河流生态系统健康评价:理论、方法与应用

**篇理论知识 第1章绪论 河流生态系统是指河流中的生物群落和非生物环境相互作用相互影响形成的一个较为稳定的生态系统。河流是生物地球化学循环的主要通道之一，河流中水分的转移就包含了生物圈中昀大的物质循环。由此可见，水不仅是河流生态系统中重要的组成成分，同时也是河流生态系统中的重要载体。水维系着河流生态系统的命脉，是河流生态系统中生物赖以生存的物质。水作为自然界昀活跃的自然要素，在河流生态系统物质循环和能量流动中扮演着十分重要角色。由于水的存在，河流生态系统中的各项生命活动才得以有序进行（许文杰，2009）。因此，水生态系统既是河流生态系统重要的物质基础，又是河流生态系统能够有序进行生命活动的功能保障。 河流是人类文明的起源，纵观历史，世界诸多文明均起源于大江大河，河流对人类社会的发展起到至关重要的作用。为什么河流能孕育出人类文明，这不仅源于河流生态系统自身的功能属性，更主要的原因来自河流生态系统的服务功能。首先，河流能为生物的生长、生存、繁衍、生活提供重要的栖息场所。栖息地为生物群落提供必要的生命元素和避难场所，而河道为很多物种提供了适宜的生存条件和物质基础，生物通过河道进行日常的生命活动逐步形成了较为稳定的生物群落。其次，河道具有过滤和屏障的功能。河道能阻止或有选择性地允许一些物质和能量通过河道进行转移，过滤掉一些污染物，降低沉积物的迁移，形成一个相对稳定的生态系统。再次，河道以水为载体，形成了物质、能量和生物流动的重要通道。有机物质、营养元素、无机盐离子等物质既可以通过渗透进入到河道，为河道中的生物提供食物，又可以通过河道传送至更远地区，为其他地区的生物提供物质保障。一些洄游性鱼类在产卵季节，通过河道逆流而上，进行必要的繁衍等生命活动。植物的种子或遇洪水直接连根拔起的植被通过河道传送至其他地区，形成新的植物群落。昀后，河流还具备源与汇的功能。河流可作为源头，为相邻的生态系统提供物质、能量和生物；汇与之相反，可以从周围吸收新的物质、能量和生物。河流的源与汇是一个相对稳定的动态平衡，河流生态系统是一个不断自我更新的动态系统。正是基于河流自身的生态功能特点，河流生态系统为人类提供了诸多的服务功能，其中供水是河流生态系统所提供的昀基本的功能，人类生活用水、工业用水、农业用水多数来自河流（马秀娟， 2015）。河流还提供了水产品、内陆航运、水力发电、休闲娱乐、美学文化等其他附属产品。此外，河流生态系统提供的服务还体现在调蓄洪水、河流输送、蓄积水分、土壤保持、净化环境、固定二氧化碳、养分循环、提供生境、维持生物多样性等方面。因此，河流健康稳定的发展与人类社会的可持续发展息息相关。 随着人类社会经济的快速发展，对河流资源的开发力度不断加大，河流生态系统不断受到人类活动的干扰和损害。以**次工业革命为时间节点，人类社会逐渐走向了由工业技术取代传统农业耕作的新时代。生产效率的大幅度提升，使人类对水资源的需求量逐年加大，造成很多河流水体的断流或枯竭。而工业革命的副产物工业污染物肆意排放到河流中，成为影响河流生态系统中水环境质量的重要因素（唐克旺， 2013）。此外，随着人口的增长，对森林及河岸缓冲带林木的乱砍滥伐现象日趋严重，极大地破坏了河流生态系统原有的结构，使诸多生态功能逐渐丧失。以环境污染、生态系统退化为代价的经济发展必将反噬回人类社会，不仅人们的生活质量受到影响，社会经济的可持续发展也必将受到威胁（庞治国等，2006）。 我国近代受西方列强压迫，政治、经济、军事等综合国力均处于世界较低水平。因此，改革开放初期，国家的战略方针是以经济发展为基础，忽视了对河流生态系统的保护，造成废污水排放量不断增加。由于对废污水排放管控不力，使我国河流生态系统中的污染物含量逐年累积。据统计，全国约有 1/3的河流水功能区的 COD或氨氮含量超出了水体本身的纳污能力，甚至超出纳污能力的 4～5倍，造成水环境质量不断恶化，水体富营养化程度加剧，使得一些水体的使用功能部分或全部丧失（郦建强等， 2011）。与 20世纪 80年代相比，我国地表水污染的范围明显扩大，污染程度不断加剧，部分地区污染严重。根据全国 846个水质监测站的资料显示，约 1/4监测站的水体在 10年间水质出现明显恶化趋势，水体富营养化程度升高，已不符合国家规定的饮用水水质标准。此外，由于我国特殊的地理地貌和气候特征，使得我国降水时空分布极不均匀（耿雷华和卞锦宇， 2008），而降水是维持河流生态系统稳定运行的重要保障，降水量不均就会使得河流中水资源的分配极为不均。例如，我国北方降水量少（张利平等， 2009；张萍等，2016），而耕地面积占全国耕地面积的 60%，人口数量占全国总人口的 46%（王腊春和史运良， 2007），因此就会造成降水量与经济社会用水量严重不匹配，河流水资源出现严重短缺，就会加大对水资源的开采力度，而过度的水资源开发利用，对河流生态系统造成不可逆的破坏，导致水资源衰退和水环境恶化，进一步加剧了河流水资源的短缺现状（刘燕华和李秀彬， 2007）。降水量的不均不仅造成我国水资源分布不均，还会间接导致河流生态系统的稳定性存在明显差异。对于降水量少的北方和西部地区，河道长期处于干旱时期（水利部， 2012），河流生态系统中的土壤类型、植被类型单一，生态系统结构简单，河流生态系统较为脆弱，当受到外界一定程度的干扰时，很难实现自我调节，造成生态系统的不断退化。因此，我国河流生态系统所面临的挑战和威胁不仅来自天然环境的局限性，同时更受迫于人类社会的干扰和破坏，对河流生态系统进行保护和修复已迫在眉睫（梁静静，2011）。 日趋严重的河流生态系统健康问题（戴纪翠和倪晋仁， 2008），迫使人们不得不重新审视人类社会与河流生态系统健康发展的相关关系。将保护和修复河流生态系统作为人类社会可持续发展的重要工作，重新制定河流生态管理策略和模式，已成为当今国内外科学工作者、行政管理者普遍关注的热门问题（Silow and In-Hye，2004；马克明等， 2001）。了解和掌握河流生态系统健康现状，对河流生态系统进行评价，不仅为管理者提供更为科学和有效的管理措施，制定管理方案，同时也有助于科学研究工作者分析比较不同的管理模式对河流生态系统健康造成的影响（Lehman，2000；Xu et al.，2001）。 目前，关于河流生态健康内涵的认识仍然比较多元化，尚未在科学领域达成共识（Norris and Hawkins，2000；董哲仁， 2005a；吴阿娜， 2008）。一般认为一个健康的河流生态系统首要的是其生态结构较为合理、能维持正常的物质循环和能量流动，当受到外界干扰时，具备一定的抵抗力和自我修复能力，以保证自身生态系统结构和功能的稳定性，并且能为人类提供生产生活所需要的生态服务功能（吴阿娜， 2005）。随着对河流生态系统结构和功能研究的不断深入，许多国家在河流生态管理与保护方面都做出了新的举措，将如何维持和修复河流生态系统健康制定为生态管理工作的重要内容和发展方向（杨文慧等， 2005），使得河流生态系统健康问题越来越受到国际社会的广泛关注。而连接着河流生态健康内涵与生态管理的重要纽带就是对河流生态健康进行评价，通过科学、合理、准确地评价河流生态健康现状，深化对河流生态健康内涵的理解，可为河流生态管理者提供科学依据（吴阿娜等， 2006）。河流生态系统健康评价是指通过选取和生态系统相关的评价指标，经科学的统计分析等方法，构建健康评价体系，对河流生态系统现状进行健康诊断，进而为河流生态管理者在制定管理方案时提供参考（张光生等，2010）。河流生态健康评价技术不仅可以了解和掌握河流生态系统健康现状，同时对退化河流生态系统的保护和修复起到很好的指导作用，是河流生态管理和监控的基础（吴阿娜等，2005）。 自 20世纪 90年代以来，我国逐步加大了对河流生态系统修复和保护的力度。将生态系统健康理论作为生态修复的重要依据，相继开展了不同河流生态系统健康状况评价指标体系和评价方法的研究工作（张楠等， 2009）。国家先后颁布了《国家环境保护 “十二五”科技发展规划》《国家环境保护 “十二五 ”规划》《重点流域水污染防治规划（ 2011— 2015年）》《水污染防治行动计划》（“水十条”）《城市黑臭水体整治工作指南》等方针政策以指导我国的河流水生态治理工作。2010年水利部印发了《全国重要河湖健康评估（试点）工作大纲》与《河流健康评估指标、标准与方法（试点工作用）》指导文件，在全国范围内开展了河湖健康评价工作。这一举措改变了原有河流生态保护策略，使从单纯的水质评价逐步发展为水生态和河流生态系统健康评价。其中，水生生物在评价体系中逐渐成为主要评价指标（刘进琪， 2012）。当前，我国的河流生态治理工作已不仅只关注水体各项物理化学指标的数值大小，更加入了对生态系统整体状况的考察，我国正在从单一的水文水质评价逐步过渡到将水文水质评价与生物生境评价相结合（霍堂斌， 2013）。评价的相关指标主要包括悬浮物、溶解氧、化学需氧量、河流形态结构、岸坡稳定性与渗透性、河床基质、河岸植被宽度、乡土种覆盖比例、乡土种再生性状况等。相关指示生物主要包括藻类、大型无脊椎底栖动物、鱼类等，评价方法也出现了指示物种法、指标体系法等（曹光兰， 2012）。随着河流生态系统健康概念的出现和成熟，当前的方针政策和评价方法更加趋向于多样化、综合化、整体化。 要想快速高效地改善我国当前的河流生态系统环境现状，就必须建立一套适合我国国情的评价方法和治理方案。然而，由于我国的河流生态评价与治理工作起步较晚，历史资料极度匮乏，基础研究薄弱，总体上健康评价技术方法还处于探索阶段，实践经验比较匮乏。多数的评价方法和治理措施都是沿用国外已经成熟的体系，缺乏结合国内实际情况的评价方法的研究。这种不做修改的直接套用显然无法匹配我国特有的河流生态现状，有些地貌独*的地区甚至很难找到能与之适配的评价方法。目前，我国并未制定出既可表征全国河流生态基本特征，又能反映不同流域特点的生态系统健康评价体系 （张萍等，2016），且国内评价指标多以水质数据和部分生物数据为基础评价河流生态健康状况，缺乏系统性和整体性。对在全国范围内进行河流生态监测和评价的推广造成了一定的困难（王业耀等，2014）。 为准确客观地评价国内河流生态系统健康状况，不仅要建立一系列标准化体系来规定采样的方法和鉴定标准等，还需要建立适合我国各地区河流生态特点的评价方法和评价体系。本专著通过对国内外河流生态评价技术研究进展进行文献调研，归纳总结当前主要的水生态和河流评价方法与评价体系，并结合我国河流生态现状和水文工作实际，根据水生生物类型（浮游植物、浮游动物、底栖动物、着生藻类、鱼类）、不同地域（济南市、北京市、渭河流域）和水体类型（河流、湖泊和水库），研究提出简便可行的评价指标体系和评价方法，以期为我国的水生态系统和河流生态系统健康评价建立统一的规范要求，为有效改善我国的水环境现状、因地制宜提出河流生态保护和修复措施提供基础理论指导，从而实现对河流生态状况进行系统准确地监测和评价。