2023, Vol. 15 
2. 贵州省环境科学研究设计院，贵州 贵阳 550000
2. Guizhou Institute of Environmental Science Research and Design, Guiyang, Guizhou 550000, China
生态系统是维持人类生存环境的最基本单位，为生物提供了自然资源与生存环境[1]。生态系统是一个极其复杂的系统，包含了维持其完整性和弹性所必需的自我调节机制[2]。生态系统功能主要有服务功能与价值功能，健康的生态系统是人类社会发展的基本保证[3]。生态系统为人类社会提供物质基础和发展环境，维护健康的生态系统是人类社会可持续发展的必要条件[4]。生态系统健康是一门跨学科的综合性学科[5]，随着人类对生态环境的关注，对生态系统健康的研究也越来越深入[6]，生态系统健康评价越发受到重视[7]。
随着社会经济的发展，人类对河湖生态环境的干扰越来越频繁，水体污染严重，生物多样性逐渐降低[8]。河湖水生态系统健康问题已被广泛重视[9]。随着人类对河湖自然属性的深入了解，河湖管理目标已从单一的水质管理逐渐转向水生态系统管理[10]。国内外学者针对此现状，提出了多种评价水生态环境健康的方法，但多种评价方式角度不同，侧重点不同，都过于零散，因此归纳总结不同评价方法的优缺点，再结合实际情况，选择侧重的指标和选配合适的评估方法更有针对性意义。
国内外在水生态健康评价技术的研究和应用方面积累了丰富的实践经验。20世纪70年代以来，美国、欧盟、澳大利亚、南非等国家和组织相继开展了以生态系统完整性为核心的水生态健康评估研究与应用，提出了符合国家或地区实际情况的水生态健康概念和评价指标，并颁布相关法律法规，推动水生态健康评价工作。虽然国内关于水生态健康评价的研究起步较晚，但自河长制和湖长制等管理制度实施以来，相关研究和实际应用的进程明显加快。2016年11月和2017年12月，中共中央办公厅、国务院办公厅相继印发《关于全面推行河长制的意见》《关于在湖泊实施湖长制的指导意见》。河湖健康评价是河湖管理的重要内容，是检验河长制和湖长制的重要手段，评价结果影响河长制与湖长制的评价体系及整改治理方向，评价结果与使用的评价方法密切相关；但技术方法、参数等选择不当会影响评价结果，因此研究河湖水生态健康评价的方法及各自的优缺点有实际意义。
1 水生态健康评价 1.1 国外研究进展20世纪80年代至90年代，国外评价水生态健康主要着眼于物种指示评价法。采用生物完整性指数法(IBI)，选择鱼类、着生藻、大型无脊椎动物等指示生物进行健康评价。其中，1981年北美提出了生物完整性指数IBI[11]，它是河流健康评价和监测的重要生物学方法，多年来在美国已被广泛使用[12]。这种方法最初用于鱼类，后又推广到其他生物，作为评价河流健康状况的工具，支持水资源计划和决策[13]。1984年英国提出河流保护评价系统(SERCON)和河流无脊椎动物预测和分类计划(PIVPACS)，其中SERCON用于评价英国河流的自然保护价值，PIVPACS是通过大型无脊椎动物的存活状况评价河流的健康状况[14-15]。1989年加拿大成立了国际水生态系统健康和管理学会(Aquatic Ecosystem Health and Management Society)。1990年美国环保署(EPA)提出了快速生物评价协议(RBPs)，此协议涵盖了3大类生物指标评价方法与标准[16]，还启动了环境监测评价计划(EMAP)，用于监测和评价河流和湖泊的变化趋势和水质状况[17]。1992年Costanza将生态系统健康总结为以下6大类：自我平衡、无疾病、多样性或复杂性、稳定性和恢复性、活力或成长性，以及保持系统组件之间的平衡，这一分类为生态系统健康评价提供了新思路，在当时被大多数学者所接受[18-19]。
20世纪90年代以来，国外许多国家和地区结合当地自然地貌和水文特征，使用长期积累的大量数据和资料，发展并建立了适合本地区的水生态健康评价体系，比如瑞典的农业景观区域河岸带与河道环境评估方法(RCE)、英国的河流生境调查(RHS)、澳大利亚的河岸带与河道环境评估方法(GRS)和河流状况指数(ISC)等体系。其中，1992年瑞典的Petersen等[20]提出RCE，将河流健康状况划分为5个等级，用于农业地区河流健康状况的快速评价。1994年澳大利亚在英国的PIVPACS的基础上进行了修改，提出适用于当地的澳大利亚河流评价计划(AUSRIVAS)[21]。1994年澳大利亚Brierley提出GRS，目的是为不同河段河流形态特征的研究提供基础，为河流形态结构控制提供理论框架[22]。1994年南非Rowntree提出河流健康计划(RHP)，提供了可以广泛用于河流生物监测的框架，后面发展为生境综合评价系统(IHAS)[23]。1994年国际生态系统健康学会(ISEH)成立，出版《Ecosystem Health》期刊[24]。1997年英国提出RHS，用以评价河流生态环境的自然特征和质量[25]。1999年澳大利亚提出ISC，构建了基于河流水文学、形态特征、河岸带状况、水质及水生生物5个方面的指标体系，将河流的每项指标与参照点对比评分，最后划分为5个健康等级[26]。1999年《Freshwater Biology》杂志专设河流健康与评价期刊稿件。2000年，Hering归纳总结了欧洲水框架指令近10年的研究结果，并基于欧洲的应用情况，改进和规范了评估方法[27]。在借鉴国外河湖治理经验的基础上，从国际河湖保护与管理的发展趋势来看，河湖治理主要侧重于预防和生态恢复[28]。
21世纪以来，2006年Gamble等[29]构建了3种浮游动物生物量大小与生态环境响应的数学模型，用来评估纽约Oneida湖生态健康状况，认为可以通过浮游动物大小来反映湖泊生态健康状况。2012年Munawar等[30]通过鱼类生物完整性指数(F-IBI)对加拿大安大略湖Quinte湾生态系统健康进行评价。2012年Mondy等[31]基于大型无脊椎动物的多尺度指数(I2M2)，同时满足《欧盟水框架指令》(WFD)要求，来评估法国涉水河流的生态质量，并强调大型无脊椎动物经常作为指示生物来反映河流污染状况。2013年Stenger等[32]利用硅藻生态功能团的生态响应来评价河流生态状况。2017年Oeding等[33]基于藻类的生物监测建立澳大利亚河流硅藻种类指数(DSIAR)。2019年Grenier等[34]构建加拿大东部硅藻指数(IDEC)。2020年Atique等[35]使用改进的生物完整性多元指数(mmIBI)和水污染指数(mmWPI)来了解韩国金河干流中安装的3个大型堰装置对河流水化学和鱼类组合的影响，将河流水化学、微生境变化、鱼类组合、叶绿素营养动态和生态健康评估联系起来。国外水生态健康评价方法见表 1。
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表 1 国外水生态健康评价方法 |
以中国知网数据库为总库，指定条件检索，搜索主题为“生态健康评价”，查询到文献数量(时间截至2022年8月)如图 1所示。1999年以来，国内围绕“生态系统健康评价”与“城市生态系统健康评价”2个主题发表的文献量较多；关于“水生态健康评价” “流域生态系统”“河流健康评价”这3个主题的文献发表量相对较少，其中以“水生态健康评价”为主题的文献数量共计54篇。
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图 1 “生态健康评价”主题的文献数量情况 |
搜索主题为“生态健康评价”关键词有一定的重复性，词频共现分析结果如图 2所示。“生态系统健康评价”与“健康评价”共现190次，“生态系统健康”与“生态系统健康评价”共现163次。其中与本研究相关的主题“水生态健康评价”与“生态系统健康评价”共现21次，与其他主题词频共现的次数较低。由此可见，国内生态系统健康评价研究已经取得一定的成果。总体来说，目前国内对水生态系统健康评价的研究还不够深入，但是社会关注度和学术关注度较高，水生态系统健康评价工作近年来也越来越受到重视[41]。同时，生态健康评价融入了地理信息系统(GIS)、压力-状态-响应模型(PSR)等不同的技术手段与指标体系，使评价结果更加可视化。
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图 2 “生态健康评价”主题文献的词频共现矩阵分析 |
国内在借鉴国外水生态健康评价研究成果的基础上，大量学者根据我国水生态环境的基础特点，开展了一系列水生态健康评价的相关研究[42]。1999—2014年，中国学者基于国外评价方法进行了创新，提出了大量研究机制，侧重点各有不同，并取得一系列成果。吴刚等[24]率先归纳了生态系统健康的定义及特征，呼吁中国学者更多地关注这一新兴的交叉领域。刘红[43]阐述了生态系统健康的评价尺度选取办法，提出了生态系统健康恢复与维护的措施。罗跃初等[44]阐述了流域生态系统健康评价方法，将生态系统健康评价指标分为生态学、物理化学、社会经济学和人类健康，这为后续开展水生态健康研究奠定了基础。其中，唐涛等[45-47]以着生藻类等作为指示生物开展研究。赵臻彦等[48]提出一种新的生态系统健康指数法。王备新等[49]应用生物完整性评价指数开展研究。刘耕源等[50-51]采用能值评价方法，高占国等[52-54]采用生态系统健康指数法进行了多尺度综合评价。毕温凯等[55]建立了基于支持向量机的湖泊生态系统健康评价模型。郭锐利等[56]使用熵值法和GM(1，1)模型对重庆城市生态系统健康进行评价。
2015—2022年，国内学者基于前人的研究成果，结合多种研究手段，提出多种基于软件或模型的评价方法。比如，构建基于PSR模型[57-58]，并采用改进的逼近理想解排序法(TOPSIS)进行实证分析[59-60]。应用生物完整性评价指数、鱼类生物完整性评价指数、浮游植物完整性指数，使用GIS空间插值技术进行水生态健康评价[61-64]。构建基于VORSP评价模型的生态系统健康评价指标体系，采用平移修正信息熵法、模糊综合评价法对生态系统健康进行综合评价与空间格局分析[65]。李银久等[66]采用改进的层次分析法、指标相关性的指标权重确定法(CRITIC)、VIKOR模型，对光洞河健康状态进行综合评估。杜现增等[67]选取几个具有代表性的指标构建河流健康评价指标体系，建立了基于复合模糊物元-熵权法的河流健康综合评价数学模型，以淮河干流关键河段为例进行了研究。Lin等[68]通过实地调查季节性浮游植物群落结构动态，构建浮游生物完整性指数(P-IBI)，对九龙江北溪进行了生态健康评估，以比较不同季节的生态系统健康状况。国内使用物种指示法评价水生态健康的案例也很多，优缺点与国外研究进展类似，此部分不再赘述。对国内常用的模型方法进行优缺点分析，结果见表 2。大量的研究案例表明，模型与方法的运用取得了诸多成效。
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表 2 国内常用模型方法优缺点 |
同时，我国从20世纪90年代开始，已将评价结果运用于水生态修复及城市水生态健康评价等众多管理工作中。2010年许昌市环境保护监测站运用指标综合法开展评价，结果显示2004—2008年许昌市及各辖县(市)的生态系统健康指标值呈逐渐递增状态，表明生态与经济、社会发展的协调性在不断增强[69]。2022年8月北京市南水北调团城湖管理处参照《水生态健康评价技术规范》(DB11/T 1722—2020)中的评价方法及评价体系，对团城湖调节池2018—2021年水生态健康状况进行评价，对持续提升团城湖调节池水生态健康水平提出了建设性的措施和建议[70]。单涛等[71]构建底栖硅藻生物完整性评价体系，对受农业活动影响的拉林河流域进行分析，为水生态系统生物多样性保护及河流生态系统评价提供了基础数据和理论依据。这些研究案例均具有参考价值，以科学的监测结果为依据，有效地支撑了区域水生态环境可持续发展，并积累了大量本底数据资料。
1.3 国内研究发展动向近年来，多个省份开启河长制和湖长制管理模式，安徽、西藏、福建全面推行河长制[72]。全国对维护水生态健康生命的绿色发展，促进水资源保护，优化水资源管理越来越重视，目光逐渐聚焦到统一水生态系统健康评价上。为了规范水生态健康评价相关工作，水利部及各省份相继出台若干技术指南及规范。2012年原环保部印发《关于开展流域生态健康评估试点工作的通知》，以推动全国流域生态健康评估试点进程，促进流域治理从单一的水污染防治向综合生态保护转变[73]。2013年原环保部印发了《流域生态健康评估技术指南(试行)》，确立了流域生态健康评估标准[74]。2019年江苏省发布《生态河湖状况评价规范》(DB32/T 3674—2019)地方标准，同年浙江省发布《浙江省“美丽河湖”评价指南(试行)》，2020年4月北京市发布了《水生态健康评价技术规范》(DB11/T 1722—2020)地方标准，规范了河流和湖泊健康评价体系等内容。2020年8月水利部河湖管理司组织南京水利科学研究院等单位编制了《河湖健康评价指南(试行)》。
2 常用水生态健康评价方法从国内外水生态健康评价的研究进展和应用情况来看，首先，水生态健康没有形成统一的概念；其次，对于健康评价研究没有制定统一的标准和技术方法；最后，评价方法的选择可直接影响评价的结果。随着研究的深入、技术方法的进步，如何根据研究区域的特点，客观看待不同区域的管理方法，选择适合当前研究区域的标准，有待进一步研究。
2.1 预测模型法压力-状态-响应(PSR) 概念模型是由联合国经济合作与发展组织(OECD)和联合国环境规划署(UNEP)提出的[75]。PSR模型基于因果关系，从生态系统面临的压力出发，探讨生态系统的结构和功能，制定缓解生态系统压力的政策措施，寻找人类活动与生态环境影响之间的因果关系，已得到广泛的认识和应用[76]。由于生态系统健康评价研究涉及内容较为复杂，是一个融合自然—社会的复杂系统，只从压力、状态、响应3个方面选取评价指标对水生态系统健康进行相对评价分析，不够全面。灰色动态模型(GM)主要研究如何依据有限的灰色信息预测系统的未来变化趋势和决策，直接将时间序列转化为微分方程，从而建立抽象系统的发展变化动态模型[56]。复合模糊物元VIKOR模型是由Opricovic于1998年提出来的决策方法[66]。模糊物元模型能处理多指标和量纲不统一的问题，将各种指标统一化，使结果更有参考价值[67]。
2.2 物种指示评价法Leopold提出物种指示评价法，从关键种、特有种、指示种、濒危种等数量、生产力、结构和功能指标等方面描述生态系统的健康状况[77]。物种指示评价法的基本原理是建立一套物理和化学指标并利用数学综合评价模型对河流健康的生物变量指标进行综合评价[78]。应用较为广泛的综合生物指数包括Trent生物指数(TBI)，IBI以及生物多样性指数等[79]。当然，指示生物的选择是生态系统健康评价的一个关键问题。选取的指示物种必须能够代表研究目标生态系统的健康状态，对环境敏锐度高，能对不断变化的水环境做出反应，可以是单个物种也可以是多个物种共同进行评价。不同学科和地区的生态学家针对具体的研究对象，提出了以藻类、无脊椎动物和鱼类为研究对象的河流水生态健康评价方法[45]，如应用鱼类生物完整性指数(F-IBI)和底栖动物生物完整性指数(B-IBI)进行健康评价[80]，但在实际应用过程中，鱼类和底栖动物的获取存在一定难度。
这种方法的优点是目的性强，可以简单和快速地进行生态系统健康评估，且已有大量研究成果。但由于指标物种的筛选标准及其生态系统健康指示强度不明确，再加上还需考虑社会经济和人类健康因素，全面反映生态系统的健康状况较为困难[81-82]。
2.3 多指标综合评价法多指标综合评价法是一种定性与定量相结合的系统分析方法，克服了主观判断的影响[83]。水生态评价是一项极其复杂的系统工程，Yang等[84]构建了评价河流生态系统功能和多级指标体系的综合性概念模型，包括水文水资源、水环境、栖息地、生物结构，指标的权重使用层次分析法来赋值。沈玉冰[85]基于张远教授对辽河流域健康的评价方法(国家“十一五”河流健康评价共性技术成果)，结合辽河流域自身状况进行了优化和改进，构建了物理、化学和生物完整性这3项一级指标，选取水质、营养盐、大型底栖动物、藻类等15项作为二级指标。当前水生态健康评价指标体系有待完善。影响水生态健康的因素不仅限于水质、生物、水文、社会服务和物理结构5个方面，还包括地理位置、光照、气候条件、经济水平等。未来，需要建立一个更全面、更完整的评价体系，如何总结复杂的影响因素，形成有影响力的评价体系，需要更深入的研究和探讨。
3 讨论与展望(1) 归纳了过于零散的水生态健康评价方法，分析不同方法的优缺点，便于决策者结合当地水环境特点选择适合的评价方法，为实现流域水资源的可持续利用提供参考依据。
(2) 当前已有的水生态健康评价成果显示，多数研究仍停留于静态分析，即某个时段的数据结果仅支持某个时段的健康状态，不能反映区域生态系统健康时空变化的动态过程，难以构建大数据预测模型，不能通过已有年份的评价结果来预测有限的演化，这也为水生态健康评价提供了更广阔的研究思路。
(3) 目前有学者对不同季节、水期、年份进行水生态健康评价，但是很少侧重于不同气候条件的研究，尚未建立适用于多种气候环境的评价指标体系。评价指标的选取和体系的构建也很少涉及水动力学指标。Johnson等[86]研究表明，相对于城市河流，季节变化对乡村河流影响更为显著，这种影响是否能够针对某个流域建立的水生态健康评价体系保持长期适用性还有待进一步证实和探索。
(4) 水生态系统完整性健康评价的精确度问题是当前研究的重要问题之一。由于受到部分水域历史数据资料的限制和研究技术的局限，导致研究中缺乏历史背景值，和当前获取数据之间不能进行比对。源头数据的精度，选取评价指标间的关联度精度[87]，都是亟待解决的问题。
(5) 大量学者运用生物指数和数学模型，结合定量和定性指标进行评价，降低了主观评价过程中产生的较大误差。由此可见数学模型与系统动力学的融合研究，是极为复杂但值得深入的研究方向。
(6) 分子层面的技术手段不断更新加强，已有部分学者将环境DNA(eDNA)等技术运用到生态健康评价方法中，采用eDNA技术监测硅藻、底栖动物等并完成水生态健康评价，取得一定的研究成果[88-90]。由此可见，水生态健康评价技术水平的进步，能提高水生态系统生物监测结果的准确性，也是今后有待进一步探索的内容。
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