（环境科学专业论文）海洋生态系统功能及与影响因子定量关系方法研究.pdf

摘要 模型，以夜光藻及其环境因子为例，比较了回归方法和a n n 方法的特点，论述 了以a n n 为工具研究定量关系的可能性。简单介绍了系统动力学方法及其应用 实例。通过对统计方法、软计算方法、系统动力学方法的逐一论述，建立“定 量关系研究 的方法体系。 关键词：生态系统评价相关关系统计人工智能系统动力学 a b s t r a c t ab s t r a c t d u et ot h eo v e r e x p l o i t a t i o no fr m r i n ee c o l o g i c a lr e s o l l c e sa n dt h ew o r s e n i n go f e n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n , c h i n a st y p i c a lm a r i n ee c o s y s t e m h a sb e e ns e r i o u s l y d a r m g e d ，w i t hl o c a l ( r e g i o m l ) w a t e re c o s y s t e r mi m b a h n c ea n db i o d i v e r s i t ys h a r p d e c l i n e s ot h ed e v e l o p m e n to fm a r i n ee c o s y s t e ma s s e s s m e n tw i l lp r o v i d ea n i m p o r t a n tb a s i sf o rd e c i s i o n - m a k i n gf o rt h ee f f e c t i v ep r o t e c t i o no f r m r i n ee c o l o g i c a l e n v 打o n m e ma n ds u s t a i n a b l ee x p l o i t a t i o na n du t i l i z a t i o no fm a r i n ee c o l o g i c a l r e s o u r c e s e c o s y s t e ma s s e s s m e n t sc a nb ec l a s s i f i e di n t oa s s e s s m e n to fe c o s y s t e m c o n d i t i o n sa n da s s e s s m e n to f e c o s y s t e ms e r v i c e s b e t w e e nt h et w oa s s e s s m e n t st h e r e a r eg r e a td i f f e r e n c e so nt h ec o n t e n t sa n dt h em e t h o d s t 1 1 ef o r m e r , d e v e l o p e di nt h e e a r l yd a y s o ft h ea s s e s s r m n t , e m p h a s i z e s p a r t i c u l a r l y o nt h ec o n d i t i o n so f e c o s y s t e m h o w e v e r , t h el a t t e r , e m e r g e di nt h er e c e n ty e a r s p a y sh d r ea t t e n t i o nt ot h e v a l u eo f t h ee c o s y s t e ms e r v i c e s a tp r e s e n t , e c o s y s t e ma s s e s s m e n tw a so n eo f t h em o s t h o t s p o t sa n dd i f f i c u l t i e si nt h ef i e l do fe c o l o g y ；h a se x p o s e dm a n yp r o b l e m si nt h e p r o c e s s o f d e v e l o p m e n t s u c h a st h ed e f i n i t i o no fa s s e s s m e n t s p e c i f i c c o n t e r a s ，q u e s t i o mo f r e s e a r c hs c a l ea n dt h el i m i t a t i o n so f r e l e v a n tm e t h o d s ，e t c t h i sp a p e rc a nb ed e f i n e da st w oi n d e p e n d e n tp a r t s ： 1w es y s t e r m t i c a u ys t u d i e de c o s y s t e mf u n c t i o na n de c o s y s t e ms e r v i c e s ( i n c l u d i n gt h ed e f m i t i o n , c o n n o t a t i o na n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et w o ，e t e ) ， m a r i n e e c o s y s t e mf u n c t i o n , s e r v i c e s a n de v a l u a t i o no fs e r v i c e s ( i n c l u d i n gt h e c l a s s i f i c a t i o n , t h em e a n i n ga n dq u a n t i t a t i v em e t h o d s ，e t e ) 2w es t a r t e dw i t ht h es t u d yo fm a r i n ee c o s y s t e mf u n c t i o n a li n d i c a t o r sa n di t s r e l a t i o n s h i p w i t ht h ee n v i r o n m e n t a li n d i c a t o r s t h em e t h o d so fq u a n t i t a t i v e r e l a t i o n s h i p r e s e a r c hc a nb ec l a s s i f i e di n t ot h r e e c a t e g o r i e s ：s t a t i s t i c a l m e t h o d s ( r e g r e s s i o n a n dc l u s t e r i n g ) ，s o f t c o m p u t i n g , s y s t e md y n a m i c m e t h o d s ab r i e f i n l r o d u c t i o no ft h e s et h r e em e t h o d s ，t h e a p p l i c a t i o n s o fr e l e v a ms o f t w a r ea n d c o m p a r a t i v ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sw e r ea d d r e s s e d t b es t u d ys h o w st h a t , e c o s y s t e mf u n c t i o na n de c o s y s t e ms e r v i c e sa r et w od i f f e r e n t i i i c o i l c 印奴t h e ya l lc l o s e l yr e l a t e da tt h es a l t l et i m e i ng e m r a l , t h er e l a t i o n s h i p o f e c o s y s t e ms e r v i c e sa n de c o s y s t e mf u n c t i o mi sc o r r e s p o n d i i l g ，b l i tn o to i t o - o l l e m a r i n ee c o s v s t e ms e r v i c e s w a sd i v i d e di n t op r o v i s i o n i n gs e r v i c e s ，r e g u l a t i n g s e r v i c e s ，c u l t u r a ls e r v i c e sa n ds , v p o r t i n zs e r v i c e s ；e a c hr m j o rc a t e g o r yi n c l u d e sa n u m b e l o ft y p e so fs p e c i f i cs e r v i c e s ，a n dw es y s t e m a t i c a u yi n t r o d u c e de a c h s e r v i c e a n dn t t b o d so fv a l u ee v a l u a t i o n i nq u a n t i t a t i v em e t h o d so f t h er e h t i o m h i p ，w e i i l 臼o d u c e dr e g r e s s i o na n a l y s i sa n dc l u s t e ra n a l y s i s ( i n c l u d et h et h e o r e t i c a lb a s i sa n d t h er e a l i z a t i o n ) ，e m p h a s i z i n gt h em u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o nm o d e la s s u m p t i o n so f t h e g a u s s i a nt h e o r ya n ds t a t i s t i c a li n f e r e n c eo fr e g r e s s i o nm o d e l w em a d eam u l t i p l e l i r l e a rr e g r e s s i o na n a l y s i sa n dc l u s t e ra n a l y s i s ，a n dr e s u l t sa r ed i s c u s s e d ，w i t ht h e w a t e r sn e a r b yt i a l i i nn o r t h e r np o w e rp h n ta n dt h es h e l l f i s hb r e e d i n gz o r t eb yl v j u r i v e r 鹪a ne x a m p l e w es y s t e m a t i c a l l y i n t r o d u c e dt h et h e o r e t i c a l b a s i so f a n n ( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) ，b p ( b a c kp r o p a g a t i o n ) n e t w o r k ，r b f ( r a d i a l b a s i s f u n c t i o n ) n e t w o r ka n df n n ( f u z z y n e t r a ln e t w o r k ) m o d e l , w i t ht h er e l a t i o n s h i po t n o c t i l u c as c i n t i l l a ma n de n v i r o n m e n t a l f a c t o r sa sa ne x a m p l e ；c o m p a r e dt h e c h a 珊【c t e r i s t i c so fr e g r e s s i o nm e t h o da n da n nm e t h o d s ，d i s c u s s e dt h ep o s s i b i l i t yo f t h ea n na sat o o lt os t u d yt h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i p w eb r i e f l yi n t r o d u c e dt h e s y s t e md y n a m i c sm e t h o d a r di t sa p p l i c a t i o n t h r o u g hs t a t i s t i c a lr m t h o d s ，i n t e l l i g e n t i n e t h o d sa n ds y s t e md y n a m i c sm e t h o d sd i s c u s s e d0 1 1 eb yo 豫，w ee s t a b l i s h e da s t u d y o ft h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i p a p p r o a c hs y s t e m k e yw o r d s ：e c o s y s t e ma s s e s s m e n t c o r r e l a t i o ns t a t i s t i c s a r t i f i c i a ln e t r a ln e t w o r k ( a n n )s y s t e md y n a m i c s i v 南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位获 得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文( 包 括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印。缩印或其他复制手段保存研究生学位论文， 并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开 的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、文 摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向教育部 指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和中国学 术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文数据库， 通过其相关网站对外进行信息服务。同对本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩； 提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字： 2 0 年月日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目 姓名学号 答辩日期年月 日 论文类别博士口学历硕士口硕士专业学位口高校教师口 同等学力硕士口 院系7 所专业 联系电话e m a i l 通信地址( 邮编) ： 各注： 是否批准为非公开论文 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 第+ 一章绪论 第一章绪论 第一节国内外生态系统评价研究概况 到目前为止，关于海洋生态系统评价的研究和探讨在世界范围内还都是刚 刚起步，但已经引起了越来越多学者的关注。而事实上，就陆地生态系统而言， 生态系统评价并不是一个全新的研究课题【”】。生态系统评价发端于美国森林生 态系统管理评价，随后与加拿大生态系统区划理论相结合，从而在北美得到了 较快发展。1 9 9 3 年4 月，美国为了解决西北部国有森林经营管理的问题，特意 召开“总统森林会议”，组成了由1 0 0 多位官员、科学家及管理者参与的森林生 态系统管理评价组( f e - m a t ) ，从而奠定了美国林业2 1 世纪的发展脉络( 4 1 。在 全球生态评价发展史上树立起里程碑的则是联合国于2 0 0 1 年6 月5 日在世界环 境日上启动的“新千年生态系统评价( m i l l e n i u me c o s y s t e ma s s e s s m e n t ，m a ) ， 极人地推动了生态系统评价研究在全球范围的跨越式发展【4 , 5 1 。然而，生态系统 评价本身存在很多问题，如评价指标的筛选和量化、评价方法的改进和优化等 都需要进一步总结、凝练和反思。 本文借助于前人对陆生生态系统评价的内容、尺度、研究方法等方面研究 成果的回顾和总结，剖析其中存在的问题和不足，总结出今后需要努力的重点 和方向，并尝试将其应用于我国海洋生态系统的评价研究。 1 1 1 生态系统评价的内容 关于生态系统评价的内容，不少学者相继发表了自己的观点和看法。傅伯 杰等将生态系统服务功能评价、生态系统健康评价、生态系统管理及其影响的 评价等全部纳入生态系统综合评价的范畴，认为生态系统综合评价应该是一项 系统工程【。在“新千年生态系统评价”中，中心任务和主要内容有4 个：评估 生态系统现有状态( c o n d i t i o n ) 、预测未来变化( s c e n a r b ) 、提出改善生态系统的对 策( c o u n t e r m e a s u r e ) 、开展重点生态脆弱区的生态系统评估【6 ，7 1 。综合而言，生态 系统综合评价是系统分析生态系统的生产及服务能力，对生态系统进行健康诊 断，做出综合的生态分析和经济分析，评价其当前状态，并预测生态系统今后 的发展趋势，为生态系统管理提供科学依据。从总体上讲，综合评价更强调生 第一章绪论 态系统一系列产品与服务之间的权衡，具有很强的实践意义【l 】。 从生态系统评价的研究进展来看，主要包括两类，一个是生态系统整体的 ( 健康) 状态问题，另一个是生态系统的这种状态对周围造成的影响问题( 包 括所能提供的服务及负面影响等) ，后者是前者发展的必然趋势和更高层次。这 两类评价之间的时间界线是模糊的，前者主要是在生态评价研究的初期，生态 问题刚刚引起人类的注意，人们特别关注如森林生态系统、农业生态系统、城 市生态系统所处的状态，因此开展了对生态系统的环境质量评价、安全评价、 风险评价、持续性评价、退化评价、脆弱性评价、多样性评价、预警评价、工 程影响评价、健康评价等反映生态系统各种状态的研究f 8 - 1 4 。对生态系统功能和 服务进行评价虽然早在2 0 世纪7 0 年代就已经提出，但截止到2 0 世纪末期发展 依旧缓慢。一个很重要的原因是因为生态系统功能和服务的价值未完全进入市 场，生态系统功能和服务本身的价值难以量化。直至1 9 9 7 年，d a i l y 主编的 ( ( n a t u r e ss e r v i c e s ：s o c i e t a ld e p e n d e l s eo nn a t u r ee c o s y s t e m ) ) 一书的出版以及 c o n s t a n z a 等的文章“t h ev a l u eo f t h ew o r l d se c o s y s t e ms e r v i c e sa n dn a t u r ec a p i t a l 在( ( n a t u r e ) ) 上的发表，这一方面的评价才真正成为当前生态学研究的热点和前 测1 5 】。图1 1 是傅伯杰等人【1 j 在综合了r e o ( r e g i o n a le c o l o g i c a lo f f i c e ) 评价方法 基础上，提出的生态系统综合评价步骤。按照1 1 0 编号顺序进行，可以实现综 合评价。 总体看，目前生态系统评价的研究还不够深入，绝大部分仍是评价生态系 统所处的状态。许多学者对不同的生态系统服务进行了经济价值评估，但缺乏 对生态系统的产品、服务、健康与管理之间关系的进一步探讨。 2 第一章绪论 图1 1 生态系统综合评价的框梨i 】 1 1 2 生态系统评价的尺度 1 1 2 1 生态系统评价的空间尺度 空间尺度是生态系统在地球表面所占据的面积大小。由于生态系统的地理 边界并不固定，它可以根据需要任意确定评价尺度【2 1 。其范围可以从斑块( p a t c h ) 、 景观( 1 a n d s c a p e ) 、区域( r e g i o n ) 、大陆( c o n t i n e n t ) 至l j 全球( g l o b e ) 。目前所进行的生 态评价，一方面，空间尺度普遍偏小，多是对流域、森林、城市、县级生态系 统的评价；另一方面，空间尺度单一。由于生态系统的开放性，不同尺度的生 态系统之间、同一尺度地域上不相邻的生态系统之间都有着物质、能量和信息 的流动。因此在进行生态评价时必须考虑生态系统外部( r e r m t e ) 的各种因子的影 响，这种外部影响往往大于内部( 1 0 c a l ) 因子，典型的例子如河流生态系统营养物 3 第一章绪论 质和含沙量对海岸带生态系统的影响【6 ，7 1 。若我们不考虑外部系统对评价系统的 输入以及评价系统对外部系统的输出，则必然会漏掉一些重要信息。因此仅仅 依靠各种小尺度和单一尺度的生态学过程以及物理、化学和生物的个案研究， 已经不能满足更大尺度的区域生态系统管理的要求，甚至会误导我们做出不正 确的决策。 我国目前研究较多的是自然保护区、国家森林公园、流域、城市、某些大 型工程项目的相关评价【l 明。“新千年生态系统评价”的一个核心工作就是要在一 些重要地区( 包括中国黄土高原在内的西部地区) 启动若干个区域性生态系统 评价计划，为该地区的生态建设与管理提供服务。 1 1 2 2 生态系统评价的时间尺度 时间尺度可指两个方面：一是评价所针对的生态系统的过去、现在、未来； 二是评价的时间间隔( 或称时间分辨率) 。与前者相应的有回顾性评价( 生态反 演) 、现状评价和生态预测。 目前研究最多的是现状评价，也有学者对生态预测方面的研究做过一些工 作，如生态影响评价、生态预警即是典型的例子，受损生态系统的恢复评价也 带有生态预测评价的性质，然而对生态系统过去的研究还太薄弱，这方面的研 究成果很少见。 生态系统是一个不断变化的、动态的过程。对过去生态系统的变化研究有 助于我们认识影响生态系统的各因素以及它们之间的相互作用联系，从而正确 揭示生态系统自身的运动规律。生态系统的现状是过去各种因素作用的结果， 同时又是未来生态系统的新开端。生态预测是对生态系统在未来若干年内所产 生的变化的评价，而这种评价正是生态决策者制定计划和进行生态管理的重要 依据。j a m e ss c l a r k 等1 7 位学者在e c o l o g i c a lf o r e c a s t s ：a ne m e r g i n g i m p e r a t i v e ) ) 一文中强调了生态预测在决策中的重要作用【3 4 】。目前的评价还谈不 上有时间间隔，多是短期评价，但短期的研究不足以揭示生态变化规律，并且 生态过程中驱动因子的变化对生态过程的影响都有不同程度的滞后效应，这就 要求在进行生态评价时，必须基于对生态的长期的、多时间尺度的研究，在对 生态过程的过去和现状有充分认识的基础上，对其未来趋势做出正确的评价， 从而指导科学决策，这才是生态评价的真正意义所在f 1 3 】。 4 第一章绪论 1 1 2 3 生态系统评价的功能尺度 功能尺度是指生念评价所针对的生态系统的功能的多少。生态系统具有多 种功能，生态评价可以针对一种或几种功能，从而反映出生态评价的多功能尺 度。对生态评价的功能尺度的探讨，其重点不在于是对单一功能或几种功能的 评价，而在于考察生态系统各种功能之间的相互链接关系以及它们之间的平衡 ( t r a d e o f f s ) 6 , 7 1 。长期以来，由于受部f - i n 益的趋动，生态评价往往针对单一的功 能尺度，如农业部门注重食物等产品功能、林业部门注重木材产量、而环保部 门则注重环境质量功能等，由于生态系统各种功能之间是互相联系的，一种功 能的增加有可能是以另一种或多种功能的减少或丧失为代价的【1 7 】，将湿地生态 系统改造为农田生态系统虽可增加农产品产量，但它所丧失的生物多样性、水 质净化等功能的价值远远大于农产品的产值。不管是地方政府或是一个国家、 甚至全人类都需要有一个全局的、综合的观念，对各种生态功能之间进行权衡。 1 1 3 生态系统评价的方法 1 i 3 i 生态系统评价的指标体系 在进行生态系统评价之前，最关键的是筛选评价指标和构建、确立指标体 系。因为指标是进行评价的基本尺度和衡量标准，指标体系是评价的根本条件 和理论基础。由于区域社会经济以及自然状况的异质性和复杂性，加上研究者 本身的学术兴趣、背景与知识结构各异，要想确立一个统一的评价指标体系决 非易事，这在相当程度上制约了生态系统评价研究的发展。有学者认为，确立 生态系统评价的指标体系应具备相当的原则，如代表性原则、综合性原则、可 比性原则、系统性和易获性原则等，并建议不同时空尺度的各典型生态系统应 有不同的指标评价体系【1 8 , 1 9 1 。 目前国内外学者提出了多种生态系统健康评价指标体系分类方法，比较成 熟的有f 2 0 - 2 5 ：活力、组织结构、恢复力；物理化学( 或生物物理) 指标、 生态指标、人体健康与社会经济指标；生态系统内部指标( 包括生态毒理学、 流行病学、生态系统医学) 、生态系统外部指标( 包括社会经济指标、结构功能 指标) ；有些研究者从生态系统分类的角度来分析：将全球生态系统细分为很 多生态子系统：陆地生态系统( 森林、农田、城市等) 、海洋生态系统。针对不 同子系统的特点，可分别进行健康评价指标体系设计。 5 第一。章绪论 1 1 3 2 生态系统评价方法 生态系统健康评价( e c o s y s t e mh e a l t ha s s e s s m e n t , e h a ) 是将功能完好与病态 的生态系统区分并对系统进行分析，从而诊断产生病态的原因，制定预防及恢 复生态系统的方法。从实际应用角度，目前评价生态系统健康最常用的方法有 指示物种法和指标体系法。 生态系统服务的评价方法：根据c o s t a n z a 等人的思路，生态服务评价的技 术路线基本应是先用各种适宜方法计算每个生态系统的各种类型服务单位面积 资本，然后乘以该系统的总面积，再将所有服务和所有生态系统累积，从而得 到生态系统总价值。主要的研究方法有市场价值法、替换市场法、假想市场法、 权变估值法、生产成本法和实际影响的市场估值法等。目前这方面的研究在国 内还较少，主要原因是受到基础研究薄弱和资料不足的影响。比较有代表性的 研究是，欧阳志云等在1 9 9 9 年采用生态系统生态学的理论和生态经济学相结合 的方法，初步对中国陆地生态系统的部分生态服务功能价值进行的评估【4 。关 于海洋生态系统服务价值评估方法，将在第二章详细论述。 指示物种法：根据关键种、特有种、濒危和环境敏感物种等的数量、生物 量、生产力、结构、功能等描述健康状况，适用于自然生态系统对生态系统健 康的研究瞄矧。指示物种法已经取得了一些进展，而且这种方法也已成为生态系 统健康研究的常用的基本方法。这种方法选择对外界胁迫具有特别的忍耐性或 敏感性的植物或动物。生物体的健康与胁迫的强度和类型有关，它们的表现可 以指示环境受污染的情况。但是这种方法存在着一些明显的缺点，比如，指示 物种的筛选标准不明确，有些采用了不合适的类群瞄溯。 指标体系法：考虑物种类群的组织水平、尺度、指示物种间的相互作用等， 结合了物理、化学和生物的方法，并借鉴一些常规的化学、湖沼学、生理学、 生态学和毒理学手段超越了传统途径，也发展了创新性的、敏感的、自动化程 度比较高的和节省费用的方法，包括采用计算机辅助技术【2 6 1 。与指示物种法相 比，指标体系法不仅考虑了不同组织水平之间的相互作用以及同一组织水平上 不同物种间的相互作用，而且考虑了不同尺度转换时监测指标的变化。以生态 学和生物学为基础，结合社会、经济和文化，综合运用不同尺度信息的指标体 系是现今e h a 的主要手段。 国内的一些学者还总结了除上述两种方法外，国内外常用的e h a 方法，并 提出了不同的看法，见表1 1 。 6 第。章绪论 生态系统失调综合症诊断 生态风险评估 抵抗力和恢复力评估评价模型 关键指标为生物多样性下降、外来物 种和r 对策物种优势度增加、种群振 幅增加、生物分布生境大小的降低、 能流的变化、污染物或有毒物质在生 态系统中累积等 评价危害生态系统健康的不良事件 发生概率以及不同概率下不良事件 所造成后果的严重性，评估着眼于风 险决策管理，目的是预防性地保护生 态系统健康。 系统受胁迫的历史，包括胁迫类型、 强度、存在时间、系统响应时间等是 建立模型的关键冈素 沈文君【3 l l ，2 0 0 4 张宏峰等【3 2 1 ，2 0 0 3 张宏峰等p 2 1 ，2 0 0 3 王小艺等p 3 1 ，2 0 0 1 张志诚等p 4 1 ，2 0 0 4 张宏峰等p 2 1 ，2 0 0 3 优缺点详解如下【3 2 , 3 3 1 ： 生态系统失调综合症的诊断。生态系统失调综合症( e c o s y s t e md i s t r e s s s y n d r o m e ) 是指系统被破坏后，导致其在正常生命期限前终结的不可逆过程。生 态系统失调综合症的诊断就是选择一组关键指标，来评估生态系统处于有害环 境压力下的特征。 生态系统健康的风险评估限i s ke v a l u a t i o no fe c o s y s t e mh e a l t h ) 。这是一个多 学科、多领域、多层次的综合管理问题，包括技术、经济、政策、法律、公众 参与、伦理道德等多个方面。生态系统风险评估的最终受体不仅是人类自己， 还包括生态系统的各个组建水平个体、种群、群落、生态系统及环境，并 且要考虑生物间以及不同组建水平的生态风险之间的相互作用。 生态系统的缓冲力和持续性评估。这是根据生态系统抵抗压力的能力大小 来评价其健康程度的，即生态系统抵抗自然或人为干扰后恢复原来状态的能力。 生态系统越健康，其抗干扰能力或从干扰中恢复过来的能力就越强。 7 第一章绪论 从技术角度，e h a 的实现可以分为以下几种：模型法；景观空间格局 分析法；欧氏距离法；生态系统健康指数法。在实际评价中，应用广泛的 是模型法和健康指数法。 模型法 模型法中最常用的方法是多线性加权法，其基本模型为： ，= 彬( 弓) i = 1 j = l 式中，w i 为第i 个因素的权重， w i j 为第i 个因素中第j 个因子的权重，p i i 为第i 个因素中第j 个因子指标的标准化值，i 为反映生态状态的综合指数。 其基本思路是首先根据评价的目的建立评价指标体系，然后确定各指标的 权重，并对评价指标进行量化与标准化，最后根据评价模型进行评价。在此模 型的基础上，引入模糊论和灰色系统论，产生了以下几种模型：模糊多级综合 评判模型；模糊多级综合评判灰色关联优势分析复合模型；模糊综合评判 模糊聚类复合模型。这几种评价模型应用实例可参阅文献m 。7 】。 景观空间格局分析法 该法认为对区域景观空间格局进行研究是揭示该区域生态状况的有效手 段，通过定量分析反映景观空间格局的多个指数，从宏观角度给出区域生态的 状况，这种方法在“3 s ”技术的支持下，结合景观生态学的基本原理，往往可 以取得良好的效果。 欧氏距离法 其实质是把评价因子作为欧氏空间的1 1 维向量，而将评价标准作为欧氏空 间的基点，用评价因子组成的n 维向量与评价标准组成的基点之间的距离来度 量生态系统所处状态偏离标准的程度。距离越短，表明评价值越接近评价标准 3 8 1 o 生态系统健康指数法 c o s t a n z a 等( 1 9 9 2 年) 总结了大量生态系统健康的定义，提出生态系统健康指 数( h e a l t hi n d e x ，) 的初步形式【2 0 】： h i = v - o r 式中，m 为系统健康指数，也是可持续性的一个度量；v 为系统活力，是 系统活力、新陈代谢和初级生产力主要标准；o 为系统组织指数，是系统组织的 相对程度0 - 一1 间的指数，包括它的多样性和相关性；r 为系统弹性指数( 恢复 8 第一章绪论 力) ，是系统弹性的相对程度0 , - 一1 间的指数，可通过综合各种灾害等级等经过专 家权衡相对程度( o 1 0 0 ) 度量。 后来的研究者又在此基础上对该指数进行了改进，提出了 h i i = v i x o i x r _ i ( 0 h i i i ) ( 芦1 ，8 ) 式中，h i i 是子系统i 的健康指数，v i 指的是子系统i 的功能指数，q i 是子 系统的组织指数，r 指子系统i 的恢复力指数，而且v i 、o i 、r 【o ，1 】。 生态系统健康研究的最终目的主要是进行管理和预测，为了更方便实现这 个目的，u h n o w i e z ( 1 9 8 6 ) 和r a p p o r t ( 1 9 9 8 ) 等发展了活力、组织和恢复力的 测量及预测公式，利用这些公式计算出的结果即为生态系统健康的程度1 3 9 ，4 0 1 。 活力的预测：活力即其活性、代谢及初级生产力，这是生态系统健康主要 指标中最好测定的部分，可用初级生产力和经济系统内单位时间的货币流通率 表示。u l a m w i c z 提出用网络分析( n e t w o r ka n a l y s i s ) 方法进行预测的两种数量方 法：即计算系统的总产量( t s t ) 和净输入( n i ) 。髑t 即是在单位时间内沿着各个 体的交换途径的物质转移量的简单相加( b t = t i i ) ，而n i 则可直接从璐t 中 分离出来。 组织的预测：组织即生态系统组成及途径的多样性。在生态系统演替和进 化过程中，在没有胁迫的情况下，生态系统的物质和能量运转量会增加，但其 基本反馈结构会保持稳定。在胁迫下，一个组分的活力增加或减少，会引起其 他组分的增加或减少，并通过各种循环最终影响到它自己。 u l a n o w i e z 根据这些特征及网络分析方法建立了组织测量及预测方程1 3 0 1 。通 过建立系统各组分间的能量和物质交换矩阵，计算系统中物质和能量转移总量 带入平均共同信息方程，确定生态系统物质和能流结构水平。 恢复力的预测：恢复力是生态系统维持结构与格局的能力。预测生态系统 在胁迫下的动态过程一般要求用计算机模型，如林富动态模型( 如g a p ) 、生物 地球化学循环模型( 如c e n t u r y ) 等。通过这些模型可估算出恢复时间( r t ， 胁迫状态恢复到稳定状态的时间) 及该生态系统可以承受的最大胁迫( m s ，当 生态系统从一种状态转为另一种状态的临界值) 。恢复力即为m s r t 。 9 第一章绪论 表1 2 列出了生态系统健康度量指标的相关概念和度量法。从理论上说，根 据上述的四个方面指标进行综合运算就可确定一个生态系统健康状况。可是， 在实际的操作中常常是很复杂的，因为：每个生态系统都有许多组分、结构 和功能，各有一套独自的系统，许多功能、结构指标都难匹配。必须对每个生 态系统的健康成分单位加以具体的度量；系统是动态的，条件在变，新条件 下，生态系统内敏感物种能动性发生相应变化；度量本身往往因人而异。事 实上，每一位科学家都有自己的专长、特殊兴趣与追求，常用自己熟悉的专业 技术去选择不同方法。 1 1 4 生态系统评价中存在的问题及展望 1 1 4 1 存在的主要问题n 刮 从对生态系统状态的评价过渡到对生态系统功能和服务的评价是一次巨大 的进步，标志着生态评价的研究进入了一个新的阶段，人们开始更多地关注生 态系统的生产力，即它究竟能为人类提供多大的经济价值，能在多大程度上满 足人类的需求。在对生态评价的逐渐探索过程中，人类取得了不少的成绩，但 1 0 第一章绪论 仍然存在一些问题，概括起来主要有以下几点： l 、生态系统评价具体内涵的界定问题 尽管目前多数学者认同生态系统评价主要包括健康评价和服务评价，但围 绕这一问题的争论从来就没有停止过，且对生态系统健康、功能和服务的内涵 也各有说法。例如，什么样的生态系统才算是真正健康的，超过怎样的具体界 限就属于不健康；影响生态系统健康的各种干扰因素的量化和区分问题；生态 系统健康、功能、服务发挥之间是否存在某种确定的可以量化的关系；是否可 以利用数学模型加以预测模拟；针对不同生态系统的病变应如何进行有效的管 理；生态系统管理的相关措施是否也应该列入生态系统评价的内容之中，倘若 列入，又该如何量化等。 2 、生态系统评价的尺度问题 目前从时空两个尺度进行生态系统评价的研究已经很多，但从功能尺度上 进行探讨的还很不够，如何有效地界定不同的功能尺度以及如何选取合适的指 标来进行功能评价将是今后需要加强的一个方面。 3 、生态系统的评价方法有待迸一步开拓更新 目前这方面的主要问题有四个：一是指标体系的构建问题，不够全面、缺 乏代表性、针对性和可操作性、实践指导性差等是在指标选择上存在的几个较 严重的通病。二是各评价因子比重的确立，现有的方法陈旧、科学性差，应该 给予适时改进和更新。特别是很多研究中所运用的专家打分法，人为因素影响 太大，其结论的科学性和可信度遭到普遍质疑。因此，有必要加大计算机语言 和程序的设计开发，通过数学方法来进行因子比重的确立，减少人为干预对结 果的影响。三是最终的评价方法问题。例如在进行生态系统功能和服务价值评 估时，是否可以找到一个通用的定量化模型来减少评估的误差。四是评价模型 的问题。现有的生态评价模型多是静态的评价模型，侧重于对生态系统的结构、 功能、状态的研究，对生态过程的评价研究方法不多，而生态管理又必然是对 生态过程的调控，且由于生态成因与生态结果具有不同步性，静态的评价结果 往往因其滞后性而难以得到应用，因此建立生态过程的评价模型是必须的【3 7 】。 4 、评价的参与者问题 生态评价的参与者是最容易忽视、却也是十分重要的一个问题。这也是阻 碍目前生态评价发展的一个主要冈素。长期以来，生态评价都是研究者的事情， 其出发点在于科学研究的需要( s c i e n c e p u s h ) ，而不是出于社会的需求推动 第一章绪论 ( d e m a n d p u l l ) 。由于这方面的原因而使评价失败的例子很多，例如r o b e r tw a t s o n 就承认，他们所作的全球生物多样性评价( g b a ) 报告，虽然是一个优秀科学文献， 但作为一个政策工具，并没有达到预想的价值，其最大的失误在于事先就知道 决策者需要决定什么。因此，生态评价必须要有用户的参与，只有用户才真正 了解自己需要什么。决策者因为最需要以区域宏观的、综合的生态信息做出绿 色决策，是最主要的用户；公众的参与也是不可少的，因为公众能够更直接地 感受生态变化的影响，并且评价结果的实施还需公众的积极参与；特殊的出资 者( s t a k e h o l d e r ) 或政府部门尽管对评价的要求带有片面性，但他们的意见和建议 对生态评价也是必要的，也应当成为参与者。研究者内部也需要多学科学者的 参与，因为生态评价的科学内涵，决定了它是一项多学科的任务，不仅是自然 科学的研究范畴，因此仅仅依靠生态学家是不能完成这项工程的。早期的研究 多是生态学、环境学、资源科学等领域的学者各自独立地进行研究，往往更多 地关注影响生态的自然因素，忽视了人为因素。近年来，社会学家也开始积极 介入这一领域，但是这些交叉与融合还远远不够。多学科交叉、多方面人员的 参与程度，是生态评价能否成功的一个重要因素。 5 、评价的技术手段 随着生态评价研究从生态系统结构、状态、功能的评价向生态过程及生态 变化影响的评价发展，生态评价面对的问题趋于复杂化和综合化，并且随着研 究对象的时空尺度趋于长期化和全球化，研究方法趋于定量化，研究目的转向 生态系统管理，传统的统计手段无法