生態(tài)監(jiān)測指標(biāo)選擇的探討

胡 俊，沈 強(qiáng)，陳明秀，池仕運(yùn)，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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(hù)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(jìn)行監(jiān)測，實(shí)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(jì)與自然生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展。與發(fā)達(dá)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(jìn)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(hù)生態(tài)環(huán)境、合理利用自然資源和實(shí)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(diǎn)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(jìn)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(jìn)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(jì)-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(jì)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］。總的來說，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(jìn)行擴(kuò)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(jī)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(jìn)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(jī)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(hù)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］。總之，基于生物要素的生物集合指標(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(shí)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(qiáng)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(hù)與環(huán)境政策的目標(biāo)就是以維護(hù)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(hù)生態(tài)系統(tǒng)完整性作為生態(tài)保護(hù)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?yàn)槠渥陨硖匦陨踔凉芾硇枨蟮牟煌暾栽u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(jì)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?yàn)楣芾頉Q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(diǎn)加強(qiáng)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?xiàng)l件下，水庫水質(zhì)能夠保持相對穩(wěn)定，但案例三水庫需進(jìn)一步加強(qiáng)庫區(qū)管理，而案例二水庫則需進(jìn)一步加強(qiáng)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(bǔ)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(jìn)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(bǔ)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(shí)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(shí)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(bǔ)理化監(jiān)測的不足，進(jìn)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(hù)健康的生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)國家社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

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