河流生态系统健康评价及展望

第4卷　第2期

2006年6月中国水利水电科学研究院学报JournalofChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch Vol 14　No 12June,2006文章编号:167223031(2006) 0220151205

河流生态系统健康评价及展望

庞治国, 王世岩, 胡明罡123

(11中国水利水电科学研究院遥感技术开发研究中心, 北京　100044;21中国水利水电科学研究院水环境研究所, 北京　100038;

31北京市水务局水电中心, 北京　100073)

摘要:河流生态系统健康与社会经济、人类、生态环境等密切相关, 如何评价河流生态状况正成为水利科学、环境科学和生态学领域研究的热点之一。本文在介绍了生态系统健康概念和评价标准的基础上, 概括了河流生态系统健康的涵义和开展河流健康评价研究的重要意义, 分析评价了预测模型法和多指标法之间的优缺点与发展历程, 提出了河流生态系统健康评价发展方向和亟待开展的工作。认为今后的重点是开展流域尺度上不同时期的河流生态系统健康和基于遥感、GIS 、GPS 新技术的河流健康评价标准及指标体系的研究。

关键词:生态系统; 河流生态系统; 健康评价

中图分类号:X826文献标识码:A

1　引言

, 而生态系统管理是合理利用和保护资源、。河流对人类的发展非常重要, 不仅可提供食物、工农业及生活用水, 、休闲娱乐等诸多服务功能。作为重要的生态系统类型, 河流生态系统还是生物

[2]圈物质循环的主要通道之一, 很多营养盐及污染物在河流中得以迁移和降解。但在过去的几十年中,

河流生态系统不断受到人类活动的干扰和损害。随着工业文明的迅速发展, 人类对水资源的需求大量增加, 很多河流因用水过度而面临断流或枯竭, 此外, 大量污染物的排入和森林及河岸缓冲带的乱砍乱伐严重影响了河流水环境状况, 其结构受到极大破坏, 诸多生态功能也因人类活动的干扰而逐渐丧失。在1999年联合国环境计划署组织的“面向21世纪水资源委员会”对流域面积最大的25条世界大河进行调查后的总结报告中指出, 世界的大江大河水质欠佳, 多数河流水量日益减少, 而污染程度则日渐加重。在被调查的河流中, 中国的黄河, 流入中亚咸海的前苏联锡尔河、阿姆河, 美国科罗拉多河, 印度的恒河和墨西哥的莱尔马河6条河水质极差, 被评为最不卫生的河流; 只有南美的亚马逊河、印度支那半岛的湄公河和北美的圣劳伦斯河水质较好。由此可见, 如何维持现有河流生态系统的服务功能, 修复受损系统, 促进河流及其流域的经济、社会和环境的可持续发展已经成为一个全球性的问题。作为可持续发展概念的一个重要目标, 恢复和维持健康的生态系统迅速成为科学家的共识, 用健康来描述一个环境的状况是科学发展和社会价值观进步的必然结果, 维持和恢复一个健康的生态系统已成为近年来环境

[3～5]管理的重要目标。生态系统健康评价在森林、河流、农田、湿地等不同类型生态系统领域迅速展

开。而如何评价河流生态状况正成为水利科学、

环境科学和生态学领域研究的热点之一。研究河流健康状况的评价不仅可应用于对河流现状的客观描述和评估, 而且有助于管理决策者确定河流管理活动, 对于河流的可持续管理及区域生态环境建设都具有非常重要的意义。[6～8][1]

收稿日期:2006201221

作者简介:庞治国(19-) , 男, 内蒙包头人, 高级工程师, 博士, 主要从事遥感与GIS 在水利、生态、环境等领域的应用研究。

E 2mail:[email protected]

—151—

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2　生态系统健康概念

生态系统的概念首先是由英国植物生态学家A.G.Tansley 于1935年提出的, 最初定义是包括一个定义的空间中所有的动物、植物和物理环境的相互作用, 以及由生物与环境形成的自然系统。其后有Lindeman.R 的能量动态理论、Odum 家族提出的生态系统发展中结构和功能特征的变化规律、Kumar.H.

) 等。总之, 生态L 的超级系统理论, 以及马世骏等提出的社会—经济—自然复合生态系统模型(SENCE

系统是一定空间范围内, 由生物群落与其环境所组成, 具有一定时空格局, 它自身借助于功能流而形成的稳定系统。它具有整体性、生态功能、服务功能、自我维持和调控功能, 并且具有动态的、生命的特征, 是一个复杂的生命有机体, 具有健康、可持续发展特性。因此, 对生态系统进行健康评价研究甚为重要。

生态系统健康是研究生态系统的综合特性, 通过研究生态系统的结构(包括组织结构和空间结构) 、功能(生态功能和服务功能) 、适应力(弹性) 和社会价值来判断它们的健康状况。生态健康是指生态系

[9]统处于良好状态,Costanza 等从生态系统自身出发把生态系统健康的概念归纳为:() 健康是系统的自

动平衡; (2) 健康是没有疾病; (3) 健康是多样性或复杂性; (4) ; (5) 健康是有活力或增长的空间; (6) 健康是系统要素间的平衡。, 代谢活动能力, 保持内部结构和组织, , 系统恢复力、平衡能力、组织(多样性) 和活力(, 一个健康的生态系统应该是稳定和可持续的, , 在外界胁迫下

[10]容易恢复。, 更全面的是把人类健康也包括进来, :满足人类社会合理要求的能力和生态系统本身自。, 而后者是前者的基础。国际生态系统健康学会将“生态系统健康”定义为“、诊断的和预兆的特征, 以及生态系统健康与人类健康之间关系的一门系统的科学”。

生态系统健康的标准有活力、组织、恢复力、生态系统服务功能的维持、管理选择、外部输入减少、对邻近系统的影响及对人类健康影响等8方面, 它们分属于不同的自然和社会科学范畴, 并同时考虑了一定的时空范畴。这8个标准中最重要的是前3

项。活力表示生态系统的能量输入和营养循环容量, 可根据新陈代谢或初级生产力等具体指标来测量; 组织即生态系统组成及途径的多样性, 可根据系统组分间相互作用的多样性及数量比率来评价, 一般认为, 生态系统的组织越复杂就越健康; 恢复力也称抵抗能力, 即胁迫消失时, 系统克服压力及反弹回复的容量, 根据自然干扰的恢复速率和生态系统对自然干扰的抵抗力来评价。

在过去的几年里, 一些国家级和国际间的环境工程已开始发展生态系统健康指标。这些指标主要从生物物理观点来考虑, 但随着发展越来越从综合社会经济与人类的健康角度考虑。一个著名的项目是加拿大和美国政府联合进行的大湖地区生态系统健康状况的评价。1997年, 美国实施了一项全国生态系统健康状况评价项目, 要在4年时间内完成全国的森林、农田、海岸和海洋等主要生态系统健康状

[12]况评价报告。在加拿大, 生态系统健康已经成为国际发展研究中心(InternationalDevelopmentResearch

Center,IDRC ) 的主要关注热点和研究领域。IDRC 目前实施的一项核心计划是“人类健康的生态系统方法”。这个项目主要资助发展中国家开展人口增长、资源利用、技术进步与人类健康间关系的研究, 利用

(IntergovernmentalPanel 生态系统方法促进人类健康与环境可持续发展。另外“, 政府间气候变化委员会”

onClimateChange,IPCC ) 领导的一个人类健康工作组, 正在进行气候变化对人类健康风险的调查研

[13]究。

生态学家虽至今未就生态系统健康的概念达成共识, 但这一形象的比喻己引起了公众及决策部门给予人类活动对生态系统影响及环境退化等问题更多的关注。不同专业的学者正致力于将自然、社会及健康科学等多门学科交叉, 寻求更加合理的、可测度的评价标准来评价生态系统的健康。因此, 对河流生态系统健康状况、评价标准、服务功能的实现等的研究就成为水利科学工作者关注的热点问题。—251—[11]

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3　河流生态系统健康及评价方法

311　河流生态系统健康内涵及意义　河流生态系统健康与社会、经济、人类、生态环境等密切相关, 在区域水平上可以理解为是资源安全、环境安全和经济安全的有机统一。一个健康的河流生态系统应该具有合理的组织结构和良好的运转功能, 系统内部的物质循环和能量流动未受到损害, 对长期或突发的自然或人为扰动能保持着弹性和稳定性, 并表现出一定的恢复能力, 整体功能表现出多样性、复杂性。能够满足所有受益者的合理目标要求, 具体表现为根据区域发展需求, 合理利用分配水资源, 保证不同区域利益的均衡, 同时改善生态环境。其内涵是动态变化的,

在不同时间尺度和不同空间尺度具有不同涵义。

河流生态系统具有调节气候、改善生态环境、维护生物多样性以及一定的社会服务等众多功能, 需要采用一定的指标和方法来监测河流环境条件的各个方面, 即从多角度来评估河流的健康状况, 从而提供对其整治以及管理有用的信息, 提高受损河流的健康状况, 保护健康河流, 环境、社会和经济需要。研究国内主要河流的健康状况, , 构建一套适用于我国的河流生态系统健康评价理论体系, , 康状况的差异, 设立恢复优先权, , , 从而提高恢复活动的有效性。, 不仅可揭示河流生态系统的现状, , , 从而提高管理决策能力312　, 最初从生物对水质变化的响应着手, 之。近20年来, 研究发现, 河流生物群落具有整合不同时间、。这些生物群落的结构和功能特性能够反映诸如化学物质污染、物理生境的消失和斑块化变化, 同时外来物种入侵, 水资源的过量抽取和河岸植被带的过度采伐会造成水环境总体退化。因此, 生物监测将更多的目光集中在多种生态胁迫对水环境造成的累计效应上。而对于应用生物方法评价河流健康的方法, 选择何种指示生物是生态系统健康评价的关键。目前研究

[14]中, 用得较多的水生生物主要是藻类(以硅藻为主) 、无脊椎动物和鱼类。如, 使用硅藻相关指数ISP

和GDI 反映水环境的腐生程度、TDI 反映水环境的营养程度“, 河流无脊椎动物预测和分类系统”、“澳大利亚河流评价计划”“、南非计分系统”以及底栖生物完整性指数(B 2IBI ) 、营养完全指数(ITC ) 等都是基于对河流大型无脊椎动物生物多样性及其功能监测基础上的河流健康状况评论模型,Kart 于1981年提出的生物完整性指数(IBI ) 能够在比较的基础上对所研究的河流健康状况做出评价, 是当前较普及的一种健康评价方法。

尽管关于河流健康评价的方法很多, 但从评价原理上, 主要可分为2类:

(1) 预测模型方法(PredictiveModels ) 。如Rivpacts 和AusRivAS 等。这类方法通过把某些研究地点实际的生物组成与在无人为干扰情况下该点能够生长的物种进行比较而对河流健康进行评价。该类方法首先通过选择参考点(referencesites, 无人为干扰或人为干扰最小的样点) , 建立理想情况下样点的环境特征及相应生物组成的经验模型, 之后, 比较观测点生物组成的实际值与模型推导的该点预期值, 以两者的比值河流健康进行评价。理论上, 该比值可以在0～1之间变化, 比值越接近1, 则该点的健康状况越好。

但是, 预测模型法存在一个较大的缺陷, 即主要通过单一物种对河流健康状况进行比较评价, 并且假设河流任何变化都会反映在这一物种的变化上, 因此, 一旦出现河流健康状况受到破坏, 但并未反映在所选物种的变化上时, 就无法反映河流真实状况。因此, 它具有一定的局限性。

(2) 多指标方法(Multimetrics ) 。该方法通过对观测点的一系列生物特征指标与参考点的对应比较并计分, 累加得分进行健康评价。该类方法在美国和澳大利亚被广泛应用。其中最具代表性的方法就是澳大利亚的溪流状况指数ISC 。它构建了基于河流水文学、形态特征、河岸带状况、水质及水生生物5方面共计22项指标的评价指标体系, 并在对其计分的基础上综合评价澳大利亚80多条河流健康状

—351—

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况。这一方法是对河流各方面特征的综合评价, 其结果更加全面、客观, 是河流健康状况评价的一种发展方向。另外美国的IBI 方法也很典型。多指标法则是不同生物组织层次上多个指标的组合, 考虑的河流表征因子远多于预测模型法, 所以能够及时地反映这种变化。然而, 这种方法也存在如何综合地评价一个生态系统的完整性及如何对这些综合指标进行合理解释等问题, 评价标准难以确定, 因此精度有所欠缺。[15]

4　河流生态系统健康评价发展状况与展望

411　河流生态系统健康评价发展状况　近10多年来, 河流健康状况评价已在很多国家开展, 其中以美国、英国、澳大利亚、南非的评价实践较具代表性。

美国环保署经过近10年的发展和完善, 于1999年推出了新版的快速生物监测协议(Rapid BioassessmentProtocols,RBPs ) , 该协议提供了河流藻类、大型无脊椎动物以及鱼类的监测及评价方法和标准。英国关注河流健康状况的一个重要举措就是河流生态环境调查, 、河道数据、沉积物特征、植被类型、河岸侵蚀、量, 并判断河流生境现状与纯自然状态之间的差距年提出的“英国河流保护评价系统”, 该评价系统通过调查评价由35(即自然多样性、天然性、代表性、稀有性、, 该评价系统已经成, 英国还建立了以RIVPACS 为基础的河流生物监测系统。国家河流健康计划”, 用于监测和评价澳大利亚河流的生态状况, , 并为管理决策提供更全面的生态学及水文学数据, AUSRIVAS; 除此之外, 近年来澳大利亚的溪流状态指数(ISC ) , 拓展了河流健康状况评价的使用范围,ISC 采用河流水文学、形态特征、河岸带状况、水质及水生生物5方面指标、共计

22项指标的评价指标体系试图了解河流健康状况, 并评价长期河流管理和恢复中管理干扰的有效性, 对维多利亚流域中80多条河流的实证研究表明,ISC 的结果有助于确定河流恢复的目标, 评价河流恢复的有效性, 从而引导可持续发展的河流管理。南非的水事务及森林部于1994年发起了“河流健康计划”, 该计划选用河流无脊椎动物、鱼类、河岸植被、生境完整性、水质、水文、形态等河流生境状况作为河流健康的评价指标, 提供了建立在等级基础上可以广泛应用于河流生物监测的框架, 针对河口地区提出了用生物健康指数、水质指数以及美学健康指数来综合评估河口健康状况。

412　河流生态系统健康评价发展展望　虽然河流健康研究方法种类繁多, 但总体而言, 该领域仍处于起步阶段, 用什么样的指标体系来度量、评价系统的健康状况仍有待大量研究的积累。纵观河流生态系统健康内涵及评价发展, 作者认为今后河流健康评价研究应着重解决如下问题:

(1) 时空尺度的扩大。开展流域尺度上不同时期的河流生态系统的健康研究是当前研究的一个重大进步。在以往对河流生态系统健康的研究中, 多侧重于从河流水质状况进行河流健康的评价, 这虽然可以从河流水质状况上对河流健康状况进行评价, 但河流却是流域的一个基本单元, 仅仅评价河流的水质状况并不能全面反映河流的健康特征。有研究指出, 只有将河流生态系统纳入流域生态学的研究范

[16]围, 才可高度重视其与流域内陆地生态系统间的相互关系, 强调出流域的系统性和完整性。通过建

立流域环境质量评价指标体系及其评价过程, 分析流域环境质量的变化趋势, 可为流域环境管理提供依

[17]据。在流域尺度上, 河岸带植被及流域土地利用变化对河流生态系统健康的影响也受到重视, 如河岸带植被指数(RiparianVegetationIndex,RVl ) 就是通过实际情况下的河段植被特征(包括河岸带植被的砍伐、种植、结构、洪水影响、侵蚀、沉积作用和外源物种) 相对于天然情况下特征的变化以评价河流的生态健康。可见, 只有将河流从流域尺度上进行全面和整体认识, 系统分析河流生态系统的健康状况, 才可以全面认识河流的健康特征。

(2) 评估和监测一定时期内的河流(所在流域) 整体健康状况的发展趋势。尤其是近年来我国河流—451—[18]

河流生态系统健康评价及展望　庞治国　王世岩　胡明罡

综合整治以及恢复活动开展频繁, 评估河流恢复的有效性、提高河流恢复质量成为我国河流管理中迫切需要解决的问题。而恢复前后的河流健康状况评价结果可为管理决策者提供良好的基础比较资料和决策依据, 通过比较评价干预之前以及干预之后的河流条件或比较预期的以及实际的河流条件评估管理行为的有效性, 从而提高我国河流综合管理水平。

(3) 开展基于遥感、GIS 、GPS 新技术的河流健康评价指标体系研究。随着可持续发展战略的实施, 健康的河流生态系统必将成为河流管理的主要目标, 所以很有必要开展相关研究。通过3S 技术手段可方便快捷地建立一套适用于我国河流生态系统健康理论及评价体系, 对主要河流进行健康评价, 为河流及流域管理提供基础数据和决策依据, 以期实现经济、社会及环境的可持续发展。

参　考　文　献:

[1]　赵士洞, 汪业勖. 生态系统管理的基本问题[J].生态学杂志,1997,16(4) :35-38.

[2]　KarrJR,ChuEW.SustainingLivingRivers[J].Hydrobiologia,2002,422Π423:1-14.

[3]　ChutterFM.ResearchontheRapidBiologicalAssessmentofWaterQualityImpactsinStreamsandRivers[R].WRC

ReportNo422Π1Π98.WaterResearchCommission,Pretoria.1998.

[4]　NodrrisRH,HawkinsCP.MonitoringRiverHealth[J].Hydrobiologia,2002,435:5-7.

[5]　[6]　Health,1995,1:129-141.

[7]　[8]　[9]　[10]　[11]　[12]　[13]　ZengDH,JiangFQ,FanZP,etal.EcosystemHealthandSustainableDevelopmentforHuman[J].ChinaJApplEcol,

1999,10(6) :751-756(inChinese ) .

[14]　唐涛, 蔡庆华, 刘健康. 河流生态系统健康及其评价[J].应用生态学报,2002,13(9) :1191-1194.

[15]　LadsonAR,WhiteLJ,DoolanJA,etal.DevelopmentandTestingofanIndexofStreamConditionofWaterway

ManagementinAustralia[J].FreshwaterViol,1999,41:453-468.

[16]　邓红兵, 王庆礼, 蔡庆华. 流域生态学———新学科, 新概念, 新方法[J].应用生态学报,1998,9(4) :443-449.

[17]　张晓萍, 杨勤科, 李锐. 流域“健康”诊断指标[J].水土保持通报,1998,18(4) :57-62.

[18]　KemperNP.RVI:RiparianVegetationIndex[R].DraftReporttotheWaterResearchCommission,WRC,1999.

Assessmentofriverecosystemhealthanditsprospect

PANGZhi 2guo ,WANGShi 2yan ,HUMing 2gang 123

(1. Remote Sensing Center , IWHR , Beijing 　100044, China ;2. Dept . of Water Environment , IWHR , Beijing 　100038, China ;

3. Beijing Water TechnologyCenter of Beijing Water Authority

, Beijing 　100073, China )

Abstract :Theriverecosystemhealthiscloselyrelatedwithsocialeconomics,humanactivityandeco2environment.Itisahotspotofresearchtoevaluateriverhealthinmulti 2disciplinesofsciences.This

paperintroducestheconceptandcriteriaofecosystemhealthassessment,generalizesthemeaningofthe

riverecosystemhealthandrevealstheimportanceofresearchonthissubject.Adetailedcomparisonis

madeaboutdevelopmentprocess,advantagesanddisadvantagesbetweenthePredictiveModelsandthe

Multi 2metrics,whicharetwomethodsoftheriverecosystemhealthassessmentintermsofassessment

principles.Finally,aprospectabouttheriverecosystemhealthassessmentisputforward.Focusshould

begiventoresearchesondevelopmenttrendinlongrunwithwatershedscaleandassessmentindexesas

wellasstandardsbasedonRS,GISandGPStechnologies.

Keywords :ecosystem;riverecosystem;healthassessment

(责任编辑:吕斌秀)

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