生态环境 2008, 17(6): 2107-2111 http://www.jeesci.com Ecology and Environment E-mail: editor@jeesci.com
底栖动物在水生生态系统健康评价中的作用分析
戴纪翠1, 2，倪晋仁1, 2*
1. 北京大学深圳研究生院，广东 深圳 518055；2. 北京大学水沙科学教育部重点实验室，北京 100871
摘要：从生态系统健康的概念入手，通过对生态系统健康评价方法的研究和分析，对底栖动物尤其是大型底栖无脊椎动物在生态系统健康评价中的作用进行了分析和总结。生物监测法和多指标评价法是水生态系统健康评价的主要手段，而利用指示物种、预测模型和底栖生物的完整性指数等多种方法可以对水生态系统健康进行快速和准确的评价。如何完善底栖动物在生态系统健康评价中的作用并综合运用其他评价技术，以及结合评价结果对受损水生态系统进行生态修复和重建将是这一领域未来研究的重点所在。
关键词：生态系统健康；底栖生物；评价
中图分类号：X174 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2008）05-2107-05
人类社会的可持续发展归根结底是生态系统的可持续发展问题，作为可持续发展的目标之一，维持健康的生态系统已经成为众多学者的共识。水生态系统在人类社会的发展过程中发挥着至关重要的作用，它不仅提供人类生活和生产的基础产品, 还具有维持生态系统结构、生态过程与区域生态环境的功能。但是近年来，由于水资源利用和污染物排放强度的增大，轻视保护水资源使水环境功能遭到了严重的破坏，并直接导致了河流断流、湿地丧失、区域生态环境退化、生物多样性减少等，生态系统健康状况受到严重的威胁[1-2]。因此如何评价生态系统的健康状况已经成为水利科学、生态科学和环境科学等领域研究的热点之一[3-4]。
水生态系统的任何变化都会影响水生生物的生理功能、种类丰度、种群密度、群落结构等, 因此生物评价法已成为评价河流生态系统健康状况的重要手段，而以鱼类、硅藻与大型无脊椎动物为对象的指示物种方法仍是河流生态系统健康的主要研究方法[5]。底栖动物是水生态系统中最重要的定居动物代表类群之一，影响着水生态系统中的物质分解和营养循环，如在水底能加速碎屑的分解，并能调节沉积物-水体之间的物质交换，促进水体自净等[6]。底栖动物群落是水环境生态系统的重要组成部分，尤其是在淤泥质河口潮滩生态系统中，底栖亚系统是一个非常重要的动态中心，而底栖动物群落在这个动态中心里占据着承上启下的关键位置。由于底栖动物的分布和数量对于环境条件的保护特别敏感，因此常常被作为环境监测的指示动物[6-7]，并被广泛地应用于生态系统健康评价的研究
基金项目：深圳市环境科研基金资助项目
中[8]。本文在系统讨论生态系统健康的概念和研究
方法的基础上，重点讨论了底栖动物尤其是大型底栖无脊椎动物在生态系统健康评价中的作用及其角色，并对生态系统健康评价未来的发展方向进行了剖析，以期对相关的生态建设、受损水生态系统的修复技术的研发和科学管理有所指导和促进。
1 生态系统健康的概念及评价
生态系统健康是一个全新的概念，目前还没有形成一套较为系统和完整的体系[9]。Rapport[10]早在20世纪70年代末就提出了“生态系统医学”的概念，认为健康的生态系统是指生态系统稳定且可持续发展、没有病痛反应、随时间的推移具有活力并且能维持其组织及自主性，并在外界胁迫下容易恢复。之后他又首次论述了生态系统健康的内涵[11]，认为生态系统健康是指一个其所具有的稳定性和可持续性，即在时间上具有维持其组织结构、自我调节和对胁迫的恢复能力。Schaeffer[12]等认为当生态系统功能未超过阈限时则该生态系统是健康的。Costanza[13]提出健康生态系统的组成是活力、组织性和反作用力，生态系统越健康，其从干扰中的恢复能力也就越大。Mageau[14]提出健康的生态系统应生机勃勃，充满活力；受到干扰有良好的恢复能力。国际生态系统健康学会在1999年将生态系统健康学定义为研究生态系统管理的、预防性的、诊断性的和预兆的特征，以及生态系统健康与人类健康之间关系的一门科学[15]。在国内，崔保山[16]认为生态系统健康是指系统内的物质循环和能量流动未受到损害，关键生态组分和有机组织被完整保存，且缺乏疾病，对长期或突发的自然或人为扰动能保持
作者简介：戴纪翠（1977年生），女，博士，主要从事生态系统健康评价研究。E-mail: daijc@szpku.edu.cn *通信作者：E-mail: nijinren@iee.pku.edu.cn 收稿日期：2008-06-13?
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着弹性和稳定性，整体功能表现出多样性、复杂性、活力和相应的生产率，其发展的终极是生态整合性，对压力是具有弹性的。
目前对生态系统健康的研究内容主要集中在主要研究内容包括其评价方法、生态系统健康与人类健康的关系、环境变化与人类健康的关系以及各尺度生态系统健康管理的方法[17]，其中生态系统健康评价方法的研究受到了最为广泛的关注。对不同类型生态系统，乃至宏观区域的生态系统健康评价以及对生态系统健康评价机理的研究成为热点，研究领域已迅速扩展到湿地、湖泊、河流和海洋等生态系统。
2 底栖动物在生态系统健康评价中的角色
2.1 大型底栖无脊椎动物在水生态系统中的作用
在陆生生态系统中对物质分解起重要作用的是微生物，而在水生态系统中，大型底栖无脊椎动物对物质分解起着重要作用。大型底栖无脊椎动物一般都有很高的物种多样性，对于维持水生态系统功能的完整性有着至关重要的作用[18]。大型底栖动物在水生态系统中属于消费者亚系统，是生态系统中物质循环、能量流动中积极的消费和转移者，并通过摄食、掘穴和建管等扰动活动直接或间接地影响着水生态系统。如在以碎屑食物链为主导的河口湿地生态系统中，底栖动物处于系统的中间环节，在能量流动、物质循环等过程中起着承上启下的的关键性作用[7]，对区域污染物的代谢、迁移和转化，沉积物的扰动和局部生境的稳定等都具有重要的作用。底栖动物以摄食碎屑物为主，包括其中的植物凋落物、藻类和微生物。而其自身又是湿地大多数鸟类饵料的重要组成部分[19]。许多研究结果表明，大型底栖动物生物量的分布是决定湿地鸟类空间分布格局的主要因素[20]。
尽管目前评价生态系统健康状况的方法很多，但是大致来说，不外乎生物监测法和多指标综合评价法。本文将主要就分别从这两个方面对底栖动物尤其是大型底栖无脊椎动物在生态系统健康评价中的角色进行综合的研究和分析。 2.2 生物监测法
生物监测方法是指通过监测一些生物或其类群的数量、生物量、生产力、结构指标、功能指标及其一些生理生态状况的动态变化，来描述生态系统的健康状况，其中应用较多的就是指示物种法和预测模型法。
2.2.1 指示物种法
鉴于生态系统的复杂性，经常需要采用一些指示类群来监测生态系统健康[21]。指示物种法主要是
针对自然生态系统进行健康评价，是依据生态系统的关键物种、特有物种或环境敏感物种等的数量、生物量和生产力等来描述生态系统健康状况。一般来说，生态系统在没有外界胁迫的条件下，通过自然演替为这些指示物种造就适宜的生境，致使这些物种与生态系统趋于和谐的稳定发展状态。当生态系统受到外界胁迫后，生态系统的结构和功能受到影响，这些指示物种的适宜生境受到胁迫，它们的结构功能指标将产生明显的变化[22]。利用指示物种法来评判生态系统的健康状况，前人已经做了大量的研究工作。如Hatcher等[23]收集了大量数据研究珊瑚礁生态系统与人类健康的关系，结论表明人类也是珊瑚礁生态系统的组成部分，表征人类活动的指标应包含于珊瑚礁生态系统健康评价的指标体系中；Robert[24]和Jessup[25]也分别选取海牛和南方海獭作为单物种生态系统健康评价法的指示物种。
近年来，底栖无脊椎动物、藻类、鱼类、鸟类作为一个可行的指标也正引起人们的注意。其中底栖无脊椎动物在90%的项目中被选择为指示性物种。而底栖大型无脊椎动物是最常用的一组，可以成功地用来评价相应地区的环境质量。这与大型无脊椎的特点是分不开的[26]：不易移动,可以反映其生境的大部分条件；许多种类有较长的生命周期；占据了几乎所有的消费者营养级水平，能完成一个完整的生物积累过程。这些特点使得大型无脊椎动物成为评价中的最佳选择，并已经成功地应用到水环境评价研究中[27]。学者根据北美五大湖湿地的鱼类和环境资料数据建立了湿地鱼类指数(WFI)来评价海岸带湿地质量。Brazner[31]等在北美五大湖岸线的450个点收集了大量的六类生物(鸟、鱼、两栖类动物、水生大型无脊椎动物、湿地植物和硅藻属)数据资料，作为研究分析对人类干扰的大区域范围内各类生物的评价指标。结果表明，食虫的鸟类和硅藻类对人类的干扰最为敏感，其次为湿地植物、鱼和大型无脊椎动物受人类的干扰影响最小，通过这些指标的监测可以反映大尺度湿地健康的变化状况。
虽然采用生物类群指示生态系统健康的研究取得了很大进展，成为生态系统健康研究的常用方法，但仍然存在着一些问题。如指示物种的筛选不明确；又如即使是提出作为生态系统健康指示中的很多物种都具有很强的移动能力，对胁迫的耐受程度比较低，与生态系统变化的相关性比较弱，并且很少有哪个脊椎动物能够符合多个标准[28]。另一方面，用于指示生态系统健康的无脊椎动物通常是分类等级较高，难以测定每个物种的作用，同时这些物种中有些可能不必要甚至不合适[29]。指示生物只是指示
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存在着一定的适宜指示物种的生态环境，而指示物种的减少是否会对系统产生重要影响及其在生态系统中的作用均难以确定，因此不能全面反映生态系统的变化趋势。如Boulton[30]在研究中发现指示物种变化与整个系统的功能和整体性质的变化相关性很小。关于指示物种法中所涉及的种群多样性指数测量及计算方法的有效性也存在着争论。 2.2.2 预测模型法
作为生物评价的一种，预测模型法也已经从单纯的水质评价借鉴到生态系统健康评价中的研究中。预测模型法选择无人为干扰或人为干扰最小的样点为参考点，建立理想情况下样点的环境特征及相应的生物组成的经验模型，比较观测点生物组成的实际值(O)与模型推导的该点的预期值(E)，以O/E
值对环境状况进行评价[32]
。其中应用最广泛的生物类群是大型底栖无脊椎动物，如RIVPACS和澳大利亚的河流评价计划(AusRIVAS)等都是基于底栖大型无脊椎动物生物多样性及其功能监测上的河流状况评价模型[33]。两者均以大量未受污染地点的底栖无脊椎动物群落和栖境资料为基础，根据种类组成和相似性用聚类分析建立参照类群，并用逐步判别功能分析法筛选出与各参照点底栖动物群落组成有密切关系的变量，如受人类活动影响较小的纬度、经度、海拔、底质组成等生物学性状，建立判别函数。评价时，将监测点的非生物学性状数据输入模型，选择合适的参照类群，以监测点与参照类群之间的种类相似程度判断水质级别[34]。借鉴水体快速生物评价的有关思想，并根据湿地泥沙自身的特点，特别考虑经济快速增长地区湿地动态变化的特点，倪晋仁[35]提出了一种适用于湿地动态评价的方法，其是再类比澳大利亚水体快速生物评价的基础上提出的，根据比较观测点的生物组成的实际值(O)与参照点的生物群落预期(E)，以O/E值对湿地生态系统进行快速评估，O/E比值可以在0 ~1之间变化，比值越接近于1，则说明该点的健康状况越好。该种方法已经被成功用于深圳湾河口湿地的快速评估中[36]。虽然利用大型底栖无脊椎动物预测模型法主要是通过单一物种对湿地生态系统健康状况进行评价，并且假设任何变化都会反映在这一物种的变化上，一旦出现水环境健康状况受到破坏，但并未反映在所选物种的变化上，就无法反映生态系统的真实状况。 2.3 多指标评价法
单个生物参数只对一类或几类干扰反应敏感，所以单独一个生物参数并不能准确和完全地反映水体健康状况和受损程度。生物评价中应用较多的
另一种方法是多度量指数法。基于其群落结构特征而构建的底栖动物完整性指数B-IBI是应用最广泛的水生态系统健康评价指标之一。生态系统健康可以通过化学的、物理的和生物的完整性来体现[37]。生物完整性指数(IBI)主要是从生物集合体的组成成分(多样性)和结构两个方面反映生态系统健康状况，是目前水生生态系统研究中应用最广泛的指标之一[38-39]。主要是用多个生物参数综合反映水体的生物学状况，从而评价流域内生态系统的健康。它是一种既可定量描述人类干扰与生物特性之间的关系，且对干扰反应敏感的一组生物指数，它是有Karr[40]最先提出并以鱼类为研究对象建立的。IBI最初是以鱼类为研究对象建立的，共有12个测量指标。IBI得到许多研究者的支持，并分别在大型底栖无脊椎动物、藻类、浮游生物、湿地、溪流和河口地区的高等维管束植物等类型生物中进行了应用[41]
。IBI 已广泛应用于水生态科学研究、资源管理、环境工程评价、政策和法律的制订，也被许多环保志愿者组织所采用。目前美国EPA已将水质生物评价的重点转向水生态系统健康评价，其核心就是IBI[42]。底栖动物完整性指数(B-IBI)最早由Kerans[43](1994)提出，也是目前应用最广泛的生物完整性指数。Genito等[44](2002)研究了大型底栖无脊椎动物群落构成与土地使用状况之间的关系，发现采样点上游农业用地面积大于40%时，底栖动物群落中的敏感类群的种类数就越低，农业生产活动就会影响水生态系统的健康。Diaz[45]归纳了B-IBI分值与环境质量之间的标准：=5为高环境质量；3.0~4.9为良好；2.7~2.9为轻胁迫；2.0~2.6为胁迫；<2为严重胁迫。王备新[46]据安徽黄山地区溪流的33个底栖动物样点数据对21个生物参数进行分布范围、Pearson相关性和判别能力分析, 确定B-IBI指数由总分类单元数、EPT分类单元数、前3位优势分类单元%、粘附者%、敏感类群%和BI指数构成。建立了适合祁门县溪流生态系统健康评价B-IBI标准,并对其健康状况进行了初步的评价。李强[47]通过熵值权重系数计算B-IBI值对西苕溪的健康状况进行评价，研究还表明，B-IBI指数与栖境指数、水温和海拔显著相关。
3 研究展望
目前人们对水生态系统健康越来越重视,研究报道也相对较多，已经建立了一系列的评价方法。通过上述研究和分析不难看出，底栖动物尤其是大型底栖动物具有易采集、种类多、对各种干扰反应敏感以及比较容易鉴定等特点，使得它们在水生态系统健康评价中占有重要的地位,水生生物评价信息是
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水资源管理中的关键组成部分。如何充分发挥水生生物信息如生物完整性指数和预测模型法在水生态系统健康管理中的作用,以及综合应用这些方法与其它评价指标进行水生态系统健康评价及其管理,都是尚需完善和研究的内容。另外，通过底栖动物的多样性指数等各种评价方法得到的评价结果与受损水生态系统的生态恢复与重建的关系,建立适合于生态恢复与重建工程的生物学评价标准也是学者们努力的方向之一。除此之外，随着3S等定量化的技术的日益完善和应用，利用底栖生物评价生态系统健康的研究必将得到进一步的深化，这必将大大提高人们对大尺度生态系统管理的能力。
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1. Shenzhen Gradate School, Peking University, Shenzhen 518055, China;
2. Key Laboratory of Water and Sediment Sciences, Ministry of Education, Peking University, Beijing 100871, China
Abstract: Based on the conception of ecosystem health, the roles of benthos, especially for macroinvertebrates in the aquatic ecosystem health assessment are summarized and presented in the paper. Results showed that biological monitoring and multi-indicators method are the two primary methods for aquatic ecosystem health assessment. Methods of indicative species, predictive models and biological integrity of benthos can be employed to assess aquatic ecosystem health rapidly and precisely. Furthermore, it is important to strengthen the multidisciplinary comprehensive approaches, consummate the applications of benthos for ecosystem health assessment. And based on the assessment conclusion, an applicable restoration and rebuilt for the impaired ecosystem may be the keypoint in the future studies. Key words: ecosystem health; benthos; assessment
底栖动物在水生生态系统健康评价中的作用分析解读
