基于多指標(biāo)評(píng)價(jià)法的河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)研究進(jìn)展

白欣茹，孟志龍，高玉鳳，石 瑛

(1.太原師范學(xué)院 生物系，山西 晉中 030619；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 水土保持科學(xué)研究所，山西 太原 030031；3.山西工程科技職業(yè)大學(xué)，山西 晉中 030619)

河流生態(tài)系統(tǒng)在人類的發(fā)展過(guò)程中起著舉足輕重的作用.長(zhǎng)期以來(lái)，它不僅為人類提供食物、居民生活用水、農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水，還提供了各種文化活動(dòng)等精神層面的社會(huì)服務(wù).此外河流生態(tài)系統(tǒng)也是整個(gè)生物圈內(nèi)物質(zhì)循環(huán)的重要載體，參與全球的物質(zhì)循環(huán)過(guò)程[1].健康的河流生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)是人類與生態(tài)環(huán)境平衡的系統(tǒng)，即確保自身狀況的穩(wěn)定，生物完整性、群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定以及維持良好的社會(huì)服務(wù)功能[2].隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)化進(jìn)程的不斷加速以及人類對(duì)于河流資源的掠奪式利用，河流的生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞，在全球范圍內(nèi)河流生態(tài)系統(tǒng)相繼發(fā)生了水質(zhì)惡化、生物多樣性缺失、河流生態(tài)和服務(wù)功能逐漸喪失等諸多問(wèn)題，嚴(yán)重制約了流域內(nèi)的可持續(xù)發(fā)展[3].

如何準(zhǔn)確、高效、快速地評(píng)價(jià)河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況已成為河流健康管理的新內(nèi)容[4].多指標(biāo)評(píng)價(jià)法廣泛用于河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)中.本文綜述了國(guó)內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用多指標(biāo)評(píng)價(jià)法在河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)中取得的研究成果，同時(shí)討論和展望了多指標(biāo)評(píng)價(jià)法在河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)中的應(yīng)用前景.

1 河流生態(tài)系統(tǒng)健康

20世紀(jì)70年代末國(guó)際上開(kāi)始了河流保護(hù)活動(dòng)，河流生態(tài)系統(tǒng)健康概念層出不窮.隨著對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)健康認(rèn)識(shí)的不斷提高，國(guó)內(nèi)外學(xué)者試著從不同的角度對(duì)這一概念進(jìn)行闡述，但到目前為止仍沒(méi)有統(tǒng)一的定義.Karr[5]關(guān)注河流生態(tài)系統(tǒng)健康，首次提出將重點(diǎn)放在其生態(tài)功能上，強(qiáng)調(diào)生態(tài)完整性.Schofield等[6]強(qiáng)調(diào)健康的河流生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)是沒(méi)有受到人為干擾的河流生態(tài)系統(tǒng)，尤指河流生物群落的結(jié)構(gòu)和組成盡可能接近受擾前的狀態(tài).然而，河流生態(tài)系統(tǒng)與人類是相互交融、互相影響的，嚴(yán)格意義上不存在未受人類干擾或者少受人類干擾的河流生態(tài)系統(tǒng).在新的理念下，研究學(xué)者普遍認(rèn)為健康的河流不僅強(qiáng)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)的完整性、生物群落多樣性，還應(yīng)該關(guān)注對(duì)人類服務(wù)功能的價(jià)值[7].Rapport[8]認(rèn)為健康的河流生態(tài)系統(tǒng)不僅要保持物理、化學(xué)和生物的完整性，還要維持其對(duì)人類各種社會(huì)服務(wù)功能的良好狀態(tài).自唐濤[9]等人于2002年將河流生態(tài)系統(tǒng)健康的概念引入中國(guó)以來(lái)，國(guó)內(nèi)研究者開(kāi)始關(guān)注河流的生態(tài)系統(tǒng)健康.霍唐斌[10]認(rèn)為健康的河流生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)是在維持其生態(tài)穩(wěn)定的同時(shí)能夠滿足人類的合理需求.

河流生態(tài)系統(tǒng)健康概念目前雖未達(dá)成統(tǒng)一的共識(shí)，綜合國(guó)內(nèi)外研究，河流生態(tài)系統(tǒng)健康的內(nèi)涵應(yīng)是包含河流自身狀況的穩(wěn)定以及能夠滿足人類生產(chǎn)生活合理需求的服務(wù)功能.

2 河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方法

為了更全面評(píng)估河流健康狀況以便科學(xué)管理河流生態(tài)系統(tǒng)，研究學(xué)者們開(kāi)始積極探索不同的方法對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行評(píng)價(jià).河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方法眾多，從原理上可以分為兩類[11]，預(yù)測(cè)模型法[12]和多指標(biāo)評(píng)價(jià)法[13].

預(yù)測(cè)模型法是先假設(shè)該河流未受到人類的干擾，隨后預(yù)測(cè)河流中應(yīng)具有的生物量并和實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)比值結(jié)果來(lái)評(píng)定河流的健康狀況，比率越接近，說(shuō)明河流生態(tài)系統(tǒng)健康指標(biāo)就會(huì)越高.該方法最為典型的實(shí)踐是英國(guó)河流無(wú)脊椎動(dòng)物預(yù)測(cè)、分類計(jì)劃(RIVPACS)[14]和澳大利亞的河流評(píng)估(AUSRIVAS)[15].RIVPACS不但可以預(yù)測(cè)和解釋河流中無(wú)脊椎動(dòng)物受到人為影響的程度[16]，而且方法簡(jiǎn)單易行.AUSRIVAS法則是澳大利亞基于RIVPACS法制定的一項(xiàng)符合本國(guó)國(guó)情的河流健康評(píng)價(jià)計(jì)劃，并在全國(guó)范圍內(nèi)開(kāi)展了河流健康評(píng)估的工作.但此方法有一致命的缺陷，它采取單一的生物指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)河流生態(tài)健康，當(dāng)河流生態(tài)系統(tǒng)受到破壞，該物種并未發(fā)生反應(yīng)，這種評(píng)價(jià)方法就無(wú)法反映真實(shí)的河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況[17].因此，能夠用一系列水文、生物、物理化學(xué)等多種類型指標(biāo)從不同角度、不同深度揭示河流生態(tài)系統(tǒng)存在問(wèn)題的多指標(biāo)評(píng)價(jià)法應(yīng)運(yùn)而生[18].

多指標(biāo)評(píng)價(jià)法首先根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)調(diào)查河流的化學(xué)、生物和形態(tài)特征進(jìn)行評(píng)分，然后計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重，最后累積得到的總分作為評(píng)價(jià)河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的依據(jù)[19].多指標(biāo)評(píng)價(jià)方法不僅結(jié)合了河流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架，水生生物種群和河流理化特征，而且考慮到了周邊地區(qū)的經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，充分考慮了河流整體生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)功能[20].近年來(lái)，多指標(biāo)評(píng)價(jià)法在河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)中得到廣泛的運(yùn)用[21].表1預(yù)測(cè)模型法與多指標(biāo)評(píng)價(jià)法的優(yōu)劣進(jìn)行了比較.

表1 河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方法比較

3 多指標(biāo)評(píng)價(jià)法在河流生態(tài)系統(tǒng)健康的應(yīng)用

3.1 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)外河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的研究工作開(kāi)始于監(jiān)測(cè)污染嚴(yán)重的河流水質(zhì)[22]，隨著研究的深入，人們認(rèn)識(shí)到水質(zhì)只是影響河流生態(tài)系統(tǒng)健康的因素之一，單一的水質(zhì)評(píng)價(jià)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足河流管理的需求.對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的研究百花齊放，其中多指標(biāo)評(píng)價(jià)的方法因其評(píng)價(jià)更客觀而被普遍使用，同時(shí)設(shè)計(jì)出多種評(píng)價(jià)體系.本研究總結(jié)了較具代表性的幾種多指標(biāo)評(píng)價(jià)法的實(shí)踐運(yùn)用.

美國(guó)學(xué)者Karr等在1981年提出了生物完整性指數(shù)評(píng)價(jià)法(IBI)[23]，該法利用生物群落的組成和結(jié)構(gòu)來(lái)評(píng)價(jià)河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，有效區(qū)分了不同程度的受損位置，可運(yùn)用到多種類型的河流當(dāng)中.根據(jù)河流實(shí)際物種組成，細(xì)化出了魚(yú)類完整性指數(shù)(F-IBI)、大型無(wú)脊椎動(dòng)物完整性指數(shù)(B-IBI)、著生藻類完整性指數(shù)(P-IBI)及微生物完整性指數(shù)(M-IBI)等.IBI法在我國(guó)河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)中得到廣泛的應(yīng)用，實(shí)踐證明了該方法的可行性.王瑜[24]基于B-IBI，通過(guò)對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)賦分得到生物完整性評(píng)價(jià)得分，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)查證明B-IBI能綜合反映出松花江流域河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，具有一定的適用性.粟一帆[25]從生態(tài)系統(tǒng)完整性考慮構(gòu)建河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系，選取河流形態(tài)和魚(yú)類物種數(shù)等11個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示漢江中下游河流生態(tài)健康表現(xiàn)出較強(qiáng)的空間異質(zhì)性.謝孟星[26]基于M-IBI篩選指標(biāo)，構(gòu)建了無(wú)錫市境內(nèi)8條河流冬、春兩季微生物完整性指標(biāo)框架，結(jié)果表明M-IBI法能有效反映河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況.

Petersen[27]提出了岸邊與河道環(huán)境細(xì)則(RCE)，嘗試從棲息地、生物等更多的指標(biāo)來(lái)評(píng)估河流生態(tài)系統(tǒng)健康.指標(biāo)選取涵蓋了河岸完整性、河道寬度、深度結(jié)構(gòu)、河岸結(jié)構(gòu)、河床條件、水生植被和魚(yú)類等16項(xiàng)指標(biāo)，將河流健康狀況劃分為5個(gè)層次.該方法通過(guò)目測(cè)便可快速評(píng)價(jià)河流健康狀況，但僅適用于農(nóng)業(yè)區(qū)小河流的河流生境與生物的健康狀況.

南非水事務(wù)和林業(yè)部于1994年制定了河流健康計(jì)劃(RHP)，該計(jì)劃選取魚(yú)類、大型無(wú)脊椎動(dòng)物和河岸植被等作為河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)，為河流生物監(jiān)測(cè)提供了一個(gè)可廣泛應(yīng)用的框架[28].但是此方法存在一定的限制性，僅適用于河口區(qū).

英國(guó)展開(kāi)了對(duì)河流生態(tài)環(huán)境的調(diào)查(RHS)，利用河流形態(tài)數(shù)據(jù)、河岸侵蝕、河岸帶特征、土地利用類型以及生物特征等，來(lái)判斷河流生境狀況與自然狀態(tài)的相關(guān)性[29]，其研究對(duì)象的內(nèi)在聯(lián)系不夠明確，會(huì)使得評(píng)價(jià)時(shí)不便于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[30].

澳大利亞提出了溪流生境指數(shù)(ISC)[10]，該方法建立了包括河流的地貌類型、河流生境、水生生物等五個(gè)方面，對(duì)19個(gè)指標(biāo)做出了評(píng)價(jià)，綜合反映了河流水文水質(zhì)，河岸帶的狀況及水生生物情況[31].對(duì)澳大利亞80多條河流的實(shí)證研究表明，ISC的方法能夠全面反映河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，有助于制定河流生態(tài)系統(tǒng)健康恢復(fù)的管理方案，雖然指標(biāo)比較全面，但是用固定的評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)澳大利亞全國(guó)的河流，難免會(huì)忽略不同河流的特殊性.敖偲成[32]通過(guò)改進(jìn)澳大利亞ISC法對(duì)獨(dú)龍江干流及支流的生境質(zhì)量和生物指標(biāo)等的調(diào)查，分析出人口密集的鄉(xiāng)鎮(zhèn)處河流處于亞健康水平，與實(shí)際相符.

綜上所述，國(guó)外已經(jīng)建立了適合本國(guó)國(guó)情的河流生態(tài)系統(tǒng)完整性等評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，多指標(biāo)評(píng)價(jià)法能有效分析河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況.我國(guó)在河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方面正逐步開(kāi)展研究，多指標(biāo)評(píng)價(jià)法在我國(guó)得到廣泛的應(yīng)用，但還未建立起適合我國(guó)不同地區(qū)河流的普遍適用的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系.

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)健康做出客觀真實(shí)的評(píng)價(jià)，構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是至關(guān)重要的.

3.2.1 指標(biāo)體系建立的原則

為建立能夠客觀、真實(shí)和完整的河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系，正確了解河流生態(tài)系統(tǒng)健康的變化趨勢(shì)，綜合反映河流生態(tài)系統(tǒng)健康的程度，指標(biāo)體系構(gòu)建應(yīng)遵循科學(xué)性、系統(tǒng)性、代表性和指標(biāo)定量與可操作性原則[33].

3.2.2 指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定

評(píng)價(jià)河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的標(biāo)準(zhǔn)是沒(méi)有確切定義的，河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)具有鮮明的時(shí)空特異性，不同歷史時(shí)期，不同氣候發(fā)育的河流，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)都是不同的.因此，河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定要因河而異，因時(shí)而異.一般情況下判斷河流生態(tài)系統(tǒng)健康現(xiàn)狀與之前的狀況進(jìn)行比較，可考慮的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參照基點(diǎn)有四種：河流生態(tài)系統(tǒng)受到的最小干擾狀態(tài)、河流生態(tài)系統(tǒng)歷史存在的狀態(tài)，最低干擾狀態(tài)以及期望可達(dá)到的最佳狀態(tài)[34].評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定在一定程度上依賴于專家學(xué)者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與專業(yè)能力，具有主觀意志性.

3.2.3 指標(biāo)權(quán)重的確立

河流生態(tài)系統(tǒng)健康是一個(gè)相對(duì)開(kāi)放和復(fù)雜的概念，具有很多的不確定性，在評(píng)價(jià)中，權(quán)重的確立很重要.所謂權(quán)重就是用一個(gè)數(shù)值的大小來(lái)表達(dá)眾多因素中相對(duì)重要的量值[35]，權(quán)重的確定主要從主客觀兩方面來(lái)考慮.一是向?qū)＜覍W(xué)者發(fā)放調(diào)查問(wèn)卷，根據(jù)權(quán)威專家的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及主觀的判斷，即主觀賦權(quán)法；二是主要運(yùn)用數(shù)學(xué)的方法，包括有主成分賦權(quán)法，方差賦權(quán)法，熵值賦權(quán)法等[36-37].主觀賦權(quán)法主要依靠專家自身的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)合理地確定各指標(biāo)所占比重，評(píng)價(jià)結(jié)果具有很強(qiáng)的主觀意志性，客觀性較差，會(huì)產(chǎn)生一定的局限性.而運(yùn)用數(shù)學(xué)方法有較強(qiáng)的數(shù)學(xué)理論支撐，不依賴人的主觀性，但與實(shí)際情況不相吻合，故采用主客觀相結(jié)合的層次分析法(AHP)，既避免了主觀賦權(quán)法的主觀性，又避免了客觀賦權(quán)法的絕對(duì)客觀性.層次分析法很好地將主客觀、定性與定量相結(jié)合，從復(fù)雜的評(píng)價(jià)系統(tǒng)中的眾多因素劃分出三個(gè)層次，即目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和要素層；構(gòu)建從屬于上一層每個(gè)因素的同一層諸多因素的成對(duì)比較矩陣來(lái)確定各指標(biāo)的權(quán)重，在研究中被廣泛使用.方曉等[38]根據(jù)層次分析法的原理設(shè)計(jì)出了準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的專家咨詢問(wèn)卷，確定各指標(biāo)的最終權(quán)重，分區(qū)段對(duì)東風(fēng)渠的生態(tài)健康作出評(píng)價(jià)，并提出了針對(duì)性的修復(fù)措施.

3.2.4 河流綜合健康評(píng)價(jià)

河流綜合健康評(píng)價(jià)就是根據(jù)已經(jīng)構(gòu)建好的指標(biāo)評(píng)價(jià)體系進(jìn)行河流建康評(píng)價(jià).其根據(jù)指標(biāo)體系中各指標(biāo)權(quán)重的賦分值與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之間的相似程度來(lái)表征河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況.模糊綜合評(píng)價(jià)法[39]是在層次分析法確定權(quán)重的基礎(chǔ)上進(jìn)行指標(biāo)層與準(zhǔn)則層兩次模糊評(píng)價(jià)，根據(jù)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出權(quán)重的隸屬程度，根據(jù)隸屬度最大的原則來(lái)綜合河流生態(tài)健康狀況.

4 結(jié)論

我國(guó)現(xiàn)階段多指標(biāo)評(píng)價(jià)法在實(shí)踐運(yùn)用中存在以下問(wèn)題：評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)較為雜亂且尚未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在一定程度上依賴專家的經(jīng)驗(yàn)，有很強(qiáng)的主觀性；表征河流生態(tài)系統(tǒng)健康的指標(biāo)繁多，存在一些定性的指標(biāo)，不能準(zhǔn)確表達(dá)，具有一定的主觀性；判斷河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，最終應(yīng)是以其對(duì)人類社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)的，在我國(guó)的研究中，缺少對(duì)人類社會(huì)服務(wù)功能價(jià)值的研究；我國(guó)在2016年推行了“河長(zhǎng)制”的河流管理措施，河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)與河流管理結(jié)合的少，評(píng)價(jià)存在一定的片面性.

掌握河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況可更好地進(jìn)行河流生態(tài)恢復(fù)與管理，河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的確是管理河流的一種很好的工具.目前我國(guó)的河流生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)尚處在發(fā)展的階段，在探索中前進(jìn)，其中存在的諸多問(wèn)題需要今后更深一步地研究，運(yùn)用多指標(biāo)評(píng)價(jià)的方法建立合適的健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系仍是今后研究的發(fā)展趨勢(shì).