海洋生态系统健康评价研究进展祁帆

第26卷第3期海洋通报Vol.26，No.32007年06月MARINESCIENCEBULLETINJun.2007收稿日期：2006-03-13；收修改稿日期：2006-07-18基金项目：中国近海海洋综合调查与评价(908专项)资助项目，项目名称为海洋生态系统健康评价(908-02-04-01)—第三专项“近海生态环境评价模式及技术研究”中的“生态系统功能与生态健康关系研究”部分海洋生态系统健康评价研究进展祁帆，李晴新，朱琳(南开大学环境科学与工程学院，天津300071)摘要：海洋生态系统健康属于一个新的领域，目前尚没有十分明确的定义。并且国内外对此的研究并没有形成成熟的体系。在参阅了国内外大量文献的基础上，以海洋生态系统的特点为依据，综述了海洋生态系统健康评价的方法、指标筛选原则和研究思路等，系统地列出了海洋生态系统健康评价的一些相关量化指标，便于建立评价模型时参考。最后对海洋生态系统健康评价的存在问题以及未来发展趋势进行了探讨。关键词：海洋生态系统；生态系统健康；评价指标中图分类号：X171文献标识码：A文章编号：1001-6932(2007)03-0097-0008中国海洋环境质量公报显示，2004年我国全海域达到清洁海域水质标准的面积约为16.9×104km2。近岸海域污染严重，局部海域贝类体内的污染物残留水平较高，污染程度加剧，大部分海湾、河口、滨海湿地等生态系统处于亚健康或不健康状态。主要表现在水体富营养化及营养盐失衡、河口产卵场严重退化、生境丧失或改变、生物群落结构异常以及大面积赤潮和有毒赤潮的次数增加等。而2005年我国全海域达到清洁海域水质标准的面积仅约为13.9×104km2。总体污染状况仍未好转，近岸海域污染形势更为严峻[1]。由此可见，我国海洋生态系统面临极大风险，迫切需要一套完善的评价体系用于及时准确地监测海洋生态系统的健康状况。本文的目的是推动我国这方面的研究，以利于加强我国的海洋生态环境的保护与管理。1生态系统健康的概念及海洋生态系统的特点生态系统健康的提法可追溯到20世纪40年代，而生态系统健康的研究正式起源于20世纪70年代，此后在河流、湖泊和森林生态系统健康评价等领域取得了一定的进展[2]，但学术界在生态系统健康的定义方面尚未取得共识。众多学者对生态系统健康的状态与生态系统健康学科体系有不同的看法[3-5]。其中，以下面三种生态系统健康概念得到广泛认可：(1)生态系统健康是指生态系统没有任何病痛反应、相对稳定且可持续发展，即生态系统随着时间的进程具有活力并能维持其组织及自主性，在外界胁迫下容易恢复[6-10]；(2)顶级生态系统就是健康的生态系统，它满足拥有最大的物种丰富度(多样性)、最强的生境特化性、最完善的循环和反馈机制、最活跃的系统整体这四个条件[11]；(3)生态系统健康共涵盖6个方面：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[12,13]。由于海洋的特殊物理性质(流动性、边界和尺度的难确定性)，使海洋生态系统的研究变得十分困难，与其他生态系统相比，其结构和功能具有更加复杂以及稳定性也较低的特点[14-16]。健康的海洋生态系统是指在特定的自然边界范围内，可维系其正常的结构(现存物种类别、种群大小和组成)和功能(食物网物质和能量流动)的海洋生态系统。2海洋生态系统健康评价2.1海洋生态系统健康的标准作者比较认可的海洋生态系统健康标准如下：(1)没有严重的生态胁迫症状；(2)可从自98海洋通报26卷然的或人为正常干扰中恢复过来；(3)没有或几乎没有投入的条件下，具有自我维持功能；(4)对相邻或其他系统不造成压力；(5)不受风险因素的影响；(6)经济可行；(7)可维持人类和其他生物群落的健康[17,18]。生态系统健康还可以依据另一类标准，即为活力、恢复力、组织性、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，它们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。这8个方面中最重要的是前三项。就海洋来说，能量输入越多，物质循环越快，活力就越高，但并不意味着能量输入高和物质循环快的生态系统就更健康，尤其是对于水土生态系统来说，高输入可导致富营养化效应。与活力一样，恢复力也是海洋生态系统健康的重要标准，健康的海洋生态系统必须对自然干扰有着较强的抵抗力和较快的恢复速率。海洋生态系统组织类群庞大，因此海洋生态系统的组织性越复杂就代表越健康。那些与人类相关，同时又对人类较小影响或没有影响的海洋生态系统才是健康的。2.2海洋生态系统健康的评价方法迄今，生态系统健康评价的方法主要有两种：指示物种法和指标体系法。对于海洋生态系统来说，这两种方法也是比较常见的[19]。2.2.1指示物种法指示物种法评价海洋生态系统健康的研究已经取得了一些进展，而且这种方法也已成为生态系统健康研究的基本常见方法。Sonstegard和Leatherland指出银大马哈鱼对北美大湖区的生态系统健康有指示作用[20]。Edwards等采用鲑鱼为指示种来监测湖泊贫营养化[21]。但是这种方法存在着一些明显的缺点：(1)指示物种的筛选标准不明确，有些采用了不合适的类群，对于海洋生态系统来说，很难选择到合适的类群来表征其状态；(2)指示物种的一些监测参数的选择也会给评价带来偏差。鉴于海洋自身的特点，很难选择合适的监测参数[22]。2.2.2指标体系法指标体系法是在选择不同组织水平的类群和考虑不同尺度的前提下对生态系统的各个组织水平的各类信息进行的综合评价。与指示物种法相比，指标体系法不仅考虑了不同组织水平之间的相互作用以及同一组织水平上不同物种间的相互作用，而且考虑了不同尺度转换时监测指标的变化。目前，生态健康评价指标体系法可分两类：(1)仅考虑生态系统自身特点的指标体系。历史上，生态系统健康是用特殊物种或成分的指数来测量的。(2)考虑了人类活动的指标体系。可分为物理化学指标、生态学指标和社会、经济指标。该指标体系法综合了生态系统的多项指标，反映了生态系统的过程；是从生态系统的结构、功能演替过程，生态服务和产品服务的角度来度量生态系统健康；强调生态系统为人类服务，强调生态系统与区域环境的演变关系，同时也反映了生态系统的健康负荷能力及其受胁迫后的健康恢复能力。指标体系法评价技术结合了物理、化学和生物的方法，借鉴了一些常规的化学、湖沼学、生理学、生态学和毒理学手段。同时，也发展了创新性的、敏感的、自动化程度比较高的和节省费用的方法，包括采用计算机辅助技术。这类方法适用于任何类型的生态系统，也是目前最常用的生态系统健康评价方法。鉴于海洋生态系统的复杂多变，作者认为采用指标体系法对其健康进行评价得出的结论更为全面可信，更为科学。2.2.2.1指标体系法海洋生态系统健康评价指标的筛选原则建立海洋生态系统健康评价指标的第一步是指标选择原则的确定。海洋生态系统健康评价指标涉及多学科、多领域,因而种类、项目繁多,指标筛选必须达到3个目标：(1)指标体系能完整准确地反映生态系统健康状况,能够提供现状的代表性图案；(2)对生态系统的生物物理状况和人类胁迫进行监测,寻求自然、人为压力与生态系统健康变化之间的联系,并探求生态系统健康衰退的原因；(3)定期地为政府3期祁帆等：海洋生态系统健康评价研究进展99决策、科研及公众 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 等提供生态系统健康现状、变化及趋势的统计总结和研究 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 [23]。为此，筛选指标应该遵循以下原则[24,25]：(1)整体性：任何生态环境问题都不是孤立存在的，生态系统内部和系统与系统之间相互联系、相互影响。对于海洋生态系统来说这点尤为主要，要说明这些问题，必须从生物物理、社会经济和人类健康等方面综合考虑。(2)时空尺度：空间尺度涉及特定考虑范围内的地区或生态系统的空间大小，尤其是指标可以发展到全球、大陆、国家、区域或地方尺度。在地方尺度上，可以进一步分解到生态系统、物种或遗传水平。时间尺度涉及到考虑生态系统多长时间的变化，指标的选择可能涉及几年到几个月不等。对于海洋来说，研究时能否选择合适的时空尺度是研究的一项关键。评价指标应该定向于合适的时空尺度。(3)指标范畴或类型：由于海洋生态系统具有大尺度，边界模糊的特点，选择指标一定要全面，具有代表性。指标的类型要充分依据海域的特色进行选择。(4)简明性和可操作性：指标概念明确，易测易得。评价指标的选择要考虑我国的经济发展水平，无论从方法学和人力、物力上，均要符合我国现有生产力水平，同时还要考虑各个技术部门的技术能力。为保证评价指标的准确性和完整性,评价指标要可测量，数据便于统计和计算，有足够的数据量。(5)规范化：海洋生态系统健康评价是一项长期性工作，所获取的数据和资料无论在时间上还是空间上，都应具有可比性。因而，所采用指标的 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 和方法都必须做到统一和规范，不仅能对某一尺度上的生态系统进行评价，而且要适合于不同类型、不同地域生态系统间的比较，确保其具有一定的科学性。2.2.2.2指标体系法海洋生态系统健康评价指标体系建立的方法学框架海洋生态系统健康评价指标体系建立的方法学框架[26,27]见图1。图1海洋生态系统健康评价的方法学框架Fig.1SchemeofMarineecosystemhealthassessment2.2.2.3指标体系法海洋生态系统健康评价指标体系根据海洋生态系统健康评价的目标和指标筛选的原则，将海洋生态系统健康评价指标分为生态学指标、生物化学指标和社会经济指标三大类，这三大类指标又包括一系列的量化亚类指标，见表1[28-33]。评价指标体系的认验证优化查阅研究海洋生态系统理论有关的评价方法的选择海洋生态系统健康的标查阅生态系统健康评价查阅研究其他领域生态系统评价的指标的筛选准则的确定查阅 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 历年来的海洋数据原始核心评价指标评价指标体系的初步建评价指标体系模型的建立各指标的测量分析方法100海洋通报26卷表1海洋生态系统健康评价指标体系Tab.1Systemofmarineecosystemhealthassessmentindicators指标体系分类评价指标起源学科可行的方法与海洋生态系统的关联度生产力(初级生产力，毛生产力、呼吸率)生态学测量计算+++++++功能GPP,NPP经济学测量计算+++++++活力新陈代谢生物学测量计算++++++多样性指数生态学数学建模，计算机分析++++++组织平均互信息可传递性信息学计算机分析++++恢复时间生态学++++++可承受的最大胁迫生态学模拟模型++++++恢复力生态缓冲容量生态学模拟模型、测量++++++生态系统综合水平指标协调性边界生态学测量计算+++++分类群组成生态学统计分类++++物种多样性生态学测量统计，建模++++++生物量(藻类、浮游动植物，浮游微生物、细菌的生物量)生态学测量计算++++++生物体形分布生态学统计分析++++++食物链生态学测量分析++++++群体结构、营养结构演替趋势生态学测量分析++++++关键种生态学分析计算++++++外来种生态学分析计算+++优势种生态学分析计算++++++乡土种生态学分析计算++++++短命种生态学分析计算+++群落水平指标长命种生态学分析计算+++动物流行病学医学、毒理学试验分析+++疾病寄生虫微生物学试验分析+++生物毒素毒理学测量分析++++贝毒毒理学测量分析++++生物毒素浮游植物细胞和液泡生物学统计分析+++++生物毒素、疾病指标微生物污染大肠杆菌微生物学测量计算分析+++++细胞或亚细胞水平的生化效应生物学试验分析+++++致癌作用生物学、医药学试验分析+++个体生长率生物学试验计算+++畸变及先天性缺陷生物学、毒理学试验分析++++生态系统健康评价指标体系生态指标种群及个体指标个体的不同组织对化学物质的反应生物学试验分析+++3期祁帆等：海洋生态系统健康评价研究进展101续表1海洋生态系统健康评价指标体系ContinueTab.1SystemofMarineecosystemhealthassessmentindicators指标体系分类评价指标起源学科可行的方法与海洋生态系统的关联度藻类细胞的形态变化生物学试验分析++++机体耐受量毒理学试验分析+++++行为效应生物学试验分析+++雌性化生物学试验分析++种群生长率与死亡率生态学试验分析+++++种群年龄结构生态学试验分析+++种群体形结构生态学试验分析+++繁殖对数目生态学试验分析+++种群地理分布生态学统计分析++种群迁移情况生态学统计分析++产卵地点生态学统计分析++个体、种群生物量生态学统计分析+生态指标种群及个体指标生物地理学地理学考察分析++++海岸线特点(变化趋势)地理学调查分析++紫外线辐射强度物理学测量计算+水、海平面变化测量学调查分析+颜色物化学测量+++水位测量学测量+冰分布与冰特点地理学调查分析+冻期气候学调查分析+大气污染指数化学、环境学测量计算+水流流体力学研究分析+COD、BOD、TOC、DO等物化学测量计算++++溶解氧物化学测量计算++浊度物化学测量计算+温度物化学测量计算+++PAH/PCB等难降解污染物物化学测量计算++++气候波动气候学统计分析+水深测量学测量计算+氧化还原电位物化学测量计算+++沉积物毒性毒理学计算+++++盐度物化学测量计算+++pH值物化学测量++生态系统健康评价指标物理化学指标水体矿化度物化学测量计算+++水体富营养化程度物化学测量计算++++102海洋通报26卷续表1海洋生态系统健康评价指标体系ContinueTab.1SystemofMarineecosystemhealthassessmentindicators指标体系分类评价指标起源学科可行的方法与海洋生态系统的关联度重金属含量物化学测量计算++++一些无机污染物浓度物化学测量计算+++能量流动物化学测量计算+++系统间物质循环物化学测量计算+++化学迁移速率物化学测量计算++放射性、辐射(核、微波、电磁波)污染状况核磁学测量计算+++物理化学指标水域、海域面积地理学测量计算++收入指数经济学计算+景观价值美学计算++美学价值经济学感观分析++人口健康水平医学统计分析+技术增长率经济学计算+资源消费指数经济学计算+通货膨胀指数经济学计算+人口增长率经济学计算+工作稳定性经济学计算+生态系统健康评价指标人类健康与社会经济指标景观格局生态学分析++3海洋生态系统健康评价存在的问题及研究趋势相对与传统的环境评价方法仅仅着眼于物理化学参数或生物检测技术，海洋生态系统健康评价作为一门交叉科学的实践，不仅包括海洋生态系统内部、海陆交错带生态系统的指标来体现海洋生态系统的复杂性，还兼收了物理化学、生物、社会经济、以及人类健康等方面的指标，反映了海洋生态系统为人类社会提供生态系统服务的质量和可持续性[13]。因此，海洋生态系统健康评价为区域生态环境评价提供了一种新方法。然而，我国海洋生态系统健康评价还处于实验和摸索阶段，尚未形成一套成熟的方法，这一学科涉及的研究领域较宽，内容较多，制约海洋生态系统维持和发展的因素，及相互之间的关系也较为复杂[34]。这就导致了海洋生态系统健康评价研究的复杂性、多学科综合性和多因子的系统性。总之，在该领域还存在不少问题，还有许多工作要做。这主要体现在以下几个方面：a)目前对海洋生态系统健康的定义还存在争论，尽管不同学者已提出不少关于生态系统健康的定义，但对于海洋生态系统健康状况仍有许多不确定性，尤其是海洋生态系统在什么状态下才是健康的？海洋生态系统的健康改变到什么程度其为人类服务的功能仍能维持？生态学家和政策制定者找不到合适参考点来评价海洋生态系统健康的受损程度。因此，今后应进一步加强对海洋生态系统健康定义的研究，提出更为合理的健康评价标准和参照系，并从新的角度开拓思路。b)由于海洋生态系统的复杂性，特别是海洋生态系统与外界环境紧密联系，海洋生态系统健康很难简单概括为一些易测的具体指标，今后的工作应集中在生态、社会经济和人类健康整合3期祁帆等：海洋生态系统健康评价研究进展103的基础上对海洋生态系统健康进行综合评价研究，以此来提出海洋生态系统健康管理对策。c)海洋生态系统是一个动态的过程，自净过程与容量也存在争议，很难判断哪些是自净过程中的症状，哪些是胁迫或不健康的症状。d)由于海洋生态系统的巨大和复杂，筛选合适的指标来评价其健康存在一定难度。海洋生态系统健康评价指标的度量存在很大难度，尚需做更多工作，有待于新的发展。因此，应建立长期时间尺度的健康监测指标，研究海洋生态系统的演潜过程和动态，记录生态系统在各种胁迫下的反应[35]。e)目前，全球大部分海洋生态系统均受到人类不同程度的影响，人类面对的是改变了的海洋生态系统，因此在进行健康评价时应该以系统的自组织能力及其稳定性为依据，不能过多地依赖自然性。f)遥感和地理信息系统等新技术和新方法在海洋生态系统健康评价中的广泛应用，为海洋态系统健康的定量化评价和相关模型的建立提供了快速、准确和经济可行的技术和方法，将会大大推动海洋生态系统健康评价的发展。参考文献：[1]国家海洋局.中国海洋环境质量公报[EB].2004,2005.[2]SchaefferDJ,HenricksEE,KersterHW.Ecosystemhealth:1.Measuringecosystemhealth[J].EnvironmentalManagement,1988,12:445-455.[3]刘建军,王文杰,李春来.生态系统健康研究进展[J].环境科学研究,2002,15(1):41-44.[4]RapportDJ.EcosystemHealth[M].Oxford:Blackwellscience,1998.[5]KarrJR.Definingandassessingecologicalintegrity:beyondwaterquality[J].EnvironmentalToxicityandChemistry,1993,12:1521-1531.[6]RapportDJ.Whatconstituteecosystemhealth?[J].PerspectivesinBiologyandMedicine,1989,33:120-132.[7]CechJJ.MultipleStressesinEcosystem[M].Boston:LewisPublishers,1998.[8]RapportDJ,GandetCL,CalowP.Evaluvatingandmonitoringthehealthoflarge-scaleecosystem[C].Berlin:Springer-Verlag,1994.[9]KristinS.Ecosystemhealth:anewparadigmforecologicalassessment[J].TrendsinEcology&Evolution,1994,9:456-457.[10]RapportDJ,CostanzaR,McMichaelAJ.Assessingecosystemhealth.TrendsinEcology&Evolution,1998,13(10):397.[11]OdumEP.Thestrategyofecosystemdevelopment[J].Science,1969(164):262-270.[12]CostanzaR,NortonBG,HaskellBD.Ecosystemhealth:newgoalforenvironmentalmanagement[C].WashingtonDC:IslandPress,1992.[13]JrgensenSE.Asystemsapproachtotheenvironmentalanalysisofpollutionminimization[M].NewYork:LewisPublishers,1999,20-53.[14]ShermanK,SkjoldalHR.(Eds.),LargeMarineEcosystemsoftheNorthAtlantic[J].ChangingStatesandSustainability,2002[15]KerrSR,DickeyLM.Measuringthehealthofaquaticecosystems[J].In:CairnsVW,HodsonPV,Nriagu[16]VandermeulenH.Thedevelopmentofmarineindicatorsforcoastalzonemanagement[J].OceanCoast.Managm.1998,39:63-71.[17]肖风劲,欧阳华,傅伯杰,等.森林生态系统健康评价指标及其在中国的应用[J].地理学报,2003,58(6):803-809.[18]RapportDJ.Ecosystemhealth:ExploringtheTerritory[J].EcosystemHealth,1995,1(1):5-13.[19]杨建强,崔文林,张洪亮,等.莱州湾西部海域海洋生态系统健康评价的结构功能指标法[J].海洋通报,2003,22(5).[20]SonstegardRA,LeatherlandJF.Greatlakescohosalmonasanindicatororganismforecosystemhealth[J].MarineEnvironmentalResearch,1983,14:1-4.[21]EdwardsCJ,RyderRA,MarshallTR.UsinglaketroutasasurrogateofecosystemhealthforoligotrophicwatersoftheGreatLakes[J].JournalofG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