濕地生態風險評價中生物完整性指數研究進展

侯曉麗，王云彪

1. 吉林大學環境與資源學院，長春 130021 2. 中國科學院東北地理與農業生態研究所，長春 130102

在過去的幾十年里，人類社會廣泛而快速的發展，導致濕地生態系統的萎縮和退化。現在在濕地恢復和管理過程中，需要對濕地生態系統進行現狀評估與風險評價，但一直缺乏有效的生態風險評價工具，為濕地保護和恢復方面的濕地管理和監管決策提供有效信息。一般認為濕地生態條件將沿著應力梯度變化，并且基于一組表征度量可評估終極狀態的假設，生物完整性指數可被用作生態系統健康風險評價的最有力工具，本文在回顧濕地評價中已經開發出各種微生物、動植物完整性指數的基礎上，重點論述了以線蟲生態毒理學研究方法為基礎的土壤動物生物完整性指數，在濕地健康定量評價中的應用前景，特別強調了在種屬層次以及分子水平上的生物指數綜合，是實現高效快速的濕地生態風險評價的重要指標工具。

1 濕地生態風險評價

濕地是陸地與水域之間的過渡地帶，因其較強的過濾與自凈功能被喻為“地球之腎”，而這一特性也使濕地易于受到外來污染物的威脅[1]。濕地生態系統是地球上生產力最高的生態系統，為自然界和人類社會提供了豐富的生態系統服務功能，包括維持生物多樣性、改善水質、緩解洪水以及地下水補給等。但是關于濕地這些有價值的屬性只是近幾十年才得到廣泛認可，事實是當下的全球濕地不論在數量和質量上都降到歷史最低水平，而人們對自然擾動和人類干擾造成的濕地生物學變化程度知之甚少[2]。考慮到濕地生態系統的復雜性和多樣性，評估濕地質量的標準化及可量化方法的缺乏問題日益凸顯。

隨著工業生產的高速發展，濕地面臨各種環境污染風險。盡管人為劃分了許多具有不同生態系統功能的濕地類型，但仍缺乏對濕地生態系統健康進行風險評估的有效手段，有效的生態風險評估工具可使監管機構和土地管理者在濕地發展和修復方面做出明智的決策，并監測乃至預測其所在地區的自然濕地狀況[3]。濕地生態風險評價的實際應用將使人們更好地理解物理、化學和生物風險源如何影響濕地，并為濕地管理提供科學支撐。這就要求確定濕地生態健康評價指標的完整性，要綜合已經開發出的各種評估方法，來準確地測量濕地生態系統健康水平的完整性，或者系統表征濕地生態系統的整體功能[4]。

化學監測只能獲得一個時間點的樣本，濕地區域的生物地球化學特征隨著時間的推移而變化，而這些潛在化學污染物的累積效應及對生物群落的影響無法表征，更無法衡量這些因素對生物完整性的累積影響[5]。濕地管理的一個重要方面便是確定該區域濕地的生態風險，并根據這些風險等級劃分濕地分保護區。濕地風險評價或風險評估是指確定由污染物或其他擾動等壓力源對濕地生態系統的生存和健康構成的風險的方法[6]。這就需要在整個生態系統范圍內對目標物種進行深入研究或文獻檢索，并對整個棲息地健康風險特征的自然變化進行科學認識。從環境毒理學與污染生態的角度，風險應界定為由于生態系統暴露于脅迫因子的量化程度下而產生不利影響的可能性(劑量效應關系)，即不良脅迫的后果和脅迫發生的可能性(暴露效應)。生態風險評價在基于適應性管理原則的濕地管理中發揮著重要作用。

生態風險評價已被用于調查特定環境污染物對生態系統的影響，并被廣泛地應用于評估復合脅迫環境影響潛力。濕地環境復雜，不同類型如河口、盆地等，其生態因子包括不同的介質表面水、沉積物、陸地、土壤及各類生物。環境脅迫下濕地生物群多樣性出現不同響應，特別是化學污染下包括水生生物、土壤無脊椎動物以及昆蟲、鳥類等會有特征表現，表征出濕地棲息地的多樣性風險[7]。這種特殊動物類群對于特定的濕地風險響應可能是相當獨特的，可以用于表征整個濕地生態系統對化學污染物的響應，進而揭示環境污染物對生態系統結構和功能的影響，并基于此實現濕地的生態風險評價[8]。

美國環境保護局(US EPA)濕地研究計劃中關于濕地風險評價體系由三部分組成：風險評估、風險管理和監測/評估，以及包括景觀、快速和強化的三級評估系統，依靠人為干擾指標來確定生態完整性[9]。根據用于識別和評估濕地潛在風險的壓力因素函數矩陣，該評價體系著重于評估水生生物和陸生野生動物的健康風險。但是確定可能對生態受體或組分造成威脅的化學污染物濃度時，需要一定程度的科學判斷與優化，即毒理學上關于濃度/劑量-效應關系的綜合確定，這類毒理學基本信息對后續的風險管理決策是至關重要的[10]。因此，毒性測試對于建立污染物毒理效應，即化學物質毒性與生物響應之間的聯系是必要的。這就要求在基于生物完整性指標評價的毒理學研究中，應集中于對濕地生境具有敏感性和代表性的動物類群，同時具備可將毒性數據與現場生態調查相結合的條件，進而可用于預測濕地風險評價。這樣，土壤動物因為具有上述優勢，可用做生物指數進行濕地生態風險評價。

2 用于濕地評價的完整性指標

生物完整性指數(IBI)，也稱為生物區系完整性指數，是用于識別和分類水污染問題的科學工具，是基于生物完整性(Biological Integrity)的概念，于1981年由以Karr博士為首的美國環境保護局、魚類及野生動物管理局和學術界的專家制定[11-12]。IBI將水體的環境壓力與水體中的生物活動聯系起來，可對環境壓力對生物群落結構的綜合影響進行評價預測。IBI以環境毒理學數據為依據，是進行生態系統健康風險評價的最有力工具。迄今為止，在濕地評價中已經開發出用于魚類、藻類、大型無脊椎動物、維管植物以及這些組合的IBI[13-17]。這些指標并沒有特別關注某一物種，但可有效識別受損濕地。大型無脊椎動物，包括昆蟲，甲殼類動物和線蟲，是美國最常用的濕地生物監測指標[18-20]，相關檢測方案已成功應用于世界各地[21]。許多其他分類群也可用于檢測濕地受損的復雜性與變化趨勢，包括細菌群落、真菌群落、兩棲動物等[17,22-24]。其中，大型無脊椎動物是極好的IBI指標，因為它們無處不在，種類豐富，類群多樣，并且對各種壓力源表現出廣泛的耐受性和特異性[23]。

使用高等生物作為IBI指標有許多優點，但要根據棲息地類型和區域特征調整生物指標。比如第一個成功地表征因人類活動受損變異的分類群的魚類，更適用于大小河流、溪流和湖泊生態系統。作為最顯著的濕地動物，鳥類可能是濕地生態系統IBI一個合乎邏輯的選擇，因為禽類可對棲息地的結構變化做出反應，也可表征濕地功能[25]。此外，由于與土壤與水文條件的密切聯系，以及生理生態多樣性，植被是各種類型的濕地評估方法中常用的基礎指標。植物的生物完整性指數將濕地植物群落結構的屬性結合到與干擾相關的定量評價中[26]，在濕地保護和棲息地質量評估中發揮重要作用。植被響應具有場地保真度的性質，可表征出不同程度的壓力源。開發IBI時，在確定使用哪種分類系統前，要根據目標濕地的特征先進行分類和檢查，以確保有意義的代表性樣本[27-28]。比如使用地理信息系統(GIS)對濕地進行分類，再在每個樣點確定IBI分類群，這樣才能保證每個層次/梯度的類別在生物學上有意義[29]。

現有的濕地評估工具，如加利福尼亞快速評估方法(CRAM)[30]提供了對一般情況的評估，但可能對水質擾動不敏感。因此，基于大中型無脊椎動物的濕地棲息地生物評估指標可作為敏感的快速評價手段。大中型無脊椎動物作為易選擇的分類群可用于評估濕地的生物完整性，其是IBI中首批使用的分類群之一，在評估溪流方面十分成功[31-33]。大中型無脊椎動物可以很容易實地分層采樣，并且由具有不同生活史的不同數量的類群表征干擾動態過程。在屬或物種層次上的分類鑒定，將會使這類生物作為濕地IBI分類群具有更強的說服力，而獲得分子水平上的大中型無脊椎動物IBI綜合指標，將是實現真正意義上的濕地生態風險評價的潛在指標工具。

3 基于線蟲的濕地土壤動物IBI

線蟲屬于線形動物門(Nematoda)，生境廣布，營養結構復雜，可以靈敏地感受濕地周圍環境變化[34-36]。線蟲生活史周期短，可在短時間內對環境變化產生指示響應，因此線蟲作為濕地土壤和水環境健康評價的指示生物具有廣闊前景[37-39]。在一定區域范圍內，通過監測土壤線蟲的生物學特性、種群數量、群落結構等生理生態指數，可實現對生境或某一環境因子動態變化的表征。

秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans)被廣泛用作模式生物進行污染生態學研究并已建立實驗標準[40-41]，具有作為指示生物的潛質應用于生態監測和生態風險評價[42]。在生命科學領域，秀麗隱桿線蟲作為多細胞后生動物體現出的遺傳學優勢，表現出其他模式生物不可替代的作用。作為濕地科學與污染生態學發展的重要方向，研究典型污染背景下的濕地生態系統健康機制已迫在眉睫。在生態風險評價中，采用不同模式生物，會產生不同的研究結果。因此濕地IBI中的模式動物選擇，既要考慮到受控試驗中模型的典型模式生物特征，更要注重該模式生物在野外生境中的真實豐度、分布廣度、生態幅等，以及在原野采樣、觀測等定位研究的可行性[43]。線蟲具有得天獨厚的室內與野外綜合優勢，更有可能作為用于濕地生態風險評價的IBI篩選模型。

不同層次的分子生物標記物組合可綜合揭示濕地健康特別是復合污染脅迫效應，并形成污染診斷系統進行準確的濕地生態健康風險評價[44-48]。基因毒理學和蛋白質組學為測定由化學脅迫引起的分子IBI提供可能性，線蟲分子表征都可被用作濕地污染暴露的IBI[48]。濕地土壤的污染程度可通過在實驗室和現場進行土壤動物的生物毒性測定[49]，美國材料試驗協會(ASTM)等早已廣泛開展這種濕地污染風險分析方法的研究[50]。在濕地風險評估過程中，需要在濕地生態系統選取合適的模式生物和指示生物進行IBI綜合研究[51]。結合線蟲物美價廉的生物學優勢，進行濕地污染生態學模式生物的污染物標準化毒性測試，是實現濕地IBI構建并進行濕地風險評價的一個可行方向[38-39]，并可逐步建立以土壤線蟲為生物指數的濕地生態健康評價體系。

4 結語

生態風險評價的目的是使用可觀察指標體系，評估自然生態系統的復雜現狀并預警未來，實現這一目標需要系統的生物完整性指數加以表征。濕地生物完整性指數體系的成功開發和有效應用是實現濕地生態風險評價的科學基礎，該方法的開發過程中還需要評估各種濕地類型的狀況，注重濕地生物多樣性的層次與尺度，同時收集相應的環境條件測量值用于驗證。應用各層次水平的生物完整性指數進行綜合表征監測，可滿足濕地評估需求，為濕地生態風險評價提供有意義且可靠的工具。