丹江口水库生态系统健康评价体系研究
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摘要
基于生态学和环境科学原理，运用压力-状态-响应（PSR）概念模型，从区域的压力特征、物理化学特征、生物特征、生态景观特征、生态功能特征及响应特征等方面，筛选能确切反映丹江口水库生态系统健康状况的评价指标，建立丹江口水库生态系统健康评价体系，为湖泊生态环境建设和恢复提供依据。
关键词丹江口水库；PSR模型；评价体系；生态系统
中图分类号S181.6文献标识码A文章编号0517-6611（2015）24-373-03
目前，我国大多数湖泊都出现不同程度的退化，对湖泊生态系统进行健康评价已成为重要课题。生态系统健康（Ecosystem health）是指一个生态系统所具有的稳定性以及维持其系统结构、自身调节和对压力的自我恢复能力。生态系统健康的提出虽然只有几十年的历史，却受到国内外学者广泛的关注，曾多次举办相关的国际会议，成立专门的研讨组织，并且出现了专门以生态系统健康命名的国际杂志[1]，对水生态系统——海岸、海洋、湖泊、河流和湿地，以及部分陆地生态系统——草原、森林等进行了相关研究。目前，国内对湖泊生态系统健康评价的研究较多，如云南滇池、三峡库区、杭州西湖等[2-5]，由于南水北调中线工程的建设，一些专家学者开始关注丹江口水库的生态环境[6]，使其成为研究热点区域。笔者基于生态学和环境科学原理，运用压力-状态-响应（PSR）概念模型，从区域的压力特征、物理化学特征、生物特征、生态景观特征、生态功能特征及响应特征等方面，筛选能确切反映丹江口水库生态系统健康状况的评价指标，建立丹江口水库生态系统健康评价体系，以期为南水北调中线总干渠特别是丹江口水库的生态环境及生物多样性保护以及湖泊生态环境建设和恢复提供参考依据。
1研究区概况
丹江口水库位于河南省淅川县东南部，坐落于河南省与湖北省交界处。北邻淅川县马蹬镇，南临湖北省丹江口市和老河口市，东至淅川县厚坡镇和九重镇，西临淅川县仓房镇。地理坐标为32°55′～33°23′ N，110°58′～111°53′ E。地处亚热带向暖温带过渡地区，年平均气温15.8 ℃，极端最高温度42.6 ℃，极端最低温度-13.2 ℃，≥0 ℃的积温达5 600 ℃以上，≥10 ℃的年积温平均为5 123.2 ℃，无霜期228 d；年平均降水量为804.3 mm。境内河流有丹江和灌河，湖泊有丹阳湖，为人工淡水湖。由于其独特的自然地理条件和区位优势，野生动植物资源丰富，可以称得上是该地区的“生态宝库”，具有较高的生产力和丰富的生物多样性。
2研究方法
2.1指标体系法
湖泊生态系统健康评价需要结合生物学、湖泊学、环境科学、水文学和化学的研究方法和手段，主要包括以下几个方面：①选择不同生态系统的物种类型；②考虑不同尺度下的湖泊生态特征；③湖泊生态系统内应考虑到不同物种间的相互作用以及物种在不同尺度下的监测特征。因此，湖泊生态系统健康评价必须建立一套指标体系，对大量复杂的指标信息进行筛选，在对应的指标体系中进行系统的评价[7]。
采用指标评价体系对湖泊生态系统健康状况进行评价，可以通过湖泊生态系统的不同属性指标反映湖泊生态系统的变化特征；从湖泊生态系统的物理化学指标、生物指标、景观指标及功能指标等方面，来衡量生态系统健康状况，使自然生态系统与人类社会相互协调、和谐共生，为湖泊生态系统环境建设和恢复提供依据。
2.2压力-状态-响应（PSR）评价模型
PSR（Pressure-State-Response）为压力-状态-响应评价模型。PSR模型是生态系统健康评价中常用的评价模型，该模型最初由加拿大统计学家David J.Rapport和Tony Friend于1979年提出，之后由经济合作与发展组织（OECD）和联合国环境规划署（UNEP）于20世纪八九十年代发展起来的用于研究环境问题的评价体系。其中，压力指标表示人类的社会经济活动对自然生态环境的影响，如人类对自然资源的掠取、人类活动所排放的污染物对环境的影响；状态指标表示某个生态环境和自然环境在某一时间段的环境变化情况；响应指标是指社会和个人采取措施来预防、减轻及恢复人类活动对自然生态环境的破坏。该研究运用PSR评价模型来构建丹江口水库生态系统健康评价指标体系[8]。
3生态系统健康评价指标体系的构建
3.1评价指标体系框架
结合研究区评价指标的选取原则，建立指标体系框架，可分为3个层次。第1层是目标层，即生态系统健康综合评价；第2层是评价准则层，即评价目标具体由哪些方面决定，由压力指标、状态指标、响应指标构成；第3层是要素层，即每一个评价方面都由哪些因素或指标构成。
3.2评价指标选取原则
指标体系的构建是生态系统健康评价的关键。丹江口水库生态系统是一个比较复杂的系统，土地类型多样，涉及丹江湿地国家自然保护区、饮用水水源保护区。丹江口水库生态系统健康评价研究所用的指标较多，但在实际工作中，采用的评价指标过多会给湖泊生态系统健康评价增加不必要的负担。因此，需要在较多的评价指标中进一步梳理出具有代表性、能确切反映丹江口水库生态系统健康状况的评价指标。在筛选指标时主要考虑目的性、科学性、生态功能兼顾性等原则[9]。
3.2.1
目的性原则。
湖泊生态系统健康是保证湖泊生态系统维持其自身生态功能及服务功能的前提，从湖泊的结构、功能、水质特征、环境管理等不同方面进行评价，引导区域社会进行合理的开发利用活动，为湖泊生态系统的健康提供前提和基础，使湖泊生态健康水平不断提高。
3.2.2
科学性原则。保持自然生态系统的生态环境功能，满足区域可持续发展对生态环境的要求，是湖泊生态健康评价的主要目的和根本任务。因此，湖泊生态系统健康评价应遵循湖泊生态学和生态环境保护的基本原理，从自然与社会和谐发展角度出发，使选取的评价指标具有湖泊生态学依据，遵循生态系统基本规律，按照湖泊生态环境的客观实际、湖泊生态系统特征进行相应的评价研究和保护工作。
3.2.3
生态功能兼顾性原则。湖泊生态系统有净化水质、调节水文、物质生产、美化景观等多种功能，评价时应兼顾各种功能之间的共性和各自特殊性。湖泊生态系统健康评价需要统筹考虑湖泊生态系统的复杂化、生态系统功能的多样化、社会对湖泊生态系统直接或间接的影响等多方面因素。
3.2.4
定量与定性相结合原则。确定湖泊生态系统健康评价的部分指标很难做到完全定量评价，而部分指标采用定性评价则更具有其合理性。因此，要充分考虑湖泊生态系统相关资料的掌握情况，采用定量与定性评价相结合的原则更为适合。
3.2.5
系统整体性原则。湖泊生态系统健康评价选择的指标需要构成一个完整的评价指标体系，该体系应包含反映湖泊生态系统健康的主要指标，避免评价体系中的指标过于繁多和复杂。
3.2.6
可操作性原则。选择湖泊生态系统健康评价的指标必须实用，便于操作，既方便科学研究人员操作使用，又便于林业部门、水利部门及环境管理部门的工作人员实施和管理。
3.3评价体系的建立
影响丹江口水库生态系统健康状态的因素包括自然和人为因素两部分，每一部分都包含多个影响因素，故建立指标体系时需要选择最具代表性、对湖泊生态环境敏感的因子，使评价指标既客观、科学，又体现其生态地域特征。该研究以上述原则为指导，搜集了研究区相关的多方面资料，充分考虑研究区的地域特征及实际调查情况，从区域的压力特征、物理化学特征、生物特征、生态景观特征、生态功能特征及响应特征等方面，筛选出31个指标，构成了丹江口水库生态系统健康评价指标体系[10]。由表1可知，该指标体系分为3个层次，分别为目标层、准则层、要素层。
43卷24期孙 鹏等丹江口水库生态系统健康评价体系研究
3.4评价指标的意义
3.4.1
压力特征指标。人口自然增长率C1：反映丹江口水库周围的人口压力指标，通过研究区域所维持的人口数量变化，反映丹江口水库区域所受的外部环境压力。
土地利用强度C2：反映研究区的人类活动压力指标，通过人类活动对丹江口水库的干扰程度来表示，反映研究区所受的外部压力。人类干扰指数=（旱地面积+建设用地面积+人工湿地面积）/研究区域总面积。
旅游影响强度C3：以丹江口水库的游客增长率来反映旅游影响强度的变化特征，旅游影响强度=（年游客流量增长人次/上一年游客流量）×100%。
农药化肥施用强度C4：反映研究区遭受人类污染的程度，是丹江口水库生态系统健康的一项外部环境压力反映指标，以丹江口水库区域每年每公顷的农药化肥使用量来表示。自然灾害C5：反映丹江口水库生态系统受到外部自然灾害影响状况。
3.4.2
物理化学指标。水质等级C6：反映研究区水质状况，从丹江口水库水质、饮用水水质两方面来衡量丹江口水库的水质特征。丹江口水库作为南水北调中线总干渠的渠首水源地，负责供应河南、河北、天津、北京的饮用水，参照《地表水环境质量标准》（GB 38382002）Ⅱ类标准对丹江口水库水质进行评价。
湖泊富营养化程度C7：以丹江口水库中氮磷的含量反映其富营养化程度。
湖泊淤积度C8：反映丹江口水库的稳定状况及泥沙的淤积程度。丹江口水库作为南水北调中线水源所在地，泥沙淤积既会影响水源地水质，又会影响下游汉江、长江的泄洪能力。土壤性状C9：反映丹江口水库非生物组分的特征，其土壤养分、有机质含量可以影响丹江口水库生态系统植被的生长状况。
3.4.3
生物指标。生物多样性C10：用丹江口水库水生态系统的动物、植物、微生物种类占整个生物地理区生物种类的百分比来衡量。
初级生产力水平C11：反映丹江口水库生态系统的活力，采用研究区域林地、灌丛、草地和水域湿地生态系统的生物量来衡量。
物种濒危状况C12：以丹江口水库物种的珍稀程度、状况来确定。丹江湿地自然保护区有黑鹳、丹顶鹤等国家一级保护野生动物3种，大鲵等国家二级保护动物36种，连香树等国家二级保护野生植物12种。
湖边植被覆盖率C13：反映丹江口水库的生态健康状况，是丹江口水库生物多样性、水土保持、调节气候等多项生态功能的综合体现。湖泊受威胁状况C14：反映丹江口水库区域人类的各种扰动影响，主要包括过渡农业抽水灌溉、过渡捕捞、植被破坏、过渡开垦等人类影响。
湿地生态保证率C15：反映丹江口水库的水文条件，以丹江湿地生态补给可利用水量占水库需水量的比例来衡量丹江湿地生态的保证水平，反映丹江口水库生态系统健康水平。
3.4.4
生态景观指标。斑块个数C16：是衡量丹江口水库生态景观状态最基本的指标。
平均斑块面积C17：代表生态景观类型的一种平均状况，该指标能反馈较丰富的湖泊景观的生态信息，是反映丹江口水库生态景观异质性的关键指标。
景观多样性指数C18：指景观要素或自然生态系统在功能、结构以及随时空变化的多样性，该指标反映丹江口水库生态景观类型的复杂度和丰富度。
景观破碎度指数C19：决定了丹江口水库生态景观分析和研究的最大程度，在丹江湿地自然保护区和湖泊景观生态建设中，对于维护丹江口水库物种的数量，维持区域自然稀有物种、濒危物种以及自然生态系统的稳定具有重要的作用。
景观均匀度指数C20：反映湖泊生态景观中各斑块在区域面积上分布的不均匀程度，其值越大，表明丹江口水库生态景观各组成成分越均匀。
3.4.5
生态功能指标。文化教育功能C21：反映丹江口水库的科研价值和教育意义。丹江口水库生态类型多样，物种丰富，作为南水北调中线总干渠水源保护地，有非常大的文化教育意义和巨大的科研价值。
物质生产功能C22：丹江口水库最为主要的一项物质生产功能是水产品生产，采用水库年捕捞收获量来表示。
调控水文功能C23：通过丹江口水库筑堤、建设滞洪区等，为人类提供饮用水，为工业、农业提供用水，以供水变化率来表示。
观光旅游功能C24：以丹江口水库景观美学价值的高低、旅游活动以及生态旅游日的增减情况来表示。
水土流失控制C25：以区域水土流失面积来衡量，主要是防止丹江口水库周围土壤被水侵蚀，以维持湖泊生态系统的健康。
3.4.6
响应指标。
政策法规贯彻力度C26：考虑到丹江口水库对南水北调中线沿线区域的重要性，以接受国家地方政策法规的人口占总区域人口的比例表示。
水源保护意识C27：主要反映丹江口水库周围居民对水源地保护的意识，在日常生活、工作中禁止污染水源地的不文明行为。
环保投资指数C28：是研究区域生态系统社会经济恢复力的一项重要指标，通过丹江口水库的环境保护治理效果，来反映丹江口水库生态环境保护和改善情况，以水利建设、环保投入占GDP的比重来表示。
污水处理指数C29：也是反映生态系统社会经济恢复力的一项指标，以丹江口水库区域工业、生活用水的污水处理率来表示。
湖泊管理水平C30：反映人类的生态保护意识及管理政策的科学性，采用定性方法，以丹江口水库管理人员的整体水平来衡量。
周边人口素质C31：以丹江口水库周围文盲人数占区域人口的百分比来表征。
4结语
根据丹江口水库的区域和生态特点，从湖泊和陆地两方面考虑整个区域的生态环境健康，从区域的压力特征、物理化学特征、生物特征、生态景观特征、生态功能特征及响应特征等方面筛选评价指标，建立丹江口水库生态系统健康评价指标体系，为湖泊生态环境建设和恢复提供依据。
目前，地方相关管理人员和群众对丹江口水库的生态环境管理和丹江湿地国家级自然保护区的生态保护做了大量工作，较好地维持了丹江口水库的自然环境和生态功能。为提高丹江口水库生态系统的健康水平，有待于继续加强保护和管理，这取决于管理人员对威胁丹江口水库的压力影响因素的控制，并对丹江口水库实施更好的保护及管理。
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