湿地生态系统健康研究进展

王茂师 张海波 夏奉梅 谈洪英 李 琰 曾 乐 孔志红 苏以江

(1.贵州林业勘察设计有限公司 贵阳 550007；2.贵州大学生命科学学院 贵阳 550025；3.贵阳阿哈湖国家湿地公园管理处 贵阳 550007)

湿地生态系统具有丰富的生物多样性和较高的生态价值。然而随着社会经济发展，湿地从结构到功能、从微观到宏观、从基因到群落，都面临着巨大的冲击[1]，湿地“病态”日益凸显，湿地健康已成为湿地科学研究的热点之一。健康的生态系统一般被视为环境管理的终极目标，湿地生态系统的健康评价有助于提高湿地资源监测水平，诊断由自然和人为因素引起的湿地破坏或退化程度，及时做出预警，可以为管理者做出决策提供依据，以更好地规划、保护和利用湿地资源[2]，促进受损湿地恢复，实现综合效益整合与协调。

本文根据国内外相关文献，对生态系统健康的相关概念、湿地生态系统健康的影响因素、时间和空间研究尺度及评价方法进行了梳理，对湿地生态健康评价持续研究应当关注的重要方面进行了展望，以期为有关学者在该领域的深入研究提供参考。

1 湿地生态系统健康相关概念

1.1 生态系统健康

生态系统健康概念是在生态系统可持续的基础上产生的[3]。ISEH(国际生态系统健康学会)于1991年成立，生态系统健康论证开始向定量化发展，相关课程和项目也相继出现。最早的相关概念是Leopold提出的“土地健康”，即健康的土地是被人类占领而没有使其功能受到破坏的状况[4]。随后，Mageau提出，生态系统健康具有内部稳定、无疾病、多样性或复杂性、有活力或增长空间、稳定性或可恢复性、系统要素间保持平衡等六项特征[5]，具有人为干扰下生态系统结构和功能的完整性。20世纪90年代末，生态系统健康加入了人类健康因素[6]。2000年前后至今，国内学者对生态系统健康研究的关注度日益上升[1, 7]。2002年，ISEH解体，对生态系统健康概念的切入视角逐渐出现分异，相关研究发展脉络也不明朗，对于该概念的界定尚无权威标准，但历来都是围绕生态系统稳定性、完整性和恢复力来展开的。朱建刚[8]认为，如果一个生态系统具备良好的整体性，能够维持较高的稳定性，并能实现良好的可持续性，则该生态系统是健康的，反之则是病变的，但整个生态系统的健康状况不是内部各组分的健康状况的简单累加。

1.2 湿地生态系统健康

湿地生态学发展较晚，学科体系尚不完整，对于湿地生态系统健康也缺乏权威的、完成的定义，目前相对完整的定义有：

(1)ISEH定义[9]：湿地生态系统稳定可持续发展，无病态，随时保持活力并且能维持其组织和自主性，在外界胁迫下容易恢复。

(2)崔保山定义[10]：系统内的关键生态组分和有机组织保存完整，缺乏疾病，在一定的时空尺度下对各种扰动能保持着弹性和稳定性，整体功能表现出多样性、复杂性、活力和生产率；既可以自我持续发展，又具有提供特殊功能的能力；表现出功能整合性，一方面强调了社会、生态、伦理道德的有机整体性，另一方面也反映了健康的时空统一性。

相比之下，后者的概括较为完整，包含了湿地的生态服务功能和社会经济因素。但是也有学者认为，整体性、稳定性和持续性才是生态系统的固有特征，只有通过固有特征定义生态系统健康才是合理的、科学的[8]，不应纳入人类需求或管理目标。

2 湿地生态系统健康的影响因素

2.1 自然因素

新构造运动：是自然湿地退化的关键诱导因素。地壳隆起、沉降作用和河流侵蚀显著影响了地形和水系的形成，使湿地趋向自然疏干，从而退化，例如黄河源湿地环境的恶化[11]。

气候变化：主要影响水体生物地球化学过程、水生食物网结构、生物多样性、初/次级生产以及水文过程[12]。如白洋淀湿地因气候变化致使水文特征改变，进而造成湿地退化[13, 14]。

自然灾害：破坏湿地生态系统结构和功能[15]，如地震、泥石流、洪水、病虫害等。但近年来，自然因素并不是湿地生态系统健康受损的主要原因，部分自然灾害的发生也是由人类活动引发的。

2.2 人为因素

人为活动是引起湿地退化和健康问题的主要因素，如外来物种的不合理引入、污水排放、湿地资源过度开发、侵占湿地等，主要包括生物学、土壤学、生态学和生物地球化学等影响机理。其中，生物学机理主要体现为人为活动改变原生湿地植物种间关系、物种入侵、生物多样性丧失、营养结构改变等导致湿地退化。如互花米草(Spartinaalterniflora)入侵后，他感作用造成植物群落结构和功能的改变[16]；土壤学机理体现为过度放牧、泥炭开采、石油开采等活动导致湿地土壤结构和功能发生变化，地表趋干，土壤有机质加速分解，酶活性降低[17]；生态学机理包括物种多样性、种群存活率、群落结构和生态位等，其中，物种生态位的变化会影响湿地生物群落的物种构成和功能[18]；生物地球化学机理主要通过改变湿地对营养元素的吸收、循环、累积而影响植物群落和土壤理化性质，导致湿地功能下降，如过量污水注入及农业面源污染致使湿地净化能力减弱甚至丧失[19]。

3 研究尺度

生态系统在小尺度上具有瞬变特征，在大尺度上则可能表现出极强的稳定性和持续性。因此，尺度选择可能会影响对生态学格局、过程及其互作规律的把握程度，进而影响研究成果的科学性和实用性[20]。

崔保山等[10]认为，湿地生态系统健康的时间尺度可以分时间“点”和“段”，前者是指相对较短的时间，后者是指几十年到百年。特定时间“点”的湿地健康问题研究能快速评价湿地现状和特征，但难以寻找参照值，经验成分较多。特定时间“段”的湿地健康问题研究需要掌握大量的、大时间尺度的数据，分析具有系统性、全面性，但很多要素缺乏历史资料或记载不全。湿地是一个复杂的非线性系统，需要根据研究对象特征及现实条件选择合适的尺度，综合考虑时间“点”与时间“段”、时空统一性和差异性、湿地健康静态特征和动态规律。

空间尺度可分为全球尺度和区域尺度。区域尺度又可分为区域尺度和局域尺度，即宏观与微观尺度。区域尺度上，需要把握区域的整体性和结构性，尤其是在确定评价指标时，要综合考虑三大效益。局域尺度一般具有统一的功能特点或均质性，更注重指标细化及地区本身与周边环境的关系，能更细致地体现湿地健康现状，但某些局部要素可能会导致错误的结论，而在大尺度上并不起主要作用。因此，在研究湿地健康时，也需要注重二者的结合[10]。

彭建等[21]认为，在生态系统健康的三大层次中，生态系统是基本尺度，区域/景观是核心尺度，全球是目标尺度。其中，核心尺度兼顾了宏观与微观尺度的健康问题，也关联了社会经济问题。某一尺度的生态系统健康不是简单的累加或还原。近年来，国内学者在核心尺度上开展了大量的评价工作，一类是在区域尺度上进行某一类生态系统的健康评价[22]，另一类则是将区域整体作为研究对象进行评价[23]。

4 评估方法

国内外广泛开展了关于湿地生态系统健康评价的研究，常用的评价方法主要是指示物种法和指标体系法，指示物种法在国外应用较多，指标体系法在国内应用较多。

4.1 指示物种法

指示物种法是指通过研究单个物种或类群来反映湿地生态系统的健康状况[24]，所选对象常是生态系统的关键种、特有种或濒危种，对环境改变较敏感[25]。

具有代表性的是Karr建立的IBI(生物完整性指数)，应用广泛[26]。IBI最早是以鱼类为指示生物构建以鱼类为主的完整性指数(F-IBI)[27]，用以评价河流健康。IBI基于大量的野外调查和室内分析，专业性高，结果可靠，是北美湿地生态监测常用的方法之一[28]。发展至今，IBI已广泛应用于湿地生态系统健康评价，指示生物类群也扩展到底栖动物(B-IBI)[29]、藻类(P-IBI)[30]、浮游生物[31]、鸟类[32]、细菌[33]、微生物(M-IBI)[34]、植被(V-IBI)[35]等。我国白洋淀[28]、梁子湖[36]和鄱阳湖[37]就利用V-IBI评价了湿地生态健康。也有学者[38]认为，强烈人为干扰下，很多流域湿地的结构和功能严重受损，生物多样性丧失，鱼类、底栖生物完整性指数已不适用，在强人为干扰下的海河流域湿地生态系统健康评价中，生物膜方法更适用。

4.2 指标体系法

指示物种法具有指示物种筛选标准不明确、未纳入社会经济和人类活动等因素[39]等局限性，而指标体系法基于层次分析法构建生态健康指标体系，正好克服了这些缺点，通常包括三个层面：目标层、中间层和基层，目标层即生态系统健康指数；中间层含生态、生物物理、社会经济及人类健康等指标门类；基层是用来表达中间层的各种具体评价指标，其中，活力、组织、恢复力是最主要的3个指标。

在评价指标体系构建方面，学者们提出了很多方案与模型，如“系统结构-生态功能-资源功能-社会环境”方案[40]、“自然要素特征-景观特征-人类扰动”方案[41]及“水文地貌评价法”(HGM)、“活力-组织-恢复力”(VOR)、“压力-状态-响应”(PSR)[42]、“驱动力-状态-响应”(DSR)和“驱动力-压力-状态-影响-响应”(DPSIR)模型[43]。近年来，指标体系法有很多定量方法，常组合使用。在国内，已构建了河流[44]、湖泊[45]及河口滨海[46]等湿地类型健康评价指标体系。美国环保署(EPA)提出了3个层次(Level Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)的湿地健康评价方法及相应的指标体系，评价结果可以实现相互验证[47]。而由联合国经济合作开发署(OEDC)和联合国环境规划署(UNEP)建立的PSR模型因具有清晰的因果关系和系统性而得到广泛关注和使用[48]，国内广泛应用于河流[49]、湖泊[50]、海湾[22]等。

指标体系构建以后，需要确定各指标权重，其计算方法主要有层次分析法[39]、熵值法[51]、专家意见[52]、组合赋权法[51]等。研究方法主要有主成分分析法[53]、模糊综合评价法[54]、健康距离法[55]、能值分析法[56]、投影寻踪法[57]等。此外，随着3S技术的发展，一些大尺度湿地健康评价逐渐利用遥感数据及GIS空间计算分析方法获取各指标值，这类研究多是基于PSR模型构建的评价指标体系[58]。

4.3 两种方法比较与结合

一般而言，对于单一生态系统，指示物种法较为适用，易测量、花费低，具有可预测性、整合性和敏感性[59]，但需要实测数据，且存在筛选标准不明确，指示类群合理性及指示作用大小不明确的问题[60]，难以实现不同组织水平、不同尺度下的湿地健康评价，尤其在大尺度、跨区域的湿地研究时受到一定限制。而指标体系法不受生态系统数量、类型和数据源的限制，选择不同的生物类群，且考虑了不同尺度[1]，包含丰富的指标类型，数据来源广，纳入了社会经济和人类健康等新的指标集，实现了多重效益整合[60]，应用广泛，但也存在定性描述较多、定量较少，对湖泊、流域评价较多，沼泽湿地研究较少，大尺度景观水平上的评价还需强化，统一的湿地健康诊断指标体系很难确定等问题。尽管两者常作为湿地健康评价的不同方法区分介绍，但其区分界限已逐步淡化，根据评价目标将两者混合使用可以有助于提高评价结果的准确性。

5 存在的问题与展望

随着社会和学界对生态系统健康的日益关注，湿地健康研究促进了部分地区的湿地管理及恢复。但现有研究多着眼于特定的湿地斑块或湿地生态系统，对于区域尺度的湿地健康研究还较弱，且实用性和针对性不足[61]。全球尺度的生态系统服务功能衰退的速度远超过该领域科研和管理政策更新的速度[62]。同时，湿地健康研究也面临一系列问题，如概念界定、湿地健康与病态标准，以及如何用湿地健康相关理论指导管理决策等。因此，在今后的研究中应重点关注以下问题：

(1)湿地资源监测与生态系统服务评估：目前，基于野外观测站、基地或人工监测，已开展了大量湿地监测工作，但以常规指标居多，不能有效满足生态系统服务评估和管理决策的需求，在很多湿地区域甚至还没开展监测。因此，需要加大监测范围，并根据不同湿地生态系统的个性，补充与人类活动和管理措施直接关联的、重要的、敏感的表征指标，为生态系统服务评估提供关键参数与数据，深化认识湿地生态系统服务的形成与影响机理[63]。

(2)指标体系与评价方法研究：指示物种法和指标体系法各有优缺点。指示物种筛选标准及其指示作用大小不明确，结构和功能指标选择研究有待深入。而指标体系法在指标量化、评价标准和定级以及综合模型的建立方面研究明显不足，缺乏一个能被广泛接受的评价指标体系，在指标权重确定方面也存在一定的主观性[64]。因此，一个能区分健康和病态、共性与个性的湿地生态系统的指标体系和一套全面、合理、科学的评价方法还有待研究。同时，联合使用多种评估方法并对比结果差异及相互验证也具有重要意义。

(3)驱动力因子分析与湿地修复：现有研究覆盖了不同区域和不同类型的湿地生态系统，通过构建符合区域特征的指标体系分析了湿地健康现状，但对于湿地“病态”的驱动力分析较少，今后的研究应加强这方面的分析，深入探讨各地区生态系统健康在政策法规、社会经济等社会因素影响下的演变过程。同时，要在湿地健康状况诊断的基础上，研究治疗湿地病态的有效措施，并对湿地功能的恢复进程进行有效评价[64]。

(4)多学科融合与尺度深化：随着数据分析技术的发展，对核心尺度的生态系统健康研究初步进入“大数据”时代，数据获取条件日益改善。多学科融合在数据与方法方面的支持使得湿地健康评价更高效，是进行区域集成研究的必要手段。生态系统健康的风险多来源于并作用于人类社会[3]。因此，在区域层面同步整合生态系统所遭受的压力和响应，可以提高环境管理决策的有效性。多学科融合有利于构建应用性更高、评价效果更好的指标体系与思路。

(5)生态文化健康概念的在湿地中的应用：近年来，生态文化健康的研究逐渐兴起[3]，此概念是在生态系统健康、生态健康概念基础上综合而成的，分别用“生态”、“文化”反映自然过程与人类活动，即人与自然的交互，这种整体论观念比生态健康的概念更为广泛。生态文化健康理念尚未得到广泛传播并在研究领域达成共识。从社会发展和维持生态可持续性的视角出发，生态文化健康在湿地生态可持续发展中具有一定价值，其应用也有待进一步研究。