水域生態(tài)系統(tǒng)健康評價研究進展

章欣儀，劉偉成，張川，李鵬全，葉深，鄭春芳

(1.溫州大學 生命與環(huán)境科學學院，浙江 溫州 325035；2.浙江省海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖研究所，浙江 溫州 325005；3.浙江省近岸水域生物資源開發(fā)與保護重點實驗室，浙江 溫州 325005)

水域生態(tài)系統(tǒng)是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，為人類提供富饒的生物資源、優(yōu)質(zhì)的生態(tài)產(chǎn)品和美好的生態(tài)環(huán)境，是人類社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要基礎。然而，水域生態(tài)系統(tǒng)在為人類及其他生物提供生態(tài)系統(tǒng)服務的同時，也受到人類活動和氣候變化的影響[1]，特別是隨著當今社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和人類活動的加劇，使得水域生態(tài)系統(tǒng)的完整性遭到破壞，生態(tài)環(huán)境面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。近年來，尤其是黨的十八大將生態(tài)文明建設納入“五位一體”的總布局后，水域生態(tài)系統(tǒng)的健康得到了前所未有的關注，關于開展水域生態(tài)系統(tǒng)健康評價的研究逐漸成為了熱點。

1 生態(tài)系統(tǒng)健康的定義與研究進展

1.1 基本定義

生態(tài)系統(tǒng)健康的概念最初由美國Leopold提出，他認為健康的土地狀況是被人類占領但功能沒有遭到破壞[2]。隨后，學者認為，在未達到生態(tài)系統(tǒng)自身功能閾限的情況下，生態(tài)系統(tǒng)仍處于健康狀態(tài)。我國學者崔保山等[3]認為，生態(tài)系統(tǒng)健康是指系統(tǒng)內(nèi)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動未受到損害，關鍵生態(tài)組分和有機組織保存完整，其發(fā)展終極是生態(tài)整合性。因此，健康的生態(tài)系統(tǒng)應具備以下特征：豐富的物種多樣性、組織結構穩(wěn)定性，有一定抵御外界干擾的能力以及恢復力，生態(tài)服務功能完備等。水域生態(tài)系統(tǒng)是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，指在特定水域中生物與環(huán)境構成的統(tǒng)一整體，在這個整體中，生物與環(huán)境之間相互影響、相互制約，并在一定時期內(nèi)處于相對穩(wěn)定的動態(tài)平衡狀態(tài)。最早有關水域生態(tài)系統(tǒng)健康的記載是美國于1948年頒布的“聯(lián)邦水污染控制法”[4]，Karr[5]用生物完整性來代表水域生態(tài)系統(tǒng)健康；Schofield等[6]認為，健康的水域是未受到破壞的；Meyer[7]提出健康的水域生態(tài)系統(tǒng)不僅要維持自身結構功能的完整，還要與社會經(jīng)濟相結合。我國水利部門認為，健康的水域不僅要有良好的自然生態(tài)狀況，同時具備可持續(xù)的社會服務功能[8]。綜合以上的觀點，作者認為，健康的水域生態(tài)系統(tǒng)應當具備生態(tài)服務功能的可持續(xù)性、物質(zhì)流和能量流的暢通性、生物的多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的完整性。

1.2 研究進展

國外對水域生態(tài)系統(tǒng)評價的研究較早，1981年，Karr[9]最先在河流健康的評價中建立和使用了生物完整性指數(shù)(index of biological integrity，IBI)，從此以后，這種評價體系在水域生態(tài)系統(tǒng)健康評價中得到了廣泛的應用。Novotny等[10]認為，生物完整性同時受到物理完整性(棲息地條件)和化學完整性的高度影響，并做了進一步完善。另一方面，美國《清潔水法(CWA)》規(guī)定了國家控制水污染的目的和目標，即恢復和維護國家水體化學、物理和生物完整性，美國環(huán)保署(EPA)于1999年發(fā)布了快速生物評價協(xié)議(RBPs)，提供了河流著生藻類、大型無脊椎動物、魚類的監(jiān)測及評價方法[11]。歐盟《水框架指令(WFD)》[12]對水域生態(tài)健康進行了描述，該指令根據(jù)三類評價要素將水域生態(tài)健康狀況歸因于生物群落、水文特征和理化特性。以上研究和應用表明，只有綜合物理、化學和生物三方面評價才能更準確反映水域生態(tài)系統(tǒng)的健康水平。

與國外相比，我國在水域生態(tài)系統(tǒng)健康評價領域起步較晚，最早是2001年馬克明等[13]提出評價生態(tài)系統(tǒng)健康需要基于功能過程來確定指標，包括生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部指標，即生態(tài)毒理學、生態(tài)系統(tǒng)醫(yī)學等，以及生態(tài)系統(tǒng)外部指標，比如社會經(jīng)濟指標。2002年，唐濤等[14]首次將河流健康概念引入國內(nèi)，按照評價原理將評價方法分為預測模型法和多指標法兩大類。隨著近幾年研究和實踐的不斷深入，研究類型和研究內(nèi)容也不斷豐富。研究類型主要涉及有河流湖泊[15]、河口海灣[16]、濱海濕地[17]、紅樹林[18]等水域生態(tài)系統(tǒng)，研究的內(nèi)容主要集中在生態(tài)系統(tǒng)健康評價的方法、指標體系的確立、健康評價的標準等。

2 水域生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法

2.1 指示生物法

指示生物法是指根據(jù)對水域中污染物具有敏感性或較高耐受力的生物種類的存在或缺失，指示和監(jiān)測水域健康狀況的方法[19]。目前已在水域生態(tài)系統(tǒng)健康評價中得到了廣泛應用。通常采用關鍵種、指示種、特有種、瀕危種、環(huán)境敏感種等作為指示生物[20]，主要是利用指示生物在物種的數(shù)量、生物量、生理或行為上具有明顯變化的特點，反映出水域的水質(zhì)變化及健康水平。隨著近年來研究的深入，指示生物法從一開始根據(jù)指示生物的存在或缺失的定性分析轉(zhuǎn)變?yōu)槎糠治?，并且逐漸從單物種指示生物法轉(zhuǎn)變?yōu)槎辔锓N指示生物法，例如生物完整性指數(shù)(IBI)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)以及生物指數(shù)等都是應用比較廣泛的方法，綜合運用評價方法，能夠更加全面的反映水域生態(tài)系統(tǒng)的負荷能力和恢復能力。

生物完整性法是指示生物法中最常見的一種，評估水域生態(tài)系統(tǒng)健康的指示物種有魚類[21-22]、藻類[23-24]、底棲生物[25-26]等。魚類處于水域生態(tài)系統(tǒng)食物鏈的頂端，作為指示生物具有易于捕撈、對水質(zhì)變化敏感、壽命長等優(yōu)點，因此基于魚類指數(shù)用于評估水域生態(tài)系統(tǒng)健康的方法越來越受到國內(nèi)外重視[27]，無論是巴西南部亞熱帶河流[21]，還是我國萊州灣水域[22]，魚類生物完整性評價的指標體系構建研究與應用均有報道。

著生藻類是水域生態(tài)系統(tǒng)的重要組成生物，它處于食物鏈底端，是生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)者,在物質(zhì)循環(huán)和能量流動中發(fā)揮著重要作用[28]。Borja等[25]提出了浮游植物的細胞密度是水質(zhì)的最佳評價指標。徐宗學等[24]在渭河流域根據(jù)著生藻類物種豐富度、群落多樣性、相對豐度、生態(tài)型和密度5類屬性，構建了著生藻類生物完整性水生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系。

大型底棲動物是水域生態(tài)系統(tǒng)食物鏈的重要組成部分，由于其生活周期長，活動范圍比較固定，易于采集，且對水質(zhì)的變化敏感，近年來無論在海洋還是河流中應用都比較廣泛。Borja等[25]根據(jù)歐洲水框架指令，使用多變量海洋底棲生物指數(shù)(M-AMBI)對底棲生物進行評估，研究了沿海水域在人口壓力下的健康狀態(tài)；李金京等[26]基于大型底棲動物群落結構調(diào)查，綜合Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、耐污值法和生物指數(shù)法對長江支流橋邊河進行水質(zhì)生物評價。

指示生物法運用水生生物對水域的敏感性和較高耐受性，操作簡單，檢測方便，在生態(tài)系統(tǒng)健康評價中應用較早，方法已接近成熟。但因海洋物種多樣，鮮少被應用于評價海洋健康，更多地被用于研究河流領域。隨著近年來環(huán)境DNA技術的發(fā)展，通過從水環(huán)境中提取DNA進行研究，可同時實現(xiàn)對自然生態(tài)系統(tǒng)中多生物聚集的監(jiān)測[29]，進一步豐富并便利了指示生物法。

2.2 指標體系法

指標體系法是根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的特征和服務功能，運用一系列水文、生物、物理化學、社會經(jīng)濟、等不同類型的指標建立指標體系，能夠從不同角度不同深度評價生態(tài)系統(tǒng)健康的水平以及變化趨勢。指標體系法根據(jù)選取指標的不同有多種構建方法，大致可以分為3個步驟開展[30]：評價指標體系的構建，指標權重的確定與標準化處理，健康等級劃分和綜合評價。

2.2.1 評價指標體系的構建

水域生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系是由多個互相聯(lián)系、互相制約的指標構成，要求指標的選擇既有相關性又有獨立性，能夠全方位、多角度地反映生態(tài)系統(tǒng)的健康水平以及變化趨勢，精確地反映生態(tài)系統(tǒng)及管理和評價目標[31]。根據(jù)指標選取的不同，可以分為壓力—狀態(tài)—響應(PSR)模型指標體系、活力組織恢復(VOR)綜合指數(shù)法等。

在目前的研究中，PSR模型應用最為廣泛。該方法是應用對外界壓力的反應建立生態(tài)系統(tǒng)健康評價體系，其中的關鍵是壓力和與壓力相關因子的選擇。其中，壓力指標是人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學和生物影響，狀態(tài)指標是該生態(tài)系統(tǒng)目前的質(zhì)量水平，響應指標是社會和政府所采取的改善生態(tài)系統(tǒng)的措施和行動。目前PSR模型被廣泛應用于海洋與濕地領域，Yang等[32]采用PSR模型針對我國海洋環(huán)境制定了健康評估指標框架，評估了11個省級沿海海域和4個沿海海域的海洋健康狀況；陳鳳等[33]采用PSR模型，在壓力系統(tǒng)、狀態(tài)系統(tǒng)、響應系統(tǒng)3個層面共選取了17個指標，構建了閩東濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系；Xu等[34]結合TM影像數(shù)據(jù)，建立并完善了大凌河口濕地自然保護區(qū)的空間信息數(shù)據(jù)庫，在使用PSR模型的基礎上確定了大凌河口濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價模型。

活力組織恢復(VOR)綜合指數(shù)法是指以“活力—組織力—恢復力”為評估框架，借用不同指標分別衡量生態(tài)系統(tǒng)在功能、結構、過程、服務等維度上的健康狀況[35]?；盍κ侵噶鹘?jīng)一個生態(tài)系統(tǒng)的能量，通常能夠從營養(yǎng)級結構和生產(chǎn)力反映，組織力是指一個生態(tài)系統(tǒng)復雜性，包括溶解氧、鹽度、無機磷、無機氮、魚類多樣性、浮游生物多樣性等?；謴土κ侵干鷳B(tài)系統(tǒng)在受到破壞后逐步恢復的能力，通常用環(huán)境容量表示。VOR模型較早被用于流域中，張淵[36]根據(jù)VOR模型的內(nèi)涵，從活力、組織結構和恢復力3個方面，選取植被歸一化指數(shù)、林地覆蓋率、多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、蔓延度指數(shù)、散布與并列指數(shù)以及綜合彈性值為指標，構建了滇池流域健康評價指標體系，結果顯示，自2000年以來滇池流域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況在不斷地改善。

2.2.2 指標權重確定與標準化處理

指標權重的確定是指標體系法中至關重要的一環(huán)，目前，較為常見的確定指標權重的方法有層次分析法(AHP)、主成分分析法(PCA)、模糊層次分析法(FAHP)等。層次分析法主要是對與決策存在關系的元素進行分解，使其轉(zhuǎn)化為相應的目標、準則以及方案等層次，繼而進行定性、定量分析。Wu等[37]運用層次分析法計算了指標權重，并結合遙感技術和景觀指數(shù)，構建了濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系。主成分分析法就是通過正交變換的方法對一組可能存在相關性的變量進行轉(zhuǎn)化，使其成為一組線性不相關的變量。劉瀟等[38]在黃河口及鄰近水域進行了3個航次的環(huán)境調(diào)查，獲取了鹽度、營養(yǎng)鹽、化學需氧量及重金屬等指標數(shù)據(jù)，利用主成分分析法研究該海域的水質(zhì)狀況。模糊層次分析法是指在明確多目標評價問題以及總目標的基礎上，對問題進行層次性的分解，繼而使其轉(zhuǎn)化為一個由下而上的梯階層次結構。何海吉[39]結合模糊評價和層次分析法，構建了四川省南充市西充縣水生態(tài)文明綜合評價的層次結構，確定了方案層指標的權重值與評價值，并得到近5 a的水生態(tài)文明指數(shù)。

2.2.3 健康等級劃分和綜合評價

健康等級劃分的問題，即水域生態(tài)系統(tǒng)參考狀態(tài)選取的問題。首先就是要確定最佳的狀態(tài)區(qū)間，通常選取歷史上未受干擾時的良好狀態(tài)為最佳狀態(tài)[40]，再根據(jù)一定的計算準則確定偏離最佳狀態(tài)的各分級區(qū)間[41]。因為不同水域生態(tài)系統(tǒng)的實際情況及各地區(qū)具有差異性，截至目前對于水域生態(tài)系統(tǒng)健康等級劃分尚未形成統(tǒng)一的標準，通常采用構建的生態(tài)系統(tǒng)健康評估綜合指數(shù)分值高低，將生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況劃分5個等級[42]，即很健康、健康、亞健康、不健康、病態(tài)。各健康等級的具體特征為：很健康，生態(tài)系統(tǒng)受人類干擾小，調(diào)節(jié)功能和支持功能完善；健康，生態(tài)系統(tǒng)結構合理，自身的調(diào)節(jié)以及支持功能比較完善；亞健康，生態(tài)系統(tǒng)結構、功能未受顯著影響，尚能發(fā)揮作用；不健康，生態(tài)系統(tǒng)結構出現(xiàn)缺陷，功能退化；疾病，生態(tài)系統(tǒng)受到嚴重破壞，生態(tài)結構極不合理，功能嚴重退化。因研究水域的差異性以及研究人員對健康與否的理解有所差異，在具體表述健康狀況時稍有不同。張雯等[43]采用生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)(EHCI)構建太湖湖濱帶生態(tài)系統(tǒng)指標體系,將評價結果表示為健康(80～100)、亞健康(61～80)、一般(41～60)、疾病(21～40)與嚴重疾病(0～20)共計5個評價等級；孫徐陽等[44]結合不同健康水平下生態(tài)系統(tǒng)的特征和流域水生態(tài)環(huán)境現(xiàn)實狀況確定健康等級標準，將水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況分為5級(I到V)，分別對應優(yōu)、良、中、差、極差5個水平；徐紅玲等[45]采用百分制對太湖流域湖蕩濕地指數(shù)所屬標準進行限值：對應0～100數(shù)值區(qū)間把太湖流域湖蕩濕地狀態(tài)分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級，對應優(yōu)、良、中、差4個級別。

2.3 數(shù)學模型法

在處理與水域有關的數(shù)據(jù)時，會面對不可預測的自然變化，人為干擾，具有復雜性的、不穩(wěn)定的特征和模糊的屬性，往往使它們難以處理。數(shù)學模型是近年來發(fā)展迅速的新型生態(tài)系統(tǒng)評價方法，在處理此類數(shù)據(jù)方面顯示出了非凡的成功和優(yōu)勢。這種方法主要是對某種事物系統(tǒng)中實際的特征以及對應的數(shù)量依存關系進行分析，通過使用數(shù)學語言的方式對其進行概括，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學結構，從本質(zhì)上來講是屬于一種通過數(shù)學符號刻畫的、關于某種系統(tǒng)的純關系結構。它具有更高的處理非線性數(shù)據(jù)的準確性、可靠性、成本效益以及效率，是水質(zhì)監(jiān)測、管理、可持續(xù)性和政策制定的理想工具。2000年Maier等[46]首次利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(ANN)模型，成功對水域中水質(zhì)的變化進行了分析和預測；楊哲等[47]在太湖流域健康評價中引入云模型，從而實現(xiàn)模糊熵—灰云聚類二維河流健康評價；Deng等[48]改進了基于熵的模糊物元模型，通過對河流功能進行分類和表征，建立了平原河網(wǎng)地區(qū)河流健康評估指標體系；Growns等[49]利用物種分布建立模型(SDM)評價澳大利亞沿海河流的健康水平；Yang等[50]通過識別生態(tài)風險源、壓力源、終點和相應的響應機制，開發(fā)了風險響應的概念模型，并改進了TOPSIS模型，結合了基于層次分析法(AHP)和指標重要性法(Critic)的組合加權方法對渭河流域進行了評估(表1)。

表1 3種評價方法的優(yōu)缺點及應用前景的對比

3 小結與展望

水域生態(tài)系統(tǒng)健康是一個系統(tǒng)的整體的問題，評價方法在不同空間尺度有著明顯的差異。在研究空間上，更多的研究聚焦在河流、濕地領域，其中利用生物完整性來評價水域健康依舊是目前最普遍的方法。在海灣、海洋領域，研究人員更多采用指標體系法，綜合考慮社會經(jīng)濟效益，能夠較全面地揭示生態(tài)系統(tǒng)不同尺度的健康狀況，除此之外通過建立海洋健康指數(shù)，能夠?qū)Ω蠓秶酥寥虻暮Ｑ筮M行健康評價。不同的評價方法沒有絕對的優(yōu)劣之分，具體水域具體分析，最重要的是找到針對某一水域最為有效的評價方法，全面綜合地考慮問題。

近年來國內(nèi)就水域生態(tài)系統(tǒng)健康評價開展了諸多研究工作，但仍處于發(fā)展階段，尚未形成統(tǒng)一的評價標準與方法，且存在以下幾個問題：1)水域生態(tài)系統(tǒng)研究空間尺度問題，相較于河流領域生態(tài)系統(tǒng)健康來說，目前在海洋生態(tài)系統(tǒng)方面的重視度不足；2)水域生態(tài)系統(tǒng)研究的整體性問題，目前部分研究只考慮水域的水質(zhì)問題，只考慮了水質(zhì)的物理化學方面，尚未形成水域整體性的觀念；3)水域生態(tài)系統(tǒng)健康的評價指標問題，影響水域生態(tài)系統(tǒng)健康的指標很多，選擇的指標因水域的不同而不同，尚未形成統(tǒng)一的規(guī)范和標準，導致不同研究的差異很大。因此，在研究上要考慮：1)海洋是地球上最廣闊的水體，水域生態(tài)系統(tǒng)健康研究在空間尺度上需要進一步擴大；2)將水域生態(tài)系統(tǒng)看作一個系統(tǒng)整體，健康的水域生態(tài)系統(tǒng)不僅是水質(zhì)上的健康，更是物理、化學、生物綜合方面都達到良好的水平，要綜合應用系統(tǒng)開展整體的評價；3)因地制宜地制定符合不同水域的健康評價標準，充分考慮我國不同地區(qū)水域的自然、社會、經(jīng)濟以及人類活動上的差異；4)在確定指標的過程中，要將易獲得性、可量化性、普遍性以及重要性作為參考的依據(jù)，在此基礎上構建相對比較完善的指標體系。除此之外，也要采取科學合理的方法確定生態(tài)系統(tǒng)健康評價分級標準。