CN109685318A - 基于生态系统完整性的河流水生态健康评价方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于生态系统完整性的河流水生态健康评价方法及其应用。本发明方法确立了鱼类生物完整性、物理完整性、化学完整性以及生境完整性四部分，共50个指标体系以反映水生态健康状况。通过对候选指标的主成分分析筛选出对评价结果贡献率高的指标，通过Pearson相关性分析，选取指标间相互独立、信息重叠程度低、相关系数小的指标作为构建生态完整性评价体系的核心指标，并对核心指标进行标准化，运用层次分析法分别赋予权重，加和平均得出水生态健康评价的最终得分及评价。本发明弥补了传统的水体理化性质指标仅能反应河流水质状况的弊端，也同样弥补了通过河流生物特性评价河流健康状况的不足，能够体现人为干扰对生境破坏的长期累计效果。
Description
技术领域
本发明涉及河流生态系统完整性评价的技术研究领域，涉及一种基于鱼类生物完整性且包括水体物理完整性、化学完整性、生境完整性在内的水生态健康评价方法及其应用。
背景技术
随着社会的发展，人类对河流水资源的利用率越来越高，河流生态系统稳定性遭到严重破坏。水质污染、栖息地环境破坏及三生物多样性丧失等诸多问题频繁出现。针对这一现象，越来越多的国内外学者开始关注河流健康并开展对其进行健康评价的研究。河流评价始于20世纪中期，目前关于河流生态系统健康评价的方法有很多，最初主要是对水体生物需氧量、化学需氧量以及大肠菌群数量等的测定，但这种方法较片面，不能准确反映河流的总体状态。后来，Karr等于1981年提出了生物完整性的定义，建立了鱼类生物完整性指数(Fish Index of Biological Integrity , F-IBI)，应用生物信息对河流生态系统完整性进行评估。1999年，Ladson提出溪流状态指数（Index of Stream Condition, ISC），从水文、物理、河岸带状况、水质、水生生物特征5个方面来评价澳大利亚河流的健康状况。Wright J F等于2010年提出O/E指数，运用河流无脊椎动物预测与分类系统（RIVPACS）模型计算物种观测值(O)和期望值(E)的比值，从而反映所调查点位的健康状况。2010年Stevenson R J等以硅藻为研究对象提出单因子评价，选择5个评价指标分别对河流健康进行评价。
由于河流的生物完整性并不等同于河流的生态系统健康，生物信息只能反映河流生物类群的状况，而无法准确指示水生态环境质量的优劣，使得目前普遍使用的应用生物信息指示河流健康状况的方法存在一定的缺陷。
比如，鱼类是最先作为指示生物评价河流的健康状况，其生物等级高，在食物链中的地位和对水质的灵敏程度高，能够综合表征河流水生态健康状况，是评价河流健康较适宜的指标。但近年来，中度干扰假说愈发受到人类的关注，在中等程度干扰的情况下，鱼类生物量反而是较多的，因此，仅以生物群落作为河流健康状况的评价依据，结果往往有失偏颇。
发明内容
本发明要解决的技术问题，是针对目前应用生物完整性评价不能准确指示河流健康状况的现状，提供一种基于生态系统完整性的河流水生态健康评价方法及其应用。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
本发明以淡水生态系统中的鱼类生物完整性指标体系及其水环境物理完整性指标体系、水环境化学完整性指标体系及水环境生境完整性指标体系为监测对象，根据各指标的变化，表征人为干扰作用下的水质污染和生境退化对河流生态系统的影响情况，为水生态系统健康评价体系提供一套有效的技术体系。
所述方法包括三个关键步骤：
S1.基于生态系统结构特征，整合生态系统全部生物要素和环境要素，通过遥感-实测-人工解译-智能分析模型，实现河流生态系统健康评价的全面性、准确性及可靠性；
S2. 四大体系权重比；
S3. 评价标准等级化；
其中，步骤S1所述基于生态系统结构特征，整合生态系统全部要素（生物和环境），通过遥感-实测-人工解译-智能分析模型，实现河流生态系统健康评价的全面性、准确性及可靠性；
其中，所述基于河流生态完整性，整合生态系统全部要素是综合鱼类生物完整性、水环境物理完整性、水环境化学完整性及水环境生境完整性四部分指标体系，反应河流生态系统生物、物理、化学及生境的不同层面。
优选地，所述四大体系指标类型具体包括50个候选指标，所述50个候选指标为：
鱼类完整性指标体系包括雅罗鱼亚科个体百分比（%）、鳑鲏亚科个体百分比（%）、鮈亚科个体百分比（%）、鲤亚科个体百分比（%）、鳅科鱼类个体百分比（%）、鰕虎鱼科鱼类百分比（%）、本地特有鱼种（葛氏鲈塘鳢）百分比（%）、经济鱼类个体百分比（%）、肉食性鱼类数量比例（%）、植食性鱼类数量比例（%）、杂食性鱼类的数量比例（%）、敏感性物种百分比（%）、耐污物种百分比（%）、中上层鱼类个体百分比（%）、中下层鱼类个体百分比（%）、底层鱼类个体百分比（%）、冷水鱼百分比（%）、有护卵行为鱼类个体百分比（%）共20个候选指标；物理完整性指标体系包括pH、电导率（Cond）、盐度（S）、水温（T）、溶解氧（DO）、总溶解固体（TDS）及悬浮物（SES）共7个候选指标；化学完整性指标体系包括氯离子（Cl-）、氨氮（NH4 +-N）、总氮（TN）、总磷（TP）、活性磷（PO4 3-）、硬度（HAR）、高锰酸盐指数（CODMn）、亚硝酸态氮（NO2-N）、硝酸态氮（NO3-N）、总有机碳（TOC），总无机碳（TIC）及总溶解碳（TDC）共12个候选指标；生境完整性指标体系包括流速（CV）、流量（FLO）、水深（WD）、河宽（W）、底质含沙量（SC）及土地利用方式含缓冲区流域面积（TOT）、森林面积（FA）、草地面积（GA）、建设用地面积（CLA）、水田面积（PFA）和旱田面积（FIE）共11个候选指标；
本发明确定的指标体系能够综合反映鱼类生物群落、水体理化性质及生境的变化对河流生态系统的影响，可以确保有的效监测水生态健康功能状况。
其中，通过遥感-实测-人工解译-智能分析模型，实现河流生态系统健康评价的全面性、准确性及可靠性；
优选地，所述遥感-实测-人工解译-智能分析模型具体是：土地利用方式的获取是基于遥感技术（RS），结合上游区域的土地利用特征，以左右岸800米为界与土地利用数据叠加分析获得；生物、物理及生境完整性指标体系是通过现场实测与实验室实测相结合的方法获取；经过人工解译初步筛选指标，结合软件Canoco4.5进行主成分分析（PCA）以及软件Spss2.0进行Pearson相关性分析筛选核心指标，利用标准化方法并进行数据智能分析。
步骤S1所述智能分析方法包括主成分分析（PCA）、Pearson相关性分析以及标准化方法；
其中，所述主成分分析（PCA）是选取轴1或轴2的贡献率P>0.6的指标；
优选地，所述主成分分析（PCA）是保留轴1或轴2特征贡献率P>0.6的指标，即保留对评价结果贡献率较大的指标，删除轴1和轴2的特征贡献率均小于0.6的指标；
其中，Pearson相关性分析是依照相关性显著性水平判断生物间的信息重叠程度，如果指标间的信息重叠程度较高，则删除其中一个指标；
优选地，依据相关性显著性水平，判断信息间的重叠程度；生物完整性的相关系数为|R|<0.9，物理完整性、化学完整性、生境完整性的相关系数为|R|<0.7，如果超过R值，则保留其中一个指标即可。
其中，标准化方法分为两种方法，目的是为了统一量纲；
优选地，所述标准化方法分为两种：对于随干扰增强而数值减小的指标，以其95th分位数为期望值记分；对于随干扰增强而数值增加的指标，以其5th分位数为期望值记分。
所述计算指标分值的计算公式分别为：
Fij=Xij /Xi95×100
Fij=（Xmax-Xij）/（Xmax-Xi5）×100
式中，Fij为原始观测值；Xij为j个采样点的第i个指标的标准化指数；Xi95为全部采样点中第i个指标95th分位数的原始观测值；Xmax为全部采样点中的最大值；Xi5为全部采样点中第i个指标5th分位数的原始观测值。
步骤S2所述四大体系权重比运用层次分析法对四部分指标体系进行权重，赋予鱼类生物完整性、物理完整性、化学完整性、生境完整性分别为40%、20%、20%、20%的权重，并进行加和平均得出生态系统完整性的河流水生态健康评价的得分。
步骤S3所述评价标准等级化是以大于90th分位数作为健康的标准；将小于90th分位数的部分进行三等分，即60th~90th为较好的标准；30th~60th为一般的标准；小于30th为较差的标准，最终得出水生态健康评价的结果。
本发明提供的所述方法在淡水生态系统评估方面的应用，应用本发明方法，可以对河流、湖泊为代表的内陆淡水生态系统进行科学、综合的水体质量监测和生态环境评价。
本发明的有益效果在于：
生态系统是一个完整的体系，包括生物因素和非生物因素，本发明以河流鱼类群落完整性为基础，结合水环境物理完整性、水环境化学完整性及水环境生境完整性对河流健康状况进行评价，因此该方法是一种更为有效和可靠的健康评价方法。本发明建立基于鱼类生物完整性且包括水体物理、化学、生境完整性的水生态健康评价方法既包括与周围环境关系密切的、受干扰后反应敏感的多个生物指标又包括对环境变化响应较快的理化指标，即从多方位、多角度对河流健康状况进行了检测。
本发明评价体系有效弥补现有传统的水体理化指标只能反映瞬时水质状况的缺点和技术不足；同时对生物完整性健康评价进行了补充，能够体现人为干扰对生境破坏的累积效果，预测多重污染胁迫下的有害生物效应，是一种经济、定量、智能、多指标体系的综合手段，为评价各个监测点位及整个流域的生态健康状况提供有力的技术支撑。
本发明方法具有指标全面、适用面广、操作简单等优点，在水生态评价技术领域具有重要推广应用价值。
附图说明
图 1是本发明方法流程示意图；
图 2是鱼类生物完整性主成分分析图；
图 3是物理完整性主成分分析图；
图 4是化学完整性主成分分析图；
图 5是生境完整性主成分分析图；
图 6是水生态健康评价结果分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明方法。下述实施例和附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。除非特别说明，下述实施例中选用的评价河流为随机选取，并不因此限定本发明应用范围和对象。本发明方法中使用的试剂原料为常规或商业途径获得的生试剂原料，除非特别说明，下述实施例中使用的方法和设备为本领域常规使用的方法和设备。
实施例1对浑太河流域生态系统进行水生态健康评价
按照本发明方法，选定浑太河流域生态系统进行健康评价
本发明所述基于生态系统完整性包括鱼类生物完整性、物理完整性、化学完整性及生境完整性的水生态健康评价方法，方法流程（步骤）如图1所示，
其体系构建过程及健康评价标准如下：
S1. 基于河流生态完整性，整合生态系统全部要素，通过遥感-实测-人工解译-智能分析模型，实现河流生态系统健康评价的全面性、准确性及可靠性；
（1）对浑太河流域共设置65个采样点，太子河41个点位（T1-T36，T39-T43），浑河25个点位(H1-H16，H18-H25)。对鱼类生物完整性指标体系进行采集，分类与鉴定，本次调查共采集鱼类11920尾，分为10科33属40种，其中，鲤科最多，占物种数的47.5%，其次是鳅科、鰕虎鱼科，它们分别占物种数的12.5%和7.5%。浑太河流域的常见种是北方条鳅(Nemachilusnudus Bleeker)、洛氏鱥（PHoxinus Lagowskii Dybowski）、棒花鱼(Gobio gobiorivuloides Nichols)。pH、电导率（COND）、盐度（S）、水温（T）、溶解氧（DO）、总溶解固体（TDS）采用水质分析仪（YSI 85）现场获取数据；流速（CV）、流量（FLO）、水深（WD）采用流速仪(FP111)获取数据；河宽（W）使用测距仪(Leupold ＲX-IV)获取数据；其他指标根据GB3838—2002《地表水环境质量标准》于实验室内测定。土地利用方式的获取基于遥感技术（RS），根据研究区的实际情况以及参考2007年《土地利用现状分类》，结合上游区域的土地利用特征，以左右岸800米为界与土地利用数据叠加分析获得。
选用鱼类群落候选指标20个、物理候选指标7个、化学候选指标12个、生境候选指标11个，以上候选指标的变化能够对河流生态系统的健康状况产生影响，可以确保有效的监测水生态健康功能状况。
（2）对候选指标进行主成分分析（PCA），选取轴1或轴2的贡献率P>0.6的指标，删除轴1和轴2 的特征贡献率P＜0.6的指标。在鱼类生物完整性的PCA分析中（图2），鱼类总分类单元数和总渔获量两个指标的贡献率P>0.6，其余十八个指标的贡献率P＜0.6，均不符合条件；在物理完整性的PCA分析中（图3），电导率、盐度及总溶解固体三个指标的贡献率P>0.6，其余四个指标的贡献率P＜0.6；在化学完整性的PCA分析中（图4），氨氮、硝酸态氮、总氮及总溶解碳四个指标的贡献率P>0.6，其余指标均不符合条件；在生境完整性的PCA分析中（图5），缓冲区流域面积、森林面积、建设用地面积、水田面积、旱田面积、水深、流量及底质含沙量八个指标的贡献率P>0.6。将符合条件的指标进行下一步分析。
（3）Pearson相关性分析
对通过主成分分析（PCA）的候选指标进行Pearson相关性分析，结果表明：鱼类生物完整性核心指标筛选中（表1），鱼类总分类单元数与总渔获量的相关系数为0.054.，两个指标间相关系数较低，均被保留下来；物理完整性核心指标筛选中（表2），由于电导率与盐度、总溶解固体的相关系数较高，所以，仅保留电导率一个指标；化学完整性核心指标筛选中（表3），由于氨氮与总氮的相关系数较高，信息重叠程度高，故保留氨氮，剔除总氮，余下氨氮、硝酸态氮、总溶解碳三个指标作为核心指标；生境完整性核心指标筛选中（表4），由于缓冲区流域面积与森林面积、建设用地面积、水田面积相关系数高，旱田面积与建设用地面积相关系数高，流量与水田面积、底质含沙量与水深相关性高，因此，仅保留森林面积、流量及底质含沙量三个核心指标。
表1 鱼类生物完整性候选指标相关性分析
| M1 | M2 | |
| M1 | 1 | |
| M2 | 0.054 | 1 |
*.在0.05显著性相关;**.在0.01显著性相关
注：M1：鱼类总分类单元数；M2：总渔获量；
表2 物理完整性候选指标相关性分析
| P1 | P2 | P3 | |
| P1 | 1 | ||
| P2 | 0.968<sup>**</sup> | 1 | |
| P3 | 0.995<sup>**</sup> | 0.970<sup>**</sup> | 1 |
*.在0.05显著性相关;**.在0.01显著性相关
注：P1：电导率；P2：盐度；P3：总溶解固体；
表3 化学完整性候选指标相关性分析
| C1 | C2 | C3 | C4 | |
| C1 | 1 | |||
| C2 | 0.488<sup>**</sup> | 1 | ||
| C3 | 0.822<sup>**</sup> | 0.897<sup>**</sup> | 1 | |
| C4 | 0.422<sup>**</sup> | -0.104 | 0.143 | 1 |
*.在0.05显著性相关;**.在0.01显著性相关
注：C1：氨氮；C2：硝酸态氮；C3：总氮；C4：总溶解碳；
表4 生境完整性候选指标相关性分析
| S1 | S2 | S3 | S4 | S5 | S6 | S7 | S8 | |
| S1 | 1 | |||||||
| S2 | 0.311<sup>*</sup> | 1 | ||||||
| S3 | 0.813<sup>**</sup> | 0.058 | 1 | |||||
| S4 | 0.768<sup>**</sup> | -0.052 | 0.545<sup>**</sup> | 1 | ||||
| S5 | 0.807<sup>*</sup> | -0.021 | 0.769<sup>**</sup> | 0.548<sup>**</sup> | 1 | |||
| S6 | 0.351<sup>**</sup> | -0.374<sup>**</sup> | 0.297<sup>*</sup> | 0.493<sup>**</sup> | 0.451<sup>**</sup> | 1 | ||
| S7 | 0.583<sup>**</sup> | -0.096 | 0.445<sup>**</sup> | 0.702<sup>**</sup> | 0.645<sup>**</sup> | 0.605<sup>**</sup> | 1 | |
| S8 | 0.400<sup>**</sup> | -0.373<sup>**</sup> | 0.371<sup>**</sup> | 0.438<sup>**</sup> | 0.547<sup>**</sup> | 0.747<sup>**</sup> | 0.348<sup>**</sup> | 1 |
*.在0.05显著性相关;**.在0.01显著性相关
注：S1：缓冲区流域面积；S2：森林面积；S3：建设用地面积；S4：水田面积；S5：旱田面积；S6：水深；S7：流量；S8：底质含沙量；
（4）标准化方法
本发明对核心指标标准化统一量纲，其分为两种：对于随干扰增强而数值减小的指标，以其95th分位数为期望值记分；对于随干扰增强而数值增加的指标，以其5th分位数为期望值记分。
所述计算指标分值的计算公式分别为：
Fij=Xij /Xi95×100
Fij=（Xmax-Xij）/（Xmax-Xi5）×100
式中，Fij为原始观测值；Xij为j个采样点的第i个指标的标准化指数；Xi95为全部采样点中第i个指标95th分位数的原始观测值；Xmax为全部采样点中的最大值；Xi5为全部采样点中第i个指标5th分位数的原始观测值；
S2. 四大体系权重比；
步骤S2所述四大体系权重比是运用层次分析法对四部分指标体系进行权重，赋予鱼类生物完整性、物理完整性、化学完整性、生境完整性分别为40%、20%、20%、20%的权重，并进行加和平均得出生态系统完整性的河流水生态健康评价的得分。
S3. 评价标准等级化；
步骤S3所述确定评价标准是以大于90th分位数作为健康的标准；将小于90th分位数的部分进行三等分，即60th~90th为较好的标准；30th~60th为一般的标准；小于30th为较差的标准，最终得出水生态健康评价的结果，如表5所示。
表5生态系统完整性水生态健康评价标准
| 健康 | 较好 | 一般 | 较差 | |
| 生态完整性 | >76.70 | 65.52~76.70 | 59.68~65.52 | <59.68 |
结果显示（图6）：浑太河流域健康点位4个，占总点位的6.15%；较好点位26个，占总点位的40%；一般点位14个，占总点位的21.55%；较差点位21个，占总点位的32.30%。从整体来看，浑太河流域一般以下点位超过一半，整体状况一般偏下。在下达河、二道河、细河、小汤河西支等点位呈现较好的水生态状况，在海城河、杨柳河、蒲河等点位呈现较差的状态。尤其是在海城河及杨柳河周边水系（T31-T40），属城镇区，人类干扰强度较大，水生态状况较差。
Claims (10)
1. 一种基于生态系统完整性的河流水生态健康评价方法， 其特征在于，包括以下步骤：
S1.整合系统要素，包括生物完整性、物理完整性、化学完整性、和生境完整性，通过遥感-实测-人工解译-智能分析模型，包括主成分分析、Pearson 分析、标准化方法；
S2. 四大体系权重比，运用层次分析法对四大指标体系赋予不同的权重；
S3. 评价标准等级化，将评价标准划分为四个评价等级。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，选取河流生物完整性指标体系、物理完整性指标体系、化学完整性指标体系及生境完整性指标体系共50个指标；分别包括雅罗鱼亚科个体百分比（%）、鳑鲏亚科个体百分比（%）、鮈亚科个体百分比（%）、鲤亚科个体百分比（%）、鳅科鱼类个体百分比（%）、鰕虎鱼科鱼类百分比（%）、本地特有鱼种（葛氏鲈塘鳢）百分比（%）、经济鱼类个体百分比（%）、肉食性鱼类数量比例（%）、植食性鱼类数量比例（%）、杂食性鱼类的数量比例（%）、敏感性物种百分比（%）、耐污物种百分比（%）、中上层鱼类个体百分比（%）、中下层鱼类个体百分比（%）、底层鱼类个体百分比（%）、冷水鱼百分比（%）、有护卵行为鱼类个体百分比（%）； pH、电导率（Cond）、盐度（S）、水温（T）、溶解氧（DO）、总溶解固体（TDS）及悬浮物（SES）；氯离子（CL-）、氨氮（NH4 +-N）、总氮（TN）、总磷（TP）、活性磷（PO4 3-）、硬度（HAR）、高锰酸盐指数（CODMn）、亚硝酸态氮（NO2-N）、硝酸态氮（NO3-N）、总有机碳（TOC），总无机碳（TIC）及总溶解碳（TDC）；流速（CV）、流量（FLO）、水深（WD）、河宽（W）、底质含沙量（SC）、缓冲区流域面积（TOT）、森林面积（FA）、草地面积（GA）、建设用地面积（CLA）、水田面积（PFA）和旱田面积（FIE）；
所述的遥感-实测-人工解译-智能分析模型，土地利用方式的获取是基于遥感技术，结合上游区域的土地利用特征，以左右岸800米为界与土地利用数据叠加分析获得，生物完整性、化学完整性、物理完整性及生境完整性指标体系是通过现场实测与实验室实测相结合的方式获取，经过人工解译初步筛选指标，结合软件Canoco4.5进行主成分分析（PCA）以及软件Spss2.0进行Pearson相关性分析筛选核心指标，利用标准化方法统一量纲并进行数据智能分析。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的主成分分析，保留轴1或轴2的特征贡献率P>0.6的指标，删除轴1和轴2的特征贡献率均小于0.6的指标。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的Pearson分析，依据相关性显著性水平，判断信息间的重叠程度；生物完整性的相关系数为R<0.9，物理完整性、化学完整性、生境完整性的相关系数为R<0.7，如果超过R值，则保留其中一个指标即可。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的标准化方法，方法分为两种：对于随干扰增强而数值减小的指标，以其95th分位数为期望值记分；对于随干扰增强而数值增加的指标，以其5th分位数为期望值记分。
6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的标准化方法，其具体公式分别为：
Fij=Xij/Xi95×100
Fij=（Xmax-Xij）/（Xmax-Xi5）×100，
式中，Fij为原始观测值；Xij为j个采样点的第i个指标的标准化指数；Xi95为全部采样点中第i个指标95th分位数的原始观测值；Xmax为全部采样点中的最大值；Xi5为全部采样点中第i个指标5th分位数的原始观测值。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2所述四大体系权重比是运用层次分析法，赋予鱼类生物完整性、物理完整性性、化学完整性、生境完整性分别为40%、20%、20%、20%的权重，并进行加和平均得出生态系统完整性的河流水生态健康评价的得分。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3所述评价标准等级化是将得分大于90th分位数作为健康的标准；将小于90th分位数的部分进行三等分，即60th~90th为较好的标准；30th~60th为一般的标准；小于30th为较差的标准，最终得出水生态健康评价的结果。
9.一种根据权利要求1的方法的应用，其特征在于，应用于内陆淡水生态系统水体质量检测和/或生态环境评价。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述内陆淡水生态系统包括河流和/或湖泊。
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