基于生態(tài)系統(tǒng)水平的河流風(fēng)險評價

趙鐘楠,張?zhí)熘?

(清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100084)

圍繞生態(tài)系統(tǒng)風(fēng)險的河流管理與評價方法的研究,正成為當(dāng)前國際河流管理領(lǐng)域的熱點[1].然而作為河流風(fēng)險管理的重要工具之一的生態(tài)風(fēng)險評價[2],目前整體仍處于關(guān)注特定物質(zhì)或特定受體并主要以毒理學(xué)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的階段[3-5],因而難以有效表征生態(tài)系統(tǒng)整體的風(fēng)險[6],制約著生態(tài)風(fēng)險評價方法在河流生態(tài)系統(tǒng)管理中的應(yīng)用.本研究嘗試建立一種基于河流生態(tài)系統(tǒng)水平上的生態(tài)風(fēng)險評價方法,以期為河流生態(tài)系統(tǒng)管理提供方法支持.

1 評價框架的構(gòu)建

1.1 生態(tài)系統(tǒng)水平的生態(tài)風(fēng)險評價基本問題與特征

本文中的“生態(tài)系統(tǒng)水平”是指將生態(tài)系統(tǒng)整體作為分析對象.以河流生態(tài)系統(tǒng)整體為對象,不僅需要考慮河流生態(tài)系統(tǒng)的各種要素組成,同時也考慮要素的相互關(guān)聯(lián)作用.

生態(tài)風(fēng)險評價通過壓力源、受體、終點等評價要素來描述.對單一源或受體的生態(tài)風(fēng)險評價而言,這些要素間的聯(lián)系相對簡單,一般表現(xiàn)為“一對一”的關(guān)系.而對于生態(tài)系統(tǒng)水平上的生態(tài)風(fēng)險評價,由于其要素組成以及要素之間的復(fù)雜關(guān)聯(lián).“多源-多(暴露)路徑-多受體-多終點”成為生態(tài)系統(tǒng)水平上風(fēng)險問題最為顯著的特征.

1.2 河流生態(tài)系統(tǒng)的表征

根據(jù)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)的理論認識,可通過結(jié)構(gòu)(Structure)、過程(Process)、功能(Function)和服務(wù)(Ecosystem Service)[7-9]4個概念來表征或評價生態(tài)系統(tǒng).結(jié)構(gòu)和過程是生態(tài)系統(tǒng)的基本屬性,而功能和服務(wù)是基本屬性表現(xiàn)出來的結(jié)果.因此,本研究選擇結(jié)構(gòu)和過程這兩種屬性指標,著手表征河流生態(tài)系統(tǒng).

一個復(fù)雜系統(tǒng)其系統(tǒng)性的本質(zhì)是通過“組分”和“相互關(guān)系”這兩方面反映出來的[10],復(fù)雜系統(tǒng)的“層次屬性”[11]決定了對組分和相互關(guān)系的刻畫要體現(xiàn)出層次性.因此對河流生態(tài)系統(tǒng)表征的指標體系具有二維特點(圖 1):在視角維度上,構(gòu)建的指標體系應(yīng)包括對組分和關(guān)系這兩種屬性的反映;在層次維度上,對于具體的組分和關(guān)系屬性表征的指標需要考慮到其隨著空間尺度(或邏輯尺度)的變化而帶來的變化.

圖1 系統(tǒng)水平視角下的指標體系構(gòu)建原則Fig.1 Principles of constructing the indicator system from systematic perspective

基于以上兩點,構(gòu)建了一個包括 3個層級的河流生態(tài)系統(tǒng)表征指標體系:第一層級為整體層級,即從結(jié)構(gòu)和過程來表征生態(tài)系統(tǒng).第二層級為屬性層級,用于表征對應(yīng)整體層級指標的具體屬性指標.需要說明的是,這一層級的具體指標可以是對同一屬性在不同空間尺度(或邏輯尺度)上的表示.第三層級是度量層級,包括用于度量屬性層級指標的各種物理、化學(xué)或生物指標.綜合相關(guān)文獻,所建立的包括20項具體指標在內(nèi)的河流生態(tài)系統(tǒng)的指標體系如表1所示.

表1 河流生態(tài)系統(tǒng)的指標體系Table 1 The indicator system of river ecosystem

1.3 評價終點的選擇

生態(tài)系統(tǒng)水平上的外界壓力帶來的生態(tài)風(fēng)險體現(xiàn)在生態(tài)系統(tǒng)的各個方面,即生態(tài)系統(tǒng)作為一個系統(tǒng)化的整體成為了生態(tài)風(fēng)險評價的“受體對象”.因此,本文以“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)”(以下簡稱生態(tài)服務(wù))作為評價終點來表征生態(tài)系統(tǒng)水平的生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果.

目前有關(guān)生態(tài)服務(wù)指標的討論較多[12-13].本文以聯(lián)合國“千年生態(tài)系統(tǒng)評估”報告中構(gòu)建的生態(tài)服務(wù)分類為基礎(chǔ)[14],結(jié)合相關(guān)文獻調(diào)研[15-16],篩選了10項具體的河流生態(tài)服務(wù)指標作為評價終點.這些指標分別為營養(yǎng)元素循環(huán)、初級生產(chǎn)、食物供給、淡水供給、基因資源、氣候調(diào)節(jié)、水調(diào)節(jié)、水凈化、娛樂價值和美學(xué)價值.

1.4 系統(tǒng)水平的“壓力-響應(yīng)”模式分析與量化

本文將生態(tài)風(fēng)險評價涉及的源、受體、終點等評價要素通過內(nèi)部與相互間復(fù)雜多樣的聯(lián)系而產(chǎn)生生態(tài)風(fēng)險的全過程稱之為“壓力-響應(yīng)”過程.

外界壓力通過“壓力源”(Source)和“脅迫因子”(Stressor)來描述.壓力源指各種自然和人為的活動,這些活動從生態(tài)系統(tǒng)外部施加一種或多種脅迫因子;脅迫因子指那些化學(xué)、物理或生物作用,這些因子會給特定的生態(tài)系統(tǒng)成分帶來擾動.外界壓力對評價終點(即生態(tài)服務(wù))的影響過程可用如圖2所示的“影響鏈”來表示.

圖2 生態(tài)系統(tǒng)水平的生態(tài)風(fēng)險分析框架Fig.2 Framework of ecological risk assessment based on the ecosystem level

由于生態(tài)系統(tǒng)水平的生態(tài)風(fēng)險評價涉及的壓力源種類、影響方式及效應(yīng)的多樣化,采用單一的類似毒理學(xué)數(shù)據(jù)作為風(fēng)險的量化方式無法實現(xiàn).為此,本文對涉及的生態(tài)風(fēng)險量化采用如下方式:把各項壓力源的影響力(類似于“劑量”)按照其在不同區(qū)域(河段)的絕對數(shù)值的大小轉(zhuǎn)化為壓力源排序指數(shù);把各項生態(tài)系統(tǒng)指標對應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)要素對外界壓力的抵抗力按照其在不同區(qū)域(河段)的絕對數(shù)值轉(zhuǎn)化為彈性指數(shù);把各風(fēng)險組分之間的影響根據(jù)其方式、強度、效果等特征轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的影響指數(shù).前兩者分別用壓力源排序矩陣和生態(tài)系統(tǒng)彈性指數(shù)矩陣來表示;后者則用4項關(guān)系矩陣來表示.

四項關(guān)系矩陣分別為“壓力源-脅迫因子關(guān)系矩陣”SSM、“脅迫因子-生態(tài)系統(tǒng)指標關(guān)系矩陣”SEM、“生態(tài)系統(tǒng)指標相互關(guān)系矩陣”AEM和“生態(tài)系統(tǒng)指標與生態(tài)服務(wù)關(guān)系矩陣”EEM.這四類矩陣采用層次打分法進行賦值.考慮到不同的風(fēng)險組分之間的影響方式各異,因此各矩陣賦值所采用的判定標準存在差異.其評價過程如圖3所示.

在對相應(yīng)風(fēng)險組分及其相互間關(guān)系量化基礎(chǔ)上,即可進行壓力源對河流生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)的影響程度量化表征.

某一河段壓力源產(chǎn)生的脅迫因子程度為:

式中:i表示河段,j表示壓力源,k表示脅迫因子SRMij表示i河段的壓力源j的排序指數(shù),CSSik表示i河段所有的壓力源產(chǎn)生的第k類脅迫因子的累積影響評價得分.

而脅迫因子對于生態(tài)系統(tǒng)指標的影響有:

圖3 四項關(guān)系矩陣賦值的層次打分法示意Fig.3 The Hierarchical Scoring Procedures for assigning four relationship matrices

式中:h表示生態(tài)系統(tǒng)指標.SEMkh表示脅迫因子k對生態(tài)系統(tǒng)指標h的影響指數(shù),CESik表示i河段所有的脅迫因子對第h類生態(tài)系統(tǒng)指標的累積影響評價得分.

對于生態(tài)系統(tǒng)的不同彈性,即對相同的外界壓力所具有的不同響應(yīng)程度,有:

式中:HRMih表示i河段的生態(tài)系統(tǒng)指標h的彈性指數(shù);ECESih為考慮了生態(tài)系統(tǒng)指標彈性之后的i河段所有的脅迫因子對第h類生態(tài)系統(tǒng)指標的有效累積影響得分.

由于生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部存在相互關(guān)系,某些生態(tài)系統(tǒng)指標受影響后會對其他指標產(chǎn)生間接影響.這種關(guān)系可表示為:

式中:TCESih為考慮了生態(tài)系統(tǒng)指標彈性以及生態(tài)系統(tǒng)指標之間相互關(guān)聯(lián)的情況下,i河段所有的脅迫因子對第h類生態(tài)系統(tǒng)指標的完全有效累積影響得分.

這種影響對生態(tài)服務(wù)有:

式中:Impactie即為i河段所有的脅迫因子,通過復(fù)雜的“壓力-響應(yīng)”過程,對第e類生態(tài)服務(wù)的影響評價得分.

綜合上述量化評價過程,即有:

式中:Impacti為i河段所有的脅迫因子對所有的生態(tài)服務(wù)的影響總和,即i河段總的生態(tài)風(fēng)險得分.同時,上式可以拆解為針對壓力源、脅迫因子、生態(tài)系統(tǒng)指標和生態(tài)服務(wù)這四類風(fēng)險組分對總的風(fēng)險得分貢獻.通過對這些風(fēng)險組分的得分貢獻排序,可以識別出壓力源和生態(tài)效果的優(yōu)先序及其需要關(guān)注的問題.

2 案例研究

選擇黃河為例來說明所構(gòu)建的評價框架模型的應(yīng)用.

2.1 評價過程

綜合考慮各生態(tài)亞區(qū)在氣候、地貌、水文、水生生物和社會經(jīng)濟活動要素上的差異性和關(guān)聯(lián)性,并結(jié)合已有的水系劃分和數(shù)據(jù)可得性原則,將黃河共分為7個河段,分別為龍羊峽以上(RR1)、龍羊峽至蘭州(RR2)、蘭州至頭道拐(RR3)、頭道拐至龍門(RR4)、龍門至三門峽(RR5)、三門峽至花園口(RR6)、花園口以下(RR7).

篩選了10項壓力源指標,分別為氣候變化、種植、畜禽養(yǎng)殖、淡水養(yǎng)殖、工業(yè)、生活、城市化、水利設(shè)施、上游水質(zhì)和上游水量.前7類壓力源主要來源于本河段所處流域內(nèi)的自然與社會經(jīng)濟系統(tǒng);后2類壓力源雖不屬于該河段所處流域空間內(nèi),但能通過上下游的聯(lián)系對河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響作用.各項壓力源指標的實際數(shù)據(jù)如表2所示.與之對應(yīng)的脅迫因子共篩選出 11項,分別為有機污染物、營養(yǎng)物質(zhì)、沉積物、重金屬、殺蟲劑、外來物種、流量變化、取水、水壩、河道單一化和不透水表面.對得到的各河段的壓力源的實際數(shù)據(jù),通過排序法將各指標的絕對數(shù)轉(zhuǎn)化為排序得分.排序標準則根據(jù)ArcGIS的數(shù)據(jù)分段功能來制定.

表2 黃河各河段的壓力源數(shù)據(jù)Table 2 The data of sources in river reaches of Yellow River

表3 黃河各河段生態(tài)系統(tǒng)指標的主要度量指標實際數(shù)據(jù)Table 3 Data of ecosystem indicators in each river reach of Yellow River

各河段生態(tài)系統(tǒng)指標對應(yīng)的主要度量指標的實際數(shù)據(jù)如表3所示.結(jié)合相關(guān)研究成果,將這些度量指標的絕對數(shù)值轉(zhuǎn)化為彈性指數(shù).四類關(guān)系矩陣的賦值以圖 3提出的層次打分法,參照有關(guān)專家評價或結(jié)合實際數(shù)據(jù)賦值綜合得到[29].

2.2 評價結(jié)果與討論

由圖 4可見,生態(tài)風(fēng)險程度較高的河段主要集中在中下游,且依次為龍門至三門峽、三門峽至花園口和花園口以下3個河段.由圖5可見,從整體層面看,造成黃河生態(tài)風(fēng)險的主要壓力源為城市化、氣候變化和種植業(yè);主要的脅迫因子為流量變化、有機污染物和營養(yǎng)物質(zhì),且這三項脅迫因子帶來的影響占到全部脅迫因子的 50%以上;受影響較大的生態(tài)系統(tǒng)指標集中在生物組分和生態(tài)系統(tǒng)過程這兩類,且位于前 3位的指標分別為生物多樣性、污染物遷移轉(zhuǎn)化和初級生產(chǎn);受影響較大的生態(tài)服務(wù)為基因資源和水凈化.

圖4 黃河各河段生態(tài)風(fēng)險得分Fig.4 The risk scores of river reaches in Yellow River

圖5 黃河整體層面各項風(fēng)險組分的得分分布Fig.5 Risk score per risk element at the overall level in the Yellow River

評價結(jié)果表明,黃河生態(tài)系統(tǒng)的保護應(yīng)重點關(guān)注中下游河段.其主要原因是中下游河段不僅受到本區(qū)域社會經(jīng)濟系統(tǒng)和自然條件影響,而且還進一步受到上游影響,因而對于河流生態(tài)系統(tǒng)而言,在區(qū)域內(nèi)的壓力源種類和強度相同或近似的條件下,下游河段的生態(tài)風(fēng)險一般大于上游河段.其次,從系統(tǒng)整體看,黃河生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險控制需要重點關(guān)注城市和農(nóng)業(yè)這些面源類壓力源,并且需要將氣候變化納入風(fēng)險控制的考慮;同時,黃河生態(tài)系統(tǒng)的保護對象也需要從通常的水量、水質(zhì)等問題面向?qū)ι骋约吧锏饶繕松蟻?第三,各河段生態(tài)風(fēng)險的差異性說明了對于不同河段生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險控制策略應(yīng)有所不同.

評價結(jié)果也體現(xiàn)了本文建立的評價方法區(qū)別于傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢.該方法從系統(tǒng)層面綜合分析多因素帶來的宏觀結(jié)果,可以識別系統(tǒng)的核心要素和關(guān)鍵問題,進而為針對特定要素和特定問題的分析和解決指明方向.其次,該方法將風(fēng)險評價結(jié)果與造成風(fēng)險的來源,及社會經(jīng)濟要素相關(guān)聯(lián),進而可以分析社會經(jīng)濟發(fā)展特征與河流生態(tài)風(fēng)險特征之間的相互關(guān)系,為基于風(fēng)險反饋的社會經(jīng)濟調(diào)控提供依據(jù).

3 結(jié)論

3.1 圍繞生態(tài)系統(tǒng)與復(fù)雜系統(tǒng)的理論概念,以生態(tài)服務(wù)作為生態(tài)系統(tǒng)水平的風(fēng)險評價終點,通過外界壓力與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的“壓力-響應(yīng)”過程的量化表征,建立了系統(tǒng)尺度上河流生態(tài)系統(tǒng)的指標體系與相應(yīng)的河流生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)風(fēng)險評價方法.所建立的評價方法能夠為河流生態(tài)系統(tǒng)管理提供科學(xué)信息支持,進而揭示基于河流生態(tài)系統(tǒng)的政策與管理含義.

3.2 以黃河為案例展示了構(gòu)建的評價方法的應(yīng)用過程,結(jié)果表明:黃河生態(tài)系統(tǒng)的保護需要重點關(guān)注中下游河段;從整體角度而言,黃河生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險控制需要重點關(guān)注城市和農(nóng)業(yè)這些面源類壓力源,并需要將氣候變化納入風(fēng)險控制考慮范圍,同時,黃河生態(tài)系統(tǒng)的保護要求也需要從通常的單一水量、水質(zhì)等問題積極轉(zhuǎn)向?qū)ι骋约吧锏饶繕松蟻?

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