區域生態風險評價研究進展

顏 磊 ,許學工

(北京大學城市與環境學院地表過程分析與模擬教育部重點實驗室,北京 100871)

人類行為對自然環境的影響研究至少可以追溯到18世紀的 Buffon＆Humboldt時代[1]。 1865年,Marsh出版了在環境研究上具有劃時代意義的著作《人和自然》,詳細論述了人類如何擾亂自然之和諧[2]。進入人口膨脹和工業化的“指數時代”,人類活動對環境的作用和影響越發明顯。資源消耗、全球氣候變化、物種過早滅絕、環境污染、貧困已成為當前最重要的環境問題[3]。Palmer等[4]代表美國生態學會指出：“我們未來的環境將大部分由人類支配的生態系統(human-dominated ecosystems)構成,人們將有意識或無意識地對這些生態系統進行管理”。在這樣的背景下,作為保護人類健康、有效進行環境管理的科學手段,環境健康評價、環境影響評價、生態風險評價相繼出現。

由于生態風險評價從獨特的不確定性分析和潛在的高成本視角入手[5],考慮不同的環境管理決策所產生的潛在負面影響[6],因而在環境政策制定中扮演越來越重要的角色。自 20世紀 80年代以來,美國科學院,美國國家環保局(EPA)已主持開展了許多生態風險評估工作,后者還主導出版了一系列風險評價文獻[7]。EPA將生態風險評價定義為“評估暴露于一種或多種壓力因子后,可能出現或正在出現的負面生態效應的可能性過程”[8]。多風險壓力和多風險受體的出現,使生態風險評價工作不斷拓展其時空尺度[9-10],已從單一壓力源對單一受體的風險評價走向區域生態風險評價。

國內學者付在毅、許學工[11]較早地注意到區域生態風險評價問題,他們從遼河、黃河三角州的研究案例中總結出一套評估方法。陳輝等[12]從生態風險的概念、發展歷程、研究方法等角度對生態風險進行了綜述。陽文銳等[13]也做過類似綜述,特別強調城市生態風險評估。該文專門針對區域生態風險評估,著重從研究區域類型、研究內容、研究范式、研究方法、研究技術、相關模型等方面對國外區域生態風險評價研究進行綜述。

1 研究進展

Hunsaker最早將區域生態風險評價界定為描述和評估區域尺度的環境資源風險或由區域尺度的污染和自然擾動所造成的風險[14]。隨后,Hunsaker[15],Suter等[16]開展了景觀尺度的生態風險評估。迄今為止,學術界已開展了若干的區域生態風險評價案例研究,在研究內容、方法、技術、范式、模型構建等方面取得了階段性成果。

1.1 區域類型

區域生態風險評價研究案例主要集中在流域[17-20]、洪泛平原[21]、海灣[22-23]、三角洲濕地[24]、海岸帶[25]、湖泊[26]、熱帶雨林[27]、山區森林[28]和一些特殊生態區,如青藏鐵路 /公路沿線[29]、垃圾場[30]、采礦點[31]、石油污染點[32]等。可以看出,其研究區域類型雖較為廣泛,但主要呈現出 2個特征：一是集中于一些自然地域系統,如流域、海岸帶、雨林等。這些地域系統往往有著較為明顯的邊界條件,其內部系統之間物質和能量的分布和流動存在著較為明顯的動力學特征;二是集中于一些特殊生態區,如青藏鐵路/公路沿線,采礦點等。這類區域有著某種特殊的生態環境特征和明顯的污染特性,往往高度敏感、脆弱或存在較高的環境危機。

1.2 研究內容

經過近 20年的努力,來自不同學科背景的研究人員已開展了大量區域生態風險研究,包括具體的案例評價、方法探討和哲學依據的思考等諸多內容。由于生態風險評估是評價人類活動對生態系統的潛在負面影響[9],而生態系統具有個體、種群、群落、景觀等不同層次的等級結構,因而若以評價終點或評價目的來反映其研究內容,可分為以下幾類。

1.2.1 針對物種的評價。20世紀 70年代,研究人員開展了大量人體健康風險評價,后來人們逐漸意識到,保護珍惜物種、維護生物多樣性與保護人類同樣重要,因而逐步將對人的風險評價延伸到對物種的風險評價,尤其是那些具有環境指示作用的珍惜物種或關鍵物種。Kooistr探討了金屬沉積 (鎘、鋅、銅)對物種(小貓頭鷹、倉鼠、鼩鼱)的生態風險[21];Louda等注意到,人為引入外來物種對入侵物種進行控制時仍會產生風險,并發展了一套方法加以評估[33];Redfearn建立了淡水和咸水災害指數,通過相關數學模型,定量研究了水域動物和鳥類(麝香鼠、水獺、濱鷸、野鴨、翠鳥)長期暴露于垃圾場瀝出液/物時所帶來的生態風險[30]。一些學者認為,風險評估不應該僅局限于瀕危物種的個體水平,而應該擴展到一般性的動植物,并在種群水平上考慮問題。他們描述了在種群水平上進行風險評估的方法,并認為：“一般而言,可接受的風險水平是,兩成以上當地種群所接受的暴露量超過危害物質的毒理參考值的概率小于10%”[34]。

1.2.2 針對棲息地/景觀的評價。一些學者認為,集中于物種層次的生態風險評價忽視了棲息地的質量[35]。Leuven＆Poudevigne指出,生態風險評估目的是評價生態系統受到人類活動負面影響的可能性,風險概率取決于生態系統的抗性(resistance)和彈性(resilience)[19]。Purucker[35],Chow等[36]充分考慮棲息地狀況,并結合暴露模型進行生態風險評估。Leuven等介紹了立足于生態系統的、中觀尺度上的整體法(holistic approach)[19]。Xu等綜合了自然和人文兩類因子對生態系統的影響,對黃河三角洲濕地生態系統進行了風險評價[24]。Chen等則主要從自然因子角度,采用人工神經網絡法,對青藏鐵/公路沿線 50km緩沖區內的 6個大自然地帶和 10類生態系統進行了生態風險評估[29]。

1.2.3 針對具體環境管理的評價。以單一物種,多物種或景觀層面為評價終點的生態風險評價,往往較少考慮和環境利益相關者(stakeholders)之間的關系,而這些利益相關者在實際的環境管理過程中起到關鍵的、具有實際操作性的作用。因此,有的學者在考慮評價終點時,充分考慮利益相關者的價值。Walker等研究澳大利亞農業灌溉區時就從維護飲用水質、漁業產量、游憩價值、當地種群數量等角度考慮評價終點[17]。為了優化管理,Serveiss將流域方法和生態風險評估方法結合,提出了科學決策和有效管理的三大原則[37],合理使用評價終點;科學家和管理者需經常進行溝通;進行多壓力因子分析。5年后,Serveiss在進行流域生態風險評價和戰略管理研究時,又提出了綜合考慮水環境、自然和社會層面因素的評價終點[38]。事實上,在這個層面的生態風險評估,學者們所選取的評價終點已與 EPA的界定不完全一致了[6]。此外,一些人文科學領域的學者為有效進行管理,還采用問卷調查方法,評估了區域游客的風險理念、態度及其假設行為規律[39],中法學生社會風險意識的差異[40]等,但這些研究并非傳統意義上立足于環境管理的區域生態風險評估。

1.3 研究范式

范式的概念和理論由美國著名科學哲學家 Thomas Kuhn于 1962年提出,英國學者 Margaret Masterman概括了范式的 3個層面,其中一個重要層面就是“示范的工具、解疑難的方法、類比的圖象”。生態風險評價框架在一定程度上反映了區域生態風險評價研究范式。Power＆McCarty詳細分析了 5個國家(地區)的 7個評價框架[41]。Wireman等分析了美國國防部(department of defense,DOD)的生態風險評估方法[42]。現將各國主要的評價框架歸納如下。

1.3.1 荷蘭。荷蘭房屋、物質規劃和環境部的評估框架為：確定對人和環境的危險;估計這些危險的可能性和大小;評估風險的可接受性。如果可能,進行風險防范;如果不能防范,則維護風險到其可接受的水平。

1.3.2 澳大利亞/新西蘭。他們的評估框架為：建構風險內容;確定風險;進行風險分析;風險評價 /排序;風險處理。

1.3.3 美國。美國的研究頗為深入。EPA的框架為三階段法。即,問題表述、風險分析和風險表征。這是迄今為止影響最為廣泛的研究范式。其中,問題表述階段,最重要的是確立評價終點、概念模型和分析計劃。分析階段包括兩大基本部分,即暴露表征及其生態效用表征。前者主要描述壓力源的分布,與它們接觸或共同發生的生態受體;后者用于評價壓力和受體的“壓力-響應關系”。在風險表征階段,風險評估者需要清楚明晰地表述風險評估結果,解釋風險的負面效應,闡明評估的信度和不確定性。

美國總統/國會風險評價和管理委員會的框架為：在社會和生態范疇下界定評價和管理問題;進行風險分析;界定風險管理目標 ;制定決策;選擇實施;再評估。

美國國家研究委員會將風險表征階段視為決策行為,指出該階段要向著提供決策選擇和解決問題的方向發展。這就要求對與風險感興趣或受其影響的各群體相關的損失、損害或結果建立一個更為寬泛的理解,強調協商過程。美國國防部①美國國防部的 ERA分別在美國陸軍部(U.SA rmy)、海軍部(U.S.Navy)和空軍部(U.S.AirForce)展開。參考了 EPA的方法,將生態風險評價歸納為三層法(three-tiered approach)。其每一層次都包含了 EPA的“問題表述、風險分析、風險表征”過程信息。第一層是監控評估,指直接通過資料/文獻收集數據,利用“后果-效應模型”初步估計不能接受的潛在生態風險,進行決策。若無法做出明確的決策,則進入第二層,正式評估。此時需要用更多的實驗和野外調查的樣點數據進行評估。如果評價區域有較大的空間范圍和復雜的生態系統,則進入第三層,重復評估。此層需要采用更多的基于種群和生態系統層次的野外測試。在某種意義上,DOD的框架更像一種根據問題復雜程度劃分的實際解決方案。

1.3.4 英國。英國環境部用目的(intention)一詞代替了“問題表述”,他們的框架為：目的描述;危害確定;確定后果,包括這種后果的大小和可能性;風險評估;風險管理;風險監控。

1.3.5 加拿大。該國標準委員會的框架和 EPA的框架非常接近,但包含了一個和利益相關者之間的細致探討過程。該框架特別強調多壓力效應,生態系統的社會價值的確定,識別風險的可接受程度和可選擇的行動決策。

從上述列舉的評估框架中可以看出,盡管各國表述和側重點各有不同,但卻有著一些共同點,即：(1)都有一個明確設計的任務,適于科學研究和實踐、估計風險可能性大小和人類活動效應。(2)都包括了類似于適應性管理的(adaptive management)、對于連續性過程基于監測的反饋內容(monitoring-based feedback)。(3)都有一個詳細設計的、具有層次等級結構的分析步驟。

1.4 研究方法和技術

隨著評價尺度的擴展,區域生態風險評價涉及到諸多方面,許多模擬污染物分布、傳播、積累、壓力-受體交互作用、不確定性分析等方法和技術被大量引入到區域生態風險評估中。一些主要的方法、模型和技術如下。

1.4.1 RRM。為了快速便捷地進行區域生態風險評估,Landis＆Wiegers于 1997年首次建立了相對風險模型(relative risk model,RRM)[43],經過 10多年的發展,RRM已被成功地運用到北美、南美和澳洲的許多水域、海域和陸地環境中去[44]。利用 RRM模型進行區域生態風險評價的關鍵步驟為：首先根據區域情況,將區域劃分為若干亞區,將傳統的生態風險分析中“壓力-受體”分析轉變為“壓力源和棲息地”分析。然后建立一個概念模型用以分析不同壓力源對不同棲息地之間的相互作用,同時采用等級賦值法來刻畫壓力源出現的概率和危害程度(如,將影響程度刻畫為高、中、低、零,并分別賦值為 6,4,2,0),由此量化壓力源和棲息地之間的相互作用程度。由于這種賦值法只能相對表示概率和危害程度,因而被稱為相對風險模型。

1.4.2 PETAR。Moraes＆Molander針對 EPA設計了一個三級風險評價過程(procedure for ecological tiered assessment of risk,PETAR),包括初級評價,區域評價和局地評價[45]。每個層次針對不同尺度的區域類型,其所依賴的數據和方法也各有不同。國內有學者將其作為一種重要的風險評價概念模型加以總結[12]。但其初級評價類似于 DOD的監控評估,其區域評價,如文獻[27]基本類同于 RRM方法,因而,在某種意義上,我們更愿意將 PETAR方法作為一種框架而非具體模型加以理解。

1.4.3 MR。Martin[46]總結了一種被稱為 3MR的風險評估方法,即：多媒介、多路徑、多受體(multimedia,multipathway,and multireceptor)風險評估方法。該方法由風險分析和不確定性分析兩大模塊構成,特別適于估計不同的空間尺度的化學物質污染所帶來的生態風險。風險分析模塊融入了相關暴露和積累數學模型,由 8個屬性參數構成：污染源、傳播介質、傳播過程及結果、受體、暴露方式、暴露路徑、風險測度值、門檻計算值。該過程循環計算污染物對每一個受體的風險。不確定分析模塊則采用兩階段蒙特卡羅法分析,以便于有效分析數據采集、暴露模型、風險評估階段等諸多不確定性。

1.4.4 WOE。區域生態風險評價關注區域問題,因此,最具有挑戰性的工作就是通過有限的觀測數據來研究對生態系統的影響。在這個過程中,證據權衡法或因子權重法 (weight-of-evidence,WOE)被廣泛運用。Burton[47]系統總結了各種 WOE方法,分析了不同方法各自的優勢、劣勢和不確定性。他將 WOE方法總結為定性分析、專家排序法、民意排序法、半定量排序法、沉積特性三合一指標法(sediment quality triad)、綜合 WOE、定量概率法、矩陣分析法等 8類,并從方法的魯棒性(robustness)、易用性、敏感性、適用性、透明性 5個方面對這些方法進行了系統分析和比較。他認為,WOE需要朝更定量化、透明化、多方參與化(廣泛的包括各種專家和利益相關者)方面發展。

1.4.5 生態模型。生態學家和風險評估者已意識到傳統的基于劑量法的“個體暴露模型”限制了在種群、生態系統和景觀層次的生態風險評估,而這些和環境管理最為相關。將建立在種群、生態系統、景觀層次的生態模型運用到生態風險評估中已成為趨勢。Pastorok[48]詳細總結了生態風險評估中使用的生態模型及其使用階段,并將這些生態模型分為三大類、若干亞類和小類：(1)種群模型,包括標量豐度、生活史、個體模型、集合種群 4個小類。(2)生態系統模型,包括食物網模型、水域生態系統模型、陸地生態系統模型。(3)景觀模型,包括水域景觀和陸地景觀模型。此外,他還結合各類模型的具體使用案例,詳細分析了每類模型所使用的參數特性。他認為,當前種群生態模型和生態系統模型發展已比較成熟,但景觀層次模型還需進一步發展。

1.4.6 GIS/RS技術。研究者們已經認識到,區域生態風險評價中,風險源/壓力因子和風險受體都存在著顯著的空間異質性。具有強大的空間關聯和分析能力的地理信息系統(GIS)技術已越來越廣泛地運用到區域風險評價中。近年來的一個運用趨勢是：將 GIS技術和其他生態模型、改進算法相結合,在一定的時空尺度上進行生態風險評估。例如,Kooistr等[21]在研究荷蘭 Rhine河生態風險時注意到,沿河兩岸的土壤性質的空間異質性導致了不同的金屬沉積情況,從而帶來不同的暴露狀況,并通過食物鏈影響物種。他成功地利用 GIS技術將土壤空間分異引入生態風險評價中來,基于金屬沉積采樣數據,結合動物覓食行為模型和典型食物鏈進行區域生態風險評估。Ganines[49]在研究 Savannah河生態風險時,則綜合運用了 GIS和 RS技術。他從該區域 70種脊椎動物中挑選出 6種符合條件的物種作為風險受體,從景觀生態學和動物行為科學角度,以演繹-誘導法建立了物種空間分布概率模型。以改進的暴露模型計算了化學和核輻射污染所帶來的生態風險。

1.4.7 專門計算機軟件。一些學者認為,區域的差異導致了大量評估模型的出現,其結果是模型不斷地建立、運用、出版、繼而被遺忘,應該綜合這些模型開發一些軟件,以提高評估效率[50]。Lu等在確定了大量參考模型,如 CALTOX,CHEMS-1,Ecosys4等,在 EPA的框架下,發展了一套計算機模擬工具,并成功運用到風險評估中去。Zhao[51]還對已開發的 2個風險評估軟件,ToxTools(Version 1,Cytel Software Corporation)和Benchmark Dose Software(Version 3.1,U.S.EPA)的使用進行了詳細比較。

2 討論和展望

2.1 討論

從前述分析中,可以得出如下基本結論：(1)風險評價正不斷擴展研究尺度,已從早期的人體健康風險評價走向面向生態系統、面向區域的生態風險評價。這種從單一走向綜合的趨勢,充分反映了人類對自身生命支持系統的關注和環境管理的現實需求。(2)區域生態風險評價已在全球不同的地域展開,形成了許多評價流程和方法,這些方法的共同特點在于有明確的評價目標、清晰的操作步驟、合理的風險表達方法,并強調為現實環境管理服務。(3)評價的方法在不斷改進,地理信息系統、遙感、各種模型、計算機模擬技術開始廣泛地應用。

關于區域風險評價有幾點值得關注和討論。(1)對風險源的認識。國外特別強調由人引起的風險(humaninduced or anthropogenic),他們認為只有探討由人類活動引起的風險,才便于在評價工作結束后,在實際操作工作中加以相應的調控和決策。有的學者認為,一些重大自然災害也會對生態系統帶來風險,也應當考慮,但目前這種觀點尚未在國際上形成主流。在某種程度上,由自然因素引起的風險不確定性更強,很難人為調控和決策,只能進行適應性探討。因此,在合理確定風險源這個問題上還值得進一步探討。(2)不確定性分析。這是風險評估的最大特點,體現在評價工作前后等諸多環節中。如對區域風險源選擇的不確定性,發生概率的不確定性,“壓力-受體”相互作用的不確定性,將個體水平的風險推移到種群、景觀、生態系統中的不確定性等。對不確定性的深入探討將始終貫穿于風險評估之中。(3)研究哲學基礎。Chapman認為以“維護生態系統的現狀”為哲學基礎的區域生態風險評價是不現實的,生態系統不可避免地發生變化,評價的哲學基礎應該是平衡人和生態系統的共同需要,最終以“人作為度量”[52]。在這個意義上,建立立足于人類福祉的區域生態風險評估值得進一步關注。

2.2 研究展望

盡管許多利益相關人士和機構對生態風險評估做出批評,但這恰恰反映了人們對改進風險區域生態風險評估的期待[53],Landis提出,等級斑塊動態范式(hierarchical patch dynamic paradigm,HPDP)能在擴展尺度中起到重要作用,并指出了未來 3個研究領域,即有效確定區域系統的因果關系、發展相應的統計方法、有效溝通風險評估結果以加強決策過程[54]。W ickwire在此基礎上還強調加強現實性分析[55]。我們認為,當前區域生態風險評價研究可在下述方面進一步努力。(1)嘗試通過 HPDP框架,建構具體的操作評估方法,以解決區域生態風險評價的核心和關鍵問題。即哪些問題能構成區域風險?它們該如何表達?具有時空分異特性的不同風險壓力源和受體之間如何相互作用并對區域綜合產生影響?(2)加強對不確定性分析的探討。當前,一些與不確定性相關的方法,如蒙特卡羅法、貝葉斯方程、人工神經網絡等已在區域生態風險評估中加以應用,可進一步加強和嘗試其他相關方法。(3)加強 GIS的綜合運用。具有空間分析和表達能力的 GIS技術已在區域生態風險評價中展示其強大功能,需進一步加強其綜合運用。一方面,要注意與其他方法、技術的結合,如遙感、相關生態模型等,另一方面,可加強時間尺度的分析,從而真正地從時空尺度綜合分析區域生態風險。(4)區域綜合生態風險評估。世界衛生組織、國際化學品安全項目與美國國家環保局等機構已啟動區域綜合生態風險評估項目[56]。他們在一個評估中綜合了對人、生物區系、自然資源生態評估的過程。復雜世界呼喚綜合分析,區域綜合生態風險應成為未來的發展方向。

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