水生态系统健康评价 理论框架指标体系与定量方法PPT课件

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1、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. 结论第1页/共52页v 1980s: “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。v三个发展阶段：多样化定义多样化定义 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)1992) 系统能维持自我平衡、系统能维持自我平衡、系统无疾病、系统无疾病

2、、具有多样性或复具有多样性或复杂性、杂性、系统的稳定性或恢复力强、系统的稳定性或恢复力强、增长活力大、及增长活力大、及系统系统成份间保持平衡。成份间保持平衡。 学科定义( (ISEH,1998) ) “具有诊断、预测和预防特征的具有诊断、预测和预防特征的, 研究生态系统管理以及生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态系统健康与人类健康之间关系的交叉性的系统科学交叉性的系统科学” 研究现状 概念起源与发展第2页/共52页研究现状研究现状 诊断指标诊断指标（1 1） 单指标 多指标 综合指标v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

3、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;oHannon(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） 第3页/共52页v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，及总活力等生态系统的四个重要特征。o Kay 等 (1991) ：河

4、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 =系统活力指数系统活力指数*系统组织指数系统组织指数*系统系统恢复力指数恢复力指数o Jorgensen (1995): Exergy（Ex）、）、Structural Exergy （Exst）和）和 生生态缓冲容量态缓冲容量等。o Dalsgaard (1995, 1996)：农业生态系统健康指标：生物量, 收成, N 通量, 系统管理费用, P/B, H/E, 效率, Shinn 指数, Fin

5、n 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。 研究现状研究现状 诊断指标诊断指标（2 2） 第4页/共52页v 综合指标（发展趋势）： （人口 + + 资源 + + 环境 + + 社会社会 + + 经济经济 + + 灾害）灾害） o 美、加联合项目美、加联合项目“大湖生态系统健康评价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 系生 物 、 生 态 、 社 会 经 济 和

6、 人 口 健 康 等 方 面 的 综 合 指 标 体 系（Shear,1996）研究现状研究现状 诊断指标诊断指标（3 3） 第5页/共52页研究现状研究现状 诊断指标诊断指标（4 4） 第6页/共52页研究现状研究现状 进展与问题进展与问题 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究已成为国际生态环境领域新的研究热点热点和联系地球科和联系地球科学、环境科学、生态学、经济学及社会科学等学科的学、环境科学、生态学、经济学及社会科学等学科的桥桥梁梁。 在北美在北美, 生态系统健康学已成为环境、生态、公众健康、生

7、态系统健康学已成为环境、生态、公众健康、医学、兽医等专业的医学、兽医等专业的一门课程一门课程 v 研究对象单一：单一生态系统；v 研究内容不深入：评价指标、评价方法； 第7页/共52页研究现状研究现状国内研究现状国内研究现状v起步晚，发展快起步晚，发展快v相关文献相关文献 - 中国期刊网中国期刊网o 检索词：生态健康检索词：生态健康 or 生态系统健康生态系统健康o 主题：主题：93年，第一篇年，第一篇 o 篇名：篇名：99年，第一篇年，第一篇 综述文章综述文章 研究文章研究文章305173第8页/共52页II - 理论框架及其应用 湖泊生态健康指标 海湾生态健康指标第9页/共52页指标指标体

8、系开发体系开发 评价评价方法方法确定确定 定性定量定性定量评价评价 胁迫胁迫因素识别因素识别 生态系统生态系统响应响应分析分析 理理 论论 框框 架架 （胁迫-响应关系）应应 用用第10页/共52页富营养化酸化重金属污染杀虫剂污染油污染湖泊生态结构、生态功能和系统水平的胁迫效应湖泊化学污染湖泊化学污染胁迫胁迫效应的系统分析效应的系统分析实测数据: 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) 湖泊生态系统指标开发第11页/共52页湖泊生态结构响应l 浮游植物细胞：变大浮游

9、植物细胞：变大l 浮游动物个体：变小浮游动物个体：变小l 浮游植物生物量（浮游植物生物量（BA)：增加：增加l 浮游动物生物量浮游动物生物量(BZ)：减少：减少l 小型浮游动物生物量小型浮游动物生物量(BZmicro): 增加增加l 大型浮游动物生物量大型浮游动物生物量(BZmacro): 减少减少l 种群多样性指数：减小种群多样性指数：减小l BZ/BA比率比率: 减小减小l (BZmacro)/BZmicro比率：减比率：减小小 湖泊生态功能响应l 浮游植物初级生产力：降低浮游植物初级生产力：降低l 浮游植物碳吸收率：变小浮游植物碳吸收率：变小l 浮游动物碳吸收率：变小浮游动物碳吸收率：变

10、小l 生态转移效率：降低生态转移效率：降低l 毛生产力呼吸率：偏离毛生产力呼吸率：偏离1l 毛生产力生物量：减小毛生产力生物量：减小l 生物量能流比率：减小生物量能流比率：减小 湖泊生态系统响应l 生态缓冲容量：降低生态缓冲容量：降低l (Exergy)：降低：降低l (Structural exergy)：降低：降低 火 用结构火 用随胁迫加强第12页/共52页湖泊湖泊 生态系统健康定量表征生态系统健康定量表征 综合指标体系综合指标体系第13页/共52页Location Mainland China海湾生态系统指标开发（香港吐露港）城市化城市化工业化工业化农业发展农业发展资源开发资源开发物理

11、物理 响应响应化学化学 响应响应生物生物 响应响应系统水平系统水平 响应响应生态服务功能响应生态服务功能响应胁迫胁迫 指标指标响应响应 指标指标环境污染环境污染第14页/共52页Land-lockedLength:15 kmAverage depth: 10-20 mSurface area: 52 km2Velocity: 0.04 - 0.08 m/sThree subzones: harbor, buffer,channelCurrent Seven sample sections Two cities: Tai Po, Sha TinThree Reservoirs: Plover C

12、ove, Shing Mun, Lower Shing Mun第15页/共52页Urbanization19712001Area: 21.1 28.3 km2Population: 24,000 625,000Stresses -Sha Tin New Town 第16页/共52页19712001Tai Po New Town Area: 1.5 5 km2Population: 21,000 321,000UrbanizationStresses -第17页/共52页Industrializationn 1971: isolated small factoriesn 1989: seven

13、industry regions with total area of more then 200 ha1989Stresses - 第18页/共52页Agricultural development Livestock breeding020000040000060000080000063 65 67 69 71 73 75 77 79 81 83 85 87 89 91 93 95 97 99YearPig (heads)05000000100000001500000020000000Chichen (heads)Pig (heads)Chichen (heads)1965 1989Pig

14、s: 3,000 6,000 headsChickens: 5,000,000 15,000,000 heads Stresses -第19页/共52页Water resource explorationResvervior Date to use Water-gathering area (ha) Volume (m3) Shing Mun 1936 1202 13,280,000 Lower Shing Mum 1965 252 4,300,000 Plover Cove () 1968 2335 169,920,000 Plover Cove (II) 1973 3217 229,730

15、,000 Make a dam,Pump sea water Stresses -第20页/共52页200Fishy resource explorationStresses -第21页/共52页Area & production:30 % of the total Mariculture Fish in Tolu HarborFour mariculture fish zones第22页/共52页Ore mine explorationMa An Shan Ore Mine,Only one in Hong KongDuration: 1906 - 1976Outputs: 900 - 17

16、0,000 tons per acre 120,000 (average)Stresses -第23页/共52页Pollution loading14716474580060001986Stresses -第24页/共52页Physical responsesEcosystem responses1936 19651968 197319688138.5 km265.3 km23.5 m2 m53%65%第25页/共52页Ecosystem responsesChemical responsesBOD5TNTPFaecal coli.第26页/共52页Biological responsesEc

17、osystem responses第27页/共52页Red tides occurrence in Tolo Harbour434Biological responsesEcosystem responses第28页/共52页Ecosystem-serve-function responsesEcosystem responses第29页/共52页v 海湾海湾 生态系统健康定量表征生态系统健康定量表征 综合指标体系综合指标体系第30页/共52页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)第31页/共52页Proce

18、dureSelect indicators Measure directly or calculate indirectly indicator values Assess lake ecosystem health 直接监测评价法（DMM）及其应用实例第32页/共52页Case study ： Lake Chao (Indicators & Data)直接监测评价法（DMM）及其应用实例第33页/共52页Case study ： Lake Chao (Results)直接监测评价法（DMM）及其应用实例Bad Good:Aug. Oct (C)Apr. May (A)Jun. Jul. (B

19、)Nov. Dec. (D)Jan. Mar. (E)第34页/共52页Tolu Harbor 生态系统健康评价 (indicators and data)第35页/共52页Tolu Harbor 生态系统健康评价 (Results)第36页/共52页EHI 设设 计计第37页/共52页步步 骤骤第38页/共52页计算公式计算公式EHI - synthetic ecosystem health index EHIi - the i-th ecosystem health index for the i-th indicatori - the weighting factor for the i

20、-th indicator第39页/共52页计算方程 for EHI(BA), EHI(BZ) , EHI(BZ/BA), EHI(Ex) & EHI(Exst)(0688. 01119. 5(94948. 02425. 5(10)(ExstExstEHI)/ln(7742. 03878. 0(94948. 02425. 5(10)/(BABZBABZEHI第40页/共52页3030个意大利湖泊生态系统健康状态定量诊断结果个意大利湖泊生态系统健康状态定量诊断结果第41页/共52页Case study:Italy Lakes(Discussion：EHI - TSI Relations)Indi

21、cators for EHI Calculations: BA, BZ, BZ/BA, Ex, ExstIndicators for TSI Calculations: TP, SD , Chl-a30 Italy Lakes第42页/共52页分分 析析 湖湖 泊泊 生生 态态 结结 构构模模 型型 验验 证证计计 算算 生生 态态 指指 标标 值值评评 价价 湖湖 泊泊 生生 态态 健健 康康 状状 态态确定指标确定指标 满 意 ?YESNO概 念 框 图模 型 方 程模 型 参 数构构 建建 湖湖 泊泊 模模 型型基本基本流程流程第43页/共52页火 用巢湖磷循环模型巢湖磷循环模型生态健康

22、指标ExergyStr. Exergy第44页/共52页Calibrations巢湖磷循环模型巢湖磷循环模型第45页/共52页Calibrations巢湖磷循环模型巢湖磷循环模型第46页/共52页Calculation & Assessment巢湖磷循环模型巢湖磷循环模型第47页/共52页Results from EMM & DMM(Bad - Good):Aug. Oct (C)Apr. May (A)Jun. Jul. (B)Nov. Dec. (D)Jan. Mar. (E)ABCDEDiscussion评价结果巢湖磷循环模型巢湖磷循环模型第48页/共52页IV - Conclusion

23、s (1) A theoretical frame for aquatic ecosystem health assessment was proposed (3) A procedure with five steps for assessing ecosystem health (3) A set of indicators including structural, functional & system-level aspects for lake ecosystem health assessment were proposed. (4) A set of indicators in

24、cluding stress indicators and response indicators (physical, chemical, biological, system-level & ecosystem-serves-function aspects) for marine coastal ecosystem health assessment were recommended. (5) Three methods (DMM, EMM, EHIM) were introduced & applied to some cases with satisfactory results.

25、DMM for the assessment with poor data EHIM for the assessment with systematic data EMM for the assessment with the ecological model developed. 第49页/共52页1.Jorgensen S.E., Xu F.-L. Constansan R., “Handbook of Ecological Indicators for Assessment of Ecosystem Health”. CRC Press, 2005.3, pp. 439. 2010，第

26、二版2.Xu, F.L., et al. (2006). Restorating marine coastal ecosystem health as a new goal for integrated catchment management in Tolo Harbour, Hong Kong, China. Environmental Management 37(4): 540-552. (SCI) 3.Xu, F.L. et al. An Ecosystem Health Index Methodology (EHIM) for Lake Ecosystem Health Assess

27、ment. Ecol. Model., 2005, 188 (2-4): 327-339. (SCI) 4.Xu, F.L. et al.(2004). Marine Coastal Ecosystem Health Assessment: a case study of Tolo Harbour, Hong Kong, China. Ecological Modelling 173(4): 355-370. (SCI)5.Xu, F.L. et al.(2004). The Long-term Temporal-spatial Dynamics of Marine Coastal Water

28、 Quality in the Tolo Harbour, Hong Kong, China. J. Environ. Sci. (China), 169(1): 161-166. (SCI)6.Xu, F.L. et al. System-level responses of lake ecosystems to chemical stresses using exergy and structural exergy as ecological indicators. Chemosphere, 2002, 46 (2): 173-185. (SCI) 7.Xu, F.L. et al. La

29、ke ecosystem health assessment: indicators and methods. Water Research，2001, 35(13): 3157-3167. (SCI)8.Xu, F.L. et al. A method for lake ecosystem health assessment: an Ecological Modeling Method and its application. Hydrobiologica，2001, 443 (1-3): 159-175. (SCI)9.Xu, F.L., et al. Modellig the effec

30、ts of ecological engineering on ecosystem health of the Lake Chao. Ecol Model., 1999, 117（2-3）: 239-260. (SCI)10.Xu, F.L. Exergy & structural exergy as ecological indicators for the development state of Lake Chao ecosystems. Ecol. Model., 1997, 99(1): 41-49. (SCI) 有关论著有关论著第50页/共52页Thank you for your attentions第51页/共52页感谢您的观看！第52页/共52页