白欣茹，孟志龍，高玉鳳，石 瑛

(1.太原師范學(xué)院 生物系，山西 晉中 030619；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 水土保持科學(xué)研究所，山西 太原 030031；3.山西工程科技職業(yè)大學(xué)，山西 晉中 030619)

河流生態(tài)系統(tǒng)在人類的發(fā)展過程中起著舉足輕重的作用.長期以來，它不僅為人類提供食物、居民生活用水、農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水，還提供了各種文化活動等精神層面的社會服務(wù).此外河流生態(tài)系統(tǒng)也是整個生物圈內(nèi)物質(zhì)循環(huán)的重要載體，參與全球的物質(zhì)循環(huán)過程[1].健康的河流生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)是人類與生態(tài)環(huán)境平衡的系統(tǒng)，即確保自身狀況的穩(wěn)定，生物完整性、群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定以及維持良好的社會服務(wù)功能[2].隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)化進(jìn)程的不斷加速以及人類對于河流資源的掠奪式利用，河流的生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞，在全球范圍內(nèi)河流生態(tài)系統(tǒng)相繼發(fā)生了水質(zhì)惡化、生物多樣性缺失、河流生態(tài)和服務(wù)功能逐漸喪失等諸多問題，嚴(yán)重制約了流域內(nèi)的可持續(xù)發(fā)展[3].

如何準(zhǔn)確、高效、快速地評價河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況已成為河流健康管理的新內(nèi)容[4].多指標(biāo)評價法廣泛用于河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價中.本文綜述了國內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用多指標(biāo)評價法在河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價中取得的研究成果，同時討論和展望了多指標(biāo)評價法在河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價中的應(yīng)用前景.

1 河流生態(tài)系統(tǒng)健康

20世紀(jì)70年代末國際上開始了河流保護(hù)活動，河流生態(tài)系統(tǒng)健康概念層出不窮.隨著對河流生態(tài)系統(tǒng)健康認(rèn)識的不斷提高，國內(nèi)外學(xué)者試著從不同的角度對這一概念進(jìn)行闡述，但到目前為止仍沒有統(tǒng)一的定義.Karr[5]關(guān)注河流生態(tài)系統(tǒng)健康，首次提出將重點放在其生態(tài)功能上，強(qiáng)調(diào)生態(tài)完整性.Schofield等[6]強(qiáng)調(diào)健康的河流生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)是沒有受到人為干擾的河流生態(tài)系統(tǒng)，尤指河流生物群落的結(jié)構(gòu)和組成盡可能接近受擾前的狀態(tài).然而，河流生態(tài)系統(tǒng)與人類是相互交融、互相影響的，嚴(yán)格意義上不存在未受人類干擾或者少受人類干擾的河流生態(tài)系統(tǒng).在新的理念下，研究學(xué)者普遍認(rèn)為健康的河流不僅強(qiáng)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)的完整性、生物群落多樣性，還應(yīng)該關(guān)注對人類服務(wù)功能的價值[7].Rapport[8]認(rèn)為健康的河流生態(tài)系統(tǒng)不僅要保持物理、化學(xué)和生物的完整性，還要維持其對人類各種社會服務(wù)功能的良好狀態(tài).自唐濤[9]等人于2002年將河流生態(tài)系統(tǒng)健康的概念引入中國以來，國內(nèi)研究者開始關(guān)注河流的生態(tài)系統(tǒng)健康.霍唐斌[10]認(rèn)為健康的河流生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)是在維持其生態(tài)穩(wěn)定的同時能夠滿足人類的合理需求.

河流生態(tài)系統(tǒng)健康概念目前雖未達(dá)成統(tǒng)一的共識，綜合國內(nèi)外研究，河流生態(tài)系統(tǒng)健康的內(nèi)涵應(yīng)是包含河流自身狀況的穩(wěn)定以及能夠滿足人類生產(chǎn)生活合理需求的服務(wù)功能.

2 河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法

為了更全面評估河流健康狀況以便科學(xué)管理河流生態(tài)系統(tǒng)，研究學(xué)者們開始積極探索不同的方法對河流生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行評價.河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法眾多，從原理上可以分為兩類[11]，預(yù)測模型法[12]和多指標(biāo)評價法[13].

預(yù)測模型法是先假設(shè)該河流未受到人類的干擾，隨后預(yù)測河流中應(yīng)具有的生物量并和實測值進(jìn)行對比，根據(jù)比值結(jié)果來評定河流的健康狀況，比率越接近，說明河流生態(tài)系統(tǒng)健康指標(biāo)就會越高.該方法最為典型的實踐是英國河流無脊椎動物預(yù)測、分類計劃(RIVPACS)[14]和澳大利亞的河流評估(AUSRIVAS)[15].RIVPACS不但可以預(yù)測和解釋河流中無脊椎動物受到人為影響的程度[16]，而且方法簡單易行.AUSRIVAS法則是澳大利亞基于RIVPACS法制定的一項符合本國國情的河流健康評價計劃，并在全國范圍內(nèi)開展了河流健康評估的工作.但此方法有一致命的缺陷，它采取單一的生物指標(biāo)來評價河流生態(tài)健康，當(dāng)河流生態(tài)系統(tǒng)受到破壞，該物種并未發(fā)生反應(yīng)，這種評價方法就無法反映真實的河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況[17].因此，能夠用一系列水文、生物、物理化學(xué)等多種類型指標(biāo)從不同角度、不同深度揭示河流生態(tài)系統(tǒng)存在問題的多指標(biāo)評價法應(yīng)運(yùn)而生[18].

多指標(biāo)評價法首先根據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)對調(diào)查河流的化學(xué)、生物和形態(tài)特征進(jìn)行評分，然后計算各指標(biāo)的權(quán)重，最后累積得到的總分作為評價河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的依據(jù)[19].多指標(biāo)評價方法不僅結(jié)合了河流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架，水生生物種群和河流理化特征，而且考慮到了周邊地區(qū)的經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，充分考慮了河流整體生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會功能[20].近年來，多指標(biāo)評價法在河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價中得到廣泛的運(yùn)用[21].表1預(yù)測模型法與多指標(biāo)評價法的優(yōu)劣進(jìn)行了比較.

表1 河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法比較

3 多指標(biāo)評價法在河流生態(tài)系統(tǒng)健康的應(yīng)用

3.1 國內(nèi)外研究進(jìn)展

國內(nèi)外河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價的研究工作開始于監(jiān)測污染嚴(yán)重的河流水質(zhì)[22]，隨著研究的深入，人們認(rèn)識到水質(zhì)只是影響河流生態(tài)系統(tǒng)健康的因素之一，單一的水質(zhì)評價還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足河流管理的需求.對河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價的研究百花齊放，其中多指標(biāo)評價的方法因其評價更客觀而被普遍使用，同時設(shè)計出多種評價體系.本研究總結(jié)了較具代表性的幾種多指標(biāo)評價法的實踐運(yùn)用.

美國學(xué)者Karr等在1981年提出了生物完整性指數(shù)評價法(IBI)[23]，該法利用生物群落的組成和結(jié)構(gòu)來評價河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，有效區(qū)分了不同程度的受損位置，可運(yùn)用到多種類型的河流當(dāng)中.根據(jù)河流實際物種組成，細(xì)化出了魚類完整性指數(shù)(F-IBI)、大型無脊椎動物完整性指數(shù)(B-IBI)、著生藻類完整性指數(shù)(P-IBI)及微生物完整性指數(shù)(M-IBI)等.IBI法在我國河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價中得到廣泛的應(yīng)用，實踐證明了該方法的可行性.王瑜[24]基于B-IBI，通過對各項指標(biāo)賦分得到生物完整性評價得分，根據(jù)實際情況調(diào)查證明B-IBI能綜合反映出松花江流域河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，具有一定的適用性.粟一帆[25]從生態(tài)系統(tǒng)完整性考慮構(gòu)建河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價體系，選取河流形態(tài)和魚類物種數(shù)等11個指標(biāo)進(jìn)行評價，結(jié)果顯示漢江中下游河流生態(tài)健康表現(xiàn)出較強(qiáng)的空間異質(zhì)性.謝孟星[26]基于M-IBI篩選指標(biāo)，構(gòu)建了無錫市境內(nèi)8條河流冬、春兩季微生物完整性指標(biāo)框架，結(jié)果表明M-IBI法能有效反映河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況.

Petersen[27]提出了岸邊與河道環(huán)境細(xì)則(RCE)，嘗試從棲息地、生物等更多的指標(biāo)來評估河流生態(tài)系統(tǒng)健康.指標(biāo)選取涵蓋了河岸完整性、河道寬度、深度結(jié)構(gòu)、河岸結(jié)構(gòu)、河床條件、水生植被和魚類等16項指標(biāo)，將河流健康狀況劃分為5個層次.該方法通過目測便可快速評價河流健康狀況，但僅適用于農(nóng)業(yè)區(qū)小河流的河流生境與生物的健康狀況.

南非水事務(wù)和林業(yè)部于1994年制定了河流健康計劃(RHP)，該計劃選取魚類、大型無脊椎動物和河岸植被等作為河流健康評價指標(biāo)，為河流生物監(jiān)測提供了一個可廣泛應(yīng)用的框架[28].但是此方法存在一定的限制性，僅適用于河口區(qū).

英國展開了對河流生態(tài)環(huán)境的調(diào)查(RHS)，利用河流形態(tài)數(shù)據(jù)、河岸侵蝕、河岸帶特征、土地利用類型以及生物特征等，來判斷河流生境狀況與自然狀態(tài)的相關(guān)性[29]，其研究對象的內(nèi)在聯(lián)系不夠明確，會使得評價時不便于統(tǒng)計數(shù)據(jù)[30].

澳大利亞提出了溪流生境指數(shù)(ISC)[10]，該方法建立了包括河流的地貌類型、河流生境、水生生物等五個方面，對19個指標(biāo)做出了評價，綜合反映了河流水文水質(zhì)，河岸帶的狀況及水生生物情況[31].對澳大利亞80多條河流的實證研究表明，ISC的方法能夠全面反映河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，有助于制定河流生態(tài)系統(tǒng)健康恢復(fù)的管理方案，雖然指標(biāo)比較全面，但是用固定的評價指標(biāo)評價澳大利亞全國的河流，難免會忽略不同河流的特殊性.敖偲成[32]通過改進(jìn)澳大利亞ISC法對獨龍江干流及支流的生境質(zhì)量和生物指標(biāo)等的調(diào)查，分析出人口密集的鄉(xiāng)鎮(zhèn)處河流處于亞健康水平，與實際相符.

綜上所述，國外已經(jīng)建立了適合本國國情的河流生態(tài)系統(tǒng)完整性等評價指標(biāo)體系，多指標(biāo)評價法能有效分析河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況.我國在河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價方面正逐步開展研究，多指標(biāo)評價法在我國得到廣泛的應(yīng)用，但還未建立起適合我國不同地區(qū)河流的普遍適用的評價指標(biāo)體系.

3.2 評價指標(biāo)體系的建立

對河流生態(tài)系統(tǒng)健康做出客觀真實的評價，構(gòu)建評價指標(biāo)體系是至關(guān)重要的.

3.2.1 指標(biāo)體系建立的原則

為建立能夠客觀、真實和完整的河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價體系，正確了解河流生態(tài)系統(tǒng)健康的變化趨勢，綜合反映河流生態(tài)系統(tǒng)健康的程度，指標(biāo)體系構(gòu)建應(yīng)遵循科學(xué)性、系統(tǒng)性、代表性和指標(biāo)定量與可操作性原則[33].

3.2.2 指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)的確定

評價河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的標(biāo)準(zhǔn)是沒有確切定義的，河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價標(biāo)準(zhǔn)具有鮮明的時空特異性，不同歷史時期，不同氣候發(fā)育的河流，評價標(biāo)準(zhǔn)都是不同的.因此，河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價標(biāo)準(zhǔn)的確定要因河而異，因時而異.一般情況下判斷河流生態(tài)系統(tǒng)健康現(xiàn)狀與之前的狀況進(jìn)行比較，可考慮的評價標(biāo)準(zhǔn)參照基點有四種：河流生態(tài)系統(tǒng)受到的最小干擾狀態(tài)、河流生態(tài)系統(tǒng)歷史存在的狀態(tài)，最低干擾狀態(tài)以及期望可達(dá)到的最佳狀態(tài)[34].評價標(biāo)準(zhǔn)的確定在一定程度上依賴于專家學(xué)者的實踐經(jīng)驗與專業(yè)能力，具有主觀意志性.

3.2.3 指標(biāo)權(quán)重的確立

河流生態(tài)系統(tǒng)健康是一個相對開放和復(fù)雜的概念，具有很多的不確定性，在評價中，權(quán)重的確立很重要.所謂權(quán)重就是用一個數(shù)值的大小來表達(dá)眾多因素中相對重要的量值[35]，權(quán)重的確定主要從主客觀兩方面來考慮.一是向?qū)＜覍W(xué)者發(fā)放調(diào)查問卷，根據(jù)權(quán)威專家的實踐經(jīng)驗及主觀的判斷，即主觀賦權(quán)法；二是主要運(yùn)用數(shù)學(xué)的方法，包括有主成分賦權(quán)法，方差賦權(quán)法，熵值賦權(quán)法等[36-37].主觀賦權(quán)法主要依靠專家自身的實踐經(jīng)驗合理地確定各指標(biāo)所占比重，評價結(jié)果具有很強(qiáng)的主觀意志性，客觀性較差，會產(chǎn)生一定的局限性.而運(yùn)用數(shù)學(xué)方法有較強(qiáng)的數(shù)學(xué)理論支撐，不依賴人的主觀性，但與實際情況不相吻合，故采用主客觀相結(jié)合的層次分析法(AHP)，既避免了主觀賦權(quán)法的主觀性，又避免了客觀賦權(quán)法的絕對客觀性.層次分析法很好地將主客觀、定性與定量相結(jié)合，從復(fù)雜的評價系統(tǒng)中的眾多因素劃分出三個層次，即目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和要素層；構(gòu)建從屬于上一層每個因素的同一層諸多因素的成對比較矩陣來確定各指標(biāo)的權(quán)重，在研究中被廣泛使用.方曉等[38]根據(jù)層次分析法的原理設(shè)計出了準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的專家咨詢問卷，確定各指標(biāo)的最終權(quán)重，分區(qū)段對東風(fēng)渠的生態(tài)健康作出評價，并提出了針對性的修復(fù)措施.

3.2.4 河流綜合健康評價

河流綜合健康評價就是根據(jù)已經(jīng)構(gòu)建好的指標(biāo)評價體系進(jìn)行河流建康評價.其根據(jù)指標(biāo)體系中各指標(biāo)權(quán)重的賦分值與評價標(biāo)準(zhǔn)之間的相似程度來表征河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況.模糊綜合評價法[39]是在層次分析法確定權(quán)重的基礎(chǔ)上進(jìn)行指標(biāo)層與準(zhǔn)則層兩次模糊評價，根據(jù)等級標(biāo)準(zhǔn)計算出權(quán)重的隸屬程度，根據(jù)隸屬度最大的原則來綜合河流生態(tài)健康狀況.

4 結(jié)論

我國現(xiàn)階段多指標(biāo)評價法在實踐運(yùn)用中存在以下問題：評價標(biāo)準(zhǔn)較為雜亂且尚未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在一定程度上依賴專家的經(jīng)驗，有很強(qiáng)的主觀性；表征河流生態(tài)系統(tǒng)健康的指標(biāo)繁多，存在一些定性的指標(biāo)，不能準(zhǔn)確表達(dá)，具有一定的主觀性；判斷河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，最終應(yīng)是以其對人類社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)的，在我國的研究中，缺少對人類社會服務(wù)功能價值的研究；我國在2016年推行了“河長制”的河流管理措施，河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價與河流管理結(jié)合的少，評價存在一定的片面性.

掌握河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況可更好地進(jìn)行河流生態(tài)恢復(fù)與管理，河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價的確是管理河流的一種很好的工具.目前我國的河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價尚處在發(fā)展的階段，在探索中前進(jìn)，其中存在的諸多問題需要今后更深一步地研究，運(yùn)用多指標(biāo)評價的方法建立合適的健康評價指標(biāo)體系仍是今后研究的發(fā)展趨勢.