王為木，蔡旺煒

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京　210098；2.河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京　210098)

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生物完整性指數(shù)及其在水生態(tài)健康評(píng)價(jià)中的應(yīng)用進(jìn)展

王為木1,2，蔡旺煒1,2

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京210098；2.河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210098)

摘要：生物完整性指數(shù)(index of biotic integrity， IBI)是用以度量區(qū)域生物集群維持物種組成、多樣性、結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)態(tài)能力的量化指標(biāo)，經(jīng)過30多年的發(fā)展，已成為水生態(tài)健康定量評(píng)價(jià)的熱門方法。IBI是將具有不同敏感性的多項(xiàng)度量指標(biāo)復(fù)合而得的一個(gè)數(shù)值，其理論基礎(chǔ)是生態(tài)學(xué)與數(shù)學(xué)，涉及生物學(xué)和環(huán)境科學(xué)等其他多門學(xué)科。IBI作為一種定量分析方法，其理論技術(shù)體系仍在不斷發(fā)展演化，關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)為參照位點(diǎn)選取、度量指標(biāo)篩選以及指標(biāo)賦權(quán)和復(fù)合，各環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)存在多種觀點(diǎn)和方法。基于大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)模型研究是目前國際學(xué)界的研究熱點(diǎn)，但我國學(xué)界尚未見IBI預(yù)測(cè)模型的研究報(bào)道。除了傳統(tǒng)的F-IBI(魚類IBI)、B-IBI(底棲動(dòng)物IBI)、A-IBI(固著藻類IBI)、P-IBI(浮游生物IBI)和AP-IBI(水生植物IBI)，已有學(xué)者提出M-IBI(微生物IBI)，基于上述單類群IBI(s-IBI)的研究成果，多類群IBI(m-IBI)將成為今后重要的研究方向。IBI的應(yīng)用目的可分為水生態(tài)健康定量評(píng)價(jià)、水生態(tài)對(duì)人類干擾響應(yīng)的定量分析和預(yù)測(cè)水生態(tài)健康狀況。認(rèn)為IBI具有定量化、對(duì)象依賴性、學(xué)科交叉性、標(biāo)準(zhǔn)化趨勢(shì)和系統(tǒng)誤差性的特點(diǎn)，IBI在農(nóng)村河道、灌區(qū)和農(nóng)田生態(tài)健康評(píng)價(jià)領(lǐng)域是一種極具前景的方法。

關(guān)鍵詞：生物完整性指數(shù)；水生態(tài)健康；定量分析；預(yù)測(cè)模型；進(jìn)展

生態(tài)健康評(píng)價(jià)是生態(tài)安全評(píng)價(jià)的核心,生態(tài)健康由生態(tài)系統(tǒng)的完整性、系統(tǒng)活力和恢復(fù)力組成,其中完整性是基礎(chǔ)[1]。生態(tài)系統(tǒng)完整性的定量分析仍是學(xué)界亟待解決的問題,生物完整性指數(shù)(index of biotic integrity,IBI)是研究這一問題的熱門方法[2]。生物完整性由美國生態(tài)學(xué)家KARR[3]提出,最初的涵義是指生物群落維持平衡的能力,現(xiàn)在是指區(qū)域內(nèi)生物群落維持物種組成、多樣性、結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)態(tài)(動(dòng)態(tài)穩(wěn)定)的能力,這種能力與區(qū)域所提供的生境具有對(duì)應(yīng)關(guān)系[4],IBI即是上述能力的度量?；诘厍蛩h(huán)理論,水生生物的健康狀況被認(rèn)為是解釋和控制人類對(duì)地球水通道影響的最佳手段,IBI可作為診斷、最小化和防止河流退化的有效工具[5]。國際上已廣泛應(yīng)用IBI來評(píng)價(jià)水生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況,主要集中于大江大河、湖泊和濕地,應(yīng)用于小流域、可涉河流、河口和近海的報(bào)道也較為常見,卻極少應(yīng)用于陸地。歐美關(guān)于IBI的研究成果較為豐碩,近年來,研究重點(diǎn)已轉(zhuǎn)向基于大批量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立不同尺度預(yù)測(cè)模型。中國起步較晚,尚鮮見有關(guān)IBI預(yù)測(cè)模型的報(bào)道。

IBI是由多項(xiàng)度量指標(biāo)復(fù)合而成的一個(gè)指數(shù),歐美不少學(xué)者稱之為indices of biotic integrity(IBIs),強(qiáng)調(diào)的是IBI的指標(biāo)集特性,筆者與大多數(shù)學(xué)者一樣，強(qiáng)調(diào)的是IBI在一般意義上是作為一個(gè)復(fù)合指標(biāo)而存在的。筆者將系統(tǒng)介紹IBI的原理、分類、構(gòu)建和研究熱點(diǎn)難點(diǎn),并總結(jié)IBI在水生態(tài)健康評(píng)價(jià)中的應(yīng)用進(jìn)展。

1IBI理論技術(shù)體系

1.1基本原理

IBI用以評(píng)價(jià)水生態(tài)健康的基本原理示意圖見圖1，B表示某類干擾，M表示對(duì)此類干擾及其梯度會(huì)產(chǎn)生響應(yīng)的生物指標(biāo)集合，下標(biāo)表示其中某個(gè)指標(biāo)。對(duì)于任一生物指標(biāo)，如M1，當(dāng)干擾強(qiáng)度小于B1時(shí)，其指標(biāo)值緩慢上升，此時(shí)M1的變化僅是由自然因素引起，而非對(duì)干擾的響應(yīng)；當(dāng)干擾強(qiáng)度介于B1～B1′之間時(shí)，指標(biāo)值上升速率較快，此時(shí)M1的變化主要是對(duì)干擾的響應(yīng)；當(dāng)干擾強(qiáng)度大于B1′時(shí)，指標(biāo)值上升速率又變小，此時(shí)干擾強(qiáng)度的增大對(duì)M1的影響已達(dá)到上限：說明M1對(duì)于干擾具有正效應(yīng)，但其敏感閾為B1～B1′。同理，生物指標(biāo)M2對(duì)此類干擾具有負(fù)效應(yīng)，其敏感閾為B2～B2′。對(duì)于同一類干擾的梯度變化，不同生物指標(biāo)的響應(yīng)就表現(xiàn)出正負(fù)效應(yīng)不同、敏感閾不同以及同一區(qū)間內(nèi)敏感性強(qiáng)弱不同(如B2～B1區(qū)間內(nèi)M2變化速率大于M1)，而生物群落往往同時(shí)受多種干擾作用。換言之,對(duì)于任一生物群落，不同生物指標(biāo)對(duì)不同的干擾及其梯度具有不同的敏感性,如強(qiáng)弱不同,正負(fù)不同,敏感閾不同。IBI即是通過選取若干生物指標(biāo),考慮它們的敏感性差異,經(jīng)合理賦權(quán)和復(fù)合后所得到的水生態(tài)健康狀況的定量表征。IBI是生物集群維持穩(wěn)態(tài)能力的度量,而生物群落可在不同水平上維持穩(wěn)態(tài),在不同的水平上,維持穩(wěn)態(tài)的能力也不同[6]。當(dāng)生物群落處于非穩(wěn)態(tài)時(shí)(如地震、火山噴發(fā)、洪水等強(qiáng)烈地質(zhì)或氣候活動(dòng)發(fā)生時(shí)及發(fā)生后一段時(shí)間,人為大規(guī)模放養(yǎng)、捕獲發(fā)生時(shí)及之后一段時(shí)間),生物群落不具有維持穩(wěn)態(tài)的能力,所以在生物群落達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)前無法對(duì)其進(jìn)行IBI評(píng)價(jià)。然而,實(shí)際中,一般默認(rèn)研究區(qū)域內(nèi)各位點(diǎn)的生物群落分別處于某種穩(wěn)態(tài);而在發(fā)生劇烈干擾一段時(shí)間后(沒有具體標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)研究需要選定),則假設(shè)生物群落處于近似穩(wěn)態(tài)(緩慢達(dá)到新穩(wěn)態(tài)的過程,等同于穩(wěn)態(tài))。

由KARR[3]提出,王備新等[4]重繪。

IBI的理論基礎(chǔ)是生態(tài)學(xué)和數(shù)學(xué)。種群生態(tài)學(xué)、群落生態(tài)學(xué)、景觀生態(tài)學(xué)和系統(tǒng)生態(tài)學(xué)等為不同尺度下水生態(tài)健康IBI評(píng)價(jià)提供了理論依據(jù),同時(shí)也提供了候選指標(biāo)體系和生態(tài)調(diào)查技術(shù)方法。以統(tǒng)計(jì)學(xué)為主的數(shù)學(xué)為IBI位點(diǎn)的選取、指標(biāo)篩選和指標(biāo)復(fù)合等提供了理論依據(jù)。物種鑒定(生物學(xué))是獲得各生物指標(biāo)原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)工作,在分析IBI結(jié)果間的差異及其影響因素時(shí),往往涉及環(huán)境科學(xué)、河流分類學(xué)、氣候?qū)W、地球科學(xué),甚至社會(huì)學(xué)[7]等諸多學(xué)科。故IBI是一種基于生態(tài)學(xué)與數(shù)學(xué),涉及多學(xué)科的定量分析方法。

1.2IBI的分類

根據(jù)生物類群可分為魚類生物完整性指數(shù)(fish IBI,F-IBI)、底棲生物完整性指數(shù)〔benthic IBI,B-IBI,主要選用的是大型底棲無脊椎動(dòng)物(macroinvertebrate)[8]〕、浮游生物完整性指數(shù)(plankton IBI,P-IBI)、固著藻類生物完整性指數(shù)〔alga IBI,A-IBI,研究熱點(diǎn)為硅藻(diatom)〕和水生植物生物完整性指數(shù)(aquatic plants IBI,AP-IBI),甚至有學(xué)者[9]提出微生物完整性指數(shù)(microbe IBI,M-IBI)。各類群的特點(diǎn)可參見文獻(xiàn)[9-10]的總結(jié)。

根據(jù)類群數(shù)量可分為單類群生物完整性指數(shù)(single group IBI,s-IBI)和多類群生物完整性指數(shù)(multi groups IBI,m-IBI),目前的研究和應(yīng)用主要集中于前者。

從上述分類可見,s-IBI評(píng)價(jià)的實(shí)質(zhì)是從某類特定生物集群的角度去衡量水生態(tài)的健康狀況,雖然這比以某種單一生物為載體的評(píng)價(jià)方法更全面,但它也并不能完全刻畫生態(tài)系統(tǒng)的完整性,加上不同類群IBI的評(píng)價(jià)結(jié)果往往表現(xiàn)出不一致性,所以m-IBI的提出具有必然性,也將成為今后研究的重要方向。

1.3基本構(gòu)建過程

IBI的基本構(gòu)建過程[3,8-9,11-12]:(1)根據(jù)所選生物類群及其在研究區(qū)域內(nèi)的群落特征,初選候選指標(biāo);(2)選定參照位點(diǎn)(reference condition,RC,一般為純自然或近自然位點(diǎn))和干擾位點(diǎn),測(cè)定或計(jì)算候選指標(biāo)參數(shù)并進(jìn)行相關(guān)性分析,根據(jù)相互獨(dú)立原則從中篩選出度量指標(biāo);(3)對(duì)度量指標(biāo)參數(shù)統(tǒng)一量綱(無量綱化),對(duì)各指標(biāo)賦權(quán),然后分別將各位點(diǎn)的度量指標(biāo)參數(shù)復(fù)合為1個(gè)數(shù)值;(4)以參照位點(diǎn)值為基準(zhǔn),量化各干擾位點(diǎn)值與基準(zhǔn)的差異,量化的結(jié)果就是對(duì)應(yīng)位點(diǎn)的IBI值;(5)通過獨(dú)立數(shù)據(jù)集或是其他方法對(duì)IBI結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1.4研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)

隨著IBI的應(yīng)用尺度和領(lǐng)域不斷擴(kuò)展,1.3節(jié)所述各環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)方法也愈來愈多,其中參照位點(diǎn)選取、度量指標(biāo)篩選以及指標(biāo)賦權(quán)與復(fù)合至今仍是IBI研究的難點(diǎn),而隨著成果的積累,基于大量數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)模型研究已成為學(xué)界研究的熱點(diǎn)。

1.4.1參照位點(diǎn)的選取

參照位點(diǎn)是用來比較現(xiàn)狀的標(biāo)準(zhǔn)或基準(zhǔn),決定了IBI評(píng)價(jià)結(jié)果的真實(shí)性,但是不同情況下含義往往不同,比如一般會(huì)被定義為自然狀態(tài)點(diǎn)(natural condition,NC)、最低限度干擾點(diǎn)(minimally disturbed condition,MDC)、歷史狀態(tài)(historical condition,HC)、最少干擾點(diǎn)(least disturbed condition,LDC)和最佳狀態(tài)點(diǎn)(best attainable condition,BAC)等,相應(yīng)的參照位點(diǎn)的概念和選取方法也不同[13]。

KARR[3]提出F-IBI時(shí)采用專家判讀法選取參照位點(diǎn),以選取純自然或近自然位點(diǎn)(NC)為導(dǎo)向,在研究區(qū)內(nèi)由具有較豐富生態(tài)調(diào)查經(jīng)驗(yàn)的專家人為選定1個(gè)或是若干個(gè)位點(diǎn)作為參照基準(zhǔn)。顯然,此方法具有較大的主觀性和隨機(jī)性,且不適用于人類活動(dòng)頻繁的區(qū)域。PONT等[14]則采用評(píng)分法選取參照位點(diǎn),將水文條件、河道形態(tài)、總氮-總碳和溶解氧-pH這4項(xiàng)因子分別制定1～5分標(biāo)準(zhǔn)(越低就越接近自然),對(duì)每個(gè)位點(diǎn)進(jìn)行評(píng)分,每項(xiàng)因子得分都小于2的則作為參照位點(diǎn)(MDC),據(jù)此從5 252 個(gè)位點(diǎn)中選出1 608個(gè)參照位點(diǎn)。與此類似,渠曉東等[15]提出了參照位點(diǎn)選取的標(biāo)準(zhǔn)化法:水質(zhì)Ⅱ級(jí)以上，棲息地質(zhì)量在120分以上(參考鄭丙輝等[16]的方法)，人類活動(dòng)無或極少(定性)，無耕作土地。這2種方法的準(zhǔn)確性取決于所制定標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確性,而在人類干擾普遍顯著的區(qū)域,由這2種方法未必能選出合適的參照位點(diǎn)。B?HMER等[17]采用比較法選取參考位點(diǎn):在確保位點(diǎn)形態(tài)學(xué)(如地形地貌、河流類型、氣候等)可比性的基礎(chǔ)上,對(duì)于每個(gè)候選指標(biāo),將兩兩位點(diǎn)的參數(shù)相比較,優(yōu)者靠前排序,序號(hào)即分?jǐn)?shù),所有候選指標(biāo)分?jǐn)?shù)和最低位點(diǎn)作為參考位點(diǎn)(BAC)。該方法強(qiáng)調(diào)應(yīng)以現(xiàn)實(shí)中狀態(tài)最佳的點(diǎn)作為參照。朱迪等[18]在評(píng)價(jià)魚類群落健康的時(shí)空變化中采用歷史狀態(tài)(HC)作為參照,選擇代表年中受干擾最小的區(qū)域(LDC)作為參照。WU等[19]認(rèn)為在人類活動(dòng)頻繁的區(qū)域難以找到現(xiàn)實(shí)存在的參照位點(diǎn),因而提出了無參照位點(diǎn)的P-IBI方法,這是一種新的嘗試。

STODDARD等[13]認(rèn)為參照位點(diǎn)的意義在于為生物評(píng)估設(shè)定期望值,所以不管采用什么方法進(jìn)行選取,都應(yīng)準(zhǔn)確界定其作為參照基準(zhǔn)的內(nèi)涵。對(duì)此,筆者認(rèn)為,參照位點(diǎn)的不同定義和選取方法一方面妨礙了結(jié)果的可比性,另一方面也表明IBI實(shí)際上適應(yīng)于多種評(píng)價(jià)目的。從1.3節(jié)可知,實(shí)際上參照位點(diǎn)的選取和其他環(huán)節(jié),如指標(biāo)賦權(quán)和復(fù)合,具有相互獨(dú)立性,所以當(dāng)參照位點(diǎn)為嚴(yán)格意義上的生物完整性最佳位點(diǎn)時(shí)(事實(shí)上很難確定),IBI結(jié)果可作為各位點(diǎn)絕對(duì)健康程度的刻畫,此時(shí)的評(píng)價(jià)目的可歸結(jié)為“確定真實(shí)的健康程度”;當(dāng)參照位點(diǎn)為處于某種狀態(tài)的位點(diǎn)時(shí),IBI結(jié)果則刻畫了各位點(diǎn)相對(duì)于這種狀態(tài)的健康程度,此時(shí)評(píng)價(jià)目的則歸結(jié)為“確定相對(duì)的健康程度”。后者使得IBI具有更廣泛的應(yīng)用性,如可量化生態(tài)修復(fù)效果(工程前后的生物完整性相對(duì)差距)和干擾影響(干擾前后的生物完整性相對(duì)差距)。

不同類群常見的候選指標(biāo)可參見文獻(xiàn)[9]的總結(jié),從候選指標(biāo)中篩選度量指標(biāo)(用于復(fù)合的指標(biāo))的基本原則是“分布范圍廣、相關(guān)性弱、敏感性良好”[20-21]。傳統(tǒng)的做法:(1)測(cè)定或計(jì)算各位點(diǎn)所有候選指標(biāo)參數(shù);(2)檢查每個(gè)指標(biāo)是否在多數(shù)(如3/4或4/5以上)位點(diǎn)上均有分布,剔除分布數(shù)量低于限值的指標(biāo);(3)對(duì)剩余指標(biāo),分別檢驗(yàn)位點(diǎn)間的差異顯著性,剔除差異不顯著的指標(biāo);(4)再對(duì)剩余指標(biāo)做兩兩相關(guān)性分析,相關(guān)性高的(如|r|>0.75)指標(biāo)選其一。經(jīng)此過程選出度量指標(biāo)。如果候選指標(biāo)數(shù)量較少,或僅有少數(shù)指標(biāo)的分布性滿足要求,則選出的度量指標(biāo)將非常少,那么此時(shí)將不必通過計(jì)算每個(gè)位點(diǎn)的IBI值來表征生態(tài)健康,而是從總體上可認(rèn)為該區(qū)域的水生態(tài)健康已處于極差狀態(tài)。

SCHOOLMASTER等[22]提出了關(guān)于復(fù)合指標(biāo)及其性質(zhì)的一般性理論,并對(duì)IBI度量指標(biāo)的最佳數(shù)量進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo),給出了確定度量指標(biāo)的10個(gè)步驟:(1)將與干擾呈正相關(guān)的候選指標(biāo)取反;(2)選擇1個(gè)初始指標(biāo)m1;(3)將剩余的指標(biāo)mj逐個(gè)加上m1;(4)找到與干擾呈最強(qiáng)負(fù)相關(guān)的m1+mj組合,選擇mj與m1構(gòu)成復(fù)合指標(biāo);(5)檢查復(fù)合指標(biāo)與干擾間的相關(guān)性是否比加上mj前要強(qiáng);(6)將復(fù)合指標(biāo)添加到剩余指標(biāo)集中并作為m1使用;(7)找到與干擾負(fù)相關(guān)最強(qiáng)的復(fù)合指標(biāo)+mj組合,選擇mj;(8)檢查新復(fù)合指標(biāo)與干擾間的相關(guān)性是否比加上mj前要強(qiáng);(9)重復(fù)步驟6～8直到終止條件得到滿足,例如,直到所選擇的最佳mj使得復(fù)合指標(biāo)與干擾的相關(guān)性減弱,或者直到所有指標(biāo)被選完;(10)重復(fù)步驟2～9,直到所有候選指標(biāo)都被作為m1使用一遍。上述過程可由計(jì)算機(jī)編程完成,進(jìn)入程序前,各指標(biāo)參數(shù)須已統(tǒng)一量綱。經(jīng)此可得到與候選指標(biāo)數(shù)量相同的一系列復(fù)合指標(biāo)集,事實(shí)上有許多將是一樣的,只需要從這些復(fù)合指標(biāo)集中選擇與干擾或是其他需要研究的因素具有最強(qiáng)相關(guān)性的那個(gè)即可。報(bào)道該方法時(shí),研究者默認(rèn)指標(biāo)復(fù)合的方法是線性等權(quán)重累加,而事實(shí)上,指標(biāo)是非等權(quán)重的,其復(fù)合也不只是線性累積,所以該方法雖然提供了嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程,但仍待改進(jìn)。

1.4.3指標(biāo)賦權(quán)與復(fù)合

度量指標(biāo)基本都具有物理量綱,因此在計(jì)算前需將量綱統(tǒng)一化,一般進(jìn)行無量綱化處理,主要有標(biāo)準(zhǔn)化法和評(píng)分法[9,23],前者即為統(tǒng)計(jì)學(xué)上的標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化、極差標(biāo)準(zhǔn)化和比值標(biāo)準(zhǔn)化等,后者即是對(duì)各指標(biāo)參數(shù)分別根據(jù)已知標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)分。在進(jìn)行指標(biāo)復(fù)合前還須將指標(biāo)對(duì)干擾的響應(yīng)特性統(tǒng)一化,如1.4.2節(jié)中將正相關(guān)轉(zhuǎn)化為負(fù)相關(guān)。3分法(或4分法)[24]屬于評(píng)分法,將每個(gè)帶量綱的指標(biāo)參數(shù)對(duì)照已有的等級(jí)劃分進(jìn)行賦分,等級(jí)劃分一般以5%、25%、50%、75%和95%等分位數(shù)為標(biāo)準(zhǔn),具有明顯的人為規(guī)定性,但是簡(jiǎn)潔明了,易于操作,指標(biāo)的敏感性差異則可由每個(gè)分值的權(quán)重來體現(xiàn)。

參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化后指標(biāo)的復(fù)合原則上需要考慮每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重,由于指標(biāo)的重要性還難以定量分析,指標(biāo)權(quán)重的確定是目前IBI研究的難點(diǎn),多數(shù)研究都采取等權(quán)重處理。李強(qiáng)等[25]比較了熵值法、等權(quán)重法和變異系數(shù)法3種權(quán)重賦值法在B-IBI中的準(zhǔn)確性,結(jié)果為熵值法(92.9%)>等權(quán)重法(85.7%)>變異系數(shù)法(78.5%)。復(fù)合方法主要有線性累加、指數(shù)累加和平均值法等[9,21,26],彼此僅是數(shù)學(xué)方法的差異。

有些方法則是將統(tǒng)一量綱、統(tǒng)一干擾響應(yīng)特性以及指標(biāo)賦權(quán)和復(fù)合結(jié)合起來,如比值法[27]和余分指數(shù)合成法[28]。比值法的基本思路:在所有位點(diǎn)上,與干擾呈負(fù)相關(guān)的指標(biāo),以95%分位數(shù)為最佳值,呈正相關(guān)的指標(biāo)則以5%分位數(shù)為最佳值,然后統(tǒng)一按照(最大值-實(shí)際值)/(最大值-最佳值)進(jìn)行計(jì)算,得到的無量綱結(jié)果若大于1,則取1,若為0～1,則取其本身,然后在每個(gè)位點(diǎn)上將各指標(biāo)值相加。該方法中將計(jì)算結(jié)果限定在[0,1]范圍內(nèi),實(shí)際上就是指標(biāo)賦權(quán),當(dāng)結(jié)果大于1時(shí),表明該指標(biāo)在該點(diǎn)已優(yōu)于最佳狀態(tài),此時(shí)它對(duì)生態(tài)健康的影響已隨梯度顯著減弱,只需將其視為最佳狀態(tài),從而降低了該指標(biāo)的權(quán)重。余分指數(shù)合成法是李祚泳[28]針對(duì)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)合成提出的,對(duì)IBI的合成具有重要的啟示,但未見將其用于IBI復(fù)合的報(bào)道。該方法的核心思想是:偏離平均值越遠(yuǎn)的數(shù)對(duì)綜合結(jié)果影響越大,在任一位點(diǎn)上,如果某一指標(biāo)參數(shù)在其樣本中偏離均值的程度達(dá)到最大,則該指標(biāo)是此位點(diǎn)上對(duì)環(huán)境質(zhì)量貢獻(xiàn)最大的。主要過程:將度量指標(biāo)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化,然后將指標(biāo)與干擾梯度相關(guān)性統(tǒng)一為正相關(guān),求算每個(gè)參數(shù)偏離均值的程度(偏差),由于偏差必然有正有負(fù),故再取指數(shù),然后在各位點(diǎn)上將所有指標(biāo)參數(shù)的偏差指數(shù)值進(jìn)行余分指數(shù)合成,指數(shù)值越大,則越晚參與合成,被取余分的次數(shù)越少,其對(duì)最終結(jié)果的貢獻(xiàn)也將越大。該方法的特點(diǎn)是指標(biāo)賦權(quán)完全依賴于指標(biāo)參數(shù)本身而杜絕了人為規(guī)定性,且所有指標(biāo)參數(shù)對(duì)結(jié)果都有貢獻(xiàn),但對(duì)于不同位點(diǎn)來說,各指標(biāo)的權(quán)重分布是不一致的。當(dāng)指標(biāo)數(shù)量較多時(shí),余分求值的數(shù)學(xué)過程將變得非常繁瑣,需借助計(jì)算編程實(shí)現(xiàn)快速計(jì)算。

1.4.4預(yù)測(cè)模型

有鑒于此，本文試圖挖掘《孤獨(dú)的割麥女》一直以來被忽略的“權(quán)力事實(shí)”[7]，探尋詩歌中所暗含的政治涵義。本文就詩人的凝視行為與割麥女吟唱行為的交鋒以及歌聲中的戰(zhàn)爭(zhēng)與文化沖突來展開討論。

預(yù)測(cè)模型的基本目標(biāo):(1)由已知空間位點(diǎn)預(yù)測(cè)未知空間位點(diǎn);(2)由已知時(shí)間節(jié)點(diǎn)預(yù)測(cè)未知時(shí)間節(jié)點(diǎn)。在IBI研究中常見的建模方法有多重回歸分析法、K-nearest neighbors(KNN)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法(artificial neural networks,ANNs)、反向傳播網(wǎng)絡(luò)分析法(back-propagation network,BPN)等[14,26,29-30]。BEDOYA等[26]基于ANNs提出了BPN,從已報(bào)道的研究中獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集,利用BNP建立了由5項(xiàng)環(huán)境參數(shù)(海拔高度、距離、集水面積、年均流量和年均水溫)預(yù)測(cè)魚類完整性的模型,通過在法國西南部Garonne河的驗(yàn)證,結(jié)果較多重回歸分析更準(zhǔn)確。BEDOYA等[26]還針對(duì)美國州域及區(qū)域尺度提出了2種方法建立F-IBI預(yù)測(cè)模型:KNN方法和多重回歸方法,兩者獲得相似的預(yù)測(cè)結(jié)果,但KNN方法效率更高。BECK等[30]基于332個(gè)湖泊數(shù)據(jù)采用ANNs建立了生態(tài)關(guān)系對(duì)AP-IBI的影響評(píng)價(jià)模型,通過美國明尼蘇達(dá)湖的驗(yàn)證表明該模型比多重回歸模型更準(zhǔn)確地定量刻畫了生態(tài)關(guān)系對(duì)AP-IBI的影響。

IBI預(yù)測(cè)模型的建立方法有多種,具體目的主要有3類:預(yù)測(cè)IBI的空間分布、由其他因素預(yù)測(cè)IBI值和評(píng)價(jià)其他因素對(duì)IBI的影響。IBI預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建需基于大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),還應(yīng)關(guān)注評(píng)價(jià)方法在跨流域、跨區(qū)域上的遷移轉(zhuǎn)換,注重統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的建立與應(yīng)用。未來的發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)是在不同尺度上針對(duì)不同的應(yīng)用目的建立預(yù)測(cè)模型。

2國內(nèi)外的應(yīng)用進(jìn)展

2.1用于水生態(tài)健康評(píng)價(jià)

KARR[3]最早提出用F-IBI來評(píng)價(jià)水生態(tài)質(zhì)量,結(jié)果表明這一方法比傳統(tǒng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)更準(zhǔn)確地反映了淡水魚類群落的健康狀況及與之相應(yīng)的環(huán)境質(zhì)量。隨后,IBI便逐漸成為學(xué)界研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。FORE等[8]建立了B-IBI來評(píng)價(jià)俄亥俄州西南部2～4級(jí)河流的健康狀況,并與當(dāng)時(shí)州管理部門推行的改良快速生物協(xié)議(RBP Ⅲ)的評(píng)價(jià)結(jié)果相比較,對(duì)于同一批樣點(diǎn),RBP Ⅲ未能如B-IBI一樣檢測(cè)出差異,并且對(duì)于同樣的數(shù)據(jù)集,主成分分析也未能有效檢測(cè)出樣點(diǎn)間的差異,這說明結(jié)合了生物信息的評(píng)價(jià)方法更適用于河流健康評(píng)價(jià)。SILOW等[11]提出的P-IBI比傳統(tǒng)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)更準(zhǔn)確地刻畫了水生態(tài)質(zhì)量。

朱迪等[18]針對(duì)長江中游4個(gè)淺水湖泊,基于調(diào)查數(shù)據(jù)與歷史資料,以1978年為參照,參考KARR[3]的方法計(jì)算了4個(gè)湖泊1964、1981、1993和1998年的F-IBI值,根據(jù)F-IBI值的變化趨勢(shì)認(rèn)為水生態(tài)健康在持續(xù)下降,劉明典等[31]對(duì)4個(gè)湖泊2003—2008年的F-IBI計(jì)算結(jié)果與此相似,上述結(jié)論與長江上游生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值持續(xù)衰退[29]的結(jié)論一致,但前者基于生物指標(biāo)的結(jié)果較后者基于經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的結(jié)果更準(zhǔn)確地刻畫了生態(tài)衰退的程度。針對(duì)山區(qū)溪流,王備新等[20]建立了B-IBI評(píng)價(jià)安徽黃山溪流的健康程度,結(jié)果表明B-IBI與水體電導(dǎo)率呈負(fù)相關(guān),與生境質(zhì)量(即生境指數(shù)[16],habitat index,HI)呈正相關(guān)。李強(qiáng)等[25]針對(duì)浙江西苕溪構(gòu)建的B-IBI與王備新等[20]的研究結(jié)果類似,即B-IBI與生境指數(shù)、海拔高度均呈正相關(guān),與水溫呈負(fù)相關(guān)。朱迪等[32]和沈強(qiáng)等[33]分別運(yùn)用F-IBI和P-IBI對(duì)水庫健康進(jìn)行評(píng)價(jià),前者認(rèn)為F-IBI能較好地反映水源質(zhì)量狀況,后者指出P-IBI結(jié)果揭示了水體富營養(yǎng)化和水華風(fēng)險(xiǎn)程度。李國忱[34]比較研究了F-IBI和P-IBI在遼寧清河流域健康評(píng)價(jià)中的應(yīng)用,結(jié)果表明F-IBI的評(píng)價(jià)結(jié)果普遍比P-IBI的評(píng)價(jià)結(jié)果偏優(yōu),但他認(rèn)為P-IBI的評(píng)價(jià)結(jié)果更可信。高欣等[35]采用B-IBI評(píng)價(jià)了西遼河的生態(tài)健康,結(jié)果顯示西遼河全流域處于嚴(yán)重的生態(tài)退化狀態(tài),B-IBI與水體懸浮物濃度呈負(fù)相關(guān)。張穎等[23]通過B-IBI 評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)淮河流域大部分水體處于不健康狀態(tài)。

上述一系列研究表明IBI評(píng)價(jià)方法比傳統(tǒng)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)更能準(zhǔn)確反映水生態(tài)健康狀況,且IBI甚至比已有的一些生物評(píng)價(jià)方法(如RBP Ⅲ)具有更高的敏感性,將IBI引入我國河流水生態(tài)健康評(píng)價(jià)領(lǐng)域,對(duì)準(zhǔn)確把握我國重要河流和水域的水生態(tài)健康狀況具有重要意義。

2.2用于分析水生態(tài)對(duì)人類干擾的響應(yīng)

ROTH等[36]針對(duì)美國中西部農(nóng)業(yè)區(qū)域的1～3級(jí)流域,采用航拍和GIS等手段定量分析了土地利用方式對(duì)F-IBI的影響,結(jié)果表明,在流域尺度上F-IBI 與農(nóng)用地覆蓋率呈高度負(fù)相關(guān)關(guān)系。LAUNOIS等[37]采用F-IBI評(píng)價(jià)了法國67座水庫和24個(gè)天然湖泊的生態(tài)狀況,結(jié)果表明湖泊生態(tài)對(duì)人為干擾的響應(yīng)是顯著的,其中水庫對(duì)農(nóng)業(yè)響應(yīng)最顯著,天然湖泊則對(duì)城市響應(yīng)較顯著。HERING等[38]將9個(gè)歐洲國家的185條河流分為洼地和山地2大類型,分別研究A-IBI、AP-IBI、B-IBI和F-IBI對(duì)水體物理化學(xué)性質(zhì)、水文條件、土地利用方式和水電工程等不同干擾因素及強(qiáng)度的響應(yīng),結(jié)果表明上述4種生物類群對(duì)有機(jī)污染/水體富營養(yǎng)化的響應(yīng)都顯著,其中硅藻最強(qiáng)(在洼地與山地河流中相關(guān)系數(shù)分別為0.85和0.89),其次是大型無脊椎動(dòng)物(在洼地與山地河流中相關(guān)系數(shù)分別為0.91和0.51),對(duì)土地利用方式和水文條件變化的響應(yīng)則都較弱(最高不超過0.50),河流形態(tài)退化對(duì)水生生物的影響在洼地較強(qiáng),而在山地較弱。WU等[39]提出的無參照位點(diǎn)P-IBI來評(píng)價(jià)人類活動(dòng)對(duì)德國洼地河流的影響,剝離了生物群落季節(jié)相的變化,結(jié)果表明河流生態(tài)狀況對(duì)人類點(diǎn)源、面源干擾響應(yīng)均顯著。不同于歐洲主流的方法,ANGERMEIER等[40]針對(duì)羅馬尼亞中部2個(gè)自然地理區(qū)域,基于35個(gè)樣點(diǎn)中54種魚類的10個(gè)自然-歷史屬性指標(biāo),建立了多度量指標(biāo)PMIs(構(gòu)建過程與F-IBI類似),分析了水文條件、水道、土地開發(fā)強(qiáng)度和水化學(xué)指標(biāo)等因素變化對(duì)魚類的影響。在河流修復(fù)效果評(píng)價(jià)中,RAPPORT等[41]在景觀尺度上將社會(huì)價(jià)值指標(biāo)與生物完整性指標(biāo)相結(jié)合來分析人類活動(dòng)對(duì)河流的影響,他認(rèn)為還需在數(shù)十年的時(shí)間尺度上相結(jié)合才能達(dá)到最佳效果。RAFFERTY等[42]采用IBI研究賓夕法尼亞州海灣魚類群落對(duì)不同類型和數(shù)量污水溢流事件的響應(yīng)。BOOTH等[43]采用B-IBI評(píng)價(jià)了華盛頓州西部的普吉特灣盆地地表不透水率(硬化面積覆蓋率)對(duì)河流的影響。

朱迪等[44]對(duì)三峽庫區(qū)的分析表明,從20世紀(jì)中期到2010年,F-IBI持續(xù)下降,而在縱向上,從壩前到庫尾呈上升趨勢(shì),支流高于干流,然而總體上三峽庫區(qū)的生態(tài)質(zhì)量較差。吳璟等[45]在亞流域、沿岸和局部3個(gè)尺度上定量研究了土地利用方式對(duì)西苕溪B-IBI的影響,發(fā)現(xiàn)耕地、民居、竹園的面積比與B-IBI呈負(fù)相關(guān),耕地最顯著,針葉林、闊葉林、混交林的面積比與B-IBI呈正相關(guān),闊葉林最顯著,還發(fā)現(xiàn)耕地面積比對(duì)B-IBI的影響在3個(gè)尺度上存在不同的閾值,達(dá)到閾值后影響趨緩。WU等[39]調(diào)查了中國23個(gè)大壩水域,采用A-IBI評(píng)價(jià)大壩對(duì)水生態(tài)健康的影響,結(jié)果表明水壩能顯著降低水生態(tài)健康程度,他認(rèn)為A-IBI可作為長期生物監(jiān)測(cè)及生態(tài)修復(fù)效果的評(píng)價(jià)方法。

值得注意的是,GLENNON等[46]嘗試將IBI應(yīng)用于陸地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)中,定量研究了紐約州北部土地利用方式對(duì)鳥類群落的影響。MELO等[47]采用B-IBI比較巴西南部傳統(tǒng)稻田、生態(tài)稻田和自然濕地3類區(qū)域的生態(tài)健康狀況,結(jié)果表明自然濕地優(yōu)于生態(tài)稻田,后者優(yōu)于傳統(tǒng)稻田。

綜上所述,借助IBI可在多個(gè)尺度(河段、河流和流域)上有效分析水生態(tài)對(duì)人類干擾的響應(yīng),IBI評(píng)價(jià)顯示水生態(tài)對(duì)沿岸土地利用方式的變化非常敏感,這證明了設(shè)立保護(hù)帶(緩沖帶)的必要性,而水生態(tài)對(duì)攔河筑壩等大型水利工程的響應(yīng)也可通過IBI評(píng)價(jià)結(jié)果反映出來,所以IBI可作為一種生態(tài)監(jiān)測(cè)手段。胡俊等[48]已討論了IBI作為常規(guī)生態(tài)監(jiān)測(cè)手段的可能性及廣闊前景,在水生態(tài)健康評(píng)價(jià)、管理和建設(shè)中,IBI將是一種有效的方法。

2.3用于預(yù)測(cè)水生態(tài)健康狀況

KARR等[49]于2004年提出了利用20 a相關(guān)資料建立IBI預(yù)測(cè)模型,用以評(píng)估美國退化水域的恢復(fù)效果。PONT等[14]基于2004年出臺(tái)的歐盟水框架指令(European Water Framework Directive,EWFD)針對(duì)歐洲大陸開發(fā)了一套F-IBI水生態(tài)評(píng)價(jià)模型,基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源于全歐洲的1 842條河流上的5 252 個(gè)站點(diǎn),他認(rèn)為此評(píng)價(jià)模型可實(shí)現(xiàn)歐盟內(nèi)部跨區(qū)域、跨流域轉(zhuǎn)換應(yīng)用,模型強(qiáng)調(diào)了生物的功能屬性而弱化物種屬性,同時(shí)區(qū)分了自然因素與人為因素對(duì)環(huán)境的影響。B?HMER等[17]同樣基于EWFD,利用德國900條河流、4 000個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)建立了B-IBI 來評(píng)價(jià)河流的生態(tài)狀況,并通過統(tǒng)計(jì)分析量化了一般干擾、污染排放和河流形態(tài)退化對(duì)河流生態(tài)健康的影響程度,同時(shí)他指出評(píng)價(jià)模型的準(zhǔn)確性依賴于河流分類、參照位點(diǎn)的選取、數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理和區(qū)域的時(shí)空異質(zhì)性等因素。

上述對(duì)水生態(tài)健康的預(yù)測(cè)都是通過建立IBI預(yù)測(cè)模型實(shí)現(xiàn)的,預(yù)測(cè)模型都需基于大批量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),而我國尚缺乏建立大尺度(大流域)IBI預(yù)測(cè)模型所需的數(shù)據(jù),對(duì)此我國學(xué)界一方面應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)成果積累,另一方面需追蹤國際相關(guān)的研究和應(yīng)用進(jìn)展。

3總結(jié)與展望

3.1總結(jié)

IBI是一種基于生態(tài)學(xué)與數(shù)學(xué),涉及多學(xué)科的定量分析方法,其理論技術(shù)體系仍處于發(fā)展演化之中:選用的生物類群從魚類擴(kuò)展到大型底棲無脊椎動(dòng)物、浮游生物、固著藻類和水生植物,甚至是微生物;應(yīng)用尺度從河段擴(kuò)展到河流和流域(全水系),從河道到湖泊、河口(海灣)和濕地,甚至是水稻田。IBI的應(yīng)用目的可分為定量評(píng)價(jià)水生態(tài)健康狀態(tài)、定量分析人類干擾對(duì)水生態(tài)的影響程度以及在時(shí)空維度上預(yù)測(cè)水生態(tài)的健康狀況。

多種IBI的基本構(gòu)建過程是一樣的,但在參照位點(diǎn)選取、度量指標(biāo)篩選、指標(biāo)賦權(quán)和復(fù)合等關(guān)鍵環(huán)節(jié)上存在不同的觀點(diǎn)和方法,m-IBI將是今后重要的研究方向,IBI預(yù)測(cè)模型則是目前的研究熱點(diǎn)。

IBI的特點(diǎn):(1)定量化,IBI是以一個(gè)數(shù)值表征生態(tài)健康狀況,所有的度量指標(biāo)均須數(shù)值化和標(biāo)準(zhǔn)化后參與復(fù)合運(yùn)算;(2)對(duì)象依賴性,研究載體不同,選用類群不同,IBI的指標(biāo)集也不同;(3)學(xué)科交叉性,整個(gè)IBI體系涉及多門學(xué)科的理論與技術(shù)方法;(4)標(biāo)準(zhǔn)化趨勢(shì),為了實(shí)現(xiàn)IBI廣譜的適用性,其指標(biāo)集、構(gòu)建方法和預(yù)測(cè)模型構(gòu)建方法最終將實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化;(5)系統(tǒng)誤差性,IBI指標(biāo)集中一般存在部分定性指標(biāo),復(fù)合過程中總是采用某種方法將其數(shù)值化,此過程必存在系統(tǒng)誤差,因此應(yīng)盡量減少定性指標(biāo)的使用。

3.2展望

IBI必將應(yīng)用于人類活動(dòng)頻繁區(qū)域水生態(tài)健康評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)以及人類干擾對(duì)水生態(tài)的影響中,所以參照位點(diǎn)不再單純以“純自然或近自然”為原則,而應(yīng)根據(jù)IBI的應(yīng)用目的賦予參照位點(diǎn)不同的內(nèi)涵。我國學(xué)界尚未見IBI預(yù)測(cè)模型的報(bào)道,原因是我國對(duì)IBI的研究和應(yīng)用成果積累太少,所以在推廣生物-生態(tài)監(jiān)測(cè)的過程中應(yīng)注重IBI的應(yīng)用,及時(shí)追蹤國際的相關(guān)進(jìn)展,并結(jié)合我國的實(shí)際情況對(duì)相應(yīng)的研究熱點(diǎn)難點(diǎn)提出新的觀點(diǎn)和方法,推動(dòng)IBI理論技術(shù)體系的發(fā)展演化。

就我國而言,農(nóng)業(yè)和農(nóng)村生態(tài)問題事關(guān)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,如農(nóng)村河道生態(tài)建設(shè)(修復(fù))、生態(tài)型灌區(qū)建設(shè)和生態(tài)型農(nóng)田建設(shè)等均已提上日程,而準(zhǔn)確地刻畫水體或濕地的生態(tài)健康狀況是上述工作的基礎(chǔ),IBI作為一種定量分析方法具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]王根緒,程國棟,錢鞠.生態(tài)安全評(píng)價(jià)研究中的若干問題[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2003,14(9):1551-1556.

[2]沈韞芬,蔡慶華.淡水生態(tài)系統(tǒng)中的復(fù)雜性問題[J].中國科學(xué)院研究生院學(xué)報(bào),2003,20(2):131-138.

[3]KARR J R.Assessment of Biotic Integrity Using Fish Communities[J].Fisheries,1981,6(6):21-27.

[4]王備新,楊蓮芳,劉正文.生物完整性指數(shù)與水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)[J].生態(tài)學(xué)雜志,2006,25(6):707-710.

[5]KARR J R,CHU E W.Sustaining Living Rivers[J].Hydrobiologia,2000,422:1-14.

[6]戈峰.現(xiàn)代生態(tài)學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2008:304-305.[7]RAPPORT D J,GAUDET C,KARR J R,etal.Evaluating Landscape Heath:Integrating Societal Goals and Biophysical Process[J].Journal of Environmental Management,1998,53(1):1-15.

[8]FORE L S,KARR J R,WISSEMAN R W.Assessing Invertebrate Responses to Human Activities:Evaluating Alternative Approaches[J].Journal of the North American Benthological Society,1996,15(2):212-231.

[9]廖靜秋,黃藝.應(yīng)用生物完整性指數(shù)評(píng)價(jià)水生態(tài)系統(tǒng)健康的研究進(jìn)展[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2013,24(1):295-302.

[11]SILOW E A,IN-HYE O.Aquatic Ecosystem Assessment Using Exergy[J].Ecological Indicators,2004,4(3):189-198.

[12]KESMINAS V,VIRBICKAS T.Application of an Adapted Index of Biotic Integrity to Rivers of Lithuania[J].Hydrobiologia,2000,422:257-270.

[13]STODDARD J L,LARSEN D P,HAWKINS C P,etal.Setting Expectations for the Ecological Condition of Streams:The Concept of Reference Condition[J].Ecological Applications,2006,16(4):1267-1276.

[14]PONT D,HUGUENY B,BEIER U,etal.Assessing River Biotic Condition at a Continental Scale:A European Approach Using Functional Metrics and Fish Assemblage[J].Journal of Applied Ecology,2006,43(1):70-80.

[15]渠曉東,劉志剛,張遠(yuǎn).標(biāo)準(zhǔn)化方法篩選參照點(diǎn)構(gòu)建大型底棲動(dòng)物生物完整性指數(shù)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2012,32(15):4661-4672.

[16]鄭丙輝,張遠(yuǎn),李英博.遼河流域河流棲息地評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)方法研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2007,27(6):928-936.[17]B?HMER J,RAWER-JOST C,ZENKER A.Multimetric Assessment of Data Provided by Water Managers From Germany:Assessment of Several Different Types of Stressors With Macrozoobenthos Communities[J].Hydrobiologia,2004,516(1/2/3):215-228.

[18]朱迪,常劍波.長江中游淺水湖泊生物完整性時(shí)空變化[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2004,24(12):2761-2767.

[19]WU Nai-cheng,CAI Qing-hua,FOHRER N.Development and Evaluation of a Diatom-based Index of Biotic Integrity (D-IBI) for Rivers Impacted by Run-of-river Dams[J].Ecological Indicators,2012,18:108-117.

[20]王備新,楊蓮芳,胡本進(jìn),等.應(yīng)用底棲動(dòng)物完整性指數(shù)B-IBI評(píng)價(jià)溪流健康[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2005,25(6):1481-1490.

[21]BORJA A,DAUER D M.Assessing the Environmental Quality Status in Estuarine and Coastal Systems:Comparing Methodologies Indices[J].Ecological Indicators,2008,8(4):331-337.

[22]SCHOOLMASTER D R,GRACE J B,WILLIAM-SCHWEIGER E,etal.A General Theory of Multimetric Indices and Their Properties[J].Methods in Ecology and Evolution,2012,3(4):773-781.

[23]張穎,胡金,萬云,等.基于底棲動(dòng)物完整性指數(shù)B-IBI的淮河流域水系生態(tài)健康評(píng)價(jià)[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào),2014,30(3):300-305.

[24]BARBOUR M T,GERRITSEN J,SNYDER B D,etal.Rapid Bioassessment Protocols for Use in Streams and Wadeable Rivers:Periphyton,Benthic Macroinvertebrates and Fish[R].2nd ed.EPA 841-B-99-002.Washington DC,USA:U. S. Environmental Protection Agency,Office of Water,1999.

[25]李強(qiáng),楊蓮芳,吳璟,等.底棲動(dòng)物完整性指數(shù)評(píng)價(jià)西苕溪溪流健康[J].環(huán)境科學(xué),2007,28(9):2141-2147.

[26]BEDOYA D,NOVOTNY V,MANOLAKOS E S.Instream and Offstream Environmental Conditions and Stream Biotic Integrity Importance of Scale and Site Similarities for Learning and Prediction[J].Ecology Modelling,2009,220(19):2393-2406.

[27]BLOCKSOM K A,KURTENBACH J P,KLEMM D J,etal.Development and Evaluation of the Lake Macroinvertebrate Integrity Index(LMII) for New Jersey Lakes and Reservoirs[J].Environmental Monitoring and Assessment,2002,77(3):311-333.

[28]李祚泳.環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)的余分指數(shù)合成法[J].中國環(huán)境科學(xué),1997,17(6):554-556.

[29]IBARRA A A,GEVREY M,PARK Y S,etal.Modelling the Factors that Influence Fish Guilds Composition Using a Back-propagation Network:Assessment of Metrics for Indices of Biotic Integrity[J].Ecological Modelling,2003,160(3):281-290.[30]BECK M W,WILSON B N,VONDRACEK B,etal.Application of Neural Networks to Quantify Utility of Indices of Biotic Integrity for Biological Monitoring[J].Ecological Indicators,2014,45:195-208.

[31]劉明典,陳大慶,段辛斌,等.應(yīng)用魚類生物完整性指數(shù)評(píng)價(jià)長江中上游健康狀況[J].長江科學(xué)院院報(bào),2010,27(2):1-6.

[32]朱迪,陳鋒,楊志,等.基于魚類生物完整性指數(shù)的水源地評(píng)價(jià)[J].水生態(tài)學(xué)雜志,2012,33(2):1-5.

[33]沈強(qiáng),俞建軍,陳暉,等.浮游生物完整性指數(shù)在浙江水源地水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].水生態(tài)學(xué)雜志,2012,33(2):26-31.

[34]李國忱.遼寧省清河流域生物完整性指數(shù)的研究[D].沈陽:遼寧大學(xué),2012.

[35]高欣,張遠(yuǎn),丁森,等.西遼河大型底棲動(dòng)物生物完整性評(píng)價(jià)及同環(huán)境因子關(guān)系的探討[C]∥中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì).光大環(huán)保優(yōu)秀論文集.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2014:43-53.

[36]ROTH N E,ALLAN J D,ERICKSON D L.Landscape Influences on Stream Biotic Integrity Assessed at Multiple Spatial Scales[J].Landscape Ecology,1996,11(3):141-156.

[37]LAUNOIS L,VESLOT J,IRZ P,etal.Development of Fish-based Index (FBI) of Biotic Integrity for French Lakes Using the Hindcasting Approach[J].Ecological Indicators,2011,11(6):1572-1583.

[38]HERING D,JOHNSON R K,KRAMM S,etal.Assessment of European Streams With Diatoms,Macrophytes,Macroinvertebrates and Fish:A Comparative Metric-based Analysis of Organism Response to Stress[J].Freshwater Biology,2006,51(9):1757-1785.[39]WU Nai-cheng,SCHMALZ B,FOHRER N.Development and Testing of Phytoplankton Index of Biotic Integrity (P-IBI) for a German Lowland River[J].Ecology Indicators,2012,13(1):158-167.

[40]ANGERMEIER P L,DAVIDEANU G.Using Fish Communities to Assess Streams in Romania:Initial Development of an Index of Biotic Integrity[J].Hydrobiologia,2004,511(1/2/3):65-78.

[41]RAPPORT D J,GAUDET C,KARR J R,etal.Evaluating Landscape Heath:Integrating Societal Goals and Biophysical Process[J].Journal of Environmental Management,1998,53(1):1-15.

[42]RAFFERTY S D,LYBROOK J,KACZMAREK K M,etal.Assessing Changes in the Presque Isle Bay Watershed Fish Community Using a Modified Index of Biotic Integrity:Before and After the Elimination of Combined Sewer Overflows[J].Environmental Monitoring and Assessment,2013,185(12):10459-10471.

[43]BOOTH D B,KARR J R,SCHAUMAN S,etal.Reviving Urban Streams:Land Use,Hydrology,Biology,and Human Behavior[J].Journal of the American Water Resources Association,2004,40(5):1351-1364.

[44]朱迪,楊志.魚類生物完整性指標(biāo)在河流健康管理中的應(yīng)用[J].人民長江,2013,44(15):65-68.

[45]吳璟,楊蓮芳,姜小三,等.浙江西苕溪土地利用變化對(duì)溪流大型底棲無脊椎動(dòng)物完整性的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2008,28(3):1183-1191.

[46]GLENNON M J,PORTER W F.Effects of Land Use Management on Biotic Integrity:An Investigation of Bird Communities[J].Biological Conservation,2005,126(4):499-511.

[47]MELO S,STENERT C,DALZOCHIO M S,etal.Development of a Multimetric Index Based on Aquatic Macroinvertebrate Communities to Assess Water Quality of Rice Fields in Southern Brazil[J].Hydrobiologia,2015,742(1):1-14.

[48]胡俊,沈強(qiáng),陳明秀,等.生態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)選擇的探討[J].中國環(huán)境監(jiān)測(cè),2014,30(4):166-170.

[49]KARR J R,YODER C O.Biological Assessment and Criteria Improve Total Maximum Daily Load Decision Making[J].Journal of Environmental Engineering,2004,130(6):594-604.

(責(zé)任編輯： 李祥敏)

收稿日期：2015-04-16

基金項(xiàng)目：浙江省水利科技“十二五”重大項(xiàng)目(RA1104)；河海大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(2010B02114)

中圖分類號(hào)：X826；S19

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-4831(2016)04-0517-08

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.04.001

作者簡(jiǎn)介：王為木(1972—),男,山東日照人,副教授,主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)水土環(huán)境與生態(tài)保護(hù)、土壤溶質(zhì)運(yùn)移。E-mail: wangwm@hhu.edu.cn

Index of Biotic Integrity and Its Application to Aquatic Ecological Health Assessment.

WANG Wei-mu1,2, CAI Wang-wei1,2

(1.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China;2.Key Laboratory of Efficient Irrigation-Drainage and Agricultural Soil-Water Environment in Southern China, Ministry of Education, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Abstract:Index of biotic integrity (IBI) is a quantitative one, often used to scale the abilities of aquatic biocoenoses to maintain species composition, diversity, structure and function stability. IBI has been gradually developing in the past 30 years and now into one of the most important indices to quantitatively assess aquatic ecological health. IBI is a numerical value, which is acquired by integrating a number of measuring indices different in sensitivity, and relies on ecology and mathematics as its theoretical foundation, and some other disciplines, too, like biology, environmental science, etc.. IBI being a quantitative analysis method, its theoretical and technical system keeps on developing and evolving and its key technical links lie in selecting reference sites, screening measuring indices, empowering and recombining the indices, for materialization of these links exists a variety of ideas and methods. Research on prediction models based on large volumes of monitoring data is a hot spot topic in the current international academia. However, little has been reported about the IBI prediction models in China. In addition to the traditional F-IBI (fish-based IBI), B-IBI (benthod-based IBI), A-IBI (sessile algae-based IBI), P-IBI (plankton-based IBI) and AP-IBI (aquatic plant-based IBI), some scholars have put forth M-IBI (microbe-based IBI). Based on the above-listed findings in the study on s-IBI (single group-based IBI), the study on m-IBI (multi-group-based IBI) will be an important target of future researches. The purposes of applying IBI can be described as quantitative analysis of water ecological health, quantitative analysis of responses of water ecology to human disturbances, and prediction of water ecological health. The authors hold that IBI can be characterized by quantitativeness, object dependence, interdisciplinarity, standardizing trend and systematic deviation, and that IBI is a promising method for ecological health assessment of rural rivers, irrigation districts and farmlands.

Key words:IBI;water ecological health;quantitative analysis;forecasting model;progress