底栖动物在水生生态系统健康评价中的作用分析解读.doc

底栖动物在水生生态系统健康评价中作用分析戴纪翠1, 2，倪晋仁1, 2*1. 北京大学深圳硕士院，广东 深圳 518055；2. 北京大学水沙科学教育部重点试验室，北京 100871摘要：从生态系统健康概念入手，通过对生态系统健康评价措施研究和分析，对底栖动物尤其是大型底栖无脊椎动物在生态系统健康评价中作用进行了分析和总结。生物监测法和多指标评价法是水生态系统健康评价重要手段，而运用指示物种、预测模型和底栖生物完整性指数等多种措施可以对水生态系统健康进行迅速和精确评价。怎样完善底栖动物在生态系统健康评价中作用并综合运用其他评价技术，以及结合评价成果对受损水生态系统进行生态修复和重建将是这一领域未来研究重点所在。关键词：生态系统健康；底栖生物；评价中图分类号：X174 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（）05-2107-05人类社会可持续发展归根结底是生态系统可持续发展问题，作为可持续发展目之一，维持健康生态系统已经成为众多学者共识。水生态系统在人类社会发展过程中发挥着至关重要作用，它不仅提供人类生活和生产基础产品, 还具有维持生态系统构造、生态过程与区域生态环境功能。不过近年来，由于水资源运用和污染物排放强度增大，轻视保护水资源使水环境功能遭到了严重破坏，并直接导致了河流断流、湿地丧失、区域生态环境退化、生物多样性减少等，生态系统健康状况受到严重威胁1-2。因此怎样评价生态系统健康状况已经成为水利科学、生态科学和环境科学等领域研究热点之一3-4。水生态系统任何变化都会影响水生生物生理功能、种类丰度、种群密度、群落构造等, 因此生物评价法已成为评价河流生态系统健康状况重要手段，而以鱼类、硅藻与大型无脊椎动物为对象指示物种措施仍是河流生态系统健康重要研究措施5。底栖动物是水生态系统中最重要定居动物代表类群之一，影响着水生态系统中物质分解和营养循环，如在水底能加速碎屑分解，并能调整沉积物-水体之间物质互换，增进水体自净等6。底栖动物群落是水环境生态系统重要构成部分，尤其是在淤泥质河口潮滩生态系统中，底栖亚系统是一种非常重要动态中心，而底栖动物群落在这个动态中心里占据着承上启下关键位置。由于底栖动物分布和数量对于环境条件保护尤其敏感，因此常常被作为环境监测指示动物6-7，并被广泛地应用于生态系统健康评价研究中8。本文在系统讨论生态系统健康概念和研究措施基础上，重点讨论了底栖动物尤其是大型底栖无脊椎动物在生态系统健康评价中作用及其角色，并对生态系统健康评价未来发展方向进行了剖析，以期对有关生态建设、受损水生态系统修复技术研发和科学管理有所指导和增进。1 生态系统健康概念及评价 生态系统健康是一种全新概念，目前还没有形成一套较为系统和完整体系9。Rapport10早在20世纪70年代末就提出了“生态系统医学”概念，认为健康生态系统是指生态系统稳定且可持续发展、没有病痛反应、随时间推移具有活力并且能维持其组织及自主性，并在外界胁迫下轻易恢复。之后他又初次论述了生态系统健康内涵11，认为生态系统健康是指一种其所具有稳定性和可持续性，即在时间上具有维持其组织构造、自我调整和对胁迫恢复能力。Schaeffer12等认为当生态系统功能未超过阈限时则该生态系统是健康。Costanza13提出健康生态系统构成是活力、组织性和反作用力，生态系统越健康，其从干扰中恢复能力也就越大。Mageau14提出健康生态系统应生机勃勃，充斥活力；受到干扰有良好恢复能力。国际生态系统健康学会在1999年将生态系统健康学定义为硕士态系统管理、防止性、诊断性和预兆特性，以及生态系统健康与人类健康之间关系一门科学15。在国内，崔保山16认为生态系统健康是指系统内物质循环和能量流动未受到损害，关键生态组分和有机组织被完整保留，且缺乏疾病，对长期或突发自然或人为扰动能保持着弹性和稳定性，整体功能体现出多样性、复杂性、活力和对应生产率，其发展终极是生态整合性，对压力是具有弹性。目前对生态系统健康研究内容重要集中在重要研究内容包括其评价措施、生态系统健康与人类健康关系、环境变化与人类健康关系以及各尺度生态系统健康管理措施17，其中生态系统健康评价措施研究受到了最为广泛关注。对不一样类型生态系统，乃至宏观区域生态系统健康评价以及对生态系统健康评价机理研究成为热点，研究领域已迅速扩展到湿地、湖泊、河流和海洋等生态系统。2 底栖动物在生态系统健康评价中角色2.1 大型底栖无脊椎动物在水生态系统中作用在陆生生态系统中对物质分解起重要作用是微生物，而在水生态系统中，大型底栖无脊椎动物对物质分解起着重要作用。大型底栖无脊椎动物一般均有很高物种多样性，对于维持水生态系统功能完整性有着至关重要作用18。大型底栖动物在水生态系统中属于消费者亚系统，是生态系统中物质循环、能量流动中积极消费和转移者，并通过摄食、掘穴和建管等扰动活动直接或间接地影响着水生态系统。如在以碎屑食物链为主导河口湿地生态系统中，底栖动物处在系统中间环节，在能量流动、物质循环等过程中起着承上启下关键性作用7，对区域污染物代谢、迁移和转化，沉积物扰动和局部生境稳定等都具有重要作用。底栖动物以摄食碎屑物为主，包括其中植物凋落物、藻类和微生物。而其自身又是湿地大多数鸟类饵料重要构成部分19。许多研究成果表明，大型底栖动物生物量分布是决定湿地鸟类空间分布格局重要原因20。尽管目前评价生态系统健康状况措施诸多，不过大体来说，不外乎生物监测法和多指标综合评价法。本文将重要就分别从这两个方面对底栖动物尤其是大型底栖无脊椎动物在生态系统健康评价中角色进行综合研究和分析。2.2 生物监测法生物监测措施是指通过监测某些生物或其类群数量、生物量、生产力、构造指标、功能指标及其某些生理生态状况动态变化，来描述生态系统健康状况，其中应用较多就是指示物种法和预测模型法。2.2.1 指示物种法鉴于生态系统复杂性，常常需要采用某些指示类群来监测生态系统健康21。指示物种法重要是针对自然生态系统进行健康评价，是根据生态系统关键物种、特有物种或环境敏感物种等数量、生物量和生产力等来描述生态系统健康状况。一般来说，生态系统在没有外界胁迫条件下，通过自然演替为这些指示物种造就合适生境，致使这些物种与生态系统趋于友好稳定发展状态。当生态系统受到外界胁迫后，生态系统构造和功能受到影响，这些指示物种合适生境受到胁迫，它们构造功能指标将产生明显变化22。运用指示物种法来评判生态系统健康状况，前人已经做了大量研究工作。如Hatcher等23搜集了大量数据研究珊瑚礁生态系统与人类健康关系，结论表明人类也是珊瑚礁生态系统构成部分，表征人类活动指标应包括于珊瑚礁生态系统健康评价指标体系中；Robert24和Jessup25也分别选用海牛和南方海獭作为单物种生态系统健康评价法指示物种。近年来，底栖无脊椎动物、藻类、鱼类、鸟类作为一种可行指标也正引起人们注意。其中底栖无脊椎动物在90%项目中被选择为指示性物种。而底栖大型无脊椎动物是最常用一组，可以成功地用来评价对应地区环境质量。这与大型无脊椎特点是分不开26：不易移动,可以反应其生境大部分条件；许多种类有较长生命周期；占据了几乎所有消费者营养级水平，能完毕一种完整生物积累过程。这些特点使得大型无脊椎动物成为评价中最佳选择，并已经成功地应用到水环境评价研究中27。学者根据北美五大湖湿地鱼类和环境资料数据建立了湿地鱼类指数(WFI)来评价海岸带湿地质量。Brazner31等在北美五大湖岸线450个点搜集了大量六类生物(鸟、鱼、两栖类动物、水生大型无脊椎动物、湿地植物和硅藻属)数据资料，作为研究分析对人类干扰大区域范围内各类生物评价指标。成果表明，食虫鸟类和硅藻类对人类干扰最为敏感，另一方面为湿地植物、鱼和大型无脊椎动物受人类干扰影响最小，通过这些指标监测可以反应大尺度湿地健康变化状况。虽然采用生物类群指示生态系统健康研究获得了很大进展，成为生态系统健康研究常用措施，但仍然存在着某些问题。如指示物种筛选不明确；又如虽然是提出作为生态系统健康指示中诸多物种都具有很强移动能力，对胁迫耐受程度比较低，与生态系统变化有关性比较弱，并且很少有哪个脊椎动物可以符合多种原则28。另首先，用于指示生态系统健康无脊椎动物一般是分类等级较高，难以测定每个物种作用，同步这些物种中有些也许不必要甚至不合适29。指示生物只是指示存在着一定合适指示物种生态环境，而指示物种减少与否会对系统产生重要影响及其在生态系统中作用均难以确定，因此不能全面反应生态系统变化趋势。如Boulton30在研究中发现指示物种变化与整个系统功能和整体性质变化有关性很小。有关指示物种法中所波及种群多样性指数测量及计算措施有效性也存在着争论。2.2.2 预测模型法作为生物评价一种，预测模型法也已经从单纯水质评价借鉴到生态系统健康评价中研究中。预测模型法选择无人为干扰或人为干扰最小样点为参照点，建立理想状况下样点环境特性及对应生物构成经验模型，比较观测点生物构成实际值(O)与模型推导该点预期值(E)，以O/E值对环境状况进行评价32。其中应用最广泛生物类群是大型底栖无脊椎动物，如RIVPACS和澳大利亚河流评价计划(AusRIVAS)等都是基于底栖大型无脊椎动物生物多样性及其功能监测上河流状况评价模型33。两者均以大量未受污染地点底栖无脊椎动物群落和栖境资料为基础，根据种类构成和相似性用聚类分析建立参照类群，并用逐渐鉴别功能分析法筛选出与各参照点底栖动物群落构成有亲密关系变量，如受人类活动影响较小纬度、经度、海拔、底质构成等生物学性状，建立鉴别函数。评价时，将监测点非生物学性状数据输入模型，选择合适参照类群，以监测点与参照类群之间种类相似程度判断水质级别34。借鉴水体迅速生物评价有关思想，并根据湿地泥沙自身特点，尤其考虑经济迅速增长地区湿地动态变化特点，倪晋仁35提出了一种合用于湿地动态评价措施，其是再类比澳大利亚水体迅速生物评价基础上提出，根据比较观测点生物构成实际值(O)与参照点生物群落预期(E)，以O/E值对湿地生态系统进行迅速评估，O/E比值可以在0 1之间变化，比值越靠近于1，则阐明该点健康状况越好。该种措施已经被成功用于深圳湾河口湿地迅速评估中36。虽然运用大型底栖无脊椎动物预测模型法重要是通过单一物种对湿地生态系统健康状况进行评价，并且假设任何变化都会反应在这一物种变化上，一旦出现水环境健康状况受到破坏，但并未反应在所选物种变化上，就无法反应生态系统真实状况。2.3 多指标评价法单个生物参数只对一类或几类干扰反应敏感，因此单独一种生物参数并不能精确和完全地反应水体健康状况和受损程度。生物评价中应用较多另一种措施是多度量指数法。基于其群落构造特性而构建底栖动物完整性指数B-IBI是应用最广泛水生态系统健康评价指标之一。生态系统健康可以通过化学、物理和生物完整性来体现37。生物完整性指数(IBI)重要是从生物集合体构成成分(多样性)和构造两个方面反应生态系统健康状况，是目前水生生态系统研究中应用最广泛指标之一38-39。重要是用多种生物参数综合反应水体生物学状况，从而评价流域内生态系统健康。它是一种既可定量描述人类干扰与生物特性之间关系，且对干扰反应敏感一组生物指数，它是有Karr40最先提出并以鱼类为研究对象建立。IBI最初是以鱼类为研究对象建立，共有12个测量指标。IBI得到许多研究者支持，并分别在大型底栖无脊椎动物、藻类、浮游生物、湿地、溪流和河口地区高等维管束植物等类型生物中进行了应用41。IBI 已广泛应用于水生态科学研究、资源管理、环境工程评价、政策和法律制定，也被许多环境保护志愿者组织所采用。目前美国EPA已将水质生物评价重点转向水生态系统健康评价，其关键就是IBI42。底栖动物完整性指数(B-IBI)最早由Kerans43(1994)提出，也是目前应用最广泛生物完整性指数。Genito等44()研究了大型底栖无脊椎动物群落构成与土地使用状况之间关系，发现采样点上游农业用地面积不小于40%时，底栖动物群落中敏感类群种类数就越低，农业生产活动就会影响水生态系统健康。Diaz45归纳了B-IBI分值与环境质量之间原则：=5为高环境质量；3.04.9为良好；2.72.9为轻胁迫；2.02.6为胁迫；2为严重胁迫。王备新46据安徽黄山地区溪流33个底栖动物样点数据对21个生物参数进行分布范围、Pearson有关性和鉴别能力分析, 确定B-IBI指数由总分类单元数、EPT分类单元数、前3位优势分类单元%、粘附者%、敏感类群%和BI指数构成。建立了适合祁门县溪流生态系统健康评价B-IBI原则,并对其健康状况进行了初步评价。李强47通过熵值权重系数计算B-IBI值对西苕溪健康状况进行评价，研究还表明，B-IBI指数与栖境指数、水温和海拔明显有关。3 研究展望 目前人们对水生态系统健康越来越重视,研究报道也相对较多，已经建立了一系列评价措施。通过上述研究和分析不难看出，底栖动物尤其是大型底栖动物具有易采集、种类多、对多种干扰反应敏感以及比较轻易鉴定等特点，使得它们在水生态系统健康评价中占有重要地位,水生生物评价信息是水资源管理中关键构成部分。怎样充足发挥水生生物信息如生物完整性指数和预测模型法在水生态系统健康管理中作用,以及综合应用这些措施与其他评价指标进行水生态系统健康评价及其管理,都是尚需完善和研究内容。此外，通过底栖动物多样性指数等多种评价措施得到评价成果与受损水生态系统生态恢复与重建关系,建立适合于生态恢复与重建工程生物学评价原则也是学者们努力方向之一。除此之外，伴随3S等定量化技术日益完善和应用，运用底栖生物评价生态系统健康研究必将得到深入深化，这必将大大提高人们对大尺度生态系统管理能力。参照文献：1 孟伟, 苏一兵, 郑丙辉. 中国流域水污染现实状况与控制方略探讨J. 中国水利水电科学研究院学报, , 2(4): 242-246.Meng Wei, Su Yibing, Zheng Binghui. 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