基于湖泊生态系统健康评价方法

张飞珍，孙映宏

(1.杭州市南排工程建设管理处，浙江杭州310020;2.杭州市水文水资源监测总站，浙江杭州310016)

0 引言

生态系统健康是20世纪末提出的新概念，它为生态系统和环境管理设立了新的目标，是生态学和环境管理方面一个正在发展的综合性研究领域。由于人口增加和工农业生产的发展，人类赖以生存的生态环境日益退化，特别是湖泊水域富营养化问题，已严重影响并威胁到社会经济和人类健康［1］。对湖泊生态系统进行研究，建立湖泊生态系统健康评价体系和指标阈值，不但可以为我国湖泊环境综合治理提供可操作的依据，而且还有利于湖泊生态系统的可持续性管理和合理利用，实现生态、社会、经济三方面效益的协调。

1 生态系统健康评价的指标体系

生态系统健康评价指标的选择和分类及其使用的好坏，直接影响评价和决策的正确性和有效性［2-5］。要使生态系统健康的研究具有实际意义，并能为决策者提供可靠的技术支撑，必须保证生态系统及其环境的有效、可靠、并具有可操作性和广泛推广性。

生态系统健康评价的指标体系包括物理化学指标、生态学指标和社会经济指标三大类。在湖泊生态系统健康评价中，物理化学指标包括水质、大气状况、湖水理化性质、水生生物种类和数量等;生态学指标包括营养循环、能量流动及转换、群落结构、生物多样性、生态稳定性、恢复能力、调节能力、生态系统服务功能等;社会经济指标包括人口因素、人类健康因素、区域经济状况与可持续性、公众环境意识和政府决策等。

不同的指标涉及生态系统健康的不同方面。因为湖泊生态系统健康的范围非常广泛，所以要掌握湖泊生态系统健康的完整性，必须同时选取多个指标，从多个角度来进行评价指标的选择。

2 生态系统健康评价方法

评价生态系统健康的方法是非常复杂的，目前对生态系统健康的评价主要集中于生态系统的活力、组织结构、恢复力和扩散力的研究。生态系统健康的主要测量指标及其测量方法见表1。

表1 生态系统健康的各项测量指标

3 湖泊生态系统健康评价方法

3.1 指示物种法

如何选择指示生物是湖泊生态系统健康评价的关键问题。不同的生态学家提出了不同的生态系统健康评价方法。其中，最具代表性的是生物整合性指数(index of biotic integrity，IBI)和生物多样性指数(diversity index，DI)。

生物整合性指数法是2000年Lyons在研究墨西哥中部湖泊时，用鱼类的生物整合性指数作为生态评价指标，评价了各种人类活动和干扰对湖泊生态系统水平的影响，建立了一套可用于评价湖泊退化程度和生态修复状况的可行性IBI评价指标。这些指标包括:①固有种数量，用以反映在环境加速退化的条件下物种多样性的丧失;②常见种数量，用以反映中低强度的环境胁迫对常见种的影响;③滨岸区物种数量，用以反映湖泊沿岸带作为动植物栖息地的条件;④敞水区物种数量，用以反映湖泊敞水区作为动植物栖息地的条件;⑤敏感种数量，是指不能忍受人类影响而灭亡的物种，对环境退化具有早期预警作用;⑥耐受种生物量百分比，多用于评价中高强度的环境胁迫影响;⑦外来种生物量百分比，物种丰度较低的湖泊生态系统易受外来种的影响，在高强度的环境胁迫下，外来种会支配整个生态系统;⑧肉食性动物生物量百分比，在环境胁迫压力较大时，肉食性动物趋向减少;⑨固有种的最大长度，用以反映过度捕鱼和环境胁迫的综合作用等。

生物多样性指数是基于水体受到污染后生物群落往往出现种类减少而某些耐污性强的种类数量增加这一原理。Shannon-Weaver生物多样性指数计算公式为:

式中:Pi为第i种水生生物出现的概率;S为水生生物种群的种类数;P可以用代替，n为第i种水生生物的个体数;Nii为所选用的水生生物类群各个体数之和，计算公式为:

3.2 指标体系法

湖泊生态系统健康评价的指标包括生态系统内部指标和生态系统外部指标。其中生态系统内部指标，包括生态毒理学、流行病学、生态系统热力学、生态系统医学等;生态系统外部指标是未来湖泊生态系统健康评价的发展方向，它涉及环境和社会经济等方面，是以流域可持续发展思想为指导。

Carlson等人根据对湖泊水体中叶绿素与TP、SD、COD、TOC等水质指标之间相关关系的研究，提出了一套营养状态指数(trophic state index，TSI)的分级指标，可以通过综合各参数的TSI指数评价结果来判断湖泊的营养状态，从而评价湖泊的健康状况。该方法在计算各个项目指标的得分时多采用线性插值，只能近似的代表其值，而且，各个项目分级指标的确定也存在一些主观性，不同的湖泊分级指标不尽相同。

目前较为流行的是Jørgensen等人在系统生态学基础上构建的目标函数Exergy、结构exergy和生态缓冲容量(ecological buffer capacity)等指标构成的指标体系。Exergy为生态系统回复到无生命混沌平衡的无序状态所能做的功，测量湖泊远离生态系统热力平衡状态的距离计算公式为:

式中:R为气体常数，T为绝对温度，Wi为湖泊生态系统第i种有机体或有机物信息含量;Ci为第i种有机体或有机物的含量;n为湖泊所含有机体或有机物种类总数。

Wi值是由某一种生物有机体所含的无重复基因的个数来确定的，不同物种有机体所含的无重复基因数不同，甚至相差很大，见表2。结构exergy为生态系统单位生物量和有机质所蕴含的Exergy，独立于湖泊生态系统的营养水平，表征湖泊生态系统利用环境资源的能力。结构exergy可由Exergy和总生物量计算为:

式中:Btotal为湖泊生态系统所含的总生物量。

生态缓冲容量指生态系统状态变量的变化量与其所受外部胁迫的变化量的比值，计算公式为:

式中:c为状态变量;f为外部胁迫。

4 结语

生态系统健康评价为区域环境评价提供了一种新方法。湖泊作为自然-社会-经济复合生态系统，跟人们的生产生活密切相关，是生态系统研究的一个重要领域。湖泊生态系统健康评价作为一门交叉学科的评价实践，不仅包括湖泊内的生态指标，还兼收了物理化学方面的指标，以及社会经济和人类健康指标。但是，湖泊生态系统健康评价体系还处于实验和摸索阶段，尚未形成一套成熟的方法和评价体系，有待进一步深入研究。

［1］濮培民.健康水生态系统的退化及其修复——理论、技术及应用［J］. 湖泊科学，2001，13(3):193-203.

［2］田志静，冯民权，南朝.坪上水库库区水质预测研究［J］.黑龙江大学工程学报，2011，02(03):138-141.

［3］叶碎高.沿海河道生境特征及植物群落构建研究［J］.黑龙江大学工程学报，2011，02(03):149-154.

［4］任海，邬建国，彭少麟.生态系统健康的评估［J］.热带地理，2000，20(4):310-316.

［5］Alexander A M，List J A，Margolis M，et al.A method for valuing global ecosystem services［J］.Ecological Economics，1998，27:161-170.