宋創(chuàng)業(yè), 胡慧霞,黃歡,任紅旭,*,黃　翀

1. 中國科學(xué)院植物研究所植被與環(huán)境變化國家重點實驗室, 北京　100093 2. 中國科學(xué)院植物研究所北方資源植物重點實驗室, 北京　100093 3. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室, 北京　101001

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黃河三角洲人工恢復(fù)蘆葦濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價

宋創(chuàng)業(yè)1, 胡慧霞2,黃歡2,任紅旭2,*,黃翀3

1. 中國科學(xué)院植物研究所植被與環(huán)境變化國家重點實驗室, 北京100093 2. 中國科學(xué)院植物研究所北方資源植物重點實驗室, 北京100093 3. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室, 北京101001

摘要:研究目的是對黃河三角洲人工恢復(fù)蘆葦濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況進(jìn)行評價。按照層次分析法的思想,從環(huán)境、植物群落和植物生理生化特征等3個方面構(gòu)建評價指標(biāo)體系。在專家意見的基礎(chǔ)上,確定各個指標(biāo)的權(quán)重,計算生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)。通過與自然蘆葦濕地對比,對人工恢復(fù)蘆葦濕地的健康狀況進(jìn)行評價。結(jié)果顯示：人工恢復(fù)蘆葦濕地的土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和全鹽含量、群落蓋度、密度和地上生物量等指標(biāo)顯著低于自然蘆葦濕地,地表水電導(dǎo)率、葉片的APX、DHAR、MDHAR等酶的活性顯著高于自然蘆葦濕地,其生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)低于自然蘆葦濕地。這說明在短時間內(nèi),人工恢復(fù)蘆葦濕地的健康狀況和自然蘆葦濕地還存在一定差距?；謴?fù)時間對生態(tài)系統(tǒng)健康評價有重要影響,長時間尺度上監(jiān)測數(shù)據(jù)的積累是全面、深入了解生態(tài)系統(tǒng)、評價生態(tài)系統(tǒng)健康狀況所必需的。

關(guān)鍵詞：指標(biāo)權(quán)重；層次分析法；生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)

Assessing the health of rehabilitated reed wetland ecosystem in the Yellow

濕地是人類最重要的生存環(huán)境和自然界最富生物多樣性的景觀之一。隨著人類對生態(tài)系統(tǒng)干擾強(qiáng)度不斷增大,濕地生態(tài)系統(tǒng)正遭受著前所未有的沖擊,數(shù)量和面積減少、生物多樣性降低、水質(zhì)惡化、富營養(yǎng)化等,已經(jīng)威脅到人類自身的發(fā)展。濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況受到越來越多的關(guān)注。近年來,濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價已成為國內(nèi)外的研究熱點[1- 5]。

濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價的方法主要有指示物種法和指標(biāo)體系法[6]。指示物種法依據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵種、特有種、指示種以及瀕危種等的數(shù)量、生產(chǎn)力、結(jié)構(gòu)和功能等指標(biāo)來描述生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況[6-7]。如Scardi等和Yeom等分別建立了以魚類作為指示物種的濕地生態(tài)健康評價指標(biāo)體系[8-9]；Vassallo等建立了以河口底棲生物群落為指示物種的海岸帶濕地健康評價指標(biāo)體系[10]。Karr和Brousseau 等應(yīng)用魚類群的組成、分布、種多度以及關(guān)鍵種、敏感種、固有種和外來種的變化來評價水生態(tài)系統(tǒng)[11-12]。但是,僅依靠單一指標(biāo)對生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行評價有一定的片面性,指示物種的篩選標(biāo)準(zhǔn)不明確,而且指示物種的減少是否會對系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響及其在生態(tài)系統(tǒng)中的作用均難以確定[13]。因此,該方法難以全面、準(zhǔn)確反映生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況[14-16]。

指標(biāo)體系法則根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的特征及其服務(wù)功能建立指標(biāo)體系,對生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行定量評價。如Parker建立考慮棲息地大小、植被覆蓋率、生境多樣性和植物組成的濕地健康評價指標(biāo)體系,對棲息地的狀態(tài)進(jìn)行評價[17]；Spencer等建立了考慮土壤、邊緣植物、水生植物和水質(zhì)4個方面的指標(biāo)體系,對澳大利亞東南部的Wurray-Darling 盆地內(nèi)永久性漫灘濕地健康狀況進(jìn)行評估[18]；Xu等建立了包括結(jié)構(gòu)、功能和系統(tǒng)級的湖泊生態(tài)健康評價指標(biāo)體系,對湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行評價[19]；Andree和Steve等在加州舊金山海灣的濕地生態(tài)和適應(yīng)性評價中考慮了野生動物、優(yōu)勢植被、生物棲息地狀態(tài)、水文、周圍土地利用等5個方面的因素[20]；趙彥偉等提出了包括含水量、水質(zhì)、水生生物、物理結(jié)構(gòu)與河岸帶5大要素的指標(biāo)體系及其5級評價標(biāo)準(zhǔn),對寧波市河流濕地進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)健康評價[21]。

綜上所述,濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系通常包括環(huán)境、生物群落和生態(tài)系統(tǒng)功能等方面的指標(biāo)。環(huán)境指標(biāo)通常包括土壤有機(jī)質(zhì)、氮和磷含量,土壤含水量、水質(zhì)等[22-23]；生物群落學(xué)指標(biāo)包括群落蓋度、物種多樣性和建群種高度等[4,23]；生態(tài)系統(tǒng)功能指標(biāo)包括植被生產(chǎn)力、固氮和水質(zhì)凈化等[24-26]。另外,社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)逐步被納入生態(tài)系統(tǒng)健康評價研究中,如人口密度、污水處理達(dá)標(biāo)率、化肥農(nóng)藥利用率等[26]。然而,在眾多的生態(tài)系統(tǒng)健康評價研究中,鮮有涉及到植物生理生化等表征植物本身狀態(tài)的指標(biāo),如超氧化物歧化酶(SOD)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)、愈創(chuàng)木酚過氧化物酶(GPX)過氧化氫酶(CAT)、脫氫抗壞血酸還原酶(DHAR)、單脫氫抗壞血酸還原酶(MDHAR)等。這些酶活力的高低與植物的衰老、對逆境的適應(yīng)等密切相關(guān),對植物健康有較好的指示作用[27]。因此,在生態(tài)系統(tǒng)健康評價研究中,應(yīng)引入植物生理生化指標(biāo),以構(gòu)建更為合理的評價指標(biāo)體系,實現(xiàn)對生態(tài)系統(tǒng)健康準(zhǔn)確、全面的評價。

黃河三角洲位于山東省東北部,渤海灣南岸,萊州灣西側(cè),是我國暖溫帶最完整、最廣闊的典型河口濕地生態(tài)系統(tǒng)。隨著當(dāng)?shù)毓ぁ⑥r(nóng)業(yè)的發(fā)展,濕地生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重的干擾和破壞,發(fā)生了大規(guī)模的退化。近年來,為了保護(hù)濕地生態(tài)系統(tǒng),環(huán)保和海洋等部門在黃河三角洲進(jìn)行了較大規(guī)模的濕地人工重建與恢復(fù)工作。然而,恢復(fù)與重建的效果如何、恢復(fù)的濕地生態(tài)系統(tǒng)是否處于健康狀態(tài)卻未有研究。因此,本研究以黃河三角洲人工恢復(fù)與重建的蘆葦濕地為研究對象,綜合考慮環(huán)境、生物群落學(xué)和植物生理生化指標(biāo),并通過與自然蘆葦濕地(參照系統(tǒng))對比,對其健康狀態(tài)進(jìn)行綜合評估。

1研究區(qū)概況

黃河三角洲位于渤海灣南岸和萊州灣西岸,主體分布于山東省東營市和濱州市境內(nèi),即117°31′—119°18′E 和36°55′—38°16′N(圖1)。地勢總體平緩,崗階地、河成高地、低洼地、河灘地、平地以及灘涂地等為其主要地貌類型[28]。黃河三角洲屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,年平均日照時數(shù)為2590—2830 h,年平均氣溫11.7℃—12.8℃,無霜期206 d,≥10 ℃的積溫約4300 ℃,年平均降水量530—630 mm,70%集中在夏季,年均蒸發(fā)量1900—2400 mm。黃河三角洲屬暖溫帶落葉闊葉林區(qū),區(qū)內(nèi)無地帶性植被類型,植被分布主要受土壤含鹽量、潛水水位與礦化度、地貌類型以及人類活動的影響。檉柳(Tamarixchinensis)灌叢、蘆葦(Phragmitesaustralis)草甸、翅堿蓬(Suaedaheteroptera)群落是該區(qū)主要的自然植被類型。

圖1　研究區(qū)地理位置及采樣地分布Fig.1　The location of study area and sampling plot

2數(shù)據(jù)與方法

2.1野外調(diào)查與采樣

蘆葦濕地恢復(fù)區(qū)與參照區(qū)：恢復(fù)區(qū)位于黃河北岸,距黃河約3.5km,距海岸線約10km(圖1)。恢復(fù)區(qū)之前為工程建設(shè)廢棄地,土壤為潮土,地表殘存稀疏的蘆葦、檉柳等植物,生長季常有地表水覆蓋。恢復(fù)區(qū)的蘆葦濕地重建于2011年4月,恢復(fù)面積約1200 m2,采用人工移栽的方式在恢復(fù)區(qū)內(nèi)種植蘆葦。參照區(qū)位于恢復(fù)區(qū)的北側(cè),面積約3000 m2,為自然蘆葦濕地,所受干擾較小。

野外調(diào)查與采樣于2013年8月進(jìn)行,對恢復(fù)區(qū)(人工恢復(fù)蘆葦濕地,RG)和參照區(qū)(自然蘆葦濕地,CK)分別進(jìn)行調(diào)查與采樣。隨機(jī)設(shè)置蘆葦群落樣方60個(1m×1m),恢復(fù)區(qū)和參照區(qū)各30個。調(diào)查蘆葦群落的蓋度、高度以及株數(shù)等參數(shù),并采集每個樣方中蘆葦?shù)牡厣喜糠?帶回實驗室于70°C烘至恒重,獲取地上生物量。在每個樣方中采用土鉆法采集土壤樣品(0—20cm),帶回實驗室進(jìn)行各項理化指標(biāo)測定。在每個樣方周圍采集地表水樣品,水樣采集使用500mL的塑料瓶,洗瓶內(nèi)3次,然后采集水樣,用于測定pH值和電導(dǎo)率。此外,分別在恢復(fù)區(qū)和參照區(qū)內(nèi)采集蘆葦新鮮葉片,置于液氮罐中保存,用于植物生理生化指標(biāo)分析。

2.2實驗方法

水樣測定指標(biāo)pH值和電導(dǎo)率。

土壤測定理化指標(biāo)全氮、全鹽和有機(jī)質(zhì)含量。分析測試工作在中國科學(xué)院植物研究所植被與環(huán)境變化國家重點實驗室分析測試中心完成。全氮含量采用凱氏定氮法測定,有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定,全鹽含量采用殘渣法測定。

植物生理生化指標(biāo)測定進(jìn)行了超氧化物歧化酶(SOD)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)、過氧化氫酶(CAT)、愈創(chuàng)木酚過氧化物酶(GPX)、脫氫抗壞血酸還原酶(DHAR)、單脫氫抗壞血酸還原酶(MDHAR)等酶活性的測定。SOD活性的測定采用氮藍(lán)四唑比色法[29],APX活性的測定參照Nakano和Asada[30]的方法,CAT活性的測定參照Kn?rzer等[31]的方法,GPX活性的測定參照Maehly和Chance[32]的方法,MDHAR活性的測定參照Miyake和Asada[33]的方法,DHAR的測定參照Dolton等[34]的方法。

2.3評價模型的構(gòu)建2.3.1參照系統(tǒng)的選擇

對于濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的評價,尚無一套成熟的指示生態(tài)系統(tǒng)健康的標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)[35],通常采用“被評價的生態(tài)系統(tǒng)”與“參照生態(tài)系統(tǒng)”進(jìn)行對比,對生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況進(jìn)行綜合評價。理想的參照系統(tǒng)是位于長期穩(wěn)定的地帶性生境中、很少受干擾的自然生態(tài)系統(tǒng)。因此,本研究選擇黃河三角洲國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi),位于人工恢復(fù)蘆葦濕地附近的自然蘆葦濕地作為參照系統(tǒng)(圖1)。

2.3.2評價指標(biāo)體系

圖2　生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系Fig.2　Index system of ecosystem health assessment

按照層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)的思想,將濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價分為3個層次(圖2)。第1層次是目標(biāo)層,指濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價；第2層次是準(zhǔn)則層,由環(huán)境特征、植物群落特征、植物生理生化特征等組成；第3層次是評價指標(biāo)層,環(huán)境特征指標(biāo)包括地表水的pH值和電導(dǎo)率,土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和全鹽含量；植物群落指標(biāo)包括密度、蓋度、高度和地上生物量；植物生理生化指標(biāo)包括SOD、APX、CAT、GPX、DHAR、MDHAR等6種酶的活性。

2.3.3評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化

由于評價指標(biāo)的量綱不同,相互之間沒有可比性。因此,須對各個指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。根據(jù)評價指標(biāo)與生態(tài)系統(tǒng)健康之間的關(guān)系,評價指標(biāo)被分為正向指標(biāo)(值越大,生態(tài)系統(tǒng)健康程度越高)和負(fù)向指標(biāo)(值越大,生態(tài)系統(tǒng)健康程度越低)兩類。正向指標(biāo)包括土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量、群落密度、蓋度、高度和地上生物量；負(fù)向指標(biāo)包括地表水的pH值、電導(dǎo)率、土壤全鹽含量以及SOD、APX、CAT、GPX、DHAR、MDHAR等酶的活性。

正向指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化方法：

χa=χi/χmax

式中,χa為標(biāo)準(zhǔn)化以后的指標(biāo)值,χi為所選指標(biāo)值,χmax為同類指標(biāo)中最大值。

負(fù)向指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化方法：

式中,χα為標(biāo)準(zhǔn)化以后的指標(biāo)值,χi為所選指標(biāo)值,χmax為同類指標(biāo)中最大值。

2.3.4評價指標(biāo)權(quán)重確定

本研究中評價指標(biāo)的權(quán)重確定是建立在專家意見的基礎(chǔ)上。咨詢專家來自中科院植物所的植被與環(huán)境變化國家重點實驗室、北方資源植物重點實驗室等從事生態(tài)學(xué)、生理學(xué)、生物化學(xué)研究的科研人員,采用調(diào)查問卷的方式進(jìn)行咨詢,共發(fā)放調(diào)查問卷20份?；谡{(diào)查問卷,獲取各個層次指標(biāo)的相對重要性數(shù)據(jù),構(gòu)建了準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的權(quán)重判別矩陣,采用層次分析法(AHP)計算各個指標(biāo)的權(quán)重。

層次分析法在評價指標(biāo)權(quán)重計算中運用較廣,其優(yōu)點是既考慮了專家的意見,又有嚴(yán)密的統(tǒng)計學(xué)基礎(chǔ),計算結(jié)果可以較好地反映各個評價指標(biāo)的重要性大小[5,36]。判斷矩陣一致性比例(CR)是層次分析法的關(guān)鍵,CR按照如下公式計算：

圖3　人工恢復(fù)蘆葦濕地與自然蘆葦濕地地表水pH值和電導(dǎo)率　Fig.3　The pH value and conductivity of surface water of rehabilitated reed wetland and natural reed wetland 字母不同表示差異顯著,P<0.01

2.3.5生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)計算

生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)采用以下公式計算：

式中,EHI為生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù),Ei為第i個評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的值,Wi為第i個評價指標(biāo)的權(quán)重,n為評價指標(biāo)個數(shù)。

3研究結(jié)果

3.1自然蘆葦濕地與人工恢復(fù)蘆葦濕地對比

采用獨立樣本T檢驗的方法對人工恢復(fù)蘆葦濕地與自然蘆葦濕地的地表水pH值、地表水電導(dǎo)率、土壤全鹽、有機(jī)質(zhì)和全氮含量、生物量、密度、高度、蓋度、葉片的SOD、APX、CAT、GPX、DHAR、MDHAR活性等指標(biāo)進(jìn)行對比,結(jié)果如下：

在環(huán)境指標(biāo)中,人工恢復(fù)蘆葦濕地地表水的電導(dǎo)率顯著高于自然蘆葦濕地(P<0.01),但是pH值之間沒有顯著差異(圖3),土壤全鹽、全氮和有機(jī)質(zhì)的含量顯著低于自然蘆葦濕地(P<0.01)(圖4，圖5)。

在群落特征指標(biāo)中,除了株高外,人工恢復(fù)蘆葦群落的地上生物量、密度和蓋度都顯著低于自然蘆葦群落 (P<0.01)(圖6)。

在植物生理生化指標(biāo)中,SOD、CAT、GPX三種酶的活性在人工恢復(fù)蘆葦和自然蘆葦之間沒有顯著差異,人工恢復(fù)蘆葦葉片的APX、DHAR、MDHAR三種酶的活性顯著高于自然蘆葦(P<0.01)(圖7)。

圖4　人工恢復(fù)蘆葦濕地與自然蘆葦濕地土壤全鹽含量　Fig.4　Soil salt content of rehabilitated reed wetland and natural reed wetland 字母不同表示差異顯著,P<0.01

圖5　人工恢復(fù)蘆葦濕地與自然蘆葦濕地土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量Fig.5　Total soil nitrogen content and soil organic matter content of rehabilitated reed wetland and natural reed wetland字母不同表示差異顯著,P<0.01

圖6　人工恢復(fù)蘆葦群落與自然蘆葦群落特征Fig.6　Community characteristics of rehabilitated reed wetland and natural reed wetland字母不同表示差異顯著,P<0.01

3.2指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果

在準(zhǔn)則層和各評價指標(biāo)的權(quán)重判別矩陣的基礎(chǔ)上,計算準(zhǔn)則層和各個評價指標(biāo)的權(quán)重值,并通過一致性檢驗,進(jìn)一步計算得到各評價因子歸一化權(quán)重值(表1)。在15個評價指標(biāo)中,地上生物量的權(quán)重最大,蓋度和密度次之,之后是土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量、SOD、CAT、GPX活性,土壤全鹽含量、地表水電導(dǎo)率、pH值等評價指標(biāo)的權(quán)重相對較小。

圖7　人工恢復(fù)蘆葦與自然蘆葦葉片中SOD、APX、CAT、GPX、DHAR、MDHAR酶活性Fig.7　The activities of SOD、APX、CAT、GPX、DHAR、MDHAR in the leaves of rehabilitated reed and natural reed字母不同表示差異顯著,P<0.01

圖8　人工恢復(fù)蘆葦濕地與自然蘆葦濕地生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)　Fig.8　Ecosystem health index of rehabilitated reed wetland and natural reed wetland

3.3健康指數(shù)計算結(jié)果

基于表1中各個評價指標(biāo)的歸一化權(quán)重值,按照2.3.5中的生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)公式計算,人工恢復(fù)蘆葦濕地的健康指數(shù)為0.28,自然蘆葦濕地的健康指數(shù)為0.47(圖8)。

4討論

濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價中存在兩大基本問題：一是生態(tài)系統(tǒng)健康的標(biāo)準(zhǔn),即什么樣的生態(tài)系統(tǒng)是健康的,什么樣的生態(tài)系統(tǒng)是不健康的,需要建立一套區(qū)別健康和病態(tài)生態(tài)系統(tǒng)的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)[39]；二是評價指標(biāo)體系的問題,全面、準(zhǔn)確地評價生態(tài)系統(tǒng)健康狀況需要哪些指標(biāo)[4-5]。對于生態(tài)系統(tǒng)的健康標(biāo)準(zhǔn),眾多學(xué)者展開了研究[11-12,16,18]。然而,由于生態(tài)系統(tǒng)健康本身的復(fù)雜性,且不同生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與過程差異較大,因此難以建立統(tǒng)一的生態(tài)系統(tǒng)健康標(biāo)準(zhǔn)[40]。目前,很多研究均采用被評價生態(tài)系統(tǒng)與參照生態(tài)系統(tǒng)對比的方式進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)健康程度的判斷。本研究采用與參照系統(tǒng)對比的方法,對人工恢復(fù)蘆葦濕地的健康狀況進(jìn)行評價。參照系統(tǒng)為處于保護(hù)區(qū)中的自然蘆葦濕地,與人工恢復(fù)蘆葦濕地相比,其群落蓋度、密度和地上生物量較高,土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量較高,地表水電導(dǎo)率較低,生境質(zhì)量相對較高,環(huán)境對植物的脅迫程度低,所以植物葉片中APX、DHAR、MDHAR三種酶的活性較低。另外,在野外調(diào)查時發(fā)現(xiàn),自然蘆葦濕地中出現(xiàn)了香蒲(Typhaorientalis)、球穗莎草(Cyperusglobosus)、拂子茅(Calamagrostisepigeios)等伴生植物,而在人工恢復(fù)蘆葦濕地中,少有伴生物種出現(xiàn)。因此,自然蘆葦濕地的生境、群落結(jié)構(gòu)和功能、植物生理生化特征以及生物多樣性等方面均要優(yōu)于人工恢復(fù)蘆葦群落,其健康指數(shù)亦高于人工恢復(fù)蘆葦濕地。

但是,需要注意的是生態(tài)系統(tǒng)健康評價的對象是一個復(fù)雜且結(jié)構(gòu)又相對松散的系統(tǒng),即便是在較小的地理單元中也存在處于不同演替階段的生態(tài)系統(tǒng),相互之間存在較大的差異。因此,參照系統(tǒng)的選擇必須建立在對生態(tài)系統(tǒng)演替過程充分認(rèn)識的基礎(chǔ)之上。只有這樣,評價結(jié)果才能較為客觀地反映生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。本研究所選擇的參照系統(tǒng)位于自然保護(hù)區(qū)中,干擾較少,處于較為穩(wěn)定的演替階段,可以較好地反映健康蘆葦濕地的特征。所以,對比結(jié)果可以較為客觀地反映人工恢復(fù)蘆葦濕地的健康狀況。

在濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價研究中,根據(jù)研究目的,評價指標(biāo)選擇的側(cè)重點有所不同。總體上來說,評價指標(biāo)主要包括化學(xué)和生物群落指標(biāo),如地表水的pH值和電導(dǎo)率、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量、土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷和鉀等元素含量,植物群落蓋度、物種多樣性指數(shù)、生物量,以及浮游植物和底棲動物數(shù)量等指標(biāo)[41-43]。另外,除了生態(tài)系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和功能指標(biāo),社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和人類健康指標(biāo)也逐漸被納入生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系[24]。然而,鮮有研究引入植物生理生化指標(biāo)進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)健康評價。本研究引入SOD、GPX、APX等6種酶的活性作為生理生化指標(biāo)進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)健康評價。研究結(jié)果表明,自然蘆葦葉片中APX、DHAR和MDHAR等酶的活性顯著低于人工恢復(fù)蘆葦(P<0.01)。出現(xiàn)這種差異的原因在于人工恢復(fù)蘆葦濕地建成時間較短,受外界干擾較大,生境質(zhì)量低于自然蘆葦濕地。因此,在人工恢復(fù)蘆葦葉片中產(chǎn)生了較多活性氧、自由基等,這進(jìn)一步刺激了植物體內(nèi)APX、DHAR和MDHAR等酶活性的升高,導(dǎo)致人工恢復(fù)蘆葦葉片中酶的活性高于自然蘆葦。所以,植物體中酶的活性可以較好地反映生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。

另外,生態(tài)系統(tǒng)是一個不斷演化的動態(tài)系統(tǒng),只有進(jìn)行長期的觀測與研究,才能全面、深入了解生態(tài)系統(tǒng)。研究表明,破壞的生態(tài)系統(tǒng)在經(jīng)過較長時間修復(fù)以后,其生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能同樣可以達(dá)到或者接近自然生態(tài)系統(tǒng)的水平。如王慧亮等對洪湖開展了基于生態(tài)健康的恢復(fù)效果評價,評價結(jié)果表明,經(jīng)過5a的恢復(fù),洪湖濕地的植被覆蓋度、物種多樣性以及物質(zhì)生產(chǎn)功能都得到了明顯的改善[44]。因此,長期監(jiān)測數(shù)據(jù)的積累是生態(tài)系統(tǒng)健康評價的關(guān)鍵,長時間序列數(shù)據(jù)的缺乏會制約生態(tài)系統(tǒng)健康評價研究[7,37,40]。在本研究中,人工恢復(fù)蘆葦濕地建立于2011年,恢復(fù)時間較短,處于生態(tài)系統(tǒng)演化的初級階段,因此,需要對人工恢復(fù)蘆葦濕地進(jìn)行長期的監(jiān)測與評估,這樣才能更加全面、準(zhǔn)確評價人工恢復(fù)的效果。

5結(jié)論

本研究以黃河三角洲人工恢復(fù)蘆葦濕地為研究對象,基于層次分析法思想,構(gòu)建了生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系,計算了各個評價指標(biāo)的權(quán)重,對人工恢復(fù)蘆葦濕地的健康狀況進(jìn)行了評價。評價結(jié)果顯示人工恢復(fù)蘆葦濕地的健康指數(shù)低于自然蘆葦濕地。說明在短時間內(nèi),人工恢復(fù)蘆葦濕地的健康狀況與自然蘆葦濕地還存在一定的差距?；謴?fù)時間對生態(tài)系統(tǒng)健康狀況有重要影響,長時間尺度上監(jiān)測數(shù)據(jù)的積累是全面、深入了解生態(tài)系統(tǒng)、評價生態(tài)系統(tǒng)健康狀況所必需的。

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River Delta

SONG Chuangye1, HU Huixia2, HUANG Huan2, REN Hongxu2, *, HUANG Chong3

1StateKeyLaboratoryofVegetationandEnvironmentalChange,InstituteofBotany,ChineseAcademyofSciences,Beijing100093,China2KeyLaboratoryofPlantResources,InstituteofBotany,ChineseAcademyofSciences,Beijing100093,China3StateKeyLaboratoryofResourcesandEnvironmentalInformationSystem,InstituteofGeographicalSciencesandNaturalResources,ChineseAcademyofSciences,Beijing101001,China

Abstract：The Yellow River Delta is a typical estuary wetland in Eastern China. In recent years, extensive agricultural and petroleum exploitation caused severe damage to the natural wetland ecosystem in the Yellow River Delta. To restore the wetland ecosystem, large areas of rehabilitated reed wetland were constructed in this region. However, few studies have investigated the effect of ecological restoration and assessed the health status of rehabilitated reed wetland in the Yellow River Delta. The objective of this study was to establish an evaluation index system based on the analytic hierarchy process (AHP) and assess the health status of the rehabilitated reed wetland in the Yellow River Delta.According to the principles of the AHP, we built an evaluation index system based on the characteristics of habitat (pH and conductivity of surface water, soil salt content, soil organic matter content, and soil total nitrogen content), community structure (coverage, density, height, and aboveground biomass), and plant physiological and biochemical features (SOD, superoxide dismutase; APX, ascrobate peroxidase; CAT, catalase; GPX, guaiacol peroxidase; DHAR, dehydroascorbate reductase; MDHAR, monodehydroascorbate reductase). The original data of the evaluation indexes were normalized and converted into data matrix to calculate the weight of each evaluation index based on expert knowledge and the AHP principles. The weights reflected the relative importance of the evaluation index. The weights and normalized evaluation index data were together used to calculate the ecosystem health index. The health status of rehabilitated wetland ecosystem was determined by a comparison between the rehabilitated and natural reed wetlands.From the result of the weight calculation, we found that aboveground biomass is the most important index among the 15 evaluation indexes, followed by coverage, density, soil organic matter content, soil total nitrogen content, the activities of SOD, CAT, GPX, soil salt content, surface water conductivity, and pH value. Through the comparison between rehabilitated and natural reed wetlands, we found that the soil organic matter content, soil total nitrogen content, soil salt content, density, and aboveground biomass of the rehabilitated reed wetland were significantly lower than those of the natural reed wetland. However, the electrical conductivity of surface water and the activities of APX, DHAR, and MDHAR of the rehabilitated reed wetland were significantly higher than those of the natural reed wetland. Thus, the result of the synthetic evaluation showed that the ecosystem health index of the rehabilitated reed wetland is lower than that of the natural reed wetland. The results indicated that the health status of rehabilitated reed wetland could not reach that of a natural reed wetland within a short period. Because recovery time has important influences on ecosystem health, long-term monitoring data is necessary for improved understanding of ecosystem dynamics and assessment of ecosystem health.

Key Words:index weight; analytic hierarchy process; ecosystem health index

基金項目:海洋公益資助項目(201305021,201105020);國家自然科學(xué)基金資助項目(41001363)

收稿日期:2015- 05- 06;

修訂日期:2015- 12- 28

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: hxren@ibcas.ac.cn

DOI:10.5846/stxb201505060923

宋創(chuàng)業(yè), 胡慧霞,黃歡,任紅旭,黃翀.黃河三角洲人工恢復(fù)蘆葦濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價.生態(tài)學(xué)報,2016,36(9):2705- 2714.

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