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生态系统健康及其评价指标和方法

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第17卷第2期 自然资源学报 VoIl7 No.2 Mar..2002 2002年3月 JOURNAL OF NATURAL RESOURCES 生态系统健康及其评价指标和方法 肖风劲,欧阳华 (中国科学院地理科学与资源研究所 北京100101) 摘要:生态系统健康是一门研究人类活动、社会经济组织、自然系统和人类健康的跨学科综合性 学科。如果一个生态系统是稳定、持续和活跃的,能够维持其组织结构,受到干扰后能够在一段 时间内自动恢复过来的话,则这个生态系统是健康和不受胁迫综合症影响的。生态系统健康的基 本原理有动态性原理、层次性原理、刨造性原理、相关性原理和脆弱积累性原理等5个原理。论 文提出了包括活力、组织和恢复力在内的生态系统健康的8个评价指标,具体地介绍了生态系统 健康的活力、组织结掏和恢复力的评价方法。目前生态系统健康研究还处在发展的初始阶段,也 存在不少的问题,在进一步发展生态系统健康理论的同时,需要依靠遥{商和GIs等技术来对它进 行定量化研究,以促进生态系坑健康的发展。 关键词:生态系统健康;生态学原理;评价;指标;方法 文献标识码:A 文章编号:l000一∞37(2002)02—0203-07 中围分类号:s788.2 当人们在关注生态环境的同时,对生态系统健康的研究也越来越深人 -31。最早提及“自然健康”的是苏格 兰生态学家James Hutton,他在1788年的一篇文献中提到地球是一个具有自我维持能力的超有机体。虽然 自然生态系统并不完全类似于有机体或超有机体,但它们都包古了复杂系统所具有的共同特征,包括维持系 统整合性和恢复力所必须的自我调节机理H。随后由Aldo Leopold进一步发展了生态系统健康的概念 .在谈 到 土地管理 时,AMo Leopdd提出“…古老的艺术”,以及当 在医学中,患病的人是很显然的,而医生进行诊断是一门很 … 土地诊断艺术正用活力来进行操作……土地健康是一门为了未来的科学 。 p0ld对土地健康做出了贡献,他提出了一系列有关“土地疾病”的一些关键性指标,列出了土地退化 的一些共同特征,包括土壤侵蚀、养分流失、水文异常、外来种的人侵、土著种的消失以及土地质量的恶 化、野生物种的减少等。因此,Leopold预见土地健康将发展成为一门学科,它的目的是“监测其生态学 参数,以保证人类在利用土地的时候不会使它丧失功能 。 1生态系统健康的定义 生态系统健康在当代生态系统管理中很重要。一个健康的生态系统将不受“生态系统胁迫综合症 (Ecosystem Distress Syndrome)的影响,能够自我维持、提供一系列的服务,如贮存水分、生产生物赍谭 等。众多的学者对生态系统健康给出了不同的定义,在这些定义中包括生态系统生理、人类健康、社会经 济、伦理道德等方面 许多定义基于胁迫耐生态系统健康影响的基础之上,强调胁迫的时空累积性。而 有些则基于自我压力,强调与特殊胁迫有关的风睑。还有一些人用“健康 以外的术语如“整台性”来评 价在胁迫状态下的生态系统变化。 当一个生态系统的内在潜力能够实现、它的状态稳定、遇到干扰时有自我修复能力以及以最少的外界 支持来维持其自身管理时,这个系统就可以认为是健康的吲 Kerr等建议用生物区的分布大小来评价生态 系统健康,优势种数量的减少是生态系统受到干扰的一个标志 。Odum则认为受干扰的生态系统在其发展 的过程中有一个逆转的趋势,他的分析也包括了许多生态系统受干扰后的症状呻。Sehaeffer等认为生态系 收111日期:2 ̄1-09—12:修订日期:2001一l1-27 基盒项目:中国科学院知识创新项目(KZEX2—405) 中国陆地生态系统评价研究 资助。 蕈一作者筒介:肖风劲(1 3一),男,湖南湘潭^,博士研究生,主要从事生态系统健康及风险评价研究.E-mail:d- ∞6@o盱II∞.cn 维普资讯 http://www.cqvip.com

自然资诼学报 l7卷 坑的功能在没有超过临界值的时候.生态系统健康一直在朝前发展。在这里临界值定义为当超过时会增加 维持生态系统的不利风险的任何条件或状态㈣。Smol定义一个健康的生态系统先于人类影响而存在,根据 对疾病的抵抗力来评价生态系统健康旧。Steedma等建议用生态系统崩溃的一系列指标来评价生态系统整合 性.其中许多是生态系统干扰的症状(如 r”选择物种的增加.共生作用的减少).以及失去恢复力或从 外来干扰力中嵌夏的能力 。Costnza这样定义生态系统健康:如果一个生态系统是稳定和持续的,也就是 说,它是活跃的,能够维持它的组织结掏,井能够在一段时间后自动从胁迫状态恢复过来的话,这个生态 系统就是健康的和不受胁迫综合症的影响m。 当生态系统健康在森林、草原、农业 海洋以及淡水生态系统等领域中广泛应用的时候.生态系统健 康的概念也逐步扩展到景观生态系统【-州。景观健康代表一种“动态平衡”状态,在生态系坑的自我 过程中考虑到调节和反馈机理。Ferguson在强调景观健康的同时,更强调作为人类干扰和选择的整合性原 理,包括维持景观水平的话动等被认为是生态系统健康的必然 。Rapport认为景观状态应该用整合性和 健康来锢4量.依靠景观镶嵌体的自然属性,它们具体说明了生态系统健康关键性的生理特征和社会经济特 征.正如对景观生态系统健康的定义所描述的: “提供丰富的生态服务.包括生物多样性,它与人类福利 直接相关” 生态系统健康是一个很复杂的概念,不仅包括生态系统生理方面的要素,而且还包括复杂的人类价值 及生物的、物理的、伦理的 艺术的、哲学的和经济学的观点 ∞ 人类是生态系统的一部分,而不是 于生态系统 外,有关生态系统健康的一个关键任务是促进人类对人类活动、生态变化与人类蹙康之 间的联系的理解。其中包括研究人类活动对生态系统影响程度的评价方法.也包括在考虑社会价值和生物 学本质的情况下提出新的对策来规范人类活动.促进生态系统健康的提高。总之,生态系统健康是一门研 究人类活动、社会组织自然系统的综合性科学。具有 下特征:①不受对生态系统有严重危害的生态系统 胁迫综合症的影响{②具有恢复力,能够从自然的或人为的正常干扰中恢复过来;③在没有或几乎授有 投人的情况下,具有自我维持能力;④不影响相邻系统.也就是说,蹙康的生态系统不舍对别的系统造 成压力;⑨不受风险因素的影响;@在经济上可行;⑦维持人类和其它有机群落的健康.生态系统不仅 是生态学的健康,而且还包括经济学的健康和人类健康。 2生态系统健康的生态学理论 生态系统健康这一概念提出之初,遇到了许多问题,如早期的生态学理论强调物种多样性和稳定性之 间有一种必然的因果关系,事实上却并不如此.即使是低生物多样性的简单群落(如冻原)在抵抗主要的 干抗方面,也表现出比复杂群落,如热带雨林更强的能力;另外,还有有关时间尺度和空间尺度如何结 合,以及生态系统的界限等问题。考虑到生态系统的复杂性和由此对生态系统健康的影响,为了更精确地 定义健康的生态系统.Nurton提出了有关生态系坑健康的生态学理论阴。 (1)动态性原理生态系坑总是随着时同而变化.并与周围环境及生态过程耜联系。生物与生物、生物 与环境之间的联系,使系统在输人、输出过程中,有支有收,维持平衡。生态系坑在自然条件下,总是自 动向物种多样性、结掏复杂化和功扼完善化的方向演瞢 只要有足够的时间和条件,系统迟早会进人成熟 的稳定阶段。生态系统管理中要关注这种动态.不斯调整管理和策略,以适应系统的动态发展。 (2)层级性原理系统内部各个亚系统都是开放的.许多生态过程并不都是嗣等的.有高、低层次之分, 也有包含型与非包含型之剐。系统中的这种差别主要是由系坑形成时的时空范围差别所形成的,管理中时 空背景应与层级相匹配。 (3)创造性原理系统的自我调节过程是以生物群落为核心,具有创造性。创造性的源泉是系统的多种 功能流,创造性是生态系坑的本质特性,必须得到高度的尊重,从而保证生态系统提供充足的资源和良好 的系统服务。 (4]相关性原理在一个生态系统中所有的生态学过程都是相互联系的,对生态学过程的某一个方面产 生影响的重大干扰将会对整个系统产生影响。 (5)脆弱累积性原理由于自然的干抗,处在自动调节平衡状态过程中的生态系统.将缓冲人类引起的 干扰.直到达到一个既定的临界值之后,这个生态系统才会崩溃。 维普资讯 http://www.cqvip.com

2期 肖风劲等:生态系统健康及其评价指标和方法 3生态系统健康的评价指标体系 生态系统健康的评价指标包括活力、恢复力、组织结构、维持生态系统服务、管理的选择、减少投 人、对相邻系统的危害和人类健康影响等8个方面。将这些指标应用到自然系统、杜会经济和人类健康等 方面,进行生态系统健康的评价 蚓。 (1)活力活力是指能量或活动性。在生态系统背景下,活力指根据营养循环和生产力所能够涮量的所 有能量。但并不是能量越高的系统就越健康.如在一个水体生态系坑中,由于土地的失调和土地养分的流 失.造成水体中有过多的营养成分.但并不能认为它就是健康的。 (2慨复力恢复力是指系统在外界压力消失的情况下逐步恢复的能力。这种能力在别处也称为“抵抗 力” 通过系统受干扰后能够返回的能力来测量 ’咖。受干扰后生态系统恢复可以提供测量恢复力的方法。 例如,为了证实受胁迫的生态系统的恢复力弱于没有受胁迫的生态系统的恢复力这个很说.Whiford在新 墨西哥西南的一个半干旱的草原上进行了野外检验。在一口深井附近.通过放牧和牲畜的践踏设计了一个 不同梯度压力,经过几次干旱后的草原的恢复与离井的距离呈正相关。离井远的地方(受干扰小的地方) 恢复建度快 l。 (3)组织结构组织结构是指生态系统结构的复杂性。组织结构随系统的不同而发生变化。但一般的趋 势是根据物种的多样性及其相互作用(如共生、互利共生和竞争)的复杂性.而组织结构趋于复杂。在同 个生态系统中 生物成分和非生物成分是相互依存的。如果在受到干扰的情况下 这些趋势就会发生逆 (4)维持生态系统服务维持生态系统服务指的是服务于人类杜会的功能 如涵养水源、水体净化、提 转 。胁迫生态系统一般表现为减少物种多样性.共生关系减弱以及外来种的人侵机会增加圈。 供娱乐,减少土壤侵蚀,它越来越成为评价生态系统健康的一个关键性的指标。一般的胁迫将会从数量和 质量上减少这些生态服务闻,而健康的生态系统将会更充分地提供这些生态服务 (5)管理的选择健康的生态系统支持许多潜在的服务功能,如提供可更新资源、娱乐 提供饮用水等。 退化的生态系统不再具有这些服务功能闻。例如半干旱的草原曾经在畜牧放养方面发挥很重要的作用,同 时 由于植被的缓冲作用而减少水土流失;由于过度放牧.许多这样的景观正逐步退化成灌木或沙丘.要 有过去那种放牧的牲畜量巳不再可能。 (6)减少投人量健康的生态系统不需要另外的投人来维持其生产力。因此.生态系统健康的指标之一是 减少额外的物质和能量的投人来维持自身的生产力。一个健康的生态系坑具有尽量减少每单位产出的投人 (至少是不增加),不增加人类健康的风险等特征。 (7)对相邻系坑的危害有许多生态系统是以别的系坑为代价来维持自身系统的发展 如废弃钧排放进 人相邻系统,污染物排放,农田流失(包括养分、有毒物质、悬浮物)等,造成了胁迫因素的扩散,增加 了人类健康风险 降低了地下水水质,丧失了娱乐体闲的功能。 (8)人类健康影响生态系统的改变能够影响人类健康,人类健康本身是个很好的测量生态系统健康的 指标,健康的生态系统应该有能力维持人类的健康。 4生态系统健康评价方法 目前对生态系坑健康评价主要集中于生态系统的活力、 组织结构和恢复力的研究。生态系统健康的活力,组织结构 和恢复力的相互关系可以用下面三维图来说明。 当坐标上的一个成分为零时 就形成了一个二维坐标平 面圈。第一个平面描述了由结构和恢复力相结合而没有系统 活力的系统 系坑很少有或根本没有活力(如冰川 岩石、 矿床 等),是“结晶态 的。第二个平面由恢复力和括力 组成而投有组织结拘的系统,系统很少或根本投有组织结 构,如营养丰富的湖泊、河流、池塘 或者限于卜选择物种 图1生态系坑的活力、组织结构和 恢复力的三维圈 F'ig.I A three-dimemional h of By n i organlzational staxleture and№Ulmace 磕b 恢复力 占优势种的早期演替生态系统 被认为是“富营养型”的。 第三个平面由活力和组织结构组成而没有恢复力的系统.那 维普资讯 http://www.cqvip.com

自然资源学报 17卷 些管理化程度很高的生态系统,如农业生态系统、水体养殖生态系统和人造林场等属于这种平面,是很脆 弱的 严格意义上讲,晶格化生态系统、富营养化生态系统和脆弱生态系统都是不健康的生态系统。一十 健康的生态系统在活力、组织结构和恢复力之间有一定的动态平衡,能够维持物种多样性和物质交换途径 (高的组织结构)的多样性。 生态系统健康的主要测量指标及其测量方法见表1。 表1生态系统■康的各项测量指标田柚Table 1 l ̄dices of vi 州叽  alld ̄esilience in v衄伽B fields 4.1活力的测■ 生态系统的活力是指简单地测量它的活动性、新陈代谢和初级生产力。在评价体系中.活力最直接也 最容易测量。在大多数生态系统中能够通过已有的方法来直接进行测定。这些测量方法能够对系统的投人 (如物质或能量)进行定量化,可用网络分析的方法来定量地计算活力。Ulano ̄cz嗍提出了计算生态系统 的总产量(巧 ).给定一个系统物质交换网络,在任何单位时间里,根据各个体的交换途径,对各转移 物质简单地进行相加,即: ∑ 但是,单独用活力指标不能很充分地评价生态系统健康。 4.2组织结构的测■ 由于要测量多样性和生态系统的组成大小以及各组分阃物种交换途径,因此,测量组织结构的难度比 较大。其方法也是网络分析法,它不仅包括定量分析系统各组分同的相互作用,而且还包括它们与无机环 境的相互作用。Ulanowicz ̄用信息理论建立了一套适合于系统水平“网络分析”的定量化指标。 首先,必须建立一个系统各组分间的物质和能量交换矩阵.矩阵里的每一个元素 表示从i行转移 到 列的物质和能量交换量。状态P ,¨指的是一单位中间变量i进人状态 ( 的概率。 是系统转 移的 量,通过 能求出P 。同样,概率P( 也可 由∑ 求取。最后,在离开i后再进人 的条件概率P( 扣0,由7 ∑ 求得。把这些变量代^平均共同信息方程求得一十解,通过它可求出生态 系统的物流或能流结构水平 ∑ 0g( × Ulanowicz同时也提出了两个相关的概念:系统优势度 A= 功 4scendancy)和“系统不确定性( )” ∑ 埘0g(ToxT/ ×珊 假设在没有干扰的情况下,系统将朝着增加网络优势度的方向发展 首先是系统生产总量的增加,然 后增加平均共同信息来竞争有限资源并开始系统网络的物质交换,自身催化过程将有效地增加系统的产量 和组织结构,这些又将增加系统的优势度。越是高级的生态系统,所包含的成分越多,物流和能流量也越 多,抵抗外界压力也越强阳。 当无法了解物质交换的有关信息时,便提出了第三信息指数 系统不确定性”。不确定性反映了系统 的总的复杂性,不确定性越高,生态系统越复杂。 ∑( × ( 维普资讯 http://www.cqvip.com

2期 肖风劲等:生态系统健康及其评价指标和方法 2o7 4.3恢复力的到■ 直接测量生态系统的恢复力比较困难,一 戋键物种 话)Ji 堆织蚌柑 优势瞍 般只有在计算机模型辅助下才能进行。图2说 明了能够用于模拟模型的恢复力的两个组分: 从褂迫状态恢复到稳定状态的时间 即恢复时 间( r) 以及生态系统能够承受的最大胁迫 ( 即为生态系统从一种状态到另一状态 时间 恢复力=船/ r 的临界值),恢复力便可以从l"S/ 的比率中 求出来。 计算系统的恢复力时.所选择的指标很重 要。图2中的纵坐标表明,可以选择关键物 种、活力、组织和优势度中的某一项作为指 标 有了测量恢复力的方法.就能够定量检测 囤2恢复力的两个组成成分所整合成的 十简单的定量化方法 F 2 The two o:Jmp ̄nenis 0f i ̄ilience,and how they Bre integrated into a single qttantiu ̄tJve nMm目 其恢复力。姐用单位光台作用与呼吸作用的比率,该比率能够测量生态系统多余的活力或能量,随着比率 的增加,系统储存的能量就多,从胁迫状态恢复也就越快。 5生态系统健康所存在的问题和发展趋势 随着人类对自然的干扰越来越频繁和深^,生态系统健康作为一种环境管理方法和管理目标越来越被 接受。但并不希望由此而引起生态系统健康研究领域的僵化,如果这样,则将导致其“对评价包括人类在 内的复杂系统所必须的开放性的丧失”。当生态系统健康很明确地成为一种社会目标的时候,并不意味着 生态系统健康变为一种社会行动,相反,为了更好地维持和恢复生态系统健康,应该保持其科学性和 价 值为基础的框架来进行生态系统评价和人类自身行为的管理。这个框架把社会价值、生态学理解与人类健 康结合的重要性放在首位 羽。 生态系统健康的真正兴起只是近十几年的事情 其中还存在着许多问题有待进一步探讨。①生态系统 健康的不确定性,虽然生态系统健康的标准已经提出了不少,但对于生态系统健康状态仍然有许多不确定 性;罾生态系统的难操作性.生态系统健康要求综合考虑生态、经挤和社会因子,对于各种时间、空间和 异质的生态系统而言难度较大;④由于生态系统的复杂性,生态系统健康很难简单地概括为一些容易测定 的具体指标;(皇)生态系统有一个自身演替的过程,很难判断哪些是演替过程的症状,哪些是干扰或不健康 的症状;⑧目前虽然提出了对组织、活力和恢复力的评价方法,但这些在实际中很难应用,可操作性比较 差。因此,需要对人类健康、社会经济、生物科学和国家等方面进一步融合,需要有新的方法来评价 生态系统健康。有关生态系统健康的前沿性研究在于生态系统健康概念与其它生态学理论相结台、应用遥 感(Rs)和地理信息系统(GIs)等技术来监测生态系统健康瞄 期。也就是说,如何用定量的方法(如 G[S,RS,GPS)来进一步深化生态系统健康研究。定量化方法,特别是遥感和计算机模拟等方法,将大大提 高对大尺度生态系统健康的分析和评价能力。由于我们的将来受到资源、环境等方面的严峻挑战,更需要 十综台、统一的整体性方法来评价生态系统健康以及规范和管理人类活动。 生态系统健康作为一个理论性和实践操作性的概念仍然处在早期的形成发展阶段,需要自然、社会和 健康科学等多学科的交叉学科来通力合作,通过加强它们之间的合作来进行环境管理,促进人类和生态系 统健康的发展。 参考文献: 【1] Benj ̄in D Haskell#t oLl ̄t 钟oByB胁heal ̄and why should we worry about】t?[^]In:Costanza F, ̄orton B Haskell B D.Ecosystem Health:New GeMs for Environment Management【c]washington D C:IMand Presst1992 _2]World Re ̄urces Institute.World Re ̄urces 1992—1993:A Guide to the Global Envirom,mm【M]Oxford:Oxf,.4.Univem时 fh'ess,1992 [3】 Rapport D J.Ne ̄for a new pm ̄.digmlA].In:RapIxm D J,Costaaza R,Epstein P ILGaader C,et -Fco日 lem Health【q. M deD:B1ackweH Sc iq.ceB ̄1998. 维普资讯 http://www.cqvip.com

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