全 文 ：第 25卷第 6期
2005年 6月
生 态 学 报
ACTAECOLOGICASINICA
Vol.25,No.6
Jun.,2005
湖泊生态系统健康定量评价方法
赵臻彦1,徐福留1*,詹 巍1,郝君宜1,张 颖1,赵珊珊1,胡维平2,陶 澍1
(1.北京大学环境学院,地表过程分析与模拟教育部重点实验室,北京 100871;2.中国科学院南京地理与湖泊研究所,南京 210008)
基金项目:国家自然科学基金资助项目(40271101,40024101,40332015);国家水利部资助项目(JJ-XX-2002029)
收稿日期:2004-04-08;修订日期:2005-02-02
作者简介:赵臻彦(1980～),男,重庆市人,硕士生,主要从事生态系统健康研究。
* 通讯作者 Authorforcorrespondene.E-mail:xufl@urban.pku.edu.cn
Foundationitem:theNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.40271101,40024101,40332015)andWaterConservationDepartmentof
China(No.JJ-XX-2002029)
Receiveddate:2004-04-08;Accepteddate:2005-02-02
Biography:ZHAOZhen-Yan,Mastercandidate,mainlyengagedinecosystemhealth.
摘要:提出了湖泊生态系统健康定量评价的一种新方法:生态系统健康指数法。该方法首先设计了一个 0～100的生态系统健康
指数作为定量尺度,然后通过评价指标选择、各指标生态系统健康分指数计算、各指标权重计算、生态系统健康综合指数计算等
基本步骤,评价湖泊生态系统健康状态。以实用实例对意大利西西里湖泊群及单个湖泊进行了生态系统健康评价。结果表明,该
方法原理简单,计算简便,结果可靠、直观,既可用于同一湖泊又可用于不同湖泊生态系统健康状态的定量评价与比较,是一种
值得推广的定量评价方法。
关键词:生态系统健康指数;定量评价;湖泊生态系统健康
文章编号:1000-0933(2005)06-1466-09 中图分类号:Q14,Q178,X52 文献标识码:A
Aquantitativemethodforassessinglakeecosystemhealth
ZHAOZhen-Yan1,XU Fu-Liu1*,ZHAN Wei1,HAOJun-Yi1,ZHANGYing1,ZHAOShan-Shan1,HU
Wei-Ping2,TAOShu1 (1.CollegeofEnvironmentalSciencesandMOELaboratoryforEarthSurfaceProcess,PekingUniversity,
Beijing,100871,China;2.NanjingInstituteofGeographyandLimnology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China).Acta
EcologicaSinica,2005,25(6):1466～1474.
Abstract:Aquantitativemethod,EcosystemHealthIndex(EHI)forassessinglakeecosystemhealthhasbeenproposedinthis
paper,basedondatafrom30lakesinItaly.Themethodwerethreemajorsteps.Firstly,anumericalEHIinascaleof0to
100wasdeveloped.Secondly,inordertocalculatethespecificandsyntheticEHI,phytoplanktonbiomass(BA)wasselected
toserveasabasicindicator,whilezooplanktonbiomass(BZ),theratioofBZtoBA(BZ/BZ),exergyandstructuralexergy
wereusedasadditionalindicators.Thirdly,thespecificandsyntheticEHIwerecalculated.Thequantitativeassessment
resultsforlakeecosystemhealthcouldbeobtainedaccordingtothesyntheticEHIvalues.TheEHImethodwassuccessfuly
appliedtotheassessmentandcomparisonofecosystem healthforItalylakes.TheresultsshowthattheEHImethodisa
valuablemethodwiththeadvantageofuncomplicatedprinciple,handycalculation,reliableandintuitionisticresults.Itcanbe
widelyusedforthequantitativeassessmentandcomparisonofecosystemhealthstatesforsingleanddifferentlakes.
Keywords:ecosystemhealthindex;quantitativeassessment;lakeecosystemhealth
生态系统健康研究,是在全球许多自然生态系统(如海洋、湖泊、森林等)的健康状况日趋恶化的严峻形式下,于 20世纪 80
年代中期在北美兴起的。近年来,在可持续发展思想的推动下,生态系统健康研究已成为国际生态环境领域的热点和联系地球
科学、环境科学、生态学、经济学及社会科学等学科的桥梁[1]。生态系统健康学被认为是在传统的自然科学、社会科学和健康科
学相互交叉和综合的基础上发展起来的一门新学科[2,3]。在北美,生态系统健康学已成为环境、生态、公众健康、医学、兽医等专
业的一门课程[4,5]。北美及欧洲一些国家已完成和启动了一批重大研究项目[6～12]。近年来,生态系统健康研究也开始引起我国
有关部门的高度重视。如,在 2000年启动的 973项目"长江流域生物多样性变化、可持续利用与区域生态安全"中,
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山地生态系
统健康诊断与恢复技术被列为其三级子课题[13];在国家基金委重大研究计划"中国西部环境和生态科学"2001年项目指南中,
"生态系统健康评价的理论和方法"被列为"十五"期间优先研究的 15个科学问题之一;近两年来,基金委已批准了草地、农业、
阔叶红松林、黄淮海湿地、浅层地下水、湖泊及矿区等生态系统的健康评价课题。国内期刊从 1999年开始报道有关研究,并且绝
大多数以综述性文章出现[14～27]。
在湖泊生态系统健康研究方面,已提出了许多评价指标,如毛生产力指标(GEP)[28],生态系统压力指标[29],生物完整性指
数[30],热力学指标(exergyandstructuralexergy)[31,32],包含湖泊生态结构、生态功能和生态系统方面的综合生态指标体
系[33,34],以及包含生物、生态、社会经济和人口健康等方面的综合指标体系[6]等。在评价方法方面,Jorgenson于 1995提出了一
套初步评价程序[31],徐福留等于 2001年提出了实测计算和生态模型两种评价方法[34,35]。然而,由于缺乏定量标准,这些方法只
能对单一湖泊生态系统健康状态进行相对评价,不能反映湖泊生态系统健康的真实状态,并且难以对不同湖泊生态系统健康状
态进行比较[34]。为了解决这些问题,本文提出了一种新的定量评价方法:生态系统健康指数法,并将该方法应用于意大利湖泊
生态系统健康的定量评价与比较。
1 湖泊生态系统健康评价的定量方法:生态系统健康指数法
1.1 生态系统健康指数(EHI)的设计
为了度量湖泊生态系统的健康状态,本文设计了一个 0～100连续数值的生态系统健康指数(EHI),并定义当 EHI为 0
时,健康状态最差;当 EHI为 100时,健康状态最好。为便于描述,本文将 0～100的连续数值按间隔 20从小到大分为 5段,即:
0～20、20～40、40～60、60～80和 80～100,分别对应于很差、较差、中等、较好和很好 5种健康状态。湖泊生态系统健康指数与
健康状态的关系如图 1所示。
1.2 生态系统健康指数(EHI)的计算
EHI=Σ
n
i=1
ωi·EHIi (1)
式中,EHI为生态系统健康综合指数;EHIi表示第 i个指标的生态系统健康分指数;ωi表示第 i个指标的权重。
(1)式表明,生态系统健康综合指数取决于各评价指标的权重及其分指数的大小。要得到综合 EHI,必须首先选择评价指
标,并计算各指标的分指数及其权重。
图 1 湖泊生态系统健康指数与健康状态的关系
Fig.1 Healthindexanditsrelationshipswithhealthstatusina
lakeecosystem
图 2 生态系统健康指数法基本步骤
Fig.2 Theprocedureforassessinglakeecosystem healthusing
EHIM
1.3 生态系统健康指数法的基本步骤
生态系统健康指数法的基本步骤如图 2所示。由图 2可以看出,该方法有 5个基本步骤,其中,选择评价指标是最重要步骤
之一。指标的选择应遵循可测性、可比性、灵敏性及综合性原则。可测性是指所选指标的具体的数值可以通过监测、统计或计算
等方法获得;可比性是指所选指标应该使得同一湖泊不同时空以及不同湖泊的评价结果可以相互对比;敏感性是指所选指标能
够比较灵敏地反映湖泊物理的或化学的或生物的或系统水平的变化;综合性是指所选指标体系应尽可能涵盖湖泊物理、化学、
生物、生态等方面的指标,以综合反映湖泊生态系统的健康状况。该方法把所选指标分为基准指标和扩展指标。基准指标是湖泊
生态系统健康评价的关键指标,在单独使用时,基本上能够反映湖泊生态系统的健康状况,如叶绿素 a浓度和浮游植物生物量
等指标;扩展指标是指基准指标之外的一些指标,它们能对基准指标的评价结果在物理、化学、生物、生态系统等方面进行修正,
以使评价结果更综合。
76416期 赵臻彦 等:湖泊生态系统健康定量评价方法
2 生态系统健康指数法的应用实例
本研究以意大利西西里岛的 30个湖泊为研究对象。这些湖泊的流域面积在 1～577km2之间,大多数小于 100km2;湖泊水
面面积在 0.2～14km2之间;湖泊水量在 0.1×106～154×106m3之间[36]。这些湖泊的一些基本特征见表 1。
表 1 30个意大利湖泊的基本特征[36]
Table1 Basiclimnologicalcharacteristicsfor30Italianlakes[36]
湖泊名称
Lakename
电导率 Conductance
uctance(mS/cm)
总磷 TP
(µg/l)
氨氮 N-NH4
(µg/l)
硝态氮 N-NO3
(µg/l)
二氧化硅 SiO2
(mg/l)
Ancipa 0.18 30.66 12 77 2.0
Arancio 0.72 166.65 667 676 4.8
BivierediCesro 0.08 46.02 31 76 0.6
BivierediGela 2.72 45.15 22 78 2.3
Castelo 0.96 109.88 775 263 2.9
Cimia 2.15 49.57 199 803 4.0
Comuneli 2.51 45.33 331 129 3.4
Dirilo 0.53 60.54 60 514 4.1
Disueri 1.21 1093.43 684 2226 3.6
Fanaco 0.53 54.34 199 1143 3.3
Gammauta 0.49 183.07 154 446 2.7
Garcia 0.77 51.36 22 1165 3.6
Gorgo 4.51 80.87 33 65 6.1
Guadalani 0.42 38.89 111 459 0.3
Nicoletti 1.42 35.18 46 66 1.5
Ogliastro 2.72 40.87 173 1710 2.9
Olivo 0.91 38.00 71 69 1.6
PianadegliAlbanesi 0.37 46.77 349 412 0.4
PianadelLeone 0.41 46.85 160 546 2.4
Poma 0.74 51.11 73 994 1.4
Pozzilo 1.13 49.38 91 355 1.6
Prizzi 0.46 52.99 86 503 2.5
Rubino 1.05 28.94 18 711 1.0
SanGiovanni 1.49 80.56 658 283 2.7
SantaRosalia 0.42 55.81 125 279 3.4
Scanzano 0.50 61.65 300 1283 2.3
Soprano 1.85 2962.96 7671 57 12.7
Trinita 1.86 83.24 26 417 3.8
VascaOgliastro 0.32 106.69 28 177 3.4
Vilarsosa 2.27 64.06 524 276 1.0
本研究数据来源于 1987～1988年 4个季节意大利西西里 30个湖泊的调查资料[36],共有 120个样本点,其中藻类响应型数
据点 114个,非藻类响应型数据点 6个。本文剔除了湖泊的非藻类响应型阶段的 6个数据点,以 114个藻类响应型数据点作为
分析计算各指标生态系统健康分指数和综合指数的依据。
2.1 评价指标选择
根据意大利湖泊实测数据和徐福留等 1999和 2001研究结果[33,34],本文选择湖泊生态结构指标(包括浮游植物生物量
(BA)、浮游动物生物量(BZ)和两者的比值(BZ/BA))以及湖泊生态系统指标(包括能质(Ex)和结构能质(Exst))作为评价指
标,并将 BA作为基准指标,其他 4个指标作为扩展指标。
2.2 各指标生态系统健康分指数(EHIi)的计算
2.2.1 基准指标 BA的生态系统健康分指数 EHI(BA)的计算 浮游植物生物量(BA)是一个表征湖泊生态系统健康状态的
重要指标,BA越大,湖泊生态系统的健康状况越差[33,34]。因此,BA可作为湖泊生态系统健康评价的基准指标。当 BA最小时,
EHI(BA)最大,即 EHI(BA)=100;当 BA最大时,EHI(BA)最小,即 EHI(BA)=0。根据文献[37,38]的研究成果,湖泊中 BA
符合对数正态分布,可采用下列对数级差规格化公式计算 EHI(BA):
EHI(BA)= 100× lnCx- lnCminlnCmax- lnCmin (2)
式中,EHI(BA)为基准指标 BA的 EHI分指数;Cx为 BA的实测值;Cmin和 Cmax分别是对应于 EHI(BA)为 100和 0时的
8641 生 态 学 报 25卷
BA的实测值。
(2)式化简后,可得到如下计算 EHI(BA)的公式:
EHI(BA)= 10(a+ blnCx) (3)
式中,a、b是由 Cmin和 Cmax所确定的常数。计算公式如下:
a=- 10× lnCminlnCmax- lnCmin
b= 10× 1lnCmax- lnC
<
=
= min
(4)
根据意大利 30个湖泊实测数据,Cmin=0.004(mg/L),Cmax=150(mg/L)。代入式(4),求得:a=5.2425,b=-0.94948。将
a、b代入公式(3),可得到意大利湖泊 EHI(BA)的计算公式如下:
EHI(BA)= 10× (5.2425- 0.94948× ln(BA)) (5)
由上述公式看出,基准指标 BA经过对数级差规格化公式转换以后可以得到 EHI(BA)。BA与 EHI(BA)的关系见图 3。
2.2.2 扩展指标 BZ的生态系统健康分指数 EHI(BZ)的计算 根据卢小燕 2001年研究[38],由于受浮游生物种群结构变化、
浮游植物的毒性效应以及浮游动物食物来源等因素的影响,意大利湖泊浮游植物生物量(BA)与浮游动物生物量(BZ)的相互
关系可以分为 3个层次。第 1个层次表现为,随着 BA的增加 BZ显著增加;第 2个层次表现为,随着 BA的增加 BZ减少;第 3
个层次表现为,随着 BA的增加 BZ缓慢增加。
意大利湖泊 BA与 BZ的相互关系见图 4。由该图可以看出,上述第 1和第 3两个层次的关系较为明显;然而,由于湖泊较
多,并且不同的湖泊出现BZ开始减小时的BA值不同,因此,第 2个层次的关系不明显,可认为是第 1和第 3两层关系的过渡。
为了更好的描述 BA与BZ的这种变化关系,本文用两个线性函数表达式f1和f2分别模拟上述第 1和第 3层关系(见图 4);对
于所有数据点特别是位于第 2层过渡关系的样点,可以利用模糊数学方法,通过比较隶属于第 1和第 3层关系的隶属度大小,
来确定其归属于哪层关系。
定义图 4中属于第 1层相关关系的全部样点的集合为 α,属于第 3层相关关系的全部样点的集合为 β,则通过回归分析可
分别求出 f1和 f2的表达式:
f1 ln(BA)= 0.1036+ 0.7997× ln(BZ), N= 95, r= 0.702, p< 0.01 (6)
f2 ln(BA)= 2.7359+ 0.6766× ln(BZ), N= 19, r= 0.563, p< 0.01 (7)
图 3 BA与 EHI(BA)的关系
Fig.3 RelationshipsbetweenBAandEHI(BA)
图 4 BA与 BZ的相关关系
Fig.4 RelationshipsbetweenBAandBZinItalylakes
将(6)、(7)式分别代入(5)式可得到对应于 f1和 f2的生态系统健康分指数 EHI(BZ)的计算公式:
EHI(BZ)1= 10(5.2425- 0.94948× (0.1036+ 0.7997× ln(BZ))) (8)
EHI(BZ)2= 10(5.2425- 0.94948× (2.7359+ 0.6766× ln(BZ))) (9)
由(8)、(9)式可得到计算扩展指标 BZ的生态系统健康分指数 EHI(BZ)的综合表达式:
EHI(BZ)=
EHI(BZ)1 (BA,BZ)∈ α
EHI(BZ)2{ (BA,BZ)∈ β (10)
式中,实测样本点(BA,BZ)隶属于 α和 β的隶属度,分别由下列隶属函数计算:
α(BA,BZ)=
1 0< BA≤ 2.5
1- (ln(BA)- f1(BZ))
2
(ln(BA)+ f1(BZ))2
2.5< BA≤ 50<
=
=0 50< BA≤ 150
(11)
96416期 赵臻彦 等:湖泊生态系统健康定量评价方法
β(BA,BZ)=
0 0< BA≤ 2.5
1- (ln(BA)- f2(BZ))
2
(ln(BA)+ f2(BZ))2
2.5< BA≤ 50<
=
=1 50< BA≤ 150
(12)
式中,BA为实测值;f1(BZ)和 f2(BZ)表示由第 1和第 3层关系式计算的 BA值,分别由公式(6)和(7)计算;2.5为第 3层
关系的 β集合中实测 BA数据的最小值;50为第 1层关系的 α集合中实测 BA数据的最大值。
根据(11)、(12)式,有如下判别规则:对于实测点(BA,BZ),当 α(BA,BZ)≥β(BA,BZ)时,则(BA,BZ)∈α,其生态系统健
康分指数 EHI(BZ)应由(8)式计算;当 α(BA,BZ)<β(BA,BZ)时,则(BA,BZ)∈β,其生态系统健康分指数 EHI(BZ)应由
(9)式计算。
2.3.3 扩展指标 BZ/BA的生态系统健康分指数 EHI(BZ/BA)的计算 意大利湖泊 BA与 BZ/BA的相互关系见图 5。由该
图可以看出,BA与 BZ/BA具有明显的负相关关系,通过回归分析确定其关系式如下:
ln(BA)= 0.3878- 0.7742× ln(BZ/BA) (13)
将(13)式代入(5)式,可得到扩展指标 BZ/BA的生态系统健康分指数 EHI(BZ/BA)的计算公式:
EHI(BZ/BA)= 10× (5.2425- 0.94948× (0.3878- 0.7742× ln(BZ/BA))) (14)
2.2.4 扩展指标 Ex的生态系统健康分指数 EHI(Ex)的计算 能质(exergy)和结构能质(structuralexergy)是热力学指标,
已被成功的用于湖泊[31～35]、海洋[39]、农业[40]等生态系统的健康评价。Exergy计算公式[31]如下:
Ex=Σ
n
i=1
WiCi (15)
式中,Ex为能质(J/L);Ci为生态系统中第 i种有机成分的浓度或生物量(mg/L);Wi为第 i种有机成分的权重转换因子
(J/mg),可根据储存在有机体基因内的信息进行计算[31]。
根据意大利湖泊的实测数据,本研究选取浮游植物和浮游动物计算 Ex,两者的权重转换因子分别为 3.4和 114(J/mg)[31]。
根据上述对意大利湖泊浮游植物和浮游动物的变化特点及其两者相互关系的分析,其能质(Ex)与浮游植物生物量(BA)亦具
有3层关系。第 1层关系表现为,随着BA的增加Ex增加;第 2层关系表现为,随着BA的增加Ex减少;第 3层关系表现为,随
着 BA的增加 Ex增加;并且上述第 1和第 3两层关系较为明显,而第 2层关系不明显,同样可认为是第 1和第 3两层关系的过
渡(图 6)。为了更好地描述 BA与 Ex的这种变化关系,本文用两个线性函数表达式 f3和 f4分别模拟上述第 1和第 3层关系
(图 6);对于所有数据点特别是位于第 2层过渡关系的样点,可以利用模糊数学方法,确定其归属于哪层关系。
图 5 BA与 BZ/BA的相关关系
Fig.5 RelationshipsbetweenBAandBZ/BAinItalylakes
图 6 BA与 Ex的相关关系
Fig.6 RelationshipsbetweenBAandExinItalylakes
定义图 6中属于第 1层相关关系的全部样点的集合为 γ,属于第 3层相关关系的全部样点的集合为 δ,则通过回归分析可
分别求出 f3和 f4的表达式。
f3 ln(BA)=- 4.0256+ 0.8236× ln(Ex), N= 95,r= 0.717, p< 0.01 (16)
f4 ln(BA)=- 2.5380+ 0.9899× ln(Ex), N= 19,r= 0.829, p< 0.01 (17)
将(16)、(17)式分别代入(5)式可得到对应于 f3和 f4的生态系统健康分指数 EHI(Ex)的计算公式:
EHI(Ex)1= 10(5.2425- 0.94948× (- 4.0256+ 0.8236× ln(Ex))) (18)
EHI(Ex)2= 10(5.2425- 0.94948× (- 2.538+ 0.9899× ln(Ex))) (19)
由(18)、(19)式可得到计算扩展指标 Ex的生态系统健康分指数 EHI(Ex)的综合表达式:
0741 生 态 学 报 25卷
EHI(Ex)=
EHI(Ex)1 (BA,Ex)∈ γ
EHI(Ex)2{ (BA,Ex)∈ δ (20)
式中,实测样本点(BA,Ex)隶属于 γ和 δ的隶属度,分别由下列隶属函数计算:
γ(BA,Ex)=
1 0< BA≤ 2.5
1- (ln(BA)- f3(Ex))
2
(ln(BA)+ f3(Ex))2
2.5< BA≤ 50<
=
=0 50< BA≤ 150
(21)
δ(BA,Ex)=
0 0< BA≤ 2.5
1- (ln(BA)- f4(Ex))
2
(ln(BA)+ f4(BZ))2
2.5< BA≤ 50<
=
=1 50< BA≤ 150
(22)
式中,BA为实测值;f3(Ex)和 f4(Ex)表示由第 1和第 3层关系式计算的 BA值,分别由(16)式和(17)式计算;2.5为第 3
层关系的 δ集合中实测 BA数据的最小值;50为第 1层关系的 γ集合中实测 BA数据的最大值。
根据(21)、(22)式,有如下判别规则:对于实测点(BA,Ex),当 γ(BA,Ex)≥δ(BA,Ex)时,则(BA,Ex)∈γ,其生态系统健
康分指数 EHI(Ex)应由公式(18)计算;当 γ(BA,Ex)<δ(BA,Ex)时,则(BA,Ex)∈δ,其生态系统健康分指数 EHI(Ex)应由
(19)式计算。
2.2.5 扩展指标 Exst的生态系统健康分指数 EHI(Exst)的计算 结构能质(structuralexergy)(Exst)计算公式[31]如下:
Exst= Σ CiCtWi (23)
式中,Exst为结构能质(J/mg);Ct为参加计算的所有有机成分的总浓度或生物量(mg/L);Ci和 Wi同(15)式。
意大利湖泊结构能质(Exst)的计算结果及其与浮游植物生物量(BA)的相互关系见图7。通过回归分析确定其关系式如下:
ln(BA)= 5.1119- 0.0688× (Exst) (24)
将(24)式代入(5)式可得到扩展指标 Exst的生态系统健康分指数 EHI(Exst)的计算公式:
EHI(Exst)= 10× (5.2425- 0.94948× (5.1119- 0.0688× (Exst))) (25)
图 7 BA与 Exst的相关关系
Fig.7 RelationshipsbetweenBAandExstinItalylakes
2.2.6 生态系统健康指数及各参数分级标准 根据上述各指
标的生态系统健康分指数计算公式,可得到意大利湖泊生态系
统健康的完整指数及各有关参数的分级标准(见表 2)。
2.3 各分指数权重 ωi的计算
湖泊生态系统健康状态受多种因子影响,并且不同因子的
影响程度可能不同;因此,必须确定因子的权重。目前,确定因子
权重的方法主要有经验法、专家咨询法、层次分析法、主成分分
析法和相关加权指数法等。考虑到经验法过于简单、专家咨询法
过于耗时、层次分析法必须判断因子相对重要性、主成分分析法
必须进行多因子选择等原因,本研究利用相关加权指数法确定
各因子的权重,即利用各指标与基准指标的相关关系来确定其权重。各指标归一化权重计算公式[36]如下:
ωi=
r2i1
Σ
m
i=1
r2i( )1
(26)
式中,ωi为第 i个因子的权重值;ri1是第 i个指标与基准指标 BA的相关系数;m为评价因子个数,本研究 m=5。
各指标与基准指标BA的相关系数计算结果见表 3。由于扩展指标BZ和Ex与BA具有两层相关关系,在计算时必须首先
判断其属于哪一层相关关系,然后选择对应的相关系数参与权重的计算。
2.4 意大利湖泊生态系统健康状态的定量评价结果
作为应用实例,本文仅对 1988年夏季意大利西西里 30个湖泊以及 1987～1988四季湖泊 Soprano的健康状态进行定量评
价和比较,其结果分别见表 4和表 5。
由表 4可以看出,1988夏季,意大利湖泊生态系统健康指数值 EHI的变化范围为 12～60.5,健康状态从较好到很差;其中
以湖泊 Ogliastro的健康状态最好,EHI最大;湖泊 Disueri的健康状态最差,EHI最小。在 30个湖泊中,20个湖泊处于中等健
康状态,6个湖泊的健康状态较差,3个湖泊达到了很差的健康状态,只有 1个湖泊的健康状态较好。
17416期 赵臻彦 等:湖泊生态系统健康定量评价方法
表 2 意大利湖泊生态系统健康指数及各有关参数的分级标准
Table2 CompletedecosystemhealthindexanditsassociatedparametersaswelastheirstandardsforItalylakes
EHI
健康状态*
Healthstate
BA(mg/L) BZ(mg/L)① BZ(mg/L)② BZ/BA Ex(J/L)① Ex(J/L)② Exst(J/mg)
0 150 60.7 0.001319 3434.7 1.47
10 很差 Worst 52.3 12.81 0.004576 1185.3 16.78
20 18.3 62.9 2.71 0.01588 8385.6 409.02 32.10
30 较差 Worse 6.37 16.84 0.5713 0.0551 2334.3 141.15 47.42
40 2.22 4.512 0.1206 0.191 649.8 48.71 62.73
50 中等 Fair 0.775 1.209 0.663 180.9 78.05
60 0.271 0.324 2.30 50.36 93.36
70 较好 Better 0.094 0.0868 7.98 14.02 108.68
80 0.033 0.0233 27.7 3.9023 124.00
90 很好 Best 0.011 0.00623 96.1 1.0863 139.31
100 0.004 0.00167 333 0.3024 154.63
①代表第 1层相关关系 Thefirstrelationship;②代表第 3层相关关系 Thethirdrelationship
表 3 意大利 31个湖泊 BA与其它指标的相关系数
Table3 StatisticcorrelativeratiosbetweenBAandeachindicators
相关指标
Indicator
ln(BA)-
ln(BA)
ln(BA)-
ln(BZ)①
ln(BA)-
ln(BZ)②
ln(B-
ln(BZ/BA)
ln(BA)-
ln(Ex)①
ln(BA)-
ln(Ex)②
ln(BA)-
(Exst)
样本数 Samplenumber 114 95 19 114 95 19 114
rij 1 0.702 0.563 -0.731 0.717 0.829 -0.699
r2ij 1 0.4928 0.3170 0.5344 0.5141 0.6872 0.4886
①代表第 1层相关关系 Thefirstrelationship;②代表第 3层相关关系 Thethirdrelationship
表 4 1988夏季意大利湖泊生态系统健康状态定量评价与比较结果
Table4 QuantitativeassessmentandcomparisonofecosystemhealthstatesforItalylakesinsummer,1988
湖泊名称
Lakename
EHI(BA) EHI(BZ) EHI(BZ/BA) EHI(Ex) EHI(Exst) EHI
健康状态
Healthstate
排序(好→差)
Order(good→bad)
Ogliastro 63.6 52.3 61.5 52.6 69.4 60.5 较好 Better 1
Fanaco 60.4 49.6 61.7 49.8 69.9 58.6 中 Fair 2
Ancipa 60.6 56.1 55.0 56.5 52.8 56.9 中 Fair 3
Prizzi 55.3 43.2 64.1 43.2 74.7 56.0 中 Fair 4
Vasca 55.3 44.5 62.8 44.5 72.2 55.7 中 Fair 5
Comuneli 56.5 50.6 57.4 50.8 59.5 55.2 中 Fair 6
Nicoletti 54.2 50.0 56.0 50.2 55.6 53.4 中 Fair 7
Garcia 52.8 48.3 56.7 48.4 57.5 52.8 中 Fair 8
Cesaro 50.6 41.9 61.6 41.9 69.5 52.7 中 Fair 9
Poma 50.0 45.1 57.7 45.2 60.2 51.4 中 Fair 10
Pozzilo 51.4 52.4 51.2 52.5 42.0 50.2 中 Fair 11
Vilarosa 45.6 42.5 56.7 42.5 57.4 48.4 中 Fair 12
Rosalia 48.6 52.9 48.2 53.0 33.8 47.6 中 Fair 13
Trinita 42.5 37.6 59.2 37.5 64.0 47.3 中 Fair 14
Dirilo 46.0 51.6 47.4 51.6 31.7 45.8 中 Fair 15
Gela 48.1 59.7 40.6 59.5 17.4 45.6 中 Fair 16
Olivo 47.3 57.0 42.7 56.9 21.3 45.5 中 Fair 17
Llbanesi 40.2 43.7 50.8 43.6 41.0 43.3 中 Fair 18
Castelo 34.7 31.2 59.4 30.8 64.6 42.6 中 Fair 19
Rubino 41.4 51.6 43.5 51.3 22.8 42.1 中 Fair 20
Guadalami 34.9 36.3 54.2 36.1 50.6 41.3 中 Fair 21
Cimia 33.0 40.2 48.5 39.9 34.6 38.3 较差 Worse 22
Scanzano 33.8 42.9 46.3 42.6 29.1 38.2 较差 Worse 23
Giovanni 33.9 45.5 43.6 45.1 23.0 37.6 较差 Worse 24
Leone 31.4 41.7 45.5 41.3 27.2 36.6 较差 Worse 25
Gorgo 34.6 26.4 37.9 28.5 13.5 29.4 较差 Worse 26
Gammauta 28.2 21.1 39.2 20.9 15.2 25.7 较差 Worse 27
Arancio 11.8 29.6 14.6 21.9 2.0 15.3 很差 Worst 28
Soprano 11.8 24.4 21.2 19.2 3.0 15.3 很差 Worst 29
Disueri 6.2 23.2 18.0 15.2 2.4 12.0 很差 Worst 30
表 5表明,湖泊 Soprano生态系统健康指数值 EHI的变化范围为 15.3～41.3,健康状态从中等到很差,其中在冬季最好,
2741 生 态 学 报 25卷
秋季次之,夏季最差。
表 5 1987～1988年四季 Soprano湖生态系统健康状态定量评价与比较结果
Table5 QuantitativeassessmentandcomparisonofecosystemhealthstatesforlakeSopranoin1987～1988
季节
Season
EHI(BA) EHI(BZ) EHI(BZ/BA) EHI(Ex) EHI(Exst) EHI
健康状态
Healthstate
排序(好→差)
Order(good→bad)
冬 Winter 35.6 41.2 49.6 40.9 44.1 41.3 中 Fair 1
秋 Fal 40.2 52.2 41.9 51.9 19.7 41.1 中 Fair 2
春 Spring 27.8 22.1 37.6 22.0 13.1 25.3 较差 Worse 3
夏 Summer 11.8 24.4 21.2 19.2 3.0 15.3 很差 Worse 4
3 结论与讨论
本文提出的生态系统健康指数(EHI)法可用于同一湖泊不同时空以及不同湖泊之间的健康状态的定量评价与比较。该方
法以湖泊生态系统的实际特征为基础,原理简单,计算简便,结果可靠、直观,解决了目前湖泊生态系统健康定量评价的难
题[34],是一种值得推广的定量评价方法。
由于实际数据的限制,本文中能质(Ex)与结构能质(Exst)的计算仅考虑了浮游植物和浮游动物,而没有考虑诸如细菌、水
生植物、底栖动物及鱼类等其它湖泊生物。建议在做类似研究时,应利用尽可能多的湖泊生物成分计算Ex和Exst,以便得到更
符合实际的评价结果。
本文提出的方法,可较好应用于藻型湖泊。对于非藻型湖泊,如湖泊 Pergusa,其夏季藻类生物量很低,而浮游动物生物量
却非常高,如何应用该方法进行评价,需做进一步研究。
从文中意大利湖泊各扩展指标 BZ、BZ/BA、Ex、Exst与基本指标 BA的关系式中可以看出,随着 BA的增加,BZ/BA和
Exst具有减少的趋势;而 BZ和 Ex的变化则较为复杂,表现为增加→减少→增加。这与许多湖泊生态研究结果[42～46]相似。在
湖泊富营养化的初始阶段,随着BA的增加,由于可以获得充足的食物,BZ也随之增加。当湖泊发展到严重富营养化阶段,藻类
爆发并以大型藻类为主,BZ反而减少,并且主要为小型浮游动物;这也许因为毒性藻类的出现以及小型浮游动物啃食大型藻
类的困难。随着富营养化程度的进一步增加,适应新环境的浮游动物种群将会增加,这就导致 BZ随 BA增加而再次增加。BA
和 BZ的这些变化,造成了 BZ/BA、Ex、Exst的上述变化[46]。
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