0 引 言
旅游干扰是指因旅游活动或旅游设施建设所产生的环境与生态方面的影响，它所引起的野生动物生境丧失与破碎化已严重影响野生动物的生存与发展[1]。因此，旅游对野生动物生境影响的研究成为热点。水是野生动物的三大主要生境要素之一，更是水生野生动物的主要生境空间，水质严重影响其生境质量。旅游对其栖息地水质影响的研究十分重要。旅游活动对水体的理化指标与微生物的影响研究较多：游客产生的大量垃圾的倾倒直接影响土壤和水体，间接影响野生动物[2]；旅游活动通过土地利用、水土流失，使Plastira湖水总氮与总磷增加[3]；游客随地排泄，增加水体中微生物数量和病原菌传播[4]，尤其是大肠杆菌[5]；旅游活动中产生和排放的污水加速水体富营养化，直接影响旅游区水生动物的多样性[6]；旅游干扰降低了大鲵栖息地水质[7]。但是，以上文献关于水质评价多采用单一指标评价法，其评价结果的客观性、准确性有待进一步核实。
实地监测获得的水质监测值具有受多因素控制的复杂性与不确定性，采用单一界值作为评价指标参数并不合理[8]。就系统信息的完整性与确定性而言，水质评价属灰色系统范畴[9]。灰色聚类法是灰色系统理论与聚类分析法的有机结合，能够客观地反映出研究区域的水质状况[10]。但是灰色聚类法未考虑主要污染物的影响，易造成“平均化”结果[11]。水体的富营养化是水质下降的表现，而氮、磷等营养物质的大量增加是导致湖泊富营养化的主要因素[12]。采用营养状态质量指数法进行综合分析，可直观地反映研究区的主要污染因子及其污染程度。
中国大鲵(Andrias davidianus，简称“大鲵”)是水栖为主的两栖动物，水质是影响大鲵栖息生长最重要的生境因子之一[13]。2014—2016年，对湖南张家界不同旅游干扰强度下大鲵栖息地水质进行定点监测，采用灰色聚类法结合营养状态质量指数法对其水质进行评价，探明旅游干扰对大鲵栖息地水质的影响规律，为协调旅游开发与大鲵生境保护提供参考，也为旅游干扰对野生动物生境因子影响的定量研究提供典型案例。
1 材料与方法
1.1 调查点选择与数据获取
1.1.1 调查点选择
以湖南张家界大鲵自然保护区(27°44′28″N—30°00′43″N，109°42′56″E—111°16′05″E)为研究区域。根据年游客量划分旅游干扰强度[14]：高于10万为重度旅游干扰区；1万～10万为中度旅游干扰区；低于1万为轻度旅游干扰区[7]。2014—2016年每年8—9月(旅游旺季，平水期)，在不同干扰区各选择3个调查点，重度干扰区为金鞭溪、黄龙洞和大峡谷，中度干扰区为逃驾峪、岔角溪和泉河，轻度干扰区为乌木峪、骡子塔和院子。每个调查点选择2个典型的大鲵栖息地作为测点(表1)，测点分布图见文献[15]。各测点均位于澧水与沅水支流上游，它们生态环境相近，历史水质均良好[13,16]。
表1 研究区大鲵栖息地测点
Table 1 Measure points of the habitat of Andrias. Davidianus
测点1测点2测点3测点4测点5测点6重度紫草潭29°20′31″N,10°27′09″E水绕四门9°20′50″N,10°28′44″E龙泉29°22′09″N,10°37′19″E洞口29°22′16″N,10°37′33″E大鲵洞29°25′22″N,10°42′26″E磨儿洞29°25′13″N,10°42′31″E中度码头29°33′04″N,10°43′22″E小岛29°33′41″N,10°44′13″E泉口29°45′18″N,09°53′24″E岔溪29°45′24″N,09°53′24″E泉域里29°30′28″N,10°18′30″E水坝29°29′53″N,10°18′09″E轻度观测站28°57′09″N,10°19′42″E村部28°57′02″N,10°19′52″E观测站28°55′28″N,10°26′24″E河边28°55′25″N,10°26′25″E入口29°19′04″N,09°57′14″E出口29°19′08″N,09°57′24″E
1.1.2 数据获取
2014—2016年每年8—9月(旅游旺季，平水期)，实施野外调查与取样分析，按照SL 167—96《水库渔业资源调查规范》对水样进行测定，获取溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)、总氮(TN)、总磷(TP)与大肠菌群5项水质指标的实测值。
1.2 灰色聚类评价
1.2.1 确定聚类样本
根据2014—2016年大鲵栖息地水质现状调查与分析结果构建聚类样本，以GB 3838—2002《地表水环境质量标准》作为评价标准，选取Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类标准期限值作为3个灰类[17-18]，见表2。
表2 各评价指标的灰类划分
Table 2 Grey leagues of all evaluation indexes mg/L
评价指标灰类123DO≥7.5≥6≥5COD≤15≤15≤20TN≤0.2≤0.5≤1TP≤0.02≤0.1≤0.2大肠菌群≤200≤2000≤10000
1.2.2 数据的标准化处理
1)白化数的标准化处理。
对聚类样本指标的原始白化数Xj(i)进行标准化处理，计算公式如下：
(1)
式中：dj(i)为第i项指标第l个灰类的标准化处理值；Xj(i)为第i项指标第l个灰类的灰类值；C0i 为第i项评价指标的参考标准。
2)灰类的标准化处理。
为便于原始白化数与灰类之间的比较分析，仍对C0i进行无量纲化。灰类的标准化处理的计算公式如下：
(2)
式中：kl(i)为第i项指标第l个灰类的标准化处理值；Sl(i)为第i项指标第l个灰类的灰类值；C0i取值同上。
1.2.3 确定白化函数
白化函数反映聚类指标对灰类的亲属关系，其表达式分别为：
(3)
(4)
(5)
式中：fi1(d)、fi2(d)、fi3(d)分别为对于第j个测点第i项评价指标的灰类1、灰类2、灰类3的白化函数；d为聚类样本指标的标准化处理值；k1、k1、k1分别为评价指标的灰类1、灰类2、灰类3的标准化处理值。
1.2.4 计算聚类权
聚类权是衡量各个评价指标对同一灰类的权重，即每1个评价指标对每1个灰类均有权值，权值计算公式如下：
(6)
式中：Wl(i)为第i个污染指标对第l个灰类的权值；kl(i)为第i个污染指标对对第l个灰类的标准化处理值。
1.2.5 计算聚类系数与聚类
聚类系数反映了聚类测点对灰类的亲疏程度。其计算公式如下：
(7)
式中：εjl为第j个测点对第l个灰类的聚类系数；dj(i)为第i个污染指标对第j个测点的标准化处理值。
在每1行向量中聚类系数最大值所对应的灰类就是该测点所属的类别，将所有测点所属灰类进行归纳，得到灰色聚类结果。
1.3 营养状态质量指数法
以GB 3838—2002中的Ⅱ类水标准为评价标准，分析研究区水体富营养化状态，营养状态质量指数NQI计算公式[19]如下：
(8)
式中：CCOD、CTN、CTP分别为COD、TN、TP的实测；
分别为COD、TN、TP的评价标准。
2 结果与讨论
2.1 数据处理与聚类权结果
根据2014—2016年对各旅游干扰区实地监测所获数据确定聚类样本，根据式(1)—(2)对白化数和灰类进行标准化处理，根据式(3)—(5)将2014—2016年各测点、各评价指标的标准化白化数与灰类进行白化函数计算，求得2014—2016年各指标的白化函数值。根据式(6)，确定各个评价指标对同一灰类的权重，2014—2016年的聚类权结果见表3。
表3 2014—2016年评价指标对各灰类的权重值
Table 3 The weight value of evaluation indexes
to each grey leagues in 2014—2016
评价指标灰类123DO0.4240.2000.075COD0.3390.2000.119TN0.1360.2000.179TP0.0680.2000.179大肠菌群0.0340.2000.448
2.2 聚类系数及聚类结果
根据式(7)，得到聚类测点对灰类的亲疏程度，再按照聚类系数最大原则来确定测点所属等级类别，可得到2014—2016年的聚类结果，见表4。可知：除2014年中度旅游干扰区测点1(逃驾峪码头)、测点3(岔角溪泉口)与2016年重度旅游干扰区测点3(黄龙洞龙泉)属灰类Ⅱ外，3年间其他测点均属灰类Ⅰ，占92.6%，各测点水质整体状况较好。依据GB 3838—2002中水域功能和标准分类的规定，珍稀水生生物栖息地应达到Ⅱ类水质要求[18]。依据大鲵生活习性，Ⅱ类水完全满足其正常栖息与繁殖[20]。即使是在重度旅游干扰区，其水质仍能满足大鲵生长要求。
聚类结果属Ⅱ类水的3个测点中，逃驾峪码头2次被聚类为Ⅱ类水，该测点位于江垭水库附近，常年有大量游客来此平湖游休闲，附近有网箱养殖，以鱼为主的餐饮业借势得以发展。黄文洞龙泉与岔角溪泉口分别于2016年与2014年被聚类为Ⅱ类水。龙泉位于张家界核心景内，测点附近设有260 m2的行政楼和游道等旅游设施。泉口附近有110 m2温泉池。在白化函数亲疏关系计算时发现，DO、TN与TP的白化函数在Ⅱ与Ⅲ类中占比较大，旅游干扰对这3项指标的影响较为明显，此结果与Luo等[7]报道相似，旅游业增加了水中TN、TP，减少水中的DO，使水质降低。对于水质已演变为Ⅱ类水的测点应加强旅游干扰防控，尽量避免游客直接接触水源，积极倡导生态旅游理念，降低旅游干扰对大鲵栖息地水质的影响，保护野生大鲵资源。码头、龙泉、泉口3年年均游客接待量分别为7±1，132±25，6±1万人次/年，泉口虽然游客人数在逐年增加，但2015—2016年水质未恶化，反而有所提高，说明游客人数并非影响水质变化的决定性因素，对生态旅游活动的科学管理可以使经济效益与生态效益平衡发展。
表4 2014—2016年各测点的聚类系数及聚类结果
Table 4 Clustering coefficients and their results of each measuring point in 2014—2016
旅游干扰聚类系数及结果测点1测点2测点3测点4测点5测点62014年2015年2016年2014年2015年2016年2014年2015年2016年2014年2015年2016年2014年2015年2016年2014年2015年2016年重度灰类Ⅰ0.3820.7580.5840.4080.8490.5270.3820.4770.3890.3730.4270.4090.3890.7480.7960.4800.7630.779灰类Ⅱ0.3280.1560.3340.3140.2300.2720.3740.3140.4660.3300.3740.3000.3080.1880.3240.2040.3820.328灰类Ⅲ0.1280.1790.0970.1100.1270.0130.1110.2040.1150.1390.1790.1650.1140.1790.0720.0750.0160.077聚类结果ⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅡⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠ中度灰类Ⅰ0.4160.8240.4370.4680.8680.7360.4920.9490.8520.9320.9380.8540.9250.8410.9380.8850.8220.879灰类Ⅱ0.4360.2800.4540.2740.2540.3280.5080.1500.3180.2000.1460.2900.1260.3140.1620.2440.3520.222灰类Ⅲ0.0530.0720.0470.0480.0360.0000.0320.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.000聚类结果ⅡⅠⅡⅠⅠⅠⅡⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠ轻度灰类Ⅰ0.9600.9520.9620.9150.9560.9990.9610.9180.9860.9920.9320.9720.9820.9460.9990.9820.9720.992灰类Ⅱ0.0840.0820.0720.1500.0900.0040.0700.1580.0400.0240.1600.0840.0260.0320.0040.0260.0840.024灰类Ⅲ0.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.000聚类结果ⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠ
2.3 营养状态质量指数
研究区各测点水体富营养化状态计算结果见图1。NQI≤2属贫营养化；2
—2014年； 
—2015年； 
—2016年。
图1 2014—2016年不同干扰强度下的营养状态质量指数
Fig.1 NQI values under different disturbance intensity in 2014-2016
—2014年； 
—2015年； 
—2016年。
图2 2014—2016年不同干扰强度下的氮磷比
Fig.2 Ratios of N/P under different disturbance intensity in 2014-2016
采用N/P值判断TN与TP的相对含量，分析结果见图2。可知：2014—2016年N/P为1～12，N/P<16，说明水中P含量相对较高[21]，TP是该区域水质的首要污染物。因此，在旅游干扰防控时，应重点关注旅游活动对TP含量的影响。
3 结 论
1)2014—2016年，张家界大鲵国家级自然保护区水质状况稳定，即使是在重度旅游干扰区，其水质仍能满足大鲵生长要求。按照生态旅游要求实施的旅游设施建设与旅游活动管理，可以达到旅游开发与野生动物保护的协调发展。
2)2014—2016年3年间仅龙泉、码头和泉口3个测点属灰类Ⅱ，其他测点均属灰类Ⅰ，占92.6%。
3)5项水质指标中，TP超标最为严重，是导致测点被聚类为Ⅱ类水的主要因素。在旅游干扰防控时，应重点关注旅游活动对TP含量的影响。
致谢：吉首大学的宋英杰、王寒、王苗苗、陈进豪、林智智、刘柯、龙娇玲、邓丽娜等同学参与野外调研与水质分析，特致谢忱！
[1] Prerna B, Krithi K K. Tourism turf wars: debating the benefits and costs of wildlife tourism in India[J]. Oryx, 2013, 47(1): 15-16.
[2] Geneletti D, Dawa D. Environmental impact assessment of mountain tourism in developing regions: a study in Ladakh, Indian Himalaya[J]. Environmental Impact Assessment Review, 2009, 20: 229-242.
[3] Vassiliki M, Angeliki M, Elias D. Assessing the impacts of human activities and soil erosion on the water quality of Plastira mountainous Mediterranean Lake, Greece[J]. Environmental Earth Sciences, 2016, 75(10):1-14.
[4] Sun D, Walsh D. Review of studies on environmental impacts of recreation and tourism in Australia[J]. Journal of Environmental Management, 1998, 53(4): 323-338.
[5] Phillip D A T, Antoine P, Cooper V, et al. Impact of recreation on recreational water quality of a small tropical stream[J]. Journal of Environmental Monitoring, 2009, 11(6): 1192-1198.
[6] 刘伟华, 张正旺. 生态旅游对水生动物多样性的影响[J]. 天津师范大学学报(自然科学版), 2015, 35(3): 174-178.
[7] Luo Q H, Song Y J, Hu X, et al. Effects of tourism disturbance on habitat quality and population size of the Chinese giant salamander (Andrias davidianus)[J]. Wildlife Research, 2018, 45(5): 411-420.
[8] 杨晓妮, 杨浩. 基于灰色聚类法的洮河干流水环境质量综合评价[J].甘肃农业大学学报,2017,52(3):95-101.
[9] 庞博, 李玉霞, 童玲. 基于灰色聚类法和模糊综合法的水质评价[J].环境科学与技术,2011,34(11):185-188.
[10] 马太玲, 张江山. 环境影响评价[M].2版.武汉:华中科技大学出版社,2012.
[11] 宿伟萍, 王继富, 刘兴土, 等. 基于灰色聚类法的大庆市油田开发区湿地水环境质量评价[J].中国农学通报,2011,27(32):315-319.
[12] 李娜, 黎佳茜, 李国文, 等. 中国典型湖泊富营养化现状与区域性差异分析[J].水生生物学报,2018,42(4):854-864.
[13] 罗庆华. 张家界大鲵生境特征[J].应用生态学报,2009,20(7):1723-1730.
[14] Ikner L A, Toomey R S, Ginger N, et al. Culturable microbial diversity and the impact of tourism in Kartchner Caverns, Arizona[J]. Microbial Ecology, 2007, 53: 30-42.
[15] 罗庆华, 童芳, 陶水秀, 等. 旅游干扰对张家界大鲵生境空间及水质的影响[J]. 应用生态学报, 2019, 30(6)：2101-2108.
[16] 张家界市畜牧兽医水产局. 湖南省张家界大鲵国家级自然保护区科学考察报告[R]. 湖南：张家界市畜牧兽医水产局1995.10.
[17] 冯彦, 何大明, 杨丽萍.河流健康评价的主评指标筛选[J].地理研究,2012,31(3):389-398.
[18] 国家环境保护总局, 国家质量监督检验检疫总局.地表水环境质量标准：GB 3838—2002[S].北京:中国环境科学出版社,2002.
[19] 张学超, 刘营, 胡红智, 等. 基于灰色聚类的威海双岛湾海域富营养化水平评价[J].水产科学,2013,32(10):605-608.
[20] 刘鉴毅, 肖汉兵, 林锡芝. 大鲵饲养池水质状况分析[J].淡水渔业,1992(2):16-18.
[21] 郭丽丽, 于大涛.大连红土堆子湾水质灰色聚类分析[J].海洋地质动态,2009,25(10):26-29.