区域生态风险评价研究进展

颜 磊 ,许学工

(北京大学城市与环境学院地表过程分析与模拟教育部重点实验室,北京 100871)

人类行为对自然环境的影响研究至少可以追溯到18世纪的 Buffon＆Humboldt时代[1]。 1865年,Marsh出版了在环境研究上具有划时代意义的著作《人和自然》,详细论述了人类如何扰乱自然之和谐[2]。进入人口膨胀和工业化的“指数时代”,人类活动对环境的作用和影响越发明显。资源消耗、全球气候变化、物种过早灭绝、环境污染、贫困已成为当前最重要的环境问题[3]。Palmer等[4]代表美国生态学会指出：“我们未来的环境将大部分由人类支配的生态系统(human-dominated ecosystems)构成,人们将有意识或无意识地对这些生态系统进行管理”。在这样的背景下,作为保护人类健康、有效进行环境管理的科学手段,环境健康评价、环境影响评价、生态风险评价相继出现。

由于生态风险评价从独特的不确定性分析和潜在的高成本视角入手[5],考虑不同的环境管理决策所产生的潜在负面影响[6],因而在环境政策制定中扮演越来越重要的角色。自 20世纪 80年代以来,美国科学院,美国国家环保局(EPA)已主持开展了许多生态风险评估工作,后者还主导出版了一系列风险评价文献[7]。EPA将生态风险评价定义为“评估暴露于一种或多种压力因子后,可能出现或正在出现的负面生态效应的可能性过程”[8]。多风险压力和多风险受体的出现,使生态风险评价工作不断拓展其时空尺度[9-10],已从单一压力源对单一受体的风险评价走向区域生态风险评价。

国内学者付在毅、许学工[11]较早地注意到区域生态风险评价问题,他们从辽河、黄河三角州的研究案例中总结出一套评估方法。陈辉等[12]从生态风险的概念、发展历程、研究方法等角度对生态风险进行了综述。阳文锐等[13]也做过类似综述,特别强调城市生态风险评估。该文专门针对区域生态风险评估,着重从研究区域类型、研究内容、研究范式、研究方法、研究技术、相关模型等方面对国外区域生态风险评价研究进行综述。

1 研究进展

Hunsaker最早将区域生态风险评价界定为描述和评估区域尺度的环境资源风险或由区域尺度的污染和自然扰动所造成的风险[14]。随后,Hunsaker[15],Suter等[16]开展了景观尺度的生态风险评估。迄今为止,学术界已开展了若干的区域生态风险评价案例研究,在研究内容、方法、技术、范式、模型构建等方面取得了阶段性成果。

1.1 区域类型

区域生态风险评价研究案例主要集中在流域[17-20]、洪泛平原[21]、海湾[22-23]、三角洲湿地[24]、海岸带[25]、湖泊[26]、热带雨林[27]、山区森林[28]和一些特殊生态区,如青藏铁路 /公路沿线[29]、垃圾场[30]、采矿点[31]、石油污染点[32]等。可以看出,其研究区域类型虽较为广泛,但主要呈现出 2个特征：一是集中于一些自然地域系统,如流域、海岸带、雨林等。这些地域系统往往有着较为明显的边界条件,其内部系统之间物质和能量的分布和流动存在着较为明显的动力学特征;二是集中于一些特殊生态区,如青藏铁路/公路沿线,采矿点等。这类区域有着某种特殊的生态环境特征和明显的污染特性,往往高度敏感、脆弱或存在较高的环境危机。

1.2 研究内容

经过近 20年的努力,来自不同学科背景的研究人员已开展了大量区域生态风险研究,包括具体的案例评价、方法探讨和哲学依据的思考等诸多内容。由于生态风险评估是评价人类活动对生态系统的潜在负面影响[9],而生态系统具有个体、种群、群落、景观等不同层次的等级结构,因而若以评价终点或评价目的来反映其研究内容,可分为以下几类。

1.2.1 针对物种的评价。20世纪 70年代,研究人员开展了大量人体健康风险评价,后来人们逐渐意识到,保护珍惜物种、维护生物多样性与保护人类同样重要,因而逐步将对人的风险评价延伸到对物种的风险评价,尤其是那些具有环境指示作用的珍惜物种或关键物种。Kooistr探讨了金属沉积 (镉、锌、铜)对物种(小猫头鹰、仓鼠、鼩鼱)的生态风险[21];Louda等注意到,人为引入外来物种对入侵物种进行控制时仍会产生风险,并发展了一套方法加以评估[33];Redfearn建立了淡水和咸水灾害指数,通过相关数学模型,定量研究了水域动物和鸟类(麝香鼠、水獭、滨鹬、野鸭、翠鸟)长期暴露于垃圾场沥出液/物时所带来的生态风险[30]。一些学者认为,风险评估不应该仅局限于濒危物种的个体水平,而应该扩展到一般性的动植物,并在种群水平上考虑问题。他们描述了在种群水平上进行风险评估的方法,并认为：“一般而言,可接受的风险水平是,两成以上当地种群所接受的暴露量超过危害物质的毒理参考值的概率小于10%”[34]。

1.2.2 针对栖息地/景观的评价。一些学者认为,集中于物种层次的生态风险评价忽视了栖息地的质量[35]。Leuven＆Poudevigne指出,生态风险评估目的是评价生态系统受到人类活动负面影响的可能性,风险概率取决于生态系统的抗性(resistance)和弹性(resilience)[19]。Purucker[35],Chow等[36]充分考虑栖息地状况,并结合暴露模型进行生态风险评估。Leuven等介绍了立足于生态系统的、中观尺度上的整体法(holistic approach)[19]。Xu等综合了自然和人文两类因子对生态系统的影响,对黄河三角洲湿地生态系统进行了风险评价[24]。Chen等则主要从自然因子角度,采用人工神经网络法,对青藏铁/公路沿线 50km缓冲区内的 6个大自然地带和 10类生态系统进行了生态风险评估[29]。

1.2.3 针对具体环境管理的评价。以单一物种,多物种或景观层面为评价终点的生态风险评价,往往较少考虑和环境利益相关者(stakeholders)之间的关系,而这些利益相关者在实际的环境管理过程中起到关键的、具有实际操作性的作用。因此,有的学者在考虑评价终点时,充分考虑利益相关者的价值。Walker等研究澳大利亚农业灌溉区时就从维护饮用水质、渔业产量、游憩价值、当地种群数量等角度考虑评价终点[17]。为了优化管理,Serveiss将流域方法和生态风险评估方法结合,提出了科学决策和有效管理的三大原则[37],合理使用评价终点;科学家和管理者需经常进行沟通;进行多压力因子分析。5年后,Serveiss在进行流域生态风险评价和战略管理研究时,又提出了综合考虑水环境、自然和社会层面因素的评价终点[38]。事实上,在这个层面的生态风险评估,学者们所选取的评价终点已与 EPA的界定不完全一致了[6]。此外,一些人文科学领域的学者为有效进行管理,还采用问卷调查方法,评估了区域游客的风险理念、态度及其假设行为规律[39],中法学生社会风险意识的差异[40]等,但这些研究并非传统意义上立足于环境管理的区域生态风险评估。

1.3 研究范式

范式的概念和理论由美国著名科学哲学家 Thomas Kuhn于 1962年提出,英国学者 Margaret Masterman概括了范式的 3个层面,其中一个重要层面就是“示范的工具、解疑难的方法、类比的图象”。生态风险评价框架在一定程度上反映了区域生态风险评价研究范式。Power＆McCarty详细分析了 5个国家(地区)的 7个评价框架[41]。Wireman等分析了美国国防部(department of defense,DOD)的生态风险评估方法[42]。现将各国主要的评价框架归纳如下。

1.3.1 荷兰。荷兰房屋、物质规划和环境部的评估框架为：确定对人和环境的危险;估计这些危险的可能性和大小;评估风险的可接受性。如果可能,进行风险防范;如果不能防范,则维护风险到其可接受的水平。

1.3.2 澳大利亚/新西兰。他们的评估框架为：建构风险内容;确定风险;进行风险分析;风险评价 /排序;风险处理。

1.3.3 美国。美国的研究颇为深入。EPA的框架为三阶段法。即,问题表述、风险分析和风险表征。这是迄今为止影响最为广泛的研究范式。其中,问题表述阶段,最重要的是确立评价终点、概念模型和分析计划。分析阶段包括两大基本部分,即暴露表征及其生态效用表征。前者主要描述压力源的分布,与它们接触或共同发生的生态受体;后者用于评价压力和受体的“压力-响应关系”。在风险表征阶段,风险评估者需要清楚明晰地表述风险评估结果,解释风险的负面效应,阐明评估的信度和不确定性。

美国总统/国会风险评价和管理委员会的框架为：在社会和生态范畴下界定评价和管理问题;进行风险分析;界定风险管理目标 ;制定决策;选择实施;再评估。

美国国家研究委员会将风险表征阶段视为决策行为,指出该阶段要向着提供决策选择和解决问题的方向发展。这就要求对与风险感兴趣或受其影响的各群体相关的损失、损害或结果建立一个更为宽泛的理解,强调协商过程。美国国防部①美国国防部的 ERA分别在美国陆军部(U.SA rmy)、海军部(U.S.Navy)和空军部(U.S.AirForce)展开。参考了 EPA的方法,将生态风险评价归纳为三层法(three-tiered approach)。其每一层次都包含了 EPA的“问题表述、风险分析、风险表征”过程信息。第一层是监控评估,指直接通过资料/文献收集数据,利用“后果-效应模型”初步估计不能接受的潜在生态风险,进行决策。若无法做出明确的决策,则进入第二层,正式评估。此时需要用更多的实验和野外调查的样点数据进行评估。如果评价区域有较大的空间范围和复杂的生态系统,则进入第三层,重复评估。此层需要采用更多的基于种群和生态系统层次的野外测试。在某种意义上,DOD的框架更像一种根据问题复杂程度划分的实际解决方案。

1.3.4 英国。英国环境部用目的(intention)一词代替了“问题表述”,他们的框架为：目的描述;危害确定;确定后果,包括这种后果的大小和可能性;风险评估;风险管理;风险监控。

1.3.5 加拿大。该国标准委员会的框架和 EPA的框架非常接近,但包含了一个和利益相关者之间的细致探讨过程。该框架特别强调多压力效应,生态系统的社会价值的确定,识别风险的可接受程度和可选择的行动决策。

从上述列举的评估框架中可以看出,尽管各国表述和侧重点各有不同,但却有着一些共同点,即：(1)都有一个明确设计的任务,适于科学研究和实践、估计风险可能性大小和人类活动效应。(2)都包括了类似于适应性管理的(adaptive management)、对于连续性过程基于监测的反馈内容(monitoring-based feedback)。(3)都有一个详细设计的、具有层次等级结构的分析步骤。

1.4 研究方法和技术

随着评价尺度的扩展,区域生态风险评价涉及到诸多方面,许多模拟污染物分布、传播、积累、压力-受体交互作用、不确定性分析等方法和技术被大量引入到区域生态风险评估中。一些主要的方法、模型和技术如下。

1.4.1 RRM。为了快速便捷地进行区域生态风险评估,Landis＆Wiegers于 1997年首次建立了相对风险模型(relative risk model,RRM)[43],经过 10多年的发展,RRM已被成功地运用到北美、南美和澳洲的许多水域、海域和陆地环境中去[44]。利用 RRM模型进行区域生态风险评价的关键步骤为：首先根据区域情况,将区域划分为若干亚区,将传统的生态风险分析中“压力-受体”分析转变为“压力源和栖息地”分析。然后建立一个概念模型用以分析不同压力源对不同栖息地之间的相互作用,同时采用等级赋值法来刻画压力源出现的概率和危害程度(如,将影响程度刻画为高、中、低、零,并分别赋值为 6,4,2,0),由此量化压力源和栖息地之间的相互作用程度。由于这种赋值法只能相对表示概率和危害程度,因而被称为相对风险模型。

1.4.2 PETAR。Moraes＆Molander针对 EPA设计了一个三级风险评价过程(procedure for ecological tiered assessment of risk,PETAR),包括初级评价,区域评价和局地评价[45]。每个层次针对不同尺度的区域类型,其所依赖的数据和方法也各有不同。国内有学者将其作为一种重要的风险评价概念模型加以总结[12]。但其初级评价类似于 DOD的监控评估,其区域评价,如文献[27]基本类同于 RRM方法,因而,在某种意义上,我们更愿意将 PETAR方法作为一种框架而非具体模型加以理解。

1.4.3 MR。Martin[46]总结了一种被称为 3MR的风险评估方法,即：多媒介、多路径、多受体(multimedia,multipathway,and multireceptor)风险评估方法。该方法由风险分析和不确定性分析两大模块构成,特别适于估计不同的空间尺度的化学物质污染所带来的生态风险。风险分析模块融入了相关暴露和积累数学模型,由 8个属性参数构成：污染源、传播介质、传播过程及结果、受体、暴露方式、暴露路径、风险测度值、门槛计算值。该过程循环计算污染物对每一个受体的风险。不确定分析模块则采用两阶段蒙特卡罗法分析,以便于有效分析数据采集、暴露模型、风险评估阶段等诸多不确定性。

1.4.4 WOE。区域生态风险评价关注区域问题,因此,最具有挑战性的工作就是通过有限的观测数据来研究对生态系统的影响。在这个过程中,证据权衡法或因子权重法 (weight-of-evidence,WOE)被广泛运用。Burton[47]系统总结了各种 WOE方法,分析了不同方法各自的优势、劣势和不确定性。他将 WOE方法总结为定性分析、专家排序法、民意排序法、半定量排序法、沉积特性三合一指标法(sediment quality triad)、综合 WOE、定量概率法、矩阵分析法等 8类,并从方法的鲁棒性(robustness)、易用性、敏感性、适用性、透明性 5个方面对这些方法进行了系统分析和比较。他认为,WOE需要朝更定量化、透明化、多方参与化(广泛的包括各种专家和利益相关者)方面发展。

1.4.5 生态模型。生态学家和风险评估者已意识到传统的基于剂量法的“个体暴露模型”限制了在种群、生态系统和景观层次的生态风险评估,而这些和环境管理最为相关。将建立在种群、生态系统、景观层次的生态模型运用到生态风险评估中已成为趋势。Pastorok[48]详细总结了生态风险评估中使用的生态模型及其使用阶段,并将这些生态模型分为三大类、若干亚类和小类：(1)种群模型,包括标量丰度、生活史、个体模型、集合种群 4个小类。(2)生态系统模型,包括食物网模型、水域生态系统模型、陆地生态系统模型。(3)景观模型,包括水域景观和陆地景观模型。此外,他还结合各类模型的具体使用案例,详细分析了每类模型所使用的参数特性。他认为,当前种群生态模型和生态系统模型发展已比较成熟,但景观层次模型还需进一步发展。

1.4.6 GIS/RS技术。研究者们已经认识到,区域生态风险评价中,风险源/压力因子和风险受体都存在着显著的空间异质性。具有强大的空间关联和分析能力的地理信息系统(GIS)技术已越来越广泛地运用到区域风险评价中。近年来的一个运用趋势是：将 GIS技术和其他生态模型、改进算法相结合,在一定的时空尺度上进行生态风险评估。例如,Kooistr等[21]在研究荷兰 Rhine河生态风险时注意到,沿河两岸的土壤性质的空间异质性导致了不同的金属沉积情况,从而带来不同的暴露状况,并通过食物链影响物种。他成功地利用 GIS技术将土壤空间分异引入生态风险评价中来,基于金属沉积采样数据,结合动物觅食行为模型和典型食物链进行区域生态风险评估。Ganines[49]在研究 Savannah河生态风险时,则综合运用了 GIS和 RS技术。他从该区域 70种脊椎动物中挑选出 6种符合条件的物种作为风险受体,从景观生态学和动物行为科学角度,以演绎-诱导法建立了物种空间分布概率模型。以改进的暴露模型计算了化学和核辐射污染所带来的生态风险。

1.4.7 专门计算机软件。一些学者认为,区域的差异导致了大量评估模型的出现,其结果是模型不断地建立、运用、出版、继而被遗忘,应该综合这些模型开发一些软件,以提高评估效率[50]。Lu等在确定了大量参考模型,如 CALTOX,CHEMS-1,Ecosys4等,在 EPA的框架下,发展了一套计算机模拟工具,并成功运用到风险评估中去。Zhao[51]还对已开发的 2个风险评估软件,ToxTools(Version 1,Cytel Software Corporation)和Benchmark Dose Software(Version 3.1,U.S.EPA)的使用进行了详细比较。

2 讨论和展望

2.1 讨论

从前述分析中,可以得出如下基本结论：(1)风险评价正不断扩展研究尺度,已从早期的人体健康风险评价走向面向生态系统、面向区域的生态风险评价。这种从单一走向综合的趋势,充分反映了人类对自身生命支持系统的关注和环境管理的现实需求。(2)区域生态风险评价已在全球不同的地域展开,形成了许多评价流程和方法,这些方法的共同特点在于有明确的评价目标、清晰的操作步骤、合理的风险表达方法,并强调为现实环境管理服务。(3)评价的方法在不断改进,地理信息系统、遥感、各种模型、计算机模拟技术开始广泛地应用。

关于区域风险评价有几点值得关注和讨论。(1)对风险源的认识。国外特别强调由人引起的风险(humaninduced or anthropogenic),他们认为只有探讨由人类活动引起的风险,才便于在评价工作结束后,在实际操作工作中加以相应的调控和决策。有的学者认为,一些重大自然灾害也会对生态系统带来风险,也应当考虑,但目前这种观点尚未在国际上形成主流。在某种程度上,由自然因素引起的风险不确定性更强,很难人为调控和决策,只能进行适应性探讨。因此,在合理确定风险源这个问题上还值得进一步探讨。(2)不确定性分析。这是风险评估的最大特点,体现在评价工作前后等诸多环节中。如对区域风险源选择的不确定性,发生概率的不确定性,“压力-受体”相互作用的不确定性,将个体水平的风险推移到种群、景观、生态系统中的不确定性等。对不确定性的深入探讨将始终贯穿于风险评估之中。(3)研究哲学基础。Chapman认为以“维护生态系统的现状”为哲学基础的区域生态风险评价是不现实的,生态系统不可避免地发生变化,评价的哲学基础应该是平衡人和生态系统的共同需要,最终以“人作为度量”[52]。在这个意义上,建立立足于人类福祉的区域生态风险评估值得进一步关注。

2.2 研究展望

尽管许多利益相关人士和机构对生态风险评估做出批评,但这恰恰反映了人们对改进风险区域生态风险评估的期待[53],Landis提出,等级斑块动态范式(hierarchical patch dynamic paradigm,HPDP)能在扩展尺度中起到重要作用,并指出了未来 3个研究领域,即有效确定区域系统的因果关系、发展相应的统计方法、有效沟通风险评估结果以加强决策过程[54]。W ickwire在此基础上还强调加强现实性分析[55]。我们认为,当前区域生态风险评价研究可在下述方面进一步努力。(1)尝试通过 HPDP框架,建构具体的操作评估方法,以解决区域生态风险评价的核心和关键问题。即哪些问题能构成区域风险?它们该如何表达?具有时空分异特性的不同风险压力源和受体之间如何相互作用并对区域综合产生影响?(2)加强对不确定性分析的探讨。当前,一些与不确定性相关的方法,如蒙特卡罗法、贝叶斯方程、人工神经网络等已在区域生态风险评估中加以应用,可进一步加强和尝试其他相关方法。(3)加强 GIS的综合运用。具有空间分析和表达能力的 GIS技术已在区域生态风险评价中展示其强大功能,需进一步加强其综合运用。一方面,要注意与其他方法、技术的结合,如遥感、相关生态模型等,另一方面,可加强时间尺度的分析,从而真正地从时空尺度综合分析区域生态风险。(4)区域综合生态风险评估。世界卫生组织、国际化学品安全项目与美国国家环保局等机构已启动区域综合生态风险评估项目[56]。他们在一个评估中综合了对人、生物区系、自然资源生态评估的过程。复杂世界呼唤综合分析,区域综合生态风险应成为未来的发展方向。

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