全 文 ：证据权重法及其在近海沉积物环境质量
评价中的应用研究进展*
吴摇 斌1,2 摇 宋金明1**摇 李学刚1 摇 袁华茂1 摇 李摇 宁1
( 1中国科学院海洋研究所海洋生态与环境科学重点实验室, 山东青岛 266071; 2中国科学院大学, 北京 100049)
摘摇 要摇 目前,我国近海沉积物的评价主要采用化学方法,但随着结合化学、毒理及生态等权
重水平的证据权重法在科学性及可操作性上日趋完善,证据权重法在我国近海沉积物环境质
量评价中的业务化应用的时机已趋成熟.证据权重法是一种基于多重权重水平,通过衡量各
沉积物数据信息的质量、权重以及一致性,来评估沉积物中包括致污物在内的环境胁迫可能
引起的生物有害效应的方法,是现存唯一的可为沉积物环境质量状况提供确定性结论的方
法.本文回顾了沉积物环境质量评价发展历程,分析了近年来国内外关于证据权重法的研究
进展,总结了该方法的不同定义和主要的证据权重评价的信息解译手段,探讨了不同评价方
法的可靠性,并就将该方法用于我国近海沉积物环境质量评价提出相关建议.
关键词摇 证据权重法摇 综合评价摇 沉积物质量评价摇 沉积物
文章编号摇 1001-9332(2013)01-0286-09摇 中图分类号摇 X822摇 文献标识码摇 A
Weight of evidence (WOE) approach and its application in sediment quality assessment of
coastal ecosystem: A review. WU Bin1,2, SONG Jin鄄ming1, LI Xue鄄gang1, YUAN Hua鄄mao1, LI
Ning1 ( 1 Key Laboratory of Marine Ecology and Environmental Sciences, Institute of Oceanology,
Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, Shangdong, China; 2University of Chinese Academy
of Sciences, Beijing 100049, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2013,24(1): 286-294.
Abstract: At present, chemical approaches are the main tools adopted to assess the contaminated
sediments along China爷s coast. However, with the crucial progress of weight of evidence (WOE)
approach in both logic and practice, this approach is getting available to be applied in the sediment
quality assessment of our coastal ecosystem. By incorporating the levels of evidences such as sedi鄄
ment chemistry, toxicity and benthic community ecology, WOE forms an integrated approach to as鄄
sess the potential adverse biological effects of environmental stressors mainly toxic substances by
reconciling the information from multiple relevant lines of evidences and by weighing the data quali鄄
ty, study design, and other factors, being the sole means currently available to characterize the ac鄄
tual sediment quality and to reach an environmental decision. This paper reviewed the history of
sediment quality assessment and the progress of WOE research in coastal sediment, summarized the
variety of WOE definitions and interpretive techniques with reliability analysis, and discussed the
limitations of WOE in theory and practice. Several improvement suggestions were proposed associat鄄
ed with the prospects of WOE research to advance the coastal sediment quality assessment in China.
Key words: weight of evidence (WOE) approach; integrated assessment; sediment quality assess鄄
ment; sediment.
*国家海洋局环境评价项目[DOMEP(MEA)鄄01鄄01]和国家自然科
学基金委创新研究群体科学基金项目(41121064)资助.
**通讯作者. E鄄mail: jmsong@ ms. qdio. ac. cn
2012鄄03鄄04 收稿,2012鄄10鄄08 接受.
摇 摇 近海生态系统受人为干扰明显,由人为活动引
发的各种环境胁迫不断改变和降低包括沉积物在内
的整个近岸生态系统的结构和功能.目前,我国近海
沉积物的评价主要采用化学方法,其研究主要存在
4 个方面的不足:首先,近海生态系统的研究多聚焦
于水体环境质量,对沉积物的关注相对较少. 实际
上,由于累积作用,有毒、有害化学物质进入沉积物
后,其浓度远高于水体中浓度,因此,沉积物污染应
引起足够重视[1] . 其次,沉积物作为一个极其复杂
应 用 生 态 学 报摇 2013 年 1 月摇 第 24 卷摇 第 1 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jan. 2013,24(1): 286-294
的体系,仅依赖化学方法对其评价不能解决生物有
效性等方面的问题.第三,沉积物污染的研究往往仅
考虑化学污染的胁迫,这显然不够,除化学污染外,
生态系统环境还受迫于如底栖生境变化、生物入侵
等因素[2] .最后,沉积物质量基准(SQGs)在一般的
环境管理中充当主要的评价工具,用来区分致污物
的类型和强度,却无法进行污染鉴定,即确定致污物
能否产生污染和效应.因此,沉积物环境质量评价需
要结合化学浓度、毒性测试、底栖生物群落结构、生
物富集等多维参数,采取适当的信息处理方法,对沉
积物信息进行解译. 即沉积物环境质量评价既要体
现在不同证据权重的结合,又要加强多重证据权重
信息处理与解译,采取综合评价的策略.而证据权重
法(weight of evidence,WOE)可以实现上述目标,是
沉积物综合评价的最佳选择.
证据权重法广泛应用于商业、公众和环境健康、
科学决策、政府管理以及法律等风险评价活动,在环
境科学领域,常以生态风险评价的形式出现,而在沉
积物环境质量评价领域的应用则是最近 20 多年才
出现的.证据权重一词既可指科学证据本身,也可表
示解译方法或理论基础,就解译方法而言,证据权重
方法是指使用多重证据权重,结合一系列定性、定量
手段,对信息进行判断,得出确定性结论的评价方
法[3] .本文从回顾沉积物环境质量评价发展历程出
发,在证据权重法的概念和信息解译工具 2 个方面
对该方法的研究进行总结,着重分析其信息解译工
具及其优劣,在此基础上,结合我国近海沉积物评价
方法研究与应用现状,强调了未来的研究重点,并展
望了其发展前景.
1摇 沉积物环境质量评价发展历程
根据出现时间和发展状况,沉积物环境质量评
价方法可分为 3 个阶段. 第一阶段(1980 年之前),
这期间的研究主要采用地球背景值等化学评价方
法,考察沉积物在污染发生前后的化学物质组成及
含量特征,由于不能表征沉积物中的致污物可能引
发的生物效应,其评价结果缺乏生态相关性.
第二阶段(1980—2002 年),以 SQGs 的出现并
迅速成为主要的评价工具与手段为标志,沉积物评
价自此迈入了基于生物响应的新阶段.按制定原理,
SQGs分为理论型和经验型两种,其中,经验型基准
是一种基于受试生物(底栖生物)的毒性效应排序
的方法.常见的基准有生物效应数据库法、平衡分配
法、沉积物质量三元法等十几种,目前应用最为广泛
的是生物效应数据库法、平衡分配法,而沉积物质量
三元法则发展成为以沉积物化学、毒理与底栖生物
生态为基础的综合评价方法.单一的基准,各具不同
的优点与不足,选择最优基准成为一个难题,所以发
展起了基于现有的一种或多种基准的改进形式,如
一致性基准(CBSQGs),它已经成为主流的评价工
具,广泛应用于北美、欧洲的沉积物评价研究与实
践.但事实上,SQGs 也存在先天的不足:首先,多数
经验型基准并未考虑沉积物中化学物质的相互作
用,所观测到的毒性效应被平均分配到所有测定的
化学物质,这可能导致对某些致污物毒性的低估或
高估,造成相应的欠保护与过保护问题;其次,基于
毒性效应排序的基准并非建立在特定的致污物与生
物效应之间直接或间接的关系之上,无法反映致污
物与生物负效应之间的因果关系;最后,这类基准仅
从基因、分子水平或生物个体水平上的生物毒性来
判定致污物的生物效应,而并未扩大到整个底栖生
态水平上的生态相关性.因此,即使沉积物中同时检
测到的致污物化学浓度超过基准规定的生物有害效
应阈值上限,也并不意味着其就一定存在损害风险,
即便存在损害风险也不能排除是由化学胁迫以外的
其他因子(如底栖物理环境的改变)造成的. 所以,
经验型基准的应用需要结合进一步现场与室内调查
以确认或排除某种可能风险.
第三阶段(2002 年以后),以 2002 年美国环境
毒理与化学学会(SETAC)Pellston 研讨会的召开为
标志,它全面回顾了 SQGs 的科学基础、应用情况与
存在不足,确立了以证据权重法为基础的沉积物质
量评价体系,剖析了该方法存在的问题及应用前景,
相关内容在权威杂志 《Human and Ecological Risk
Assessment》2002 年第 8 期集结出版,自此沉积物质
量评价迈入综合评价阶段. 随着方法体系的不断完
善和大量信息的积累,基于证据权重法的层式评价
框架(tiered framework)方法应运而生,如澳大利亚
和新西兰环境保护委员会与农业和资源管理委员会
(ANZECC / ARMCANZ)确立了重金属和有机致污物
的两种层式评价框架[4];荷兰也采用了层式评价方
法对沉积物进行评估,作为环境修复的依据. 实际
上,在沉积物评价领域,证据权重法的雏形是沉积物
质量三元法,包括但不限于此方法.通过将潜在生物
效应与引发原因(主要指化学胁迫)联系起来,证据
权重法成为现存的评价沉积物质量最主要的方法.
总之,沉积物环境质量评价在评价指标上已从
单一化学评价发展成为以化学评价、生物评价为主
7821 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 吴摇 斌等: 证据权重法及其在近海沉积物环境质量评价中的应用研究进展摇 摇 摇 摇 摇
的基于多重证据权重的评价;在方法体系上,从单纯
的背景值法,经过毒性效应排序法,发展到以证据权
重法为基础的综合评价方法,后者成为近海沉积物
环境质量综合评价的主要方法.
2摇 证据权重法的涵义
作为证据本身的证据权重法,涉及到多重证据
权重,如沉积物化学、沉积物毒性测试和底栖生物生
态等传统权重,以及生物放大、毒性鉴定评估等其他
十几种附加权重,这也是多数研究所强调的,但缺乏
对不同权重水平的定性、定量分析[5],因此,作为信
息解译工具的证据权重法,进一步深化了该方法的
内涵,主要包括最佳专业评判(BPJ)、多元统计分
析、排序和指数,还包括由 2 种或 3 种上述方法综合
的方法,如决策矩阵表.但对于所有的证据权重法而
言,都在一定程度上结合了 BPJ,因为就该方法体系
而言,其本身就是一种专家评判的方法[4] .
由于证据权重法在字面含义及具体的解译方法
上存在模糊,Weed[3]特别指出任何这方面的研究都
应完整、详细地描述“证据权重法冶的概念及其解译
方法. Menzie 等[6]将环境领域的 WOE 法定义为以
测试指标(measurement endpoint)来衡量环境胁迫是
否造成显著损害风险的方法.而 Chapman 等[7]进一
步将应用于沉积物环境质量评价的 WOE 定义为:
基于多重证据权重确定可能的生态影响的方法,并
将其分为定性、半定量及定量的方法. Burton 等[5]和
Linkov等[8]基本沿用该定义,但均认为应进一步从
概念、解译方法等方面对上述方法进行标准化以提
高其决策水平的透明度与可用性. 证据权重法在沉
积物环境评价中的雏形是 Long 和 Chapman[9]提出
的沉积物质量三元法,它也是沉积物综合评价中最
早标准化的评价方法[2] .
尽管对于证据权重评价的定义有了相对清晰的
概念,但是对于开展 WOE 评价方法与程序既没有
标准,也没有共识. 鉴于此,Adams 等[10]提出,应该
建立一个普适、理论可行且实际可操作的证据权重
框架. 将标准化的 WOE 应用于沉积物环境质量评
价是近年来才出现的[11-13],随着证据权重法在构成
与方法体系上不断改善,初步形成了包括生物放大
在内的四重证据权重的标准体系[14] . Bay 等[15]和
Bay和 Weisberg[16]则针对评价尺度问题,改进决策
矩阵表,建立了标准的评价框架,相对于先前的标准
程序,其进一步确立了包括沉积物化学阈值以及毒
性、生态等评价指标相对于对照沉积物的显著变化
水平.
总之,作为信息解译工具的证据权重法是近海
沉积物评价关注的重点,本文通过综合前述几种分
类,将证据权重法重新归纳、划分为 3 类共 7 种方法
(表 1),其中定量的证据权重法在以往的研究中较
为少见,基本上来源于人体健康风险评价.
3摇 证据权重法的解译工具
3郾 1摇 定性方法
3郾 1郾 1 最佳专业评判摇 最佳专业评判(BPJ)是证据
权重法的重要评价手段,它是一种针对特定沉积物
站位,基于可获得信息,以专家评判来确定生态风险
的方法.该方法既是环境质量信息解译工具,同时也
是最终决策的工具,证据权重评价的最终评价决策
有赖于这一专家评判. 一般的数据解译方法本身并
不能给出沉积物质量的评价结果,所以 BPJ 是证据
权重评价不可或缺的组成部分,尤其在仅有少量的
数据且数据的不确定性水平较高的情况下,BPJ 比
其他半定量(如排序、指数)和定量方法(统计方法)
更适合.与统计分析方法相比,BPJ具有更好的生态
相关性,对特定站位的评价结果可靠性高,但对大于
区域程度上的多站位评价则需要借助其他信息解译
表 1摇 应用于沉积物评价的证据权重法及其优缺点
Table 1摇 Interpretative tools of ‘weight of evidence爷 and their advantages and limitations
类别
Category
摇 摇 解译方法
Interpretative method
优点
Advantage
不足
Limitation
定性方法 最佳专业评判 适用性强、判别效率高 过度依赖数据、研究设计
Qualitative method 决策矩阵表
半定量方法 排序 使用方便、性价比高 灵敏度低、易误用
Semi鄄quantitative method 指数
定量方法 对照沉积物法 生态相关性强、灵敏度高、科学逻辑严谨
数据要求高、需要专业的技能、评
价结果可比性差
Quantitative method 定量概率估算法
累积响应法
基于软件的方法
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手段,如决策矩阵表.
3郾 1郾 2 决策矩阵表 摇 决策矩阵表 ( tabular decision
matrix)是一种将专家评判方法通过特定程序固定
下来的标准评价体系. 在将不同信息整合到决策表
之前,它先用定量或半定量方法将不同的权重水平
予以总结,压缩环境质量信息. 随后,通过使用响应
符号(“+ / -冶或“荫 / 因 / 茵冶),协调证据之间的不一
致信息,以取否机制(pass / fail)来筛选获得一致的
环境质量评价信息,并将该信息整合成一个合理的
环境质量解释,得出评价结果.该决策过程全程以可
视化的形式,使评价透明度得到很大的提高[7];同
时,其判别效率与准确程度较其他信息解译工具高,
具有良好的业务化应用潜力.
决策矩阵表最早是由 Chapman[17]制定,它由沉
积物化学、毒理和底栖生态 3 个权重水平组成,以两
重响应方式(以“+ / -冶表示,代表与对照沉积物或控
制沉积物是否存在显著差别)来协调不同的环境质
量信息,并得出 8 种可能的评价结果. Grapentine
等[18]对上述体系进行了改进,增加了生物放大这一
证据权重,以“+ / -冶方式得到包括 16 种有关沉积物
环境质量的可能评价结果。 此外,该研究还定量赋
予不同证据权重的强度响应等级(1 ~ 4),以辅助环
境决策.为了进一步扩大该方法在更大空间尺度上
的应用,改善评价结果的可重复性,Bay 和 Weis鄄
berg[16]再次改进前述决策矩阵表,通过结合底栖生
态与沉积物毒性测试结果反映沉积物生物退化是否
发生及程度,综合沉积物化学与沉积物毒性测试结
果以揭示生物有害效应是否发生及程度,同时将证
据权重定性划分为 4 类响应强度 (最小、低、中、
高),得到 64 种可能情形及最终 6 种可能评价结果
的评价框架.进一步的可靠性评估显示该决策矩阵
框架具有更大的空间尺度评价能力[13] . Chapman 和
Anderson[14]则进一步完善了上述体系,细化并明确
了各基元的排序规则,定义了不同证据权重的“荫 /
因 / 茵冶三重响应方式所代表的沉积物环境质量差
别,重新制定了包含 16 种可能评价结果的决策矩阵
表,其中 6 种可能情形为确定性的决策选项,而剩余
的 10 项则需要进一步的补充调查,该体系更加科学
合理,已经成为标准的数据解译工具之一.
本方法已经发展成为一种成熟的数据信息解译
工具,但也存在一些不足,如过度依赖数据、研究设
计质量、专家水平等因素,其准确性和评价效率都有
待进一步的改进与提高.
3郾 2摇 半定量方法
3郾 2郾 1 排序摇 排序法是根据沉积物质量信息,将效
应指标按数值大小或者不同符号进行排序,以此判
断沉积物质量相对优劣的方法. 该方法包括 2 种形
式:评价沉积物之间的相对环境质量优劣、不同证
据权重之间的效应水平. 前者如 Wildhaber 和
Schmitt[19]提出的危害排序方法,它针对传统化学鄄
毒理鄄生态等证据权重,分别求得各自相对沉积物质
量基准、毒性试验对照组毒性阈值的排序以及底栖
生物群落的平均耐污度后,以相同权重计算三者的
平均排序数值大小;后者则可以分为 2 种情况,包括
证据权重内部及之间的排序. Menzie 等[6]最早将证
据权重的概念引入到生态风险领域,在其研究中制
定了一种基于专家评判的排序方法,首先定义了评
价指标( assessment endpoint)和测试指标(measure鄄
ment endpoint)两组概念,前者指能够保护生态系统
的实际环境目标;后者指用于评估评价指标的证据
权重,是具体的测定或计算的参数,并设定了测试指
标的 11 种属性(定义为某测试指标在多大程度上
能代表其相应的评价指标的特性),经 10 个经验丰
富的沉积物环境质量评价专家对上述属性的相对重
要性 评 估, 获 得 代 表 其 相 对 重 要 性 的 赋 值
(0. 2 ~ 1. 0),并将各评价指标的响应水平划分为 5
个等级,对应数值 1 ~ 5,将各测试指标赋值与响应
水平等级相乘并相加后除以 5,得到各评价指标的
权重.作为最早的半定量方法,该体系既能通过筛选
最相关的测试指标和量化的评价指标权重对沉积物
环境质量进行评价,同时包括了证据权重内部及其
之间的相对排序. Grapentine 等[18]在改进决策矩阵
表时,以排序的方法将不同的基元(或者评价指标)
根据响应水平,赋予数值 1 ~ 4,以协助最终的环境
决策. Chapman等[7]也提出了一种基于符号的计分
方法,用 3 个不同符号对应不同的计分等级,以评价
海洋沉积物等环境介质. Reynoldson 等[20]根据毒性
指标与对照沉积物平均值的偏离程度,分别赋予数
值 1 ~ 3,并采用 2 种排序方法对沉积物毒性效应进
行分级.
3郾 2郾 2 指数摇 指数被定义为一种通过特定公式计
算,对大量数据进行总结的数值[21],或者可以代表
数据信息特征可视化的符号[22] .它与排序的区别主
要在于指数不仅能根据数值大小进行相对质量的比
较,而且能根据经验赋予的不同阈值区间代表特定
的环境质量等级.它包括单一证据权重指数和综合
多重证据权重的总指数. 这些指数将多维的沉积物
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质量信息转化为无量纲的单一指数值或可视化图
像,提供了综合的环境质量评价结果.
指数最早以参考比率(RTR) [9]形式出现,将沉
积物质量信息与参照沉积物(清洁的、污染的)比
较,由于反映了沉积物环境质量 2 种极端情况,该指
数具有广阔的应用前景.而以 RTR为基础的基轴图
法,由于信息过度压缩,反而忽略某些重要信息,尤
其是生物效应.因此,基轴图法的科学基础与可靠性
不断遭到质疑,并最终由制定者本人否定[11] .
以沉积物质量三元法为基础的综合指数是沉积
物质量评价中的常见方法,它集成了全部证据权重
信息.十几年间,陆续发展了多种综合指数,如 Shaw
等[23]应用健康状态指数(HSI),将沉积物化学、组
织残毒和生物标志物等权重水平综合起来,将其划
分为 5 个质量等级. Semenzin 等[24]定义了 3 个子指
数的同时,采用多标准决策分析(multicriteria deci鄄
sion analysis,MCDA)将所有子指数综合起来,得到
包含 5 个质量等级的综合效应指数 IEI,并将其初步
应用于意大利的土壤环境质量评价. Grapentine
等[25]基于加拿大水体质量指数,也构建了用于五大
湖(the Great Lakes)沉积物评价分级的沉积物指数
(SQI),根据水体质量等级划分,同样将沉积物划分
为 5 个不同的等级. Long 等[26]为华盛顿州生态部制
定了适用于 Puget湾的四等级沉积物质量指数(SQ鄄
TI).此外,还有一些结合参数筛选的综合质量指数,
如 Cherry等[27]构建的生态毒理等级指数(ETR),以
及对该指数体系中底栖参数进行优化后获得的生态
毒理等级指数(METR) [28] .
排序和指数的信息解译方法可显著降低沉积物
评价的复杂性,具有较强的可操作性和较高的性价
比,有利于环境部门的业务化应用与管理. 然而,由
于大量信息尤其是生物数据的丢失,其结果远不能
代表真实的生物或环境情况,单独使用可能得出误
导性的评价结论[21,29] . 因此,它们不能用于设定环
境管理要求,如排放阈值、环境修复目标等. 排序或
指数的使用必须在合适的条件之下(指数阈值只适
用于特定站位或者区域),且需要结合其他信息处
理手段,如多元统计分析.
3郾 3摇 定量方法
3郾 3郾 1 对照沉积物法摇 对照沉积物法(RCA)是一种
通过建立代表未受污染的沉积物站位数据库,以其
作为比较标准的沉积物质量的评价方法,它根据待
评价沉积物与对照沉积物的偏离程度判断生物效应
的强度. Reynoldson 等[20]基于该方法,对大型底栖
生物群落结构的改变和毒性效应的评估等生物效应
数据进行处理,其步骤是:首先建立对照沉积物生物
效应数据库,使用聚类分析等手段检查对照沉积物
的生物效应正常变率,并将其进行分类;随后,以多
重判别分析建立毒性预测模型,将观测到的生物效
应变率与环境特征联系起来;最后,将上述对照区域
沉积物画入排序空间,绘制概率椭圆,以欧几里得距
离作为系数,比较受试沉积物生物效应的观测值和
数据库的预期值,确定测试沉积物的效应水平.
3郾 3郾 2 定量概率估算法摇 定量概率估算法(QEP)使
用对照沉积物作为评价基础,计算各证据权重的大
小,并采用优势比(或称比值比,OR)将这些信息综
合起来,以损害概率表示沉积物可能存在的风
险[30] . OR被定义为 p / (1 -p),其中,p 代表某个证
据权重发生损害的概率.根据对照沉积物的情况,评
估待研究的沉积物与对照沉积物相同的概率,据此
将其划分为受损害或未受损害 2 种等级. 该方法的
重点在于确定计算对照沉积物的模型以及距离的定
义,以确定概率.概率的计算方法如下:首先,比较测
试沉积物与对照沉积物,计算表征待评价沉积物与
对照沉积物偏离程度的距离;然后,计算测试沉积物
与对照沉积物和受损沉积物相同的概率,并对所有
权重水平进行概率计算;最后将概率转化为比值比
并进行综合,得到沉积物总比值比,以此表征其相对
于对照沉积物的偏离概率.
3郾 3郾 3 累积响应法摇 Bailer 等[31]提出一种以综合 P
值(pooled P鄄value)定量计算待评价沉积物相对于
对照沉积物的生物响应变化情况的方法.此 P 值被
定义为相对于对照沉积物中生物效应“无响应冶的
分布情况[32],通过标准的元分析,将所有 P值综合,
获得以对照沉积物为质心,并以其为起点的距离分
布,通过计算各待评价沉积物与该质心的距离,以超
出距离与真实距离之比作为经验 P 值,结合效应强
度将测试沉积物的生物效应根据 P 值的大小,划分
为 4 种质量等级.
3郾 3郾 4 基于软件的方法 摇 近年来,陆续出现了一些
基于软件的新型数据解译方法,尽管基本上还是采
用多元统计分析,但进一步优化了评价过程,提高了
评价决策的透明度. 如 Gottardo 等[33]结合基于 GIS
的决策支持系统,用模糊推理系统( fuzzy inference
system)综合 5 种证据权重,对西班牙 Llobregat河水
体环境质量进行了评价;进一步的评价结果分析显
示,该方法很好地解释了化学胁迫与生物效应之间
的关系[34] . Piva 等[35]发展了一种基于逻辑流程图
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的综合评价软件,详细解释了化学胁迫与生物效应
之间的对比、综合关系,其评价结果显示上述模型能
有效区分沉积物环境质量等级,有助于提高沉积物
等复杂体系的评价效率. 鉴于沉积物环境质量信息
的多维性及复杂性,Linkov等[36]建议采用多标准决
策分析(MCDA)支撑证据权重法的应用.
上述定量方法的共同特点均是先通过定义背景
沉积物的生态效应特征,确定最小的环境胁迫暴露
下、相对清洁的背景沉积物的物理、化学及生物特征
参数,以此为基础,以测试沉积物生物效应水平显著
偏离对照沉积物生物效应(含自然变率)定义为受
影响的效应水平,表示沉积物环境质量受到损害,并
以偏离程度作为衡量损害强度. 这些基于多元统计
的定量方法具有相对完备的科学基础,但仅适用于
存在大量沉积物质量信息的情况,要求先建立背景
沉积物的生物参数信息数据库,而且还需要专业的
统计技能,因而应用受到限制[4] . 在实际应用中,不
同方法的评价结果之间也存在较大差异,因此,需要
继续加强定量方法的改进研究,不断提高方法的可
靠性及不同方法评价结果之间的可比性、一致性.
4摇 应用案例与分析
作为一种基于多维信息的决策方法,证据权重
法在我国的应用研究集中于矿藏资源勘探与评价、
环境地质评估领域,如成矿预测[37-39]、矿藏资源潜
力评估[40-41]、流域地质稳定性评估[42]、栖息地适宜
性评价[43]等.在近海生态系统环境质量评估方面,
证据权重法的评价思想尽管时有运用,但与本文所
述的证据权重法有明显区别,主要集中在生物效应
权重水平的构成及关注重点上.如张秋丰等[44]通过
分析海洋生物、沉积物环境、水环境和生物残毒等信
息,采用我国的“河口及海湾生态系统生态环境健
康评价方法冶综合评价了近岸生态系统环境质量.
该方法是一种侧重于生态系统结构和功能的综合评
价方法,与侧重以化学污染为主的证据权重法不同;
就沉积物评价而言,该方法仅考虑了硫化物和有机
碳 2 项物理鄄化学参数,基本上仅具参考作用,不能
做出沉积物环境质量评价决策. 陈朝华等[45]、陈克
亮等[46]也开展了类似的基于生态系统一体性的综
合评价,就沉积物评价而言,前者筛选了重金属、持
久性有机污染物等污染因子,且同时进行了底栖生
物的简单结构测定,但并未结合 2 种权重水平以综
合反映沉积物质量;后者则只测定了沉积物和生物
体中重金属和有机污染物,并未开展底栖生物群落
结构研究.而文梅等[47]通过双台子河口沉积物中多
种物理鄄化学信息的综合处理,建立了一种多标准的
指数评价方法,但由于未纳入实际观测的生物效应
权重水平,预测的化学胁迫可能导致的有害效应没
得到验证.总的来说,在沉积物环境质量评价领域,
证据权重法的构成是以结合沉积物化学鄄沉积物毒
性测试鄄底栖生物生态的等证据权重为基础的,其关
键在于建立环境胁迫和生物响应之间的联系,并鉴
别待测站位是否存在损害.目前,国内关于证据权重
评价体系的应用,在胁迫鄄效应关系的建立、验证及
评价尺度的推移上存在一定的欠缺.另外,由于缺乏
足够的沉积物毒性测试方面的研究,以及尽管开展
了不少的底栖生物生态评价,但其结果没有很好地
与化学评价结果进行综合、对比,导致了证据权重的
综合评价方法较少应用于我国近海沉积物环境质量
评价研究中.对于结合沉积物化学鄄底栖生物生态的
初步综合评价法,尽管在我国很早见诸报道,如王化
泉和赵丽云[48],但后续报道很少,没能得到进一步
的发展.
证据权重法是北美、欧洲等地的主流评价方法,
应用较广泛.如 Hartwell 等[49]发展了一种综合评价
指数用于评价美国 Chesapeake 湾沉积物环境质量
及其主要的污染因子. Ramos鄄G仵mez 等[50]在西班牙
C觃diz湾、Santander湾,Benedetti等[51]在意大利威尼
斯潟湖均开展了此类综合评价.此外,该方法近些年
在南美洲也得到了很好的应用,如 Paixao 等[52]综合
评价了 Camamu湾红树林沉积物的环境质量并分析
了其影响因素.总的来说,上述最新研究实例均在暴
露鄄效应因果关系的构建以及评价程序简化两方面
取得了进展.
证据权重法强调多维信息的综合,通过降低数
据维数,进而得出环境质量评价结果,为环境决策提
供了更全面的沉积物环境质量信息[5] . 但是,它也
存在一些不足:评价实施过程费时、耗力,而且在沉
积物样品采集与储存,以及沉积物化学、毒理和生态
等权重水平的测定过程中存在很大的不确定性[15],
成为证据评价不确定性的重要来源,严重影响评价
结果.从理论角度分析,目前该方法对致污物与沉积
物体系的相互作用、自身的复合作用以及非化学胁
迫对底栖生物的作用等过程缺乏相应成熟的考虑与
解决方案,可能导致不全或者错误的化学污染鄄生物
效应关系,增加评价的不确定性[10,16] .
5摇 结论与建议
经过多年的发展,证据权重法已经发展成相对
1921 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 吴摇 斌等: 证据权重法及其在近海沉积物环境质量评价中的应用研究进展摇 摇 摇 摇 摇
成熟的评价方法,在证据权重法的涵义、证据权重的
构成、数据解译工具以及评价尺度、评价过程透明度
等方面的研究有了长足的发展,而且在方法的标准
化与实际实施过程中,方法的可靠性与可操作性有
了很大提高,朝着业务化应用迈出了重要一步.尽管
证据权重法在沉积物环境质量评价研究中取得了很
好的应用效果,但仍然存在一些问题与不足,有待进
一步完善,尤其针对我国近海环境质量评价的现状,
在基础资料的积累以及方法体系的构建等方面与当
代主流的评价思想和评价手段仍存在不小的差距,
为此,应当从上述不足着手,逐步解决如下沉积物评
价的重要问题:
1)致污物作用机理.化学物质的生物有效性评
估是证据权重评价的重要内容,沉积物中的化学物
质以混合物形式存在,致污物之间及与沉积物基体、
底层海水等介质之间均存在相互作用,这些复合作
用在毒性效应方面的表征机理尚不清楚,导致多数
研究将生物效应平均分配给各种致污物.实际上,氨
是沉积物间隙水生物毒性的重要贡献源,而此因果
关系在绝大多数毒性调查中并未体现;另一方面,化
学物质(尤其是重金属)在沉积物与海水两相之间
的分配机理也并不十分清楚,导致一部分基于此的
效应基准预测能力存在不确定性.此外,化学物质的
存在形态及相应的致毒机理研究也需深入研究.
2)筛选适当的评价指标,以提高评价结果的生
态相关性.评价指标的选取很大程度上决定评价结
果的生态相关性.目前,在我国近海的沉积物评价管
理中,评价指标多集中在化学(Cu、Zn、Pb、Cr、Hg 等
重金属)、底栖生物结构的单变量统计结果等少数
指标上,而对于指标的生态相关性、是否具有独立的
生态学功能等都不清楚. 因此,未来工作应致力于
选取出更能反映沉积物真实情况的新型指标体系.
3)构建一致的评价程序与标准,提高评价过程
的透明度.不同的评价方法和标准会导致不一致的
评价结果,且一般情况下,这些评价结果的可重复
性、可比较性较差.沉积物评价很大程度上依赖于专
家评判,将评价过程、标准等关键过程固定成标准的
评价程序,符合环境管理的现实需求.要实现评价体
系标准化,选择什么样的评价标准是关键,这也是目
前学术界共同的难题. 沉积物质量评价有各种评价
标准或阈值,如地球化学背景值,按照不同方法构建
的基准值.对于基准值,已经在不同地区发展了多种
一致性基准,但对于毒性、底栖生物等证据权重的评
价指标与标准的标准化还需要进一步研究,以扩大
业务化应用.
4)发展和改进解译方法,提高方法的可靠性、
降低评价的复杂性. 目前,已经发展了 3 大类近 10
种数据解译方法,但都存在一定的不确定性,改进这
些方法体系,可以提高证据权重评价的可靠性. 此
外,证据权重法的评价过程较复杂,得出的评价结果
可读性差. 因此,要不断发展和改进现有的方法
体系.
5) 评价尺度推移.沉积物质量评价通常是针对
区域性的大尺度,而证据权重评价则仅处于站位水
平.因此,证据权重法的另一个难题是如何将站位上
的评价结果向更大尺度上外推、过渡,因此要加强各
种外推理论、预测模型的研究,减少评价尺度转换引
起的不确定性.
总之,沉积物环境质量评价的不确定性贯穿于
上述 5 个问题中,同时还与数据质量、研究设计和执
行情况等全部证据权重评价过程密切相关,未来证
据权重法应向结果定量化、过程透明化及学科多元
化等方面综合发展,并尽可能多地纳入暴露途径与
生物效应联系的研究,更好、更准确地服务于近海沉
积物研究,提高证据权重法在近海生态系统环境决
策管理中的应用.
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作者简介摇 吴摇 斌,男,1987 年生,博士研究生. 主要从事海
洋沉积物环境质量评价及生物地球化学研究. E鄄mail:
arthurwuio@ hotmail. com
责任编辑摇 肖摇 红
492 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷