湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方法研究進(jìn)展

李 冰,楊桂山,萬榮榮

(1.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所流域地理學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210008;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方法研究進(jìn)展

李 冰1,2,楊桂山1,萬榮榮1

(1.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所流域地理學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210008;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

在介紹湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的產(chǎn)生、發(fā)展、內(nèi)涵,梳理湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上,歸納總結(jié)了近年來幾種常用的生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方法,包括生物監(jiān)測法和多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)法,剖析了不同評(píng)價(jià)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。借鑒環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)、可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)等領(lǐng)域的評(píng)價(jià)方法,探討不同時(shí)空尺度更為完善的湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方法,并總結(jié)了目前湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)過程中存在的關(guān)鍵問題,包括健康內(nèi)涵和標(biāo)準(zhǔn)的確定、評(píng)價(jià)方法的時(shí)空尺度結(jié)合、關(guān)鍵性指標(biāo)的閾值和數(shù)據(jù)精煉等,認(rèn)為結(jié)合遙感、GIS以及生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)等定量技術(shù),建立多尺度互為耦合的模型,是湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方法的未來發(fā)展方向。

湖泊生態(tài)系統(tǒng);生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià);評(píng)價(jià)方法;綜述

湖泊生態(tài)系統(tǒng)具有為人類提供自然資源和生存環(huán)境兩個(gè)方面的多種服務(wù)功能,在水資源供給、徑流調(diào)節(jié)、生態(tài)保護(hù)等方面起著不可替代的作用,是人類生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)之一,也是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的基本保證[1]。近年來,隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們對(duì)生態(tài)保護(hù)理解的不斷深入,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的研究已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)問題[2-8],它不僅豐富了現(xiàn)代生態(tài)學(xué)的研究內(nèi)容,也將為環(huán)境管理和決策提供借鑒。目前,水資源危機(jī)和水生態(tài)問題,如水體污染和富營養(yǎng)化、洪澇干旱、圍湖造田、過度捕撈、大型水利工程建設(shè)等,已經(jīng)導(dǎo)致湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能嚴(yán)重退化。隨著全球氣候變化和人類活動(dòng)的加劇,湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康將進(jìn)一步受到威脅,這迫使人們重新審視現(xiàn)存的湖泊生態(tài)系統(tǒng)的管理策略和模式,重視湖泊生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)保護(hù)和修復(fù)工作。對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行評(píng)價(jià),有助于了解不同時(shí)空尺度湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康程度及其變化趨勢,這一方面可為湖泊生態(tài)系統(tǒng)科學(xué)管理和生態(tài)修復(fù)提供理論基礎(chǔ)[9],另一方面也有利于比較不同環(huán)境管理措施對(duì)湖泊健康的影響。然而目前湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方法還不成熟,評(píng)價(jià)過程過于簡單,對(duì)許多關(guān)鍵性問題,如時(shí)空尺度的結(jié)合、指標(biāo)閾值和數(shù)據(jù)精煉等,考慮不足。本文在介紹和評(píng)價(jià)幾種常用的湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上,借鑒環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)、可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)等領(lǐng)域的評(píng)價(jià)方法,探討更為完善的湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方法。

1 湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的概念及發(fā)展

20世紀(jì)80年代,Schaeffer等[2]國外專家在與人類健康類比的前提下,首次探討了生態(tài)系統(tǒng)健康的度量;Constanza等[3-4]認(rèn)為健康的生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)能夠維持自身的組織結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定,并具有自我運(yùn)作能力,同時(shí)對(duì)外界壓力有一定的承受彈性,生態(tài)系統(tǒng)健康可歸結(jié)為6個(gè)方面:自我平衡、無疾病、多樣性或復(fù)雜性、活力或成長性、穩(wěn)定性或恢復(fù)力、系統(tǒng)內(nèi)組分平衡;胡志新等[10]認(rèn)為湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康包含滿足人類社會(huì)的合理要求和湖泊生態(tài)系統(tǒng)自我維持和更新的能力兩方面內(nèi)涵。經(jīng)過30多年的發(fā)展,生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)得到了飛速的發(fā)展,國內(nèi)外學(xué)者由研究其概念、指標(biāo)體系、研究尺度等方面開始,逐漸完善了湖泊、濕地、河流等生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)的方法和理論。Karr[6]提出用生態(tài)完整性指數(shù)(IBI)來表征水體生態(tài)系統(tǒng)健康程度。目前該指數(shù)已發(fā)展為用魚類群的組成、分布、種多度以及敏感種、耐受種、固有種和外來種變化的分析來評(píng)價(jià)水生態(tài)系統(tǒng)[11]。Jorgensen[5,12]從生態(tài)熱力學(xué)角度,提出使用能質(zhì)、結(jié)構(gòu)能質(zhì)、生態(tài)緩沖量來評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)健康。Xu等[13-16]在Jorgensen研究的基礎(chǔ)上提出了以活化能、結(jié)構(gòu)活化能、生態(tài)緩沖量為核心指標(biāo)的多指標(biāo)體系,并成功應(yīng)用于巢湖、青海湖、白洋淀的健康評(píng)價(jià)。Xu等[17-18]利用以生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)中營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)為核心的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,模擬和預(yù)測了不同環(huán)境管理措施對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的影響,從而為環(huán)境決策提供了重要依據(jù)。Suo等[19]改進(jìn)了Constanza等[4]的活力、組織、恢復(fù)力指數(shù)模型,并用來評(píng)價(jià)涇河流域的生態(tài)系統(tǒng)健康;Mo等[20]將BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法用于洪湖濕地健康的評(píng)價(jià)中,取得了良好的結(jié)果。然而,目前國內(nèi)外現(xiàn)存的評(píng)價(jià)理論和方法還有許多不足,對(duì)不同類型和環(huán)境背景的湖泊尚未形成統(tǒng)一的健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),也少有人對(duì)不同時(shí)空尺度的湖泊生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行長序列動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。

2 湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方法

將人類健康的概念擴(kuò)展到生態(tài)系統(tǒng),有助于提醒人們在關(guān)注無機(jī)領(lǐng)域環(huán)境破壞的基礎(chǔ)上,更應(yīng)關(guān)注包括無機(jī)成分和生物成分的生態(tài)系統(tǒng)整體狀況[21]。對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行健康評(píng)價(jià)是湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康研究的前提,可為人類管理湖泊和進(jìn)行生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)。湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方法主要可分為兩類:生物監(jiān)測法和多指標(biāo)體系評(píng)價(jià)法。

2.1 生物監(jiān)測法

2.1.1 群落學(xué)指標(biāo)法

當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)因受到外來干擾和壓力而發(fā)生改變甚至退化時(shí),通常會(huì)在群落結(jié)構(gòu)上有所表現(xiàn)[22]。常用的群落結(jié)構(gòu)指標(biāo)有分類群組成、種多樣性、生物量和物種豐度等。由于多樣性問題在生態(tài)學(xué)界和社會(huì)公眾中引起廣泛關(guān)注,種多樣性已成為環(huán)境評(píng)價(jià)中被廣泛使用的一個(gè)指標(biāo)[23]。一些學(xué)者提出將多樣性-豐度關(guān)系作為客觀評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)健康的度量指標(biāo),認(rèn)為在健康的生態(tài)系統(tǒng)中多樣性-豐度關(guān)系可以用對(duì)數(shù)正態(tài)分布來表征[21]。也有學(xué)者認(rèn)為群落結(jié)構(gòu)在無人為干擾的前提下是最健康的,通過比較研究區(qū)域物種組成情況的實(shí)測值與無人為干擾下該地點(diǎn)的理論值,來評(píng)價(jià)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況[24]。

2.1.2 指示物種法

采用指示物種法評(píng)價(jià)湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康,主要依據(jù)該生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵物種、特有物種、環(huán)境敏感物種、瀕危物種等的生產(chǎn)力、生物量、數(shù)量及其他生理生態(tài)指標(biāo)來進(jìn)行[25]。Karr[6]和Brousseau等[11]應(yīng)用生態(tài)完整性指數(shù),用魚類群的組成、分布、種多度以及關(guān)鍵種、敏感種、固有種和外來種的變化來評(píng)價(jià)水生態(tài)系統(tǒng);當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)受到外界脅迫,如水體污染和富營養(yǎng)化、圍湖造田等,湖泊生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能將受到影響,指示物種的適宜生境也將受到脅迫,其結(jié)構(gòu)功能和數(shù)量的變化可以用來表征湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康程度[26]。同時(shí),也可以通過關(guān)鍵指示物種的恢復(fù)能力來表征生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)能力。人為或自然地引入大量的外來物種,這些外來物種與原有物種發(fā)生競爭,引起原有物種棲息地喪失,湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康遭到破壞,因此可以用外來物種在湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的比例和數(shù)量來定性和定量地描述湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康程度[27]。目前,將魚類、硅藻、底棲無脊椎動(dòng)物作為水體指示指標(biāo)的應(yīng)用尤為廣泛[28]。

生物監(jiān)測法是研究湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的常見方法,但是該方法存在一些明顯的缺點(diǎn):①僅依靠單一指標(biāo)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行評(píng)價(jià)有一定的片面性;②指示物種的篩選標(biāo)準(zhǔn)不明確,而且指示物種的減少是否會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響及其在生態(tài)系統(tǒng)中的作用均難以確定[29];③未考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)與人類健康因素,難以全面反映生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況[30]。

2.2 多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)法

多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)法是在選擇不同組織水平的類群和考慮不同尺度的前提下,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)各個(gè)組織水平進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的方法[31]。相比生物監(jiān)測法,多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)法結(jié)合了生態(tài)學(xué)、生理毒理學(xué)、物理化學(xué),以及計(jì)算機(jī)輔助手段,以其綜合性、全面性、易量化的特點(diǎn),成為當(dāng)前比較常用的方法。但是目前該方法的缺點(diǎn)是指標(biāo)體系的選取因環(huán)境背景和評(píng)價(jià)目的的不同而不同,權(quán)重的確定也不能充分體現(xiàn)指標(biāo)對(duì)健康程度的影響。

2.2.1 指標(biāo)的選取

在多指標(biāo)評(píng)價(jià)方法研究中,針對(duì)不同的環(huán)境背景和研究目的建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,是健康評(píng)價(jià)的重要基礎(chǔ)。不同的指標(biāo)體系側(cè)重點(diǎn)不同,主要從生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子等角度選取指標(biāo)。有些學(xué)者關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu),如Rapport等[32]提出以“生態(tài)系統(tǒng)危險(xiǎn)癥狀(EDS)”作為系統(tǒng)非健康狀態(tài)的指標(biāo),主要有5個(gè)狀態(tài)指標(biāo):初級(jí)生產(chǎn)力、物種多樣性、營養(yǎng)庫、生物體型分布和系統(tǒng)恢復(fù)力;Constanza等[4]從系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的角度指出描述健康狀態(tài)的3個(gè)指標(biāo):活力、組織、恢復(fù)力;Jorgensen[5]從生態(tài)熱力學(xué)角度,提出使用能質(zhì)、結(jié)構(gòu)能質(zhì)、生態(tài)緩沖量等生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)指標(biāo)來評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)健康,目前這幾個(gè)指標(biāo)已成為生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的代表性指標(biāo);有些學(xué)者從生態(tài)系統(tǒng)功能的角度選取評(píng)價(jià)指標(biāo),如孔紅梅等[33]提出的結(jié)構(gòu)功能指標(biāo)法,考慮了生態(tài)毒理學(xué)、流行病學(xué)、生態(tài)系統(tǒng)醫(yī)學(xué)、自然與社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的結(jié)合等,建立了目前最為綜合全面的指標(biāo)體系,但并沒有給出具體的指標(biāo)。還有學(xué)者充分考慮環(huán)境因子對(duì)生態(tài)健康的驅(qū)動(dòng)作用,如劉永等[34]以生態(tài)系統(tǒng)健康、生態(tài)系統(tǒng)完整性和湖泊內(nèi)物質(zhì)循環(huán)為基礎(chǔ),針對(duì)富營養(yǎng)化對(duì)湖泊健康的影響,提出了包含外部指標(biāo)、環(huán)境要素狀態(tài)指標(biāo)和生態(tài)指標(biāo)在內(nèi)的指標(biāo)體系;任黎等[35]在考慮湖泊生態(tài)系統(tǒng)實(shí)際情況的基礎(chǔ)上,從社會(huì)環(huán)境、湖泊生態(tài)特征、自然功能3個(gè)方面,建立了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;由OECD提出的PSR模型[36-39],是以環(huán)境壓力、系統(tǒng)狀態(tài)、人類響應(yīng)為核心來建立指標(biāo)體系,能夠突出反映人類活動(dòng)與生態(tài)系統(tǒng)健康的關(guān)系。

湖泊生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境的復(fù)雜性,以及不同學(xué)者研究的側(cè)重點(diǎn)不同,使很難建立統(tǒng)一的指標(biāo)體系來評(píng)價(jià)所有的生態(tài)系統(tǒng)。不同的生態(tài)系統(tǒng)所處的自然條件、經(jīng)濟(jì)條件和社會(huì)環(huán)境不同,且同一生態(tài)系統(tǒng)在不同發(fā)育階段也有不同的特點(diǎn),因此需要不同的指標(biāo)來評(píng)價(jià)。湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康指標(biāo)的設(shè)計(jì)一般應(yīng)包含以下幾個(gè)方面的內(nèi)容:①生態(tài)指標(biāo),即反映生態(tài)系統(tǒng)特征和狀態(tài)的生物指標(biāo),不僅包括水生態(tài)指標(biāo),還包括湖泊濕地生態(tài)指標(biāo);②物理化學(xué)指標(biāo);③人類健康與社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),主要著眼于湖泊生態(tài)系統(tǒng)對(duì)人類生存和社會(huì)發(fā)展的支持作用。目前國內(nèi)外開展的生態(tài)系統(tǒng)健康研究主要是選用生態(tài)指標(biāo)來進(jìn)行的[10,12,34,40]。

2.2.2 權(quán)重的確定

目前,多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)中確定指標(biāo)權(quán)重的方法有多種,如層次分析法(AHP)、Delphi法、相關(guān)指數(shù)加權(quán)法、熵權(quán)法、隸屬頻度法、主成分分析法等。這些方法各有利弊,適用條件也有所不同。

a.層次分析法。通常采取專家打分的方法來比較指標(biāo)兩兩的相對(duì)重要程度,并構(gòu)造判斷矩陣,由判斷矩陣計(jì)算滿足一致性檢驗(yàn)的特征向量,該特征向量即為權(quán)重向量。層次分析法是一種目前廣泛應(yīng)用的確定權(quán)重的方法[39,41],主觀性較強(qiáng),需要尋求一定數(shù)量的有深厚經(jīng)驗(yàn)的專家給予打分,受人為干擾較大,但是其原理簡單,實(shí)用性很強(qiáng)。為了改進(jìn)層次分析法主觀性強(qiáng)的不足,層次分析法常常與熵權(quán)法相結(jié)合,充分利用指標(biāo)信息的效用值[36,42],也可與模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合,即采用模糊層次分析法[43-45],由指標(biāo)數(shù)據(jù)構(gòu)造模糊隸屬度矩陣作為判斷矩陣,進(jìn)而計(jì)算權(quán)重矩陣,以有效處理權(quán)重確定過程中的主觀性、模糊性、隨機(jī)性等不確定問題。

b.Delphi法。又稱專家意見法,是依據(jù)專家的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、信息,采用背對(duì)背的通信方式征詢專家小組的意見,并對(duì)意見進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,檢驗(yàn)專家意見的集中程度、離散程度和協(xié)調(diào)程度,達(dá)到要求之后,得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的初始權(quán)重向量,再對(duì)該權(quán)重向量進(jìn)行歸一化處理,獲得各指標(biāo)的權(quán)重向量。

c.相關(guān)加權(quán)指數(shù)法。先選出能夠大致表征湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的代表性指標(biāo)作為基準(zhǔn)指標(biāo),然后根據(jù)其余附加指標(biāo)與該基準(zhǔn)指標(biāo)的相關(guān)程度計(jì)算各個(gè)指標(biāo)所占的權(quán)重。計(jì)算公式為

式中:Wi為第i個(gè)指標(biāo)所占的權(quán)重;ri1為第i個(gè)指標(biāo)與基準(zhǔn)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù);m為評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。相關(guān)加權(quán)指數(shù)法意義明確,計(jì)算簡單,應(yīng)用較多[15,46-47]。

d.熵權(quán)法。在信息論中,熵值反映了信息的無序化程度,可以用來度量信息量的大小。熵值越小,系統(tǒng)的無序度越小,可以用熵值來獲取信息的有序度,充分體現(xiàn)指標(biāo)數(shù)據(jù)的信息。熵權(quán)法是在客觀條件下用評(píng)價(jià)指標(biāo)值構(gòu)成的判斷矩陣來確定指標(biāo)權(quán)重的一種方法。該方法能盡量消除各因素權(quán)重的主觀性,使評(píng)價(jià)結(jié)果更符合實(shí)際。熵權(quán)法由于其客觀合理性,已在工程技術(shù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[48-50]。

值得指出的是,上述常權(quán)重法在各指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果值相差很小時(shí),常常會(huì)給決策帶來困難,而且生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)往往具有短板效應(yīng),在某一評(píng)價(jià)指標(biāo)十分差的情況下,即使其余指標(biāo)值很理想,評(píng)價(jià)結(jié)果也認(rèn)為很差,常權(quán)重法很難反映出這一特征。因此,有必要在生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)中探索變權(quán)重法,即通過對(duì)較低的指標(biāo)進(jìn)行“懲罰”,來充分考慮評(píng)價(jià)指標(biāo)的短板效應(yīng)[51]。此外,基于機(jī)器學(xué)習(xí)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)評(píng)價(jià)方法可以不需要確定權(quán)重,在特定的規(guī)則下,通過機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練,達(dá)到對(duì)已知指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)的目的[20,52]。

2.2.3 綜合評(píng)價(jià)方法

隨著生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)研究的發(fā)展,評(píng)價(jià)方法也在逐漸完善。下面是幾種近年來常用的綜合評(píng)價(jià)方法。

a.模糊綜合評(píng)價(jià)法。這是一種以模糊推理為主,定性與定量相結(jié)合、精確與不確定性相統(tǒng)一的分析方法,通過構(gòu)造隸屬度函數(shù),將不易定量的因素定量化,運(yùn)用模糊變換原理分析和評(píng)價(jià)模糊系統(tǒng)。該方法的優(yōu)勢在于湖泊生態(tài)系統(tǒng)本身是一個(gè)動(dòng)態(tài)的相對(duì)概念,具有模糊性,難以界定湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的標(biāo)準(zhǔn)值,模糊理論將評(píng)價(jià)指標(biāo)的不確定性與主觀信息相結(jié)合,采用模糊語言確定不同等級(jí),可最大限度地利用信息做出客觀評(píng)價(jià)[53]。但是模糊算法的隸屬度和合成算子的確定都帶有一定的主觀性,模型無法進(jìn)行自我驗(yàn)證,且最大隸屬度有一定的不適用性[54]。模糊數(shù)學(xué)法作為一種處理現(xiàn)實(shí)問題的有效方法,已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[28,55-56]。隨著模糊理論的不斷發(fā)展,模糊數(shù)學(xué)已開始與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合構(gòu)建模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,采用標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)相對(duì)隸屬度矩陣和預(yù)生成的類別相對(duì)隸屬度矩陣進(jìn)行訓(xùn)練,構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)隸屬度訓(xùn)練樣本及期望隸屬度訓(xùn)練樣本。該方法已經(jīng)較好地運(yùn)用到了水質(zhì)評(píng)價(jià)[57]、大氣質(zhì)量評(píng)價(jià)[58]等領(lǐng)域。

b.系統(tǒng)動(dòng)力模型法。湖泊生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)主要研究湖泊生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及時(shí)空演變規(guī)律和物理、化學(xué)以及生物過程對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的影響及其反饋機(jī)制,并通過建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型模擬和預(yù)測系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化[59]。典型的系統(tǒng)動(dòng)力模型以質(zhì)量平衡方程為基礎(chǔ),主要考慮物理遷移擴(kuò)散、生化反應(yīng)以及源、匯等因素[59]。Jorgensen[60]總結(jié)了近幾年來湖泊生態(tài)模擬的動(dòng)力模型,提出結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、水動(dòng)力學(xué)、生態(tài)學(xué)等的結(jié)合將成為未來湖泊生態(tài)模擬的發(fā)展方向。Xu等[61]圍繞湖泊營養(yǎng)物質(zhì)隨食物網(wǎng)的循環(huán),建立生態(tài)模擬模型(EMM),實(shí)現(xiàn)對(duì)湖泊健康狀態(tài)的評(píng)價(jià)和預(yù)測;也有學(xué)者[17-18]探討利用結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型(STDM)模擬不同湖泊管理方案對(duì)湖泊健康的影響,為湖泊治理和生態(tài)修復(fù)提供了依據(jù)。近年來國際上比較常用的湖泊生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型有LakeWeb、CAEDYM、PCLake和MyLake等[62]。我國湖泊生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型研究主要集中在滇池、太湖、巢湖、東湖等富營養(yǎng)化程度較嚴(yán)重的湖泊和水體。目前國內(nèi)外的生態(tài)模型主要針對(duì)湖泊富營養(yǎng)化現(xiàn)象,未能涵蓋湖泊生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能、水安全等,綜合全面的模擬湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的模型還比較欠缺。

c.機(jī)器學(xué)習(xí)方法。隨著人工智能計(jì)算方法的發(fā)展,機(jī)器學(xué)習(xí)法,如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、支持向量機(jī)法,日益在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是一種非線性模擬技術(shù)方法,具有良好的自組織、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)與自推理能力,適合處理模糊信息或非線性關(guān)系[53],通過改變連接點(diǎn)的權(quán)重來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成特定的功能。Mo等[20]采用該方法評(píng)價(jià)洪湖濕地的健康狀況,獲得了較好的結(jié)果。支持向量機(jī)是基于結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化的仿真模擬方法,具有很強(qiáng)的泛化能力。該方法采用核函數(shù)方法,通過非線性變換映射到高維空間,然后在特征空間中求取把樣本線性分開的最優(yōu)分類面,比較適合解決高維、非線性復(fù)雜系統(tǒng)的建模與仿真問題,已經(jīng)成功運(yùn)用于湖泊健康評(píng)價(jià)和水資源風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[52,63,64]。與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比,支持向量機(jī)具有理論完善和算法科學(xué)的優(yōu)點(diǎn),此外,在樣本量較小的情況下,支持向量機(jī)模型比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測能力更強(qiáng)[65]。目前,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和支持向量機(jī)都可以用Matlab簡便地實(shí)現(xiàn)[66]。

d.投影尋蹤法。投影尋蹤法是一種處理非正態(tài)高維數(shù)據(jù)的降維分析方法,其基本思想是利用計(jì)算機(jī)技術(shù),將高維數(shù)據(jù)投影到低維子空間,并通過優(yōu)化投影函數(shù),尋找投影的特征向量,在低維空間對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,達(dá)到研究高維數(shù)據(jù)的目的[67]。該方法的實(shí)質(zhì)就是求出最優(yōu)向量,使多維評(píng)價(jià)指標(biāo)投影到一維線性空間的投影值滿足內(nèi)部盡可能密集、類間盡可能分開的散布特征。目前該方法在環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的應(yīng)用表明,它具有人為干擾小、結(jié)果穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)[67-68],可嘗試將其應(yīng)用于湖泊健康評(píng)價(jià)。

e.現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)學(xué)法。Li等[69]借助現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)學(xué)中的因子分析和正態(tài)分布理論,提出了從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)健康的方法。步驟如下:①建立相同生態(tài)等級(jí)評(píng)價(jià)對(duì)象的評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣;②為避免評(píng)價(jià)對(duì)象指標(biāo)的相關(guān)性和耦合性,用因子分析法對(duì)大量的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理,使得整合之后的指標(biāo)相互獨(dú)立;③根據(jù)正態(tài)分布理論,當(dāng)評(píng)價(jià)對(duì)象個(gè)數(shù)足夠多時(shí),評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣應(yīng)服從正態(tài)分布,根據(jù)正態(tài)分布多數(shù)即健康的特點(diǎn),可得出結(jié)論:大多數(shù)(如占總數(shù)的95％)的生態(tài)系統(tǒng)是適應(yīng)環(huán)境的,也是健康的;④對(duì)某一指標(biāo),根據(jù)一維正態(tài)分布臨界值表得出t值,因?yàn)?5％生態(tài)系統(tǒng)的該指標(biāo)的值應(yīng)該在(-t,t),所以不在該范圍內(nèi)的指標(biāo)所代表的生態(tài)系統(tǒng)就是不健康的。限于多維正態(tài)分布求解困難,該方法需與因子分析法、主成分分析法等降維處理方法結(jié)合使用,而且該方法對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的數(shù)量也有一定的要求。目前該方法還處于理論研究階段,有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

此外,灰色系統(tǒng)理論[54]、突變理論[70]等在環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中也有廣泛的應(yīng)用。針對(duì)不同環(huán)境背景的湖泊生態(tài)系統(tǒng)以及指標(biāo)數(shù)據(jù)的可得性,以上綜合評(píng)價(jià)方法各有不同的適用性,如模糊綜合評(píng)判法是主因素突出型的評(píng)價(jià)方法,而綜合評(píng)價(jià)法、灰色理論方法則充分反映了各評(píng)價(jià)因子的綜合效應(yīng)[71]。尹海龍等[72]在水質(zhì)評(píng)價(jià)方法的比較研究中,發(fā)現(xiàn)模糊評(píng)判法、層次分析法、灰色系統(tǒng)評(píng)價(jià)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在指標(biāo)值遠(yuǎn)超等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值的情況下,評(píng)價(jià)結(jié)論偏保守。不同的評(píng)價(jià)模型方法在不同的時(shí)空尺度,其評(píng)價(jià)優(yōu)度有一定的差異,因此在評(píng)價(jià)湖泊健康時(shí),要在充分了解湖泊生態(tài)系統(tǒng)過程的基礎(chǔ)上,考慮多模型方法的綜合集成。

3 存在的問題與展望

3.1 健康的內(nèi)涵和標(biāo)準(zhǔn)問題

目前,對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的內(nèi)涵,國內(nèi)外仍沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí);對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的標(biāo)準(zhǔn),不同的學(xué)者也沒有統(tǒng)一的理解。一些研究者把未經(jīng)人類干擾的生態(tài)系統(tǒng)的原始狀態(tài)作為健康的參考狀態(tài),而一些研究者則認(rèn)為可以用生態(tài)系統(tǒng)的演替頂級(jí)狀態(tài)作為生態(tài)系統(tǒng)健康的參考狀態(tài)[73]。不同的湖泊類型、不同環(huán)境背景的湖泊,其生態(tài)系統(tǒng)健康的標(biāo)準(zhǔn)都不盡相同,如通江湖泊鄱陽湖和洞庭湖,要充分考慮江湖之間的連通性對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的影響。因此,要在充分理解湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的基礎(chǔ)上,綜合考慮水資源、水安全、水環(huán)境、濕地生態(tài)等,提出綜合性的湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康概念,以便建立全面的湖泊生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和健康標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 時(shí)空尺度問題

湖泊生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能會(huì)隨著時(shí)空的變化而發(fā)生相應(yīng)的改變,那么其健康指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法就要做出相應(yīng)的調(diào)整。就空間尺度而言,人類活動(dòng)強(qiáng)弱不同,湖泊健康程度差異明顯。Xu等[16]研究發(fā)現(xiàn),在白洋淀,越接近村莊和污染河流入湖口的湖區(qū),其健康狀態(tài)往往比遠(yuǎn)離入湖口的湖區(qū)差。此外,不同空間尺度的生態(tài)過程之間往往存在著復(fù)雜的相互作用,如全球尺度的氣候變化會(huì)對(duì)小尺度的環(huán)境問題產(chǎn)生影響,而小尺度的環(huán)境問題則是全球尺度變化的根本原因[74]。就時(shí)間尺度而言,主要可以分為時(shí)間點(diǎn)尺度和時(shí)間段尺度。時(shí)間點(diǎn)尺度主要研究湖泊生態(tài)系統(tǒng)瞬時(shí)變化特征,能夠快速地評(píng)價(jià)湖泊的現(xiàn)狀和特征,及時(shí)提供必要的信息;時(shí)間段尺度主要側(cè)重于研究湖泊生態(tài)系統(tǒng)變化趨勢特征,能夠系統(tǒng)地分析湖泊的變化特征及其趨勢[75]。因此,在實(shí)際評(píng)價(jià)工作中,應(yīng)盡量將時(shí)間點(diǎn)尺度和時(shí)間段尺度結(jié)合,充分考慮不同尺度選擇對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果帶來的影響。

3.3 關(guān)鍵性指標(biāo)的閾值

生態(tài)閾值被定義為一種條件,一旦超過該條件,生態(tài)系統(tǒng)就會(huì)發(fā)生量、質(zhì)或現(xiàn)象的突然急劇變化[76]。在湖泊健康評(píng)價(jià)過程中,有些關(guān)鍵性指標(biāo)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)結(jié)果是決定性的,必須著重考慮。此外,湖泊生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的復(fù)雜系統(tǒng),影響湖泊健康的各指標(biāo)也始終在變化,且變化的速率也在改變,同時(shí),在某一指標(biāo)值過低時(shí),基于常權(quán)重法的綜合評(píng)價(jià)法無法體現(xiàn)指標(biāo)的短板效應(yīng),因此,有必要探索采取權(quán)重值隨評(píng)價(jià)指標(biāo)值的不同取值狀態(tài)而變化的變權(quán)重法,來評(píng)價(jià)湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化,同時(shí)建立一個(gè)以關(guān)鍵性指標(biāo)為基礎(chǔ)的健康指標(biāo)體系。該關(guān)鍵性指標(biāo)可以是綜合性復(fù)合指標(biāo),也可以是指示性指標(biāo),其特點(diǎn)是可單獨(dú)用來粗略評(píng)價(jià)湖泊生態(tài)系統(tǒng)。當(dāng)該指標(biāo)超過一定閾值時(shí),其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)結(jié)果是一票否決性的。

3.4 數(shù)據(jù)問題

由于完善湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的評(píng)價(jià)需要多方面、長序列的數(shù)據(jù),如水文水資源、水生態(tài)、水環(huán)境、防洪以及湖泊濕地生態(tài)數(shù)據(jù)等,所需數(shù)據(jù)量大、繁雜,難以實(shí)現(xiàn),因此,有必要對(duì)所選指標(biāo)體系進(jìn)行精煉,提取有代表性的關(guān)鍵指標(biāo),以減少數(shù)據(jù)獲取方面的壓力;同時(shí),可建立一個(gè)湖泊數(shù)據(jù)共享平臺(tái),使各方面數(shù)據(jù)得以匯總,為湖泊生態(tài)系統(tǒng)其他領(lǐng)域的研究提供有力的保證。

3.5 未來發(fā)展方向

目前國內(nèi)外湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)大多是針對(duì)湖泊富營養(yǎng)化,但湖泊健康還應(yīng)包含服務(wù)功能、水安全等,因此需要探索更為綜合全面的湖泊健康評(píng)價(jià)模型。隨著生態(tài)模型、機(jī)器學(xué)習(xí)方法、統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的日漸成熟,以及衛(wèi)星遙感應(yīng)用、全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)等定量化研究技術(shù)的日益完善和推廣應(yīng)用,湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的研究將進(jìn)一步得到深化,大尺度生態(tài)系統(tǒng)健康的分析、評(píng)價(jià)和預(yù)測能力也將大大提高。伴隨著水資源、水環(huán)境、大型水利工程建設(shè)等方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),今后有必要在持續(xù)進(jìn)行長期生態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)上,探索互為驗(yàn)證、相互耦合的集成性評(píng)價(jià)模型,來評(píng)價(jià)湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康,從而為湖泊生態(tài)修復(fù)和湖泊資源利用提供借鑒。

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Progress on evaluation methods of lake ecosystem health

//LI Bing1,2,YANG Guishan1,WAN Rongrong1(1.Key Laboratory of Watershed Geographic Sciences,Nanjing Institute of Geography and Limnology,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049)

The progress of the research on lake ecosystem health is systematically reviewed from the view of generation,development as well as conception.Thus,this paper introduces and discusses the latest methodologies of evaluation to lake ecosystem health,including biological indicating and multi-index evaluation methods,and analyzes the adaptability together with their limitations.Furthermore,using the experience in evaluation of environmental quality and sustainable development for reference,more adaptive methodologies for evaluating the health of lake ecosystem within different spatial-temporal scale are explored.In addition,it is summarized some key problems existing in the process of lake ecosystem health assessment,including the determination of connotation and standards of lake ecosystem health,the combination of spatial and temporal scale,the consideration of threshold value of key indicators,and the promotion of data refinement and data availability.Finally,it is proposed several prioritize directions for further study based on problems in the current state-of-the-art.

lake ecosystem;ecosystem health evaluation;evaluation method;review

X826

:A

:1006-7647(2014)06-0098-09

10.3880/j.issn.1006-7647.2014.06.019

2014-01-19 編輯:彭桃英)

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2012CB417006);國家自然科學(xué)基金(41171024)

李冰(1991—),男,河南許昌人,碩士研究生,主要從事水安全評(píng)價(jià)研究。E-mail:libing9133@126.com