湖泊生态修复评价研究进展

张文慧，胡小贞，许秋瑾，赵阳

湖泊生态修复评价研究进展

张文慧，胡小贞，许秋瑾*，赵阳

中国环境科学研究院，北京100012

对国内外湖泊生态修复评价、湖泊健康评价和其他生态系统生态修复评价的研究进展进行了分析梳理，总结了对湖泊生态修复成功的定义。从理化指标、水生生物指标、湖滨带结构和功能指标以及水量指标4个角度详细介绍了修复指标的选择。此外，还介绍了生态修复评价中参照条件的选取方法。重点介绍了生物监测法和多指标综合评价法及其优缺点。根据现有研究工作，对湖泊生态修复评价中存在的问题进行了探讨，指出大尺度范围评价、长期监测和建立系统综合评价模型是今后发展的重点。

湖泊；生态修复评价；修复指标；参照状态；评价方法

张文慧，胡小贞，许秋瑾，等.湖泊生态修复评价研究进展［J］.环境工程技术学报，2015，5（6）：545-550.

ZHANGW H，HU X Z，XU Q J，et al.Progress of the assessment of lake ecological restoration［J］.Journal of Environmental Engineering Technology，2015，5（6）：545-550.

湖泊系统作为生态系统的重要组成部分，为多种生物提供了适应的生存区，保持了生物区系的生物多样性，是地球上重要的物种基因库，对维系流域生态平衡具有重要作用［1］。同时其作为重要的淡水资源库以及具有减轻洪涝灾害等功能为人类的生产生活提供了有效保障。但近几十年，随着区域环境变化和人类活动的加剧，湖泊面临着数量减少、面积萎缩、水质下降、富营养化加剧、调蓄功能下降、生态功能退化或丧失等问题。在控源减排的基础上，湖泊生态修复应运而生。生态修复通常指恢复生态系统合理的结构、高效的功能和协调的关系以重建受损生态系统的功能以及相关的物理、化学和生物特性［2］。目前，湖泊生态修复是利用相关生物和生态学原理将功能和形态受损的湖泊恢复到未受干扰的状态。近年来，各国开展了湖泊生态修复的工作，包括对生态修复原理、方法的探究和实际场地生态修复工程的应用。湖泊生态修复评价是对所实施的生态修复效果进行科学、客观和准确的评价，及时了解湖泊系统的当前现状、恢复程度等方面的信息，为进一步调整和改进修复方案提供有效的参考［3］，并可为有关湖泊研究提供相应的基础知识，对未来生态修复实施提供有效的反馈［4］。相比于湖泊生态修复技术和方法的研究，有关湖泊生态修复评价的工作还较为缺乏，对应的湖泊生态修复的评价指标未形成较为综合的体系，湖泊生态修复成功的定义及效果也没有达成共识，有关湖泊生态修复的评价方法亦鲜见报道。笔者在湖泊生态修复效果评价和湖泊健康评价的基础上，参照河流和湿地等其他生态系统修复评价的思路、标准和方法，对开展湖泊生态修复评价进行了探讨与展望。

1　湖泊生态修复

目前，关于湖泊生态修复成功的定义仍鲜有报道，R.D.Gulati等［4］曾在生物操控法修复湖泊生态系统方面对湖泊生态修复成功进行了定义，认为湖泊生态修复成功与否的评判是建立在采取相关修复方法后的长期监测上，成功的标准主要包括：1）增加水体的透明度；2）蓝藻生物量和水华爆发频率明显减少；3）湖体中大型食草类的水生生物增加；4）水生植物覆盖率增加。该定义仅考虑了修复工程在生态效益上的效果。在河流生态修复评价中，M.A.Palmer等［5］建议主要通过3个方面进行评估：1）利益相关方的成功，包括美感、经济价值、娱乐教育等功能的实现；2）学习方面的成功，包括对科研的贡献、管理经验的积累以及改善修复和评估方法等；3）生态修复的成功，包括实现修复目标，改善生态，达到系统自维持，没有对系统造成永久性破坏等。湖泊生态修复成功与否的判断可依照以上3个方面进行相关的评估，同时结合不同湖泊主要功能的差异性，认为湖泊生态修复成功包括实际的生态修复工程是否按期完成，是否符合有关预算，能否满足投资者的收益需求、美学需求，湖泊修复面积及水量是否处在合理范围，湖滨带的结构性是否完整，湖泊内和湖泊周边生存的生物种类和数量是否合适。

2　湖泊生态修复评价指标

2.1理化指标

在湖泊生态修复评价中采用较多的指标是水体的理化特性。P.F.M.Verdonschot等［6］对364篇与湖泊富营养化修复有关的文章所采用的指标进行了分析，超过60%的文章采用的评价指标是水体的化学特性。现阶段开展的湖泊生态修复工程多数针对湖泊富营养化问题，因而湖泊生态修复评价中侧重与湖泊富营养化相关的理化指标的评价。

目前，国内外学者将COD、水体透明度和TN、TP、DO、氨氮浓度作为湖泊富营养化修复评价的主要指标。这6项指标能较好反映湖泊的水质状况，而湖泊水质提升是湖泊生态修复的基础。TN和TP浓度是湖泊蓝藻爆发的重要限制因子，并与水生植物覆盖率密切相关。对丹麦204个湖泊的调查显示，当TP浓度超过0.1 mg/L，TN浓度超过2 mg/L时，水生植物的覆盖率趋于零［7］。因而，在对富营养化湖泊修复评价理化指标中应重点考虑TN和TP浓度，设定不同目标值的TN和TP浓度作为湖泊生态修复评价中不同等级的标准。沉水植物生长与水体透明度有较强的相关性，水体透明度下降将会影响沉水植物生长。而水体中DO浓度直接关系着浮游动物、鱼类等的生存，生态状况良好的水体其DO浓度要高于受损水体。综上，选择这6项指标作为湖泊生态修复的评价指标能较好地判断湖泊质量是否得到有效改善。

湖泊水质不仅要考虑水体的理化特性，还应考虑湖泊沉积物及其理化性质对水生植物恢复的影响。当湖泊沉积物的污染水平较高时，底泥污染物释放作用使得湖泊水质难以持续保持良好，尤其对于浅水湖泊，湖流和波浪的扰动作用不仅会促进底泥中氮、磷等营养盐逐步向水体释放，还会使沉积物发生悬浮降低湖水的透明度，进而影响水生植物的生长［8-9］。因此，应考虑把湖泊沉积物中各污染物的浓度作为评价指标。

在不同的地质、地理、气候、污染程度以及水生态环境特征条件下，污染物具有不同的环境行为和生态毒理与健康效应［10］。由于湖泊所处地理区系、结构构造及其周边区域经济方式与水平的差异，使得不同湖泊面临的环境问题对其影响程度有所不同。因此，在实践中，首先应依据湖泊形态特性、所处地形、区域经济发展水平等因素将其分类，之后建立不同评价指标和标准，并对其生态修复效果进行评价。

2.2水生生物指标

湖泊生态系统状态是通过评价大型无脊椎动物、鱼类、浮游动物、大型植物和水生植物等生物质量因素以及化学和水力学特性，从而对水生生态系统的结构和功能的质量进行评价［11］。因此，水生生物应作为湖泊生态修复评价中的重要指标组成。P.F.M.Verdonschot等［6］发现，364篇文章中采用鱼类作为湖泊生态修复评价指标的超过70%，采用藻类、浮游动物和大型水生植物作为湖泊修复评价指标的约60%。浮游动植物种类及数量不仅能反映水体的质量，更反映了湖泊功能作用的强弱，在湖泊生态修复评价中起着重要的作用。富营养化湖泊的生态修复目标是把富营养化藻型湖泊生态系统转化为生态结构和功能更稳定的草型湖泊生态系统。生态良好的草型湖泊依赖种类丰富的水生植物，及浮游动物和鱼类等水生动物在食物网中的作用，使得水生生态系统维持稳定。在对不同湖泊进行生态健康水平的评价中，处于不同健康水平的湖泊其水生生物的种类和数量处于不同的范围内。因此，可将水体中水生生物的种类总数、不同水生生物数量范围和水生植物（主要是沉水植物）的分布面积比例划分为不同的等级，根据不同等级的修复目标对生态修复效果进行评价。

此外，由于某些湖泊是珍稀物种的生存栖息地，或是鱼类的产卵场地，因此生态修复评价应包括对珍稀物种和鱼类产卵场地的评价。需将珍稀物种的适宜栖息环境和优良的鱼类产卵场地作为生态修复的目标，将珍稀物种的数量、栖息地恢复范围、适宜产卵场地恢复范围作为生态修复评价的指标。

2.3湖滨带结构和功能指标

湖泊生态修复评价中，除了要对湖体及其系统内的各种水生生物进行评价外，也应重视对与湖体相连接的湖滨带的评价。湖滨带是湖泊生态系统的重要组成部分，具有对入湖污染物的拦截缓冲功能，维持湖泊生态系统多样性和提供野生动植物栖息地的生态功能，稳定湖岸并控制土壤侵蚀的护岸功能和经济美学价值［12］。湖滨带结构一旦遭到破坏，湖体的生态功能很难得以保证。

湖滨带修复评价对象包括植被、生物、土壤等组成的生态系统要素，评价指标包括植被覆盖率、生长率、土壤微生物、土壤结构和性质、水力侵蚀、周围生态系统对湖滨带生态系统的干扰和胁迫程度等生态指标、结构稳定性指标和安全性指标［13］。湖滨带分类是湖滨带研究的重点问题，可按照特征分类法从地形、地貌、水位、水文等角度将湖滨带进行分类［14］。对湖滨带生态修复评价，可结合湖滨带分类建立不同湖滨带的评价标准，根据不同评价标准对生态修复效果进行评价。

2.4湖体水量指标

由于短期或长期降水不足以及上游工农业用水量大导致湖泊的入湖水量减少，造成湖泊面积的萎蔫和湖泊总存储量的减少。对于具有供水职能的湖泊，湖泊水量的减少将会使所处区域的供水安全受到威胁。对于大多数湖泊来说，湖泊水量的减少容易导致湖滨带湿地消失，从而导致大量水生生物的丧失，并会直接威胁珍稀野生动植物的生存。另外，湖滨带的缓冲作用也会受到损害，入湖污染物得不到有效拦截，将加速湖泊水质恶化。当水量严重不足时，湖泊的生态功能会受到严重损害甚至丧失。

对于该类面临水量减少的湖泊，应确定湖泊的生态水位和生态需水量，在保证湖泊的水量和水域面积满足相应指标的基础上再开展其他的生态修复工作。因此在湖泊的生态修复评价中，可根据湖泊的气候条件和入湖流量变化确定相应的水位、湖水面积作为修复成功的标准。现阶段，已有相关针对湖泊生态水位和生态需水量的研究工作。赵翔等［15］根据白洋淀自然地理特征和功能，参照多年入淀水量、出淀水量等系列资料，利用水量面积法、最低年平均水位法、年保证率设定法以及功能法4类方法计算得到白洋淀的最低生态水位为7.32 m。通过生态水位法［16］计算得到白洋淀的月均最小生态需水量为0.60×108m3，理想需水量为2.04× 108m3。

3　湖泊生态修复评价参照条件的选取

湖泊生态修复成功指在物理、化学性指标以及生物种类等多方面将湖泊修复到相应水平，实际修复评价工作中需要建立参照条件，将修复区域的多种指标与参照条件进行有效对比，进而得出湖泊修复是否成功的结论。近年来，确定湖泊参照条件的观念已得到许多学者的重视。欧盟的水框架指令中要求在水体生态质量（包括水的化学特性、水生形态、生物质量）评价中，需将目前的湖泊状态与未受明显干扰的湖泊（即参照条件）进行对比［17］，并明确了确定湖泊参照条件的方法，包括历史数据法、专家评价法、空间状态分析法、数学模型法和古湖沼学法［18］。

由于湖底存在不同时代的沉积物，可使用放射性测年法计算不同湖泊的沉积物在时间序列下的累积率变化［19］，并运用生态系统重建技术得到参照条件下营养盐水平［20］、酸化程度［21］、有机碳含量［22］和痕量金属［23］的组成分析不同时期湖泊的特性，从而确定湖泊理论上未受人类干扰或人类活动影响较小时所处的状态。然而尽管可以确定湖泊理论上未受人类干扰的状态（即原始状态），但该状态并非是需要选取的参照条件。由于原始状态通常并不是一个静态的状态，会因为自发过程和自然的外部压力而在短期内发生波动并在长期范围内发生改变［24］，同时由于在自然条件下（未受人工干扰下）湖泊也会随着时间发生退化，因此，不考虑自然本身的作用而选择原始条件作为修复的参照条件显然是不切实际的。现阶段湖泊存在的问题多数是近一二百年工业化进程导致的。发达国家的湖泊富营养化研究表明［25］，1850年后尤其是1900年后，湖泊营养盐的富集作用与人类活动密切相关，因而在欧洲的湖泊生态修复中，通常将1850年前的湖泊状态作为待修复湖泊的参照条件。由于我国工业化进程与西方存在显著差异，因此需根据我国的实际工农业发展历程确定相应时期的湖泊状态，同时由于湖泊生态修复是一项成本较大的工程，不同地区的社会经济发展差距导致其所能实施的相应工程规模的差异，因而可将修复区按地理位置、经济发展状况等条件确定其参照条件的历史时期。由于东部地区的工业农业发展历程较长，湖泊近几十年的恶化程度较快，要想确立湖泊生态修复的参照条件需追溯到20世纪六七十年代；由于西部地区经济发展水平较低，部分湖泊近十几年才恶化明显，因此参照条件可追溯到20世纪90年代。但值得注意的是，不同地区虽然差异较大，却不宜完全因地而异确定过多的参照时期，以免耗费大量人力物力。可通过对大量的湖泊进行湖泊特性、区域经济发展历史及当前经济水平等方面的汇总分析，从而确定几类不同的历史时期作为参照。在进行单个湖泊的生态修复时，将该湖泊状态与不同参照时期的湖泊进行对比，确定适用于该湖泊的参照时期。

除了将历史时期的湖泊状态作为参照条件外，也可用与其气候、地形、湖泊构造相同或类似的且受到较少人类干扰的湖泊状态作为参照条件。相比于参照历史时期的湖泊来说，选取当前的湖泊状态作为参照能提供更加详尽的参考。但由于受到较少人类干扰湖泊的存量少，该方法存在很大的局限性。对于有条件的区域，可将2种方法进行综合，建立更加详细的参考条件标准。

4　湖泊生态修复评价方法

现阶段存在的湖泊生态修复评价方法主要通过对比生态修复前后水体水质的变化状况以及水体中水生生物的种类和数量变化来对生态修复效果进行评价，评价方法主要分为生物监测法和多指标综合评价法2类。

4.1生物监测法

生物监测法包括群落学指标法和指示物种法：群落学指标法可通过直接对比研究区域物种组成情况的实测值与参照值［26］，对修复后湖泊的物种多样性、生物量和物种丰度等进行评价；指示物种法是根据生态系统关键物种、特有物种、环境敏感物种、濒危物种等的生产力、生物量及其他生态指标［27］将修复区与参照区进行对比，进而对湖泊生态修复效果进行评价，应用较为广泛的水体指示物种有鱼类、硅藻和底栖无脊椎动物［28］。指示物种的筛选没有明确的标准，难以确定指示物种在生态系统中的作用［29］。生物监测法较为常见，但对生态修复效果评价有一定的片面性。

4.2多指标综合评价法

多指标综合评价法是在选择不同组织水平的类群并考虑不同尺度的前提下，对生态系统各组织水平进行综合评价［30］。主要通过在生态系统内选取指标并确定每个指标的权重，最终根据得分高低或与某范围值进行对比得出生态修复效果的好坏。在多指标综合评价法的研究中，针对不同的环境背景和研究目的建立评价指标体系是生态修复评价的重要基础。不同评价指标体系的侧重点存在差异，通常从生态系统结构、功能和环境驱动因子等角度进行指标的选取。S.Jorgensen［31］从生态热力学角度提出采用能质、结构能质、生态缓冲量等生态系统结构指标来评价生态系统。D.J.Rapport等［32］采用初级生产力、物种多样性、营养库、生物体型分布和系统恢复力等状态指标对生态系统进行评价。湖泊生态系统是包括内外因素的综合体，因此其评价指标体系应包括外部、环境要素状态和生态3个方面指标［33］。外部指标主要包括外源输入量、系统最大承载力、湖泊生态系统对外界的输出、湖滨带平均宽度和生态系统状况等；环境要素指标包括反映湖泊水质、制约湖内不同生物生长的TN、TP、COD、DO、换水周期、沉积物形态及释放速率等；生态指标主要包括结构、功能和系统指标。在对湖泊进行生态修复评价中，需充分认识待评价湖泊的特性，从外部、环境要素状态和生态3个方面指标中选取适用于该湖泊的指标构建综合评价指标体系。

评价指标体系建立后，要根据指标在生态修复评价中的重要性差异，设置不同的权重。指标权重的确定分为主观赋权法、客观赋权法和主客观组合赋权法3类方法。主观赋权法是依据专家意见确定各指标的重要性，从而确定权重，决策结果会因专家的主观意见而产生偏差，主要有层次分析法、Delphi法和相关指数加权法；客观赋权法是根据客观信息（如评价指标值或评价指标值所构成的判断矩阵）确定指标权重，能够避免主观性，评价结果更符合实际［34］，主要有熵权法、主成分分析法。在生态修复评价中，有些指标有较为客观的数据，而有些指标则很难加以量化，因此仅采用主观赋权法或客观赋权法均有一定的局限性。目前普遍采用主客观组合赋权法，如层次分析法与熵权法相结合［35］，层次分析法与模糊数学相结合的模糊层次分析法［36］。

目前，层次分析法被广泛使用［37］，是针对多目标、多层次、多准则的决策问题而采取的综合性评价方法，具有所需数据少，易于计算的特性。其本质是对复杂系统的评价元素进行数学化分析［38］。难以量化的指标可结合模糊数学，运用模糊层次分析法构造模糊隶属度矩阵，进而进行权重计算［39］。除层次分析法外，熵权法在湖泊生态修复评价中也引起了重视［40-41］。熵值是系统中无序化程度的反映，熵值越小，系统的无序度越小，熵权法是根据熵值来获取信息的有序度，从而确定生态系统的状态。

多指标综合评价法对湖泊生态系统进行了更为综合的考虑，湖泊生态系统修复工程成功与否不仅要考虑修复后在环境层面上是否达到相应的要求，同时需在社会效益、项目投入成本以及使用的修复技术成熟度等方面进行评价，以便今后开展更为有效、成本更加低廉的修复工程。因此，需在层次分析等方法的基础上构建生态效益、社会效益、经济效益、项目完成程度等多方面的指标体系来对湖泊生态修复工程进行有效的评价。

5　湖泊生态修复评价存在的主要问题

在湖泊生态修复评价中面临许多问题：1）修复指标选取不足。湖泊生态修复是要将整个湖泊系统恢复到具有相应的生态功能和作用，并具有较强的自我恢复能力，需多方面对修复后的湖泊进行评价。因此，应采取更为综合性的评价方法。但选取的指标过多会使实际工作量太大而造成项目评价的进程减慢，需要在众多指标中建立联系，选择最具代表性的能反映生态修复效果的指标。2）修复评价研究单一。生态修复评价的研究主要集中在对指标的选取上［42］，而对修复效果等基础问题却未有更多的涉及［43］。3）缺乏监测工作。在许多湖泊及其他环境修复评价中，生态修复工程的监测工作都较为匮乏，尤其是长期监测。E.S.Bernhardt［44］对美国国家河流修复科技综合项目汇总发现，只有10%的项目在修复工程开展前后对修复区域和参照区域展开监测工作。湖泊生态修复评价中的监测工作也不容乐观，导致大量的评价工作只能开展修复工程实施后的短期效果评价，而对修复的长期效果缺乏了解。短期修复效果好不代表生态修复的成功，更重要的是使湖泊恢复原有功能作用，修复成功后能在无人工或较少人工辅助的条件下正常发挥其功能。因此，需要在生态修复后的很长时间内进行连续或间断性的监测。

6　湖泊生态修复评价展望

目前，湖泊生态修复工程及其评价主要是针对湖泊富营养化问题，而湖泊的健康应是多方面的，包括服务功能和饮用水安全等［45］。因此，需对湖泊生态修复功能进行更为全面的评价。随着人们对湖泊环境的重视和生态修复技术的发展，湖泊生态修复将从小尺度范围内逐步向大尺度范围转变。如何在大尺度范围内选取合适的评价指标并进行有效监测将变得越来越重要。同时，为研究湖泊生态修复的长期效果，应开展长期的连续监测，并根据监测结果优化待修复区域的修复方案。生态修复工程中的长期监测需要较多的人力物力的投入，如何降低成本并减少人力投入将是急需解决的问题。在卫星遥感应用、地理信息系统、生态系统研究网络定量化等技术的快速发展下，将其与湖泊生态修复评价相结合，建立更为系统综合的评价模型，从而为湖泊生态修复和湖泊管理的有效开展提供科学依据。

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Progress of the Assessment of Lake Ecological Restoration

ZHANGWen-hui，HU Xiao-zhen，XU Qiu-jin，ZHAO Yang
Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China

Based on a review of the lake restoration assessment，lake ecosystem health assessment and other ecosystem restoration assessment at home and abroad，the definitions of lake ecological restoration were summarized.The choice of restoration indicators was introduced from four aspects，i.e.physical and chemical indicators，aquatic biological indicators，littoral zone structure and function indicators，and water amount indicator. Also themethod of selecting reference conditions in ecological restoration evaluation was outlined，focusing on two types of assessmentmethods including biologicalmonitoring method and multi-index complex assessmentmethod，with the introduction of the advantages and disadvantages of both methods.According to available studies，the problems in lake restoration assessmentwere discussed，and itwas pointed out that the large-scale assessment，the long-term monitoring and the establishment of a comprehensive assessment system model should be the focus for further development.

lake；ecosystem restoration assessment；restoration indices；reference；assessmentmethods

X524

1674-991X（2015）06-0545-06doi：10.3969/j.issn.1674-991X.2015.06.085

2015-05-20

国家自然科学基金项目（41473110）；国家水体污染控制与治理科技重大专项（2014ZX07510-001，2013ZX07101-014-04）

张文慧（1990—），女，硕士研究生，主要从事湖泊生态学研究，zhangwh1990@126.com

*责任作者：许秋瑾（1970—），女，研究员，博士，主要从事水生态学、环境毒理学方面的研究，xuqj@craes.org.cn