1、上海臨港新城滴水湖生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)1 引言（Introduction）隨著我國城市的快速發(fā)展和人口的大量涌入，城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)承受的外部壓力日益加 重，生態(tài)系統(tǒng)也逐步退化，水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題己成為目前我國許多城市河流和湖泊而 臨的通病，嚴(yán)重威肋、到了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和城市宜居環(huán)境的建設(shè).滴水湖是目前在尚 未成陸的海灘上填海造陸開挖的國內(nèi)最大的人工景觀湖泊，是上海十二五期間郊區(qū)新城發(fā)展 的重要組成部分，也是臨港新城的生態(tài)調(diào)行中心，其生態(tài)環(huán)境優(yōu)劣對(duì)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展意義 重大.滴水湖自2003年蓄水以來，其水質(zhì)狀況一直不容樂觀.研究表明，滴水湖水體交換緩 慢、污染來源廣（徐建官，2010）,

2、水質(zhì)處于輕度至中度富營養(yǎng)狀態(tài)之間（汪海英等，2006;劉 振宇等，2012）.目前對(duì)滴水湖區(qū)域的研究主要集中在水質(zhì)狀況評(píng)價(jià)（徐建官，2010;田華等， 2011;周新龍,2012）、沉積物污染狀況調(diào)查（江敏,2012;2013）和浮游動(dòng)植物群落結(jié)構(gòu)等方而， 還未有綜合水體、底泥、生物和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等多方因素的生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià).生態(tài)系統(tǒng)健康研究是在全球眾多自然生態(tài)系統(tǒng)（如海洋、湖泊、森林等）的健康狀況日趨 惡化的嚴(yán)峻形勢(shì)下，于20世紀(jì)80年代中期在北美首先興起，近年來己成為國際生態(tài)環(huán)境領(lǐng) 域的研究熱點(diǎn)，同時(shí)也是聯(lián)系地球科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)及社會(huì)科學(xué)等學(xué)科的橋 梁（趙臻彥等，2005）.例如

3、，Douglas等（2009）提出了浮游生物完整性指數(shù)法，并對(duì)美國伊利 湖生態(tài)系統(tǒng)健康做出評(píng)價(jià)；由經(jīng)濟(jì)合作組織（DECD）和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）聯(lián)合提出的壓 力書伏態(tài)用向應(yīng)（PSR）框架模型在城市湖泊、海洋生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)中應(yīng)用廣泛;隨后許文杰 （2010）又將等信息（IE）理論引入指標(biāo)權(quán)重的確定中；我國學(xué)者徐福留提出的生態(tài)系統(tǒng)健康指 數(shù)法（EHIM）,在對(duì)意大利30個(gè)湖泊的生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)中得到了實(shí)證研究.基于此，本文以滴水湖為研究對(duì)象，結(jié)合表層水體和湖泊底泥的理化性質(zhì)、生態(tài)指標(biāo)和 臨港新城發(fā)展情況，引入最小數(shù)據(jù)集和層次分析法構(gòu)建適宜滴水湖的生態(tài)系統(tǒng)健康診斷模型, 以科學(xué)地評(píng)估滴水湖

4、的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，為臨港新城的可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù).2 材料與方法（Materials and methods）2. 1研究區(qū)概況滴水湖位于上海東南角、東海與杭州灣的交界處，湖區(qū)呈直徑為2. 66 km的圓形，水域 面積達(dá)5. 56km2,平均水深3. 7m（劉水芹等,2011）,目前上游來水引自大治河（徐建官,2010）, 經(jīng)C港流入滴水湖并由A港出湖.滴水湖水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)為類（劉水芹等，2011）,較蓄水初期 要好，但湖內(nèi)生物多樣性較低，浮游動(dòng)物中輪蟲類占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，只有少量撓足類和枝角類（王 延洋，2007;任治安,2012）,各個(gè)季節(jié)的浮游藻類都以綠藻門為主（景飪湘,2012）.2. 2采

5、樣點(diǎn)設(shè)置本研究于2012年12月、2013年4月和7月分別對(duì)滴水湖湖區(qū)進(jìn)行了冬、春、夏3季表 層水體和湖區(qū)底泥樣品采集，共有60個(gè)樣點(diǎn)均勻分布于湖區(qū)內(nèi).2. 3實(shí)驗(yàn)方法采用便攜式儀器在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定表層水體溫度、溶解氧(DO) ,pH、總懸浮物(TSS)和底泥溫 度、pH等指標(biāo).采集水樣在冷藏環(huán)境下帶回實(shí)驗(yàn)室，過濾后待測(cè).底泥樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后經(jīng)凍 干或烘干、研磨、過120目篩后，保存待測(cè).TUC含量用重銘酸鉀舟由浴法測(cè)定，總氮含量用 TUC /TX分析儀測(cè)定，總磷含量用酸溶牛目睇抗比色法測(cè)定，有效磷含量用碳酸氫鈉浸提法 測(cè)定.重金屬Hg, As采用王水消解后用雙道原子熒光光譜儀(AFS230,北京吉

6、天公司)測(cè)定， Cd, Cr, Cu, Pb, Zn采用、體系消解后用原子吸收光譜儀測(cè)定，同時(shí)采用程序以確保實(shí)驗(yàn)的 準(zhǔn)確性，使用GBW07309作為底泥的質(zhì)控標(biāo)樣，得到Hg, As的回收率在88%以上，其余元素 的回收率均在92$以上.浮游植物生物量、葉綠素等指標(biāo)來自滴水湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)報(bào)告(內(nèi)部資料).2. 4評(píng)價(jià)方法2. 4.1最小數(shù)據(jù)集構(gòu)建最小數(shù)據(jù)集最初由Andrew.等(2002)提出并廣泛運(yùn)用于土壤質(zhì)量 評(píng)價(jià)的因子篩選，它能在一定程度上優(yōu)化指標(biāo)的數(shù)量，同時(shí)也克服了數(shù)據(jù)冗余的問題(李桂林 等，2007).本文遵循可測(cè)性、可比性、靈敏和綜合性的指標(biāo)選擇原則(趙臻彥等，2005),從 湖泊的理化

7、性質(zhì)、生態(tài)特征和社會(huì)環(huán)境3個(gè)方面選取可能影響湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)的因子 作為評(píng)價(jià)指標(biāo).首先，利用SPSS軟件對(duì)理化性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析(PCA),篩選出特征值1的各成分 上的若干因子.理化性質(zhì)主要選擇常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)、水體和底泥的污染負(fù)荷因子，因此，對(duì) 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的水體pH,DO,TSS,DOC(可溶性有機(jī)碳)，TN,TP和底泥pH,TOC、TN、TP、AP、Hg, As, Cu, Cr, Cd, Zn, Pb等18個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，提取得到8個(gè)主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到 75.71虬經(jīng)最大方差法對(duì)因子載荷矩陣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)后，得到每一主成分上變量的載荷值.除PC3外每個(gè)主成分上均只篩選出1個(gè)評(píng)價(jià)因

8、子進(jìn)入MDS,分別是水體TP、底泥TP, TOC, Zn, Cu, Rs和Hg.在PC3中，水體TSS和DO的載荷都大于10.9,兩者在0. 01水平上顯著相關(guān) (r=-0.797).隨著溶解氧水平的降低，底泥中氮、磷的釋放量也會(huì)有不同程度上升(朱健等， 2009)DO與水體富營養(yǎng)有著更緊密的關(guān)系，因此，僅保留D0進(jìn)入MDS.上述8個(gè)指標(biāo)間的 Pearson相關(guān)分析表明指標(biāo)間也不存在冗余.其次，考慮到生態(tài)特征是能反映湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、活力和恢復(fù)力的指標(biāo)，因此，選取 浮游動(dòng)物生物量(BZ)、浮游植物生物量(BR)、葉綠素含量、能質(zhì)(Ex)和結(jié)構(gòu)能質(zhì)；余波，2010; 張紅葉，2012)作為生態(tài)功

9、能指標(biāo).根據(jù)王延洋(2007)對(duì)滴水湖浮游動(dòng)物的研究，BZ與BA呈 顯著負(fù)相關(guān)，剔除出MDS.指標(biāo)中的Chi、和BA可監(jiān)測(cè)獲得，Ex和Ex,則由公式。通過查閱浦東新區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒、文獻(xiàn)等資料，選取申港街道人口密度、滴水湖景區(qū)年接待 游客量(孫玉琴，2007)、綠化覆蓋率(劉超等，2012)等指標(biāo)為社會(huì)環(huán)境指標(biāo).這些指標(biāo)能從一 定程度上反映城巾發(fā)展?fàn)顩r，對(duì)滴水湖的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況有著間接影響.最后，經(jīng)篩選過的理化性質(zhì)指標(biāo)、生態(tài)特征指標(biāo)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)共同組成了最小數(shù)據(jù)集 即確定了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系.2.4.2生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)模型構(gòu)建首先，依據(jù)各指標(biāo)自身及在環(huán)境中的特性，選擇合適 的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn).例如，等營養(yǎng)鹽指

10、標(biāo)使用中點(diǎn)最佳的拋物線(Andrews et al. , 2002;Wienhold et al. ,2004）;水體DO值和Ex,則適合越多越好的上升漸進(jìn)曲線（王淑英等,2005;趙臻彥等， 2005）;不利于水生生態(tài)系統(tǒng)的污染指標(biāo)使用越少越好的下降漸進(jìn)曲線，如TOC, Hg, As, Zn, Cu的得分為背景值與平均值的比,TP依照地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的限值用線性曲線擬合；;BA 的多寡是評(píng)判水體富營養(yǎng)化的指標(biāo)之一，越大說明系統(tǒng)的組織性和有序性程度越高，穩(wěn)定性 越強(qiáng)（孫平躍等,1997）,系統(tǒng)受到破壞后使之恢復(fù)到熱平衡狀態(tài)所需的能量就越多（李晴新等, 2011）,因此，BA和Ex指標(biāo)適合用對(duì)

11、數(shù)函數(shù)擬合的下降漸進(jìn)曲線（趙臻彥等，2005）.針對(duì)只 可定險(xiǎn)評(píng)價(jià)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，根據(jù)規(guī)劃目標(biāo)為1對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，即未超過生態(tài)承載 力的為1分.其次，利用層次分析法（AHP ）確定每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重.以滴水湖生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)為 目標(biāo)層（A）,理化性質(zhì)、生態(tài)功能、社會(huì)環(huán)境為3個(gè)準(zhǔn)則層（01, 02和03）,最小數(shù)據(jù)集中各指 標(biāo)為對(duì)象層，由此構(gòu)成滴水湖生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的層次結(jié)構(gòu)模型，對(duì)A-0, 01 , 02和03依 次構(gòu)造判斷矩陣，比較相對(duì)重要性程度，依次得到層次單排序和總排序，經(jīng)一致性檢驗(yàn)通過 后即得到各指標(biāo)的權(quán)重值。3 結(jié)果與分析（Results and discussion3. 1滴

12、水湖水質(zhì)概況列舉了最小數(shù)據(jù)集中指標(biāo)的監(jiān)測(cè)值，與往年相比，滴水湖水質(zhì)仍處在IV-V類水的水平. 其中，春季總磷平均濃度約為0.11 mg,只有少數(shù)樣點(diǎn)超過了釗也表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)IV 類水的限值，夏季完全達(dá)到IV類水的標(biāo)準(zhǔn);冬季總氮達(dá)到了 IV類水的標(biāo)準(zhǔn)，但春、夏季總氮 濃度明顯偏高，有潛在的水體富營養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn).重金屬具有難降解、累積性、毒性高的特點(diǎn)，常見的重金屬污染包括Cd, Cr, Hg, As, Cu, Pb, Zn等元素.滴水湖底泥中重金屬含量季節(jié)上無明顯變化，但Cu,Pb,Zn,Cr均不同程 度地超過了上海潮灘背景值，其中，Cr約是背景值的1.7 -3. 7倍，Hg, As均小于上海市

13、上 壤背景值，因此，可以判定目前無Hg, As污染.3. 2評(píng)價(jià)結(jié)果與討論基于上述構(gòu)建滴水湖生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)模型的過程，計(jì)算得到各季指標(biāo)對(duì)應(yīng)的得分與 EHI值.結(jié)果表明，冬、春、夏季滴水湖EHI值分別為0.76, 0.71和0.69,處于較健康至健康 水平,這與近年滴水湖處在輕度富營養(yǎng)化到中度富營養(yǎng)化之間的結(jié)論相吻合（劉水芹等,2011; 田華等，2011;景飪湘，2012）.季節(jié)變化上，冬季生態(tài)系統(tǒng)較春季、夏季要健康，這與春夏季 隨著溫度上升藻類繁殖加快、易發(fā)生水體富營養(yǎng)化、人體對(duì)水環(huán)境主觀感受下降相一致.從指標(biāo)權(quán)重來看，底泥TP含量和Ex對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的貢獻(xiàn)相對(duì)最大，分別為0. 1647和

14、 0. 1456.底泥中總磷含量過高會(huì)引起溶解態(tài)磷釋放到上覆水體中，若加上有大量的外源磷輸 入到湖區(qū)內(nèi)就會(huì)加快水體富營養(yǎng)化.Ex對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)的演替階段具有指示作用（李晴新， 2011）.水體D0和TP的權(quán)重次之，溶解氧濃度能反應(yīng)水體的自凈能力，水體TP是制約水生 植物生長的必要營養(yǎng)元素之一，也是評(píng)價(jià)水體富營養(yǎng)化的重要指標(biāo)之一，兩者都是地表水 環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)水質(zhì)類型評(píng)價(jià)的重要指標(biāo).通常水體中磷的外源輸入來自于降雨、徑流、 人類生活污水排放、農(nóng)業(yè)灌溉用水排放、工業(yè)廢水排放等.滴水湖所在地區(qū)以文教區(qū)、住宅區(qū)、行政職能區(qū)和貿(mào)易區(qū)為主，由于臨港新城的開發(fā)己無大片需要施肥的農(nóng)田，同時(shí)生活污水納 管集中

15、處理排放，因此，磷的外源輸入應(yīng)以降雨、上游大治河來水等為主.從指標(biāo)得分來看，無論冬季、春季還是夏季，BA和Ex的得分最低，春季BA僅為0.22 分，同時(shí)Ex的得分也均低于0.5.自滴水湖開挖、蓄水至今不到10年，相比天然形成的河流 和湖泊而言其形成時(shí)間過短、生態(tài)系統(tǒng)還不成熟，是造成其生物多樣性差、生態(tài)系統(tǒng)敏感的 主要原因，亦可以從水體浮游動(dòng)植物種類少中窺見一斑.重金屬污染物Hg, As, Cu和Zn的 得分普遍較好，季節(jié)間無明顯變化規(guī)律，目前Hg和As都小于上海市上壤背景值，Cu和Zn 雖略微超過了上海市潮灘背景值，但未達(dá)到污染環(huán)境的程度，因此，可以判定目前滴水湖底 泥尚未受到來自人類活動(dòng)和工

16、業(yè)生產(chǎn)的嚴(yán)重影響.3個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)得分較好，這是由于臨港 新城的發(fā)展處于起步階段，常住居民和游客人數(shù)都未達(dá)到規(guī)劃目標(biāo)，從人口壓力角度來說暫 不會(huì)超過滴水湖的水生生態(tài)承載力，綠化覆蓋率也在隨著城市建設(shè)逐漸完善中，因此，滴水 湖周圍的社會(huì)環(huán)境都令人滿意.對(duì)3個(gè)季節(jié)的生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)值取平均，得到研究期間內(nèi)滴水湖的EHI為0.72,整體 上處于較健康的水平，1年之中隨季節(jié)氣溫變化生態(tài)系統(tǒng)健康狀況有小幅波動(dòng)，且保持在較 健康與健康的界線上下.因此，制約滴水湖生態(tài)系統(tǒng)健康的主要因子為底泥TP, BA和Ex,三者，目前需要繼續(xù)控 制人為外源P的排放，改善上游大治河來水的水質(zhì)狀況，調(diào)整水體中的N/P比，避免

17、夏季溫 度上升水體富營養(yǎng)化爆發(fā).同時(shí)也要提高浮游植物生物量，浮游植物利用太陽能進(jìn)行光合作 用，既增加水中溶解氧含量，又能繁殖成為濾食性魚類、浮游動(dòng)物和底棲生物的餌料，是形 成水體各種生產(chǎn)力的基礎(chǔ).另外，結(jié)構(gòu)能質(zhì)如果長期處于一個(gè)低水平的狀態(tài)，則說明生態(tài)系統(tǒng) 對(duì)資源的吸收利用率較低且有穩(wěn)定化狀態(tài)，提高浮游生物量是有效途徑之一4 結(jié)論(Conclusions)1)本文從理化性質(zhì)、生態(tài)特征和社會(huì)環(huán)境3方面篩選構(gòu)建最小數(shù)據(jù)集，包含了水體DO、 總磷、底泥TUC、總磷、重金屬Hg, As, Cu, Zn, Chi , BA, Ex, Ex,、申港街道人口密度、 滴水湖景區(qū)年接待游客量、綠化覆蓋率共巧個(gè)指標(biāo)，進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集中的指標(biāo)具有一定的代 表性.2)依據(jù)最小數(shù)據(jù)集中各指標(biāo)的特性，選擇了合適的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn).葉綠素使用中點(diǎn)最佳的拋 物線，水體DO和Ex用越多越好的上升漸進(jìn)曲線,TUC, Hg, As, Zn, Cu使用越少越好的線性 下降評(píng)分方式，BA和Ex用對(duì)數(shù)函數(shù)擬合，社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)則根據(jù)規(guī)劃目標(biāo)確定.3)研究表明，2012年冬季滴水湖