全 文 ：河流生态系统健康及其评价 3
唐　涛 　蔡庆华 3 3 　刘建康
(中国科学院水生生物研究所 ,淡水生态与生物技术国家重点实验室 ,武汉 430072)
【摘要】　概括了河流生态系统健康概念的涵义 ,详细介绍了以着生藻类、无脊椎动物、鱼类为主要指示生物
的河流生态系统健康的评价方法 ,并就其评价原理将这些方法分为预测模型法 (predictive models) 和多指标
法 (multimetrics 两大类 ,提出了河流健康评价方法的发展方向 ,以及我国应尽快开展的研究工作.
关键词 　河流生态系统 　生态系统健康 　评价 　指示生物
文章编号 　1001 - 9332 (2002) 09 - 1191 - 04 　中图分类号 　Q178. 512 　文献标识码 　A
River ecosystem health and its assessment. TAN G Tao ,CAI Qinghua ,Liu Jiankang ( Institute of Hydrobiology ,
Chinese Academy of Sciences ; S tate Key L aboratory of Freshw ater Ecology and Biotechnology , W uhan 430072) .2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2002 ,13 (9) :1191～1194.
Ecosystem health is a hot topic in ecological research. In this paper ,the concept of river ecosystem health was ge2
neralized , and the main methods used to assess the health condition of river ecosystem was introduced , which are
based on bioindictors such as epilithic algae (diatom specially) ,benthic invertebrate and fish ,and were classified into
two types in terms of their assessment principles. Based on research actuality ,the development tendency in this area
is put forward. The authors suggest that the relevant study should be carried out as soon as possible in China.
Key words 　River ecosystem , Ecosystem health , Assessment , Bioindicator.
3 国家自然科学基金项目 (30070153) 和中国科学院水生生物研究
所创新领域前沿资助项目 (220208) .3 3 通讯联系人.
2001 - 08 - 27 收稿 ,2001 - 11 - 15 接受.
1 　引 　　言
河流对人类的发展非常重要 ,不仅可提供食物、工农业
及生活用水 ,还具商业、交通、休闲娱乐等诸多服务功能. 作
为重要的生态系统类型 ,河流生态系统还是生物圈物质循环
的主要通道之一 ,很多营养盐及污染物在河流中得以迁移和
降解[21 ] . 但在过去的几十年中 ,随着工业文明的迅猛发展 ,
人类对水资源的需求量大增 ,很多河流因用水过度而面临断
流或枯竭 ;此外 ,大量污染物的排入和森林及河岸植被带的
乱砍乱伐严重影响了河流的水质状况 ,其结构受到极大破
坏 ,诸多服务功能也因人类活动的干扰而逐渐丧失. 1999 年
11 月 29 日 ,联合国环境计划署组织“面向 21 世纪的世纪水
资源委员会”在对流域面积最大的 25 条世界大河进行调查
后的总结报告中指出 ,世界的大江大河水质欠佳 ,多数河流
水量日益减少 ,而污染程度则日渐加重. 在被调查的河流中 ,
中国的黄河 ,流入中亚咸海的前苏联锡尔河、阿姆河 ,美国的
科罗拉多河 ,印度的恒河和墨西哥的莱尔马河 6 条河水质极
差 ,被评为最不卫生的河流 ;只有南美的亚马逊河、印度支那
半岛的湄公河和北美的圣劳伦斯河水质尚好. 由此可见 ,如
何维持现有河流生态系统的服务功能 ,修复受损系统 ,促进
河流及其流域的经济、社会和环境的可持续发展已经成为一
个全球性的问题.
作为可持续发展概念的一个重要目标 ,维持健康的生态
系统迅速成为生态学家的共识 ;用健康来描述一个环境的状
况是科学发展和社会价值观进步的必然结果 ,维持和恢复一
个健康的生态系统已成为近年来环境管理的重要目
标[19 ,35 ,41 ] .生态健康评价在森林、河流、农田等不同类型生
态系统领域迅速展开[14 ,26 ,36 ] . 如何评价河流生态状况正成
为河流生态学领域的研究热点之一. 本文综合评述了河流健
康评价的理论、方法和现状 ,以及未来的发展趋势.
2 　生态系统健康的涵义
　　生态学家虽至今未就生态系统健康的概念达成共识 ,但
这一形象的比喻已引起了公众及决策部门给予人类活动对
生态系统影响更多的关注. 生态健康是指生态系统处于良好
状态 ;在健康状况下 ,生态系统不仅能保持化学、物理及生物
完整性 (指在不受人为干扰情况下 ,生态系统经生物进化和
生物地理过程维持生物群落正常结构和功能的状态 ,还能维
持其对人类社会提供的各种服务功能 [20 ,22 ,42 ,51 ] .
从生态系统层次出发 ,一个健康的生态系统应该是稳定
和可持续的 ,即生态系统随着时间的进程有活力并且能维持
其组织及自主性 ( Autonomy) , 在外界胁迫 下 容 易 恢
复[3 ,27 ,40 ] .生态系统健康的标准有活力、组织、恢复力、生态
系统服务功能的维持、管理选择、外部输入减少、对邻近系统
的影响及人类健康影响等 8 方面. 它们分属于不同的自然和
社会科学范畴 ,并同时考虑了时空尺度. 8 个标准中前 3 项最
重要[43 ,44 ] . 活力 (Vigor)表示生态系统功能 ,可根据新陈代谢
或初级生产力等来测量 ;组织 (Organization) 即生态系统组成
及途径的多样性 ,可根据系统组分间相互作用的多样性及数
量来评价 ;恢复力 ( Resilience) 也称抵抗能力 ,根据系统在胁
应 用 生 态 学 报 　2002 年 9 月 　第 13 卷 　第 9 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Sept . 2002 ,13 (9)∶1191～1194
迫出现时维持系统结构和功能的能力来评价 [40 ] . 鉴于生态
系统类型的多样性及复杂性 ,不同专业的生态学家提出了不
同的评价模式 ,为便于比较 ,Costanza 等[10 ]提出了一个基于
系统层次的生态健康指数 ( Health Index , HI) : HI = V ×O ×
R ,其中 V 代表活力 , O 为组织水平 , R 为系统恢复力.
在过去的几年里 ,一些国家级和国际间的环境工程已开
始发展生态系统健康指标. 这些指标主要从生物物理观点来
考虑 ,但随着发展越来越从综合社会经济与人类的健康角度
考虑. 一个著名的项目是加拿大和美国政府联合进行的大湖
地区生态系统健康状况的评价. 1997 年 ,美国实施了一项全
国生态系统健康状况评价项目 ,要在 4 年时间内完成全国的
森林、农田、海岸和海洋等主要生态系统健康状况评价报
告[33 ] . 在加拿大 ,生态系统健康已经成为国际发展研究中心
( International Development Research Center , IDRC) 的主要关
注热点和研究领域. IDRC 目前实施的一项核心计划是“人类
健康的生态系统方法”. 这个项目主要资助发展中国家开展
人口增长、资源利用、技术进步与人类健康间关系的研究 ,利
用生态系统方法促进人类健康与环境可持续发展. 另外 ,“政
府间气候变化委员会”( Intergovernmental Panel on Climate
Change , IPCC)领导的一个人类健康工作组 ,正在进行气候
变化对人类健康风险的调查研究 [51 ] .
3 　河流生态系统健康评价方法
　　一个世纪前 ,人们已开始注意到人类活动产生的污染会
对河流生物造成伤害 ,并尝试着追踪这种生物退化的程度.
生物退化甚至被视为人类活动强度的指示因子 ,河流的生物
监测从此开始. 进入 20 世纪后 ,化学物对水质的影响曾一度
受到重视 ,但很少有人把化学和生物指标结合起来考虑. 直
到最近 20 年来 ,人们才进一步认识到 ,河流生物群落具有整
合不同时间尺度上各种化学、生物和物理影响的能力. 这些
生物群落的结构和功能特性能够反映诸如由于化学物污染、
物理生境的消失和片断化 ,外来物种的入侵 ,水资源的过量
抽取和河岸植被带的过度采伐所造成的水质的总体退化. 生
物监测可把目光集中在多种生态胁迫对水环境造成的累积
效应上 ,应该成为河流健康评论的主要手段 [17 ] .
选择何种指示生物是生态系统健康评价的关键问题. 不
同专业方向、不同地区的河流生态学家根据具体的研究对象
提出了很多有关河流生态健康的评价方法 ,用得较多的水生
生物主要是着生藻类 (以硅藻为主) ,无脊椎动物和鱼类.
河流着生藻因其生境相对固定 ,处于河流生态系统食物
链始端 ,生活周期短 ,对污染物反应灵敏 ,可为水质变化提供
早期预警信息等优点而成为河流健康监测的主要指示种之
一. 较常用的藻类指数是基于半定量化基础上的藻类丰富度
指数 (Algal Abundance Index ,AAI) : A A I = (2 ×A + C) / N ×
100. 其中 , A 代表较丰富的物种数 ; C 为常见种数 ; N 为样点
数[34 ] . 此外 ,硅藻种类的多样性丰富和制片可永久性保存等
优势使其成为藻类监测中最常用的指标 [13 ] . 常用的硅藻指
数包括污染敏感性指数 (Pollution Sensitivity Index , IPS) [47 ] ,类
属硅藻指数 ( Generic Diatom Index , GDI) [28 ]及营养硅藻指数
(Trophic Diatom Index ,TDI) [23 ]等. 这些指数均建立在不同藻
类对污染敏感度不同基础上的 , IPS 和 GDI 主要反应水环境
的腐生程度 ,而 TDI 则反映水环境的营养程度.
河流底栖无脊椎动物具有相对较长的生活周期、较高的
生物多样性 (在不同生境中都有分布) 、形体易于辨别等优
势 ;此外 ,很多动物在其生活史中至少有一部分时间对生境
有特定的要求 ,所以该类生物群落结构的变化也能很好地反
映河段生境条件的变化 ,是河流水质状况惯用的另外一项重
要监测指标[45 ] . 例如 ,“河流无脊椎动物预测和分类系统”
(River in Vertebrate Prediction and Classification System ,RIV2
PACS) [49 ] ,“澳大利亚河流评价计划”(Australian River As2
sessment Scheme , AusRivAS) [48 ] ,“南非计分系统”( South
African Scoring System , SASS) [9 ] 以及底栖生物完整性指数
(Benthic index of Biological Integrity , B2IBI) [20 ] 、营养完全指
数 ( Index of Trophic Completeness , ITC) [37 ]等都是基于对河
流大型无脊椎动物生物多样性及其功能监测基础上的河流
健康状况评论模型.
鱼类的生活周期较长且具移动性 ,特定河区鱼类的种类
组成及鱼寄生虫的有无等都可反映外界干扰对河区长期作
用的结果 ,因此是河流健康评价的重要指示生物. Karr [18 ]于
1981 年提出了基于河流鱼类物种丰富度、指示种类别 (含耐
污种及非耐污种) 、营养类型、鱼类数量、杂交率、鱼病率、畸
变率等 12 项指标基础上的生物完整性指数 ( Index of Biotic
Integrity , IBI) . 该指数包含了一系列对环境状况的变化较敏
感的指标 ,能够在比较的基础上对所研究的河流健康状况做
出评价 ,是当前较普及的一种健康评价方法. 鱼类集合体完
整性指数 ( Fish Assemblage Integrity Index ,FAII) 则是建立在
鱼类群落耐污性差异基础上的评价方法 [25 ] .
河流健康评价方法众多 ,但从评价原理上 ,主要可分为
两类 :一类是预测模型 ( Predictive models) 方法. 如 RIVPACS
和 AusRivAS等. 这类方法通过把某研究地点实际的生物组
成与在无人为干扰情况下该点能够生长的物种进行比较而
对河流健康进行评价. 该类方法首先通过选择参考点 ( refer2
ence sites ,无人为干扰或人为干扰最小的样点) ,建立理想情
况下样点的环境特征及相应生物组成的经验模型 ,此后 ,比
较观测点生物组成的实际值 (O) 与模型推导的该点预期值
( E) ,以 O/ E的值对其进行评价. 理论上 ,此比值可以在 0 到
1 间变化 ,比值越接近 1 则该点的健康状况越好. 另一类方法
称为多指标方法 (Multimetrics) . 此方法通过对观测点的一系
列生物特征指标与参考点的对应比较并计分 ,累加得分进行
健康评价. 该类方法在美国被广泛应用. 其中最具代表性的
方法就是 IBI. 随着方法的完善 ,现在 IBI 已经被应用于藻
类、浮游生物、无脊椎动物、维管束植物等的相关研究中 [21 ] .
这两类方法在样点选择、收集的数据类型、选择区域性的参
考点、使用生物参数等方面都有很多相似之处 ,同时也有很
多不同的地方 ,主要表现在 :预测法主要通过物种的相似性
比较进行评价 ,所选的指标都很单一 (例如 RIVPACS和 Aus2
2911 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷
RivAS都以底栖无脊椎动物作为监测对象) . 这种简单化导
致了如果外界干扰在更高级的层次上对生态系统的结构和
功能作用而没有造成物种变化时 ,这一方法就会失效. 而多
指标法则是不同生物组织层次上多个指标的组合 ,所以能够
及时地反映这种变化. 然而 ,这种方法也存在如何综合地评
价一个生态系统的完整性及如何对这些综合指标进行合理
解释等问题[35 ] .
最近 ,有学者提出了基于河流水文学、物理构造特征、河
岸区状况、水质及水生生物 5 方面共计 22 项指标体系计分
基础上的溪流状况指数 ( Index of Stream Condition , ISC) [29 ]
理论 ,并据此对澳大利亚 80 多条河流健康状况进行了综合
评价. 这一方法是对河流各方面特征的综合评价 ,其结果更
加全面、客观 ,是河流健康状况评价的一种发展方向.
河流生态系统健康状况受多种因素制约. 其中 ,流域作
为河流生态系统的外源影响因素 ,其气候、地质特征和土地
利用状况等决定着流域内河流的径流、河道、基质类型等物
理及水化学特征. 从任何角度都可认为流域决定河流 ,有什
么样的流域就有什么样的河流 ,反之亦然. 所以要维持一个
健康的河流生态系统 ,首先就应该创建一个健康的流域环
境 ,而健康的河流生态系统又是健康流域的基础. 近年来 ,有
远见的生态学家已跳出就河论河的局限 ,着手从流域层次开
展河流生态学的相关研究 [1 ] . 甚至有学者提出了流域生态学
(watershed ecology) [2 ,11 ]的理论 ,把河流仅视为流域的一个基
本单元 ,高度重视其与流域内陆地生态系统间的相互关系 ,
强调流域的系统性及完整性.
在流域尺度上 ,河岸植被带及流域土地利用变化对河流
生态系统健康的影响受到重视. 如河岸植被带指数 ( Riparian
Vegetation Index ,RV I)就是通过实际情况下的河段植被带特
征 (包括河岸带植被的砍伐、种植、结构、洪水影响、侵蚀/ 沉
降作用和外源种等)相对于天然情况下特征的偏移率来评价
河流的健康状况[24 ] .
4 　河流生态系统健康评价发展状况及前景
411 　河流生态系统健康评价发展状况
　　迄今为止 ,河流健康监测计划已在很多国家展开. 例如
美国环保署 ( Environmental Protection Agency , EPA) 流域评
价与保护分部于 1989 年提出了旨在为全国水质管理提供基
本水生生物数据的快速生物监测协议 ( Rapid bioassessment
protocols ,RBPs) . 经过 10 年的发展与完善 ,EPA 于 1999 年推
出了新版的 RBPs ,其中一个重要的部分就是有关河流的快
速生物监测协议. 该协议提供了河流着生藻类、大型无脊椎
动物、鱼类的监测及评价方法标准. 此外 ,美国地质调查局于
1994 年发起了一项国家水质评价 (National water2quality as2
sessment , NAWQA)计划 ,旨在对整个国家的水质状况及趋
势进行评价 ,并找出对水质状况有重要影响的环境因素 (包
括气候、地形、水文学、土壤矿物学以及诸如土地利用、水质
管理实践等人类活动) [15 ,16 ,30～32 ] . 澳大利亚政府于 1992 年
开展了国家河流健康计划 ( National River Health Program ,
NRHP) ,其目的也是监测和评价澳大利亚河流的生态状况 ,
评价现行水管理政策及实践的有效性并为管理决策提供更
全面的生态学及水文学数据 [46 ] . 其中 AusRivAS 是评价澳大
利亚河流健康状况的主要工具. 英国也建立了以 RIVPACS
为基础的河流生物监测系统. 南非的水事务及森林部 (De2
partment of Water Affairs and Forestry ,DWAF) 于 1994 年发
起了“河流健康计划 ( The River Health Programme , RHP)”,
该计划选用河流无脊椎动物、鱼类、河岸植被带及河流生境
状况作为河流健康的评价指标.
412 　健康评价的发展前景
　　虽然河流健康研究方法种类繁多 ,但总体而言 ,该领域
仍处于起步阶段 ,用什么样的指标体系来度量、评价系统的
健康状况仍有待大量研究的积累. 今后的研究要着重解决如
下问题 :1)采取何种尺度进行健康评价 ? 着生藻类、无脊椎
动物、鱼类因其生命周期及生态位的差异分别反映河流生态
系统不同空间 (生境、河段、河区、整个河流生态系统) 和时间
尺度上 (周、月、年) 健康状况的变化 ;因此 ,在用不同生物类
群进行评价时取样尺度及频度是一个关键问题 ;同时 ,要对
河流生态系统健康进行总体评价时 ,在什么尺度上选择何种
指标对评价结果有显著作用. 2) 如何对生态健康进行综合
评价 ? 很显然 ,由于对环境变化灵敏度的差异 ,不同指示生
物对同一河流的评价结果是有差异的 [8 ] . 此外 ,河流的生境
异质性导致了同一种监测方法在不同河流或区域监测结果
的差异性和不适用性. 当然 ,河流生态系统健康是一个综合
概念 ,也应该包括其对于人类社会的各种服务功能 ,在评价
体系中这些功能的健全与否也应有所体现. 如何在生态系统
和流域层次上 ,从众多的生态因子中提取不受特定地域限
制、易于比较的 ,既能客观反映生态系统状况 ,又便于度量的
综合参数 (该参数应该囊括生态系统中各类最重要的生态因
子及功能指标具有重要的意义. 溪流状况指数 ( ISC) 对此做
了有益的尝试 ,但该参数的缺陷也很明显. 它需要多学科专
业人员的协作才能完成评价工作 ,而且指标体系过多 ,无法
快速评价. 也有学者通过对大量河流生态因子的统计分析建
议以测定藻类叶绿素 a、总 P、总 N 来评价河流的营养状
况[12 ] . 该思路仍需进一步验证及完善.
　　一个好的评价方法应具备的特征有 :1) 把复杂的生态现
象简单化并定量化 ;2) 能够提供简单易解释的结果 ;3) 能够
对人类的破坏作出预测性的响应 ;4) 和一个适当的尺度相联
系 ;5)与管理目标相联系 ;6)具有科学的理由. 这种方法应是
建立在生态学基础上的易于操作、不需要太多专业知识 (如
生物鉴别、分类知识等的河流健康评价有效工具.
　　我国有关河流水质状况的研究目前仍主要借助于化学
手段[5～7 ] ,用河流生物进行监测的报道不多 [4 ,38～39 ] . 随着可
持续发展战略的实施 ,健康的河流生态系统必将成为河流管
理的主要目标 ,所以很有必要迅速开展相关研究 ,建立一套
适用于我国的河流生态系统健康理论及评价体系 ,对主要河
流进行健康评价 ,为河流及流域管理提供基础数据和决策依
据 ,以期实现社会、经济及环境的可持续发展.
39119 期 　　　　　　　　　　　　　　　　唐 　涛 等 :河流生态系统健康及其评价 　　　　　
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作者简介 　唐 　涛 ,男 ,1974 年生 ,博士生 ,主要从事系统及
流域生态学方面的研究 , 已发表论文数篇. Tel : 0272
87647865 ,E2mail : syseco @ihb. ac. cn
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