河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價及展望

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　　人類社會的可持續(xù)發(fā)展歸根結(jié)底是生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展問題，而生態(tài)系統(tǒng)管理是合理利用和保護資源、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑^[1]。河流對人類的發(fā)展非常重要,不僅可提供食物、工農(nóng)業(yè)及生活用水,還具商業(yè)、交通、休閑娛樂等諸多服務(wù)功能。作為重要的生態(tài)系統(tǒng)類型，河流生態(tài)系統(tǒng)還是生物圈物質(zhì)循環(huán)的主要通道之一，很多營養(yǎng)鹽及污染物在河流中得以遷移和降解^[2]。但在過去的幾十年中，河流生態(tài)系統(tǒng)不斷受到人類活動的干擾和損害。隨著工業(yè)文明的迅速發(fā)展，人類對水資源的需求大量增加，很多河流因用水過度而面臨斷流或枯竭；此外，大量污染物的排入和森林及河岸緩沖帶的亂砍亂伐嚴重影響了河流水環(huán)境狀況，其結(jié)構(gòu)受到極大破壞，諸多生態(tài)功能也因人類活動的干擾而逐漸喪失。在1999年聯(lián)合國環(huán)境計劃署組織的“面向21世紀水資源委員會”對流域面積最大的25條世界大河進行調(diào)查后的總結(jié)報告中指出，世界的大江大河水質(zhì)欠佳，多數(shù)河流水量日益減少，而污染程度則日漸加重。

　　在被調(diào)查的河流中，中國的黃河，流入中亞咸海的前蘇聯(lián)錫爾河、阿姆河，美國科羅拉多河，印度的恒河和墨西哥的萊爾馬河6條河水質(zhì)極差，被評為最不衛(wèi)生的河流；只有南美的亞馬遜河、印度支那半島的湄公河和北美的圣勞倫斯河水質(zhì)較好。由此可見，如何維持現(xiàn)有河流生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能，修復(fù)受損系統(tǒng)，促進河流及其流域的經(jīng)濟、社會和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為一個全球性的問題。作為可持續(xù)發(fā)展概念的一個重要目標，恢復(fù)和維持健康的生態(tài)系統(tǒng)迅速成為科學(xué)家的共識，用健康來描述一個環(huán)境的狀況是科學(xué)發(fā)展和社會價值觀進步的必然結(jié)果，維持和恢復(fù)一個健康的生態(tài)系統(tǒng)已成為近年來環(huán)境管理的重要目標^[3-5]。生態(tài)系統(tǒng)健康評價在森林、河流、農(nóng)田、濕地等不同類型生態(tài)系統(tǒng)領(lǐng)域迅速展開^[6-8]。而如何評價河流生態(tài)狀況正成為水利科學(xué)、環(huán)境科學(xué)和生態(tài)學(xué)領(lǐng)域研究的熱點之一。研究河流健康狀況的評價不僅可應(yīng)用于對河流現(xiàn)狀的客觀描述和評估，而且有助于管理決策者確定河流管理活動，對于河流的可持續(xù)管理及區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)都具有非常重要的意義。

2　生態(tài)系統(tǒng)健康概念

　　生態(tài)系統(tǒng)的概念首先是由英國植物生態(tài)學(xué)家A.G.Tansley于1935年提出的，最初定義是包括一個定義的空間中所有的動物、植物和物理環(huán)境的相互作用，以及由生物與環(huán)境形成的自然系統(tǒng)。其后有Lindeman. R的能量動態(tài)理論、Odum家族提出的生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展中結(jié)構(gòu)和功能特征的變化規(guī)律、Kumar. H. L的超級系統(tǒng)理論，以及馬世駿等提出的社會－經(jīng)濟－自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)模型（SENCE）等?？傊鷳B(tài)系統(tǒng)是一定空間范圍內(nèi)，有生物群落與其環(huán)境所組成，具有一定時空格局，它自身借助于功能流而形成的穩(wěn)定系統(tǒng)。它具有整體性、生態(tài)功能、服務(wù)功能、自我維持和調(diào)控功能，并且具有動態(tài)的、生命的特征，是一個復(fù)雜的生命有機休，具有健康、可持續(xù)發(fā)展特性。因此，對生態(tài)系統(tǒng)進行健康評價研究甚為重要。

　　生態(tài)系統(tǒng)健康是研究生態(tài)系統(tǒng)的綜合特性，通過研究生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（包括組織結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)）、功能（生態(tài)功能和服務(wù)功能）、適應(yīng)力（彈性）和社會價值來判斷它們的健康狀況。生態(tài)健康是指生態(tài)系統(tǒng)處于良好狀態(tài)，Costanza等^[9]從生態(tài)系統(tǒng)自身出發(fā)把生態(tài)系統(tǒng)健康的概念歸納為：

　?。?）健康是系統(tǒng)的自動平衡；

　?。?）健康是沒有疾??；

　?。?）健康是多樣性或復(fù)雜性；

　?。?）健康是穩(wěn)定性或可恢復(fù)性；

　?。?）健康是有活力或增長的空間；

　?。?）健康是系統(tǒng)要素間的平衡。從這個概念看出，一個健康的生態(tài)系統(tǒng)必須保持新陳代謝活動能力，保持內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組織，對外界的壓力必須有恢復(fù)力。也就是說，測定生態(tài)健康應(yīng)該包括系統(tǒng)恢復(fù)力、平衡能力、組織（多樣性）和活力（新陳代謝）。從生態(tài)系統(tǒng)層次出發(fā)，一個健康的生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)該是穩(wěn)定和可持續(xù)的，即生態(tài)系統(tǒng)隨著時間的進程有活力并且能維持其組織及自主性，在外界脅迫下容易恢復(fù)^[10]。但很多學(xué)者認為只強調(diào)生態(tài)系統(tǒng)健康的生態(tài)學(xué)指標不夠完善，更全面的是把人類健康也包括進來，也就是生態(tài)系統(tǒng)健康應(yīng)該包含兩方面內(nèi)涵：滿足人類社會合理要求的能力和生態(tài)系統(tǒng)本身自我維持與更新的能力。前者是后者的目標，而后者是前者的基礎(chǔ)。國際生態(tài)系統(tǒng)健康學(xué)會將“生態(tài)系統(tǒng)健康”定義為“研究生態(tài)系統(tǒng)管理的預(yù)防性的、診斷的和預(yù)兆的特征，以及生態(tài)系統(tǒng)健康與人類健康之間關(guān)系的一門系統(tǒng)的科學(xué)”。

　　生態(tài)系統(tǒng)健康的標準有活力、組織、恢復(fù)力、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的維持、管理選擇、外部輸入減少、對鄰近系統(tǒng)的影響及對人類健康影響等8方面，它們分屬于不同的自然和社會科學(xué)范疇，并同時考慮了一定的時空范疇。這8個標準中最重要的是前3項^[11]。活力（Vigor）表示生態(tài)系統(tǒng)的能量輸入和營養(yǎng)循環(huán)容量，可根據(jù)新陳代謝或初級生產(chǎn)力等具體指標來測量；組織（Organization）即生態(tài)系統(tǒng)組成及途徑的多樣性，可根據(jù)系統(tǒng)組分間相互作用的多樣性及數(shù)量比率來評價，一般認為，生態(tài)系統(tǒng)的組織越復(fù)雜就越健康；恢復(fù)力（Resilience）也稱抵抗能力，即脅迫消失時，系統(tǒng)克服壓力及反彈回復(fù)的容量，根據(jù)自然干擾的恢復(fù)速率和生態(tài)系統(tǒng)對自然干擾的抵抗力來評價。

　　在過去的幾年里，一些國家級和國際間的環(huán)境工程已開始發(fā)展生態(tài)系統(tǒng)健康指標。這些指標主要從生物物理觀點來考慮，但隨著發(fā)展越來越從綜合社會經(jīng)濟與人類的健康角度考慮。一個著名的項目是加拿大和美國政府聯(lián)合進行的大湖地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的評價。1997年，美國實施了一項全國生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評價項目，要在4年時間內(nèi)完成全國的森林、農(nóng)田、海岸和海洋等主要生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評價報告^[12]。在加拿大,生態(tài)系統(tǒng)健康已經(jīng)成為國際發(fā)展研究中心(International Development Research Center, IDRC)的主要關(guān)注熱點和研究領(lǐng)域。IDRC目前實施的一項核心計劃是“人類健康的生態(tài)系統(tǒng)方法”。這個項目主要資助發(fā)展中國家開展人口增長、資源利用、技術(shù)進步與人類健康間關(guān)系的研究，利用生態(tài)系統(tǒng)方法促進人類健康與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。另外，“政府間氣候變化委員會”（Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC）領(lǐng)導(dǎo)的一個人類健康工作組，正在進行氣候變化對人類健康風(fēng)險的調(diào)查研究^[13]。

　　生態(tài)學(xué)家雖至今未就生態(tài)系統(tǒng)健康的概念達成共識，但這一形象的比喻已引起了公眾及決策部門給予人類活動對生態(tài)系統(tǒng)影響及環(huán)境退化等問題更多的關(guān)注。不同專業(yè)的學(xué)者正致力于將自然、社會及健康科學(xué)等多門學(xué)科交叉，尋求更加合理的、可測度的評價標準來評價生態(tài)系統(tǒng)的健康。因此，對河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況、評價標準、服務(wù)功能的實現(xiàn)等的研究就成為水利科學(xué)工作者關(guān)注的熱點問題。

3　河流生態(tài)系統(tǒng)健康及評價方法

3.1河流生態(tài)系統(tǒng)健康內(nèi)涵及意義

　　河流生態(tài)系統(tǒng)健康與社會、經(jīng)濟、人類、生態(tài)環(huán)境等密切相關(guān)，在區(qū)域水平上可以理解為是資源安全、環(huán)境安全和經(jīng)濟安全的有機統(tǒng)一。一個健康的河流生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)該具有合理的組織結(jié)構(gòu)和良好的運轉(zhuǎn)功能，系統(tǒng)內(nèi)部的物質(zhì)循環(huán)和能量流動未受到損害，對長期或突發(fā)的自然或人為擾動能保持著彈性和穩(wěn)定性，并表現(xiàn)出一定的恢復(fù)能力，整體功能表現(xiàn)出多樣性、復(fù)雜性。能夠滿足所有受益者的合理目標要求，具體表現(xiàn)為根據(jù)區(qū)域發(fā)展需求，合理利用分配水資源，保證不同區(qū)域利益的均衡，同時改善生態(tài)環(huán)境。其內(nèi)涵是動態(tài)變化的，在不同時間尺度和不同空間尺度具有不同涵義。

　　河流生態(tài)系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)氣候、改善生態(tài)環(huán)境、維護生物多樣性以及一定的社會服務(wù)等眾多功能，需要采用一定的指標和方法來監(jiān)測河流環(huán)境條件的各個方面，即從多角度來評估河流的健康狀況，從而提供對其整治以及管理有用的信息，提高受損河流的健康狀況，保護健康河流，滿足當代以及下一代人的環(huán)境、社會和經(jīng)濟需要。研究國內(nèi)主要河流的健康狀況，可以提供進行橫向比較的基準，構(gòu)建一套適用于我國的河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價理論體系，評價國內(nèi)河流健康狀況，能夠診斷我國不同地理區(qū)位河流健康狀況的差異，設(shè)立恢復(fù)優(yōu)先權(quán)，同時對于不同區(qū)域的類似河流，評價結(jié)果可用于互相參考比較，從而提高恢復(fù)活動的有效性。

　　因此進行河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評價，有助于提高河流管理質(zhì)量，不僅可揭示河流生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)狀，還提供了將不同河流進行比較的基準，同時還可評估受損河流生態(tài)恢復(fù)的成效，從而提高管理決策能力。

3.2河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法

　　對于河流生態(tài)系統(tǒng)的評價，最初從生物對水質(zhì)變化的響應(yīng)著手，之后開始重視化學(xué)物質(zhì)對水質(zhì)的影響進行分析。近20年來，研究發(fā)現(xiàn)，河流生物群落具有整合不同時間尺度上各種化學(xué)、生物和物理影響的能力。這些生物群落的結(jié)構(gòu)和功能特性能夠反映諸如化學(xué)物質(zhì)污染、物理生境的消失和斑塊化變化，同時外來物種入侵，水資源的過量抽取和河岸植被帶的過度采伐會造成水環(huán)境總體退化。因此，生物監(jiān)測將更多的目光集中在多種生態(tài)脅迫對水環(huán)境造成的累計效應(yīng)上。而對于應(yīng)用生物方法評價河流健康的方法，選擇何種指示生物是生態(tài)系統(tǒng)健康評價的關(guān)鍵。目前研究中，用的較多的水生生物主要是藻類（以硅藻為主）、無脊椎動物和魚類^[14]。如，使用硅藻相關(guān)指數(shù)ISP和GDI反映水環(huán)境的腐生程度、TDI反映水環(huán)境的營養(yǎng)程度，“河流無脊椎動物預(yù)測和分類系統(tǒng)”、“澳大利亞河流評價計劃”、“南非計分系統(tǒng)”以及底棲生物完整性指數(shù)（B-IBI）、營養(yǎng)完全指數(shù)（ITC）等都是基于對河流大型無脊椎動物生物多樣性及其功能監(jiān)測基礎(chǔ)上的河流健康狀況評論模型，Karr于1981年提出的生物完整性指數(shù)（IBI）能夠在比較的基礎(chǔ)上對所研究的河流健康狀況做出評價，是當前較普及的一種健康評價方法。

盡管關(guān)于河流健康評價的方法很多，但從評價原理上，主要可分為兩類：

　　一類是預(yù)測模型方法（Predictive Models），如Rivpacts和AusRivAS等。這類方法通過把某些研究地點實際的生物組成與在無人為干擾情況下該點能夠生長的物種進行比較而對河流健康進行評價。該類方法首先通過選擇參考點（reference sites，無人為干擾或人為干擾最小的樣點），建立理想情況下樣點的環(huán)境特征及相應(yīng)生物組成的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，之后，比較觀測點生物組成的實際值與模型推導(dǎo)的該點預(yù)期值，以兩者的比值河流健康進行評價。理論上，該比值可以在0～1之間變化，比值越接近1，則該點的健康狀況越好。但是，預(yù)測模型法存在一個較大的缺陷，即主要通過單一物種對河流健康狀況進行比較評價，并且假設(shè)河流任何變化都會反映在這一物種的變化上，因此，一旦出現(xiàn)河流健康狀況受到破壞，但并未反映在所選物種的變化上時，就無法反映河流真實狀況。因此，它具有一定的局限性。

　　另一類方法稱為多指標方法（Multimetrics），該方法通過對觀測點的一系列生物特征指標與參考點的對應(yīng)比較并計分，累加得分進行健康評價。該類方法在美國和澳大利亞被廣泛應(yīng)用。其中最具代表性的方法就是澳大利亞的溪流狀況指數(shù)是ISC。它構(gòu)建了基于河流水文學(xué)、形態(tài)特征、河岸帶狀況、水質(zhì)及水生生物5方面、共計22項指標的評價指標體系，并在對其計分的基礎(chǔ)上綜合評價澳大利亞80多條河流健康狀況^[15]。這一方法是對河流各方面特征的綜合評價，其結(jié)果更加全面、客觀，是河流健康狀況評價的一種發(fā)展方向。另外美國的IBI方法也很典型。多指標法則是不同生物組織層次上多個指標的組合，考慮的河流表征因子遠多于預(yù)測模型法，所以能夠及時地反映這種變化。然而，這種方法也存在如何綜合地評價一個生態(tài)系統(tǒng)的完整性及如何對這些綜合指標進行合理解釋等問題，評價標準難以確定，因此精度有所欠缺。

4　河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價發(fā)展狀況與展望

4.1河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價發(fā)展狀況

　　近10多年來，河流健康狀況評價已在很多國家開展，其中以美國、英國、澳大利亞、南非的評價實踐較具代表性。美國環(huán)保署經(jīng)過近10年的發(fā)展和完善，于1999年推出了新版的快速生物監(jiān)測協(xié)議（Rapid Bioassessment Protocols, RBPs），該協(xié)議提供了河流藻類、大型無脊椎動物以及魚類的監(jiān)測及評價方法和標準。

　　英國關(guān)注河流健康狀況的一個重要舉措就是河流生態(tài)環(huán)境調(diào)查，通過調(diào)查背景信息、河道數(shù)據(jù)、沉積物特征、植被類型、河岸侵蝕、河岸帶特征以及土地利用等指標來評價河流生態(tài)環(huán)境的自然特征和質(zhì)量，并判斷河流生境現(xiàn)狀與純自然狀態(tài)之間的差距；另一個值得關(guān)注的評價實踐是1998年提出的“英國河流保護評價系統(tǒng)”，該評價系統(tǒng)通過調(diào)查評價由35個屬性數(shù)據(jù)構(gòu)成的六大恢復(fù)標準（即自然多樣性、天然性、代表性、稀有性、物種豐富度以及特殊特征）來確定英國河流的保護價值，該評價系統(tǒng)已經(jīng)成為一種被廣泛運用于英國河流健康狀況評價的技術(shù)方法；此外，英國還建立了以RIVPACS為基礎(chǔ)的河流生物監(jiān)測系統(tǒng)。

　　澳大利亞政府于1992年開展了“國家河流健康計劃”，用于監(jiān)測和評價澳大利亞河流的生態(tài)狀況，評價現(xiàn)行水管理政策及實踐的有效性，并為管理決策提供更全面的生態(tài)學(xué)及水文學(xué)數(shù)據(jù)，其中用于評價澳大利亞河流健康狀況的主要工具是AUSRIVAS；除此之外，近年來澳大利亞的溪流狀態(tài)指數(shù)（ISC）研究將河流健康狀況評價用于指導(dǎo)河流管理，拓展了河流健康狀況評價的使用范圍，ISC采用河流水文學(xué)、形態(tài)特征、河岸帶狀況、水質(zhì)及水生生物5方面指標、共計22項指標的評價指標體系試圖了解河流健康狀況，并評價長期河流管理和恢復(fù)中管理干擾的有效性，對維多利亞流域中80多條河流的實證研究表明，ISC的結(jié)果有助于確定河流恢復(fù)的目標，評價河流恢復(fù)的有效性，從而引導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展的河流管理。南非的水事務(wù)及森林部于1994年發(fā)起了“河流健康計劃”，該計劃選用河流無脊椎動物、魚類、河岸植被、生境完整性、水質(zhì)、水文、形態(tài)等河流生境狀況作為河流健康的評價指標，提供了建立在等級基礎(chǔ)上可以廣泛應(yīng)用于河流生物監(jiān)測的框架，針對河口地區(qū)提出了用生物健康指數(shù)、水質(zhì)指數(shù)以及美學(xué)健康指數(shù)來綜合評估河口健康狀況。

4.2河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價發(fā)展展望

　　雖然河流健康研究方法種類繁多，但總體而言，該領(lǐng)域仍處于起步階段，用什么樣的指標體系來度量、評價系統(tǒng)的健康狀況仍有待大量研究的積累。綜觀河流生態(tài)系統(tǒng)健康內(nèi)涵及評價發(fā)展，作者認為今后河流健康評價研究應(yīng)著重解決如下問題：

　　首先，時空尺度的擴大。開展流域尺度上不同時期的河流生態(tài)系統(tǒng)的健康研究是當前研究的一個重大進步。在以往對河流生態(tài)系統(tǒng)健康的研究中，多側(cè)重于從河流水質(zhì)狀況進行河流健康的評價，這雖然可以從河流水質(zhì)狀況上對河流健康狀況進行評價，但河流卻是流域的一個基本單元，僅僅評價河流的水質(zhì)狀況并不能全面反映河流的健康特征。有研究指出，只有將河流生態(tài)系統(tǒng)納入流域生態(tài)學(xué)的研究范圍，才可高度重視其與流域內(nèi)陸地生態(tài)系統(tǒng)間的相互關(guān)系，強調(diào)出流域的系統(tǒng)性和完整性^[16]。通過建立流域環(huán)境質(zhì)量評價指標體系及其評價過程，分析流域環(huán)境質(zhì)量的變化趨勢，可為流域環(huán)境管理提供依據(jù)^[17]。在流域尺度上，河岸帶植被及流域土地利用變化對河流生態(tài)系統(tǒng)健康的影響也受到重視，如河岸帶植被指數(shù)（Riparian Vegetation Index, RVI）就是通過實際情況下的河段植被特征（包括河岸帶植被的砍伐、種植、結(jié)構(gòu)、洪水影響、侵蝕／沉積作用和外源物種）相對于天然情況下特征的變化以評價河流的生態(tài)健康^[18]?？梢?，只有將河流從流域尺度上進行全面和整體認識，系統(tǒng)分析河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，才可以全面認識河流的健康特征。

　　其次，評估和監(jiān)測一定時期內(nèi)的河流（所在流域）整體健康狀況的發(fā)展趨勢。尤其是近年來我國河流綜合整治以及恢復(fù)活動開展頻繁，評估河流恢復(fù)的有效性、提高河流恢復(fù)質(zhì)量成為我國河流管理中迫切需要解決的問題。而恢復(fù)前后的河流健康狀況評價結(jié)果可為管理決策者提供良好的基礎(chǔ)比較資料和決策依據(jù)，通過比較評價干預(yù)之前以及干預(yù)之后的河流條件或比較預(yù)期的以及實際的河流條件評估管理行為的有效性，從而提高我國河流綜合管理水平。

　　第三，開展基于遙感、GIS、GPS新技術(shù)的河流健康評價指標體系研究。隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，健康的河流生態(tài)系統(tǒng)必將成為河流管理的主要目標，所有很有必要開展相關(guān)研究。通過3S技術(shù)手段可方便快捷地建立一套適用于我國河流生態(tài)系統(tǒng)健康理論及評價體系，對主要河流進行健康評價，為河流及流域管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和決策依據(jù)，以期實現(xiàn)社會、經(jīng)濟及環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

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