生态监测指标选择的探讨

胡 俊，沈 强，陈明秀，池仕运，胡菊香

水利部中国科学水工程生态研究所，水利部水工程生态效应与生态修复重点实验室，湖北 武汉 430079

随着人类对河流、湖泊等各种生态系统的大规模开发利用，不可避免地对这些自然存在的生态系统造成影响，甚至阻碍了这些生态系统健康发展，而生态系统的可持续发展是人类社会可持续发展的首要条件。因此，为准确评估人类活动对生态系统的胁迫大小及其影响程度，维护健康的生态系统，需要建立一套有效可行的生态监测方法，对生态的演化趋势、特性以及存在的问题进行监测，实现对生态系统状况动态、定量的监测与控制，确定人类开发区域水生态系统所处的现状情况，协调人类社会经济与自然生态系统的发展。与发达国家相比，我国的生态监测工作起步较晚，生态监测的理论和方法还不成熟，尚没有统一的标准和规范，开展生态监测的相关研究意义重大。该文以水生生态系统为例，讨论生态监测中相关监测指标的选择方法及后续结果评价体系的构建，并结合相关案例进行分析，以期推动我国生态监测工作的发展。

1 生态监测的对象与目标

生态监测是指以标准化的方法在特定时空内重复分析测定生态系统状况［1］。生态系统是监测的对象。监测的目标是认识能够反映生态系统的状态和演变趋势，为保护生态环境、合理利用自然资源和实施可持续发展战略提供科学依据。国内有些观点将生态监测视为一种环境质量评价的手段和方法［2］，尚值得探讨。从 Kolkwitz等在1902年首次采用生物评价水质至今，在环境领域提及的生物监测均指一种生物群落、生物个体或生物体的生理生化指标来反映水体、土壤等的环境质量［3-5］，而非指监测生物本身。生态监测根本目的是获取生态系统的状态或信息，进而了解评估生态系统的演变趋势，评价和预测人类活动对生态系统的影响，促进生态系统和人类社会协调发展。只有在一些社会经济-自然复合生态系统研究及管理工作中，生态监测的结果用来反映相应的环境状况时，生态监测才可以被视为一种“监测工具”或“管理手段”。

2 生态监测指标

2.1 生态监测指标的构成与分类

生态监测指标是指能够清晰地反映生态系统状态及变化趋势的可观测特征［6］。选择这些指标最重要的标准就是必须能够有效反应生态系统的成分、结构和功能［7］。人类社会经济的可持续发展依赖于生态系统可持续服务功能，生态系统服务功能依赖于生态系统功能，生态系统功能又依赖于生态系统成分与结构。因而，依据不同观察角度和研究目的，生态监测指标也会有不同的分类。

目前，国内生态监测工作中最常见的指标选择方法是根据生态系统类型(如农业生态系统、森林生态系统、草原生态生态系统等)提出相应的监测指标［8-9］，这些具体指标涉及到水文、气象、地质、动物、植物、土壤等多个方面［10-11］。总的来说，由于这些指标基本上都是在环境监测指标的基础上进行扩展，增加了某些生物相关的内容，虽然监测指标覆盖范围广，但是指标分类机械，获取这些监测数据，难以在统一的理论框架内应用这些信息综合反映生态系统的状态与变化。

国际上对指标的分类则是更多地从生态系统本身的特征出发进行分类。如从生态系统受人类影响的角度出发，生态监测指标可以被分为生态系统状态指标和压力指标［12］。其中，状态指标主要是生态系统中表征生物个体、群落及栖息地状况的参数，而压力指标主要指人类活动对生态系统的影响，包括那些表征对生态系统产生影响的物理、化学甚至生物参数。而依据指标所表征的生态系统特征的不同层次，又可将指标划分为组织指标、结构指标和功能指标［6］。最为直接分类则是按照生态系统的组成将指标分为生物因素指标和非生物因素指标［13］。

2.2 生态监测指标的选择

鉴于生态系统的复杂性，不同类型的生态系统中具体监测指标差异巨大。因此，下文将着重以水生生态系统为例分析不同类型指标的选择。美国环保局将湖泊、河流等水生生态系统的指标分为水质、生境(栖息地)、水生生物集合3个大类。水质与栖息地属于非生物因素指标，而水生生物则属于生物因子指标。水质指标主要是指水体各种阴阳离子浓度、溶解性气体、有机污染物、营养物质以及浊度、透光率等物理化学属性。评价湖泊、河流等水体时，水质监测与评价指标是使用最为广泛的指标类型，很早就被作为管理工具用于水资源保护工作，也被用于生态系统监测工作之中。但是人们很快意识到基于理化分析的水质监测评价并不能有效反映生态系统状态，满足水质标准的水体并不意味着生态系统处于良好的状态，甚至设定的水质标准也不能完全满足人们健康饮用的要求［14-15］。因此，基于生物属性的相关指标迅速发展起来。基于生物的基因、个体、种群等属性的生物集合指标与水质指标相比，能够提供一种生物或生态学上的评估，从而使结果更容易解释;生物集合对整个生态系统功能的退化更为敏感，容易反映出生态系统遇到的长期的、累积性的影响［16］。总之，基于生物要素的生物集合指标不仅能够反映生物个体自身或生物群落等的变化，而且也能反映出生态系统中物理化学等其他非生物要素的作用以及它们与生物之间的相互影响［17-18］，从而成为提供生态系统状态、结构和功能等信息的最好工具。在非生物要素的监测指标中，栖息地结构、形态等生境参数目前也已成为生态监测中最重要的指标之一［19］。由于生物的生存、繁殖等活动与所在的生境密切相关，栖息地或生境监测指标与生物监测指标是紧密联系的。事实上，许多开展生境监测和评价工作是选择生物参数作为指标来开展监测工作［20］。与生物指标相比，生境监测并不能充分反映生态系统的状态、结构与功能，但是生境指标更容易反映出人类活动对生态系统的干扰与破坏［21-22］。人们对生态系统的影响更多不是直接针对生物发生，而是直接或间接地改变或破坏生境，如常见的水利工程就是一种典型的人类改变河流生境进而对水生生态系统产生影响的行为。

综上所述，选择生物集合最能够反映生态系统的状态及演变趋势。生物集合指标涉及到生物个体特征、数量特征、多样性特征等多种参数，针对生态系统这一复杂系统，还需要将这些不同类型的指标与参数有机地整合在一个统一的理论框架内，全面、综合地反映水生态系统的总体现状及其演变趋势。目前，描述生态系统状态及变化趋势的最好方法之一则是评估生态系统的生态完整性［23-24］。生态完整性是指在一个地区的天然栖息地中的群落所具有的种类组成、多样性和功能结构特征，以及该群落所具有的维持自身平衡、保持结构完整和适应环境变化的能力［25］，反映了生态系统中生命和非生命要素以及生成和维持这些要素相互作用的生态过程和进化过程［16-18］，体现了生态系统自我更新、自我维持的能力［26］，所以通过确定生态系统的完整性可以有效反映生态系统的组成成分、结构以及生态功能。此外，描述和评估生态系统的完整性是通过“基准”状态比较而得出。因此，测度生态完整性不仅可以充分了解生态系统状态与变化趋势，而且有助于人们对生态系统状态做出判断。换言之，在确定如何监测的同时，也解决了评价的问题。

水生生态系统中评估水体生态系统状态的方法就是根据生态完整性理论提出的生物完整性指数(IBI)［12］。生物完整性指数是学者 Karr在1981年提出并应用于河流水质评价工作中，据此建立起通过监测鱼类集合的评估河流的生物完整性的方法［25，27］。本质上，生物完整性指数是一系列描述生物个体、种类、种群的生物参数综合而成的复合指数。其每个生物参数都对一类或几类生态系统的外界干扰反应敏感，对应着生态系统的不同层次，综合反映水体的生态状况［4］。生物完整性指数最初选择鱼类来构建，但是它的构建原理也完全可以适用于底栖动物等其他水生生物［15］，并且已发展出类似的指数［28-29］。如按照生物类别，完整性指数可以分为鱼类生物完整性指数(F-IBI)、浮游生物完整性指数(P-IBI)、底栖动物完整性指数(B-IBI)(表1)，它们分别侧重大时空尺度、小时空尺度和底泥对生态系统稳定性进行测度。

表1 生物完整性指标体系

3 生物完整性指数的应用

与发达国家相比，我国的生态监测工作起步较晚，只有海洋生态监测方面制定了较为具体的技术规范，但是相应的指标体系尚不能全面衡量海洋生态系统效应特征与生态系统的服务功能。而环境监测工作又比较注重城市环境监测、工业污染源监测，还没有涉及相关生态环境监测，整体上来看，全国还缺乏统一的生态监测完整和成熟的理论技术体系［11］。究其原因，最重要的可能是没有围绕完整系统的生态学理论来确定生态系统的目标及建立相应评估体系。而生物完整性指数经过多年发展，已经非常成熟。国际上，许多国家已将通过法律法规的形式将以生物完整性指标核心的生物评价作为强制性的水环境质量评价工具。生物完整性指数及生物完整性测度已经成为许多国家生态系统管理的手段，并且许多生态保护与环境政策的目标就是以维护生态完整性为核心。如美国1972年清洁水行动、加拿大国家公园行动、美国与加拿大大湖水质协议等，都将保护生态系统完整性作为生态保护的核心价值和原则。

随着生物完整性指标体系的不断完善和发展，不同类型的生物参数构建的生物完整性评价体系，在全球不同地区和不同类型的水体均得到了成功应用［30-35］。不过对于不同地区或不同类型的生物完整性指数，尽管其构建的理论是一致的，但是因为其自身特性甚至管理需求的不同，完整性评价的指标体系也是存在差异的。尤其是与物理、化学参数相比，不同地域的生物存在差别非常大，并不存在统一的标准。因此，应用生物完整指数到不同地区的生态监测工作时，属地化工作是生物完整性指数工作中的最重要内容之一。此外，不同类型的生物完整性指数筛选、构建指标的数学方法、赋分和综合计算等也不尽相同。以浙江省水库水源地开展鱼类、底栖和浮游生物3种完整性指数的工作为例［36-38］。综合3种完整性指数与传统水质结果相比(表2)，生物完整性指数对水库的监测评价是科学客观的，取得了更好的结果，也能够为管理决策提供支持。从表2可以看到，采用传统的基于理论指标的水质评价过程显示，作为饮用水水源地，3座水库的水质评价结果虽有差别，但总的来说，水质都是非常好的。因此，传统的常规水质评价并不能全面分析判定水库的健康状况，更不能为水库的管理提供有力的支撑。对这3座水库而言，案例一水库生物完整性较差，表明其生态抗干扰能力较弱，整个水库水生态系统处于不稳定状态，虽然目前水质状况较好，但存在较明显的恶化趋势，需重点加强管理，采取有效措施，避免水质突然恶化;案例二与案例三水库水质与生物完整性评价结果均为合格，在保持现有管理条件下，水库水质能够保持相对稳定，但案例三水库需进一步加强库区管理，而案例二水库则需进一步加强库区上游的管理工作。

因此，尽管生物完整性指数最初是作为一种水体污染评价指标提出，但是它不仅弥补了理化监测的不足，而且能对水域的生态状况做出评价。由于完整性指数不仅包含了生物种群和个体状况，还包含群落结构和功能等更高层次的信息，因而更能反映系统对多种环境胁迫不同层次的反应，同时也能够将反映出这些胁迫所造成的水域生态系统中如生境等其他要素的变化。国内也有许多其他研究者开展的生物完整性指数的构建与应用工作［33-35］，这些都表明生物完整性可在更大范围进行推动。与水质指标相比，生物完整性指数更加关注生态/生物的需求，而非仅局限于传统的水质目标。完整性指标相对于水质指标，有助于更清楚地认识水体状况，弥补理化监测的不足。目前，国家把生态文明建设放在突出位置，以生态需求为目标的完整性指数更加有助于在监测工作中认识生态，将生态文明的理念应用到实际监测工作当中。

表2 水库水源地常规水质评价与生物完整性指数评价结果汇总

4 展望

生物完整性指数评价的方法已经发展成熟，从国内外的应用与实践来看，完整性指标相对于水质指标，有助于更清楚地认识水体状况，弥补理化监测的不足，进而为管理提供科学的技术支撑。在我国的水生态评价中，广泛采用生物完整性指数作为生态监测的核心指标已具备良好的可行性和可操作性。评价工作的普及开展，将不仅有助我国生态环境政策的目标确立，也极大地推动我国生态监测理论框架与相关技术规范的形成，最终将推动我国监测工作发展，解决日益突出的生态环境问题，维护健康的生态系统，实现国家社会经济的可持续发展。

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