水生态系统健康评价 理论框架指标体系与定量方法

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1、单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,,*,水生态系统健康评价：理论框架、指标体系与定量方法,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,全国污染生态学术研讨会,,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,1980’s: “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

2、〞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。,,三个开展阶段：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),,①系统能维持自我平衡、②系统无疾病、③具有多样性或复杂性、④系统的稳定性或恢复力强、⑤增长活力大、及⑥系统成份间保持平衡。,,学科定义(ISEH,1998),,“具有诊断、预测和预防特征的, 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交叉性的系统科学〞,研究现状—— 概念起源与开展,研究现状—— 诊断指标〔1〕,单指标 ——> 多指标 ——> 综合指

3、标,,,单指标(早期阶段): 用特殊的种或成份作为衡量指标，如,,毒理学家: 生物个体健康；,,生态学家: 种群丰度；,,鱼类生态学家: 种群的年龄结构;,,Hannon(1985): 生态总产量(GEP) (类似GDP),,,这样的指标不够全面，不能反映生态系统的复杂性；,,易于使用〔特别对管理者〕,,多指标〔当前主流〕:,,Karr 等 (1986)：生物完整性指数(IBI)： 12个指标,,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。,,Ulanowicz (1986)：网络优势指数〔INA〕：包括种群丰度、生态位、

4、发育循环与反响，及总活力等生态系统的四个重要特征。,,Kay 等 (1991) ：河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〕。,,Costanza (1992)：系统健康指数：HI =系统活力指数*系统组织指数*系统恢复力指数,,Jorgensen (1995): Exergy〔Ex〕、Structural Exergy 〔Exst〕和 生态缓冲容量等。,,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,

5、Shinn 指数, Finn 循环指数, 优势度, Ex, Exst及生态缓冲容量。,,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—— 诊断指标〔2〕,研究现状,——,,进展与问题,,近年来，在可持续开展思想的推动下，生态系统健康研究已成为国际生态环境领域新的研究热点和联系地球科学、环境科学、生态学、经济学及社会科学等学科的桥梁。,,在北美, 生态系统健康学已成为环境、生态、公众健康、医学、兽医等专业的一门课程,,研究对象单一：,单一生态系统,；,,研究内容不深入：,评价指标、评价方法,；,研究现状

6、,——,国内研究现状,起步晚，开展快,,相关文献 - 中国期刊网,,检索词：生态健康 or,,生态系统健康,,主题：93年，第一篇,,篇名：99年，第一篇,,综述文章 研究文章,,,305,173,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,湖泊 生态系统,,指标,体系开发,评价,方法,确定,定性定量,评价,,胁迫,因素识别,,生态系统,响应,分析,,,理 论 框 架 〔胁迫-响应关系〕,应 用,,,,,湖泊 生态系统,海湾 生态系统,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

7、效应,,,,,,湖泊化学污染,胁迫,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,,湖泊对化学污染胁迫,的,响应,湖泊生态结构响应,,浮游植物细胞：变大,,浮游动物个体：变小,,浮游植物生物量〔BA)：增加,,浮游动物生物量(BZ)：减少,,小型浮游动物生物量(BZmicro): 增加,,大型浮游动物生物量(BZmacro): 减少,,种群多

8、样性指数：减小,,BZ/BA比率: 减小,,(BZmacro)/BZmicro比率：减小,,湖泊生态功能响应,,浮游植物初级生产力：降低,,浮游植物碳吸收率：变小,,浮游动物碳吸收率：变小,,生态转移效率：降低,,毛生产力／呼吸率：偏离,1,,,毛生产力／生物量：减小,,生物量／能流比率：减小,,湖泊生态系统响应,,生态缓冲容量：降低,,,(Exergy,),：降低,,,(Structural exergy,),：降低,,火,用,结构,火,用,随胁迫加强,湖泊,生态系统健康定量表征 综合指标体系,,,,Location,,Mainland China,海湾生态系统指标开发〔香港吐露港〕,,城市

9、化,,工业化,,农业发展,,资源开发,物理 响应,化学 响应,生物 响应,系统水平 响应,生态服务功能响应,胁迫 指标,响应 指标,环境污染,,Land-locked,,,Length,:15 km,,,,Average depth,: 10-20 m,,Surface area,: 52 km2,,Velocity: 0.04 - 0.08 m/s,Three subzones: harbor, buffer,channelCurrent,,Seven sample sections,,,Two cities: Tai Po, Sha Tin,,Three Reservoirs:,Plove

10、r Cove, Shing Mun, Lower Shing Mun,,,,,,,,Urbanization,,1971,2001,Area: 21.1 → 28.3 km,2,,Population: 24,000 → 625,000,Stresses -,Sha Tin New Town,,1971,2001,Tai Po New Town,,Area: 1.5 → 5 km,2,,Population: 21,000 → 321,000,Urbanization,Stresses -,Industrialization,,1971:,,,,isolated small factories

11、,,,,,1989,:,,,,seven,industry regions,,with total area of more,,then 200 ha,,,,,1989,Stresses -,,Agricultural development,Livestock breeding,图,3-6,香港,1963,年,-1999,年饲养猪和鸡的数量,,1965 → 1989,,,Pigs,: 3,000,→,,,6,000 heads,,,Chickens,:,,5,000,000,→,,,15,000,000 heads,,,,Stresses -,Water resource explorati

12、on,,,Make a dam,,,Pump sea water,,Stresses -,200,Fishy resource exploration,Stresses -,Area & production:,,30 %,of the total,,Mariculture Fish in Tolu Harbor,Four mariculture fish zones,Ore mine exploration,,Ma An Shan Ore Mine,,,Only one in Hong Kong,Duration,:,1906 - 1976,,Outputs,:,900 - 170,000

13、tons per acre,,120,000 (average),Stresses -,Pollution loading,14716,4745,800,6000,1986,Stresses -,Physical responses,Ecosystem responses,,1936,1965,1968,1973,196,88,138.5 km,2,65.3,,km,2,3.5 m,2 m,53%,65%,Ecosystem responses,,Chemical responses,,,BOD,5,TN,TP,Faecal coli.,,Biological responses,Ecosys

14、tem responses,Red tides occurrence,in Tolo Harbour,43,4,Biological responses,Ecosystem responses,Ecosystem-serve-function responses,,,,,,Ecosystem responses,,海湾 生态系统健康定量表征 综合指标体系,III -,评价方法及其应用,直接监测评价法(相比照较法)〔DMM〕,,生态系统健康指数法〔EHIM〕,,生态模型法 〔EMM),Procedure,Select,indicators,Measure,directly or,calculat

15、e,indirectly indicator values,Assess,lake ecosystem health,,,,直接监测评价法〔DMM〕及其应用实例,Case study,,：,Lake Chao,(Indicators &,Data,),直接监测评价法〔DMM〕及其应用实例,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),,Nov. – Dec. (D),,Jan. – Mar. (E),,,To

16、lu Harbor,生态系统健康评价,,(indicators and data),,,Tolu Harbor,生态系统健康评价,(Results),生态健康指数法〔EHIM〕及其应用,EHI,设 计,步 骤,生态健康指数法〔EHIM〕及其应用,计算公式,,EHI - synthetic ecosystem health index,,EHI,i,- the i-th ecosystem health index for the i-th indicator,,ω,i,- the weighting factor for the i-th indicator,生态健康指数法〔EHIM

17、〕及其应用,计算方程,for EHI(BA), EHI(BZ) , EHI(BZ/BA), EHI(Ex) & EHI(Exst),30,个意大利湖泊生态系统健康状态定量诊断结果,,,Case study:,Italy Lakes(Discussion,：,EHI - TSI,Relations,),Indicators for,EHI,Calculations:,,BA, BZ, BZ/BA, Ex, Exst,Indicators for,TSI,Calculations:,,TP, SD , Chl-a,30 Italy Lakes,生态健康指数法〔EHIM〕及其应用,,,分 析 湖

18、泊 生 态 结 构,模 型 验 证,计 算 生 态 指 标 值,评 价 湖 泊 生 态 健 康 状 态,确定指标,,满 意,?,YES,NO,概 念 框 图,模 型 方 程,模 型 参 数,构 建 湖 泊 模 型,,,,,,,生态模型法〔EMM〕及其应用－ 根本流程,,,火,用,生态模型法〔EMM〕及其应用－巢湖磷循环模型,生态健康指标,Exergy,,Str. Exergy,Calibrations,生态模型法〔EMM〕及其应用－巢湖磷循环模型,,,,,Calibrations,生态模型法〔EMM〕及其应用－巢湖磷循环模型,,,,,Calculation & Assessment,生态模型法

19、〔EMM〕及其应用－巢湖磷循环模型,,Results from,,EMM & DMM,,(Bad - Good):,,Aug. – Oct (C),,Apr. – May (A),,Jun. – Jul. (B),,Nov. – Dec. (D),,Jan. – Mar. (E),,A,B,C,D,E,Discussion,－评价结果,生态模型法〔EMM〕及其应用－巢湖磷循环模型,IV,,- Conclusions,(1) A,theoretical frame,for aquatic ecosystem health assessment was proposed,,(3) A,proced

20、ure,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,,including stress indicators and response indicators (physical, chemical, biological, syst

21、em-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.,,DMM for the assessment with poor data,,EHIM for the assessment with systematic data,

22、,EMM for the assessment with the ecological model developed.,,Jorgensen S.E., Xu F.-L. Constansan R., “Handbook of Ecological Indicators for Assessment of Ecosystem Health〞. CRC Press, 2005.3, pp. 439. 2021，第二版,,Xu, F.L., et al. (2006). Restorating marine coastal ecosystem health as a new goal for i

23、ntegrated catchment management in Tolo Harbour, Hong Kong, China. Environmental Management 37(4): 540-552. (SCI),,Xu, F.L. et al. An Ecosystem Health Index Methodology (EHIM) for Lake Ecosystem Health Assessment. Ecol. Model., 2005, 188 (2-4): 327-339. (SCI),,Xu, F.L. et al.(2004). Marine Coastal Ec

24、osystem Health Assessment: a case study of Tolo Harbour, Hong Kong, China. Ecological Modelling 173(4): 355-370. (SCI),,Xu, F.L. et al.(2004). The Long-term Temporal-spatial Dynamics of Marine Coastal Water Quality in the Tolo Harbour, Hong Kong, China. J. Environ. Sci. (China), 169(1): 161-166. (S

25、CI),,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),,Xu, F.L. et al. Lake ecosystem health assessment: indicators and methods. Water Research，2001, 35(13): 3157-3167

26、. (SCI),,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),,Xu, F.L., et al. Modellig the effects of ecological engineering on ecosystem health of the Lake Chao. Ecol Model., 1999, 117〔2-3〕: 239-260. (SCI),,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,Thank you for your attentions,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,