河流生態(tài)系統(tǒng)健康研究現(xiàn)狀與展望
——基于文獻計量研究

孫然好,魏琳沅,張海萍,陳利頂

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049

河流是人類及其他生物賴以生存的自然生態(tài)系統(tǒng),提供了諸多生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[1],同時也是受到人類活動和氣候變化影響最為劇烈的生態(tài)系統(tǒng)[2-3]?？v觀人類文明史,河流生態(tài)系統(tǒng)對人類社會的發(fā)源、發(fā)展起到巨大的支撐作用,世界文明多數(shù)發(fā)源于大江和大河。因此,河流生態(tài)系統(tǒng)與人類社會系統(tǒng)相互交融、相互影響、共同發(fā)展。工業(yè)革命以來,人類活動通過改變土地利用、城市外貌、水利工程等,直接影響到河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,造成河流生態(tài)系統(tǒng)健康惡化、服務(wù)喪失等[4]。這嚴重制約著流域可持續(xù)發(fā)展,恢復(fù)和維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康已成為流域管理的重要策略。河流生態(tài)系統(tǒng)健康的提出既是為了衡量河流生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的健康基準(zhǔn),也是為了協(xié)調(diào)人與河流的可持續(xù)關(guān)系。為了維持健康、可持續(xù)的河流生態(tài)系統(tǒng),我們需要解決以下3個方面的遞進問題：河流生態(tài)系統(tǒng)健康的內(nèi)涵是什么？河流生態(tài)系統(tǒng)健康受到哪些因素影響,哪些是直接因素,哪些是間接因素？如何選擇科學(xué)、合理、可行的指標(biāo)對其進行定量刻畫？通過梳理國內(nèi)外河流生態(tài)系統(tǒng)健康在這些方面的研究進展,提出相應(yīng)的建議。

1 河流生態(tài)系統(tǒng)健康的內(nèi)涵

1.1 基本內(nèi)涵

20世紀70年代末國際上出現(xiàn)了“生態(tài)系統(tǒng)健康”(Eocsystem Health)的概念,是新興的環(huán)境管理和生態(tài)系統(tǒng)管理目標(biāo)。河流生態(tài)系統(tǒng)健康的提出源于此,但因河流生態(tài)系統(tǒng)空間尺度大、時間動態(tài)強等特點,將其作為一個生態(tài)系統(tǒng)進行研究直到近期才得到廣泛認可[5]。由于研究者視角的不同以及河流生態(tài)系統(tǒng)自身的復(fù)雜性,國內(nèi)外學(xué)者至今對河流健康的概念有不同的認識[6-7]：(1)從河流的自身角度出發(fā),健康的河流就是生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的完整與穩(wěn)定[8]。如Karr[7]將河流生態(tài)完整性當(dāng)作生態(tài)系統(tǒng)健康；Simpson和Davies[9]認為河流生態(tài)系統(tǒng)健康是指河流生態(tài)系統(tǒng)支持與維護其主要生態(tài)過程,以及具有一定種類組成、多樣性和功能組織的生物群落,盡可能接近未受干擾前狀態(tài)的能力；Schofield等[10]認為河流生態(tài)系統(tǒng)健康是指河流生態(tài)系統(tǒng)未受到破壞；Vannote等[11]提出的河流連續(xù)體概念也強調(diào)河流生態(tài)系統(tǒng)的完整性,尤其是提出河流縱向連續(xù)梯度的生態(tài)學(xué)價值；在增加人類活動影響基礎(chǔ)上,又發(fā)展出河流非連續(xù)體等概念。(2)強調(diào)對人類的利用價值,認為健康的河流不僅僅是生態(tài)系統(tǒng)的完整性,還應(yīng)關(guān)注對人類服務(wù)功能的發(fā)揮[12]。Norris和Thoms[6]認為,河流生態(tài)系統(tǒng)健康依賴于社會系統(tǒng)的判斷,應(yīng)考慮人類社會的福利需求；Meyer[13]認為健康的河流生態(tài)系統(tǒng)不但要維持生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能,而且應(yīng)包括其人類與社會價值。(3)從河流管理的角度出發(fā),強調(diào)健康的河流就是河流管理達到某種特定的目標(biāo)[14]。美國清潔水法(Clean Water Act)規(guī)定“恢復(fù)和維持美國水體的化學(xué)、物理和生物完整性”的目標(biāo),以水生態(tài)功能分區(qū)制定相應(yīng)保護恢復(fù)措施和可持續(xù)的資源利用規(guī)劃方案?！稓W洲水框架指令》(EU Water Framework Directive)提出了“更加清潔、更加完整和健康的河流”的管理目標(biāo),指出未來的河流管理將從調(diào)整河流滿足人類需求,轉(zhuǎn)向調(diào)整人類利用滿足河流生態(tài)系統(tǒng)健康[15]。中國水利部門在全國河流健康評估中認為,健康的河流是指河流具有良好的自然生態(tài)狀況,同時具有可持續(xù)的社會服務(wù)功能。

1.2 研究概況

在Web of Science “所有數(shù)據(jù)庫”下檢索“river health”,發(fā)現(xiàn)近20年來有關(guān)河流健康的中文(圖1)和英文文獻(圖2)都逐漸增多,英文文獻主要集中分布在中國、澳大利亞和美國(圖3)。

圖1 “河流健康”主題的中文文獻量變化 Fig.1 Number of Chinese literatures on the topic of river health

圖2 “河流健康”主題的英文文獻量變化 Fig.2 Number of English literatures on the topic of river health

圖3 “河流健康”英文文獻國家分布 Fig.3 Countries of English literatures on the topic of river health

國際上對河流生態(tài)系統(tǒng)健康研究相對較早[6],美國環(huán)保署(EPA)于1989年發(fā)展了快速生物評價協(xié)議(RBPs),1999年推出新版RBPs,提供了河流著生藻類、大型無脊椎動物、魚類的監(jiān)測及評價方法標(biāo)準(zhǔn)[16]。英國在20世紀90年代建立了河流保護評價系統(tǒng)(SERCON)[17]和以RIVPACS為基礎(chǔ)河流生物監(jiān)測系統(tǒng)[18],目標(biāo)是用于評價河流的生物和棲息地屬性及河流的自然保護價值。同一時期還發(fā)展了河流棲息地調(diào)查(RHS)[19]方法,該方法為英國提供了一個河流分類和未來棲息地評價的標(biāo)準(zhǔn)方法。澳大利亞在英國建立的河流底棲動物預(yù)測與分類的基礎(chǔ)上,建立了適合本國特點的澳大利亞河流健康評估計劃(AUSRIVAS)[20],并且于1993年根據(jù)建立的河流健康評估計劃,對全國范圍內(nèi)的河流進行了河流健康評估。南非于1994年以魚類、大型底棲動物以及河流生境的完整性作為河流健康評估指標(biāo),開展了河流健康計劃(River Health Programme,RHP),同時提出了河口棲息地完整性指數(shù)[21]。全球尺度的河流生態(tài)系統(tǒng)健康評估工作也在近幾年得到較大關(guān)注[22],人類需求和管理目標(biāo)也逐漸得到重視[23]。

中國20世紀初開始進行有關(guān)研究。在理論探討和方法構(gòu)建方面,國內(nèi)學(xué)者做了大量工作,包括概念內(nèi)涵[24]、評價指標(biāo)[25]。在應(yīng)用實踐方面,一些城市地區(qū)進行了河流健康評估[26-27],長江、黃河等流域也進行類似工作[28]。長江水利委員會從社會服務(wù)和生態(tài)功能的角度出發(fā),提出了由目標(biāo)層、系統(tǒng)層、狀態(tài)層和指標(biāo)層構(gòu)建的長江健康評估指標(biāo)體系。珠江水利委員會提出了由社會指標(biāo)屬性和自然指標(biāo)屬性構(gòu)建的珠江健康評估指標(biāo)體系[29-30]。河流生態(tài)系統(tǒng)健康在跨境河流的管理中也具有重要作用[31]。我國河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系也從單一的水質(zhì)、水量評價,逐步轉(zhuǎn)向水質(zhì)、水量和水生生物綜合評價[32]。通過“十一五”、“十二五”期間的連續(xù)實踐,逐步形成了我國流域水生態(tài)功能分區(qū)的基本理論、技術(shù)方法與劃分方案,為我國制訂河流健康標(biāo)準(zhǔn)提供科學(xué)依據(jù)[33]。河流生態(tài)系統(tǒng)健康的評價為流域水生態(tài)功能分區(qū)和河流生態(tài)管理提供了很好的基礎(chǔ)[34-35]。

河流生態(tài)系統(tǒng)健康強調(diào)河流生態(tài)系統(tǒng)完整性,類似于80年代提出的河流連續(xù)體概念,指從河流的源頭至河口,河流生態(tài)系統(tǒng)中生物學(xué)過程及其物理環(huán)境呈現(xiàn)出連續(xù)變化的特征,上游生態(tài)系統(tǒng)過程直接影響下游生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,河流連續(xù)體對河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和穩(wěn)定性方面的研究有重要意義[11]。河流生態(tài)系統(tǒng)是一個社會-經(jīng)濟-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng),河流生態(tài)系統(tǒng)健康是一個相對概念,不具有絕對的標(biāo)準(zhǔn),設(shè)置對應(yīng)目標(biāo)時需要根據(jù)區(qū)域和流域的不同為依據(jù),需要建立基準(zhǔn)點即參照系統(tǒng),同時考慮不同流域背景對河流生態(tài)系統(tǒng)的支撐和脅迫作用[36]。近年來隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展,以公眾對生態(tài)文明的需求為驅(qū)動,不時有新的概念提出,如“生態(tài)勢”(Ecological Potential)和“健康工作河流”(Health Working River)等。河流生態(tài)系統(tǒng)健康的概念雖然比較多樣化,但是應(yīng)用也越來越廣泛,全球尺度生態(tài)系統(tǒng)健康也有較大發(fā)展[37]。河流生態(tài)系統(tǒng)健康受到政府、公眾和學(xué)者的普遍關(guān)注,未來將為管理者和決策者提供更多科學(xué)依據(jù),是河流生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的重要趨勢之一。

2 河流生態(tài)系統(tǒng)健康的影響因素

2.1 人類活動和土地利用

流域人類活動和土地利用通過改變河道內(nèi)水量、水質(zhì)和物理生境,進而影響水生生物和生態(tài)系統(tǒng)健康。流域農(nóng)業(yè)用地的增加直接導(dǎo)致非點源污染物輸出、破壞河岸帶植被與棲息地、改變流域水文過程等[38-39]。美國明尼蘇達、密歇根州等地的農(nóng)業(yè)流域,由于粗木質(zhì)殘體的存在,河流生物多樣性分別增加了55%和26%[12]。農(nóng)業(yè)活動產(chǎn)生的藥物殘留也會影響到水生生物群落特征[40]。在農(nóng)業(yè)土地利用比重大的流域,河流生物棲息地質(zhì)量往往較差,主要表現(xiàn)為棲息地質(zhì)量與河岸穩(wěn)定性下降[41-42]。城市用地增加會導(dǎo)致不透水地面比例升高,造成洪水爆發(fā)頻率與強度的增大,加速河床侵蝕與沉積物的運移,最終造成河流生境的惡化與生物多樣性的降低[43]。城市中心區(qū)至周邊地區(qū)河流中的大型底棲動物顯著減少,尤其是在排水系統(tǒng)密集的河段[44]。流域土地利用和人類活動干擾了流域水文過程,改變了河床沖淤過程和河流型態(tài)等生態(tài)條件,造成了棲息地的結(jié)構(gòu)變化和功能下降[45]。此外,河道整治工程可以直接影響河流生態(tài)系統(tǒng)完整性,通過將原有連續(xù)河流分割成獨立單元,影響了河道內(nèi)生物棲息和遷移廊道的功能,還影響了水生生物的產(chǎn)卵場功能。

在以往的“土地利用-河流環(huán)境”研究中,大多數(shù)研究側(cè)重于陸地生態(tài)-水生態(tài)的簡單關(guān)聯(lián),較少關(guān)注它們之間的復(fù)雜聯(lián)系和耦合作用。比如,Allan等[43]在收集“土地利用-河流環(huán)境”關(guān)系研究相關(guān)的科學(xué)文獻的基礎(chǔ)上,總結(jié)出人類活動所引起的土地利用變化及其對河流生態(tài)系統(tǒng)的多方面影響,尤其是泥沙沉降、營養(yǎng)鹽富集、污染物污染、水文特征改變、河岸帶植被破壞/樹蔭消失、大塊粗木質(zhì)殘體損失等。這些因素之間還會發(fā)生相互協(xié)同、相互制約,這些復(fù)雜的耦合關(guān)系還需要進一步研究和明確。

2.2 河流物理生境

河流物理生境是指河流水生生物生存所依賴的物理環(huán)境,由河床底質(zhì)、河道結(jié)構(gòu)和水文特征等共同作用形成[46]。河流物理生境對水生生物多樣性的影響直到20世紀80年代受到的關(guān)注才逐漸增多[47]。2000年《歐盟水框架指令》中指出地表水獲得良好的生態(tài)狀況包括三方面內(nèi)容：物理形態(tài)、水文條件和化學(xué)環(huán)境[48]。河流生境受到不同尺度的環(huán)境影響,小尺度生態(tài)系統(tǒng)是其上一級大尺度生態(tài)系統(tǒng)的一部分,并受到上一級大尺度系統(tǒng)的影響[49]。Eckbo和Steatfield[50]分析了景觀結(jié)構(gòu)對于河段物理生境和魚類的影響,認為大尺度景觀結(jié)構(gòu)對河段物理生境有直接作用,而河段物理生境則直接作用于魚類種群結(jié)構(gòu)。研究表明,河流物理生境多樣性和水生生物多樣性呈顯著相關(guān)[51],河流物理生境的變化是影響水生生物群落組成和結(jié)構(gòu)的主要脅迫因子之一[52]。底棲動物分布與河流底質(zhì)的包埋程度、石塊表面的流速等均具有極高的相關(guān)性[53]。

河流廊道作為重要的水生生物棲息和遷移通道,受到地表水、地下水以及河岸帶土地和植被的影響。河流廊道伴隨著降水、徑流和地下水的輸入,產(chǎn)生了一個生物、物理和化學(xué)過程交互耦合的開放系統(tǒng)[54]。早期的研究多關(guān)注河岸帶植被,即棲息地喪失的影響,如森林砍伐增加了河道陽光輸入,河流水溫上升、著生藻類增加,進而導(dǎo)致大型底棲動物群落中以食植物碎屑的撕食者類群減少,而以藻類為食的刮食者類群增加。其次,研究開始關(guān)注廊道內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)的影響,如非透水性區(qū)域的比例對河流水生態(tài)系統(tǒng)退化具有重要影響[55]。近年來,開始關(guān)注流域尺度的土地利用開發(fā),改變了陸地向河流中輸送的通道和過濾特征。如農(nóng)業(yè)開墾導(dǎo)致泥沙輸入量顯著增加,大型底棲動物群落中,如蜉蝣目和襀翅目等敏感類群物種減少和密度降低,而搖蚊和寡毛類等耐污類群生物數(shù)量顯著增加。

河流物理生境存在不同尺度的影響因素,如地質(zhì)、氣候、土壤類型等,與此對應(yīng)的是,河流物理生境對河流生態(tài)系統(tǒng)的影響也具有多尺度性,有些河流生境因子的定量刻畫也較為困難。因此現(xiàn)有的河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價對于生境指標(biāo)的使用并不是特別廣泛,多作為一些限定條件或者閾值范圍進行應(yīng)用。河流物理生境在英國、澳大利亞和美國等都被較為系統(tǒng)的進行研究,這些國家長期以來在河流評價或河流健康中強調(diào)河流生境研究的重要性。但是,對于河流物理生境還沒有一種綜合的、得到大家認可的普適性分類方法。

2.3 河流水質(zhì)和水量

河流水量和水質(zhì)能直接影響水生生物種類和群落特征,進而會影響河流生態(tài)系統(tǒng)健康。河流水文特征調(diào)查有較多方法,比如英國河流棲息地調(diào)查(RHS)、美國快速生物評價協(xié)議(RBPs)、澳大利亞溪流狀況指數(shù)(ISC)等都對如何評價水量和水文狀況進行了規(guī)定。我國水利部進行的全國河湖健康評估工作也對水文水資源狀況做出了評價規(guī)定[25-56]。水質(zhì)監(jiān)測也已經(jīng)形成較多實用的理化監(jiān)測及評估體系,常用的理化參數(shù)包括：①物理參數(shù)：溫度、電導(dǎo)率、懸移質(zhì)、濁度、顏色、氣味等；②化學(xué)參數(shù)：pH、堿度、硬度、鹽度、生化需氧量、溶解氧及水體中營養(yǎng)物質(zhì)含量等。水質(zhì)綜合評價指數(shù)在國內(nèi)外也已經(jīng)得到了發(fā)展和廣泛應(yīng)用,包括有機污染綜合指數(shù)、布朗綜合指數(shù)(Water Quality Index,WQI)、內(nèi)梅羅水污染指數(shù)(Pollution Index,PI)等。

河流水量和水質(zhì)存在明顯的時間和空間異質(zhì)性,這也在一定程度上影響水生生物群落特征,從而影響河流生態(tài)系統(tǒng)健康。比如,生物類群之間的相互作用(捕食、競爭、共生和寄生)受到水量和水質(zhì)的影響而改變,也是影響水生生物特征變化的因素之一[57]。現(xiàn)有的研究多關(guān)注水質(zhì)的變化對水生生物的影響,尤其是影響到指示物種的變化。工業(yè)、生活污水的排放造成了河流水體的富營養(yǎng)化,使浮游生物種類簡單化,底棲動物和魚類多樣性下降[58]。也有研究關(guān)注河流水量和水質(zhì)對水生生物生理特征的影響,其中重金屬的影響較大。水體重金屬可以從生理上和神經(jīng)系統(tǒng)上對水生生物造成損傷[59]。從個體尺度、群落尺度到生態(tài)系統(tǒng)尺度,水體重金屬直接的毒性損害可以降低底棲動物的多樣性和敏感物種豐度[60],海河流域的魚類重金屬研究表明魚類不同部位對于污染的富集作用也有差異[61]。重金屬對于水生生物的影響還包括改變底棲動物之間的聯(lián)系與食物質(zhì)量等[62]。

2.4 氣候變化

河流生態(tài)系統(tǒng)受到的間接影響也較多,比如氣候變化等可能通過改變水量等方式間接影響河流生態(tài)系統(tǒng)健康。溫度對水生生物的棲息、產(chǎn)卵、覓食等產(chǎn)生影響,某些水生生物只能夠適應(yīng)較窄的溫度范圍(冷水種),而某些物種則可以承受較大的溫度變化(廣溫性物種)[63]。因此,氣候變化和季節(jié)更替也會導(dǎo)致水生生物發(fā)生動態(tài)演替,而且溫帶地區(qū)河流季節(jié)變化的影響比熱帶地區(qū)影響更大[64]。降雨和風(fēng)沙影響著河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況,長期的氣候變化、河流改道、流域面積減少和地質(zhì)構(gòu)造都在影響著河流健康。氣候變化引起的極端氣候事件頻率和強度增加,這影響了河流自身的水循環(huán)和自修復(fù)功能,導(dǎo)致氣候變化的影響評估更加復(fù)雜化。通過綜合水文、水質(zhì)和生物學(xué)知識來預(yù)測河流生物狀況,確定氣候變化對河流總體健康的影響,成為一個重要的研究主題[65]。

3 河流生態(tài)系統(tǒng)健康的評價方法

3.1 指示生物法

指示生物法是根據(jù)對污染物質(zhì)具有敏感性或較高耐受力的生物種類的存在或缺失,指示河段中某種污染物的多寡程度[66]。魚類作為河流生態(tài)系統(tǒng)食物鏈的頂級生物,能夠綜合反映河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況,因此也是河流健康評價的重要指示生物。浮游生物處于生態(tài)系統(tǒng)食物鏈的底端,可較早地反應(yīng)河流水質(zhì)狀況變化,如Palmer指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、Shannon-Veavers多樣性指數(shù)等都是基于浮游生物類群構(gòu)建的河流健康評價指數(shù)。大型底棲無脊椎動物由于其分布的廣泛性、種類的多樣性等特征,在河流監(jiān)測與評價中擁有“水下哨兵”的美譽,作為指示物種具有以下優(yōu)勢：(1) 活動范圍較廣,在大多數(shù)河段都能采集到,且物種組成非常豐富；(2)在野外容易采集,采樣成本較低,實驗室內(nèi)易于鑒定；(3) 在河流底部活動場所比較固定,遷徙能力差,生活周期長,因此可以對長時期的人類活動干擾做出響應(yīng),能提供綜合性信息；(4) 采集底棲動物對其他生物棲息環(huán)境干擾較??；(5) 由于物種組成豐富,有些物種對某類型干擾(如水污染)具有強敏感性,可以評價特定的、短期的干擾活動帶來的變化[67]。由于以上諸多優(yōu)點,大型底棲動物一直是河流生物評價中應(yīng)用最為廣泛的指示性類群,在多個國家和地區(qū)都有應(yīng)用。在水生生態(tài)系統(tǒng)評價中,底棲動物評價指標(biāo)多達50多種,大約是其他河流生物評價指標(biāo)數(shù)量的5倍[68],主要包括物種數(shù)、相對豐度、群落多樣性和相似性指數(shù)、生物狀況指數(shù)、功能攝食類群指數(shù)、生活習(xí)性等[55]。底棲動物完整性的影響因素在不同流域也存在差異,也是研究的重點所在[69-71]。

3.2 綜合指標(biāo)法

應(yīng)用較為廣泛的綜合生物指數(shù)包括TBI指數(shù)(Trent Biotic Index)、IBI完整性指數(shù)(Index of Biological Integrity)、以及生物多樣性指數(shù)等。IBI通過綜合多種指標(biāo)來評估某一個地區(qū)生物完整性或健康程度,是一種多度量生物指數(shù),反應(yīng)受干擾后反應(yīng)敏感的多個生物指數(shù)對生態(tài)系統(tǒng)進行生物完整性或健康評價[72]。底棲動物B-IBI指數(shù)由Kerans等[73]和Karr等74]提出,已被廣泛應(yīng)用于淡水生態(tài)系統(tǒng)水生態(tài)、水資源、水環(huán)境的研究與管理當(dāng)中[75]。B-IBI主要是對樣點(參照點、受污染點)大型底棲無脊椎動物及棲息地、水質(zhì)等數(shù)據(jù)進行采集,通過候選生物學(xué)指數(shù)分布范圍分析、判別能力分析、相關(guān)性分析最終確定核心計算參數(shù),建立生物學(xué)指數(shù)計分標(biāo)準(zhǔn),最終計算 B-IBI值[76]。Karr等[74]認為各地區(qū)應(yīng)建立適合自身的一套指標(biāo)體系,沒有統(tǒng)一的一項指標(biāo)是完全適用于所有地區(qū),因此美國許多州都提出了適合自身的河流水生生物評價體系[77]。國外許多學(xué)者已將B-IBI應(yīng)用于溪流(Astin[78]、Maxted 等[79])、湖泊(Blocksom等[80])和海灣(Llansó等[81])的生態(tài)健康評價中。美國環(huán)保署建立了B-IBI操作規(guī)范,對馬里蘭州、佛羅里達州、密蘇里州等16個州進行了河流健康評價[16]；在法國,IBI被用來評價渠道化、農(nóng)業(yè)面源污染、城鎮(zhèn)化及漁業(yè)養(yǎng)殖對溪流生態(tài)系統(tǒng)的影響；在墨西哥,IBI被用來評價土地利用方式改變帶來的影響；在日本,利用魚類和底棲動物建立IBI-J來評價溪流健康。我國也在一些流域進行了B-IBI評估應(yīng)用,如香溪河[63]、西苕溪溪流[82]、遼河流域[66]、長江口及毗鄰海域[83]、漓江水系[84]等。Jaiswal和Pandey[85]針對不同規(guī)模和地點的研究表明,沉積物耗氧量 (SOD) 可以成為一種準(zhǔn)確速效的工具,它揭示了水質(zhì)富營養(yǎng)狀況、生境破碎化狀況和水質(zhì)的變化,在SOD 含量極高的地方,堿性磷酸酶 (AP) 的活性明顯較低。因此,可以利用AP-SOD 的關(guān)系定量描述河流生態(tài)系統(tǒng)健康。然而,由于 AP對金屬有毒物質(zhì)高度敏感,對于存在金屬污染的地區(qū),結(jié)論還需進行交叉驗證[85]。

3.3 數(shù)學(xué)模型法

模型預(yù)測法是通過比較物種相對豐富度和環(huán)境數(shù)據(jù),預(yù)測河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。該方法采用多種類型指標(biāo)對河流水文、水質(zhì)、生物等進行綜合評價,將各指標(biāo)得分累積后的總分作為最終河流健康狀況的依據(jù),在美國及澳大利亞河應(yīng)用較為廣泛。這類方法需以大量受人類活動干擾極小的生物群落以及相應(yīng)的棲息地質(zhì)量為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),篩選出與參照點生物群落組成密切相關(guān)的變量(如受人類活動影響較小的經(jīng)緯度、河流級別、底質(zhì)組成等非生物學(xué)性狀),建立判別函數(shù),通過比較實際出現(xiàn)與模型預(yù)測群落組成之間的差異程度,從而判斷水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。模糊熵-灰云聚類二維河流健康評價模型可以根據(jù)河流個性特征,將各類河流健康指標(biāo)輸入模型中進行計算,最終根據(jù)定量的模糊熵值來反映河流健康程度[86]。RCE(Riparian, Channel, Environment Inventory)方法能在短時間內(nèi)快速評價河流的健康狀況,評價內(nèi)容包括河岸帶完整性、河道寬/深結(jié)構(gòu)、河岸結(jié)構(gòu)、河床條件、水生植被、魚類等16個指標(biāo),將河流健康狀況劃分為5個等級[87]。ISC(Index of Stream Condition)方法將河流狀態(tài)的主要表征因子融合在一起,能夠?qū)恿鬟M行長期評價,評價內(nèi)容包括河流水文學(xué)、形態(tài)特征、河岸帶狀況、水質(zhì)及水生生物5方面的指標(biāo)體系,將每條河流的每項指標(biāo)與參照點對比評分,總分作為評價的綜合指數(shù)[88]。RHP(River Health Program)方法較好的將生境指標(biāo)與河流形態(tài)、生物組成相聯(lián)系,評價內(nèi)容包括河流無脊椎動物、魚類、河岸植被、生境完整性、水質(zhì)、水文、形態(tài)等 7 類指標(biāo)評價河流的健康狀況[89]。

表1 河流生態(tài)系統(tǒng)健康評估方法對比

4 結(jié)論和展望

河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法在不同尺度研究中差異巨大,我國對于河流的保護工作都處于水質(zhì)改善階段,缺乏對于河流生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)注,也沒有建立從河流生態(tài)系統(tǒng)安全的角度進行水環(huán)境管理的意識,因此國內(nèi)在河流健康評價領(lǐng)域起步較晚。全球多數(shù)國家在尺度研究中較多采用單一指標(biāo)或者指示物種,而在小流域典型研究中則更多采用多指標(biāo)等綜合評估方法。不同方法沒有絕對的優(yōu)劣,更多的是準(zhǔn)確性和便利性的權(quán)衡結(jié)果。綜合分析國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn),河流生態(tài)系統(tǒng)健康的研究已經(jīng)取得了豐碩的進展,但現(xiàn)有的河流生態(tài)系統(tǒng)健康評估存在以下幾個問題：(1)水生態(tài)系統(tǒng)健康的內(nèi)涵問題。文獻中表述水生態(tài)系統(tǒng)健康的詞匯比較多樣化,如“河流健康”、“流域健康”、“河流生態(tài)健康”、“河流生態(tài)系統(tǒng)健康”、“水生態(tài)系統(tǒng)健康”等。雖然研究側(cè)重點可能存在一些差異,但是總體目標(biāo)和核心內(nèi)涵存在很多相似的地方,多強調(diào)河流生態(tài)系統(tǒng)的完整性、質(zhì)量和健康問題。因此,概念不一致會導(dǎo)致不同研究對比的困難。(2)水生態(tài)系統(tǒng)健康的評價指標(biāo)問題。河流生態(tài)系統(tǒng)健康的影響因素很多,選擇指標(biāo)的依據(jù)因人因地而異,缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,從而導(dǎo)致不同研究結(jié)論的差異性很大。(3)水生態(tài)系統(tǒng)健康的研究尺度問題?，F(xiàn)有研究多關(guān)注水體自身的健康狀況,對于河流生態(tài)系統(tǒng)及其流域整體的關(guān)注較少,從而形成較為片段化的結(jié)論,沒有形成河流整體、陸地-水生態(tài)系統(tǒng)的耦合關(guān)系。

為進一步推進河流生態(tài)系統(tǒng)健康開展深入、全面、系統(tǒng)的研究,針對目前研究中存在的一些問題,未來的發(fā)展趨勢和研究重點應(yīng)該包括：

(1)將河流生態(tài)系統(tǒng)及其毗鄰的流域陸地作為統(tǒng)一整體,考慮生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整性,以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的綜合性,通過生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的類型權(quán)衡、區(qū)域集成等方法論的指導(dǎo),全面提升河流生態(tài)系統(tǒng)健康,強調(diào)生態(tài)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu),關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。不管水生態(tài)系統(tǒng)健康、河流生態(tài)系統(tǒng)健康、還是其他概念所表達的內(nèi)涵,應(yīng)該都要強調(diào)河流生態(tài)系統(tǒng)的完整性,最大限度發(fā)揮其生態(tài)功能,提供人類所需的社會服務(wù)功能。河流生態(tài)系統(tǒng)健康既是生態(tài)結(jié)構(gòu)完整性的結(jié)果,也是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的基礎(chǔ)。

(2)建立跨區(qū)域?qū)Ρ鹊木C合指標(biāo)體系。單因子評價缺陷在于單一指標(biāo)不能全面揭示河流狀態(tài),可能會導(dǎo)致較大偏差,健康的河流生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)該是物理、化學(xué)、生物等各方面均處于良好狀態(tài),同時能夠較好的為人類提供相應(yīng)的生態(tài)服務(wù),因此綜合指標(biāo)評價法更能反映出河流生態(tài)系統(tǒng)的綜合狀況。學(xué)術(shù)研究可以從多個角度論證河流生態(tài)系統(tǒng)健康評估指標(biāo)的準(zhǔn)確性、高效性等,從管理的角度需要建立國家尺度河流生態(tài)系統(tǒng)健康評估體系,提出對應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),綜合考慮生態(tài)系統(tǒng)和人類需求,根據(jù)不同流域特征劃定基準(zhǔn)和閾值,選擇準(zhǔn)確的評價指標(biāo), 并確定適當(dāng)?shù)臋?quán)重,相關(guān)河流管理部門應(yīng)建立一個更全面的監(jiān)測系統(tǒng), 并加強基本數(shù)據(jù)的收集,為河流健康評價提供更多信息,從而形成可供公眾、管理部門參考的科學(xué)依據(jù)。同時, 還應(yīng)該實施開發(fā)與修復(fù)并進的方案,確保人類社會發(fā)展需要的同時保護河流的生態(tài)健康。

(3)加強對河流廊道影響河流生態(tài)系統(tǒng)健康的研究。河流廊道是實現(xiàn)河流生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)實保障,對河流生態(tài)系統(tǒng)具有重要的影響,未來的研究方向應(yīng)結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)、水生生物學(xué)等多學(xué)科知識,運用不同景觀指標(biāo)和視角來解決景觀的尺度效應(yīng)問題,同時探討廊道生境特征在何種尺度上對水生生物與河流生態(tài)系統(tǒng)的影響最為明顯,為河流生態(tài)系統(tǒng)管理與恢復(fù)技術(shù)提供技術(shù)支撐。

(4)集成河流生態(tài)系統(tǒng)評估的多學(xué)科知識應(yīng)用。河流水生生物監(jiān)測用于河流健康評價的指標(biāo)還比較局限,主要是底棲動物、魚類、藻類等,應(yīng)該拓展其他因子,如細菌、浮游動物、水生植物等。除此之外,模型預(yù)測也可以利用模糊聚類、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等構(gòu)建點狀特征向面狀特征的反演；遙感技術(shù)可以協(xié)助獲取時空高精度數(shù)據(jù),監(jiān)測和反映河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。因此,生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、地理學(xué)、數(shù)學(xué)、遙感與GIS等都將為河流生態(tài)系統(tǒng)健康評估提供理論和方法支撐。

(5)遵循社會-經(jīng)濟-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的理念,進行河流生態(tài)系統(tǒng)的保護和恢復(fù)。河流生態(tài)系統(tǒng)健康的流域并不是禁止一切人類活動而避免對流域造成影響,而是要在流域可承受的范圍之內(nèi),實現(xiàn)人與流域的和諧與可持續(xù)發(fā)展。因此,對流域生態(tài)健康的理解不能過于狹隘和片面,而應(yīng)該綜合考慮人與自然、生態(tài)和發(fā)展的關(guān)系[90]。此外,我們要認識到健康的河流生態(tài)系統(tǒng)不是完全杜絕人類活動的參與,兩者之間不是零和博弈,需要關(guān)注河流健康程度和變化,從而指導(dǎo)流域管理者對河流生態(tài)系統(tǒng)進行保護和修復(fù)[91]。