基于生態系統水平的河流風險評價

趙鐘楠,張天柱

(清華大學環境學院,北京 100084)

圍繞生態系統風險的河流管理與評價方法的研究,正成為當前國際河流管理領域的熱點[1].然而作為河流風險管理的重要工具之一的生態風險評價[2],目前整體仍處于關注特定物質或特定受體并主要以毒理學數據為基礎的階段[3-5],因而難以有效表征生態系統整體的風險[6],制約著生態風險評價方法在河流生態系統管理中的應用.本研究嘗試建立一種基于河流生態系統水平上的生態風險評價方法,以期為河流生態系統管理提供方法支持.

1 評價框架的構建

1.1 生態系統水平的生態風險評價基本問題與特征

本文中的“生態系統水平”是指將生態系統整體作為分析對象.以河流生態系統整體為對象,不僅需要考慮河流生態系統的各種要素組成,同時也考慮要素的相互關聯作用.

生態風險評價通過壓力源、受體、終點等評價要素來描述.對單一源或受體的生態風險評價而言,這些要素間的聯系相對簡單,一般表現為“一對一”的關系.而對于生態系統水平上的生態風險評價,由于其要素組成以及要素之間的復雜關聯.“多源-多(暴露)路徑-多受體-多終點”成為生態系統水平上風險問題最為顯著的特征.

1.2 河流生態系統的表征

根據系統生態學的理論認識,可通過結構(Structure)、過程(Process)、功能(Function)和服務(Ecosystem Service)[7-9]4個概念來表征或評價生態系統.結構和過程是生態系統的基本屬性,而功能和服務是基本屬性表現出來的結果.因此,本研究選擇結構和過程這兩種屬性指標,著手表征河流生態系統.

一個復雜系統其系統性的本質是通過“組分”和“相互關系”這兩方面反映出來的[10],復雜系統的“層次屬性”[11]決定了對組分和相互關系的刻畫要體現出層次性.因此對河流生態系統表征的指標體系具有二維特點(圖 1):在視角維度上,構建的指標體系應包括對組分和關系這兩種屬性的反映;在層次維度上,對于具體的組分和關系屬性表征的指標需要考慮到其隨著空間尺度(或邏輯尺度)的變化而帶來的變化.

圖1 系統水平視角下的指標體系構建原則Fig.1 Principles of constructing the indicator system from systematic perspective

基于以上兩點,構建了一個包括 3個層級的河流生態系統表征指標體系:第一層級為整體層級,即從結構和過程來表征生態系統.第二層級為屬性層級,用于表征對應整體層級指標的具體屬性指標.需要說明的是,這一層級的具體指標可以是對同一屬性在不同空間尺度(或邏輯尺度)上的表示.第三層級是度量層級,包括用于度量屬性層級指標的各種物理、化學或生物指標.綜合相關文獻,所建立的包括20項具體指標在內的河流生態系統的指標體系如表1所示.

表1 河流生態系統的指標體系Table 1 The indicator system of river ecosystem

1.3 評價終點的選擇

生態系統水平上的外界壓力帶來的生態風險體現在生態系統的各個方面,即生態系統作為一個系統化的整體成為了生態風險評價的“受體對象”.因此,本文以“生態系統服務”(以下簡稱生態服務)作為評價終點來表征生態系統水平的生態風險評價結果.

目前有關生態服務指標的討論較多[12-13].本文以聯合國“千年生態系統評估”報告中構建的生態服務分類為基礎[14],結合相關文獻調研[15-16],篩選了10項具體的河流生態服務指標作為評價終點.這些指標分別為營養元素循環、初級生產、食物供給、淡水供給、基因資源、氣候調節、水調節、水凈化、娛樂價值和美學價值.

1.4 系統水平的“壓力-響應”模式分析與量化

本文將生態風險評價涉及的源、受體、終點等評價要素通過內部與相互間復雜多樣的聯系而產生生態風險的全過程稱之為“壓力-響應”過程.

外界壓力通過“壓力源”(Source)和“脅迫因子”(Stressor)來描述.壓力源指各種自然和人為的活動,這些活動從生態系統外部施加一種或多種脅迫因子;脅迫因子指那些化學、物理或生物作用,這些因子會給特定的生態系統成分帶來擾動.外界壓力對評價終點(即生態服務)的影響過程可用如圖2所示的“影響鏈”來表示.

圖2 生態系統水平的生態風險分析框架Fig.2 Framework of ecological risk assessment based on the ecosystem level

由于生態系統水平的生態風險評價涉及的壓力源種類、影響方式及效應的多樣化,采用單一的類似毒理學數據作為風險的量化方式無法實現.為此,本文對涉及的生態風險量化采用如下方式:把各項壓力源的影響力(類似于“劑量”)按照其在不同區域(河段)的絕對數值的大小轉化為壓力源排序指數;把各項生態系統指標對應的生態系統要素對外界壓力的抵抗力按照其在不同區域(河段)的絕對數值轉化為彈性指數;把各風險組分之間的影響根據其方式、強度、效果等特征轉化為統一的影響指數.前兩者分別用壓力源排序矩陣和生態系統彈性指數矩陣來表示;后者則用4項關系矩陣來表示.

四項關系矩陣分別為“壓力源-脅迫因子關系矩陣”SSM、“脅迫因子-生態系統指標關系矩陣”SEM、“生態系統指標相互關系矩陣”AEM和“生態系統指標與生態服務關系矩陣”EEM.這四類矩陣采用層次打分法進行賦值.考慮到不同的風險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準存在差異.其評價過程如圖3所示.

在對相應風險組分及其相互間關系量化基礎上,即可進行壓力源對河流生態系統的生態服務的影響程度量化表征.

某一河段壓力源產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,CSSik表示i河段所有的壓力源產生的第k類脅迫因子的累積影響評價得分.

而脅迫因子對于生態系統指標的影響有:

圖3 四項關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表示生態系統指標.SEMkh表示脅迫因子k對生態系統指標h的影響指數,CESik表示i河段所有的脅迫因子對第h類生態系統指標的累積影響評價得分.

對于生態系統的不同彈性,即對相同的外界壓力所具有的不同響應程度,有:

式中:HRMih表示i河段的生態系統指標h的彈性指數;ECESih為考慮了生態系統指標彈性之后的i河段所有的脅迫因子對第h類生態系統指標的有效累積影響得分.

由于生態系統內部存在相互關系,某些生態系統指標受影響后會對其他指標產生間接影響.這種關系可表示為:

式中:TCESih為考慮了生態系統指標彈性以及生態系統指標之間相互關聯的情況下,i河段所有的脅迫因子對第h類生態系統指標的完全有效累積影響得分.

這種影響對生態服務有:

式中:Impactie即為i河段所有的脅迫因子,通過復雜的“壓力-響應”過程,對第e類生態服務的影響評價得分.

綜合上述量化評價過程,即有:

式中:Impacti為i河段所有的脅迫因子對所有的生態服務的影響總和,即i河段總的生態風險得分.同時,上式可以拆解為針對壓力源、脅迫因子、生態系統指標和生態服務這四類風險組分對總的風險得分貢獻.通過對這些風險組分的得分貢獻排序,可以識別出壓力源和生態效果的優先序及其需要關注的問題.

2 案例研究

選擇黃河為例來說明所構建的評價框架模型的應用.

2.1 評價過程

綜合考慮各生態亞區在氣候、地貌、水文、水生生物和社會經濟活動要素上的差異性和關聯性,并結合已有的水系劃分和數據可得性原則,將黃河共分為7個河段,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(RR4)、龍門至三門峽(RR5)、三門峽至花園口(RR6)、花園口以下(RR7).

篩選了10項壓力源指標,分別為氣候變化、種植、畜禽養殖、淡水養殖、工業、生活、城市化、水利設施、上游水質和上游水量.前7類壓力源主要來源于本河段所處流域內的自然與社會經濟系統;后2類壓力源雖不屬于該河段所處流域空間內,但能通過上下游的聯系對河流生態系統產生影響作用.各項壓力源指標的實際數據如表2所示.與之對應的脅迫因子共篩選出 11項,分別為有機污染物、營養物質、沉積物、重金屬、殺蟲劑、外來物種、流量變化、取水、水壩、河道單一化和不透水表面.對得到的各河段的壓力源的實際數據,通過排序法將各指標的絕對數轉化為排序得分.排序標準則根據ArcGIS的數據分段功能來制定.

表2 黃河各河段的壓力源數據Table 2 The data of sources in river reaches of Yellow River

表3 黃河各河段生態系統指標的主要度量指標實際數據Table 3 Data of ecosystem indicators in each river reach of Yellow River

各河段生態系統指標對應的主要度量指標的實際數據如表3所示.結合相關研究成果,將這些度量指標的絕對數值轉化為彈性指數.四類關系矩陣的賦值以圖 3提出的層次打分法,參照有關專家評價或結合實際數據賦值綜合得到[29].

2.2 評價結果與討論

由圖 4可見,生態風險程度較高的河段主要集中在中下游,且依次為龍門至三門峽、三門峽至花園口和花園口以下3個河段.由圖5可見,從整體層面看,造成黃河生態風險的主要壓力源為城市化、氣候變化和種植業;主要的脅迫因子為流量變化、有機污染物和營養物質,且這三項脅迫因子帶來的影響占到全部脅迫因子的 50%以上;受影響較大的生態系統指標集中在生物組分和生態系統過程這兩類,且位于前 3位的指標分別為生物多樣性、污染物遷移轉化和初級生產;受影響較大的生態服務為基因資源和水凈化.

圖4 黃河各河段生態風險得分Fig.4 The risk scores of river reaches in Yellow River

圖5 黃河整體層面各項風險組分的得分分布Fig.5 Risk score per risk element at the overall level in the Yellow River

評價結果表明,黃河生態系統的保護應重點關注中下游河段.其主要原因是中下游河段不僅受到本區域社會經濟系統和自然條件影響,而且還進一步受到上游影響,因而對于河流生態系統而言,在區域內的壓力源種類和強度相同或近似的條件下,下游河段的生態風險一般大于上游河段.其次,從系統整體看,黃河生態系統的風險控制需要重點關注城市和農業這些面源類壓力源,并且需要將氣候變化納入風險控制的考慮;同時,黃河生態系統的保護對象也需要從通常的水量、水質等問題面向對生境以及生物等目標上來.第三,各河段生態風險的差異性說明了對于不同河段生態系統的風險控制策略應有所不同.

評價結果也體現了本文建立的評價方法區別于傳統方法的優勢.該方法從系統層面綜合分析多因素帶來的宏觀結果,可以識別系統的核心要素和關鍵問題,進而為針對特定要素和特定問題的分析和解決指明方向.其次,該方法將風險評價結果與造成風險的來源,及社會經濟要素相關聯,進而可以分析社會經濟發展特征與河流生態風險特征之間的相互關系,為基于風險反饋的社會經濟調控提供依據.

3 結論

3.1 圍繞生態系統與復雜系統的理論概念,以生態服務作為生態系統水平的風險評價終點,通過外界壓力與生態系統服務的“壓力-響應”過程的量化表征,建立了系統尺度上河流生態系統的指標體系與相應的河流生態系統生態風險評價方法.所建立的評價方法能夠為河流生態系統管理提供科學信息支持,進而揭示基于河流生態系統的政策與管理含義.

3.2 以黃河為案例展示了構建的評價方法的應用過程,結果表明:黃河生態系統的保護需要重點關注中下游河段;從整體角度而言,黃河生態系統的風險控制需要重點關注城市和農業這些面源類壓力源,并需要將氣候變化納入風險控制考慮范圍,同時,黃河生態系統的保護要求也需要從通常的單一水量、水質等問題積極轉向對生境以及生物等目標上來.

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