水生態(tài)系統(tǒng)健康評價 理論框架、指標(biāo)體系與定量方法.

1、全國污染生態(tài)學(xué)術(shù)研討會全國污染生態(tài)學(xué)術(shù)研討會提提 綱綱I. 生態(tài)系統(tǒng)健康研究現(xiàn)狀生態(tài)系統(tǒng)健康研究現(xiàn)狀I(lǐng)I. 理論框架及其應(yīng)用理論框架及其應(yīng)用 湖泊生態(tài)系統(tǒng)湖泊生態(tài)系統(tǒng) 海灣生態(tài)系統(tǒng)海灣生態(tài)系統(tǒng)III. 評價方法及其應(yīng)用評價方法及其應(yīng)用 直接監(jiān)測評價法（直接監(jiān)測評價法（DMM） 生態(tài)健康指數(shù)法（生態(tài)健康指數(shù)法（EHIM） 生態(tài)模型法（生態(tài)模型法（EMM）IV. 結(jié)論結(jié)論v 1980s: “健康健康”概念被引入生態(tài)學(xué)研究，出現(xiàn)概念被引入生態(tài)學(xué)研究，出現(xiàn)“生態(tài)健康生態(tài)健康”和和“生態(tài)系統(tǒng)健康生態(tài)系統(tǒng)健康”的概念，研究脅迫作用對生態(tài)系統(tǒng)的影響及的概念，研究脅迫作用對生態(tài)系統(tǒng)的影響及受脅迫生態(tài)系統(tǒng)的管理

2、等問題。受脅迫生態(tài)系統(tǒng)的管理等問題。v 三個發(fā)展階段三個發(fā)展階段：多樣化定義多樣化定義 綜合定義綜合定義 學(xué)科定義學(xué)科定義 多樣化定義多樣化定義: 生態(tài)學(xué)家、經(jīng)濟(jì)學(xué)家、哲學(xué)家、政治家、環(huán)境管理人員生態(tài)學(xué)家、經(jīng)濟(jì)學(xué)家、哲學(xué)家、政治家、環(huán)境管理人員 綜合定義綜合定義( (Costanza,1992)1992) 系統(tǒng)能維持自我平衡、系統(tǒng)能維持自我平衡、系統(tǒng)無疾病、系統(tǒng)無疾病、具有多樣性或復(fù)雜性、具有多樣性或復(fù)雜性、系統(tǒng)的穩(wěn)定性或恢復(fù)力強、系統(tǒng)的穩(wěn)定性或恢復(fù)力強、增長活力大、及增長活力大、及系統(tǒng)成份間保系統(tǒng)成份間保持平衡。持平衡。 學(xué)科定義學(xué)科定義( (ISEH,1998) ) “具有診斷、預(yù)測和預(yù)防

3、特征的具有診斷、預(yù)測和預(yù)防特征的, 研究生態(tài)系統(tǒng)管理以及生態(tài)系統(tǒng)研究生態(tài)系統(tǒng)管理以及生態(tài)系統(tǒng)健康與人類健康之間關(guān)系的健康與人類健康之間關(guān)系的交叉性的系統(tǒng)科學(xué)交叉性的系統(tǒng)科學(xué)” 研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀 概念起源與發(fā)展概念起源與發(fā)展研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀 診斷指標(biāo)診斷指標(biāo)（1 1） 單指標(biāo)單指標(biāo) 多指標(biāo)多指標(biāo) 綜合指標(biāo)綜合指標(biāo)v單指標(biāo)單指標(biāo)( (早期階段早期階段) ): : 用特殊的種或成份作為衡量指標(biāo)用特殊的種或成份作為衡量指標(biāo)，如，如 o 毒理學(xué)家毒理學(xué)家: 生物個體健康；生物個體健康；o 生態(tài)學(xué)家生態(tài)學(xué)家: 種群豐度；種群豐度；o 魚類生態(tài)學(xué)家魚類生態(tài)學(xué)家: 種群的年齡結(jié)構(gòu)種群的年齡結(jié)構(gòu);o Hanno

4、n(1985): 生態(tài)總產(chǎn)量生態(tài)總產(chǎn)量(GEP) (類似類似GDP)o 這樣的指標(biāo)不夠全面，不能反映生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性；這樣的指標(biāo)不夠全面，不能反映生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性；o 易于使用（特別對管理者）易于使用（特別對管理者） v 多指標(biāo)多指標(biāo)（當(dāng)前主流）（當(dāng)前主流）: oKarr 等等 (1986)：生物完整性指數(shù)生物完整性指數(shù)(IBI)： 12個指標(biāo)個指標(biāo)oRapport 等等 (1985)：生態(tài)系統(tǒng)脅迫指標(biāo)生態(tài)系統(tǒng)脅迫指標(biāo)：即營養(yǎng)物、初級生產(chǎn)力、體長分布、種群多：即營養(yǎng)物、初級生產(chǎn)力、體長分布、種群多樣性及系統(tǒng)的恢復(fù)能力。樣性及系統(tǒng)的恢復(fù)能力。oUlanowicz (1986)：網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢指數(shù)（網(wǎng)絡(luò)

5、優(yōu)勢指數(shù)（INA）：包括種群豐度、生態(tài)位、發(fā)育循環(huán)與反饋，：包括種群豐度、生態(tài)位、發(fā)育循環(huán)與反饋，及總活力等生態(tài)系統(tǒng)的四個重要特征。及總活力等生態(tài)系統(tǒng)的四個重要特征。oKay 等等 (1991) ：河流生態(tài)系統(tǒng)健康指標(biāo)河流生態(tài)系統(tǒng)健康指標(biāo)：生物量、輸入、輸出、生產(chǎn)力、呼吸、循環(huán)、：生物量、輸入、輸出、生產(chǎn)力、呼吸、循環(huán)、Finn 循環(huán)指數(shù)及優(yōu)勢度等來評價循環(huán)指數(shù)及優(yōu)勢度等來評價Crystal 河流生態(tài)系統(tǒng)健康（或完整性）。河流生態(tài)系統(tǒng)健康（或完整性）。oCostanza (1992)：系統(tǒng)健康指數(shù)系統(tǒng)健康指數(shù)：HI =系統(tǒng)活力指數(shù)系統(tǒng)活力指數(shù)*系統(tǒng)組織指數(shù)系統(tǒng)組織指數(shù)*系統(tǒng)恢復(fù)力指數(shù)系統(tǒng)恢復(fù)力

6、指數(shù)oJorgensen (1995): Exergy（Ex）、）、Structural Exergy （Exst）和）和 生態(tài)緩沖容量生態(tài)緩沖容量等。等。oDalsgaard (1995, 1996)：農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)健康指標(biāo)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)健康指標(biāo)：生物量：生物量, 收成收成, N 通量通量, 系統(tǒng)管理費用系統(tǒng)管理費用, P/B, H/E, 效率效率, Shinn 指數(shù)指數(shù), Finn 循環(huán)指數(shù)循環(huán)指數(shù), 優(yōu)勢度優(yōu)勢度, Ex, Exst及生態(tài)緩沖容量。及生態(tài)緩沖容量。oXu等等 (1999，2001)：湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康生態(tài)指標(biāo)體系湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康生態(tài)指標(biāo)體系，包括生態(tài)結(jié)構(gòu)指標(biāo)、生態(tài)功能，包括生態(tài)

7、結(jié)構(gòu)指標(biāo)、生態(tài)功能指標(biāo)及生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)。脅迫指標(biāo)和響應(yīng)指標(biāo)。指標(biāo)及生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)。脅迫指標(biāo)和響應(yīng)指標(biāo)。 研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀 診斷指標(biāo)診斷指標(biāo)（2 2） v綜合指標(biāo)綜合指標(biāo)（發(fā)展趨勢）：（發(fā)展趨勢）： （人口（人口 + + 資源資源 + + 環(huán)境環(huán)境 + + 社會社會 + + 經(jīng)濟(jì)經(jīng)濟(jì) + + 災(zāi)害）災(zāi)害） o 美、加聯(lián)合項目美、加聯(lián)合項目“大湖生態(tài)系統(tǒng)健康評價大湖生態(tài)系統(tǒng)健康評價”： o 生物、生態(tài)、社會經(jīng)濟(jì)和人口健康等方面的綜合指標(biāo)體系生物、生態(tài)、社會經(jīng)濟(jì)和人口健康等方面的綜合指標(biāo)體系（Shear,1996）研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀 診斷指標(biāo)診斷指標(biāo)（3 3） 研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀 診斷指標(biāo)診斷指標(biāo)（4 4）

8、 研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀 進(jìn)展與問題進(jìn)展與問題 近年來，在可持續(xù)發(fā)展思想的推動下，生態(tài)系統(tǒng)健康研究已近年來，在可持續(xù)發(fā)展思想的推動下，生態(tài)系統(tǒng)健康研究已成為國際生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域新的研究成為國際生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域新的研究熱點熱點和聯(lián)系地球科學(xué)、環(huán)境和聯(lián)系地球科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)及社會科學(xué)等學(xué)科的科學(xué)、生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)及社會科學(xué)等學(xué)科的橋梁橋梁。 在北美在北美, 生態(tài)系統(tǒng)健康學(xué)已成為環(huán)境、生態(tài)、公眾健康、醫(yī)生態(tài)系統(tǒng)健康學(xué)已成為環(huán)境、生態(tài)、公眾健康、醫(yī)學(xué)、獸醫(yī)等專業(yè)的學(xué)、獸醫(yī)等專業(yè)的一門課程一門課程 v 研究對象單一：研究對象單一：單一生態(tài)系統(tǒng)單一生態(tài)系統(tǒng)；v 研究內(nèi)容不深入：研究內(nèi)容不深入：評價指標(biāo)、評價

9、方法評價指標(biāo)、評價方法； 研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)研究現(xiàn)狀v起步晚，發(fā)展快起步晚，發(fā)展快v相關(guān)文獻(xiàn)相關(guān)文獻(xiàn) - 中國期刊網(wǎng)中國期刊網(wǎng)o 檢索詞：生態(tài)健康檢索詞：生態(tài)健康 or 生態(tài)系統(tǒng)健康生態(tài)系統(tǒng)健康o 主題：主題：93年，第一篇年，第一篇 o 篇名：篇名：99年，第一篇年，第一篇 綜述文章綜述文章 研究文章研究文章305173II - 理論框架及其應(yīng)用理論框架及其應(yīng)用 湖泊生態(tài)健康指標(biāo)湖泊生態(tài)健康指標(biāo) 海灣生態(tài)健康指標(biāo)海灣生態(tài)健康指標(biāo)指標(biāo)指標(biāo)體系開發(fā)體系開發(fā) 評價評價方法方法確定確定 定性定量定性定量評價評價 脅迫脅迫因素識別因素識別 生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)響應(yīng)分析分析 理理 論論 框

10、框 架架 （脅迫（脅迫-響應(yīng)關(guān)系）響應(yīng)關(guān)系）應(yīng)應(yīng) 用用富營養(yǎng)化富營養(yǎng)化酸化酸化重金屬污染重金屬污染殺蟲劑污染殺蟲劑污染油污染油污染湖泊生態(tài)結(jié)構(gòu)、生態(tài)功能和系統(tǒng)水平的脅迫效應(yīng)湖泊生態(tài)結(jié)構(gòu)、生態(tài)功能和系統(tǒng)水平的脅迫效應(yīng)湖泊化學(xué)污染湖泊化學(xué)污染脅迫脅迫效應(yīng)的系統(tǒng)分析效應(yīng)的系統(tǒng)分析實測數(shù)據(jù)實測數(shù)據(jù): 富營養(yǎng)化富營養(yǎng)化(國內(nèi)國內(nèi)30個個+ 國外國外31個個), 酸化酸化+油污染油污染+重金屬污染重金屬污染+殺蟲劑污染殺蟲劑污染(數(shù)十個數(shù)十個)試驗數(shù)據(jù)試驗數(shù)據(jù): 酸化酸化(4個個)+油污染油污染(2個個)+重金屬污染重金屬污染(2個個)+殺蟲劑污染殺蟲劑污染(13個個) 湖泊生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)開發(fā)湖泊生態(tài)系統(tǒng)指

11、標(biāo)開發(fā) 湖泊生態(tài)結(jié)構(gòu)響應(yīng)湖泊生態(tài)結(jié)構(gòu)響應(yīng)l 浮游植物細(xì)胞：變大浮游植物細(xì)胞：變大l 浮游動物個體：變小浮游動物個體：變小l 浮游植物生物量（浮游植物生物量（BA)：增加：增加l 浮游動物生物量浮游動物生物量(BZ)：減少：減少l 小型浮游動物生物量小型浮游動物生物量(BZmicro): 增加增加l 大型浮游動物生物量大型浮游動物生物量(BZmacro): 減少減少l 種群多樣性指數(shù)：減小種群多樣性指數(shù)：減小l BZ/BA比率比率: 減小減小l (BZmacro)/BZmicro比率：減小比率：減小 湖泊生態(tài)功能響應(yīng)湖泊生態(tài)功能響應(yīng)l 浮游植物初級生產(chǎn)力：降低浮游植物初級生產(chǎn)力：降低l 浮游植物

12、碳吸收率：變小浮游植物碳吸收率：變小l 浮游動物碳吸收率：變小浮游動物碳吸收率：變小l 生態(tài)轉(zhuǎn)移效率：降低生態(tài)轉(zhuǎn)移效率：降低l 毛生產(chǎn)力呼吸率：偏離毛生產(chǎn)力呼吸率：偏離1l 毛生產(chǎn)力生物量：減小毛生產(chǎn)力生物量：減小l 生物量能流比率：減小生物量能流比率：減小 湖泊生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)湖泊生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)l 生態(tài)緩沖容量：降低生態(tài)緩沖容量：降低l (Exergy)：降低：降低l (Structural exergy)：降低：降低 火火 用用結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)火火 用用隨脅迫加強隨脅迫加強湖泊湖泊 生態(tài)系統(tǒng)健康定量表征生態(tài)系統(tǒng)健康定量表征 綜合指標(biāo)體系綜合指標(biāo)體系Location Mainland China海灣生態(tài)系

13、統(tǒng)指標(biāo)開發(fā)（香港吐露港）海灣生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)開發(fā)（香港吐露港）城市化城市化工業(yè)化工業(yè)化農(nóng)業(yè)發(fā)展農(nóng)業(yè)發(fā)展資源開發(fā)資源開發(fā)物理物理 響應(yīng)響應(yīng)化學(xué)化學(xué) 響應(yīng)響應(yīng)生物生物 響應(yīng)響應(yīng)系統(tǒng)水平系統(tǒng)水平 響應(yīng)響應(yīng)生態(tài)服務(wù)功能響應(yīng)生態(tài)服務(wù)功能響應(yīng)脅迫脅迫 指標(biāo)指標(biāo)響應(yīng)響應(yīng) 指標(biāo)指標(biāo)環(huán)境污染環(huán)境污染Land-lockedLength:15 kmAverage depth: 10-20 mSurface area: 52 km2Velocity: 0.04 - 0.08 m/sThree subzones: harbor, buffer,channelCurrent Seven sample sections Two

14、 cities: Tai Po, Sha TinThree Reservoirs: Plover Cove, Shing Mun, Lower Shing MunUrbanization19712001Area: 21.1 28.3 km2Population: 24,000 625,000Stresses -Sha Tin New Town 19712001Tai Po New Town Area: 1.5 5 km2Population: 21,000 321,000UrbanizationStresses -Industrializationn 1971: isolated small

15、factoriesn 1989: seven industry regions with total area of more then 200 ha1989Stresses - Agricultural development Livestock breeding020000040000060000080000063 65 67 69 71 73 75 77 79 81 83 85 87 89 91 93 95 97 99YearPig (heads)05000000100000001500000020000000Chichen (heads)Pig (heads)Chichen (head

16、s)1965 1989Pigs: 3,000 6,000 headsChickens: 5,000,000 15,000,000 heads Stresses -Water resource explorationResvervior Date to use Water-gathering area (ha) Volume (m3) Shing Mun 1936 1202 13,280,000 Lower Shing Mum 1965 252 4,300,000 Plover Cove () 1968 2335 169,920,000 Plover Cove (II) 1973 3217 22

17、9,730,000 Make a dam,Pump sea water Stresses -200Fishy resource explorationStresses -Area & production:30 % of the total Mariculture Fish in Tolu HarborFour mariculture fish zonesOre mine explorationMa An Shan Ore Mine,Only one in Hong KongDuration: 1906 - 1976Outputs: 900 - 170,000 tons per acre 12

18、0,000 (average)Stresses -Pollution loading14716474580060001986Stresses -Physical responsesEcosystem responses1936 19651968 197319688138.5 km265.3 km23.5 m2 m53%65%Ecosystem responsesChemical responsesBOD5TNTPFaecal coli.Biological responsesEcosystem responsesRed tides occurrence in Tolo Harbour434Bi

19、ological responsesEcosystem responsesEcosystem-serve-function responsesEcosystem responsesv 海灣海灣 生態(tài)系統(tǒng)健康定量表征生態(tài)系統(tǒng)健康定量表征 綜合指標(biāo)體系綜合指標(biāo)體系III - 評價方法及其應(yīng)用評價方法及其應(yīng)用 直接監(jiān)測評價法直接監(jiān)測評價法(相對比較法相對比較法)（DMM） 生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)法（生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)法（EHIM） 生態(tài)模型法生態(tài)模型法 （EMM)ProcedureSelect indicators Measure directly or calculate indirectly indic

20、ator values Assess lake ecosystem health 直接監(jiān)測評價法（直接監(jiān)測評價法（DMM）及其應(yīng)用實例）及其應(yīng)用實例Case study ： Lake Chao (Indicators & Data)直接監(jiān)測評價法（直接監(jiān)測評價法（DMM）及其應(yīng)用實例）及其應(yīng)用實例Case study ： Lake Chao (Results)直接監(jiān)測評價法（直接監(jiān)測評價法（DMM）及其應(yīng)用實例）及其應(yīng)用實例Bad Good:Aug. Oct (C)Apr. May (A)Jun. Jul. (B)Nov. Dec. (D)Jan. Mar. (E)Tolu Harbor 生態(tài)

21、系統(tǒng)健康評價生態(tài)系統(tǒng)健康評價 (indicators and data)Tolu Harbor 生態(tài)系統(tǒng)健康評價生態(tài)系統(tǒng)健康評價 (Results)EHI 設(shè)設(shè) 計計步步 驟驟計算公式計算公式EHI - synthetic ecosystem health index EHIi - the i-th ecosystem health index for the i-th indicatori - the weighting factor for the i-th indicator計算方程計算方程 for EHI(BA), EHI(BZ) , EHI(BZ/BA), EHI(Ex) & EHI

22、(Exst)3030個意大利湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)定量診斷結(jié)果個意大利湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)定量診斷結(jié)果Case study:Italy Lakes(Discussion：EHI - TSI Relations)Indicators for EHI Calculations: BA, BZ, BZ/BA, Ex, ExstIndicators for TSI Calculations: TP, SD , Chl-a30 Italy Lakes分分 析析 湖湖 泊泊 生生 態(tài)態(tài) 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu)模模 型型 驗驗 證證計計 算算 生生 態(tài)態(tài) 指指 標(biāo)標(biāo) 值值評評 價價 湖湖 泊泊 生生 態(tài)態(tài) 健健 康康 狀

23、狀 態(tài)態(tài)確定指標(biāo)確定指標(biāo) 滿滿 意意 ?YESNO概概 念念 框框 圖圖模模 型型 方方 程程模模 型型 參參 數(shù)數(shù)構(gòu)構(gòu) 建建 湖湖 泊泊 模模 型型基本基本流程流程火火 用用巢湖磷循環(huán)模型巢湖磷循環(huán)模型生態(tài)健康指標(biāo)生態(tài)健康指標(biāo)ExergyStr. ExergyCalibrations巢湖磷循環(huán)模型巢湖磷循環(huán)模型Calibrations巢湖磷循環(huán)模型巢湖磷循環(huán)模型Calculation & Assessment巢湖磷循環(huán)模型巢湖磷循環(huán)模型Results from EMM & DMM(Bad - Good):Aug. Oct (C)Apr. May (A)Jun. Jul. (B)Nov. De

24、c. (D)Jan. Mar. (E)ABCDEDiscussion評價結(jié)果評價結(jié)果巢湖磷循環(huán)模型巢湖磷循環(huán)模型IV - Conclusions (1) A theoretical frame for aquatic ecosystem health assessment was proposed (3) A procedure with five steps for assessing ecosystem health (3) A set of indicators including structural, functional & system-level aspects for lak

25、e ecosystem health assessment were proposed. (4) A set of indicators including stress indicators and response indicators (physical, chemical, biological, system-level & ecosystem-serves-function aspects) for marine coastal ecosystem health assessment were recommended. (5) Three methods (DMM, EMM, EH

26、IM) were introduced & applied to some cases with satisfactory results. DMM for the assessment with poor data EHIM for the assessment with systematic data EMM for the assessment with the ecological model developed. 1.Jorgensen S.E., Xu F.-L. Constansan R., “Handbook of Ecological Indicators for Asses

27、sment of Ecosystem Health”. CRC Press, 2005.3, pp. 439. 2010，第二版2.Xu, F.L., et al. (2006). Restorating marine coastal ecosystem health as a new goal for integrated catchment management in Tolo Harbour, Hong Kong, China. Environmental Management 37(4): 540-552. (SCI) 3.Xu, F.L. et al. An Ecosystem He

28、alth Index Methodology (EHIM) for Lake Ecosystem Health Assessment. Ecol. Model., 2005, 188 (2-4): 327-339. (SCI) 4.Xu, F.L. et al.(2004). Marine Coastal Ecosystem Health Assessment: a case study of Tolo Harbour, Hong Kong, China. Ecological Modelling 173(4): 355-370. (SCI)5.Xu, F.L. et al.(2004). The Long-term Temporal-spatia