辽河保护区七星湿地生态系统健康评价

李蕊，段亮，王思宇，宋永会，刘瑞霞，郅二铨

中国环境科学研究院城市水环境科技创新基地，北京 100012

辽河保护区七星湿地生态系统健康评价

李蕊，段亮*，王思宇，宋永会，刘瑞霞，郅二铨

中国环境科学研究院城市水环境科技创新基地，北京 100012

以辽河保护区七星湿地为研究对象，采用主成分分析法与相关性分析法筛选湿地生态系统健康评价指标，构建了由化学需氧量(CODMn)、总磷(TP)浓度、氨氮(NH3-N)浓度、叶绿素a(Chl-a)浓度、溶解氧(DO)浓度5个指标构成的湿地生态系统健康综合评价指标体系，以表征湿地生态系统的水环境质量、水生生物和栖息地环境质量特征；运用综合指数法对七星湿地生态系统健康状况进行评价。结果表明：七星湿地13个采样点中，6个为亚健康等级，6个为一般病态等级，1个为疾病等级；七星湿地总体生态系统健康状况为亚健康等级。

辽河保护区；七星湿地；生态系统健康；主成分分析；综合指数

湿地是地球上水生与陆地生态系统的过渡区，具有物产丰富、水量平衡、滞纳洪水、调节局地气候、去除污染物、提供野生生物栖息地、休闲旅游和维护区域生态平衡等重要功能，与森林、海洋一起并称为全球三大生态系统[1]。湿地是自然界富有生物多样性和较高生产力的生态系统，具有巨大的生态、经济和社会效益。随着湿地系统的急剧减少，引发了一系列生态环境问题。

国内外学者从生态学、地貌学、地理学、水文学、环境学以及经济学等方面对湿地生态系统进行了多方面的研究，湿地生态系统健康评价是其中的研究热点之一。如Parker等[2]建立了考虑栖息地大小、植被覆盖率、生境多样性和植物组成的湿地快速健康评价指标体系，对栖息地的状态进行评价；Spencer等[3]建立了从湿地、土壤、边缘植物(fringing vegetation)、水生植物和水质4个方面的快速评价永久性漫滩湿地健康状况的指标体系，对澳大利亚东南部的Wrray-Darling盆地内永久性漫滩湿地健康状况进行评价，并与长期实测值进行对比；崔保山等[4-5]分别建立了湿地、湖泊生态系统建康评价指标体系，对湿地、湖泊生态系统健康进行评价；高阳等[6]建立了以自然状态河段为本底，基于河道-湿地-缓冲带复合指标的京郊河溪近自然生态评价体系，对位于北京怀柔区二级水源保护区内的怀九河进行了分段近自然生态评价。

湿地是辽河保护区生态系统中最重要的组成部分，发挥着遏制河道断流和湿地萎缩、维持河流和湿地的正常生态功能、保护水环境质量和生态平衡、实现流域水资源和水环境的可持续利用等重要作用。通过科学地分析湿地的生态功能，对湿地生态现状做出客观正确的评价，以期为制订合理的湿地保护对策提供依据。

1 研究区域

1.1 研究区域概况

七星湿地[7]位于辽河保护区中部，是典型的支流河口湿地，用于阻控西小河、万泉河、羊肠河及长河等4条支流中的污染物，净化支流来水，减轻辽河干流污染负荷[8]，也是辽河保护区管理局重点建设的大型支流汇合口湿地，在辽河保护区内具有典型性和示范作用[9]。

辽河保护区七星湿地建设工程位于辽宁省沈阳市沈北新区黄家街道北部，毗邻辽河石佛寺水库[10]。项目借助自然河道水系，在万泉河、西小河、羊肠河及长河4条河流回流的下游修建2座钢坝闸和1座溢流坝[11]，拦蓄河水。目前已形成湿地面积667 hm2，水深1.5 m，蓄水量1 000万m3[12]。

1.2 样品采集与分析

研究区域内共布设13个采样点(图1)，于2012年8—10月开展七星湿地生态系统健康野外调查与监测，每月监测1次，对采集的样品进行水温、pH、化学需氧量(CODMn)、氨氮(NH3-N)浓度、硝氮(NO3-N)浓度、亚硝氮(NO2-N)浓度、电导率(EC)、总磷(TP)浓度、叶绿素a(Chl-a)浓度、溶解氧(DO)浓度、氧化还原电位(ORP)等监测，结果见表1。现场采样和实验室内分析均参照《水和废水监测分析方法》[13]进行。

采样点：1#—西小河汇入口；2#—万泉河汇入口；3#—西小河与万泉河交汇处；4#—西小河、万泉河、羊肠河交汇处；5#—羊肠河汇入口；6#—1号钢板闸(前)；7#—长河汇入口；8#—1号与2号钢板闸间；9#—2号钢板闸(前)；10#—2号钢板闸下游拦蓄工程；11#—潜坝；12#—七星湿地出水汇入辽河干流前；13#—七星湿地出水汇入辽河干流后。图1 七星湿地采样点分布Fig.1 The sampling sites distribution of Qixing wetland

表1 七星湿地野外调查与监测数据

表1(续)

注：编号1～13为8月1#～13#采样点的数据；编号14～23为9月1#～10#采样点的数据；编号25～31为10月1#～7#和9#采样点的数据。9月11#～13#采样点无数据；10月8#、10#～13#采样点无数据。

2 湿地生态系统健康评价模型

2.1 候选指标的筛选方法

利用主成分分析[14](principal component analysis，PCA)对候选评价指标进行主成分提取。根据提取主成分个数累计方差>70%的原则[15]，按照最大方差旋转法(varimax)，保留旋转因子载荷值为0.4左右的指标作为下一步待筛选指标[16]；对余下的候选指标进行正态分布检验，符合正态分布的指标采用Pearson相关分析，不符合正态分布的指标采用Spearman秩相关分析[17]；最后根据显著性水平确定指标间的相关程度。结合指标实际重要程度，选取其中相对独立和重要的指标作为评价指标[18]，上述分析过程在SPSS 19.0统计软件中完成。

2.2 综合指数法

综合指数法[19]是常见的多指标综合评价法，通过将调查分析得到的数据与标准值或参照值进行比照，转化成量化值，然后加权合成[20]，得到湿地生态系统健康的综合指数值。根据总指数的分级数值范围，确定湿地生态系统的健康等级[21]。综合指数法计算公式[22]为：

式中：CI为健康综合评价指数；n为系统评价指标数量，个；Ij为指标量化值；bj为权重。

3 七星湿地生态系统健康评价

3.1 指标体系的建立

3.1.1 候选指标体系的组成

在遵循完整性、代表性、可操作性、可行性、定性和定量，并对人类干扰有明显的响应关系，且能够全面反映七星湿地生态系统健康的不同特征属性的原则下，选取能够反映水环境质量、水生生物特征及栖息地环境质量的11个特征指标作为七星湿地生态系统健康评价的候选指标。其中，反映水环境质量状况指标8项，包括水温、pH、化学需氧量CODMn、NH3-N浓度、NO3-N浓度、NO2-N浓度、EC、TP浓度；反映水生生物特征指标1项，为Chl-a浓度；反映栖息地环境质量指标2项，包括DO浓度、ORP。

3.1.2 指标筛选

对11项指标进行主成分分析，按照积累方差贡献率>70%的原则提取3个主成分(表2)。

表2 候选指标主成分分析结果

第一主成分包括pH、ORP、DO浓度；第二主成分包括EC、NH3-N浓度、Chl-a浓度；第三主成分包括CODMn、TP浓度。由于pH在各采样点波动较小，ORP与DO浓度显著相关，EC与TP浓度显著相关，根据实际情况，保留DO浓度、NH3-N浓度、Chl-a浓度、CODMn、TP浓度5项指标为七星湿地生态系统健康评价的核心指标。其中，水环境质量由NH3-N浓度、CODMn、TP浓度构成；水生生物特征由Chl-a浓度构成；栖息地环境质量由DO浓度构成。

3.2 湿地生态系统健康评价

3.2.1 指标权重的确定

通过每项指标对应的主成分的特征值、方差贡献率、累计方差贡献率以及初始载荷值，计算各指标的权重[23]。权重的计算公式[24]为：

式中：bj为权重；fij为第i个指标对应于第j个主成分的初始载荷值；λj为第j个主成分对应的特征值；θj为第j个主成分对应的方差贡献率。

经计算得到各指标对应的权重，见表3。

表3 各指标权重

3.2.2 评价等级和标准的确定

依据GB 3838—2002《地表水环境质量标准》[25]构建七星湿地生态系统健康评价标准，见表4。七星湿地生态健康综合评分等级，见表5。

表4 生态系统健康评价标准

Table 4 The standard of health evaluation mgL

表4 生态系统健康评价标准

分值水环境质量状况CODMnTP浓度Np-N浓度水生生物特征栖息地环境质量Chl-a浓度DO浓度0>30>0.301.50～≤2.000.750～≤1.6252.0～<3.0120～≤300.20～≤0.301.00～≤1.500.250～≤0.7503.0～<5.0215～≤200.10～≤0.200.50～≤1.000.100～≤0.2505.0～<6.03≤150.02～≤0.100.15～≤0.500.025～≤0.1006.0～<7.54≤15≤0.02≤0.15≤0.025≥7.5

3.2.3 七星湿地生态系统健康评价

依据评价标准，根据五分法[26]对各指标进行评分；通过加权平均法计算各指标分值；为便于区分采样点间得分的差异，将各指标加权平均后的得分乘以20，使5项指标的分值介于0～20，计算得到湿地生态系统健康综合评分，满分为100分[27-30]。将分值划分为0～20、>20～40、>40～60、>60～80和>80～100共5个等级，分别代表河流水生态系统的疾病、一般病态、亚健康、健康和很健康等级状况(表5)[27]。七星湿地生态系统健康评价结果见表6。

表5 生态健康综合评分等级[27]

表6 七星湿地生态系统健康评价结果

目前，七星湿地生态系统健康总体处于亚健康状态。其中，1#、4#、5#、6#、12#和13#采样点处于亚健康状态；2#、3#、8#、9#、10#、11#采样点处于一般病态状态；7#采样点处于疾病状态。

2#与7#采样点的湿地生态系统健康状态不佳的原因在于分别受万泉河与长河水质的影响，万泉河与长河的汇入，给湿地带来了大量的工业废水和生活污水，其水中CODMn、NH3-N和TP的浓度远超出地表水Ⅴ类水质标准(GB 3838—2002)，使得湿地水环境质量处于不健康水平，从而导致健康水平的下降。

9#采样点湿地生态系统健康状态不佳主要是受长河水质的影响，水中TP和Chl-a浓度较高，会在一定程度上促使水体中藻类生长相对旺盛，使水体呈富营养化趋势，造成了生物多样性在一定程度上的减少和水环境质量的下降，从而导致健康水平的下降。

相反，污染物经过湿地内部的净化作用，在湿地出口处浓度明显降低，12#与13#采样点的湿地生态系统健康状态较好。

通过辽河保护区湿地恢复与建设工程的不断深入，七星湿地生态系统健康状况将会不断改善。

4 结论

(1)通过主成分分析与相关性分析，从11个候选指标中筛选出5个指标，所建立的综合指标体系能够从水环境质量、水生生物特征、栖息地环境质量方面反映辽河保护区支流汇入口人工湿地生态系统健康状况。因此，根据人工湿地的不同类型，可选取化学需氧量(CODMn)、总磷(TP)浓度、氨氮(NH3-N)浓度、叶绿素a(Chl-a)浓度、溶解氧(DO)浓度作为辽河保护区湿地生态系统管理策略优选模型。

(2)采用综合指数法对七星湿地生态系统健康状况进行评价，13个采样点中，6个为亚健康等级，6个为一般病态等级，1个为疾病等级。七星湿地总体生态系统健康状态为亚健康等级。

(3)七星湿地重要支流河的汇入，为湿地带来大量的工业废水和生活污水，水体中营养物浓度较高，CODMn、NH3-N和TP浓度超出地表水Ⅴ类水质标准(GB 3838—2002)，河流水环境质量和生境受到较为强烈的干扰，应在河流两岸加强植被缓冲带建设。

5 展望

(1)七星湿地生态系统健康评价仅根据2012年丰水期的调查和监测数据完成的，还应对不同水期进行长时间定点调查与监测，进而对七星湿地生态系统健康进行分期与分类评价，以确定辽河保护区湿地生态系统管理目标，为辽河保护区湿地生态系统管理提供技术保障。

(2)湿地毗邻河流，水体污染等水环境效应对湿地功能、结构等影响显著。反过来，湿地系统能够去除河流中污染物等功能对河流系统也有显著作用。因此，在科学评估湿地生态系统健康的前提下，采用最节能环保的方式，最大限度地减少对湿地的干扰性、破坏性行为，适度有序地发挥湿地的多种功能。

[1] 牛赟,刘贤德,张宏斌,等.黑河流域中上游湿地生态功能评价[J].湿地科学,2007,5(3):215-220.

NIU Y,LIU X D, ZHANG H B,et al.The ecological function evaluation of wetland in upper and middle reaches of Heihe Basin[J]. Wetland Science,2007,5(3):215-220.

[2] PAKER K,HEAD L,CHISHOLM L A.A conceptual model of ecological connectivity in the Shellharbour Local Government Area,New South Wales,Australia[J].Landscape and Urban Planning,2008,86(1):47-59.

[3] SCARDI M,CATAUDELLA S,DATO P D.An expert system based on fish as semblages for evaluating the ecological quality of streams and rivers[J].Ecological Informatics,2008,3(1):55-63.

[4] 崔保山,杨志峰.湿地生态系统健康研究进展[J].生态学杂志,2001,20(3):31-36.

CUI B S,YANG Z F.Research review on wetland ecosystem health[J].Chinese Journal of Ecology,2001,20(3):31-36.

[5] 胡会峰,徐福留,赵臻彦,等.青海湖生态系统健康评价[J].城市环境与城市生态,2003,16(3):71-75.

HU H F,XU F L,ZHAO Z Y,et al.An assessment of ecosystem health for Qinghai Lake[J].Urban Environment & Urban Ecology,2003,16(3):71-75.

[6] 高阳,高甲荣,李付杰,等.基于河道-湿地-缓冲带复合指标的京郊河溪生态评价体系[J].生态学报,2008,28(10):5149-5160.

GAO Y,GAO J R,LI F J,et al.Assessing the ecological conditions of stream ecosystems in the suburb of Beijing using a channel-wetland-riparian index[J].Acta Ecological Sinica,2008,28(10):5149-5160.

[7] 郅二铨.辽河保护区七星湿地净化效果及其机理研究[D].北京:北京师范大学,2013.

[8] 隋志男,郅二铨,姚杰,等.三维荧光光谱区域积分法解析辽河七星湿地水体DOM组成及来源[J].环境工程技术学报,2015,5(2):114-120.

SUI Z N,ZHI E Q,YAO J,et al.Characterization of DOM composition and origin using three-dimensional fluorescence spectroscopy coupled with region integration method in Qixing wetland[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2015,5(2):114-120．

[9] 赵伟伟,段亮,宋永会,等.辽河保护区七星湿地磷的空间分布特征[J].环境工程技术学报,2014,4(2):121-128.

ZHAO W W,DUAN L,SONG Y H,et al.The spatial distribution characteristics of phosphorus in Qixing wetland of Liaohe Conservation Area[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2014,4(2):121-128.

[10] 徐微雪,段亮,宋永会,等.辽河保护区七星湿地表层水与间隙水中氮的时空分布[J].环境工程技术学报,2014,4(1):40-45.

XU W X,DUAN L,SONG Y H,et al.The spatio-temporal characteristics of various chemical speciation of nitrogen in Qixing wetland of the Liaohe River Reserve[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2014,4(1):40-45.

[11] 郅二铨,宋永会,段亮,等.辽河保护区七星湿地水质评估及模型模拟[J].环境科学学报,2015,35(6):1752-1758.

ZHI E Q,SONG Y H,DUAN L,et al.Water quality evaluation and modeling of Qixing wetland in Liaohe River Conservation Area[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2015,35(6):1752-1758.

[12] 冯新伟,彭剑峰,宋永会,等.辽河保护区支流河口湿地构建[J].环境工程技术学报,2014,4(1):13-17.

FENG X W,PENG J F,SONG Y H,et al.Design of tributary estuary wetland in Liaohe Conservation Area[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2014,4(1):13-17.

[13] 国家环境保护总局.水和废水监测分析方法[M].4版.北京:中国环境科学出版社,2002.

[14] JONATHON S.A tutorial on principal component analysis[J].International Journal of Remote Sensing,2014(4):51-60.

[15] PATRA S,ACHARYA S K. Dimension reduction of feature vectors using WPCA for robust speaker identification system[C]IEEE International Conference on Recent Trends in Information Technology.Kunming:IEEE,2011:28-32.

[16] JOHNSON D E.Applied multivariate methods for data analysis[M].Beijing:Higher Education Press,2005.

[17] 高惠璇.应用多元统计分析[M].北京:北京大学出版社,2005.

[18] 王学民.应用多元分析[M].上海:财经大学出版社,2004.

[19] 陈仁杰,钱海雷,阚海东,等.水质评价综合指数法的研究进展[J].环境与职业医学,2009,26(6):581-584.

CHEN R J,QIAN H L,KAN H D,et al.A review of comprehensive index methods in water quality assessment[J].Journal of Environmental and Occupational Medicine,2009,26(6):581-584.

[20] KHANNA N.Measuring environmental quality: an index of pollution[J].Ecological Economics,2000,35(2):191-202.

[21] 白详,韩志全.艾比湖湿地生态系统健康评价研究[J].林业资源管理,2014(6):91-94.

BAI X,HAN Z Q.Evaluation on ecosystem health of Ebinur Lake wetland[J].Forest Resources Management,2014(6):91-94.

[22] SWAMEE P K,TYAGI A.Describing water quality with aggregate index[J].Journal of Environmental Engineering,2000,126(5):451-455.

[23] 韩小孩,张耀辉,孙福军,等.基于主成分分析的指标权重确定方法[J].四川兵工学报,2012,33(10):125.

[24] 张文霖.主成分分析在满意度权重确定中的应用[J].市场研究,2006(6):18-22.

[25] 国家环境保护总局.地表水环境质量标准:GB 3838—2002[S].北京:中国环境科学出版社,2002.

[26] 孙雪岚,胡春宏.关于河流健康内涵与评价方法的综合评述[J].泥沙研究,2007(5):74-80.

SUN X L,HU C H.Review on river health connotation and assessment method[J].Journal of Sediment Research,2007(5):74-80.

[27] 李法云,吕纯剑,魏冉,等.辽河典型支流水生态功能三级区水生态系统健康评价[J].科技导报,2013,32(1):70-77.

LI F Y,LÜ C J,WEI R,et al.Aquatic ecological health assessment of the third level aquatic eco-functional zones for typical tributaries of Liaohe River[J].Science & Technology Review,2013,32(1):70-77.

[28] 李亚男.湖库生态安全综合评估:以浙江省六大重点水库为例[D].杭州:浙江大学,2014.

[29] 金相灿,王圣瑞,席海燕.湖泊生态安全及其评估方法框架[J].环境科学研究,2012,25(4):357-362.

JIN X C,WANG S R,XI H Y.Lake ecological security and assessment methodology framework[J].Research of Environmental Sciences,2012,25(4):357-362.

[30] 高占国,朱坚,翁燕波.多尺度生态系统健康综合评价:以宁波市为例[J].生态学报,2010,30(7):1706-1717.

Ecosystem Health Assessment of Qixing Wetland in Liaohe River Conservation Area

LI Rui, DUAN Liang, WANG Siyu, SONG Yonghui, LIU Ruixia, ZHI Erquan

Department of Urban Water Environmental Research, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

With Qixing wetland of Liaohe River Conservation Area as the selected cases，the principal component analysis (PCA) and the correlation analysis were adopted to screen the wetland ecosystem health assessment indicators, and the comprehensive assessment indicator groups consisting of five parameters, i.e. CODMn, TP, NH3-N, Chl-a, DO, were constructed which could reveal the characteristics of water environment quality, aquatic life and habitat environment quality of the wetland ecosystem. The comprehensive index method was used to evaluate the health status of Qixing wetland ecosystem, and it is shown that among the 13 sampling positions of Qixing wetland, six sampling positions are evaluated at the sub-healthy level, six sampling positions are at the generally morbid level and one sampling position is at the morbid level. The overall ecosystem health level of Qixing wetland is sub-healthy level.

Liaohe River Conservation Area; Qixing wetland; ecosystem health; principal component analysis; comprehensive index

李蕊，段亮，王思宇，等.辽河保护区七星湿地生态系统健康评价 [J].环境工程技术学报,2016,6(1):43-48.

LI R, DUAN L, WANG S Y, et al.Ecosystem health assessment of Qixing wetland in Liaohe River Conservation Area[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2016,6(1):43-48.

2015-08-24

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07202-004)

李蕊(1983—)，女，工程师，硕士，主要从事水污染治理技术研究，lirui.zz@163.com

段亮(1983—)，男，副研究员，博士，主要从事水环境修复研究，liangduan@gmail.com

X826

1674-991X(2016)01-0043-06

10.3969j.issn.1674-991X.2016.01.007