生態(tài)系統(tǒng)健康評價_方法與方向

1、第21卷第12期2001年12月生態(tài)學報ACT A ECOLOGICA SINICA V ol.21,No.12Dec.,2001生態(tài)系統(tǒng)健康評價:方法與方向馬克明1,孔紅梅1,關文彬2,傅伯杰1(1.中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心,北京100085;2.北京林業(yè)大學,北京100083基金項目:中國科學院知識創(chuàng)新項目(KZCX2-405和國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃(G2000046807項目收稿日期:2000-12-28;修訂日期:2001-08-10作者簡介:馬克明(1969,男,黑龍江肇源人,博士,副研究員。主要從事景觀生態(tài)學、保護生物學、生態(tài)系統(tǒng)健康評價與管理、和非線性生態(tài)模型研究。摘要:生態(tài)

2、系統(tǒng)為人類提供了自然資源和生存環(huán)境兩個方面的多種服務功能。生態(tài)系統(tǒng)服務功能是人類生存和發(fā)展的基礎。同時,一個生態(tài)系統(tǒng)只有保持了結構和功能的完整性,并具有抵抗干擾和恢復能力,才能長期為人類社會提供服務。因此,生態(tài)系統(tǒng)健康是人類社會可持續(xù)發(fā)展的根本保證。生態(tài)系統(tǒng)健康是指一個生態(tài)系統(tǒng)所具有的穩(wěn)定性和可持續(xù)性,即在時間上具有維持其組織結構、自我調(diào)節(jié)和對脅迫的恢復能力。它可以通過活力、組織結構和恢復力等3個特征進行定義。影響生態(tài)系統(tǒng)健康的原因有很多,多為人類活動所致。例如,污染物排放、非點源污染、過度捕撈、圍湖造田、水土流失、外來種入侵和水資源不合理利用等是影響水生態(tài)系統(tǒng)健康的主要原因。評價生態(tài)系統(tǒng)健康

3、需要基于功能過程來確定指標,特別是評價其受干擾后的恢復能力。包括其完整性、適應性和效率。生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法尚處于實驗和發(fā)展階段,有必要對現(xiàn)有成果進行及時總結,提出方向,以促進生態(tài)系統(tǒng)健康研究的發(fā)展。生態(tài)系統(tǒng)健康評價主要包括指示物種和指標體系兩種方法。在生態(tài)系統(tǒng)健康研究中,指示物種的選擇應該謹慎,要綜合考慮到它們的敏感性和可靠性,即要明確它們對生態(tài)系統(tǒng)健康指示作用的強弱。在水生態(tài)系統(tǒng)研究中,已被選擇的指示物種有,浮游生物、底棲無脊椎動物、魚類和不同水平生物的綜合。建立生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系大致可以從兩方面選擇指標,即生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部指標,包括生態(tài)毒理學、流行病學、生態(tài)系統(tǒng)醫(yī)學等方面和不同尺度指標

4、的綜合;以及生態(tài)系統(tǒng)外部指標,比如社會經(jīng)濟指標。但是,其它指標可能也適于進行生態(tài)系統(tǒng)健康評價,如景觀格局、土地利用變化。到目前為止,對幾乎所有的生態(tài)系統(tǒng)類型都進行過健康評價。但是,由于生態(tài)系統(tǒng)健康研究是一個新領域,有關它的概念、評價的指示物種和指標體系等方面存在各種爭論,生態(tài)系統(tǒng)健康評價正在不斷的爭論中走向成熟。其未來發(fā)展方向是結合經(jīng)濟學、社會學和健康科學的定量化生物學途徑。生態(tài)系統(tǒng)健康評價的目的不是為生態(tài)系統(tǒng)診斷疾病,而是定義生態(tài)系統(tǒng)的一個期望狀態(tài),確定生態(tài)系統(tǒng)破壞的閾限,并在文化、道德、政策、法律、法規(guī)的約束下,實施有效的生態(tài)系統(tǒng)管理。關鍵詞:生態(tài)系統(tǒng);健康;評價Ecosystem hea

5、lth assessment :methods and directionsM A Ke-Ming 1,KON G Ho ng -Mei 1,GU AN Wen-Bin 2,FU Bo -Jie 1(1.R ese arch Ce nterf or Ec o -E n -v ironmental S ciences ,Chinese A cademy of S ciences ,B eij ing 100085,China ;2.B eij ing F orestry Univ ersity ,B eij ing100083,China .Acta Ecolog ica Sinica ,200

6、1,21(12:21062116.Abstract :Eco system supplies many serv ices to human being on tw o aspects,the natural r eso urces and liv-ing env iro nment .Ecosy st em ser vice is the basis for the sur vival and dev elo pment of human society .M ea n-while,an ecosy stem co uld only supply lo ng-term ser vices w

7、 hen it kept the integ ra lity o f st ructure and function,and had the a bility to r esist distur bance and the r esilience.T herefo re,Ecosy st em health co uld ensur e ecosystem ser vices ,a nd is the prer equisit e for sustainable dev elo pment of human so ciety .Ecosystem health r efers to the s

8、tability and sustainabilit y o f an eco system.T hat is,the ability o f anecosystem to maintain it s or g aniza tio n ,self -adjustment ,and r esilience on time .I t can be defined acco rding to vig or ,o r ganization,and resilience.T he many result s o f huma n activit ies are the main impacts to e

9、cosystem heath.Fo r ex ample,sew ag e effluence ,non -po int source pollution ,o ver -fishery ,w etland cultivation ,soil er osio n ,invasive species ,ir-rat ional w ater use ar e the main reaso ns in aquatic ecosy st ems .Ecosystem hea lth assessment needs t o deter mine indices based on its functi

10、o ns and pr o cesses,especial-ly t he r esilience after distur bance,w hich includes the integr ity ,adapt ability and efficiency How ev er,e-co system health assessm ent is still in the pro cess o f ex perim ent and developing .I t is necessar y to rev iew the pr esent results o n time ,and put fo

11、rw ar d the futur e dir ectio ns in o rder to pr omo te the development o f e-co system health assessment.Indicator tax a and indices ar e the t wo metho ds o f ecosy st em healt h assessment .How ever ,it sho uld be ca reful in selecting indicat or tax a .T he sensitivit y and reliability of t axa

12、need to be co nsider ed simulta-neo usly ,w hich means w e sho uld kno w how high or low the t axa ar e in indicating t he ecosy st em.Indicat or tax a selected at pr esent mainly include,plankton,benthic inver tebr ates,fishes,and the integ rat ion of o r-ganisms o n differ ent lev els in aquatic e

13、cosystems .Par ameter s on tw o aspects can be chosen in establishing the indices fo r ecosy st em health assessment.T he inner indices o f ecosystem ,including those in ecot ox icolog y ,epidemiolo gy ,and eco system medicine,and t he int egr atio n o f indicator s on different scales .And the o ut

14、er indices of ecosy st em ,fo r ex ample ,the social a nd eco no mic indices .How ever ,the o ther indices ar e also po ssibly useful in ecosy st em health a s-sessment,for example,the landscape patt ern,a nd land use change.A lmo st all the t ypes of ecosystems hav e been assessed by now.How ev er

15、,ecosy stem health assess-ment is still a new r esearch field that disputes ex isted on its co ncept ,indicator tax a and indices ,w hich is w ha t w e sho uld do in the futur e to pr omo te the assessment.Futur e direction of eco system health assess-ment is to integr ate econo mics,socia l science

16、 and health science w ith quantitativ e biolo gical appr oaches.T he a im of ecosy st em health assessment is not to diag nose sickiiess,but to define an ex pected stat e o f the ecosystem and the thr esho ld to distur bance ,and implement effectiv e eco sy stem management under the constra ins o f

17、cultur e,mo ral,policies,law s and r eg ulatio ns.Key words :assessment;eco sy stem;health文章編號:1000-0933(200112-2106-11中圖分類號:Q149文獻標識碼:A地球上已經(jīng)不存在未受人類影響的生態(tài)系統(tǒng)了1。人類每天制造大量的垃圾和廢物,已經(jīng)危害到地球的每個角落。生態(tài)系統(tǒng)的作用不僅是人類的垃圾堆放場,它更重要的貢獻在于能夠為人類社會提供一系列不可或缺的服務。生態(tài)系統(tǒng)為人類提供了自然資源和生存環(huán)境兩個方面的多種服務功能2。它不僅包括各類生態(tài)系統(tǒng)為人類所提供的食物、醫(yī)藥及其他工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)原料,

18、更重要的是它維持了地球的生命支持系統(tǒng),生命物質(zhì)的生物地球化學循環(huán)與水循環(huán),生物物種與遺傳多樣性,凈化環(huán)境,維持大氣化學的平衡與穩(wěn)定等3。人們已經(jīng)認識到,生態(tài)系統(tǒng)服務功能是人類生存與現(xiàn)代文明的基礎。生態(tài)系統(tǒng)健康是保證生態(tài)系統(tǒng)服務功能的前提。一個生態(tài)系統(tǒng)只有保持了結構和功能的完整性,并具有抵抗干擾和恢復能力,才能長期為人類社會提供服務。因此,生態(tài)系統(tǒng)健康是人類社會可持續(xù)發(fā)展的根本保證。1生態(tài)系統(tǒng)健康的概念Schaeffer 等首次探討了生態(tài)系統(tǒng)健康的度量問題4,但是沒有給出明確定義。Rappo rt 首次論述了生態(tài)系統(tǒng)健康的內(nèi)涵5。認為生態(tài)系統(tǒng)健康(Ecosystem health是指一個生態(tài)系統(tǒng)

19、所具有的穩(wěn)定性和可持續(xù)210712期馬克明等:生態(tài)系統(tǒng)健康評價:方法與方向性,即在時間上具有維持其組織結構、自我調(diào)節(jié)和對脅迫的恢復能力。生態(tài)系統(tǒng)健康可以通過活力、組織結構和恢復力等3個特征進行定義?；盍?V igo r 表示生態(tài)系統(tǒng)的功能,可根據(jù)新陳代謝或初級生產(chǎn)力等來測度;組織結構(Or ganization是根據(jù)系統(tǒng)組分間相互作用的多樣性及數(shù)量來評價;恢復力(Resilience 也稱抵抗力,是指系統(tǒng)在脅迫下維持其結構和功能的能力6。生態(tài)系統(tǒng)健康概念雖然只有十幾年的歷史,卻受到了廣泛關注。多次舉辦過有關的國際會議,成立了多個專門的學會組織,并且出現(xiàn)了兩個專門以生態(tài)系統(tǒng)健康命名的國際雜志7。

20、到目前為止,對幾乎所有的水生態(tài)系統(tǒng)類型海洋、海岸、濕地、河流、河口和湖泊,以及部分陸地生態(tài)系統(tǒng)類型森林、草原等,進行了研究。加拿大在生態(tài)系統(tǒng)健康研究方面走在了世界前列,環(huán)境部、衛(wèi)生部和海洋漁業(yè)部合作在6a (19942000時間內(nèi)花費1.5億加元在北美大湖區(qū)開展退化生境恢復、污染防治、保護人和生態(tài)系統(tǒng)健康8。美國也正在開展全國性的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評價。我國這方面研究很缺乏,剛剛起步。目前,生態(tài)系統(tǒng)健康評價還處于實驗和摸索階段,尚未形成一套成熟的方法。很有必要及時進行總結,指出未來發(fā)展趨勢,以利其今后發(fā)展。本文以生態(tài)系統(tǒng)健康研究最為豐富的水生態(tài)系統(tǒng)為例進行介紹。2影響生態(tài)系統(tǒng)健康的原因各種形式的

21、人類活動是影響生態(tài)系統(tǒng)健康的主要原因。如,森林砍伐、過度放牧等。就水生態(tài)系統(tǒng)而言,主要包括以下幾個方面:污染物排放:工業(yè)廢水和生活污水中含有多種有毒污染物和過量養(yǎng)分,它們對生態(tài)系統(tǒng)健康產(chǎn)生不同程度的影響。M unaw ar 等在研究排污對加拿大多倫多濱水區(qū)(安大略湖生態(tài)系統(tǒng)健康的影響時發(fā)現(xiàn),一系列非本地的浮游植物對復雜營養(yǎng)和污染物狀況都具有生理響應和生產(chǎn)力變化,營養(yǎng)物質(zhì)和有毒污染物之間具有復雜的相互作用,最終決定生物健康9。Evans 探討了多種有毒污染物對加拿大大湖區(qū)生物的生態(tài)毒理作用和對生態(tài)系統(tǒng)健康的影響10。非點源污染:現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中農(nóng)藥和化肥的大量施用,導致地表徑流含有多種污染物和過量養(yǎng)分

22、,經(jīng)常引起水體污染和富營養(yǎng)化,使水生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能發(fā)生改變。這方面的研究實例很多,已經(jīng)成為國際研究熱點。我國近年來也在此方面大力開展研究和管理。過度捕撈:人類對魚類資源的需求激增,過度捕撈造成種群數(shù)量減少,破壞了生態(tài)系統(tǒng)原有的結構,致使其功能發(fā)生變化。因為魚類是水生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)頂級的物種,魚類種群數(shù)量的降低,直接影響到它的下一營養(yǎng)級種群的存活狀態(tài),比如,可能導致一些魚類食用的浮游生物和水草增加,甚至湖泊的富營養(yǎng)化。另一方面,也會影響到以魚類為食的水鳥的生存?？傊?生態(tài)系統(tǒng)中一個重要組分的變化,將會帶來一系列不良影響。圍湖造田:圍湖造田一方面縮小了湖泊面積,導致濕潤生境喪失,引起水生植物的局

23、域滅絕和干旱植物的入侵;另一方面,截斷了湖群之間的物質(zhì)、能量和物種交流,破壞了水生態(tài)系統(tǒng)的完整性,嚴重威脅水生態(tài)系統(tǒng)的存續(xù)。這種行為的生態(tài)影響是毀滅性的。水土流失:水土流失所產(chǎn)生的泥沙會影響到水體的物理性質(zhì),如濁度、透明度以及水的動力學性質(zhì)等,破壞水生生物群落的組成、結構和功能,導致水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的惡化。我國在水土流失的產(chǎn)生、危害及控制方面的研究工作相當豐富,但是在泥沙對水生態(tài)系統(tǒng)影響方面的研究相對薄弱。外來種入侵:外來種入侵后,通過競爭、捕食和改變生境,使得原有的生態(tài)系統(tǒng)結構和功能破壞。L each 對北美大湖生態(tài)系統(tǒng)的研究證實了這一點11。但是,總體上這方面的研究目前還比較欠缺,但已經(jīng)

24、引起全球(包括我國生態(tài)學家的重視。水資源不合理利用:Quibell 和Westo n 研究流域水資源利用的增加對湖泊生態(tài)的影響時發(fā)現(xiàn),湖泊的鹽分含量與淡水供給密切相關12。它在干季的鹽分含量可達海水的好幾倍,該系統(tǒng)可以忍受高鹽分,并在此之后能夠恢復。更重要的是,該湖泊存在幾種鹽分狀態(tài),每個狀態(tài)對應于一種生態(tài)系統(tǒng)功能。不同狀態(tài)之間的快速轉換使系統(tǒng)一直處于不穩(wěn)定的狀態(tài),導致生態(tài)系統(tǒng)整體的生物量較低、生命力減退?？傮w上,水生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)毒理學研究已經(jīng)比較豐富,但是,象過度捕撈、圍湖造田、水土流失、外來種2108生態(tài)學報21卷入侵和流域水資源利用這類人類活動導致的生態(tài)系統(tǒng)健康下降,以往研究中考慮得不多

25、,現(xiàn)在正在受到重視。影響其他類型生態(tài)系統(tǒng)健康的因素與此不盡相同,需要依據(jù)特定的資源利用方式確定。3生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法評價生態(tài)系統(tǒng)健康需要基于功能過程來確定指標,特別是評價其干擾后的恢復能力。包括其完整性(Integ rity 、適應性(Edaptabiliiy 和效率(Efficiency 13。Schaeffer 等首次探討了生態(tài)系統(tǒng)健康的度量問題4。生態(tài)系統(tǒng)健康評價除了需要對其小尺度生態(tài)過程進行研究監(jiān)測外,從景觀尺度進行環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測也是必不可少的步驟。將遙感、地理信息系統(tǒng)和景觀生態(tài)學原理等宏觀技術手段與地面研究緊密配合,通過景觀結構變化了解其功能過程。例如,景觀敏感性與土地利用變化關系密

26、切,因此可以通過土地利用變化評估環(huán)境質(zhì)量變化14。以水生態(tài)系統(tǒng)為例。根據(jù)水生態(tài)系統(tǒng)健康研究的現(xiàn)狀,可以總結出兩種評價方式:即指示物種法和指標體系方法。實際上,生態(tài)系統(tǒng)健康評價的最佳途徑是微觀與宏觀相結合的綜合性研究。3.1指示物種鑒于生態(tài)系統(tǒng)的復雜性,人們經(jīng)常需要采用一些指示類群(Indicato r ta xa 來監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)健康15。常用的水生態(tài)系統(tǒng)健康評價的指示類群包括:3.1.1浮游生物水表層的小生物群落,包括病毒、細菌、自養(yǎng)浮游生物(P icopla nkto n,nanoplankt on等亞顯微結構是水生態(tài)系統(tǒng)的重要組分,可以用于監(jiān)測水生態(tài)系統(tǒng)健康16。纖毛原生生物也可以用作水生

27、態(tài)系統(tǒng)健康的指示物17。具體方法有2個:群落評價和毒理實驗。群落評價一般通過取樣種群特征和占居率,與原始系統(tǒng)進行比較。因為纖毛原生生物的豐富度、多樣性和生物量與生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)狀況相關。毒理實驗的設計采用了一系列生態(tài)系統(tǒng)健康指標,包括呼吸率、生長率和趨藥性(Chemo tactic反應。微生物環(huán)(M icr o or ganism loo p 是一個敏感、快速和可以早期預警人類壓力的生物指標18,是湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價和恢復中非常缺乏的生態(tài)技術19。采用這些小尺度、敏感、實用、廉價和自動化的生物技術監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)健康已經(jīng)取得了明顯進展20,但是比較適宜的指示生物是接合體(Gamet es、胚胎(Em

28、bry os和其它生命的初級階段。3.1.2底棲無脊椎動物生態(tài)系統(tǒng)觀點是理解和探究自然系統(tǒng)中干擾效應的基礎,確定底棲群落的結構和動態(tài)是理解水生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)和演變過程的關鍵。R eice 和Wo hlenber g 探討了采用底棲大型無脊椎動物進行生態(tài)系統(tǒng)健康評價的優(yōu)點21。從采用底棲無脊椎動物指示生態(tài)系統(tǒng)健康的研究中可以總結出3個普適性的方法22:1有機污染程度方法:需要詳細了解生物種類,對污水排放的影響研究最合適。2多樣性指標:不需要詳細了解物種,但是忽略了重要物種的信息。3生物指標:以上兩者相結合。應用多元分析技術及與關鍵環(huán)境因子相關的底棲群落結構的研究已經(jīng)取得了明顯進展。應用這些技術可以確

29、定一系列環(huán)境狀態(tài)的參照群落,預測一個新地點出現(xiàn)的底棲群落及其與預期群落類型的差異。生物指標可以替代傳統(tǒng)的化學方法作為環(huán)境標準和管理的目標。但是,采用底棲無脊椎動物的功能特征進行生態(tài)系統(tǒng)健康測定還處于初級階段。將來,生態(tài)系統(tǒng)健康的功能測定,比如長期的毒理和脅迫效應,應該在評價過程中加強應用。3.1.3營養(yǎng)頂級的魚類營養(yǎng)頂級的魚類反映了整個水生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境狀況。因為,它們一方面對化學污染比其它種群更加敏感:另一方面,由于處于食物鏈的頂級,綜合反映了其它生物的變化,因此是生態(tài)系統(tǒng)健康監(jiān)測的很好的指示種23。210912期馬克明等:生態(tài)系統(tǒng)健康評價:方法與方向最簡便的方法是跟蹤魚類種群對環(huán)境退化的響應

30、。重要指標包括:平均年齡、產(chǎn)卵能力和條件因素。即:捕撈、補充、多種壓力、食物限制和生境變化24。此類研究由來己久,Sonstegar d 和L eather land 就指出銀大馬哈魚可以指示北美大湖區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)健康25。Edw ards 等采用蛙魚為指示種來監(jiān)測湖泊貧營養(yǎng)化(Olig ot ro phic 26。目前,采用魚類監(jiān)測水質(zhì)和水生態(tài)系統(tǒng)健康已經(jīng)成為一種常用方法。3.1.4不同組織水平生物的綜合運用綜合運用不同的生物組織水平,亞細胞、細胞、生物個體、種群、群落和生態(tài)系統(tǒng)的相關信息,進行水生態(tài)系統(tǒng)健康評價是比較全面的方法,也是一個很有前途的研究方向。在生態(tài)毒理研究中,生物化學反應與種群

31、和群落變化的相關性還不清楚,需要研究化學污染物與個體、種群、生態(tài)系統(tǒng)響應的關系,應該對生物個體對化學污染的初級和次級響應進行測定23。通過底泥毒性化學分析、組織化學分析、病理分析、和群落結構的綜合研究,可以提供不同生物組織水平,亞細胞、細胞、生物個體、種群、群落和生態(tài)系統(tǒng)的相關信息,通過與對照地點比較,并結合經(jīng)驗判斷得到了毒理效應的臨界值,能夠對生態(tài)系統(tǒng)健康做出客觀而全面的評價27。3.1.5存在的問題雖然采用生物類群指示生態(tài)系統(tǒng)健康的研究取得的很大進展,成為生態(tài)系統(tǒng)健康研究的常用的基本方法,但是仍然存在著一些問題。比如,指示物種的篩選標準不明確,有些采用了不合適的類群。Hiliy 和M er

32、 enlender 在研究了目前文獻中提出的篩選標準之后認為,這些標準并不一致15。而且,生物保護文獻中提出的作為生態(tài)系統(tǒng)健康指示的100種脊椎動物和32種無脊椎動物,很少有哪個脊椎動物能夠符合多個標準。因為它們中的很多物種都具有很強的移動能力,對脅迫的耐受程度比較低,與生態(tài)系統(tǒng)變化的相關性比較弱。大多數(shù)無脊椎動物也同樣缺乏與生態(tài)系統(tǒng)變化的相關性,但是滿足其它的選擇標準。然而,用于指示生態(tài)系統(tǒng)健康的無脊椎動物經(jīng)常是分類等級比較高,且包括了很多物種,因此難于測定每個物種的作用,同時這些物種中有些可能不是必需的,有些甚至可能是不合適的。針對這些問題,他們提出了一個逐步的篩選過程。另外,一些監(jiān)測參數(shù)

33、的選擇不恰當。例如,光合作用參數(shù)。M akarew icz 對33個湖泊學指標,包括光合作用參數(shù)(P max 和A lpha,在安大略湖岸帶觀測了2a 28。結果發(fā)現(xiàn),溫度對光合作用參數(shù)的影響很大,達到25%。并且,由于大量的參數(shù)相關或對光合作用的影響不確定,營養(yǎng)狀況不同的湖泊也出現(xiàn)了相似的光合作用。因此,光合作用參數(shù)不適于作為生態(tài)系統(tǒng)健康指標?？梢?在生態(tài)系統(tǒng)健康研究中,指示物種和指標的選擇應該謹慎,要綜合考慮到它們的敏感性和可靠性,即要明確它們對生態(tài)系統(tǒng)健康指示作用的強弱。3.2指標體系前面介紹的生態(tài)系統(tǒng)健康評價的指示類群方法雖然簡便易行,但存在一些問題,比較明顯的起碼有兩點:1應該選擇不

34、同組織水平的類群;2應該考慮到不同的尺度。因此,必須建立指標體系對大量的復雜信息進行綜合。比較早的完整的生態(tài)系統(tǒng)健康指標體系是由U .N.Env ir onmental Pr og r am(U N EP 召集,1992年在日內(nèi)瓦建立的海洋生態(tài)系統(tǒng)健康指標體系29。生態(tài)系統(tǒng)健康的評價技術需要結合物理、化學、和生物的方法,應該借鑒一些常規(guī)的化學、湖沼學、生理學、生態(tài)學和毒理學手段。同時,必須超越傳統(tǒng)途徑,發(fā)展創(chuàng)新性的、敏感的、自動化程度比較高的和節(jié)省費用的方法,包括采用計算機輔助技術。歸納起來,目前建立水生態(tài)系統(tǒng)健康評價的指標體系主要有以下5種方法。3.2.1生態(tài)毒理學方法人們認識到,采用化學指

35、標監(jiān)測污染物對生物的影響存在不確定性,進而轉向強調(diào)環(huán)境的物理和化學指標與生物健康指標相結合,因為生物群落是反映整個環(huán)境條件的準確指標30?；诙纠韺W流行病學、簡化論、因果論、以及生物標記方法,和生態(tài)學生物和環(huán)境關系的研究方法,可以對水生態(tài)系統(tǒng)健康進行綜合評價31。這樣的分層次綜合評價不但能夠完善野外調(diào)查和研究方案設計,并且對數(shù)據(jù)的解釋更加合理。2110生態(tài)學報21卷依據(jù)生態(tài)毒理學建立評價指標體系,首先需要考慮一些污染物的特征指標,然后需要考察生物對污染物的反應指標;最后將兩者相結合篩選出具有代表性和綜合性的指標建成指標體系。污染物辨別:辨別污染物來源可以采用瞬時的(攝取和呼吸和長期測定(繁殖和

36、存活相結合的方法進行32。瞬時實驗應該結合重要物種,如水蚤和其它物種,估計污染物對浮游動物群落的影響。通過物質(zhì)平衡分析,將群落的生物測定進行組合以近似代表對生態(tài)系統(tǒng)的測定。然后,通過幾種生物測定方法,檢測高濃度混合物的毒性對生物生理過程的刺激。最終,保存詳細的物種、混合毒物和生理反應資料,使用它們?nèi)ズ喕瘜ι餃y定的解釋,如水蚤類浮游動物生活史特征(早期繁殖、高凈繁殖率的變化。通過這種長期測定,可以檢驗群落的生態(tài)毒理學反應。病態(tài)診斷:生物對污染物的響應開始于個體,進而影響種群過程和群落的結構和功能33。污染物影響首先表現(xiàn)為對分子及其生物化學特性的損傷。細胞水平的技術能夠幫助說明毒理效應,而在更高

37、組織水平的綜合可以了解生物生長能力。因此,通過實驗室檢驗與就地研究相結合,在監(jiān)測生理破壞的基礎上,能夠預測種群水平的效應,甚至更高組織水平群落水平的生態(tài)效應。這樣,在水生態(tài)系統(tǒng)健康研究中,監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)的食物網(wǎng)參數(shù)非常必要,特別是微生物食物網(wǎng)。微生物在指示水生態(tài)系統(tǒng)的多種營養(yǎng)方式、動態(tài)和整體景象研究中具有重要意義和價值18。Xu應用營養(yǎng)狀態(tài)指標(T r ophic state index、多樣性指數(shù)(Diver sity index、(Ex erg y、結構(Structural exer gy、和浮游值物緩沖能力(Phyto plankt on buffer capacity,評價了富營養(yǎng)化對

38、巢湖生態(tài)系統(tǒng)健康的損害,發(fā)現(xiàn)這些指標的季節(jié)變化可以分別指示生態(tài)系統(tǒng)的健康變化34。Xu等評價了淡水生態(tài)系統(tǒng)在四個化學污染物(酸化、銅、油和殺蟲劑污染下的結構、功能和系統(tǒng)癥狀,基于、結構和浮動物緩沖能力提出了一組全面的用于評價化學壓力影響淡水生態(tài)系統(tǒng)健康的生態(tài)指標體系,并成功用于評價湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康35。進一步,x u等提出了兩個描述巢湖生態(tài)系統(tǒng)磷的食物網(wǎng)動態(tài)模型36。一個考慮了大型植物,另一個沒有考慮。兩個模型中采用了生態(tài)系統(tǒng)健康的指標體系,包括、結構、浮游動物和植物生物量比例、以及Secchi D isc深度的透明度。結果揭示出,巢湖生態(tài)系統(tǒng)的大型植物恢復會降低浮游植物的生物量,增加、結構、

39、透明度、R BZBA和魚類生物量,說明大型植物的恢復可以調(diào)節(jié)湖泊的生物組成結構,提高湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康。微生物時間序列分析方法也可以用于河流健康的早期預警和診斷37。綜上所述,采用多種方法而不僅僅是某一種測量的指標體系進行生態(tài)系統(tǒng)病態(tài)的探測和診斷才是明智的選擇38。該指標體系應該滿足3個標準:(1能夠診斷生態(tài)系統(tǒng)的病理變化;(2能夠用來預警生態(tài)系統(tǒng)崩潰;(3能夠反映生態(tài)系統(tǒng)完整性。這樣,結合干擾輸入變化與癥狀時空變化將有助于理解生態(tài)系統(tǒng)的崩潰和復原。3.2.2流行病學方法生態(tài)系統(tǒng)健康是與人體健康的類比,因此人類流行病學和動物流行病學是最早用于環(huán)境健康研究的方法39。最近引入的獸醫(yī)學方法評價河流健

40、康更加具有可操作性40。因為,河流與動物相似,具有多種形式,并且不能對生病進行抱怨。人類對河流的干擾也會因為我們所期望的河流用途和關注其健康的原因的變化而變化。把大量的河流特征用來進行河流健康綜合評價還存在很多問題,但是,基于關鍵生態(tài)過程進行評價可能更加準確。在澳大利亞悉尼附近的河口和淤泥生境對紅樹林進行的案例研究證實了這一點41。以重要生態(tài)過程,如分解、補充、捕食者一食關系等為基礎,如紅樹葉的采食率和分解率、藻類對氣根的占據(jù)、以及立地價值的估計,能夠很好地評價生態(tài)過程的速率。由于不同的測度方法會得到不同的結果,如何綜合這些指標去解釋問題,尚需探討。但是這些測度方法在環(huán)境監(jiān)測和管理上具有潛在的

41、應用價值。3.2.3生態(tài)系統(tǒng)醫(yī)學當前我們主要關注的是嚴重受損環(huán)境的癥狀,但是還沒有提出很好的指標體系進行早期的預警和診斷。一個全新概念生態(tài)系統(tǒng)醫(yī)學(Eco system medicine可用于生態(tài)系統(tǒng)健康評價42。它是醫(yī)學與環(huán)境研究的一個類比?？梢詮尼t(yī)學概念中獲得綜合認識受脅迫生態(tài)系統(tǒng)行為的途徑,比如(1受脅迫生態(tài)系統(tǒng)的癥狀:(2生態(tài)系統(tǒng)健康診斷;(3治療草案;(4預防性的生態(tài)系統(tǒng)藥物。其實,在生態(tài)系統(tǒng)健康研究過程中,特別是在治療草案設計和風險評價過程中,有很多方面可以向醫(yī)學學習。3.2.4經(jīng)濟學指標與生態(tài)指標相結合人類活動、人與環(huán)境的關系是生態(tài)系統(tǒng)健康評價的基礎。因此,生態(tài)系統(tǒng)健康,除了可以

42、采用系統(tǒng)本身的生態(tài)毒理學指標進行評價,還可以選擇區(qū)域的社會、經(jīng)濟、文化方面的指標進行評價。這種外部指標較之生態(tài)毒理學指標更加宏觀全面,可直接用于實際的生態(tài)系統(tǒng)管理。經(jīng)濟學指標與生態(tài)指標相結合:研究表明,生物地球化學和社會經(jīng)濟兩類指標在環(huán)境退化條件下相互影響,環(huán)境健康指標體系的特性隨管理措施的變化而變化43。在評價環(huán)境適宜性、動態(tài)變化趨勢、環(huán)境退化預警、或者診斷病因時,需要基于不同的指標體系和不同數(shù)據(jù)。在此,選擇指標進行管理時,需要權衡預期特征、預期成本和信息質(zhì)量等各個方面。當決定為了什么目的、收集什么信息時,應該首先描述指標體系及其與管理目標的適宜程度。因此,建立區(qū)域環(huán)境健康的監(jiān)測指標體系,應

43、該借鑒管理科學中主要經(jīng)濟指標體系(L eadingeco no mic indicato rs方法。結合價值評價的趨勢模擬方法:M ag eau等提出一個評價生態(tài)系統(tǒng)健康的全面的和可操作的方法44。全面性體現(xiàn)在,該方法基于一系列生態(tài)演替過程中的常見趨勢;可操作性體現(xiàn)在,刻畫這些趨勢的數(shù)量化指標易于計算。他們提出的仿真模型,能夠通過不同演替階段的輸出來刻畫生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展方式,并檢驗了一組基于系統(tǒng)水平信息的指數(shù)的預測能力。這些指標可以跟蹤生態(tài)演替趨勢,因此這些趨勢的逆向變化便揭示了人類脅迫下的生態(tài)系統(tǒng)響應。這些指標的表現(xiàn)還可以通過采用更加動態(tài)的模型技術進行提高。進一步,他們介紹了沒有市場價值的生態(tài)

44、系統(tǒng)組分的價值評估方法,并加入到生態(tài)系統(tǒng)健康評價中。這個結合了價值評價技術的生態(tài)系統(tǒng)健康評價證實,人類脅迫對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)影響的模擬研究是非常有價值的,將有助于人們更好地理解和管理生態(tài)系統(tǒng)。3.2.5不同尺度信息的綜合運用綜合運用不同尺度的信息能夠比較全面地對生態(tài)系統(tǒng)健康進行評價。例如,在污染綜合評價時,多尺度的化學、毒理學和群落學結構指標監(jiān)測能夠帶來多種信息。在小尺度(W aukegan Harbor,U.S.A.通過研究群落結構了解了污染物的空間分布,但是結果缺乏可比性。在中尺度(T or onto Harbour,Canada發(fā)現(xiàn)了更大程度的變異,能夠用于立地分級和優(yōu)選,卻損失了細節(jié)。在大

45、尺度(N ational Status and T r ends P ro gr am,U.S.A.,數(shù)據(jù)具有了更強的可比性,可以用于區(qū)域差異研究,但損失了更多的細節(jié)。最后,Ro ss和M unaw ar通過巢式評價方法將這些信息進行綜合,解決了這些問題45。綜上所述,建立生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系大致可以從兩方面選擇指標,即生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部指標,包括生態(tài)毒理學、流行病學和生態(tài)系統(tǒng)醫(yī)學方面;以及生態(tài)系統(tǒng)外部指標,比如社會經(jīng)濟指標。但是,其它指標可能也適于進行生態(tài)系統(tǒng)健康評價。比如,M alley和M ills提出的全湖實驗方法46,已經(jīng)在加拿大安大略湖西北部的實驗湖區(qū)(Ex per imental

46、L ake Ar ea成功進行了應用。另外,M ar shall等提出了評價大尺度國家和區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康的指標體系47。這個以可持續(xù)發(fā)展思想為指導(Our Co mmon Futur e、基于生態(tài)學的指標體系,雖然是針對加拿大建立的,也同樣能夠應用于局域、洲際、到全球尺度的生態(tài)系統(tǒng)長期監(jiān)測?？傮w上,以生態(tài)學和生物學為基礎,結合社會、經(jīng)濟和文化,綜合運用不同尺度信息的指標體系應該是未來生態(tài)系統(tǒng)健康評價的發(fā)展方向。4爭論與方向生態(tài)系統(tǒng)健康研究是一個比較新的領域,在諸多方面已經(jīng)取得了重要進展,但是仍然存在著各種各樣的批評意見。生態(tài)系統(tǒng)健康研究正在不斷的爭論中完善和發(fā)展。4.1對生態(tài)系統(tǒng)健康概念的懷疑

47、Suter說,“人類希望健康,同樣也想保持生態(tài)系統(tǒng)健康,于是一個生態(tài)系統(tǒng)健康的比喻出現(xiàn)了。這是環(huán)境學家的一個錯誤”48。(1這個比喻同時誤解了生態(tài)系統(tǒng)學與健康科學。生態(tài)系統(tǒng)不是生物,不會象生物一樣生活,也不會擁有生物的健康特性。生態(tài)系統(tǒng)健康與醫(yī)生和健康風險評價人員的健康概念不同,缺乏可操作性:醫(yī)生會預測、診斷和治療疾病,但不會試圖去建立健康指標體系。(2試圖使生態(tài)系統(tǒng)健康的概念具有可操作性,勢必產(chǎn)生包含多種變量的指標體系。這種指標體系沒有任何實際意義,不能用來預測,也就不能用于解決實際問題:他們沒有診斷能力,一部分指標的作用可能會被另外一部分抵消。而且指標值高低的原因也不清楚。指標體系的唯一優(yōu)

48、點就是,把生態(tài)系統(tǒng)對多種干擾的復雜反應變?yōu)橐粋€具有可靠名稱的數(shù)字。他提出的辦法是,評價生態(tài)系統(tǒng)的一系列真實反應,通過診斷病因,預測未來狀態(tài),將不同的處理結果進行比較。Wicklum和D avies也認為生態(tài)系統(tǒng)健康和生態(tài)系統(tǒng)完整性的概念在生態(tài)上是不適宜的49。生態(tài)系統(tǒng)健康一詞是基于人類健康的一個蹩腳類比,要求建立一個最佳的自我平衡過程,從而保持生態(tài)系統(tǒng)處在一個固定的最佳狀態(tài)。與此相似,生態(tài)系統(tǒng)完整性也不是一個客觀、可定量化的生態(tài)系統(tǒng)特征。健康和完整性不是生態(tài)系統(tǒng)固有的特征,并且不能夠得到經(jīng)驗觀察和生態(tài)學理論的支持?？梢?有些人對生態(tài)系統(tǒng)健康概念的準確性還存在疑問,但不可否認這個概念所涵蓋的研究

49、問題和領域是有價值的,在生態(tài)系統(tǒng)管理實踐中無法回避。4.2否認生態(tài)系統(tǒng)存在健康標準Rappor t認為,與人類健康相類比40,生態(tài)系統(tǒng)似乎也應該存在健康標準,即存在最佳狀態(tài)(O pt imal states50。Calo w對此持反對意見50,認為“生態(tài)系統(tǒng)不是自我復制的整體,也不存在遺傳記憶,因此這種選擇是不合理的,是沒有意義的”?！叭绻@樣與人類健康進行類比,那么就不僅是誤導,而是使之毀滅”。Rappor t誠懇接受批評,認為最優(yōu)化概念在生態(tài)系統(tǒng)水平無效51?！昂苊黠@,生態(tài)系統(tǒng)與一般生物或者高級生物不同”?！耙粋€有用的檢驗生態(tài)系統(tǒng)健康的研究,是通過檢驗嚴重受損的生態(tài)系統(tǒng)與完整的生態(tài)系統(tǒng)之間

50、的特征差異”。因此,“健康的生態(tài)系統(tǒng)可以定義為長期的持續(xù)性,但不是一般控制論意義上的穩(wěn)定狀態(tài)。生態(tài)系統(tǒng)健康標準可以通過這些狀態(tài)特征和過程來確定,通過對原始和受損生態(tài)系統(tǒng)特征的研究相結合完成”50。實際上,生態(tài)系統(tǒng)本身不存在健康與否的問題,之所以關注生態(tài)系統(tǒng)健康是因為生態(tài)系統(tǒng)只有處于良好狀態(tài)才能為人類提供各種服務功能。說到底,生態(tài)系統(tǒng)的健康標準是一個人類標準52。生態(tài)系統(tǒng)健康研究遵循了拉馬克學說地球是一個由物質(zhì)、生命和思想構成的全球系統(tǒng)53。4.3生態(tài)系統(tǒng)健康評價的應用存在問題Steedman從一系列把生態(tài)系統(tǒng)健康當作自然資源管理目標并進行實際應用的研究中概括出了一些基本原理54。但是,他指出,

51、“即使生態(tài)系統(tǒng)健康的概念具有應用價值,但到目前為止,這些原理還沒有被從事這方面研究和管理的專家正式說明,也不完整。生態(tài)系統(tǒng)健康的概念還沒有與一系列實用技術聯(lián)系起來”。Wr o na和Cash指出,雖然環(huán)境管理的生態(tài)系統(tǒng)途徑被公認為是適宜管理策略的基礎。但是,只有環(huán)境評價專家認為這是一個重要發(fā)展,而這個途徑本身并沒有提供實際信息55。比如,在評價和管理生態(tài)系統(tǒng)時,應該提出什么問題,使用什么工具。因此,生態(tài)系統(tǒng)健康的概念對于生態(tài)系統(tǒng)管理人員來說毫無價值。他們建議,生態(tài)系統(tǒng)評價應該發(fā)展適用于特定生態(tài)系統(tǒng)的框架?！白钪匾氖?考慮生態(tài)系統(tǒng)本身的結構和功能。在此基礎上,再明確區(qū)分特定系統(tǒng)的人類脅迫,才可

52、以辨識出那些最危險的組分和那些最應該重視的問題”?！皯撗芯凯h(huán)境脅迫與生態(tài)參數(shù)變化的重要關聯(lián),應用這些理解去發(fā)展綜合了適宜生態(tài)指標的管理對策”。應該承認,由于生態(tài)系統(tǒng)健康研究仍處于初級階段,目前應用研究比較欠缺,并且經(jīng)常在實際生態(tài)系統(tǒng)管理活動中出現(xiàn)偏差。但是,每個新概念和新理論在發(fā)展中都必須經(jīng)歷這樣的過程,也正是今后的努力方向。4.4發(fā)展方向從生態(tài)系統(tǒng)健康研究的現(xiàn)狀,大致可以總結出它的兩個發(fā)展方向。1傳統(tǒng)硬科學的數(shù)量化或半數(shù)量化的生物學途徑;2通過結合硬科學的定量化和半定量化能力的軟科學方向56。硬科學方向越來越受到重視。因為,退化生態(tài)系統(tǒng)的保護和恢復迫切需要生態(tài)學技術,以期獲得對尚不明確的生

53、態(tài)恢復期望狀態(tài)的綜合評價。主要生物學途徑包括,生物指標、物種豐富度、多樣性和均勻度、多元分析方法、生物完整性指數(shù)、魚類受威脅的生物指標、古湖沼學記錄和多種規(guī)律/多種營養(yǎng)等生態(tài)系統(tǒng)結構和功能途徑。由于軟科學方向對生態(tài)系統(tǒng)途徑、生態(tài)完整性和生態(tài)系統(tǒng)醫(yī)學的定義還比較模糊,因此應該采取一個更加全面和完整的方式,把硬科學的定量化和半定量化能力與現(xiàn)實和適當?shù)能浛茖W相結合綜合性途徑。在這個思想指導下,生態(tài)系統(tǒng)健康研究取得了一些進展。一個實用的綜合性環(huán)境評價途徑要結合生態(tài)系統(tǒng)學、健康科學和社會科學57。它們都扮演著重要的角色:生態(tài)系統(tǒng)學提供了有關生態(tài)系統(tǒng)在脅迫和干擾的情況下的復雜動態(tài)信息;健康科學提供了病理的

54、系統(tǒng)診斷、疾病分類、以及防治和恢復的方法;社會科學則提出了作為健康評價的一部分人類價值的重要性。由于生態(tài)系統(tǒng)對脅迫的響應規(guī)律非常復雜,不可能在完全理解其內(nèi)在變化機制的基礎上進行健康評價。但是,通過不同管理措施下生態(tài)系統(tǒng)服務功能的損益分析,可以對水陸生態(tài)系統(tǒng)健康實現(xiàn)整體性評價。這樣,指標體系中需要對生態(tài)系統(tǒng)功能及其社會價值的修復過程進行考慮。這種方法在L aur entian L o wer G reat La kes生態(tài)系統(tǒng)和加拿大東部超采森林生態(tài)系統(tǒng)的變化過程研究中得到了應用57。結果顯示,文化對這兩類生態(tài)系統(tǒng)的影響導致了具有很高價值的生態(tài)系統(tǒng)服務的損失。雖然這些損失通過采用新技術在剩余的低

55、價值資源的商業(yè)利用中得到部分補償,但是,這個過程本身還是破壞了生態(tài)系統(tǒng)健康,加重了生態(tài)系統(tǒng)退化過程。據(jù)介紹,歐盟在全歐洲引入的流域管理方法,將對生態(tài)系統(tǒng)保護和恢復產(chǎn)生積極影響58。他們將要實施的生態(tài)系統(tǒng)健康評價不但結合了科學性與價值判斷,而且強調(diào)了公眾參與的重要性。并且提出減稅政策,對生態(tài)系統(tǒng)保護行為進行鼓勵,具有很強的可操作性。總之,發(fā)展生態(tài)系統(tǒng)健康評價應該以生態(tài)學、經(jīng)濟學和人類健康研究為基礎,加深理解人類活動、環(huán)境變化和生態(tài)服務降低,以及由此造成的對人類健康、經(jīng)濟發(fā)展和人類生存的威脅之間的相互關聯(lián),將人類的文化價值取向與生物生態(tài)學過程進行綜合6。我們應該看到,生態(tài)系統(tǒng)健康評價的目的不是為生

56、態(tài)系統(tǒng)診斷疾病,而是在一個生態(tài)學框架下,結合人類健康觀點對生態(tài)系統(tǒng)特征進行描述定義人類所期望的生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)。我們要定義一個(最小/最大期望的生態(tài)系統(tǒng)特征,確定生態(tài)系統(tǒng)破壞的最低和最高閾限,在明確的可持續(xù)發(fā)展框架下進行保護工作56。并在文化、道德、政策、法律、法規(guī)的約束下,實施有效的生態(tài)系統(tǒng)管理。參考文獻1Cairn s J Jr.and M unaw ar M(ed.Ecosystem health through ecological r estoration:b arriers and opportunities.Journal of A quatic E cosystem H ealth

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