吳岳玲，郭 琦，邱小琮，雷興碧，李世龍

(1.寧夏大學(xué)土木與水利16:16 2020/8/11工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

0 引 言

生態(tài)系統(tǒng)功能的正常運行是保障生態(tài)系統(tǒng)健康的前提。健康的水生生態(tài)系統(tǒng)為人類提供了合乎自然和滿足其需求的生態(tài)服務(wù)，對保護和維持水環(huán)境的各項正常功能起著舉足輕重的作用[1-2]。對湖泊進行水生生態(tài)健康研究及評價，能夠準確反映出水體的受污染程度以及湖泊水生生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的變化趨勢；進而分析得出水體污染的主要因子及其主要因子的變化趨勢和影響湖泊水生生態(tài)系統(tǒng)的不利因素，從而改正和調(diào)整威脅到湖泊水生生態(tài)系統(tǒng)健康的人類活動。目前，水生生態(tài)健康評價的方法主要有模糊綜合評價法[3]、灰色關(guān)聯(lián)法[4]、指數(shù)評價法[5]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[6]、主成分法[7-9]等。許多中國學(xué)者已將這些方法應(yīng)用到了實踐中[10-12]。水生生態(tài)系統(tǒng)的健康評價已經(jīng)引起越來越多國內(nèi)外學(xué)者的重視。星海湖位于寧夏回族自治區(qū)石嘴山市大武口區(qū)城區(qū)東部，區(qū)域總面積48.08 km2，湖水面積24 km2，平均水深1.8 m，是國家級的濕地公園，在調(diào)節(jié)氣候和改善生態(tài)環(huán)境等方面起著重要的作用。隨著星海湖旅游業(yè)的發(fā)展和過度不合理的開發(fā)利用水資源，使得星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)受到嚴重破壞。

本文對星海湖2015年～2017年的水環(huán)境因子進行采樣測定，采用主成分分析法對星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康評價候選指標進行篩選，運用灰關(guān)聯(lián)法對星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)進行綜合評價，為星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，為星海湖水生生態(tài)健康評價確定更為客觀可靠的方法。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 樣點布設(shè)與采樣時間

根據(jù)星海湖的形狀共設(shè)置了4個采樣點，具體如圖1所示。采樣時間為：2015年～2017年的1月(冬)、4月(春)、7月(夏)、10月(秋)。

圖1 星海湖采樣點設(shè)置

1.2 水樣的采集與測定

水樣采集按照HJ495—2009《水質(zhì)采樣方案設(shè)計技術(shù)規(guī)定》、HJ494—2009《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)》、HJ493—2009《水質(zhì)樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定》中的要求進行，水樣的測定方法見表1。

表1 水環(huán)境因子測定方法

1.3 研究方法

1.3.1星海湖候選指標體系構(gòu)成

星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評價指標體系中的候選指標包括高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、葉綠素a(Ch1.a)、浮游植物生物量(D)、底棲動物H、水生植物H等理化指標。浮游植物生物量、浮游植物Shannon-Wiener指數(shù)(H′)、浮游動物Shannon-Wiener指數(shù)(H′)、底棲動物Shannon-Wiener指數(shù)(H′)、水生植物Shannon-Wiener指數(shù)(H′)[14-15]等生物學(xué)指標能夠反映水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和生物多樣性特征。同時選取能夠反應(yīng)水體富營養(yǎng)化特征的指標綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)[16-18]，共同構(gòu)成星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系的候選指標。

Shannon-Wiener物種多樣性指數(shù)

H′=-∑(ni/N)log(ni/N)

(1)

式中，ni為第i種生物的個體數(shù)；N為生物總個數(shù)。

綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

TLI(Σ)=∑Wj·TLI(J)

(2)

式中，Wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重；TLI(j)為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

1.3.2指標篩選方法

主成分分析[9]是在數(shù)據(jù)信息損失保持最小的前提下，又能使得問題變得簡單、直觀的目的之下，將高維復(fù)雜的問題降到低維度去分析，以少數(shù)的綜合變量取代原始采用的多維變量。

將星海湖2015年至2017年1月(冬)、4月(春)、7月(夏)、10月(秋)的各項指標進行主成分分析，對因子載荷矩陣采用方差最大正交旋轉(zhuǎn)法進行旋轉(zhuǎn)，按照累積方差貢獻率為85%提取出主成分，然后選擇旋轉(zhuǎn)后載荷值大于0.6的指標作為評判星海湖健康屬性的指標[19-20]。

1.3.3評價指標體系權(quán)重的確定

將上述選定的指標體系對其進行主成分分析，按照85%的累積方差貢獻率提取出2個主成分，得到主成分的特征值、方差貢獻率和旋轉(zhuǎn)后因子載荷值，并根據(jù)主成分相應(yīng)的特征值、方差貢獻率計算出各項指標的權(quán)重值[21-22]。即

(3)

式中，aij為因子i在第j個主成分中的因子得分系數(shù)(特征值)，即第i個因子對第j個主成分的貢獻；Ej為該主成分對應(yīng)方差的貢獻率；Wi為第i個評價因子的權(quán)重值。然后，對Wi進行歸一化處理，可得各評價因子的權(quán)重。

2 結(jié)果與分析

2.1 星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標的選定

將星海湖的各水質(zhì)指標進行主成分分析，按照85%的累積方差貢獻率提取出2個主成分，按照因子荷載值大于0.6的原則，篩選出葉綠素a、浮游植物生物量、底棲動物H、水生植物H等10個因子作為星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康評價的指標(見表2)。

表2 2015年～2017年旋轉(zhuǎn)后因子荷載值

表3 2015年～2017年評價指標的權(quán)重和歸一化權(quán)重

2.2 星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系的構(gòu)成及權(quán)重

將篩選出的10個星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康評價因子根據(jù)分析結(jié)果計算出各評價指標的權(quán)重，對10項權(quán)重進行求和，用單項指標除以權(quán)重和即可得到各指標歸一化權(quán)重(見表3)。

2.3 星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康評價標準體系

水體理化指標分級標準以GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》為依據(jù)，分為很健康、健康、亞健康、不健康和病態(tài)5個等級，其分別對應(yīng)于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類水標準。星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康評價標準體系見表4。

星海湖2015年～2017年各季節(jié)指標與評價標準等級的關(guān)聯(lián)度見表5。

水生生態(tài)系統(tǒng)包含多個理化和生物因子，如何從這些眾多的因子中選取適當(dāng)?shù)囊蜃幼鳛樵u價水生生態(tài)系統(tǒng)健康的指標，是水生生態(tài)系統(tǒng)健康評價的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。本文篩選出的評價指標主要由4部分構(gòu)成：第一部分包含的因子為浮游植物生物量、底棲動物H′、水生植物H′，是水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多樣性和完整性的綜合反映，也是水生生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標中的重要組成部分。第二部分的因子為Chl.a、TLI(Σ)，主要描述水體懸浮物、溶解鹽類等的含量。第三部分包含的因子為TN、NH3-N、TP，主要描述水體氮、磷營養(yǎng)鹽的構(gòu)成和含量。第四部分包含的因子為CODMn、BOD5，主要描述水體有機物的含量。

從星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)葉綠素值的變化來看，2015年葉綠素值在秋季時達到最大，2016年～2017年其值在夏季時達到最大。葉綠素a是反映浮游藻類引起的水體污染指標，2015年～2017年葉綠素a值不斷變大，說明2015年～2017年間星海湖水體污染程度不斷變大，尤其是2016年～2017的夏季，其原因是夏季河道補水量大，大量有機物和營養(yǎng)鹽進入水體，藍藻大量繁殖，形成優(yōu)勢種，抑制了其他類浮游植物的生長，浮游植物多樣性下降，導(dǎo)致星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受到嚴重影響。星海湖補水主要源于黃河灌渠生態(tài)補水和農(nóng)灌退水，補水季節(jié)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，在夏季時指標達到最大。冬季屬于枯水期，外源水幾乎不會補充到星海湖中，所以其指標值達到最小。2015年星海湖表征水體的富營養(yǎng)化程度指標TLI(Σ)在秋季達到最大值，2016年～2017年均在夏季達到最大值，且2016年～2017指標在夏季的最大值高于2015年秋季，也說明星海湖夏季水體污染嚴重。星海湖水生植物群落結(jié)構(gòu)不均衡，多樣性較低，其自然演替速度不能適應(yīng)目前星海湖外源污染物的壓力脅迫，對氮營養(yǎng)鹽的降解能力不足，以及星海湖周圍人類生活污水(生活中使用的各種洗滌劑和污水、垃圾)直間排放到湖中，增大了湖水中NH3-N、TN、TP的含量，致使星海湖夏季水生生態(tài)系統(tǒng)逐漸遭到破壞，最終呈不健康狀態(tài)。

表4 星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康評價標準體系

表5 星海湖2015年～2017年各季節(jié)指標與健康等級關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)通過主成分分析法對星海湖水環(huán)境的主要因子進行排序，得出影響星海湖水生生態(tài)健康狀況的主要因子是NH3-N、CODMn和BOD5，運用灰關(guān)聯(lián)法對星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進行綜合評價的結(jié)果表明，2015年～2017年星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)健康狀況整體呈亞健康狀態(tài)。

(2)從季節(jié)變化看，2015年～2017年冬季星海湖水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況均呈健康狀態(tài)，2015年～2017年春季和秋季的水生態(tài)健康狀況呈亞健康狀態(tài)；2015年星海湖夏季水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況呈亞健康狀態(tài)；2016年～2017夏季水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況呈不健康狀態(tài)。

(3)星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不均衡，多樣性較低，對氮營養(yǎng)鹽的降解能力不足，以及城鎮(zhèn)生活污水的排放(生活中使用的各種洗滌劑和污水、垃圾)是導(dǎo)致星海湖水生生態(tài)系統(tǒng)處于亞健康的主要原因，因此，應(yīng)該加強對星海湖的水質(zhì)監(jiān)測，降低星海湖外源性的氮磷營養(yǎng)鹽含量，將其控制在一個標準范圍內(nèi)，重建和恢復(fù)水生生態(tài)系統(tǒng)，保證其結(jié)構(gòu)的完整性和功能的穩(wěn)定性。