水生态系统健康评价 理论框架指标体系与定量方法

水生态系统健康评价：

理论框架、指标体系与定量方法全国污染生态学术研讨会提纲I.生态系统健康研究现状II.理论框架及其应用湖泊生态系统海湾生态系统III.评价方法及其应用直接监测评价法〔DMM〕生态健康指数法〔EHIM〕生态模型法〔EMM〕IV.结论1980’s:“健康〞概念被引入生态学研究，出现“生态健康〞和“生态系统健康〞的概念，研究胁迫作用对生态系统的影响及受胁迫生态系统的管理等问题。三个开展阶段：多样化定义—>综合定义—>学科定义多样化定义:生态学家、经济学家、哲学家、政治家、环境管理人员综合定义(Costanza,1992)①系统能维持自我平衡、②系统无疾病、③具有多样性或复杂性、④系统的稳定性或恢复力强、⑤增长活力大、及⑥系统成份间保持平衡。学科定义(ISEH,1998)“具有诊断、预测和预防特征的,研究生态系统管理以及生态系统健康与人类健康之间关系的交叉性的系统科学〞研究现状——概念起源与开展研究现状——诊断指标〔1〕单指标——>多指标——>综合指标单指标(早期阶段):用特殊的种或成份作为衡量指标，如毒理学家:生物个体健康；生态学家:种群丰度；鱼类生态学家:种群的年龄结构;Hannon(1985):生态总产量(GEP)(类似GDP)这样的指标不够全面，不能反映生态系统的复杂性；易于使用〔特别对管理者〕多指标〔当前主流〕:Karr等(1986)：生物完整性指数(IBI)：12个指标Rapport等(1985)：生态系统胁迫指标：即营养物、初级生产力、体长分布、种群多样性及系统的恢复能力。Ulanowicz(1986)：网络优势指数〔INA〕：包括种群丰度、生态位、发育循环与反响，及总活力等生态系统的四个重要特征。Kay等(1991)：河流生态系统健康指标：生物量、输入、输出、生产力、呼吸、循环、Finn循环指数及优势度等来评价Crystal河流生态系统健康〔或完整性〕。Costanza(1992)：系统健康指数：HI=系统活力指数*系统组织指数*系统恢复力指数Jorgensen(1995):Exergy〔Ex〕、StructuralExergy〔Exst〕和生态缓冲容量等。Dalsgaard(1995,1996)：农业生态系统健康指标：生物量,收成,N通量,系统管理费用,P/B,H/E,效率,Shinn指数,Finn循环指数,优势度,Ex,Exst及生态缓冲容量。Xu等(1999，2001)：湖泊生态系统健康生态指标体系，包括生态结构指标、生态功能指标及生态系统指标。胁迫指标和响应指标。研究现状——诊断指标〔2〕研究现状——

进展与问题

近年来，在可持续开展思想的推动下，生态系统健康研究已成为国际生态环境领域新的研究热点和联系地球科学、环境科学、生态学、经济学及社会科学等学科的桥梁。在北美,生态系统健康学已成为环境、生态、公众健康、医学、兽医等专业的一门课程

研究对象单一：单一生态系统；研究内容不深入：评价指标、评价方法；研究现状——国内研究现状起步晚，开展快相关文献-中国期刊网检索词：生态健康or生态系统健康主题：93年，第一篇篇名：99年，第一篇

综述文章研究文章305173II-理论框架及其应用湖泊生态健康指标海湾生态健康指标湖泊生态系统指标体系开发评价方法确定定性定量评价

胁迫因素识别

生态系统响应分析

理论框架〔胁迫-响应关系〕应用湖泊生态系统海湾生态系统富营养化酸化重金属污染杀虫剂污染油污染湖泊生态结构、生态功能和系统水平的胁迫效应湖泊化学污染胁迫效应的系统分析实测数据:富营养化(国内30个+国外31个),酸化+油污染+重金属污染+杀虫剂污染(数十个)试验数据:酸化(4个)+油污染(2个)+重金属污染(2个)+杀虫剂污染(13个)

湖泊生态系统指标开发湖泊对化学污染胁迫的响应湖泊生态结构响应浮游植物细胞：变大浮游动物个体：变小浮游植物生物量〔BA)：增加浮游动物生物量(BZ)：减少小型浮游动物生物量(BZmicro):增加大型浮游动物生物量(BZmacro):减少种群多样性指数：减小BZ/BA比率:减小(BZmacro)/BZmicro比率：减小

湖泊生态功能响应浮游植物初级生产力：降低浮游植物碳吸收率：变小浮游动物碳吸收率：变小生态转移效率：降低毛生产力／呼吸率：偏离1

毛生产力／生物量：减小生物量／能流比率：减小

湖泊生态系统响应生态缓冲容量：降低

(Exergy)：降低

(Structuralexergy)：降低

火用结构火用随胁迫加强湖泊生态系统健康定量表征综合指标体系Location

MainlandChina海湾生态系统指标开发〔香港吐露港〕城市化工业化农业发展资源开发物理响应化学响应生物响应系统水平响应生态服务功能响应胁迫指标响应指标环境污染Land-lockedLength:15kmAveragedepth:10-20mSurfacearea:52km2Velocity:0.04-0.08m/sThreesubzones:harbor,buffer,channelCurrentSevensamplesections

Twocities:TaiPo,ShaTinThreeReservoirs:PloverCove,ShingMun,LowerShingMunUrbanization19712001Area:21.1→28.3km2Population:24,000→625,000Stresses-ShaTinNewTown

19712001TaiPoNewTown

Area:1.5→5km2Population:21,000→321,000UrbanizationStresses-Industrialization

1971:

isolatedsmallfactories

1989:

sevenindustryregionswithtotalareaofmorethen200ha1989Stresses-

AgriculturaldevelopmentLivestockbreeding图3-6香港1963年-1999年饲养猪和鸡的数量1965→1989Pigs:3,000→

6,000headsChickens:5,000,000→

15,000,000heads

Stresses-WaterresourceexplorationMakeadam,Pumpseawater

Stresses-200FishyresourceexplorationStresses-Area&production:30%ofthetotal

MaricultureFishinToluHarborFourmariculturefishzonesOremineexplorationMaAnShanOreMine,OnlyoneinHongKongDuration:1906-1976Outputs:900-170,000tonsperacre 120,000(average)Stresses-Pollutionloading14716474580060001986Stresses-PhysicalresponsesEcosystemresponses193619651968197319688138.5km265.3

km23.5m2m53%65%Ecosystemresponses

ChemicalresponsesBOD5TNTPFaecalcoli.BiologicalresponsesEcosystemresponsesRedtidesoccurrenceinToloHarbour434BiologicalresponsesEcosystemresponsesEcosystem-serve-functionresponsesEcosystemresponses海湾生态系统健康定量表征综合指标体系III-评价方法及其应用直接监测评价法(相比照较法)〔DMM〕生态系统健康指数法〔EHIM〕生态模型法〔EMM)ProcedureSelectindicatorsMeasuredirectlyorcalculateindirectlyindicatorvaluesAssesslakeecosystemhealth

直接监测评价法〔DMM〕及其应用实例Casestudy

：LakeChao

(Indicators&Data)直接监测评价法〔DMM〕及其应用实例Casestudy

：LakeChao

(Results)直接监测评价法〔DMM〕及其应用实例Bad——>Good:Aug.–Oct(C)Apr.–May(A)Jun.–Jul.(B)Nov.–Dec.(D)Jan.–Mar.(E)ToluHarbor生态系统健康评价

(indicatorsanddata)ToluHarbor生态系统健康评价(Results)生态健康指数法〔EHIM〕及其应用EHI设计步骤生态健康指数法〔EHIM〕及其应用计算公式EHI-syntheticecosystemhealthindexEHIi-thei-thecosystemhealthindexforthei-thindicatorωi-theweightingfactorforthei-thindicator生态健康指数法〔EHIM〕及其应用计算方程forEHI(BA),EHI(BZ),EHI(BZ/BA),EHI(Ex)&EHI(Exst)30个意大利湖泊生态系统健康状态定量诊断结果Casestudy:ItalyLakes

(Discussion：EHI-TSIRelations)IndicatorsforEHICalculations:BA,BZ,BZ/BA,Ex,ExstIndicatorsforTSICalculations:TP,SD,Chl-a30ItalyLakes生态健康指数法〔EHIM〕及其应用分析湖泊生态结构模型验证计算生态指标值评价湖泊生态健康状态确定指标

满意?YESNO概念框图模型方程模型参数构建湖泊模型生态模型法〔EMM〕及其应用－根本流程火用生态模型法〔EMM〕及其应用－巢湖磷循环模型生态健康指标ExergyStr.ExergyCalibrations生态模型法〔EMM〕及其应用－巢湖磷循环模型Calibrations生态模型法〔EMM〕及其应用－巢湖磷循环模型Calculation&Assessment生态模型法〔EMM〕及其应用－巢湖磷循环模型ResultsfromEMM&DMM(Bad-Good):Aug.–Oct(C)Apr.–May(A)Jun.–Jul.(B)Nov.–Dec.(D)Jan.–Mar.(E)ABCDEDiscussion－评价结果生态模型法〔EMM〕及其应用－巢湖磷循环模型IV

-Conclusions(1)Atheoreticalframeforaquaticecosystemhealthassessmentwasproposed(3)Aprocedurewithfivestepsforassessingecosystemhealth(3)Asetofindicators

includingstructural,functional&system-levelaspectsforlakeecosystemhealthassessmentwereproposed.(4)Asetofindicators

includingstressindicatorsandresponseindicators(physical,chemical,biological,system-level&ecosystem-serves-functionaspects)formarinecoastalecosystemhealthassessmentwererecommended.(5)Threemethods(DMM,EMM,EHIM)wereintroduced&appliedtosomecaseswithsatisfactoryresults.DMMfortheassessmentwithpoordataEHIMfortheassessmentwithsystematicdataEMMfortheassessmentwiththeecologicalmodeldeveloped.JorgensenS.E.,XuF.-L.ConstansanR.,“HandbookofEcologicalIndicatorsforAssessmentofEcosystemHealth〞.CRCPress,2005.3,pp.439.2021，第二版Xu,F.L.,etal.(2006).RestoratingmarinecoastalecosystemhealthasanewgoalforintegratedcatchmentmanagementinToloHarbour,HongKong,China.EnvironmentalManagement37(4):540-552.(SCI)Xu,F.L.etal.AnEcosystemHealthIndexMethodology(EHIM)forLakeEcosystemHealthAssessment.Ecol.Model.,2005,188(2-4):327-339.(SCI)Xu,F.L.etal.(2004).MarineCoastalEcosystemHealthAssessment:acasestudyofToloHarbour,HongKong,China.EcologicalModelling173(4):355-370.(SCI)Xu,F.L.etal.(2004).TheLong-termTemporal-spatialDynamicsofMarineCoastalWaterQualityintheToloHarbour,HongKong,China.J.Environ.Sci.(China),169(1):161-166.(SCI)Xu,F