河流生态系统健康研究进展

1河流生态系统健康研究进展摘要：河流生态系统健康研究是一项综合性很强的工作，是协调河流开发利用与河流生态系统保护关系的重要理论基础和技术支撑。本文简要回顾了河流生态系统研究的发展历程，以河流生态系统健康为主线，结合河流生态需水、河流生态修复介绍了河流生态系统领域的研究进展。关键词：河流生态系统；生态健康；生态需水；生态恢复；1引言水，是物质循环和能量转化的载体，是人类生产、生活不可或缺的要素。河流是人与水交流最密切的场所，它为人类生产、生活提供淡水资源、发电、景观、体闲娱乐等生态服务功能。但近年来，随着城市化和工业化进程的不断加快，以及人类对河流水生态系统资源的不合理利用，河流水生态系统受到严重破坏，各地河流相继出现水质恶化、水文条件改变、物种多样性退化等问题[1]。由于工农业污水及生活污水的肆意排放，河流污染情况越发严重，加之人类生产生活用水量日益增加，很多河流出现枯竭或断流现象。由此可见，如何维持现有河流生态系统的服务功能，修复受损系统，促进河流及其流域的经济、社会和环境的可持续发展已经成为一个全球性的问题[2]。作为可持续发展概念的一个重要目标，恢复和维持健康的生态系统迅速成为科学家的共识，用健康来描述一个环境的状况是科学发展和社会价值观进步的必然结果，维持和恢复一个健康的生态系统已成为近年来环境管理的重要目标[3,4,5]。国内外对河流生态系统都已经进行了非常多的研究，主要集中在河流生态环境需水、河流生态修复、河流生态系统健康三个方面，三个方向的研究都相对成熟，都有各自的理论体系和指标体系，但仍在不断完善和发展中。三者相辅相成共同为河流生态保护规划提供理论引导和技术支持，而河流生态需水和河流生态修复研究的最终目的是实现河流生态系统的健康，所以河流生态需水和河流生态修复也是实现河流生态系统健康的方法。河流生态健康河流生态需水河流生态修复目标理论基础图1河流生态系统三类研究关系示意图2河流生态系统健康的定义生态系统健康研究是在全球经济高速发展和人口快速增长造成许多自然生态系统(如海洋、湖泊、森林等)的健康状况日益恶化的严峻形势下，于20世纪80年代中期在北美兴起的[5]。河流生态系统具有调节气候、改善生态环境、维护生物多样性以及一定的社会服务等众多功能，需要采用一定的指标和方法来监测河流环境条件的各个方面，即从多角度来评估2河流的健康状况，从而提供对其整治以及管理有用的信息，提高受损河流的健康状况，保护健康河流，满足当代以及下一代人的环境、社会和经济需要[6,7]。研究河流生态系统健康状况的评价不仅可应用于对河流现状的客观描述和评估，而且有助于管理决策者确定河流管理活动，对于河流的可持续管理及区域生态环境建设都具有非常重要的意义[8]。学术界在生态系统健康的定义方而尚未取得共识，不同学者有着不同的标准和理解[9]。最初，一些国家级和国际间的环境工程开始发展的生态系统健康指标，主要从生物物理观点来考虑，但随着发展越来越从综合社会经济与人类的健康角度考虑。Constanza提出的生态系统健康概念得到了广泛认可[10]，其涵盖了6个方面，即自我平衡、没有病征、多样性、有恢复力、有活力和能够保持系统组分间的平衡[11]。河流生态系统健康与社会、经济、人类、生态环境等密切相关，在区域水平上可以理解为是资源安全、环境安全和经济安全的有机统一。本文认为一个健康的河流生态系统应该具有合理的组织结构和良好的运转功能，系统内部的物质循环和能量流动未受到损害，对长期或突发的自然或人为扰动能保持着弹性和稳定性，并表现出一定的恢复能力，整体功能表现出多样性、复杂性。能够满足所有受益者的合理目标要求，具体表现为根据区域发展需求，合理利用分配水资源，保证不同区域利益的均衡，同时改善生态环境。其内涵是动态变化的，在不同时间尺度和不同空间尺度具有不同涵义。3河流生态系统健康的理论体系河流生态系统健康的理论框架体系包括两部分:一是河流生态系统健康标准的理论基础;二是干扰、生态系统稳定性与生态系统健康。生态系统健康的标准主要包括活力、恢复力、组织、生态系统服务功能的维持、管理选择、外部输入减少、对邻近系统的影响及人类健康影响等8个方而，分属于生物物理范畴、社会经济范畴、人类健康范畴以及一定的时间、空间范畴，其中最重要的是前3个方面[12]。干扰是指导致一个群落或生态系统特征超出其正常波动范围的因子。生态系统稳定性是指生态系统保持正常动态的能力，包括恢复力和抵抗力。生态系统健康与干扰、生态系统稳定性具有密切的关系。一般地讲，稳定的生态系统是健康的，但健康的生态系统不一定是稳定的[13]。干扰作用于稳定的生态系统或健康的生态系统，会导致生态系统不稳定或不健康在一定强度范围下，干扰可能导致生态系统不健康，但并不影响其稳定。健康的生态系统是未受到干扰的生态系统，但稳定的生态系统可能受到干扰。生态系统稳定性的两个重要指标是包含在生态系统健康标准中的，而且干扰与这两个指标紧密相关[14,15]。生态系统的复杂性与生态系统健康的关系口前还很难确定。4河流生态系统健康评价及保护措施4.1河流生态系统健康的评价标准生态系统健康评价目前尚未建立明确一致的方法指标体系，因要评价的生态系统类型各异，故产生了多种评价方法和指标。河流生态系统健康的评价指标主要有生态特征、水资源状况、河流基本状况、功能整合、社会政治环境及社会经济指标等。生态系统健康的标准主要包括活力、恢复力、组织、生态系统服务功能的维持、管理选择、外部输入减少、对邻近系统的影响及人类健康影响等8个方面，分属于生物物理范畴、社会经济范畴、人类健康范畴以及一定的时间、空间范畴，其中最重要的是前3个方面[16]。活力即生态系统的能量输入和营养循环容量，具体指标为生态系统的初级生产力和物质循环。在一定范围内生态系统的能量输入越多，物质循环越快，活力就越高，但对水生生态系统，高输入会导致富养化效应。恢复力即胁迫消失时，系统克服压力及反弹回复的容量。具体指标为自然干扰的恢复速率和生态系统对自然干扰的抵抗力[17]。一般认为受胁迫生态系统比不受胁迫生态系统的恢复力更小。组织即系统的复杂性，会随生态系统的次生演替而发3生变化和作用。通常认为，生态系统越复杂就越稳定，但也有研究表明随着复杂性的增加，生态系统的稳定性会被削弱，而且复杂性与稳定性的具体影响机制尚不明确稳定的生态系统是健康的，但健康的生态系统未必是未定的[18]。生态系统在受到一定干扰时，可能会影响其健康，但并不会对生态系统的稳定性造成影响。对于河流生态系统的评价，最初从生物对水质变化的响应着手，之后开始重视化学物质对水质的影响进行分析[19]。近20年来，研究发现，河流生物群落具有整合不同时间尺度上各种化学、生物和物理影响的能力。尽管关于河流健康评价的方法很多，但从评价原理上，主要可分为2类:预测模型方法。如Rivpacts和Ausrivas等[20]。这类方法通过把某些研究地点实际的生物组成与在无人为干扰情况下该点能够生长的物种进行比较而对河流健康进行评价。该类方法首先通过选择参考点，建立理想情况下样点的环境特征及相应生物组成的经验模型，之后，比较观测点生物组成的实际值与模型推导的该点预期值，以两者的比值河流健康进行评价。理论上，该比值可以在0~1之间变化，比值越接近1，则该点的健康状况越好[21]。但是，预测模型法存在一个较大的缺陷，即主要通过单一物种对河流健康状况进行比较评价，并且假设河流任何变化都会反映在这一物种的变化上，因此，一旦出现河流健康状况受到破坏，但并未反映在所选物种的变化上时，就无法反映河流真实状况。多指标方法通过对观测点的一系列生物特征指标与参考点的对应比较并计分，累加得分进行健康评价。该类方法在美国和澳大利亚被广泛应用[17]。其中最具代表性的方法就是澳大利亚的溪流状况指数ISC。它构建了基于河流水文学、形态特征、河岸带状况、水质及水生生物5方面共计22项指标的评价指标体系，并在对其计分的基础上综合评价澳大利亚80多条河流健康状。虽然河流健康研究方法种类繁多，但总体而言，该领域仍处于起步阶段，用什么样的指标体系来度量、评价系统的健康状况仍有待大量研究的积累，今后河流健康评价研究应着重解决如下问题:(1)扩大时空尺度。在以往对河流生态系统健康的研究中，多侧重于从河流水质状况进行河流健康的评价，这虽然可以从河流水质状况上对河流健康状况进行评价，但河流却是流域的一个基本单元，仅仅评价河流的水质状况并不能全面反映河流的健康特征。开展流域尺度上不同时期的河流生态系统的健康研究是当前研究的一个重大进步，只有将河流从流域尺度上进行全面和整体认识，系统分析河流生态系统的健康状况才可以全面认识河流的健康特征。(2)评估和监测一定时期内的河流(所在流域)整体健康状况的发展趋势。尤其是近年来我国河流综合整治以及恢复活动开展频繁，评估河流恢复的有效性、提高河流恢复质量成为我国河流管理中迫切需要解决的问题[22]。而恢复前后的河流健康状况评价结果可为管理决策者提供良好的基础比较资料和决策依据，通过比较评价干预之前以及干预之后的河流条件或比较预期的以及实际的河流条件评估管理行为的有效性，从而提高我国河流综合管理水平。(3)开展基于遥感、GIS、GPS新技术的河流健康评价指标体系研究[23]。随着可持续发展战略的实施，健康的河流生态系统必将成为河流管理的主要目标，所以很有必要开展相关研究。通过3S技术手段可方便快捷地建立一套适用于我国河流生态系统健康理论及评价体系，对主要河流进行健康评价，为河流及流域管理提供基础数据和决策依据，以期实现经济、社会及环境的可持续发展。4.2实现河流生态系统健康的方法河流生态系统是一个复杂的巨系统，维持和恢复河流生态系统健康需要借助多种手段，采取综合性治理措施。河流生态需水量的计算、河流生态修复是两种常用的方法。4.2.1计算河流生态需水量4生态需水量可以理解为维系一定生态系统功能所不能被占用的最小水资源需求量，包括天然生态和人工生态，其计算有河道内和河道外之分[24]。同一河流对象，对于设定不同的生态健康目标，河流生态需水量的计算也是有差异的。随着人类对水资源的开发利用程度不断增加，水资源供需矛盾日益突出。长期以来，人们在研究水资源平衡和水资源配置问题时，只注重工农业生产及生活用水等社会经济用水，而忽视了生态环境用水的基本需求，导致生态环境不断恶化，出现如河道断流、地下水位下降、水体污染、生物多样性降低等一系列生态环境问题，水资源的可再生性受到严重威胁[25]。日益恶化的生态环境问题已经成为制约我国社会经济可持续发展的主要障碍，生态需水的研究是进行水资源合理调配，维持并改善生态环境现状的关键。国外生态需水计算方法主要有历史流量法、水力定额法、栖息地定额法、整体分析法、生境模型法[26,27]。国内生态需水计算方法分为以水质目标为约束的生态需水量计算方法、缺资料地区生态需水量计算方法、河口生态需水计算方法、河道外生态需水量计算方法、维持景观、水上娱乐等环境需水量的计算方法等[27]。但以上方法多是针对河道生态需水，国内外对河流入海口的生态需水研究较少，至今尚未见到比较公认的方法或标准。目前生态需水研究领域存在的主要问题，即将各个子系统系统割裂开来，而流域内各个子系统之间是相互影响的[29]。河流受人类影响严重，土地利用方式的改变不仅改变了陆地生态需水，同时间接改变了河流径流量以及水质状况，从而导致对河流水文变化的定量化描述较为困难，因此，对河流的生态需水的研究、预测应该结合水循环过程。在确定生态需水量时，研究者不再局限于河道内生态系统，开始关注河流生态系统的完整性，以流域作为生态系统需水的研究对象，探究环境变化对生态需水影响机理是目前生态需水研究的关键科学问题[30]。3.2.2河流生态修复河流生态修复是指以在河流接近自然化的基础上满足人类生产生活要求为目标，通过人工手段改变河流的受损状态，并监测和评价效果的过程。其中修复目标、修复理念和修复影响的评价和监测是河流生态修复的3个重要方面[31]，在以往的研究中，已经分别取得了显著的进展