太湖流域生态功能综合评价方法初探

胡开明，冯彬，巫丹，郁颖，娄明月

（1.江苏省环境科学研究院，江苏 南京 210036；2.江苏省环境工程重点实验室，江苏 南京 210036）

目前，国内外有许多有关流域生态功能评价的研究，采用的评价指标与方法也繁杂多样。早期水体健康评价研究认为，当水体中化学物质超过一定程度时，水体环境质量和水的功能将会受到损害。因此，水质状况在一定程度上可以直接表征水生态系统健康，因而水质指标被广泛应用于早期的水体健康评价中[1,2]。后期研究显示，完整的生态系统由生物群落和非生物的生境组成，要想确切的反映流域生态功能，需要综合考量包括化学、生物与生境等因素的整个生态系统的状况[3,4]。本研究在前人水体健康评价研究的基础上，以生物多样性维持功能、重要生境维持功能、水环境支持功能和重要物种保护功能4 类功能为目标，构建化学、生物与生境复合指标体系，通过评价指标的计算及赋值，尝试建立科学可行的太湖流域（江苏）生态功能综合评价方法，为太湖流域生态管理策略制定提供技术支持。

1 综合指标体系的构建

本研究选择指标体系评价法[5,6]进行生态功能评价，提出了生态功能评价指标体系，如表1 所示。根据流域生态系统功能的分类体系和评价原则，结合太湖流域（江苏）49 个水生态环境功能分区[7]特点，建立流域生态系统功能评价指标体系。将点位的指标值空间化至河道、湖体内，统计每个小流域单元的指标值，形成小流域评价指标库。运用多指标评价和专家打分等方法，采用权重加和，对生态系统单项功能进行评价。根据多个单指标分值，综合计算出生态功能的综合指数，进行综合评价[8]，其中物种重要性指标不参与综合指数计算。

表1 生态功能评价指标体系

2 评价指标的计算及其赋值

2.1 生物多样性维持功能（fDIV）

水生生物包括鱼类、无脊椎动物、藻类及细菌等，它们可以直接反映出水体的营养和一些有毒物质的状况。在河段尺度下，水生物多样性的维持功能状况主要选取了底栖动物的耐污性、浮游植物的耐污性和鱼类的丰富性指标。

2.1.1 底栖动物耐污性（fBEN）

底栖动物对水体环境压力，如生境扰动、水文变异、水质污染有较敏感的反应。本研究选取底栖动物BPI 生物学污染指数（Biology Pollution Index）和香农多样性指数（Shannon Diversity Index）来反映这一指标。

i）底栖动物BPI生物学污染指数（BPI）

式中，N1 为寡毛类、蛭类和摇蚊幼虫个体数；N2 为多毛类、甲壳类、除摇蚊幼虫以外其他的水生昆虫个体数；N3为软体动物个体数。

ii）底栖动物香农多样性指数（Hb）

式中，S 为群落内的物种数，ni为第i 种的个体数；N为群落中所有物种的个体总数。

2.1.2 浮游植物多样性（fPHY）

浮游植物是水生生态系统生物资源的基础，作为初级生产者，其种群变动和群落结构直接影响水生生态系统的结构和功能，浮游植物的时空变化特征与环境因子关系密切，生态系统中环境因子的改变直接作用于浮游植物群落结构，因此，其群落结构特征一定程度地反映了水体生态环境状况。本研究选取浮游植物香农多样性指数（Shannon Diversity Index）和Margalef 丰富度指数（Species Richness Index）来反映这一指标。

（1）浮游植物香农多样性指数（Hp）

式中，S 为群落内的物种数，ni为第i 种的个体数；N为群落中所有物种的个体总数。

（2）浮游植物Margalef丰富度指数（Dp）

式中，S为群落中的总数目；N为观察到的个体总数。

2.1.3 鱼类丰富性（fFIS）

鱼类作为水生（河流、湖泊）生态系统中主要组成部分，对水生态系统中营养和物质循环、水体自净能力，乃至对整个生态系统的结构和功能起着重要的调节作用，而物理栖息地条件差异、生境扰动、水文变异、水质污染等生态环境的变化对鱼类多样性及其群落结构有极大的影响。本研究选取鱼类Margalef 丰富度指数（Species Richness Index）来反映这一指标。

鱼类Margalef丰富度指数（Df）

式中，S为群落中的总数目；N为观察到的个体总数。

根据表2 对三项指数赋值，并采用加权求和的方式计算生物多样性维持功能综合指数，计算公式为式6。

表2 生物多样性维持功能单项指标评分分级赋值表

式中，fDIV为生物多样性维持功能评分；fBEN为底栖动物耐污性评分；fPHY为浮游植物多样性评分；fFIS为鱼类丰富性评分；三者等权重；

底栖动物耐污性指标fBEN取底栖动物BPI生物学污染指数BPI和底栖动物香农多样性指数Hb评价结果的算术平均值作为其最终赋值；

浮游植物多样性指标fPHY取浮游植物香农多样性指数Hp和浮游植物Margalef 丰富度指数Dp评价结果的算术平均值作为其最终赋值；

鱼类丰富性指标fFIS直接取鱼类Margalef丰富度指数Df评价结果作为其最终赋值。

根据式6 计算，fDIV将成为一个介于1～5 之间的值，其越大表明生物多样性维持功能越好。

2.2 重要生境维持功能（fHAB）

重要生境维持功能状况主要取决于其生境自然性、滨岸带稳定性、生境多样性和生境重要性。

2.2.1 生境自然性（fNAT）

表示评价单元内河道生境未受人类影响的程度，是生态系统功能评价优先考虑的自然特征。自然性评价实质就是评价人类对自然环境的侵扰程度。显然，自然性高的区域可提供最佳的本底值。一般可根据人为影响的多寡把自然性分成5种类型，完全自然型、轻度受扰自然型、中度干扰自然型、退化自然型和人工修复型。该指标由河道滨岸形态与河道连通性组成，评价标准见表3。

生境自然性指标fNAT是根据表3 中各项评价结果，取其算术平均值作为生境自然性指标的最终赋值。

2.2.2 滨岸带稳定性（fSTA）

滨岸带发挥着提供生境以及为水体提供缓冲区域的作用，从而减缓流域内人类活动对水体生态系统的直接干扰作用。其支持功能的发挥主要取决于滨岸带植被覆盖率以及河岸稳定程度。滨岸带稳定性指标fSTA是根据表3 中的各项评价结果，取其算术平均值作为滨岸带稳定性的最终赋值。

2.2.3 生境多样性（fVAR）

生境多样性是指河道形态具有一定复杂性和河岸带景观多样性，这个指标是生态系统多样性的基础。一般认为生境多样性越高，其生物多样性越高，越有可能成为重要的水生生物栖息地场所。本研究选取河岸带景观多样性来反映这一指标。

河岸带景观多样性（H’）

式中，m 为景观类型的总数目；Pi为第i 类景观类型所占的面积比例。

生境多样性指标fVAR根据表3 中河岸带景观多样性指标H’的评价结果赋值。

2.2.4 生境重要性（fIMP）

这是一个广义概念，主要指该生境是否反映区域生态系统的重要特征，以及包括区域范围内的珍稀鱼类、重要文化景观的特征，也可兼顾生境典型性。对于野生生物的栖息地而言，可以根据分析单元中是否包含自然生态系统的关键物种和重点保护物种的关键性生境，以及对其依赖的程度如何，采用分级打分的方法评价。例如某些野生动物的季节性栖息地，都应赋予较高的重要性分值。生境重要性fIMP是根据表3中重要生境价值的评价结果作为其最终赋值。

表3 单项指标评分分级赋值表

重要生境维持功能fHAB采用加权求和的方式计算，计算公式为式8。

式中，fHAB为重要生境维持功能评分；fNAT为生境自然性评分；fSTA为滨岸带稳定性评分；fVAR为生境多样性评分；fIMP为生境重要性评分；0.2、0.15、0.15、0.5分别为四者的权重。

根据式8 计算，重要生境维持功能fHAB将成为一个介于1～5 之间的值，其值越大，表明生境功能越好。

2.3 水环境支持功能（fWAT）

水环境支持功能是水体为水生生物提供良好生境质量的基本功能。其可以用单元的水质总体状况大小来进行评估，水质状况越差，水环境支持功能越低。本研究选取常规水质总体状况（fQUA）来反映这一指标。

根据分区中各断面高锰酸盐指数、氨氮、总磷、总氮（仅湖、库考虑总氮指标）等常规理化参数进行水质评价，其水质参数分级赋值见表4。

表4 常规水质总体状况单项指标评分分级赋值表

水环境支持功能指标fWAT是根据表4 中常规水质总体状况指标fQUA的各项评价结果，取算术平均值作为其最终赋值。

计算后，fWAT将成为一个介于1～5 之间的值，其值越大表明水环境支持功能越好。

3 生态功能综合评价

在生物多样性维持功能（fDIV）、重要生境维持功能（fHAB）、水环境支持功能（fWAT）指标计算的基础上，采用求和的方法，计算生态功能综合指数，根据分级标准，确定生态功能综合等级。计算公式为式9。

式中，F综合为生态功能综合得分；fDIV、fHAB、fWAT分别为生物多样性维持功能、重要生境维持功能、水环境支持功能单项功能指标值。

生态功能综合指数将为介于3～15 之间，其可以按照下列标准进行等级划分（表5）。从高到低可分为4个等级：Ⅰ级分值13～15（不包括13），表示生态功能高；Ⅱ级分值10～13（不包括10），表示生态功能较高；Ⅲ级分值8～10（不包括8），表示生态功能一般；Ⅳ级分值≤8，表示生态功能低。

表5 生态功能综合评价分级表

本研究评价指标里的生物多样性维持功能（fDIV）、重要生境维持功能（fHAB）、水环境支持功能（fWAT）这三个指标里，单项指标得分高的，则该单项指标对应的功能为该分区的生态主导功能。

在定义各分区的生态主导功能时，除了考虑上述评价指标里的三项功能外，还提出了一个优先指标即为重要物种保护功能（fSPE），选择物种重要性（fISP）来反映这一指标。重要物种保护功能（fSPE）是根据各分区物种重要性（fISP）的评价结果来定，若该分区有国家重点保护物种、濒危级保护物种、易危级保护物种中的任意一种或多种，则该分区的重要物种保护地位高，该分区的生态主导功能定为重要物种保护功能；反之，若该分区没有国家重点保护物种、濒危级保护物种、易危级保护物种，则该分区的重要物种保护功能低，该分区的生态主导功能依据评价指标里三项功能的单项得分来定。

4 结语

流域生态功能评价工作，单独采用水质化学指标对环境变化的响应是片面的，而水生生物群落与所生存的整个水生态系统，随时在进行物质和能量的交换，其群落结构和特性对系统干扰具有高度敏感性，其变化幅度能迅速反映人类活动对水生态系统的影响程度，生物多样性可能是评价水生态系统健康的有效工具。而单独以生物作为观察对象的评价体系，只能单纯的给出生态系统健康的状态，不能很好的分析其影响因素，从而无法对不同健康状态的水生态系统管理，给予切实可行的技术支持。因此，科学可行的流域生态功能评价方法需要构建化学、生物与生境复合指标体系，从而更加完善全面地进行评价。