胡 俊，沈 強，陳明秀，池仕運，胡菊香

水利部中國科學(xué)水工程生態(tài)研究所，水利部水工程生態(tài)效應(yīng)與生態(tài)修復(fù)重點實驗室，湖北 武漢 430079

隨著人類對河流、湖泊等各種生態(tài)系統(tǒng)的大規(guī)模開發(fā)利用，不可避免地對這些自然存在的生態(tài)系統(tǒng)造成影響，甚至阻礙了這些生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展，而生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展是人類社會可持續(xù)發(fā)展的首要條件。因此，為準(zhǔn)確評估人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的脅迫大小及其影響程度，維護健康的生態(tài)系統(tǒng)，需要建立一套有效可行的生態(tài)監(jiān)測方法，對生態(tài)的演化趨勢、特性以及存在的問題進行監(jiān)測，實現(xiàn)對生態(tài)系統(tǒng)狀況動態(tài)、定量的監(jiān)測與控制，確定人類開發(fā)區(qū)域水生態(tài)系統(tǒng)所處的現(xiàn)狀情況，協(xié)調(diào)人類社會經(jīng)濟與自然生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展。與發(fā)達國家相比，我國的生態(tài)監(jiān)測工作起步較晚，生態(tài)監(jiān)測的理論和方法還不成熟，尚沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，開展生態(tài)監(jiān)測的相關(guān)研究意義重大。該文以水生生態(tài)系統(tǒng)為例，討論生態(tài)監(jiān)測中相關(guān)監(jiān)測指標(biāo)的選擇方法及后續(xù)結(jié)果評價體系的構(gòu)建，并結(jié)合相關(guān)案例進行分析，以期推動我國生態(tài)監(jiān)測工作的發(fā)展。

1 生態(tài)監(jiān)測的對象與目標(biāo)

生態(tài)監(jiān)測是指以標(biāo)準(zhǔn)化的方法在特定時空內(nèi)重復(fù)分析測定生態(tài)系統(tǒng)狀況［1］。生態(tài)系統(tǒng)是監(jiān)測的對象。監(jiān)測的目標(biāo)是認(rèn)識能夠反映生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)和演變趨勢，為保護生態(tài)環(huán)境、合理利用自然資源和實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提供科學(xué)依據(jù)。國內(nèi)有些觀點將生態(tài)監(jiān)測視為一種環(huán)境質(zhì)量評價的手段和方法［2］，尚值得探討。從 Kolkwitz等在1902年首次采用生物評價水質(zhì)至今，在環(huán)境領(lǐng)域提及的生物監(jiān)測均指一種生物群落、生物個體或生物體的生理生化指標(biāo)來反映水體、土壤等的環(huán)境質(zhì)量［3-5］，而非指監(jiān)測生物本身。生態(tài)監(jiān)測根本目的是獲取生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)或信息，進而了解評估生態(tài)系統(tǒng)的演變趨勢，評價和預(yù)測人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的影響，促進生態(tài)系統(tǒng)和人類社會協(xié)調(diào)發(fā)展。只有在一些社會經(jīng)濟-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)研究及管理工作中，生態(tài)監(jiān)測的結(jié)果用來反映相應(yīng)的環(huán)境狀況時，生態(tài)監(jiān)測才可以被視為一種“監(jiān)測工具”或“管理手段”。

2 生態(tài)監(jiān)測指標(biāo)

2.1 生態(tài)監(jiān)測指標(biāo)的構(gòu)成與分類

生態(tài)監(jiān)測指標(biāo)是指能夠清晰地反映生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)及變化趨勢的可觀測特征［6］。選擇這些指標(biāo)最重要的標(biāo)準(zhǔn)就是必須能夠有效反應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)的成分、結(jié)構(gòu)和功能［7］。人類社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展依賴于生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)服務(wù)功能，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能依賴于生態(tài)系統(tǒng)功能，生態(tài)系統(tǒng)功能又依賴于生態(tài)系統(tǒng)成分與結(jié)構(gòu)。因而，依據(jù)不同觀察角度和研究目的，生態(tài)監(jiān)測指標(biāo)也會有不同的分類。

目前，國內(nèi)生態(tài)監(jiān)測工作中最常見的指標(biāo)選擇方法是根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)類型(如農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)、森林生態(tài)系統(tǒng)、草原生態(tài)生態(tài)系統(tǒng)等)提出相應(yīng)的監(jiān)測指標(biāo)［8-9］，這些具體指標(biāo)涉及到水文、氣象、地質(zhì)、動物、植物、土壤等多個方面［10-11］?？偟膩碚f，由于這些指標(biāo)基本上都是在環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)的基礎(chǔ)上進行擴展，增加了某些生物相關(guān)的內(nèi)容，雖然監(jiān)測指標(biāo)覆蓋范圍廣，但是指標(biāo)分類機械，獲取這些監(jiān)測數(shù)據(jù)，難以在統(tǒng)一的理論框架內(nèi)應(yīng)用這些信息綜合反映生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)與變化。

國際上對指標(biāo)的分類則是更多地從生態(tài)系統(tǒng)本身的特征出發(fā)進行分類。如從生態(tài)系統(tǒng)受人類影響的角度出發(fā)，生態(tài)監(jiān)測指標(biāo)可以被分為生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)指標(biāo)和壓力指標(biāo)［12］。其中，狀態(tài)指標(biāo)主要是生態(tài)系統(tǒng)中表征生物個體、群落及棲息地狀況的參數(shù)，而壓力指標(biāo)主要指人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的影響，包括那些表征對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響的物理、化學(xué)甚至生物參數(shù)。而依據(jù)指標(biāo)所表征的生態(tài)系統(tǒng)特征的不同層次，又可將指標(biāo)劃分為組織指標(biāo)、結(jié)構(gòu)指標(biāo)和功能指標(biāo)［6］。最為直接分類則是按照生態(tài)系統(tǒng)的組成將指標(biāo)分為生物因素指標(biāo)和非生物因素指標(biāo)［13］。

2.2 生態(tài)監(jiān)測指標(biāo)的選擇

鑒于生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，不同類型的生態(tài)系統(tǒng)中具體監(jiān)測指標(biāo)差異巨大。因此，下文將著重以水生生態(tài)系統(tǒng)為例分析不同類型指標(biāo)的選擇。美國環(huán)保局將湖泊、河流等水生生態(tài)系統(tǒng)的指標(biāo)分為水質(zhì)、生境(棲息地)、水生生物集合3個大類。水質(zhì)與棲息地屬于非生物因素指標(biāo)，而水生生物則屬于生物因子指標(biāo)。水質(zhì)指標(biāo)主要是指水體各種陰陽離子濃度、溶解性氣體、有機污染物、營養(yǎng)物質(zhì)以及濁度、透光率等物理化學(xué)屬性。評價湖泊、河流等水體時，水質(zhì)監(jiān)測與評價指標(biāo)是使用最為廣泛的指標(biāo)類型，很早就被作為管理工具用于水資源保護工作，也被用于生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測工作之中。但是人們很快意識到基于理化分析的水質(zhì)監(jiān)測評價并不能有效反映生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)，滿足水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的水體并不意味著生態(tài)系統(tǒng)處于良好的狀態(tài)，甚至設(shè)定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)也不能完全滿足人們健康飲用的要求［14-15］。因此，基于生物屬性的相關(guān)指標(biāo)迅速發(fā)展起來。基于生物的基因、個體、種群等屬性的生物集合指標(biāo)與水質(zhì)指標(biāo)相比，能夠提供一種生物或生態(tài)學(xué)上的評估，從而使結(jié)果更容易解釋;生物集合對整個生態(tài)系統(tǒng)功能的退化更為敏感，容易反映出生態(tài)系統(tǒng)遇到的長期的、累積性的影響［16］?？傊谏镆氐纳锛现笜?biāo)不僅能夠反映生物個體自身或生物群落等的變化，而且也能反映出生態(tài)系統(tǒng)中物理化學(xué)等其他非生物要素的作用以及它們與生物之間的相互影響［17-18］，從而成為提供生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能等信息的最好工具。在非生物要素的監(jiān)測指標(biāo)中，棲息地結(jié)構(gòu)、形態(tài)等生境參數(shù)目前也已成為生態(tài)監(jiān)測中最重要的指標(biāo)之一［19］。由于生物的生存、繁殖等活動與所在的生境密切相關(guān)，棲息地或生境監(jiān)測指標(biāo)與生物監(jiān)測指標(biāo)是緊密聯(lián)系的。事實上，許多開展生境監(jiān)測和評價工作是選擇生物參數(shù)作為指標(biāo)來開展監(jiān)測工作［20］。與生物指標(biāo)相比，生境監(jiān)測并不能充分反映生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)、結(jié)構(gòu)與功能，但是生境指標(biāo)更容易反映出人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的干擾與破壞［21-22］。人們對生態(tài)系統(tǒng)的影響更多不是直接針對生物發(fā)生，而是直接或間接地改變或破壞生境，如常見的水利工程就是一種典型的人類改變河流生境進而對水生生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響的行為。

綜上所述，選擇生物集合最能夠反映生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)及演變趨勢。生物集合指標(biāo)涉及到生物個體特征、數(shù)量特征、多樣性特征等多種參數(shù)，針對生態(tài)系統(tǒng)這一復(fù)雜系統(tǒng)，還需要將這些不同類型的指標(biāo)與參數(shù)有機地整合在一個統(tǒng)一的理論框架內(nèi)，全面、綜合地反映水生態(tài)系統(tǒng)的總體現(xiàn)狀及其演變趨勢。目前，描述生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)及變化趨勢的最好方法之一則是評估生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)完整性［23-24］。生態(tài)完整性是指在一個地區(qū)的天然棲息地中的群落所具有的種類組成、多樣性和功能結(jié)構(gòu)特征，以及該群落所具有的維持自身平衡、保持結(jié)構(gòu)完整和適應(yīng)環(huán)境變化的能力［25］，反映了生態(tài)系統(tǒng)中生命和非生命要素以及生成和維持這些要素相互作用的生態(tài)過程和進化過程［16-18］，體現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)自我更新、自我維持的能力［26］，所以通過確定生態(tài)系統(tǒng)的完整性可以有效反映生態(tài)系統(tǒng)的組成成分、結(jié)構(gòu)以及生態(tài)功能。此外，描述和評估生態(tài)系統(tǒng)的完整性是通過“基準(zhǔn)”狀態(tài)比較而得出。因此，測度生態(tài)完整性不僅可以充分了解生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)與變化趨勢，而且有助于人們對生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)做出判斷。換言之，在確定如何監(jiān)測的同時，也解決了評價的問題。

水生生態(tài)系統(tǒng)中評估水體生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的方法就是根據(jù)生態(tài)完整性理論提出的生物完整性指數(shù)(IBI)［12］。生物完整性指數(shù)是學(xué)者 Karr在1981年提出并應(yīng)用于河流水質(zhì)評價工作中，據(jù)此建立起通過監(jiān)測魚類集合的評估河流的生物完整性的方法［25，27］。本質(zhì)上，生物完整性指數(shù)是一系列描述生物個體、種類、種群的生物參數(shù)綜合而成的復(fù)合指數(shù)。其每個生物參數(shù)都對一類或幾類生態(tài)系統(tǒng)的外界干擾反應(yīng)敏感，對應(yīng)著生態(tài)系統(tǒng)的不同層次，綜合反映水體的生態(tài)狀況［4］。生物完整性指數(shù)最初選擇魚類來構(gòu)建，但是它的構(gòu)建原理也完全可以適用于底棲動物等其他水生生物［15］，并且已發(fā)展出類似的指數(shù)［28-29］。如按照生物類別，完整性指數(shù)可以分為魚類生物完整性指數(shù)(F-IBI)、浮游生物完整性指數(shù)(P-IBI)、底棲動物完整性指數(shù)(B-IBI)(表1)，它們分別側(cè)重大時空尺度、小時空尺度和底泥對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性進行測度。

表1 生物完整性指標(biāo)體系

3 生物完整性指數(shù)的應(yīng)用

與發(fā)達國家相比，我國的生態(tài)監(jiān)測工作起步較晚，只有海洋生態(tài)監(jiān)測方面制定了較為具體的技術(shù)規(guī)范，但是相應(yīng)的指標(biāo)體系尚不能全面衡量海洋生態(tài)系統(tǒng)效應(yīng)特征與生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能。而環(huán)境監(jiān)測工作又比較注重城市環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)污染源監(jiān)測，還沒有涉及相關(guān)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測，整體上來看，全國還缺乏統(tǒng)一的生態(tài)監(jiān)測完整和成熟的理論技術(shù)體系［11］。究其原因，最重要的可能是沒有圍繞完整系統(tǒng)的生態(tài)學(xué)理論來確定生態(tài)系統(tǒng)的目標(biāo)及建立相應(yīng)評估體系。而生物完整性指數(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，已經(jīng)非常成熟。國際上，許多國家已將通過法律法規(guī)的形式將以生物完整性指標(biāo)核心的生物評價作為強制性的水環(huán)境質(zhì)量評價工具。生物完整性指數(shù)及生物完整性測度已經(jīng)成為許多國家生態(tài)系統(tǒng)管理的手段，并且許多生態(tài)保護與環(huán)境政策的目標(biāo)就是以維護生態(tài)完整性為核心。如美國1972年清潔水行動、加拿大國家公園行動、美國與加拿大大湖水質(zhì)協(xié)議等，都將保護生態(tài)系統(tǒng)完整性作為生態(tài)保護的核心價值和原則。

隨著生物完整性指標(biāo)體系的不斷完善和發(fā)展，不同類型的生物參數(shù)構(gòu)建的生物完整性評價體系，在全球不同地區(qū)和不同類型的水體均得到了成功應(yīng)用［30-35］。不過對于不同地區(qū)或不同類型的生物完整性指數(shù)，盡管其構(gòu)建的理論是一致的，但是因為其自身特性甚至管理需求的不同，完整性評價的指標(biāo)體系也是存在差異的。尤其是與物理、化學(xué)參數(shù)相比，不同地域的生物存在差別非常大，并不存在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。因此，應(yīng)用生物完整指數(shù)到不同地區(qū)的生態(tài)監(jiān)測工作時，屬地化工作是生物完整性指數(shù)工作中的最重要內(nèi)容之一。此外，不同類型的生物完整性指數(shù)篩選、構(gòu)建指標(biāo)的數(shù)學(xué)方法、賦分和綜合計算等也不盡相同。以浙江省水庫水源地開展魚類、底棲和浮游生物3種完整性指數(shù)的工作為例［36-38］。綜合3種完整性指數(shù)與傳統(tǒng)水質(zhì)結(jié)果相比(表2)，生物完整性指數(shù)對水庫的監(jiān)測評價是科學(xué)客觀的，取得了更好的結(jié)果，也能夠為管理決策提供支持。從表2可以看到，采用傳統(tǒng)的基于理論指標(biāo)的水質(zhì)評價過程顯示，作為飲用水水源地，3座水庫的水質(zhì)評價結(jié)果雖有差別，但總的來說，水質(zhì)都是非常好的。因此，傳統(tǒng)的常規(guī)水質(zhì)評價并不能全面分析判定水庫的健康狀況，更不能為水庫的管理提供有力的支撐。對這3座水庫而言，案例一水庫生物完整性較差，表明其生態(tài)抗干擾能力較弱，整個水庫水生態(tài)系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，雖然目前水質(zhì)狀況較好，但存在較明顯的惡化趨勢，需重點加強管理，采取有效措施，避免水質(zhì)突然惡化;案例二與案例三水庫水質(zhì)與生物完整性評價結(jié)果均為合格，在保持現(xiàn)有管理條件下，水庫水質(zhì)能夠保持相對穩(wěn)定，但案例三水庫需進一步加強庫區(qū)管理，而案例二水庫則需進一步加強庫區(qū)上游的管理工作。

因此，盡管生物完整性指數(shù)最初是作為一種水體污染評價指標(biāo)提出，但是它不僅彌補了理化監(jiān)測的不足，而且能對水域的生態(tài)狀況做出評價。由于完整性指數(shù)不僅包含了生物種群和個體狀況，還包含群落結(jié)構(gòu)和功能等更高層次的信息，因而更能反映系統(tǒng)對多種環(huán)境脅迫不同層次的反應(yīng)，同時也能夠?qū)⒎从吵鲞@些脅迫所造成的水域生態(tài)系統(tǒng)中如生境等其他要素的變化。國內(nèi)也有許多其他研究者開展的生物完整性指數(shù)的構(gòu)建與應(yīng)用工作［33-35］，這些都表明生物完整性可在更大范圍進行推動。與水質(zhì)指標(biāo)相比，生物完整性指數(shù)更加關(guān)注生態(tài)/生物的需求，而非僅局限于傳統(tǒng)的水質(zhì)目標(biāo)。完整性指標(biāo)相對于水質(zhì)指標(biāo)，有助于更清楚地認(rèn)識水體狀況，彌補理化監(jiān)測的不足。目前，國家把生態(tài)文明建設(shè)放在突出位置，以生態(tài)需求為目標(biāo)的完整性指數(shù)更加有助于在監(jiān)測工作中認(rèn)識生態(tài)，將生態(tài)文明的理念應(yīng)用到實際監(jiān)測工作當(dāng)中。

表2 水庫水源地常規(guī)水質(zhì)評價與生物完整性指數(shù)評價結(jié)果匯總

4 展望

生物完整性指數(shù)評價的方法已經(jīng)發(fā)展成熟，從國內(nèi)外的應(yīng)用與實踐來看，完整性指標(biāo)相對于水質(zhì)指標(biāo)，有助于更清楚地認(rèn)識水體狀況，彌補理化監(jiān)測的不足，進而為管理提供科學(xué)的技術(shù)支撐。在我國的水生態(tài)評價中，廣泛采用生物完整性指數(shù)作為生態(tài)監(jiān)測的核心指標(biāo)已具備良好的可行性和可操作性。評價工作的普及開展，將不僅有助我國生態(tài)環(huán)境政策的目標(biāo)確立，也極大地推動我國生態(tài)監(jiān)測理論框架與相關(guān)技術(shù)規(guī)范的形成，最終將推動我國監(jiān)測工作發(fā)展，解決日益突出的生態(tài)環(huán)境問題，維護健康的生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)國家社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

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