵法計算權重的方法，它能盡量消除各因素權重的主觀性，使評價結果符合實際. 運用改進的熵權法確定指標權重的主要步驟參見余波等[31]的方法.

3)評價模型

模糊綜合評價法(fuzzy comprehensive evaluation method)是模糊數(shù)學中最基本的數(shù)學方法之一，是以隸屬度來描述模糊界限的. 該方法最早是由我國學者汪培莊[32]提出的，其優(yōu)點是：數(shù)學模型簡單，容易掌握，對多因素、多層次的復雜問題評判效果比較好. 湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康是一個動態(tài)性的綜合概念，采用模糊綜合評價具有明顯的優(yōu)勢. 具體的評價程序參見潘峰等[30]的方法，其中隸屬度用隸屬函數(shù)f(x)表示，且0≤f(x)≤1. 根據(jù)各指標評價等級選取降半梯形分布法來計算隸屬分布函數(shù)[33].

2 結果與討論

2.1 江漢湖群富營養(yǎng)化狀態(tài)評價

調查的37個湖泊的富營養(yǎng)化評價結果(表3)表明，僅?？诤腡SI(∑)<50，屬于中營養(yǎng)狀態(tài)湖泊. 其余36個湖泊均為不同程度的富營養(yǎng)化狀態(tài)湖泊，其中18個湖泊的TSI(∑)在50～70范圍之間，屬于富營養(yǎng)狀態(tài)湖泊，分別為豹澥湖、東西汊湖、梁子湖、三湖、童家湖、西涼湖、漲渡湖、保安湖、崇湖、大冶湖、斧頭湖、花馬湖、黃蓋湖、龍感湖、魯湖、牛山湖、三山湖和武湖. 其余18個湖泊的TSI(∑)≥70，屬于超富營養(yǎng)化湖泊，分別為赤東湖、玉湖、野潴湖、磁湖、策湖、太白湖、淤泥湖、上涉湖、牛浪湖、湯遜湖、洪湖、長湖、朱婆湖、網(wǎng)湖、上津湖、后湖、漢陽東湖和鐘祥南湖.

表3 湖泊營養(yǎng)狀態(tài)評價

*表示SD、Chl.a濃度和TP濃度數(shù)據(jù)來源于文獻[14].

2.2 基于熵權-模糊綜合評價法的湖泊水生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)評價

信息熵確定權重的計算，參照文獻[31]，結合取得的9個評價指標的數(shù)據(jù)以及信息熵的計算模型，經(jīng)過計算得到NaOH-P/TP、沉積物TN含量、有機質含量、水體TP濃度、水體TN濃度、橈足類平均生物量、浮游植物Chl.a濃度、底棲動物多樣性指數(shù)和沉水植物覆蓋度9個指標的權重分別為0.0906、0.0766、0.0729、0.1044、0.0484、0.1969、0.0999、0.0396和0.2706.

評價結果舉例：保安湖的隸屬函數(shù)計算結果B=[0.09467 0.45384 0.22650 0.22497].

根據(jù)最大隸屬度原則，保安湖在第Ⅱ類湖泊即健康狀態(tài)為“良”的隸屬度為0.45384，在4個隸屬度中最大，故保安湖的健康狀況確定為“良”. 其余36個湖泊，均按照此方法計算和判斷得到.

由改進的熵權法結合模糊綜合評價法評價得到，37個湖泊中，處于健康狀況“優(yōu)”的湖泊有1個，即太白湖. 處于健康狀況“良”的湖泊有7個，分別為保安湖、花馬湖、梁子湖、龍感湖、三山湖、武湖和野潴湖. 處于健康狀況“中”的湖泊有5個，分別為東西汊湖、?？诤?、黃蓋湖、童家湖和玉湖. 其余24 個湖泊均處于健康狀況“差”的狀態(tài)，分別為豹澥湖、策湖、赤東湖、崇湖、磁湖、大冶湖、斧頭湖、漢陽東湖、洪湖、后湖、魯湖、牛浪湖、牛山湖、三湖、上津湖、上涉湖、湯遜湖、網(wǎng)湖、西涼湖、淤泥湖、長湖、漲渡湖、鐘祥南湖、朱婆湖(圖3).

圖3 熵權模糊綜合評價結果Fig.3 The results of entropy weight combined with fuzzy comprehensive evaluation

2.3 基于層次分析-模糊綜合評價法的湖泊水生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)評價

根據(jù)各指標的重要性進行專家評分后，利用層次分析軟件Yaahp 6.0來確定各項指標的權重. 計算結果如表4所示.

表4 層次分析法確定的項指標權重

由層次分析法結合模糊綜合評價法評價結果可知，處于健康狀況“優(yōu)”的湖泊僅1個，即?？诤? 處于健康狀況“良”的湖泊有5個，分別為東西汊湖、花馬湖、梁子湖、童家湖和漲渡湖. 沒有處于健康狀況“中”的湖泊. 其余31個湖泊均處于健康狀況“差”的狀態(tài)，分別為保安湖、豹澥湖、策湖、赤東湖、崇湖、磁湖、大冶湖、斧頭湖、漢陽東湖、洪湖、后湖、黃蓋湖、龍感湖、魯湖、牛浪湖、牛山湖、三湖、三山湖、上津湖、上涉湖、太白湖、湯遜湖、網(wǎng)湖、武湖、西涼湖、野豬湖、淤泥湖、玉湖、長湖、鐘祥南湖、朱婆湖(圖4).

圖4 層次分析模糊綜合評價結果Fig.4 The results of analytic hierarchy process with fuzzy comprehensive evaluation

2.4 兩種賦權評價方法的比較

兩種權重賦值法結合模糊綜合評價法對湖泊健康程度的評價結果比較得知，在兩種算法下，湖泊狀況一致的湖泊共計25個. 沒有處于健康狀況“優(yōu)”和“中”的湖泊. 處于健康狀況“良”的湖泊有2個，分別為梁子湖和花馬湖. 處于健康狀況“差”的湖泊有23個.

張紅葉等對洱海流域湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價的研究結果表明，在響應型生態(tài)系統(tǒng)中，生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)EHI評價的結果與營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價結果一致[34]. 這也為本研究中以湖泊營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為參照提供了參考依據(jù). 以TSI(∑)標準值分類，對評價結果不同的湖泊進行判斷選擇. 調查的37個湖泊中，處于超富營養(yǎng)化狀態(tài)的湖泊有18個. 用對于層次分析模糊綜合評價為“優(yōu)”的海口湖來說，其綜合營養(yǎng)指數(shù)為49.81，屬于中營養(yǎng)化狀態(tài)，水質指標較為良好，信息熵模糊綜合評價中是狀態(tài)“中”. 對用改進的熵權模糊綜合評價為“優(yōu)”狀態(tài)的湖泊，例如太白湖來說，其綜合營養(yǎng)指數(shù)為74.53，屬于超富營養(yǎng)化狀態(tài)，水質指標較差，而層次分析模糊綜合評價中是狀態(tài)“差”. 而對于層次分析模糊綜合評價為“差”，而信息熵模糊綜合評價中狀態(tài)為“良”的湖泊，龍感湖、三山湖、武湖和野潴湖來說，其TSI(∑)分別為67.79、60.75、61.82和73.49，由此可以看出，前3個湖泊處于富營養(yǎng)化中期階段，野潴湖已經(jīng)處于超富營養(yǎng)化階段. 顯然，層次分析法確定指標權重更適合江漢湖群湖泊的健康評價. 同時，針對層次分析模糊綜合評價為“良”的湖泊，東西汊湖、花馬湖、梁子湖、童家湖和漲渡湖來說，其TSI(∑)分別為52.71、62.30、56.28、55.76和56.63，均在63以下. 而信息熵模糊綜合評價中狀態(tài)為“良”的湖泊，保安湖、花馬湖、梁子湖、龍感湖、三山湖、武湖和野潴湖，其TSI(∑)分別為 67.83、62.30、58.28、67.79、60.75、61.82和73.49，其TSI(∑)的范圍在58～74之間，相比層次分析法的范圍要寬泛許多. 通過比較，本研究結果表明對于江漢湖群來說，由專家評分的層次分析模糊綜合評價法對于湖泊健康狀態(tài)評價的效果好于客觀賦權的熵權模糊綜合評價法.

3 討論

長江中下游地區(qū)分布著眾多淺水湖泊，湖泊的富營養(yǎng)化問題是該區(qū)域湖泊水環(huán)境面臨的主要問題. 湖泊富營養(yǎng)化導致湖泊生態(tài)系統(tǒng)結構改變和功能退化，進而影響到人類的生產(chǎn)生活環(huán)境. 因此，對該地區(qū)處于不同富營養(yǎng)化階段湖泊的生態(tài)系統(tǒng)進行健康評價非常有必要. 依照Costanza生態(tài)系統(tǒng)健康理論的 6 個方面，即自我平衡、沒有疾病、多樣性和復雜性、穩(wěn)定性、活力和系統(tǒng)組成成分平衡[34]，本研究構建了包含表征湖泊水質、沉積物和生物群落的9個指標的健康評價指標體系. 由于所調查的湖泊均為淺水湖泊，水深不超過6 m，且湖泊面積不大，漁業(yè)養(yǎng)殖在湖泊中較為普遍. 作為湖泊水生態(tài)系統(tǒng)中重要的生物指標，魚類種類及其生物量受人為影響較大，因此本研究中未將該指標納入指標體系內(nèi). 魚類作為淡水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在河流健康評價中作為指示生物被應用得較多. 但是在淺水湖泊中，漁業(yè)養(yǎng)殖作業(yè)，由于養(yǎng)殖網(wǎng)格導致的風浪阻滯使得污染物不易擴散和餌料不易投加，導致水質惡化，浮游動植物群落以及水生植被組成發(fā)生改變，進而影響到湖泊的經(jīng)濟價值. 因此，在湖泊管理的過程中，可以在分析湖泊健康狀態(tài)“中”和“差”成因的過程中，考慮將魚類指標納入管理范圍內(nèi).

在多指標綜合評價體系中，指標體系的篩選會根據(jù)評價對象和背景數(shù)據(jù)所指示的時空狀態(tài)的不同而改變， 指標權重的確定也對健康評價有重要的影響[2]. 本研究使用了主觀賦權法中的專家評分層次分析法和客觀賦權法中的改進的熵權法確定權重，然后結合模糊綜合評價法對富營養(yǎng)化湖泊進行健康評價. 由于信息熵法確定權重是在客觀條件下，由評價指標值構成的判斷矩陣來確定指標權重，它能盡量消除各因素賦權的主觀性. 對于某項指標，指標值間的差異越大，該指標信息熵就越小，被賦予的權重值就越高，表明該指標在綜合評價中所起的作用越大[36]，如果差異為零，則該指標在綜合評價中不起作用. 在本研究中，由于水生植物覆蓋度這個指標數(shù)值之間差異過大，使得該指標用熵權法計算所得的權重為0.2706，在所有指標中權重最大，進而對湖泊的健康評價計算的結果影響也比較大. 但是，此時的熵權并不表示該指標在生態(tài)系統(tǒng)中的實際重要性系數(shù)，而是各指標在競爭意義上的相對激烈程度[37]，顯然與實際生態(tài)系統(tǒng)中水生植物對生態(tài)系統(tǒng)健康的影響作用不符. 如太白湖和野潴湖的沉水植物覆蓋度分別為76.17%和72.1%，熵權法的評價結果分別為“優(yōu)”和“良”，然而這兩個湖泊的其他8個參評指標的數(shù)值均處于評價體系(表2)的Ⅲ類和Ⅳ類. 湖泊的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)也分別達到了74.53和73.49，處于超富營養(yǎng)化狀態(tài). 相比之下，專家評分的層次分析法確定的各個指標的權重結合了專家的深厚經(jīng)驗，雖然會帶有個人主觀性[38]，但是可以通過增加不同領域的專家的數(shù)量統(tǒng)計專家對生態(tài)系統(tǒng)的共同認知，進而使得指標之間的重要性更貼近于客觀情況. 本研究中，層次分析法目標層的3個要素和標準層次的9個指標的條理清晰，所得指標權重層層相扣. 層次分析法結合模糊綜合評價法對37個湖泊的評價結果表明，31個健康狀態(tài)為“差”的湖泊囊括了調查的所有處于超富營養(yǎng)化狀態(tài)的湖泊，評價結果更貼近客觀實際. 而營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)主要是基于水體SD、Chl.a濃度和TP濃度 3個指標綜合計算得出，主要反映湖泊水體的營養(yǎng)狀態(tài)和生產(chǎn)力水平[26]. 對于湖泊水生態(tài)系統(tǒng)來說，雖然水體的營養(yǎng)狀態(tài)只表征了生態(tài)系統(tǒng)的一部分，但是水體營養(yǎng)鹽的改變能夠誘導引起一系列生態(tài)系統(tǒng)結構組成和功能變化. 因此，本研究嘗試通過湖泊營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的評價作為湖泊的水生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況評價的參照和初步判斷.

從評價結果來看，所評價的37個湖泊中，84%的湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康狀況都令人堪憂. 分析其原因有三：一是生物群落構成的時間差異性. 湖泊水生態(tài)系統(tǒng)的生物組分與非生物組分的組成和結構特征在不同時間尺度上具有較大差異. 本研究采樣時間為2014年夏末秋初，溫度較高，湖泊初級生產(chǎn)力也較高，而水生植物也具有一定的生長周期，其分布和生物量還受水深、基質、水動力和水體透明度等多種自然因素的控制[39]，這些都影響著健康評價的結果. 二是評價指標權重的影響. 本研究的層次分析法評價指標體系中，水質的指標權重為0.4540，在目標層的3個要素中所占權重最大. 這其中，TN 和TP 的權重均為0.2270.由此可見，湖泊外源污染物的輸入，包括漁業(yè)養(yǎng)殖[40]的餌料和營養(yǎng)鹽的投放，通過影響湖泊水體N和P對湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的影響也是最為嚴重的. 第三，從評價方法上來說，健康評價的指標體系主要是根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的活力、生產(chǎn)力、組織和恢復力3個方面建立的[6]，其中反映生態(tài)系統(tǒng)結構恢復力的生態(tài)學指標如種群恢復時間、抗干擾能力和生長范圍等是較不容易獲取的[41]，本研究也沒有將其納入考慮范圍，從一定程度上來說評價還是受到了限制. 在后續(xù)指標體系的建立過程中，還可以考慮加入反映生態(tài)系統(tǒng)健康的綜合指標(如優(yōu)勢度和生物完整性指數(shù))[34]，作為生態(tài)系統(tǒng)中生物群落健康狀態(tài)的表征. 同時，對于指標權重的確定，在后續(xù)研究過程中，可以考慮將將主觀的專家經(jīng)驗同客觀的數(shù)學分析方法進一步結合，例如使用主觀的層次分析法，將人類的思維加工整理融入其中，根據(jù)客觀實際建立一個較為貼切的層次結構，然后將主觀的專家評分法和客觀的熵權法或主成分分析法等結合起來確定各個層次指標的權重. 也可以考慮將主、客觀方法確定的權重結合起來計算出一個組合權重[37]，以減少和克服兩種權重各自的局限性.

致謝：本研究實驗樣品采集及處理得到了中國科學院水生生物研究所多位老師和同學以及中國科學院武漢植物園的常鋒毅師兄的大力幫助，在此表示感謝.

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Assessment of lakes ecosystem health based on objective and subjective weighting combined with fuzzy comprehensive evaluation

WU Yiwen1,4, LI Yingjie1,3, ZHANG Lieyu1**, GUO Longgen2, LI Hua2, XI Beidou1, WANG Lei1& LI Caole1

(1:StateEnvironmentalProtectionKeyLaboratoryofSimulationandControlofGroundwaterPollution,ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012,P.R.China)(2:InstituteofHydrobiology,ChineseAcademyofSciences,Wuhan430072,P.R.China)(3:CollegeofResourceandEnvironmentalEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,P.R.China)(4:CnhomelandEnvironmentalProtectionWaterPollutionGovernanceAcademicianWorkstation,Guangzhou510000,P.R.China)

This study investigated 37 lakes of the Jianghan lake group in the middle reach of the Yangtze River. Trophic state index (TSI) was applied to define the trophic status of the lakes. According to water quality, sediment quality and aquatic biological communities, the analytic hierarchy process (AHP) and entropy weight method combined with fuzzy comprehensive evaluation based on fuzzy mathematics methods were applied to evaluate the aquatic ecosystem health. The lakes trophic evaluation showed that Lake Haikou was in the mesotrophic status, 18 lakes were in eutrophic status, and 18 lakes were in hyper-eutrophic status. The assessment of lake ecosystem health turned out that only Lake Haikou was in the “high” health status. Five lakes were in “good” health status: Lakes Dongxicha, Huama, Liangzi, Tongjia and Zhangdu. The rest 31 lakes were all in “poor” health status. According to theTSI, for the ecosystem health assessment of the Jianghan lake group, AHP combined with fuzzy comprehensive evaluation was proved to be a better method than the entropy weighting method.

Trophic state index; entropy weight method; analytic hierarchy process; fuzzy comprehensive evaluation; health assessment; Jianghan lake group

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07101-002)資助. 2016-03-30收稿；2016-11-21收修改稿. 吳易雯(1985～)，女，博士； E-mail： wu_yiwen@163.com.

； E-mail： zhanglieyu@163.com.

DOI 10.18307/2017.0507