唐得昊，鄒欣慶，* ，劉興健

(1.南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，南京 210093;2.南京大學(xué)海岸與海島開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210093;3.中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所邊緣海地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510301)

生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估是當(dāng)今生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。生態(tài)系統(tǒng)具有自組織和調(diào)節(jié)功能，由于影響該系統(tǒng)的因子十分復(fù)雜，因而無(wú)法通過(guò)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)揭示系統(tǒng)各組分之間的關(guān)系［1］。根據(jù)Bossel的研究，穩(wěn)定性是生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展演變的必要條件［2］。物種(特別是起“上行”或“下行”效應(yīng)的決定性物種)的消失往往危及生態(tài)群落甚至整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展演變過(guò)程中比較大的擾動(dòng)［3］。Mar Arthur和Elton在20世紀(jì)70年代提出的多樣性——穩(wěn)定性理論仍是指導(dǎo)生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的理論基礎(chǔ)［4－5］。目前，群落組成與結(jié)構(gòu)指標(biāo)、物種多樣性和功能多樣性指標(biāo)、生態(tài)系統(tǒng)凈生產(chǎn)力、生態(tài)壓力指標(biāo)、生態(tài)能質(zhì)和結(jié)構(gòu)生態(tài)能質(zhì)指標(biāo)等，都被用于評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)健康狀況［6－9］。

生物多樣性指數(shù)定量反映生物群落內(nèi)物種多樣性程度，是用來(lái)判斷生物群落結(jié)構(gòu)變化或生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的指標(biāo)，其計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單。由于生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)健康的關(guān)系是學(xué)術(shù)界有爭(zhēng)議的話題［10－11］，不少學(xué)者在論證生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性關(guān)系的基礎(chǔ)上［12－14］，建立生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)模型［16－17］。在評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)上，物種多樣性豐富的生態(tài)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境變化有更強(qiáng)的抵抗力和彈性。因此，生物多樣性指數(shù)較高在一定程度上能促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)健康［18］。

復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)特征是熱力學(xué)上的開(kāi)放性，組成物種多樣，時(shí)空范圍內(nèi)高度異質(zhì)性，以及系統(tǒng)組成物質(zhì)之間的非線性相關(guān)［19］。Patten等認(rèn)為隱藏在基因?qū)用娴倪m應(yīng)性能反映生態(tài)系統(tǒng)面臨環(huán)境變化時(shí)的適應(yīng)能力，甚至是系統(tǒng)在時(shí)空格局下組織體的等級(jí)［20］，因而生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展演變狀況不能僅從物種多樣性方面測(cè)量。J?rgensen和Mejer等首次將生態(tài)能質(zhì)的概念應(yīng)用于生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域［21］。Odum認(rèn)為它可以指示受干擾生態(tài)系統(tǒng)特征的改變［22］。生態(tài)能質(zhì)指標(biāo)不僅可以在時(shí)間尺度上度量生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r，還能從生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其所包含的微觀信息上衡量系統(tǒng)的健康程度［23］。近幾十年，能質(zhì)指標(biāo)常作為目標(biāo)函數(shù)，用于解釋生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化，描述系統(tǒng)的發(fā)展方向，表示擾動(dòng)后系統(tǒng)的自組織能力，并從生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定狀態(tài)、系統(tǒng)復(fù)雜性和多樣性、系統(tǒng)穩(wěn)定性和彈性、系統(tǒng)活力以及生態(tài)系統(tǒng)物種組成的平衡上來(lái)說(shuō)明整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況［24－25］。能質(zhì)、結(jié)構(gòu)能質(zhì)和生態(tài)緩沖能力作為整體評(píng)估指標(biāo)被用于生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)，并且健康的生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)該具有較高的能質(zhì)、結(jié)構(gòu)能質(zhì)和生態(tài)緩沖容量［26］。目前，運(yùn)用能質(zhì)指標(biāo)評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況所選取的研究對(duì)象大多是湖泊、河口［27－30］，只有少數(shù)文獻(xiàn)曾探討過(guò)海岸瀉湖和大陸架［31－33］

同樣是評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，能質(zhì)和生物多樣性指標(biāo)對(duì)生態(tài)健康狀態(tài)的描述方式和表現(xiàn)形式是有差異的。本文以江蘇省海岸帶為例，通過(guò)比較能質(zhì)和生物多樣性評(píng)價(jià)結(jié)果，分析兩者在海岸帶生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估體系中的功能差異及其原因，以期為生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估指標(biāo)的選取提供理論參考和依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

江蘇省是我國(guó)沿海大省，介于東經(jīng) 116°18'—121°57'，北緯 30°45'—35°20'之間，海岸線全長(zhǎng) 954km，分屬連云港、鹽城、南通3市的12個(gè)縣和1個(gè)市區(qū)。該省海岸帶地理位置優(yōu)越，岸線北起蘇魯交界的繡針河口，南抵長(zhǎng)江北口，并與上海市隔江相望，西以?xún)?nèi)陸為依托，東瀕黃海，是沿海開(kāi)放的前沿［34］。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究的相關(guān)數(shù)據(jù)依托于“908海洋專(zhuān)項(xiàng)調(diào)查項(xiàng)目”——江蘇省海洋環(huán)境檢測(cè)中心和江蘇省海洋水產(chǎn)研究所2006年夏季(7—8月)的南黃海近海航測(cè)結(jié)果。航測(cè)數(shù)據(jù)包含各航次測(cè)得的不同級(jí)別(微型、小型、中型和大型)浮游生物、大型底棲生物、游泳動(dòng)物(魚(yú)、蝦、蟹、頭足類(lèi))等生物量信息，水環(huán)境物理化學(xué)信息以及潮間帶生物調(diào)查結(jié)果。

從北到南沿江蘇省海岸帶，北部海州灣取5個(gè)站點(diǎn)，中部輻射沙脊群取4個(gè)站點(diǎn)，南部長(zhǎng)江口以北區(qū)域取6個(gè)站點(diǎn)，共15個(gè)站點(diǎn)(圖1)，計(jì)算每個(gè)站點(diǎn)游泳動(dòng)物和底棲生物的能質(zhì)、結(jié)構(gòu)能質(zhì)和多樣性指數(shù)，并分析它們之間的相關(guān)關(guān)系。

夏季，在江蘇近岸海域采集到的大型底棲動(dòng)物主要有多毛類(lèi)(53種)、軟體動(dòng)物(41種)、甲殼動(dòng)物(53種)、棘皮動(dòng)物(14種)以及其他動(dòng)物(9種)累計(jì)采集種類(lèi)數(shù)為170種。

游泳動(dòng)物主要是魚(yú)類(lèi)、蝦類(lèi)、蟹類(lèi)和頭足類(lèi)。夏季航次魚(yú)類(lèi)的漁獲種類(lèi)主要為小黃魚(yú)(Larimichthys polyactis)，占魚(yú)類(lèi)總重的 25.75%，其次為鮸魚(yú)(Miichthys miiuy)，占 19.4%，銀鯧(Pampus argenteus)列第三，占 18.7%。其余的還有刺鯧(Psenopsis anomala)、斑鰶(Konosirus punctatus)、赤鼻棱鳀(Thryssa kammalensis)、海鰻(Muraenesox cinereus)、皮氏叫姑魚(yú)(Johnius belengerii)等;蝦類(lèi)中，口蝦蛄(Oratosquilla oratoria)漁獲量最大，占蝦類(lèi)比例的54.87%，其次為戴氏赤蝦(Metapenaeopsis dalei)，占28.03%，再次為細(xì)巧仿對(duì)蝦(Parapenaeopsis tenella)，占4.83%;蟹類(lèi)主要品種為三疣梭子蟹(Portunus trituberculatus)，占蟹類(lèi)總量的 53.1%，紅線黎明蟹(Matuta planipes，占 26.56%)，以及日本蟳(Charybdis japonica，占 12.32%);頭足類(lèi)中，日本槍烏賊(Loligo japonica)占總量的73.74%，短蛸(Octopus ocellutus)占15.37%，長(zhǎng)蛸(Octopus variabilis)、金烏賊(Sepia esculenta)等所占比重不大。

圖1 采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Sampling points distribution

2.2 能質(zhì)指標(biāo)計(jì)算方法

能質(zhì)是在一定環(huán)境條件下，系統(tǒng)為了達(dá)到同外界環(huán)境平衡時(shí)所需要做的最大總功。能質(zhì)值(Ex)通過(guò)計(jì)算某一組分中的平均現(xiàn)存生物量(Ci)與其基因信息(βi)之間的乘積來(lái)獲得［35］:

式中，Ex為生態(tài)能質(zhì)(kJ/m3)，R 為氣體常數(shù)(kJ·g－1·K－1)，T為絕對(duì)溫度(K)，Ci為生態(tài)系統(tǒng)中第 i種組分在現(xiàn)有狀態(tài)的濃度(g/m3)。βi為第i種有機(jī)成分的權(quán)重轉(zhuǎn)換因子。

結(jié)構(gòu)能質(zhì)(Exst)是系統(tǒng)中平均單位質(zhì)量的能質(zhì)，即能質(zhì)同總生物量的比值［26］，其計(jì)算公式如下:

式中，Exst為結(jié)構(gòu)能質(zhì)(kJ/g)，Ct表示為系統(tǒng)中有機(jī)成分的總濃度或總生物量(g/m3)。

其中，βi值可根據(jù)儲(chǔ)存在有機(jī)體基因內(nèi)的信息［36］或種水平上的基因組尺度來(lái)計(jì)算［37］。本文根據(jù)J?rgensen的研究，βi權(quán)重因子計(jì)算公式如下:

通過(guò)該公式，J?rgensen在有機(jī)體能質(zhì)計(jì)算一文中，詳細(xì)給出了低到巖屑、病原體，高到智人(現(xiàn)代人)共45個(gè)不同級(jí)別和種類(lèi)生物組分的 βi權(quán)重值［38］。

2.3 生物多樣性指數(shù)計(jì)算方法

生物多樣性的測(cè)度中，使用最廣泛的是物種豐度，它最直觀也最容易統(tǒng)計(jì);其次是Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)以及Margalef指數(shù)，其他指數(shù)使用相對(duì)較少［39］。本文選取常用的生物多樣性指數(shù)計(jì)算公式(表1)。

表1 多樣性指數(shù)計(jì)算方法Table 1 The calculation method of diversity index

3 研究結(jié)果與分析

3.1 能質(zhì)和結(jié)構(gòu)能質(zhì)的空間分布情況

在能質(zhì)和結(jié)構(gòu)能質(zhì)計(jì)算過(guò)程中，權(quán)重因子 βi的確定方式多種多樣，例如，通過(guò)營(yíng)養(yǎng)群落、廣系分類(lèi)編碼基因、物種分類(lèi)水平基因等尺度進(jìn)行估算，但是目前的研究表明，不同 βi值計(jì)算方法對(duì)能質(zhì)指標(biāo)作為生態(tài)指標(biāo)的影響甚微［40－41］。因此，本研究針對(duì)采集樣本的生物品種，利用已有文獻(xiàn)對(duì)β權(quán)重的詳細(xì)解譯和計(jì)算［38］，選取適當(dāng)?shù)臋?quán)重值計(jì)算能質(zhì)指標(biāo)(表2)。

江蘇海岸帶能質(zhì)值空間分布趨勢(shì)是南部＞北部＞中部，而結(jié)構(gòu)能質(zhì)值空間分布趨勢(shì)為北部＞南部＞中部(圖2)。由于這3個(gè)區(qū)域生物量、環(huán)境因子差別較大，除了輻射沙脊群(中部)能質(zhì)和結(jié)構(gòu)能質(zhì)值都偏小外，長(zhǎng)江北口(南部)和海州灣區(qū)域(北部)差異較為明顯。

表2 用于估算能值的權(quán)重轉(zhuǎn)換因子(β)Table 2 The conversion factor weight(β)to estimate Exergy

圖2 江蘇海岸帶能質(zhì)和結(jié)構(gòu)能質(zhì)空間分布圖Fig.2 The spatial distribution of Exergy and Structure Exergy of coastal areas in Jiangsu

江蘇海岸帶15個(gè)樣本點(diǎn)南北位置、離岸遠(yuǎn)近以及測(cè)量環(huán)境的差異，都可能影響站點(diǎn)能質(zhì)指標(biāo)空間分布情況。對(duì)這15個(gè)調(diào)查站點(diǎn)能質(zhì)和結(jié)構(gòu)能質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)聚類(lèi)分析，采用組間聯(lián)接和平方Euclidean距離進(jìn)行區(qū)間度量(圖3)。

夏季江蘇省海岸帶健康情況可分為四類(lèi)(表3):站點(diǎn) 1、2、7、9、10、13、15 為第 1 類(lèi)(Ⅰ)，該類(lèi)能質(zhì)和結(jié)構(gòu)能質(zhì)值都較低，顯著水平α=0.05時(shí)，能質(zhì)值和海水中總磷含量呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2=0.604，這類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)生物量不大，且包含的信息量少，海水中總磷含量隨能質(zhì)值增高而增加，其中15號(hào)站點(diǎn)海水總磷含量為最大值(0.45)，1、9號(hào)站點(diǎn)海水總磷含量為最小值(0.18)，波動(dòng)較大，說(shuō)明系統(tǒng)組織性、有序化程度低，穩(wěn)定性低，系統(tǒng)較脆弱，一旦系統(tǒng)受到破壞后使之恢復(fù)到熱平衡狀態(tài)所需的能量低;3、4、5、6為第2類(lèi)(Ⅱ)，該類(lèi)能質(zhì)值較低，結(jié)構(gòu)能質(zhì)值較高，能質(zhì)值和海水中懸浮物含量相關(guān)，相關(guān)系數(shù) R2=0.478(α=0.05)，3、4 號(hào)站點(diǎn)位于海州灣東部，海水中懸浮物含量極少，5號(hào)站點(diǎn)位于海州灣近岸區(qū)，6號(hào)點(diǎn)位于輻射沙脊群北翼，海水中懸浮物含量極大。海水中懸浮物過(guò)大或過(guò)小，都會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，加上Ⅱ類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)生物量很小，包含的信息量最少，系統(tǒng)不穩(wěn)定;8、11、12為第3類(lèi)(Ⅲ)，該類(lèi)能質(zhì)值較高，結(jié)構(gòu)能質(zhì)值偏低，系統(tǒng)生物量很大，包含的信息量較大，水環(huán)境指標(biāo)近于平均值，波動(dòng)小，組織性、有序化程度較高，比較穩(wěn)定;14為第4類(lèi)(Ⅳ)，該類(lèi)有較高的能質(zhì)和結(jié)構(gòu)能質(zhì)，系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)，組織性、有序化程度高，生物信息量大，且系統(tǒng)受破壞后使之恢復(fù)到熱平衡狀態(tài)所需的能量多，受外界干擾敏感度低。綜其所述，以能質(zhì)為目標(biāo)函數(shù)時(shí)，Ⅳ類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)健康，Ⅲ類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)亞健康，Ⅰ、Ⅱ類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)存在問(wèn)題。

圖3 江蘇沿海站點(diǎn)生態(tài)能質(zhì)的聚類(lèi)分析Fig.3 Cluster analysis of Eco-Exergy of coastal areas in Jiangsu

表3 能質(zhì)指標(biāo)分類(lèi)情況表Table 3 Exergy index classfication table

3.2 生物多樣性指數(shù)空間分布情況

生物多樣性指數(shù)測(cè)度一般可分為物種豐富度測(cè)度和異質(zhì)性測(cè)度［42－43］。物種豐度簡(jiǎn)單指出群落中物種種數(shù);Shannon指數(shù)作為異質(zhì)性測(cè)度，可以測(cè)算物種多度的均勻程度。Shannon指數(shù)一般為1.5—3.5之間，只有當(dāng)樣本中出現(xiàn)大量物種時(shí)，才會(huì)有較大的值。May曾證明，若已知物種服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，要使Shannon指數(shù)＞5.0，需要105種;Simpson指數(shù)側(cè)重于樣本多度較大的系統(tǒng)，通過(guò)它能得到物種多度分布的方差，群落組成越均勻，它的值就越大;Margalef指數(shù)是綜合性指數(shù)，R.Margalef曾通過(guò)測(cè)得生態(tài)區(qū)域內(nèi)生物多樣性程度來(lái)判斷區(qū)域污染程度［44］。

夏季，江蘇沿海地區(qū)物種豐度值介于20—47之間，空間分布為北部＞南部＞中部;Shannon Wiener指數(shù)介于0.77—2.70之間，Simpson指數(shù)介于0.28—0.90之間，空間分布都為南部＞中部＞北部;Margalef指數(shù)介于2.50—5.50之間，南部略大于北部，中部較小(圖4)。

物種豐度和Margalef指數(shù)最值出現(xiàn)地點(diǎn)一致，最大、最小值分別為8號(hào)點(diǎn)和6號(hào)點(diǎn);以e為底的Shannon Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù)最值出現(xiàn)地點(diǎn)一致，最大、最小值都分別出現(xiàn)在14號(hào)點(diǎn)和1號(hào)點(diǎn)。對(duì)生物多樣性指數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)聚類(lèi)分析(圖5)，得到4個(gè)類(lèi)別(表4):站點(diǎn)2、9、11、12、14、15為第1類(lèi)(Ⅰ')，該類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)Shannon Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù)都相對(duì)較高，則物種豐富度和均勻度、優(yōu)勢(shì)度都比較高;與之相對(duì)的是第4類(lèi)(Ⅳ'，1號(hào)站點(diǎn))，ShannonWiener指數(shù)和Simpson指數(shù)都低;3、4、5、8為第2類(lèi)(Ⅱ')，該類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)物種豐度和Margalef指數(shù)值高，物種豐富度大;與之相對(duì)的是第3 類(lèi)(Ⅲ')，包括6、7、10、13 號(hào)點(diǎn)。因此，用生物多樣性指數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)劃分生態(tài)系統(tǒng)結(jié)果為:Ⅰ'、Ⅱ'類(lèi)相對(duì)健康，Ⅲ'、Ⅳ'類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)存在問(wèn)題。

圖4 江蘇海岸帶生物多樣性空間分布圖Fig.4 The spatial distribution of biodiversity of coastal areas in Jiangsu

表4 生物多樣性指標(biāo)分類(lèi)情況表Table 4 Biodiversity indicators classfication table

綜上所述，不論以能質(zhì)指標(biāo)還是生物多樣性指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)，生態(tài)系統(tǒng)健康的站點(diǎn)有14號(hào)點(diǎn)，亞健康的站點(diǎn)為 8、11、12，不健康的站點(diǎn)為 1、6、7、10、13，其他站點(diǎn)(2、3、4、5、9、15)以生物多樣性指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù)時(shí)，被判定為健康的生態(tài)系統(tǒng)，而以能質(zhì)指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù)時(shí)，被判定為不健康的生態(tài)系統(tǒng)，該結(jié)果與兩類(lèi)指標(biāo)測(cè)算偏重有關(guān)，前者主要從物種數(shù)量角度測(cè)量，后者側(cè)重物種的基因組成及等級(jí)，數(shù)量大且種類(lèi)多的生態(tài)系統(tǒng)不一定種群等級(jí)高，因此，最終判定這些站點(diǎn)的生態(tài)系統(tǒng)健康存在問(wèn)題。

4 討論與結(jié)論

4.1 能質(zhì)與生物多樣性指標(biāo)存在一致性

能質(zhì)值與生物多樣性指標(biāo)存在一定聯(lián)系，分別將該兩種指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)，都可以分成四類(lèi)，約2/3的站點(diǎn)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果一致。此外，能質(zhì)和生物多樣性最值(最大值、最小值)在一定程度上重合，說(shuō)明能質(zhì)與生物多樣性指數(shù)能反映生態(tài)系統(tǒng)健康程度的總體趨勢(shì)，并且兩者反映的趨勢(shì)一致。例如，14號(hào)點(diǎn)位于江蘇海岸線南部近岸，同期溫度較北部高，且海水中溶解態(tài)氮、總磷含量是所測(cè)點(diǎn)中的最大值，其環(huán)境有利于生物的生存和發(fā)展，能質(zhì)和結(jié)構(gòu)能質(zhì)值都高，同時(shí)，該點(diǎn)也是Shannon Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù)的最大值點(diǎn);1號(hào)點(diǎn)位于海州灣東南側(cè)遠(yuǎn)岸，受人類(lèi)活動(dòng)影響較小，總磷含量是所測(cè)點(diǎn)中的最小值，能質(zhì)和結(jié)構(gòu)能質(zhì)值都低，同時(shí)是Shannon Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù)的最小值點(diǎn)。

圖5 江蘇沿海站點(diǎn)生物多樣性的聚類(lèi)分析Fig.5 Cluster analysis of biodiversity of coastal areas in Jiangsu

4.2 能質(zhì)和生物多樣性指標(biāo)在中低級(jí)生態(tài)系統(tǒng)中差異大

能質(zhì)與生物多樣性指標(biāo)值排名前五的站點(diǎn)有80%的重合，其余排序中二者重合率低(表5)，說(shuō)明相對(duì)成熟的高級(jí)生態(tài)系統(tǒng)中，這兩種指標(biāo)能較一致地反映群落的健康狀態(tài)，而在中低級(jí)生態(tài)系統(tǒng)中，能質(zhì)與多樣性指標(biāo)差異較大。由于較高能質(zhì)和結(jié)構(gòu)能質(zhì)的群落具有豐富的高級(jí)生物，且生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育成熟，當(dāng)群落或生態(tài)系統(tǒng)達(dá)到演替頂級(jí)以后，能維持其結(jié)構(gòu)、功能長(zhǎng)期保持在一個(gè)較高的水平［45］，因此，這類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)處于一個(gè)比較平衡的狀態(tài)。

相對(duì)而言，能質(zhì)和生物多樣性指標(biāo)值較小的生態(tài)系統(tǒng)中，群落生物量偏小，生物等級(jí)較低，一旦受到外界干擾，波動(dòng)較大，由某類(lèi)生物數(shù)量激增或者外來(lái)物種入侵等情況引起的生物多樣性指數(shù)和能質(zhì)指標(biāo)值變動(dòng)的可能性大，因而這類(lèi)演替中的群落處于非平衡狀態(tài)。

表5 能質(zhì)與生物多樣性指標(biāo)站點(diǎn)排名(自左向右降序排列)Table 5 Sample ranking of exergy and biodiversity(descending order from left to right)

4.3 能質(zhì)與生物多樣性指標(biāo)關(guān)聯(lián)程度低

能質(zhì)指標(biāo)中包含的種類(lèi)級(jí)別以及營(yíng)養(yǎng)類(lèi)群信息是生物多樣性指標(biāo)所不能反映的。將能質(zhì)指標(biāo)與3個(gè)生物多樣性指數(shù)做相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)能質(zhì)與生物多樣性指標(biāo)的關(guān)聯(lián)程度低。如圖6所示，顯著水平α=0.05時(shí)，能質(zhì)與Margalef指數(shù)相關(guān)系數(shù)為R2=0.307，與Shannon Wiener指數(shù)相關(guān)系數(shù)R2=0.315，與Simpson指數(shù)相關(guān)系數(shù) R2=0.243。

原因在于，能質(zhì)值與物種等級(jí)和物種總量密切相關(guān)，生物多樣性指數(shù)與組成生態(tài)系統(tǒng)各組分的物種等級(jí)和種類(lèi)無(wú)關(guān)。已計(jì)算的能質(zhì)值中，魚(yú)類(lèi)(β=499)等級(jí)最高，能質(zhì)的權(quán)重β最大。據(jù)表6，14號(hào)點(diǎn)生物總量稍次于8號(hào)站點(diǎn)，且蝦類(lèi)(β=232)、蟹類(lèi)(β=232)以及頭足類(lèi)(基本為軟體動(dòng)物，β=310)生物的能質(zhì)排名靠后(第11)，但由于14號(hào)站點(diǎn)魚(yú)類(lèi)總量大且種類(lèi)豐富，能質(zhì)值高，使該站點(diǎn)總能質(zhì)值最大。8號(hào)點(diǎn)雖然生物總量最大，魚(yú)類(lèi)的能質(zhì)值較14號(hào)點(diǎn)小，所以總能質(zhì)小于14號(hào)點(diǎn)。因此，生物物種越高級(jí)，核苷酸數(shù)量多，所獲權(quán)重大，反之亦反;生物量越大，能質(zhì)值會(huì)增大，但總能質(zhì)值不一定最高。同時(shí)，這也是將兩類(lèi)指標(biāo)分別用于評(píng)判江蘇省海岸帶生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)時(shí)，評(píng)價(jià)結(jié)果存在差異的原因。

表6 調(diào)查站點(diǎn)數(shù)值排名表Table 6 Sorting table of sample stations

生物多樣性測(cè)度與種群數(shù)量、種類(lèi)生物體個(gè)數(shù)、分布均勻度等關(guān)聯(lián)較大。以e為底的Shannon Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù)的大小與群落中所有個(gè)體數(shù)量以及群落中第i個(gè)物種的個(gè)體數(shù)量直接相關(guān)。物種豐度和Margalef指數(shù)是群落中所有物種數(shù)目的函數(shù)，能在一定程度上說(shuō)明生態(tài)系統(tǒng)物種豐度情況，但不能從物種種類(lèi)和級(jí)別的角度闡述生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定情況。因此，能質(zhì)和生物多樣性指標(biāo)側(cè)重點(diǎn)不一，使得二者關(guān)聯(lián)程度不高，評(píng)價(jià)結(jié)果不一致。

圖6 能質(zhì)與生物多樣性指數(shù)相關(guān)度Fig.6 Correlation between Exergy and biodiversity

4.4 結(jié)論

綜前所述，能質(zhì)指標(biāo)與生物多樣性指數(shù)的差別如表7。

海岸帶生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的過(guò)程中，指標(biāo)體系的建立和評(píng)價(jià)方法仍然是核心。能質(zhì)具有很好的熱動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)，與系統(tǒng)論和信息論關(guān)系密切。通過(guò)能質(zhì)指標(biāo)能反映生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)化的水平，組織化水平和信息量，并定量生態(tài)系統(tǒng)的成熟程度。能質(zhì)值越高，生態(tài)系統(tǒng)要達(dá)到熱力學(xué)平衡狀態(tài)需要從外界吸收的能量就越多，當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)的自組織結(jié)構(gòu)功能發(fā)生變化，一定會(huì)在能質(zhì)值上體現(xiàn)。生物多樣性指標(biāo)既能說(shuō)明生態(tài)系統(tǒng)中物種生物量多樣性和物種個(gè)體數(shù)量多樣性，也能反映整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次和穩(wěn)定情況。由于指標(biāo)選取和指標(biāo)衡量本身的局限性，在衡量生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)時(shí)，能質(zhì)指標(biāo)可作為多樣性指數(shù)等生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)有益的、必要的補(bǔ)充。

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