濕地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法研究進(jìn)展

汪 豪，婁 廈,2，劉曙光,2，陳 明，董 行，鐘桂輝

(1．同濟(jì)大學(xué)水利工程系，上海 200092； 2．同濟(jì)大學(xué)長(zhǎng)江水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

濕地是全球三大生態(tài)系統(tǒng)之一，在緩解污染、凈化環(huán)境、保護(hù)生物多樣性等方面起著重要的作用[1]。然而，近年來(lái)過(guò)度的人為干擾活動(dòng)導(dǎo)致了濕地出現(xiàn)水污染、土壤退化、生態(tài)破壞等問(wèn)題，嚴(yán)重威脅了濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。因此，開(kāi)展?jié)竦卦u(píng)價(jià)對(duì)濕地保護(hù)、修復(fù)及管理具有重要科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

20世紀(jì)50年代，Bedford等[2]美國(guó)專家首先開(kāi)展了濕地珍稀植物和鳥(niǎo)類的環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作。隨著濕地評(píng)價(jià)研究的深入，評(píng)價(jià)指標(biāo)和研究范圍不斷擴(kuò)大。1999年，Ladson等[3]綜合考慮河流區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、水環(huán)境質(zhì)量及水生生物等多方面因素，對(duì)澳大利亞流域濕地整體的環(huán)境質(zhì)量狀況作出了評(píng)價(jià)分析。2004年，歐洲環(huán)保部門(mén)建立了一套基于生物多樣性、水文特征及物理化學(xué)因子的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[4]，為濕地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)提供了指導(dǎo)框架。隨后出現(xiàn)了較多的構(gòu)建指標(biāo)體系的評(píng)價(jià)方法。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)及大數(shù)據(jù)技術(shù)的提高，多種數(shù)學(xué)方法及模型的廣泛采用，模糊數(shù)學(xué)、人工網(wǎng)絡(luò)、PSR(press-state-response)模型等濕地環(huán)境定量評(píng)價(jià)方法[5-6]得到了很大發(fā)展。同時(shí)，不同類型及不同時(shí)空尺度的濕地評(píng)價(jià)研究已成為熱點(diǎn)內(nèi)容，國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼開(kāi)展了濕地水環(huán)境、土壤、生物及生態(tài)系統(tǒng)等多尺度評(píng)價(jià)方法的研究。目前，濕地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)在評(píng)價(jià)方法的量化分析、評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建及評(píng)價(jià)模型的改進(jìn)等問(wèn)題上有待進(jìn)一步研究。

水是濕地發(fā)育、消退、演替的主導(dǎo)因素，尤其對(duì)于河流、湖泊型濕地，水環(huán)境的質(zhì)量?jī)?yōu)劣直接影響著濕地生態(tài)的健康狀況。由于水環(huán)境客觀存在著大量的隨機(jī)性和不確定性影響因素[8]，濕地水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)面臨著一定挑戰(zhàn)。對(duì)于河口濱海濕地，其沉積物及土壤是重金屬的主要匯聚地[8]，重金屬可以通過(guò)底床泥沙起動(dòng)再次釋放到水體中以影響水質(zhì)及生態(tài)系統(tǒng)健康，因此重金屬評(píng)價(jià)是濕地土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要方面。濕地生態(tài)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)眾多、評(píng)價(jià)體系復(fù)雜，選取合適的評(píng)價(jià)方法是保證評(píng)價(jià)準(zhǔn)確度、合理性和可信度的基礎(chǔ)。本文從濕地水質(zhì)評(píng)價(jià)的不確定性方法、土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的生物效應(yīng)方法和生態(tài)系統(tǒng)的指標(biāo)評(píng)價(jià)法三方面綜述了國(guó)內(nèi)外濕地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的相關(guān)研究，并對(duì)各評(píng)價(jià)方法存在的問(wèn)題及今后的研究方向進(jìn)行了分析和展望。

1 濕地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的概念及發(fā)展

20世紀(jì)60年代，由于環(huán)境污染加劇，各國(guó)開(kāi)始密切關(guān)注環(huán)境治理工作，美國(guó)科學(xué)家Mcdonald[9]首次提出環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的概念，并將水質(zhì)指數(shù)和大氣污染指數(shù)用于描述評(píng)價(jià)污染區(qū)域環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣程度。1971年，隨著《拉姆薩爾公約》關(guān)于濕地定義的指示，濕地作為水陸過(guò)渡帶重要生態(tài)系統(tǒng)，其環(huán)境影響和功能價(jià)值受到廣泛關(guān)注，環(huán)境質(zhì)量指數(shù)[10]開(kāi)始用于濕地水質(zhì)、土壤質(zhì)量等問(wèn)題研究。經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，濕地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)由單要素評(píng)價(jià)擴(kuò)展到區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)，對(duì)環(huán)境質(zhì)量概念、評(píng)價(jià)方法、指標(biāo)體系等評(píng)價(jià)理論逐漸進(jìn)行完善。燕守廣[11]認(rèn)為濕地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)是根據(jù)人類生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展的適宜程度，采用一定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和方法對(duì)某一區(qū)域范圍的環(huán)境質(zhì)量?jī)?yōu)劣和變化狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。Wu等[5]以模糊數(shù)學(xué)方法對(duì)濕地水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，相對(duì)于水質(zhì)量指數(shù)法提高了評(píng)價(jià)的精確度。Rapport等[12]提出了生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)功能，將穩(wěn)定性、彈性指數(shù)和抵抗力等作為生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)。Friend等首先建立PSR模型，綜合分析人類活動(dòng)壓力指標(biāo)、環(huán)境變化指標(biāo)和社會(huì)發(fā)展指標(biāo)之間的內(nèi)在關(guān)系，構(gòu)建了全面的指標(biāo)體系，隨后基于PSR模型的多指標(biāo)方法在濕地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中得到了廣泛應(yīng)用[13]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始對(duì)不同空間尺度的濕地環(huán)境開(kāi)展研究，側(cè)重于探討定量評(píng)價(jià)方法的實(shí)踐應(yīng)用。濕地系統(tǒng)不同尺度之間環(huán)境因子錯(cuò)綜復(fù)雜，評(píng)價(jià)方法在參數(shù)權(quán)重的處理，關(guān)鍵指標(biāo)的選擇及模型的改進(jìn)等方面還面臨諸多挑戰(zhàn)。

2 濕地水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

水環(huán)境質(zhì)量是影響濕地生態(tài)健康的重要因素，常見(jiàn)的評(píng)價(jià)方法有單因子指數(shù)法[14]、綜合污染指數(shù)法[15]、水污染指數(shù)法[16]等。這些方法實(shí)際操作容易、數(shù)據(jù)分析計(jì)算簡(jiǎn)便，但其評(píng)價(jià)結(jié)果往往不夠全面且容易受主觀因素的影響，不能體現(xiàn)濕地水環(huán)境中多種物理化學(xué)因素動(dòng)態(tài)變化下的不確定性。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)濕地水質(zhì)評(píng)價(jià)研究中，基于數(shù)學(xué)方法的不確定性模型評(píng)價(jià)法主要有模糊綜合評(píng)判法、貝葉斯水質(zhì)模型評(píng)價(jià)法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法和灰色關(guān)聯(lián)分析法等。

2.1 模糊綜合評(píng)判法

模糊綜合評(píng)判法是將一些邊界不確定，難以定量的因素定量化，進(jìn)而計(jì)算各因子的隸屬度，得到評(píng)價(jià)等級(jí)的一種方法[16]。

模糊綜合評(píng)判法具有能定量描述不確定性問(wèn)題和評(píng)價(jià)結(jié)果契合客觀規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)。楊浩等[17]運(yùn)用模糊評(píng)判法和單因子指數(shù)法對(duì)洮河濕地水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示模糊綜合評(píng)判法能定量分析各污染因子的隸屬程度，更加全面、合理地反映洮河濕地水質(zhì)污染程度。Wen等[18]采用模糊綜合評(píng)判法，將有機(jī)污染物、富營(yíng)養(yǎng)化和重金屬污染中的不確定性問(wèn)題綜合考慮，從而客觀、全面反映東寨港濱海濕地水環(huán)境健康狀況。

然而，模糊綜合評(píng)判法在賦權(quán)方面還存在一定的不足，常采用污染物超標(biāo)法確定權(quán)重系數(shù)。該賦權(quán)方法雖然突出了超標(biāo)污染因子對(duì)水質(zhì)的影響，但是由于忽略或減輕了一些污染因子的作用，可能導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果不貼近真實(shí)情況。而且不同的實(shí)測(cè)樣本采用超標(biāo)法賦權(quán)，各樣本相同指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)可能出現(xiàn)較大的變化，加大了實(shí)測(cè)水樣之間評(píng)價(jià)結(jié)果比較的難度。針對(duì)超標(biāo)法的不足，鄒志紅等[19]提出熵權(quán)法，在對(duì)各評(píng)價(jià)因子賦權(quán)時(shí)，充分考慮多個(gè)評(píng)價(jià)水樣之間的關(guān)聯(lián)，大大減少了計(jì)算監(jiān)測(cè)指標(biāo)權(quán)重的工作量。韓曉剛等[20]采用主成分分析法確定權(quán)重系數(shù)，并結(jié)合模糊綜合隸屬度對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明主成分賦權(quán)法削弱了污染因子隨機(jī)性所造成的數(shù)值波動(dòng)，評(píng)判結(jié)果也更貼近水體實(shí)際狀況。

2.2 貝葉斯水質(zhì)模型評(píng)價(jià)法

貝葉斯評(píng)價(jià)法是以數(shù)理統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)，定量描述各評(píng)價(jià)因子或要素之間關(guān)聯(lián)程度，通過(guò)數(shù)據(jù)信息的概率推斷來(lái)評(píng)價(jià)水質(zhì)的一種方法[21]。目前，貝葉斯水質(zhì)模型已用于處理濕地水環(huán)境評(píng)價(jià)中的不確定性問(wèn)題。針對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)情況時(shí)，先由觀測(cè)信息推測(cè)先驗(yàn)概率，然后以幾何距離概念和分層思想計(jì)算評(píng)價(jià)因子的條件概率，利用先驗(yàn)概率和條件概率的貝葉斯公式[22]以最大概率原則確定水質(zhì)所屬類別。

Liu等[23]利用貝葉斯評(píng)價(jià)法，根據(jù)實(shí)測(cè)資料計(jì)算出受污染河流屬于某一類別水質(zhì)的可能性，從而對(duì)河流濕地水質(zhì)狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)。楊海江等[24]采用貝葉斯模型評(píng)價(jià)法，計(jì)算綜合后驗(yàn)概率，對(duì)星海湖濕地水環(huán)境狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示星海湖水域最主要的污染因子為T(mén)P、TN和CODMn。

然而，貝葉斯水質(zhì)模型在描述參數(shù)不確定性方面尚有不足，其模型參數(shù)常以實(shí)測(cè)濃度的均值輸入，無(wú)法考慮枯水期或其他極端水文條件下參數(shù)變化較大的情況，可能導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果缺乏說(shuō)服力。一些學(xué)者開(kāi)始對(duì)貝葉斯模型改進(jìn)方法進(jìn)行探討，余勛等[25]發(fā)現(xiàn)三角模糊數(shù)能反映一定置信度水平下參數(shù)的變動(dòng)，將三角模糊數(shù)與貝葉斯模型結(jié)合對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，能更客觀、全面地反映水質(zhì)污染程度的實(shí)際狀況。李韶慧等[26]構(gòu)建了基于層次分析法和熵值理論的貝葉斯模型并應(yīng)用于水質(zhì)評(píng)價(jià)，克服了參數(shù)的不確定性，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加客觀、可靠。

表1 濕地水環(huán)境不確定性模型評(píng)價(jià)法對(duì)比

2.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法是基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，具有人腦相似的學(xué)習(xí)推理功能，能解決水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的非線性關(guān)系[27]。BP網(wǎng)絡(luò)是最常見(jiàn)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由輸入層、隱蔽層和輸出層構(gòu)成[28]，其評(píng)價(jià)過(guò)程大致為：①選擇水環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作歸一化處理；②從輸入層正向傳播處理好的標(biāo)準(zhǔn)訓(xùn)練樣本；③將反饋的誤差信息從輸出層反向傳遞給各層單元，通過(guò)不斷改進(jìn)權(quán)重和閾值將輸出值的均方誤差降到最小。機(jī)器自學(xué)習(xí)功能大大減弱了主觀影響，提高了評(píng)價(jià)的精度，而且訓(xùn)練好的權(quán)重還能用于評(píng)價(jià)其他實(shí)測(cè)樣本。因此，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法擁有客觀可靠性和通用性等優(yōu)點(diǎn)。卞建民等[29]利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)遼河源頭區(qū)濕地水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法具有較強(qiáng)的適用性和客觀性,大大降低了指數(shù)法和模糊評(píng)價(jià)法固有的主觀選擇的任意性。

然而，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法也存在諸多缺點(diǎn)，訓(xùn)練過(guò)程需要大量實(shí)測(cè)樣本，標(biāo)準(zhǔn)BP網(wǎng)絡(luò)易陷入局部極小、穩(wěn)定性較差、學(xué)習(xí)收斂速度慢等[30]，從而對(duì)BP網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用推廣造成了較大的限制。目前，已有學(xué)者對(duì)BP網(wǎng)絡(luò)模型優(yōu)化改進(jìn)作出有益的探究，大體可分為基于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值優(yōu)化和基于標(biāo)準(zhǔn)梯度下降的兩類改進(jìn)算法。曹劍峰等[31]建立基于步長(zhǎng)自適應(yīng)法和LM算法的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型用于濕地水質(zhì)評(píng)價(jià)，具有計(jì)算速度快、方法簡(jiǎn)單、評(píng)價(jià)結(jié)果客觀準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。

2.4 灰色關(guān)聯(lián)分析法

灰色關(guān)聯(lián)分析法是基于灰色系統(tǒng)的一種評(píng)價(jià)法，其原理為：計(jì)算水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與各評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值的關(guān)聯(lián)系數(shù)，然后對(duì)各關(guān)聯(lián)系數(shù)賦權(quán)得到關(guān)聯(lián)度，最后以最大關(guān)聯(lián)度所在水質(zhì)級(jí)別確定水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)。

灰色關(guān)聯(lián)分析法具有評(píng)價(jià)結(jié)果可比性好和受權(quán)重確定影響較小的優(yōu)點(diǎn)。許秀梅等[32]采用灰色關(guān)聯(lián)分析法，對(duì)多布庫(kù)爾濕地水生環(huán)境進(jìn)行了評(píng)價(jià)，定量描述了水質(zhì)指標(biāo)與浮游植物之間的關(guān)聯(lián)程度，評(píng)價(jià)結(jié)果具有客觀性和可比性。然而，該方法存在靜態(tài)分辨系數(shù)均質(zhì)化、分辨系數(shù)的確定帶有主觀性等缺點(diǎn)。針對(duì)這些不足，馬艷等[33]引入了動(dòng)態(tài)分辨系數(shù)對(duì)灰色關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行改進(jìn)，并將改進(jìn)后的方法用于評(píng)價(jià)四湖流域湖泊型濕地水質(zhì)污染情況，結(jié)果表明，該方法與傳統(tǒng)灰關(guān)聯(lián)分析法相比，有效地提高了評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。柴蘊(yùn)栩等[34]采用基于AHP法的灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)白城地區(qū)地下水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，充分考慮了不同水質(zhì)指標(biāo)在評(píng)價(jià)過(guò)程中的差異性，減弱了主觀因素的影響，獲得了更加全面、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)結(jié)果。

以上4種評(píng)價(jià)方法是處理水環(huán)境中參數(shù)不確定性問(wèn)題的常用評(píng)價(jià)方法，各自的側(cè)重點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)不同，適用條件也存在差異，其對(duì)比情況見(jiàn)表1。灰色關(guān)聯(lián)分析法在評(píng)價(jià)原理上與模糊綜合評(píng)判法具有相似性，一些學(xué)者將兩種方法進(jìn)行了對(duì)比研究。安樂(lè)生等[35]發(fā)現(xiàn)灰色關(guān)聯(lián)分析法的評(píng)價(jià)結(jié)果更貼近綜合污染指數(shù)法，各評(píng)價(jià)因子權(quán)重的確定也更加合理。而康曉風(fēng)等[36]則認(rèn)為模糊綜合評(píng)判法相比灰色關(guān)聯(lián)法在評(píng)價(jià)精度和可靠性上更有優(yōu)勢(shì)。另外，江春波等[37]將模糊模型、灰色關(guān)聯(lián)法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等不確定性模型應(yīng)用于衡水湖濕地水質(zhì)評(píng)價(jià)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)BP網(wǎng)絡(luò)法的評(píng)價(jià)精度更高，結(jié)果更加客觀真實(shí)。徐悅等[40]運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和基于熵值理論的貝葉斯模型法對(duì)石佛寺濕地水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)比顯示兩種評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致，但后者計(jì)算方法更簡(jiǎn)單明了。

3 濕地土壤重金屬評(píng)價(jià)方法

濕地沉積物是重金屬主要的源匯庫(kù)，對(duì)于濕地土壤而言，開(kāi)展重金屬評(píng)價(jià)至關(guān)重要，可為人體健康和土壤環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)[41-42]。目前國(guó)內(nèi)外濕地土壤評(píng)價(jià)中，有關(guān)重金屬總量和綜合污染程度的評(píng)價(jià)研究較多，常用的方法有地積累指數(shù)法[10,43]、沉積物富集系數(shù)法[44]、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法[45]、污染負(fù)荷指數(shù)法[46]等。但這些方法忽略了生物毒性及其對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法[47-48]引入毒性響應(yīng)系數(shù)，將毒理學(xué)與重金屬的生態(tài)效應(yīng)聯(lián)系起來(lái)，在濕地土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中得到廣泛的應(yīng)用。隨著對(duì)重金屬研究的深入，發(fā)現(xiàn)各化學(xué)形態(tài)生物吸收利用的情況不同，所造成的生物毒性和環(huán)境效應(yīng)存在較大差異。目前，關(guān)于重金屬形態(tài)的評(píng)價(jià)方法主要有次生相與原生相比值法和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估編碼法。

3.1 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法是Hakanson從沉積學(xué)的角度出發(fā)，根據(jù)重金屬性質(zhì)及其在環(huán)境中遷移轉(zhuǎn)化沉積等特點(diǎn)，對(duì)重金屬風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)的一種方法[49-50]。

潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法適用于同時(shí)考慮一種或多種重金屬濃度、生物毒性及沉積影響的情況。Wang等[45]采用潛在風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)饒陽(yáng)河濕地進(jìn)行評(píng)價(jià)，考慮重金屬的生物毒性，得出8種重金屬污染物在核心區(qū)和緩沖區(qū)的綜合影響程度。齊月等[51]利用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法，獲得了黃河三角洲濕地Cu、Pb、Cd和As 4種重金屬的生態(tài)危害程度及污染分布規(guī)律。

該方法雖然考慮了生物毒性，但未能體現(xiàn)不同化學(xué)形態(tài)生態(tài)危害的差異性，可能使評(píng)價(jià)結(jié)果不符合實(shí)際。針對(duì)不足，已有研究者進(jìn)行了改進(jìn)。Zhu等[52]結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估編碼法，引入了不同的毒性系數(shù)，進(jìn)而提出了修正的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，充分考慮了不同重金屬形態(tài)的影響；盧聰?shù)萚53]引入?yún)⒖贾挡钪蹬c修正濃度，并結(jié)合不同形態(tài)的生物效應(yīng)，建立了適用性更廣的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法。

3.2 基于重金屬形態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

重金屬各形態(tài)的含量不僅影響著濕地土壤的理化性質(zhì)，而且危害著水生生態(tài)系統(tǒng)的健康。因此，基于重金屬的形態(tài)特征開(kāi)展?jié)竦赝寥蕾|(zhì)量評(píng)價(jià)，對(duì)于生態(tài)環(huán)境更有實(shí)際意義。

3.2.1風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估編碼法

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估編碼法(risk assessment code，RAC)[54-55]是一種基于重金屬活性形態(tài)分析的評(píng)價(jià)法?；钚詰B(tài)所占比例越高，重金屬元素危害生態(tài)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)越大。

湯向宸等[56]利用RAC對(duì)貴州草海濕地Hg、As的危害程度進(jìn)行分析，研究表明Hg整體較高的生物可利用性對(duì)棲息地黑頸鶴鳥(niǎo)類可能會(huì)產(chǎn)生影響，As無(wú)較強(qiáng)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)威脅。Jain[54]通過(guò)重金屬形態(tài)結(jié)合RAC研究，對(duì)亞穆納河濕地沉積物中重金屬潛在危害進(jìn)行分析，結(jié)果表明，Cd和Pb的活性形態(tài)可能會(huì)對(duì)水生環(huán)境造成較大危害，Zn的形態(tài)只顯示中低風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.2次生相與原生相比值法

次生相與原生相比值法(ratio of secondary phase and primary phase，RSP)[57-58]可用于評(píng)價(jià)重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)程度。在沉積物地質(zhì)學(xué)上，將幾乎不發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化的金屬殘?jiān)Q為原生地球化學(xué)相；將可在環(huán)境中發(fā)生轉(zhuǎn)化的其他形態(tài)統(tǒng)稱為次生地球化學(xué)相[59]。重金屬元素的原生相和次生相的分配比例反映重金屬生物可利用性和化學(xué)活性，次生相占比越高，重金屬污染物釋放到環(huán)境造成危害的可能性越大。

羅松英等[60]通過(guò)計(jì)算湛江灣紅樹(shù)林濕地沉積物中各重金屬的非殘?jiān)急壤?，并結(jié)合RSP污染等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)Pb、Cd、Cr、Cu、Ni和Zn這6種重金屬具有極強(qiáng)的化學(xué)活性和生物有效性，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較大。He等[58]利用RSP，從形態(tài)學(xué)角度進(jìn)行重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，計(jì)算了長(zhǎng)江河岸濕地重金屬平均KRSP值，發(fā)現(xiàn)Cd為重度污染，Pb、Cr為輕度污染，Cu、Zn為無(wú)污染。

上述兩種方法均是適用于重金屬形態(tài)的評(píng)價(jià)法，充分考慮了重金屬的生物效應(yīng)和化學(xué)活性，但忽略了重金屬生物毒性和富集程度的影響，無(wú)法全面反映濕地重金屬污染狀況。針對(duì)各種重金屬評(píng)價(jià)法的優(yōu)缺點(diǎn)，目前濕地土壤評(píng)價(jià)研究中，常從形態(tài)和總量?jī)煞矫鎸?duì)重金屬污染現(xiàn)狀進(jìn)行綜合評(píng)估。楊新明等[61]利用RAC法與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法，綜合考慮重金屬濃度、毒性和生物有效性，從而全面評(píng)估了小清河污灌區(qū)土壤重金屬的污染程度及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀況。

4 濕地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

濕地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)是基于人類社會(huì)與自然環(huán)境之間相適宜程度，對(duì)生態(tài)環(huán)境的性質(zhì)及健康狀況進(jìn)行的綜合評(píng)估。濕地是一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)也是紛繁多樣。目前，濕地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)研究的核心是構(gòu)建科學(xué)合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)，然后通過(guò)選擇合適的方法確定權(quán)重系數(shù)，進(jìn)而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)方法主要有生物指標(biāo)法和PSR模型法。

4.1 生物指標(biāo)評(píng)價(jià)法

濕地生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)有的生物群落都是長(zhǎng)期地理變遷和生物進(jìn)化的結(jié)果，是對(duì)濕地中各種物理、化學(xué)、生物因子的綜合和直接的反映[62]。濕地環(huán)境的變化時(shí)刻影響著其內(nèi)在生物的種類豐度、種群密度、群落結(jié)構(gòu)和生理功能等。因此，通過(guò)單個(gè)物種或指示類群評(píng)價(jià)濕地生態(tài)環(huán)境健康狀況是非常直接和有效的方法。生物指標(biāo)法主要是根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)中的特有物種、環(huán)境敏感物種或其他關(guān)鍵物種，運(yùn)用適宜的方法測(cè)量其生物量、數(shù)量、生產(chǎn)力、環(huán)境功能指標(biāo)及一些生理生態(tài)指標(biāo)，進(jìn)而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況進(jìn)行描述評(píng)估[63]。

目前，評(píng)價(jià)濕地健康程度的可行指標(biāo)主要有藻類、鳥(niǎo)類、兩棲動(dòng)物以及底棲無(wú)脊椎動(dòng)物等[64]。葛繼穩(wěn)等[65]利用浮游藻類和高等植物作為指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)湖泊濕地生物多樣性及生態(tài)健康狀況。鄭耀輝等[66]根據(jù)紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，指出兩棲動(dòng)物海蛙可作為紅樹(shù)林濕地的環(huán)境指示物種。另外，國(guó)內(nèi)外還常采用生物完整性指數(shù)(index of biotic integrity,IBI)來(lái)綜合反映濕地整體的健康狀況。Breine等[67]基于魚(yú)類構(gòu)建IBI，運(yùn)用多種生物參數(shù)對(duì)佛蘭德斯上游河流濕地的生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)。陳展等[68]基于多種水生植物建立符合白洋淀濕地的IBI，結(jié)合植物群落和人類干擾之間的反應(yīng)來(lái)評(píng)估白洋淀濕地整體的健康狀況。

生物指標(biāo)評(píng)價(jià)法適用于具有環(huán)境敏感物種的濕地系統(tǒng)，由于測(cè)度方式簡(jiǎn)單、花費(fèi)低、評(píng)價(jià)結(jié)果直觀有效等優(yōu)勢(shì)，在濕地生態(tài)環(huán)境健康評(píng)價(jià)中有很廣泛的應(yīng)用。然而，該方法指示物種的篩選標(biāo)準(zhǔn)不明確且主觀性較強(qiáng)，可能會(huì)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。同時(shí)，生物指標(biāo)評(píng)價(jià)法只探究化學(xué)、物理、生物因子的綜合效應(yīng)，未考慮人類健康和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等因素，難以反映濕地生態(tài)環(huán)境變化與人類社會(huì)響應(yīng)措施之間的影響關(guān)系。

表2 濕地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

4.2 PSR模型綜合評(píng)價(jià)法

隨著對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)的深入研究，評(píng)價(jià)指標(biāo)由最初的生物、化學(xué)、物理指標(biāo)，逐漸加入了人類對(duì)環(huán)境干擾活動(dòng)和社會(huì)響應(yīng)措施的相關(guān)指標(biāo)，使生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系不斷完善。目前，PSR模型[6,69]是應(yīng)用最廣泛的指標(biāo)體系框架。PSR模型綜合評(píng)價(jià)法通過(guò)充分分析環(huán)境要素與人類活動(dòng)之間因果關(guān)系，選取具有代表性的壓力、狀態(tài)、響應(yīng)指標(biāo)，構(gòu)建合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，結(jié)合定量的分析方法建立綜合評(píng)價(jià)模型，從而對(duì)濕地生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣程度和健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

PSR指標(biāo)體系主要有目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層3個(gè)層次。目標(biāo)層是評(píng)價(jià)對(duì)象，準(zhǔn)則層分為壓力、狀態(tài)和響應(yīng)三項(xiàng)，指標(biāo)層是對(duì)應(yīng)的具體評(píng)價(jià)指標(biāo)。濕地生態(tài)系統(tǒng)的壓力是自然災(zāi)害和人類對(duì)生態(tài)環(huán)境干擾所造成的，包括大面積墾殖、排放工農(nóng)業(yè)污水、破壞生物多樣性等方面，壓力指標(biāo)具體有土地利用程度、人類干擾指數(shù)、人口密度等。施加給環(huán)境的壓力導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的物理化學(xué)性質(zhì)、生物多樣性及生態(tài)功能發(fā)生變化，狀態(tài)指標(biāo)具體有水質(zhì)等級(jí)、植被覆蓋率、景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、物質(zhì)生產(chǎn)功能等。當(dāng)狀態(tài)的改變到達(dá)一定程度時(shí)，人類會(huì)對(duì)環(huán)境破壞采取相應(yīng)的保護(hù)管理措施，響應(yīng)指標(biāo)具體有環(huán)保投資指數(shù)、濕地管理水平、政策法規(guī)貫徹力度等。前人研究中，關(guān)于詳細(xì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)見(jiàn)表2。

Shi等[76]基于PSR模型選擇合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并以熵權(quán)法確定權(quán)重，建立綜合評(píng)價(jià)模型，進(jìn)而對(duì)上海市7個(gè)主要灘涂濕地的生態(tài)環(huán)境安全性進(jìn)行了評(píng)估。趙衡等[77]采用層次分析法賦權(quán)，建立PSR綜合評(píng)價(jià)模型，對(duì)三門(mén)峽濕地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)。楊一鵬等[75]利用PSR模型綜合評(píng)價(jià)法對(duì)松嫩平原濕地生態(tài)環(huán)境的時(shí)空分布規(guī)律和結(jié)構(gòu)功能動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。

PSR模型法能對(duì)眾多指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)性的分類，充分分析人為干擾下各指標(biāo)的狀態(tài)變化和響應(yīng)措施，適用于大范圍的濕地系統(tǒng)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)分析。然而，PSR模型在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)環(huán)境影響的描述上還存在一定的不足，一些學(xué)者開(kāi)始對(duì)PSR模型進(jìn)行調(diào)整。歐洲環(huán)境署的人員在綜合分析社會(huì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境間的影響關(guān)系后，將“驅(qū)動(dòng)力”和“影響”引入到PSR模型中，提出了DPSIR(driving force-pressure-state-impact-response)模型[78-79]。Zhang等[80]利用DPSIR模型建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)南四湖濕地生態(tài)環(huán)境健康水平進(jìn)行評(píng)估，更加明確地描述了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)環(huán)境造成的影響。王賀年等[78]運(yùn)用DPSIR模型，除了選擇濕地生態(tài)系統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu)和功能性指標(biāo)外，還將社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境保護(hù)意識(shí)等指標(biāo)也納入了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，構(gòu)建了更加全面的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并對(duì)衡水湖濕地的生態(tài)健康狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

5 研究展望

a. 基礎(chǔ)理論與研究尺度問(wèn)題。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼開(kāi)展了濕地環(huán)境影響評(píng)價(jià)、濕地生態(tài)健康評(píng)價(jià)、濕地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)、濕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)等方面的研究，但這些濕地評(píng)價(jià)在研究對(duì)象和內(nèi)容上存在概念相互混淆，甚至部分重合的現(xiàn)象。今后首先需要科學(xué)界定濕地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的概念內(nèi)涵，建立完善的基礎(chǔ)理論體系。目前，濕地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)研究多限于生態(tài)系統(tǒng)層次，對(duì)濕地土壤、生物、景觀等較小尺度的研究較少，而實(shí)際上不同尺度的環(huán)境質(zhì)量存在著復(fù)雜的相互影響關(guān)系。因此，應(yīng)將大、中、小尺度的濕地區(qū)域研究有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，研究其內(nèi)在機(jī)理和評(píng)價(jià)結(jié)果的相互影響關(guān)系。

b. 水環(huán)境的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)問(wèn)題。水環(huán)境中某一監(jiān)測(cè)斷面的指標(biāo)時(shí)刻發(fā)生著改變，評(píng)價(jià)結(jié)果不可避免帶有短時(shí)效應(yīng)，想要獲得長(zhǎng)期穩(wěn)定的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，需要連續(xù)、可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的支撐。地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)不僅能自動(dòng)化獲取實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，還能為空間信息的分析處理提供操作平臺(tái)。盡管GIS技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中已有應(yīng)用，但目前尚未形成一種成熟的水環(huán)境動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模型。今后可進(jìn)一步研究GIS技術(shù)與數(shù)學(xué)理論的集成方法。

c. 加強(qiáng)濕地土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)。目前，濕地土壤研究尚未形成統(tǒng)一的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)且評(píng)價(jià)研究集中于重金屬污染方面，但隨著社會(huì)活動(dòng)的加劇，各種營(yíng)養(yǎng)成分、有機(jī)污染物、地質(zhì)構(gòu)造及微生物也將成為影響濕地土壤質(zhì)量的關(guān)鍵。今后應(yīng)根據(jù)不同類型的濕地，綜合多種物理、化學(xué)、生物指標(biāo)，建立合適的濕地土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。生命周期評(píng)價(jià)方法考慮了土壤周期變化的環(huán)境影響，可作為濕地土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的新方法。另外，在已有評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)一步研究多種評(píng)價(jià)方法的耦合及評(píng)價(jià)模型的優(yōu)化。

d. 生態(tài)環(huán)境的指標(biāo)選擇問(wèn)題。濕地類型眾多，面積遼闊，評(píng)價(jià)指標(biāo)錯(cuò)綜復(fù)雜。然而，過(guò)多的評(píng)價(jià)指標(biāo)在實(shí)際工作中不易操作，容易導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)問(wèn)題復(fù)雜化。目前濕地評(píng)價(jià)研究所建立的指標(biāo)體系中，普遍存在評(píng)價(jià)指標(biāo)代表性不足或指標(biāo)信息互相重疊的現(xiàn)象。因此，有必要對(duì)各類指標(biāo)進(jìn)行精煉，針對(duì)濕地類型特點(diǎn)和評(píng)價(jià)目的選取具有代表性、易于操作且能全面反映生態(tài)環(huán)境狀況的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

e. 未來(lái)發(fā)展方向。我國(guó)濕地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)研究起步較晚，引入其他學(xué)科合適的評(píng)價(jià)方法是今后有效開(kāi)展環(huán)境評(píng)價(jià)工作的基礎(chǔ)。濕地評(píng)價(jià)涉及水利學(xué)、土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)、環(huán)境學(xué)甚至社會(huì)學(xué)等學(xué)科，多學(xué)科、多方法的集成組合是今后整體評(píng)價(jià)的研究方向。另外，隨著遙感技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)方法及人工智能算法的日益完善和推廣應(yīng)用，不同時(shí)段的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和空間信息將更容易獲取，可以在建立環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上創(chuàng)立濕地?cái)?shù)據(jù)共享平臺(tái)。大數(shù)據(jù)分析方法及空間評(píng)價(jià)模型將是未來(lái)濕地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)研究的重點(diǎn)。