生态系统健康评价研究方法与进展

文章编号:　1001-4675(2003)04-0330-06

生态系统健康评价研究方法与进展Ξ

张宏锋,　李卫红,　陈亚鹏

(中国科学院新疆生态与地理研究所,乌鲁木齐　830011)

摘　要:生态系统是人类生存的依托条件,生态系统是否健康直接影响到人类的生产、生活。由于生产力的不断发展及资源利用水平的不断提高,人类对生态系统的影响越来越大,其直接后果就是生态系统发生病变,导致生态系统服务功能丧失。在阅读国内外有关生态系统健康文献的基础上,综述了生态系统健康的发展过程、概念、范畴、指标、评价方法及存在的问题,旨在反映当前生态系统健康研究的状况,同时能为环境保护和生态系统恢复提供一些建议和方法。

关键词:生态系统;健康;评价方法

中图分类号:Q146 文献标识码:A

生态系统是一定空间内由生物群落及其环境组成的具有一定格局,借助于功能流(物种流、能量流、物质流、信息流和价值流)而形成的稳态系统〔1〕。人类作为生态系统的一个组分,与生态系统中环境的关系密切,表现为人类社会与经济活动愈强烈,对生态系统的干扰就愈大。尤其近50a来,随着对自然资源利用水平的不断提高,各种工业活动排放的三废(废液、废物、废气)大量排入生态系统,超过了生态系统的自净能力〔2〕;盲目的毁林开荒破坏了森林生态系统健康,使森林自然生态系统失去平衡,失去了涵养水分、防风固沙的能力;对草地的过度利用,使草地退化;植被覆盖度降低,加剧了土地荒漠化过程和沙尘天气的发生〔3～6〕。鉴于此,科学家们提出了生态系统健康(Ecosystem health)概念,希望尽早制止生态系统的恶化,强调应用保护人类健康的范例来保护生态系统健康。

1　生态系统健康的提出和发展过程

生态系统健康的提法可追溯到20世纪40年代。1941年美国生态学家、土地伦理学家Aldo. Leopold首先定义了土地健康(Land health)〔7〕;60-70年代,生态学得到迅速发展,Woodwell和Barrett 提出胁迫生态学〔8,9〕;进入80年代,Rapport等研究了生态系统在胁迫状态下的行为,认为它在逆境下的反应不具有自主性〔10〕。Costanza和Rapport等科学家认为,现在世界上的生态系统在胁迫下发生问题,不能像过去一样为人类服务。他们认为,生态系统健康的概念可引起公众对环境退化问题的关注〔1,11〕;1988年Schaeffer〔12,13〕等首次提出了有关生态系统健康度量的问题,但没有明确定义生态系统健康;1989年,Rapport〔12,14〕论述了生态系统健康的内涵。

1989年国际“水生生态系统健康与管理学会”在加拿大成立,这是国际上首次成立的有关生态系统健康的学术团体,其宗旨是促进与发展整体的、系统的和综合的方法保护与管理全球水生资源。1990年10月,学术界、政府、商业和私人组织等各界代表在美国召开了关于生态系统健康定义专题讨论会。1991年2月,在美国科学促进联合年会上,国际环境伦理学会召开了“从科学、经济学和伦理学定义生态系统健康”讨论会。1994年,31个国家的900名科学家聚集在加拿大渥太华,召开了“国际生态系统健康与医学研讨会”,会议集中在生态系统健康评价、人与生态系统相互作用的检验、基于生态系统健康的政策3个方面,并希望组织区域、国家和全球水平的管理,评价和恢复生态系统健康的研究。同时宣告“国际生态系统健康学会(ISEH)”成立。1996年,ISEH召开了“第二届国际生态系统健康学研讨

第20卷　第4期2003年12月

干旱区研究

ARID　ZON E　RESEARCH

Vol.20　No.4

Dec.　2003

Ξ收稿日期:2002-12-16;　修订日期:2003-06-10

基金项目:国家自然科学基金(90102007)和中国科学院知识创新项目(KZCX1-08-03).

作者简介:张宏锋(1978-),男,硕士研究生,研究领域为环境科学.E-mail:zhanghf77925@https://www.360docs.net/doc/0e2874529.html,.

会”,本次大会与“96生态最高级会议”联合在丹麦哥本哈根召开。这次“生态最高级会议”由国际生态模拟学会、国际生态工程学会和国际生态经济学会共同组织。大会明确了要解决复杂的全球性的生态环境问题,需要综合自然科学和社会科学。1999年8月,“国际生态系统健康大会———生态系统健康的管理”在美国加州召开。这次大会的3个主题是“生态系统健康评价的科学与技术”,“影响生态系统健康的政治、文化和经济问题”以及“案例研究与生态系统管理对策”。

迄今为止,关于生态系统健康的杂志有1995年创刊的《Ecosystem Health》,1992年发行的《Journal of Aquatic Ecosystem Health》(1997年更名为Jour2 nal of Aquatic Ecosystem stress and Recovery)。Costanza、Rapport等主编的关于生态系统健康的专著,对生态系统健康进行了全面的论述〔7,15,16〕。这些杂志的发行和专著的出版,有力地推动了生态系统健康的研究,使生态系统健康从一个最初源自医学的概念,形成一个将生态—社会经济—人类健康3个领域整合在一起的综合性定义〔17〕。

2　生态系统健康概念

对于生态系统健康概念的定义,各家均有不同之言〔1〕。Woodley从生态系统所处的状态提出:“生态系统健康是生态系统发展的一种状态,在此状态中,地理位置、光照水平、可利用的水分、营养及再生资源量都处在适宜或十分乐观的水平,或者说,处在可维持该生态系统生存的水平”。Karr等从生物群落结构和功能的完整性出发,指出生态系统健康是指“生态系统有能力供养并维持一个平衡、完整、适应的生物群落。此群落由若干物种组成并且构成一个有功能的组织”。美国国家研究委员会从生态系统提供的服务方面提出:“如果一个生态系统有能力满足我们的需求并且在可持续方式下,产生所需要的产品,这个系统就是健康的”。大多数生态学家认为健康的生态系统是指生态系统的结构和功能都没有受到损害,生态系统中的各种功能流(物种流、能量流、物质流、信息流和价值流)都能正常进行,并能够提供各种满足人类需要的服务。健康的生态系统能满足人类的各种需求,并且具有可持续性。Rap2 port等在1998年将生态系统健康的概念总结为“以符合适宜的目标为标准来定义的一个生态系统的状态条件或表现”。即生态系统健康应包含两方面的内涵:一为满足人类社会合理要求的能力,二为生态系统本身自我维持与更新的能力,前者是后者的目标,而后者是前者的基础〔17～20〕。

3　生态系统健康的评价范畴

生态系统是一个复杂的系统,具有复杂的结构和功能,是人类和各种生物的生命支持系统,与人类的社会、经济活动有密切的关系。因此,对生态系统健康的评价应该综合生态学、社会经济、人类健康方面的原则和原理进行评价,将3个方面结合在一起构成一个完整的评价体系:(1)生态学范畴从生态系统的结构和功能出发,研究环境与生物之间的相互作用,从食物链和栖息地等方面评价生态系统的健康状况,研究内容涉及物质循环、能量流动、生物多样性、生态系统的退化与恢复等方面;(2)社会经济范畴主要研究生态系统与人类社会经济发展之间的关系。生态系统是人类经济活动的载体,生态系统是否健康直接影响着经济发展水平的高低;(3)人类健康范畴从生态系统健康与人类健康之间的关系研究生态系统的功能和结构变化对人类健康的影响。由于生态系统退化导致环境恶化,例如CO2的大量排放,改变了生态环境,使人类和生物的生存环境发生变化;海平面升高,土地荒漠化,迫使人类和各种生物迁离原来的居住环境〔21,22〕,食物链中有毒物质的富集积聚危害着人类的身体健康。

4　生态系统健康评价指标与方法

生态系统健康是生态系统管理学和环境管理追求的目标〔23〕,健康的生态系统能满足人类社会的合理要求和实现生态系统本身自我维持与更新,并且具有可持续性。生态系统的健康评价作为一门交叉科学的实践,不仅包括系统综合水平、群落水平、种群及个体水平等多尺度的生态指标来体现生态系统的复杂性;还兼收了物理、化学方面的指标,以及社会经济、人类健康指标,反映生态系统为人类社会提供生态系统服务的质量与可持续性〔18〕。由于生态系统是一个极其复杂的系统,与人类的社会、经济活动及自然生态过程都有着密切的关系。因此,对生态系统健康的评价应该综合生态学、地理学、社会经

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4期 张宏锋等:生态系统健康评价研究方法与进展

济、人类健康及社会公共政策方面的原则和原理进行评价。评价指标要反映事物本身特征的真实性,它的数值变化能够真实地反映生态系统健康状况;要有明确的涵义和可度量性,即标准与指标的明确性和可应用性;要有方便性,即尽可能采用已有的、为公众所熟悉的度量技术等;要成一个体系,即各项指标构成一个标准,几个标准构成一个整体衡量的体系;要有一定的灵活性,因为任何标准和指标,都有一定的时效性和变化趋势,即任何标准和指标都是在一定条件下、一定目标下采用的〔24〕。这就要求我们在必要时作为趋势来估量(历史的、现实的),不要根据一时静态值来衡量。另外,选用什么指标也不是一成不变的,在这个地区可能用这一指标,在另一个地区可能不用;在这个时期可能采用某一指标,而在另一个时期也可能不采用。生态系统健康指标的选择要综合以上几个方面的内容,既要考虑它的可靠性、真实性,又要兼顾它的可行性,而且能够反映不同时空尺度生态系统健康状况。

4.1　评价指标

生态系统健康评价指标包括生态指标、物理化学指标、人类健康与社会经济指标3个方面。生态指标从不同的层次可以分为生态系统水平综合指标、群落水平指标、种群及个体水平指标。生态系统水平综合指标包括活力、组织、恢复力3个指标,其中,活力可由生态系统的生产力、新陈代谢等获得;组织则由多样性指数、网络分析获得的参数表示;而恢复力可由模拟模型计算出来〔19,23〕;最常使用的群落结构指标有分类群组成、物种多样性和生物量等,种群或个体水平指标主要运用能够反映环境变化和衡量其他同域物种种群变化的指示种来监测生态系统健康;物理化学指标是对生态系统的非生物环境进行检测的指标,由大气污染指数、紫外线辐射强度、土壤重金属含量、水体富营养化程度、水体矿化度、p H值等各项指示环境质量的指标组成;人类健康与社会经济指标从生态系统提供的服务方面反映了生态系统要满足人类生存与社会经济可持续发展对环境的要求,它要满足以下条件:(1)维护人类健康;(2)提供人类生产生活所需的各种资源;(3)提供适宜的生存环境条件〔24〕,它们从生态和社会方面综合反映生态系统的健康状况。人类健康与社会经济指标包括重大流行疾病发生率、社会稳定性、工资收入、物价指数等方面(图1)〔17〕。4.2　生态系统健康的评估方法

对于生态系统的健康评估方法很多,常用的有如下几类〔25〕:(1)生态系统失调综合症的诊断。生态系统失调综合症(Ecosystem distress syndrome)是指系统被破坏后,导致其在正常生命期限前终结的不可逆过程。生态系统失调综合症的诊断就是选择一组关键指标,来评估生态系统处于有害环境压力下的特征。如生物多样性的减少(包括生境、物种、基因水平)、营养资源受损、初级生产者的减少、生物组成的变化、外来物种和r-类对策物种在生态系统中的优势度增加、生态系统中某些种群振荡幅度加大、生物分布生境大小的降低、能流的变化、污染物在生物体和媒介体中的循环等;(2)生态系统的缓冲力和持续性评估。这是根据生态系统抵抗压力的能力大小来评价其健康程度的,即生态系统抵抗自然或人为干扰后恢复原来状态的能力。生态系统越健康,其抗干扰能力或从干扰中恢复过来的能力就越强;(3)生态系统健康的风险评估。生态系统健康风险评估(Risk evaluation of ecosystem health)就是评价危害生态系统健康事件发生的概率以及在不同概率下事件所造成后果的严重性,并决定应该制订和采取的可行对策。

评估的着眼点在于风险决策管理,目的是预防性地保护生态系统健康。这是一个多学科、多领域、多层次的综合管理问题,包括技术、经济、政策、法律、公众参与、伦理道德等多个方面。生态系统风险评估的最终受体不仅是人类自己,还包括生态系统的各个组建水平———个体、种群、群落、生态系统及环境,并且要考虑生物间以及不同组建水平的生态风险之间的相互作用。

5　生态系统健康研究中存在的问题

现在关于生态系统健康的概念认识基本上来自两种途径,即两种认识生态系统健康的观点:一种是功利实用观的面向目标途径;另一种是生态系统观的面向生态系统途径〔26〕。定义生态系统健康或者说考虑一个生态系统是否健康存在以下问题:(1)达到目标的管理。要求一个关于这些目标清晰明确的说法,以便管理者知道他们是否能满足这些目标。大多数关于生态系统管理的政策辩论在管理目标上产生分歧,也说明了这个问题;(2)目标必须反映生

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态系统特征或属性赋予的限制;(3)人类对生态系统不可避免的影响和价值趋向;(4)生态系统健康的不确定性。到目前为止,对生态系统健康的评价还只限于定性的评价,难以量化;(5)对干扰产生影响的区分。生态系统受到人类的干扰,也受到自然干扰,难以确定人类干扰影响与自然干扰对生态系统的影响有何不同;(6)生态系统健康评估方法的确定。由于生态系统的复杂性,

生态系统健康很难概括为一

些易测定的具体指标,很难找到能准确评估生态系统健康受损程度的参考点;(7)生态系统是一个动态过程,有其产生、发展、消亡的演化过程,很难判断哪些是演替过程中的症状,哪些是受到干扰的症状;(8)健康的生态系统具有吸收、化解外来胁迫的能力,但还很难测定这种能力;(9)生态系统发生多大程度的改变而不影响它们的生态系统服务;(10)维持生态系统健康的策略是什么?

图1　生态系统健康评价指标体系

Fig.1　Evaluation index system of Ecosystem health

3

334期 张宏锋等:生态系统健康评价研究方法与进展

6　结　语

生态系统健康概念的提出和对生态系统健康的研究,是人类为防止环境恶化和实现社会及经济可持续发展的必要措施。现在地球上几乎找不到未受人类活动影响的净土,无论是遥远的南极或北极或者是巍峨的高山峰顶,都可以找到人类活动的印迹。人类社会的发展是建立在对环境资源的开发和利用的基础之上,也就是说,环境是人类的载体,而人类对环境资源的过度利用与盲目地、无节制地排放废物超过了环境的承受力和自净能力,从而不可避免地发生生态系统结构和功能的退化。其结果是社会生产活动速率的减缓和人类生活质量的降低。为了提高人类生活水平和实现可持续发展,对病态生态系统的结构和功能的恢复势在必行,因为,这是人类生存和发展的底线。如果生态系统彻底崩溃,人类也无处存身。因此,对生态系统健康的研究,不仅是生态学家的责任,也是全社会需要关注的问题。同时,在研究生态系统健康和进行生态系统健康评价时,应该注重生态系统健康评价方法和指标体系建立的可理解性和可执行性。

综合生态系统健康研究的进展状况和存在的问题,今后生态系统健康的研究应该注意以下几点: (1)应该建立生态系统功能紊乱的分类方法,以便能够进行诊断、干预及因果关系的比较研究;(2)设计标准来辨别是否偏离生态系统关键参数变化的正常范围,一方面,为了确保诊断生态系统崩溃过程出现的准确性,另一方面,为了确保诊断生态系统从胁迫下开始恢复的准确性;(3)环境变化、人类健康、经济社会和公众政策之间相互联系具有高度的复杂性。在一个高度相互依赖的系统中,这些因素共同决定了环境条件,因此,必须了解这些因素间的联系。

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Methods and Progress of the Ecosystem H ealth Evaluation

ZHAN G Hong 2feng L I Wei 2hong CHEN Ya 2peng

(Xinjiang Institute of Ecology and Geography ,Chinese Academy of Sciences ,U rumqi 830011,China )

Abstract :　Ecosystems are the conditions on which human rely for existence ,it influences directly the human ’s production and living whether the ecosystems are healthy or not.The impacts of human activities on the e 2cosystems are more and more serious due to the rapid economic development and the increasing exploitation of natural resources ,which directly result in the degeneration of the ecosystems and the loss of the service functions of the ecosystems.Especially since recent 50years ,many ecological environmental problems occur ,they include the land degradation and desertification ,soil erosion ,degeneration of grasslands ,reduction of natural vegetation coverage ,frequent occurrence of sandstorms ,etc.,caused by the excessive farming ,grazing ,deforestation and other human activities.Under such a situation ,the research on the ecosystem health has been paid a great atten 2tion to all over the world.This paper discusses the development ,concept ,category ,indexes ,evaluation meth 2ods and existing problems of ecosystem health based on the domestic and foreign references about ecosystem health so as to reveal the current status of ecosystem health ,and some suggestions and methods are put forward for the environment protection and the regeneration of the ecosystems.

K ey w ords :　ecosystem health ;category ;evaluation method ,land degradation ,grassland degeneration.

《塔克拉玛干沙漠和周边山区天气气候》一书出版发行

由李江风教授主编的《塔克拉玛干沙漠和周边山区天气气候》一书,在中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所等单位的资助下,于2003年9月由科学出版社出版发行。

该书是一部气象和有关学科相结合的著作。也是理论性和实用性相结合的专著。根据设在塔克拉玛干大沙漠腹地两个气象站的实测资料,对其腹地的天气气候特征进行分析,结合考察观测和钻探等资料数据,揭示“死亡之海”的面纱。宣告它的奥秘和干旱气候形成的原因和过程及其规律,为石油大军开进大沙漠提供科学依据,为开发大西北服务。

该书既是基础科学著作,又具显明的实际应用性。它从高空、高原、山地、沙漠、地层等地学、医学、放射性学科等方面,告诫人们,进入大沙漠,无论是考察、探险、旅游、开发石油和天然气、地质勘探,应该注意什么,要遵守什么原则,规律,以防危险和危害事故发生;哪些是“死亡之海”的暗礁,哪些是生命的源泉。当今情况虽然已经发生了很大的变化,“死亡之海”已变成“希望之海”、“资源之海”,有了沙漠公路,有了绿洲,但若不重视和认真掌握那些规律和新的知识发现,仍然有葬身于“死亡之海”的厄运。

全书共分15章,归纳为6部分:1.塔克拉玛干沙漠和周边山区的天气气候形成机理;2.天气气候特征、规律,以及气候资源和变化;3.气候变化含地质时代的大气候变化和历史时期的气候变化及现代气候变化(利用沙漠腹地的钻井资料和周边石油钻探资料等);4.沙漠气候数值模拟。从有高原、天山的模拟、无地形的模拟和反射率变化等模拟,得出高原、天山区高压运移、垂直气流变化对沙漠形成和干旱区的形成、发展原因;5.卫星云图探讨沙漠区临时积水、水汽通道、沙尘暴的起源,……等;6.流动沙漠区劳动卫生条件,反映干旱酷热的流动沙漠中,常见和新生奇异,综合沙漠疾病防治。沙漠饮食营养与气候关系和配制。沙漠中有无辐射尘埃,进行详细的采样、切片、化验、分析,包含动植物生长的不同部位,……。它是一部较全面论述塔克拉玛干沙漠的著作。提出了新论点、新思想、新发现。

本书可供天气、气候、环境、地理、生态石油勘探、旅游探险、医学卫生等有关学科的专业人员和生产管理人员参考。

(胡汝骥供稿)

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