趙鐘楠,張?zhí)熘?

(清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100084)

圍繞生態(tài)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的河流管理與評(píng)價(jià)方法的研究,正成為當(dāng)前國(guó)際河流管理領(lǐng)域的熱點(diǎn)[1].然而作為河流風(fēng)險(xiǎn)管理的重要工具之一的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[2],目前整體仍處于關(guān)注特定物質(zhì)或特定受體并主要以毒理學(xué)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的階段[3-5],因而難以有效表征生態(tài)系統(tǒng)整體的風(fēng)險(xiǎn)[6],制約著生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法在河流生態(tài)系統(tǒng)管理中的應(yīng)用.本研究嘗試建立一種基于河流生態(tài)系統(tǒng)水平上的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法,以期為河流生態(tài)系統(tǒng)管理提供方法支持.

1 評(píng)價(jià)框架的構(gòu)建

1.1 生態(tài)系統(tǒng)水平的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)基本問(wèn)題與特征

本文中的“生態(tài)系統(tǒng)水平”是指將生態(tài)系統(tǒng)整體作為分析對(duì)象.以河流生態(tài)系統(tǒng)整體為對(duì)象,不僅需要考慮河流生態(tài)系統(tǒng)的各種要素組成,同時(shí)也考慮要素的相互關(guān)聯(lián)作用.

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)通過(guò)壓力源、受體、終點(diǎn)等評(píng)價(jià)要素來(lái)描述.對(duì)單一源或受體的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)而言,這些要素間的聯(lián)系相對(duì)簡(jiǎn)單,一般表現(xiàn)為“一對(duì)一”的關(guān)系.而對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)水平上的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),由于其要素組成以及要素之間的復(fù)雜關(guān)聯(lián).“多源-多(暴露)路徑-多受體-多終點(diǎn)”成為生態(tài)系統(tǒng)水平上風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題最為顯著的特征.

1.2 河流生態(tài)系統(tǒng)的表征

根據(jù)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)的理論認(rèn)識(shí),可通過(guò)結(jié)構(gòu)(Structure)、過(guò)程(Process)、功能(Function)和服務(wù)(Ecosystem Service)[7-9]4個(gè)概念來(lái)表征或評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng).結(jié)構(gòu)和過(guò)程是生態(tài)系統(tǒng)的基本屬性,而功能和服務(wù)是基本屬性表現(xiàn)出來(lái)的結(jié)果.因此,本研究選擇結(jié)構(gòu)和過(guò)程這兩種屬性指標(biāo),著手表征河流生態(tài)系統(tǒng).

一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)其系統(tǒng)性的本質(zhì)是通過(guò)“組分”和“相互關(guān)系”這兩方面反映出來(lái)的[10],復(fù)雜系統(tǒng)的“層次屬性”[11]決定了對(duì)組分和相互關(guān)系的刻畫(huà)要體現(xiàn)出層次性.因此對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)表征的指標(biāo)體系具有二維特點(diǎn)(圖 1):在視角維度上,構(gòu)建的指標(biāo)體系應(yīng)包括對(duì)組分和關(guān)系這兩種屬性的反映;在層次維度上,對(duì)于具體的組分和關(guān)系屬性表征的指標(biāo)需要考慮到其隨著空間尺度(或邏輯尺度)的變化而帶來(lái)的變化.

圖1 系統(tǒng)水平視角下的指標(biāo)體系構(gòu)建原則Fig.1 Principles of constructing the indicator system from systematic perspective

基于以上兩點(diǎn),構(gòu)建了一個(gè)包括 3個(gè)層級(jí)的河流生態(tài)系統(tǒng)表征指標(biāo)體系:第一層級(jí)為整體層級(jí),即從結(jié)構(gòu)和過(guò)程來(lái)表征生態(tài)系統(tǒng).第二層級(jí)為屬性層級(jí),用于表征對(duì)應(yīng)整體層級(jí)指標(biāo)的具體屬性指標(biāo).需要說(shuō)明的是,這一層級(jí)的具體指標(biāo)可以是對(duì)同一屬性在不同空間尺度(或邏輯尺度)上的表示.第三層級(jí)是度量層級(jí),包括用于度量屬性層級(jí)指標(biāo)的各種物理、化學(xué)或生物指標(biāo).綜合相關(guān)文獻(xiàn),所建立的包括20項(xiàng)具體指標(biāo)在內(nèi)的河流生態(tài)系統(tǒng)的指標(biāo)體系如表1所示.

表1 河流生態(tài)系統(tǒng)的指標(biāo)體系Table 1 The indicator system of river ecosystem

1.3 評(píng)價(jià)終點(diǎn)的選擇

生態(tài)系統(tǒng)水平上的外界壓力帶來(lái)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)體現(xiàn)在生態(tài)系統(tǒng)的各個(gè)方面,即生態(tài)系統(tǒng)作為一個(gè)系統(tǒng)化的整體成為了生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的“受體對(duì)象”.因此,本文以“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)”(以下簡(jiǎn)稱(chēng)生態(tài)服務(wù))作為評(píng)價(jià)終點(diǎn)來(lái)表征生態(tài)系統(tǒng)水平的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果.

目前有關(guān)生態(tài)服務(wù)指標(biāo)的討論較多[12-13].本文以聯(lián)合國(guó)“千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估”報(bào)告中構(gòu)建的生態(tài)服務(wù)分類(lèi)為基礎(chǔ)[14],結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研[15-16],篩選了10項(xiàng)具體的河流生態(tài)服務(wù)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)終點(diǎn).這些指標(biāo)分別為營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)、初級(jí)生產(chǎn)、食物供給、淡水供給、基因資源、氣候調(diào)節(jié)、水調(diào)節(jié)、水凈化、娛樂(lè)價(jià)值和美學(xué)價(jià)值.

1.4 系統(tǒng)水平的“壓力-響應(yīng)”模式分析與量化

本文將生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)涉及的源、受體、終點(diǎn)等評(píng)價(jià)要素通過(guò)內(nèi)部與相互間復(fù)雜多樣的聯(lián)系而產(chǎn)生生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的全過(guò)程稱(chēng)之為“壓力-響應(yīng)”過(guò)程.

外界壓力通過(guò)“壓力源”(Source)和“脅迫因子”(Stressor)來(lái)描述.壓力源指各種自然和人為的活動(dòng),這些活動(dòng)從生態(tài)系統(tǒng)外部施加一種或多種脅迫因子;脅迫因子指那些化學(xué)、物理或生物作用,這些因子會(huì)給特定的生態(tài)系統(tǒng)成分帶來(lái)擾動(dòng).外界壓力對(duì)評(píng)價(jià)終點(diǎn)(即生態(tài)服務(wù))的影響過(guò)程可用如圖2所示的“影響鏈”來(lái)表示.

圖2 生態(tài)系統(tǒng)水平的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析框架Fig.2 Framework of ecological risk assessment based on the ecosystem level

由于生態(tài)系統(tǒng)水平的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)涉及的壓力源種類(lèi)、影響方式及效應(yīng)的多樣化,采用單一的類(lèi)似毒理學(xué)數(shù)據(jù)作為風(fēng)險(xiǎn)的量化方式無(wú)法實(shí)現(xiàn).為此,本文對(duì)涉及的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)量化采用如下方式:把各項(xiàng)壓力源的影響力(類(lèi)似于“劑量”)按照其在不同區(qū)域(河段)的絕對(duì)數(shù)值的大小轉(zhuǎn)化為壓力源排序指數(shù);把各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)要素對(duì)外界壓力的抵抗力按照其在不同區(qū)域(河段)的絕對(duì)數(shù)值轉(zhuǎn)化為彈性指數(shù);把各風(fēng)險(xiǎn)組分之間的影響根據(jù)其方式、強(qiáng)度、效果等特征轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的影響指數(shù).前兩者分別用壓力源排序矩陣和生態(tài)系統(tǒng)彈性指數(shù)矩陣來(lái)表示;后者則用4項(xiàng)關(guān)系矩陣來(lái)表示.

四項(xiàng)關(guān)系矩陣分別為“壓力源-脅迫因子關(guān)系矩陣”SSM、“脅迫因子-生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)關(guān)系矩陣”SEM、“生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)相互關(guān)系矩陣”AEM和“生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)與生態(tài)服務(wù)關(guān)系矩陣”EEM.這四類(lèi)矩陣采用層次打分法進(jìn)行賦值.考慮到不同的風(fēng)險(xiǎn)組分之間的影響方式各異,因此各矩陣賦值所采用的判定標(biāo)準(zhǔn)存在差異.其評(píng)價(jià)過(guò)程如圖3所示.

在對(duì)相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)組分及其相互間關(guān)系量化基礎(chǔ)上,即可進(jìn)行壓力源對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)的影響程度量化表征.

某一河段壓力源產(chǎn)生的脅迫因子程度為:

式中:i表示河段,j表示壓力源,k表示脅迫因子SRMij表示i河段的壓力源j的排序指數(shù),CSSik表示i河段所有的壓力源產(chǎn)生的第k類(lèi)脅迫因子的累積影響評(píng)價(jià)得分.

而脅迫因子對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)的影響有:

圖3 四項(xiàng)關(guān)系矩陣賦值的層次打分法示意Fig.3 The Hierarchical Scoring Procedures for assigning four relationship matrices

式中:h表示生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo).SEMkh表示脅迫因子k對(duì)生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)h的影響指數(shù),CESik表示i河段所有的脅迫因子對(duì)第h類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)的累積影響評(píng)價(jià)得分.

對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)的不同彈性,即對(duì)相同的外界壓力所具有的不同響應(yīng)程度,有:

式中:HRMih表示i河段的生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)h的彈性指數(shù);ECESih為考慮了生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)彈性之后的i河段所有的脅迫因子對(duì)第h類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)的有效累積影響得分.

由于生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部存在相互關(guān)系,某些生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)受影響后會(huì)對(duì)其他指標(biāo)產(chǎn)生間接影響.這種關(guān)系可表示為:

式中:TCESih為考慮了生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)彈性以及生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)之間相互關(guān)聯(lián)的情況下,i河段所有的脅迫因子對(duì)第h類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)的完全有效累積影響得分.

這種影響對(duì)生態(tài)服務(wù)有:

式中:Impactie即為i河段所有的脅迫因子,通過(guò)復(fù)雜的“壓力-響應(yīng)”過(guò)程,對(duì)第e類(lèi)生態(tài)服務(wù)的影響評(píng)價(jià)得分.

綜合上述量化評(píng)價(jià)過(guò)程,即有:

式中:Impacti為i河段所有的脅迫因子對(duì)所有的生態(tài)服務(wù)的影響總和,即i河段總的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)得分.同時(shí),上式可以拆解為針對(duì)壓力源、脅迫因子、生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)和生態(tài)服務(wù)這四類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)組分對(duì)總的風(fēng)險(xiǎn)得分貢獻(xiàn).通過(guò)對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)組分的得分貢獻(xiàn)排序,可以識(shí)別出壓力源和生態(tài)效果的優(yōu)先序及其需要關(guān)注的問(wèn)題.

2 案例研究

選擇黃河為例來(lái)說(shuō)明所構(gòu)建的評(píng)價(jià)框架模型的應(yīng)用.

2.1 評(píng)價(jià)過(guò)程

綜合考慮各生態(tài)亞區(qū)在氣候、地貌、水文、水生生物和社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)要素上的差異性和關(guān)聯(lián)性,并結(jié)合已有的水系劃分和數(shù)據(jù)可得性原則,將黃河共分為7個(gè)河段,分別為龍羊峽以上(RR1)、龍羊峽至蘭州(RR2)、蘭州至頭道拐(RR3)、頭道拐至龍門(mén)(RR4)、龍門(mén)至三門(mén)峽(RR5)、三門(mén)峽至花園口(RR6)、花園口以下(RR7).

篩選了10項(xiàng)壓力源指標(biāo),分別為氣候變化、種植、畜禽養(yǎng)殖、淡水養(yǎng)殖、工業(yè)、生活、城市化、水利設(shè)施、上游水質(zhì)和上游水量.前7類(lèi)壓力源主要來(lái)源于本河段所處流域內(nèi)的自然與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng);后2類(lèi)壓力源雖不屬于該河段所處流域空間內(nèi),但能通過(guò)上下游的聯(lián)系對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響作用.各項(xiàng)壓力源指標(biāo)的實(shí)際數(shù)據(jù)如表2所示.與之對(duì)應(yīng)的脅迫因子共篩選出 11項(xiàng),分別為有機(jī)污染物、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、沉積物、重金屬、殺蟲(chóng)劑、外來(lái)物種、流量變化、取水、水壩、河道單一化和不透水表面.對(duì)得到的各河段的壓力源的實(shí)際數(shù)據(jù),通過(guò)排序法將各指標(biāo)的絕對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化為排序得分.排序標(biāo)準(zhǔn)則根據(jù)ArcGIS的數(shù)據(jù)分段功能來(lái)制定.

表2 黃河各河段的壓力源數(shù)據(jù)Table 2 The data of sources in river reaches of Yellow River

表3 黃河各河段生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)的主要度量指標(biāo)實(shí)際數(shù)據(jù)Table 3 Data of ecosystem indicators in each river reach of Yellow River

各河段生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的主要度量指標(biāo)的實(shí)際數(shù)據(jù)如表3所示.結(jié)合相關(guān)研究成果,將這些度量指標(biāo)的絕對(duì)數(shù)值轉(zhuǎn)化為彈性指數(shù).四類(lèi)關(guān)系矩陣的賦值以圖 3提出的層次打分法,參照有關(guān)專(zhuān)家評(píng)價(jià)或結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)賦值綜合得到[29].

2.2 評(píng)價(jià)結(jié)果與討論

由圖 4可見(jiàn),生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度較高的河段主要集中在中下游,且依次為龍門(mén)至三門(mén)峽、三門(mén)峽至花園口和花園口以下3個(gè)河段.由圖5可見(jiàn),從整體層面看,造成黃河生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的主要壓力源為城市化、氣候變化和種植業(yè);主要的脅迫因子為流量變化、有機(jī)污染物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),且這三項(xiàng)脅迫因子帶來(lái)的影響占到全部脅迫因子的 50%以上;受影響較大的生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)集中在生物組分和生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程這兩類(lèi),且位于前 3位的指標(biāo)分別為生物多樣性、污染物遷移轉(zhuǎn)化和初級(jí)生產(chǎn);受影響較大的生態(tài)服務(wù)為基因資源和水凈化.

圖4 黃河各河段生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)得分Fig.4 The risk scores of river reaches in Yellow River

圖5 黃河整體層面各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)組分的得分分布Fig.5 Risk score per risk element at the overall level in the Yellow River

評(píng)價(jià)結(jié)果表明,黃河生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注中下游河段.其主要原因是中下游河段不僅受到本區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和自然條件影響,而且還進(jìn)一步受到上游影響,因而對(duì)于河流生態(tài)系統(tǒng)而言,在區(qū)域內(nèi)的壓力源種類(lèi)和強(qiáng)度相同或近似的條件下,下游河段的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)一般大于上游河段.其次,從系統(tǒng)整體看,黃河生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)控制需要重點(diǎn)關(guān)注城市和農(nóng)業(yè)這些面源類(lèi)壓力源,并且需要將氣候變化納入風(fēng)險(xiǎn)控制的考慮;同時(shí),黃河生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)對(duì)象也需要從通常的水量、水質(zhì)等問(wèn)題面向?qū)ι骋约吧锏饶繕?biāo)上來(lái).第三,各河段生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的差異性說(shuō)明了對(duì)于不同河段生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)控制策略應(yīng)有所不同.

評(píng)價(jià)結(jié)果也體現(xiàn)了本文建立的評(píng)價(jià)方法區(qū)別于傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢(shì).該方法從系統(tǒng)層面綜合分析多因素帶來(lái)的宏觀(guān)結(jié)果,可以識(shí)別系統(tǒng)的核心要素和關(guān)鍵問(wèn)題,進(jìn)而為針對(duì)特定要素和特定問(wèn)題的分析和解決指明方向.其次,該方法將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果與造成風(fēng)險(xiǎn)的來(lái)源,及社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素相關(guān)聯(lián),進(jìn)而可以分析社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展特征與河流生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)特征之間的相互關(guān)系,為基于風(fēng)險(xiǎn)反饋的社會(huì)經(jīng)濟(jì)調(diào)控提供依據(jù).

3 結(jié)論

3.1 圍繞生態(tài)系統(tǒng)與復(fù)雜系統(tǒng)的理論概念,以生態(tài)服務(wù)作為生態(tài)系統(tǒng)水平的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)終點(diǎn),通過(guò)外界壓力與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的“壓力-響應(yīng)”過(guò)程的量化表征,建立了系統(tǒng)尺度上河流生態(tài)系統(tǒng)的指標(biāo)體系與相應(yīng)的河流生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法.所建立的評(píng)價(jià)方法能夠?yàn)楹恿魃鷳B(tài)系統(tǒng)管理提供科學(xué)信息支持,進(jìn)而揭示基于河流生態(tài)系統(tǒng)的政策與管理含義.

3.2 以黃河為案例展示了構(gòu)建的評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用過(guò)程,結(jié)果表明:黃河生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)需要重點(diǎn)關(guān)注中下游河段;從整體角度而言,黃河生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)控制需要重點(diǎn)關(guān)注城市和農(nóng)業(yè)這些面源類(lèi)壓力源,并需要將氣候變化納入風(fēng)險(xiǎn)控制考慮范圍,同時(shí),黃河生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)要求也需要從通常的單一水量、水質(zhì)等問(wèn)題積極轉(zhuǎn)向?qū)ι骋约吧锏饶繕?biāo)上來(lái).

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