河流生态系统健康维持技术的应用

河流生态系统健康维持技术的应用
1、河流生态系统健康维持技术应用的必要性
随着工业化及城市化发展进程的深入，世界各国的河流都经受了不同程度的干扰和损害，各地河流普遍出现河流水质恶化、形态结构破坏、水文条件变化以及生境退化等种种问题。

全球河流生态系统的退化已成为21世纪人类生存和发展面临的重大危机，并逐渐受到国际社会的广泛关注和重视。

在这一背景下，河流生态系统的恢复以及河流可持续管理成为国际普遍关注的焦点[1,2]。

从国际河流保护和管理的发展趋势上看，国外河流管理经历了“污染——防治——保护——生态修复”的阶段，相应的河流管理理念也发生重要变革，逐步改变原来的注重防洪排涝、工程治河以及污染控制的方式，转而采取“环境改善”或“生态治河”理念对受人类活动严重干扰的河流进行管理[3-5]。

自20世纪七、八十年代起从单一的污染防治以及工程整治向综合考虑水体修复与生态保护的河流生态系统综合管理方式转变。

与此同时，恢复和维持河流生态系统健康正在成为河流管理目标，而基于单纯理化指标的水环境评价方法已经难以满足河流管理的更高需求，研究者开始尝试探求更多地采用生物、栖息地等指标评估河流生态系统[6,7]。

河流健康评价理论和方法旨在从河流生态系统整体出发，对河流水文、生物、生境等状况进行充分理解和综合评估，从而为河流适应性管理提供基础资料和信息反馈，促进河流的可持续发展[8,9]。

由于目前我国河流生态系统的整体发展趋势已不容乐观，水文条件不佳、水质恶化以及景观功能退化等生态环境问题日趋突出，社会经济发展、人类需求对水环境、水生态的更高要求，已有的污染防治和工程治理难以有效应对水环境领域所存在的问题。

因此，从河流保护、修复以及健康维持角度出发开展系统性和综合性的河流健康研究，构建基于“河流分类——生态评价——管理目标”的河流健康维持体系以改进和完善河流评价和管理，显得十分重要和迫切[10]。

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[11]。

生态健康评价在森林、河流、农田等不同类型生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。

2. 河流生态系统健康维持技术应用
2.1河流生态系统健康维持技术基本内涵和原则
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[12]。

甚至有学者提出了流域生态学（watershed ecology）的理论[13,14]，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。

河流生态系统的健康维持技术的应用，应当在河流修复工程完成后，以修复后的河流水质条件、底栖动物、浮游动植物以及鱼类等多种参数为指标[15-17]。

在此基础上，通过对维持技术的标准确立、措施展开以及评价体系等方面的研究，建立一套以高效的管理措施为保障，长期的实时监控为核心，科学的应对措施为支撑的河流生态系统维持技术，并以“管理——监测——整治”的一体化模式应用于河流生态系统的健康维护。

河流生态系统健康维持技术应用的目标和原则是改善和维护河流生态系统的健康为准则。

但就目前的研究而言，由于河流生态系统的多样性以及实施管理区域的差异性，不同的研究者在管理目标和原则上尚未取得完全一致的意见。

与传统单一的水环境方面要求不同的是，河流健康更强调目标的多元化以及社会综合抉择，由区域内不同的利益方来决定，生态系统自身和人类的需求均需得到适度的权衡和保障[18]。

因此，河流健康维持的目标和原则的确定不仅需要基于生态系统的层级性特征考虑不同的尺度和系统层次，还需要建立长期的动态适应性及调整机制以反映区域内利益相关方的构成意愿以及不同时期对于生态系统的需求变化。

表1 国内外流域生态系统管理的基本原则[10]
因素内容
系统方法①管理是否关注长期可持续性②考虑多尺度③多学科交叉④识别复杂性
检测①存在监测系统②每月分析③指标与管理目标联系④实地监侧
适应性管理①管理目标具有弹性②评估之前的管理策略③管理行为作为试验提供经验
组织机构①管理寻求与合作方认可②信息传递渠道③公众与上级管理联系④多学科合作
人类①管理考虑人类需求②尝试转变非可持续利用方式③注重文化、休闲使用
生态完整性①管理旨在保护自然群落②维持所有群体及自然变动③维持原有生态进程④维持或改替纵向联系⑤维持横向联系⑥复杂性和多样性⑦自然干扰作用的识别⑧长期关注⑨考虑人类需求
外部合作①与其他组织合作②与当地公众交流的机制③当地利益方参与④公众参与问题识别和管理决策
根据河流健康维持的定义和内涵，在综合分析河流生态系统特征以及河流健康基本特征的基础上，借鉴并参考国内外相关流域生态系统管理的基本原则，确立河流健康维持技术的应用原则[10]：
表2 东江河流生态系统健康维持技术应用的基本原则
原则基本内容
系统整体性原则
系统整体性原则要求将河流系统作为整体性等级结构系统，应用整体的观点和系统的角度研究和解决河流保护目标和河流管理问题。

强调系统观、生态完整性的河流生态系统管理是河流健康修复和保护以及促进河流可持续发展的重要途径。

层次综合性原则
根据河流系统的层级性特征，系统内部生态过程并不都是同等的，有高、低层次之别，也有包含型与非包含型之别。

系统中的这种差别主要是由系统形成时的时空范围差别形成的。

因此，进行河流管理应进行多尺度结合以及综合各个层级，不能仅仅局限于河流廊道本身或者局限于具体河段，河流管理必须考虑河流的上中下游、河道及河岸带等相互关系。

生态可持续性原则
生态可持续性原则要求不仅要满足系统结构的完整性和可持续性，更包括系统整体功能和过程的可持续性，也即应维持河流生态系统服务的可持续性，通过生态系统功能的维系来满足人类对其服务、物品以及生态质量的需求，提高生态系统的承载能力。

动态适应性原则
由于河流系统开放性、复杂性和动态变化的特征以及河流管理过程中的不确定性，同时不同利益方不同时期对于河流生态系统的需求变化的存在，在进行河流健康的管理过程中应时刻关注可能存在的动态变化过程，建立长期的动态适应性调整机制和管理模式，不断调整和优化管理机制、措施和策略，以适应系统的动态发展。

多方参与原则
协调处理冲突问题并促进更合理有效的河流生态系统管理，需要将各利益方引入河流健康的管理过程，通过识别主要的利益相关方，建立利益相关者参与的程序和方法等，及时了解和明确不同利益方对于河流管理策略及其实施效果的具体认识。

2.2 河流生态系统健康维持技术应用效果的评价标准
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，在外界胁迫下容易恢复[12]。

河流生态系统健康维持技术应用效果的评价指标包括：
（1）活力；
（2）组织；
（3）恢复力；
（4）生态系统服务功能的维持；
（5）管理选择；
（6）外部输入减少；
（7）对邻近系统的影响及人类健康影响。

以上8个方面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。

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，根据系统在胁迫出现时维持系统结构和功能的能力来评价。

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[19]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。

2.3 河流生态系统健康维持技术的监测指标
表3 河流生态系统健康维持技术采用的监测指标
监测项目监测内容
水质指标①物理参数：温度、电导率、悬浮物、浊度
②化学参数：pH、碱度、硬度、研读、生化需氧量、溶解氧、水体中其
他营养物质和污染物质含量
生物指标①定性评价——污水生物系统
②定量评价——多样性指数、生物指数
③半定量方法——快速评价法、多度量指数
生境指标①水文参数：流量、水深、留宿、径流变化
②河道形态特征：河流蜿蜒性、河床地质材料、河床的淤积与冲刷、岸
坡稳定性、人工渠道化程度、闸坝运行影响
③植被状况：河道内植被以及河岸带植被的数量和质量，可用种类、宽
度、覆盖度
人为干扰指标土地利用方式变化、城市化影响以及水利工程开发等
水质监测可以提供第一手的河流环境信息，是评判河流健康的重要依据。

20世纪初，工业化进程引起水质恶化，化学物质对河流水质的影响受到重视，由于水质理化参数可以反映河流水流和水质变化、河势变化、土地使用情况和岸边结构，并影响河流生态系统功能的正常发挥，各种理化参数逐渐被用于表征水质状况，成为河流健康评估的重要指标，国内外制定了大量的相关评价标准和法规来评价和控制水质[20-23]。

即使目前在水体生态系统健康的评估过程中，纳入了其它评估成分，水质理化参数仍是评估的重要指标。

水质理化参数的监测具有速度快、简单方便等优点，并能反映污染物在水体中存在的形式和组分，而且发展至今已形成较多非常实用的水质理化监测及评估体系。

水质理化参数用于评估水环境质量并反映河流健康状况，可以分为采用单项理化参数的单因子评价及利用水质指数的综合评价方法。

单因子评价法将各参数浓度值与评价标准逐项对比，可直接反映水质状况与评价标准之间的关系，并通过达标率、超标程度等反映水质总体水平[22-23]。

河流生物群落是河流生态系统的主体，近20年来生物评价方法开始被应用于研究生物群落对人类活动的响应，并逐渐成为河流健康评价的主要手段[6]。

利用河流生物评价反映河流系统健康状况的方法，目前主要包括3种类型：指示生物法、生物指数法以及预测模型法[12,,23-26]。

指示生物法是根据调查水体中对有机污染或某些特定污染物质具有敏感性或较高耐受力的生物种类的存在或缺失，指示河段中某种污染物的多寡或降解程度。

其中浮游生物、底栖大型无脊椎动物和鱼类为指示生物类群中使用较多的类群[12, 14]。

生物指数法强调用数学形式表现群落结构，指示水质变化、生境变化等对生物群落的生态学效应。

其中BI指数、Trent指数、硅藻类生物指数、IBI指数以及生物多样性指数等均应用较为广泛[27]。

模型预测法是通过比较物种相对丰度和环境数据的模型，这类方法均需以大量未受污染样点的生物群落以及相应的栖息地质量为基础，筛选出与参照点生物群落组成密切相关的变量（如受人类活动影响较小的经纬度、河流级别、底质组成等非生物学性状），建立判别函数，通过比较测试点实际出现与模型预测群落组成之间的差异程度，判断水环境质量状况。

水文评估根本目的在于分析水文条件变化对于河流系统结构与功能的影响。

建立河流水文特性与生态响应之间关系，特别是水流变动与生态过程的关系，从中分析和识别对于河流生物群落有重要影响的关键水文参数是水文评估重要的基础性工作[21]。

引起水文条件变化的因素主要包括由于气候变迁引起的径流变化、上游取水变化、水库调度和水电站泄流改变自然水文周期、土地利用方式改变和城市化引起的径流变化等。

河流水文情势通过以下3方面影响生物组成和结构：①改变栖息地环境因子；②形成自然扰动
机制，影响河流生物种群结构；③河流物质能量流动的动力；维持或恢复河流水文情势自然变化规律对于维持河流生物多样性和完整性具有重要一样[22]。

生境（栖息地）是指生物体的一个生存区域或生存环境，如河流的浅滩、深塘等，由于研究者关注重点的差异，不同学者对生境评价尺度、指标方面的认识存在一定差异，但基本认同河流生境是对河流生物具有直接或间接影响的多种尺度下的物理化学条件的组合[4,13,17]。

河流生境是河流生物群落潜力的主要决定因素，良好的生境条件是维持河流健康的前提，其质量和数量能够影响生物群落的结构组成。

河流生境可以分为宏观生境以及微观生境2个层次。

宏观生境指中间尺度的物理生境单元，因此也被称为中生境。

典型宏观生境包括：险滩、浅滩、浅流、深流和深潭。

不同河流具有不同的宏观生境特征和河岸植被覆盖状况，对河流有着重要的影响。

微观生境的研究范畴在更小尺度上，也即生物体的实际生活空间所具有一定的水力特征和结构特征，如水深、流速、底质和植被覆盖等[13,14]。

目前河流健康评价多数相关研究主要集中于根据具体的调查对象进行生境类型的系统划分，也即属于对中观生境的研究。

3、河流生态系统健康维持技术应用的框架构建
河流生态系统健康维持技术的应用可以从政策、管理、操作3个层面进行构架[28]：
①政策层面应侧重于制定促进河流保护与河流可持续发展的政策法规、环境标准，为河流生态系统健康维持管理提供政策保障和宏观引导；
②管理层面应侧重于构建基于河流生态系统的现状建立相适应的管理体系，确定运作方式、协调管理机制及管理方案，通过规划制定和实施、规划监督和评估、管理协调以及管理过程的公众参与等实现和完善，为河流生态系统的健康维持技术的应用提供管理模式方面的优化建议；
③操作层面侧重于提出具有针对性和可操作性的河流整治、水系改造以及相关的污染控制和生态修复措施（包括污染控制、河岸带生态修复、河道内修复）等，保证河流生态系统健康维持方案的有效落实，并提供实施建议和技术指导[28]。

由于河流系统自身的复杂性使得河流生态系统健康维持过程不可避免的伴随着一定程度的不确定性和风险，这一特点也使得河流管理策略难以精确应对管理过程中出现的所有问题，而适应性管理的引入能够增加管理框架的弹性和适应性，有效应对系统的不确定性并降低风险[29]。

因此应基于河流健康评估结果构建适应性管理对策，促进河流健康管理的有效性和可控性。

根据管理目标和管理策略，筛选出河流管理的监测指标，
实施监测计划，通过对某一时段内河流生态系统健康维持的效果进行评估，将评价结果继续反馈至管理策略以及管理目标制定[10]。

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