濕地生態(tài)系統(tǒng)健康研究進展

王茂師 張海波 夏奉梅 談洪英 李 琰 曾 樂 孔志紅 蘇以江

(1.貴州林業(yè)勘察設(shè)計有限公司 貴陽 550007；2.貴州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 貴陽 550025；3.貴陽阿哈湖國家濕地公園管理處 貴陽 550007)

濕地生態(tài)系統(tǒng)具有豐富的生物多樣性和較高的生態(tài)價值。然而隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，濕地從結(jié)構(gòu)到功能、從微觀到宏觀、從基因到群落，都面臨著巨大的沖擊[1]，濕地“病態(tài)”日益凸顯，濕地健康已成為濕地科學(xué)研究的熱點之一。健康的生態(tài)系統(tǒng)一般被視為環(huán)境管理的終極目標，濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康評價有助于提高濕地資源監(jiān)測水平，診斷由自然和人為因素引起的濕地破壞或退化程度，及時做出預(yù)警，可以為管理者做出決策提供依據(jù)，以更好地規(guī)劃、保護和利用濕地資源[2]，促進受損濕地恢復(fù)，實現(xiàn)綜合效益整合與協(xié)調(diào)。

本文根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)文獻，對生態(tài)系統(tǒng)健康的相關(guān)概念、濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的影響因素、時間和空間研究尺度及評價方法進行了梳理，對濕地生態(tài)健康評價持續(xù)研究應(yīng)當關(guān)注的重要方面進行了展望，以期為有關(guān)學(xué)者在該領(lǐng)域的深入研究提供參考。

1 濕地生態(tài)系統(tǒng)健康相關(guān)概念

1.1 生態(tài)系統(tǒng)健康

生態(tài)系統(tǒng)健康概念是在生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的[3]。ISEH(國際生態(tài)系統(tǒng)健康學(xué)會)于1991年成立，生態(tài)系統(tǒng)健康論證開始向定量化發(fā)展，相關(guān)課程和項目也相繼出現(xiàn)。最早的相關(guān)概念是Leopold提出的“土地健康”，即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[4]。隨后，Mageau提出，生態(tài)系統(tǒng)健康具有內(nèi)部穩(wěn)定、無疾病、多樣性或復(fù)雜性、有活力或增長空間、穩(wěn)定性或可恢復(fù)性、系統(tǒng)要素間保持平衡等六項特征[5]，具有人為干擾下生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的完整性。20世紀90年代末，生態(tài)系統(tǒng)健康加入了人類健康因素[6]。2000年前后至今，國內(nèi)學(xué)者對生態(tài)系統(tǒng)健康研究的關(guān)注度日益上升[1, 7]。2002年，ISEH解體，對生態(tài)系統(tǒng)健康概念的切入視角逐漸出現(xiàn)分異，相關(guān)研究發(fā)展脈絡(luò)也不明朗，對于該概念的界定尚無權(quán)威標準，但歷來都是圍繞生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、完整性和恢復(fù)力來展開的。朱建剛[8]認為，如果一個生態(tài)系統(tǒng)具備良好的整體性，能夠維持較高的穩(wěn)定性，并能實現(xiàn)良好的可持續(xù)性，則該生態(tài)系統(tǒng)是健康的，反之則是病變的，但整個生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況不是內(nèi)部各組分的健康狀況的簡單累加。

1.2 濕地生態(tài)系統(tǒng)健康

濕地生態(tài)學(xué)發(fā)展較晚，學(xué)科體系尚不完整，對于濕地生態(tài)系統(tǒng)健康也缺乏權(quán)威的、完成的定義，目前相對完整的定義有：

(1)ISEH定義[9]：濕地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展，無病態(tài)，隨時保持活力并且能維持其組織和自主性，在外界脅迫下容易恢復(fù)。

(2)崔保山定義[10]：系統(tǒng)內(nèi)的關(guān)鍵生態(tài)組分和有機組織保存完整，缺乏疾病，在一定的時空尺度下對各種擾動能保持著彈性和穩(wěn)定性，整體功能表現(xiàn)出多樣性、復(fù)雜性、活力和生產(chǎn)率；既可以自我持續(xù)發(fā)展，又具有提供特殊功能的能力；表現(xiàn)出功能整合性，一方面強調(diào)了社會、生態(tài)、倫理道德的有機整體性，另一方面也反映了健康的時空統(tǒng)一性。

相比之下，后者的概括較為完整，包含了濕地的生態(tài)服務(wù)功能和社會經(jīng)濟因素。但是也有學(xué)者認為，整體性、穩(wěn)定性和持續(xù)性才是生態(tài)系統(tǒng)的固有特征，只有通過固有特征定義生態(tài)系統(tǒng)健康才是合理的、科學(xué)的[8]，不應(yīng)納入人類需求或管理目標。

2 濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的影響因素

2.1 自然因素

新構(gòu)造運動：是自然濕地退化的關(guān)鍵誘導(dǎo)因素。地殼隆起、沉降作用和河流侵蝕顯著影響了地形和水系的形成，使?jié)竦刳呄蜃匀皇韪?，從而退化，例如黃河源濕地環(huán)境的惡化[11]。

氣候變化：主要影響水體生物地球化學(xué)過程、水生食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)、生物多樣性、初/次級生產(chǎn)以及水文過程[12]。如白洋淀濕地因氣候變化致使水文特征改變，進而造成濕地退化[13, 14]。

自然災(zāi)害：破壞濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能[15]，如地震、泥石流、洪水、病蟲害等。但近年來，自然因素并不是濕地生態(tài)系統(tǒng)健康受損的主要原因，部分自然災(zāi)害的發(fā)生也是由人類活動引發(fā)的。

2.2 人為因素

人為活動是引起濕地退化和健康問題的主要因素，如外來物種的不合理引入、污水排放、濕地資源過度開發(fā)、侵占濕地等，主要包括生物學(xué)、土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)和生物地球化學(xué)等影響機理。其中，生物學(xué)機理主要體現(xiàn)為人為活動改變原生濕地植物種間關(guān)系、物種入侵、生物多樣性喪失、營養(yǎng)結(jié)構(gòu)改變等導(dǎo)致濕地退化。如互花米草(Spartinaalterniflora)入侵后，他感作用造成植物群落結(jié)構(gòu)和功能的改變[16]；土壤學(xué)機理體現(xiàn)為過度放牧、泥炭開采、石油開采等活動導(dǎo)致濕地土壤結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化，地表趨干，土壤有機質(zhì)加速分解，酶活性降低[17]；生態(tài)學(xué)機理包括物種多樣性、種群存活率、群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)位等，其中，物種生態(tài)位的變化會影響濕地生物群落的物種構(gòu)成和功能[18]；生物地球化學(xué)機理主要通過改變濕地對營養(yǎng)元素的吸收、循環(huán)、累積而影響植物群落和土壤理化性質(zhì)，導(dǎo)致濕地功能下降，如過量污水注入及農(nóng)業(yè)面源污染致使?jié)竦貎艋芰p弱甚至喪失[19]。

3 研究尺度

生態(tài)系統(tǒng)在小尺度上具有瞬變特征，在大尺度上則可能表現(xiàn)出極強的穩(wěn)定性和持續(xù)性。因此，尺度選擇可能會影響對生態(tài)學(xué)格局、過程及其互作規(guī)律的把握程度，進而影響研究成果的科學(xué)性和實用性[20]。

崔保山等[10]認為，濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的時間尺度可以分時間“點”和“段”，前者是指相對較短的時間，后者是指幾十年到百年。特定時間“點”的濕地健康問題研究能快速評價濕地現(xiàn)狀和特征，但難以尋找參照值，經(jīng)驗成分較多。特定時間“段”的濕地健康問題研究需要掌握大量的、大時間尺度的數(shù)據(jù)，分析具有系統(tǒng)性、全面性，但很多要素缺乏歷史資料或記載不全。濕地是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，需要根據(jù)研究對象特征及現(xiàn)實條件選擇合適的尺度，綜合考慮時間“點”與時間“段”、時空統(tǒng)一性和差異性、濕地健康靜態(tài)特征和動態(tài)規(guī)律。

空間尺度可分為全球尺度和區(qū)域尺度。區(qū)域尺度又可分為區(qū)域尺度和局域尺度，即宏觀與微觀尺度。區(qū)域尺度上，需要把握區(qū)域的整體性和結(jié)構(gòu)性，尤其是在確定評價指標時，要綜合考慮三大效益。局域尺度一般具有統(tǒng)一的功能特點或均質(zhì)性，更注重指標細化及地區(qū)本身與周邊環(huán)境的關(guān)系，能更細致地體現(xiàn)濕地健康現(xiàn)狀，但某些局部要素可能會導(dǎo)致錯誤的結(jié)論，而在大尺度上并不起主要作用。因此，在研究濕地健康時，也需要注重二者的結(jié)合[10]。

彭建等[21]認為，在生態(tài)系統(tǒng)健康的三大層次中，生態(tài)系統(tǒng)是基本尺度，區(qū)域/景觀是核心尺度，全球是目標尺度。其中，核心尺度兼顧了宏觀與微觀尺度的健康問題，也關(guān)聯(lián)了社會經(jīng)濟問題。某一尺度的生態(tài)系統(tǒng)健康不是簡單的累加或還原。近年來，國內(nèi)學(xué)者在核心尺度上開展了大量的評價工作，一類是在區(qū)域尺度上進行某一類生態(tài)系統(tǒng)的健康評價[22]，另一類則是將區(qū)域整體作為研究對象進行評價[23]。

4 評估方法

國內(nèi)外廣泛開展了關(guān)于濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價的研究，常用的評價方法主要是指示物種法和指標體系法，指示物種法在國外應(yīng)用較多，指標體系法在國內(nèi)應(yīng)用較多。

4.1 指示物種法

指示物種法是指通過研究單個物種或類群來反映濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況[24]，所選對象常是生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵種、特有種或瀕危種，對環(huán)境改變較敏感[25]。

具有代表性的是Karr建立的IBI(生物完整性指數(shù))，應(yīng)用廣泛[26]。IBI最早是以魚類為指示生物構(gòu)建以魚類為主的完整性指數(shù)(F-IBI)[27]，用以評價河流健康。IBI基于大量的野外調(diào)查和室內(nèi)分析，專業(yè)性高，結(jié)果可靠，是北美濕地生態(tài)監(jiān)測常用的方法之一[28]。發(fā)展至今，IBI已廣泛應(yīng)用于濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價，指示生物類群也擴展到底棲動物(B-IBI)[29]、藻類(P-IBI)[30]、浮游生物[31]、鳥類[32]、細菌[33]、微生物(M-IBI)[34]、植被(V-IBI)[35]等。我國白洋淀[28]、梁子湖[36]和鄱陽湖[37]就利用V-IBI評價了濕地生態(tài)健康。也有學(xué)者[38]認為，強烈人為干擾下，很多流域濕地的結(jié)構(gòu)和功能嚴重受損，生物多樣性喪失，魚類、底棲生物完整性指數(shù)已不適用，在強人為干擾下的海河流域濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價中，生物膜方法更適用。

4.2 指標體系法

指示物種法具有指示物種篩選標準不明確、未納入社會經(jīng)濟和人類活動等因素[39]等局限性，而指標體系法基于層次分析法構(gòu)建生態(tài)健康指標體系，正好克服了這些缺點，通常包括三個層面：目標層、中間層和基層，目標層即生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)；中間層含生態(tài)、生物物理、社會經(jīng)濟及人類健康等指標門類；基層是用來表達中間層的各種具體評價指標，其中，活力、組織、恢復(fù)力是最主要的3個指標。

在評價指標體系構(gòu)建方面，學(xué)者們提出了很多方案與模型，如“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-生態(tài)功能-資源功能-社會環(huán)境”方案[40]、“自然要素特征-景觀特征-人類擾動”方案[41]及“水文地貌評價法”(HGM)、“活力-組織-恢復(fù)力”(VOR)、“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”(PSR)[42]、“驅(qū)動力-狀態(tài)-響應(yīng)”(DSR)和“驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)”(DPSIR)模型[43]。近年來，指標體系法有很多定量方法，常組合使用。在國內(nèi)，已構(gòu)建了河流[44]、湖泊[45]及河口濱海[46]等濕地類型健康評價指標體系。美國環(huán)保署(EPA)提出了3個層次(Level Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)的濕地健康評價方法及相應(yīng)的指標體系，評價結(jié)果可以實現(xiàn)相互驗證[47]。而由聯(lián)合國經(jīng)濟合作開發(fā)署(OEDC)和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)建立的PSR模型因具有清晰的因果關(guān)系和系統(tǒng)性而得到廣泛關(guān)注和使用[48]，國內(nèi)廣泛應(yīng)用于河流[49]、湖泊[50]、海灣[22]等。

指標體系構(gòu)建以后，需要確定各指標權(quán)重，其計算方法主要有層次分析法[39]、熵值法[51]、專家意見[52]、組合賦權(quán)法[51]等。研究方法主要有主成分分析法[53]、模糊綜合評價法[54]、健康距離法[55]、能值分析法[56]、投影尋蹤法[57]等。此外，隨著3S技術(shù)的發(fā)展，一些大尺度濕地健康評價逐漸利用遙感數(shù)據(jù)及GIS空間計算分析方法獲取各指標值，這類研究多是基于PSR模型構(gòu)建的評價指標體系[58]。

4.3 兩種方法比較與結(jié)合

一般而言，對于單一生態(tài)系統(tǒng)，指示物種法較為適用，易測量、花費低，具有可預(yù)測性、整合性和敏感性[59]，但需要實測數(shù)據(jù)，且存在篩選標準不明確，指示類群合理性及指示作用大小不明確的問題[60]，難以實現(xiàn)不同組織水平、不同尺度下的濕地健康評價，尤其在大尺度、跨區(qū)域的濕地研究時受到一定限制。而指標體系法不受生態(tài)系統(tǒng)數(shù)量、類型和數(shù)據(jù)源的限制，選擇不同的生物類群，且考慮了不同尺度[1]，包含豐富的指標類型，數(shù)據(jù)來源廣，納入了社會經(jīng)濟和人類健康等新的指標集，實現(xiàn)了多重效益整合[60]，應(yīng)用廣泛，但也存在定性描述較多、定量較少，對湖泊、流域評價較多，沼澤濕地研究較少，大尺度景觀水平上的評價還需強化，統(tǒng)一的濕地健康診斷指標體系很難確定等問題。盡管兩者常作為濕地健康評價的不同方法區(qū)分介紹，但其區(qū)分界限已逐步淡化，根據(jù)評價目標將兩者混合使用可以有助于提高評價結(jié)果的準確性。

5 存在的問題與展望

隨著社會和學(xué)界對生態(tài)系統(tǒng)健康的日益關(guān)注，濕地健康研究促進了部分地區(qū)的濕地管理及恢復(fù)。但現(xiàn)有研究多著眼于特定的濕地斑塊或濕地生態(tài)系統(tǒng)，對于區(qū)域尺度的濕地健康研究還較弱，且實用性和針對性不足[61]。全球尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能衰退的速度遠超過該領(lǐng)域科研和管理政策更新的速度[62]。同時，濕地健康研究也面臨一系列問題，如概念界定、濕地健康與病態(tài)標準，以及如何用濕地健康相關(guān)理論指導(dǎo)管理決策等。因此，在今后的研究中應(yīng)重點關(guān)注以下問題：

(1)濕地資源監(jiān)測與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估：目前，基于野外觀測站、基地或人工監(jiān)測，已開展了大量濕地監(jiān)測工作，但以常規(guī)指標居多，不能有效滿足生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估和管理決策的需求，在很多濕地區(qū)域甚至還沒開展監(jiān)測。因此，需要加大監(jiān)測范圍，并根據(jù)不同濕地生態(tài)系統(tǒng)的個性，補充與人類活動和管理措施直接關(guān)聯(lián)的、重要的、敏感的表征指標，為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估提供關(guān)鍵參數(shù)與數(shù)據(jù)，深化認識濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的形成與影響機理[63]。

(2)指標體系與評價方法研究：指示物種法和指標體系法各有優(yōu)缺點。指示物種篩選標準及其指示作用大小不明確，結(jié)構(gòu)和功能指標選擇研究有待深入。而指標體系法在指標量化、評價標準和定級以及綜合模型的建立方面研究明顯不足，缺乏一個能被廣泛接受的評價指標體系，在指標權(quán)重確定方面也存在一定的主觀性[64]。因此，一個能區(qū)分健康和病態(tài)、共性與個性的濕地生態(tài)系統(tǒng)的指標體系和一套全面、合理、科學(xué)的評價方法還有待研究。同時，聯(lián)合使用多種評估方法并對比結(jié)果差異及相互驗證也具有重要意義。

(3)驅(qū)動力因子分析與濕地修復(fù)：現(xiàn)有研究覆蓋了不同區(qū)域和不同類型的濕地生態(tài)系統(tǒng)，通過構(gòu)建符合區(qū)域特征的指標體系分析了濕地健康現(xiàn)狀，但對于濕地“病態(tài)”的驅(qū)動力分析較少，今后的研究應(yīng)加強這方面的分析，深入探討各地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康在政策法規(guī)、社會經(jīng)濟等社會因素影響下的演變過程。同時，要在濕地健康狀況診斷的基礎(chǔ)上，研究治療濕地病態(tài)的有效措施，并對濕地功能的恢復(fù)進程進行有效評價[64]。

(4)多學(xué)科融合與尺度深化：隨著數(shù)據(jù)分析技術(shù)的發(fā)展，對核心尺度的生態(tài)系統(tǒng)健康研究初步進入“大數(shù)據(jù)”時代，數(shù)據(jù)獲取條件日益改善。多學(xué)科融合在數(shù)據(jù)與方法方面的支持使得濕地健康評價更高效，是進行區(qū)域集成研究的必要手段。生態(tài)系統(tǒng)健康的風(fēng)險多來源于并作用于人類社會[3]。因此，在區(qū)域?qū)用嫱秸仙鷳B(tài)系統(tǒng)所遭受的壓力和響應(yīng)，可以提高環(huán)境管理決策的有效性。多學(xué)科融合有利于構(gòu)建應(yīng)用性更高、評價效果更好的指標體系與思路。

(5)生態(tài)文化健康概念的在濕地中的應(yīng)用：近年來，生態(tài)文化健康的研究逐漸興起[3]，此概念是在生態(tài)系統(tǒng)健康、生態(tài)健康概念基礎(chǔ)上綜合而成的，分別用“生態(tài)”、“文化”反映自然過程與人類活動，即人與自然的交互，這種整體論觀念比生態(tài)健康的概念更為廣泛。生態(tài)文化健康理念尚未得到廣泛傳播并在研究領(lǐng)域達成共識。從社會發(fā)展和維持生態(tài)可持續(xù)性的視角出發(fā)，生態(tài)文化健康在濕地生態(tài)可持續(xù)發(fā)展中具有一定價值，其應(yīng)用也有待進一步研究。