太湖流域生態功能綜合評價方法初探

胡開明，馮彬，巫丹，郁穎，婁明月

（1.江蘇省環境科學研究院，江蘇 南京 210036；2.江蘇省環境工程重點實驗室，江蘇 南京 210036）

目前，國內外有許多有關流域生態功能評價的研究，采用的評價指標與方法也繁雜多樣。早期水體健康評價研究認為，當水體中化學物質超過一定程度時，水體環境質量和水的功能將會受到損害。因此，水質狀況在一定程度上可以直接表征水生態系統健康，因而水質指標被廣泛應用于早期的水體健康評價中[1,2]。后期研究顯示，完整的生態系統由生物群落和非生物的生境組成，要想確切的反映流域生態功能，需要綜合考量包括化學、生物與生境等因素的整個生態系統的狀況[3,4]。本研究在前人水體健康評價研究的基礎上，以生物多樣性維持功能、重要生境維持功能、水環境支持功能和重要物種保護功能4 類功能為目標，構建化學、生物與生境復合指標體系，通過評價指標的計算及賦值，嘗試建立科學可行的太湖流域（江蘇）生態功能綜合評價方法，為太湖流域生態管理策略制定提供技術支持。

1 綜合指標體系的構建

本研究選擇指標體系評價法[5,6]進行生態功能評價，提出了生態功能評價指標體系，如表1 所示。根據流域生態系統功能的分類體系和評價原則，結合太湖流域（江蘇）49 個水生態環境功能分區[7]特點，建立流域生態系統功能評價指標體系。將點位的指標值空間化至河道、湖體內，統計每個小流域單元的指標值，形成小流域評價指標庫。運用多指標評價和專家打分等方法，采用權重加和，對生態系統單項功能進行評價。根據多個單指標分值，綜合計算出生態功能的綜合指數，進行綜合評價[8]，其中物種重要性指標不參與綜合指數計算。

表1 生態功能評價指標體系

2 評價指標的計算及其賦值

2.1 生物多樣性維持功能（fDIV）

水生生物包括魚類、無脊椎動物、藻類及細菌等，它們可以直接反映出水體的營養和一些有毒物質的狀況。在河段尺度下，水生物多樣性的維持功能狀況主要選取了底棲動物的耐污性、浮游植物的耐污性和魚類的豐富性指標。

2.1.1 底棲動物耐污性（fBEN）

底棲動物對水體環境壓力，如生境擾動、水文變異、水質污染有較敏感的反應。本研究選取底棲動物BPI 生物學污染指數（Biology Pollution Index）和香農多樣性指數（Shannon Diversity Index）來反映這一指標。

i）底棲動物BPI生物學污染指數（BPI）

式中，N1 為寡毛類、蛭類和搖蚊幼蟲個體數；N2 為多毛類、甲殼類、除搖蚊幼蟲以外其他的水生昆蟲個體數；N3為軟體動物個體數。

ii）底棲動物香農多樣性指數（Hb）

式中，S 為群落內的物種數，ni為第i 種的個體數；N為群落中所有物種的個體總數。

2.1.2 浮游植物多樣性（fPHY）

浮游植物是水生生態系統生物資源的基礎，作為初級生產者，其種群變動和群落結構直接影響水生生態系統的結構和功能，浮游植物的時空變化特征與環境因子關系密切，生態系統中環境因子的改變直接作用于浮游植物群落結構，因此，其群落結構特征一定程度地反映了水體生態環境狀況。本研究選取浮游植物香農多樣性指數（Shannon Diversity Index）和Margalef 豐富度指數（Species Richness Index）來反映這一指標。

（1）浮游植物香農多樣性指數（Hp）

式中，S 為群落內的物種數，ni為第i 種的個體數；N為群落中所有物種的個體總數。

（2）浮游植物Margalef豐富度指數（Dp）

式中，S為群落中的總數目；N為觀察到的個體總數。

2.1.3 魚類豐富性（fFIS）

魚類作為水生（河流、湖泊）生態系統中主要組成部分，對水生態系統中營養和物質循環、水體自凈能力，乃至對整個生態系統的結構和功能起著重要的調節作用，而物理棲息地條件差異、生境擾動、水文變異、水質污染等生態環境的變化對魚類多樣性及其群落結構有極大的影響。本研究選取魚類Margalef 豐富度指數（Species Richness Index）來反映這一指標。

魚類Margalef豐富度指數（Df）

式中，S為群落中的總數目；N為觀察到的個體總數。

根據表2 對三項指數賦值，并采用加權求和的方式計算生物多樣性維持功能綜合指數，計算公式為式6。

表2 生物多樣性維持功能單項指標評分分級賦值表

式中，fDIV為生物多樣性維持功能評分；fBEN為底棲動物耐污性評分；fPHY為浮游植物多樣性評分；fFIS為魚類豐富性評分；三者等權重；

底棲動物耐污性指標fBEN取底棲動物BPI生物學污染指數BPI和底棲動物香農多樣性指數Hb評價結果的算術平均值作為其最終賦值；

浮游植物多樣性指標fPHY取浮游植物香農多樣性指數Hp和浮游植物Margalef 豐富度指數Dp評價結果的算術平均值作為其最終賦值；

魚類豐富性指標fFIS直接取魚類Margalef豐富度指數Df評價結果作為其最終賦值。

根據式6 計算，fDIV將成為一個介于1～5 之間的值，其越大表明生物多樣性維持功能越好。

2.2 重要生境維持功能（fHAB）

重要生境維持功能狀況主要取決于其生境自然性、濱岸帶穩定性、生境多樣性和生境重要性。

2.2.1 生境自然性（fNAT）

表示評價單元內河道生境未受人類影響的程度，是生態系統功能評價優先考慮的自然特征。自然性評價實質就是評價人類對自然環境的侵擾程度。顯然，自然性高的區域可提供最佳的本底值。一般可根據人為影響的多寡把自然性分成5種類型，完全自然型、輕度受擾自然型、中度干擾自然型、退化自然型和人工修復型。該指標由河道濱岸形態與河道連通性組成，評價標準見表3。

生境自然性指標fNAT是根據表3 中各項評價結果，取其算術平均值作為生境自然性指標的最終賦值。

2.2.2 濱岸帶穩定性（fSTA）

濱岸帶發揮著提供生境以及為水體提供緩沖區域的作用，從而減緩流域內人類活動對水體生態系統的直接干擾作用。其支持功能的發揮主要取決于濱岸帶植被覆蓋率以及河岸穩定程度。濱岸帶穩定性指標fSTA是根據表3 中的各項評價結果，取其算術平均值作為濱岸帶穩定性的最終賦值。

2.2.3 生境多樣性（fVAR）

生境多樣性是指河道形態具有一定復雜性和河岸帶景觀多樣性，這個指標是生態系統多樣性的基礎。一般認為生境多樣性越高，其生物多樣性越高，越有可能成為重要的水生生物棲息地場所。本研究選取河岸帶景觀多樣性來反映這一指標。

河岸帶景觀多樣性（H’）

式中，m 為景觀類型的總數目；Pi為第i 類景觀類型所占的面積比例。

生境多樣性指標fVAR根據表3 中河岸帶景觀多樣性指標H’的評價結果賦值。

2.2.4 生境重要性（fIMP）

這是一個廣義概念，主要指該生境是否反映區域生態系統的重要特征，以及包括區域范圍內的珍稀魚類、重要文化景觀的特征，也可兼顧生境典型性。對于野生生物的棲息地而言，可以根據分析單元中是否包含自然生態系統的關鍵物種和重點保護物種的關鍵性生境，以及對其依賴的程度如何，采用分級打分的方法評價。例如某些野生動物的季節性棲息地，都應賦予較高的重要性分值。生境重要性fIMP是根據表3中重要生境價值的評價結果作為其最終賦值。

表3 單項指標評分分級賦值表

重要生境維持功能fHAB采用加權求和的方式計算，計算公式為式8。

式中，fHAB為重要生境維持功能評分；fNAT為生境自然性評分；fSTA為濱岸帶穩定性評分；fVAR為生境多樣性評分；fIMP為生境重要性評分；0.2、0.15、0.15、0.5分別為四者的權重。

根據式8 計算，重要生境維持功能fHAB將成為一個介于1～5 之間的值，其值越大，表明生境功能越好。

2.3 水環境支持功能（fWAT）

水環境支持功能是水體為水生生物提供良好生境質量的基本功能。其可以用單元的水質總體狀況大小來進行評估，水質狀況越差，水環境支持功能越低。本研究選取常規水質總體狀況（fQUA）來反映這一指標。

根據分區中各斷面高錳酸鹽指數、氨氮、總磷、總氮（僅湖、庫考慮總氮指標）等常規理化參數進行水質評價，其水質參數分級賦值見表4。

表4 常規水質總體狀況單項指標評分分級賦值表

水環境支持功能指標fWAT是根據表4 中常規水質總體狀況指標fQUA的各項評價結果，取算術平均值作為其最終賦值。

計算后，fWAT將成為一個介于1～5 之間的值，其值越大表明水環境支持功能越好。

3 生態功能綜合評價

在生物多樣性維持功能（fDIV）、重要生境維持功能（fHAB）、水環境支持功能（fWAT）指標計算的基礎上，采用求和的方法，計算生態功能綜合指數，根據分級標準，確定生態功能綜合等級。計算公式為式9。

式中，F綜合為生態功能綜合得分；fDIV、fHAB、fWAT分別為生物多樣性維持功能、重要生境維持功能、水環境支持功能單項功能指標值。

生態功能綜合指數將為介于3～15 之間，其可以按照下列標準進行等級劃分（表5）。從高到低可分為4個等級：Ⅰ級分值13～15（不包括13），表示生態功能高；Ⅱ級分值10～13（不包括10），表示生態功能較高；Ⅲ級分值8～10（不包括8），表示生態功能一般；Ⅳ級分值≤8，表示生態功能低。

表5 生態功能綜合評價分級表

本研究評價指標里的生物多樣性維持功能（fDIV）、重要生境維持功能（fHAB）、水環境支持功能（fWAT）這三個指標里，單項指標得分高的，則該單項指標對應的功能為該分區的生態主導功能。

在定義各分區的生態主導功能時，除了考慮上述評價指標里的三項功能外，還提出了一個優先指標即為重要物種保護功能（fSPE），選擇物種重要性（fISP）來反映這一指標。重要物種保護功能（fSPE）是根據各分區物種重要性（fISP）的評價結果來定，若該分區有國家重點保護物種、瀕危級保護物種、易危級保護物種中的任意一種或多種，則該分區的重要物種保護地位高，該分區的生態主導功能定為重要物種保護功能；反之，若該分區沒有國家重點保護物種、瀕危級保護物種、易危級保護物種，則該分區的重要物種保護功能低，該分區的生態主導功能依據評價指標里三項功能的單項得分來定。

4 結語

流域生態功能評價工作，單獨采用水質化學指標對環境變化的響應是片面的，而水生生物群落與所生存的整個水生態系統，隨時在進行物質和能量的交換，其群落結構和特性對系統干擾具有高度敏感性，其變化幅度能迅速反映人類活動對水生態系統的影響程度，生物多樣性可能是評價水生態系統健康的有效工具。而單獨以生物作為觀察對象的評價體系，只能單純的給出生態系統健康的狀態，不能很好的分析其影響因素，從而無法對不同健康狀態的水生態系統管理，給予切實可行的技術支持。因此，科學可行的流域生態功能評價方法需要構建化學、生物與生境復合指標體系，從而更加完善全面地進行評價。