武汉市典型湖泊湿地生态系统健康评价——以汤逊湖为例

刘 力， 张 雅， 李 朋， 冯 江， 叶 婷， 罗 华，胡元平， 潘龙克， 胡 锋， 谭文卓， 荣 丽

(1.湖北省地质调查院，湖北 武汉 430034； 2.武汉市蔡甸区沉湖湿地自然保护区管理局，湖北 武汉 430199)

湿地被誉为“地球之肾”，是地球上水陆相互作用形成的特殊自然综合体，是各种能流、物流和信息流的交换场所，具有强大的水文循环功能、巨大的环境调节功能和生态效益，以及丰富的资源潜力[1-3]。健康的湿地生态系统对区域乃至全球生态平衡，以及人类健康都有着非常重要的影响[4]。Karr et al.[5]指出无论是个体生物系统或是整个生态系统，如果能自我实现内在潜力和状态稳定，受到干扰时仍具有自我修复能力，管理其只需要最小的外界支持，那么这样的生态系统就是健康的。Rapport[6]提出生态系统健康的定义可以根据人类健康的定义来类推。Mageau et al.[7]认为一个健康的生态系统应具备生长能力、恢复能力和结构，能为人类社区提供生态系统服务支持。生态系统健康评价已成为湖泊环境管理的基础，通过找出湖泊结构与功能退化的原因，提出有针对性的治理方案，为湖泊保护与治理提供科学依据[8]。湿地生态系统健康评价近年来发展迅速，国内外学者已运用多种方法对此进行了探索，并随着3S技术的开发应用、统计学方法的完善进步，许多新方法被广泛应用其中，但也由于各种方法出发点不同，解决问题的思路和适用对象存在差异。目前常用的评价方法主要有两大类：生物法和指标体系法[1，9]。城市湖泊作为自然过程与城市人类活动共同作用的剧烈地带，是城市重要的资源环境载体，具有调节水文和气候、改善水质和空气、美化城市面貌等生态服务功能，城市湖泊保护和修复已成为城市水生态领域研究的热点和焦点问题[10-13]。

武汉地处江汉平原东部，长江及其最大支流汉江在城中交汇，市内江河纵横、湖港交织，水域面积占全市总面积的1/4，湿地资源居全球内陆城市前三位。全市列入保护目录的湖泊有166个，其中汤逊湖为国内最大的城中湖，是由岗前洼地积水、出口经泥沙封淤而形成的堤间堰塞湖[14]。随着武汉城市化进程发展，人类活动造成了部分城市湖泊富营养化状况日益加剧，生态系统的稳定性和服务功能逐渐丧失。汤逊湖由于拦湖筑汊、管理无序、开发过度、保护不力等因素的叠加，水体污染、环境恶化、生态脆弱、功能退化等问题较为突出。针对这些生态环境问题，开展汤逊湖湿地生态系统健康评价研究，确定生态系统在胁迫条件下产生不健康的症状、机理及影响因素，对汤逊湖整体性保护和系统性修复具有重要的科学指导意义。

1 研究区概况

汤逊湖位于武汉市东南部，地处北纬30°30′～30°22′，东经114°15′～114°35′，横跨江夏、洪山和东湖新技术开发区三个区(图1)。湖泊水域面积47.62 km2，湖体平均水深1.85 m，蓄水量1.17亿m3，最大容积为2.04亿m3。以江夏大道为界，汤逊湖被分为西侧外湖和东侧内湖，西侧外湖湖面面积约占整体的2/3。现阶段汤逊湖周边用地类型以建筑用地为主。

汤逊湖水质管理目标为地表水环境质量Ⅲ类。武汉市生态环境局发布的水质监测数据显示汤逊湖水质为Ⅴ类甚至劣Ⅴ类，表现为轻度—中度富营养化，与目标值相差甚远。汤逊湖存在点源、面源以及内源等方面的污染，受不合理开发、过度利用以及湖泊的自然演化等因素影响，江湖之间、湖湖之间水体交换减弱，加之湖泊淤积严重，水动力学条件较差，大大削弱了湖泊水体的自净能力、纳污能力、生态修复能力，导致生态系统破坏严重[15-16]。

图1 汤逊湖地理位置及采样点分布图Fig.1 The geographical location of Tangxun Lake and distribution map of sampling points

2 数据与方法

2.1 数据来源

本研究构建指标体系所需的数据主要包括统计数据、实地采样数据、遥感数据及产品、问卷调查数据4类。

(1) 统计数据。如人口、GDP、水资源量等，一般通过武汉市统计局、武汉市生态环境局、国家气象科学数据中心、武汉市水务局等政府网站发布的相关统计数据，或从相关单位购买监测数据。

(3) 遥感数据及产品。用遥感解译得到湿地周边1 km 范围内各种土地利用类型的景观格局数据，再用其来计算景观指标及部分使用指标[17]。遥感数据为2019年8月和2020年8月Landsat8 OLI影像。在Landsat8 OLI数据基础上，将下载后的影像经过影像配准、辐射定标等预处理，使用ENVI软件进行大气校正和图像裁剪，并进行图像拉伸和锐化，然后使用支持向量机法对影像数据进行监督分类，采用Majority对分类结果进行小斑块处理，通过目视解译对错分及漏分处重新分类，得到湖泊湿地面积及其变化率、土地利用强度。

(4) 问卷调查数据。主要向汤逊湖周边居民发布公众湿地认识和保护意识调查问卷，以网上调查的方式发布于问卷星(https://www.wjx.cn/m/97581206.aspx)，共采集有效问卷111份。

2.2 评价方法的选择

湿地系统是一个复杂的复合系统，多指标综合评价法是湿地生态系统健康评价常用的方法之一，指标涉及多领域、多学科，综合考虑生态、景观、社会经济等因素。国内湿地生态系统健康评价大多选定一个概念模型作为指标选择的基础，以概念模型评价的几个方面作为所构建指标体系的一级指标，常用的概念模型为压力—状态—响应(pressure-state-response,PSR)模型[18]和活力—组织结构—恢复力(vigor-organization-resilience,VOR)模型[19]。本次研究在PSR模型和VOR模型的基础上，综合考虑湿地系统的结构、状态、响应、活力等因素，通过建立多层次、多指标的生态系统健康评价体系，对汤逊湖湿地的生态健康状况进行定量评价与比较。

2.3 评价指标体系的构建

本研究基于对生态系统健康评价理论和汤逊湖湿地维持机制的分析，根据马广仁[9]提出的表征湿地生态系统健康的指标体系，结合武汉市城市湖泊湿地环境特点及数据可获得性，构建了由水环境、表层沉积物、生物、景观、社会等5个一级指标和相应分解的13个二级指标组成的生态系统健康评价指标体系(表1)。

表1 湿地生态系统健康评价指标体系Table 1 Indicator system for health evaluation of wetland ecosystem

2.4 评价指标标准化

由于评价指标的量纲不同，相互之间没有可比性，因此必须对各个指标进行标准化处理[21]。根据评价指标与生态系统健康之间的关系，评价指标被分为极小型指标和极大型指标两类。对于极小型指标，取值越小，状态越优；而极大型指标取值越大，状态越优。按照一般通用的评价方法，用连续的实数区间[0,10]表示各等级的标准值，生态系统健康状况处于最佳状态时，其值为10；处于最差状态时，其值为0。

常规水质指标参考《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)和《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)进行分级，应用层次分析法确定指标权重，采用模糊隶属度模型[22]对水质进行综合评价，按水质优、良、中、差划分为4类，并按10～0对其进行标准化赋值。湖水重金属含量参考《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)确定各指标阈值，应用层次分析法确定权重，采用内梅罗指数法得到湖水重金属综合污染指数，将湖水划分为安全、警戒、轻污染、中污染、重污染5类，标准化分值分别为10、7、5、3、0。湖水多环芳烃含量采用美国EPA推荐的终生致癌风险(ILCRs)模型[23]，结合毒性当量浓度(TEQBaP)[24]定量表征PAHs对人体的潜在致癌风险，并结合PAHs终生致癌风险指数对湖泊各区域进行分级，根据计算结果分为无风险、低风险、中等低风险、中等风险4个级别，不同级别分别赋10～0的标准化分值。底泥重金属含量采用潜在生态危害指数法[25-26]进行评价，并结合汤逊湖实际情况按综合潜在生态风险指数将其划分为轻微风险、中等风险、强风险、很强风险、极强风险5级，并按10～0进行标准化赋值。底泥多环芳烃含量依据单体PAH的生态风险指数分布求和得到总体PAHs生态风险指数，并结合汤逊湖实际情况进行分级，划分为无风险、低风险、中等低风险与中等风险4级，并按10～0进行标准化赋值。

其他指标标准化方法参考相关文献[9,27]并结合汤逊湖实际情况，具体如下。

水资源量的归一化公式为：

(1)

式中:Sres为单位面积水资源量Pres的归一化分值，Sres值越高，表明湿地水资源量越丰富。

生物多样性指数的归一化公式为：

(2)

式中:Sbi为生物多样性指数Pbi的归一化分值。

外来物种入侵度的归一化公式为：

(3)

式中:Sin为外来物种入侵度Pin的归一化分值。

湿地面积变化率的归一化公式为：

(4)

式中:Szzl为湿地面积变化率Pzzl的归一化分值。

土地利用强度的归一化公式为：

(5)

式中:Slu为土地利用强度Plu的归一化分值。

人口密度的归一化公式为：

(6)

式中:Srd为人口密度Prd的归一化分值。

人均GDP的归一化公式为：

(7)

式中：SGDP为人均GDPPGDP的归一化分值。

湿地保护意识的归一化公式为：

Sys=Py/Pv×10

(8)

式中：Sys为湿地保护意识的归一化分值;Py为有效问卷数；Pv为总调查人数。

2.5 健康评价指数计算

参考徐菲等[28]用于计算综合健康指数的方法，首先将评价指标归一化，再分别乘以相应的权重后求和，即得到综合健康指数，计算公式如下：

(9)

式中：ICH为综合健康指数；Ii为第i种指标的归一化分值；Wi为指标i的权重，通过层次分析法[29]计算得到(表2)。

表2 湿地生态系统健康评价指标权重Table 2 Index weights for health evaluation of wetland ecosystem

在参考大量文献[30-31]的基础上，结合武汉典型湿地的实际情况，确定了武汉市湿地生态系统健康评价分级标准。在无量纲化处理过程中，每一个评价因子按照相应的参照标准，依据相应的强度指数分级标准划分为不同等级。同样，所求出的湿地综合健康指数的值域也在[0,10]中，并以综合健康指数为标准将湿地的健康状况划分为三个等级(表3)。

表3 湿地生态系统健康等级Table 3 Health assessment standards for Tangxun Lake

3 结果与讨论

3.1 指标现状

3.1.1水环境指标

常规水质指标中，选择含量较高的TOC、TP、TN、F-、NH4+、DO作为评价指标，评价结果显示汤逊湖湖水整体处于较差水平，99%插值面积范围内的水质标准化分值为2～4，水体TN、TP超标率均达100%。汤逊湖内湖作为生活饮用水水源地二级保护区，东北角(T8点)TOC浓度达到7.18 mg/L，超过《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)规定的TOC限值(5 mg/L)，表明湖泊受到有机污染物污染。

汤逊湖湖水重金属含量均未超过地表水Ⅲ类水标准限值，Cd、As浓度<0.01 μg/L，Cr、Cu、Zn、Pb浓度均<0.5 mg/L，与乔胜英等[32]2002年对汤逊湖湖水重金属含量调查结果相比，Cd、As含量显著降低。与东湖湖水重金属含量平均值[33]相比，汤逊湖湖水Cd、As含量偏低。这些均表明随着汤逊湖保护措施的推进，其湖水重金属污染情况得到了显著改善。计算结果显示，湖水重金属综合污染指数的标准化分值均为10。

湖水PAHs浓度范围为145.08～822.07 ng/L，平均值为365.67 ng/L，高于长江流域其他湖泊[34-36]及中国地表淡水PAHs均值(256 ng/L)[37]。PAHs最高值位于内湖东南湖汊处(T9)，最低值位于外湖西北处(T4)。水体PAHs终生致癌风险等级介于低风险和中等风险之间，风险等级由湖泊西南角向湖心方向逐级降低，除西南方向湖汊处为中等风险外，其余位置均为低风险。

依据《武汉市水资源公报》，汤逊湖蓄水量为5 640万m3，湿地面积为47.6 km2，湿地单位面积水资源量为118.5万m3/ km2。通过归一化公式计算得到汤逊湖Sres值为7.58，属于较好级别，能够保障湿地生态系统基本功能。

综合湖泊常规水质指标、湖水重金属含量、湖水多环芳烃含量和水资源量指标，加权、插值得到汤逊湖水环境指标分值图(图2-a)，可以看出西侧的外湖水环境劣于东侧的内湖，可能主要因外湖湖水受西南角纸坊污水处理厂尾水排放影响[26]。

3.1.2表层沉积物指标

汤逊湖表层沉积物中Zn、Cr、Cu、Pb、As、Cd分别为武汉市土壤重金属背景值[38]的2.01、0.97、1.65、1.76、0.89和5.77倍，除Cr和As外，其他重金属的含量均大于背景值(表4)，Cd超标倍数最高。除Cr外，其他重金属变异系数均>15%，表明重金属存在显著的空间异质性，受人类活动的影响较大。依据Hakanson分级标准[39]并结合汤逊湖实际情况，表层沉积物中As、Cr、Cu、Pb、Zn的潜在生态危害指数均<40，处在轻微风险水平；Cd的潜在生态危害指数介于160～320之间，处于很强风险水平。与乔胜英等[32]于2002年对汤逊湖表层沉积物的研究结果相比，除As和Cr含量降低外，Cd、Cu、Pb、Zn含量均有不同程度升高，表明汤逊湖沉积物中重金属污染程度呈现恶化趋势。

图2 汤逊湖湖泊水环境指标、表层沉积物指标评价结果Fig.2 Evaluation results of water environment index and surface sediment index in Tangxun Lake

表4 汤逊湖表层沉积物重金属含量特征Table 4 Characteristics of heavy metal contents in surface sediments of Tangxun Lake

汤逊湖表层沉积物中PAHs总量空间分布差异性较大，浓度范围为347.60～3 917.36 ng/g，平均值为983.19 ng/g，远高于中国地表淡水沉积物中PAHs平均含量(448 ng/g)[37]。宋慧婷[40]2007年测得汤逊湖表层沉积物PAHs均值为1 658.56 ng/g，鲁倩[41]2013年测得汤逊湖表层沉积物PAHs含量范围为169～545 ng/g，这说明在历史上，汤逊湖表层沉积物污染程度经历过好转，但近几年可能有再度恶化趋势，依据Baumard分级标准[42]汤逊湖采样点位中，大部分处于中度污染水平，仅外湖西南湖汊(T2点，PAHs浓度3 917.36 ng/g)和内湖东北湖汊(T8点，PAHs浓度347.60 ng/g)处于高度污染水平。沉积物中PAHs风险等级为中等低风险—中等风险，其中湖区东北角和西南角的风险等级最高，为中等风险，其他区域均为中等低风险。

综合底泥重金属和多环芳烃含量评价结果，加权、插值得到汤逊湖表层沉积物指标分值图(图2-b)，可以看出表层沉积物指标低值主要位于汤逊湖外湖西南湖汊与内湖东北湖汊，可能分别与纸坊污水厂和汤逊湖污水厂尾水排放有关。武汉庙山经济开发区、东湖高新技术开发区、刘芳工业园均分布在汤逊湖周边，产生的污染物会逐渐沉积至表层沉积物中，人为源是汤逊湖PAHs的主要来源[43]。

3.1.3生物指标

综合前人的研究[44-45]和实地调查，发现汤逊湖生物多样性受人为影响较大，生态系统类型较单一，岸线多被人工硬化，缺少水陆自然过渡区域，湖泊近岸带植被受到严重破坏，物种较贫乏，且多为人工引入物种，生态多样性较低，生物多样性指数<20，归一化分值Sbi为0。

前人研究[46]发现，汤逊湖外来入侵生物种数有12种。根据2011年武汉市第二次湿地资源调查成果，武汉城市湖泊群湿地群水生(湿生)植物计有158种(变种)，脊椎动物229种。据上述数据计算得出汤逊湖外来生物入侵度为0.031，归一化分值Sin为7.85(表5)。

3.1.4景观指标

通过遥感解译汤逊湖湿地类型及面积变化情况，显示2019、2020年湿地面积分别为50.89、56.35 km2(图3)，其中人工湿地面积增加最为显著，计算得出湿地面积变化率为1.1，归一化分值Szzl为10(表5)。

评价区总面积为164.11 km2，农业、居住及其他用地面积为113.22 km2，计算得出土地利用强度为0.69，归一化分值Slu为2.55，总体位于较差水平。在武汉快速城市化的过程中，汤逊湖区受到中心城区推力及自身吸引力的影响，近年来该地区建设用地面积逐年增加。

表5 汤逊湖生物、景观及社会指标评价结果Table 5 Evaluation results of biological,landscape and social indicators in Tangxun Lake

图3 汤逊湖2019年和2020年湿地类型变化Fig.3 Changes in wetland area in Tangxun Lake from 2019 to 2020

3.1.5社会指标

人口密度表征湿地系统所受的人口压力，间接反映人类活动强度，是湿地生态系统健康状况的胁迫因子。区域常住人口增加会加剧城市供水湖泊的供水压力，进而影响湖泊面积[47]。据《武汉统计年鉴(2020)》，武汉市全市土地面积8 569.15 km2，2019年常住人口1 121.20万人，人口密度为1 308人/ km2；汤逊湖跨越江夏区、洪山区及东湖新技术开发区，江夏区土地面积2 018.31 km2，2019年常住人口98.70万人，人口密度为489人/km2；洪山区土地面积573.28 km2，2019年常住人口171.29万人，人口密度为2 988人/km2。汤逊湖区的人口密度选取江夏区和洪山区人口密度平均值来表示，为1 042人/ km2，人口密度归一化分值Srd为0，表明汤逊湖周边人口密集，湖泊受人类活动影响强烈。相关研究[48]显示，随着人口密度的增加，区域生态环境质量可能会越来越差。人口聚集造成生态环境压力增大，不仅对汤逊湖资源带来巨大损耗，而且产生的生活污水、生活垃圾等污染物数量越来越大，若无有效处置，将对汤逊湖水环境造成严重危害。

人均GDP以评价区地区生产总值除以评价区内总人口来表示。2019年洪山区生产总值为1 058.58亿元，人均GDP为89 649.39元/(人·年)；2019年江夏区生产总值为948.80亿元，人均GDP为133 352.07元/(人·年)。汤逊湖人均GDP以洪山区和江夏区的人均GDP平均值表示，为111 500.73元/(人·年)，人均GDP的归一化分值SGDP为0。

采取网上调查问卷的形式调查汤逊湖周边居民的湿地保护意识情况，共采集有效问卷111份，其中67人合格，故湿地保护意识指标值Sys为6.04，反映湿地相关知识在民众中的普及程度较好。

3.2 湿地生态系统健康状况

应用上述方法计算得到汤逊湖湿地生态系统综合健康指数ICH为4.64，健康等级为中等，表明汤逊湖生态系统结构较为完整，但仍存在一定问题。汤逊湖湿地水环境和表层沉积物质量总体良好，但受到一定污染，汤逊湖西南部及东北部湖汊由于水体多环芳烃致癌风险、表层沉积物重金属潜在生态风险和多环芳烃生态风险较高。汤逊湖有充足的水源，湿地面积维持稳定，周边居民湿地保护意识较高，生物多样性不具明显优势，目前生态系统较为稳定，但因人类活动影响，生态系统健康有长期衰退的风险。

汤逊湖湿地生态系统健康状况受到了一定程度的影响，原因主要来自于自然因素和社会因素两方面。自然因素包括水、表层沉积物质量状况和生物多样性3个主要影响因子。城市化进程对汤逊湖湿地整体水质产生一定影响，其水质整体尚未达到水质功能管理目标(Ⅲ类水)要求，需加强对湖泊的监测管理，切实保障水安全。沉积物中Cd和PAHs也存在一定的生态风险，部分区域因污水排放而受到严重污染。人类活动可能破坏湿地原有的正常生态功能，影响某些物种的生存，致使汤逊湖湿地生态系统类型趋于单一，使生态系统功能逐渐降低。社会因素包括土地利用强度、人口密度、人均GDP及湿地保护意识等。汤逊湖周边土地利用强度逐渐增大，人口增长加大了对生态环境的压力，使湿地景观格局、生态系统结构和功能受到潜在危险甚至发生改变，同时居民湿地保护意识还有待加强，有关部门对湿地重要性认知的宣传程度和湿地保护的重视程度需进一步提高。因此，在武汉城市发展与汤逊湖湿地开发建设过程中，要重视改善这些制约因子，提高湿地生态系统健康水平，完善湿地生态服务功能，这样才能实现湿地生态环境和经济社会的高质量可持续发展。

4 结论

(1) 按照湿地的发生学原理，以湿地水、土壤和植被三要素为主线，综合考虑景观格局变化及经济社会、人类活动的影响，构建了包括水环境、表层沉积物、生物、景观、社会共5个一级指标和对应分解的13个二级指标的汤逊湖湿地生态系统健康评价指标体系。

(2) 综合水环境、沉积物、生物、景观和社会指标，计算得到汤逊湖湿地生态系统的综合健康指数为4.64，健康等级为中等。总体上看，汤逊湖存在的主要生态系统健康问题为：湖水中总磷、总氮超标严重，湖区西南部和东北部湖汊位置存在水体多环芳烃中等致癌风险、表层沉积物重金属很强潜在生态风险和多环芳烃中等生态风险，生物多样性较低。

(3) 为改善汤逊湖湿地生态系统健康状况，需加强湖泊监测管理力度，切实保障湿地水安全。汤逊湖作为城中湖，附近多为学校、商圈、工业园等，表层沉积物受人为污染较严重，需适度控制此类人类活动，减少对湿地生态环境的影响。