星海湖水生生态系统健康评价

吴岳玲，郭 琦，邱小琮，雷兴碧，李世龙

(1.宁夏大学土木与水利16:16 2020/8/11工程学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏大学生命科学学院，宁夏 银川 750021)

0 引 言

生态系统功能的正常运行是保障生态系统健康的前提。健康的水生生态系统为人类提供了合乎自然和满足其需求的生态服务，对保护和维持水环境的各项正常功能起着举足轻重的作用[1-2]。对湖泊进行水生生态健康研究及评价，能够准确反映出水体的受污染程度以及湖泊水生生态系统健康状况的变化趋势；进而分析得出水体污染的主要因子及其主要因子的变化趋势和影响湖泊水生生态系统的不利因素，从而改正和调整威胁到湖泊水生生态系统健康的人类活动。目前，水生生态健康评价的方法主要有模糊综合评价法[3]、灰色关联法[4]、指数评价法[5]、神经网络法[6]、主成分法[7-9]等。许多中国学者已将这些方法应用到了实践中[10-12]。水生生态系统的健康评价已经引起越来越多国内外学者的重视。星海湖位于宁夏回族自治区石嘴山市大武口区城区东部，区域总面积48.08 km2，湖水面积24 km2，平均水深1.8 m，是国家级的湿地公园，在调节气候和改善生态环境等方面起着重要的作用。随着星海湖旅游业的发展和过度不合理的开发利用水资源，使得星海湖水生生态系统受到严重破坏。

本文对星海湖2015年～2017年的水环境因子进行采样测定，采用主成分分析法对星海湖水生生态系统健康评价候选指标进行筛选，运用灰关联法对星海湖水生生态系统进行综合评价，为星海湖水生生态系统的修复提供基础数据和理论依据，为星海湖水生生态健康评价确定更为客观可靠的方法。

1 研究地区与研究方法

1.1 样点布设与采样时间

根据星海湖的形状共设置了4个采样点，具体如图1所示。采样时间为：2015年～2017年的1月(冬)、4月(春)、7月(夏)、10月(秋)。

图1 星海湖采样点设置

1.2 水样的采集与测定

水样采集按照HJ495—2009《水质采样方案设计技术规定》、HJ494—2009《水质采样技术指导》、HJ493—2009《水质样品的保存和管理技术规定》中的要求进行，水样的测定方法见表1。

表1 水环境因子测定方法

1.3 研究方法

1.3.1星海湖候选指标体系构成

星海湖水生生态系统健康综合评价指标体系中的候选指标包括高锰酸盐指数(CODMn)、总氮(TN)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)、叶绿素a(Ch1.a)、浮游植物生物量(D)、底栖动物H、水生植物H等理化指标。浮游植物生物量、浮游植物Shannon-Wiener指数(H′)、浮游动物Shannon-Wiener指数(H′)、底栖动物Shannon-Wiener指数(H′)、水生植物Shannon-Wiener指数(H′)[14-15]等生物学指标能够反映水生生态系统结构和生物多样性特征。同时选取能够反应水体富营养化特征的指标综合营养状态指数[16-18]，共同构成星海湖水生生态系统健康评价指标体系的候选指标。

Shannon-Wiener物种多样性指数

H′=-∑(ni/N)log(ni/N)

(1)

式中，ni为第i种生物的个体数；N为生物总个数。

综合营养状态指数

TLI(Σ)=∑Wj·TLI(J)

(2)

式中，Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重；TLI(j)为第j种参数的营养状态指数。

1.3.2指标筛选方法

主成分分析[9]是在数据信息损失保持最小的前提下，又能使得问题变得简单、直观的目的之下，将高维复杂的问题降到低维度去分析，以少数的综合变量取代原始采用的多维变量。

将星海湖2015年至2017年1月(冬)、4月(春)、7月(夏)、10月(秋)的各项指标进行主成分分析，对因子载荷矩阵采用方差最大正交旋转法进行旋转，按照累积方差贡献率为85%提取出主成分，然后选择旋转后载荷值大于0.6的指标作为评判星海湖健康属性的指标[19-20]。

1.3.3评价指标体系权重的确定

将上述选定的指标体系对其进行主成分分析，按照85%的累积方差贡献率提取出2个主成分，得到主成分的特征值、方差贡献率和旋转后因子载荷值，并根据主成分相应的特征值、方差贡献率计算出各项指标的权重值[21-22]。即

(3)

式中，aij为因子i在第j个主成分中的因子得分系数(特征值)，即第i个因子对第j个主成分的贡献；Ej为该主成分对应方差的贡献率；Wi为第i个评价因子的权重值。然后，对Wi进行归一化处理，可得各评价因子的权重。

2 结果与分析

2.1 星海湖水生生态系统健康评价指标的选定

将星海湖的各水质指标进行主成分分析，按照85%的累积方差贡献率提取出2个主成分，按照因子荷载值大于0.6的原则，筛选出叶绿素a、浮游植物生物量、底栖动物H、水生植物H等10个因子作为星海湖水生生态系统健康评价的指标(见表2)。

表2 2015年～2017年旋转后因子荷载值

表3 2015年～2017年评价指标的权重和归一化权重

2.2 星海湖水生生态系统健康评价指标体系的构成及权重

将筛选出的10个星海湖水生生态系统健康评价因子根据分析结果计算出各评价指标的权重，对10项权重进行求和，用单项指标除以权重和即可得到各指标归一化权重(见表3)。

2.3 星海湖水生生态系统健康评价标准体系

水体理化指标分级标准以GB3838—2002《地表水环境质量标准》为依据，分为很健康、健康、亚健康、不健康和病态5个等级，其分别对应于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类水标准。星海湖水生生态系统健康评价标准体系见表4。

星海湖2015年～2017年各季节指标与评价标准等级的关联度见表5。

水生生态系统包含多个理化和生物因子，如何从这些众多的因子中选取适当的因子作为评价水生生态系统健康的指标，是水生生态系统健康评价的基础和关键。本文筛选出的评价指标主要由4部分构成：第一部分包含的因子为浮游植物生物量、底栖动物H′、水生植物H′，是水生生态系统结构多样性和完整性的综合反映，也是水生生态系统健康评价指标中的重要组成部分。第二部分的因子为Chl.a、TLI(Σ)，主要描述水体悬浮物、溶解盐类等的含量。第三部分包含的因子为TN、NH3-N、TP，主要描述水体氮、磷营养盐的构成和含量。第四部分包含的因子为CODMn、BOD5，主要描述水体有机物的含量。

从星海湖水生生态系统叶绿素值的变化来看，2015年叶绿素值在秋季时达到最大，2016年～2017年其值在夏季时达到最大。叶绿素a是反映浮游藻类引起的水体污染指标，2015年～2017年叶绿素a值不断变大，说明2015年～2017年间星海湖水体污染程度不断变大，尤其是2016年～2017的夏季，其原因是夏季河道补水量大，大量有机物和营养盐进入水体，蓝藻大量繁殖，形成优势种，抑制了其他类浮游植物的生长，浮游植物多样性下降，导致星海湖水生生态系统结构受到严重影响。星海湖补水主要源于黄河灌渠生态补水和农灌退水，补水季节主要是在春季、夏季和秋季，星海湖春、夏和秋季的CODMn、BOD5、NH3-N、TN、Chl.a均高于冬季，在夏季时指标达到最大。冬季属于枯水期，外源水几乎不会补充到星海湖中，所以其指标值达到最小。2015年星海湖表征水体的富营养化程度指标TLI(Σ)在秋季达到最大值，2016年～2017年均在夏季达到最大值，且2016年～2017指标在夏季的最大值高于2015年秋季，也说明星海湖夏季水体污染严重。星海湖水生植物群落结构不均衡，多样性较低，其自然演替速度不能适应目前星海湖外源污染物的压力胁迫，对氮营养盐的降解能力不足，以及星海湖周围人类生活污水(生活中使用的各种洗涤剂和污水、垃圾)直间排放到湖中，增大了湖水中NH3-N、TN、TP的含量，致使星海湖夏季水生生态系统逐渐遭到破坏，最终呈不健康状态。

表4 星海湖水生生态系统健康评价标准体系

表5 星海湖2015年～2017年各季节指标与健康等级关联度计算结果

3 结 论

(1)通过主成分分析法对星海湖水环境的主要因子进行排序，得出影响星海湖水生生态健康状况的主要因子是NH3-N、CODMn和BOD5，运用灰关联法对星海湖水生生态系统健康状况进行综合评价的结果表明，2015年～2017年星海湖水生生态系统健康状况整体呈亚健康状态。

(2)从季节变化看，2015年～2017年冬季星海湖水生态系统健康状况均呈健康状态，2015年～2017年春季和秋季的水生态健康状况呈亚健康状态；2015年星海湖夏季水生态系统健康状况呈亚健康状态；2016年～2017夏季水生态系统健康状况呈不健康状态。

(3)星海湖水生生态系统结构不均衡，多样性较低，对氮营养盐的降解能力不足，以及城镇生活污水的排放(生活中使用的各种洗涤剂和污水、垃圾)是导致星海湖水生生态系统处于亚健康的主要原因，因此，应该加强对星海湖的水质监测，降低星海湖外源性的氮磷营养盐含量，将其控制在一个标准范围内，重建和恢复水生生态系统，保证其结构的完整性和功能的稳定性。