全 文 ：美国流域生态健康评价体系的发展和实践*
张摇 华**摇 骆永明
(中国科学院烟台海岸带研究所海岸带环境过程与生态修复重点实验室, 山东烟台 264003)
摘摇 要摇 为了达到《清洁水法》规定的水质目标,美国环境部门在过去 20 多年的实践中逐步
发展形成了涵盖整个流域, 包括水文、化学、生物等多重指标在内的全国性流域综合生态健
康评价体系.该体系已经成为美国流域水质管理系统的重要组成部分,为水环境保护和水生
生态系统恢复提供了有力支持.本文从法律行政框架、生态功能分析、生态健康指标、综合评
价体系和流域监测系统等方面系统总结了美国环境管理部门,特别是联邦环境保护局在流域
生态健康评价方面的发展和实践;并介绍了美国水生资源调查采用的河流、湖泊、河口、海湾、
湿地流域健康评价系统.在此基础上,根据我国水环境保护和治理的实际情况,提出了建立流
域生态健康科学评价和决策支持体系建议.
关键词摇 流域摇 水质摇 生态健康评价摇 环境保护
文章编号摇 1001-9332(2013)07-2063-10摇 中图分类号摇 S152. 7, S512. 1摇 文献标识码摇 A
Assessment system for watershed ecological health in the United States: Development and
application. ZHANG Hua, LUO Yong鄄ming ( Key Laboratory of Coastal Zone Environmental
Processes and Ecological Remediation, Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy
of Sciences, Yantai 264003, Shandong, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2013,24(7): 2063-2072.
Abstract: To meet the water quality goals of the Clean Water Act, the environmental agencies in
the United States (U. S. ) have developed a comprehensive ecological assessment system of water鄄
shed health in the last two decades. The system employs a watershed approach, and includes a
large set of hydrological, chemical, and biological indices, having become an essential part of the
watershed water quality management system in the U. S. and provided strong support for the protec鄄
tion of water environment and the restoration of aquatic system. In this paper, the development and
application of the ecological assessment system of watershed health by the U. S. environmental regu鄄
lators, especially the U. S. Environmental Protection Agency (US EPA), were overviewed from the
aspects of related laws and regulations, ecosystem function analysis, ecological health indicators,
comprehensive assessment system, and monitoring and data management systems, and the health
assessment systems for the rivers, lakes, estuaries, coasts, and wetlands adopted by the National
Aquatic Resource Surveys (NARS) were introduced. Some suggestions for the future development
of the scientific ecological assessment system of watershed health in China were put forward based
on the understanding of the protection and remediation practices of our water environment.
Key words: watershed; water quality; ecological health assessment; environment protection.
*国家自然科学基金项目(41271506)和青年千人计划项目资助.
**通讯作者. E鄄mail: hzhang@ yic. ac. cn
2012鄄10鄄15 收稿,2013鄄04鄄30 接受.
摇 摇 伴随着工业化和城市化进程,我国大量河流、湖
泊、海湾等水体正经受着不同程度的干扰和破坏,造
成水质恶化以及生态功能退化甚至丧失[1] . 国际上
近几十年来水环境保护和治理的实践表明,水体健
康取决于整个流域范围内的社会经济和自然生态状
况,基于流域的管理方法才是解决水环境问题的有
效途径[1-4] .传统上根据单一目标评价和管理水质
的方法已经不能够解决实践中遇到的复杂环境问
题,亟需综合物理、化学、生物手段进行全面的生态
分析,在生态评价的基础上制定保护和治理措
施[5-8] .因此,从生态健康角度对流域水环境进行综
合评价,已经成为环境保护和生态治理科学决策的
迫切需要.
作为一个复杂的生态系统,流域中可能存在各
种类型的生态胁迫因素,这些胁迫因素造成的生态
应 用 生 态 学 报摇 2013 年 7 月摇 第 24 卷摇 第 7 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
Chinese Journal of Applied Ecology, Jul. 2013,24(7): 2063-2072
图 1摇 流域内生态胁迫因子、生态状况和生物群落之间的关系
Fig. 1 摇 Relationship between ecological stressors, ecosystem
condition, and biological communities in a watershed.
干扰会导致流域内水体水文、化学、栖息地状况发生
改变,进而导致河流、湖泊、海湾及湿地的生物群落
状况变化(图 1).在流域生态健康评价中,需要充分
掌握各种胁迫因素及其来源,将对环境状况反映最
灵敏的生物群落作为最终标准,并根据生物群落对
环境条件的响应关系,分析环境生态功能存在的障
碍以及造成障碍的主要胁迫因素[9] .
摇 摇 在流域生态健康评价方面,我国目前仍然处在
起步和探索阶段[1,5-6] .经过 20 多年的积累,美国已
经在实践中逐步建立了涵盖整个流域、包含全面的
生态健康评价指标、针对水体特定生态功能的流域
健康评价体系,并将其纳入了水质管理的法律和行
政框架中,为水质改善和生态恢复提供了有力支持.
为此,本文综述了美国流域生态健康体系的发展和
实践,以期为未来建立适合我国环境保护和治理需
要的相应管理体系提供参考.
1摇 基于流域生态健康的水质管理体系
1郾 1摇 法律行政框架
美国目前的水环境保护治理法规行政体系主要
是基于 1977 年通过的《清洁水法》,该联邦法律提
出了“恢复和保持全国水体的化学、物理和生物完
整性冶的水质目标. 与流域生态健康评价直接相关
的是该法律的 305(b)和 303(d)条款,305(b)条款
规定地方政府(州、保留地、海外领)环保部门负责
每两年对本州河流、湖泊、海湾、湿地等水体进行水
质和功能评价,向国会报告本区水质情况,形成所谓
的国家水质清单报告(national water quality inventory
report);303(d)条款要求地方政府建立水质不达标
的受损水体清单( list of impaired waters),对清单上
的水体建立日最大负荷( total maximum daily load,
TMDL)这一流域尺度上的总量控制规划[10] .联邦环
境保护局 ( United States Environmental Protection
Agency, US EPA)作为负责机构,于 1985 年制定了
联邦法规第 40 条 130 条款(40 CFR Part 130)并随
后进行多次修改,该条款对《清洁水法》相关条款进
行细化,形成了联邦行政体系中主要的水质规划和
管理规定.值得注意的是,该条款明确规定生物监测
评价作为水质监测的组成部分,并要求污染排放对
水生生态系统不能存在明显不利影响. 该系列相互
关联的法律法规构成了联邦层面上流域生态健康评
价的实施基础[11] .
1郾 2摇 水质管理体系
流域生态健康评价是美国整个水质管理体系的
重要一环(图 2),是制定流域环境保护和综合治理
方案的决策依据.基于流域生态健康的水质管理体
系可以概括为以下几个过程:1)通过在整个流域尺
度上全面的动态监测,管理和决策部门可以了解整
个流域生态系统的化学、物理及生物完整性;2)结
合水体的主要生态和社会功能(水生生态功能、人
类健康功能、经济用水功能、水利功能、娱乐休闲功
能等),采用综合评价模型,可以确定流域生态系统
存在的主要功能障碍;3)应用生态健康模型进行胁
迫因子分析( stressor identification),可以确定造成
生态功能障碍的主要物理、化学及生物障碍因子
(如有毒物质、营养物质、入侵物种、土地退化、水利
工程等);4)针对流域范围内的主要生态障碍因子,
在准确的定量生态模型的基础上,明确流域生态功
能的各项物理、化学及生物指标的基准值;5)应用
受纳水体水质模型并基于水域的自净和交换能力,
核算流域环境容量,即保证生态功能达到要求的最
大污染负荷量;6)应用流域模型分析整个流域范围
内各个点源和非点源的污染负荷,通过利益相关方
的协商,建立优化的污染负荷总量控制方案,确定各
个污染源的负荷削减规划;7)在整个流域范围内,
协调利益相关各方共同实施规划管理和综合治理方
案,改善流域生态健康状况[10] .
图 2摇 基于流域生态健康的适应性水质管理体系
Fig. 2摇 Adaptive water quality management system based on wa鄄
tershed ecological health.
4602 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
摇 摇 近年来,适应性管理( adaptive management)方
式被越来越多地引入到流域水资源和水质管理系统
中,这是一种在实践中持续调整、渐进改善的管理体
系.由于流域生态系统的复杂性,人们对流域内的社
会经济活动、气候变化、水文水动力过程、土壤和植
被特性、物质和能量交换过程、生物地球化学反应、
生物活动和毒理过程等的了解存在极大不确定性,
对流域整体生态过程和变化所知有限,所做出的保
护管理和治理恢复规划方案常常不能达到预定目
的.因此,需要在规划制定实施过程中顾及到可能存
在的环境因素变化,持续评估目标完成程度,根据反
馈信息调整规划.长期的流域生态健康动态监测和
评价是适应性流域水质管理的基础,可为环境保护
和治理规划的制定和调整提供完整信息[10] .
2摇 流域生态功能分析
流域作为社会经济和自然环境的复合生态系
统,其健康评价指标和评价方法取决于流域特定的
生态性质和生态功能. 流域所在的宏观生态区域决
定了流域内地质、地形地貌、植被、气候、水文、土壤、
土地利用和野生动物等生态系统特征,对于不同生
态区域的流域需要建立适合当地状况的评价体
系[11] .各地的社会经济状况决定了流域水体的生态
功能和用途,而不同的水体指定用途 ( designated
uses, DUs)也决定着流域健康监测指标和评价方
法[11-13] .在对生态功能受损的流域进行评价的过程
中,通常还需要在相同生态区域内寻找健康的参比
流域(reference watershed)作为比较对象,确定水体
可以达到的生态状况,以及建立各项指标的参比阈
值[14] .
2郾 1摇 水文单元(hydrologic unit)和生态分区 ( eco鄄
region)
流域生态健康评价是基于整体生态系统管理方
法(holistic ecosystem management approach)的理论
和方法,需要进行全国范围内的分级( hierarchical
level)区域划分,在同一区域内的不同流域可以采用
同一评价体系(评价指标和评价阈值).美国地质调
查局(USGS)的水文单元 ( hydrologic unit)分区和
EPA的生态分区 (eco鄄region)是两个具有代表性并
被广泛采纳的区域划分方法.
研究自然和人为过程对水文水质的影响时,流
域作为一个物质输入输出相对封闭的空间单元,被
广泛采用为评价单元. USGS 发展起来的水文单元
地图(hydrologic unit map)为流域水文、水质及生态
管理提供了一个全国统一的标准地理和水文框
架[15] . 1987 年以来,该系统发展成为一个多级系
统,为基本的水文单元提供了 2 ~ 8 位的四级划分,
不同位数的水文单元代码 ( hydrologic unit code,
HUC)代表了不同级别的分类单元. 随着应用的发
展和深入,随后发展的流域边界数据集(watershed
boundary dataset, WBD)进一步划分了 10 位和 12 位
水文单元,形成了六级分区系统并提供了完整的地
理信息系统数据.流域边界数据集与国家水文数据
集(national hydrography dataset)相结合,提供了流域
生态健康评价的基础水文空间数据(表 1).
摇 摇 EPA生态分区 (eco鄄region)是一个多尺度多功
能、结合陆地与水生生态系统并综合显示生态系统
容量和潜能的空间模式的区域划分系统,相同的生
态区域在植被覆盖、生物种群、土壤类型、地质状况、
气象条件及水文特征等方面具有类似的空间模式.
20 世纪 80 年代以来,该系统经过不断细化,已经基
本完成了覆盖整个北美大陆的四级分类,并发展到
五级区划,从而成为流域生态健康评价的分区基础
之一[12] .
在流域生态健康评价的实践中,水文单元和生
态分区通常被同时采用. 水文单元决定了流域评价
的空间范围,根据不同的评价目的和评价尺度,可以
选择不同的单元级别,目前在美国多数地区已经有
比较丰富的数据积累,可以应用 12 位子流域作为基
本评价单元.生态分区决定了评价方法体系,在同一
生态分区内的流域的水文、水质及生态特征相对接
近,具有一定的可比性,因此可以在分区内选择参比
流域,针对性地建立各个分区特定评价指标和阈
值[14] .
目前,中国已经建立了全国范围的生态功能区
划[16-17],但主要是针对陆地生态系统,难以作为流
域生态健康评价的具体依据.尹民等[18]尝试以水资
表 1摇 美国水文单元分类基本情况
Table 1摇 Basic classification of hydrological units in U. S.
单元级别
Hydrologic
unit level
水文单元代码
Hydrologic
unit code
分级名称
Unit name
平均面积
Average
size
(km2)
单元概数
Approximate
number
1 2 位 2鄄digit 区域 Region 459878 21
2 4 位 4鄄digit 亚区域 Subregion 43512 222
3 6 位 6鄄digit 水区 Basin 27444 370
4 8 位 8鄄digit 亚水区 Subbasin 1813 2270
5 10 位 10鄄digit 流域 Watershed 588 20000
6 12 位 12鄄digit 子流域 Subwatershed 104 100000
56027 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 张摇 华等: 美国流域生态健康评价体系的发展和实践摇 摇 摇 摇 摇 摇
源分区为主要依据,同时考虑自然和人为因素,建立
了全国河流生态水文的三级分区.杨爱民等[19]结合
高层单元的定性划分和底层单元的模糊聚类提出了
全国生态水文二级区划. 这两个方案类似于 USGS
水文单元分区,但目前精度较低,尚不足以支持具体
应用.在局部范围内,孟伟等[20]以水文格局、地形地
貌、植被和土壤等作为区划指标,提出了辽河流域层
次的一级二次分区方案. 吴建寨等[21]结合空间分
析、实地调研及专家意见,提出了永定河( 北京段)
河流修复生态功能分区方案,划分 6 个区域并给出
各区段的生态修复调控指标.迄今,我国的生态分区
和水文分区已初步建立了大区域内的高级单元,但
尚未能够细化建立微观尺度上的基层单元,因而在
生态健康评价中的实际应用价值受到限制[22-23] .
2郾 2摇 水体指定用途
水体指定用途(designated uses)是美国水质管
理中的一个重要法律概念,是流域水质和生态评价
体系的重要组成部分,也是制定多数水质基准的基
础,特定水体的指定用途决定了流域水文水质管理
目标. 《清洁水法》对水体指定用途的规定包括了水
体目前用途、自 1975 年 11 月 28 日的曾经用途以及
水体水质可以支持的其他用途. 主要的水体用途包
括:饮用水源(处理 /未处理)、娱乐用水(长期 /短期
皮肤接触)、渔业用水、水生生物栖息地(温水性 /冷
水性)、农业用水和工业用水等.几乎所有的水体都
有多项指定用途,大多数水体都应满足基本的可供
游泳和鱼类生存( fishable and swimmable)的功能.
根据水质分析和生态评价的结果,不能满足指定用
途的水体将进入功能受损水体清单(303d list),各
州环保部门有责任为这些水体制定流域 TMDL. 对
于水质指标优于环境标准的水体,需要应用防止水
质恶化条款 ( antidegradation)以保护这些优质水
体[6,9] .
实质上,水体指定用途的划分包含社会经济和
自然生态两方面的考虑.在法律行政程序上,划分和
改变需要进行用途可达性分析 ( use attainability
analysis),通过公众评议,并得到 US EPA的批准,在
此过程中利益相关方的社会经济考量影响着水体指
定用途划分[9] . 从科学角度看,流域综合生态评价
应该是用途可达性分析的核心内容,流域特定的生
态特性决定着其所能达到的生态功能. 加利福尼亚
州采用的水体指定用途分类系统(表 2)就是社会经
济和自然生态功能分类的混合. 对于不同的水体指
定用途,需要采用不同的物理、化学及生物评价指标
表 2摇 加利福尼亚州使用的水体指定用途分类
Table 2 摇 Designated uses of water bodies in the state of
California
水生生物用途
Aquatic life use
其他用途
Other designated use
温水性鱼栖息地
冷水性鱼栖息地
洄游鱼类产卵区
洄游鱼类摄食区
洄游鱼类越冬区
河口栖息地
海洋栖息地
咸水栖息地
贝类生物栖息地
珍稀物种栖息地
饮用水源
娱乐休闲水域(皮肤接触)
娱乐休闲水域(无皮肤接触)
农业用水
工业用水
渔业用水
水电站用水
航道
防洪水域
野生动物栖息地
地下水补给区
判断水体功能状况[9,24] .
我国的水功能区划将水域划分为自然保护区、
饮用水水源保护区、渔业用水区、工农业用水区、景
观娱乐用水区以及混合区、过渡区等不同功能区
域[25],用于水体环境的评价与管理.在水质标准中,
规定了部分水功能区的指标限值[26] .但目前仍然缺
乏对于不同水域特定功能的用途可达性分析,未能
建立水体功能与生态健康状况之间的联系. 未来需
要在相关研究中识别不同流域水生态功能的区域性
差异及其主要控制因子,建立水体生态功能与生态
健康胁迫因素之间的科学联系,在此基础上针对不
同生态功能建立环境基准.
2郾 3摇 参比状况
评价流域生态健康状况时,需要确定相对没有
或极少干扰情况下流域可以达到(attainable)的生态
功能,进而确定生态功能完整情况下各项生态指标
的背景值,也就是生态健康评价的参比状况( refer鄄
ence condition). 由于地形地貌、土壤类型、自然植
被、气候条件及土地利用方式等生态特性存在巨大
的空间变异性,不可能建立全国统一的参比状况.在
实际应用中,建立参比状况可以采取两种方法———
特定场地参比( site鄄specific reference)和区域参比
(regional reference) [8,14] .
特定场地参比方法建立在同一个流域内不同时
空点的生态调查评价基础上,可以用来评价污染源
单一和生态过程比较简单的流域内的生态功能. 通
过上游与下游的比较、以及历史数据比较等具体评
价方法,可以建立针对特定评价对象和评价目标的
参比状况.对于较大空间范围,以及存在复杂的点源
和非点源污染以及其他生态干扰、多重复合污染、监
测数据不完整等状况的流域,特定场地方法并不适
用[8,14] .
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区域参比方法可以部分克服特定场地参比方法
存在的缺陷,该方法建立在生态分区的基础上,假设
在相同生态分区内的流域具有比较接近的生态功能
和生态特征.在特定生态分区内,可以在初步数据分
析的基础上选择若干个具有代表性的候选流域,然
后通过实地调查和监测确定较少生态干扰、功能相
对完整的流域作为参比流域( reference watershed).
对生态分区内其他流域的评价都将基于与参比流域
的比较.在整个生态分区内流域广泛受到各种干扰,
导致生态功能受损,不能找到合适的参比流域的情
况下,可以采用统计描述确定统计意义上的参比指
标[8,14] .
3摇 生态健康评价指标和方法
3郾 1摇 评价指标
在流域生态健康评价中,可以采用的指标不胜
枚举,大致可分为栖息地指标、水质指标和生物指标
3 大类(表 3).在流域生态健康评价的实践中,不可
能也不必要测定所有评价指标,仅需要根据生态区
域和特定流域的实际状况,因地制宜地选择合适的
指标集.选择评价指标时,应该注意以下标准:1)指
标本身应该具有明确意义,并且能够直接与特定的
生态功能相联系;2)尽量选择能灵敏反映流域内的
生态扰动和污染过程,可以用来确定主要生态胁迫
的因素;3)指标应尽可能容易测定,应尽量选择相
对经济合算的指标;4)评价指标应该具有良好的重
现性,应该存在统一的监测规范[5-6,8,27-29] .
摇 摇 河流、湖泊、海湾和湿地的生物群落是流域生态
健康状况最直接的指标,能够灵敏反映整个流域内
各种化学、生物和物理影响,因此生物健康状况评价
是流域生态健康评价的核心内容. 水体生物群落的
结构组成和功能特性能够反映流域内存在的化学污
染、流域下垫面改变、外来物种入侵、水资源过度利
用、河岸植被带破坏等带来的水质恶化和栖息地破
坏.多指标的生态种群度量( assemblage metrics)方
法已经在生物评价中广泛采用[5-6,8,27-32] .
3郾 2摇 综合评价指数
最初,生物评价(bio鄄assessment)采用的方法是
相对简单的指示生物法和单一指数法. 由于这些评
价方法采用的参数较少,每个生物参数只对特定干
扰反应敏感,而且各参数反映干扰的敏感程度及范
围不同,因此单独的生物参数只能反映狭窄范围的
扰动因素和生态特性,并不能准确和完全地反映整
个生态系统的健康状况和受干扰的强度.多量度指
表 3摇 流域生态健康评价中的常用监测指标
Table 3摇 Commonly used indicators for monitoring of wa鄄
tershed ecological health
大类
Group
指标种类
Indicator type
指标
Indicator
栖息地指标 流域下垫面 面积、土地利用、地形地貌、土壤质量
Habitat 气候 降水、气温、风速、光照、干湿沉降
indicator 水体 断面、弯曲度、底线、湖底海底地形
水文水力 流量、流速、水深、水位、水利工程
河岸带 岸坡稳定性、植被覆盖度及人工干扰
沉积物 基质颗粒组成、化学成分 、生物地球
化学
人为活动 污染排放、地形改造
水质指标 感官指标 温度、气味、浊度、色度、透明度
Water
indicator
离子指标 总溶解固体、电导率、总渗透压、硬
度、盐度
酸碱指标 pH、酸度、碱度
含氧状况 总溶解氧、生物需氧量、化学需氧量
营养物 氮(总量、氨态、硝态、有机态)
磷(总量、溶解态、颗粒态、有机态)
泥沙 总悬浮固体
重金属 颗粒态、溶解态
农药 降解产物
持久性有机污染物 化学形态
新型污染物 抗生素、激素
细菌及其他病原体 大肠杆菌、粪大肠杆菌
生物指标
Biology
indicator
底栖大型无脊椎动
物
着生生物
水生植物
生物完整性指数、多样性指数、均匀度
指数、优势种、生物量、密度、耐污类
群、摄食类群、有毒类群
浮游动物
藻类浮游植物
鱼类
贝类
野生动物
数(multimetric index)方法定义了一系列在生物个
体、生物群落和生态系统尺度上反映种群结构和组
成的度量,然后整合这些度量形成综合指标,因而反
映了影响生态健康的多种胁迫因素[5-6,8,27-32] .
在生物评价中可以采用的种群度量很多,良好
的种群度量应该具有明确的生态功能意义、存在标
准测量方法、重复性强、能灵敏反映环境污染和生态
扰动、并且在实践中具有足够的数据支持.在实践中
常用的度量指标可分为几类:反映生物多样性的种
群丰富度(richness)指标;反映生物种群结构的分类
单元组成指数( taxonomic composition);反映环境干
扰的环境敏感耐受种指数( tolerance index);反映营
养和栖息状况的摄食类种群指数( feeding group in鄄
dex)等.具体采用的指标需要根据监测水体的特定
情况进行取舍.生物综合评价还需要综合各项量度
得出综合评价指数,其基本方法是将指标测定值与
参比值(通过参比流域分析和非参统计得到)相比
76027 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 张摇 华等: 美国流域生态健康评价体系的发展和实践摇 摇 摇 摇 摇 摇
较,将指标值标准化给出指数评分,然后在各项标准
化指数加和的基础上给出综合生态评分. 在此基础
上可以确定最终的生态指数阈值(bio鄄criteria),用来
区分功能受损和功能达标流域.需要注意的是,评价
得出的最终得分并非是确定流域生态健康状况的唯
一依据,各项指标与参比状况的比较提供了流域内
存在的生态障碍和胁迫因素的关键信息,对水环境
保护和治理有着极为重要的指示意义[5-6,8,27-32] .
在美国生态监测评价中已经发展出包括生物完
整性指数( index of biological integrity,IBI) [33-34]、无
脊椎动物群落指数 ( invertebrate community index,
ICI) [35-36]、溪流状况指数 ( stream condition index,
SCI) [37-38]、快速生物评价方案( rapid bioassessment
protocols,RBP) [29]等多种综合生物评价方法. 这些
方法已被广泛用来评价包括底栖大型无脊椎动物、
藻类浮游植物、水生附着生物、两栖动物、鱼类等多
种生态种群的评价中,在各地的实践当中,对这些指
数方法因地制宜进行了修改,建立了适合各地情况
的评价指标体系[36-43] .
近年来,生物评价指数方法也在我国得到了应
用[5-6] .如王备新和杨莲芳[44]采用大型底栖无脊椎
动物的河流生物指数评价了秦淮河上游水质. 马陶
武等[45]在对太湖底栖大型无脊椎动物采样研究的
基础上,通过生物指数的综合评估划分了太湖水质
判别的生物基准.李春晖等[6]对国内外流域生态健
康评价的理论和方法进行评述,对生物监测法和指
标体系法进行比较,明确了指标选取的基本原则.考
虑到我国各流域、各地区自然、社会、经济状况的巨
大差异性,需要在全国范围内开展广泛研究,在积累
丰富资料的基础上,因地制宜地制定不同流域的生
态健康评价标准.
3郾 3摇 多元统计模型
由于在生态健康评价中涉及到数量庞大的各种
参数,以及不同时空点上的海量数据,多元统计方法
正得到日益广泛的应用. 聚类分析 ( cluster analy鄄
sis)、主成分分析(principal components analysis)、判
别函数分析(discriminant function analysis)等方法已
经被应用于建立评价参比状况和综合评价指数的过
程中[28,30] .
在确定参比状况时,需要将潜在的参比流域进
行分类,目前通常根据流域所在的生态分区进行分
类,然后应用图形分析确定指标的参比值. 但是,在
不存在明确分区的情况下,可以在多变量分析的基
础上,应用统计聚类分析建立不同生态功能的参比
状况的统计分类[28,30] .在生物监测和评价中通常涉
及到非常多的生态指标,前面介绍的多量度指数方
法是根据生态学的经验知识,将这些指标进行归类
和标准化.同时,也可以采用因子分析( factor analy鄄
sis)方法将这些指标归纳为几个综合因子. 由于很
多生态指标与环境胁迫因子存在非线性关系,因此
线性方法如主成分分析在生态健康评价中应用有
限.而典范对应分析(canonical correspondence analy鄄
sis, CCA)作为非线性多元直接梯度分析方法,可以
结合多个环境因子一起分析,可直观明显地反映群
落与环境的关系[30] .
判别模型指数( discriminant model index)已经
被应用于海湾生态健康评价中[40-41] .该方法首先选
择生态功能最完整的参比流域和干扰最严重的受损
流域,然后通过判别函数分析建立多个生态变量的
线性组合,最后应用线性组合变量判断待评价流域
的功能状况分类.排序分析模型(multivariate ordina鄄
tion model)是一个建立在生态经验知识和统计分析
基础上的评价方法[42-43] .该方法通过对校准数据进
行排序分析,根据污染序列给出各个流域的评分,在
此基础上计算各个种群的耐受值 ,根据耐受值建立
模型,并给出各个流域的响应指数(benthic response
index,BRI).
经验性的综合评价指数在目前仍然是应用最广
泛的生态评价方法,这些评价指数比较直观,容易被
决策和管理部门理解和接受. 多元统计方法作为经
验方法的有益补充,得到日益广泛的推广应用.随着
数据的不断积累和统计方法的改进完善,生态统计
模型将会在生态健康评价中占据更重要的地位. 同
时,生态和生物毒理的数值模型在近些年也有了长
足发展,形成了例如 AQUATOX的生态系统模型,也
为流域生态健康评价提供了方法支持[46] .
4摇 流域生态健康评价的实施
4郾 1摇 多层次评价方法
流域生态评价的实施分为不同层次,从根据文
献进行简单筛选到详细的田间调查采样和评价,获
得的信息量和精度随之逐步增加. 图 3 给出了 EPA
在湖泊和海湾生态评价中采用的多层次评价方法.
随着调查精度的增加,需要包含的评价指标也需要
相应增加,对生物群落的分类也应随之从科细化到
属再到种,在相关的技术手册里,进一步详细列出了
每一层次需要收集的数据和文献,以及采样中应该
包含的各种指标[28,30] .
8602 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
图 3摇 流域生态健康的阶段评价方法
Fig. 3 摇 Tiered assessment approach of watershed ecological
health.
4郾 2摇 监测采样方法
实地调查和采样得到的各种数据,是流域生态
健康评价的基础,因此需要在资料收集的基础上设
计合理有效的监测和调查计划.在实践中,需要注意
定位监测与随机采样的结合,根据评价目的和经济
条件合理布置采样点的空间密度、分布、参比及重
复.对于定位监测,还需要分析水文水质状况以及优
化确定采样时间、频率与持续时间 . 生态健康评价
需要建立野外和实验室标准采样测试方法 ,并制定
质量保证和控制的计划[28,30] .
美国常规的水环境监测主要由各州的环境保护
部门完成,由于各地社会经济状况和生态地理状况
的差异,采用的评价指标、分析方法和最终生态功能
的评价方法存在很大差异. 因此,EPA 提出了统一
评价和汇总方法(consolidated assessment and listing
methodology,CALM),为各州水体生态功能状况评价
提供了统一框架. EPA 规定各州的水质监测计划需
要包括整体策略、目标、设计、核心和补充指标、质量
保证、数据管理、数据分析和综合评价、结果汇报、计
划评估及支持系统建设等 10 项基本元素. CALM 确
定了各州应用化学、生物、毒理、细菌、栖息地及其他
类型数据确定水体功能状况及制定地方水质标准的
方法框架[24] .表 4 是 EPA推荐的评价 4 种典型指定
用途的核心指标和补充指标.
4郾 3摇 数据管理
准确有效的流域生态健康评价必须建立在长期
持续的海量数据积累基础上. 除了对流域生态过程
进行实地调查和长期监测外,还需要应用遥感(RS)
和地理信息系统(GIS)等技术手段在宏观尺度上获
取流域内的地理、景观和生态信息. EPA开发的 BA鄄
SINS( Better Assessment Science Integrating Point &
Nonpoint Sources)软件是多功能的水质分析和模拟
系统,其中包括了全国流域的地理信息系统和水质
数据库,可以满足流域生态健康评价的基本数据需
求[47] .
环境和生态信息的公开和数据共享,可以推动
不同部门之间的合作及公众参与,最终促进环境保
护和生态治理的健康发展. 美国 EPA 在过去几年
里,应用先进的信息技术手段,建立了供联邦和地方
相关政府部门共享数据的数据交换网[48],储存和显
示物理、化学及生物监测数据的 STORET ( Storage
and Retrieval)系统[49],以及显示流域健康评价结果
的WATERS (Watershed Assessment, Tracking & En鄄
vironmental Results)系统[50],这些网络数据管理系
统为公众和相关部门提供了获取生态健康评价关键
数据的便捷途径.
4郾 4摇 全国水生资源调查
为了确定美国水质基准状况,EPA 与地方政府
合作,开展了全国水生资源调查工作. NARS 项目在
全国范围随机采样,采用统一的生态指标和采样分
析方法.该项目针对河流、湖泊水库、海岸带、湿地,
根据生态功能建立指标集,包括栖息地和水体的生
物、化学、物理指标,然后建立综合指数评价生态状
况. 2007 年对全国 1028 个湖泊调查的结果表明,
56%的湖泊生态功能良好,栖息地恶化和富营养化
是造成湖泊生态功能障碍的主要胁迫因素[51] . 2004
年完成的对可涉水而过的溪流(wadeable streams)
1392 个随机样点的调查结果显示,42%的溪流生态
功能恶化,氮磷营养物、泥沙及河岸带扰动是造成溪
表 4摇 评价典型指定用途的核心和补充指标
Table 4摇 Core and supplemental indicators for general designated categories
指标类型
Indicator type
水生生物和野生动物
Aquatic and wild life
娱乐休闲
Recreation
饮用水
Drinking water
渔业和贝类
Fishery and shellfish
核心指标
Core indicator
生物群落状况、溶解氧、温度、电
导率、pH、栖息地状况、水流状
况、营养物、景观状况、湖泊富营
养化、湿地水文地貌
病原微生物、水生植物、水
流状况、营养物、叶绿素含
量、景观状况、湖泊透明度、
湿地水文地貌
微量元素、病原体
硝酸盐、盐度、泥沙、水流状
况、景观状况
病原体、汞、杀虫剂、
DDT、PCB、景观状况
补充指标
Supplemental
indicator
水体和沉积物毒性物质、生物健
康状况
危险物、美观度 挥发性有机物、杀虫剂、营
养物、藻类
96027 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 张摇 华等: 美国流域生态健康评价体系的发展和实践摇 摇 摇 摇 摇 摇
流生态受损的主要因素[52] . 2001—2011 年对全国海
岸带的调查提供了 4 个全国海岸带状况报告,持续
提供了各地海岸带的水质指数、沉积物质量指数、海
岸带栖息地指数、底栖指数、鱼类污染指数及综合指
数评价结果,评价结果表明,美国海岸带水体的 6%
水质恶化,14%存在透明度问题,13%渔业功能受
损[53-54] .目前,对湿地的调查评价工作仍在进行.在
全国水生资源调查的研究、设计、实地调查、试验分
析和汇报总结的实践过程中,EPA 建立了一系列具
有针对性的技术规范,可供我国在全国性流域生态
健康评价工作中加以参考[32,55] .
5摇 总结和建议
近 10 年来,我国在流域生态健康评价方面已经
开展了大量探索性工作[5-6],逐渐构建了以流域水
生态系统健康为目标的流域水质目标管理技术体
系[1,22] .但是,目前我国流域生态健康评价工作仍然
停留在研究阶段,还未能直接应用到环境保护的实
践中[1,2,5-6,22] .从 20 世纪 80 年代以来,美国经过在
环境保护和生态治理实践中的长期积累,形成了一
套完整的流域生态健康综合评价的方法体系,已经
成为水质和生态管理系统的重要组成部分. 该系统
为我国未来建立适合自身环境和生态实际情况的流
域生态评价体系提供了非常重要的参照.
值得指出的是,流域生态评价是一个具有非常
明确实践目的的具体工作,采用的技术方法手段必
须通过在实践过程中不断修改并逐渐完善,而不能
期望一次性形成全部的理论方法体系,更不能生搬
硬套国外方法.结合以往的实际经验,笔者认为目前
我国流域生态健康评价的研究和实践应该注意解决
以下问题:1)以明确的法律法规和技术标准形式将
流域生态功能评价纳入到我国环境保护的决策和执
行系统中,将流域生态健康评价与环境监测、环境影
响评价、水质标准制定、流域污染防治、排放总量控
制及自然生态保护等相关工作紧密结合;2)建立全
国统一的综合生态分区、水文单元划分及水体功能
划分体系,在此体系支持下分析特定流域的社会经
济功能和生态系统潜能,因地制宜地选择相应的评
价指标、指标阈值和综合评价方法;3)建立应用地
理信息系统和遥感技术,长期定位动态监测和大范
围采样调查相结合,包含栖息地指标、水文指标、水
质指标及生物指标的标准化监测项目和技术规程,
具有完整的质量控制体系和开放兼容的数据库系统
的流域生态健康监测系统;4)充分利用环境生态研
究中多元统计模型和数值机理预测模型的最新成
果,在科学理论和数据积累的基础上建立基于生态
和社会功能,综合考虑流域范围内水文、生物和地球
化学过程的生态健康评价模型.
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作者简介 摇 张 摇 华,男,1977 年生,博士,研究员. 主要从事
海岸带环境水文过程与模拟研究. E鄄mail: hzhang@ yic. ac.
cn
责任编辑摇 杨摇 弘
2702 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