水生态系统健康评价中常见方法评述

陈曦胡瑾王林

（淮河流域水资源保护局 蚌埠 233001）

水生态系统健康评价中常见方法评述

陈曦胡瑾王林

（淮河流域水资源保护局 蚌埠 233001）

目前的水生态系统健康评价方法存在多种形式，尚未形成一套成熟的方法，本文就较常使用的几种评价方法做逐个介绍，以期对水生态系统健康评价体系的建立以及从事水生态系统评价的同仁们有所帮助。

生物学评价 熵权综合健康指数评价 灰色关联评价 模糊评价

1 前言

生态系统健康是新兴的生态系统管理学概念，对其研究是在全球许多自然生态系统（如海洋、湖泊、森林等）健康状况日趋恶化的严峻形势下，于20世纪80年代中期在北美兴起的。随着人们对生态系统服务功能认识的逐渐深入和对生态环境质量要求的不断提高,生态系统健康状况受到越来越多的关注。对生态系统健康评价和研究具有重要的应用价值。国内外许多学者和研究机构都在进行有关确定生态系统健康评价指标体系方面的研究，目前，我国的水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。本文针对国内较常使用的评价方法进行评述，以期对水生态系统健康评价体系的建立以及从事水生态系统评价的同仁们有所帮助。

2 生物学评价

2.1 指示生物类群评价

指示物种评价法比较适用于一些自然生态系统的健康评价，生态系统在没有外界胁迫的条件下，通过自然演替为这些指示物种造就了适宜的生境，致使这些指示物种与生态系统趋于和谐的稳定发展状态。当生态系统受到外界胁迫后，生态系统的结构和功能受到影响，这些指示物种的适宜生境受到胁迫（或破坏），指示物种结构功能指标将产生明显变化。通过指示物种的数量、生物量、生产力、结构指标、功能指标及其一些生理生态指标的变化程度来描述生态系统的健康状况。同时也可以通过这些指示物种的恢复能力的强弱，表示生态系统受胁迫的恢复能力。

2.2 多样性指数评价

Shannon-Wiener多样性指数（H'）是评价生态系统健康状况重要的可度量指标，是环保工作者常用的评价指标。

多样性指数描述的是水体中生物细胞密度和种群结构的变化。指数值越高，该群落结构越复杂，生态系统稳定性就越大。而当水体受到污染时，敏感型种类消失，多样性指数减小，群落结构趋于简单，稳定性变差。

式中，N为样品中的个体总数，ni为第i种的个体数。

2.3 群落学指标评价

近来，通过对海洋等生态系统健康的研究，一些学者提出一个客观评价生态系统健康的度量指标——多样性—丰度关系。健康的生态系统中，多样性—丰度关系可以用对数正态分布表征。这种分布里中等丰度的物种最多，常见的和稀有的物种都较少。对数正态分布是抽样的统计特征，且具有生态学的有效性。在恶劣条件下，多样性—丰度格局常常变化且不再表现为对数正态分布。一个群落的多样性和丰度分布偏离对数正态分布越远，群落或其所在的生态系统就越不健康。

将偏离对数正态分布用于评价生态系统健康，必须以物种多样性和样本足够大为前提，通过仔细选择生态系统中的功能团，仍可用多样性—丰度的对数正态分布来度量生态系统健康。对数正态分布为生态系统健康测定提供了一个有价值的尺度，它说明在生态学上生态系统健康的客观可测定性。多样性—丰度的对数正态关系是基于生态学原理并已显示出作为评价生态系统健康的潜在的强有力工具，但仍需进行更广泛和深入的检验以确定其是否具有普遍价值。

2.4 生物完整性指数法评价

生物完整性指数主要是从生物集合群（as-semblages）的组成成分（多样性）和结构两个方面反应生态系统的健康状况，是目前水生态系统健康研究中应用最广泛的指标之一。

生物完整性指数（indexofbiologicalintegrity，IBI）是用多个生物参数综合反应水体的生物学状况，从而评价河流乃至整个流域的健康。每个生物参数都对一类或几类干扰反应敏感，但各参数反映水体受干扰后的敏感程度及范围不同，单独一个生物参数并不能准确和完全地反映水体健康状况和受干扰的强度。因此，若同时用两个以上参数共同评价水体健康时，就可以比较准确地反映干扰强度与水体健康的关系。

一个好的生物完整性指数应该能很好地反映：①水生态系统的健康状况；②何种人类活动会对水生态系统健康产生影响；③这些活动是如何影响水生态系统对人类的服务价值；④什么样的政策和生态恢复措施有利于生态系统的健康。这也是未来IBI水生态系统健康评价研究的重点和迫切需要解决的关键。

2.5 污染耐受指数评价

污染耐受指数PTI（即Hilsenhoff生物指数，FBI）是描述水生底栖动物对污染的耐受程度，其值越大表示水体污染越厉害，水生态系统遭受破坏越严重。

式中，ti为第i种生物的污染耐受值，N为样品中的个体总数，ni为第i种的个体数。

2.6 均匀度指数评价

Pielous均匀度指数（J）反映的是水体中各类生物是否比较均匀，优势种是否存在。均匀度指数值越高，物种的空间分布越均匀，生态系统稳定性就越大。

式中，S为种类数，H'为Shannon-Wiener多样性指数。

2.7 King指数与Goodnight修正指数评价

King指数（KI）与 Goodnight修正指数（GBI）的研究对象分别是水生昆虫和寡毛类，其中KI反映的是湿生物的比重，二者所得值越大表示水体受污染越轻，生态系统稳定性也大。

计算式为：KI=水生昆虫类的湿重/寡毛类湿重

式中，Noil为寡毛类个体数，N为样品中的个体总数。

2.8 底栖动物群落恢复指数评价

底栖动物群落恢复指数（IZR）结合Chandler指数和科级生物指数的特点，在污染评价均值法的基础上进行的修正和扩展。与其他生物指数相比，IZR指数使用简单，所涉及种类为常见种，容易辨认，如辨认技术要求较高的水生昆虫只需辨认到科，而且放大了少数敏感种的指示效果。此外，该指数能明确反映底栖生物群落的结构状况。其值越大，表示水体的自净恢复能力越强，水生态系统越好。

式中，Pi是第i种类个体数，ind/m2，若Pi/N＜5%，按5%计算；Ici为每个种类对应的清洁指数，清洁指数权值的衡量标准参考科级生物指数，根据当地底栖动物群落结构情况进行调整。

3 熵权综合健康指数评价

生态系统健康应包含两方面内涵：满足人类社会合理需求的能力和生态系统本身自我维持与更新的能力。因此，在选择湖泊生态系统健康评价指标和评价方法时，应综合考虑自然因素和社会因素，宏观与微观相结合，熵权综合健康指数法即是为满足这一要求提出的。它的计算公式为：

式中：EHIC为湖泊生态系统综合健康指数；Ii为第i个指标的归一化值，0≤Ii≤1；wi为第i个指标的权重，可由熵值法确定。熵权综合健康指数法分为以下几个基本步骤：建立评价指标体系；计算各指标的归一化值；确定各指标的熵权；计算湖泊生态系统熵权综合健康指数。

4 灰色关联评价

灰色评价法是用灰色系统的方法来评价河流水体状况。由于在水环境质量及水生态健康评价中所获得的数据总是在有限的时间和空间范围内监测所得，所提供的信息不完全或不确切，因此水域可以说是一个灰色系统，即部分信息已知，部分信息未知或不确切，可以用灰色系统的原理来进行综合评价。灰色关联评价方法是以断面水体中各因子的实测浓度组成实际序列，各因子的标准浓度组成理想序列，不同标准级别组成的不同理想序列，使用灰色关联度分析法计算实际序列与各理想序列的关联度，最后按照关联度的大小确定综合水质的级别，其中关联度越高，就说明该样本序列越贴近参照级别，此为单断面水质综合评价的灰关联评价法；把灰色关联度评价法应用于研究具有多断面的区域水环境质量评价问题，就得到了区域水质综合评价的灰关联分析法。

5 模糊评价

1965 年美国L.A.Zadeh教授著名的《模糊集合》一文的发表，标志着模糊数学的诞生并很快发展起来。由于水生态系统中存在大量不确定性因素，水质级别、水生态状况、分类标准都是一些模糊概念，因此模糊数学在水生态系统健康评价中也有望应用。

应用模糊数学进行水生态系统评价时，对一个断面只需要一个由P项因子指标组成的实测样本，由实测值建立各因子指标对各级标准的隶属度集。如果标准级别为Q级，则构成P×Q的隶属度矩阵，再把因子的权重集与隶属度矩阵进行模糊积，获得一个综合判集，表明断面水体对各级标准水体的隶属程度，反映了综合水生态健康状况的模糊性。

从理论上讲，模糊评价法由于体现了水环境中客观存在的模糊性和不确定性，符合客观规律，具有一定的合理性。但是，从目前的研究情况来看，由于在模糊综合评价中，一般采用线性加权平均模型得到评判集，使评判结果易出现失真、失效、均化、跳跃等现象，存在水质类别判断不准确或者结果不可比的问题，而且评价过程复杂，可操作性差。因此在应用模糊理论进行水生态系统健康评价方面还需进一步研究，研究的关键性问题是解决权重合理分配和可比性。

6 结语

根据目前水生态的现状，开展水生态系统健康评价显的极其重要，但是我国评价体系繁多，适用于特定生态系统的评价框架不多。只有充分考虑到生态系统本身的结构和功能，在此基础上明确区分特定生态系统的胁迫状况，辨别出最危险的组分和最该重视的问题，同时研究环境胁迫与生态参数变化的关联程度，然后去研究适宜生态系统健康指标的综合管理策略