基于生態(tài)系統(tǒng)水平的河流風險評價

基于生態(tài)系統(tǒng)水平的河流風險評價

圍繞生態(tài)系統(tǒng)風險的河流管理與評價方法的研究，正成為當前國際河流管理領域的熱點[1].然而作為河流風險管理的重要工具之一的生態(tài)風險評價[2]，目前整體仍處于關注特定物質(zhì)或特定受體并主要以毒理學數(shù)據(jù)為基礎的階段[3-5]，因而難以有效表征生態(tài)系統(tǒng)整體的風險[6]，制約著生態(tài)風險評價方法在河流生態(tài)系統(tǒng)管理中的應用.本研究嘗試建立一種基于河流生態(tài)系統(tǒng)水平上的生態(tài)風險評價方法，以期為河流生態(tài)系統(tǒng)管理提供方法支持.1評價框架的構建1.1生態(tài)系統(tǒng)水平的生態(tài)風險評價基本問題與特征本文中的“生態(tài)系統(tǒng)水平”是指將生態(tài)系統(tǒng)整體作為分析對象.以河流生態(tài)系統(tǒng)整體為對象，不僅需要考慮河流生態(tài)系統(tǒng)的各種要素組成，同時也考慮要素的相互關聯(lián)作用.生態(tài)風險評價通過壓力源、受體、終點等評價要素來描述.對單一源或受體的生態(tài)風險評價而言，這些要素間的聯(lián)系相對簡單，一般表現(xiàn)為“一對一”的關系.而對于生態(tài)系統(tǒng)水平上的生態(tài)風險評價，由于其要素組成以及要素之間的復雜關聯(lián).“多源—多(暴露)路徑—多受體—多終點”成為生態(tài)系統(tǒng)水平上風險問題最為顯著的特征.1.2河流生態(tài)系統(tǒng)的表征根據(jù)系統(tǒng)生態(tài)學的理論認識，可通過結構(Structure)、過程(Process)、功能(Function)和服務(EcosystemService)[7-9]4個概念來表征或評價生態(tài)系統(tǒng).結構和過程是生態(tài)系統(tǒng)的基本屬性，而功能和服務是基本屬性表現(xiàn)出來的結果.因此，本研究選擇結構和過程這兩種屬性指標，著手表征河流生態(tài)系統(tǒng).一個復雜系統(tǒng)其系統(tǒng)性的本質(zhì)是通過“組分”和“相互關系”這兩方面反映出來的[10]，復雜系統(tǒng)的“層次屬性”[11]決定了對組分和相互關系的刻畫要體現(xiàn)出層次性.因此對河流生態(tài)系統(tǒng)表征的指標體系具有二維特點(圖1):在視角維度上，構建的指標體系應包括對組分和關系這兩種屬性的反映；在層次維度上，對于具體的組分和關系屬性表征的指標需要考慮到其隨著空間尺度(或邏輯尺度)的變化而帶來的變化.圖1系統(tǒng)水平視角下的指標體系構建原則基于以上兩點，構建了一個包括3個層級的河流生態(tài)系統(tǒng)表征指標體系：第一層級為整體層級，即從結構和過程來表征生態(tài)系統(tǒng).第二層級為屬性層級，用于表征對應整體層級指標的具體屬性指標.需要說明的是，這一層級的具體指標可以是對同一屬性在不同空間尺度(或邏輯尺度)上的表示.第三層級是度量層級，包括用于度量屬性層級指標的各種物理、化學或生物指標.綜合相關文獻，所建立的包括20項具體指標在內(nèi)的河流生態(tài)系統(tǒng)的指標體系如表1所示.1.3評價終點的選擇生態(tài)系統(tǒng)水平上的外界壓力帶來的生態(tài)風險體現(xiàn)在生態(tài)系統(tǒng)的各個方面，即生態(tài)系統(tǒng)作為一個系統(tǒng)化的整體成為了生態(tài)風險評價的“受體對象”.因此，本文以“生態(tài)系統(tǒng)服務”(以下簡稱生態(tài)服務)作為評價終點來表征生態(tài)系統(tǒng)水平的生態(tài)風險評價結果.目前有關生態(tài)服務指標的討論較多[12-13].本文以聯(lián)合國“千年生態(tài)系統(tǒng)評估”報告中構建的生態(tài)服務分類為基礎[14]，結合相關文獻調(diào)研[15-16]，篩選了10項具體的河流生態(tài)服務指標作為評價終點.這些指標分別為營養(yǎng)元素循環(huán)、初級生產(chǎn)、食物供給、淡水供給、基因資源、氣候調(diào)節(jié)、水調(diào)節(jié)、水凈化、娛樂價值和美學價值.1.4系統(tǒng)水平的“壓力—響應”模式分析與量化本文將生態(tài)風險評價涉及的源、受體、終點等評價要素通過內(nèi)部與相互間復雜多樣的聯(lián)系而產(chǎn)生生態(tài)風險的全過程稱之為“壓力—響應”過程.外界壓力通過“壓力源”(Source)和“脅迫因子”(Stressor)來描述.壓力源指各種自然和人為的活動，這些活動從生態(tài)系統(tǒng)外部施加一種或多種脅迫因子；脅迫因子指通過那些化學、物理或生物作用，這些因子會給特定的生態(tài)系統(tǒng)成分帶來擾動.外界壓力對評價終點(即生態(tài)服務)的影響過程可用如圖2所示的“影響鏈”來表示.圖2生態(tài)系統(tǒng)水平的生態(tài)風險分析框架注：a～d表示的是4種“影響過程”：a壓力源從生態(tài)系統(tǒng)外部釋放一種或多種脅迫因子；b脅迫因子給特定的生態(tài)系統(tǒng)要素帶來擾動；c生態(tài)系統(tǒng)指標對應的結構和過程要素會在外界擾動和自身彈性的共同作用下離開初始狀態(tài)；d生態(tài)系統(tǒng)指標對應要素的狀態(tài)改變造成了原有的生態(tài)服務改變，從而產(chǎn)生生態(tài)風險。由于生態(tài)系統(tǒng)水平的生態(tài)風險評價涉及的壓力源種類、影響方式及效應的多樣化，采用單一的類似毒理學數(shù)據(jù)作為風險的量化方式無法實現(xiàn).為此，本文對涉及的生態(tài)風險量化采用如下方式：把各項壓力源的影響力(類似于“劑量”)按照其在不同區(qū)域(河段)的絕對數(shù)值的大小轉(zhuǎn)化為壓力源排序指數(shù)；把各項生態(tài)系統(tǒng)指標對應的生態(tài)系統(tǒng)要素對外界壓力的抵抗力按照其在不同區(qū)域(河段)的絕對數(shù)值轉(zhuǎn)化為彈性指數(shù)；把各風險組分之間的影響根據(jù)其方式、強度、效果等特征轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的影響指數(shù).前兩者分別用壓力源排序矩陣和生態(tài)系統(tǒng)彈性指數(shù)矩陣來表示；后者則用4項關系矩陣來表示.對于一河流，可綜合水體生態(tài)功能與相應壓力源區(qū)域的關系，將其劃分為若干河段(區(qū)域).壓力源排序矩陣SRM由r行(表示r種壓力源)和1列構成.元素反映了在河段(區(qū)域)i中的壓力源k的排序指數(shù).生態(tài)系統(tǒng)彈性指數(shù)矩陣HRM由e行(表示e種生態(tài)系統(tǒng)指標)和1列構成，其中元素反映了特定的生態(tài)系統(tǒng)指標e在相應河段i的彈性指數(shù).借鑒“相對風險模型”中的賦值方法[17]，這兩個矩陣中的元素取值可分別用2、4、6這三個指數(shù)值來量化，數(shù)值越低，說明該河段(區(qū)域)對應的壓力源作用越小，或者對應的生態(tài)系統(tǒng)指標的彈性越大(彈性越強則相同壓力下的影響程度越弱，在數(shù)值上表現(xiàn)越低).SRM中的元素賦值采用排序法獲得；HRM中的元素則結合相應的研究給出的好、中、差的定性結果[15]，或結合實地調(diào)查或者實驗的方法獲得分級標準[18-19]來賦值.四項關系矩陣分別為“壓力源-脅迫因子關系矩陣”SSM、“脅迫因子-生態(tài)系統(tǒng)指標關系矩陣”SEM、“生態(tài)系統(tǒng)指標相互關系矩陣”AEM和“生態(tài)系統(tǒng)指標與生態(tài)服務關系矩陣”EEM.這四類矩陣采用層次打分法進行賦值.考慮到不同的風險組分之間的影響方式各異，因此各矩陣賦值所采用的判定標準存在差異.其評價過程如圖3所示.在對相應風險組分及其相互間關系量化基礎上，即可進行壓力源對河流生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務的影響程度量化表征.某一河段壓力源產(chǎn)生的脅迫因子程度為：對于生態(tài)系統(tǒng)的不同彈性，即對相同的外界壓力所具有的不同響應程度，有：由于生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部存在相互關系，某些生態(tài)系統(tǒng)指標受影響后會對其他指標產(chǎn)生間接影響.這種關系可表示為：式中：為考慮了生態(tài)系統(tǒng)指標彈性以及生態(tài)系統(tǒng)指標之間相互關聯(lián)的情況下，i河段所有的脅迫因子對第h類生態(tài)系統(tǒng)指標的完全有效累積影響得分。圖3四項關系矩陣賦值的層次打分法示意注：(a)壓力源—脅迫因子關系矩陣(b)脅迫因子—生態(tài)系統(tǒng)指標關系矩陣(c)生態(tài)系統(tǒng)指標相互關系矩陣(d)生態(tài)系統(tǒng)指標與生態(tài)服務關系矩陣.括號內(nèi)的數(shù)值為對應回答的得分，將各得分加和，即得到右側(cè)的總得分。這種影響對生態(tài)服務有：式中：即為i河段所有的脅迫因子，通過復雜的“壓力-響應”過程，對第e類生態(tài)服務的影響評價得分.綜合上述量化評價過程，即有：式中：為i河段所有的脅迫因子對所有的生態(tài)服務的影響總和，即i河段總的生態(tài)風險得分.同時，上式可以拆解為針對壓力源、脅迫因子、生態(tài)系統(tǒng)指標和生態(tài)服務這四類風險組分對總的風險得分貢獻.通過對這些風險組分的得分貢獻排序，可以識別出壓力源和生態(tài)效果的優(yōu)先序及其需要關注的問題.2案例研究選擇黃河為例來說明所構建的評價框架模型的應用.2.1評價過程綜合考慮各生態(tài)亞區(qū)在氣候、地貌、水文、水生生物和社會經(jīng)濟活動要素上的差異性和關聯(lián)性，并結合已有的水系劃分和數(shù)據(jù)可得性原則，將黃河共分為7個河段，分別為龍羊峽以上(RR1)、龍羊峽至蘭州(RR2)、蘭州至頭道拐(RR3)、頭道拐至龍門(RR4)、龍門至三門峽(RR5)、三門峽至花園口(RR6)、花園口以下(RR7).篩選了10項壓力源指標，分別為氣候變化、種植、畜禽養(yǎng)殖、淡水養(yǎng)殖、工業(yè)、生活、城市化、水利設施、上游水質(zhì)和上游水量.前7類壓力源主要來源于本河段所處流域內(nèi)的自然與社會經(jīng)濟系統(tǒng)；后2類壓力源雖不屬于該河段所處流域空間內(nèi)，但能通過上下游的聯(lián)系對河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響作用.各項壓力源指標的實際數(shù)據(jù)如表2所示.與之對應的脅迫因子共篩選出11項，分別為有機污染物、營養(yǎng)物質(zhì)、沉積物、重金屬、殺蟲劑、外來物種、流量變化、取水、水壩、河道單一化和不透水表面.對得到的各河段的壓力源的實際數(shù)據(jù)，通過排序法將各指標的絕對數(shù)轉(zhuǎn)化為排序得分.排序標準則根據(jù)ArcGIS的數(shù)據(jù)分段功能來制定.注：-表示無數(shù)據(jù).對于有監(jiān)測數(shù)據(jù)的度量指標，數(shù)值取河段首末端面的數(shù)據(jù)平均值表征，且取年平均值.1.用氣溫數(shù)據(jù)替代水溫數(shù)據(jù)；2.指高錳酸鹽指數(shù)；3.以含沙量數(shù)據(jù)替代，計算采用多年平均懸移質(zhì)輸沙量除以年徑流量獲得；4.用大中型水電站數(shù)量除以河段長度；5.以浮游植物平均生物量表征；6.以魚類種數(shù)表征；7.以浮游動物和浮游植物的種屬數(shù)量表征。各河段生態(tài)系統(tǒng)指標對應的主要度量指標的實際數(shù)據(jù)如表3所示.結合相關研究成果，將這些度量指標的絕對數(shù)值轉(zhuǎn)化為彈性指數(shù).四類關系矩陣的賦值以圖3提出的層次打分法，參照有關專家評價或結合實際數(shù)據(jù)賦值綜合得到[29].圖4黃河各河段生態(tài)風險得分注：RR1～RR7分別為龍羊峽以上，龍羊峽至蘭州，蘭州至頭道拐，頭道拐至龍門，龍門至三門峽，三門峽至花園口，花園口以下。圖5黃河整體層面各項風險組分的得分分布注：(a)針對壓力源；(b)針對脅迫因子；(c)針對生態(tài)系統(tǒng)指標；(d)針對生態(tài)服務.SR表示壓力源,ST表示脅迫因子，EI表示生態(tài)系統(tǒng)指標，ES表示生態(tài)服務PC:氣候變化；CF:種植；LF:畜禽養(yǎng)殖；AQ:淡水養(yǎng)殖；IN:工業(yè)HO:生活；UR城市化；WP:水利設施；URL:上游水質(zhì)；URT:上游水量.OW:有機污染物NU:營養(yǎng)物質(zhì)；SE:沉積物；HM:重金屬；PE:殺蟲劑；IS：外來物種FV：流量變化；WA:取水DA:水壩；CS:河道單一化；IS:不透水表面；TE:溫度；DO:溶解氧NU:營養(yǎng)物質(zhì)；OM:有機物質(zhì)；TM:有毒物質(zhì)；SE:沉積物AB:生境豐度；CO:生境連通性；HS：水文穩(wěn)定性PPS初級生產(chǎn)者穩(wěn)定性，TLI:營養(yǎng)級完整性；BI：生物多樣性；SP:物種豐度；NC:營養(yǎng)元素循環(huán)：CC:碳循環(huán)；WC:水循環(huán)；WS:水儲存：PP:初級生產(chǎn)PTD:污染物遷移轉(zhuǎn)化；NC:營養(yǎng)元素循環(huán);pP:初級生產(chǎn)FS:食物供給FWS:淡水供給；GE基因資源；CR氣候調(diào)節(jié)；WR:水調(diào)節(jié)；PU:水凈化RV:娛樂價值；AV:美學價值。2.2評價結果與討論由圖4可見，生態(tài)風險程度較高的河段主要集中在中下游，且依次為龍門至三門峽、三門峽至花園口和花園口以下3個河段.由圖5可見，從整體層面看，造成黃河生態(tài)風險的主要壓力源為城市化、氣候變化和種植業(yè)；主要的脅迫因子為流量變化、有機污染物和營養(yǎng)物質(zhì)，且這三項脅迫因子帶來的影響占到全部脅迫因子的50%以上；受影響較大的生態(tài)系統(tǒng)指標集中在生物組分和生態(tài)系統(tǒng)過程這兩類，且位于前3位的指標分別為生物多樣性、污染物遷移轉(zhuǎn)化和初級生產(chǎn)；受影響較大的生態(tài)服務為基因資源和水凈化.評價結果表明，黃河生態(tài)系統(tǒng)的保護應重點關注中下游河段.其主要原因是中下游河段不僅受到本區(qū)域社會經(jīng)濟系統(tǒng)和自然條件影響，而且還進一步受到上游影響，因而對于河流生態(tài)系統(tǒng)而言，在區(qū)域內(nèi)的壓力源種類和強度相同或近似的條件下，下游河段的生態(tài)風險一般大于上游河段.其次，從系統(tǒng)整體看，黃河生態(tài)系統(tǒng)的風險控制需要重點關注城市和農(nóng)業(yè)這些面源類壓力源，并且需要將氣候變化納入風險控制的考慮；同時，黃河生態(tài)系統(tǒng)的保護對象也需要從通常的水量、水質(zhì)等問題面向?qū)ι骋约吧锏饶繕松蟻?第三，各河段生態(tài)風險的差異性說明了對于不同河段生態(tài)系統(tǒng)的風險控制策略應有所不同.評價結果也體現(xiàn)了本文建立的評價方法區(qū)別于傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢.該方法從系統(tǒng)層面綜合分析多因素帶來的宏觀結果，可以識別系統(tǒng)的核心要素和關鍵問題，進而為針對特定要素和特定問題的分析和解決指明方向.其次，該方法將風險評價結果與造成風險的來源，及社會經(jīng)濟要素相關聯(lián)，進而可以分析社會經(jīng)濟發(fā)展特征與河流生態(tài)風險特征之間的相互關系，為基于風險反饋的社會經(jīng)濟調(diào)控提供依據(jù).3結論1.圍繞生態(tài)系統(tǒng)與復雜系統(tǒng)的理論概念，以生態(tài)服務作為生態(tài)系統(tǒng)水平的風險評價終點，通過外界壓力與