濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法研究進(jìn)展

周靜, 萬榮榮

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濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法研究進(jìn)展

周靜1,2, 萬榮榮1,*

1. 中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所, 中國科學(xué)院流域地理學(xué)重點實驗室, 南京 210008 2. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

濕地被譽(yù)為“地球之腎”, 健康的濕地生態(tài)系統(tǒng)對區(qū)域乃至全球生態(tài)平衡有著重要的影響, 因此進(jìn)行濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價, 對濕地保護(hù)管理、規(guī)劃利用以及濕地治理有重要科學(xué)意義。濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價關(guān)鍵在于評價方法選取與指標(biāo)體系構(gòu)建。文章在介紹濕地生態(tài)系統(tǒng)健康內(nèi)涵及健康評價發(fā)展過程的基礎(chǔ)上, 重點總結(jié)回顧了國內(nèi)外幾種常用濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價的方法, 歸納、剖析了不同方法的優(yōu)缺點, 并對目前濕地生態(tài)健康評價中存在的問題及今后的研究方向進(jìn)行探討與展望, 包括健康標(biāo)準(zhǔn)、綜合評價方法的選擇、多時空尺度的綜合以及濕地健康評價的應(yīng)用等問題。

濕地; 生態(tài)系統(tǒng); 健康評價; 指標(biāo); 閾值

1 前言

在《世界自然保護(hù)大綱》中, 濕地與森林、海洋一起并稱為全球三大生態(tài)系統(tǒng)[1], 是地球上水陸相互作用形成的特殊自然綜合體, 成為各種能流、物流和信息流的交換場所。濕地因其具有強(qiáng)大的水文循環(huán)功能、巨大的環(huán)境調(diào)節(jié)功能和生態(tài)效益, 以及豐富的資源潛力, 被譽(yù)為“地球之腎”[2]。濕地的特殊性, 決定了濕地生態(tài)系統(tǒng)容易遭到干擾與破壞, 且難恢復(fù), 健康的濕地生態(tài)系統(tǒng)對區(qū)域乃至全球生態(tài)平衡, 以及人類健康都有著非常重要的影響。隨著環(huán)境污染的加劇, 世界各地濕地生態(tài)系統(tǒng)健康面臨嚴(yán)重威脅, 各國高度重視濕地保護(hù)與健康研究。近十幾年來, 美國環(huán)保署(USEPA, United States Environmental Protection Agency)對全國濕地進(jìn)行了全面深入的健康診斷和評價, 基于不同尺度, 形成了3個層次的濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價體系[3]。1946年, 英國成立野生鳥類和濕地基金會(The Wildfowl & Wetlands Trust, WWT)。2000年, 歐盟水框架指令(Water Framework Directive of the European Union, WFD)實施, 為濕地等水生態(tài)系統(tǒng)的評價與恢復(fù)提供指導(dǎo)框架, 該指令提出了基于植物群、底棲無脊椎動物、魚類等生物要素以及水文形態(tài)、物理化學(xué)等因素的指標(biāo)體系[4]。澳大利亞于1997年頒布《澳大利亞聯(lián)邦政府濕地政策》(The Wetlands Policy of Commonwealth Government of Australia), 采取各種措施進(jìn)行濕地保護(hù)與管理[5]。

上個世紀(jì)90年代生態(tài)系統(tǒng)健康成為區(qū)域環(huán)境管理的一個新目標(biāo)和新方法[6], 濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價受到了許多組織和學(xué)者重視, 已成為當(dāng)前生態(tài)系統(tǒng)綜合評估的核心內(nèi)容[7]。其中, 評價方法的研究已成為熱點, 其科學(xué)性對評價結(jié)果的準(zhǔn)確性、客觀性有深刻的影響。同時, 濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法研究也面臨挑戰(zhàn), 關(guān)于評價的方法選擇、指標(biāo)構(gòu)建以及健康標(biāo)準(zhǔn)、評價尺度等問題有待進(jìn)一步解決。二十多年來, 國內(nèi)外學(xué)者對濕地健康評價的方法、體系展開了許多研究。本文在介紹濕地生態(tài)系統(tǒng)健康內(nèi)涵及評價的基礎(chǔ)上, 歸納總結(jié)了國內(nèi)外濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價的方法及特征, 最后對今后研究方向做出了展望。

2 濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的內(nèi)涵

“健康”原是醫(yī)學(xué)上的概念, 被定義為“無疾病, 或沒有生理機(jī)能失調(diào)”。蘇格蘭醫(yī)學(xué)家、地質(zhì)學(xué)家James Hutton于1788年首次提出健康與生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)系, 認(rèn)為地球是一個大的能夠自身維持的有機(jī)體。生態(tài)系統(tǒng)健康的概念最早可以在Aldo Leopold[8]的著作中發(fā)現(xiàn), Leopold首先定義了“土地健康”, 認(rèn)為健康的土地是被人類占領(lǐng)而沒有使其功能受到破壞的狀況。隨后, 國內(nèi)外學(xué)者Costanza[9]、Schaffer[10]和Rapport[11–12]等從不同學(xué)科視角以及功能、結(jié)構(gòu)等不同角度定義了生態(tài)系統(tǒng)健康, 并從最初生態(tài)學(xué)的角度考慮——以Costanza[9]的定義為代表, 傾向于自然生態(tài)方面, 認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)健康就是沒有疾病, 即生態(tài)系統(tǒng)的組織未受到損害或減弱, 并具有一定的恢復(fù)能力, 發(fā)展到20世紀(jì)90年代晚期加入人類健康因素——認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)健康依賴于社會系統(tǒng)的判斷, 還應(yīng)考慮人類福利要求, 生態(tài)系統(tǒng)健康的概念逐漸得到發(fā)展, 以Rapport等[12–13]的定義最為典型。回顧歷來的研究, 許多學(xué)者通常用健康的特性或測量標(biāo)準(zhǔn)來詮釋生態(tài)系統(tǒng)健康的概念, 把穩(wěn)定性、恢復(fù)力和抵抗力等作為健康的重要特性。同時, 由于生態(tài)系統(tǒng)本身的復(fù)雜性、人們認(rèn)識及研究目的的差異性, 生態(tài)系統(tǒng)健康的概念遠(yuǎn)未統(tǒng)一。

濕地系統(tǒng)是一個復(fù)雜的復(fù)合系統(tǒng), 因此更難給出一個精確明晰的關(guān)于濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的定義。目前, 認(rèn)為國際生態(tài)系統(tǒng)健康學(xué)會的定義和崔保山的定義表述較為完整[14–15]。前者表述為: 濕地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定且可持續(xù)發(fā)展、無疾病反應(yīng), 即指生態(tài)系統(tǒng)能夠長期保持活力并維持其組織及自主性, 在外界脅迫下容易恢復(fù)。此定義從濕地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部定義健康的概念, 但沒有將人類因素考慮在內(nèi)。后者認(rèn)為健康的濕地生態(tài)系統(tǒng)既能夠提供特殊功能, 也具有維持自身有機(jī)組織, 從不良環(huán)境脅迫自行恢復(fù)的能力, 即指濕地生態(tài)系統(tǒng)在一定的時空尺度內(nèi)對各種擾動能保持著彈性和穩(wěn)定性。該定義包含了濕地能夠為人類社會提供服務(wù)的能力, 反映了濕地健康與社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)間的聯(lián)系, 是當(dāng)前較為完整的定義。

3 濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價概述

隨著生態(tài)環(huán)境問題的產(chǎn)生、人類面臨著合理保護(hù)和恢復(fù)自然資源的問題, 因此科學(xué)家針對生態(tài)系統(tǒng)不健康的現(xiàn)實, 展開人類活動與區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)健康等問題的整合研究, 確定生態(tài)系統(tǒng)在脅迫條件下產(chǎn)生不健康的癥狀和機(jī)理, 探討其恢復(fù)對策, 為生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)提供參考。生態(tài)系統(tǒng)健康及評價研究即是在這一背景下產(chǎn)生的[13, 16]。所以, 濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價的目的是通過全面研究生態(tài)系統(tǒng)在脅迫下的特征, 根據(jù)濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能規(guī)律, 進(jìn)行系統(tǒng)診斷, 找出生態(tài)系統(tǒng)退化或不健康的預(yù)警指標(biāo), 從而為濕地管理提供目標(biāo)依據(jù), 以便更好地利用和保護(hù)濕地生態(tài)環(huán)境[17–18]。Aldo Leopold[8]第一個進(jìn)行了“土地疾病”癥狀的分析, 包括侵蝕、肥力喪失、水文反常、某些物種非經(jīng)常性的數(shù)量爆發(fā)或莫名其妙的局域性滅絕、農(nóng)林產(chǎn)品質(zhì)量的退化等。對于濕地生態(tài)系統(tǒng), 其偏離正常邊界、功能紊亂的癥狀有水質(zhì)變差、水文反常、生物多樣性喪失等。

Rapport[13]表示, 評價生態(tài)系統(tǒng)是否健康可以從活力、組織結(jié)構(gòu)和恢復(fù)力等三個主要特征來定義。許多學(xué)者基于這一思想通過分析人類對生態(tài)系統(tǒng)的壓力、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的改變、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)喪失與社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)反應(yīng)間的聯(lián)系, 開展生態(tài)系統(tǒng)健康評價。Karr[19]認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)的退化是人類過度干擾造成的, 生態(tài)系統(tǒng)健康就是生態(tài)完整性(Ecolo-gical Integrity), 并率先在對河流的評價中建立使用了生物完整性指標(biāo)(IBI), 隨后廣泛應(yīng)用到了水生生態(tài)系統(tǒng)健康評價實踐中。生態(tài)系統(tǒng)健康評價實際上是描述濕地的現(xiàn)狀與管理目標(biāo)所設(shè)定的理想狀態(tài)間的差異程度[17], 也就是說需要確定一個濕地生態(tài)遭到破壞的最低閾值, 而這個過程的關(guān)鍵在于確定出衡量偏離健康狀態(tài)程度的合理指標(biāo)及測度方法[18]。濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價的研究主要包括:濕地健康概念的理論問題、診斷指標(biāo)、評價方法以及研究尺度等問題[20–21], 而目前的側(cè)重已從理論上的概念爭議轉(zhuǎn)移到實踐中定量評價方法的探討。因此, 評價方法是濕地健康評價研究最具前景的研究方向: 評價方法的科學(xué)性是客觀評價的基礎(chǔ), 對于濕地這一復(fù)雜系統(tǒng), 正確且客觀地進(jìn)行健康評價面臨很大挑戰(zhàn), 在評價方法方面有許多理論問題和實踐問題尚待解決, 因而極具研究前景。

4 國內(nèi)外濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法概述及比較分析

作為濕地科學(xué)研究的新領(lǐng)域, 濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價近年來發(fā)展迅速, 國內(nèi)外學(xué)者已運用多種方法對此進(jìn)行了探索, 并隨著3S技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用、統(tǒng)計學(xué)方法的完善進(jìn)步, 許多新方法被廣泛應(yīng)用到濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價中, 但也由于各種方法出發(fā)點不同, 解決問題的思路以及適用對象存在差異, 因此各有優(yōu)缺點?；谶@種現(xiàn)狀, 本文對目前常用評價方法進(jìn)行分類, 可歸納概括為兩大類: 生物法和指標(biāo)體系法。

4.1 生物法

鑒于生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性, 我們經(jīng)常通過研究單個物種或指示類群來反應(yīng)濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況[22]。首先確定生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵物種、特有物種、瀕危物種或環(huán)境敏感物種, 然后采用適宜方法測量其數(shù)量、生物量、生產(chǎn)力、結(jié)構(gòu)功能指標(biāo)及一些生理生態(tài)指標(biāo), 進(jìn)而描述生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況[23]。一般來說, 在一些自然生態(tài)系統(tǒng)中指示物種法比較適用, 利用這種方法對濕地生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行評價的工作已有很多。硅藻、海草、鳥類、魚類以及底棲無脊椎動物等被作為評價濕地健康程度的可行指標(biāo)[24]。Montefalcone等[25]利用海草建立了3類綜合指標(biāo)來評價濱海濕地的健康程度。鄭耀輝等[26]指出海蛙作為紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)中唯一的兩棲動物, 開展其環(huán)境指示功能進(jìn)行相關(guān)研究具有很好的現(xiàn)實意義?？傮w來說, 在國內(nèi)指示物種法應(yīng)用較少, 但由于其比較容易測度、花費低等優(yōu)勢, 這種方法在在濕地健康評價中有很廣泛的應(yīng)用。但它也存在很明顯的缺陷: 篩選標(biāo)準(zhǔn)不明確, 有些采用了不合適的類群[27–28]。另外, 關(guān)于指示物種的減少是否能全面反映生態(tài)系統(tǒng)的變化趨勢仍存在爭議。Boulton[29]發(fā)現(xiàn)指示物種的變化與整個生態(tài)系統(tǒng)功能、性質(zhì)的變化相關(guān)性很小, 而且指示物種法不考慮人類健康和社會經(jīng)濟(jì)等因素, 難以對濕地健康變化趨勢做出預(yù)測。

4.1.2 生物完整性指數(shù)法

生物完整性指數(shù)(Index of Biotic Integrity, IBI)概念最先由Karr[30]在1981年提出, 用魚類來評價河流的質(zhì)量特點, 隨后, 美國學(xué)者將其推廣到濕地健康評價中。IBI方法的實施過程: 在對待評價區(qū)濕地類型進(jìn)行劃分的基礎(chǔ)上, 開展野外調(diào)查收集區(qū)域內(nèi)土地利用和棲息地信息, 建立人類干擾梯度; 然后, 篩選并確定生物類群及各類生物屬性, 對多數(shù)生物種類而言, 一般采用8—12個對人類干擾敏感的生物屬性來構(gòu)建多測度指標(biāo)[3]; 最后, 根據(jù)一定規(guī)則進(jìn)行打分, 得到該濕地的IBI值。在北美大湖濕地生物多樣性監(jiān)測項目中, 研究人員每年對1500個監(jiān)測樣點的植物、魚類、鳥類、兩棲類和底棲無脊椎動物五大生物類群以及水體環(huán)境展開野外調(diào)查、數(shù)據(jù)采集, 構(gòu)建其生物完整性指數(shù)。項目組依據(jù)IBI指數(shù)的評價結(jié)果形成生物多樣性監(jiān)測和生態(tài)系統(tǒng)評價報告, 美國環(huán)境保護(hù)局據(jù)此進(jìn)行大湖濕地生態(tài)系統(tǒng)的管理與保護(hù)。例如, 多年來監(jiān)測及IBI數(shù)據(jù)分析顯示, 大湖周圍農(nóng)業(yè)污染導(dǎo)致底棲無脊椎動物群落物種豐富度和均勻度下降, 該研究結(jié)果提示政府部門應(yīng)加強(qiáng)對農(nóng)業(yè)污水排放等的管控[31]。另外, 有研究顯示蘆葦在許多地區(qū)有持續(xù)擴(kuò)張趨勢, 對大湖濕地的原生植被造成嚴(yán)重破壞, 政府投入了大量財力, 采取噴灑除草劑、火燒、刈割等措施控制蘆葦?shù)穆覽32]。因此, 基于生物多樣性監(jiān)測的IBI方法, 對于理解人類活動對濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的影響、建立生態(tài)安全預(yù)警起到重要作用。除北美大湖, 世界上許多湖泊濕地已開展了生物多樣性監(jiān)測, 包括加拿大, 歐洲國家。Petesse等[33]建立了亞馬遜河泛濫平原區(qū)湖泊濕地的生物完整性指數(shù), 并進(jìn)行健康評價, 研究發(fā)現(xiàn)指標(biāo)得分有顯著的季節(jié)性差異, 與亞馬遜河的洪水周期相吻合, 且這種方法能有效區(qū)分參照湖泊與受損湖泊。Breine等[34]基于魚類構(gòu)建IBI, 參考生態(tài)標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)計分析對挑選的9個指標(biāo)進(jìn)行打分進(jìn)而評價佛蘭德斯上游河流濕地的健康狀態(tài), 結(jié)果顯示能很好地區(qū)分采樣點受干擾程度, 符合WFD提出的標(biāo)準(zhǔn)。我國濕地的生物多樣性監(jiān)測還處于探索和起步發(fā)展階段, IBI法在國內(nèi)應(yīng)用較少。

生物完整性指數(shù)法相對其他方法勞動強(qiáng)度較大, 需實地采樣調(diào)查, 故適用于小尺度的濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價。該方法能提供一種直接測量水生植物和動物的方法, 從而有效地確定脅迫反應(yīng)的閾值, 有助于相關(guān)部門指定管理目標(biāo)與決策[19]。

4.2 指標(biāo)體系法

指標(biāo)體系法, 也稱多指標(biāo)綜合評價法, 通過選取能夠表示生態(tài)系統(tǒng)主要特征的指標(biāo), 并確定其在生態(tài)系統(tǒng)健康中的權(quán)重系數(shù), 進(jìn)行綜合評價來反映濕地的健康程度。相比于物種指示法, 多指標(biāo)綜合評價法涉及多領(lǐng)域、多學(xué)科, 考慮了生態(tài)、景觀、社會經(jīng)濟(jì)等因素, 因此更綜合全面, 在國內(nèi)應(yīng)用較多。但也存在指標(biāo)選取重復(fù), 權(quán)重確定過程中主觀性強(qiáng)等問題, 評價方法研究有待進(jìn)一步深入。

4.2.1 評價模型(指標(biāo)體系)

科學(xué)地選取評價指標(biāo)是濕地評價的基礎(chǔ)。隨著對生態(tài)系統(tǒng)以及濕地科學(xué)的深入研究, 濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價的診斷指標(biāo)由最初集中在生物、化學(xué)指標(biāo)上(水、沉積物和有機(jī)物的化學(xué)組成, 物種組成和多樣性, 生態(tài)系統(tǒng)生物量和生產(chǎn)率等), 逐漸加入了物理指標(biāo)、壓力指標(biāo), 并將社會經(jīng)濟(jì)因素考慮在內(nèi), 使健康評價的指標(biāo)體系不斷完善[15]。

在濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價中, 會根據(jù)不同類型的濕地生態(tài)系統(tǒng)(湖泊、河流、沼澤以及人工濕地等)選取不同評價指標(biāo)[35]。由于環(huán)境背景和研究目的的差異, 指標(biāo)體系將無法得到更系統(tǒng)、更深入的研究, 而且在評價過程中, 對不同指標(biāo)分別評價是很繁雜困難的工作, 因此需要構(gòu)建整體的評價模型, 將濕地類型所具有的共性提取出來進(jìn)行指標(biāo)的確定。Friend和Rapport[36]提出PSR模型, 以因果關(guān)系為基礎(chǔ), 考慮壓力、狀態(tài)、響應(yīng)3方面, 是目前應(yīng)用最廣泛的指標(biāo)體系框架。各學(xué)者從自身研究出發(fā)對PSR模型進(jìn)行調(diào)整, 得到驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)(DPSIR)模型、驅(qū)動力-狀態(tài)-響應(yīng)(DSR)模型等[37]?；贑ostanza健康指數(shù)的活力-組織力-恢復(fù)力(VOR)模型也被國際生態(tài)系統(tǒng)健康學(xué)會所認(rèn)可。隨后, 各國進(jìn)行指標(biāo)體系框架的積極探索, 澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)和工業(yè)研究組織的學(xué)者考慮環(huán)境背景、環(huán)境變化趨勢以及社會經(jīng)濟(jì)3個方面建立了流域健康診斷指標(biāo)體系, 取得較好成果[38–39]; 國內(nèi)學(xué)者崔保山和楊志峰[35], 從生態(tài)特征、功能整合性、社會政治環(huán)境三方面構(gòu)建了評價模型; 由國家林業(yè)局濕地保護(hù)管理中心委托中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所等單位承擔(dān)的“濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系”, 從水環(huán)境、土壤、生物、景觀、以及社會5個方面進(jìn)行考慮評估濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài)[40]。

此外，也可開展鄉(xiāng)鎮(zhèn)級別的幼兒教師培訓(xùn)，讓教師們充分了解幼兒一日活動的基本理念及詳細(xì)規(guī)則。培訓(xùn)中可以就某些集中問題進(jìn)行分組討論，例如幼兒的晨間鍛煉運動有哪些具體的要求，需要注意哪些細(xì)節(jié)，教師應(yīng)該做什么工作，具體怎么執(zhí)行等。在討論的基礎(chǔ)上，讓教師們撰寫自己的心得體會，總結(jié)如何才能夠?qū)⒂變阂蝗毡＝袒顒訄?zhí)行得更好，真正地理解并做到幼兒教師規(guī)范細(xì)則。

4.2.2 健康標(biāo)準(zhǔn)

為合理地定量評價濕地生態(tài)系統(tǒng)健康, 需要確定構(gòu)建指標(biāo)的閾值范圍。已有的研究在健康標(biāo)準(zhǔn)的分級上仍存在許多爭議。針對不同的指標(biāo)體系, 確定合適的指標(biāo)閾值對健康評價結(jié)果有很重要的影響。一般地, 通過搜集相關(guān)歷史背景資料, 參考國家制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)外較成熟的研究成果以及相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗判斷來制定評價標(biāo)準(zhǔn)[41–42]。大部分研究學(xué)者將指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)劃為很健康、健康、亞健康、不健康和病態(tài)等5個等級。

4.2.3 評價方法

歸納目前濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價中常用的多指標(biāo)綜合評價法如表1。

多指標(biāo)綜合評價是個十分復(fù)雜的問題, 評價的結(jié)果是多種因素(評價對象、評價目標(biāo)、評價指標(biāo)、評價方法等)組合所決定的。傳統(tǒng)評價方法對此缺乏理性標(biāo)準(zhǔn), 影響評價結(jié)果的客觀性和科學(xué)性[43], 同時, 可能出現(xiàn)使用不同評價方法得到評價結(jié)論差異較大的現(xiàn)象?；谶@種現(xiàn)狀, 利用綜合集成的思想, 將兩種或兩種以上的方法加以改造并結(jié)合得到一種新的評價方法成為了當(dāng)今評價領(lǐng)域及濕地健康領(lǐng)域的研究熱點。在面對復(fù)雜的評價系統(tǒng), 且決策目標(biāo)具有模糊性、難量化等特點時, 將一般綜合評價方法與模糊綜合評價相結(jié)合, 引入模糊數(shù)學(xué)的隸屬度和灰色系統(tǒng)理論的灰度概念可達(dá)到更好的效果。例如, 朱衛(wèi)紅等[44]運用層次分析法和模糊綜合評價法對圖們江下游濕地健康進(jìn)行評價, 取得較為滿意的效果。此外, 一般評價方法與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的集成, 以及模糊數(shù)學(xué)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合已經(jīng)得到較好地發(fā)展和運用。

5 存在問題與發(fā)展趨勢

5.1 健康標(biāo)準(zhǔn)的問題

目前, 關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)的健康標(biāo)準(zhǔn)或參考狀態(tài)仍存在爭議: 一些學(xué)者提出未經(jīng)人類干擾的原始狀態(tài), 也有學(xué)者認(rèn)為是演替的頂級狀態(tài), 還有學(xué)者提出生命誕生前的熱力學(xué)平衡狀態(tài), 但這些將某一特定狀態(tài)作為健康標(biāo)準(zhǔn)的看法均缺乏理論依據(jù), 遭到了部分學(xué)者的質(zhì)疑[65]。根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的“自然”程度或者說受干擾程度來判定生態(tài)系統(tǒng)健康是否科學(xué)？簡單來考慮: 如果以一種合理、可持續(xù)的方式開發(fā)利用生態(tài)系統(tǒng), 新的生態(tài)系統(tǒng)是否一樣可以保持健康？說到底生態(tài)系統(tǒng)的健康標(biāo)準(zhǔn)是一個人類標(biāo)準(zhǔn)。其次, 濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的概念具有模糊性, 涉及到生態(tài)系統(tǒng)、景觀、流域等多種尺度的濕地健康。不同尺度下, 其狀態(tài)特征、表現(xiàn)行為存在差異, 在小尺度上常表現(xiàn)出非平衡特征或“瞬變態(tài)特征”, 但在更大尺度上則可能表現(xiàn)為極強(qiáng)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性[66]。因此, 生態(tài)系統(tǒng)健康標(biāo)準(zhǔn)、評價指標(biāo)的確定是否需要考慮健康的時空差異性。

表1 濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價常用多指標(biāo)綜合評價法比較與匯總

5.2 綜合評價方法的選擇問題

綜合評價是運用各種數(shù)學(xué)方法對具有多屬性體系結(jié)構(gòu)的對象系統(tǒng)進(jìn)行整體性、全局性的評價, 即通過對多個指標(biāo)信息的賦值, 得到其優(yōu)劣排序的一種評價方法[43, 67]。隨著數(shù)理統(tǒng)計等相關(guān)領(lǐng)域研究的不斷深入以及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 多指標(biāo)綜合評價的方法越來越多。但由于評價方法機(jī)理各異, 適用范圍不同, 在面對不同類型、不同環(huán)境背景的濕地生態(tài)系統(tǒng)時, 沒有一個可供參考的準(zhǔn)則去選擇評價方法也是當(dāng)前濕地健康評價中存在的問題。

5.3 時空尺度及差異性問題

我國目前只有少數(shù)濕地開展了相關(guān)監(jiān)測工作, 現(xiàn)有監(jiān)測體系的分布和代表性尚不能滿足區(qū)域尺度上濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價的需要, 濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價多局限在單一濕地上, 缺乏在區(qū)域/景觀水平上對某一類型的濕地進(jìn)行大范圍、全面的評價[3]。而在EPA的組織下, 美國已開展了大、中尺度的濕地健康評價研究工作, 有學(xué)者利用大型無脊椎動物和植物的生物完整性指數(shù)評價了明尼蘇達(dá)州的100多個低洼濕地[68], 其評價結(jié)果對濕地監(jiān)測工作和濕地管理工作有實際指導(dǎo)意義。濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價, 僅關(guān)注某個單一尺度, 可能漏掉來自其他尺度生態(tài)、社會經(jīng)濟(jì)因素相互作用的有關(guān)信息, 而且如果采用的尺度顯著大于或小于某些因素的特征尺度, 很可能得出錯誤結(jié)論。

5.4 未來發(fā)展趨勢

針對上述問題, 濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價未來的研究可重點考慮以下幾個方面:

濕地生態(tài)系統(tǒng)健康受到自身演替、自然干擾及社會價值變化等的制約, 即在不同時間尺度下存在差異。因此在確定參考狀態(tài)、健康標(biāo)準(zhǔn)或劃分健康等級時, 要用異質(zhì)性理論和發(fā)展的觀點對評價指標(biāo)的安全閾值或健康狀態(tài)等級進(jìn)行辨識和劃分。同時, 不能過分考慮生態(tài)系統(tǒng)的“自然程度”, 或拘泥于理想狀態(tài), 而應(yīng)根據(jù)濕地生態(tài)系統(tǒng)的自我維持和更新能力來把握濕地的健康, 預(yù)測濕地的未來趨勢。其次, 在濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價時, 重點考慮對評價結(jié)果有決定性作用的關(guān)鍵性控制指標(biāo), 實現(xiàn)少量指標(biāo)或單一指標(biāo)的健康風(fēng)險預(yù)警, 是濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價研究的未來趨勢。

在濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價時, 移植運用其他學(xué)科研究方法, 不斷引入新的評價方法是有效開展今后評價工作的基礎(chǔ)。另外, 借助計算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù), 對多學(xué)科研究方法進(jìn)行集成、組合研究, 將有利于消除單一方法產(chǎn)生的誤差, 增強(qiáng)評價結(jié)果的可比性, 使?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)健康評價具有智能性、交互性和通用性。

在多尺度上開展?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)健康評價研究。多尺度評估使得我們可以根據(jù)較小尺度的研究結(jié)果對較大尺度上得出的結(jié)論進(jìn)行獨立驗證, 并在較大尺度上為較小尺度的研究結(jié)果建立一種參照背景。尺度的推繹或轉(zhuǎn)換并不是簡單的疊加或線性還原, 因此, 不同尺度(生態(tài)系統(tǒng)和景觀尺度)的結(jié)合問題是未來尺度研究的核心與挑戰(zhàn)。其次, 完善我國濕地監(jiān)測工作, 在濕地監(jiān)測采用的指標(biāo)體系、野外數(shù)據(jù)的采集方法以及數(shù)據(jù)的分析與管理等方面做到科學(xué)規(guī)范、可操作性較強(qiáng), 同時在實踐中對監(jiān)測方案的各個環(huán)節(jié)不斷優(yōu)化, 從而建立成熟的區(qū)域甚至國家尺度的濕地監(jiān)測體系。

[1] 呂憲國, 劉紅玉. 濕地生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與管理[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004.

[2] 邱彭華, 徐頌軍. 人工次生濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價的理論與實踐: 以廣州南沙區(qū)萬頃沙濕地為例[M]. 北京: 中國環(huán)境科學(xué)出版社, 2012.

[3] 陳展, 尚鶴, 姚斌. 美國濕地健康評價方法[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2009, 29(9): 5015–5022.

[4] ORTEGA M, VELASCO J, MILLAN A, et al. An ecological integrity index for littoral wetlands in agricultural catchments of semiarid mediterranean regions[J]. Environmental Mana-gement, 2004, 33(3): 412–430.

[5] 孫麗君, 楊可書, 周燁, 等. 我國濕地生態(tài)補(bǔ)償制度淺談[J]. 中國經(jīng)貿(mào), 2011(14): 106–107.

[6] COSTANZA R, NORTON B G, HASKELL B D. Ecosystem health: new goals for environmental manage-ment[M]. Island Press, Washington DC,1992.

[7] 傅伯杰, 劉世梁, 馬克明. 生態(tài)系統(tǒng)綜合評價的內(nèi)容與方法[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2001, 21(11): 1885–1892.

[8] FLADER S L, CALLICOTT J B. The river of the mother of God and other essays by Aldo Leopold[M]. The University of Wisconsin Press, 1991.

[9] COSTANZA R. Toward an operational definition of ecosystem health[J]. Ecosystem health: New goals for Environmental Management, 1992(14): 239–256.

[10] SCHAEFFER D J, HERRICKS E E, KERSTER H W. Ecosystem health: I. Measuring ecosystem health[J]. Environmental Management, 1988, 12(4): 445–455.

[11] RAPPORT D J. What Constitutes Ecosystem Health?[J]. Perspectives in Biology & Medicine, 1989, 33(1): 120–132.

[12] RAPPORT D J, WHITFORD W G. How ecosystems respond to stress: common properties of arid and aquatic systems[J]. BioScience, 1999, 49(3): 193–203.

[13] RAPPORT D J, COSTANZA R, MCMICHAEL A. Assessing ecosystem health[J]. Trends in Ecology & Evolution, 1998, 13(10): 397–402.

[14] 李文華. 生態(tài)學(xué)研究回顧與展望[M]. 北京: 氣象出版社, 2004.

[15] 崔保山, 楊志峰. 濕地生態(tài)系統(tǒng)健康研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2001, 20(3):31–36.

[16] 任海. 恢復(fù)生態(tài)學(xué)導(dǎo)論[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2008.

[17] PANTUS F J, DENNISON W C. Quantifying and evaluating ecosystem health: a case study from Moreton Bay, Australia[J]. Environmental Management, 2005, 36(5): 757–771.

[18] 袁興中, 葉林奇. 生態(tài)系統(tǒng)健康評價的群落學(xué)指標(biāo)[J]. 環(huán)境導(dǎo)報, 2001(1): 45–47.

[19] KARR J R, FAUSCH K D, Angermeier PL, et al. Assessing biological integrity in running waters: a method and its rationale[J]. Illinois Natural History Survey Special Publication, 1986(5): 1–28.

[20] 武海濤, 呂憲國. 中國濕地評價研究進(jìn)展與展望[J]. 世界林業(yè)研究, 2005, 18(4): 49–53.

[21] 楊波. 我國濕地評價研究綜述[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2004, 23(4): 146–149.

[22] HILTY J, MERENLENDER A. Faunal indicator taxa selection for monitoring ecosystem health[J]. Biological Conservation, 2000, 92(2): 185–197.

[23] 孔紅梅, 趙景柱, 馬克明, 等. 生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法初探[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2002, 13(4): 486–490.

[24] WANG Y K, STEVENSON R J, SWEETS P R, et al. Developing and Testing Diatom Indicators for Wetlands in the Casco Bay Watershed, Maine, USA[J]. Hydrobiologia, 2006, 561(1): 191–206.

[25] MONTEFALCONE M. Ecosystem health assessment using the Mediterranean seagrass Posidonia oceanica: a review[J]. Ecological Indicators, 2009, 9(4): 595–604.

[26] 鄭耀輝, 王樹功, 陳桂珠. 濱海紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的診斷方法和評價指標(biāo)[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2010, 29(01): 111–116.

[27] VITOUSEK P M, MOONEY H A, LUBCHENCO J, et al. Human domination of Earth's ecosystems[J]. Science, 1997, 277(5325): 494–499.

[28] 馬克明, 孔紅梅, 關(guān)文彬, 等. 生態(tài)系統(tǒng)健康評價:方法與方向[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2001, 21(12): 2106–2116.

[29] BOULTON A J. An overview of river health assessment: philosophies, practice, problems and prognosis[J]. Freshwater Biology, 1999, 41(2): 469–479.

[30] KARR J R. Assessment of biotic integrity using fish communities[J]. Fisheries, 1981, 6(6): 21–27.

[31] SCHOCK N T, MURRY B A, UZARSKI D G. Impacts of Agricultural Drainage Outlets on Great Lakes Coastal Wetlands[J]. Wetlands, 2014, 34(2):297–307.

[32] TULBURE M G, JOHNSTON C A. Environmental Conditions Promoting Non-native, Expansion in Great Lakes Coastal Wetlands[J]. Wetlands, 2010, 30(3):577–587.

[33] PETESSE M L, SIQUEIRA-SOUZA F K, FREITAS C E D C, et al. Selection of reference lakes and adaptation of a fish multimetric index of biotic integrity to six amazon floodplain lakes[J]. Ecological Engineering, 2016, 97: 535–544.

[34] BREINE J, SIMOENS I, GOETHALS P, et al. A fish-based index of biotic integrity for upstream brooks in Flanders (Belgium)[J]. Hydrobiologia, 2004, 522(1/3): 133–148.

[35] 崔保山,楊志峰. 濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系理論[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2002, 22(7):1005–1011.

[36] 麥少芝, 徐頌軍, 潘穎君. PSR模型在濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價中的應(yīng)用[J]. 熱帶地理, 2005, 25(4): 317–321.

[37] ZHANG F, ZHANG J, WU R, et al. Ecosystem health assessment based on DPSIRM framework and health distance model in Nansi Lake, China[J]. Stochastic Environmental Research & Risk Assessment, 2016, 30(4): 1235–1247.

[38] WALKER J, REUTER D J. Indicators of catchment health: a technical perspective[M]. CSIRO Publishing, 1996.

[39] 張曉萍, 楊勤科, 李銳. 流域“健康”診斷指標(biāo)——一種生態(tài)環(huán)境評價的新方法[J]. 水土保持通報, 1998, 18(4): 57–62.

[40] 錢逸凡, 樓毅, 初映雪, 等. 洞庭湖國際重要濕地生態(tài)系統(tǒng)健康和價值評價[J]. 濕地科學(xué), 2016, 14(4): 516–523.

[41] 高永勝, 王浩, 王芳. 河流健康生命評價指標(biāo)體系的構(gòu)建[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2007, 18(02): 252–257.

[42] 李浩宇, 周利軍, 李凱. 流域生態(tài)健康指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)研究[J]. 產(chǎn)業(yè)與科技論壇, 2015, 14(15): 125–127.

[43] 陳衍泰, 陳國宏, 李美娟. 綜合評價方法分類及研究進(jìn)展[J]. 管理科學(xué)學(xué)報, 2004, 7(2): 69–79.

[44] 朱衛(wèi)紅, 郭艷麗, 孫鵬, 等. 圖們江下游濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2012, 32(21): 6609–6618.

[45] 孟慶生. 信息論[M]. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 1987.

[46] 鄒志紅, 孫靖南, 任廣平. 模糊評價因子的熵權(quán)法賦權(quán)及其在水質(zhì)評價中的應(yīng)用[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2005, 25(4): 552–556.

[47] 陳衛(wèi), 方廷健, 馬永軍, 等. 基于Delphi法和AHP法的群體決策研究及應(yīng)用[J]. 計算機(jī)工程, 2003, 29(5): 18–20.

[48] 楊麗芳, 鐘艷霞, 李小宇. 基于PSR模型的鳴翠湖濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價[J]. 水生態(tài)學(xué)雜志, 2015, 36(03):38–43.

[49] 李春華, 葉春, 趙曉峰, 等. 太湖湖濱帶生態(tài)系統(tǒng)健康評價[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2012, 32(12): 3806–3815.

[50] 金菊良, 魏一鳴, 丁晶. 基于改進(jìn)層次分析法的模糊綜合評價模型[J]. 水利學(xué)報, 2004, 35(3): 65–70.

[51] 賈慧聰, 曹春香, 馬廣仁, 等. 青海省三江源地區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價[J]. 濕地科學(xué), 2011, 09(3):209–217.

[52] 胡永宏, 賀思輝. 綜合評價方法[M].北京: 科學(xué)出版社, 2000.

[53] 帥紅,李景保. 基于投影尋蹤的洞庭湖生態(tài)系統(tǒng)健康評價[J]. 長江流域資源與環(huán)境, 2013, 22(11):1477–1483.

[54] WEBB-ROBERTSON, B-J M, JARMAN K H, HARVEY SD, et al. An improved optimization algorithm and a Bayes factor termination criterion for sequential projection pursuit[J]. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, 2005, 77(1): 149–160.

[55] BROWN M T, VIVAS M B. Landscape development intensity index[J]. Environmental Monitoring and Assessment, 2005, 101(1): 289–309.

[56] 林波. 濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法及其應(yīng)用[D]. 北京:中國林業(yè)科學(xué)研究院, 2010.

[57] FENNESSY S. Review of rapid methods for assessing wetland condition[M]. EPA/620/R–04/009/U.S. Environ-mental Protection Agency, Washington, D.C., 2004.

[58] MILLER R E, GUNSALUS B E. Wetland rapid assessment procedure (WRAP)[M]. Natural Resource Management Division, Regulation Department, South Florida Water Management District, 1997.

[59] HATFIELD C A, MOKOS J T, HARTMAN J M, et al. Development of wetland quality and function assessment tools and demonstration[M] Rutgers University, 2004.

[60] SPENCER C, ROBERTSON A I, CURTIS A. Development and testing of a rapid appraisal wetland condition index in south-eastern Australia[J]. Journal of Environmental Management, 1998, 54(2): 143–159.

[61] PARKER K, HEAD L, CHISHOLM L A, et al. A conceptual model of ecological connectivity in the Shellharbour Local Government Area, New South Wales, Australia[J]. Landscape & Urban Planning, 2008, 86(1): 47–59.

[62] MO M, WANG X, WU H, et al. Ecosystem health assessment of Honghu Lake wetland of China using artificial neural network approach[J]. Chinese Geographical Science, 2009, 19(4): 349–356.

[63] 薛亮, 馮超. BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價中的應(yīng)用[J]. 林業(yè)調(diào)查規(guī)劃, 2009, 34(5):47–50.

[64] 畢溫凱, 袁興中, 唐清華, 等. 基于支持向量機(jī)的湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價研究[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2012, 32(8): 1984–1990.

[65] 張志誠, 牛海山, 歐陽華.“生態(tài)系統(tǒng)健康”內(nèi)涵探討[J]. 資源科學(xué), 2005, 27(1): 136–145.

[66] 崔保山, 楊志峰. 濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的時空尺度特征[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2003, 14(1):121–125.

[67] 王暉, 陳麗, 陳墾, 等. 多指標(biāo)綜合評價方法及權(quán)重系數(shù)的選擇[J]. 廣東藥學(xué)院學(xué)報, 2007, 23(05): 583–589.

[68] GENET J A, OLSEN A R. Assessing depressional wetland quantity and quality using a probabilistic sampling design in the Redwood River watershed, Minnesota, USA[J]. Wetlands, 2008, 28(2): 324–335.

Advances in methods of wetland ecosystem health evaluation

ZHOU Jing1,2, WAN Rongrong1,*

1. Key Laboratory of Watershed Geographic Sciences, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Wetlands are considered as the kidney of the earth. Healthy wetland ecosystem has important influences on the regional and global ecological balance. Thus, reasonable evaluation of wetland ecosystem health has great significances in terms of wetland protection management, planning and treatment. The selection of evaluation methods and construction of index system are key points to evaluate the wetland ecosystem. Based on the brief introduction of the connotation and developing history of evaluation methods of wetland ecosystem health, this paper made a preliminary summary of the common methods of wetland health assessment and analyzed the advantages and disadvantages of different approaches respectively. Finally, problems existing in processing wetland ecosystem health assessment were discussed. According to these issues, this study proposed the research directions in the future, including establishment of health standards, selection and improvement of comprehensive evaluation methods, correlation between multi-spatial-temporal scale data, and the applications of wetland ecosystem health evaluation.

wetland;ecosystem;health assessment;metrics;threshold

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.06.027

X171.1

A

1008-8873(2018)06-209-08

2017-09-19;

2018-04-02

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0402204); 國家自然科學(xué)基金項目(41571107); 江西省水利廳科技項目(KT201503)

周靜(1994—), 女, 山西呂梁人, 碩士, 主要從事濕地生態(tài)與環(huán)境響應(yīng)研究, E-mail: jingz7886@163.com

萬榮榮, 女, 副研究員, E-mail: rrwan@niglas.ac.cn

周靜, 萬榮榮. 濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)科學(xué), 2018, 37(6): 209-216.

ZHOU Jing, WAN Rongrong. Advances in methods of wetland ecosystem health evaluation[J]. Ecological Science, 2018, 37(6): 209-216.