濕地生態(tài)風(fēng)險評價中生物完整性指數(shù)研究進(jìn)展

侯曉麗，王云彪

1. 吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，長春 130021 2. 中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)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(fā)展，導(dǎo)致濕地生態(tài)系統(tǒng)的萎縮和退化。現(xiàn)在在濕地恢復(fù)和管理過程中，需要對濕地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)狀評估與風(fēng)險評價，但一直缺乏有效的生態(tài)風(fēng)險評價工具，為濕地保護(hù)和恢復(fù)方面的濕地管理和監(jiān)管決策提供有效信息。一般認(rèn)為濕地生態(tài)條件將沿著應(yīng)力梯度變化，并且基于一組表征度量可評估終極狀態(tài)的假設(shè)，生物完整性指數(shù)可被用作生態(tài)系統(tǒng)健康風(fēng)險評價的最有力工具，本文在回顧濕地評價中已經(jīng)開發(fā)出各種微生物、動植物完整性指數(shù)的基礎(chǔ)上，重點論述了以線蟲生態(tài)毒理學(xué)研究方法為基礎(chǔ)的土壤動物生物完整性指數(shù)，在濕地健康定量評價中的應(yīng)用前景，特別強(qiáng)調(diào)了在種屬層次以及分子水平上的生物指數(shù)綜合，是實現(xiàn)高效快速的濕地生態(tài)風(fēng)險評價的重要指標(biāo)工具。

1 濕地生態(tài)風(fēng)險評價

濕地是陸地與水域之間的過渡地帶，因其較強(qiáng)的過濾與自凈功能被喻為“地球之腎”，而這一特性也使?jié)竦匾子谑艿酵鈦砦廴疚锏耐{[1]。濕地生態(tài)系統(tǒng)是地球上生產(chǎn)力最高的生態(tài)系統(tǒng)，為自然界和人類社會提供了豐富的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，包括維持生物多樣性、改善水質(zhì)、緩解洪水以及地下水補(bǔ)給等。但是關(guān)于濕地這些有價值的屬性只是近幾十年才得到廣泛認(rèn)可，事實是當(dāng)下的全球濕地不論在數(shù)量和質(zhì)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(xué)變化程度知之甚少[2]。考慮到濕地生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性和多樣性，評估濕地質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)化及可量化方法的缺乏問題日益凸顯。

隨著工業(yè)生產(chǎn)的高速發(fā)展，濕地面臨各種環(huán)境污染風(fēng)險。盡管人為劃分了許多具有不同生態(tài)系統(tǒng)功能的濕地類型，但仍缺乏對濕地生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行風(fēng)險評估的有效手段，有效的生態(tài)風(fēng)險評估工具可使監(jiān)管機(jī)構(gòu)和土地管理者在濕地發(fā)展和修復(fù)方面做出明智的決策，并監(jiān)測乃至預(yù)測其所在地區(qū)的自然濕地狀況[3]。濕地生態(tài)風(fēng)險評價的實際應(yīng)用將使人們更好地理解物理、化學(xué)和生物風(fēng)險源如何影響濕地，并為濕地管理提供科學(xué)支撐。這就要求確定濕地生態(tài)健康評價指標(biāo)的完整性，要綜合已經(jīng)開發(fā)出的各種評估方法，來準(zhǔn)確地測量濕地生態(tài)系統(tǒng)健康水平的完整性，或者系統(tǒng)表征濕地生態(tài)系統(tǒng)的整體功能[4]。

化學(xué)監(jiān)測只能獲得一個時間點的樣本，濕地區(qū)域的生物地球化學(xué)特征隨著時間的推移而變化，而這些潛在化學(xué)污染物的累積效應(yīng)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(qū)域濕地的生態(tài)風(fēng)險，并根據(jù)這些風(fēng)險等級劃分濕地分保護(hù)區(qū)。濕地風(fēng)險評價或風(fēng)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(tài)系統(tǒng)的生存和健康構(gòu)成的風(fēng)險的方法[6]。這就需要在整個生態(tài)系統(tǒng)范圍內(nèi)對目標(biāo)物種進(jìn)行深入研究或文獻(xiàn)檢索，并對整個棲息地健康風(fēng)險特征的自然變化進(jìn)行科學(xué)認(rèn)識。從環(huán)境毒理學(xué)與污染生態(tài)的角度，風(fēng)險應(yīng)界定為由于生態(tài)系統(tǒng)暴露于脅迫因子的量化程度下而產(chǎn)生不利影響的可能性(劑量效應(yīng)關(guān)系)，即不良脅迫的后果和脅迫發(fā)生的可能性(暴露效應(yīng))。生態(tài)風(fēng)險評價在基于適應(yīng)性管理原則的濕地管理中發(fā)揮著重要作用。

生態(tài)風(fēng)險評價已被用于調(diào)查特定環(huán)境污染物對生態(tài)系統(tǒng)的影響，并被廣泛地應(yīng)用于評估復(fù)合脅迫環(huán)境影響潛力。濕地環(huán)境復(fù)雜，不同類型如河口、盆地等，其生態(tài)因子包括不同的介質(zhì)表面水、沉積物、陸地、土壤及各類生物。環(huán)境脅迫下濕地生物群多樣性出現(xiàn)不同響應(yīng)，特別是化學(xué)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(xiàn)，表征出濕地棲息地的多樣性風(fēng)險[7]。這種特殊動物類群對于特定的濕地風(fēng)險響應(yīng)可能是相當(dāng)獨特的，可以用于表征整個濕地生態(tài)系統(tǒng)對化學(xué)污染物的響應(yīng)，進(jìn)而揭示環(huán)境污染物對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的影響，并基于此實現(xiàn)濕地的生態(tài)風(fēng)險評價[8]。

美國環(huán)境保護(hù)局(US EPA)濕地研究計劃中關(guān)于濕地風(fēng)險評價體系由三部分組成：風(fēng)險評估、風(fēng)險管理和監(jiān)測/評估，以及包括景觀、快速和強(qiáng)化的三級評估系統(tǒng)，依靠人為干擾指標(biāo)來確定生態(tài)完整性[9]。根據(jù)用于識別和評估濕地潛在風(fēng)險的壓力因素函數(shù)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(fēng)險。但是確定可能對生態(tài)受體或組分造成威脅的化學(xué)污染物濃度時，需要一定程度的科學(xué)判斷與優(yōu)化，即毒理學(xué)上關(guān)于濃度/劑量-效應(yīng)關(guān)系的綜合確定，這類毒理學(xué)基本信息對后續(xù)的風(fēng)險管理決策是至關(guān)重要的[10]。因此，毒性測試對于建立污染物毒理效應(yīng)，即化學(xué)物質(zhì)毒性與生物響應(yīng)之間的聯(lián)系是必要的。這就要求在基于生物完整性指標(biāo)評價的毒理學(xué)研究中，應(yīng)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(shù)據(jù)與現(xiàn)場生態(tài)調(diào)查相結(jié)合的條件，進(jìn)而可用于預(yù)測濕地風(fēng)險評價。這樣，土壤動物因為具有上述優(yōu)勢，可用做生物指數(shù)進(jìn)行濕地生態(tài)風(fēng)險評價。

2 用于濕地評價的完整性指標(biāo)

生物完整性指數(shù)(IBI)，也稱為生物區(qū)系完整性指數(shù)，是用于識別和分類水污染問題的科學(xué)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(huán)境保護(hù)局、魚類及野生動物管理局和學(xué)術(shù)界的專家制定[11-12]。IBI將水體的環(huán)境壓力與水體中的生物活動聯(lián)系起來，可對環(huán)境壓力對生物群落結(jié)構(gòu)的綜合影響進(jìn)行評價預(yù)測。IBI以環(huán)境毒理學(xué)數(shù)據(jù)為依據(jù)，是進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)健康風(fēng)險評價的最有力工具。迄今為止，在濕地評價中已經(jīng)開發(fā)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(biāo)并沒有特別關(guān)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(jiān)測指標(biāo)[18-20]，相關(guān)檢測方案已成功應(yīng)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(fù)雜性與變化趨勢，包括細(xì)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(biāo)，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(xiàn)出廣泛的耐受性和特異性[23]。

使用高等生物作為IBI指標(biāo)有許多優(yōu)點，但要根據(jù)棲息地類型和區(qū)域特征調(diào)整生物指標(biāo)。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(tài)系統(tǒng)。作為最顯著的濕地動物，鳥類可能是濕地生態(tài)系統(tǒng)IBI一個合乎邏輯的選擇，因為禽類可對棲息地的結(jié)構(gòu)變化做出反應(yīng)，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(lián)系，以及生理生態(tài)多樣性，植被是各種類型的濕地評估方法中常用的基礎(chǔ)指標(biāo)。植物的生物完整性指數(shù)將濕地植物群落結(jié)構(gòu)的屬性結(jié)合到與干擾相關(guān)的定量評價中[26]，在濕地保護(hù)和棲息地質(zhì)量評估中發(fā)揮重要作用。植被響應(yīng)具有場地保真度的性質(zhì)，可表征出不同程度的壓力源。開發(fā)IBI時，在確定使用哪種分類系統(tǒng)前，要根據(jù)目標(biāo)濕地的特征先進(jìn)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(tǒng)(GIS)對濕地進(jìn)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(xué)上有意義[29]。

現(xiàn)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(zhì)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(biāo)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(shù)量的類群表征干擾動態(tài)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(qiáng)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(biāo)，將是實現(xiàn)真正意義上的濕地生態(tài)風(fēng)險評價的潛在指標(biāo)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(yǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可以靈敏地感受濕地周圍環(huán)境變化[34-36]。線蟲生活史周期短，可在短時間內(nèi)對環(huán)境變化產(chǎn)生指示響應(yīng)，因此線蟲作為濕地土壤和水環(huán)境健康評價的指示生物具有廣闊前景[37-39]。在一定區(qū)域范圍內(nèi)，通過監(jiān)測土壤線蟲的生物學(xué)特性、種群數(shù)量、群落結(jié)構(gòu)等生理生態(tài)指數(shù)，可實現(xiàn)對生境或某一環(huán)境因子動態(tài)變化的表征。

秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans)被廣泛用作模式生物進(jìn)行污染生態(tài)學(xué)研究并已建立實驗標(biāo)準(zhǔn)[40-41]，具有作為指示生物的潛質(zhì)應(yīng)用于生態(tài)監(jiān)測和生態(tài)風(fēng)險評價[42]。在生命科學(xué)領(lǐng)域，秀麗隱桿線蟲作為多細(xì)胞后生動物體現(xiàn)出的遺傳學(xué)優(yōu)勢，表現(xiàn)出其他模式生物不可替代的作用。作為濕地科學(xué)與污染生態(tài)學(xué)發(fā)展的重要方向，研究典型污染背景下的濕地生態(tài)系統(tǒng)健康機(jī)制已迫在眉睫。在生態(tài)風(fēng)險評價中，采用不同模式生物，會產(chǎn)生不同的研究結(jié)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(tài)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(nèi)與野外綜合優(yōu)勢，更有可能作為用于濕地生態(tài)風(fēng)險評價的IBI篩選模型。

不同層次的分子生物標(biāo)記物組合可綜合揭示濕地健康特別是復(fù)合污染脅迫效應(yīng)，并形成污染診斷系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的濕地生態(tài)健康風(fēng)險評價[44-48]?；蚨纠韺W(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)為測定由化學(xué)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(xiàn)場進(jìn)行土壤動物的生物毒性測定[49]，美國材料試驗協(xié)會(ASTM)等早已廣泛開展這種濕地污染風(fēng)險分析方法的研究[50]。在濕地風(fēng)險評估過程中，需要在濕地生態(tài)系統(tǒng)選取合適的模式生物和指示生物進(jìn)行IBI綜合研究[51]。結(jié)合線蟲物美價廉的生物學(xué)優(yōu)勢，進(jìn)行濕地污染生態(tài)學(xué)模式生物的污染物標(biāo)準(zhǔn)化毒性測試，是實現(xiàn)濕地IBI構(gòu)建并進(jìn)行濕地風(fēng)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(shù)的濕地生態(tài)健康評價體系。

4 結(jié)語

生態(tài)風(fēng)險評價的目的是使用可觀察指標(biāo)體系，評估自然生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜現(xiàn)狀并預(yù)警未來，實現(xiàn)這一目標(biāo)需要系統(tǒng)的生物完整性指數(shù)加以表征。濕地生物完整性指數(shù)體系的成功開發(fā)和有效應(yīng)用是實現(xiàn)濕地生態(tài)風(fēng)險評價的科學(xué)基礎(chǔ)，該方法的開發(fā)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(yīng)的環(huán)境條件測量值用于驗證。應(yīng)用各層次水平的生物完整性指數(shù)進(jìn)行綜合表征監(jiān)測，可滿足濕地評估需求，為濕地生態(tài)風(fēng)險評價提供有意義且可靠的工具。