孫福紅，郭一丁，王雨春，夏 瑞，張 遠(yuǎn)，閆振廣，劉雪松，吳豐昌*

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院，環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室，北京 100012

2.中國水利水電科學(xué)研究院水生態(tài)環(huán)境研究所，北京 100038

3.廣東工業(yè)大學(xué)環(huán)境生態(tài)工程研究院，廣州 510006

水生態(tài)系統(tǒng)完整性研究是當(dāng)前國際上水生態(tài)監(jiān)測與評價、生態(tài)環(huán)境綜合治理、水生態(tài)系統(tǒng)保護與修復(fù)等領(lǐng)域的研究熱點和前沿[1-2].目前，國際上對于水生態(tài)系統(tǒng)完整性的定義側(cè)重點略有不同，但達成共識的“水生態(tài)系統(tǒng)完整性”是指物理、化學(xué)和生物完整性的有機整體[3-5].1972年，美國《清潔水法》將“恢復(fù)和維持國家淡水水域化學(xué)、物理和生物完整性”確定為國家目標(biāo)[6].Karr等[4]于1981年首次明確提出了生態(tài)系統(tǒng)完整性的概念，將其定義為“生態(tài)系統(tǒng)能夠支撐或維持生物群落具有平衡性、整體性且適應(yīng)外界壓力的能力，生物群落應(yīng)具有自然狀態(tài)下的全部群落種類組成、多樣性和功能屬性”.完整性良好的生態(tài)系統(tǒng)，具有完整的生物群落結(jié)構(gòu)，包括完整的物種組成、協(xié)調(diào)的外界環(huán)境和過程，同時具有一定的抗性和彈性，可以抵抗自然環(huán)境過程或者人類活動的干擾和破壞，擁有良好的自組織和恢復(fù)能力[3-4,7].水生態(tài)系統(tǒng)完整性研究主要包括完整性監(jiān)測、評價、退化診斷、模型預(yù)測、修復(fù)調(diào)控等方面.

“十三五”期間，我國水污染防治攻堅戰(zhàn)取得顯著成效，地表水環(huán)境質(zhì)量持續(xù)改善.然而，部分流域或局部水生態(tài)保護形勢依然嚴(yán)峻，存在生物多樣性減少、生境破碎化、部分河湖水生態(tài)功能退化嚴(yán)重等問題[8-9].在生態(tài)文明建設(shè)全面推進的新形勢下，如何運用新思路、新理論、新方法保障水生態(tài)系統(tǒng)各要素健康發(fā)展是未來我國水生態(tài)環(huán)境保護的重大科技需求.

美國、歐盟、加拿大、澳大利亞、南非等國家或地區(qū)先后開展了水生態(tài)系統(tǒng)完整性監(jiān)測與評價，構(gòu)建了適用于本土流域水生態(tài)系統(tǒng)特征的監(jiān)測與評價技術(shù)體系，動態(tài)掌握水生態(tài)系統(tǒng)完整性狀況及其演變趨勢.在過去幾十年，完整性監(jiān)測技術(shù)、評價方法不斷創(chuàng)新，配套政策也得到了迅速發(fā)展，在流域綜合管理實踐中表現(xiàn)出良好的應(yīng)用效果[2,5].目前我國水生態(tài)系統(tǒng)完整性研究起步較晚，基礎(chǔ)薄弱，亟需全面了解國際進展和經(jīng)驗，切實做好相關(guān)技術(shù)研發(fā)和機理機制研究.該文系統(tǒng)剖析了當(dāng)前我國流域水生態(tài)系統(tǒng)保護現(xiàn)狀與問題，闡述了完整性研究的重要意義，系統(tǒng)總結(jié)了完整性研究的國際進展，分析了當(dāng)前我國完整性研究面臨的機遇和挑戰(zhàn)，系統(tǒng)謀劃未來研究的主要思路與重點任務(wù)，旨在為國家重點流域水生態(tài)考核與評價提供科技支撐，推動我國水生態(tài)環(huán)境管理制度邁上新高度，與國際接軌.

1 我國開展水生態(tài)系統(tǒng)完整性研究的重大意義

進入“十三五”以來，我國水環(huán)境治理力度持續(xù)加大，全國及重點流域地表水環(huán)境質(zhì)量改善成效突出，水污染防治攻堅戰(zhàn)取得階段性成果.根據(jù)《中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》[10]監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：近年來全國地表水水質(zhì)持續(xù)好轉(zhuǎn)，水質(zhì)優(yōu)良(GB 3838?2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅰ~Ⅲ類)斷面比例大幅提升，由2015年64.5%提高至2021年的84.9%，劣V類斷面比例大幅下降，由2015年的8.8%降至2021年的1.2%(見圖1).從流域?qū)用嫔峡矗攸c流域水環(huán)境質(zhì)量狀況普遍好轉(zhuǎn)，

圖1 全國地表水水質(zhì)狀況變化(2014—2021年)[10]Fig.1 Changes in the status of national surface water quality of China from 2014 to 2021[10]

以長江流域為例，水質(zhì)優(yōu)良斷面比例由2015年的81.8%提高至2020年的96.9%(見圖2)，2020年長江流域全面消除劣V類水質(zhì)，干流全面達到了Ⅱ類水質(zhì)，地表水環(huán)境質(zhì)量總體達到歷史最優(yōu)水平.

圖2 長江流域地表水水質(zhì)狀況變化(2009?2020年)[10]Fig.2 Changesin the status of surfacewater quality for Yangtze River from 2009 to 2020[10]

在水污染防治工作取得顯著成效的同時，還應(yīng)看到水生態(tài)系統(tǒng)失衡問題依然存在，成為建設(shè)“美麗中國”的突出短板和瓶頸問題[8]，主要表現(xiàn)在以下方面：①典型流域水生生物資源普遍面臨嚴(yán)峻形勢.部分流域(如長江)水生生物多樣性下降，多種珍稀水生野生動植物瀕危程度加劇，水生物種資源嚴(yán)重衰退，已成為影響中國生態(tài)安全的突出問題[11].②典型河湖生境狀況發(fā)生重大改變.部分流域(如長江)或區(qū)域(京津冀地區(qū))天然水生生境面積大幅萎縮，水生生物生存空間被擠占，導(dǎo)致棲息地破碎化，“人魚爭水”問題凸顯，嚴(yán)重威脅水生生物生存[12-13].③湖泊富營養(yǎng)化和水華問題突出[14].全國重點湖庫藻類生物量自1980年以來，稍有增加的趨勢，微囊藻水華有逐步北移的趨勢，如擬柱孢藻原適應(yīng)于亞熱帶區(qū)域，近年在華北地區(qū)湖庫出現(xiàn).④典型流域水環(huán)境風(fēng)險依然存在.伴隨經(jīng)濟快速發(fā)展，重金屬、農(nóng)藥、內(nèi)分泌干擾物(如全氟化合物及其替代物、新型溴代阻燃劑)等有毒有害物質(zhì)進入水體，對水生生物安全構(gòu)成潛在危害[9,15].由于部分污染物特別是新污染物未列入常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測評價，從而忽視了其對水生生物的長短期毒性效應(yīng)和影響.

當(dāng)前我國全面進入生態(tài)文明建設(shè)新時期，水生態(tài)環(huán)境保護形勢與需求發(fā)生重大轉(zhuǎn)變，守護大江大河，必須著眼更大的格局，從生態(tài)系統(tǒng)的整體性和全局性出發(fā)[16-17]，根據(jù)物理、化學(xué)和生物完整性全要素保護需求，統(tǒng)籌管理，系統(tǒng)推動水生態(tài)保護與修復(fù)工作，維護水生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性與可持續(xù)發(fā)展.

1.1 符合生態(tài)文明建設(shè)的國家重大需求

水生態(tài)系統(tǒng)完整性保護理念符合新時期全面推進生態(tài)文明建設(shè)的重大需求，是貫徹生態(tài)文明建設(shè)的有力抓手.“十四五”時期是推動我國水生態(tài)環(huán)境管理制度從以“水污染防治”為主導(dǎo)向“水生態(tài)系統(tǒng)保護修復(fù)”轉(zhuǎn)變的重要階段，強調(diào)水生態(tài)系統(tǒng)整體保護、促進水生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量全面改善是未來我國水生態(tài)環(huán)境保護的重點方向和任務(wù)[8].因此，全面加快流域水生態(tài)系統(tǒng)完整性科學(xué)研究刻不容緩，亟需系統(tǒng)開展完整性監(jiān)測、評價、退化診斷與修復(fù)調(diào)控相關(guān)研究，促進水生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展.

1.2 有助于實現(xiàn)多要素綜合評價水生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況

水生生物是水生態(tài)系統(tǒng)的主體，健康完整的水生態(tài)系統(tǒng)是生物與維護其生存的各環(huán)境要素達到和諧共生、穩(wěn)定發(fā)展的狀態(tài).長期以來，我國水質(zhì)監(jiān)測評價與治理目標(biāo)主要以總磷、COD等常規(guī)理化指標(biāo)為主，無法綜合反映水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況.以長江流域為例，近年來長江水質(zhì)改善顯著(見圖2)，但受氣候變化、水利工程等長期累積影響，流域水生態(tài)功能退化嚴(yán)重，生物完整性指數(shù)到了最差的“無魚”等級，因此如何準(zhǔn)確評價水生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況成為亟待解決的科學(xué)問題.用完整性來表征水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，是把物理、化學(xué)、生物完整性及其生態(tài)過程和影響因素作為一個系統(tǒng)來整體考慮，從物種、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)到景觀水平開展多尺度要素綜合評價，有助于全面反映水生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況.

1.3 有助于科學(xué)解析水生態(tài)系統(tǒng)退化成因與復(fù)雜機制

水生態(tài)系統(tǒng)退化成因復(fù)雜，如氣候變暖、棲息地喪失、水文情勢改變、環(huán)境污染、物種入侵等，各脅迫因素存在交互作用，會產(chǎn)生協(xié)同、拮抗及加和作用，對生物多樣性產(chǎn)生復(fù)雜影響[18]，給流域水生態(tài)系統(tǒng)保護修復(fù)帶來較大難度，如何準(zhǔn)確解析水生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜退化成因及其貢獻是影響修復(fù)效果的關(guān)鍵.目前，定量解析多種脅迫因素對流域水生生物群落結(jié)構(gòu)與功能交互影響的研究已成為國際熱點[19-20].完整性研究是從水生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和水生生物多要素出發(fā)，識別自然與人類活動多重環(huán)境壓力下的復(fù)雜退化機制與關(guān)鍵驅(qū)動因子，為流域水生態(tài)系統(tǒng)保護與修復(fù)提供有力的科學(xué)依據(jù)和目標(biāo)，有助于實現(xiàn)精準(zhǔn)治污、科學(xué)治污、系統(tǒng)治污.

1.4 有助于提升我國水生態(tài)環(huán)境管理與治理能力現(xiàn)代化水平

維護和提升水生態(tài)完整性已成為國際上許多國家水生態(tài)系統(tǒng)管理策略，穩(wěn)固水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善成效是我國“十四五”期間的重要任務(wù)和發(fā)展目標(biāo)，亟需尋求更加完善的管理理念和治理模式.系統(tǒng)開展完整性相關(guān)研究是實現(xiàn)這一目標(biāo)的有力支撐，能夠?qū)崿F(xiàn)水生態(tài)管理制度由單一水質(zhì)理化參數(shù)向多指標(biāo)、多要素、多尺度的完整性監(jiān)測評估體制轉(zhuǎn)變，為水生生物多樣性恢復(fù)、流域綜合治理和保護修復(fù)提供指導(dǎo)，具有極其重要的科學(xué)價值.完整性監(jiān)測與評價將逐步成為我國未來水生態(tài)環(huán)境管理的核心和基礎(chǔ)，促進我國水生態(tài)環(huán)境管理制度現(xiàn)代化建設(shè)，與國際接軌.

2 國際水生態(tài)系統(tǒng)完整性研究進展

從20世紀(jì)80年代開始，美國、歐盟、澳大利亞、南非等國家或地區(qū)先后開展了完整性監(jiān)測與評價的國家項目，從物理、化學(xué)和水生生物完整性角度綜合評估國家河流(溪流)、湖泊(水庫)的完整性狀況，完整性監(jiān)測與評估技術(shù)得到不斷完善，主要體現(xiàn)在以下方面：①監(jiān)測技術(shù)從傳統(tǒng)分類學(xué)發(fā)展到現(xiàn)代分子生物學(xué)手段，提高了水生態(tài)監(jiān)測效率和精度[21].②評價指標(biāo)由水質(zhì)理化指標(biāo)，逐步拓展到涵蓋物理生境、理化、水生生物、水文水動力等多指標(biāo)體系，水生生物完整性指標(biāo)從群落組成向生態(tài)系統(tǒng)水平發(fā)展，生態(tài)系統(tǒng)功能、食物網(wǎng)和景觀等指標(biāo)日益得到重視[22].③評價方法從生物指數(shù)法、指示生物法發(fā)展到生物完整性指數(shù)法(F-IBI，D-IBI，B-IBI)[23-24]、多指標(biāo)綜合評價(MMI)[25]等，統(tǒng)計和模型預(yù)測得到應(yīng)用.④完整性評價對象也從單一河流發(fā)展到流域尺度[5].美國和歐盟較早地開展了完整性評價研究并形成了較為成熟的技術(shù)方法，該文著重介紹美國和歐盟完整性評價相關(guān)進展，以期為我國完整性研究提供思路、方向和經(jīng)驗指導(dǎo).

2.1 美國水生態(tài)系統(tǒng)完整性研究進展

為支撐《清潔水法》，美國EPA制定并頒布了一系列水生態(tài)系統(tǒng)完整性監(jiān)測評價的法令法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn).1999年，美國EPA制定了《可涉水河流和溪流快速生物評價方案(第二版)》[26]，提出了河流和溪流中著生藻類、大型底棲無脊椎動物和魚類調(diào)查的標(biāo)準(zhǔn)方法及質(zhì)控措施，并對棲息地質(zhì)量進行評估，該方案提出了生物數(shù)據(jù)分析的多指標(biāo)評價法，即基于生物完整性指數(shù)法(IBI法)進行水生態(tài)狀況評價.2006年，美國EPA出版了《不可涉水河流和溪流生物評價概念及方法》[27]，規(guī)定了大型河流中藻類、大型底棲無脊椎動物和魚類調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)方法，并著重強調(diào)對物理生境(水深、浸濕寬度、蜿蜒度、坡度、河岸穩(wěn)定性)的監(jiān)測評估，同時對調(diào)查數(shù)據(jù)分析、整合和評估有了更具體的規(guī)定.

在標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)方法支撐下，美國EPA開展了多項國家水生態(tài)調(diào)查項目，定期評價水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況.目前，美國正在實施的水生態(tài)調(diào)查項目為國家水生資源調(diào)查項目(NARS)，2007年開始執(zhí)行，以5年為一個周期，旨在調(diào)查評估國家河流(溪流)、湖泊(水庫)、沿海水域以及濕地水生態(tài)系統(tǒng)完整性狀況.該文詳細(xì)總結(jié)了美國近期開展的河流和湖泊評價項目，結(jié)果分別如表1和表2所示.

2013?2014年，NARS項目對美國1 853條河流和小溪開展了水生態(tài)調(diào)查與評價[28]，評價結(jié)果(見表1)顯示：①水生生物狀況.選擇了大型底棲無脊椎動物和魚類作為評價指標(biāo)，生物狀況良好的河長占比為30%，生物狀況一般的河長占比為26%，生物狀況較差的河長占比為44%；其中，底棲動物和魚類為良好狀態(tài)的河長占比分別為30%和26%，與2008?2009年的調(diào)查結(jié)果相比，魚類良好狀況比例下降了8.3%.②物理生境狀況.選擇了魚類棲息地、河岸帶植被覆蓋度、河床沉積物和河岸帶人類擾動4項參數(shù)進行評價，各參數(shù)為良好狀況的河長占比分別為64%、58%、52%和29%.③化學(xué)污染狀況.總氮和總磷狀況良好的河長比例分別為32%和18%，與2008?2009年的調(diào)查結(jié)果相比，分別下降了6.4%和17%.

表1 2013—2014年美國國家河流、溪流評估項目(NRSA)采用的評價指標(biāo)及評價結(jié)果[28]Table 1 Evaluation indicators and resultsin 2013-2014 National Rivers and Streams Assessment of USA[28]

2012年，NARS項目對美國1 038個湖泊、水庫和池塘的水生態(tài)狀況進行了調(diào)查[29]，評價結(jié)果(見表2)顯示：①水生生物狀況.31%的湖庫中大型底棲無脊椎動物群落受到嚴(yán)重干擾，21%的湖庫中浮游動物群落受到嚴(yán)重干擾，退化的種群主要是小型水生生物(如腹足類和蜉蝣).②物理生境狀況.岸帶植被覆蓋和生境復(fù)雜度受到最大干擾的湖庫占比分別為28%和29%，水位波動異常的情況顯著改善，受水位干擾最小的湖庫占79%，比2007年提高42%.③營養(yǎng)鹽狀況.受總氮和總磷嚴(yán)重干擾的湖庫分別占35%和40%.④營養(yǎng)狀況.根據(jù)葉綠素a濃度進行評估，重度營養(yǎng)型、富營養(yǎng)型、中營養(yǎng)型和寡營養(yǎng)型湖庫占比分別為21%、34%、35%和10%.⑤微囊藻毒素.39%的湖庫中檢出了微囊藻毒素，檢出率比2007年提高了9.4%.

表2 2012年美國國家湖泊評估項目(NLA)采用的評價指標(biāo)及評價結(jié)果[29]Table 2 Evaluation indicators and resultsin 2012 National Lakes Assessment of USA[29]

2.2 歐盟水生態(tài)系統(tǒng)完整性研究進展

2000年，歐盟頒布《水框架指令(2000/60/EC)》(WFD)[30]，提出了流域綜合管理新理念，旨在促進所有水域達到良好狀態(tài)，實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用.WFD規(guī)定：良好的地表水狀況是指地表水體的生態(tài)狀況和化學(xué)狀況同時達到良好及以上水平.WFD規(guī)定地表水生態(tài)狀況評價參數(shù)主要為水生生物、水文地貌和物理化學(xué)三大類[30].根據(jù)生物、水文形態(tài)和物理化學(xué)質(zhì)量要素評估結(jié)果，地表水生態(tài)狀況分為極好、良好、

中等、較差、極差5個等級，并針對支持或維護生物生存環(huán)境的水文、物理和化學(xué)條件采取相應(yīng)的治理措施，從根本上滿足動植物保護及水資源可持續(xù)利用的需求.對于生物質(zhì)量要素來說，河流水生態(tài)狀況評價采用的是大型底棲無脊椎動物和魚類，以及沉水植物或其他大型維管束植物中至少一種，湖泊水生態(tài)狀況評價則采用浮游藻類.良好的地表水化學(xué)狀況是指“地表水中的所有優(yōu)先污染物濃度不超過歐盟優(yōu)先污染物水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(2013/39/EU)[31]中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，且不超過其他歐共體相關(guān)法律設(shè)定的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值”.化學(xué)狀態(tài)采用“達到良好狀態(tài)”和“未達到良好狀態(tài)”兩級進行評價，如果所有污染物均符合環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，則該水體的化學(xué)狀況為良好.

2018年，歐盟環(huán)境署(EEA)發(fā)布了《歐洲水域現(xiàn)狀和壓力評估》[32]報告，評價了111 072個水體，結(jié)果顯示：大約40%的地表水(河流、湖泊、過渡和沿海水域)處于良好或極好的生態(tài)狀態(tài)或潛力，4%的水體缺乏水生態(tài)狀況或潛力信息；38%的地表水體處于良好的化學(xué)狀況，46%的水體沒有達到良好的化學(xué)狀態(tài)，16%的水體化學(xué)狀況不清；大部分國家的主要超標(biāo)污染物是汞、多環(huán)芳烴(PAHs)、鎘、鎳和鉛.壓力因子分析結(jié)果顯示，水文地貌改變對水生態(tài)狀況影響最大，影響了40%水體的水生態(tài)狀況，擴散源污染、大氣沉降、點源污染和取水工程分別影響了約38%、38%、18%和7%水體的水生態(tài)狀況.

3 我國水生態(tài)系統(tǒng)完整性研究進展與現(xiàn)狀

經(jīng)過近10年的積極探索，我國已具備了一定的水生態(tài)監(jiān)測能力，初步開展了水生態(tài)完整性評價相關(guān)研究，積累了一定的水生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)和寶貴經(jīng)驗，為在長江流域乃至全國范圍內(nèi)開展水生態(tài)系統(tǒng)完整性監(jiān)測與評價奠定了良好的基礎(chǔ).

3.1 完整性監(jiān)測技術(shù)發(fā)展

近年來，我國完整性監(jiān)測技術(shù)得到迅速發(fā)展，形成了很好的技術(shù)儲備.2020年，水利部發(fā)布了《河湖健康評價指南(試行)》(第43號)[33]，采用“水”“盆”“生物”與“社會服務(wù)功能”4個準(zhǔn)則層對河湖健康狀態(tài)進行評價，并提出了統(tǒng)一的監(jiān)測技術(shù)規(guī)范.2020年，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《河流水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與評價技術(shù)指南(征求意見稿)》《湖庫水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與評價技術(shù)指南(征求意見稿)》(環(huán)辦標(biāo)征函〔2020〕49號)[34]，分別規(guī)定了河流、湖泊水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測評價要素(包括水環(huán)境質(zhì)量、生境和水生生物)，選取大型底棲無脊椎動物與著生藻類作為河流水生態(tài)監(jiān)測要素，選取底棲動物、浮游藻類、浮游動物和大型維管束植物作為湖泊水生態(tài)監(jiān)測要素，并對每一要素的監(jiān)測技術(shù)進行了詳細(xì)闡述.近年我國環(huán)境DNA技術(shù)也得到快速發(fā)展，該技術(shù)可用于監(jiān)測特定流域生物多樣性、群落結(jié)構(gòu)和組成的變化情況，具有高重復(fù)性、高時空分辨的優(yōu)勢[21].

3.2 完整性評價技術(shù)發(fā)展

我國在完整性評價方面也積累了一定的研究基礎(chǔ)和工作成果.2013年，原環(huán)境保護部印發(fā)《流域生態(tài)健康評估技術(shù)指南(試行)》(環(huán)辦函〔2013〕320號)[35]，將評估指標(biāo)分為6類17項，其中水域生態(tài)健康評估采用了生境結(jié)構(gòu)、水生生物和生態(tài)壓力3類指標(biāo)；陸域生態(tài)健康評估采用了生態(tài)格局、生態(tài)功能和生態(tài)壓力3類指標(biāo).生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《河流水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與評價技術(shù)指南(征求意見稿)》《湖庫水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與評價技術(shù)指南(征求意見稿)》(環(huán)辦標(biāo)征函〔2020〕49號)[34]，從水環(huán)境質(zhì)量、生境、水生生物三方面評價水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況，規(guī)定了相關(guān)指數(shù)的計算方法及評價等級[34].水利部發(fā)布了《河湖健康評估技術(shù)導(dǎo)則》(SL/T 793?2020)，采用水文完整性、化學(xué)完整性、形態(tài)結(jié)構(gòu)完整性、生物完整性與社會服務(wù)功能可持續(xù)性五大類共計27項指標(biāo)對河湖的健康狀況進行評價[36].2021年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布《長江流域水生生物完整性指數(shù)評價辦法(試行)》(農(nóng)長漁發(fā)〔2021〕3號)[37]，采用魚類狀況指數(shù)、重要物種指數(shù)與生境狀況指數(shù)三大類14項必選指標(biāo)對長江水生生物完整性狀況進行評估，并提出浮游生物狀況指數(shù)等五大類16項參考指標(biāo)供有條件的區(qū)域選擇使用.地方管理部門也出臺了相關(guān)的評價技術(shù)規(guī)范，如北京市市場監(jiān)督管理局印發(fā)了《水生態(tài)健康評價技術(shù)規(guī)范》(DB11/T 1722?2020)[38].

3.3 流域水生態(tài)特征基礎(chǔ)調(diào)查

目前，我國學(xué)者已在長江、松花江和遼河等流域開展了完整性監(jiān)測與評價相關(guān)研究.世界自然基金會聯(lián)合中國科學(xué)院水生生物研究所等單位共同發(fā)布了《長江生命力報告2020》[13]，從水生態(tài)、水環(huán)境與水文三方面評估了長江干流(上、中、下游)與四湖(洞庭湖、鄱陽湖、巢湖、太湖)的水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，由好到差劃分為A、B、C、D、E五級.評價結(jié)果顯示：長江流域健康狀況呈現(xiàn)區(qū)域差異性，干流總體生命力狀況等級為B-，其中源頭區(qū)為A，上游區(qū)和下游區(qū)為B-，中游區(qū)為C；洞庭湖與鄱陽湖為C，太湖為D，巢湖則為D-.中國環(huán)境科學(xué)研究院通過長期研究揭示了遼河流域魚類、大型底棲無脊椎動物和著生藻類的河流縱向梯度變異規(guī)律，闡述了區(qū)域景觀格局、水文生境、水環(huán)境要素對水生生物安全的影響[39].中國環(huán)境監(jiān)測總站、生態(tài)環(huán)境部長江流域生態(tài)環(huán)境監(jiān)督管理局等單位開展了長江、黃河、淮河和海河等重點流域水生態(tài)狀況調(diào)查監(jiān)測試點工作.此外，北京、江蘇、浙江等地方管理部門也先后組織開展了水生態(tài)特征調(diào)查相關(guān)工作.

4 問題與挑戰(zhàn)

4.1 典型流域水生態(tài)系統(tǒng)本底、現(xiàn)狀與演變規(guī)律不清

我國地域規(guī)模宏大，氣候、地質(zhì)、水文特征等區(qū)域差異顯著，造就了類型多樣的水生態(tài)系統(tǒng).目前，典型重點流域水生態(tài)系統(tǒng)本底特征與現(xiàn)狀不清，演變規(guī)律不明.以長江流域為例，自西向東跨越中國地勢的三級階梯，氣候、地理、地貌條件的多樣性和復(fù)雜的江湖關(guān)系決定了長江源頭區(qū)、上游、中游、下游和河口區(qū)具有復(fù)雜多樣的生態(tài)系統(tǒng)特征.已有研究針對長江部分區(qū)域的水生態(tài)系統(tǒng)特征開展了調(diào)查，如在長江中游干流江段(宜昌、荊州等)調(diào)查了以輪蟲、橈足類、枝角類為代表的浮游動物空間分布特征[40]，分析了長江流域大型底棲無脊椎動物、水生維管植物多樣性的時空格局[41-42]等.但總的來說，水生態(tài)調(diào)查數(shù)據(jù)零散，缺乏系統(tǒng)的水文、水動力、物理生境及多種類水生生物的長期數(shù)據(jù)積累.

4.2 水生態(tài)系統(tǒng)完整性監(jiān)測技術(shù)待完善

長期以來，我國水質(zhì)評價與考核以理化指標(biāo)為主，采用傳統(tǒng)手工采集-實驗室檢測相結(jié)合的形式.相比之下，水生生物、遙感解譯、分子生物學(xué)等監(jiān)測能力亟需進一步提高.目前我國水生生物分類和鑒定主要以人工顯微鏡觀察為主，周期長、耗時耗力，亟需研發(fā)高特異性、高靈敏度的水生生物監(jiān)測新技術(shù)；尚缺少魚類、底棲生物和浮游藻類等監(jiān)測技術(shù)規(guī)范，亟待從樣品采集、保存、運輸、檢測、質(zhì)控等方面制定統(tǒng)一的技術(shù)流程；現(xiàn)有研究多關(guān)注浮游生物、底棲動物和魚類等類群，可嘗試開展基于食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)的多營養(yǎng)級生物監(jiān)測；此外，亟待研發(fā)物理完整性指標(biāo)(如土地利用方式、岸帶植被狀況、河道寬度等)的監(jiān)測技術(shù).

4.3 缺乏水生態(tài)系統(tǒng)完整性評價指標(biāo)與方法

水生態(tài)系統(tǒng)是一個組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜龐大，且物理、化學(xué)和水生生物多要素相互影響的整體.水生生物狀況是衡量水生態(tài)系統(tǒng)完整性的最有力指標(biāo)，當(dāng)一條河流或湖泊的生物狀況良好時，其化學(xué)污染水平和物理生境通常也會處于良好狀態(tài).我國水質(zhì)評價工作主要以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838?2002)為基本依據(jù)，對水生生物組成、物理生境等因素考慮不足，不能滿足水生態(tài)整體保護與系統(tǒng)修復(fù)的重大需求.當(dāng)前，我國尚未完全建立水生態(tài)系統(tǒng)完整性評價與考核制度，缺乏物理、化學(xué)和水生生物完整性指標(biāo)和綜合評價方法.

4.4 水生態(tài)系統(tǒng)退化與修復(fù)機制復(fù)雜

水生態(tài)系統(tǒng)退化受多種因素共同影響，過程復(fù)雜，揭示其退化機制和調(diào)控途徑是當(dāng)前學(xué)科前沿.20世紀(jì)70年代起，科學(xué)家普遍關(guān)注水文、水質(zhì)等單一要素對生態(tài)系統(tǒng)的影響，如氮磷過量輸入造成湖泊生物群落失衡、連通性改變影響水生生物棲息地適宜性等.目前對于水生態(tài)系統(tǒng)退化拐點的認(rèn)識不統(tǒng)一，如何解析其耦合機制、甄別自然變化和人類活動對完整性退化的貢獻仍是重大挑戰(zhàn)[20].目前完整性退化與調(diào)控研究存在的難點主要包括：①全球變暖背景下，多因子共同作用對水生態(tài)系統(tǒng)過程和功能的影響機理尚不清楚.②缺乏定量的多途徑綜合解析水生態(tài)系統(tǒng)退化成因的技術(shù)方法或理論模型.③缺乏從生態(tài)系統(tǒng)角度對生態(tài)系統(tǒng)退化的臨界閾值識別技術(shù)研究，制約了水生態(tài)保護修復(fù)和綜合治理長期成效.

5 未來完整性研究的主要思路與重點任務(wù)

完整性研究對于流域水生態(tài)系統(tǒng)整體保護與協(xié)同治理具有重要的指導(dǎo)意義，當(dāng)前我國完整性研究尚處于起步階段，亟需進一步明確未來發(fā)展思路與重點任務(wù)，在借鑒歐美發(fā)達國家的完整性監(jiān)測與評價技術(shù)方法的基礎(chǔ)上，建立具有中國特色的水生態(tài)系統(tǒng)完整性評價、診斷與調(diào)控技術(shù)體系.

5.1 著力提升現(xiàn)代化水生態(tài)監(jiān)測技術(shù)能力

借鑒國內(nèi)外技術(shù)經(jīng)驗，研發(fā)現(xiàn)代化、高效快速的水生態(tài)監(jiān)測技術(shù)(如環(huán)境DNA技術(shù))，動態(tài)監(jiān)測水生生物(如魚類、大型底棲無脊椎動物等)種群變化特征；進一步完善遙感技術(shù)在物理生境、水文情勢調(diào)查中的應(yīng)用；針對物理生境、典型新污染物、水生生物等不同類型指標(biāo)，逐一形成監(jiān)測技術(shù)規(guī)范，建立標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的技術(shù)流程與質(zhì)控方法，保證結(jié)果的準(zhǔn)確性、有效性和可比性；研發(fā)預(yù)報預(yù)警智慧管理平臺，提升完整性監(jiān)控預(yù)警與智能化管理技術(shù)水平，建成國家或地方統(tǒng)一的水生態(tài)系統(tǒng)完整性監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系和預(yù)報預(yù)警平臺.

5.2 創(chuàng)新發(fā)展多尺度水生態(tài)系統(tǒng)完整性評估理論

選擇代表性河流、湖泊水體，辨識水生態(tài)系統(tǒng)“個體?種群?群落?生態(tài)系統(tǒng)”多層次生態(tài)響應(yīng)關(guān)聯(lián)性，探討不同指標(biāo)對外界干擾的指示作用，識別關(guān)鍵壓力因子并篩選敏感性指標(biāo)，提出基于物理、化學(xué)、生物多要素，種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)多層次，并且體現(xiàn)區(qū)域差異性的完整性指標(biāo)體系.此外，完整性指標(biāo)的基準(zhǔn)與閾值是評價的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，建立物理、化學(xué)和生物完整性指標(biāo)的閾值確定技術(shù)，提出以本土生物為保護目標(biāo)的完整性指標(biāo)基準(zhǔn)值，建立分類、分區(qū)、分級的完整性綜合評價方法，形成完整性評價技術(shù)規(guī)范，支撐國家重點流域水生態(tài)考核業(yè)務(wù)化工作，豐富水生態(tài)系統(tǒng)完整性發(fā)生、演變及穩(wěn)定維持的科學(xué)認(rèn)知.

5.3 定期評估典型流域水生態(tài)系統(tǒng)完整性狀況

定期開展典型流域完整性狀況調(diào)查與評估，調(diào)查魚類、底棲動物、浮游藻類和浮游動物等物種組成、分布和種群數(shù)量，重點關(guān)注珍稀瀕危、特有物種監(jiān)測，對水生生物受威脅狀況、生境水文、化學(xué)污染等進行全面評估，明確亟需保護的物種和重要區(qū)域，掌握各類型水生態(tài)系統(tǒng)的主要指示性生物、珍稀物種名錄及其空間分布特征，明晰水生態(tài)系統(tǒng)完整性的區(qū)域差異特征，掌握一手水生態(tài)數(shù)據(jù)，摸清水生態(tài)家底，建立典型流域水生態(tài)系統(tǒng)完整性數(shù)據(jù)庫.健全完善水生態(tài)考核配套機制，逐步實現(xiàn)水生態(tài)管理制度由單一理化指標(biāo)到多要素綜合的完整性評估體制轉(zhuǎn)變.

5.4 構(gòu)建完整性退化診斷和機制解析技術(shù)體系

系統(tǒng)分析人類活動(水利工程、水污染等)與自然變化對典型水生態(tài)系統(tǒng)特征動態(tài)演化的驅(qū)動過程，通過機理模型與大數(shù)據(jù)分析有機融合，創(chuàng)新發(fā)展完整性退化診斷技術(shù)體系，解析并識別代表性水體完整性退化特征差異及其關(guān)鍵影響因子；綜合建立完整性退化與氣候變化、水工程建設(shè)、生境變化、水質(zhì)惡化等過程的復(fù)雜內(nèi)在關(guān)系，揭示氣候變化和人類活動復(fù)雜影響下完整性退化成因與機制；構(gòu)建多過程、多尺度嵌套的水生態(tài)系統(tǒng)完整性模擬預(yù)測方法與耦合模型，揭示不同尺度水體“水文-水動力-水質(zhì)-水生生物”的多過程耦合與交互影響機制.

5.5 突破完整性修復(fù)與調(diào)控技術(shù)新模式

水生態(tài)保護修復(fù)應(yīng)立足生態(tài)系統(tǒng)整體性和流域系統(tǒng)性，遵照生態(tài)系統(tǒng)各要素的內(nèi)在作用關(guān)系與規(guī)律，探索水生態(tài)系統(tǒng)保護修復(fù)新思路、新理念.將水生態(tài)系統(tǒng)物理、化學(xué)和水生生物各要素作為整體，以河湖為統(tǒng)領(lǐng)，統(tǒng)籌水環(huán)境、水生態(tài)、水資源，聚焦突出問題，加強上下游、左右岸、河湖關(guān)系的系統(tǒng)保護和協(xié)同治理[43-44]，建立完整性修復(fù)與調(diào)控技術(shù)新模式.識別不同類型水生態(tài)系統(tǒng)退化彈性閾值與主要調(diào)控路徑，突破物理、化學(xué)和水生生物完整性修復(fù)調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)，研究典型流域水生態(tài)完整性狀態(tài)對環(huán)境壓力因子的響應(yīng)規(guī)律與機制，明晰完整性修復(fù)的主要調(diào)控因子與閾值區(qū)間，解決多重壓力下退化水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)路徑、決策優(yōu)化及綜合監(jiān)管技術(shù)瓶頸，因地制宜提出保護修復(fù)策略.

6 結(jié)論

a)“十三五”以來，全國重點流域地表水環(huán)境質(zhì)量穩(wěn)中向好，但改善成效尚不穩(wěn)固，部分流域水生態(tài)系統(tǒng)退化狀況嚴(yán)峻.在生態(tài)文明建設(shè)新需求下，我國水生態(tài)環(huán)境管理理念向水資源、水環(huán)境、水生態(tài)多要素統(tǒng)籌轉(zhuǎn)變，完整性研究對于流域水生態(tài)系統(tǒng)整體保護與協(xié)同治理具有重要的應(yīng)用價值和指導(dǎo)意義，亟需進一步深入開展水生態(tài)系統(tǒng)完整性相關(guān)研究.

b)水生態(tài)系統(tǒng)完整性研究已成為國際熱點和前沿領(lǐng)域，美國、歐盟、加拿大和澳大利亞等國家或地區(qū)先后開展了長期的完整性監(jiān)測評價國家項目，從物理、化學(xué)和水生生物完整性多要素入手，綜合評價流域水生態(tài)系統(tǒng)完整性狀況及其演變趨勢.

c)我國水生態(tài)系統(tǒng)完整性研究應(yīng)在以下方面加強：創(chuàng)新發(fā)展多尺度流域水生態(tài)系統(tǒng)完整性評估理論，構(gòu)建物理、化學(xué)和水生生物多要素耦合的以及適合流域特征的完整性指標(biāo)與評價方法；加大完整性監(jiān)測與評價技術(shù)規(guī)范研究力度，制定并發(fā)布相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；評估典型流域完整性狀況，摸清水生態(tài)家底，推動流域水生態(tài)系統(tǒng)完整性管理制度常態(tài)化；創(chuàng)新完整性退化診斷新技術(shù)體系，揭示流域水生態(tài)系統(tǒng)退化成因及復(fù)雜交互作用；突破流域綜合治理與完整性修復(fù)調(diào)控新技術(shù)模式，提出水生態(tài)系統(tǒng)保護修復(fù)策略，堅持“一湖一策”“一河一策”，推進河湖生態(tài)系統(tǒng)功能恢復(fù)，實現(xiàn)精準(zhǔn)治污、科學(xué)治污，探索研究典型流域水生態(tài)系統(tǒng)完整性管理辦法和配套措施，支撐“十四五”水生態(tài)系統(tǒng)保護、協(xié)同治理新思路.