基于湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法

張飛珍，孫映宏

(1.杭州市南排工程建設(shè)管理處，浙江杭州310020;2.杭州市水文水資源監(jiān)測總站，浙江杭州310016)

0 引言

生態(tài)系統(tǒng)健康是20世紀末提出的新概念，它為生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境管理設(shè)立了新的目標，是生態(tài)學和環(huán)境管理方面一個正在發(fā)展的綜合性研究領(lǐng)域。由于人口增加和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境日益退化，特別是湖泊水域富營養(yǎng)化問題，已嚴重影響并威脅到社會經(jīng)濟和人類健康［1］。對湖泊生態(tài)系統(tǒng)進行研究，建立湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價體系和指標閾值，不但可以為我國湖泊環(huán)境綜合治理提供可操作的依據(jù)，而且還有利于湖泊生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性管理和合理利用，實現(xiàn)生態(tài)、社會、經(jīng)濟三方面效益的協(xié)調(diào)。

1 生態(tài)系統(tǒng)健康評價的指標體系

生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標的選擇和分類及其使用的好壞，直接影響評價和決策的正確性和有效性［2-5］。要使生態(tài)系統(tǒng)健康的研究具有實際意義，并能為決策者提供可靠的技術(shù)支撐，必須保證生態(tài)系統(tǒng)及其環(huán)境的有效、可靠、并具有可操作性和廣泛推廣性。

生態(tài)系統(tǒng)健康評價的指標體系包括物理化學指標、生態(tài)學指標和社會經(jīng)濟指標三大類。在湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價中，物理化學指標包括水質(zhì)、大氣狀況、湖水理化性質(zhì)、水生生物種類和數(shù)量等;生態(tài)學指標包括營養(yǎng)循環(huán)、能量流動及轉(zhuǎn)換、群落結(jié)構(gòu)、生物多樣性、生態(tài)穩(wěn)定性、恢復能力、調(diào)節(jié)能力、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能等;社會經(jīng)濟指標包括人口因素、人類健康因素、區(qū)域經(jīng)濟狀況與可持續(xù)性、公眾環(huán)境意識和政府決策等。

不同的指標涉及生態(tài)系統(tǒng)健康的不同方面。因為湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的范圍非常廣泛，所以要掌握湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的完整性，必須同時選取多個指標，從多個角度來進行評價指標的選擇。

2 生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法

評價生態(tài)系統(tǒng)健康的方法是非常復雜的，目前對生態(tài)系統(tǒng)健康的評價主要集中于生態(tài)系統(tǒng)的活力、組織結(jié)構(gòu)、恢復力和擴散力的研究。生態(tài)系統(tǒng)健康的主要測量指標及其測量方法見表1。

表1 生態(tài)系統(tǒng)健康的各項測量指標

3 湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法

3.1 指示物種法

如何選擇指示生物是湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價的關(guān)鍵問題。不同的生態(tài)學家提出了不同的生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法。其中，最具代表性的是生物整合性指數(shù)(index of biotic integrity，IBI)和生物多樣性指數(shù)(diversity index，DI)。

生物整合性指數(shù)法是2000年Lyons在研究墨西哥中部湖泊時，用魚類的生物整合性指數(shù)作為生態(tài)評價指標，評價了各種人類活動和干擾對湖泊生態(tài)系統(tǒng)水平的影響，建立了一套可用于評價湖泊退化程度和生態(tài)修復狀況的可行性IBI評價指標。這些指標包括:①固有種數(shù)量，用以反映在環(huán)境加速退化的條件下物種多樣性的喪失;②常見種數(shù)量，用以反映中低強度的環(huán)境脅迫對常見種的影響;③濱岸區(qū)物種數(shù)量，用以反映湖泊沿岸帶作為動植物棲息地的條件;④敞水區(qū)物種數(shù)量，用以反映湖泊敞水區(qū)作為動植物棲息地的條件;⑤敏感種數(shù)量，是指不能忍受人類影響而滅亡的物種，對環(huán)境退化具有早期預警作用;⑥耐受種生物量百分比，多用于評價中高強度的環(huán)境脅迫影響;⑦外來種生物量百分比，物種豐度較低的湖泊生態(tài)系統(tǒng)易受外來種的影響，在高強度的環(huán)境脅迫下，外來種會支配整個生態(tài)系統(tǒng);⑧肉食性動物生物量百分比，在環(huán)境脅迫壓力較大時，肉食性動物趨向減少;⑨固有種的最大長度，用以反映過度捕魚和環(huán)境脅迫的綜合作用等。

生物多樣性指數(shù)是基于水體受到污染后生物群落往往出現(xiàn)種類減少而某些耐污性強的種類數(shù)量增加這一原理。Shannon-Weaver生物多樣性指數(shù)計算公式為:

式中:Pi為第i種水生生物出現(xiàn)的概率;S為水生生物種群的種類數(shù);P可以用代替，n為第i種水生生物的個體數(shù);Nii為所選用的水生生物類群各個體數(shù)之和，計算公式為:

3.2 指標體系法

湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價的指標包括生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部指標和生態(tài)系統(tǒng)外部指標。其中生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部指標，包括生態(tài)毒理學、流行病學、生態(tài)系統(tǒng)熱力學、生態(tài)系統(tǒng)醫(yī)學等;生態(tài)系統(tǒng)外部指標是未來湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價的發(fā)展方向，它涉及環(huán)境和社會經(jīng)濟等方面，是以流域可持續(xù)發(fā)展思想為指導。

Carlson等人根據(jù)對湖泊水體中葉綠素與TP、SD、COD、TOC等水質(zhì)指標之間相關(guān)關(guān)系的研究，提出了一套營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(trophic state index，TSI)的分級指標，可以通過綜合各參數(shù)的TSI指數(shù)評價結(jié)果來判斷湖泊的營養(yǎng)狀態(tài)，從而評價湖泊的健康狀況。該方法在計算各個項目指標的得分時多采用線性插值，只能近似的代表其值，而且，各個項目分級指標的確定也存在一些主觀性，不同的湖泊分級指標不盡相同。

目前較為流行的是J?rgensen等人在系統(tǒng)生態(tài)學基礎(chǔ)上構(gòu)建的目標函數(shù)Exergy、結(jié)構(gòu)exergy和生態(tài)緩沖容量(ecological buffer capacity)等指標構(gòu)成的指標體系。Exergy為生態(tài)系統(tǒng)回復到無生命混沌平衡的無序狀態(tài)所能做的功，測量湖泊遠離生態(tài)系統(tǒng)熱力平衡狀態(tài)的距離計算公式為:

式中:R為氣體常數(shù)，T為絕對溫度，Wi為湖泊生態(tài)系統(tǒng)第i種有機體或有機物信息含量;Ci為第i種有機體或有機物的含量;n為湖泊所含有機體或有機物種類總數(shù)。

Wi值是由某一種生物有機體所含的無重復基因的個數(shù)來確定的，不同物種有機體所含的無重復基因數(shù)不同，甚至相差很大，見表2。結(jié)構(gòu)exergy為生態(tài)系統(tǒng)單位生物量和有機質(zhì)所蘊含的Exergy，獨立于湖泊生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)水平，表征湖泊生態(tài)系統(tǒng)利用環(huán)境資源的能力。結(jié)構(gòu)exergy可由Exergy和總生物量計算為:

式中:Btotal為湖泊生態(tài)系統(tǒng)所含的總生物量。

生態(tài)緩沖容量指生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)變量的變化量與其所受外部脅迫的變化量的比值，計算公式為:

式中:c為狀態(tài)變量;f為外部脅迫。

4 結(jié)語

生態(tài)系統(tǒng)健康評價為區(qū)域環(huán)境評價提供了一種新方法。湖泊作為自然-社會-經(jīng)濟復合生態(tài)系統(tǒng)，跟人們的生產(chǎn)生活密切相關(guān)，是生態(tài)系統(tǒng)研究的一個重要領(lǐng)域。湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價作為一門交叉學科的評價實踐，不僅包括湖泊內(nèi)的生態(tài)指標，還兼收了物理化學方面的指標，以及社會經(jīng)濟和人類健康指標。但是，湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價體系還處于實驗和摸索階段，尚未形成一套成熟的方法和評價體系，有待進一步深入研究。

［1］濮培民.健康水生態(tài)系統(tǒng)的退化及其修復——理論、技術(shù)及應(yīng)用［J］. 湖泊科學，2001，13(3):193-203.

［2］田志靜，馮民權(quán)，南朝.坪上水庫庫區(qū)水質(zhì)預測研究［J］.黑龍江大學工程學報，2011，02(03):138-141.

［3］葉碎高.沿海河道生境特征及植物群落構(gòu)建研究［J］.黑龍江大學工程學報，2011，02(03):149-154.

［4］任海，鄔建國，彭少麟.生態(tài)系統(tǒng)健康的評估［J］.熱帶地理，2000，20(4):310-316.

［5］Alexander A M，List J A，Margolis M，et al.A method for valuing global ecosystem services［J］.Ecological Economics，1998，27:161-170.