全 文 ：第 12卷 第 3期
2 0 0 4年 7月
中 国 生 态 农 业 学 报
Chinese Journal of Eco-Agriculture
Vo1．12 No．3
July， 2004
生态系统健康研究现状及其定量化研究初探
张志诚 欧阳华 肖风劲
(中国科学院地理科学与资源研究所 北京 100101)
孙江华 宋冬梅
(中国科学院动物研究所 北京 100080)(中国科学院沈阳应用生态研究所 沈阳 110016)
摘 要 阐述了健康的生态系统定义及其研究瓶颈与途径，健康的生态系统可以活力、组织性和恢复力等定性指
标描述和衡量。中尺度生态系统定量化健康评价研究的主要瓶颈是确立健康生态系统标准。生态系统健康评价
研究的途径可从生态系统受胁迫压力角度、系统恢复力或系统反作用力角度以及生态系统受到潜在“威胁”预测和
健康预防的角度考虑，而系统结构和功能相结合是生态系统健康评价的基础。
关键词 生态系统健康 生态学效应 定量化评价 胁迫
The current status of ecosystem health and its assesment．ZHANG Zhl—Cheng，0UYANG Hua，XIAO Feng-Jin(Insti—
tute of Geographical Sciences and Natural Resources Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101)，sUN
Jiang-Hua(Institute of Zoology，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100080)，SONG Dong-Mei(Institute of Applied
Ecology，ChineseAcademy ofSciences，Shenyang 110016)，CJEA，2004，12(3)：l84～187
Abstract The concept，key 1inks of research and approach of healthy ecosystem are stated in this paper．A healthy eco—
system can be described and assessed by its vigor，structure and capacity resilience．The key links of research to quantita—
tively assess the ecosystem health is to define the criteria of the healthy ecosystem．The possible research approach to as—
sessing the ecosystem health is to consider the factors from the ecosystem distress syndrome，capacity resilience，and the
health precaution and prevention．Harmony concern of system structure and function should be the foundation of ecosys—
tern health assessment．
Key wolds Ecosystem health，Ecological effect，Quantitative assessment，Stress
生态系统健康评价是生态系统管理的基础。随着人们对生态系统服务功能认识的逐渐深入和对生态环
境质量要求的不断提高，生态系统健康状况受到越来越多的关注。本研究综述了当前生态系统健康研究的
主要进展，并结合景观生态学的生态胁迫、干扰、过程和格局等理论及生态系统演替的生态学特点及效应，提
出生态系统健康标准的生成方法及其定量化途径，为生态系统健康评价提供理论依据。
1 生态系统健康定义
1788年苏格兰医学家和地理学家Hutton首先提出健康与生态系统的关系，认为地球是一个可以自我
维系的超有机体。之后生态学家Clements F．E． 提出群落演替概念和顶极群落论断，认为生态系统是一
个生命个体，有健康和不健康的属性。此外John A．Leopold 。。提出著名的“Land Health”论断，并于 1941
年指出“Land”意味着整个生态系统，提出土壤侵蚀、肥力损失、水循环不畅、有害物种的偶然大爆发及当地
物种的神秘消失和灭绝，这些都是“Land Sickness”的症状；生态系统稳定和健康与物种多样性及复杂性密切
相关，或者由其导致的 ，加]。这为从物种多样性角度评价生态系统健康找到最初校注。从生物学角度，很多
学者认为健康生态系统是一个没有“生态系统胁迫综合征”的生态系统 卜 ]。通常认为生态系统胁迫综合
征包括初级生产力、物种多样性、R选择种(机会种)所占比重、病虫害爆发程度、病虫害等级及其流行的可能
性、种群波动状况等 ， H 。其中Rapport和 Whifort在 Lower Laurentian湖泊和 Kyronjoki河流域及河
VI等地生态系统健康研究中指出，受到胁迫下水体初级生产力及生产量趋于增加，物种数趋于减少，疾病和
病害症状增加，群落有逆生演替趋势，新陈代谢趋于减少，机会种、短命物种及侵入外来物种数增加，
*中国科学院知识创新工程方向性项目“中国陆地生态系统评价”(Kzc)(Z一405)部分研究内容
收稿 日期 ：2003—01—09 改回 日期 ：2003—02—27
第 3期 张志诚等：生态系统健康研究现状及其定量化研究初探 185
物种间互利性减少 ’ ’加’ ；而胁迫压力下陆地系统初级生产力有减少趋势，物质和营养流动运输速率加快，
物种多样性趋于减少，病虫害和疾病症状增加，群落有逆向演替趋势，新陈代谢变缓，机会种和短命物种种类
数增加，小生境、斑块数目及侵入外来物种数增加，种间互利性减少，各生境斑块边界的线性增强[7]，Forman
等也有类似结论_1叫j。此外受到胁迫压力的生态系统物种多样性在一定时间尺度上明显降低，这些胁迫包
括过度放牧、污染物质排放、极端自然环境压力如于旱、严寒等。该方面相关研究包括受到胁迫压力下水体
鱼类多样性及其种群分布状况的动态变化、橡树和针叶林养分循环与初级生产力状况的动态变化及受到胁
迫压力下生态系统物种多样性变化状况等_1 卜 。Costanza等国内外学者认为，健康生态系统组成一是活
力，包括初级生产力、养分循环等生态系统基本功能的正常维持；二是组织性，包括 R选择种和 K选择种比
率，长命物种和短命物种比率，外来物种和本地物种比率，互利程度，本地物种存在状况及生物多样性等；三
是反作用力，即生态系统的“弹性”，可保持系统的内稳定性能力。生态系统越健康，其从干扰中的恢复能力
也就越大 ， 。
2 生态系统健康研究探讨途径
有学者认为，确立健康生态系统标准是目前生态系统健康评价研究的关键和首要目的所在r 。Leopold
提出，健康的“Land Health”需要借助于正常的标准来判断 。Rapport D．J．1 也指出，若未确立正常的或健
康的生态系统标准，则所有关于生态系统健康评价都是不可能的，且认为确立健康生态系统标准不仅对健康
研究本身极其重要，且对于生态系统健康研究方法和途径均有很大帮助。生态系统健康研究途径一是从生
态系统受胁迫压力角度研究生态系统健康，如Haris等在水体生态系统的研究以及 Bird P．M．等在陆地生态
系统的研究等[6．7， ～ 。只有生态系统受到严重干扰且系统严重退化情况下，生态系统受到如上所述胁
迫时才会表现出症状。但生态系统功能从健康到不健康表现有一定时间时滞，而该时间或空间上的时滞给
研究生态系统健康状况带来一定错觉。Whirford W．G．_3 在 Chihuahuan沙漠区域(美国西南部)研究表明，
受到初期或早期胁迫时系统物种数和生产力不降低反而增加。而经过较长时间胁迫累积后，系统物种多样
性和生产力才会下降。因此 Rapport D．J．|6]认为仅从生态系统胁迫角度评价生态系统健康远远不够。二是
从系统恢复力角度研究生态系统健康，Rapport D．J．等 32]指出，生态系统健康研究框架中，系统表现的 1
个关键性指标是可指示系统受到干扰后的恢复能力指标。且一个生态系统越健康，其从干扰中恢复的能力
也就越大。当今几乎不存在一个不受干扰胁迫的生态系统，无论这种干扰来 自哪方面。Vogl于 1980年指
出，大部分生态系统与干扰和胁迫相联系，一定的有周期的“干扰和破坏”为系统发展提供了新生机_2 。一
定程度上的干扰是一种很正常生态属性，且由于生态系统是一种动态过程，该过程中存在很多平衡点 。
生态系统健康评价研究的根本问题是要在这些一定长时间尺度内，在类似波动中找到显著不同的波动，并给
系统处于显著不同状况下以时间序列上的分类。一定时间尺度上的干扰状况，如干旱、降雨、病害、虫害、化
学污染、火灾等胁迫及其等级等系统属性数据的累积是研究生态系统健康及其评价指标选取的关键所在。
三是从模型角度人手研究生态系统健康，Hilden M．等 ， 认为，长期胁迫历史和相对应的响应历史是一个
系统状态动态的直观表现。对于系统受胁迫的历史，包括系统受到的胁迫类型、胁迫强度、胁迫存在时间、系
统响应胁迫压力时间等都是建立模型的关键所在。目前多因素胁迫模型的研究尚较少，较典型研究主要集
中在水生生态系统，且以单因素胁迫(如从营养物质循环角度及酸沉降和累积角度等)研究为主，比较典型的
单因素胁迫模型是 Minns C．K．等口 ， 模拟研究酸雨沉降对加拿大某湖泊水体鱼类品种及多度性的影响。
关于陆地生态系统单因素及多因素胁迫模型研究目前尚少见报道。
对于受到胁迫压力的生态系统，人们更容易找到一些很明显的胁迫压力症状，但对不受胁迫压力抑或受
到轻度胁迫压力，但又在“生态系统”内部自我调节范围之内的生态系统，却难以精确描述和定量表达其具体
“健康症状”。如 Forman和 Godron等描述的“LT—SRO曲线波动”和“LT—LRO曲线波动”_1 是生态系统在
受到轻度胁迫压力但又有一定规则的稳定范围内波动，但这种直观图例式表达转化为定量“生态系统健康”
指标依然存在较大不确定性。笔者认为综合以上 3条研究途径，以生态学过程和格局变化为基底，综合干扰
状况和干扰所产生的生态学效应和生物学效应，在一定长的时间序列动态变化中则可确立健康生态系统的
标准平面。定量化健康生态系统研究中可借鉴 Costanza提出的健康指数模型，其表达式为：
HI= V×0 ×R (1)
式中，HI为系统健康指数，也是可持续性的 1个指标；V为系统活力，可通过系统生物量、生物流(产量)等
186 中 国 生 态 农 业 学 报 第 12卷
表达；O为组织性，对于景观系统，可把景观空间格局指数(景观多样性指数)作为度量指标；R为系统的弹
性指数，可综合火灾等级、病虫害等级等经过专家权衡给出系统弹性的相对程度(0％～100％)度量。
总之，生态系统健康研究尚处于一种方法论探索阶段，在研究方法和理论上有待于进一步发展。理论方
面由于生态系统健康研究的科学实验可操作性要求有较长时间段实验数据的累积，且现阶段对于群落演替
等一些生态学过程的研究尚不够深人，而生态系统健康研究必然涉及到一定尺度上的生态演替，这在一定程
度上制约了生态系统健康评价的研究。其次，较长时间尺度上的数据累积是研究生态系统健康所必需的，生
态系统是一种动态过程，该过程中存在很多平衡点，研究目的要在这些类似波动中找到显著不同的波动。在
数学方法上通常科学实验都需有完善的数理统计方法，但生态系统健康研究涉及到一个复杂的系统且其结
构又相对疏松，即便同一区域内很小的地理单元中也存在极大的自然地带性差异，且对于生态系统健康分析
研究又不能停留在小的时间尺度上，使设置重复和对照难以实现。但 Schindler D．W．等 ’∞’ 在上述方面
还是做了一些很有创新性的研究，如提出应用 Baysean模型、效果分析和时间序列分析等方法研究长时间序
列上有重复性可发生概率的事件及在较长时间尺度上和较大空间尺度上的生态系统健康问题。
参 考 文 献
1 傅伯杰，陈利项，马克明等．景观动态变化．景观生态学原理及应用．北京：科学出版社，2002．111～115，162-163
2 [美]R．福尔曼，M．格德罗恩．景观变化．景观生态学 北京：科学出版社，1990．226-230
3 肖笃宁．景观生态学的若干理论问题．景观生态学理论、方法及应用．北京：中国林业出版社，1991．6-25
4 徐化成．景观动态 ．景观生态学．北京：中国林业出版礼，1996 72～106
5 Clements F．E．，Weaver J．E．，Hanson H．C．Plant eompetition-An analysis of eornmunity functions．Carnegie Institute of Washington：
W ashingtonDC，1929
6 Rapport D．J．，Regier H．A．，Hutchinson T．C．Ecosystem behavior under stress．American Naturlist，1985，125：617-640
7 Ra pport D．J．，Gaudet C．I⋯ Calow P．Evaluating and monitoring the health of large scale ecosystems．Global Environment Change Proceed—
ing s of the NATO Advan ced Research W orkshop，1993，28：5～ 39
8 John A．Leopold．A biotic view of land．Journal of Forestry，1939，37：727-730
9 John A．Leopold．Conservationist in mexico．Am erican Forests，1937，43：118～120
10 Costanza R．。Norton B．G．，FIaskel B．D．Ecosystem Health Washington D．C．Co velo，Califomia，Island Press，1992．5-49
11 t~keetS．，RapIx3rtD．J．Marine ecosystem health：a ecxnpamtive study oftheBaltic Sea andtheGulfofMexieo．Ecc~ystem Health，1996．2～5
12 HoUing C．S．Cross-scalemorphology。geometryand dynamics of ecosystem．Ecological Monographs，1992，62(4)：447-502
13 Ra pport D．J．，Co6tanza R．，Epstein R．P．Ecosystem Health．Blackwel Science，Inc．，1998．19-23
14 Karr J．R．Assessment of biotic integrity using fish communities．Fisheries，1981，6：21～27
15 Kira T．Ogawa H．Assessment of primary production in tropical and equatorial forests．Productivty of Forest Ecosystems．Paris：UNESCO，
1971．309～ 321
16 Odum E．P．Input management of production system．Science。1989。243：177～182
17 SchaeferD．J．，Henricks E．E．，KersterH．W．Measuring ecosystem health．Environm entalManagem ent，1998，12：445-455
18 Regier H．A．Sequence of exploitation of stocks in multi—species fishieries in the Laurentian Lower Great Lake．Joumal of the Fisheries Re—
search Board of Candada，1973，30：1992～ 1999
19 Ra pport D．J．，Regie H．A．，Hutchinson T．C．Ecosystem beha~our under stree．The Am erican Naturalist，1985，125：617-640
20 Colby P．J．Alewife dieoffs：why do they occur9 Lirnnos，1971，4(2)：18～27
21 Karr J．R．Biological integrity：A long—neglected aspect of water resource management．Ecological Applications，1991，1：66-84
22 Franldlin J．F．，Fo rman R．T T．Creating landscape patterns by forest cutting ：Ecolog ical eonsequences and principles．Landscape Ecology，
1987．1：5～ 18
23 Ra pport D．J．What is clinical ecology?Ecosystem Health—New Goals in Environm ental Managem ent．Washington D．C．Co velo，Califomia，
Islan d Press，1992．144～ 156
24 Ra pport D．J．The stress—response environm ental statistical system and its applicability to the Laurentian Lo wer Great Lakes．Statistical Journal
of the Unite Nations ECE，1983，1：377～ 405
25 Bird P．M．，Ra pport D．J．State of the Environm ent Report for Canada．Canadian Government Publishing Center，1986．264-265
26 Harris H．J．，Harris V A．，Regier H．A．Importance of the nearshore area for sustainable redevelopment in the Great es with observations
on the Baltic Sea．Am bio。1988，5：163～261
27 Hilden M．，Ra pport D．J．Four centuries of cumulative impacts on a Finnish fiver and its estuary：and ecosystem health-approach．J Aquatic
Ecosystem Health，1993，2：261-275
28 Odum E．P．Trends expected in stressed ecosystems．Bioscience，1985，35：419-424
29 Ra pportD．J．What constitutes ecosystem health?Perspectivies in Biology and Medicine，1989，33：120- 132
第 3期 张志诚等：生态系统健康研究现状及其定量化研究初探 187
30 SchindlerD．W ．Effects of acid rain on freshwater ecosystem．Science，1988，239：149～ 159
31 Whitford W．G．Desertification：implications and limitations of the ecosystem health metaphor．Evaluating and Monitoring the Health of
Iarge-seale Ecosystems．Spring er—Verlag．1995．273～294
32 Rapport D．J．Symptoms of pathology in the Gulf of Bothnia(Baltic Sea)：ecosystem response to stress from human activity．Biological Journal
of the Linnean Society，1989，37：33～49
33 Minns C．K．，Moore J．E．，Schindler D．W ．，et a1．As．sessing the potential extent of damage to inland lakes in eastern Camda due to acidic
deposition IV：predicted impacts on species richness in seven groups of aquatic biota．Canadian J．Fish Aquatic Sic．，1990，47：821～830
34 Mirms C．K．Use of models for disruption and human health：the next chalenge to public health．Aust．Journal of Public Health，1992，16：
3～ 5
吉 林 市 大 力 推 进 生 态 经 济 市 建 设
吉林市以生态省建设为契机，稳步推进生态经济市建设。为加强生态建设和生态保护工作，吉林市成立
了生态建设领导小组，编制完成了《吉林市生态经济市总体规划》，并经吉林市第十二届人大常委会第 36次
会议审议通过，现正在组织实施。该市召开了全市自然生态保护工作会议，对全市的自然生态保护工作进行
全面部署，开展了吉林市生态环境现状调查，为生态建设提供了翔实的基础资料，有力地促进了生态建设工
作的开展。为促进自然资源的永续利用，吉林市各有关部门相互协调、密切配合，加强了自然资源和生态农
业的建设。各级政府本着因地制宜、合理规划、依靠科技、适当投入、全面发展的原则，相继建成了初具规模
的“四位一体”、“六位一体”的生态经济模式。各县(市)区都建成一定规模的生态示范乡镇，所辖磐石市、舒
兰市的生态县建设也取得明显的工作成效，促进了农村生态建设和环境保护工作。同时通过调查研究和综
合治理，加强了对松花湖风景区自然资源的环境保护工作，制定了“松花湖水污染防治管理办法”。通过查处
乱捕滥杀野生动物的违法案件，强化了野生动植物保护工作。吉林市围绕着“富民强市”的发展目标，不断加
大生态环境保护力度，特别是近年来吉林市提出实现“三个率先”(以全面建设小康社会为核心，率先发展，率
先全面建设小康社会，率先基本实现现代化)和推进“四市”(工业强市、文化名市、旅游大市和具有一定魅力
的国际花园城市)建设的宏伟目标，以“保护环境、促进发展、为民造福”为立足点，实施“蓝天、碧水、安静、生
态、巩固达标”五大工程，突出解决制约经济发展、影响城市品位和百姓生活的环境难点问题，使吉林市在经
济持续增长的同时，环境污染基本得到控制，城市环境基础设施建设水平有了较大提高，生态保护建设初具
规模，到2003年末城区大气总悬浮颗粒物年日均值为 0．3mg／m3，比 1997年下降0．162mg／m3；松花江吉林
江段高锰酸盐年日均值为5．49mg／L，比 1997年下降0．43mg／L，出境水质达到国家地面水Ⅲ类水质标准；区
域环境噪声平均等效声级 55．6分贝，比1997年下降0．8分贝，吉林市环境质量得到较大改善。吉林市自然
保护和生态建设的加强，为全面开展生态经济市建设，实施可持续发展战略提供了有力保障。
(黄正夫 中国生态经济学会 北京 100734)