水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)中常見(jiàn)方法評(píng)述

陳曦胡瑾王林

（淮河流域水資源保護(hù)局 蚌埠 233001）

水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)中常見(jiàn)方法評(píng)述

陳曦胡瑾王林

（淮河流域水資源保護(hù)局 蚌埠 233001）

目前的水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方法存在多種形式，尚未形成一套成熟的方法，本文就較常使用的幾種評(píng)價(jià)方法做逐個(gè)介紹，以期對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系的建立以及從事水生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)的同仁們有所幫助。

生物學(xué)評(píng)價(jià) 熵權(quán)綜合健康指數(shù)評(píng)價(jià) 灰色關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià) 模糊評(píng)價(jià)

1 前言

生態(tài)系統(tǒng)健康是新興的生態(tài)系統(tǒng)管理學(xué)概念，對(duì)其研究是在全球許多自然生態(tài)系統(tǒng)（如海洋、湖泊、森林等）健康狀況日趨惡化的嚴(yán)峻形勢(shì)下，于20世紀(jì)80年代中期在北美興起的。隨著人們對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能認(rèn)識(shí)的逐漸深入和對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量要求的不斷提高,生態(tài)系統(tǒng)健康狀況受到越來(lái)越多的關(guān)注。對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)和研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行有關(guān)確定生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系方面的研究，目前，我國(guó)的水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)還處于實(shí)驗(yàn)和摸索階段，尚未形成一套成熟的方法。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)較常使用的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行評(píng)述，以期對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系的建立以及從事水生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)的同仁們有所幫助。

2 生物學(xué)評(píng)價(jià)

2.1 指示生物類群評(píng)價(jià)

指示物種評(píng)價(jià)法比較適用于一些自然生態(tài)系統(tǒng)的健康評(píng)價(jià)，生態(tài)系統(tǒng)在沒(méi)有外界脅迫的條件下，通過(guò)自然演替為這些指示物種造就了適宜的生境，致使這些指示物種與生態(tài)系統(tǒng)趨于和諧的穩(wěn)定發(fā)展?fàn)顟B(tài)。當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)受到外界脅迫后，生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能受到影響，這些指示物種的適宜生境受到脅迫（或破壞），指示物種結(jié)構(gòu)功能指標(biāo)將產(chǎn)生明顯變化。通過(guò)指示物種的數(shù)量、生物量、生產(chǎn)力、結(jié)構(gòu)指標(biāo)、功能指標(biāo)及其一些生理生態(tài)指標(biāo)的變化程度來(lái)描述生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。同時(shí)也可以通過(guò)這些指示物種的恢復(fù)能力的強(qiáng)弱，表示生態(tài)系統(tǒng)受脅迫的恢復(fù)能力。

2.2 多樣性指數(shù)評(píng)價(jià)

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（H'）是評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況重要的可度量指標(biāo)，是環(huán)保工作者常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

多樣性指數(shù)描述的是水體中生物細(xì)胞密度和種群結(jié)構(gòu)的變化。指數(shù)值越高，該群落結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性就越大。而當(dāng)水體受到污染時(shí)，敏感型種類消失，多樣性指數(shù)減小，群落結(jié)構(gòu)趨于簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性變差。

式中，N為樣品中的個(gè)體總數(shù)，ni為第i種的個(gè)體數(shù)。

2.3 群落學(xué)指標(biāo)評(píng)價(jià)

近來(lái)，通過(guò)對(duì)海洋等生態(tài)系統(tǒng)健康的研究，一些學(xué)者提出一個(gè)客觀評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)健康的度量指標(biāo)——多樣性—豐度關(guān)系。健康的生態(tài)系統(tǒng)中，多樣性—豐度關(guān)系可以用對(duì)數(shù)正態(tài)分布表征。這種分布里中等豐度的物種最多，常見(jiàn)的和稀有的物種都較少。對(duì)數(shù)正態(tài)分布是抽樣的統(tǒng)計(jì)特征，且具有生態(tài)學(xué)的有效性。在惡劣條件下，多樣性—豐度格局常常變化且不再表現(xiàn)為對(duì)數(shù)正態(tài)分布。一個(gè)群落的多樣性和豐度分布偏離對(duì)數(shù)正態(tài)分布越遠(yuǎn)，群落或其所在的生態(tài)系統(tǒng)就越不健康。

將偏離對(duì)數(shù)正態(tài)分布用于評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)健康，必須以物種多樣性和樣本足夠大為前提，通過(guò)仔細(xì)選擇生態(tài)系統(tǒng)中的功能團(tuán)，仍可用多樣性—豐度的對(duì)數(shù)正態(tài)分布來(lái)度量生態(tài)系統(tǒng)健康。對(duì)數(shù)正態(tài)分布為生態(tài)系統(tǒng)健康測(cè)定提供了一個(gè)有價(jià)值的尺度，它說(shuō)明在生態(tài)學(xué)上生態(tài)系統(tǒng)健康的客觀可測(cè)定性。多樣性—豐度的對(duì)數(shù)正態(tài)關(guān)系是基于生態(tài)學(xué)原理并已顯示出作為評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)健康的潛在的強(qiáng)有力工具，但仍需進(jìn)行更廣泛和深入的檢驗(yàn)以確定其是否具有普遍價(jià)值。

2.4 生物完整性指數(shù)法評(píng)價(jià)

生物完整性指數(shù)主要是從生物集合群（as-semblages）的組成成分（多樣性）和結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面反應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，是目前水生態(tài)系統(tǒng)健康研究中應(yīng)用最廣泛的指標(biāo)之一。

生物完整性指數(shù)（indexofbiologicalintegrity，IBI）是用多個(gè)生物參數(shù)綜合反應(yīng)水體的生物學(xué)狀況，從而評(píng)價(jià)河流乃至整個(gè)流域的健康。每個(gè)生物參數(shù)都對(duì)一類或幾類干擾反應(yīng)敏感，但各參數(shù)反映水體受干擾后的敏感程度及范圍不同，單獨(dú)一個(gè)生物參數(shù)并不能準(zhǔn)確和完全地反映水體健康狀況和受干擾的強(qiáng)度。因此，若同時(shí)用兩個(gè)以上參數(shù)共同評(píng)價(jià)水體健康時(shí)，就可以比較準(zhǔn)確地反映干擾強(qiáng)度與水體健康的關(guān)系。

一個(gè)好的生物完整性指數(shù)應(yīng)該能很好地反映：①水生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況；②何種人類活動(dòng)會(huì)對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)健康產(chǎn)生影響；③這些活動(dòng)是如何影響水生態(tài)系統(tǒng)對(duì)人類的服務(wù)價(jià)值；④什么樣的政策和生態(tài)恢復(fù)措施有利于生態(tài)系統(tǒng)的健康。這也是未來(lái)IBI水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)研究的重點(diǎn)和迫切需要解決的關(guān)鍵。

2.5 污染耐受指數(shù)評(píng)價(jià)

污染耐受指數(shù)PTI（即Hilsenhoff生物指數(shù)，F(xiàn)BI）是描述水生底棲動(dòng)物對(duì)污染的耐受程度，其值越大表示水體污染越厲害，水生態(tài)系統(tǒng)遭受破壞越嚴(yán)重。

式中，ti為第i種生物的污染耐受值，N為樣品中的個(gè)體總數(shù)，ni為第i種的個(gè)體數(shù)。

2.6 均勻度指數(shù)評(píng)價(jià)

Pielous均勻度指數(shù)（J）反映的是水體中各類生物是否比較均勻，優(yōu)勢(shì)種是否存在。均勻度指數(shù)值越高，物種的空間分布越均勻，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性就越大。

式中，S為種類數(shù)，H'為Shannon-Wiener多樣性指數(shù)。

2.7 King指數(shù)與Goodnight修正指數(shù)評(píng)價(jià)

King指數(shù)（KI）與 Goodnight修正指數(shù)（GBI）的研究對(duì)象分別是水生昆蟲(chóng)和寡毛類，其中KI反映的是濕生物的比重，二者所得值越大表示水體受污染越輕，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性也大。

計(jì)算式為：KI=水生昆蟲(chóng)類的濕重/寡毛類濕重

式中，Noil為寡毛類個(gè)體數(shù)，N為樣品中的個(gè)體總數(shù)。

2.8 底棲動(dòng)物群落恢復(fù)指數(shù)評(píng)價(jià)

底棲動(dòng)物群落恢復(fù)指數(shù)（IZR）結(jié)合Chandler指數(shù)和科級(jí)生物指數(shù)的特點(diǎn)，在污染評(píng)價(jià)均值法的基礎(chǔ)上進(jìn)行的修正和擴(kuò)展。與其他生物指數(shù)相比，IZR指數(shù)使用簡(jiǎn)單，所涉及種類為常見(jiàn)種，容易辨認(rèn)，如辨認(rèn)技術(shù)要求較高的水生昆蟲(chóng)只需辨認(rèn)到科，而且放大了少數(shù)敏感種的指示效果。此外，該指數(shù)能明確反映底棲生物群落的結(jié)構(gòu)狀況。其值越大，表示水體的自凈恢復(fù)能力越強(qiáng)，水生態(tài)系統(tǒng)越好。

式中，Pi是第i種類個(gè)體數(shù)，ind/m2，若Pi/N＜5%，按5%計(jì)算；Ici為每個(gè)種類對(duì)應(yīng)的清潔指數(shù)，清潔指數(shù)權(quán)值的衡量標(biāo)準(zhǔn)參考科級(jí)生物指數(shù)，根據(jù)當(dāng)?shù)氐讞珓?dòng)物群落結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行調(diào)整。

3 熵權(quán)綜合健康指數(shù)評(píng)價(jià)

生態(tài)系統(tǒng)健康應(yīng)包含兩方面內(nèi)涵：滿足人類社會(huì)合理需求的能力和生態(tài)系統(tǒng)本身自我維持與更新的能力。因此，在選擇湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法時(shí)，應(yīng)綜合考慮自然因素和社會(huì)因素，宏觀與微觀相結(jié)合，熵權(quán)綜合健康指數(shù)法即是為滿足這一要求提出的。它的計(jì)算公式為：

式中：EHIC為湖泊生態(tài)系統(tǒng)綜合健康指數(shù)；Ii為第i個(gè)指標(biāo)的歸一化值，0≤Ii≤1；wi為第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，可由熵值法確定。熵權(quán)綜合健康指數(shù)法分為以下幾個(gè)基本步驟：建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；計(jì)算各指標(biāo)的歸一化值；確定各指標(biāo)的熵權(quán)；計(jì)算湖泊生態(tài)系統(tǒng)熵權(quán)綜合健康指數(shù)。

4 灰色關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)

灰色評(píng)價(jià)法是用灰色系統(tǒng)的方法來(lái)評(píng)價(jià)河流水體狀況。由于在水環(huán)境質(zhì)量及水生態(tài)健康評(píng)價(jià)中所獲得的數(shù)據(jù)總是在有限的時(shí)間和空間范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)所得，所提供的信息不完全或不確切，因此水域可以說(shuō)是一個(gè)灰色系統(tǒng)，即部分信息已知，部分信息未知或不確切，可以用灰色系統(tǒng)的原理來(lái)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。灰色關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)方法是以斷面水體中各因子的實(shí)測(cè)濃度組成實(shí)際序列，各因子的標(biāo)準(zhǔn)濃度組成理想序列，不同標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別組成的不同理想序列，使用灰色關(guān)聯(lián)度分析法計(jì)算實(shí)際序列與各理想序列的關(guān)聯(lián)度，最后按照關(guān)聯(lián)度的大小確定綜合水質(zhì)的級(jí)別，其中關(guān)聯(lián)度越高，就說(shuō)明該樣本序列越貼近參照級(jí)別，此為單斷面水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)的灰關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)法；把灰色關(guān)聯(lián)度評(píng)價(jià)法應(yīng)用于研究具有多斷面的區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)問(wèn)題，就得到了區(qū)域水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)的灰關(guān)聯(lián)分析法。

5 模糊評(píng)價(jià)

1965 年美國(guó)L.A.Zadeh教授著名的《模糊集合》一文的發(fā)表，標(biāo)志著模糊數(shù)學(xué)的誕生并很快發(fā)展起來(lái)。由于水生態(tài)系統(tǒng)中存在大量不確定性因素，水質(zhì)級(jí)別、水生態(tài)狀況、分類標(biāo)準(zhǔn)都是一些模糊概念，因此模糊數(shù)學(xué)在水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)中也有望應(yīng)用。

應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)進(jìn)行水生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)時(shí)，對(duì)一個(gè)斷面只需要一個(gè)由P項(xiàng)因子指標(biāo)組成的實(shí)測(cè)樣本，由實(shí)測(cè)值建立各因子指標(biāo)對(duì)各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度集。如果標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別為Q級(jí)，則構(gòu)成P×Q的隸屬度矩陣，再把因子的權(quán)重集與隸屬度矩陣進(jìn)行模糊積，獲得一個(gè)綜合判集，表明斷面水體對(duì)各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)水體的隸屬程度，反映了綜合水生態(tài)健康狀況的模糊性。

從理論上講，模糊評(píng)價(jià)法由于體現(xiàn)了水環(huán)境中客觀存在的模糊性和不確定性，符合客觀規(guī)律，具有一定的合理性。但是，從目前的研究情況來(lái)看，由于在模糊綜合評(píng)價(jià)中，一般采用線性加權(quán)平均模型得到評(píng)判集，使評(píng)判結(jié)果易出現(xiàn)失真、失效、均化、跳躍等現(xiàn)象，存在水質(zhì)類別判斷不準(zhǔn)確或者結(jié)果不可比的問(wèn)題，而且評(píng)價(jià)過(guò)程復(fù)雜，可操作性差。因此在應(yīng)用模糊理論進(jìn)行水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方面還需進(jìn)一步研究，研究的關(guān)鍵性問(wèn)題是解決權(quán)重合理分配和可比性。

6 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)目前水生態(tài)的現(xiàn)狀，開(kāi)展水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)顯的極其重要，但是我國(guó)評(píng)價(jià)體系繁多，適用于特定生態(tài)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)框架不多。只有充分考慮到生態(tài)系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和功能，在此基礎(chǔ)上明確區(qū)分特定生態(tài)系統(tǒng)的脅迫狀況，辨別出最危險(xiǎn)的組分和最該重視的問(wèn)題，同時(shí)研究環(huán)境脅迫與生態(tài)參數(shù)變化的關(guān)聯(lián)程度，然后去研究適宜生態(tài)系統(tǒng)健康指標(biāo)的綜合管理策略