基于多指标评价法的河流生态系统健康评价研究进展

白欣茹，孟志龙，高玉凤，石 瑛

(1.太原师范学院 生物系，山西 晋中 030619；2.山西农业大学 水土保持科学研究所，山西 太原 030031；3.山西工程科技职业大学，山西 晋中 030619)

河流生态系统在人类的发展过程中起着举足轻重的作用.长期以来，它不仅为人类提供食物、居民生活用水、农业用水和工业用水，还提供了各种文化活动等精神层面的社会服务.此外河流生态系统也是整个生物圈内物质循环的重要载体，参与全球的物质循环过程[1].健康的河流生态系统应是人类与生态环境平衡的系统，即确保自身状况的稳定，生物完整性、群落结构稳定以及维持良好的社会服务功能[2].随着社会经济的发展，工业化进程的不断加速以及人类对于河流资源的掠夺式利用，河流的生态系统遭到严重破坏，在全球范围内河流生态系统相继发生了水质恶化、生物多样性缺失、河流生态和服务功能逐渐丧失等诸多问题，严重制约了流域内的可持续发展[3].

如何准确、高效、快速地评价河流生态系统健康状况已成为河流健康管理的新内容[4].多指标评价法广泛用于河流生态系统健康评价中.本文综述了国内外学者运用多指标评价法在河流生态系统健康评价中取得的研究成果，同时讨论和展望了多指标评价法在河流生态系统健康评价中的应用前景.

1 河流生态系统健康

20世纪70年代末国际上开始了河流保护活动，河流生态系统健康概念层出不穷.随着对河流生态系统健康认识的不断提高，国内外学者试着从不同的角度对这一概念进行阐述，但到目前为止仍没有统一的定义.Karr[5]关注河流生态系统健康，首次提出将重点放在其生态功能上，强调生态完整性.Schofield等[6]强调健康的河流生态系统应是没有受到人为干扰的河流生态系统，尤指河流生物群落的结构和组成尽可能接近受扰前的状态.然而，河流生态系统与人类是相互交融、互相影响的，严格意义上不存在未受人类干扰或者少受人类干扰的河流生态系统.在新的理念下，研究学者普遍认为健康的河流不仅强调生态系统的完整性、生物群落多样性，还应该关注对人类服务功能的价值[7].Rapport[8]认为健康的河流生态系统不仅要保持物理、化学和生物的完整性，还要维持其对人类各种社会服务功能的良好状态.自唐涛[9]等人于2002年将河流生态系统健康的概念引入中国以来，国内研究者开始关注河流的生态系统健康.霍唐斌[10]认为健康的河流生态系统应是在维持其生态稳定的同时能够满足人类的合理需求.

河流生态系统健康概念目前虽未达成统一的共识，综合国内外研究，河流生态系统健康的内涵应是包含河流自身状况的稳定以及能够满足人类生产生活合理需求的服务功能.

2 河流生态系统健康评价方法

为了更全面评估河流健康状况以便科学管理河流生态系统，研究学者们开始积极探索不同的方法对河流生态系统健康进行评价.河流生态系统健康评价方法众多，从原理上可以分为两类[11]，预测模型法[12]和多指标评价法[13].

预测模型法是先假设该河流未受到人类的干扰，随后预测河流中应具有的生物量并和实测值进行对比，根据比值结果来评定河流的健康状况，比率越接近，说明河流生态系统健康指标就会越高.该方法最为典型的实践是英国河流无脊椎动物预测、分类计划(RIVPACS)[14]和澳大利亚的河流评估(AUSRIVAS)[15].RIVPACS不但可以预测和解释河流中无脊椎动物受到人为影响的程度[16]，而且方法简单易行.AUSRIVAS法则是澳大利亚基于RIVPACS法制定的一项符合本国国情的河流健康评价计划，并在全国范围内开展了河流健康评估的工作.但此方法有一致命的缺陷，它采取单一的生物指标来评价河流生态健康，当河流生态系统受到破坏，该物种并未发生反应，这种评价方法就无法反映真实的河流生态系统的健康状况[17].因此，能够用一系列水文、生物、物理化学等多种类型指标从不同角度、不同深度揭示河流生态系统存在问题的多指标评价法应运而生[18].

多指标评价法首先根据评价标准对调查河流的化学、生物和形态特征进行评分，然后计算各指标的权重，最后累积得到的总分作为评价河流生态系统健康状况的依据[19].多指标评价方法不仅结合了河流系统的结构框架，水生生物种群和河流理化特征，而且考虑到了周边地区的经济数据，充分考虑了河流整体生态系统的生态、经济和社会功能[20].近年来，多指标评价法在河流生态系统健康评价中得到广泛的运用[21].表1预测模型法与多指标评价法的优劣进行了比较.

表1 河流生态系统健康评价方法比较

3 多指标评价法在河流生态系统健康的应用

3.1 国内外研究进展

国内外河流生态系统健康评价的研究工作开始于监测污染严重的河流水质[22]，随着研究的深入，人们认识到水质只是影响河流生态系统健康的因素之一，单一的水质评价还远远不能满足河流管理的需求.对河流生态系统健康评价的研究百花齐放，其中多指标评价的方法因其评价更客观而被普遍使用，同时设计出多种评价体系.本研究总结了较具代表性的几种多指标评价法的实践运用.

美国学者Karr等在1981年提出了生物完整性指数评价法(IBI)[23]，该法利用生物群落的组成和结构来评价河流生态系统的健康状况，有效区分了不同程度的受损位置，可运用到多种类型的河流当中.根据河流实际物种组成，细化出了鱼类完整性指数(F-IBI)、大型无脊椎动物完整性指数(B-IBI)、着生藻类完整性指数(P-IBI)及微生物完整性指数(M-IBI)等.IBI法在我国河流生态系统健康评价中得到广泛的应用，实践证明了该方法的可行性.王瑜[24]基于B-IBI，通过对各项指标赋分得到生物完整性评价得分，根据实际情况调查证明B-IBI能综合反映出松花江流域河流生态系统健康状况，具有一定的适用性.粟一帆[25]从生态系统完整性考虑构建河流生态系统健康评价体系，选取河流形态和鱼类物种数等11个指标进行评价，结果显示汉江中下游河流生态健康表现出较强的空间异质性.谢孟星[26]基于M-IBI筛选指标，构建了无锡市境内8条河流冬、春两季微生物完整性指标框架，结果表明M-IBI法能有效反映河流生态系统健康状况.

Petersen[27]提出了岸边与河道环境细则(RCE)，尝试从栖息地、生物等更多的指标来评估河流生态系统健康.指标选取涵盖了河岸完整性、河道宽度、深度结构、河岸结构、河床条件、水生植被和鱼类等16项指标，将河流健康状况划分为5个层次.该方法通过目测便可快速评价河流健康状况，但仅适用于农业区小河流的河流生境与生物的健康状况.

南非水事务和林业部于1994年制定了河流健康计划(RHP)，该计划选取鱼类、大型无脊椎动物和河岸植被等作为河流健康评价指标，为河流生物监测提供了一个可广泛应用的框架[28].但是此方法存在一定的限制性，仅适用于河口区.

英国展开了对河流生态环境的调查(RHS)，利用河流形态数据、河岸侵蚀、河岸带特征、土地利用类型以及生物特征等，来判断河流生境状况与自然状态的相关性[29]，其研究对象的内在联系不够明确，会使得评价时不便于统计数据[30].

澳大利亚提出了溪流生境指数(ISC)[10]，该方法建立了包括河流的地貌类型、河流生境、水生生物等五个方面，对19个指标做出了评价，综合反映了河流水文水质，河岸带的状况及水生生物情况[31].对澳大利亚80多条河流的实证研究表明，ISC的方法能够全面反映河流生态系统的健康状况，有助于制定河流生态系统健康恢复的管理方案，虽然指标比较全面，但是用固定的评价指标评价澳大利亚全国的河流，难免会忽略不同河流的特殊性.敖偲成[32]通过改进澳大利亚ISC法对独龙江干流及支流的生境质量和生物指标等的调查，分析出人口密集的乡镇处河流处于亚健康水平，与实际相符.

综上所述，国外已经建立了适合本国国情的河流生态系统完整性等评价指标体系，多指标评价法能有效分析河流生态系统健康状况.我国在河流生态系统健康评价方面正逐步开展研究，多指标评价法在我国得到广泛的应用，但还未建立起适合我国不同地区河流的普遍适用的评价指标体系.

3.2 评价指标体系的建立

对河流生态系统健康做出客观真实的评价，构建评价指标体系是至关重要的.

3.2.1 指标体系建立的原则

为建立能够客观、真实和完整的河流生态系统健康评价体系，正确了解河流生态系统健康的变化趋势，综合反映河流生态系统健康的程度，指标体系构建应遵循科学性、系统性、代表性和指标定量与可操作性原则[33].

3.2.2 指标评价标准的确定

评价河流生态系统健康状况的标准是没有确切定义的，河流生态系统健康评价标准具有鲜明的时空特异性，不同历史时期，不同气候发育的河流，评价标准都是不同的.因此，河流生态系统健康评价标准的确定要因河而异，因时而异.一般情况下判断河流生态系统健康现状与之前的状况进行比较，可考虑的评价标准参照基点有四种：河流生态系统受到的最小干扰状态、河流生态系统历史存在的状态，最低干扰状态以及期望可达到的最佳状态[34].评价标准的确定在一定程度上依赖于专家学者的实践经验与专业能力，具有主观意志性.

3.2.3 指标权重的确立

河流生态系统健康是一个相对开放和复杂的概念，具有很多的不确定性，在评价中，权重的确立很重要.所谓权重就是用一个数值的大小来表达众多因素中相对重要的量值[35]，权重的确定主要从主客观两方面来考虑.一是向专家学者发放调查问卷，根据权威专家的实践经验及主观的判断，即主观赋权法；二是主要运用数学的方法，包括有主成分赋权法，方差赋权法，熵值赋权法等[36-37].主观赋权法主要依靠专家自身的实践经验合理地确定各指标所占比重，评价结果具有很强的主观意志性，客观性较差，会产生一定的局限性.而运用数学方法有较强的数学理论支撑，不依赖人的主观性，但与实际情况不相吻合，故采用主客观相结合的层次分析法(AHP)，既避免了主观赋权法的主观性，又避免了客观赋权法的绝对客观性.层次分析法很好地将主客观、定性与定量相结合，从复杂的评价系统中的众多因素划分出三个层次，即目标层、准则层和要素层；构建从属于上一层每个因素的同一层诸多因素的成对比较矩阵来确定各指标的权重，在研究中被广泛使用.方晓等[38]根据层次分析法的原理设计出了准则层和指标层的专家咨询问卷，确定各指标的最终权重，分区段对东风渠的生态健康作出评价，并提出了针对性的修复措施.

3.2.4 河流综合健康评价

河流综合健康评价就是根据已经构建好的指标评价体系进行河流建康评价.其根据指标体系中各指标权重的赋分值与评价标准之间的相似程度来表征河流生态系统的健康状况.模糊综合评价法[39]是在层次分析法确定权重的基础上进行指标层与准则层两次模糊评价，根据等级标准计算出权重的隶属程度，根据隶属度最大的原则来综合河流生态健康状况.

4 结论

我国现阶段多指标评价法在实践运用中存在以下问题：评价标准较为杂乱且尚未有统一的标准，在一定程度上依赖专家的经验，有很强的主观性；表征河流生态系统健康的指标繁多，存在一些定性的指标，不能准确表达，具有一定的主观性；判断河流生态系统的健康状况，最终应是以其对人类社会和经济发展服务的，在我国的研究中，缺少对人类社会服务功能价值的研究；我国在2016年推行了“河长制”的河流管理措施，河流生态系统健康评价与河流管理结合的少，评价存在一定的片面性.

掌握河流生态系统的健康状况可更好地进行河流生态恢复与管理，河流生态系统健康评价的确是管理河流的一种很好的工具.目前我国的河流生态系统健康评价尚处在发展的阶段，在探索中前进，其中存在的诸多问题需要今后更深一步地研究，运用多指标评价的方法建立合适的健康评价指标体系仍是今后研究的发展趋势.