水生态系统健康评价 理论框架指标体系与定量方法
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Urbanization
Tai Po New Town
1971
2001
Population (persons) Area (km2)
Area: 1.5 → 5 km2 Population: 21,000 → 321,000
350000
6.00
300000
5.00
250000 4.00
200000 3.00
湖泊 生态系统健康定量表征 综合指标体系
海湾生态系统指标开发（香港吐露港）
Location
Mainland China
城市化 工业化 农业发展 资源开发 环境污染
物理 响应 化学 响应 生物 响应 系统水平 响应
生态服务功能响应
胁迫 指标 响应 指标
Land-locked Length:15 km
（人口 + 资源 + 环境 + 社会 + 经济 + 灾害）
o 美、加联合项目“大湖生态系统健康评价”： o 生物、生态、社会经济和人口健康等方面的综合指标体系（Shear,1996）
研究现状—— 诊断指标（4）
研究现状—— 进展与问题
▪ 近年来，在可持续发展思想的推动下，生态系统健康研究已 成为国际生态环境领域新的研究热点和联系地球科学、环境 科学、生态学、经济学及社会科学等学科的桥梁。
❖ 起步晚，发展快
❖ 相关文献 - 中国期刊网
o 检索词：生态健康 or
350
生态系统健康
300
o 主题：93年，第一篇
250
o 篇名：99年，第一篇
200
150
100
50
0
论文数-主题 论文数-篇名
综述文章
305 173
年份
研究文章
II - 理论框架及其应用
• 湖泊生态健康指标 • 海湾生态健康指标
理 论 框 架 （胁迫-响应关系）
胁迫因素识别 生态系统响应分析
指标体系开发
应用
湖泊 生态系统 海湾 生态系统
评价方法确定
定性定量评价
湖泊生态系统指标开发
湖泊化学污染胁迫效应的系统分析
富营养化
酸化
重金属污染 杀虫剂污染 油污染
实测数据: 富营养化(国内30个+ 国外31个), 酸化+油污染+重金属污染+杀虫剂污染(数十个) 试验数据: 酸化(4个)+油污染(2个)+重金属污染(2个)+杀虫剂污染(13个)
①系统能维持自我平衡、②系统无疾病、③具有多样性或复杂性、 ④系统的稳定性或恢复力强、⑤增长活力大、及⑥系统成份间保 持平衡。 ▪ 学科定义(ISEH,1998) “具有诊断、预测和预防特征的, 研究生态系统管理以及生态系统 健康与人类健康之间关系的交叉性的系统科学”
研究现状—— 诊断指标（1）
单指标 ——> 多指标 ——> 综合指标
Fishy resource exploration
200
Mariculture Fish in Tolu Harbor
Four mariculture fish zones
Area & production: 30 % of the total
Stresses -
Ore mine exploration
全国污染生态学术研讨会
水生态系统健康评价： 理论框架、指标体系与定量方法
提纲
I. 生态系统健康研究现状
II. 理论框架及其应用
– 湖泊生态系统 – 海湾生态系统
III. 评价方法及其应用
– 直接监测评价法（DMM） – 生态健康指数法（EHIM） – 生态模型法（EMM）
IV. 结论
研究现状—— 概念起源与发展
Date to Water-gathering area
use
(ha)
1936
1202
1965
252
1968
2335
1973
3217
Volume (m3)
13,280,000 4,300,000 169,920,000 229,730,000
Make a dam, Pump sea water
Stresses -
Chemical responses
Faecal coli.
BOD5
TP TN
Ecosystem responses
Biological responses
Ecosystem responses
Biological responses
Red tides occurrence in Tolo Harbour
Pigs: 3,000 → 6,000 heads
Chickens: 5,000,000 →
15,000,000 heads
Stresses -
Water resource exploration
Resvervior
Shing Mun Lower Shing Mum Plover Cove (Ⅰ) Plover Cove (II)
1989: seven industry regions with total area of more then 200 ha
1989
Pig (heads) Chichen (heads)
Stresses -
Agricultural development
• Livestock breeding
Duration: 1906 - 1976 Outputs: 900 - 170,000 tons per acre
120,000 (average)
Ma An Shan Ore Mine, Only one in Hong Kong
kg/d
Stresses -
Pollution loading
16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000
❖ 单指标(早期阶段): 用特殊的种或成份作为衡量指标，如
o 毒理学家: 生物个体健康； o 生态学家: 种群丰度； o 鱼类生态学家: 种群的年龄结构; o Hannon(1985): 生态总产量(GEP) (类似GDP)
o 这样的指标不够全面，不能反映生态系统的复杂性； o 易于使用（特别对管理者）
800000
20000000
600000
15000000
400000
10000000
200000
5000000
0
0
63 65 67 69 71 73 75 77 79 81 83 85 87 89 91 93 95 97 99
Year
Pig (heads) Chichen (heads)
1965 → 1989
及总活力等生态系统的四个重要特征。 o Kay 等 (1991) ：河流生态系统健康指标：生物量、输入、输出、生产力、呼吸、循
环、Finn 循环指数及优势度等来评价Crystal 河流生态系统健康（或完整性）。 o Costanza (1992)：系统健康指数：HI =系统活力指数*系统组织指数*系统恢复力指数 o Jorgensen (1995): Exergy（Ex）、Structural Exergy （Exst）和 生态缓冲容量等。 o Dalsgaard (1995, 1996)：农业生态系统健康指标：生物量, 收成, N 通量, 系统管理费
Stresses -
Urbanization
Sha Tin New Town
1971
2001
Population (persons) Area (km2)
Area: 21.1 → 28.3 km2 Population: 24,000 → 625,000
700000
29.00
600000 500000 400000
用, P/B, H/E, 效率, Shinn 指数, Finn 循环指数, 优势度, Ex, Exst及生态缓冲容量。 o Xu等 (1999，2001)：湖泊生态系统健康生态指标体系，包括生态结构指标、生态功能
指标及生态系统指标。胁迫指标和响应指标。
研究现状—— 诊断指标（3）
❖综合指标（发展趋势）：
Average depth: 10-20 m Surface area: 52 km2 Velocity: 0.04 - 0.08 m/s
Three subzones: harbor, buffer,channelCurrent Seven sample sections Two cities: Tai Po, Sha Tin Three Reservoirs: Plover Cove, Shing Mun, Lower Shing Mun
150000
2.00 100000
50000
1.00
0
0.00
1971 1976 1981 1986 1991 1996 2000
Year
Population (persons)
Area (km2)
Stresses -
Industrialization
1971:
isolated small factories
43
4
Ecosystem responses
Ecosystem-serve-function responses
❖ 海湾 生态系统健康定量表征 综合指标体系
III - 评价方法及其应用
• 直接监测评价法(相对比较法)（DMM） • 生态系统健康指数法（EHIM） • 生态模型法 （EMM)
直接监测评价法（DMM）及其应用实例 Procedure
28.00 27.00 26.00 25.00
300000 200000 100000
24.00 23.00 22.00 21.00
0
20.00
1971 1976 1981 1986 1991 1996 2000
Year
Population (persons)
Area (km2)
Stresses -
直接监测评价法（DMM）及其应用实例
Case study ： Lake Chao (Results)
Bad ——>Good: Aug. – Oct (C) Apr. – May (A) Jun. – Jul. (B) Nov. – Dec. (D) Jan. – Mar. (E)
研究现状—— 诊断指标（2）
❖ 多指标（当前主流）:
o Karr 等 (1986)：生物完整性指数(IBI)： 12个指标 o Rapport 等 (1985)：生态系统胁迫指标：即营养物、初级生产力、体长分布、种群多
样性及系统的恢复能力。 o Ulanowicz (1986)：网络优势指数（INA）：包括种群丰度、生态位、发育循环与反馈，
❖ 1980’s: “健康”概念被引入生态学研究，出现“生态健康”和 “生态系统健康”的概念，研究胁迫作用对生态系统的影响及 受胁迫生态系统的管理等问题。
❖ 三个发展阶段：多样化定义 —> 综合定义—> 学科定义
▪ 多样化定义: 生态学家、经济学家、哲学家、政治家、环境管理人员 ▪ 综合定义(Costanza,1992)
0
14716
4745
BOD负荷 1976
6000
800 TN负荷
1986
1986
Ecosystem responses
Physical responsesห้องสมุดไป่ตู้
138.5 km2 196
65%
53%
65.3 km2
88 1936 1965 1968 1973
3.5 m 2m
Ecosystem responses
➢ 湖泊生态功能响应
浮游植物初级生产力：降低 浮游植物碳吸收率：变小 浮游动物碳吸收率：变小 生态转移效率：降低 毛生产力／呼吸率：偏离1 毛生产力／生物量：减小 生物量／能流比率：减小
➢ 湖泊生态系统响应
生态缓冲容量：降低 火用 (Exergy)：降低 结构 火用 (Structural exergy)：降低
Select indicators
Measure directly or calculate indirectly indicator values
Assess lake ecosystem health
直接监测评价法（DMM）及其应用实例
Case study ： Lake Chao (Indicators & Data)
▪ 在北美, 生态系统健康学已成为环境、生态、公众健康、医 学、兽医等专业的一门课程
❖ 研究对象单一：单一生态系统； ❖ 研究内容不深入：评价指标、评价方法；
研究现状——国内研究现状
篇数 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11
湖泊生态结构、生态功能和系统水平的胁迫效应
湖泊对化学污染胁迫的响应
随胁迫加强
➢ 湖泊生态结构响应
浮游植物细胞：变大 浮游动物个体：变小 浮游植物生物量（BA)：增加 浮游动物生物量(BZ)：减少 小型浮游动物生物量(BZmicro): 增加 大型浮游动物生物量(BZmacro): 减少 种群多样性指数：减小 BZ/BA比率: 减小 (BZmacro)/BZmicro比率：减小
Tai Po New Town
1971
2001
Population (persons) Area (km2)
Area: 1.5 → 5 km2 Population: 21,000 → 321,000
350000
6.00
300000
5.00
250000 4.00
200000 3.00
湖泊 生态系统健康定量表征 综合指标体系
海湾生态系统指标开发（香港吐露港）
Location
Mainland China
城市化 工业化 农业发展 资源开发 环境污染
物理 响应 化学 响应 生物 响应 系统水平 响应
生态服务功能响应
胁迫 指标 响应 指标
Land-locked Length:15 km
（人口 + 资源 + 环境 + 社会 + 经济 + 灾害）
o 美、加联合项目“大湖生态系统健康评价”： o 生物、生态、社会经济和人口健康等方面的综合指标体系（Shear,1996）
研究现状—— 诊断指标（4）
研究现状—— 进展与问题
▪ 近年来，在可持续发展思想的推动下，生态系统健康研究已 成为国际生态环境领域新的研究热点和联系地球科学、环境 科学、生态学、经济学及社会科学等学科的桥梁。
❖ 起步晚，发展快
❖ 相关文献 - 中国期刊网
o 检索词：生态健康 or
350
生态系统健康
300
o 主题：93年，第一篇
250
o 篇名：99年，第一篇
200
150
100
50
0
论文数-主题 论文数-篇名
综述文章
305 173
年份
研究文章
II - 理论框架及其应用
• 湖泊生态健康指标 • 海湾生态健康指标
理 论 框 架 （胁迫-响应关系）
胁迫因素识别 生态系统响应分析
指标体系开发
应用
湖泊 生态系统 海湾 生态系统
评价方法确定
定性定量评价
湖泊生态系统指标开发
湖泊化学污染胁迫效应的系统分析
富营养化
酸化
重金属污染 杀虫剂污染 油污染
实测数据: 富营养化(国内30个+ 国外31个), 酸化+油污染+重金属污染+杀虫剂污染(数十个) 试验数据: 酸化(4个)+油污染(2个)+重金属污染(2个)+杀虫剂污染(13个)
①系统能维持自我平衡、②系统无疾病、③具有多样性或复杂性、 ④系统的稳定性或恢复力强、⑤增长活力大、及⑥系统成份间保 持平衡。 ▪ 学科定义(ISEH,1998) “具有诊断、预测和预防特征的, 研究生态系统管理以及生态系统 健康与人类健康之间关系的交叉性的系统科学”
研究现状—— 诊断指标（1）
单指标 ——> 多指标 ——> 综合指标
Fishy resource exploration
200
Mariculture Fish in Tolu Harbor
Four mariculture fish zones
Area & production: 30 % of the total
Stresses -
Ore mine exploration
全国污染生态学术研讨会
水生态系统健康评价： 理论框架、指标体系与定量方法
提纲
I. 生态系统健康研究现状
II. 理论框架及其应用
– 湖泊生态系统 – 海湾生态系统
III. 评价方法及其应用
– 直接监测评价法（DMM） – 生态健康指数法（EHIM） – 生态模型法（EMM）
IV. 结论
研究现状—— 概念起源与发展
Date to Water-gathering area
use
(ha)
1936
1202
1965
252
1968
2335
1973
3217
Volume (m3)
13,280,000 4,300,000 169,920,000 229,730,000
Make a dam, Pump sea water
Stresses -
Chemical responses
Faecal coli.
BOD5
TP TN
Ecosystem responses
Biological responses
Ecosystem responses
Biological responses
Red tides occurrence in Tolo Harbour
Pigs: 3,000 → 6,000 heads
Chickens: 5,000,000 →
15,000,000 heads
Stresses -
Water resource exploration
Resvervior
Shing Mun Lower Shing Mum Plover Cove (Ⅰ) Plover Cove (II)
1989: seven industry regions with total area of more then 200 ha
1989
Pig (heads) Chichen (heads)
Stresses -
Agricultural development
• Livestock breeding
Duration: 1906 - 1976 Outputs: 900 - 170,000 tons per acre
120,000 (average)
Ma An Shan Ore Mine, Only one in Hong Kong
kg/d
Stresses -
Pollution loading
16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000
❖ 单指标(早期阶段): 用特殊的种或成份作为衡量指标，如
o 毒理学家: 生物个体健康； o 生态学家: 种群丰度； o 鱼类生态学家: 种群的年龄结构; o Hannon(1985): 生态总产量(GEP) (类似GDP)
o 这样的指标不够全面，不能反映生态系统的复杂性； o 易于使用（特别对管理者）
800000
20000000
600000
15000000
400000
10000000
200000
5000000
0
0
63 65 67 69 71 73 75 77 79 81 83 85 87 89 91 93 95 97 99
Year
Pig (heads) Chichen (heads)
1965 → 1989
及总活力等生态系统的四个重要特征。 o Kay 等 (1991) ：河流生态系统健康指标：生物量、输入、输出、生产力、呼吸、循
环、Finn 循环指数及优势度等来评价Crystal 河流生态系统健康（或完整性）。 o Costanza (1992)：系统健康指数：HI =系统活力指数*系统组织指数*系统恢复力指数 o Jorgensen (1995): Exergy（Ex）、Structural Exergy （Exst）和 生态缓冲容量等。 o Dalsgaard (1995, 1996)：农业生态系统健康指标：生物量, 收成, N 通量, 系统管理费
Stresses -
Urbanization
Sha Tin New Town
1971
2001
Population (persons) Area (km2)
Area: 21.1 → 28.3 km2 Population: 24,000 → 625,000
700000
29.00
600000 500000 400000
用, P/B, H/E, 效率, Shinn 指数, Finn 循环指数, 优势度, Ex, Exst及生态缓冲容量。 o Xu等 (1999，2001)：湖泊生态系统健康生态指标体系，包括生态结构指标、生态功能
指标及生态系统指标。胁迫指标和响应指标。
研究现状—— 诊断指标（3）
❖综合指标（发展趋势）：
Average depth: 10-20 m Surface area: 52 km2 Velocity: 0.04 - 0.08 m/s
Three subzones: harbor, buffer,channelCurrent Seven sample sections Two cities: Tai Po, Sha Tin Three Reservoirs: Plover Cove, Shing Mun, Lower Shing Mun
150000
2.00 100000
50000
1.00
0
0.00
1971 1976 1981 1986 1991 1996 2000
Year
Population (persons)
Area (km2)
Stresses -
Industrialization
1971:
isolated small factories
43
4
Ecosystem responses
Ecosystem-serve-function responses
❖ 海湾 生态系统健康定量表征 综合指标体系
III - 评价方法及其应用
• 直接监测评价法(相对比较法)（DMM） • 生态系统健康指数法（EHIM） • 生态模型法 （EMM)
直接监测评价法（DMM）及其应用实例 Procedure
28.00 27.00 26.00 25.00
300000 200000 100000
24.00 23.00 22.00 21.00
0
20.00
1971 1976 1981 1986 1991 1996 2000
Year
Population (persons)
Area (km2)
Stresses -
直接监测评价法（DMM）及其应用实例
Case study ： Lake Chao (Results)
Bad ——>Good: Aug. – Oct (C) Apr. – May (A) Jun. – Jul. (B) Nov. – Dec. (D) Jan. – Mar. (E)
研究现状—— 诊断指标（2）
❖ 多指标（当前主流）:
o Karr 等 (1986)：生物完整性指数(IBI)： 12个指标 o Rapport 等 (1985)：生态系统胁迫指标：即营养物、初级生产力、体长分布、种群多
样性及系统的恢复能力。 o Ulanowicz (1986)：网络优势指数（INA）：包括种群丰度、生态位、发育循环与反馈，
❖ 1980’s: “健康”概念被引入生态学研究，出现“生态健康”和 “生态系统健康”的概念，研究胁迫作用对生态系统的影响及 受胁迫生态系统的管理等问题。
❖ 三个发展阶段：多样化定义 —> 综合定义—> 学科定义
▪ 多样化定义: 生态学家、经济学家、哲学家、政治家、环境管理人员 ▪ 综合定义(Costanza,1992)
0
14716
4745
BOD负荷 1976
6000
800 TN负荷
1986
1986
Ecosystem responses
Physical responsesห้องสมุดไป่ตู้
138.5 km2 196
65%
53%
65.3 km2
88 1936 1965 1968 1973
3.5 m 2m
Ecosystem responses
➢ 湖泊生态功能响应
浮游植物初级生产力：降低 浮游植物碳吸收率：变小 浮游动物碳吸收率：变小 生态转移效率：降低 毛生产力／呼吸率：偏离1 毛生产力／生物量：减小 生物量／能流比率：减小
➢ 湖泊生态系统响应
生态缓冲容量：降低 火用 (Exergy)：降低 结构 火用 (Structural exergy)：降低
Select indicators
Measure directly or calculate indirectly indicator values
Assess lake ecosystem health
直接监测评价法（DMM）及其应用实例
Case study ： Lake Chao (Indicators & Data)
▪ 在北美, 生态系统健康学已成为环境、生态、公众健康、医 学、兽医等专业的一门课程
❖ 研究对象单一：单一生态系统； ❖ 研究内容不深入：评价指标、评价方法；
研究现状——国内研究现状
篇数 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11
湖泊生态结构、生态功能和系统水平的胁迫效应
湖泊对化学污染胁迫的响应
随胁迫加强
➢ 湖泊生态结构响应
浮游植物细胞：变大 浮游动物个体：变小 浮游植物生物量（BA)：增加 浮游动物生物量(BZ)：减少 小型浮游动物生物量(BZmicro): 增加 大型浮游动物生物量(BZmacro): 减少 种群多样性指数：减小 BZ/BA比率: 减小 (BZmacro)/BZmicro比率：减小