水生態(tài)完整性監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)的基準(zhǔn)與參照狀態(tài)探究

許宜平，王子健

中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 a.中國科學(xué)院飲用水科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.環(huán)境水質(zhì)學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085

水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)是進(jìn)行流域水環(huán)境健康管理的重要手段。從20世紀(jì) 80年代開始，歐美發(fā)達(dá)國家在水資源管理政策中逐漸強(qiáng)調(diào)生態(tài)保護(hù)，流域生態(tài)資源與生態(tài)質(zhì)量的狀況日益受到重視，中國則從21世紀(jì)開始重視和加強(qiáng)此項(xiàng)研究[1]。水生態(tài)系統(tǒng)不僅為人類提供生活和生產(chǎn)的基礎(chǔ)產(chǎn)品，還具有維持生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、流域生態(tài)過程和水環(huán)境功能的重要作用。健康的水生態(tài)系統(tǒng)具有穩(wěn)定性和可持續(xù)性，具有維持其組織結(jié)構(gòu)、自我調(diào)節(jié)和對(duì)脅迫的自我恢復(fù)能力[2]。然而常規(guī)的理化監(jiān)測(cè)指標(biāo)不能準(zhǔn)確反映復(fù)雜水生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的變化趨勢(shì)，難以為水生態(tài)系統(tǒng)從水質(zhì)達(dá)標(biāo)管理向水生態(tài)健康管理的轉(zhuǎn)變提供科學(xué)依據(jù)，亟需能夠綜合反映化學(xué)污染與非化學(xué)因子等多重脅迫對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)累積影響的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)體系，而不僅僅是評(píng)價(jià)環(huán)境水質(zhì)。鑒于此，20世紀(jì)90年代起基于生物監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)實(shí)踐的水生態(tài)完整性評(píng)價(jià)方法，在世界各國蓬勃發(fā)展起來。如美國快速生物評(píng)價(jià)方案(Relative Bioassessment Protocol，RBP)、加拿大水生生物監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(Canadian Aquatic Biomonitoring Network,CABIN)及沉積物底質(zhì)評(píng)價(jià)(Benthic Assessment of Sediment，BEAST)、英國河流無脊椎動(dòng)物預(yù)測(cè)和分類系統(tǒng)(River Invertebrate Prediction and Classification System，RIVPACS)、澳大利亞河流評(píng)價(jià)系統(tǒng)(Australian River Assessment System，AusRivAS)以及適用于非洲南部河流生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)完整性評(píng)價(jià)的南非評(píng)分系統(tǒng)(South African Scoring System，SASS)等[3-9]。

水生態(tài)完整性評(píng)價(jià)通過對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)中不同生態(tài)組分(非生物和生物)的監(jiān)測(cè)，將物理?xiàng)⒌?、水質(zhì)和生物利用數(shù)學(xué)方法計(jì)算形成綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，整合生物多樣性、生態(tài)功能特征、入侵物種、健康和種群動(dòng)態(tài)的概念，來反映水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況[4,10-11]。將單個(gè)指標(biāo)與相應(yīng)基準(zhǔn)(原始狀態(tài)或最佳可達(dá)參照狀態(tài))進(jìn)行比較，再將其整合到一個(gè)評(píng)價(jià)指數(shù)中，如生物完整性指數(shù)(IBI)。該指數(shù)代表了一種數(shù)值估計(jì)，即當(dāng)前生態(tài)狀況與預(yù)期生態(tài)狀況的偏離程度，通常表達(dá)為一個(gè)定性描述的評(píng)分系統(tǒng)(如優(yōu)、良、中、劣等狀態(tài))，從而易于被決策者理解引入到與水生生態(tài)系統(tǒng)管理相關(guān)的立法行為中。歐洲水框架指令(WFD)要求成員國評(píng)價(jià)水體的生態(tài)狀況，以各種環(huán)境和生物特征(水化學(xué)、水形態(tài)、藻類、大型植物、浮游植物、底棲無脊椎動(dòng)物和魚類等質(zhì)量要素)為依據(jù)，通過比較位點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與參照狀態(tài)，得出數(shù)值范圍為0～1的生態(tài)質(zhì)量比(EQR)，高狀態(tài)用接近1的值表示，低狀態(tài)用接近0的值表示[10,12]。水生態(tài)完整性評(píng)價(jià)適宜作為以下工具：①評(píng)價(jià)水體的生態(tài)狀況，確定河流是否支持水生生物特定功能；②表征是否存在水資源受損及其損害程度；③幫助識(shí)別水資源受損來源和原因；④幫助制定區(qū)域特征的水質(zhì)基準(zhǔn)和生物基準(zhǔn)；⑤評(píng)價(jià)控制措施和恢復(fù)手段的有效性。

由此可見，這種評(píng)價(jià)取決于2個(gè)核心要素：目標(biāo)流域的水生態(tài)系統(tǒng)狀況(通常以綜合評(píng)價(jià)指數(shù)表示)和衡量的基準(zhǔn)(通常以參照狀態(tài)表示)。從而可以判斷水生態(tài)系統(tǒng)的測(cè)定狀況是否與期望值不同。該研究嘗試從水生態(tài)完整性評(píng)價(jià)中基準(zhǔn)與參照狀態(tài)的核心要素出發(fā)，探討基準(zhǔn)與參照狀態(tài)的概念框架、評(píng)價(jià)表征體系、預(yù)測(cè)確定方法的發(fā)展以及應(yīng)用展望，以期為中國流域水生態(tài)健康管理工作提供參考。

1 水生態(tài)完整性評(píng)價(jià)中基準(zhǔn)與參照狀態(tài)的概念框架

1.1 生態(tài)基準(zhǔn)的定義與范疇

生態(tài)評(píng)價(jià)的總體目標(biāo)是將人類活動(dòng)造成的損害效應(yīng)(擾動(dòng))與跟人為損害無關(guān)的空間和時(shí)間的自然變化影響(噪聲)分開。其中與人為損害相關(guān)的變量即脅迫因子，與自然變化相關(guān)的變量即自然環(huán)境變量。因此生態(tài)評(píng)價(jià)中“基準(zhǔn)”概念的本質(zhì)就是綜合反映與自然條件相關(guān)的生態(tài)屬性(如生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成、功能、多樣性等)，從而區(qū)分人為擾動(dòng)影響[13]。基準(zhǔn)的定義可能是基于一些合并抽象概念的組合，如評(píng)價(jià)區(qū)域的原始狀態(tài)(歷史記錄)、來源于參照位點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)定義(參照狀態(tài))、人類社會(huì)和生態(tài)環(huán)境的期望狀況(可能與“原始狀態(tài)”不同)。不管基準(zhǔn)的具體定義所反映自然條件的程度如何變化波動(dòng)，生態(tài)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和精確性取決于基準(zhǔn)能夠預(yù)測(cè)量化的程度[14]。

為什么生態(tài)評(píng)價(jià)需要基準(zhǔn)？簡而言之，基準(zhǔn)的設(shè)定應(yīng)該與操作實(shí)驗(yàn)中的對(duì)照組具有相同的目的。因此，基準(zhǔn)是生態(tài)評(píng)價(jià)研究的一個(gè)重要因素，有助于對(duì)流域水資源的生態(tài)狀況進(jìn)行科學(xué)可靠的評(píng)價(jià)。與良好的操作實(shí)驗(yàn)中使用對(duì)照一樣，生態(tài)評(píng)價(jià)的基準(zhǔn)應(yīng)該承擔(dān)2項(xiàng)主要任務(wù)：①控制除被研究的人為脅迫因子與自然環(huán)境變量之外的其他因素的干擾；②提供足夠的重復(fù)性來估計(jì)生態(tài)評(píng)價(jià)指數(shù)相關(guān)變量的變化范圍?？茖W(xué)合理的基準(zhǔn)能夠完成這2項(xiàng)任務(wù)的程度，將極大地影響水體生態(tài)狀況評(píng)價(jià)結(jié)果的穩(wěn)健性[14]。景觀實(shí)驗(yàn)的控制和重復(fù)性是確定基準(zhǔn)的基本要素,然而在生態(tài)評(píng)價(jià)中景觀異質(zhì)性的復(fù)雜和統(tǒng)計(jì)約束力常常嚴(yán)重制約這種嚴(yán)格控制手段的具體實(shí)踐，特別是對(duì)于環(huán)境改變?cè)缫褜?shí)際發(fā)生的事后生態(tài)評(píng)價(jià)(如針對(duì)水資源受損的生態(tài)完整性評(píng)價(jià))。因此，在水生態(tài)完整性評(píng)價(jià)中，“參照狀態(tài)”常被用來描述生態(tài)基準(zhǔn)，通常使用參照位點(diǎn)(在自然狀態(tài)或最小干擾狀態(tài)下的位點(diǎn))來評(píng)價(jià)其他位點(diǎn)的生態(tài)狀況。準(zhǔn)確和精確的評(píng)價(jià)要求評(píng)價(jià)位點(diǎn)與適當(dāng)?shù)膮⒄諣顟B(tài)相匹配。

1.2 參照狀態(tài)的定義與表征

大多數(shù)生態(tài)評(píng)價(jià)都是直接或間接地將當(dāng)前水體生態(tài)狀況(結(jié)構(gòu)、組成、功能和多樣性)與原始的、未受污染的或不受人類干擾的參照狀態(tài)相比較。參照狀態(tài)一直是貫穿水生態(tài)完整性評(píng)價(jià)方法發(fā)展的核心要素。美國、歐盟、澳大利亞等國家和地區(qū)對(duì)參照狀態(tài)的概念有不同的認(rèn)識(shí)和理解[15]。美國清潔水法(CWA)及支撐其實(shí)踐的RBP規(guī)定參照狀態(tài)為“某一特定區(qū)域內(nèi)生物潛力達(dá)到最高的最佳條件”；歐盟WFD將參照狀態(tài)定義為“無顯著或最小人類活動(dòng)干擾的狀態(tài)”，即水文要素、一般物理化學(xué)元素和生物質(zhì)量元素等完全或幾乎不受人為干擾；澳大利亞水改革框架(WRF)則定義參照狀態(tài)為“棲息地未受干擾，維持水生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵生態(tài)過程、生物組成多樣性及其功能”[12,16-19]。

事實(shí)上，上述這些參照狀態(tài)的不同定義都沒有脫離生態(tài)基準(zhǔn)設(shè)定的初始意圖，即努力維持和(或)恢復(fù)生物狀況到某種自然狀態(tài)。USEPA的STODDARD等建議在此基礎(chǔ)上提出適用不同評(píng)價(jià)場(chǎng)景的具體參照狀態(tài)，來表述當(dāng)前位點(diǎn)的評(píng)價(jià)基準(zhǔn)[13]。例如最不受干擾狀態(tài)(minimally disturbed condition，MDC)，描述無顯著人類活動(dòng)干擾條件下的自然狀態(tài)，考慮隨時(shí)間變化的自然變量；最低干擾狀態(tài)(least-disturbed condition，LDC)，描述在有廣泛人類干擾的地區(qū)，在特定河流位點(diǎn)中表現(xiàn)出最低人類擾動(dòng)的最佳狀態(tài)，具有區(qū)域差異，隨著河道退化或生態(tài)恢復(fù)可能發(fā)生變化；最佳可達(dá)狀態(tài)(best attainable conditions，BAC)，描述通過合理有效的管控修復(fù)手段可達(dá)到的最佳狀態(tài)即期望狀態(tài)，BAC的狀態(tài)水平介于LDC與MDC之間，其能否達(dá)到取決于人類活動(dòng)的干擾程度而并非像MDC那樣可能無法實(shí)現(xiàn)；歷史參照狀態(tài)(historical condition，HC)，描述根據(jù)需要選擇的某一時(shí)間節(jié)點(diǎn)的歷史狀態(tài)。這種具體精細(xì)化的參照狀態(tài)定義，有助于提高水生態(tài)完整性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和精確性。

2 水生態(tài)完整性評(píng)價(jià)中參照狀態(tài)的確定方法

盡管在世界各地的流域管理與生態(tài)評(píng)價(jià)體系中都使用了參照狀態(tài)，但在過去20年里，對(duì)淡水生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行生物評(píng)價(jià)參照狀態(tài)的分析預(yù)測(cè)方法發(fā)展得相當(dāng)緩慢[20]。參照狀態(tài)的預(yù)測(cè)確定按照輸入計(jì)算方法可以分為兩大類：①基于自然環(huán)境設(shè)置的分類方法(如參照位點(diǎn)法、歷史數(shù)據(jù)法等)；②使用分類和連續(xù)可變環(huán)境屬性作為輸入的模型方法[14]。另外，還有一類方法是提供描述性判斷(即專家判斷法)，一般用作輔助手段確定非定量指標(biāo)。

2.1 參照位點(diǎn)法

參照位點(diǎn)法是一種長期且高度可靠預(yù)測(cè)參照狀態(tài)的方法，對(duì)相關(guān)河流類型的近自然或最少人類活動(dòng)干擾的參照位點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)其生態(tài)狀況[10,21]。由于地形地貌、土壤類型、自然植被、氣候條件及土地利用方式等生態(tài)特性存在巨大的空間變異性，不可能建立全國統(tǒng)一的參照狀態(tài)，因此參照位點(diǎn)法有2種不同類型的劃分方法：①基于一般景觀特征的地理相關(guān)區(qū)域劃分(即使用區(qū)域參照位點(diǎn))；②基于區(qū)域和位點(diǎn)特征組合的地理獨(dú)立的特定類型劃分(即使用特定參照位點(diǎn))?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查監(jiān)測(cè)是在各自的河流系統(tǒng)或地理區(qū)域內(nèi)完成的，如果沒有合適的地點(diǎn)，就應(yīng)該調(diào)查其他河流的同類地點(diǎn)。調(diào)查監(jiān)測(cè)的基準(zhǔn)指標(biāo)一般包括生態(tài)指標(biāo)、熱力學(xué)指標(biāo)、水文、地貌以及環(huán)境水化學(xué)指標(biāo)。盡管在實(shí)踐中對(duì)相對(duì)不受干擾的棲息地進(jìn)行調(diào)查非常耗時(shí)耗力且成本高，但這種傳統(tǒng)而精細(xì)的調(diào)查評(píng)價(jià)方法卻能夠提供最可靠的生態(tài)信息甚至包括定量數(shù)據(jù)[19]。

區(qū)域參照位點(diǎn)。通常是以自然環(huán)境梯度來劃分的區(qū)域內(nèi)未受干擾(接近自然狀態(tài))或干擾最小的一系列位點(diǎn)作為該區(qū)域內(nèi)的參照位點(diǎn)，其所代表的生物群落、棲息地和水化特征作為該區(qū)域的參照狀態(tài)[1]。該方法建立在生態(tài)分區(qū)的基礎(chǔ)上，假設(shè)在相同生態(tài)分區(qū)內(nèi)的流域具有比較接近的生態(tài)功能和生態(tài)特征，對(duì)生態(tài)分區(qū)內(nèi)其他流域的評(píng)價(jià)都將基于與參照位點(diǎn)的比較[22-23]。在USEPA的快速生物評(píng)價(jià)案例研究中，該類型參照狀態(tài)被認(rèn)為更適合于確定水域或流域尺度的生態(tài)基準(zhǔn)，用于評(píng)價(jià)資源是否受損以及受損程度。

特定參照位點(diǎn)。該方法指在同一流域內(nèi)不同時(shí)空點(diǎn)生態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，將點(diǎn)源排放的上游一個(gè)或數(shù)個(gè)位點(diǎn)作為參照位點(diǎn)，通過上游與下游的比較確定針對(duì)特定評(píng)價(jià)對(duì)象和評(píng)價(jià)目標(biāo)的參照狀態(tài)。在USEPA的快速生物評(píng)價(jià)案例研究中，該類型參照狀態(tài)減少了源于棲息地差異的復(fù)雜情況，排除其他點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染造成的損害，可幫助識(shí)別水資源受損來源和分析因果關(guān)系，并提高精確度。然而該類型參照狀態(tài)的有效性較為有限，不適用于廣域(流域及其以上范圍)的監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)，也不適用于存在復(fù)雜的點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染以及其他生態(tài)干擾、多重脅迫因子、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不完整等狀況的流域。

雖然參照位點(diǎn)法是確定參照狀態(tài)的重要方法之一，但采用參照位點(diǎn)數(shù)據(jù)確定評(píng)價(jià)基準(zhǔn)水平仍面臨著眾多的質(zhì)疑。如在人類活動(dòng)比較頻繁的區(qū)域很難找到?jīng)]有受到任何干擾的參照位點(diǎn)，無法判斷區(qū)域間(內(nèi))的差異是由自然變量引起還是由其他因素干擾，因?yàn)闅夂蚝妥匀桓蓴_的影響均會(huì)導(dǎo)致參照位點(diǎn)的生態(tài)質(zhì)量不斷改變，其后果可能都會(huì)顯著影響基于參照位點(diǎn)確定評(píng)價(jià)基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性[24]。這些情況下，可以借助歷史數(shù)據(jù)的分類法和使用生態(tài)模型預(yù)測(cè)等手段確立參照狀態(tài)[1,14]。

2.2 歷史數(shù)據(jù)法

在工業(yè)化國家中，大多數(shù)大型河流的嚴(yán)重水文變化幾乎消除了天然的參照位點(diǎn)。因此基于類型學(xué)方法確定參照狀態(tài)越來越依賴于前工業(yè)時(shí)代的歷史數(shù)據(jù)(地圖和記錄等)，即考慮歷史參照狀態(tài)的定義。這些歷史數(shù)據(jù)可以來自于早期河流樣本調(diào)查記錄、早期的土地調(diào)查記錄、歷史館藏文獻(xiàn)以及照片等資料。通過分析闡釋這些歷史數(shù)據(jù)可以幫助確定廣泛人類干擾活動(dòng)發(fā)生之前的歷史狀態(tài)(如在開展大型水利工程之前水生群落或形貌特征)。美國在評(píng)價(jià)石油污染對(duì)布法羅河、哈德遜河沉積物和河岸生物資源的影響時(shí)，就是采用歷史研究文獻(xiàn)確定了相關(guān)生物基準(zhǔn)，為后續(xù)開展修復(fù)提供了重要依據(jù)。歷史參照狀態(tài)有時(shí)也可以通過測(cè)量指標(biāo)的當(dāng)前狀況來反推(如歷史湖泊狀況通常可以從沉積物硅藻組分以及浮游生物與底棲生物的比值等數(shù)據(jù)推斷出來)[13,25]。

2.3 模型預(yù)測(cè)法

盡管分類學(xué)方法在區(qū)域化和描述棲息地與形貌特征上占主導(dǎo)地位，但近年來基于特定位點(diǎn)建模的預(yù)測(cè)方法越來越受到關(guān)注[14]。模型預(yù)測(cè)集成生態(tài)模型與生態(tài)統(tǒng)計(jì)學(xué)的研究基礎(chǔ)，基于位點(diǎn)環(huán)境參數(shù)的連續(xù)變化，通過物種分布模型以及插值、多元回歸、線性或逐步判別函數(shù)、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)等多種組合算法和統(tǒng)計(jì)手段，填補(bǔ)參照位點(diǎn)和參照狀態(tài)的數(shù)據(jù)缺失，能夠顯著提高預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和精確性。模型可能是基于多變量的預(yù)測(cè)系統(tǒng)，也可能是單變量指標(biāo)分?jǐn)?shù)或者多度量指數(shù)。

2.3.1 多變量預(yù)測(cè)

基于多變量手段的預(yù)測(cè)模型，通過一系列環(huán)境參數(shù)預(yù)測(cè)和詮釋參照位點(diǎn)水生群落的組成與變化，比較研究位點(diǎn)的生態(tài)屬性與模型預(yù)測(cè)參照狀態(tài)之間的偏差。如果在研究位點(diǎn)觀察到的水生群落屬性與模型預(yù)測(cè)的未受干擾期望狀態(tài)相似，那么該研究位點(diǎn)可以被認(rèn)為處于“良好狀態(tài)”或者視為“參照狀態(tài)”；如果在研究位點(diǎn)觀察到的水生群落與預(yù)測(cè)值不同，那么研究位點(diǎn)被認(rèn)為處于“受到干擾狀態(tài)”。多變量預(yù)測(cè)模型的成功應(yīng)用需要考慮3個(gè)先決條件：①對(duì)于參照狀態(tài)下生物區(qū)的物種分類組成及其空間和季節(jié)分布有足夠了解；②對(duì)定義參照狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)有具體清晰的理解；③模型在精確預(yù)測(cè)某一特定位點(diǎn)或河流類型的生物區(qū)時(shí)，考慮環(huán)境條件的自然變化。因此，多變量預(yù)測(cè)模型一般較為精細(xì)復(fù)雜，模型開發(fā)也較為費(fèi)時(shí)費(fèi)力[10]。在過去的20多年研究歷史中，第一個(gè)引人注目的多變量生態(tài)評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)工具是英國研究人員開發(fā)的RIVPACS系統(tǒng)，之后是加拿大的BEAST系統(tǒng)[3,7]?；赗IVPACS系統(tǒng)原理，其他國家也陸續(xù)建立了類似的模型預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)。澳大利亞在國家河流健康計(jì)劃(NRHP)中開發(fā)的AusRivAS系統(tǒng)是對(duì)各主要棲息地分別取樣和建模，因此不同生態(tài)分區(qū)的預(yù)測(cè)模型也相異[16]。另一個(gè)基于RIVPACS模型的代表則是捷克的PERLA系統(tǒng)[26]。歐洲魚類指數(shù)(EFI)模型是第一個(gè)為評(píng)價(jià)歐洲河流的生態(tài)狀況而開發(fā)的泛大陸模型。EFI模型是多變量與多度量方法的結(jié)合，綜合采用10種度量指標(biāo)描述魚類在攝食、遷徙、棲息地、產(chǎn)卵偏好以及人為脅迫耐受性等方面的屬性，特定參照位點(diǎn)的參照狀態(tài)則是使用多元回歸模型預(yù)測(cè)。后續(xù)研究的EFI+進(jìn)階版，則進(jìn)一步考慮了不同河流類型的特定響應(yīng)[27-28]。事實(shí)上，多變量預(yù)測(cè)模型也能夠推及到區(qū)域尺度或者國家層面的管理應(yīng)用。ARMANINI等基于RIVPACS系統(tǒng)提出了一種應(yīng)用于廣域尺度的參照狀態(tài)模型，該模型使用了全國一致的地理信息系統(tǒng)(GIS)環(huán)境數(shù)據(jù)層(即基于GIS的環(huán)境變量，而不是本地棲息地變量)；盡管這些廣域數(shù)據(jù)集來自不同抽樣方法，仍然生成一個(gè)強(qiáng)健的預(yù)測(cè)模型，并且與null模型相比性能得到改善。如果這類方法能夠標(biāo)準(zhǔn)化全球應(yīng)用，對(duì)未來大規(guī)模實(shí)施河流生物監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)具有重要意義[29]。

2.3.2 多度量預(yù)測(cè)

多度量手段是評(píng)價(jià)河流復(fù)雜生態(tài)過程的重要方法。其中，最為常用的多度量指數(shù)(MMI)定義了一系列在生物個(gè)體、生物群落和生態(tài)系統(tǒng)尺度上反映種群結(jié)構(gòu)和組成的度量，再整合這些度量形成綜合指標(biāo)，因而反映了影響河流生態(tài)健康的多種脅迫因素。MMI并不僅僅適用于參照狀態(tài)的預(yù)測(cè)，也是水生態(tài)完整性評(píng)價(jià)的重要表征，由KARR首先提出的生物完整性指數(shù)就是基于MMI手段[30]。在一個(gè)MMI系統(tǒng)中，每一個(gè)度量指標(biāo)都可以合理預(yù)測(cè)且與環(huán)境變化所引起的特定影響相關(guān)聯(lián)。因此，多度量指標(biāo)考慮了多個(gè)影響并將單個(gè)度量組合成一個(gè)非維度指數(shù)，該指數(shù)可用于評(píng)價(jià)位點(diǎn)的綜合生態(tài)狀況。通過將不同類別的度量相結(jié)合，能夠反映不同環(huán)境條件和水生生物群落的各個(gè)方面。在生態(tài)評(píng)價(jià)中可以采用的種群度量很多，良好的種群度量應(yīng)該具有以下特征：明確的生態(tài)功能意義，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法，重復(fù)性強(qiáng)，能靈敏反映環(huán)境污染和生態(tài)擾動(dòng)并且在實(shí)踐中具有足夠的數(shù)據(jù)支持[22]。生態(tài)評(píng)價(jià)中常用的度量指標(biāo)可分為以下幾類：①生物類群結(jié)構(gòu)組成和豐度的度量指標(biāo)(如某一生物分類單元的豐度、分類單元組成)；②物種豐富度和多樣性的度量指標(biāo)(如種群豐富度)；③環(huán)境污染或抗干擾敏感度和耐受性的度量指標(biāo)(如耐受種比例)；④生態(tài)功能的度量指標(biāo)(如攝食類型、棲息地偏好等)。根據(jù)不同的評(píng)價(jià)目的、生態(tài)系統(tǒng)類型、生物類群和可獲取數(shù)據(jù)，多度量指數(shù)可以選擇不同的度量指標(biāo)組合和描述方式[10]。

2.3.3 物種分布模型

參照位點(diǎn)的適宜性是準(zhǔn)確可靠評(píng)價(jià)參照狀態(tài)的先決條件。然而在工業(yè)高速發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)，處于自然狀態(tài)或最小受人類干擾狀態(tài)的參照位點(diǎn)常難以尋獲。在缺乏參照位點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，常采用物種分布模型(SDM)來評(píng)價(jià)在一定空間尺度內(nèi)棲息地適宜性的變化，篩選適宜的參照位點(diǎn)以確定參照狀態(tài)[31]。基于SDM的預(yù)測(cè)方法常用3種建模策略：單一物種組合建模、多物種響應(yīng)建模以及群落分類建模。群落分類建模結(jié)果往往因預(yù)測(cè)結(jié)果有較高疏漏和誤差比率而影響模型敏感性；單一物種組合建模對(duì)訓(xùn)練位點(diǎn)的數(shù)據(jù)提供較為精確的評(píng)價(jià)結(jié)果，但是對(duì)外部數(shù)據(jù)集的預(yù)測(cè)偏差較大；多物種反應(yīng)建模則不僅能提供較高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性和精確性，對(duì)外部數(shù)據(jù)集的預(yù)測(cè)偏差也較低，能夠在不降低特異性的基礎(chǔ)上表現(xiàn)出高度敏感性，因此備受推薦[32-33]。

2.3.4 其他統(tǒng)計(jì)建模方法

越來越多的現(xiàn)代生態(tài)統(tǒng)計(jì)學(xué)手段被用于參照狀態(tài)方法的建模預(yù)測(cè)。判別函數(shù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)多用于分類環(huán)境變量的數(shù)據(jù)集。如NICHOLS等基于澳大利亞AusRivAS模型，使用多元逐步判別函數(shù)分析(DFA)建模，將訓(xùn)練參照位點(diǎn)基于無脊椎動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)相似度進(jìn)行分類分組，預(yù)測(cè)達(dá)到參照狀態(tài)的期望豐度[34]。FEIO等也使用AusRivAS模型，通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)單個(gè)生物分類單元進(jìn)行建模，并基于發(fā)生概率推導(dǎo)每一生物分類單元的參照狀態(tài)的期望豐度[35]。貝葉斯建模方法在生態(tài)學(xué)和環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用越來越普遍，但在參照狀態(tài)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)中卻使用較少，近年才逐漸發(fā)展起來。WEBB等開發(fā)貝葉斯模型，從連續(xù)和分類環(huán)境變量中預(yù)測(cè)無脊椎動(dòng)物物種組成和多樣性的綜合指數(shù)，并將STRACHAN和REYNOLDS等確定的底棲動(dòng)物分類群作為分類預(yù)測(cè)因子納入模型中用于參照位點(diǎn)的分類[36-37]。此外，對(duì)于缺乏數(shù)據(jù)的參照位點(diǎn)和河流類型，還可以采用插值法推導(dǎo)生態(tài)響應(yīng)差異，在此基礎(chǔ)上建模替代預(yù)測(cè)參照狀態(tài)。這種生態(tài)響應(yīng)差異的量化可以作為替代的河流生態(tài)完整性評(píng)價(jià)基準(zhǔn)。如COLLIER等使用大型無脊椎動(dòng)物數(shù)據(jù)集和EPT豐富度指數(shù)(E-蜉蝣目、P-襀翅目、T-毛翅目)度量指標(biāo)，對(duì)缺乏區(qū)域參照位點(diǎn)的不可涉水河流樣本進(jìn)行插值分析，通過壓力梯度響應(yīng)的差異量化建立了參照狀態(tài)[38]。

2.4 專家判斷

專家判斷法(BPJ)確定參照狀態(tài)與上述三大類方法顯著不同，更多適用于描述性的參照狀態(tài)，也是歐盟WFD推薦的四大類方法之一。盡管使用BPJ方法難以將參照狀態(tài)的描述表征定量化，但經(jīng)驗(yàn)豐富的水生生物學(xué)家可能有幾十年的流域調(diào)查實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，專業(yè)判斷可以為參照狀態(tài)的確定提供經(jīng)驗(yàn)性的理解。此外，這類描述性指標(biāo)也可以通過其他方式進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為定量測(cè)量指標(biāo)。如USEPA專家對(duì)大西洋中部高地河岸的參照狀態(tài)描述如下：①一個(gè)多層的木本植被廊道；②封閉(或接近封閉)的冠層；③河岸地區(qū)沒有明顯的人類干擾(垃圾、道路、柵欄等)。之后這一河岸棲息地參照狀態(tài)的定性描述指標(biāo)被部分轉(zhuǎn)化為定量測(cè)量指標(biāo)：①多層林冠是否覆蓋河岸；②林冠覆蓋的百分比；③是否有河岸擾動(dòng)[13,18]。

表1總結(jié)和比較了確定參照狀態(tài)的四大類主要方法。其中，參照位點(diǎn)法發(fā)展相對(duì)較為成熟，依賴長期大量觀測(cè)數(shù)據(jù)，因而預(yù)測(cè)結(jié)果也最為精確可靠，在可選擇獲取參照位點(diǎn)且有條件開展實(shí)地生物監(jiān)測(cè)的情況下是首選的參照狀態(tài)確定方法。依賴生態(tài)模型與統(tǒng)計(jì)算法的模型預(yù)測(cè)法則是填補(bǔ)參照位點(diǎn)空缺和參照狀態(tài)相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)缺失的重要方法。歷史數(shù)據(jù)法和專家判斷法各有其局限性，因而一般作為輔助手段。

表1 用于確定參照狀態(tài)的四大類方法Table 1 Four kinds of methods for developing the reference condition

3 結(jié)論與展望

環(huán)境退化的機(jī)制通常是復(fù)雜的且綜合效應(yīng)不易衡量。對(duì)水生態(tài)完整性的估計(jì)可能是評(píng)價(jià)水環(huán)境中多重脅迫因子影響的最佳工具。用以衡量研究位點(diǎn)生態(tài)狀況的基準(zhǔn)是水生態(tài)完整性評(píng)價(jià)的核心要素，被認(rèn)為是原始的自然狀態(tài)，或者最小受到人類活動(dòng)干擾的參照狀態(tài)。參照狀態(tài)的定義具有不同的范疇和適用性，既包括根據(jù)適宜的參照位點(diǎn)生態(tài)屬性確定的當(dāng)前狀態(tài)、期望的最不受擾動(dòng)狀態(tài)、最佳可達(dá)狀態(tài)以及實(shí)際判斷的最低擾動(dòng)狀態(tài)，也包括用以比較構(gòu)建修復(fù)基準(zhǔn)的歷史參照狀態(tài)等。在使用參照狀態(tài)評(píng)價(jià)當(dāng)前位點(diǎn)水生態(tài)完整性時(shí)，應(yīng)根據(jù)評(píng)價(jià)需要定義具體的參照狀態(tài)范圍。水生態(tài)完整性評(píng)價(jià)中參照狀態(tài)的確定有四大類方法，基于生態(tài)分類學(xué)手段的參照位點(diǎn)法和歷史數(shù)據(jù)法，針對(duì)特定位點(diǎn)的模型預(yù)測(cè)法，以及提供經(jīng)驗(yàn)性解釋與描述性判斷的專家判斷法。其中參照位點(diǎn)法基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)調(diào)查數(shù)據(jù)，是一種長期且高度可靠的預(yù)測(cè)方法，而模型預(yù)測(cè)法則是填補(bǔ)參照位點(diǎn)空缺和參照狀態(tài)相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)缺失的重要手段。

生態(tài)完整性評(píng)價(jià)面臨的挑戰(zhàn)之一是應(yīng)對(duì)環(huán)境條件的廣泛、長期的變化，最明顯的是應(yīng)對(duì)氣候變化。因此，依賴參照狀態(tài)的水生態(tài)完整性評(píng)價(jià)需要考慮到參照狀態(tài)本身的時(shí)空變化特征。特別是在長期的時(shí)間和空間變化很大的地域，隨著氣候變化的加劇，迫切需要進(jìn)一步審查和驗(yàn)證參照狀態(tài)的穩(wěn)定性。在考慮參照位點(diǎn)適應(yīng)性的情況下，具有長期數(shù)據(jù)支持的參照狀態(tài)應(yīng)該能夠更精確描述和評(píng)價(jià)由于氣候變化和其他緩慢環(huán)境變化(如鹽化、集水覆蓋范圍變化)而導(dǎo)致生態(tài)狀況變化的長期趨勢(shì)。現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)方法的結(jié)合(如GIS和遙感工具)可以詳細(xì)了解氣候及其相互作用對(duì)生態(tài)環(huán)境的多重影響。

分析國外水生態(tài)完整性評(píng)價(jià)參照狀態(tài)的確定方法和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)中國流域生態(tài)完整性評(píng)價(jià)和健康管理具有重要借鑒意義。然而中國幅員遼闊、水域?qū)拸V，自然條件復(fù)雜多樣，生物區(qū)系分布也與國外差異很大。河流生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜特性以及日益強(qiáng)烈的人類活動(dòng)干擾，為參照位點(diǎn)的選擇和參照狀態(tài)的確定增加困難。此外，中國的水生態(tài)完整性評(píng)價(jià)工作尚處于起步階段，系統(tǒng)性的歷史調(diào)查資料相對(duì)匱乏，歷史數(shù)據(jù)法的選擇也存在較大局限性。因此，確定不同生態(tài)分區(qū)與河流類型的水生態(tài)系統(tǒng)參照狀態(tài)將是中國系統(tǒng)開展流域生態(tài)完整性評(píng)價(jià)工作的重要內(nèi)容之一?；趯?duì)國外流域生態(tài)完整性評(píng)價(jià)參照狀態(tài)確定方法的深入調(diào)研和分析，以及綜合考慮不同參照狀態(tài)確定方法的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合對(duì)國內(nèi)水域系統(tǒng)和水環(huán)境污染總體現(xiàn)狀的認(rèn)識(shí)，筆者在此初步提出中國水生態(tài)完整性評(píng)價(jià)參照狀態(tài)的推薦方法：①確定水生態(tài)完整性評(píng)價(jià)目標(biāo)與范圍，包括針對(duì)評(píng)價(jià)位點(diǎn)流域(河段)開展基礎(chǔ)調(diào)研和數(shù)據(jù)資料的收集分析工作；②對(duì)于少數(shù)受人為活動(dòng)干擾較小且水體污染程度較低的生態(tài)分區(qū)，建議優(yōu)先選擇參照位點(diǎn)法，以分區(qū)內(nèi)流域物理?xiàng)⒌匚窗l(fā)生顯著變化、河岸植被為分區(qū)代表類型、水體污染程度較低的河流位點(diǎn)作為參照位點(diǎn)，根據(jù)參照位點(diǎn)調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算參照狀態(tài)；③對(duì)于多數(shù)受人為活動(dòng)干擾較大(如實(shí)施重大水利工程)或水體污染較為嚴(yán)重的生態(tài)分區(qū)，分區(qū)內(nèi)難以找到自然好或基本不受干擾的參照位點(diǎn)，則建議綜合采用模型預(yù)測(cè)法和歷史數(shù)據(jù)法，通過可獲取歷史數(shù)據(jù)和臨近分區(qū)相近河流類型的位點(diǎn)信息，進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)分析和模型反演與預(yù)測(cè)，計(jì)算參照狀態(tài)期望值;④集成幾種方法的預(yù)測(cè)手段可用以確定更可靠的結(jié)論，如模型預(yù)測(cè)法是國際上生態(tài)學(xué)家推薦的更為準(zhǔn)確和精確的預(yù)測(cè)方法，不僅能夠填補(bǔ)參照位點(diǎn)及系統(tǒng)性調(diào)查數(shù)據(jù)的缺失，還能夠篩選驗(yàn)證參照位點(diǎn)適宜性。此外，專家判斷法是很好的輔助手段，可以評(píng)價(jià)獲取的定性和定量數(shù)據(jù)質(zhì)量，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)可信度，優(yōu)化參照狀態(tài)模型。