生态系统健康评价方法与方向.docx

1、生态系统健康评价方法与方向第21卷第12期2001年12月生态学报ACT A ECOLOGICA SINICA V ol.21,No.12Dec.,2001生态系统健康评价:方法与方向马克明1,孔红梅1,关文彬2,傅伯杰1(1.中国科学院生态环境研究中心,北京100085;2.北京林业大学,北京100083基金项目:中国科学院知识创新项目(KZCX2-405和国家重点基础研究发展规划(G2*07项目收稿日期:2000-12-28;修订日期:2001-08-10作者简介:马克明(1969,男,黑龙江肇源人,博士,副研究员。主要从事景观生态学、保护生物学、生态系统健康评价与管理、和非线性生态模型研

2、究。摘要:生态系统为人类提供了自然资源和生存环境两个方面的多种服务功能。生态系统服务功能是人类生存和发展的基础。同时,一个生态系统只有保持了结构和功能的完整性,并具有抵抗干扰和恢复能力,才能长期为人类社会提供服务。因此,生态系统健康是人类社会可持续发展的根本保证。生态系统健康是指一个生态系统所具有的稳定性和可持续性,即在时间上具有维持其组织结构、自我调节和对胁迫的恢复能力。它可以通过活力、组织结构和恢复力等3个特征进行定义。影响生态系统健康的原因有很多,多为人类活动所致。例如,污染物排放、非点源污染、过度捕捞、围湖造田、水土流失、外来种入侵和水资源不合理利用等是影响水生态系统健康的主要原因。评

3、价生态系统健康需要基于功能过程来确定指标,特别是评价其受干扰后的恢复能力。包括其完整性、适应性和效率。生态系统健康评价方法尚处于实验和发展阶段,有必要对现有成果进行及时总结,提出方向,以促进生态系统健康研究的发展。生态系统健康评价主要包括指示物种和指标体系两种方法。在生态系统健康研究中,指示物种的选择应该谨慎,要综合考虑到它们的敏感性和可靠性,即要明确它们对生态系统健康指示作用的强弱。在水生态系统研究中,已被选择的指示物种有,浮游生物、底栖无脊椎动物、鱼类和不同水平生物的综合。建立生态系统健康评价指标体系大致可以从两方面选择指标,即生态系统内部指标,包括生态毒理学、流行病学、生态系统医学等方面

4、和不同尺度指标的综合;以及生态系统外部指标,比如社会经济指标。但是,其它指标可能也适于进行生态系统健康评价,如景观格局、土地利用变化。到目前为止,对几乎所有的生态系统类型都进行过健康评价。但是,由于生态系统健康研究是一个新领域,有关它的概念、评价的指示物种和指标体系等方面存在各种争论,生态系统健康评价正在不断的争论中走向成熟。其未来发展方向是结合经济学、社会学和健康科学的定量化生物学途径。生态系统健康评价的目的不是为生态系统诊断疾病,而是定义生态系统的一个期望状态,确定生态系统破坏的阈限,并在文化、道德、政策、法律、法规的约束下,实施有效的生态系统管理。关键词:生态系统;健康;评价Ecosys

5、tem health assessment :methods and directionsM A Ke-Ming 1,KON G Ho ng -Mei 1,GU AN Wen-Bin 2,FU Bo -Jie 1(1.R ese arch Ce nterf or Ec o -E n -v ironmental S ciences ,Chinese A cademy of S ciences ,B eij ing 100085,China ;2.B eij ing F orestry Univ ersity ,B eij ing100083,China .Acta Ecolog ica Sini

6、ca ,2001,21(12:21062116.Abstract :Eco system supplies many serv ices to human being on tw o aspects,the natural r eso urces and liv-ing env iro nment .Ecosy st em ser vice is the basis for the sur vival and dev elo pment of human society .M ea n-while,an ecosy stem co uld only supply lo ng-term ser

7、vices w hen it kept the integ ra lity o f st ructure and function,and had the a bility to r esist distur bance and the r esilience.T herefo re,Ecosy st em health co uld ensur e ecosystem ser vices ,a nd is the prer equisit e for sustainable dev elo pment of human so ciety .Ecosystem health r efers t

8、o the stability and sustainabilit y o f an eco system.T hat is,the ability o f anecosystem to maintain it s or g aniza tio n ,self -adjustment ,and r esilience on time .I t can be defined acco rding to vig or ,o r ganization,and resilience.T he many result s o f huma n activit ies are the main impac

9、ts to ecosystem heath.Fo r ex ample,sew ag e effluence ,non -po int source pollution ,o ver -fishery ,w etland cultivation ,soil er osio n ,invasive species ,ir-rat ional w ater use ar e the main reaso ns in aquatic ecosy st ems .Ecosystem hea lth assessment needs t o deter mine indices based on its

10、 functio ns and pr o cesses,especial-ly t he r esilience after distur bance,w hich includes the integr ity ,adapt ability and efficiency How ev er,e-co system health assessm ent is still in the pro cess o f ex perim ent and developing .I t is necessar y to rev iew the pr esent results o n time ,and

11、put fo rw ar d the futur e dir ectio ns in o rder to pr omo te the development o f e-co system health assessment.Indicator tax a and indices ar e the t wo metho ds o f ecosy st em healt h assessment .How ever ,it sho uld be ca reful in selecting indicat or tax a .T he sensitivit y and reliability of

12、 t axa need to be co nsider ed simulta-neo usly ,w hich means w e sho uld kno w how high or low the t axa ar e in indicating t he ecosy st em.Indicat or tax a selected at pr esent mainly include,plankton,benthic inver tebr ates,fishes,and the integ rat ion of o r-ganisms o n differ ent lev els in aq

13、uatic ecosystems .Par ameter s on tw o aspects can be chosen in establishing the indices fo r ecosy st em health assessment.T he inner indices o f ecosystem ,including those in ecot ox icolog y ,epidemiolo gy ,and eco system medicine,and t he int egr atio n o f indicator s on different scales .And t

14、he o uter indices of ecosy st em ,fo r ex ample ,the social a nd eco no mic indices .How ever ,the o ther indices ar e also po ssibly useful in ecosy st em health a s-sessment,for example,the landscape patt ern,a nd land use change.A lmo st all the t ypes of ecosystems hav e been assessed by now.How

15、 ev er ,ecosy stem health assess-ment is still a new r esearch field that disputes ex isted on its co ncept ,indicator tax a and indices ,w hich is w ha t w e sho uld do in the futur e to pr omo te the assessment.Futur e direction of eco system health assess-ment is to integr ate econo mics,socia l

16、science and health science w ith quantitativ e biolo gical appr oaches.T he a im of ecosy st em health assessment is not to diag nose sickiiess,but to define an ex pected stat e o f the ecosystem and the thr esho ld to distur bance ,and implement effectiv e eco sy stem management under the constra i

17、ns o f cultur e,mo ral,policies,law s and r eg ulatio ns.Key words :assessment;eco sy stem;health文章编号:1000-0933(200112-2106-11中图分类号:Q149文献标识码:A地球上已经不存在未受人类影响的生态系统了1。人类每天制造大量的垃圾和废物,已经危害到地球的每个角落。生态系统的作用不仅是人类的垃圾堆放场,它更重要的贡献在于能够为人类社会提供一系列不可或缺的服务。生态系统为人类提供了自然资源和生存环境两个方面的多种服务功能2。它不仅包括各类生态系统为人类所提供的食物、医药及其他工

18、农业生产原料,更重要的是它维持了地球的生命支持系统,生命物质的生物地球化学循环与水循环,生物物种与遗传多样性,净化环境,维持大气化学的平衡与稳定等3。人们已经认识到,生态系统服务功能是人类生存与现代文明的基础。生态系统健康是保证生态系统服务功能的前提。一个生态系统只有保持了结构和功能的完整性,并具有抵抗干扰和恢复能力,才能长期为人类社会提供服务。因此,生态系统健康是人类社会可持续发展的根本保证。1生态系统健康的概念Schaeffer 等首次探讨了生态系统健康的度量问题4,但是没有给出明确定义。Rappo rt 首次论述了生态系统健康的内涵5。认为生态系统健康(Ecosystem health是

19、指一个生态系统所具有的稳定性和可持续210712期马克明等:生态系统健康评价:方法与方向性,即在时间上具有维持其组织结构、自我调节和对胁迫的恢复能力。生态系统健康可以通过活力、组织结构和恢复力等3个特征进行定义。活力(V igo r 表示生态系统的功能,可根据新陈代谢或初级生产力等来测度;组织结构(Or ganization是根据系统组分间相互作用的多样性及数量来评价;恢复力(Resilience 也称抵抗力,是指系统在胁迫下维持其结构和功能的能力6。生态系统健康概念虽然只有十几年的历史,却受到了广泛关注。多次举办过有关的国际会议,成立了多个专门的学会组织,并且出现了两个专门以生态系统健康命名

20、的国际杂志7。到目前为止,对几乎所有的水生态系统类型海洋、海岸、湿地、河流、河口和湖泊,以及部分陆地生态系统类型森林、草原等,进行了研究。加拿大在生态系统健康研究方面走在了世界前列,环境部、卫生部和海洋渔业部合作在6a (19942000时间内花费1.5亿加元在北美大湖区开展退化生境恢复、污染防治、保护人和生态系统健康8。美国也正在开展全国性的生态系统健康状况评价。我国这方面研究很缺乏,刚刚起步。目前,生态系统健康评价还处于实验和摸索阶段,尚未形成一套成熟的方法。很有必要及时进行总结,指出未来发展趋势,以利其今后发展。本文以生态系统健康研究最为丰富的水生态系统为例进行介绍。2影响生态系统健康的

21、原因各种形式的人类活动是影响生态系统健康的主要原因。如,森林砍伐、过度放牧等。就水生态系统而言,主要包括以下几个方面:污染物排放:工业废水和生活污水中含有多种有毒污染物和过量养分,它们对生态系统健康产生不同程度的影响。M unaw ar 等在研究排污对加拿大多伦多滨水区(安大略湖生态系统健康的影响时发现,一系列非本地的浮游植物对复杂营养和污染物状况都具有生理响应和生产力变化,营养物质和有毒污染物之间具有复杂的相互作用,最终决定生物健康9。Evans 探讨了多种有毒污染物对加拿大大湖区生物的生态毒理作用和对生态系统健康的影响10。非点源污染:现代农业中农药和化肥的大量施用,导致地表径流含有多种污

22、染物和过量养分,经常引起水体污染和富营养化,使水生态系统的结构和功能发生改变。这方面的研究实例很多,已经成为国际研究热点。我国近年来也在此方面大力开展研究和管理。过度捕捞:人类对鱼类资源的需求激增,过度捕捞造成种群数量减少,破坏了生态系统原有的结构,致使其功能发生变化。因为鱼类是水生态系统中营养顶级的物种,鱼类种群数量的降低,直接影响到它的下一营养级种群的存活状态,比如,可能导致一些鱼类食用的浮游生物和水草增加,甚至湖泊的富营养化。另一方面,也会影响到以鱼类为食的水鸟的生存。总之,生态系统中一个重要组分的变化,将会带来一系列不良影响。围湖造田:围湖造田一方面缩小了湖泊面积,导致湿润生境丧失,引

23、起水生植物的局域灭绝和干旱植物的入侵;另一方面,截断了湖群之间的物质、能量和物种交流,破坏了水生态系统的完整性,严重威胁水生态系统的存续。这种行为的生态影响是毁灭性的。水土流失:水土流失所产生的泥沙会影响到水体的物理性质,如浊度、透明度以及水的动力学性质等,破坏水生生物群落的组成、结构和功能,导致水生态系统健康状况的恶化。我国在水土流失的产生、危害及控制方面的研究工作相当丰富,但是在泥沙对水生态系统影响方面的研究相对薄弱。外来种入侵:外来种入侵后,通过竞争、捕食和改变生境,使得原有的生态系统结构和功能破坏。L each 对北美大湖生态系统的研究证实了这一点11。但是,总体上这方面的研究目前还比

24、较欠缺,但已经引起全球(包括我国生态学家的重视。水资源不合理利用:Quibell 和Westo n 研究流域水资源利用的增加对湖泊生态的影响时发现,湖泊的盐分含量与淡水供给密切相关12。它在干季的盐分含量可达海水的好几倍,该系统可以忍受高盐分,并在此之后能够恢复。更重要的是,该湖泊存在几种盐分状态,每个状态对应于一种生态系统功能。不同状态之间的快速转换使系统一直处于不稳定的状态,导致生态系统整体的生物量较低、生命力减退。总体上,水生态系统的生态毒理学研究已经比较丰富,但是,象过度捕捞、围湖造田、水土流失、外来种2108生态学报21卷入侵和流域水资源利用这类人类活动导致的生态系统健康下降,以往研

25、究中考虑得不多,现在正在受到重视。影响其他类型生态系统健康的因素与此不尽相同,需要依据特定的资源利用方式确定。3生态系统健康评价方法评价生态系统健康需要基于功能过程来确定指标,特别是评价其干扰后的恢复能力。包括其完整性(Integ rity 、适应性(Edaptabiliiy 和效率(Efficiency 13。Schaeffer 等首次探讨了生态系统健康的度量问题4。生态系统健康评价除了需要对其小尺度生态过程进行研究监测外,从景观尺度进行环境质量监测也是必不可少的步骤。将遥感、地理信息系统和景观生态学原理等宏观技术手段与地面研究紧密配合,通过景观结构变化了解其功能过程。例如,景观敏感性与土地

26、利用变化关系密切,因此可以通过土地利用变化评估环境质量变化14。以水生态系统为例。根据水生态系统健康研究的现状,可以总结出两种评价方式:即指示物种法和指标体系方法。实际上,生态系统健康评价的最佳途径是微观与宏观相结合的综合性研究。3.1指示物种鉴于生态系统的复杂性,人们经常需要采用一些指示类群(Indicato r ta xa 来监测生态系统健康15。常用的水生态系统健康评价的指示类群包括:3.1.1浮游生物水表层的小生物群落,包括病毒、细菌、自养浮游生物(P icopla nkto n,nanoplankt on等亚显微结构是水生态系统的重要组分,可以用于监测水生态系统健康16。纤毛原生生物

27、也可以用作水生态系统健康的指示物17。具体方法有2个:群落评价和毒理实验。群落评价一般通过取样种群特征和占居率,与原始系统进行比较。因为纤毛原生生物的丰富度、多样性和生物量与生态系统营养状况相关。毒理实验的设计采用了一系列生态系统健康指标,包括呼吸率、生长率和趋药性(Chemo tactic反应。微生物环(M icr o or ganism loo p 是一个敏感、快速和可以早期预警人类压力的生物指标18,是湖泊生态系统健康评价和恢复中非常缺乏的生态技术19。采用这些小尺度、敏感、实用、廉价和自动化的生物技术监测生态系统健康已经取得了明显进展20,但是比较适宜的指示生物是接合体(Gamet e

28、s、胚胎(Embry os和其它生命的初级阶段。3.1.2底栖无脊椎动物生态系统观点是理解和探究自然系统中干扰效应的基础,确定底栖群落的结构和动态是理解水生态系统状态和演变过程的关键。R eice 和Wo hlenber g 探讨了采用底栖大型无脊椎动物进行生态系统健康评价的优点21。从采用底栖无脊椎动物指示生态系统健康的研究中可以总结出3个普适性的方法22:1有机污染程度方法:需要详细了解生物种类,对污水排放的影响研究最合适。2多样性指标:不需要详细了解物种,但是忽略了重要物种的信息。3生物指标:以上两者相结合。应用多元分析技术及与关键环境因子相关的底栖群落结构的研究已经取得了明显进展。应用

29、这些技术可以确定一系列环境状态的参照群落,预测一个新地点出现的底栖群落及其与预期群落类型的差异。生物指标可以替代传统的化学方法作为环境标准和管理的目标。但是,采用底栖无脊椎动物的功能特征进行生态系统健康测定还处于初级阶段。将来,生态系统健康的功能测定,比如长期的毒理和胁迫效应,应该在评价过程中加强应用。3.1.3营养顶级的鱼类营养顶级的鱼类反映了整个水生态系统的环境状况。因为,它们一方面对化学污染比其它种群更加敏感:另一方面,由于处于食物链的顶级,综合反映了其它生物的变化,因此是生态系统健康监测的很好的指示种23。210912期马克明等:生态系统健康评价:方法与方向最简便的方法是跟踪鱼类种群对

30、环境退化的响应。重要指标包括:平均年龄、产卵能力和条件因素。即:捕捞、补充、多种压力、食物限制和生境变化24。此类研究由来己久,Sonstegar d 和L eather land 就指出银大马哈鱼可以指示北美大湖区的生态系统健康25。Edw ards 等采用蛙鱼为指示种来监测湖泊贫营养化(Olig ot ro phic 26。目前,采用鱼类监测水质和水生态系统健康已经成为一种常用方法。3.1.4不同组织水平生物的综合运用综合运用不同的生物组织水平,亚细胞、细胞、生物个体、种群、群落和生态系统的相关信息,进行水生态系统健康评价是比较全面的方法,也是一个很有前途的研究方向。在生态毒理研究中,生物

31、化学反应与种群和群落变化的相关性还不清楚,需要研究化学污染物与个体、种群、生态系统响应的关系,应该对生物个体对化学污染的初级和次级响应进行测定23。通过底泥毒性化学分析、组织化学分析、病理分析、和群落结构的综合研究,可以提供不同生物组织水平,亚细胞、细胞、生物个体、种群、群落和生态系统的相关信息,通过与对照地点比较,并结合经验判断得到了毒理效应的临界值,能够对生态系统健康做出客观而全面的评价27。3.1.5存在的问题虽然采用生物类群指示生态系统健康的研究取得的很大进展,成为生态系统健康研究的常用的基本方法,但是仍然存在着一些问题。比如,指示物种的筛选标准不明确,有些采用了不合适的类群。Hili

32、y 和M er enlender 在研究了目前文献中提出的筛选标准之后认为,这些标准并不一致15。而且,生物保护文献中提出的作为生态系统健康指示的100种脊椎动物和32种无脊椎动物,很少有哪个脊椎动物能够符合多个标准。因为它们中的很多物种都具有很强的移动能力,对胁迫的耐受程度比较低,与生态系统变化的相关性比较弱。大多数无脊椎动物也同样缺乏与生态系统变化的相关性,但是满足其它的选择标准。然而,用于指示生态系统健康的无脊椎动物经常是分类等级比较高,且包括了很多物种,因此难于测定每个物种的作用,同时这些物种中有些可能不是必需的,有些甚至可能是不合适的。针对这些问题,他们提出了一个逐步的筛选过程。另外,一些监测参数的选择不恰当。例如,光合作用参数。M akarew icz 对33个湖泊学指标,包括光合作用参数(P max 和A lpha,在安大略湖岸带观测了2a 28。结果发现,温度对光合作用参数的影响很大,达到25%。并且,由于大量的参数相关或对光合作用的影响不确定,营