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河流与湖泊是地表水资源的主要载体,对维护地球生物圈的生态系统平衡和可持续发展起着至关重要的作用。随着经济的快速发展、人口的迅速增长和城市化水平的不断提高,人类活动对流域河流、湖泊水生态系统的改造和干扰不断扩大,导致河湖水环境污染,生态系统退化等问题,甚至威胁流域居民的生产生活安全。通过对流域河湖水生态系统物理、化学和生物状况的监测和评价,开发健康评价指标体系,评价水生态系统健康状况,识别主导影响因素进而对生态系统进行综合管理,是实现人和自然生态系统的协调发展的重要手段。现有河湖水生态系统评估指标和方法仍主要采用营养盐或富营养化指数等单一水质理化指标,生物完整性指数的开发与应用尚不够系统和完善,难以满足实施流域水生态管理的要求。 本研究分析确定了适用于太湖流域这一类湖泊型流域的水生态系统完整性评估框架,基于框架构建了太湖流域河流、湖泊水生态系统完整性评估指标体系,从物理、化学和生物完整性角度,评估了河流、湖泊水生态系统健康状况,可以为流域水生态系统健康提供评估手段和工具,能够为流域水生态功能区保护目标制定、退化河流生态系统的恢复和河流生态系统分级、分区管理等提供科学依据,对流域实施生态管理具有重要意义。 本研究包括以下内容: (1)总结和归纳已有研究关于流域河流、湖泊水生态系统健康评价的研究成果,确定了流域河流、湖泊水生态系统健康的内涵,并据此提出了评估框架。 通过总结已有研究,厘清了流域水生态系统健康中河流、湖泊生态系统健康的概念与内涵。在比较已有评价指标体系、评价方法和参照状态建立方法的基础上,确定流域水生态系统健康概念和内涵;对湖泊型流域的河流、湖泊水生态系统按照类型差异、评价目标的不同,分别确定了健康参照状态建立的方法,提出了评价指标体系框架,丰富了相关理论研究。 (2)构建了太湖流域河流与湖泊水生态系统完整性评估框架体系。即从评价方法、评价对象和评价尺度等方面综合分析,构建了生物完整性和综合完整性评价指标体系评价河湖水生态系统健康。 根据太湖流域河流与湖泊水生态系统类型的差异,分别构建评价指标体系,且分别开发了生物完整性和综合完整性(物理、化学和生物)两套评价指标体系进行河湖生态系统健康评估,以期两者相互补充,实际应用时增强整体效果。1)大型底栖动物完整性指标体系建立还进一步根据流域水生态分区将河流分为西部丘陵区和东部平原区两类,将太湖湖体分为湖岸区和湖心区两类,在此基础上基于大型底栖动物样点的调查结果分别建立了河流、湖泊的评估指标及其健康阈值。基于指标体系及其阈值的比较结果表明,该方法可以开发更有针对性的指标。2)综合完整性指标体系的建立则针对河流、湖泊特点确定了不同的参照状态建立方法,即河流采用最少干扰状态、湖泊采用历史状态,因此可以得到河流健康状况的空间分布状况和湖泊健康的历史变化状况。 (3)构建了基于底栖动物完整性指数的河湖水生态系统健康评价指标体系并且进行了评价。 基于2012年太湖流域河流、湖泊包括大型底栖动物以及水质理化、河流物理生境水生态系统调查结果,分别建立了西部丘陵区、东部平原区河流的参照状态,基于统计方法筛选获得了两个区域河流的底栖动物完整性指数(B-IBI);基于太湖湖心区和沿岸区已有底栖动物评价指标体系进行修正,得到了太湖流域河流、湖泊大型底栖动物完整性指数评价结果。评价结果表明:太湖流域西部丘陵区和东部平原区河流评价结果平均得分分别为0.54和0.34,对应处于“中”和“差”健康等级等级,表明太湖流域河流底栖动物群落总体受人类活动影响较大,据此反映出河流健康状况较差,特别是东部平原区河流健康状况堪忧。太湖湖心区与沿岸区的评价结果平均得分分别为0.40和0.38,处于“中”和“差”级别,该结果表明太湖底栖动物群落结构受到较强干扰,健康状况总体较差。 (4)构建了基于物理、化学和生物的完整性的综合完整性评价指标体系对河湖生态系统健康状况进行了评价。 结合2012年太湖流域河流、湖泊水生态调查结果与太湖历史调查记录,构建了基于河流和湖泊综合完整性评价指标体系进行了综合评价。基于综合完整性评价指标的河流评价结果表明,太湖流域河流健康状况评价得分平均值为0.47,处于“中”等级,其中物理、化学和生物完整性指数为0.53、0.49和0.43,都处于“中”等级。表明这些指标都能够从不同侧面反映河流完整性状况。但是不同的评价指标体系得到的点位评价结果具有一定的差异,因此,这些指标能够反映河流生态系统不同方面的受损状况。基于综合完整性评价指标体系的太湖评价结果表明,太湖综合健康状况指标综合得分为0.57,处于“中”等级,物理、化学和生物完整性评价指标体系得分分别为0.87、0.56和0.46,评价等级分别为“优”、“中”和“中”。该评价结果能够反映太湖过往管理过于侧重物理完整性,忽视了化学和生物完整性的保护和恢复。 (5)分析了影响底栖动物完整性和综合完整性的原因,分析了两者之间的相关性。探讨了本研究与相关研究指标体系之间的差异,分析了产生差异的原因,并讨论了评估指标体系中指标和闽值的不确定性,指出了本研究指标体系的应用潜力,可能的不足及研究方向。 分析结果表明:1)底栖动物群落能够较好的反映区域水质理化状况,且底栖动物完整性指数与水质理化参数具有良好的相关关系,基于底栖动物完整性指数评价得到的不同等级可以识别对应主控环境指标以及指标阈值,该结果可以与目前通行的水质指标相互结合,并且取得生物完整性指数与环境指标的相互关联关系。河流的土地利用状况对底栖动物群落结构影响具有尺度效应。2)影响太湖流域河流、湖泊完整性状况的影响因素相对复杂,不仅与选择的评价指标体系有关、还与评价指标参数的参照状态、权重等因素有关。3)生物完整性评价方法和综合完整性评价方法都可以评价太湖流域水生态系统健康状况,且综合评价结果总体一致,但是对点位的评价结果具有一定差异,反映出不同结果的侧重点有所差异,且人类活动干扰对水生态系统健康状况的损害具有不同的类型和特征,因此,基于生物指标与综合指标的配合使用能够更全面的反应流域水生态系统健康状况。