國外水生態(tài)區(qū)評價(jià)對我國的啟示

鄭樂平,樂嘉斌,瞿書銳

(上海大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系,上海 200444)

國外水生態(tài)區(qū)評價(jià)對我國的啟示

鄭樂平,樂嘉斌,瞿書銳

(上海大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系,上海 200444)

概述國外水生態(tài)區(qū)評價(jià)研究成果:目前水生態(tài)區(qū)正確性評價(jià)方法主要以復(fù)合生物群落指標(biāo)體系為主,考察水生態(tài)區(qū)之間的一致性和差異性;不同方法、不同尺度的水生態(tài)分區(qū)結(jié)果之間的相互校驗(yàn)也是水生態(tài)區(qū)正確性評價(jià)的一種輔助方法;水生態(tài)區(qū)邊界準(zhǔn)確性評價(jià)和特定應(yīng)用方面有效性評價(jià)也漸漸得到了人們的關(guān)注。提出我國開展水生態(tài)分區(qū)及其評價(jià)研究過程中值得注意的幾個(gè)問題:在選擇水生態(tài)分區(qū)方法時(shí),應(yīng)將定性和定量的方法有機(jī)地結(jié)合起來,使其相互彌補(bǔ),從而更準(zhǔn)確地對我國流域水體進(jìn)行水生態(tài)分區(qū);在選擇分區(qū)指標(biāo)時(shí),應(yīng)綜合考慮水生態(tài)系統(tǒng)的各方面特征指標(biāo)及影響因素,結(jié)合生物量、物種組成比例、物種數(shù)等生物指標(biāo)和河床類型、河道形態(tài)、水化學(xué)等非生物指標(biāo),全面地反映水生態(tài)區(qū)的特征;在借鑒國外相關(guān)研究成果的同時(shí),評價(jià)方法的科學(xué)性、評價(jià)指標(biāo)的綜合性與針對性、評價(jià)對象的異質(zhì)性等也是值得注意的問題。

水生態(tài)區(qū);評價(jià)方法;分區(qū)方法;分區(qū)指標(biāo)

“生態(tài)區(qū)”是指具有生態(tài)系統(tǒng)相似性的陸地或水域[1],它為生態(tài)系統(tǒng)的研究、評價(jià)、修復(fù)和管理提供了一個(gè)合適的空間單元,自其提出后逐漸被廣泛接受,世界各國學(xué)者相繼提出了針對不同對象及目的的各種生態(tài)區(qū)[2];如USEPA針對水生態(tài)系統(tǒng)的區(qū)域特征提出“水生態(tài)區(qū)”,認(rèn)為“水生態(tài)區(qū)”是具有相對同質(zhì)的淡水生態(tài)系統(tǒng)或生物體及其與環(huán)境相互關(guān)系的土地單元,并于1987年提出了美國水生態(tài)分區(qū)方案[3],自此以后,水生態(tài)區(qū)得到許多國家的關(guān)注[4-6]。

水生態(tài)區(qū)作為一個(gè)相對較新的水環(huán)境管理框架越來越多地被應(yīng)用到實(shí)踐管理工作中來,但其分區(qū)方法尚未完全成熟,其管理效力尚需加以評價(jià)、檢驗(yàn)。目前我國“十一五”水專項(xiàng)正在開展水生態(tài)分區(qū)研究,旨在為水環(huán)境管理提供有效的水生態(tài)區(qū)地圖作為管理框架。相關(guān)的研究工作今后將在我國大范圍開展,以完善我國水生態(tài)分區(qū)方法,并對水生態(tài)區(qū)進(jìn)行評價(jià),為水環(huán)境管理工作提供足夠的科學(xué)依據(jù)與技術(shù)支撐。國外對水生態(tài)區(qū)評價(jià)已經(jīng)做了一定的研究,并取得了相當(dāng)?shù)某晒?而我國水生態(tài)分區(qū)研究剛剛起步,水生態(tài)區(qū)評價(jià)研究更是空白,故借鑒國外的先進(jìn)技術(shù)方法是很有必要的。筆者在借鑒國外水生態(tài)區(qū)評價(jià)的相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上,提出了對我國水生態(tài)分區(qū)及水生態(tài)區(qū)評價(jià)研究的若干啟示。

1 水生態(tài)區(qū)評價(jià)的現(xiàn)狀

自“水生態(tài)區(qū)”提出后,真正的水生態(tài)區(qū)評價(jià)研究直至20世紀(jì)90年代才開始。水生態(tài)區(qū)評價(jià)主要包括水生態(tài)分區(qū)正確性評價(jià)、水生態(tài)區(qū)邊界準(zhǔn)確性評價(jià)及水生態(tài)區(qū)在特定應(yīng)用方面的有效性評價(jià)[7]。

1.1 水生態(tài)區(qū)正確性評價(jià)

水生態(tài)區(qū)正確性評價(jià)系指水生態(tài)區(qū)與實(shí)際水生態(tài)系統(tǒng)分布格局的符合程度,主要考察同類型水生態(tài)區(qū)之間的生態(tài)特征一致性及不同類型水生態(tài)區(qū)之間的生態(tài)特征差異性,而水生態(tài)區(qū)間的生態(tài)特征一致性和差異性主要是由水生態(tài)區(qū)內(nèi)具有代表性的指標(biāo)來反映的。20世紀(jì)80年代后期,學(xué)者們開始在水化學(xué)、河流棲息地、生物狀況等方面尋找與水生態(tài)區(qū)分布規(guī)律有較高相關(guān)性的指標(biāo),但結(jié)果顯示任何單一指標(biāo)只能在局部地區(qū)正確地解釋水生態(tài)區(qū)分布規(guī)律,沒有廣泛的正確性[7-10]?；谠摻Y(jié)論,Omernik[11]提出,由于水生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性,水生態(tài)區(qū)評價(jià)應(yīng)該從水生態(tài)系統(tǒng)整體出發(fā),以水生生物群落特征為主,全面地分析水生態(tài)系統(tǒng)特征的區(qū)域性規(guī)律。該評價(jià)思想的提出,將水生態(tài)區(qū)評價(jià)研究帶入了復(fù)合生物指標(biāo)體系評價(jià)階段。各國學(xué)者相繼開始以具有指示水生態(tài)區(qū)分布規(guī)律的水生物群落特征指標(biāo)為主,評價(jià)水生態(tài)區(qū)的正確性。如Harding等[12]以底棲無脊椎動(dòng)物群落的物種數(shù)、特有物種數(shù)、優(yōu)勢物種數(shù)、生物密度為評價(jià)指標(biāo),分析了新西蘭南島10個(gè)水生態(tài)區(qū)之間的一致性和差異性,對該水生態(tài)區(qū)的正確性進(jìn)行了評價(jià),驗(yàn)證了該水生態(tài)區(qū)的正確性;Wells等[13]在澳大利亞以無脊椎動(dòng)物群落的物種有無狀況、優(yōu)勢物種、物種百分比等為主要指標(biāo),同時(shí)結(jié)合了河流棲息地特征指標(biāo),考察了同類型水生態(tài)分區(qū)之間的一致性、不同類水生態(tài)分區(qū)之間的差異性,以此對水生態(tài)區(qū)的正確性進(jìn)行評價(jià)。

除了通過指標(biāo)體系法考察水生態(tài)區(qū)的一致性和差異性的方法外,相互校驗(yàn)也是一種較為有效、簡便的水生態(tài)區(qū)正確性評價(jià)方法。Young等[14]結(jié)合自組織地圖法(self-organizing map,SOM)和改良共鳴理論(adaptive resonance theory)進(jìn)行水生態(tài)分區(qū),并將分區(qū)結(jié)果與主成分分析法(PCA)的分區(qū)結(jié)果做比較,結(jié)果顯示SOM法的分區(qū)結(jié)果與PCA結(jié)果較符合,并且對污染狀況等方面情況具有更細(xì)致的辨識程度。這樣的相互校驗(yàn)方法可以使水生態(tài)區(qū)評價(jià)更簡便、快捷,但對參照分區(qū)圖的需求成為這種方法的最大缺點(diǎn)。

1.2 水生態(tài)區(qū)邊界準(zhǔn)確性評價(jià)

水生態(tài)區(qū)邊界準(zhǔn)確性評價(jià)系指水生態(tài)區(qū)邊界與實(shí)際水生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)交錯(cuò)帶的符合程度,主要考察水生態(tài)區(qū)邊界帶附近生態(tài)環(huán)境特征對兩邊水生態(tài)區(qū)的歸屬程度。隨著水生態(tài)區(qū)評價(jià)研究的不斷深入,水生態(tài)區(qū)邊界準(zhǔn)確性的問題漸漸引起學(xué)者們的關(guān)注。Wells[13]在進(jìn)行水生態(tài)區(qū)評價(jià)時(shí),不僅評價(jià)了水生態(tài)區(qū)正確性,同時(shí)也以大型無脊椎動(dòng)物群落特征為指標(biāo),考察了分區(qū)邊界帶附近單元點(diǎn)對兩邊的歸屬程度,從而評價(jià)了水生態(tài)區(qū)邊界準(zhǔn)確性;Graef等[15]將分類回歸樹法(classification and regression trees,CART)引入水生態(tài)區(qū)評價(jià)中來,通過比較水生態(tài)區(qū)邊界附近單元點(diǎn)的生態(tài)特征對兩邊水生態(tài)區(qū)的相似程度,判別水生態(tài)區(qū)邊界的準(zhǔn)確性。

1.3 水生態(tài)區(qū)在特定應(yīng)用方面的有效性評價(jià)

水生態(tài)區(qū)在特定應(yīng)用方面的有效性系指水生態(tài)區(qū)被應(yīng)用于不同實(shí)踐工作中時(shí),其實(shí)用性及作用效力,主要考察水生態(tài)區(qū)分布格局與特定實(shí)踐工作需求的符合程度。水生態(tài)分區(qū)方法的逐漸成熟,使水生態(tài)區(qū)越來越多地被應(yīng)用到水質(zhì)管理、水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、動(dòng)物保護(hù)等實(shí)踐工作中來,不同目的的實(shí)踐工作對水生態(tài)區(qū)的要求也不盡相同,水生態(tài)區(qū)針對不同應(yīng)用方面的有效性評價(jià)則越發(fā)顯得重要。Whittier等[16]通過分析小流域水生態(tài)系統(tǒng)特征與8個(gè)生態(tài)區(qū)之間的一致性程度,對美國俄勒岡州水生態(tài)區(qū)在流域水生生物研究方面應(yīng)用的有效性進(jìn)行了評價(jià),同時(shí)發(fā)現(xiàn)水生態(tài)區(qū)是大尺度流域水生生物分類和管理的有效框架。水生態(tài)區(qū)在特定應(yīng)用方面的有效性評價(jià)的相關(guān)研究目前較少,主要集中在歐美地區(qū),但它是水生態(tài)區(qū)廣泛應(yīng)用到不同研究方向的關(guān)鍵因素,因此今后還需在該評價(jià)方向開展廣泛的研究工作。

綜上所述,基于近20年來的研究成果,目前水生態(tài)區(qū)正確性評價(jià)方法主要以復(fù)合生物群落指標(biāo)體系為主,考察水生態(tài)區(qū)之間的一致性和差異性;不同方法、不同尺度的水生態(tài)分區(qū)結(jié)果之間的相互校驗(yàn)也是水生態(tài)區(qū)正確性評價(jià)的一種輔助方法;近年來,水生態(tài)區(qū)邊界準(zhǔn)確性評價(jià)和特定應(yīng)用方面有效性評價(jià)也漸漸得到人們的關(guān)注?？傮w而言,對水生態(tài)區(qū)評價(jià)的研究已做了一定量的工作,也取得了一定的成果,但迄今為止研究深度仍然尚淺,生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的作用機(jī)理尚未了解清楚。

2 對我國水生態(tài)分區(qū)的啟示

在過去幾十年里,我國學(xué)者針對水體的某些要素也開展了針對性分區(qū)研究,但直至2007年,孟偉等[17]才在遼河流域首次開展了水生態(tài)分區(qū)研究。我國水生態(tài)分區(qū)研究剛剛起步,相關(guān)技術(shù)較為落后,在借鑒國外先進(jìn)研究成果、發(fā)展我國水生態(tài)分區(qū)技術(shù)方法的過程中,關(guān)于分區(qū)方法、分區(qū)指標(biāo)和水生態(tài)區(qū)評價(jià)等方面有很多問題需要注意。

首先,分區(qū)方法是水生態(tài)分區(qū)研究中的重要問題,選擇合適的分區(qū)方法對分區(qū)結(jié)果的正確性有著極大影響。目前水生態(tài)分區(qū)方法有地理相關(guān)法、地圖疊置法、主導(dǎo)標(biāo)志法等,采用的分析技術(shù)有回歸樹分析法、聚類分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等,其中有些以定量為主,有些以定性為主,各有其優(yōu)缺點(diǎn)。定性分析在分區(qū)過程中主要依據(jù)個(gè)人的知識和判斷,因此它易受主觀判斷錯(cuò)誤的影響;定量分析多采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的相關(guān)原理,分區(qū)過程較為嚴(yán)謹(jǐn)、客觀,但考慮計(jì)算機(jī)的分析處理能力有限,其分區(qū)指標(biāo)一般不易過多。我國關(guān)于水生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)相對缺乏,無法滿足定量分析法對數(shù)據(jù)量的要求;同時(shí),我國針對流域水體水生態(tài)系統(tǒng)的研究相對較淺,又使得定性分析法無法對水生態(tài)分區(qū)的作用機(jī)理加以完全正確地分析。故在選擇水生態(tài)分區(qū)方法時(shí),應(yīng)將定性和定量的方法有機(jī)地結(jié)合起來,使其相互彌補(bǔ),從而更準(zhǔn)確地對我國流域水體進(jìn)行水生態(tài)分區(qū)。在大中型尺度的分區(qū)中,應(yīng)采用自上而下的、以定性分析為主的地圖疊置法;在小型尺度的分區(qū)中,可采用自下而上的定量分區(qū)方法,并根據(jù)需要選擇合適的分析技術(shù)。

其次,分區(qū)指標(biāo)的選擇是水生態(tài)分區(qū)研究的關(guān)鍵問題。在選擇分區(qū)指標(biāo)構(gòu)建指標(biāo)體系時(shí),綜合性和針對性是選擇指標(biāo)的兩大原則。水生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜、多樣的復(fù)合系統(tǒng),它包括由生物因素和非生物因素組成的非生物環(huán)境、生產(chǎn)者、消費(fèi)者和分解者等4個(gè)組成成分,在選擇分區(qū)指標(biāo)時(shí),應(yīng)綜合考慮水生態(tài)系統(tǒng)的各方面特征指標(biāo)及影響因素,結(jié)合生物量、物種組成比例、物種數(shù)等生物指標(biāo)和河床類型、河道形態(tài)、水化學(xué)等非生物指標(biāo),全面地反映水生態(tài)區(qū)的特征,從而更準(zhǔn)確地進(jìn)行水生態(tài)分區(qū)。另外,分區(qū)指標(biāo)的選擇應(yīng)有針對性,如制定邊界的分區(qū)指標(biāo)就應(yīng)有別于區(qū)系內(nèi)部的分區(qū)指標(biāo),這是由于水生生物群落特征對生態(tài)環(huán)境變化及差異的指示作用已經(jīng)得到廣大學(xué)者公認(rèn),適合用作區(qū)系內(nèi)部的分區(qū)指標(biāo),如水生植物覆蓋率、水生生物物種數(shù)等,但由于生物的活動(dòng)性、隨機(jī)性,使其無法運(yùn)用于制定邊界的指標(biāo);而非生物環(huán)境特征指標(biāo)具有相對連續(xù)和固定的特點(diǎn),則是分區(qū)邊界指標(biāo)的首選,如地表水體類型等。

最后,隨著我國水生態(tài)分區(qū)研究的逐步開展,水生態(tài)區(qū)評價(jià)也將成為其中一個(gè)重要的組成部分。在借鑒國外相關(guān)研究成果的同時(shí),評價(jià)方法的科學(xué)性、評價(jià)指標(biāo)的綜合性與針對性、評價(jià)對象的異質(zhì)性等是值得注意的問題。評價(jià)方法是水生態(tài)區(qū)評價(jià)研究中的重要研究課題,評價(jià)指標(biāo)中有些可以定量,有些只能定性,這就要求在評價(jià)方法中科學(xué)地將定量方法和定性方法結(jié)合起來加以應(yīng)用。針對不同評價(jià)內(nèi)容也應(yīng)采用不同評價(jià)思想,水生態(tài)區(qū)正確性評價(jià)應(yīng)主要從水生物群落特征出發(fā),考察同類水生態(tài)區(qū)間的一致性和不同類型水生態(tài)區(qū)間的差異性;而水生態(tài)區(qū)邊界準(zhǔn)確性評價(jià)則應(yīng)分析所劃分的邊界帶附近的非生物環(huán)境特征,考察特定單元點(diǎn)對兩邊水生態(tài)區(qū)特征的歸屬程度,從而達(dá)到所需評價(jià)的目的。評價(jià)指標(biāo)是評價(jià)工作的核心,在選擇評價(jià)指標(biāo)時(shí)應(yīng)從水生態(tài)系統(tǒng)整體出發(fā),綜合各方面特征,針對不同評價(jià)內(nèi)容,構(gòu)建復(fù)合指標(biāo)體系,以使指標(biāo)體系能全面地表述水生態(tài)系統(tǒng)狀況。評價(jià)對象是評價(jià)工作中必須明確的問題,針對不同需求、不同尺度的水生態(tài)區(qū),應(yīng)選擇具有針對性的評價(jià)指標(biāo)體系,設(shè)定不同的評價(jià)閾值。

3 結(jié) 語

水生態(tài)區(qū)是有效的水環(huán)境管理框架,目前我國“十一五”水專項(xiàng)正在開展水生態(tài)分區(qū)的研究工作,但作為我國一個(gè)較新的管理框架,在水生態(tài)分區(qū)技術(shù)方法方面有待深入研究、不斷完善。國外學(xué)者對水生態(tài)分區(qū)的研究已做了相當(dāng)一部分的工作,故借鑒國外的水生態(tài)分區(qū)和水生態(tài)環(huán)境保護(hù)的經(jīng)驗(yàn)很有必要,吸取國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)有利于我國水生態(tài)環(huán)境保護(hù)水平的迅速發(fā)展及相關(guān)研究工作的開展。

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Illuminations for China from foreign aquatic ecoregions assessment

ZHENG Le-ping,LE Jia-bin,QU Shu-rui
(Department of Environmental Science and Engineering,Shanghai University,Shanghai200444,China)

Study results from aquatic ecoregions abroad were summarized.The assessment method was inspection of the consistency and diversity between aquatic ecoregions using mainly the complex biological community indicator system at present.Using mutual examination of the results of dividing aquatic ecoregions with different methods and different dimensionswas an effective supplementary assessment method.The method of assessing the accuracy of the aquatic ecoregions boundary and assessing the effectiveness of specific applications has gradually

more attention.Several problemsworth concern in the study of aquatic ecoregions and their assessment are put forward.The qualitative and quantitative methods should be combined organically in selecting the method for dividing aquatic ecoregions so that they can mutually benefit each other and more precisely divide aquatic ecoregions of river basins in China.In selecting dividing indexes,the various characteristic indexes and factors of aquatic ecosystems should be considered,combining bio-indexes(such as biomass,composition ratio of species,and number of species)with non bio-indexes(such as river bed types,river patterns,and hydro-chemistries)in order to fully reflect the features of the aquatic ecoregions.The scientific validity of the assessment method,comprehensiveness and direction of assessment indexes,and heterogeneity of assessment objects are also noteworthy problems.

aquatic ecoregion;assessment method;dividing method;dividing indexes

X171.1

B

1004-6933(2010)03-0083-04

國家“十一五”水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2008ZX07526-008-02)

鄭樂平(1966—),男,安徽舒城人,教授,博士,從事水生態(tài)環(huán)境研究。E-mail:qsr2006@163.com

book=86,ebook=62

2009-09-11 編輯:徐 娟)