基于生态系统水平的河流风险评价

赵钟楠,张天柱

(清华大学环境学院,北京 100084)

围绕生态系统风险的河流管理与评价方法的研究,正成为当前国际河流管理领域的热点[1].然而作为河流风险管理的重要工具之一的生态风险评价[2],目前整体仍处于关注特定物质或特定受体并主要以毒理学数据为基础的阶段[3-5],因而难以有效表征生态系统整体的风险[6],制约着生态风险评价方法在河流生态系统管理中的应用.本研究尝试建立一种基于河流生态系统水平上的生态风险评价方法,以期为河流生态系统管理提供方法支持.

1 评价框架的构建

1.1 生态系统水平的生态风险评价基本问题与特征

本文中的“生态系统水平”是指将生态系统整体作为分析对象.以河流生态系统整体为对象,不仅需要考虑河流生态系统的各种要素组成,同时也考虑要素的相互关联作用.

生态风险评价通过压力源、受体、终点等评价要素来描述.对单一源或受体的生态风险评价而言,这些要素间的联系相对简单,一般表现为“一对一”的关系.而对于生态系统水平上的生态风险评价,由于其要素组成以及要素之间的复杂关联.“多源-多(暴露)路径-多受体-多终点”成为生态系统水平上风险问题最为显著的特征.

1.2 河流生态系统的表征

根据系统生态学的理论认识,可通过结构(Structure)、过程(Process)、功能(Function)和服务(Ecosystem Service)[7-9]4个概念来表征或评价生态系统.结构和过程是生态系统的基本属性,而功能和服务是基本属性表现出来的结果.因此,本研究选择结构和过程这两种属性指标,着手表征河流生态系统.

一个复杂系统其系统性的本质是通过“组分”和“相互关系”这两方面反映出来的[10],复杂系统的“层次属性”[11]决定了对组分和相互关系的刻画要体现出层次性.因此对河流生态系统表征的指标体系具有二维特点(图 1):在视角维度上,构建的指标体系应包括对组分和关系这两种属性的反映;在层次维度上,对于具体的组分和关系属性表征的指标需要考虑到其随着空间尺度(或逻辑尺度)的变化而带来的变化.

图1 系统水平视角下的指标体系构建原则Fig.1 Principles of constructing the indicator system from systematic perspective

基于以上两点,构建了一个包括 3个层级的河流生态系统表征指标体系:第一层级为整体层级,即从结构和过程来表征生态系统.第二层级为属性层级,用于表征对应整体层级指标的具体属性指标.需要说明的是,这一层级的具体指标可以是对同一属性在不同空间尺度(或逻辑尺度)上的表示.第三层级是度量层级,包括用于度量属性层级指标的各种物理、化学或生物指标.综合相关文献,所建立的包括20项具体指标在内的河流生态系统的指标体系如表1所示.

表1 河流生态系统的指标体系Table 1 The indicator system of river ecosystem

1.3 评价终点的选择

生态系统水平上的外界压力带来的生态风险体现在生态系统的各个方面,即生态系统作为一个系统化的整体成为了生态风险评价的“受体对象”.因此,本文以“生态系统服务”(以下简称生态服务)作为评价终点来表征生态系统水平的生态风险评价结果.

目前有关生态服务指标的讨论较多[12-13].本文以联合国“千年生态系统评估”报告中构建的生态服务分类为基础[14],结合相关文献调研[15-16],筛选了10项具体的河流生态服务指标作为评价终点.这些指标分别为营养元素循环、初级生产、食物供给、淡水供给、基因资源、气候调节、水调节、水净化、娱乐价值和美学价值.

1.4 系统水平的“压力-响应”模式分析与量化

本文将生态风险评价涉及的源、受体、终点等评价要素通过内部与相互间复杂多样的联系而产生生态风险的全过程称之为“压力-响应”过程.

外界压力通过“压力源”(Source)和“胁迫因子”(Stressor)来描述.压力源指各种自然和人为的活动,这些活动从生态系统外部施加一种或多种胁迫因子;胁迫因子指那些化学、物理或生物作用,这些因子会给特定的生态系统成分带来扰动.外界压力对评价终点(即生态服务)的影响过程可用如图2所示的“影响链”来表示.

图2 生态系统水平的生态风险分析框架Fig.2 Framework of ecological risk assessment based on the ecosystem level

由于生态系统水平的生态风险评价涉及的压力源种类、影响方式及效应的多样化,采用单一的类似毒理学数据作为风险的量化方式无法实现.为此,本文对涉及的生态风险量化采用如下方式:把各项压力源的影响力(类似于“剂量”)按照其在不同区域(河段)的绝对数值的大小转化为压力源排序指数;把各项生态系统指标对应的生态系统要素对外界压力的抵抗力按照其在不同区域(河段)的绝对数值转化为弹性指数;把各风险组分之间的影响根据其方式、强度、效果等特征转化为统一的影响指数.前两者分别用压力源排序矩阵和生态系统弹性指数矩阵来表示;后者则用4项关系矩阵来表示.

四项关系矩阵分别为“压力源-胁迫因子关系矩阵”SSM、“胁迫因子-生态系统指标关系矩阵”SEM、“生态系统指标相互关系矩阵”AEM和“生态系统指标与生态服务关系矩阵”EEM.这四类矩阵采用层次打分法进行赋值.考虑到不同的风险组分之间的影响方式各异,因此各矩阵赋值所采用的判定标准存在差异.其评价过程如图3所示.

在对相应风险组分及其相互间关系量化基础上,即可进行压力源对河流生态系统的生态服务的影响程度量化表征.

某一河段压力源产生的胁迫因子程度为:

式中:i表示河段,j表示压力源,k表示胁迫因子SRMij表示i河段的压力源j的排序指数,CSSik表示i河段所有的压力源产生的第k类胁迫因子的累积影响评价得分.

而胁迫因子对于生态系统指标的影响有:

图3 四项关系矩阵赋值的层次打分法示意Fig.3 The Hierarchical Scoring Procedures for assigning four relationship matrices

式中:h表示生态系统指标.SEMkh表示胁迫因子k对生态系统指标h的影响指数,CESik表示i河段所有的胁迫因子对第h类生态系统指标的累积影响评价得分.

对于生态系统的不同弹性,即对相同的外界压力所具有的不同响应程度,有:

式中:HRMih表示i河段的生态系统指标h的弹性指数;ECESih为考虑了生态系统指标弹性之后的i河段所有的胁迫因子对第h类生态系统指标的有效累积影响得分.

由于生态系统内部存在相互关系,某些生态系统指标受影响后会对其他指标产生间接影响.这种关系可表示为:

式中:TCESih为考虑了生态系统指标弹性以及生态系统指标之间相互关联的情况下,i河段所有的胁迫因子对第h类生态系统指标的完全有效累积影响得分.

这种影响对生态服务有:

式中:Impactie即为i河段所有的胁迫因子,通过复杂的“压力-响应”过程,对第e类生态服务的影响评价得分.

综合上述量化评价过程,即有:

式中:Impacti为i河段所有的胁迫因子对所有的生态服务的影响总和,即i河段总的生态风险得分.同时,上式可以拆解为针对压力源、胁迫因子、生态系统指标和生态服务这四类风险组分对总的风险得分贡献.通过对这些风险组分的得分贡献排序,可以识别出压力源和生态效果的优先序及其需要关注的问题.

2 案例研究

选择黄河为例来说明所构建的评价框架模型的应用.

2.1 评价过程

综合考虑各生态亚区在气候、地貌、水文、水生生物和社会经济活动要素上的差异性和关联性,并结合已有的水系划分和数据可得性原则,将黄河共分为7个河段,分别为龙羊峡以上(RR1)、龙羊峡至兰州(RR2)、兰州至头道拐(RR3)、头道拐至龙门(RR4)、龙门至三门峡(RR5)、三门峡至花园口(RR6)、花园口以下(RR7).

筛选了10项压力源指标,分别为气候变化、种植、畜禽养殖、淡水养殖、工业、生活、城市化、水利设施、上游水质和上游水量.前7类压力源主要来源于本河段所处流域内的自然与社会经济系统;后2类压力源虽不属于该河段所处流域空间内,但能通过上下游的联系对河流生态系统产生影响作用.各项压力源指标的实际数据如表2所示.与之对应的胁迫因子共筛选出 11项,分别为有机污染物、营养物质、沉积物、重金属、杀虫剂、外来物种、流量变化、取水、水坝、河道单一化和不透水表面.对得到的各河段的压力源的实际数据,通过排序法将各指标的绝对数转化为排序得分.排序标准则根据ArcGIS的数据分段功能来制定.

表2 黄河各河段的压力源数据Table 2 The data of sources in river reaches of Yellow River

表3 黄河各河段生态系统指标的主要度量指标实际数据Table 3 Data of ecosystem indicators in each river reach of Yellow River

各河段生态系统指标对应的主要度量指标的实际数据如表3所示.结合相关研究成果,将这些度量指标的绝对数值转化为弹性指数.四类关系矩阵的赋值以图 3提出的层次打分法,参照有关专家评价或结合实际数据赋值综合得到[29].

2.2 评价结果与讨论

由图 4可见,生态风险程度较高的河段主要集中在中下游,且依次为龙门至三门峡、三门峡至花园口和花园口以下3个河段.由图5可见,从整体层面看,造成黄河生态风险的主要压力源为城市化、气候变化和种植业;主要的胁迫因子为流量变化、有机污染物和营养物质,且这三项胁迫因子带来的影响占到全部胁迫因子的 50%以上;受影响较大的生态系统指标集中在生物组分和生态系统过程这两类,且位于前 3位的指标分别为生物多样性、污染物迁移转化和初级生产;受影响较大的生态服务为基因资源和水净化.

图4 黄河各河段生态风险得分Fig.4 The risk scores of river reaches in Yellow River

图5 黄河整体层面各项风险组分的得分分布Fig.5 Risk score per risk element at the overall level in the Yellow River

评价结果表明,黄河生态系统的保护应重点关注中下游河段.其主要原因是中下游河段不仅受到本区域社会经济系统和自然条件影响,而且还进一步受到上游影响,因而对于河流生态系统而言,在区域内的压力源种类和强度相同或近似的条件下,下游河段的生态风险一般大于上游河段.其次,从系统整体看,黄河生态系统的风险控制需要重点关注城市和农业这些面源类压力源,并且需要将气候变化纳入风险控制的考虑;同时,黄河生态系统的保护对象也需要从通常的水量、水质等问题面向对生境以及生物等目标上来.第三,各河段生态风险的差异性说明了对于不同河段生态系统的风险控制策略应有所不同.

评价结果也体现了本文建立的评价方法区别于传统方法的优势.该方法从系统层面综合分析多因素带来的宏观结果,可以识别系统的核心要素和关键问题,进而为针对特定要素和特定问题的分析和解决指明方向.其次,该方法将风险评价结果与造成风险的来源,及社会经济要素相关联,进而可以分析社会经济发展特征与河流生态风险特征之间的相互关系,为基于风险反馈的社会经济调控提供依据.

3 结论

3.1 围绕生态系统与复杂系统的理论概念,以生态服务作为生态系统水平的风险评价终点,通过外界压力与生态系统服务的“压力-响应”过程的量化表征,建立了系统尺度上河流生态系统的指标体系与相应的河流生态系统生态风险评价方法.所建立的评价方法能够为河流生态系统管理提供科学信息支持,进而揭示基于河流生态系统的政策与管理含义.

3.2 以黄河为案例展示了构建的评价方法的应用过程,结果表明:黄河生态系统的保护需要重点关注中下游河段;从整体角度而言,黄河生态系统的风险控制需要重点关注城市和农业这些面源类压力源,并需要将气候变化纳入风险控制考虑范围,同时,黄河生态系统的保护要求也需要从通常的单一水量、水质等问题积极转向对生境以及生物等目标上来.

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